Schwingungssensoren sind das Herzstück eines jeden Schwingungsmess- oder Überwachungssystems. Sie wandeln mechanische Schwingungen in messbare Signale um, die analysiert werden können, um die strukturelle Integrität, den Maschinenzustand oder die Umweltbelastung zu bewerten. In Europa ist die richtige Auswahl und Verwendung von Vibrationssensoren von entscheidender Bedeutung, um zuverlässige Messungen, glaubwürdige Interpretationen und die Einhaltung anerkannter Normen zu gewährleisten.
Diese Seite bietet einen strukturierten und technologieunabhängigen Überblick über Vibrationssensortypen, ihre Unterschiede und die wichtigsten Kriterien für die Auswahl des geeigneten Sensors für Bau- und Industrieanwendungen.
Was ist ein Vibrationssensor?
Ein Vibrationssensor ist ein Gerät, das mechanische Schwingungen einer Struktur, einer Maschine oder des Bodens erkennt und misst. Diese Schwingungen werden in elektrische Signale umgewandelt, die die Schwingungsamplitude, -frequenz oder -beschleunigung darstellen.
Vibrationssensoren werden verwendet, um:
- Vibrationswerte zu quantifizieren,
- überwachen Sie Veränderungen im Laufe der Zeit,
- abnormales oder potenziell schädliches Vibrationsverhalten zu erkennen.
Der Sensor ist das erste Glied in der Messkette, und seine Eigenschaften wirken sich direkt auf die Qualität und Zuverlässigkeit der Daten aus.
Warum die Sensorauswahl wichtig ist
Die Wahl eines ungeeigneten Vibrationssensors kann dazu führen:
- ungenaue oder unvollständige Messungen,
- Fehlinterpretation der Stärke der Vibrationen,
- Nichteinhaltung der geltenden Normen,
- übersehene Frühwarnzeichen.
Im europäischen Kontext, wo Schwingungsmessungen häufig zur Einhaltung von Vorschriften, zur vertraglichen Absicherung oder zur Beilegung von Streitigkeiten verwendet werden, ist die Auswahl der Sensoren eine wichtige technische Entscheidung und keine rein praktische.
Haupttypen von Vibrationssensoren
Bei der Messung und Überwachung von Vibrationen werden üblicherweise verschiedene Sensortechnologien eingesetzt.
Beschleunigungssensoren
Beschleunigungsmesser messen Vibrationen, indem sie Änderungen der Beschleunigung feststellen.
Sie zeichnen sich aus durch:
- Messung der Beschleunigung (m/s² oder g),
- breiter Frequenzbereich,
- hohe Empfindlichkeit gegenüber Stößen und Erschütterungen.
Beschleunigungsmesser werden häufig in industriellen Anwendungen und zur Erkennung von hochfrequenten Vibrationsphänomenen eingesetzt.
Geophone
Geophone messen die Schwingungsgeschwindigkeit und werden häufig im Bauwesen eingesetzt.
Sie zeichnen sich aus durch:
- direkte Messung der Vibrationsgeschwindigkeit (mm/s),
- Optimierung für niedrige bis mittlere Frequenzen,
- starke Angleichung an die Normen für Gebäudevibrationen.
Geophone werden häufig zur Bewertung von Boden- und Gebäudeerschütterungen auf Baustellen eingesetzt.
MEMS-Vibrationssensoren
MEMS-Sensoren (Micro-Electro-Mechanical Systems) integrieren Vibrationserkennung in kompakte elektronische Komponenten.
Sie zeichnen sich aus durch:
- geringe Größe und niedriger Stromverbrauch,
- Mehrachsige Messmöglichkeiten,
- die Eignung für eine langfristige oder autonome Überwachung.
MEMS-Sensoren werden zunehmend in kontinuierlichen Überwachungssystemen eingesetzt, die in rauen oder abgelegenen Umgebungen eingesetzt werden.
Piezoelektrische vs. MEMS-Sensoren
Verschiedene Technologien bieten je nach Anwendung unterschiedliche Vorteile.
| Kriterium | Piezoelektrische Sensoren | MEMS-Sensoren |
| Frequenzbereich | Sehr breit | Weit / Sehr gut bei niedrigen Frequenzen |
| Empfindlichkeit | Sehr hoch | Hoch |
| Stromverbrauch | Externe Stromversorgung | Geringe Leistung |
| Typische Anwendung | Präzisionsdiagnostik | Langfristige Überwachung |
|
Größe
|
kompakt
|
sehr kompakt
|
| Robustheit im Feld | Gut | Sehr gut |
Keine Technologie ist universell überlegen. Die Eignung hängt von den Messzielen und -einschränkungen ab.
Welche Schwingungsgrößen können Sensoren messen?
Je nach Sensortyp und Konfiguration können Vibrationssensoren messen:
- Beschleunigung, nützlich für Hochfrequenz- und Auswirkungsanalysen,
- Geschwindigkeit, die üblicherweise für Gebäudeschutzkriterien verwendet wird,
- Verschiebung, die für niederfrequente strukturelle Bewegungen relevant ist.
In vielen Systemen werden Geschwindigkeits- oder Verschiebungswerte mathematisch aus Beschleunigungssignalen abgeleitet.
Frequenzbereich und Bandbreite
Der Frequenzbereich eines Sensors legt fest, welche Vibrationsphänomene erfasst werden können.
Niedrige Frequenzen sind verbunden mit:
- Bodenbewegungen,
- große strukturelle Reaktionen.
Hohe Frequenzen sind verbunden mit:
- mechanische Fehler,
- Auswirkungen,
- lokalisierte dynamische Effekte.
Die Auswahl eines Sensors mit einem ungeeigneten Frequenzbereich kann zu unvollständigen oder irreführenden Messungen führen.
Empfindlichkeit, Restrauschdichte und Dynamikbereich
Drei Leistungsparameter müssen zusammen betrachtet werden:
- Empfindlichkeit, die angibt, wie stark der Sensor auf Vibrationen reagiert,
- Die Restrauschdichte beschreibt den Eigenrauschpegel des Sensors, unabhängig vom gemessenen Signal.
Sie gibt an, wie klein eine Vibration sein muss, damit sie vom Rauschen unterschieden werden kann. - Dynamischer Bereich, der die Spanne zwischen minimalem und maximalem Messwert darstellt.
Eine hohe Empfindlichkeit ist nicht immer wünschenswert, wenn sehr hohe Vibrationswerte zu erwarten sind.
Einachsige vs. triaxiale Sensoren
Die Sensoren können Vibrationen entlang einer oder mehrerer Achsen messen.
- Einachsige Sensoren messen Vibrationen nur in einer Richtung.
- Triaxiale Sensoren messen Vibrationen entlang dreier senkrecht zueinander stehender Achsen.
Triaxiale Sensoren bieten eine vollständigere Darstellung des Schwingungsverhaltens, insbesondere wenn die Schwingungsrichtung unbekannt oder variabel ist.
Verkabelte vs. autonome Vibrationssensoren
Vibrationssensoren können als kabelgebundene oder autonome Geräte eingesetzt werden.
Kabelgebundene Sensoren bieten in der Regel:
- kontinuierliche Stromversorgung,
- hohe Datenbandbreite,
- stabiler Langzeitbetrieb.
Autonome Sensoren bieten:
- schnellere Installation,
- weniger Einschränkungen bei der Verkabelung,
- mehr Flexibilität auf Baustellen.
Die Wahl hängt von den Installationsbedingungen, der Überwachungsdauer und der Zugänglichkeit des Standorts ab.
Umwelt- und Installationseinschränkungen
In europäischen Bau- und Industrieumgebungen müssen Sensoren widerstandsfähig sein:
- Staub und Feuchtigkeit,
- Temperaturschwankungen,
- mechanische Erschütterungen und Handhabung.
Schutz gegen Eindringen, Montageart und mechanische Robustheit sind daher wesentliche Auswahlkriterien.
Wie Sie den richtigen Vibrationssensor auswählen
Die Auswahl eines Vibrationssensors erfordert die Beantwortung einer Reihe von technischen Fragen:
- welche Schwingungsgröße gemessen werden muss,
- welcher Frequenzbereich relevant ist,
- welche Genauigkeit erforderlich ist,
- ob die Überwachung kurz- oder langfristig ist,
- welche Umweltauflagen gelten.
Der am besten geeignete Sensor ist derjenige, der die Messziele zuverlässig und vertretbar erfüllt.
Typische Anwendungen von Vibrationssensoren
Vibrationssensoren werden eingesetzt in:
- Bewertung der Vibrationen auf der Baustelle,
- Gebäude- und Strukturüberwachung,
- Diagnose von Industriemaschinen,
- zustandsorientierte Wartungsprogramme,
- Studien über Umweltvibrationen.
In jedem Fall muss die Auswahl der Sensoren auf den spezifischen Anwendungskontext abgestimmt werden.
Von Sensoren zu Messsystemen
Ein Vibrationssensor ist nur eine Komponente eines umfassenderen Mess- oder Überwachungssystems. Datenerfassung, -verarbeitung, -interpretation und -berichterstattung sind ebenso wichtig, um sicherzustellen, dass die Vibrationsdaten fundierte Entscheidungen unterstützen können.
