Piezoelektrische Beschleunigungssensoren

In den allermeisten piezoelektrischen Sensoren wird Bleizirkonattitanat (PZT)-Keramik eingesetzt. Dieser Werkstoff bietet einen sehr breiten Temperaturbereich, einen großen dynamischen Bereich und eine breite Bandbreite (nutzbar bis >10 kHz). Ein Beschleunigungsmesser mit Lademodus, der dann noch in einem hermetischen, geschweißten Metallgehäuse untergebracht ist, gilt aufgrund seiner Fähigkeit, rauen Umweltbedingungen standhalten zu können, als einer der langlebigsten Sensoren.

Aufgrund der sehr hohen Impedanz der Piezokeramik muss bei einem Gerät mit Lademodus ein rauscharmes abgeschirmtes Kabel, vorzugsweise in Koaxialkonfiguration, verwendet werden. Diese speziellen störungsarmen Kabel sind in der Regel bei den Sensorherstellern erhältlich.

Um Probleme im Zusammenhang mit paralleler Kabelkapazität zu vermeiden, wird beim Anschließen an Beschleunigungsmesser mit Lademodus im Allgemeinen ein Ladungsverstärker verwendet. Bei einem modernen Ladungsverstärker lässt sich der große Dynamikbereich (>120 dB) des Sensors mit Lademodus problemlos erreichen. Aufgrund des breiten Betriebstemperaturbereichs von piezoelektrischer Keramik können einige Geräte mit Lademodus bei -200 °C bis +640 °C und darüber eingesetzt werden. Diese Sensoren sind besonders für Vibrationsmessungen bei extremen Temperaturen wie bei der Überwachung von Turbinenmotoren geeignet.

Der andere Typ piezoelektrischer Beschleunigungsmesser bietet statt eines Ladungs- einen Spannungsausgang. Dies wird erreicht, indem der Ladungsverstärker in das Gehäuse des Beschleunigungsmessers integriert wird.

2-Leiter-Modus: Strom/Signal, Masse

Der 2-Leiter-Modus ist auch als Integral Electronics Piezo Electric (IEPE) bekannt. Aufgrund seiner praktischen Koaxial (2-Leiter)-Konfiguration, bei der die Gleichstromleitung mit dem AC-Signal überlagert wird, ist IEPE am beliebtesten. Um die DC-Vorspannung aus dem Signalausgang des Sensors zu entfernen, ist ein Sperrkondensator notwendig. Viele moderne Signalanalysatoren bieten einen optionalen IEPE/ICPP^TM-Eingang, der einen direkten Anschluss an IEPE-Beschleunigungsmesser ermöglicht. Ist die Möglichkeit einer IEPE-Stromversorgung nicht verfügbar, muss ein Signalkonditionierer/eine Stromversorgung mit Konstantstrom für den Anschluss an diesen Gerätetyp verwendet werden.

3-Leiter-Modus: Signal/Signal, Strom

Geräte mit 3-Leiter-Modus erfordern eine separate DC-Stromversorgung für den ordnungsgemäßen Betrieb. Im Gegensatz zu einem Gerät mit Lademodus, das nur Sensorelemente aus Keramik enthält, ist in Geräten mit Spannungsmodus ein mikroelektronischer Schaltkreis integriert, der die Betriebstemperatur des Geräts auf die maximale Betriebstemperatur der Elektronik begrenzt, normalerweise bei +125 °C.

Aufgrund des außergewöhnlich breiten dynamischen Bereichs bei piezoelektrischen Keramikelementen sind Beschleunigungsmesser mit Lademodus die flexibelste Lösung in Bezug auf die Skalierbarkeit, da der vollständige Messbereich des Systems vom Benutzer über den externen Ladungsverstärker eingestellt werden kann. Bei Geräten mit Spannungsmodus wiederum wird der vollständige Messbereich durch den internen Verstärker vorab werkseitig festgelegt und lässt sich nicht ändern. Piezoelektrische Beschleunigungsmesser sind in sehr kleinen Bauformen erhältlich. Dies macht sie zu einer idealen Lösung für dynamische Messungen in Leichtbaukonstruktionen.