Zugriff auf Beschleunigungsmesser

ein komplexes Thema auf einfache Weise

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Eigenschaften des Beschleunigungsmessers

Zugriff auf Beschleunigungsmesser

Temperatur und elektrische Eigenschaften


Temperaturbezogene Eigenschaften

Nach den Eigenschaften auf der „Empfindlichkeits-Achse“ und der „Frequenz-Achse“ ist die dritte wichtige Domäne die Temperatur . Bei der Temperatur kann zwischen der Temperaturbeständigkeit und dem Temperaturverhalten unterschieden werden.


Temperaturfähigkeit

Die Fähigkeit, eine maximale (aber auch eine minimale) Temperatur zu überstehen, ist in erster Linie durch das Piezomaterial gegeben. Einige Beispiele haben wir im Kapitel über den piezoelektrischen Effekt gesehen . Meistens ist es die Curie-Temperatur des Piezomaterials, die die Temperaturfähigkeit bestimmt. Dabei müssen wir immer einen respektvollen Abstand zur Curie-Temperatur halten!
Natürlich müssen auch alle anderen Teile des Sensors in der Lage sein, ihre Funktion bei den extremen Temperaturen aufrechtzuerhalten und schließlich ist auch die Verpackungsmethode des Sensorherstellers sehr wichtig. Die absolute maximale (oder minimale) Temperatur, der der Beschleunigungsmesser ausgesetzt sein kann, wird normalerweise Überlebenstemperatur oder kurzfristige Überlebenstemperatur genannt . Diese Begriffe sind etwas vage und nicht standardisiert. Für die genaue Bedeutung sollte man sich auf die Definition des Herstellers beziehen, aber es impliziert, dass der Sensor diesen Temperaturen ausgesetzt werden kann, ohne dauerhafte Schäden oder Leistungseinbußen zu erleiden.
Ohne zusätzliche Angabe muss davon ausgegangen werden, dass der Sensor diesen Temperaturen vollständig ausgesetzt ist, aber wir finden manchmal getrennte Anforderungen für die «Geräteeinbautemperatur» (UMT) und die «Umgebungslufttemperatur» (SAT)


Betriebstemperaturbereich

Ähnlich wie beim dynamischen Bereich können wir einen Temperaturbereich von der niedrigsten bis zur höchsten Betriebstemperaturgrenze definieren, innerhalb dessen die spezifizierten Eigenschaften des Beschleunigungssensors garantiert sind. Neben einer gewissen Variation der Empfindlichkeit (die wir als Temperaturverhalten bezeichnen) ist der wichtigste Parameter, der von der Temperatur beeinflusst wird, der Innenwiderstand des Piezoelements. Für bestimmte Materialien ist die Verringerung des Widerstands einschränkender als die Curie-Temperatur.
Wie wir gesehen haben, hat der Innenwiderstand einen großen Einfluss auf den Frequenzgang bei tiefen Frequenzen. Daher muss dieser Aspekt berücksichtigt werden, wenn Niederfrequenzmessungen bei höheren Temperaturen erforderlich sind.
Die Einschränkungen durch den Innenwiderstand und die Curie-Temperatur beeinflussen die Obergrenze bzw. den Einsatztemperaturbereich. Manchmal gibt es jedoch auch eine Grenze auf der niedrigen Seite. Einige Piezomaterialien durchlaufen einen Phasenübergang und funktionieren unterhalb einer bestimmten Temperatur nicht mehr. Glücklicherweise ist dieser Effekt reversibel.


Temperaturgefälle

Auch piezoelektrische Beschleunigungssensoren können einen mehr oder weniger ausgeprägten  Reaktion auf Temperaturschwankungen. Diese Phoneme werden im Kapitel „Störfaktoren“ behandelt.


Temperaturreaktion (Temperaturempfindlichkeitsfehler)

Die Temperaturantwort gibt den Fehler der Empfindlichkeit bei Temperatur in Bezug auf Raumtemperatur an.

Sie wird normalerweise in Prozent ausgedrückt, wobei 100 % die Empfindlichkeit bei Raumtemperatur ist.
Eine typische Aussage könnte beispielsweise sein
± 5 % von 20 °C bis 200 °C und ± 8 % von 20 °C bis -50 °C

Typical graph for temperature error

Messaufbau

Um eine Temperaturgangmessung durchzuführen, benötigen wir eine Verlängerung vom Shaker in einen Ofen, um den Prüfling aufzuheizen, ohne den Referenzsensor zu erhitzen. Bei Bedarf können wir ein Kühlgerät verwenden. Als Stimulation verwenden wir einen sinusförmigen Vibrationseingang mit dem gleichen Pegel und der gleichen Frequenz wie für den Kalibrierungstest.
Mechanisch müssen wir sicherstellen, dass es in der Nähe der Testfrequenz keine axiale oder transversale Resonanz gibt, die den Vibrationspegel von einem Ende zum anderen über die Verlängerungsstange beeinflussen könnte.
Thermisch müssen wir die Verzögerung der Temperatur zum Aufheizen des Prüflings berücksichtigen. Wir können entweder diskrete Temperaturschritte machen und verschiedene Messungen durchführen, nachdem wir den Wandler aufgewärmt haben, oder wir können die Temperatur sehr langsam erhöhen und eine kontinuierliche Messung durchführen.
Als Ergebnis tragen wir den Empfindlichkeitsfehler in Prozent (bezogen auf den Messwert bei Raumtemperatur) gegen die Temperatur auf.


 


Gestaltungselemente beeinflussen

Sketch showing test set-up for the temperature response measurement

Ofen

Sinusförmiger Vibrationseingang

Bezug
Wandler

Kühlung

Einheit im Test

Versuchsaufbau für die Temperaturgangmessung

Die maximale Temperatur wird eindeutig durch das Piezomaterial bestimmt, und auch die Änderung von Empfindlichkeit und Widerstand mit der Temperatur hängt fast ausschließlich davon ab.

Die Verpackungsart ist oft von großer Bedeutung für das Temperaturverhalten des Widerstands.

Natürlich müssen auch die anderen im Beschleunigungsmesser verwendeten Materialien für die Umwelt geeignet sein.


Lademodus vs. Spannungsmodus

Wird ein piezoelektrischer Sensor im Spannungsmodus verwendet, ist das Temperaturverhalten des Sensors im Allgemeinen nicht das gleiche wie im Lademodus!

 
 
 


Elektrische Eigenschaften

Die wichtigsten elektrischen Eigenschaften eines piezoelektrischen Beschleunigungssensors sind der Innenwiderstand, die Kapazität und schließlich das Ausgangssignal selbst.


Sinusausgang: Ladung vs. Spannung

Wir betrachten hier nur den reinen Ladungsausgangsbeschleunigungssensor, der keine integrierte Elektronik hat. Der Beschleunigungssensor mit Ladungsausgang sollte immer mit einem dedizierten Ladungswandler betrieben werden, wie bereits in diesem Tutorial beschrieben.

Nähere Informationen finden Sie im Kapitel „Signalkonditionierer“ .

Wenn aus irgendeinem Grund der Spannungsausgang von Interesse ist, muss darauf geachtet werden, dass jede zusätzliche Kapazität, die mit dem Beschleunigungsmesser verbunden ist, den Messwert der Spannung U verringert.
Die Ladung ist Q=U·C , wobei C
  ist die Gesamtkapazität.
Die Gesamtkapazität C
  ist die Summe der Ausgangskapazität des Beschleunigungsmessers, des Verbindungskabels und der Eingangskapazität des Voltmeters.


Widerstand

Wir haben bereits gesehen, dass die Innenwiderstände eines piezoelektrischen Beschleunigungssensors einen großen Einfluss auf die korrekte Funktion haben und daher wichtig sind.

In einem symmetrischen Beschleunigungsmesser finden wir drei Einzelwiderstände:

R1 zwischen Pol 1 und Gehäuse,

R2 zwischen Pol 2 und dem Gehäuse,

R3 zwischen Pol 1 und Pol 2

Allerdings sind die drei Widerstände für eine einfache Messung nicht zugänglich, da sie immer in Dreieckschaltung zusammengeschaltet sind. Wir können die drei "entsprechenden" Widerstände Rx, Ry und Rz nennen.

Diagram shows individual resistances R1, R2 and R3 versus resistances Rx, Ry and Rz wired in delta connection

Einzelwiderstände R1, R2 und R3 gegenüber Widerständen Rx, Ry und Rz in Dreieckschaltung verdrahtet

Nun sind die Widerstände Rx, Ry und Rz genau die, die für die Funktion mit externer Elektronik wichtig sind. Wenn beispielsweise Rz niedrig ist, spielt es keine Rolle, ob dies an einem niedrigen R3 liegt oder daran, dass R1 und R2 beide niedrig sind.

Wenn wir vom Innenwiderstand eines Beschleunigungssensors sprechen, meinen wir immer den kombinierten Widerstand Rz . Dasselbe gilt für die Pol-zu-Gehäuse-Widerstände Rx und Ry .


Messung von Rx, Ry und Rz

Die Widerstände des Beschleunigungssensors sind sehr hoch (im gesunden Zustand). Dies bedeutet, dass wir ein Megohmmeter verwenden, wie es üblicherweise zum Messen eines Isolationswiderstands verwendet wird. Die empfohlene Spannung beträgt 50 V oder 100 V. Allerdings ist Vorsicht geboten, wenn bei Temperatur gemessen werden soll. In diesem Fall ist es möglich, dass die Polarisation des Piezoelements beeinflusst wird und daher ist ein Standard-Multimeter mit einigen Volt Prüfspannung die bessere Lösung.

Manchmal (z. B. zur Fehlersuche) werden die Werte der Wirkwiderstände R1, R2 oder R3 benötigt. Dazu wird empfohlen, die 4-Draht-Methode zu verwenden, wie unten angegeben.


Messung von R1, R2 und R3 (4-Leiter-Methode)

Die realen Werte für R1, R2 und R3 können direkt über eine 4-Leiter-Methode mit separater Spannungsversorgung und Pico-Amperemeter ermittelt werden  gemäß den Skizzen unten.

Dieses Verfahren geht davon aus, dass die Werte von R1, R2 und R3 wesentlich höher sind als die Innenwiderstände des pA-Meters und der Spannungsquelle (was normalerweise der Fall sein sollte).

Der Widerstand ist jeweils R=U/i

Measurement of R1 with the 4 wire method
Measurement of R2 with the 4 wire method
Measurement of R3 with the 4 wire method

Diagramme zur Messung der Einzelwiderstände R1, R2 und R3 mit der 4-Leiter-Methode

 

Es wird empfohlen, die Messungen mit R3 und dann mit R1 und R2 zu beginnen, da die Entladung des Piezoelements (Zeitkonstante R3 C3) nach der Messung von R1 und R2 die Messung von R3 stören könnte.


Kapazität

Die innere Kapazität hat für die gute Funktion eines piezoelektrischen Beschleunigungssensors in Verbindung mit einem Ladungswandler praktisch keine Bedeutung. Im Gegensatz dazu sind die Pol-zu-Gehäuse-Kapazitäten eines symmetrischen Beschleunigungsmessers wichtig. Sie sollten möglichst klein und vor allem gleich groß sein.

Weitere Erläuterungen finden Sie im Kapitel "Signal Conditioners" .

Ähnlich wie bei den Widerständen finden wir in einem symmetrischen Beschleunigungssensor drei individuelle Kapazitäten:

C1 zwischen Pol 1 und dem Gehäuse,

C2 zwischen Pol 2 und dem Gehäuse,

C3 zwischen Pol 1 und Pol 2

Auch hier kann nicht direkt auf die Kapazitäten zugegriffen werden, da sie in einer Dreieckschaltung miteinander verdrahtet sind.

 

Die drei korrespondierenden, von außen messbaren Kapazitäten Cx, Cy und Cz sind auch für die Funktion mit externer Elektronik zu berücksichtigen.

Diagram shows individual capacities C1, C2 and C3 versus capacities Cx, Cy and Cz wired in delta connection

Einzelne Kapazitäten C1, C2 und C3 gegenüber Cx, Cy und Cz in Dreieckschaltung verdrahtet

Mit interner Kapazität eines Beschleunigungsmessers meinen wir immer die kombinierte Kapazität C z .

Die Pol-zu-Gehäuse-Kapazitäten sind Cx und Cy .


Messung

Zur Messung der kombinierten Pol-zu-Gehäuse-Kapazitäten Cx, Cy oder der inneren Kapazität Cz kann ein beliebiges LCR- oder Kapazitätsmessgerät verwendet werden. Achten Sie bei der Messung kleiner Kapazitätswerte darauf, dass parasitäre Kapazitäten durch die Anschlussverdrahtung und den Messaufbau vermieden werden.


Falls aus irgendeinem Grund die Einzelwerte der Kapazitäten C1, C2 und C3 benötigt werden, können die Messungen mit den Kurzschlussbrücken gemäß den folgenden Skizzen durchgeführt werden.

Measuring of CA using a short cicuit bridge
Measuring of CB using a short cicuit bridge
Measuring of CC using a short cicuit bridge

Diagramme zur Messung der Einzelkapazitäten C1, C2 und C3 mit Kurzschlussbrücken.

Mit  C A , C B und C C die einzelnen Kapazitäten können wie unten gezeigt berechnet werden, jedoch muss für ein korrektes Ergebnis die Auflösung des höchsten Werts von C A , C B und C C im Vergleich zu den signifikanten Stellen des niedrigsten Werts ausreichend sein .

C1=(C_A+C_C−C_B)/2
C2=(C_B+C_C−C_A)/2
C3=(C_A+C_B−C_C)/2