forum.zelfbouwaudio.nl

Een klein tijdje geleden vond ik op Kleinanzeigen dit mooie setje, gisteren kwam het dan eindelijk aan: Het is een Brüel & Kjaer 4366 piezo accelerometer. Een oud beestje (1975), maar nog in prima conditie en helemaal compleet. Ik wil 'm gebruiken met mijn data acquisitie doosje (een Data Translation DT9837, een DAQ systeempje speciaal voor vibratie en akoestische metingen), en daarom moest ik nog een meetversterkertje maken.

Een piëzo-elektrische versnellingopnemer injecteert een kleine lading die evenredig is met de versnelling die het ding ondergaat, dus zomaar aansluiten op mijn DAQ of oscilloscoop gaat niet werken. De gevoeligeid van deze specifieke sensor is volgens het bijgaande kaartje 4,9 pC/(m/s^2) en een meetbereik van enkele tientallen m/s^2 lijkt me ideaal. Dit soort sensoren heeft een typische ruisvloer van zo'n 0,5 mm/s^2 en omdat mijn DAQ een IEPE stroombron (een soort fantoomvoeding voor vibratie en akoestische sensoren) aan boord heeft, werd het lijstje van eisen:

• Voeding via de IEPE bron van de DAQ, moet kunnen werken met de volledige toegestane IEPE range van 2..20 mA. Dit spaart een adapter, snoertje en potentiële bron van storing uit.
• Charge mode versterker met een gevoeligheid van ongeveer 10 mV/pC. Dit geeft een bereik van +/- 10g (20 g pp, g= valversnelling op aarde) voor een 10 Vpp uitgangssignaal.
• Equivalente ingangsruis < 9 nV/√Hz, om zeker te zijn dat de eigen ruis van de sensor de meting domineert. Samen met de gekozen gevoeligheid tilt dit de sensorruis voldoende boven de ruisvloer van de versterker en de DAQ uit om een noise figure van beter dan 1 dB te krijgen.
• Foutbijdrage verwaarloosbaar t.o.v. de sensortolerantie (2%) over het hele audiobereik.

Een paar avondjes stoeien met LTSpice leverde deze schakeling op, die zou aan alle eisen moeten voldoen: De twee bronnen rechts en de 100 pF condensator simuleren de IEPE voeding en een meter BNC kabel, de twee condensatoren links (100p en 1n) simuleren de sensor. De overige onderdelen zitten fysiek in het doosje. Omdat het zo'n kleine schakeling is geworden, vond ik dat het in een sgattûg Hammond doosje van 50 bij 50 mm moest passen, en dat gaat prima: Nog even met de Camping Style Front panel Designer aan de slag, en dan ziet het geheel er zo uit: En hoe werkt dit nu? Om te beginnen bleek de LTSpice simulatie zeer nauwkeurig te kloppen met de praktijk. Het frequentiebereik was spot-on, de amplitudevariatie is in het hele audiobereik volstrekt verwaarloosbaar (ongeveer 1 promille) en de fasefout is kleiner dan 0,5 graad. De gemeten equivalente ingangsruis is 5,7 nV/√Hz, de gemeten gevoeligheid 9,92 mV/pC en de gemeten maximale uitgangsspanning is iets meer dan 10 Vpp. Daarmee voldoet het ding ruim aan de ontwerpeis.

De sensor is enorm gevoelig, als ik het ding op een willekeurige plaats op mijn bureau zet, kan ik in het uitgangssignaal zien wanneer de ventilator van mijn laptop gaat draaien zelfs als deze zo langzaam draait dat ik 'm nog niet hoor. Als Bob, onze kater, langs de poten van mijn bureau loopt (staat op een betonnen keldervloer) pikt de sensor zijn stapjes op. Het bruikbare frequentiebereik loopt van 1 Hz tot zo'n 5 kHz, dus voor het opsporen van kasttrillingen en andere structurele vibratiemetingen is het ding uitstekend geschikt. Ik ben er blij mee!

mooi zeg

Zeker mooi! En eens wat anders dan microfoons. Ik was in de veronderstelling dat je die versnellingsopnemers vrij simpel aan een A/D kon hangen, weer wat geleerd.

Dat kan wel, als je genoegen neemt met zwaar gedegradeerde prestaties. Ter vergelijk: de uiteindelijke gevoeligheid van sensor + charge mode versterker is nu 45,1 mV/(m/s^2) en de -3 dB frequentie van de laagafval is 0,08 Hz. Deze getallen zijn onafhankelijk van de kabels waarmee de boel is aangesloten en de ingangsimpedantie van de DAQ of scoop. Hiermee is de sensor zelf de beperkende factor in de prestaties en is de signaalkwaliteit zo goed als haalbaar is.

Als je de sensor rechtstreeks verbindt, wordt dat 3,71 mV/(m/s^2) en 160 Hz, en beide getallen zijn afhankelijk van de exacte capaciteit van de kabel en ingangsimpedantie van DAQ of scoop. Dat is amper bruikbaar voor een nauwkeurige meting, en de prestaties van de sensor komen beslist niet tot hun recht.

Overigens zijn er ook accelerometers die een ingebouwde IEPE versterker hebben (IEPE betekent Integrated Electronics Piezo Electric), maar die zijn een stuk duurder en presteren iets minder, bovendien zijn ze op de tweedehands markt vrijwel niet (betaalbaar) te vinden. Een 4366 of aanverwant type vind je nog weleens voor een vriendelijk prijsje.

Wat ga je er eigenlijk mee meten dat die nauwkeurigheid zo belangrijk is?

Deze sensor is onderdeel van een groter geheel, maar interessant genoeg voor een eigen topic. En waarom zou ik niet het onderste uit de kan halen? Zeker als je ziet hoe eenvoudig de versterker uiteindelijk geworden is.

Ja, dat begrijp ik. Alleen was dat de vraag niet. Je plaats het tenslotte op een zelfbouw audio forum in de rubriek
GEREEDSCHAPPEN Meten....

Het een meetgereedschap voor trillingen, dus het staat hier goed. En het antwoord op je vraag is: trillingen. Nu is dat natuurlijk een beetje flauw, maar deze sensor is onderdeel van een groter systeem waaraan ik binnenkort aandacht ga besteden en waarvoor ik de nauwkeurigheid nodig heb. In dit topic beperk ik me tot het bespreken van de trillingsopnemer, omdat die ook los van dat systeem voor anderen interessant kan zijn.

cliffhanger.....

Cliffhanger is over: viewtopic.php?t=32182