Beschleunigungssensoren für Industrie und IoT
Ein Beschleunigungssensor misst die Beschleunigung eines Objekts in einer, zwei oder drei Raumachsen, in m/s² oder g. Piezoelektrische Sensoren erfassen schnelle Schwingungen und Stöße, MEMS-Sensoren auch statische Beschleunigung wie die Erdanziehung. Im IoT-Stack liefern sie Rohdaten für Schockerkennung, Schwingungsanalyse und Bewegungsüberwachung.
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Wer es anbietet
Beschleunigungssensoren im Praxiseinsatz
Für diese Kategorie stellen wir die Hersteller gerade zusammen. Wer was im Einsatz hat, erfährst du im Anwenderkreis.
Worauf du achtest
Messprinzipien: piezoelektrisch und MEMS
Beschleunigungssensoren arbeiten nach dem Prinzip einer trägen Masse. Beschleunigt das Gehäuse, übt die Masse eine Kraft auf ein Messelement aus. Bei piezoelektrischen Sensoren ist das ein Kristall oder eine Keramik, die unter Kraft eine elektrische Ladung erzeugt. Sie decken hohe Frequenzen und große Messbereiche ab und sind der Standard für Schwingungsmessung und Stoßanalyse. Viele haben eine integrierte Elektronik nach dem IEPE-Prinzip und lassen sich mit Konstantstrom über ein Koaxialkabel betreiben. Statische Beschleunigung können piezoelektrische Sensoren nicht messen.
MEMS-Sensoren sind mikromechanische Strukturen auf einem Siliziumchip, meist mit kapazitiver Auswertung. Sie messen ab 0 Hz, also auch die Erdbeschleunigung, und eignen sich damit zusätzlich für Lage- und Neigungserkennung. Sie sind klein, günstig und energiesparend und stecken daher oft in batteriebetriebenen Funksensoren für die Nachrüstung bestehender Anlagen.
Abgrenzung zu Vibrations- und Neigungssensoren
Vibrationssensoren für das Condition Monitoring nutzen häufig einen Beschleunigungsaufnehmer, werten das Signal aber schon im Gerät aus und geben Kennwerte wie die Schwinggeschwindigkeit in mm/s aus. Neigungssensoren liefern direkt einen Winkel. Beschleunigungssensoren im engeren Sinn stellen das Rohsignal bereit und lassen damit die freie Auswertung in einem Edge-Gerät oder einer Analysesoftware zu, etwa eine Frequenzanalyse.
Worauf man bei der Auswahl achtet
Wichtig sind Messbereich in g, Frequenzbereich, Empfindlichkeit, Anzahl der Achsen und Ausgang: Ladung, IEPE-Spannung, Analogsignal oder digitale Schnittstelle. Die Montage beeinflusst den nutzbaren Frequenzbereich, eine Schraubverbindung überträgt hohe Frequenzen besser als ein Magnet. Die Kalibrierung von Schwingungs- und Stoßaufnehmern ist in der Normenreihe ISO 16063 beschrieben. Lösungsbeispiele reichen von der Stoßüberwachung beim Transport empfindlicher Güter über die Kollisionserkennung an Robotern bis zur Bauwerksüberwachung. Für den IoT-Einsatz zählt außerdem, wie die Daten das Gerät verlassen. Funksensoren mit MEMS-Element senden meist verdichtete Kennwerte, weil Rohdaten mit hoher Abtastrate viel Bandbreite und Energie brauchen. Kabelgebundene Sensoren an einem Edge-Gerät erlauben dagegen die vollständige Analyse des Signals vor Ort.
Häufige Fragen zu Beschleunigungssensoren
Was ist der Unterschied zwischen MEMS- und piezoelektrischem Beschleunigungssensor?
MEMS-Beschleunigungssensoren messen auch statische Beschleunigung ab 0 Hz und eignen sich für Neigung, Lage und langsame Bewegungen. Sie sind klein, günstig und sparsam. Piezoelektrische Sensoren erfassen keine statische Beschleunigung, bieten aber einen größeren Frequenzbereich, hohe Messbereiche und geringes Rauschen. Sie sind deshalb erste Wahl für Schwingungsanalyse und Stoßmessung an Maschinen.
Wie funktioniert ein kapazitiver Beschleunigungssensor?
Ein kapazitiver Beschleunigungssensor enthält eine beweglich aufgehängte Masse mit Elektroden, die zwischen feststehenden Gegenelektroden sitzt. Bei Beschleunigung verschiebt sich die Masse, der Abstand der Elektroden und damit die Kapazität ändern sich. Die Elektronik misst diese Änderung und rechnet sie in eine Beschleunigung um. Dieses Prinzip steckt in den meisten MEMS-Sensoren.
Was ist ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor?
Ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor, auch triaxialer Sensor genannt, misst die Beschleunigung gleichzeitig in drei senkrecht zueinander stehenden Richtungen X, Y und Z. So werden Bewegungen und Schwingungen unabhängig von ihrer Richtung erfasst, ohne mehrere Einzelsensoren auszurichten. Es gibt ihn als MEMS- und als piezoelektrische Ausführung, etwa für Maschinen, Fahrzeuge und Transportüberwachung.
Was ist ein IEPE-Beschleunigungssensor?
IEPE steht für Integrated Electronics Piezo-Electric. Der piezoelektrische Sensor hat einen eingebauten Verstärker, der die Ladung in ein Spannungssignal umwandelt. Versorgung und Signal laufen über dasselbe Koaxialkabel, gespeist mit Konstantstrom aus dem Messgerät. Das macht die Verkabelung einfach und das Signal unempfindlich gegen Störungen, auch über längere Kabelstrecken.
Wie wird ein Beschleunigungssensor kalibriert?
Ein Beschleunigungssensor wird meist im Vergleichsverfahren kalibriert: Er wird zusammen mit einem Referenzsensor auf einen Schwingerreger montiert und bei definierten Frequenzen und Amplituden angeregt. Aus dem Vergleich ergeben sich Empfindlichkeit und Frequenzgang. Die Verfahren sind in der Normenreihe ISO 16063 beschrieben. Kalibrierlabore stellen darüber ein Kalibrierzertifikat aus.
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