Geschrieben von Grant Maloy Smith, dem Datenerfassungsexperten

In diesem Artikel befassen wir uns damit, wie Erschütterungen und Vibrationen heute mit Beschleunigungssensoren gemessen werden, und zwar so detailliert, dass Sie:

  • sehen, welche Beschleunigungssensoren aktuell verfügbar sind;
  • lernen, welche Grundtypen von Beschleunigungssensoren erhältlich sind und wie sie eingesetzt werden;
  • verstehen, wie Beschleunigungssensoren in Ihr Datenerfassungssystem eingebunden werden können.

Einleitung

Als Menschen, die mit Fahrradfahren und dem Herumschieben von Spielzeug auf dem Boden aufgewachsen sind, verstehen wir von Natur aus die Beschleunigung eines Objekts durch eine äußere Kraft. Vibrationsdaten und daraus abgeleitete Parameter wie Beschleunigung, Erschütterung und Weg spielen bei zahllosen Anwendungen eine ausgesprochen wichtige Rolle.

Was ist Vibration?

Vibration kann als Schwingung oder wiederkehrende Bewegung eines Objekts um eine Gleichgewichtsposition betrachtet werden, bei der sich die auf das Objekt wirkenden Kräfte in der Summe ausgleichen.

Vibrationen treten in der Regel aufgrund der dynamischen Auswirkungen von Fertigungstoleranzen, Spiel, Roll- und Reibkontakt zwischen Maschinenteilen oder Unwuchtkräften in rotierenden oder sich hin- und herbewegenden Elementen auf. Häufig können kleine, zunächst unbedeutende Schwingungen die Resonanzfrequenzen anderer Strukturteile anregen und zu größeren Schwingungs- und Geräuschquellen verstärkt werden. Aus diesem Grund ist das Überwachen von Schwingungen durchaus wichtig.Vibrations

Ein schwingender Körper beschreibt eine oszillierende Bewegung um eine Referenzposition. Die Anzahl kompletter Bewegungszyklen pro Sekunde wird als Frequenz bezeichnet und in Hertz (Hz) gemessen.

Die Bewegung kann aus einer einzelnen Komponente bestehen, die mit einer bestimmten Frequenz auftritt, wie bei einer Stimmgabel, oder aus mehreren gleichzeitig auftretenden Komponenten mit unterschiedlichen Frequenzen, wie zum Beispiel bei der Kolbenbewegung eines Verbrennungsmotors.

In der folgenden Abbildung ist die Bewegung einer Stimmgabel dargestellt. Eine Stimmgabel ist ein akustischer Resonator in Form einer zweizinkigen Gabel. Wird sie durch Anschlagen gegen eine Fläche oder mit einem Gegenstand in Schwingung versetzt, dann schwingt sie mit einer bestimmten konstanten Tonhöhe und erzeugt einen reinen, musikalischen Ton.

Vibrating tuning fork

Learn more about vibration measurement:

Dewesoft Online PRO Training > Vibration Measurement

Erfahren Sie mehr über Schwingungsmessungen:

Ein Beschleunigungssensor ist ein Gerät, das Beschleunigung misst. Der typische Beschleunigungssensor funktioniert nach dem Prinzip einer federnd aufgehängten Masse (Feder-Masse-System). Diese Masse bewegt sich, wenn sie einer Beschleunigung ausgesetzt wird. Der dabei zurückgelegte Weg wird gemessen und in verwertbare Einheiten umgerechnet. 

Dreiachsiger Beschleunigungssensor von DytranTypischer dreiachsiger Beschleunigungssensor von Dytran Inc.
Bild mit freundlicher Genehmigung von Dytran Inc. https://www.dytran.com

Beschleunigungssensoren können für die folgenden Messungen verwendet werden:

  • Schwingung: Man sagt, dass ein Objekt schwingt, wenn es eine oszillierende (also zeitlich periodische) Bewegung um eine Gleichgewichtslage ausführt. Schwingungen finden sich bei Transportmitteln und in der Luft- und Raumfahrt und können mithilfe von Schwingerregersystemen (Shaker) simuliert werden.
  • Erschütterung: eine kurzzeitige transiente Anregung einer Struktur, bei der alle Strukturresonanzen gleichzeitig angeregt werden
  • Bewegung: eine langsame Lageveränderung, wie die Bewegung eines Roboterarms oder einer Kfz-Aufhängung
  • Seismisch: Eine weitere Bewegung oder niederfrequente Schwingung; die Messung erfordert in der Regel einen speziellen rauscharmen und hochauflösenden Beschleunigungssensor.
  • Kraft
  • Neigung

Aus der Beschleunigung lassen sich diverse wichtige Werte ableiten. Wenn wir zum Beispiel die Masse (m) eines Objekts kennen, können wir diese mit seiner Beschleunigung (a) multiplizieren, um die Kraft (F) abzuleiten:

F = ma

Arten von Beschleunigungssensoren

Obwohl es viele Arten von Beschleunigungssensoren gibt, die unterschiedliche Techniken verwenden und unter anderem sehr unterschiedliche Spezifikationen und Anwendungsbereiche haben, können wir diese Sensoren auf Grundlage dessen, ob sie in der Lage sind, statische Beschleunigung zu messen, oder nicht, in zwei große Kategorien einteilen: 

AC-Beschleunigungssensoren

Diese Sensoren werden per Definition zur Messung dynamischer Ereignisse eingesetzt. Mit anderen Worten, sie können keine statische oder gleichmäßige Beschleunigung messen, sondern nur Beschleunigungsänderungen. 

Eine Vibration tritt normalerweise als hochfrequentes Signal auf, das ein Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungssystem erfordert. Deshalb werden für diese Messungen auch keine Datenlogger  verwendet, die relativ langsam sind. In AC-Beschleunigungssensoren, die immer auf bestimmte Anwendungen und Messumgebungen abgestimmt sind, kommen verschiedene Technologien zum Einsatz.

Piezoelektrische Beschleunigungssensoren machen sich den von Pierre und Jacques Curie 1880 entdeckten piezoelektrischen Effekt zunutze. Sie beobachteten, dass bei der mechanischer Einwirkung auf bestimmte Materialien, insbesondere Kristalle und keramische Werkstoffe, elektrische Ladungen bzw. Spannungen entstehen, die proportional zur mechanischen Beanspruchung sind. Das Wort „piezo“ kommt vom griechischen piezein, was „drücken“ oder „pressen“ bedeutet.

Heute sind im Wesentlichen zwei Arten von AC-Beschleunigungssensoren gebräuchlich:

DC- (und AC-)Beschleunigungssensoren

Wichtig ist, dass DC-Beschleunigungssensoren statische (DC-)Beschleunigungen präzise messen können. Zu beachten ist außerdem, dass sie darüber hinaus zwar auch in der Lage sind, dynamische (Wechselstrom-)Schwingungen zu messen, normalerweise jedoch nicht über die hohe Bandbreite von AC-Beschleunigungssensoren verfügen. AC-Beschleunigungssensoren wurden speziell für dynamische Messanwendungen entwickelt.

Dynamische (AC-)Beschleunigungssensoren können in den meisten Fällen überhaupt keine DC-Beschleunigung aufnehmen. Einige von ihnen haben jedoch eine einstellbare Zeitkonstante, die es ermöglicht, gleichmäßige Beschleunigungen zumindest über eine kurze Zeitspanne zu messen. 

Es gibt heute mehrere gebräuchliche Arten von DC-Beschleunigungssensoren:

Bitte beachten Sie, dass in MEMS-Sensoren sowohl kapazitive als auch piezoresistive Sensortechnologien verarbeitet sein können. Wir listen sie hier jedoch gesondert auf, da sie auf dem Markt als Sensortyp geführt werden.

Lassen Sie uns die verschiedenen Arten von AC- und DC-Beschleunigungssensoren nun im Detail betrachten:

Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang

Beim klassischen Beschleunigungssensor mit Ladungsausgang erzeugt die Spannung, die durch die Beschleunigung auf der Wegachse entsteht, eine Ladung, deren Intensität je nach Größe der Beschleunigung variiert. Im Inneren des Sensors wird ein Stück piezoelektrischen Materials (üblicherweise Quarz oder piezoelektrische Keramik) neben einer fixierten („seismischen“) Masse positioniert. Wird das Sensorgehäuse einer Beschleunigung entlang der Messachse ausgesetzt, dann verursacht die resultierende Krafteinwirkung der Masse auf das piezoelektrische Material eine elektrische Ladung im Material. Diese Ladung kann mit einem DAQ-System gemessen werden.

Beschleunigungssensor mit Ladungsausgang ... by PCB Electronics.Typischer Beschleunigungssensor mit Ladungsausgang
Bild mit freundlicher Genehmigung von PCB Piezotronics https://www.pcb.com

 

Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang haben einen hochohmiges Ausgangssignal, das einen speziellen Ladungsmodus-Messverstärker, wie z. B. den SIRIUS CHG-Ladungsverstärker von Dewesoft, erfordert. 

Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang haben eine extrem große Bandbreite, einen ausgesprochen hohen Dynamikbereich und einen sehr großen Betriebstemperaturbereich. 

Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang benötigen eine spezielle rauscharme Verkabelung, da hochohmige Ladungssignale sehr anfällig für hochfrequente (RF) und elektromagnetische (EM) Interferenzen sind. Kabelbewegungen verursachen ein Rauschen auf dem Signal, deshalb ist bei der Kabelführung große Sorgfalt geboten (selbst der geringe Druck von Kabelbindern kann eine Störung verursachen).

Vor- und Nachteile von Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang

Vorteile

  • Keine Stromversorgung erforderlich
  • Längste Lebensdauer und größter Betriebstemperaturbereich aufgrund des einfachen Designs
  • Kein Rauschen, höchste Auflösung
  • Ausgezeichnete dynamische Eigenschaften
  • Extrem lineares Ausgangssignal
  • Für Hochtemperatur-Umgebungen über 500 °C) geeignet
  • Sehr großer Impulsamplitudenbereich
  • Kleinere Sensorenkonstruktion möglich

Nachteile

  • Relativ teurer Messverstärker erforderlich
  • Rauschanfällig, erfordert kurze Kabellängen (< 10 m)
  • Teure rauscharme Kabel erforderlich
  • Nur für dynamische und quasi-statische Messanwendungen geeignet
  • Können keine statischen Beschleunigungen messen

Übliche Anwendungen von Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang

  • Fahrzeugtests
  • Tests in Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungssektor
  • Anwendungen mit hoher Bandbreite
  • Falltests
  • Freifalltests
  • Zustandsorientierte Überwachung
  • Hochtemperaturanwendungen

IEPE-Beschleunigungssensoren

Um dieses Verkabelungs- und Rauschproblem zu umgehen, entwickelten Techniker ein Verfahren zur Integration eines Kleinstverstärkers in das Sensorgehäuse. Dieser Verstärker wandelt das hochohmige Ausgangssignal in ein niederohmiges um, das sich leichter über kostengünstigere und längere Kabel übertragen lässt.

Gleichzeitig wird die Anfälligkeit für RF- und EM-Interferenzen drastisch reduziert. Diese Sensoren werden wegen der integrierten Elektronik als IEPE-Sensoren bezeichnet, wobei das Akronym für „Integrated Electronics Piezo Electric“ steht.

Im Inneren des Sensors wird ein Stück piezoelektrischen Materials (üblicherweise Quarz oder piezoelektrische Keramik) neben einer fixierten („seismischen“) Masse positioniert. Wird das Sensorgehäuse einer Beschleunigung entlang der Messachse ausgesetzt, dann induziert die Spannung bzw. die Krafteinwirkung der Masse auf das piezoelektrische Material eine elektrische Ladung. Soweit entspricht ein IEPE-Sensor genau einem Beschleunigungssensor mit Ladungsausgang; der Unterschied besteht darin, dass er zusätzlich einen Signalverstärker enthält.

Beim piezoelektrischen Druckprinzip-Beschleunigungssensor übt die Masse eine Druckkraft auf das piezoelektrische Element ausBeim piezoelektrischen Druckprinzip-Beschleunigungssensor übt die Masse eine Druckkraft auf das piezoelektrische Element aus

Beim piezoelektrischen Scherprinzip-Beschleunigungssensor übt die Masse eine Scherkraft auf das piezoelektrische Element ausBeim piezoelektrischen Scherprinzip-Beschleunigungssensor übt die Masse eine Scherkraft auf das piezoelektrische Element aus

Es ist anzumerken, dass die Firma PCB Piezotronics diese Sensoren auch mit ihrem proprietären Akronym ICP® bezeichnet, das als „Integrated Circuit, Piezo-electric“ definiert ist (ICP® ist ein eingetragenes Warenzeichen der PCB Group, Inc.) Wir werden hier aus Respekt vor dem geistigen Eigentum der PCB-Gruppe das Industriestandard-Akronym IEPE verwenden.

Der in IEPE-Sensoren integrierte Kleinstverstärker benötigt im Gegensatz zu Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang eine externe Stromversorgung. Zudem führt die Anwesenheit des Verstärkers zu einer (wenn auch geringen) Zunahme der Masse des Sensors, vor allem aber zu einer drastischen Verringerung seines Betriebstemperaturbereichs. Die Sensorversorgung muss über einen externen IEPE-Messverstärker erfolgen, der für eine Konstantstromversorgung auf der Signalleitung sorgt.

Da IEPE-Sensoren für die Messung dynamischer, nicht aber statischer Beschleunigungen ausgelegt sind, wirkt sich diese Versorgungsgleichspannung nicht auf die Messwerte aus. Messverstärker für IEPE-Sensoren sind in der Regel kostengünstiger als solche für Sensoren mit Ladungsausgang. Es handelt sich im Grunde um einfache Spannungskonditionierer, die in der Lage sind, eine einstellbare Konstantstromanregung für die Sensorversorgung zu gewährleisten.

Vor- und Nachteile von IEPE-Beschleunigungssensoren

Vorteile

  • Feste, von der Kabellänge und -qualität unabhängige Empfindlichkeit
  • Geringeres Rauschen durch höheres Ausgangssignal
  • Größere Kabellängen unproblematisch
  • Ein kostengünstiger IEPE-Messverstärker im Messsystem reicht aus.
  • Ausgezeichnetes dynamisches Verhalten
  • Das niederohmige Ausgangssignal kann über lange Kabel übertragen werden.
  • Bessere Beständigkeit gegenüber rauen Bedingungen, wie Schmutz und Feuchtigkeit
  • Eigenüberwachungsfunktion

Vorteile

  • Konstantstromerregung erforderlich (verkürzt die Lebensdauer der Batterie)
  • Oberer Betriebstemperaturbereich auf etwa 120 °C begrenzt 
  • Nicht in der Lage, statische Signale zu messen
  • Inhärente Rauschquelle

Übliche Anwendungen von IEPE-Beschleunigungssensoren

  • Fahrzeugtests
  • Tests in Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungssektor
  • Anwendungen mit hoher Bandbreite
  • Falltests
  • Freifalltests
  • Zustandsorientierte Überwachung

Kapazitive Beschleunigungssensoren

Kapazitive Beschleunigungssensoren bieten üblicherweise eine überlegene Leistung im Niederfrequenzbereich. Im Sensorgehäuse werden zwei parallel angeordnete Plattenkondensatoren im Differenzmodus betrieben. Zusätzlich sind zwei Festwertkondensatoren angeschlossen, und alle vier sind als Vollbrücke geschaltet. 

Diese im Sensorgehäuse dicht beieinander angeordneten Komponenten erzeugen bei Einwirkung einer Beschleunigung kleine Kapazitäten in ihren Zwischenräumen. Das Ausgangssignal der Brückenschaltung variiert linear zu dieser Kapazitätsänderung. 

Kapazitiver (und MEMS-)BeschleunigungssensorEin typischer kapazitiver (und MEMS-)Beschleunigungssensor besteht aus einer beweglichen Prüfmasse mit Platten, die über ein mechanisches Aufhängungssystem an einem Bezugsrahmen befestigt sind

Die Genauigkeit dieses Sensors wird durch die Verwendung von Kammstrukturen zur Kapazitätserfassung verbessert. Diese können auf verschiedene Weise angeordnet sein. So sind diese Sensoren in der Lage, sowohl dynamische (AC) als auch statische (DC) Beschleunigungen zu messen.

Vor- und Nachteile kapazitiver Beschleunigungssensoren

Vorteile

  • Können sowohl AC- als auch DC-Beschleunigungen messen.
  • Sehr kleine und preiswerte Ausführung (mit etwas reduzierter Genauigkeit) möglich

Nachteile

  • Geringere Bandbreite als piezoelektrische Sensoren mit Ladungsausgang oder IEPE-Sensoren
  • Kleiner Betriebstemperaturbereich und geringe Schockfestigkeit, insbesondere im Vergleich zu Sensoren mit Ladungsausgang

Übliche Anwendungen von kapazitiven Beschleunigungssensoren

Kapazitive Beschleunigungssensoren können sehr klein und preiswert hergestellt werden und werden daher in vielen kommerziellen und Verbraucheranwendungen verwendet. Dazu zählen:

  • Bildschirmausrichtung und Erkennung plötzlicher Verzögerungen oder Beschleunigungen (Crash-Erkennung) in Mobiltelefonen
  • Airbagauslösung in Kraftfahrzeugen 
  • Lageerfassung in Videospiel-Controllern 
  • Flugdatenerfassung in Drohnen 
  • viele weitere Anwendungen

Piezoresistive Beschleunigungssensoren

Eine andere weit verbreitete Technologie für DC-Beschleunigungssensoren basiert auf dem Piezowiderstand. Anstelle von Kristall- oder Keramikelementen, wie bei piezoelektrischen Sensoren, werden bei piezoresistiven Beschleunigungssensoren Dehnungsmessstreifen zur Erfassung der Beschleunigung eingesetzt. Das Ergebnis ist ein Sensor, der sowohl statische (DC) als auch dynamische (AC) Beschleunigungen bis etwa 6–8 kHz messen kann. Die interne Dämpfung der seismischen Masse erfolgt durch Flüssigkeit oder Gas.

Typische piezoresistive BeschleunigungssensorenTypische piezoresistive Beschleunigungssensoren
Bild mit freundlicher Genehmigung von

industic.com 

Das Ausgangssignal des typischen piezoresistiven Beschleunigungssensors ist differentiell, wodurch ein gutes Rauschverhalten gewährleistet ist. Oft wird jedoch ein hochwertiger DMS-Messverstärker, etwa vom Typ SIRIUS STG, benötigt. Einige dieser Sensoren sind speziell für Anwendungen mit hohen Schockbelastungen konzipiert und für Messungen bis über 10 000 g geeignet.

Vor- und Nachteile piezoresistiver Beschleunigungssensoren

Vorteile: 

  • Gut geeignet für Geschwindigkeits- und Weganwendungen, da ihre DC-Ausgänge Integrations- und Doppelintegrationsfehler besser vermeiden als Sensoren mit AC-Ausgang
  • Können bis hinunter zu 0 Hz messen.
  • Können statische Winkel messen.
  • Differentielles Ausgangssignal

Nachteile:

  • Nicht gut für dynamische Anwendungen geeignet
  • Durch interne Elektronik begrenzter Betriebstemperaturbereich
  • Bandbreite nach oben auf den niedrigen kHz-Bereich begrenzt

Übliche Anwendungen piezoresistiver Beschleunigungssensoren

  • Fahrzeugtests
  • Tests in Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungssektor
  • Messungen hoher Schockbelastungen
  • Nicht-dynamische Schock- und Schwingungsmessungen aller Art

MEMS-Beschleunigungssensoren

Neben den bisher erwähnten mechanischen Beschleunigungssensoren sind auch elektromechanische Sensoren (sogenannte MEMS-Sensoren) erhältlich. Da Sensoren mit Ladungsausgang und IEPE-Sensoren üblicherweise bei 0,3 Hz bis 10 Hz zu messen beginnen, sind sie nicht für statische oder sehr niederfrequente Messungen geeignet. Hierfür sind mikroelektromechanische Systeme (MEMS) eine hervorragende Lösung.

MEMS-Beschleunigungssensoren sind sowohl in ein- als auch in dreiachsiger Ausführung erhältlich.

Einachsiger MEMS-DC-Beschleunigungssensor by PCB Piezotronics
Einachsiger MEMS-DC-Beschleunigungssensor von PCB Piezotronics
Bild mit freundlicher Genehmigung von PCB Piezotronics

Vor- und Nachteile von MEMS-Beschleunigungssensoren

Vorteile:

  • Ideal für statische/niederfrequente Messungen (können bis hinunter zu 0 Hz messen)
  • Können statische Winkel messen.

Nachteile:

  • Durch interne Elektronik begrenzter Betriebstemperaturbereich
  • Bandbreite nach oben auf den niedrigen kHz-Bereich begrenzt
  • Amplitudenbereich auf 400 g begrenzt

Übliche Anwendungen von MEMS-Beschleunigungssensoren

  • Seismische Messungen
  • Strukturüberwachung
  • Gyro-Positionierungssysteme
  • Fahrzeugtests
  • Airbag-Tests

Vergleichstabelle der Beschleunigungssensortypen

Beschleunigungs-sensortyp Vorteile Nachteile
IEPE Beschleunigungs-sensor
  • Festgelegte, von der Kabellänge und -qualität unabhängige Empfindlichkeit
  • Geringeres Rauschen durch höheres Ausgangssignal
  • Größere Kabellängen unproblematisch
  • Ein kostengünstiger IEPE-Messverstärker im Messsystem reicht aus.
  • Ausgezeichnetes dynamisches Verhalten
  • Niederohmiges Ausgangssignal kann über lange Kabel übertragen werden.
  • Bessere Beständigkeit gegenüber rauen Bedingungen, wie Schmutz und Feuchtigkeit
  • Eigenüberwachungsfunktion
  • Konstantstromerregung erforderlich (verkürzt die Lebensdauer der Batterie)
  • Oberer Betriebstemperaturbereich auf ca. 120 °C begrenzt
  • Kann keine statischen Signale messen
  • Inhärente Rauschquelle
Beschleunigungs-sensor mit Ladungsausgang
  • Keine Stromversorgung erforderlich
  • Längste Lebensdauer und größter Betriebstemperaturbereich aufgrund des einfachen Designs
  • Nicht rauschanfällig, höchste Auflösung
  • Ausgezeichnete dynamische Eigenschaften
  • Extrem lineares Ausgangssignal
  • Für Hochtemperatur-Umgebungen (über 500 °C) geeignet
  • Sehr großer Impulsamplitudenbereich
  • Kleinere Sensorenkonstruktion möglich
  • Relativ teurer Messverstärker erforderlich
  • Rauschanfällig, erfordert kurze Kabellängen (< 10 m)
  • Teure, rauscharme Kabel erforderlich
  • Nur für dynamische und quasi-statische Messanwendungen geeignet
  • Kann keine statischen Beschleunigungen messen.
Kapazitiver Beschleunigungs-sensor
  • Kann sowohl AC- als auch DC-Beschleunigungen messen
  • Sehr kleine und preiswerte Ausführung (mit etwas reduzierter Genauigkeit) möglich
  • Geringere Bandbreite als piezoelektrische Sensoren mit Ladungsausgang oder IEPE-Sensoren
  • Kleiner Betriebstemperaturbereich und geringe Schockfestigkeit, insbesondere im Vergleich zu Sensoren mit Ladungsausgang
Piezoresistiver Beschleunigungs-sensor
  • Gut geeignet für Geschwindigkeits- und Weganwendungen, da ihre DC-Ausgänge Integrations- und Doppelintegrationsfehler besser vermeiden als Sensoren mit AC-Ausgang
  • Können bis hinunter zu 0 Hz messen.
  • Können statische Winkel messen.
  • Differentielles Ausgangssignal
  • Nicht gut für dynamische Anwendungen geeignet
  • Durch interne Elektronik begrenzter Betriebstemperaturbereich
  • Obere Grenze der Bandbreite im niedrigen kHz-Bereich
MEMS-Beschleunigungs-sensor
  • Ideal für statische/niederfrequente Messungen
  • Können statische Winkel messen
  • Durch interne Elektronik begrenzter Betriebstemperaturbereich
  • Obere Grenze der Bandbreite im niedrigen kHz-Bereich
  • Amplitudenbereich auf 400 g begrenzt

Haupterwägungen bei der Auswahl von Beschleunigungssensoren

Es gibt eine große Vielfalt an Sensoren zur Messung von Schwingung/Schock. Die wichtigsten Aspekte, die Sie bei der Auswahl eines Sensors berücksichtigen sollten, sind

Masseisolierung

Sehr wichtig, wenn das zu messende Objekt leitend ist und auf Massepotential liegt. Ein Potentialunterschied zwischen der Instrumentierung und dem Beschleunigungssensor kann eine Masseschleife verursachen, die zu falschen Messwerten führt.

Empfindlichkeit

Idealerweise wünschen wir einen hohen Ausgangspegel, für eine hohe Empfindlichkeit ist normalerweise aber ein relativ großer, schwerer Sensor erforderlich. Glücklicherweise ist dies kein kritisches Problem, da moderne Dewesoft-Vorverstärker dafür ausgelegt sind, auch Signale mit niedrigem Pegel zu verarbeiten.

Niederfrequenzbereich

Die Hochpass-Grenze des Sensors muss niedriger sein als die Frequenzen, die gemessen werden sollen. Wenn Sie beispielsweise in einer Papierfabrik mit Frequenzen von 1 bis 5 Hz testen, benötigen Sie einen Sensor mit einer Bandbreitenuntergrenze von 0,3 Hz (oder niedriger). Für solche Anwendungen sind Sensoren mit Ladungsausgang oder IEPE-Sensoren am besten geeignet. Müssen statische Beschleunigungen gemessen werden, dann wird eine andere Sensortechnologie, wie ein kapazitiver oder ein MEMS-Sensor, benötigt.

Bandbreite (Frequenzbereich)

Die (obere) Bandbreite des Sensors. Bei Beschleunigungssensoren mit kleiner Masse erreicht die Resonanzfrequenz bis zu 180 kHz, bei etwas größeren Allzweck-Beschleunigungssensoren mit höherem Ausgangssignal sind Resonanzfrequenzen von 20 bis 30 kHz üblich.

Amplitudenbereich

Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang bieten einen großen Amplitudenbereich (Sensoren, die speziell für Anwendungen mit hohen Schockbelastungen konzipiert sind, können einen Amplitudenbereich von mehr als 100 000 g haben!), aber auch IEPE-Sensoren erreichen recht hohe Werte (bis 1000 g). Bei MEMS-Sensoren ist der Amplitudenbereich normalerweise sehr begrenzt (bis zu einigen 100 g). Während IEPE-Sensoren für die meisten Anwendungen ausreichen, sind bei hohen Amplitudenwerten Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang besser geeignet.

Eigenrauschen

Dieser Wert definiert den niedrigsten Amplitudenwert, den der Sensor messen kann. Man sollte nach Möglichkeit immer einen Sensor mit optimalem Messbereich verwenden, da Sensoren mit einem höheren Messbereich auch einen höheren Rauschpegel aufweisen.

IEPE-Sensoren haben einen sehr hohen Dynamikbereich. Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang erreichen ähnliche Werte; es ist aber zu berücksichtigen, dass das Rauschen leicht im Kabel entstehen kann. Kapazitive und MEMS-Sensoren weisen einen geringeren Dynamikbereich auf.

Temperaturbereich

Alle Sensoren mit elektronischen Komponenten haben einen nach oben auf 130 °C begrenzten Temperaturbereich. Der Betriebstemperaturbereich von Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang ist mit bis über 500 °C viel höher. Zu beachten ist jedoch, dass bei entsprechenden Anwendungen auch ein Hochtemperaturkabel benötigt wird.

Alle piezoelektrischen Materialien sind temperatursensibel, so dass sich jede Änderung der Umgebungstemperatur auch auf die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors auswirkt. Piezoelektrische Beschleunigungssensoren zeigen zudem ein fluktuierendes Ausgangssignal, wenn sie kleinen Temperaturschwankungen – sogenannten Temperaturtransienten – in der Messumgebung ausgesetzt sind. Dies ist in der Regel nur dann ein Problem, wenn sehr geringe oder niederfrequente Schwingungen gemessen werden. Moderne Scherprinzip-Beschleunigungssensoren sind kaum empfindlich gegenüber Temperaturtransienten. Wenn Beschleunigungssensoren auf Oberflächen mit Temperaturen über 250 °C befestigt werden sollen, können zwischen dem Sockel und der Messoberfläche ein Kühlkörper und eine Glimmerscheibe eingesetzt werden. Bei Oberflächentemperaturen von 350–400 °C kann der Sensorsockel auf diese Weise unter 250 °C gehalten werden. Ein Luftstrom kann für zusätzliche Kühlung sorgen.

Bei MEMS-Sensoren ist der Betriebstemperaturbereich durch die interne Elektronik begrenzt (auf -40 °C bis 125 °C).

Gewicht

Bei Modaltests kann das Gewicht aufgrund des Massenbelegungseffekts eine wichtige Rolle spielen. (Jede Masse, die wir zur Struktur hinzufügen, beeinflusst ihr dynamisches Verhalten). Als allgemeine Regel gilt, dass die Masse des Sensors nicht mehr als ein Zehntel der dynamischen Masse des schwingenden Teils betragen sollte, auf dem er montiert ist.

Darüber hinaus sind aber auch noch andere Aspekte zu berücksichtigen, wie z. B. das Kabelrauschen, der Temperaturbereich, Querschwingungen usw. Dem Thema – einschließlich der Montage der Sensoren, die für gute Resultate von entscheidender Bedeutung ist – sind komplette Lehrbücher gewidmet. Sie sollten wissen, dass die Hard- und Software von Dewesoft von Grund auf daraus ausgelegt ist, Sie dabei zu unterstützen, bei Ihren Schwingungs- und Beschleunigungsmessungen optimale Ergebnisse zu erzielen.

Es gibt viele Sensortypen, und von jedem bieten die Hersteller zahlreiche verschiedene Modelle an. Wir werden uns in diesem Abschnitt aber auf die Haupttypen konzentrieren, die weltweit bei den allermeisten Anwendungen zum Einsatz kommen.

Masseschleifen

Masseschleifenströme können in der Abschirmung von Beschleunigungssensorkabeln fließen, da der Beschleunigungssensor und die Messausrüstung separat geerdet sind. Eine Masseschleife kann durch die Verwendung eines isolierten Sensors oder Verstärkers oder durch die galvanische Trennung des Sensorsockels von der Montagefläche mit Hilfe eines Isolierbolzens vermieden werden.

Kabelrauschen

Kabelrauschen ist ein Problem, das aufgrund der hohen Ausgangsimpedanz vor allem bei piezoelektrischen Beschleunigungssensoren auftritt. Diese Art der Störung kann aus dem triboelektrischen Effekt oder elektromagnetischen Interferenzen resultieren. Triboelektrisches Rauschen wird oft durch die mechanische Bewegung des Kabels selbst auf das Sensorkabel induziert. Es entsteht durch lokale Kapazitäts- und Ladungsänderungen aufgrund dynamischer Biegung, Kompression oder Spannung der Kabelschichten.Das Problem lässt sich vermeiden, indem man ein geeignetes graphitiertes Beschleunigungssensorkabel verwendet und es mit Klebeband oder Klebstoff so dicht wie möglich am Beschleunigungssensor fixiert.

Elektromagnetische Störungen werden oft auf das Kabel des Beschleunigungssensors induziert, wenn es in der Nähe laufender Maschinen platziert ist.

TEDS-Kompatibilität

Einige Sensoren sind mit einem TEDS-Chip ausgestattet, der es ermöglicht, sie mit einem kompatiblen Datenerfassungsgerät elektronisch zu identifizieren. TEDS (Elektronisches Sensordatenblatt) ist eine Standardschnittstelle nach IEEE 1451 und IEEE 1588 zur Speicherung wichtiger Sensordaten.

Mit kompatiblen Dewesoft-Messverstärkern und der Software DewesoftX funktioniert ein TEDS-Sensor nach dem Plug-and-Play-Prinzip. Der Messverstärker liest die Sensordaten aus und konfiguriert automatisch die erforderliche Verstärkung und Skalierung, passende technische Einheiten und andere Sensoreinstellungen.

Für Techniker, die oft mit Sensoren arbeiten, bietet die TEDS-Technologie eine enorme Zeitersparnis bei der Vorbereitung groß angelegter Tests. Zudem lassen sich durch die TEDS-Automatisierung menschliche Fehler vermeiden.

Erfahren Sie mehr über TEDS-Sensoren:

Dewesoft PRO Training -> TEDS

Montage von Beschleunigungssensoren

Beschleunigungssensoren können auf unterschiedliche Weise montiert werden. Die Bandbreite des Sensors reagiert höchst empfindlich auf die Art und Weise, wie ein Beschleunigungssensor am Messpunkt angebracht wird. Daher gehört sie bei praktischen Schwingungsmessungen zu den kritischsten Faktoren für die Gewährleistung genauer Ergebnisse. Eine nachlässige Montage führt zu einer Verringerung der Resonanzfrequenz und kann so eine erhebliche Einschränkung des nutzbaren Frequenzbereichs des Beschleunigungssensors bewirken.

  • Bolzen: Am besten ist es, ein Loch in den Prüfling zu bohren und den Sensor mit einer Schraube an der Oberfläche zu befestigen. Die Sensoreigenschaften werden davon in der Regel nicht beeinflusst. Allerdings stehen Kunden diesem Verfahren verständlicherweise in manchen Fällen (etwa, wenn es sich beim Prüfling um den brandneuen Prototyp eines Flugzeugflügels handelt) skeptisch gegenüber.
  • Verklebung: Eine andere Befestigungsart, die sich nicht stark auf die Bandbreite auswirkt, ist die Verklebung mit einem dünnen doppelseitigen Klebeband oder mit Bienenwachs (das nur in einem begrenzten Temperaturbereich geeignet ist).
  • Magnet: Eine sehr weit verbreitete Montagetechnik im Bereich der Maschinendiagnose ist die Befestigung des Sensors auf einem Magneten. Hier ist ebenfalls noch eine gute Bandbreite gewährleistet, allerdings muss die Oberfläche natürlich ferromagnetisch sein (also nicht aus Aluminium oder Kunststoff). Bei Sensoren, die für Montageklammern geeignet sind, kann zunächst eine Klammer aufgeklebt und der Sensor dann daran befestigt werden.

Eine schnelle, aber nicht optimale Lösung ist es, den Sensor an einem Stab zu befestigen und manuell in Position zu halten. Dies ist bei einigen schwer zugänglichen Stellen zwar praktisch, die Bandbreite wird dadurch jedoch auf 1–2 kHz reduziert.

Der Beschleunigungssensor sollte so angebracht werden, dass seine Hauptempfindlichkeitsachse mit der gewünschten Messrichtung übereinstimmt. Beschleunigungssensoren sind auch etwas empfindlich für Schwingungen in Querrichtung, aber dies ist normalerweise vernachlässigbar, da die Querempfindlichkeit in der Regel weniger als 1 % der Hauptachsenempfindlichkeit beträgt.

Das folgende Diagramm zeigt die Reduzierung der Bandbreite durch verschiedene Montagemethoden:

Bandwidth reduction graph from different mounting methods of the accelerometer

Anwendungen von Beschleunigungssensoren und Schwingungsanalyse

In den bisherigen Abschnitten haben wir einige der wichtigsten Schwingungsmessanwendungen von Beschleunigungssensoren erwähnt. Hier nun eine kurze tabellarische Zusammenfassung mit einigen zusätzlichen Informationen:

Testtyp Ladung IEPE Kapazitiv Resistiv MEMS
Nach Industriesektor
Fahrzeugtests √* √*
Tests in Luft- und Raumfahrt und militärische Tests   √*
Falltests    
Freifalltests    
Maschinenzustandsüberwachung √* √*  
Konsumgüter (Mobiltelefone, Videospiele)      
Flugdatenerfassung in Drohnen      
Gyro/Positionierung        
Strukturelle Tests    
Seismische Studien        
Nach Leistungskriterien
Hochtemperatur        
Hohe Bandbreite      

* Im Rahmen ihrer Bandbreite

Im Folgenden erläutern wir eine Reihe typische Schwingungsanalyseanwendungen, bei denen Beschleunigungssensoren zum Einsatz kommen.

Ordnungsanalyse

Die Ordnungsanalyse ist ein Instrument zur Bestimmung des Betriebszustands rotierender Maschinen (Resonanzen, stabile Betriebspunkte, Schwingungsursachen usw.). 

Order tracking analysis solution by DewesoftOrdnungsanalyse mit Dewesoft-Systemen

Die Ordnungsanalyselösung von Dewesoft bietet zahlreiche leistungsstarke analytische Funktionen:

  • Gleichzeitige Messung im Zeit-, Frequenz- und Ordnungsbereich. Ermöglicht durch die hohe Abtastrate des Systems und fortschrittliche aliasing-freie Resampling-Techniken.
  • Unterstützung von Winkelsensoren. Es werden alle Winkelsensoren (Tacho, Encoder, Zahnrad, Zahnrad mit fehlenden oder doppelten Zähnen, Bandsensoren ...) unterstützt, um Winkel und Drehzahl unter Verwendung der patentierten SuperCounter®-Technologie mit einer Auflösung von 10 ns perfekt zu bestimmen.
  • Umfangreiche Visualisierung. 3D-Plots zu Frequenz und Ordnung (wie im obigen Screenshot zu sehen) sind ein hervorragendes Werkzeug zur Bestimmung des Maschinenzustands. Für die Präsentation der Daten stehen Nyquist-, Bode- und Campbell-Plots zur Verfügung. Eine Orbitanalyse mit Darstellung von Rohdaten oder Ordnung ist ideal für die Analyse von Strömungsmaschinen.
  • Fortgeschrittene mathematische Funktionen. Im Zuge der Hochlauf- oder Auslaufroutine lassen sich Amplitude und Phase jeder einzelnen Oberschwingung wahlweise im Ordnungs-, Drehzahl- und Zeitbereich bequem darstellen.
  • Echtzeit-Berechnungen: Die Ordnungsanalyselösung erlaubt die Erfassung, Speicherung, Anzeige und Berechnung von Daten in Echtzeit auf einer unbegrenzten Anzahl von Eingangskanälen. Dabei können rotierende Maschinen verschiedener Typen gleichzeitig beobachtet und analysiert werden.

Lösung für die Schockantwortspektrums-Analyse (SRS)

Mechanische Stoßimpulse werden häufig in Bezug auf ihr Schockantwortspektrum (SRS) (auch Stoß- oder Impulsantwortspektrum) analysiert. Das SRS zeigt die Reaktion eines idealisierten Systems aus einer Anzahl hintereinandergeschalteten Einmassenschwingern (SDOF) auf einen definierten Schockimpuls. Dabei wird angenommen, dass jedes System seine eigene Eigenfrequenz hat.

Ein KRYPTON-Datenerfassungssystem von Dewesoft bei der Durchführung eines SRS-TestsEin KRYPTON-Datenerfassungssystem von Dewesoft bei der Durchführung eines SRS-Tests

Shock response spectrum module inside Dewesoft X DAQ softwareSRS-Bildschirm in DewesoftX

  • Unterstützung von ISO-Normen: Das Schockantwortspektrum wird zur Gewährleistung der Wiederholbarkeit und Normeneinhaltung gemäß ISO 18431-4 berechnet.
  • Schnelle Konfiguration: Die TEDS-Schnittstelle identifiziert und konfiguriert Sensoren automatisch, was Zeit spart und menschliche Fehler ausschließt.
  • Wählbarer Frequenzbereich: frei definierbarer Berechnungsbereich für das Frequenzspektrum
  • Dämpfung/Qualitätsfaktor: Die Auswahl des Dämpfung bzw. des Qualitätsfaktors kann auch im Offline-Modus aktualisiert werden, so dass Techniker zu Vergleichszwecken verschiedene Faktoren auf denselben Datensatz anwenden können.
  • Fortgeschrittene mathematische Funktionen: Relevante Parameter wie Gesamt/Maximax, Primär, Residual usw. werden in Echtzeit berechnet. Ergebnisse im Frequenzbereichsspektrum können als Beschleunigung, Geschwindigkeit oder Weg angezeigt werden.
  • Datenexport: Aufgezeichnete Daten und berechnete Parameter können in verschiedene Standarddatenformate, wie Matlab®, Excel®, Diadem®, FlexPro®, UFF (Universal File Format) usw., exportiert werden.

Erfahren Sie mehr über Schockantwortspektrums-Analysen:

Seite zur Schockantwortspektrums-Lösung

Sinus-Datenreduktionstest – Sinusverarbeitung mit COLA-Signal

Der Sinus-Datenreduktions- oder Sinusverarbeitungstest integriert und synchronisiert das Datenerfassungssystem nahtlos mit dem COLA-Signal (Constant Output Level Amplitude) eines Schwingerregers. Dies erlaubt Messtechnikern die Durchführung umfassender Evaluierungen der strukturellen Eigenschaften einer großen Kanalanzahl in Echtzeit. 

Sinusverarbeitungs-Tests mit DewesoftX

  • Echtzeitanalyse. Echtzeitberechnungen von Peak, RMS, Phase und THD an den Antwortpunkten, zeitgleiche Ermittlung von Transferfunktionen zwischen Anregungs- und Antwortpunkten auf der gesamten Struktur
  • Unbegrenzte Kanalerweiterung. Die Sinusverarbeitung kann unter Erhalt aller Echtzeitfunktionen auf einer unbegrenzten Anzahl von Kanälen ausgeführt werden.
  • Leistungsstarke Kalkulationen. Es ist möglich, parallel zu Sinusverarbeitung und FFT gleichzeitig auf allen Kanälen und in Echtzeit eine echte Oktavanalyse auszuführen. Aus der umfangreichen, in die Software integrierten Mathematikbibliothek können weitere mathematische Funktionen hinzugefügt werden.
  • Online- und Offline-Animation. Die Qualität der Testergebnisse kann mittels der Animation der Struktur in allen drei Richtungen und mit verschiedenen Projektionen während (und nach) der Messung beurteilt werden.
  • Einfache Konfiguration. Die TEDS-Technologie erkennt Sensoren und konfiguriert sie automatisch in der Software. Weisen Sie die Kanäle einfach ihrem Messpunkt zu, um schnell mit Ihrer Messung zu beginnen.
  • Erweiterte Speicheroptionen. Es ist möglich, die automatische Speicherung mit Triggerbedingungen zu konfigurieren, wodurch menschliche Fehler ausgeschlossen und konsistente Testergebnisse bei teuren Prototypen und einzigartigen Strukturen gewährleistet werden.
  • Verschiedene Frequenzerfassungsmodi. Zusätzlich zum wohlbekannten Nulldurchgangsverfahren zur Frequenzerfassung unterstützt Dewesoft auch die Hilbert-Transformation, die ein besseres Auslesen der Frequenz und so den Erhalt glatterer, kontinuierlicherer Daten ermöglicht.
  • Einfacher Datenexport und Berichterstellung. Für die Erstellung von Berichten können erfasste Daten in Standardformate wie UNV oder Excel® exportiert werden.

Oktavanalyse

Die Oktavanalyse ist mit ihrer logarithmischen Frequenzachse ein unverzichtbares Werkzeug für die Schallmessung und die vorbeugende Wartung und Überwachung. In unserem Beispiel werden Mikrofone zur Tonaufnahme verwendet. Die Oktavanalyse wird hier erwähnt, weil sie oft in Verbindung mit Tests durchgeführt wird, an denen auch Beschleunigungssensoren beteiligt sind (wie Schock- und Vibrationstests usw.).

Oktavbandanalyse in der Datenerfassungssoftware DewesoftXOktavbandanalyse in der Datenerfassungssoftware DewesoftX

Die Oktavanalyse-Lösung von Dewesoft erfüllt alle Spezifikationen für Oktavfilter gemäß IEC und ANSI Klasse I.

FFT-Spektralanalysator und Frequenzanalysator

Die FFT-Spektralanalyse ist ein essentielles Werkzeug für Techniker, die im Schock- und Vibrationsbereich arbeiten. Die eingehende Untersuchung der Reaktion eines Prüflings auf Frequenz- und Amplitudenstimuli ist von entscheidender Bedeutung für die Gestaltung und Verbesserung von Systemen. 

FFT- und Frequenzanalysor-Bildschirm in DewesoftXFFT- und Frequenzanalysor-Bildschirm in DewesoftX

Systeme, die für die FFT- und Frequenzanalyse verwendet werden, benötigen fortgeschrittene Cursorfunktionen, eine hohe, frei wählbare Linienauflösung, eine flexible Mittelung und fortgeschrittene Funktionen für eine eingehende Frequenzanalyse. Das Dewesoft-System bietet all dies und mehr:

  • FFT-Spektralanalyse in Echtzeit. Der Spektralanalysator von Dewesoft bietet eine FFT-Analyse in Echtzeit auf einer unbegrenzten Anzahl an Eingangskanälen.
  • Unbegrenzte Anzahl an Eingangskanälen. Dewesoft-Datenerfassungssysteme bieten praktisch unbegrenzte Eingangskanal-Konfigurationsmöglichkeiten. Die Software DewesoftX kann eine FFT-Analyse auf beliebig vielen Kanälen gleichzeitig durchführen.
  • Mittelung. Es besteht die Möglichkeit zur kompletten (gemittelten) FFT mit linearer, Spitzenwert- und exponentieller Mittelung oder blockbasierter Berechnung.
  • Praktisch jede Linienauflösung verfügbar. Wählbare Linienauflösung (bis 64 000 Linien) für anspruchsvollste Aufgaben
  • Cursor und Marker. In der FFT-Anzeige stehen zahlreiche Marker und Cursor zur Auswahl, wie zum Beispiel ein Maximum-Marker, ein freier Marker, ein Zoom-Marker, ein Seitenband-Marker, ein harmonischer Marker, ein RMS-Marker und ein Delta-Marker.
  • Cursorwert-Schätzung. Die innovative Fenster-Interpolationstechnik erlaubt eine präzise Schätzung von Amplitude und Frequenz.
  • Fortgeschrittene Mathematikfunktionen. Autospektrum, Kreuzspektrum, komplexes Spektrum, Wasserfallspektrum, Cepstrum (für Lagerfehler, Sprachverarbeitung), volle zweiseitige FFT (für Rotorwirbelanalyse), STFT (für nichtstationäre Signale), Hüllkurvenerfassung (für Lagerfehleranalyse)

Rotations- und Torsionsschwingungsanalyse

Torsionsschwingungen sind eine mögliche Fehlerquelle bei rotierenden Wellen. Ihre Folgen können teuer und sogar katastrophal sein, etwa, wenn eine Fertigungslinie in einer Fabrik plötzlich zum Stillstand kommt oder wenn ein Kraftfahrzeug oder Hubschrauber plötzlich den Antrieb verliert. Deshalb ist die Analyse von Rotations- und Torsionsschwingungen ausgesprochen wichtig.

Rotations-und Torsionsschwingungsanalyse mit DewesoftXRotations-und Torsionsschwingungsanalyse mit DewesoftX

Das Dewesoft-Modul zur Analyse von Rotations- und Torsionsschwingungen ist in Kombination mit dem Ordnungsanalysemodul ein perfektes Werkzeug für die Fehlersuche an Wellen, Kurbelwellen und Zahnrädern in Automobil-, Industrie- oder Stromerzeugungsanwendungen. 

  • Einfache Sensorkonfiguration. Das Dewesoft-Mathematikmodul unterstützt jeden Sensortyp. Die Sensoren an beiden Enden des Rotors können völlig unterschiedlichen Typs sein. Die patentierte SuperCounter®-Technologie bietet bei der Drehwinkel- und Drehzahlerfassung eine Auflösung von 10 ns.
  • Zugriff auf alle Messdaten. Alle Daten, wie Referenzwinkel, Drehwinkel der einzelnen Sensoren, Drehzahl und Beschleunigung, Torsionswinkel und Geschwindigkeit, stehen für die erweiterte Analyse zur Verfügung.
  • Fortgeschrittene mathematische Funktionen. Es sind auch verschiedene Eingangsfilter und DC-Rotationsfilter vorhanden, und Techniker können für die Getriebeanalyse benutzerdefinierte Drehzahlverhältnisse eingeben.
  • Integration ins Ordnungsanalyse-Modul. Eine Ordnungsanalyse lässt sich problemlos auch auf die Drehschwingungskanäle durchführen; dabei können dieselben Winkelsensoren als Frequenzquelle weiterverwendet werden.

Human- und Ganzkörperschwingungsmessungen

Das Human- oder Ganzkörperschwingungsmodul prüft und misst die Wirkung von Vibrationen auf den menschlichen Körper. Die extrahierten Parameter ermöglichen eine einfache Bewertung des Gefährdungspotenzials für Arbeitnehmer, die konstanten Vibrationen ausgesetzt sind.

Humanschwingungsmesslösung von DewesoftDenken Sie an die Vibrationen, die auf Bediener von Presslufthämmern und ähnlichen Werkzeugen einwirken. Es ist unerlässlich, solche Werkzeuge auf Gesundheits- und Sicherheitsrisiken für ihre Bediener zu testen.

Die Humanschwingungsmesslösung von Dewesoft unterstützt die Messung von Ganzkörper- und Hand-Arm-Schwingungen nach allen relevanten internationalen Normen (ISO 5349, ISO 8041, ISO 2631-1 und ISO 2631-5).

  • Unterstützte Normen. Die Dewesoft-Lösung berechnet und misst Humanschwingungen nach den internationalen Normen ISO 5349, ISO 8041, ISO 2631-1 und ISO 2631-5.
  • Ganzkörperschwingungen. Anwendbar auf Schwingungen, die von Arbeitsplatzmaschinen und Fahrzeugen über eine Einleitstelle auf den menschlichen Körper übertragen werden.
  • Hand-Arm-Schwingungen. Sensoren werden auf speziellen Adaptern installiert und an einem Griff oder zwischen den Fingern gehalten.
  • Fortgeschrittene mathematische Funktionen. Es stehen alle Daten, wie RMS, Peak, Crest, VDV, MSDV, MTVV, gewichteter Rohwert, al (ISO 2631-5) und D (ISO 2631-5), zur Verfügung.
  • Datenanalyse. Die uneingeschränkte Kombination mit anderen Standardwerkzeugen von Dewesoft bietet aufgrund der gebotenen umfassenden Datenanalysefunktionen eine hervorragende Grundlage für die Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Bereich der Schwingungsreduzierung.

Auswuchten rotierender Maschinen

Das Auswuchten von Rotoren ist für den reibungslosen Betrieb rotierender Maschinen unerlässlich. Unwuchten erzeugen starke Vibrationen, verkürzen die Maschinenlebensdauer und führen zu Materialfehlern. 

Dewesoft X Balancing module solutionDewesoft-Lösung zum Rotorauswuchten

Das Ein- und Zwei-Ebenen-Auswuchtwerkzeug von Dewesoft funktioniert sowohl im statischen als auch im dynamischen Modus. Es wurde entwickelt, um Techniker beim Auswuchten vor Ort zu unterstützen, Ausfallzeiten zu reduzieren und Kosten zu sparen.

Erfahren Sie mehr über das Rotorauswuchten:

Dewesoft-PRO-Training -> Rotorauswuchten

Seite zur Rotorauswuchtlösung

Modalanalyse und Modaltests – ODS, MIMO, OMA

Modaltests sind ein unverzichtbares Werkzeug zur Bestimmung der Eigenfrequenzen und Schwingungsformen von Strukturen. Bei den Tests wird eine zu prüfende Struktur mit einem Modalhammer oder Modalshaker „angeregt“ und dann die Reaktion gemessen und analysiert. 

Dewesoft modal analysis and modal test solutionModalanalyse mit Dewesoft-Systemen

Dewesoft X modal testing software moduleModalanalyse-Bildschirm in DewesoftX

Zu den wichtigsten von der Dewesoft-Modalanalyse unterstützten Testmethoden gehören:

  • Betriebsschwingformen (ODS)
  • Multiple Input/Multiple Output (MIMO)
  • Betriebsmodalanalyse (OMA)

Für die Echtzeitvisualisierung und -animation der zu testenden Struktur können Techniker Standardgeometriedateien importieren oder eigene Dateien erstellen. 

  • Der Impuls- oder Modalhammer-Modus erlaubt es, Messpunkte zu gruppieren, zurückzuweisen und zu wiederholen; es werden mehrere Antwort- und Anregungspunkte unterstützt. Die Möglichkeit, Anregungs- und Antwortpunkte zu verschieben, gibt dem Benutzer volle Flexibilität bei der Durchführung von Messungen.
  • Shaker-Betriebsart. In Kombination mit dem eingebauten Funktionsgenerator-Modul erlaubt das System alle möglichen Anregungsformen, von Festsinus mit einer Auflösung von 1 Mhz über Gleitsinus, Rauschen, Stufensinus und Wobbelsinus bis hin zu Burst und anderen.
  • Fortgeschrittene mathematische Funktionen. Betriebsschwingformen (ODS), Modusindikatorfunktionen (MIF) und COLA-Analyse sind bei Dewesoft vollständig implementiert, während die Betriebsmodalanalyse (OMA) und Zeitbereichs-ODS durch die enge Integration mit einem Fremdsoftwarepaket zur Verfügung gestellt werden.
  • Umfangreiche Visualisierung. Die Animation der Struktur in allen drei Richtungen und mit verschiedenen Projektionen ist auch während der Messung verfügbar und stellt somit ein großartiges Werkzeug zur Bestimmung der Ergebnisqualität dar, das dem Benutzer die Möglichkeit bietet, die Messung beliebiger Punkte gegebenenfalls zu wiederholen. Das Modalkreis-Tool bestimmt die genaue Resonanz und berechnet den viskosen oder strukturellen Dämpfungsfaktor.
  • UNV-Import/-Export. Die Geometrie kann entweder über einen eingebauten Geometrie-Editor erstellt oder per UNV-Datei importiert werden. Alle Daten – von Zeitbereichsrohdaten bis hin zu Autospektren und FRF-Daten – können im Standard-UNV-Dateiformat exportiert werden.

Shaker (Schwingtische) zur Schwingungserregung

Beschleunigungssensoren können natürlich auch zur Messung realer Schwingungen eingesetzt werden. Wie können wir aber testen, wie ein Objekt auf verschiedene Frequenzen und Amplituden reagiert? Sollen wir jahrelang warten, bis tatsächlich alle möglichen Schwingungen in der Wirklichkeit aufgetreten sind? Da dies nicht besonders effizient wäre, haben Techniker die sogenannten Shaker (Schwingerreger) entwickelt, um Vibrationen über ein breites Frequenz- und Schwingungsspektrum induzieren zu können.

Modaltest mit Shaker

Mit einem Shaker lassen sich alle möglichen einachsigen, aber auch mehrachsigen Schwingungen erzeugen. Die Frequenz und die Amplitude können dabei fest eingestellt oder variiert (auf und ab „verschoben“) werden, um zu testen, wie ein Prüfling auf verschiedenste mögliche Schwingungen reagiert. Shaker sind leistungsstarke Werkzeuge für Schock- und Vibrationstests, und zur Ergebnismodellierung werden weltweit Millionen von Beschleunigungssensoren an Prüfobjekten und den eingesetzten Schwingerregern angebracht.

Dewesoft hat ein breites Angebot an Permanentmagnet-, Modal- und Inertial-ShakernDewesoft hat ein breites Angebot an Permanentmagnet-, Modal- und Inertial-Shakern

Dewesoft bietet zahlreiche Lösungen für verschiedene Tests mit Schwingerregern an (wie Modalanalysen, Schockantwortspektrum-Analysen, Sinus-Datenreduktions- und Sinusverarbeitungstests usw.). Details dazu sind in den vorherigen Abschnitten dieses Artikels zu finden.

Impulshämmer zur Stoßanregung

Während ein Shaker für die Anregung einer einzelnen Frequenz ausgelegt ist, dienen Impuls- bzw. Modalhämmer dazu, ein breites Frequenzspektrum in einem Prüfling anzuregen. In einem typischen Szenario ist die zu testende Struktur an relevanten Stellen mit Beschleunigungssensoren ausgestattet. Dann klopft der Bediener mit dem Impulshammer an einer oder mehreren Stellen auf diese Struktur. In den Hammer ist ein Beschleunigungssensor integriert, der dem Messsystem einen bekannten Wert liefert, so dass wir genau wissen, welche Kraft aufgebracht wurde.

Dewesoft-System für einen ModalhammertestDewesoft-System für einen Modalhammertest

Impuls- bzw. Modalhämmer haben normalerweise austauschbare Spitzen, die direkt am Schlagkopf befestigt werden können. Diese Spitzen sind in unterschiedlichen Härtegraden erhältlich, so dass die Struktur mit verschiedenen Härten – von sehr weich und schwammig bis extrem hart und ungemildert  – angeschlagen werden kann. Die so erzeugten Impulse regen die Reaktion der Struktur auf unterschiedliche Weise an und ermöglichen neue Einblicke.

In der folgenden kurzen Videopräsentation erfahren Sie mehr über Dewesoft-Modaltests mit einem Impulshammer:

Wichtigste Anbieter von Beschleunigungssensoren

Es ist nicht unsere Absicht, hier alle Hersteller von Beschleunigungssensoren aufzuführen, die es weltweit gibt, denn das wären Hunderte. Es gibt aber einige wichtige Anbieter, die unter Messtechnikern gut bekannt sind:

Firma Hauptprodukte Website
Analog Devices MEMS Beschleunigungssensoren www.analog.com
Dytran Instruments Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang, IEPE- und MEMS-Beschleunigungssensoren www.dytran.com
Endevco Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang, IEPE- und MEMS-Beschleunigungssensoren www.endevco.com
Kistler Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang, IEPE- und MEMS-Beschleunigungssensoren www.kistler.com
Meggitt  Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang und MEMS-Beschleunigungssensoren www.meggitt.com
Omega Engineering ACC Beschleunigungssensoren www.omega.com
PCB Piezotronics IEPE Beschleunigungssensoren www.pcb.com
Wilcoxon IEPE Beschleunigungssensoren www.wilcoxon.com
XSENS MEMS Beschleunigungssensoren www.xsens.com

Kompatible Dewesoft-Messverstärker

SIRIUS-DAQ-Systemfamilie

Unsere SIRIUS-Datenerfassungssysteme bieten High-End-Messmodule für praktisch jede Art von Beschleunigungssensoranschlüssen. Es sind mehrere verschiedene Module erhältlich, die im Folgenden einzeln beschrieben werden.

Die DAQ-Systeme der SIRIUS-Familie sind in verschiedenen Gehäusetypen erhältlichDie DAQ-Systeme der SIRIUS-Familie sind in verschiedenen Gehäusetypen erhältlich

SIRIUS-Dual-Core-Module für Beschleunigungssensoren

Die folgende Tabelle informiert über unsere SIRIUS-Datenerfassungsmodule mit hohem Dynamikbereich und DualCoreADC-Technologie und ihre Kompatibilität mit verschiedenen Beschleunigungssensoren (direkt oder mit DSI-Adapter).

Unsere DualCoreADC®-Technologie verbessert die Effizienz dualer 24-Bit-Delta-Sigma-A/D-Wandler mit einem Anti-Aliasing-Filter auf jedem Kanal. Dadurch erreichen unsere DAQ-Module einen außerordentlichen Dynamikumfang von 160 dB im Zeit- und Frequenzbereich. Mit diesen Merkmalen und einer Abtastrate von bis zu 200 kS/s/Kanal sind diese Verstärker einzigartig auf dem Markt. 

  SIRIUS DualCoreADC®-Module
(bis zu 8 Eingangskanäle pro Modul)
  SIRIUS-ACC SIRIUS-CHG SIRIUS-STG
SIRIUS-STGM
SIRIUS-LV
Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang N/A Direkt unterstützt Unterstützt über DSI-CHG Unterstützt über DSI-CHG
IEPE Beschleunigungssensoren Direkt unterstützt Direkt unterstützt Unterstützt über DSI-ACC Unterstützt über DSI-ACC
Kapazitive Beschleunigungssensoren Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
N/A Direkt unterstützt Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
Piezoresistive Beschleunigungssensoren N/A N/A Direkt unterstützt N/A
MEMS-Sensoren mit Analogausgang Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
N/A Direkt unterstützt Direkt unterstützt

SIRUS HD - High-Density-Module für Beschleunigungssensoren

Das SIRIUS-High-Density-Modul mit bis zu 16 Kanälen pro Einheit ist die perfekte Wahl für hochkanalige Anwendungen.

  SIRIUS HD-Module (High Density)
(bis zu 16 Eingangskanäle pro Modul)
  SIRIUS-HD-ACC SIRIUS-HD-STGS SIRIUS-HD-LV
Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang N/A Unterstützt über DSI-CHG Unterstützt über DSI-CHG
IEPE Beschleunigungssensoren Direkt unterstützt Unterstützt über DSI-ACC Unterstützt über DSI-ACC
Kapazitive Beschleunigungssensoren Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
Direkt unterstützt Direkt unterstützt
Piezoresistive Beschleunigungssensoren N/A Direkt unterstützt N/A
MEMS-Sensoren mit Analogausgang Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
Direkt unterstützt Direkt unterstützt

SIRUS HS - High-Speed-Module für Beschleunigungssensoren

Die 16-Bit-SAR-Technologie (1 MHz) mit softwaremäßig wählbarer aliasing-freier Filterung ist die perfekte Wahl für die Transientenaufzeichnung. Bis zu 8 Kanäle pro Modul.

  SIRIUS HS-Module (High Speed)
(bis zu 8 Eingangskanäle pro Modul)
  SIRIUS-HS-ACC SIRIUS-HS-CHG SIRIUS-HS-STG SIRIUS-HS-LV
Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang N/A Direkt unterstützt Unterstützt über DSI-ACC Unterstützt über DSI-ACC
IEPE Beschleunigungssensoren Direkt unterstützt Direkt unterstützt Unterstützt über DSI-CHG Unterstützt über DSI-CHG
Kapazitive Beschleunigungssensoren Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
N/A Direkt unterstützt Direkt unterstützt
Piezoresistive Beschleunigungssensoren N/A N/A Direkt unterstützt N/A
MEMS-Sensoren mit Analogausgang Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
N/A Direkt unterstützt Direkt unterstützt

SIRIUS MINI für IEPE-Beschleunigungssensoren

Das SIRIUS MINI ist ein kleines, transportfreundliches USB-gespeistes Datenerfassungssystem, ideal für Akustik-, Vibrations- und Rotationsmaschinenanalysen. Es verfügt über vier sehr schnelle, hochauflösende Eingangskanäle, die speziell für IEPE-Beschleunigungssensoren entwickelt wurden. Diese Eingänge können auch als reine Spannungseingänge (per Software wählbar) verwendet werden, so dass Sie mit separaten Ladungsverstärkern auch Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang und mit entsprechender externer Signalaufbereitung auch piezoresistive oder kapazitive Sensoren einsetzen können.

SIRIUS MINI von DewesoftSIRIUS MINI von Dewesoft

Das SIRIUS MINI benötigt keine externe Stromversorgung. Diese kann vielmehr direkt per USB-Anschluss, etwa über einen Laptop, erfolgen. Das System ist mit vier hochdynamischen Analogeingängen vorkonfiguriert, die jeweils über duale Sigma-Delta-A/D-Wandler mit einer Abtastrate von 200 kHz pro Kanal und einen Dynamikbereich bis 160 dB verfügen. Das Modul kann auch einen Zähler-/Encodereingang umfassen, der in der Lage ist, drei digitale Eingangssignale ODER ein Ereigniszähler-, Encoder-, Perioden-, Pulsbreiten- oder Tastgrad-Eingangssignal zu erfassen. 

  SIRIUS MINI
Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang N/A
IEPE Beschleunigungssensoren Direkt unterstützt
Kapazitive Beschleunigungssensoren Unterstützt (externe Stromversorgung erforderlich)
Piezoresistive Beschleunigungssensoren N/A
MEMS-Sensoren mit Analogausgang Unterstützt (externe Stromversorgung erforderlich)

DEWE-43A- und MINITAURs-Module für Beschleunigungssensoren

Das DEWE-43A ist ein sehr leichtes, tragbares Datenerfassungssystem, das mittels eines verriegelbaren USB-Steckers an Ihren Computer angeschlossen werden kann und über acht universelle Analogeingänge verfügt. Sein „großer Bruder“ heißt MINITAURs und ist im Wesentlichen ein mit einem Rechner und einigen anderen Elementen ausgestattetes DEWE-43A in einem kompakten, problemlos tragbaren Gehäuse. Die Universaleingänge beider Systeme sind mit den DSI-Adaptern von Dewesoft kompatibel, so dass Sie RTD-Sensoren an beliebig viele der acht Eingangskanäle anschließen können. 

DEWE-43A und MINITAURs Datenerfassungssystem Links: Tragbares Datenerfassungssystem DEWE-43A Rechts: MINITAURs mit integriertem Rechner

Beide Modelle verfügen über differentielle Universaleingänge, bei denen es sich im Grunde genommen um Vollbrücken-/Niederspannungsmodule handelt, die mit den Adaptern der DSI-Serie kompatibel sind. Diese Adapter stehen sowohl für Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang als auch für IEPE-Beschleunigungssensoren zur Verfügung. DSI-Adapter verwenden TEDS zur automatischen Konfiguration in der Datenerfassungssoftware DewesoftX. Schließen Sie den DSI-Adapter einfach an den gewählten DB9-Eingang an, überprüfen Sie Ihre Einstellungen auf dem Hardware-Konfigurationsbildschirm in DewesoftX, und schon können Sie mit den Messungen beginnen.

  DEWE-43A MINITAURs
Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang Unterstützt über DSI-CHG Unterstützt über DSI-CHG
IEPE-Beschleunigungssensoren Unterstützt über DSI-ACC Unterstützt über DSI-ACC
Kapazitive Beschleunigungssensoren Unterstützt Unterstützt
Piezoresistive Beschleunigungssensoren Unterstützt Unterstützt
MEMS-Sensoren mit Analogausgang Unterstützt Unterstützt

Mehrkanalige KRYPTON-Module für Beschleunigungssensoren

KRYPTON ist die robusteste Produktreihe von Dewesoft. Unsere KRYPTON-Datenerfassungsmodule sind nicht nur darauf ausgerichtet, extremen Temperaturen, Stößen und Vibrationen standzuhalten, sondern auch in Schutzart IP67 ausgeführt und somit gegen Wasser, Staub und andere Partikel geschützt. Die Module können über EtherCAT mit jedem Windows-Computer (einschließlich des robusten Dewesoft-Modells IP67 KRYPTON CPU) verbunden und zur Gewährleistung der größtmöglichen Nähe zur Signalquelle bis zu 100 Meter voneinander entfernt positioniert werden. Wie die SIRIUS-Module arbeiten auch sie mit DewesoftX, der leistungsfähigsten Datenerfassungssoftware auf dem Markt.

KRYPTON data acquisition system with DSI adapters

  Mehrkanalige KRYPTON-Module
  ACC
(4 oder 8 Kanäle)
STG
(3 oder 6 Kanäle)
LV
(4 oder 8 Kanäle)
Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang N/A Unterstützt über DSI-CHG Unterstützt über DSI-CHG
IEPE Beschleunigungssensoren Direkt unterstützt Unterstützt über DSI-ACC Unterstützt über DSI-ACC
Kapazitive Beschleunigungssensoren Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
Direkt unterstützt Direkt unterstützt
Piezoresistive Beschleunigungssensoren N/A Direkt unterstützt N/A
MEMS-Sensoren mit Analogausgang Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
Direkt unterstützt Direkt unterstützt

Einkanalige KRYPTON-ONE-Module für Beschleunigungssensoren

Robuste einkanalige Module mit Spannungseingang für ultimative Modularität.

KRYPTON ONE single-channel DAQ system

  Einkanalige KRYPTON-ONE-Module
  ACC  STG  LV
Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang N/A Unterstützt über DSI-CHG N/A
IEPE Beschleunigungssensoren Direkt unterstützt Unterstützt über DSI-ACC N/A
Kapazitive Beschleunigungssensoren Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
Direkt unterstützt Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
Piezoresistive Beschleunigungssensoren N/ADirekt unterstützt N/A
MEMS-Sensoren mit Analogausgang Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
Direkt unterstützt Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)

IOLITE-Module für Beschleunigungssensoren

IOLITE ist ein einzigartiges Produkt, das die wesentlichen Fähigkeiten eines industriellen Echtzeit-Steuerungssystems mit einem leistungsstarken Datenerfassungssystem kombiniert. Mit IOLITE können Signale von Hunderten von analogen und digitalen Kanälen mit voller Geschwindigkeit erfasst und gleichzeitig Daten in Echtzeit an jeden beliebigen EtherCAT-Master-Controller von Drittanbietern übertragen werden.

 

  IOLITE-Module
  IOLITE-8xLV
(8 Kanäle)
IOLITE-6xSTG
(6 Kanäle)
Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang N/A Unterstützt über DSI-CHG
IEPE-Beschleunigungssensoren N/A Unterstützt über DSI-ACC
Kapazitive Beschleunigungssensoren Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
Direkt unterstützt
Piezoresistive Beschleunigungssensoren N/A Direkt unterstützt
MEMS-Sensoren mit Analogausgang Unterstützt
(externe Stromversorgung erforderlich)
Direkt unterstützt

Beschleunigungssensoren von Dewesoft

Dewesoft bietet eine Vielzahl an gängigen Beschleunigungssensoren, die perfekt auf unsere Hard- und Software abgestimmt sind. Diese Sensoren sind mit einer TEDS-Smart-Sensor-Schnittstelle ausgestattet, die es der Datenerfassungssoftware DewesoftX ermöglicht, den Sensor automatisch zu erkennen und korrekt zu skalieren. So lassen sich menschliche Fehler ausschließen, und das System kann schnell und einfach konfiguriert werden. Alle unsere Vibrationssensoren sind voll kompatibel mit den Dewesoft-Schwingerregern.

Vibrationssensoren

Für Standardmessungen oder Modalanalysen werden IEPE-Miniaturbeschleunigungssensoren in einachsiger (Modell I1T-50G-1) oder isolierter dreiachsiger (Modell I3T-50G-1) Ausführung mit einem Beschleunigungsbereich von 50 g empfohlen. Das Modell I1AI-500G-1 ist ein Miniatur-Beschleunigungssensor für die Messung von Schwingungen bis 500 g.

Typischer Dewesoft-Beschleunigungssensor
Typischer Dewesoft-Beschleunigungssensor

Industrielle Beschleunigungssensoren von Dewesoft

Gegen das Gehäuse isolierte Sensoren können auch mit nicht isolierten Verstärkern verwendet werden, ohne dass man sich um Masseschleifen sorgen muss. Der IEPE-Sensor I1TI-50G-2 ist aufgrund seines robusten Gehäuses und Steckers ideal für industrielle Anwendungen geeignet. Der I3TI-50G-1 ist ein dreiachsiger Standardsensor mit einem Messbereich von 50 g. Der I1TI-500G-1 ist ein einachsiger Beschleunigungssensor, der bis 500 g messen kann, und der Ladungsaufnehmer C1T-50g-1 ist für hohe Umgebungstemperaturen bis 190 °C geeignet.

Typischer industrieller Beschleunigungssensor von Dewesoft
Typischer industrieller Beschleunigungssensor von Dewesoft

Alle unsere Vibrationssensoren sind voll kompatibel mit den Dewesoft-Schwingerregern.

Modalhammer

Als Ergänzung zu Vibrationssensoren ist der Modalhammer IH-441N-1 mit einem Messbereich von bis zu 440 N ideal für Modalanalyse-Anwendungen mit Dewesoft-Software geeignet. Unser Modalhammer ist mit einer TEDS-Smart-Sensor-Schnittstelle ausgestattet. Die Software DewesoftX erkennt den Sensor automatisch und wählt die korrekte Skalierung.

Modal impact hammer