Arten von Schwingungssensoren

Die Überwachung von Maschinenschwingungen ist ein kritischer Aspekt in der präventiven Wartung und Zustandsüberwachung. Schwingungssensoren spielen dabei eine zentrale Rolle, indem sie physische Schwingungen in elektrische Signale umwandeln, die dann analysiert werden können. Dieser Artikel gibt einen detaillierten Einblick in die verschiedenen Schwingungssensoren, ihren Aufbau, ihre Anwendungen und Installation.

1. Beschleunigungssensoren:

Diese Sensoren messen die Beschleunigungsrate einer schwingenden Komponente. Sie sind in der Lage, sowohl niedrige als auch hohe Frequenzschwingungen zu erfassen und sind besonders nützlich in Anwendungen, die eine breite Frequenzbandbreite erfordern.

Kernprinzipien und Funktionsweise

Die Funktionsweise von Beschleunigungssensoren basiert auf der Messung der Beschleunigung, die auf eine seismische Masse innerhalb des Sensors wirkt. Diese Masse ist Teil eines Feder-Masse-Dämpfer-Systems, das bei Einwirkung von externen Schwingungen eine relative Bewegung zur Sensorstruktur erfährt. Die resultierende Bewegung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das proportional zur Beschleunigung ist.

Technologien und Typen

• Piezoelektrische Beschleunigungssensoren: Diese nutzen die piezoelektrische Eigenschaft bestimmter Materialien, die bei mechanischer Belastung eine elektrische Ladung erzeugen. Sie sind besonders für hohe Frequenzen geeignet und zeichnen sich durch eine breite dynamische Bandbreite und eine hohe Empfindlichkeit aus.
• MEMS-Beschleunigungssensoren (Mikroelektromechanische Systeme): MEMS-Sensoren sind auf Siliziumbasis gefertigt und nutzen mikrofabrizierte Strukturen, um Beschleunigung zu messen. Sie sind kompakt, kosteneffizient und vielseitig einsetzbar, von mobilen Geräten bis hin zu Automobil- und Industrieanwendungen.
• Piezoresistive Beschleunigungssensoren: Diese Sensoren ändern ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der mechanischen Belastung durch Beschleunigungskräfte. Sie sind besonders robust und eignen sich für hohe Schockmessungen.

Auswahlkriterien

Bei der Auswahl eines Beschleunigungssensors sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen:

• Frequenzbereich: Die Sensorwahl sollte auf den spezifischen Frequenzbereich der zu messenden Schwingungen abgestimmt sein.
• Amplitudenbereich: Der Sensor muss in der Lage sein, die erwarteten Amplituden ohne Sättigung oder Verzerrung zu erfassen.
• Umgebungsbedingungen: Temperatur, Feuchtigkeit und potenzielle chemische Exposition können die Sensorleistung beeinflussen und müssen berücksichtigt werden.
• Montage und Installation: Die Montagemethode (geschraubt, geklebt, magnetisch) beeinflusst die Qualität der Schwingungsübertragung vom Messobjekt zum Sensor.

Installation und Montage

Eine korrekte Montage ist entscheidend für präzise Messergebnisse. Der Sensor sollte fest und direkt auf der Oberfläche des Messobjekts montiert werden, um eine optimale Schwingungsübertragung zu gewährleisten. Die Montageposition sollte repräsentativ für die Schwingungen der Maschine oder Struktur sein und frei von Einflüssen durch benachbarte Komponenten.

Anwendungsgebiete

Beschleunigungssensoren finden Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen:

• Industrielle Maschinenüberwachung: Zur Diagnose von Unwuchten, Fehlausrichtungen, Lagerdefekten und anderen maschinellen Problemen.
• Automobilindustrie: Für Crash-Tests, Fahrzeugdynamikuntersuchungen und zur Überwachung des Fahrverhaltens.
• Bauwesen und Infrastruktur: Zur Überwachung von Schwingungen in Gebäuden, Brücken und anderen Strukturen, um die strukturelle Integrität zu gewährleisten.
• Verbraucherelektronik: In Smartphones, Tablets und anderen Geräten zur Bewegungserkennung und -steuerung.

2. Geschwindigkeitssensoren:

Diese Sensoren messen die Geschwindigkeit der Schwingbewegung und sind besonders geeignet für mittelfrequente Schwingungen. Sie werden oft in rotierenden Maschinen eingesetzt, um den allgemeinen Maschinenzustand zu überwachen.

Kernprinzipien und Funktionsweise

Geschwindigkeitssensoren messen die Geschwindigkeit der Schwingungsbewegung eines Objekts. Sie wandeln mechanische Schwingungen in ein elektrisches Signal um, das die Geschwindigkeit dieser Bewegungen widerspiegelt. Im Gegensatz zu Beschleunigungssensoren, die die Beschleunigung messen, bieten Geschwindigkeitssensoren direkte Messungen der Schwinggeschwindigkeit, die für viele diagnostische Anwendungen besonders relevant sind.

Technologien und Typen

• Elektrodynamische Geschwindigkeitssensoren: Diese nutzen das Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Eine Spule im Inneren des Sensors bewegt sich relativ zu einem Magnetfeld, wodurch eine Spannung induziert wird, die proportional zur Geschwindigkeit der Bewegung ist. Sie benötigen keine externe Stromversorgung und sind für ihre Robustheit und Zuverlässigkeit bekannt.
• Laser-Doppler-Velozimeter (LDV): LDV-Systeme nutzen die Dopplerverschiebung von Laserlicht, das von einem sich bewegenden Objekt reflektiert wird, um dessen Geschwindigkeit zu messen. Diese nicht-kontaktierenden Sensoren sind für hochpräzise Messungen geeignet, insbesondere in Forschung und Entwicklung.

Auswahlkriterien

Die Auswahl des geeigneten Geschwindigkeitssensors hängt von mehreren Faktoren ab:

• Frequenzbereich: Der Sensor muss den Frequenzbereich der zu messenden Schwingungen abdecken können.
• Messbereich: Die maximale Schwinggeschwindigkeit, die gemessen werden soll, bestimmt den erforderlichen Messbereich des Sensors.
• Umgebungsbedingungen: Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und das Vorhandensein von aggressiven Chemikalien oder Staub können die Wahl des Sensors beeinflussen.
• Montageanforderungen: Die Montageart und -position spielen eine entscheidende Rolle für genaue Messergebnisse.

Installation und Montage

Eine korrekte Installation ist entscheidend für die Genauigkeit der Messungen. Geschwindigkeitssensoren sollten möglichst nahe am Messpunkt montiert werden, um Übertragungsfehler zu minimieren. Die Montage kann durch Verschrauben, Kleben oder mithilfe von Magnethaltern erfolgen, wobei die spezifischen Anforderungen der Anwendung zu berücksichtigen sind.

Anwendungsgebiete

Geschwindigkeitssensoren werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt:

• Industrielle Anwendungen: Überwachung von Motoren, Pumpen, Getrieben und anderen rotierenden Maschinen zur Früherkennung von Unwuchten, Fehlausrichtungen und anderen typischen Maschinenproblemen.
• Forschung und Entwicklung: Hochpräzise Messungen von Schwinggeschwindigkeiten in der Materialprüfung, Aerodynamik und anderen Forschungsbereichen.
• Strukturüberwachung: Überwachung von Schwingungen in Bauwerken und Brücken zur Sicherstellung der strukturellen Integrität und zur Schadensvorbeugung.

3. Wegsensoren:

Wegsensoren, auch als Positionssensoren bekannt, spielen eine entscheidende Rolle in der präzisen Messung der Bewegung oder Position eines Objekts. Sie sind unerlässlich in Bereichen wie der Automatisierungstechnik, Qualitätskontrolle und Strukturüberwachung. In diesem Artikel werden wir die verschiedenen Typen von Verlagerungssensoren, deren Funktionsweise, Auswahlkriterien und typische Anwendungen beleuchten.

Grundlagen und Funktionsweise

Wegsensoren messen die Distanz oder Position eines Objekts relativ zu einem Referenzpunkt. Diese Messung kann entweder kontaktbasiert oder nicht-kontaktbasiert erfolgen, je nach Sensorart und Anwendung. Die erfassten Daten bieten wertvolle Informationen über die geometrische Ausrichtung, Bewegung oder Deformation von Objekten oder Strukturen.

Typen von Verlagerungssensoren

• Linear Variable Differential Transformers (LVDTs): LVDTs sind hochpräzise, kontaktbasierte Sensoren, die eine variable Induktivität nutzen, um lineare Bewegungen zu messen. Sie bieten eine exzellente Genauigkeit über einen weiten Messbereich und sind in rauen Umgebungen einsetzbar.
• Potenziometrische Sensoren: Diese Sensoren verwenden ein Widerstandselement mit einem beweglichen Kontakt (Schleifer), dessen Position die Ausgangsspannung verändert. Sie sind einfach, kostengünstig und bieten eine direkte, analoge Ausgabe der Position.
• Kapazitive Sensoren: Kapazitive Sensoren messen die Veränderung der Kapazität zwischen dem Sensor und dem zu messenden Objekt. Sie sind ideal für hochpräzise, nicht-kontaktierende Messungen in Anwendungen, bei denen eine hohe Auflösung erforderlich ist.
• Induktive und Wirbelstromsensoren: Diese Sensoren messen die Verlagerung durch die Veränderung der Induktivität oder der Wirbelströme, die in einem leitfähigen Zielobjekt induziert werden. Sie eignen sich besonders für nicht-kontaktierende Messungen in rauen Umgebungen.
• Magnetostruktive Sensoren: Diese Sensoren nutzen die Eigenschaften magnetostruktiver Materialien, um präzise und kontaktlose Positions- und Verlagerungsmessungen durchzuführen. Sie sind robust und bieten eine hohe Genauigkeit.
• Laser- und Optische Sensoren: Laserbasierte Messsysteme bieten hochpräzise, nicht-kontaktierende Messungen und sind ideal für Anwendungen, in denen eine hohe Auflösung und Genauigkeit erforderlich sind.

Auswahlkriterien

Bei der Auswahl eines Verlagerungssensors sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen:

• Messbereich und Auflösung: Der Sensor muss den gewünschten Messbereich abdecken und die erforderliche Auflösung für die Anwendung bieten.
• Kontaktierend oder Nicht-kontaktierend: Die Entscheidung hängt von der Anwendung ab und davon, ob eine direkte Berührung mit dem Messobjekt möglich oder wünschenswert ist.
• Umgebungsbedingungen: Temperatur, Feuchtigkeit, Schmutz und Vibrationen können die Sensorleistung beeinflussen und müssen berücksichtigt werden.
• Ausgangssignal und Kompatibilität: Die Art des Ausgangssignals (analog oder digital) und die Kompatibilität mit bestehenden Steuerungs- oder Überwachungssystemen sind entscheidend.

Typische Anwendungen

Wegsensoren finden in zahlreichen Industriebereichen Anwendung:

• Maschinenbau und Automatisierung: Zur präzisen Steuerung und Überwachung von Maschinenteilen und Roboterarmen.
• Fahrzeugtechnik: Zur Messung von Federwegen, Lenkpositionen oder zur Lageerkennung von Komponenten.
• Aerospace und Verteidigung: Für die Positionsüberwachung in kritischen Systemen, wo Zuverlässigkeit und Präzision unerlässlich sind.
• Bauwesen und Infrastruktur: Zur Überwachung von Verschiebungen und Deformationen in Strukturen, um die Sicherheit und Langlebigkeit zu gewährleisten.

Schlussfolgerung

Schwingungssensoren sind unverzichtbare Werkzeuge in der Zustandsüberwachung und präventiven Wartung. Durch die Auswahl des richtigen Sensortyps, die Kenntnis seines Aufbaus und seiner Funktionsweise sowie die Beachtung der Installationsrichtlinien können Betreiber von Maschinen und Anlagen wertvolle Einblicke in den Zustand ihrer Ausrüstung gewinnen und kostspielige Ausfälle vermeiden. Die fortlaufende Entwicklung und Verbesserung von Schwingungssensoren wird ihre Rolle in der Industrie weiter stärken und zur Optimierung von Wartungsstrategien beitragen.