Beschleunigungssensor verstehen: Schwingungen messen und richtig auswerten

Ein Beschleunigungssensor macht Bewegungen und Schwingungen elektrisch messbar. In der Werkstatt kann er helfen, Resonanzen zu untersuchen, Betriebszustände zu vergleichen oder Veränderungen an einer Maschine zu erkennen. Aussagekräftig werden seine Daten aber erst durch passende Montage, Messbereich, Abtastung und eine nachvollziehbare Auswertung.

Beschleunigung ist nicht Geschwindigkeit

Beschleunigung beschreibt die Änderung der Geschwindigkeit pro Zeit. Ihre SI-Einheit lautet m/s². Sensorhersteller verwenden häufig zusätzlich g als Einheit; 1 g entspricht der Normfallbeschleunigung von 9,80665 m/s². Das kleine g ist hier keine Masseeinheit. Ein Messbereich von ±16 g beschreibt beispielsweise positive und negative Beschleunigungen entlang einer Messachse.

Ein typischer kapazitiver MEMS-Sensor enthält eine mikroskopisch kleine, elastisch aufgehängte Masse. Ändert sich die Bewegung des Gehäuses, reagiert diese Masse aufgrund ihrer Trägheit. Die zugehörige Kapazitätsänderung wird elektrisch ausgewertet. Das vereinfachte Masse-Feder-Bild erklärt das Prinzip; reale Sensoren besitzen eine wesentlich komplexere Struktur und Signalverarbeitung.

Ein auf dem Tisch ruhender, statisch messender Sensor zeigt nicht zwingend auf allen Achsen null an. Er erfasst auch den Einfluss der Schwerkraft entsprechend seiner Orientierung. Ein dreiachsiger Sensor kann im Ruhezustand daher einen Gesamtbetrag nahe 1 g liefern. Aus einem einzelnen solchen Messwert lässt sich eine dynamische Bewegung nicht ohne Weiteres von einer geänderten Neigung unterscheiden.

Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer nutzen dagegen die elektrische Reaktion eines belasteten piezoelektrischen Elements. PCB beschreibt diese Bauart für dynamische Schwingungs- und Stoßmessungen. Wegen des Abklingens des Signals eignen sich solche Aufnehmer nicht für eine dauerhafte statische Beschleunigungsmessung. Die Auswahl beginnt deshalb mit der Messaufgabe.

Animation: vier Schritte der Messkette

Die Grafik erklärt einen kapazitiven Sensor schematisch. Die Auslenkung ist stark vergrößert; der Signalverlauf ist nur ein Symbol. „Weiter“ wechselt einzeln zwischen den Stationen. Mit „Start“ läuft die Erklärung automatisch und lässt sich pausieren.

Welche Daten entscheiden über die Eignung?

Analog Devices beschreibt, wie ein zu kleiner Messbereich zu abgeschnittenen Signalspitzen führen kann. Solches Clipping verfälscht auch die spätere Auswertung. Ein sauber aussehendes Frequenzdiagramm beweist daher nicht, dass das ursprüngliche Signal korrekt erfasst wurde. Zuerst wird der Zeitverlauf auf Übersteuerung und Datenlücken geprüft.

Ein digitaler Ausgang macht eine Messung nicht automatisch frei von Aliasing. Frequenzen oberhalb des erfassbaren Bereichs können als scheinbar niedrigere Frequenzen erscheinen. Für ein bandbegrenztes Signal muss die Abtastrate größer als das Doppelte seiner höchsten Frequenz sein; praktisch braucht es zusätzlich geeignete Filter und Abstand zur Grenzfrequenz. Analog Devices erläutert diesen Zusammenhang ausdrücklich für digitale MEMS-Sensoren.

Die Befestigung gehört zur Messkette

MMF betont eine steife mechanische Verbindung und geeignete, saubere Kontaktflächen. Eine biegsame Halterung kann eigene Schwingungen hinzufügen. Ebenso können ein anderer Messpunkt oder eine veränderte Orientierung das Ergebnis verändern, obwohl der Maschinenzustand gleich geblieben ist. Für Vergleichsmessungen werden Ort, Achsrichtung und Befestigung deshalb dokumentiert.

Montageart und Anzugsmoment richten sich nach dem Sensor. Ein Magnet, eine Schraubverbindung oder ein Klebeadapter besitzen unterschiedliche Eigenschaften. Kabel werden so geführt, dass sie weder an bewegten Teilen hängen bleiben noch unkontrollierte Kräfte auf den Sensor übertragen. Montagearbeiten erfolgen an einer sicher stillgesetzten Maschine.

Eine einfache Messfolge lautet: Messziel festlegen, Sensor passend montieren, Einstellungen dokumentieren, Ruhesignal prüfen, definierten Betriebszustand messen und die Messung wiederholen. Vergleichbar sind Ergebnisse nur, wenn etwa Drehzahl, Last, Werkzeug und Messaufbau ausreichend übereinstimmen.

Was Zeitverlauf und Spektrum verraten

Der Zeitverlauf zeigt, wann ein Ereignis auftritt: etwa beim Beschleunigen, beim Werkzeugeingriff oder während einer gleichförmigen Bewegung. Das Spektrum verteilt Signalanteile auf Frequenzen. Ein ausgeprägter Peak beschreibt zunächst einen starken Anteil in diesem Frequenzbereich. Er benennt nicht automatisch das defekte Bauteil.

Lehrbeispiel: 3.000 U/min entsprechen 50 Umdrehungen pro Sekunde, also 50 Hz. Bei einem Werkzeug mit vier Schneiden liegt die nominelle Zahneingriffsfrequenz bei 4 × 50 = 200 Hz. Ein Signalanteil dort kann daher mit der periodischen Anregung zusammenhängen. Ob eine Resonanz, Unwucht oder ein anderer Mechanismus beteiligt ist, verlangt zusätzliche Beobachtungen und Vergleichsmessungen.

Auch die dargestellte Größe muss stimmen. Spitzenwert, Effektivwert und spektrale Leistungsdichte sind nicht austauschbar. Zwei Diagramme mit anderer Skalierung, Filterung oder Messdauer dürfen nicht allein anhand der Höhe ihrer Peaks verglichen werden.

Beschleunigung nicht mit Schwingweg verwechseln

Für eine reine sinusförmige Bewegung gilt zwischen den Amplituden a = (2πf)² × x. Bei gleicher Wegamplitude steigt die Beschleunigungsamplitude somit quadratisch mit der Frequenz. Für angenommene 0,01 mm Wegamplitude ergeben sich bei 50 Hz etwa 0,987 m/s², bei 100 Hz etwa 3,95 m/s². Das sind theoretische Beispiele, keine Grenzwerte für eine Maschine.

Eine allgemeine Wegmessung durch zweimaliges Integrieren realer Sensordaten ist deutlich anspruchsvoller. Offset, Rauschen und nicht entfernte Schwerkraftanteile können starke Drift verursachen. Ein Beschleunigungssensor ersetzt deshalb nicht ohne geeignete Auswertung einen Wegaufnehmer oder eine Prüfung der Maßhaltigkeit.

Einsatz an CNC-Maschinen und 3D-Druckern

An einer CNC-Maschine können wiederholte Messungen unter gleichen Bedingungen eine Zustandsänderung sichtbar machen. Die Ursache wird anschließend zusammen mit Geräusch, Temperatur, Bearbeitungsergebnis und mechanischer Kontrolle untersucht. Ein dokumentierter Referenzzustand ist dafür hilfreicher als ein beliebiger pauschaler Alarmwert.

Bei 3D-Druckern lassen sich Beschleunigungssensoren für Resonanzmessungen nutzen. Klipper dokumentiert dafür die Befestigung am jeweils relevanten bewegten Teil und die Zuordnung der Sensorachsen. Ein Drucker mit bewegtem Bett benötigt für die betroffene Bewegungsrichtung einen passenden Messaufbau am Bett. Die daraus abgeleitete Schwingungskompensation ist eine andere Aufgabe als Pressure Advance, das den Materialdruck beim Extrudieren berücksichtigt.

Nach einer mechanischen Änderung können Vergleichsmessungen sinnvoll sein. Sie ersetzen jedoch keine Behebung loser Verbindungen oder beschädigter Komponenten. Die Beobachtungen gehören in den Wartungsplan, damit spätere Veränderungen nachvollziehbar bleiben.

Quellen und Vertiefung

• PCB Piezotronics: ICP and Charge Accelerometers – piezoelektrisches Prinzip.
• Analog Devices: Choosing the Most Suitable MEMS Accelerometer – Auswahl und Messbereich.
• Analog Devices: Aliasing Effects in Digital MEMS Accelerometers – Abtastung und Filterung.
• MMF: Accelerometer Mounting – mechanische Ankopplung.
• Klipper: Measuring Resonances – Anwendung am 3D-Drucker.