ICP^®: Piezoelektrische Sensoren mit integriertem Verstärker

Für die Messung dynamischer Prozesse - wie z. B. Beschleunigung, Kraft, Druck - sind Sensoren, die auf dem piezoelektrischen Phänomen basieren (Entstehung von elektrischen Ladungen aufgrund der auf den Kristall wirkenden Kraft), weit verbreitet. Ihre größten Vorteile sind: breiter Frequenzbereich, großer Messbereich und kompakte Größe. Nachteilig ist jedoch der häufige Kalibrierungsbedarf bei Messanordnungen mit solchen Sensoren, die Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen, Kabellänge sowie die Qualität der Kabel und Anschlüsse. Zur Lösung dieses Problems hat der amerikanische Sensorhersteller PCB die Sensoren im ICP^®-Design entwickelt und eingeführt. ICP ist eine eingetragene Markenbezeichnung von PCB und die Abkürzung für "Integrated Circuit Piezoelectric", auf Ungarisch: Piezoelektrischer Sensor mit integriertem Verstärker.

Aufbau der ICP^®-Sensoren

Das Wesentliche am ICP^®-Design ist, dass ein - dank moderner Mikroelektronik miniaturisierter - Verstärker direkt in das Gehäuse des piezoelektrischen Sensors integriert wird. Dadurch erhalten wir sehr einfach anwendbare Sensoren mit folgenden Hauptvorteilen:

• Empfindlichkeit unabhängig von Kabellänge und -qualität
• Niedrige Ausgangsimpedanz (100 Ohm), daher auch bei feuchten und verschmutzten Bedingungen einsetzbar
• Zweidrahtsystem, für das koaxiale oder sogar herkömmliche 2-adrige Kabel ausreichen
• Hohe Ausgangsspannung (+/-5V oder +/-10V), daher unempfindlicher gegen elektromagnetische Störungen
• Niedriges Ausgangsrauschen
• Breiter Frequenzbereich
• Einfacher Selbsttest der Messanordnung möglich
• Einfache Stromversorgung (Netzteil, Batterie), geringe Kosten pro Kanal
• Geringer Kalibrierungsbedarf
• Auswertungs- und Aufzeichnungsgeräte (Schreiber, Oszilloskope usw.) lassen sich problemlos anschließen

Der Aufbau des integrierten Verstärkers im Sensor hängt davon ab, ob das Sensorlement keramikbasiert oder quarzbasiert ist und das zu verstärkende elektrische Signal liefert. Quarzbasierende Elemente mit niedriger Ladungskapazität können hohe Spannungen erzeugen, weshalb MOSFET-Spannungsverstärker in solche Sensoren integriert werden. Bei keramikbasierten Sensoren hingegen entsteht bei niedrigeren Spannungen eine höhere Ladung, weshalb Ladungsverstärker eingesetzt werden. Die typischen Ausführungen zeigt die folgende Abbildung.

Interner Aufbau eines quarz- oder keramikbasierten piezoelektrischen Sensors Abbildung 1: Typischer Aufbau von ICP®-Sensoren mit quarz- oder keramikbasiertem Messglied

Stromversorgung der ICP^®-Sensoren

Messkreise mit ICP^®-Sensoren bestehen typischerweise aus dem Sensor, dem Zweidraht-Anschlusskabel und dem Sensoradapterkreis (Stromversorgungs- und Anpassungseinheit), wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Typische Zusammenstellung eines Messkreises mit ICP®-Sensor

Der Sensoradapterkreis (Stromversorgungs- und Anpassungseinheit) besteht aus einem mit einer Gleichspannung (+18…+24V) versorgten konstanten Stromgenerator und einem Anpassungskreis (Gleichspannungstrenner). Das Messgerät mit hoher Eingangsimpedanz, gekennzeichnet als Vm, zeigt die Spannung am Ausgang des Sensors an, die im Ruhezustand typischerweise zwischen +9…+12V DC liegt. Diese Spannung im Ruhezustand des Sensors kann auch zur funktionalen Überprüfung des Sensors und des Anschlusskabels verwendet werden. Die Schaltung, die bei den ICP^®-Sensoren realisiert wird, ist aufgrund der relativ hohen Pegel sehr unempfindlich gegen Störungen und es ist vorteilhaft, dass der Stromgenerator in der Lage ist, lange (abgeschirmte) Kabel anzutreiben, selbst unter industriellen Bedingungen.

Typischer Aussteuerungsbereich der ICP^®-Sensoren

Der ICP^®-Sensor und die Konstantstromquelle werden in der Regel mit einer Gleichspannung von +18…+24V versorgt. Wenn wir einen Spannungsabfall von ca. 1V über der Stromquelle und eine Ruhe-Gleichspannung von 11V annehmen, dann ergibt sich bei einer 18V-Versorgungsbetriebsspannung der dynamische Ausgangssignalbereich des Sensors wie folgt: U Signal = 18V-(1V+11V) = 6V. Selbst bei einer höheren Belastung ist der Sensor nicht in der Lage, ein verzerrungsfreies Ausgangssignal größer als dieser Wert zu liefern, da seine Aussteuerung asymmetrisch würde. Eine Erhöhung der Betriebsspannung kann hier Abhilfe schaffen. Die positive Aussteuerbarkeit des Sensors beträgt bei einer +24V-Versorgungsbetriebsspannung (bei unveränderter Ruhe-Gleichspannung von 11V) mehr als 10V. Die negative Aussteuerung beträgt ebenfalls 10V (in beiden Fällen). Dieser Zusammenhang wird durch das folgende Diagramm veranschaulicht.

Abbildung 3: Aussteuerbarkeit von ICP®-Sensoren in Abhängigkeit von der Versorgung

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu

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