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Beschleunigungsmesser: Ein umfassender Leitfaden zu Anwendungen und Techniken bei Schwingungsmessungen

Beschleunigungsmesser sind wichtige Wandler, die zur Messung von Schwingungen und Beschleunigungen in verschiedenen Anwendungen verwendet werden, darunter Fahrzeugsicherheit, Unterhaltungselektronik und Industriemaschinen. Dieser Leitfaden behandelt die Auswahl-, Montage-, Kalibrierungs-, Datenerfassungs- und Analysetechniken, die für die effektive Verwendung von Beschleunigungsmessern für präzise Schwingungsmessungen erforderlich sind.

Was ist ein Beschleunigungsmesser?

Ein Beschleunigungsmesser ist ein Wandler, der Schwingungen anhand der Bewegungsbeschleunigung einer Struktur misst. Er funktioniert, indem er Schwingungen in ein proportionales elektrisches Signal umwandelt, basierend auf dem zweiten Newtonschen Bewegungsgesetz, das besagt, dass die Beschleunigung (m/s²) direkt proportional zur auf einen Körper wirkenden Kraft (Newton) und umgekehrt proportional zu seiner Masse (Gramm) ist. Im Wesentlichen misst ein Beschleunigungsmesser die Beschleunigung indirekt, indem er die auf eine seiner Achsen ausgeübte Kraft erkennt. Ein häufig verwendeter Messansatz bei Beschleunigungsmessern ist die Messung der Kraft, die durch die Bewegung einer Masse entsteht. Die Methode der Signalwandlung hängt vom Typ des Beschleunigungsmessers ab, wobei piezoelektrische und MEMS-Beschleunigungsmesser unterschiedliche mechanische Konstruktionen aufweisen.

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Welche Arten von Beschleunigungsmessern gibt es?

Zu den wichtigsten Arten von Beschleunigungsmessern gehören:

  • Piezoelektrische Beschleunigungsmesser verwenden einen Sensorkristall, an dem ein seismisches Gewicht angebracht ist. Wenn der Sensor eine Beschleunigung erfährt, übt das Gewicht eine Kraft auf den Kristall aus und erzeugt eine elektrische Ladung, die proportional zur Kraft und damit zur Beschleunigung ist. Dieses hochohmige Signal kann direkt gemessen oder durch elektronische Schaltkreise verstärkt und aufbereitet werden. Sie werden häufig bei der Messung von Maschinenschwingungen verwendet.
  • MEMS-Beschleunigungsmesser (mikroelektromechanische Systeme) werden mithilfe der Mikrofertigungstechnologie hergestellt und bestehen aus winzigen mechanischen Komponenten auf einem Siliziumchip. Ein gängiger Sensormechanismus ist die Kapazitätsmessung, bei der Änderungen der Position einer mikrobearbeiteten Masse zu Kapazitätsschwankungen führen. Wenn der Körper des Beschleunigungsmessers durch eine von außen ausgeübte Kraft bewegt wird, wird die Bewegung der seismischen Masse durch differenzielle kapazitive Sensorelemente erkannt. Das erzeugte Signal wird durch Schaltungskomponenten, die im selben IC-Gehäuse montiert sind, verstärkt, aufbereitet und gefiltert. MEMS-Beschleunigungsmesser werden häufig in der Unterhaltungselektronik, zur Messung menschlicher Vibrationen und für niederfrequente Bodenvibrationen verwendet.
  • Piezoresistive Beschleunigungsmesser verwenden Materialien, die ihren elektrischen Widerstand ändern, wenn sie mechanischer Belastung ausgesetzt werden. Sie funktionieren ähnlich wie Dehnungsmessstreifen und messen Belastungen. Eine auf das piezoresistive Material ausgeübte Kraft verformt es und ändert seinen Widerstand. Dies wird mithilfe von Widerstandselementen gemessen, die in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind. Piezoresistive Beschleunigungsmesser haben eine hohe Bandbreite und geringe Empfindlichkeit, wodurch sie für hochfrequente, kurzzeitige Messungen geeignet sind, wie z. B. Crash- oder Waffentests. Sie sind für Crashtest-Anwendungen im Automobilbereich unverzichtbar.

Beschleunigungsmesser sind wichtig, weil sie präzise Messungen von Beschleunigung und Vibration liefern, die die Sicherheit erhöhen, die Navigation und Steuerung verbessern, erweiterte Funktionen ermöglichen, die vorausschauende Wartung erleichtern, die seismische Überwachung unterstützen und bei medizinischen Anwendungen helfen. Diese Fähigkeiten machen Beschleunigungsmesser in verschiedenen Branchen unverzichtbar und gewährleisten einen effizienten, zuverlässigen und sicheren Betrieb in den Bereichen Automobil, Luft- und Raumfahrt, Unterhaltungselektronik, Industriemaschinen, strukturelle Gesundheit und Gesundheitswesen.

Ein Vibrationsbeschleunigungsmesser kann Folgendes messen:

  • Beschleunigung: Die Änderungsrate der Geschwindigkeit, die die primäre Messung ist, die von Beschleunigungsmessern bereitgestellt wird.
  • Geschwindigkeit: Durch Integration der Beschleunigungsdaten ist es möglich, die Geschwindigkeit des vibrierenden Objekts abzuleiten.
  • Verschiebung: Durch weitere Integration der Geschwindigkeitsdaten kann die Verschiebung des vibrierenden Objekts berechnet werden. Dies ist besonders nützlich bei der Beurteilung des Ausmaßes der Vibration in mechanischen Systemen.
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Was sind die Hauptanwendungen von Beschleunigungsmessern?

Beschleunigungsmesser sind für die Entwicklung, den Betrieb und die Wartung von Systemen in verschiedenen Branchen von entscheidender Bedeutung. Verschiedene Arten von Beschleunigungsmessern werden basierend auf ihren spezifischen Fähigkeiten und den Anforderungen der Anwendung ausgewählt:

  • Entwicklung: In der F&E-Phase werden Beschleunigungsmesser verwendet, um Designs zu testen und zu validieren. Bei Sicherheitssystemen in Kraftfahrzeugen testen MEMS- und piezoresistive Beschleunigungsmesser Komponenten wie Airbags, Antiblockiersysteme (ABS) und Traktionskontrollsysteme. Piezoresistive Beschleunigungsmesser bewältigen hochfrequente Stöße bei Crashtests. In der Unterhaltungselektronik ermöglichen MEMS-Beschleunigungsmesser Funktionen wie Bildschirmrotation, Bewegungsspiele und Fitness-Tracking und liefern wichtige Daten für die Gestaltung von Benutzeroberflächen. In der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigung helfen piezoelektrische und MEMS-Beschleunigungsmesser bei der Gestaltung von Navigationssystemen, Stabilitätskontrolle und Strukturüberwachung, indem sie hochfrequente Vibrationen und Trägheitsnavigationsparameter messen.
  • Betrieb: Während des Betriebs bieten Beschleunigungsmesser Echtzeitfunktionen und Sicherheitsfunktionen. In Automobilanwendungen erkennen MEMS-Beschleunigungsmesser schnelle Verzögerungen, um Airbags auszulösen. In der Unterhaltungselektronik drehen MEMS-Beschleunigungsmesser Bildschirme in Smartphones und Tablets und messen Körpervibrationen für gesundheitliche und ergonomische Beurteilungen. Zur Überwachung seismischer Aktivitäten erkennen und zeichnen MEMS- und kapazitive Beschleunigungsmesser Bodenbewegungen auf und bieten hochempfindliche Messungen mit großem Frequenzbereich. In Industriemaschinen überwachen und analysieren piezoelektrische Beschleunigungsmesser Vibrationen, um die Betriebsstabilität zu gewährleisten und Unwuchten und potenzielle Ausfälle zu erkennen.
  • Wartung: Bei der laufenden Wartung überwachen Beschleunigungsmesser den Zustand und die Leistung von Systemen. Bei der vorausschauenden Wartung analysieren piezoelektrische und Dehnungsmessstreifen-Beschleunigungsmesser Vibrationen, um Geräteausfälle vorherzusagen und zu verhindern, und planen Wartungsarbeiten, bevor katastrophale Ausfälle auftreten. Bei der Überwachung der Strukturintegrität bewerten Dehnungsmessstreifen und kapazitive Beschleunigungsmesser die Integrität von Strukturen wie Brücken, Gebäuden und Dämmen, indem sie niederfrequente Vibrationen und Verformungen messen. Bei der Überwachung der Fahrzeugintegrität überwachen MEMS- und piezoresistive Beschleunigungsmesser kontinuierlich Vibrationen und Stöße und identifizieren Probleme, die Wartung erfordern, wie Unwuchten oder abgenutzte Komponenten.
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Wie werden Beschleunigungsmesser für Vibrationsmessungen verwendet?

Die Verwendung von Beschleunigungsmessern für Vibrationsmessungen erfordert spezielle Kenntnisse und Fachkenntnisse. Normalerweise werden diese Geräte von Ingenieuren, Technikern und Forschern verwendet, die Erfahrung im Umgang mit und der Interpretation von Daten von Beschleunigungsmessern haben.

Welche Geräte verwenden Beschleunigungsmesser?

Beschleunigungsmesser sind Teil einer Messkette von Schwingungsmessern, die Stromversorgung, Kabel und Anschlüsse umfasst. Die ordnungsgemäße Stromversorgung des Beschleunigungsmessers ist wichtig, um genaue Messwerte zu erhalten. Die Verwendung geeigneter Kabel und Anschlüsse gewährleistet eine zuverlässige Signalübertragung und minimiert Datenverluste. Schwingungsmesser können ein- oder mehrkanalig sein, daher sind Beschleunigungsmesser in ein- und dreiachsigen Versionen erhältlich.

Wie wählt man den richtigen Beschleunigungsmesser aus?

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines Beschleunigungsmessers für eine bestimmte Anwendung die folgenden Hauptmerkmale:

  1. Frequenzbereich (Hz): Gibt den Bereich der Schwingungsfrequenzen an, auf die der Beschleunigungsmesser reagiert. Beispielsweise muss der Messfrequenzbereich des Schwingungsstärkemessgeräts zwischen 10 Hz und 1.000 Hz liegen, kann aber auch andere Bereiche umfassen. (In einigen Teilen von ISO 20816 wird eine niedrigere Grenzfrequenz von 2 Hz oder sogar niedriger verwendet.)
  2. Dynamikbereich (g oder m/s²): Der Bereich zwischen der kleinsten erkennbaren Amplitude und der größten Amplitude, bevor das Ausgangssignal verzerrt oder abgeschnitten wird.
  3. Empfindlichkeit (mV/g oder mV/m/s²): Definiert das minimal erkennbare Signal oder die Änderung des elektrischen Ausgangssignals pro Änderung der mechanischen Eingangsänderung. Normalerweise bei einer Frequenz angegeben; die Empfindlichkeit bezieht sich auf den Betriebsbereich.
  4. Temperatur: Der Betriebstemperaturbereich, dem der Beschleunigungsmesser standhalten kann.
  5. Masse: Das Gewicht des Beschleunigungsmessers, das dessen Befestigung und Messgenauigkeit beeinflussen kann.
  6. Befestigungsart: Die Methode, mit der der Beschleunigungsmesser an der Messoberfläche befestigt wird.
  7. Kompatibilität mit dem Vibrationsmesser: Sicherstellen, dass der Beschleunigungsmesser reibungslos mit dem verwendeten Vibrationsmesser funktioniert.

Wie wird die Genauigkeit des Beschleunigungsmessers sichergestellt?

Um präzise Messungen zu gewährleisten, müssen Beschleunigungsmesser alle zwei Jahre in einem Labor kalibriert und überprüft werden. Bei diesem Vorgang wird eine Basislinie festgelegt und die Ausgabe des Sensors so angepasst, dass sie bekannten Referenzwerten entspricht. Regelmäßige Kontrollen vor Ort sind ebenfalls erforderlich, um die Genauigkeit im Laufe der Zeit aufrechtzuerhalten. Dazu werden normalerweise tragbare Kalibratoren wie der SV110 verwendet.

Wie werden die Beschleunigungsmesser montiert?

Genaue Vibrationsmessungen hängen von den richtigen Montagetechniken ab. Hersteller von Beschleunigungsmessern beschreiben normalerweise die folgenden Montagemethoden:

  • Bolzenmontage
  • Klebemontage (einschließlich Zement- und Wachsmontage)
  • Magnetmontage

Die ordnungsgemäße Befestigung des Beschleunigungsmessers an der Maschine oder Struktur minimiert Störungen und stellt sicher, dass der Sensor die Vibrationen genau erfasst.

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Wie werden Vibrationsdaten von den Beschleunigungsmessern erfasst?

Zum Einrichten eines Datenerfassungssystems muss die Ausrüstung (Vibrationsmesser) so konfiguriert werden, dass Vibrationsdaten genau erfasst werden. Die Auswahl der geeigneten Abtastrate und Datenprotokollierungsparameter ist entscheidend, um die erforderlichen Details zu erfassen und Datenverlust zu vermeiden. Es ist wichtig, Ergebnisse wie PEAK, RMS, MAX, PEAK-PEAK, VDV oder Frequenzspektrumanalysen wie FFT oder 1/3 Oktaven auszuwählen und Rohdaten aufzuzeichnen (WAV-Aufzeichnung).

Datenverarbeitung und -analyse

Sobald Daten erfasst sind, müssen sie verarbeitet und analysiert werden. Spezialsoftware wie SvanPC++ Werkzeuge wendet Filter und Algorithmen auf die Rohdaten an und extrahiert aussagekräftige Informationen über Vibrationsmuster, Frequenzen und Amplituden.

Daten interpretieren und Anpassungen vornehmen

Der letzte Schritt umfasst die Interpretation der verarbeiteten Daten, um den Zustand der Maschinerie oder Struktur zu verstehen. Basierend auf dieser Analyse können Ingenieure und Techniker die notwendigen Anpassungen vornehmen, um die Leistung zu verbessern, Fehler zu vermeiden und die Sicherheit zu gewährleisten.

Wichtige Erkenntnisse

  1. Beschleunigungsmesser sind vielseitige Wandler, die für die Messung von Vibrationen und Beschleunigungen in verschiedenen Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind, von der Fahrzeugsicherheit und Unterhaltungselektronik bis hin zur Luft- und Raumfahrt, Industriemaschinen und Strukturüberwachung.
  2. Es gibt verschiedene Arten von Beschleunigungsmessern, z. B. piezoelektrische, MEMS-, piezoresistive und Dehnungsmessstreifen-Beschleunigungsmesser. Die Auswahl des richtigen Typs hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, einschließlich Frequenzbereich, Dynamikbereich, Empfindlichkeit und Kompatibilität mit dem Messsystem.
  3. Die effektive Verwendung von Beschleunigungsmessern erfordert spezifische Kenntnisse und Fachkenntnisse in Montagetechniken, Kalibrierung und Datenerfassung. Die ordnungsgemäße Installation und Kalibrierung gewährleisten genaue Messungen, während fortschrittliche Datenverarbeitungs- und Analysetechniken für die Interpretation von Vibrationsdaten und die Durchführung fundierter Anpassungen unerlässlich sind.
  4. Beschleunigungsmesser erhöhen die Sicherheit und Betriebseffizienz, indem sie Echtzeitdaten für vorausschauende Wartung, strukturelle Zustandsüberwachung und die Erkennung schneller Bewegungsänderungen liefern, die Sicherheitsmechanismen wie Airbags in Fahrzeugen auslösen können.
  5. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Schwingungsmessungen hängen von einer umfassenden Messkette ab, die eine ordnungsgemäße Stromversorgung, geeignete Kabel und Anschlüsse sowie robuste Datenerfassungssysteme umfasst. Regelmäßige Kalibrierung und Kontrollen vor Ort sind erforderlich, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen aufrechtzuerhalten.

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