Was ist ein Schwingungssensor?
Ein Schwingungssensor ist ein Sensorelement zur Messung des Schwingungszustands einer Maschine oder eines Objekts.
Schwingungssensoren werden benötigt, um den Schwingungszustand von Maschinen zu ermitteln und zu überwachen. Die drei Indikatoren für die Schwingung eines Objekts sind Beschleunigung, Geschwindigkeit und Verschiebung. Schwingungssensoren messen diese indikativen physikalischen Größen und wandeln sie in elektrische Größen wie Spannung und Strom um.
Schwingungssensoren gibt es im Allgemeinen in zwei Ausführungen, nämlich berührend und berührungslos. Je nach der zu messenden physikalischen Größe (Beschleunigung, Geschwindigkeit oder Weg) und der Situation des Objekts müssen diese beiden Schwingungssensoren getrennt eingesetzt werden. Darüber hinaus werden bei der detaillierten Auswahl des Schwingungssensors zur Verbesserung der Messgenauigkeit die Größe und der Frequenzbereich des Messobjekts sowie die Messumgebung berücksichtigt.
Anwendungen für Schwingungssensoren
Schwingungssensoren werden in Produktionsanlagen sowie in Forschung und Entwicklung eingesetzt. In Produktionsanlagen sind Schwingungssensoren für die vorbeugende Instandhaltung nützlich, um Fehler und Schäden an Anlagen frühzeitig zu erkennen. Der Einsatz von Sensoren kann hohe Reparaturkosten und eine verringerte Produktionseffizienz aufgrund von Ausfällen und Schäden verhindern.
In den letzten Jahren wurden kleine Schwingungssensoren in Produktionsanlagen eingesetzt, vor allem für die Maschinendiagnose und die vorausschauende Wartung mit Hilfe der IoT-Technologie. Ein Beispiel für den Einsatz von Schwingungssensoren im Bereich der Forschung und Entwicklung ist die Schwingungsmessung bei Produkttests und Dauertests.
Schwingungssensoren werden auch zur Bewertung des Fahrgastkomforts eingesetzt, insbesondere in der Automobilindustrie. Weitere Anwendungen im Bereich der Industrieanlagen reichen von elektrischen Geräten über Fahrzeuge bis hin zu Produktionsrobotern.
Funktionsweise der Schwingungssensoren
Wie bereits erwähnt, gibt es zwei Arten von Schwingungssensoren, berührende und berührungslose Sensoren. Berührende Schwingungssensoren werden zur Messung der Beschleunigung verwendet, während berührungslose Schwingungssensoren zur Messung der Geschwindigkeit und des Weges eingesetzt werden.
In diesem Abschnitt werden die Funktionsweisen der einzelnen Schwingungssensoren vorgestellt, die für verschiedene Schwingungsmessungen (Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg) geeignet sind:
1. Berührender Typ: Beschleunigungssensoren mit piezoelektrischem Sensor
Piezoelektrische Sensoren nutzen den piezoelektrischen Effekt in piezoelektrischen Materialien. Der piezoelektrische Effekt ist ein Phänomen, bei dem ein piezoelektrisches Material (piezoelektrisches Element), wie z. B. ein Einkristall aus Quarz, auf seiner Oberfläche eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es einer Kraft ausgesetzt wird. Der piezoelektrische Effekt erzeugt ein elektrisches Signal, das der Beschleunigung entspricht.
2. Berührungslos: Laser-Doppler-Sensoren mit Geschwindigkeitsmessung
Laser-Doppler-Sensoren machen sich den Dopplereffekt zunutze. Der Sensor sendet einen Laserstrahl auf ein vibrierendes Objekt und wandelt die Frequenzänderung des vom vibrierenden Objekt reflektierten Laserstrahls in eine Spannung als Geschwindigkeitsänderung um und erfasst so die Geschwindigkeit der Vibration.
3. Berührungslos: kapazitive Sensoren mit Wegmessfunktion
Kapazitive Sensoren beruhen auf der Funktionsweise der Messung der Kapazität zwischen dem Sensor und dem zu messenden Objekt und der Berechnung des Abstands. Ändert sich der Abstand zwischen dem Sensor und dem Messobjekt, ändert sich der Kapazitätswert, wodurch die Verschiebung der Vibration gemessen wird.
Weitere Informationen über Schwingungssensoren
1. Erfassungselemente von Schwingungssensoren
Das Erfassungselement von Maschinenschwingungen ist die zeitliche Änderung des Betrags einer Größe, die die Bewegung oder Verschiebung eines Maschinensystems darstellt. In vielen Fällen wechselt die Schwingung zwischen Zuständen, die größer und kleiner als der Durchschnitts- oder Referenzwert sind, und diese Schwingung besteht im Allgemeinen aus drei Elementen: Amplitude, Frequenz und Phase.
Vor allem Schwingungen, die sich in regelmäßigen Abständen wiederholen, werden als harmonische Schwingungen bezeichnet und bestehen aus einer einzigen Frequenz. Die Auslenkung, Geschwindigkeit und Beschleunigung sind in solchen Fällen wie folgt:
Durch Differenzierung der Verschiebung kann die Geschwindigkeit abgeleitet werden, und durch Differenzierung der Geschwindigkeit kann die Beschleunigung abgeleitet werden.
- Auslenkung d = Dsin (ωt + Φ)
- Geschwindigkeit v = Vcos (ωt + Φ)
- Beschleunigung a = – Asin (ωt + Φ)
wobei D: einfache Amplitude, ω: jede Geschwindigkeit ω = 2πf, f: Frequenz f = 1/T, T: Periode (Sekunden), Φ: Anfangsphase.
Zu den Schwingungssensoren, die zur Erfassung dieser harmonischen Schwingungen verwendet werden, gehören Beschleunigungssensoren (piezoelektrischer Typ), Geschwindigkeitssensoren (elektrodynamischer Typ) und berührungslose Wegsensoren (Wirbelstromtyp). Die piezoelektrischen Beschleunigungssensoren zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass sie einen großen Frequenzbereich abdecken können.
2. Einsatz von Schwingungssensoren
In diesem Abschnitt wird beispielhaft beschrieben, wie piezoelektrische Schwingungssensoren zur Überwachung von Schwingungen eingesetzt werden. Piezoelektrische Schwingungssensoren nutzen den piezoelektrischen Effekt und erzeugen und geben eine elektrische Ladung aus, die proportional zu der aufgebrachten externen Kraft ist. Piezoelektrische Schwingungssensoren des Typs mit Ladungsausgang sind besonders vorteilhaft in Bezug auf die Miniaturisierung.
Es ist wichtig, dass der Sensor mit Stehbolzen fest an dem nicht gemessenen Objekt befestigt wird. Ist der Sensor nicht fest angebracht, kann er Filtereigenschaften mit eigenartigen Dämpfungseigenschaften im Frequenzgang usw. aufweisen, was eine genaue Messung unmöglich macht. Andere Methoden der Befestigung sind die Verwendung von Klebstoffen oder Magneten.
Die Frequenzanalyse wird häufig zur Analyse der von Schwingungssensoren erfassten Daten verwendet. Die Frequenzanalyse ist eine Methode, bei der die gemessene Wellenform auf Frequenzkomponenten und Intensität untersucht wird, was Aufschluss darüber gibt, ob sich die Schwingung eines Objekts unter normalen Betriebsbedingungen befindet oder nicht.