Kies het juiste type versnellingsopnemer

Bij het onderzoeken, ontwikkelen en testen van producten in ruwe en ingewikkelde omgevingen, kunnen accelerometers data van onschatbare waarde leveren. Maar zoals bij de meeste ontwerpactiviteiten is het kiezen van het juiste gereedschap essentieel voor het verkrijgen van goede meetresultaten. Dit is vooral van belang voor ontwerpers die te maken krijgen met grote g-krachten en schoktesten, waar extreme temperaturen, trillingen en schokken van het inslaan van munitie extra uitdagingen vormen voor het leveren van nauwkeurige resultaten.  

Omdat elke technologie voor versnellingsopnemers specifieke voordelen en compromissen kent, is het voor de keuze van het juiste type versnellingsopnemer heel belangrijk om op de hoogte te zijn van de mogelijkheden van verschillende producten en hun technische eigenschappen. Ook een analyse van de omstandigheden en parameters waaronder de versnellingsopnemers moeten werken is noodzakelijk.

Om u te helpen de juiste versnellingsopnemer te kiezen, is hier een inleidend artikel over de punten die in u overweging moet nemen om aan alle nodige meetvoorwaarden te kunnen voldoen. Daarnaast geven we een lijst van kritische vragen voor een hypothetische situatie. In dit geval gaat het om het meten van versnellingen van meer dan 50 g. Dit kan aantonen wat voor onderwerpen in overweging moeten worden genomen bij het keuzeproces.   

Overweging 1: Kennis van de verschillende klassen van accelerometers
Er zijn in principe twee klassen van accelerometers: typen met een AC-responsie en typen met een DC-respons. Bij een AC-responsie versnellingsopnemer, de naam zegt het al, heeft de output een wisselstroomkoppeling. Een AC-gekoppeld apparaat kan niet worden gebruikt voor het meten van statische versnelling zoals de zwaartekracht en constante middelpuntzoekende versnelling. Het is alleen geschikt voor het meten van dynamische gebeurtenissen.

Een versnellingsopnemer met een DC-responsie daarentegen heeft een gelijkspanningskoppeling en kan meten tot 0 Hz. Daardoor kan hij worden gebruikt voor het meten van zowel statische als dynamische versnelling. Maar het meten van statische versnelling is niet de enige reden waarom soms het gebruik van een DC-responsie versnellingsopnemer moet worden overwogen. 

Bij de meeste onderzoeken naar trillingen is kennis van versnelling, snelheid en verplaatsing nodig. Over het algemeen biedt de g-waarde een goed aanknopingspunt, maar de snelheid en de verplaatsing zijn de variabelen die meestal nodig zijn voor het rekenen aan ontwerpen. De snelheid wordt uit de versnelling afgeleid door die te integreren. Integreren van de snelheid levert de verplaatsing op. Dat integreren kan zowel analoog als digitaal worden gedaan. 

Hier kan een versnellingsopnemer met een AC-responsie tot problemen leiden. Die heeft een intrinsieke begrenzing vanwege zijn RC-tijdconstante en kan daardoor moeilijk langzame bewegingen volgen. Een opnemer met een DC-responsie heeft dat probleem niet (figuur 1).  Overweging 2: Technologieën voor Accelerometers
De meest gangbare accelerometers met een AC-responsie maken gebruik van piëzo-elektrische elementen als sensortechniek. Onder invloed van een versnelling veroorzaakt de seismische massa van de versnellingsopnemer een “verplaatsing” van een lading in het piëzo-elektrische element, waardoor een elektrisch outputsignaal ontstaat dat evenredig is met de versnelling. Elektrisch ziet een piëzo-elektrisch element eruit als een broncondensator met een eindige interne weerstand, typisch in de orde van grootte van 10⁹ Ω . Dit vormt de RC-tijdconstante die het hoogdoorlaatkarakter van de sensor bepaalt. Daarom kunnen piëzo-elektrische accelerometers niet worden gebruikt voor het meten van statische verschijnselen. En omdat piëzo-elektrische materialen van natuurlijke of kunstmatige oorsprong zijn, hebben ze verschillende kenmerken van transductie en lineariteit. 

Er zijn twee types van piëzo-elektrische accelerometers op de markt: Charge Output Type en Voltage Output Type. Ze kunnen erg klein zijn, en zijn daardoor heel geschikt voor dynamische metingen in lichtgewicht structuren.  

Charge Mode piëzo-elektrische sensoren zijn gemaakt van ceramisch materiaal op basis van lood-zirconaat-titanaat (PZT). Dit type biedt de voordelen van een zeer groot temperatuurbereik, een groot dynamisch bereik en een grote bandbreedte (bruikbaar tot meer dan 10 kHz). Als ze in een luchtdichte, gelaste metalen behuizing zitten, kunnen deze Charge Mode-versnellingsopnemers worden gerekend tot de meest duurzame sensoren, omdat ze zeer goed bestand zijn voor gebruik in een agressief milieu. Vanwege het ruime temperatuurbereik van piëzo-elektrische keramische materialen, kunnen sommige Charge Mode-sensoren worden gebruikt van -200°C tot +640°C of zelfs nog verder. Ze zijn vooral heel geschikt bij trillingsmetingen bij extreme temperaturen, zoals in turbinemotoren. 

Het andere type piëzo-elektrische accelerometer levert een uitgangsspanning door middel van een ladingsversterker in de behuizing van de versnellingsopnemer. In tegenstelling tot een Charge Mode-type dat een ceramisch element bevat, heeft een spanningsmode-sensor een elektronische schakeling aan boord. Dat begrenst de werktemperatuur van de sensor tot de maximale werktemperatuur van de elektronica, meestal hooguit +125°C. In sommige ontwerpen is dat opgevoerd tot +175°C, maar dat brengt compromissen voor andere aspecten met zich mee (figuur 2). Om de juiste versnellingsopnemer te kunnen kiezen, moet ook gekeken worden onder welke omstandigheden ze zullen moeten werken, zeker als het gaat om ruwe, complexe of agressieve omgevingen. Hier zijn bijvoorbeeld vijf basisvragen die u zou moeten stellen als u meer dan 50 g wilt gaan meten. 

1. Binnen welk dynamisch bereik denkt u te gaan meten of testen? Bij gebruik van een versnellingsopnemer moet er voldoende marge zijn om de bruikbaarheid van de testresultaten te garanderen. Uiteraard mag de volle schaalwaarde van de versnellingsopnemer niet worden overschreden. Als de g-kracht groter is dan de bovenste limiet van het bereik van de accelerometer, zal het signaal clippen en onbruikbare testresultaten opleveren. Best practice is de versnellingen te beperken tot 30 à 40% van de volle schaalwaarde en in elk geval een marge van minstens 10% aan te houden.
2. Wat is de bandbreedte waarin gemeten moet worden? De benodigde bandbreedte is afhankelijk van veel factoren, vooral van het type test en de eigenschappen van de materialen. Als we bijvoorbeeld willen meten wat er gebeurt bij een zachte landing, dan kan een kleine bandbreedte volstaan. Maar als we willen kijken naar de piekwaarde van de versnelling bij krachtige botsingen, bijvoorbeeld bij ammunitie en bij crashtesten van auto’s, dat is een veel grotere bandbreedte nodig.
3. Hoe wordt de sensor bevestigd voor de test? Het is belangrijk om te weten hoe de versnellingsopnemer moet worden geïnstalleerd en ook op welke plaats hij moet komen. Voor de beste resultaten moet de accelerometer star op het apparaat worden gemonteerd. Er zijn goede materialen, zoals cyano-acrylaat om een versnellingsopnemer ergens op te bevestigen, maar de meeste kunstharsen en lijmen kunnen we beter vermijden, omdat die extra demping veroorzaken en energie absorberen voordat die kan worden geregistreerd door de versnellingsopnemer. 
4. Onder wat voor omstandigheden moet de test worden uitgevoerd? Alle accelerometers zijn gecompenseerd voor een bepaalde tolerantie van het temperatuurbereik, dus moeten voor een nauwkeurige meting de testomstandigheden bekend zijn. Omstandigheden als vocht, sneeuw, hoogte boven zeeniveau, metingen onder water spelen allemaal een rol bij het bepalen wat voor type versnellingsopnemer daar het beste gaat werken (figuur 3).
5. Wat wilt u precies meten? Een accelerometer meet versnelling in g-krachten. Als hij ook moet worden gebruikt om snelheid en verplaatsing te meten is een DC-type nodig.

  Overweging 3: Sensortechnologieën in DC-accelerometers 
Er zijn twee populaire sensortechnologieën in DC-accelerometers: capacitief en piëzoresistief. Capacitieve sensoren (gebaseerd op de verandering van de capaciteit in een seismische massa onder invloed van een versnelling) is tegenwoordig de meest toegepaste technologie voor accelerometers, dankzij de grootschalige inzet in commerciële toepassingen zoals airbags en mobiele apparaten. Ze zijn gebaseerd op Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)-technologie. De productie in grote aantallen brengt daarbij schaalvoordelen met zich mee. Helaas hebben deze goedkope capacitieve accelerometers vaak wel een slechte signaal/ruis-verhouding en een beperkt dynamisch bereik, waardoor ze vooral geschikt zijn voor laagfrequente beweging bij kleine g-krachten.

De andere veelgebruikte sensortechnologie in DC-accelerometers werkt piëzoresistief. In plaats van het meten van de capaciteitsverandering in een seismische massa (zoals in een capacitieve sensor), produceert een piëzoresistieve versnellingsopnemer weerstandsverandingen in rekstrookjes die deel uitmaken van het seismisch systeem van de accelerometer. Omdat de output van de meeste piëzoresistieve sensoren in het algemeen gevoelig is voor temperatuurvariaties, is het nodig interne of externe temperatuurcompensatie toe te passen. Moderne piëzoresistieve accelerometers hebben een ingebouwde ASIC voor alle vormen van signaalconditionering en in-situ temperatuurcompensatie.

De bandbreedte van piëzoresistieve accelerometers kan tot boven 7.000 Hz gaan. Veel piëzoresistieve versnellingsopnemers zijn ofwel gasgedempt (MEMS-types) of vloeistofgedempt (de typen die werken met rekstrookjes). Die dempingseigenschappen kunnen een belangrijke factor zijn bij het kiezen van een versnellingsopnemer. In toepassingen waar de mechanische input zeer hoogfrequente componenten kan bevatten (of een hoogfrequente responsie kan aanslingeren), kan een gedempte versnellingsopnemer resonantie voorkomen en/of het dynamisch bereik verbeteren. Omdat de output van een piëzoresistieve sensor differentieel en puur ohms is, is de signaal/ruis-verhouding doorgaans uitstekend; het dynamisch bereik wordt alleen beperkt door de kwaliteit van de brugversterker. 

Vanwege de mogelijkheid van een grotere bandbreedte, zijn piëzoresistieve accelerometers het meest geschikt voor impuls/impact-metingen waar het frequentiebereik en het g-niveau meestal hoog zijn (bijvoorbeeld voor zeer krachtige g-schokmetingen). Sommige piëzoresistieve sensoren zijn geschikt voor versnellingsniveaus van veel meer dan 10.000 g. Omdat het DC-sensoren zijn, kan uit het versnellingssignaal veel nauwkeuriger de gewenste snelheids- en verplaatsingsinformatie worden afgeleid, zonder integratiefout. 

Welke eigenschappen zijn het belangrijkste bij de keuze van een accelerometer? 

Hier een korte samenvatting:

• Charge-mode piëzo-elektrische sensoren zijn de meest robuuste versnellingsopnemers vanwege de eenvoudige constructie en de stevige materiaaleigenschappen. Voor dynamische meettoepassingen bij hoge temperaturen (>150°C), zijn deze sensoren een vanzelfsprekende keuze, vaak zelfs de enige mogelijkheid. 
• Voltage-mode piëzo-elektrische sensoren zijn de meest populaire versnellingsopnemers voor dynamische metingen. Ze hebben kleine afmetingen, een grote bandbreedte en een ingebouwde ladingsconverter, waardoor een rechtstreekse koppeling met veel moderne signaalanalyse- en data-acquisitiesystemen mogelijk is (als die een geïntegreerde IEPE/ICP-voeding hebben). Het temperatuurbereik van deze sensoren is over het algemeen beperkt tot <125°C.
• Capacitieve sensoren maken een kritiek gedempte of overgedempte responsie mogelijk, wat zich goed leent voor laagfrequente metingen. De goedkope SMD-sensoren zijn geschikt voor toepassingen in grote aantallen waar een grote nauwkeurigheid niet zo belangrijk is. De duurdere, instrumentele capacitieve MEMS-accelerometers hebben een goede offsetstabiliteit en een zeer lage ruis. Capacitieve accelerometers hebben een laagohmige output met een spanning van ±2 V tot ±5 V volle schaal. De meeste typen hebben een gestabiliseerde gelijkspanning nodig als voeding.

Piëzoresistieve accelerometers zijn veelzijdig dankzij hun grote bandbreedte en dynamisch bereik. Omdat het DC-sensoren zijn, zijn ze geschikt voor het meten van statische versnellingen en zijn nauwkeurige snelheids- en verplaatsingsgegevens af te leiden uit het outputsignaal. De grote bandbreedte maakt ze ook geschikt voor de meeste dynamische metingen. Piëzoresistieve ontwerpen bieden verschillende graden van dempingsresponsie wat ze geschikt maakt voor gebruik in verschillende situaties inclusief schokproeven. Pure piëzoresistieve accelerometers (zonder elektronica) zijn klein en licht in gewicht en geven een uitganssignaal van ±100 tot ±200 mV volle schaal. De typen met ingebouwde ASIC hebben een lage uitgangsimpedantie (<100 Ω) en een signaal van ±2 V tot ±5 V volle schaal.

Wat is een bruikbare oplossing voor het meten van meer dan 50 g? 
Piëzoresistieve accelerometers zijn het meest geschikt voor impuls/impact-metingen bij een groot frequentiebereik en grote g-krachten. Het moeten ook DC-sensoren zijn, zodat uit het versnellingssignaal veel nauwkeuriger de gewenste snelheids- en verplaatsingsinformatie worden afgeleid, zonder integratiefout. Daarom worden meestal piëzoresistieve accelerometers gebruikt in automotive veiligheidstesten (figuur 4), tests van wapens en metingen van zware schokken.  Om meer dan 50 g te meten, is TE Connectivity's (TE) Model 3038 [1], een piëzoresistieve MEMS-sensor, een krachtige oplossing (figuur 5). De TE Model 3038 is ontworpen voor gebruik in zware toepassingen in ruwe omgevingen. Hij wordt gewaardeerd voor zijn uitstekende robuustheid, beveiliging tegen te grote g-krachten en stabiliteit op de lange termijn. Hij werkt bijvoorbeeld nog betrouwbaar op grote hoogte bij een groot temperatuurbereik van -55º tot +125ºC, maar is eenvoudig te installeren met zijn hermetisch gesloten SMD -behuizing. Hij bevat mechanische beveiligingen tegen te grote schokken, waardoor hij bestand is tegen schokken tot wel 10.000 g en meet met een nauwkeurigheid van ±1,0%. En hij bevat een gasgedempte piëzoresistieve MEMS-sensorelement voor een uitstekende stabiliteit op de lange termijn. 
 
Weblinks
[1] TE Connectivity, Model 3038 Accelerometer.  
 

---

Over de auteur
Bjorn Ryden (Sr. Product Manager, Vibration and Force Sensors) heeft meer dan 20 jaar ervaring in de sensorindustrie. Hij heeft meer dan acht jaar gewerkt bij AMETEK Aerospace als Senior Design Engineer waar hij essentiële sensoren voor de luchtvaartindustrie ontwierp. Voordat hij zich aansloot bij TE Connectivity, werkte hij als Senior Applications Engineer en Product Manager bij Meggitt Sensors. Bij TE Connectivity heeft hij de afgelopen 12 jaar rollen met steeds grotere verantwoordelijkheid binnen het Product Management-team vervuld. Hij heeft een BS in Mechanical Engineering van Worcester Polytechnic Institute in Massachusetts in de Verenigde Staten.

Dit artikel is verschenen in Elektor Business Edition 3/2018.