Beschleunigungssensor Hersteller

Beschleunigungssensoren in der Praxis: Grundlagen, Kenngrößen und Auswahl

Kurz erklärt: Ein Beschleunigungssensor erfasst die Änderung der Geschwindigkeit eines Objekts und wandelt die mechanische Bewegung in ein elektrisches Ausgangssignal. Grundlage ist die Trägheit einer Masse. Wirkt auf die seismische Masse eine Beschleunigung a, entsteht gemäß F = m · a eine Kraft, die das Messelement registriert. So lassen sich Schwingungen, vibrationen und Stöße über einen breiten Bereich an frequenzen und Amplitude präzise bestimmen. Beschleunigungsmesser und Beschleunigungsaufnehmer sind gängige typen für die messung in unterschiedlichen anwendungen. Diese sensoren liefern Daten für Überwachung, Analyse und Steuerung.

Messprinzipien und Umsetzungen

Piezoelektrische Sensoren erzeugen ladung in Kristallen, sobald sie mechanisch belastet werden. In IEPE-Architekturen (iepe) ist die Elektronik im Gehäuse integriert. Eine Konstantstromquelle speist den Aufnehmer, das Signal liegt als niederohmige, AC-gekoppelte Spannung an. Die Bauart ist robust, eignet sich für hohe Frequenzen und ist in der industriellen Zustandsüberwachung weit verbreitet. Piezoelektrische Aufnehmer werden auch als kraftsensor eingesetzt.

Kapazitive MEMS-Sensoren (Micro-Electro-Mechanical Systems) messen die Kapazitätsänderung beweglicher Mikrostrukturen. Die Beziehung C = epsilon (ε) · A/d verdeutlicht den Einfluss von Dielektrikum, Fläche und Plattenabstand. Verschiebt sich die Masse, ändert sich d und damit die Kapazität. Diese kapazitive MEMS-Technologie punktet mit kompakter Bauform, geringem Energiebedarf, niedrigem Rauschen bei tiefen Frequenzen und einfacher Integration als triaxiale Variante. Sie eignet sich für vernetzte geräte und Condition-Monitoring-Anwendungen. Auch mems in Kombination mit integrierter Signalverarbeitung sind etabliert.

Piezoresistive Varianten nutzen Widerstandsänderungen in Dehnungsmessstreifen, wenn die Masse mikromechanische Balken belastet. Sie sind erste Wahl für sehr hohe Messbereiche und kurzzeitige Schockereignisse, etwa in Crash- und Schlittenversuchen, weil sie kurze Pulse mit hoher Amplitude verzerrungsarm abbilden.

Kenngrößen, die die Messung bestimmen

Die Messempfindlichkeit (messempfindlichkeit) definiert, wie stark das Ausgangssignal pro Beschleunigung ansteigt, etwa in mV/g. Hohe Empfindlichkeit erleichtert die Erfassung kleiner Signale, verlangt aber eine rauscharme Signalaufbereitung. Der Dynamikbereich beschreibt die Spanne zwischen kleinstem nutzbarem Signal und der maximal erfassbaren Beschleunigung vor Sättigung. Für die messung sind Genauigkeit und Zuverlässigkeit der gesamten Kette entscheidend.

Der Frequenzbereich gibt an, in welchem Band die Spezifikationen gelten. Die untere Grenzfrequenz limitiert sehr langsame Bewegungen; am oberen Ende begrenzt die Resonanzfrequenz des Sensors den linearen Bereich. Außerhalb dieses Bereichs steigt die Verzerrung, abhängig von Aufbau und Dämpfung. Die korrekte Festlegung der grenzfrequenz verhindert Fehldeutungen im Spektrum.

Messbereiche müssen zur Anwendung passen, von ±2 g über ±200 g bis in den vierstelligen g-Bereich. Maschinenschwingungen liegen meist niedrig bis mittel, Schocktests deutlich höher. Für triaxiale Aufgaben sind neben Bandbreite und Querempfindlichkeit die Ausrichtung der Achsen und die klare Trennung der Richtung zentral.

Achsanzahl und Signalpfad

Uniaxiale Sensoren erfassen eine Richtung, biaxiale zwei und triaxiale alle drei Raumachsen. Die korrekte Ausrichtung der Achsen zur Bewegung ist erforderlich, um Vektoren konsistent zu rekonstruieren. Moderne MEMS kombinieren alle Achsen im Chip, während in klassischen Industrieanwendungen oft einzeln ausgerichtete IEPE-Aufnehmer mit definierter Montage genutzt werden.

Im Signalpfad sind Bandbegrenzung, Antialiasing, Erdung und Kalibrierung zu planen. IEPE-Aufnehmer benötigen eine Konstantstromquelle und liefern ein AC-gekoppeltes Spannungssignal. Reine Ladungssensoren erfordern einen Ladungsverstärker. Elektronikrauschen, Kabelkapazität und der ADC bestimmen gemeinsam die untere Messgrenze und damit den nutzbaren Dynamikbereich.

Bauform, Gehäuse und Mikrostruktur

Das Gehäuse schützt das Messelement vor Temperaturwechseln, Feuchtigkeit und Verunreinigungen. Edelstahl- oder Titanhüllen, vergossene Anschlüsse und Schutzarten sichern langfristige Zuverlässigkeit. Die mechanische Kopplung mit Schraub-, Klebe- oder Magnetfuß beeinflusst die übertragbare Bandbreite und die Genauigkeit im Hochfrequenzanteil. Intern legen bei MEMS die Masse, Federsteifigkeit und Dämpfung der Mikrostruktur die Eigenfrequenzen fest. Bei piezoelektrischen Designs übernehmen Preload-Konzepte und definierte Klemmpunkte diese Aufgabe. Größe und Masse des Sensors sind insbesondere an dünnwandigen Bauteilen kritisch, um Eigenmoden nicht zu verfälschen. In maschinen und strukturprüfungen vermeiden leichte Bauformen Messfehler.

Auswahlkriterien für den passenden Sensor

Die Datenqualität erfordert eine an der Anwendung ausgerichtete Spezifikation. Folgende Punkte strukturieren die Auswahl und vermeiden Over-Engineering. Sie gelten für anwendungen in Überwachung, Prüfung und Entwicklung.

• Messbereich: Deckt der Bereich erwartete Schwingungen und Stöße ab, ohne früh zu sättigen, und bleibt genügend Reserve?
• Frequenzbereich: Umfasst die nutzbare Bandbreite alle relevanten frequenzen der maschinen oder Struktur inklusive Sicherheitsabstand zur Grenzfrequenz?
• Empfindlichkeit: Passt die Kennzahl zur gewünschten Auflösung und zum Rauschen der nachfolgenden Elektronik?
• Umgebung: Stimmen Temperaturfenster, Schutzgrad, Steckverbinder oder Kabel und Montagekonzept für den Einsatzort?

Technologischer Vergleich im Überblick

Herstellerlandschaft und Entscheidungskriterien

Der Markt wird von spezialisierten hersteller geprägt. PCB Piezotronics, Kistler, Brüel & Kjær, Meggitt/Endevco, Analog Devices, Honeywell, STMicroelectronics, Bosch Sensortec, Murata, TE Connectivity, Colibrys, Dytran Instruments, Metrix Instrument und Wilcoxon Research decken vom Standard bis zur kundenspezifischen Lösung ein breites Spektrum ab. Der Markenbegriff piezotronics ist etabliert. Die Wahl beeinflusst Sensor, Kalibrierung, Zubehör und Softwareintegration.

• Technische Expertise: Breite über typen und Achsen, Applikationswissen für Schwingungen, seismische Messungen und Stöße.
• Kalibrierung & Service: Rückführbare Zertifikate, schneller Support und verlässliche Ersatzteilverfügbarkeit.
• Anpassungsfähigkeit: Varianten bei Gehäuse, Schnittstellen, integrierter Signalverarbeitung und triaxialen Ausführungen.
• Qualitätsmanagement: Relevante Zertifizierungen und dokumentierte Zuverlässigkeit über den Lebenszyklus.

Praxisbeispiele mit Datenfokus

Maschinenüberwachung: Ein IEPE-Beschleunigungsaufnehmer mit 100 mV/g an einer Pumpenlagerstelle liefert bei 12 kHz Abtastrate ein Spektrum bis 5 kHz. Eine ansteigende Seitenbandstruktur um die Wälzlagerfrequenzen und ein RMS-Anstieg auf 1,8 mm/s deuten auf beginnende Schäden hin. Nach Umrüstung auf einen Sensor mit größerem Dynamikbereich bleiben Peaks bei seltenen Stößen unterhalb der Sättigung, die Diagnose wird zuverlässiger.

Automotive-Schock: Piezoresistive Sensoren mit ±2000 g und 100 kHz Bandbreite erfassen Crashpulse mit kurzer Dauer. Die Kalibrierkette berücksichtigt Kabeldämpfung und Filter. Die gemessene Pulsamplitude reproduziert sich über mehrere Wiederholungen innerhalb von ±2 %, was die Genauigkeit der Schlittenversuche stützt.

Seismische Erfassung: Ein rauscharmes kapazitives MEMS mit ±2 g an einer Brücke zeichnet mikroseismische Schwingungen zwischen 0,1 und 40 Hz auf. In der Datenhaltung werden Metadatenfelder wie Standort, Achsenorientierung und lname mitgeführt. Die Fusion mit Temperatur- und Winddaten reduziert Fehlalarme, ohne die Sensitivität gegenüber langsamen Richtungsänderungen der Struktur zu mindern.

Entwicklungslinien: Miniaturisierung, Konnektivität, KI

MEMS-Integration ermöglicht kleinere geräte, geringere Leistungsaufnahme und triaxiale Layouts auf derselben Fläche. Vernetzte Sensorknoten übertragen Daten per Funk und versorgen Algorithmen am Rand der Infrastruktur mit Merkmalen wie Hüllkurven, Ordnungsanalysen oder Gesundheitskennzahlen. Modelle für prädiktive Wartung profitieren von konsistentem Frequenzbereich, stabiler Empfindlichkeit und einem reproduzierbaren Signalpfad, damit Trends belastbar bleiben. Adaptive Abtastung balanciert Auflösung und Energiebedarf. Auch mems mit integrierter Auswertung erweitern den Einsatz.

Beschleunigung und Rotation: Zusammenspiel mit Kreiselsensoren

Lineare Beschleunigung beschreibt die Änderung der Geschwindigkeit eines Objekts, Kreiselsensoren erfassen die Winkelgeschwindigkeit um eine Achse. In einer IMU werden beide Größen kombiniert, um Bewegung und Orientierung im Raum zu bestimmen. Sensorfusion trennt Gravitation vom translatorischen Anteil, korrigiert die Richtungsschätzung und stabilisiert die Lage auch bei kurzzeitigem Rauschen. Für Robotik, Navigation und Plattformstabilisierung entsteht so ein vollständiges Bewegungsbild mit hoher Zuverlässigkeit.

Fazit: Präzise Spezifikation, sauberer Signalpfad, belastbare Daten

Die Auswahl eines Beschleunigungssensors erfordert klar definierte Messbereiche, einen passend dimensionierten Frequenzbereich, ausreichenden Dynamikbereich und eine geeignete Bauform. Eine robuste Kette aus Montage, Gehäuse, Elektronik und Kalibrierung sichert Genauigkeit und Stabilität über den Lebenszyklus. Für Vibrationsdiagnose in Maschinen, seismische Trends oder Schockmessungen liefert die stimmige Kombination aus Technologie, hersteller-Setup und Datenprozess belastbare Ergebnisse.