Piezo Accelerometer Tutorial
Accelerometer Design
Montage eines Vibrationssensors
Dieses Video ist nicht als wirkliche Montageanleitung für ein Accelerometer gedacht, es soll vielmehr die grundlegenden Teile und deren Zusammenspiel aufzeigen. Die eigentlichen Montageverfahren wurden weder erläutert noch genannt. Die Fügeverfahren der Teile müssen für die vorgesehene Umgebung wie die Temperatur, aber auch für die Vibrationsumgebung geeignet sein. Wir wollen sicherstellen, dass sich nichts löst. Eine gängige Praxis ist daher das Schweissen oder Löten zum Verbinden der Teile. Für niedrigere Temperaturen kann auch Weichlöten oder Kleben geeignet sein. Die äußeren Gehäuseteile werden normalerweise zusammengeschweißt, um einen vollständig hermetischen Schutz und eine durchgehende elektrische Abschirmung zu gewährleisten.
Wir haben gesehen, dass die Zeitkonstante (eine sehr wichtige Eigenschaft) vom Widerstand und von der Kapazität des Piezoelements abhängt. Hinsichtlich der Kapazität können wir während der Montage nicht viel tun, da sie durch Design-Parameter vorgegeben ist. Der Widerstand ist jedoch stark von der direkten Umgebung des Piezoelements abhängig. Er ist sehr empfindlich gegenüber Verschmutzung und Feuchtigkeit.
Daraus leiten wir für den Zusammenbau ab, dass alle Teile extrem sauber sein müssen und dass keine Feuchtigkeit im Gehäuse eingeschlossen werden darf.
Bauteile-Design
Typische Accelerometer Teile
Die Details der Teilekonstruktion sind natürlich ein wichtiger Teil des Know-hows der Hersteller piezoelektrischer Sensoren. Hier wollen wir einige prinzipielle Überlegungen anstellen, die allgemein bekannt und veröffentlicht sind.
Die Konstruktionsdetails des Accelerometers werden meist durch den Funktionszweck des Sensors bestimmt. Soll er für den Einsatz im Labor oder in rauer industrieller Umgebung, für eher mittlere oder sehr hohe Frequenzen, für mässige, kryogene oder glühend heiße Umgebungstemperaturen geeignet sein? Oft steht das Gewicht im Vordergrund, sei es, um eine hohe Resonanzfrequenz zu erreichen oder um das schwingende Objekt im Allgemeinen nicht unnötig zu belasten.
Die erste Design-Entscheidung ist die Wahl des grundlegenden Funktionsmodus des Accelerometers. Abhängig von den Anforderungen werden wir normalerweise zwischen Kompressions- oder Schermodus wählen. In einigen Fällen können wir auch den Transversalmodus unter Verwendung eines Flex-Designs berücksichtigen.
Basis
Die Hauptfunktion der Basis besteht darin, das interne Sensorelement zu tragen, die Montage des gesamten Sensors zu ermöglichen, den Stecker zu fixieren (in den meisten Fällen) und als Teil des äusseren Gehäuses das Sensorelement vor Umwelteinflüssen zu schützen. Die Grösse und Form des Sockels bestimmt weitgehend das Gewicht und den Frequenzgang des Accelerometers.
In unserem Fall ist die Anforderung an den Frequenzgang moderat. Daher hat unsere Konstruktion vier Befestigungslöcher durch den gesamten Block. Für einen hohen Frequenzgang, wäre ein einziger zentraler Befestigungsbolzen die bevorzugte Option gewesen, und für eine Flugzeuganwendung würden wir alles unnötige Material entfernen.
Ein wichtiges Merkmal ist jedoch die Nut um das Messelement herum. Das Piezoelement reagiert sehr empfindlich auf jede Deformation. Es soll mechanisch möglichst gut von Deformationen des Gehäuses oder der Montagefläche entkoppelt werden, wobei die Transmission in Messrichtung erhalten bleiben soll. Auch das Kabel kann über den Stecker einen Einfluss haben, indem das Gehäuse deformiert und die Messung verfälscht wird.
Die Montagefläche muss flach und glatt sein, besonders wenn wir bei hohen Frequenzen messen wollen.
Isolation
Wir werden ein Material wählen, das auch bei der maximalen Auslegungstemperatur einen hohen Widerstand aufweist und das hart genug ist, um die Schwingungen zu übertragen. Viele der technischen Keramiken werden diese Aufgabe normalerweise erfüllen.
Natürlich ist es viel einfacher, auf jegliche Isolierung zu verzichten, wenn die elektrische Auslegung dies zulässt.
Piezo-Element
Im Allgemeinen suchen wir nach dem piezoelektrischen Material mit der höchsten Empfindlichkeit, aber meistens wird es durch Faktoren wie Temperaturbereich, Temperaturgang, Langzeitstabilität und manchmal durch bestimmte exotische Anforderungen wie nukleare Strahlung oder andere Besonderheiten der Umgebung bestimmt.
Trägheitsmasse
Für die Trägheitsmasse suchen wir ein Material mit hoher Dichte, damit die Masse gross ist (für eine hohe Empfindlichkeit) und das Volumen möglichst klein. Blei wäre ein guter Kandidat, aber es ist zu weich. Ein einfacher Block aus Stahl oder Messing würde genügen, aber normalerweise verwenden wir ein Material mit hoher Dichte wie Wolfram.
Alle Anlageflächen des Sensorelements müssen eben und glatt sein, um die Schwingung korrekt zu übertragen.
Bolzen
Der Vorspannbolzen muss so beschaffen sein, dass eine ausreichende Vorspannung unter allen Funktionsbedingungen einschliesslich maximaler Vibration, Schock und Temperatur über die gesamte Lebensdauer des Sensors gewährleistet ist.
Eine mögliche Montagevariante ist die direkte Verklebung der Teile.
Stecker
Ein hermetisch dichter Stecker (Keramik- oder Glas-Dichtung) ist empfehlenswert. Auch hier hängt viel von der geforderten Temperatur ab. Wir müssen uns darüber im Klaren sein, dass die Spezifikation des Vibrationsniveaus unseres Accelerometers normalerweise viel höher ist als die der kommerziell erhältlichen Steckverbinder. Dies ist der Grund dafür, dass die meisten Hersteller von PE Accelerometern oft ihr eigenes Design verwenden.
Es ist auch wichtig, über den Gegenstecker nachzudenken. Er muss unter fast den gleichen Bedingungen überleben und funktionieren wie der Sensor selbst. Bei sehr rauen Bedingungen ist es besser, auf den Steckverbinder ganz zu verzichten und ein unlösbar integriertes Kabel vorzusehen. Dies erlaubt es, den Steckverbinder in eine besser geeignete Umgebung zu verlegen.
Deckel
Die Abdeckung muss zusammen mit dem Sockel eine hermetische Umhüllung des Sensorelements bilden. Gleichzeitig benötigen wir Schutz vor mechanischen, thermischen und elektromagnetischen Einflüssen aller Art. Daher ist eine solide Metallhaube wahrscheinlich eine gute Wahl.
