Ersatzschaltung für Simulation eines IEPE Beschleunigungssensor

Kalle K. schrieb:

ich bin auf der Suche nach einer Ersatzschaltung für einen IEPE Beschleunigungssensor die es mir ermöglicht das Signal eines IEPE Beschleunigungssensors (siehe 2) ) mittels Frequenzgenerator zu simulieren und es in den Signalpfad einzukoppeln um Frequenzgangsmessungen durchzuführen.

Du kannst davon ausgehen das der Beschleunigungssensor ziemlich linear in Bezug zur Beschleunigung ist. Zumindest innerhalb seiner angegebenen Bandbreite.

Man sollte nur ggf. einen Überspannungsschutz für den ersten OPV vorsehen. Bei manchen Sensoren können auch ziemlich hohe Spannungen auftreten.

Habe noch etwas gefunden. Beitrag "Re: Ladungsverstärker Piezo" mfg Klaus

IEPE Simulatoren sind zwei Schaltungen in der DKD 3-2 Kalibrierung von Signalkonditionierern. Download Bein DKD.

Link später

Hier der Link https://www.ptb.de/cms/fileadmin/internet/dienstleistungen/dkd/archiv/Publikationen/Richtlinien/DKD-R_3-2_2019.pdf

Piezo-Beschleunigungssensoren sind sehr linear. Gute gerne über mehr als 6 Dekaden. Das klappt jedoch nicht bei IEPE Sensoren wg. dem begrenztem Dynamikumfangs des eingebauten Verstärkers. Sie haben jedoch keinen konstanten Übertragungsfaktor über den Frequenzbereich (wenn man genau genug messen kann ;) ). Das einfache Modell ist ein Einmassenschwinger mit Resonanz, bessere Modelle beinhalten noch eine zusätzliche Koppelmasse .... (Zweimassenschwinger).

Wenn man von der ersten Resonanzstelle (steht üblicherweise im Datenblatt) weit genug weg bleibt, überwiegen jedoch die Einflüsse der Montage und man darf den Übertragungsfaktor als konstant ansehen. Will und kann man besser als (ich sag mal so grob) 2% rel Unsicherheit werden, kommt man je nach Sensor (Piezomaterial) und Frequenzbereich nicht um eine Frequenzkompensation herum.

Hab Deinen Artikel noch mal im Detail gelesen. Wenn Du bis ein paar Hz runter willst, schlägt bei normalen IEPE Sensoren der interne Hochpass zu, da macht eine Kompensation des Frequenzgangs absolut Sinn. ... Wenn man denn unbedingt den vorhanden Sensor verwenden will/muss. Je nach geforderten Unsicherheiten und Dynamikumfang würde ich einen MEMS-Sensor in Erwägung ziehen.

Hier mal eine IEPE Simulatorschaltung die ich verwendet habe. Ziel war bis auf DC runterzukommen und einen BIAS unter 9V zu haben um die Transferfunktion des Simulators im 10V Messbereich checken zu können. (bei <=1V Amplitude) Ja ja ein Transistor reicht eigentlich ... ...

Tag auch und danke für die bisherigen Anworten.

Ich versuche mal auf ein paar Aspekte näher einzugehen, sofern ich das angesprochene richtig verstanden habe...

Klaus R. schrieb:

Du kannst davon ausgehen das der Beschleunigungssensor ziemlich linear in Bezug zur Beschleunigung ist. Zumindest innerhalb seiner angegebenen Bandbreite.

Henrik V. schrieb:

Wenn Du bis ein paar Hz runter willst, schlägt bei normalen IEPE Sensoren der interne Hochpass zu, da macht eine Kompensation des Frequenzgangs absolut Sinn.

Der Frequenzbereich, in dem die Regelung arbeiten soll und die zu dämpfenden mechanischen Zielfrequenzen, liegen im Bereich von ca. 5-120 Hz. (Die untere Grenze ändert sich recht stark, je nach momentaner mechanischer Aufstellung).

Mechanische Frequenzen von 120 Hz bis 500 Hz interessieren mich zwar aus wissenschaftlicher Sicht, für die Regelung sind sie eher hinderlich (Stichwort: Nichtkollokierte Regelung) - ich werde sie wohl ausfiltern müssen.

Der lineare Bereich des Sensor sollte eigentlich ausreichen, so unsere Einschätzung. Probleme bereitet eher das verrauschte Signal. Hier ein Auszug aus einer Messung für den verwendeten Sensors, die wir in Auftrag gegeben haben:

1

Frequenz [Hz] |Übertragungskoeffizient [mV/g] | Phase [°]

2

5             |100,75                          | 0,6

3

10            |100,44                          | 0,0

4

100           |98,95                           |-0,9

5

500           |97,86                           |-2,2

Gerade die Phase bzw. das nicht verlieren der Phase ist für uns wichtig. Link zum Datenblatt des Sensors: https://www.mmf.de/datasheet/ks77c100_de.pdf

Henrik V. schrieb:

Je nach geforderten Unsicherheiten und Dynamikumfang würde ich einen MEMS-Sensor in Erwägung ziehen.

Bei den MEMS-Sensoren, die ich bis dato gesehen habe (je nach Messbereich), fällt die Phase schon bei kleinen Frequenzen schon recht stark ab. Ich lasse mich aber gerne vom Gegenteil überzeugen.

Es geht also momentan vornehmlich um die Signalkonditionierung. Wir wollen in diese einen analogen Integrator (Link zum PDF unten -> Bild 6) einsetzen, um Integration "auszulagern". Der Amplitudengang des Integratormoduls fällt laut Bedienungsanleitung ab ca. 5 Hz mit 20 dB/Dek ab. Also müssen wir kompensieren.

Link zum PDF -> Bild 6 -> https://www.mmf.de/manual/m33man.pdf

Henrik V. schrieb:

Hier der Link https://www.ptb.de/cms/fileadmin/internet/dienstleistungen/dkd/archiv/Publikationen/Richtlinien/DKD-R_3-2_2019.pdf

Super, nach sowas hatte ursprünglich gesucht. Die Schaltung "Abbildung 16: IEPE-Sensorsimulation mit Hochpass und Impedanzanpassung" wäre noch etwas für den schnellen Nachbau.

Die Schaltung aus Deinem Bild (simIEPE.png) hab ich noch nicht ganz durchdrungen. ;)

Hatte gestern noch etwas (nach)gebastelt und dabei kam die Schaltung aus dem Anhang raus, bei der ich den "Bias Resistor" weggelassen habe, dafür aber mit einem Poti "R6_Bias_Adjust" die Biasspannung eingestellt habe. Ausgangsbasis für die Bastellei: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/piezoelectric-accelerometers-iepe-type-vs-charge-output-sensors/

Grüße

Editgrund: Quelle vergessen

Hallo Kalle, C_not_meassure und R3 haben eine Zeitkonstante von 100 Sekunden. Ist das so gewollt? mfg Klaus

Wieso lasst ihr Messungen in nicht SI Einheiten machen? (Sorry, der musste musste sein) Benutzt ihr für die Kraft noch Pound oder Pont?

Welche Amplituden in v [m/s] oder a [m/s^2] erwartet ihr?

Warum kein Geschwindigkeitssensor zB Schwingspule, Seismometer? Wo ihr Euch die Integration sparen könnt.

Was ist das Ziel der Regelung? Die richtig guten Sensoren zur Lageregelung fallen halt schnell unter ITAR.

Henrik V. schrieb:

Warum kein Geschwindigkeitssensor zB Schwingspule, Seismometer? Wo ihr Euch die Integration sparen könnt.

Es ist mir neu, dass es Geschwindigkeitssensoren gibt. Geschwindigkeit ist eine abgeleitete Größe. Auch eine Schwingspule ist nur ein Beschleunigungssensor.

Gruß

Unterschied zwischen ICP und IEPE

Ist ja schon lange her, dass ich mich mit Beschleunigungssensoren beschäftigen musste. Aber damals wars so, dass ICP einfach Beschleunigungssensoren mit 2 Anschlüssen und Konstantstromversorgung waren. Dann kamen die IEPE-sensoren auf und die hatten als Zusatzfeature die Abfrage, welchen Messrange sie haben. Kann man also mit einer elektrischen Erstzschaltung, wie hier besprochen, einen IEPE-Sensor ersetzen/simulieren oder doch nur einen ICP-Sensor?

Gruß

Franko P. schrieb:

Es ist mir neu, dass es Geschwindigkeitssensoren gibt. Geschwindigkeit ist eine abgeleitete Größe. Auch eine Schwingspule ist nur ein Beschleunigungssensor.

No Sir ;) Beschleunigung und Geschwindigkeit sind abgeleitete Größen des Weges (zweimal bzw einmal) ;)

Schwingspulensensoren (Siehe Geophone) sind Geschwindigkeitssensoren. (Werden zB gerne in den Gondeln der Windkraftwerke eingesetzt und als Geophone /Seismometer). Analog der nach meinem Eindruck (den bisherigen Angaben) der für den Fragesteller bessere Sensor.

Die (DC fähigen) Servosensoren sind wieder Beschleunigungssensoren. Da wird die Spule zur Einprägung der Gegenkraft verwendet um eine Masse 'ruhig' zur Referenzfläche zu halten.

Auch die sehr empfindlichen Seismometer arbeiten heutzutage überwiegend mit Servosensoren und eingebautem Integrator, bei Empfindlichkeiten von gerne 2000 V/(m/s).

BZGL MEMS: U.a. Analog Devices baut auch nicht so billige BS als MEMS, die gar nicht soo schlecht sind. Vieles in diesem Bereich hat aber DUAL-USE (Trägheitsnavigation)

Franko P. schrieb:

Unterschied zwischen ICP und IEPE

Sind nur die Herstellerbezeichnungnen

ICP (PCB), Deltatron (B&K) sind Herstellerbezeichnungen, bei IEPE bin ich mir nicht sicher (Kistler?, Endevco?), CCLD (Constant Current Line Drive) gibts auch noch. Es hat sich ein Quasistandard eingebürgert, es gibt dazu keine Norm. Was Du beschreibst nennt sich TEDS (IEEE 1451), dabei wird bei IEPE Sensoren die Stromrichtung umgedreht und in diesem Betriebsmodus können Sensordaten gelesen (und geschrieben) werden. Nicht alle IEPE Sensoren können das, und einen TEDS-fähigen IEPE-Simulator müsste man sich bauen (lassen). Da ist der Bedarf zu gering :D . Ich würde aber nicht ausschließen, dass bei den Herstellern der Auslesegeräte (sprich TEDS fähigen IEPE-Verstärkern bzw Erfassungsgeräten) solche Teile in der Entwicklung stehen.

Bei Beschleunigungssensor und Geschwindigkeitssensor muss ich dir nochmals widersprechen. Wenn du einen Beschleunigungssensor auf etwas montierst und beschleunigst, bekommst du ein Signal so lange sich die Geschwindigkeit ändert. Sobald sich der gegenstand mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, bekommst du kein Signal mehr. Damit sind das eben Beschleunigungssenosren und keine Geschwindigkeitssensoren. Welchen Geschwindigkeitssensor kennst du, der auch bei konstanter Geschwindigkeit ein Signal liefert?

Gruß

Wenn es noch relevant ist... Ich habe mal vor einiger Zeit das Modell eines KD35 (Metra Mess- und Frequenztechnik) erstellt. Bei Fragen dazu, einfach melden.

Weg- und Geschwindigkeitssensoren brauchen ein Bezugssystem. Der BS nicht, dem reicht die Kraft auf eine bekannte Masse.

Ein Doppler-(Radar/Laser)system wäre ein DC-fähiges Beispiel für einen Geschwindigkeitssensor. Funktioniert auch ohne Echo wenn die Sendefrequenz bekannt ist. Oder eben ein Geophon, dessen Ruhemasse zwar nur eine begrenzte Strecke über funktioniert, gehöhrt auch dazu. Rege ein Geophon mit einem dreieckförmigen Wegverlauf an (im Rahmen der Wegbegrenzung also überwiegend konstante Geschwindigkeiten) und man erhält ein (etwa) rechteckiges, geschwindigkeitsproportionales Ausgangssignal. :) Wie die Ecken aussehen sei mal egal, die dürfen auch Rund sein ;)

Vielleicht haben wir ja nur unterschiedliche Vorstellungen von einem Geschwindigkeitssensor. Klar kann man einen Radarsensor als einen Geschwindigkeitssensor ansehen, und der kommt der Vorstellung ja auch am Nächsten. Denn Geschwindigkeit als Größe Distanz/Zeit benötigt ein Bezugssystem. Aber die Sensoren, die eben nur bei Beschleunigung ein Signal liefern, und dazu gehört aber auch die Richtungsänderung, da unbeschleunigte Bewegung immer geradeaus ist, ist eben ein Beschleunigungssensor. ich habe mich im Rahmen meiner letzten Arbeit im Prüfstandsbau lange mit dem Thema abgequält....

Ein übliches Sensorprinzip besteht aus einer elastisch gelagerten seismischen Masse. Wird eine sehr steife Lagerung gewählt, ist die Trägheitskraft und damit bei bekannter seismischer Masse die Beschleunigung proportional zu Beschleunigung des Gehäuses (Gehäuseerregung). Bei einer sehr geringen Elastizität (weiche Lagerung der seismischen Masse) ist der Weg proportional zu Trägheitskraft. Bei einem Geophon wird die Bewegung der seismischen Masse über das Induktionsprinzip gemessen. Da die Lorentzkraft proportional zur Geschwindigkeit ist, wird also die Schwinggeschwindigkeit in eine proportionale Spannung gewandelt. Wie wir sehen, ist die Bauform für alle drei Größen (Beschleunigung, Geschwindigkeit, Weg) im Prinzip gleich, nur die Dimensionierung bzw. die Gewinnung einer proportionalen Spannung unterscheidet sich.