Analogtipp Condition Monitoring: Schwingungsmessung mit MEMS-Sensoren

In diesem Analogtipp stelle ich eine sehr lineare, rauscharme und breitbandige Lösung zur Schwingungsmessung vor, die auf dem MEMS-Beschleunigungssensor ADXL1002 basiert. Sie eignet sich für die Detektion von Schwingungen von DC bis 11 kHz.

Überall dort, wo Maschinen zum Einsatz kommen, wird eine planmäßige Wartung immer wichtiger, um das Risiko von Produktionsausfällen zu minimieren. Unter anderem wird hierzu das Vibrationsmuster der Maschinen analysiert. Unregelmäßigkeiten bei den verschiedenen Frequenzen weisen dabei auf Verschleiß, Unwuchten bzw. lockere Teile hin.

Häufig kommen bei der Frequenzmessung MEMS-Beschleunigungssensoren zum Einsatz. Im Vergleich zu piezoelektrischen Sensoren bieten sie eine höhere Auflösung und ausgezeichnete Drift und Empfindlichkeit sowie ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis. Zudem ermöglichen sie die Detektion von sehr niederfrequenten Schwingungen nahe DC.

In diesem Analogtipp stelle ich eine hochlineare, rauscharme und breitbandige Lösung zur Schwingungsmessung vor, die auf dem MEMS-Beschleunigungssensor ADXL1002 basiert. Sie eignet sich für Anwendungen, die einen großen Dynamikbereich bis ±50 g und einen Frequenzgang von DC bis 11 kHz erfordern, beispielsweise zur Lageranalyse oder zur Motorüberwachung.

Bild 1 zeigt eine Beispielschaltung. Das analoge Ausgangssignal des ADXL1002 wird über einen zweipoligen RC-Filter dem SAR A/D-Wandler AD4000 zugeführt und von diesem zur weiteren Signalverarbeitung in einen digitalen Wert gewandelt.

Beim ADXL1002 handelt es sich um einen einachsigen MEMS-Beschleunigungssensor, der ein Ausgangssignal-Bandpass jenseits des Resonanzfrequenzbereichs des Sensors bereitstellt. Dies ist gewünscht, damit auch Frequenzen außerhalb der 3-dB-Bandbreite beobachtet werden können. Um dem Rechnung zu tragen, unterstützt der Ausgangsverstärker des Chips eine kleine Signalbandbreite von 70 kHz.

Mit dem Ausgangsverstärker des Beschleunigungssensors lassen sich ferner kapazitive Lasten bis zu 100 pF direkt stabil ansteuern. Bei Lasten von mehr als 100 pF sollten Sie jedoch einen Widerstand von ≥8 kΩ in Reihe schalten.

Der externe Filter am Ausgang ist erforderlich, um Alias-Rauschen des Ausgangsverstärkers und anderer interner Rauschkomponenten des Sensors zu vermeiden, die beispielsweise entstehen, wenn sich das interne 200-kHz-Taktsignal einkoppelt. Deshalb sollten Sie die Bandbreite des Filters entsprechend auslegen.

Mit der Dimensionierung in Bild 1 (R1 = 16 kΩ, C1 = 300 pF, R2 = 32 kΩ und C2 = 300 pF) wird eine Dämpfung von etwa 84 dB bei 200 kHz erzielt. Ebenso müssen Sie die ADC-Abtastrate höher als die Bandbreite des Verstärkers wählen (z.B. 32 kHz).

Beim A/D-Wandler müssen Sie beachten, dass für dessen Referenz ebenso die Versorgungsspannung des ADXL1002 gewählt wird, da der Ausgangsverstärker ratiometrisch zur Versorgungsspannung ist. In diesem Fall verlaufen die Spannungsversorgungstoleranz und der Spannungstemperaturkoeffizient (die üblicherweise mit externen Reglern verbunden sind) zwischen dem Beschleunigungssensor und dem A/D-Wandler, so dass sich der durch die Versorgungs- und Referenzspannung implizierte Fehler aufhebt.

Frequenzgang des MEMS-Sensors

Der Frequenzgang des Beschleunigungssensors ist das wichtigste Merkmal des Systems und ist in Bild 2 dargestellt. Bei Frequenzen, die über etwa 2 bis 3 kHz hinausgehen, erhöht sich die Verstärkung. Bei der Resonanzfrequenz (11 kHz) ergibt sich ein Spitzenwert der Verstärkung von etwa 12 dB (Faktor 4) in der Ausgangsspannung.

Damit Messbereichsüberschreitungen angezeigt werden können, verfügt der ADXL1002 über einen entsprechenden Ausgang (OR-Pin). Die integrierte Überwachung gibt eine Warnmeldung bei einer signifikanter Messbereichsüberschreitung, die größer als etwa das Doppelte des spezifizierten g-Bereichs ist, aus.

Überlegungen zur Montage

Besonderes Augenmerk sollten Sie auch auf die richtige Platzierung des Beschleunigungssensors legen. Dieser sollte in der Nähe eines starren Punktes der Leiterplatte montiert werden, um Schwingungen der Leiterplatte und damit Messfehler aufgrund ungedämpfter Leiterplattenschwingungen zu umgehen.

Durch die Platzierung wird sichergestellt, dass jede Leiterplattenschwingung am Beschleunigungssensor über der mechanischen Sensorresonanzfrequenz liegt und daher für den Beschleunigungssensor praktisch unsichtbar ist. Mehrere Befestigungspunkte in der Nähe des Sensors und eine dickere Leiterplatte tragen ebenfalls dazu bei, die Auswirkungen der Systemresonanz auf die Leistung des Sensors zu verringern.

Fazit: Mit der in Bild 1 dargestellten Schaltung lässt sich relativ einfach eine Lösung zur Detektion von Schwingungen von DC bis 11 kHz auf Basis von MEMS-Sensoren aufbauen, wie sie im Bereich der Zustandsüberwachung von Maschinen erforderlich ist.

* Thomas Brand arbeitet als Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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