Best Of Elektornik
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Allgemein:

Die Beschleunigung kann mit Hilfe des Newton’schen Gesetz F=m·a auf eine Kraft umgeformt werden. Die Kraft kann nun wiederum durch Dehnung eines elastischen teils gemessen werden.

Newtonsche Gesetz

Daraus ergibt sich folgende Formel für die Beschleunigung a:

Newtonsche Gesetz

x ... Dehnung
k ... Federkonstante

Piezokristall:

Da der Piezokristall deformationsabhängige Spannungen liefert und gleichzeitig elastisch ist, eignet er sich als Beschleunigungsaufnehmer. Da es sich um ein schwingfähiges System handelt (Vergleich elektrischer Schwingkreis), muss bei der Messung auf die Resonanzfrequenz geachtet werden.

Beschleunigungssensoren Diagramm

Bei Frequenzen unterhalb der Resonanz besteht zwischen anregender Amplitude XA und Schwingungsamplitude der Masse X Gleichklang. Mit steigender Frequenz kommt es zum Resonanzanstieg, daher ist dieser Bereich zur Beschleunigungsmessung nicht mehr brauchbar.

Somit muss die Resonanzfrequenz des Sensors viel größer sein als die Messfrequenz und der Sensore eine kleine Masse besitzen (mMax=50g)

Aufbau Ersatzmodell
Beschleunigungssensor Aufbau Beschleunigungssensor Ersatzmodell

Dimensioniert man den Sensor so das die Resonanzfrequenz unter der Messfrequenz liegt (große Masse), dann kann er als schwingungsamplituden Aufnehmer eingesetzt werden, da die Masse nicht mehr mitschwingt (x => 0)

Anwendung:

  • Schwingungsanalyse, z.B. zur Maschinen und Werkzeugüberwachung.

Halbleitersensor

Beschleunigungssensoren Diagramm

Im kleinen Beschleunigungsbereich und langsam veränderliche Beschleunigungen verwendet man Halbleitersensoren, bei diesen ist aus einem Siliziumkristall eine bewegliche Masse herausgeätzt, die mit dem übrigen Kristall nur durch dünne Stege miteinander verbunden ist. Letztere wirken als Federn. Wird die Masse durch die Beschleunigung bewegt, so ändert sich ihr Abstand zum restlichen Kristall, was eine Kapazitätsänderung zur Folge hat.

Die Messelektronik befindet sich ebenfalls auf dem Chip. Diese Sensoren werden für 1D und 2D Beschleunigungsmessungen gebaut.

Anwendungen:

  • In der Fahrzeugtechnik (Airbag)
  • Luft und Raumfahrt

Weitere Infos über Sensoren finden Sie hier