Kurzübersichten

Kenngrößen

Zur Werkskalibrierung wird ein modernes PC-gestütztes Messsystem verwendet. Die Kalibrierung basiert auf einem Transfernormal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB).
Die Aufnehmer werden, von wenigen Ausnahmen abgesehen, mit einem individuellen Kennblatt ausgeliefert. Darauf sind alle individuell gemessenen Daten vermerkt, wozu Empfindlichkeit, Querempfindlichkeit, Isolationswiderstand, Kapazität, Arbeitspunktspannung und Frequenzgang gehören. Weiterhin sind die verfügbaren typischen Kennwerte enthalten.

Übertragungsfaktoren

Ein piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer mit Ladungsausgang kann entweder als Ladungsquelle oder als Spannungsquelle mit sehr hohem Innenwiderstand betrachtet werden. Demzufolge werden Ladungs- oder Spannungsempfindlichkeit (auch Übertragungsfaktoren genannt) angegeben, um das Verhalten des Sensors gegenüber der Beschleunigung zu beschreiben. Im Kennblatt wird der Ladungsübertragungsfaktor, gemessen in Picocoulomb je m/s² oder je g (1 g = 9,81 m/s²) bei einer Frequenz von 80 Hz und Raumtemperatur, angegeben.

Bei IEPE-Aufnehmern wird die Empfindlichkeit in Millivolt je m/s² oder je g angegeben.
Die Messunsicherheit dieser Kalibrierung beträgt 2 % bei
f = 80 Hz, T = 21 °C, a = 10 m/s², C_KABEL = 150 pF, I_CONST = 4 mA.

Diese Messunsicherheit darf nicht mit der Abgleichtoleranz verwechselt werden, die bei einigen Typen angegeben wird. Der Beschleunigungsaufnehmer KS80D hat z.B. eine Abgleichtoleranz von ± 5 % bezogen auf die Nennempfindlichkeit von 100 mV/g. Die Standardtoleranz ist, wenn nicht anders angegeben, ± 20 %. Die tatsächliche Empfindlichkeit darf also von der im Katalog angegebenen Nennempfindlichkeit um die angegebene Toleranz abweichen.
Der Ladungsübertragungsfaktor ist bei piezokeramischen Sensoren gering frequenzabhängig. Er vermindert sich um typisch 2 % je Frequenzdekade. Für Präzisionsmessungen weit ab von der Werkskalibrierfrequenz 80 Hz sollte eine Nachkalibrierung bei der gewünschten Frequenz erfolgen.

Bevor ein Beschleunigungsaufnehmer das Werk verlässt, durchläuft er einen künstlichen Alterungsprozess. Dennoch kann weitere Alterung nicht gänzlich ausgeschlossen werde. Typisch ist ein Absinken der Empfindlichkeit um 3 % in den ersten 3 Jahren nach Herstellung. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen sollte ein regelmäßiger Nachkalibrierzyklus eingehalten werden.

Frequenzgang

Die Messung des Frequenzgangs erfolgt durch mechanische Anregung. Hierzu wird ein Schwingungserreger genutzt, der mit Sinussignalen von 20 (80) bis 40000 Hz gespeist wird. Die Beschleunigung wird dabei mit Hilfe einer Referenzschleife annähernd auf 3 m/s² konstant gehalten. Die meisten Beschleunigungsaufnehmertypen werden mit einer individuell gemessenen Frequenzgangkurve ausgeliefert. Diese gibt die Änderung der Sensorempfindlichkeit in Dezibel bis in den Resonanzbereich an. Die Resonanzspitze ist oft durch Nebenresonanzen überlagert. Aus dem Diagramm kann z.B. die 3-dB-Grenzfrequenz ermittelt werden. Sie gibt die Frequenz an, bei der der Messfehler 30 % erreicht. Die 3 dB-Frequenz liegt üblicherweise bei ca. 50 % der Resonanzfrequenz (vgl. folgendes Bild). Die 1 dB-Grenzfrequenz kennzeichnet die 10 %-Fehlergrenze. Sie liegt bei etwa einem Drittel der Resonanz.

Die Messung des Frequenzgangs wird unter optimalen Ankoppelbedingungen durchgeführt. In der Praxis kann der tatsächliche Frequenzgang von der gemessenen Kurve abweichen, da die Ankoppelbedingungen oft schlechter sind.
Durch sehr lange Sensorkabel kann das Frequenzverhalten von IEPE-Aufnehmern beeinträchtigt werden. 

Querrichtungsfaktor

Der Aufnehmer überträgt grundsätzlich Schwingungen in seiner geometrischen Hauptrichtung bzw. in der gekennzeichneten Richtung. Konstruktionsbedingt nimmt er jedoch auch von dieser Richtung abweichende Schwingungen auf. Das Verhältnis zwischen Übertragungsfaktor senkrecht zur Hauptrichtung und dem Übertragungsfaktor in Hauptrichtung nennt man Querrichtungsfaktor. Der Querrichtungsfaktor ist winkelabhängig und hat eine Achtercharakteristik.
Im Kennblatt wird der Maximalwert Gamma 90max des Querrichtungsfaktors angegeben. Er wird als Verhältnis der Übertragungsfaktoren bei f = 40 Hz bestimmt. Übliche Werte sind <5 % für Scheraufnehmer und <10 % für Kompressions- und Biegeaufnehmer. 

Maximalbeschleunigung

In den Technischen Daten sind folgende Grenzwerte angegeben:

â₊

maximale Beschleunigung in positiver Richtung, das Messobjekt bewegt sich zum Aufnehmer hin

â_-

maximale Beschleunigung in negativer Richtung, das Messobjekt bewegt sich vom Aufnehmer weg

â_q

maximal zulässige Querbeschleunigung

Bei Ladungsaufnehmern sind diese Grenzwerte üblicherweise nur durch den mechanischen Aufbau des Sensors definiert. Wenn einer der Grenzwerte kurzzeitig überschritten wird, z.B. durch Fallenlassen des Sensors, funktioniert dieser in der Regel noch. Es wird jedoch eine Nachkalibrierung dringend empfohlen. Andauernde Wechselbeschleunigung ist nur bis zu 25 % der Grenzwerte zulässig, um Ermüdungsschäden zu vermeiden. Wird ein Aufnehmer für sehr genaue Messungen verwendet, bei denen hohe zeitliche Stabilität der Kennwerte gefordert ist, so darf er nur mit 10 % der Grenzwerte belastet werden.
Typen mit sehr hoher Maximalbeschleunigung werden als Stoßaufnehmer bezeichnet. Sie zeichnen sich durch eine besonders robuste Konstruktion und relativ geringe Empfindlichkeit aus.

Bei IEPE-Aufnehmern werden die Grenzwerte â+ und â- in der Regel durch die Aussteuergrenzen des integrierten Impedanzwandlers bestimmt..