MEMS-Sensoren Beschleunigungssensoren für „Condition Based Monitoring“ auswählen

Von Benjamin Reiss*

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Bei der Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen (Condition Based Monitoring; CBM) gibt es je nach Anwendungsfall verschiedene Anforderungen an die Sensorik. In diesem Analogtipp diskutieren wir die Funktionsweise und oft unterschätzte Parameter von MEMS-Beschleunigungssensoren.

Bild 1: MEMS-Struktur mit Bewegung in z-Achse 1a; MEMS mit analogem Ausgang 1b; MEMS mit digitalem Ausgang 1c.
Bild 1: MEMS-Struktur mit Bewegung in z-Achse 1a; MEMS mit analogem Ausgang 1b; MEMS mit digitalem Ausgang 1c.
(Bild: ADI)

MEMS-Beschleunigungssensoren wandeln mechanische Schwingungen in eine elektrische Spannung bzw. einen digitalen Wert um. Der Sensor besteht aus beweglichen und feststehenden Elementen aus Silizium, die ineinander verzahnt sind und somit einen Kondensator bilden (Bild 1a). Das bewegliche Element wird mechanisch zum feststehenden verschoben.

Mathematisch betrachtet handelt es sich hierbei um ein Masse-Feder-System, wobei über die gemessene Kraft die Beschleunigung berechnet wird. Diese wird bei einem analogen MEMS-Sensor (Bild 1b) in eine Spannung umgewandelt. Bei digitalen Sensoren ist ein A/D-Wandler integriert, es wird somit ein digitaler Wert ausgegeben (Bild 1c).

Auswahlparameter von MEMS-Beschleunigungssensoren für CBM

Oft unterschätzte Parameter bei der Auswahl eines MEMS-Beschleunigungssensors sind die sogenannte g-range, die Bandbreite und die Resonanzfrequenz des Sensors. Werden diese zu gering oder zu knapp gewählt, können unerwünschte Messeffekte auftreten. Daher sollten Sie vorab genau klären, bei welchen Frequenzen Beschleunigungen auftreten können und wie groß diese sind.

Die g-range eines MEMS-Sensors sollten Sie so wählen, dass alle auftretenden Beschleunigungen im System durch den Sensor abgedeckt werden. Ist die g-range des Sensors zu klein, kann das Signal abgeschnitten werden (Clipping). Dies wiederum führt zu einem asymmetrischen Signal/Offset beim Messergebnis, woraus falsche Beschleunigungswerte resultieren. Oft vergessen wird hierbei die Erdbeschleunigung, die der Sensor mit 1 g „sieht“.

Zustandsüberwachung: Frequenzen und Bandbreite

Im Zusammenhang mit der Bandbreite sollten Sie zudem darauf achten, bei welchen Frequenzen Beschleunigungen im System auftreten. Bei bestimmten CBM-Anwendungen wie Kugellager, Pumpen etc. treten erste Anzeichen von Defekten meistens bei höheren Frequenzen auf.

Ist die Bandbreite zu gering gewählt, werden die Defekte gar nicht erst detektiert. Bei diesen Anwendungen ist die Beschleunigung quadratisch abhängig von der Frequenz – bei einem Versatz von beispielsweise 250 nm und 1 kHz beträgt die tatsächliche Beschleunigung 1 g. Tritt dieser Versatz bei 10 kHz auf, resultiert das in einer tatsächlichen Beschleunigung von 100 g, ist also um den Faktor 100 höher.

Das bedeutet, um frühzeitig Defekte im System zu entdecken, müssen Sie zum einen die Bandbreite groß genug wählen und zum anderen eine ausreichende g-range des Sensors sicherstellen. Für sehr kritische Anwendungen bietet Analog Devices beispielsweise Sensoren mit einer Bandbreite bis zu 24 kHz und 500 g an.

CBM: Resonanzfrequenz des MEMS-Beschleunigungssensors

Ein weiterer Faktor, den Sie bei der Bandbreitenauswahl beachten sollten, ist die spezifische Resonanz des Sensors. Treten Beschleunigungen bei der Resonanzfrequenz des Sensors auf, werden diese verstärkt und können sich im schlimmsten Fall in das Nutzsignal einfalten und somit das Messergebnis verfälschen. Abhilfe bietet mechanisches Dämpfen/Filtern des Systems.

Für die Früherkennung von Fehlern oder Abweichungen ist neben der entsprechenden Bandbreite auch ein geringes Rauschen notwendig. Sehr gute MEMS-Beschleunigungssensoren haben Rauschwerte von kleiner < 100 µg/√Hz.

Fazit: MEMS-Beschleunigungssensoren bieten heute eine gute Alternative zu piezoelektrischen Sensoren. Durch die hohen Bandbreiten bis 24 kHz und ein niedriges Rauschen sind diese gut geeignet zur Vorhersage und Detektion von entstehenden Defekten und können so einem möglichen Ausfall des Systems vorbeugen und Kosten sparen. Typische Sensoren von Analog Devices für die Zustandsüberwachung sind der ADXL100x und der ADXL356/357(kr)

* Benjamin Reiss ist Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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