Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFKostengünstige MEMS-Sensoren zur Schwingungsmessung an Strukturen
Wirtschaftliche und flexible Sensortechnik
Zur Detektion von Schwingungen an Motoren, Maschinen, Anlagen oder damit verbundenen Strukturen kommen häufig zwei Klassen von Sensoren zum Einsatz: piezoelektrische Sensoren und mikroelektromechanische Sensoren (MEMS). Erstere werden aufgrund ihrer hohen Kosten hauptsächlich im Labor- oder Versuchsbetrieb eingesetzt, während MEMS wegen ihrer geringen Herstellungskosten mittlerweile auf sehr vielen Systemplatinen Einzug gehalten haben.
Exemplarische Bauformen und Abmessungen der Sensoren
Herausforderung
Die piezoelektrischen Sensoren weisen im Allgemeinen eine hohe Güte der Messwerte auf und besitzen ein breites Anwendungsfrequenzspektrum.
Zur Aufbereitung der Messwerte werden zusätzlich noch Signal-Conditioner oder Ladungsverstärker benötigt. Aufgrund des hohen Qualitätsstandards
und der Signalaufbereitung sind solche Systeme recht kostenintensiv.
Lösung
MEMS sind eine kostengünstigere Variante, die in Form integrierter Schaltkreise bereits vielfältig im Automotive-Bereich oder in Smart-Phones und Tablet-Computern erfolgreich eingesetzt werden. Die MEMS-Chips werden dabei z. B. auf Systemplatinen von Motorsteuergeräten oder Telefonen integriert. Als Stand-Alone System bieten seit einiger Zeit Sensor-Anbieter kostengünstigere Sensoren auf MEMS-Basis in Standard-Bauform an.
Prinzip & Leistung
Durch eine platzsparende, im Fraunhofer LBF entworfene Platine ist es nun auch möglich, kostengünstige 1- bis 3-Achsen Beschleunigungssensoren mit Gehäusen nach Kundenwunsch herzustellen. Die Beschleunigungssensoren
auf Basis von MEMS besitzen sowohl eine ausreichende Empfindlichkeit
(bis zu 1000 m V/g) als auch einen für die meisten Anwendungen ausreichenden Frequenzbereich bis 2500 Hz. Die Gehäuse werden dabei mit Hilfe einer SLM (Selective-Laser-Melting)-Maschine hergestellt. Aufgrund der Fertigung im Rapid-Prototyping-Verfahren ist eine Anpassung der Form
mit wenig Aufwand möglich. Die Form kann je nach Applizierungsposition
angepasst werden und ermöglicht so eine genaue Positionierung an der zu vermessenden Struktur. Auch weitere Messgrößen sind durch Austausch der MEMS denkbar. So sind auch Sensoren für Magnetfeld, Neigung u. a. realisierbar. Die Sensoren arbeiten typischerweise mit Versorgungsspannungen unter 10 V und können mit verschiedenen Anschlusssteckern je nach Kundenwunsch oder Anwendung versehen werden.
Aktuell wird an einer kostengünstigen Ausleseeinheit gearbeitet, die es ermöglicht, mit Hilfe einer Smartphone-App die Sensordaten auszulesen, anzuzeigen und zu speichern. Vertrieben werden die Sensoren von der Fraunhofer LBF Ausgründung ISYS Adaptive Solutions GmbH.