Temperatureinflüsse

Temperaturkoeffizienten
Außer den irreversiblen Veränderungen gibt es reversible Änderungen, die mit Temperaturkoeffizienten berechenbar sind.
Im Kennblatt werden bei Ladungsaufnehmern die Temperaturkoeffizienten für den Ladungsübertragungsfaktor TK(B_qa) und die Innenkapazität TK(C_i) angegeben. Die Temperaturkoeffizienten von B_qa und C_i gelten mit einem 1,5 m-Anschlusskabel mit 150 pF.
Bei IEPE-Aufnehmern wird der Temperaturkoeffizient des Spannungsübertragungsfaktors TK(B_ua) angegeben.
Bei Aufnehmern mit Ladungsausgang besteht durch die unterschiedliche Größe der Temperaturkoeffizienten von B_qa, B_ua und C_i eine einfache Möglichkeit zur Verbesserung des Temperaturkoeffizienten. Dies geschieht bei Betrieb an einem Ladungsverstärker mit einer in Reihe zum Aufnehmer geschalteten temperaturunabhängigen Kapazität und beim Einsatz eines hochimpedanten Spannungsverstärkers mit einer Parallelkapazität. Der Wert dieser Kompensationskapazität errechnet sich nach:

C = C_i ·TK(C_i)-TK(B_qa) / TK(B_qa)

Diese Möglichkeit kann genutzt werden, wenn die Temperatur häufig stark schwankt. Es ist dabei zu berücksichtigen, dass der resultierende Übertragungsfaktor kleiner wird.

Störübertragungsfaktoren

Die Störübertragungsfaktoren sind sehr wichtig für die Auswahl des Aufnehmertyps nach Bewertung der Einsatzbedingungen und der zu erwartenden Störungen. Mit ihnen kann die durch Einwirken äußerer Störungen vorgetäuschte Beschleunigung abgeschätzt werden, die Bestandteil des zu erwartenden Messfehlers ist.

Temperaturursprungsempfindlichkeit
An Piezoelementen aus keramischem Material entstehen bei sprungartigen Temperaturänderungen Ladungsverschiebungen. Ursache ist der sogenannte pyroelektrische Effekt. Bei Scheraufnehmern mit ihrer gegenüber Kompressionsaufnehmern um den Faktor 100 geringeren Pyroelektrizität treten jedoch nur Störungen durch Wärmedehnung der Konstruktionsteile in Erscheinung. Diese Störeinwirkungen werden im Störübertragungsfaktor für Temperatursprünge b_aT zusammengefasst.
Die in den Aufnehmerdaten angegebenen Werte b_aT wurden aus der Sprungantwort auf einen Temperatursprung bei der unteren elektrischen Grenzfrequenz f_u = 1 Hz ermittelt.
Temperatursprünge äußern sich als Störgröße im Sensorausgangssignal vor allem im tiefen Frequenzbereich unter 10 Hz. Insbesondere bei empfindlichen Messungen mit Kompressionsaufnehmern kann es bereits unter Einwirkung von Zugluft zu tieffrequenten Störsignalen kommen. Aufnehmer mit Biegekeramik liegen hinsichtlich der Temperatursprungempfindlichkeit zwischen Scher- und Kompressionsaufnehmern. Eine Verbesserung kann mitunter durch thermische Isolation des Sensors mit Styropor o.ä. erreicht werden. Durch geeignete Wahl der unteren Grenzfrequenz am Messverstärker können diese Störungen weitestgehend eliminiert werden. Sollen tieffrequente Messungen unter 10 Hz durchgeführt werden, empfiehlt sich generell der Einsatz von Aufnehmern nach dem Scherprinzip. 

Messobjektdehnung
Durch Dehnung des Messobjektes wird bei fester Verbindung die Koppelfläche des Aufnehmers mit verformt. Diese Deformation bewirkt unterschiedliche Einwirkungen auf das innere Wandlerelement. Diese werden im Störübertragungsfaktor für Messobjektdehnung b_aS zusammengefasst.
Die in den Aufnehmerdaten angegebenen Werte b_aS werden durch Dehnungsanregung bei den Frequenzen f = 8 bzw. 15 Hz auf einem Biegebalken ermittelt.
Messobjektdehnung stört vor allem im Frequenzbereich unter f = 500 Hz. Sie bewirkt schwer zu beseitigende Fehler, da sie bei schwingenden Teilen meist ein dem Nutzsignal ähnliches Spektrum hat. Stark ausgeprägt ist der Effekt bei Kompressionsaufnehmern, während Scherbeschleunigungsaufnehmer kaum auf Messobjektdehnung reagieren.

Magnetfeld
Magnetische Wechselfelder wirken durch Induktion und Magnetostriktion in den Wandlerkern. Beide Einwirkungen werden im Störübertragungsfaktor für Magnetfelder b_aB zusammengefasst.
Die den Aufnehmerdaten angegebenen Werte b_aB werden bei der magnetischen Flussdichte B = 0,01 T und der Frequenz f = 50 Hz ermittelt.
Aufnehmer mit Edelstahlgehäuse zeigen eine höhere Immunität gegen Magnetfelder als solche mit Aluminiumgehäuse.
Die Magnetfeldempfindlichkeit piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer ist relativ gering und kann in der Regel vernachlässigt werden. Magnetfelder können in der Umgebung elektrischer Maschinen mit f = 50 Hz und deren Vielfachen stören.
Voraussetzung für die störungsfreie Signalübertragung bei Vorhandensein elektromagnetischer Felder ist auch eine gute Kabelschirmung. Dies ist von besondere Wichtigkeit bei Sensoren mit Ladungsausgang.
Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch die Vermeidung von Erdschleifen. Bei langen Messkabeln oder Mehrkanalanwendungen empfiehlt sich die isolierte Montage des Aufnehmers. Einige Aufnehmer (z.B. KS80D) haben von der Signalmasse isolierte Gehäuse. Geeignet sind auch Isolierflansche. 

Schalldruck
Hoher Schalldruckpegel bewirkt eine Deformation des Aufnehmergehäuses, die in das Wandlerelement hineinwirkt. Der Schalleinfluss wird mit dem Störübertragungsfaktor für Schalldruck b_aP beschrieben.
Die in den Aufnehmerdaten angegebenen Werte b_aP werden bei einem Schalldruck von 134 dB bestimmt. Die Zahlenwerte sind bezogen auf den Schalldruck 1 kPa (154 dB), der weit über der Schmerzgrenze liegt und praktisch nur bei Stoßwellen auftritt.
Schalldruck stört nur bei sehr hohem Pegel. Es ist zu unterscheiden zwischen der Bewegung des Messobjektes unter Schalleinwirkung, die von diesem Störübertragungsfaktor nicht erfasst wird und der direkten Einwirkung auf den Aufnehmer, die mit diesem Störübertragungsfaktor berechenbar ist. 

Rauschen und Auflösung
Ein piezoelektrisches Sensorelement kann als reine kapazitive Quelle betrachtet werden und ist somit rauschfrei. Erst die Signalverarbeitungselektronik verursacht ein Rauschen infolge der Wärmebewegung der Elektronen. Somit ist eine Angabe zum Eigenrauschen nur bei IEPE-Aufnehmern sinnvoll.
Das Eigenrauschen bestimmt die untere Auflösungsgrenze eines Aufnehmers. Messsignale die kleiner als der angegebene Rauschpegel sind, können nicht erfasst werden.
Der Signal-Rausch-Abstand S_n ist ein Maß für den durch das Rauschen verursachten Messfehler. Er ist definiert als logarithmische Maßzahl des Quotienten von Nutzsignal (u) und Rauschsignal (u_n):

S_n= 20log · u / u_n

Das Eigenrauschen eines IEPE-Aufnehmers ist in erster Linie frequenzabhängig.
Unterhalb von ca. 100 Hz besitzt es eine typische 1/f-Charakteristik, oberhalb von 100 Hz ist es nahezu konstant. Nachstehende Abbildung veranschaulicht diesen Zusammenhang an einem typischen Rauschspektrum eines IEPE-Beschleunigungsaufnehmers.

Es ist sinnvoll, die Rauschspannung am Signalausgang eines Aufnehmers auf dessen Eingangsgröße umzurechnen. Hierzu wird die gemessene Rauschspannung (u_n) durch den Übertragungsfaktor (B_ua) des Aufnehmers geteilt. Man erhält damit einen dem Rauschen äquivalenten Schwingpegel (a_n):

a_n = u_n / B_ua

Während u_n nur von der Elektronik abhängt und bei den meisten Typen ähnlich liegt, geht die Empfindlichkeit des Sensorelements in den äquivalenten Rausch-Schwingpegel ein. Man erkennt, dass Aufnehmer mit empfindlichem Piezosystem eine sehr hohe Auflösung liefern.
Um die Auflösungsgrenze eines Aufnehmers abzuschätzen wird in den Daten der meisten Sensoren das dem Rauschen äquivalente Beschleunigungssignal (a_n) für mehrere Frequenzbereiche angegeben. Der Wert entspricht dem typischen Messwert in der Mitte des Frequenzbereiches.
Beispiel für eine Rauschangabe im Sensordatenblatt:
0,1 .. 3 Hz:          70 µg
3 Hz .. 20 Hz:      7 µg
20 Hz ..100 Hz:   2 µg
>100 Hz:             0,7 µg

Bei der Bestimmung des Eigenrauschens einer Messanordnung ist auch das Rauschen der an den Sensor angeschlossenen Signalverarbeitungselektronik zu berücksichtigen.

Innenkapazität

Die Angabe der Innenkapazität erfolgt nur bei Beschleunigungsaufnehmern mit Ladungsausgang. Sie ist relevant, falls der Aufnehmer in Verbindung mit einem hochohmigen Spannungsverstärker betrieben wird. Die Aufnehmerkapazität wird mit der Kapazität des bei der Kalibrierung verwendeten 1,5 m-Kabels angegebenen. Die Kapazität dieses Kabels ist auf dem Kennblatt separat vermerkt und muss von der Aufnehmerkapazität subtrahiert werden, um die tatsächliche Innenkapazität des Sensors zu erhalten.

Schutzgrade

Die Schutzgrade nach DIN 40050 kennzeichnen die Eignung eines Produkts für bestimmte Umgebungsbedingungen. Die erste Ziffer der IP-Nummer charakterisiert den Schutz vor dem Eindringen von Gegenständen und Staub. Die zweite Ziffer steht für den Schutz vor Feuchtigkeit.