Messgeometrien für piezoelektrische Beschleunigungssensoren
Es gibt drei vorherrschende Methoden, um einen piezoelektrischen Kristall unter Spannung zu setzen, um einen elektrischen Ausgang zu erzeugen.
- Kompression
- Scherung
- Biegung
Für einen Beschleunigungssensor bietet jedes Verfahren bestimmte Leistungsmerkmale, die dazu führen können, dass ein Design für bestimmte Anwendungen besser geeignet ist als ein anderes.
Der piezoelektrische Effekt ist eine inhärente Eigenschaft von Quarz und eine induzierte Eigenschaft bestimmter keramischer Kristalle. Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer werden mit solchen Kristallen als Sensorelement gebaut. Wenn der Kristall durch eine einwirkende Kraft belastet wird, sammeln sich negative und positive Ionen auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Kristalls in einer Menge an, die direkt proportional zur einwirkenden Kraft ist. Bei einem Beschleunigungsmesser wird eine seismische Masse an den Kristall gekoppelt. Unter dem Einfluss einer Beschleunigung verursacht die Masse eine Kraft, die auf den Kristall einwirkt und somit eine proportionale elektrische Leistung erzeugt. Diese Beziehung zwischen Ursache und Wirkung wird durch das Newtonsche Bewegungsgesetz F=ma definiert.
Das Kompressionsdesign (oder Kompressionsmodus) bietet den Vorteil weniger Teile und hoher Steifigkeit, was zu einem hohen Frequenzbereich führt. Dieses Design ist tendenziell anfälliger für Basisdehnung und thermische Transienten, da der Kristall in engem Kontakt mit der Basis des Gehäuses steht. Jegliche Dehnungs- oder Ausdehnungs-/Kontraktionseinflüsse auf die Basis werden leicht auf den Kristall übertragen, der dann mit einer Ausgabe reagieren kann, die nicht auf Beschleunigung zurückzuführen ist und daher einen Fehler darstellt. Aus diesem Grund werden Kompressionsausführungen nicht für den Einsatz auf Metallplatten, die sich verbiegen können, oder in thermisch instabilen Umgebungen empfohlen.
Das Scherdesign (oder Schermodus) bietet die beste Gesamtleistung für einen Beschleunigungssensor.
Weit verbreitet sind planare Scherdesigns (mit Kristallplatten) und ringförmige Scherdesigns (mit einem ringförmigen Kristall).
Bei beiden Bauarten wird der Kristall zwischen einem zentralen Pfosten und einer äußeren Masse eingespannt. Je mehr Masse angebracht ist, desto mehr Scherkraft wird bei einer bestimmten Beschleunigung auf den Kristall ausgeübt. Die Struktur des Beschleunigungssensors ist starr und bietet einen hohen Frequenzbereich. Da der Kristall nicht in engem Kontakt mit der Basis steht, werden Dehnungs- und thermische Transienteneffekte minimiert.
Biegekonstruktionen bieten die Möglichkeit, außergewöhnlich hohe Ausgangssignale zu erzeugen, da der Kristall hohen Belastungen ausgesetzt ist.
Bei diesen Designs werden Kristallplatten verwendet, die rechteckig oder scheibenförmig sind. Die Biegung des Kristalls kann durch die eigene Masse des Kristalls entgegen der Beschleunigung erfolgen, oder es wird ein zusätzliches Gewicht auf den Kristall geklemmt oder geklebt, um die Biegung zu verstärken. Biegebeschleunigungsmesser sind im Vergleich zu Druck- oder Scheraufnehmern weniger steif und haben daher einen begrenzten Frequenzbereich. Da der Kristall einer hohen Belastung ausgesetzt ist, werden sie bei übermäßigen Stößen oder Vibrationen leichter beschädigt als andere Typen.