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Funktion und Innenaufbau eines Schwingungsaufnehmers
Wie funktioniert ein elektrodynamischer Schwingungsaufnehmer?
(Beschleunigungsaufnehmer, Erschütterungsaufnehmer, Stoßaufnehmer, Accelerometer, Seismometer, Vibration pick-up)
Die Accelerometrie ist eine Methode der Bewegungsmessung durch Auswertung des von einem Beschleunigungs-Sensor (mechanisches oder elektronisches Accelerometer) gelieferten Signals.
Die Accelerometrie findet vornehmlich Anwendung in der Industrie sowie in naturwissenschaftlichen Bereichen wie der Physik, Technik und in der Raumfahrt. Aber auch in medizinischen Bereiche wie Physiologie, Sportbiomechanik, Sportphysiologie etc. kommt die Accelerometrie zu Anwendung.
Es werden Beschleunigungsaufnehmer für Universalanwendungen, Seismische Messungen, hohe Beschleunigung und Stoß, leichte Messobjekte, dreiachsige Messungen sowie Industrieanwendungen hergestellt.
Grundsätzlich werden piezoelktrische Beschleunigungsaufnehmer, piezoresistive Beschleunigungsaufnehmer, induktive Beschleunigungsaufnehmer, kapazitive Beschleunigungsaufnehmer unterschieden.
Der piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer ("Piezo" kommt aus dem Griechischen und bedeutet drücken oder pressen) arbeitet mit dem Piezo-Effekt. Als Piezo-Kristall/ Piezokeramik kommen z. B. Silicium, Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik oder andere Materialien zum Einsatz. Der Kristall wandelt die von einer Beschleunigung verursachten Druckschwankungen in adäquate elektrische Signale um. Pioezoaufnehmer sind vornehmlich für höhere Frequenzbereiche geeignet.
Mit piezoresisitiven Drucksensoren werden mikroskopisch kleine und zugleich hochempfindliche Sensoren für Gas- und Flüssigkeitsdrücke realisiert. Die Meßwiderstände werden in der Art einer integrierten Schaltung direkt auf ein dünnes Siliziumplättchen gebracht, das unmittelbar als druckempfindliche Membran funktioniert.
Die piezoresisitiven Drucksensoren können allerdings nur Druck von Gasen oder Flüssigkeiten messen, da ein direkter mechanischer Kontakt mit festen Gegenständen die hochempfindlichen Sensoren zerstören würde. Für mechanische Einsätze sowie als Schutz vor aggressiven Substanzen können diese Sensoren hermetisch in flüssigkeits- oder gasgefüllte Kapseln mit membranartigem Deckel eingebettet werden. Dieser membranartige Deckel verbiegt sich unter Krafteinfluß und überträgt so den Druck auf das Innere der Dose. Bei Halbleiter-Druckmessstreifen (DMS) können bereits die Brückenwiderstände und manchmal sogar die Vorverstärker auf einem Halbleiterchip integriert zusammengebracht sein.
Das Prinzip der kapazitiven Beschleunigungsaufnehmer besteht aus zwei nebeneinander liegenden Plattenkondensatoren, die eine gemeinsame mittlere Platte verwenden, die beweglich ist. Dieser Aufbau von Kondensatoren wird als Differenzialkondensator bezeichnet.
Die bewegliche mittlere Platte im Beschleunigungsaufnehmer ist als federndes Pendel konstruiert. Kommt es zu einer Beschleunigung des Sensors, verschiebt sich diese mittlere Platte. Dadurch ändert sich das Kapazitätsverhältnis der beiden Kondensatoren.
Bedingt durch die übliche hyperbelförmige Kapazitätsänderung ist bei den in Beschleunigungssensoren verwendeten Differenzialkondensator der Zusammenhang zwischen Auslenkung und Kapazitätsänderung nicht linear. Es kann jedoch in einem kleinen Auslenkungsbereich von einem einigermaßen linearen Verlauf ausgegangen werden.
Ein induktive Beschleunigungsaufnehmer (z.B. der Seismograph ) funktioniert nach dem Induktionsprinzip. Hier wird eine schwimmend aufgehängte Spule im Magnetfeld eines Permanentmagneten entsprechend der einwirkenden Beschleunigung bewegt und es wird eine adäquate Spannung induziert. Induktive Aufnehmer sind vornehmlich für niedrige Frequenzbereiche geeignet.
Wir haben einen solchen induktiven Beschleunigungsaufnehmer zerlegt, um das Funktionsprinzip anschaulich darzustellen, es handelt sich hier um einen elektrodynamischen Schwingungsaufnehmer von Reutlinger.
Die Tauchspule wird von 4 feinen Blattfederarmen zentriert im Permanentmagneten gehalten. Eine einwirkende Bechleunigung führt zu einer achsialen Auslenkung der Tauchspule was eine Spannungsinduktion zur Folge hat. Somit ist klar, dass nur eine einzige Beschleunigungskomponente des Raumes mit diesem Sensor aufgenommen werden kann.
Nach dem gleichen Prinzip der Spannungsinduktion in einer Spule arbeiten Seismometer und Erschütterungsaufnehmer für die Erdbebenforschung.
Erschütterungsaufnehmer von Hottinger
Unter dem nachfolgenden link finden Sie eine Anleitung für den Eigenbau eines simplen und doch soliden Seismometers mit einfachsten Materialien, sehr hilfreich für Schule und Ausbildung.
http://tc1seismometer.wordpress.com/
(Beschleunigungsaufnehmer, Erschütterungsaufnehmer, Stoßaufnehmer, Accelerometer, Seismometer, Vibration pick-up)
Die Accelerometrie ist eine Methode der Bewegungsmessung durch Auswertung des von einem Beschleunigungs-Sensor (mechanisches oder elektronisches Accelerometer) gelieferten Signals.
Die Accelerometrie findet vornehmlich Anwendung in der Industrie sowie in naturwissenschaftlichen Bereichen wie der Physik, Technik und in der Raumfahrt. Aber auch in medizinischen Bereiche wie Physiologie, Sportbiomechanik, Sportphysiologie etc. kommt die Accelerometrie zu Anwendung.
Es werden Beschleunigungsaufnehmer für Universalanwendungen, Seismische Messungen, hohe Beschleunigung und Stoß, leichte Messobjekte, dreiachsige Messungen sowie Industrieanwendungen hergestellt.
Grundsätzlich werden piezoelktrische Beschleunigungsaufnehmer, piezoresistive Beschleunigungsaufnehmer, induktive Beschleunigungsaufnehmer, kapazitive Beschleunigungsaufnehmer unterschieden.
Der piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer ("Piezo" kommt aus dem Griechischen und bedeutet drücken oder pressen) arbeitet mit dem Piezo-Effekt. Als Piezo-Kristall/ Piezokeramik kommen z. B. Silicium, Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik oder andere Materialien zum Einsatz. Der Kristall wandelt die von einer Beschleunigung verursachten Druckschwankungen in adäquate elektrische Signale um. Pioezoaufnehmer sind vornehmlich für höhere Frequenzbereiche geeignet.
Mit piezoresisitiven Drucksensoren werden mikroskopisch kleine und zugleich hochempfindliche Sensoren für Gas- und Flüssigkeitsdrücke realisiert. Die Meßwiderstände werden in der Art einer integrierten Schaltung direkt auf ein dünnes Siliziumplättchen gebracht, das unmittelbar als druckempfindliche Membran funktioniert.
Die piezoresisitiven Drucksensoren können allerdings nur Druck von Gasen oder Flüssigkeiten messen, da ein direkter mechanischer Kontakt mit festen Gegenständen die hochempfindlichen Sensoren zerstören würde. Für mechanische Einsätze sowie als Schutz vor aggressiven Substanzen können diese Sensoren hermetisch in flüssigkeits- oder gasgefüllte Kapseln mit membranartigem Deckel eingebettet werden. Dieser membranartige Deckel verbiegt sich unter Krafteinfluß und überträgt so den Druck auf das Innere der Dose. Bei Halbleiter-Druckmessstreifen (DMS) können bereits die Brückenwiderstände und manchmal sogar die Vorverstärker auf einem Halbleiterchip integriert zusammengebracht sein.
Das Prinzip der kapazitiven Beschleunigungsaufnehmer besteht aus zwei nebeneinander liegenden Plattenkondensatoren, die eine gemeinsame mittlere Platte verwenden, die beweglich ist. Dieser Aufbau von Kondensatoren wird als Differenzialkondensator bezeichnet.
Die bewegliche mittlere Platte im Beschleunigungsaufnehmer ist als federndes Pendel konstruiert. Kommt es zu einer Beschleunigung des Sensors, verschiebt sich diese mittlere Platte. Dadurch ändert sich das Kapazitätsverhältnis der beiden Kondensatoren.
Bedingt durch die übliche hyperbelförmige Kapazitätsänderung ist bei den in Beschleunigungssensoren verwendeten Differenzialkondensator der Zusammenhang zwischen Auslenkung und Kapazitätsänderung nicht linear. Es kann jedoch in einem kleinen Auslenkungsbereich von einem einigermaßen linearen Verlauf ausgegangen werden.
Ein induktive Beschleunigungsaufnehmer (z.B. der Seismograph ) funktioniert nach dem Induktionsprinzip. Hier wird eine schwimmend aufgehängte Spule im Magnetfeld eines Permanentmagneten entsprechend der einwirkenden Beschleunigung bewegt und es wird eine adäquate Spannung induziert. Induktive Aufnehmer sind vornehmlich für niedrige Frequenzbereiche geeignet.
Wir haben einen solchen induktiven Beschleunigungsaufnehmer zerlegt, um das Funktionsprinzip anschaulich darzustellen, es handelt sich hier um einen elektrodynamischen Schwingungsaufnehmer von Reutlinger.
induktiver Schwingungsaufnehmer geöffnet
| Bild 1 | Bild 2 |
Innenaufbau des Schwingungsaufnehmer
| Oberseite mit Blattfeder und Kontakten | Unterseite mit Blattfeder |
Tauchspule des Schwingungsaufnehmers
Die Tauchspule wird von 4 feinen Blattfederarmen zentriert im Permanentmagneten gehalten. Eine einwirkende Bechleunigung führt zu einer achsialen Auslenkung der Tauchspule was eine Spannungsinduktion zur Folge hat. Somit ist klar, dass nur eine einzige Beschleunigungskomponente des Raumes mit diesem Sensor aufgenommen werden kann.
Nach dem gleichen Prinzip der Spannungsinduktion in einer Spule arbeiten Seismometer und Erschütterungsaufnehmer für die Erdbebenforschung.
Erschütterungsaufnehmer von Hottinger
Unter dem nachfolgenden link finden Sie eine Anleitung für den Eigenbau eines simplen und doch soliden Seismometers mit einfachsten Materialien, sehr hilfreich für Schule und Ausbildung.
http://tc1seismometer.wordpress.com/