Kalibrierung von industriellen Beschleunigungsmessern

Die Richtlinien für die Kalibrierung eines industriellen piezoelektrischen Sensors hängen vom Sensorelement ab, das im Sensor verwendet wird.

• Quarz: Quarz ist ein natürliches piezoelektrisches Mineral, das als das stabilste aller piezoelektrischen Materialien gilt. Für Quarzsensoren wird garantiert, dass der Kalibrierwert mindestens 5 Jahre lang stabil bleibt, wenn er innerhalb der veröffentlichten Betriebsrichtlinien für diese Sensoren verwendet wird.
• Keramisch: Polykristalline Keramiken sind künstlich hergestellte Materialien, die polarisiert wurden, um piezoelektrische Eigenschaften zu zeigen. Der Polarisierungsprozess besteht darin, dass die Keramik sehr hohen Gleichspannungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt wird, um die Domänen entlang der Polarisierungsachse auszurichten. Trotz dieses Prozesses und der Bemühungen, die Geräte künstlich zu altern, zeigen piezoelektrische Keramiken mit der Zeit einen natürlichen Leistungsabfall und müssen neu kalibriert werden, um genaue Messungen zu gewährleisten. Es wird empfohlen, Sensoren mit keramischen Sensorelementen mindestens einmal pro Jahr sowie bei Verdacht auf physische Schäden durch übermäßige mechanische Stöße, extreme Wärmetransienten, übermäßige Temperaturen oder andere extreme Umwelteinflüsse zu kalibrieren.

Im weitesten Sinne werden bei der Kalibrierung der Amplitudengang und die Linearität des Systems über den vorgesehenen Einsatzbereich überprüft. Ein typischer Kalibrierungsprozess wird in eine Vorkalibrierung und eine Endkalibrierung unterteilt.

Die Vorkalibrierung besteht unter anderem aus zwei Tests: einem Querempfindlichkeitstest und einem Resonanzfrequenztest.

Der erste Test, der während der Vorkalibrierung durchgeführt wird, ist die Querempfindlichkeit. Die Querempfindlichkeit ist das Ergebnis eines einachsigen Schwingungssensors, der senkrecht zur Messachse montiert ist. Zur Durchführung der Prüfung wird der Sensor an einem Transversalkalibrator befestigt. Siehe Abbildung 1. Neben dem zu prüfenden Sensor sind zwei Referenzsensoren am Kalibrator angebracht. Die beiden Referenzsensoren sind im Abstand von 90 Grad um den Prüfsensor herum angebracht, wobei einer die Schwingungen auf der X-Achse und einer die Schwingungen auf der Y-Achse misst. Nach der Aktivierung der Prüfsequenz wird der Aufbau so eingestellt, dass die beiden Referenzsensoren einheitliche Ausgangssignale mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad liefern und das Prüfgerät eine gleichmäßige Orbitalbewegung zeigt. Das System berechnet dann eine Querempfindlichkeit. Um den Test zu bestehen, müssen die Schwingungsmessungen des Prüfsensors mit den Spezifikationen des Prüfsensors innerhalb einer bestimmten Toleranz übereinstimmen.

Der zweite Test, der während des Vorkalibrierungsprozesses durchgeführt wird, ist die Resonanzfrequenz. Die Resonanzfrequenz ist die Frequenz, bei der der Sensor auf natürliche Weise schwingt, wenn er durch einen Reiz angeregt wird. Zur Durchführung des Tests wird der Prüfsensor mit Silikonfett an einer Masse aus einer Wolframlegierung befestigt, die etwa zehnmal so schwer ist wie der Sensor. Die Masse/Sensor-Baugruppe wird dann auf die Seite auf einen Prüfstand gelegt. Die Masse wird mit einem Kugellager, das auf einem Mylarstreifen befestigt ist, angestoßen, und die resultierende Resonanzfrequenz des Sensors wird aufgezeichnet.

Zur endgültigen Kalibrierung wird der Prüfsensor in einem Back-to-Back-Kalibrierungstest geprüft, um die Referenzempfindlichkeit, den Frequenzgang und die Ausgangsvorspannung zu bestimmen. Bei einer Back-to-Back-Prüfung wird der Prüfsensor in einer Back-to-Back-Anordnung mit einem Referenzsensor montiert, wobei der Referenzsensor auf die Primärkalibrierung rückführbar ist. Da der Bewegungseingang für beide Sensoren gleich ist, ist das Verhältnis ihrer Ausgänge auch das Verhältnis ihrer Empfindlichkeiten. Die Empfindlichkeit des Prüfsensors kann mit der Formel in Abbildung 3 berechnet werden.

Sobald die Empfindlichkeit des Prüfsensors bestimmt ist, wird diese Empfindlichkeit bei einer oder mehreren Frequenzen (je nach dem erforderlichen Kalibrierungsdienst) getestet, um ein Empfindlichkeitsdiagramm zu erstellen. Wird ein Prüfsensor bei mehreren Frequenzen geprüft, bestätigt der Kalibrierdienst während der Vorkalibrierung das lineare Empfindlichkeitsverhalten des Prüfsensors über den nutzbaren Frequenzbereich. Durch Durchfahren des gewünschten Frequenzbereichs wird dann eine Frequenzgangkurve des Prüfsensors erstellt. Luftgelagerte Schwingerreger sind die bevorzugte Art von elektrodynamischen Schwingerregern, da sie die höchste Qualität an reinen Schwingungen mit einem Freiheitsgrad über den größten Frequenzbereich bieten und gleichzeitig die Querbewegungen und Verzerrungen minimieren, die bei anderen elektrodynamischen Schwingerregern auftreten.

Für die Kalibrierung industrieller piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer bietet IMI Sensors zwei Kalibrierungsstandards an.

• ICS-1: Kalibrierung liefert ein detailliertes Kalibrierungszertifikat, das der Norm ISO 10012:2003 "Measurement Management Systems - Requirements for Measurement Processes and Measuring Equipment" entspricht und auf das National Institute of Standards & Technology (NIST) rückführbar ist. Ein Beispiel für ein ICS-1-Kalibrierungszertifikat finden Sie in Anhang 1.
• ICS-2: Kalibrierung bietet eine kostengünstige Option für die Kalibrierung von industriellen Sensoren, die aufgrund ihrer Anwendung keine Vollbereichskalibrierung erfordern. Dieser Standard liefert einen Einzelpunkt-Kalibrierwert, der auf das NIST rückführbar ist. Dieser Wert ist mit einem Laser auf das Sensorgehäuse geätzt, um eine einfache Referenz zu ermöglichen. Ein Beispiel für ein ICS-2-Kalibrierungszertifikat finden Sie in Anhang 2.

Diese Dienstleistungen sind für alle industriellen Beschleunigungssensoren von IMI Sensors sowie für alle Modelle von Wettbewerbern verfügbar.