Vibrationsdaten verlangen exakte physikalische Kalibrierung. MEMS-Sensoren (Micro-Electro-Mechanical Systems) ersetzen in der Zustandsüberwachung zunehmend klassische piezoelektrische IEPE-Beschleunigungsmesser. Die Vorteile liegen auf der Hand: geringe Leistungsaufnahme, direkte digitale Schnittstellen wie SPI oder I2C und extrem kleine Bauformen für dezentrale Sensorknoten. Ohne eine definierte Kalibrierkette und ein klares Verständnis des elektromechanischen Verhaltens liefern die Halbleitersensoren jedoch verfälschte Schwingungsamplituden, die Lagerschäden übersehen oder Fehlalarme auslösen.

Ein industrieller Sensor erfasst mechanische Beschleunigungen nur dann korrekt, wenn die Übertragungsfunktion zwischen Maschinengehäuse, Sensorgehäuse und dem internen mikromechanischen Federmasse-System bekannt ist. Fertigungstoleranzen in der Halbleiterfertigung, Temperaturdriften der Ausleseschaltungen und fehlerhafte mechanische Montage verfälschen das Signal im zweistelligen Prozentbereich. Eine fundierte Inbetriebnahmeroutine minimiert diese Messunsicherheiten direkt an der Maschine.

Funktionsweise piezoresistiver und kapazitiver MEMS

Die beiden dominierenden Funktionsprinzipien bei Vibrationssensoren auf Halbleiterbasis sind die kapazitive und die piezoresistive Erfassung. Beide Systeme nutzen eine mikromechanisch aus Silizium geätzte seismische Masse, die an elastischen Biegebalken aufgehängt ist. Bei einer Beschleunigung lenkt sich diese Masse proportional zur einwirkenden Kraft aus. Die Auslesung dieser Bewegung unterscheidet sich jedoch physikalisch grundlegend.

Kapazitive MEMS-Sensoren nutzen kammartige Elektrodenstrukturen. Wenn sich die seismische Masse verschiebt, ändert sich der Abstand zwischen den festen und den beweglichen Fingerstrukturen. Diese Kapazitätsänderung liegt im Bereich von Femtofarad (10 hoch minus 15 Farad) und wird von einem integrierten ASIC über Ladungsverstärker in eine proportionale Spannung umgewandelt. Kapazitive Sensoren messen ab einer Frequenz von 0 Hz (DC-fähig). Sie eignen sich zur Bestimmung von statischer Neigung, Erdbeschleunigung und niederfrequenten Schwingungen bis etwa 3 kHz oder 10 kHz je nach Dämpfungsmedium.

Piezoresistive Sensoren tragen dotierte Dehnungsmessstreifen direkt auf den Silizium-Biegebalken. Die Verformung des Kristallgitters unter Krafteinwirkung bewirkt eine messbare Widerstandsänderung (Piezoresistiver Effekt). Piezoresistive Elemente zeichnen sich durch ein extrem schnelles Ansprechverhalten und eine hohe Bandbreite aus, die 20 kHz übersteigen kann. Allerdings erfordert die Brückenschaltung kontinuierlich Versorgungsstrom, was die Leistungsaufnahme im Vergleich zu kapazitiven Systemen deutlich erhöht. Zudem ist der Temperaturkoeffizient des Widerstands stark ausgeprägt und verlangt eine aktive Hardwarekompensation.

Frequenzgang und interne Resonanzstellen

Das dynamische Verhalten eines MEMS-Sensors entspricht im Wesentlichen einem mechanischen Tiefpass zweiter Ordnung. Die interne mechanische Resonanzfrequenz f0 der Siliziumstruktur bestimmt die theoretische Obergrenze des erfassbaren Frequenzbands. Typische Industriemodelle für Condition Monitoring besitzen mechanische Resonanzen zwischen 18 kHz und 45 kHz. Bei Annäherung an diese Resonanzfrequenz steigt die Empfindlichkeit des Sensors steil an. Dieser Anstieg führt zu einer massiven Signalamplifikation.

Ein linearer Frequenzgang ohne signifikante Pegelüberhöhung ist in der Praxis nur weit unterhalb dieser Resonanzstelle gegeben. Als verlässliche Richtlinie gilt: Innerhalb einer Genauigkeit von plus/minus 5% ist der Sensor bis maximal 20% seiner Eigenresonanzfrequenz nutzbar. Soll eine Amplitudengenauigkeit von plus/minus 3 dB genügen, kann das Signal bis etwa 35% der Resonanzfrequenz ausgewertet werden. Ein MEMS-Element mit einer Resonanz bei 22 kHz eignet sich somit für normgerechte Schwingungsmessungen bis etwa 4,4 kHz.

Die Dämpfung im Sensorgehäuse beeinflusst die Ausprägung der Resonanzüberhöhung direkt. Viele MEMS-Sensoren werden unter Vakuum oder geringem Gasdruck versiegelt, um Brownsche Rauschprozesse zu minimieren. Dies führt zu Gütefaktoren Q zwischen 15 und 40. Schwingungen nahe der Resonanzfrequenz werden um das 15- bis 40-Fache verstärkt. Bei gasgedämpften Sensoren liegt Q oft zwischen 0,7 und 2, was die Signalüberhöhung dämpft, aber das Grundrauschen erhöht. Zur Kalibrierung muss das gesamte Übertragungsspektrum auf einem elektrodynamischen Rütteltisch per Swept-Sine-Verfahren gegen einen rückführbaren Referenzsensor von 10 Hz bis mindestens 15 kHz vermessen werden.

Mechanische Ankopplung: Bolzen, Magnet oder Klebstoff

Das beste MEMS-Sensorelement liefert unbrauchbare Daten, wenn die Montageanbindung Verdauungsbalanceäre Resonanzen unterhalb der Sollbandbreite erzeugt. Jede Ankopplung fügt eine zusätzliche Nachgiebigkeit (Federkonstante) und eine Masse hinzu. Dadurch sinkt die nutzbare Gesamtresonanzfrequenz des Systems deutlich unter die interne Siliziumresonanz.

Die Verschraubung per Gewindebolzen stellt die messtechnische Referenz dar. Sie überträgt Frequenzen bis über 12 kHz unverfälscht, sofern bestimmte Montageparameter exakt eingehalten werden. Die Auflagefläche an der Maschine muss plan gefräst sein. Eine Oberflächenrauheit Ra kleiner als 0,8 µm und eine Ebenheit innerhalb von 15 µm sind zwingend erforderlich. Ein dünner Film aus Silikonfett oder Montagepaste füllt verbleibende Mikrokrater aus und verhindert Übertragungsverluste im Ultraschallbereich. Das Anzugsmoment muss mit einem kalibrierten Drehmomentschlüssel kontrolliert werden: Bei M5-Gewindestiften sind 3,5 Nm bis 4,0 Nm einzuhalten. Zu geringer Anzug senkt die Kontaktresonanz drastisch ab. Zu starker Anzug verspannt das Sensorgehäuse und verschiebt den Nullpunkt des MEMS-Sensors.

Zweikomponenten-Epoxidharzkleber bietet eine robuste Alternative, wenn keine Bohrungen möglich sind. Eine Klebeschichtdicke von unter 50 µm überträgt Frequenzen bis zu 8 kHz linear. Dämpfende Klebebänder oder zähelastische Dichtstoffe dürfen keinesfalls verwendet werden, da sie wie ein mechanischer Tiefpassfilter wirken und hochfrequente Lagerklickgeräusche bereits ab 800 Hz vollständig absorbieren.

Magnetfüße sind für permanente Installationen im Condition Monitoring ungeeignet. Durch die geringere Steifigkeit der magnetischen Kontaktzone und Kippmomente entsteht eine Montage-Resonanzstelle, die oft bereits zwischen 1,5 kHz und 2,8 kHz liegt. Alle Signalanteile oberhalb dieser Resonanz werden unkontrollierbar gedämpft oder phasenverschoben.

• Verschraubung (M5/M6 Bolzen): Bandbreite bis 12 kHz, Anzugsmoment 3,5 Nm, Wärmeleitpaste empfohlen.
• Epoxidharzklebstoff: Bandbreite bis 8 kHz, Schichtdicke unter 50 µm zwingend einhalten.
• Sekundenkleber (Cyanacrylat): Bandbreite bis 4 kHz, temporärer Einsatz, sprödes Bruchverhalten bei Schock.
• Flachmagnet: Bandbreite maximal 2,2 kHz auf perfekt ebener Fläche, ungeeignet für Wälzlagerdiagnose Stufe 3.

Signalvorverarbeitung mit Anti-Aliasing-Tiefpass

Nach der mechanischen Wandlung muss das analoge Signal für den Analog-Digital-Wandler (ADC) konditioniert werden. Das Abtasttheorem nach Nyquist-Shannon schreibt vor, dass die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein muss wie die höchste im Signal enthaltene Frequenz. Wird dieses Prinzip verletzt, spiegeln sich hochfrequente Schwingungsanteile in das niederfrequente Nutzband zurück. Dieser Effekt lässt sich im Nachhinein durch keine digitale Nachbearbeitung korrigieren.

MEMS-Vibrationssensoren sind durch ihre ausgeprägte mechanische Resonanz besonders anfällig für Aliasing. Liegt die mechanische Eigenresonanz beispielsweise bei 24 kHz und wird das Signal mit 10 kHz abgetastet, faltet sich die Resonanzüberhöhung direkt in den Bereich von 4 kHz zurück. Im Frequenzspektrum taucht dann ein starker Scheinpeak auf, der leicht als Zahneingriffsfehler oder Lagerdefekt fehlinterpretiert wird. Vor dem ADC ist deshalb zwingend ein steilflankiges analoges Tiefpassfilter erforderlich.

Industrielle Signalkonditionierer setzen analoge Butterworth-Filter mindestens 4. Ordnung oder Bessel-Filter 6. Ordnung ein. Butterworth-Filter bieten einen maximal flachen Amplitudenverlauf im Durchlassbereich, was die Kalibriergenauigkeit sicherstellt. Bessel-Filter weisen dagegen ein lineares Phasenverhalten auf, was für die Zeitbereichsanalyse von Impulsen (Schockmessungen) vorteilhaft ist. Bei modernen Sigma-Delta-Wandlern übernimmt ein analoges RC-Filter 1. Ordnung am Eingang die grobe Vorfilterung, während ein interner digitaler FIR-Filter mit hoher Überabtastung (z. B. 64-fache oder 128-fache Oversampling-Rate) den harten Schnitt an der Grenzfrequenz setzt.

FFT-Spektrumanalyse zur Schadenserkennung

Die Fast-Fourier-Transformation (FFT) wandelt das zeitdiskrete Beschleunigungssignal in den Frequenzbereich um. Maschinenschäden zeigen sich in diesem Spektrum als charakteristische Spitzen bei diskreten Frequenzen. Zur Erkennung von Unwuchten genügt die Überwachung der Drehfrequenz f1. Fluchtungsfehler zwischen Motor und Welle zeigen sich bei 2 mal f1 und 3 mal f1. Bei Wälzlagern entstehen impulsartige Schocks, wenn die Wälzkörper über Fehlstellen im Material rollen.

Diese Stoßimpulse treten mit exakt berechenbaren kinematischen Frequenzen auf. Sie basieren auf der Geometrie des Lagers, dem Teilkreisdurchmesser, dem Rollendurchmesser und dem Kontaktwinkel. Die Überwachung umfasst vier Grundfrequenzen:

• BPFO (Ball Pass Frequency Outer Race): Überrollfrequenz des Außenrings. Tritt auf, wenn Rollen eine Schadstelle in der festen Lagerschale passieren.
• BPFI (Ball Pass Frequency Inner Race): Überrollfrequenz des Innenrings. Typischerweise moduliert mit der Wellendrehzahl, da sich die Fehlstelle periodisch durch die Lastzone bewegt.
• BSF (Ball Spin Frequency): Wälzkörper-Überrollfrequenz bei Defekten direkt auf einer Kugel oder Rolle.
• FTF (Fundamental Train Frequency): Käfigfrequenz, meist unterhalb von 45% der Drehzahl. Zeigt Verschleiß am Führungskäfig an.

Für eine präzise FFT-Analyse ist die Wahl der Fensterfunktion entscheidend. Da der zeitliche Messabschnitt endlich ist, führt das Abschneiden der Schwingung an den Blockgrenzen zu spektralem Leckeffekt (Leakage). Für stationäre Maschinenschwingungen ist das Hanning-Fenster der De-facto-Standard. Es liefert eine Frequenzauflösung mit schmalen Peaks bei geringer Dämpfung. Das Flat-Top-Fenster wird genutzt, wenn absolute Amplitudenkalibrierungen erforderlich sind, da es Amplitudenfehler minimiert, jedoch auf Kosten einer breiteren Peakdarstellung. Rechteckfenster eignen sich ausschließlich für transiente Stoßereignisse, die vollständig innerhalb des Messzeitfensters abklingen.

Im frühen Stadium erzeugen Wälzlagerschäden extrem kurze Stoßimpulse im Mikrosekundenbereich. Diese besitzen wenig kinetische Energie und sind im Standard-FFT-Spektrum oft vollständig im Rauschteppich verborgen. Hier ist die Hüllkurvenanalyse (Envelope Demodulation) zwingend erforderlich. Ein analoger oder digitaler Bandpass isoliert zunächst den hochfrequenten Bereich (beispielsweise 3 kHz bis 10 kHz), in dem die Lager-Eigenfrequenzen liegen. Anschließend wird das Signal über eine Hilbert-Transformation oder Vollweggleichrichtung gleichgerichtet und per Tiefpass gefiltert. Die abschließende FFT dieses demodulierten Signals legt die niederfrequenten Stoßfrequenzen (BPFO, BPFI) klar frei.

Typische Fehlerquellen in der Praxis

Praxismessungen scheitern selten am Grundrauschen des Halbleiters, sondern fast immer an Umgebungs- und Montageeinflüssen. Die folgende Übersicht zeigt häufige Ursachen für fehlerhafte Schwingungsdaten:

• Nicht fixierte Sensorkabel: Lose hängende Kabel bewegen sich im Luftstrom der Lüfter oder vibrieren synchron mit der Maschine. Diese Relativbewegung erzeugt durch den triboelektrischen Effekt Scheinspannungen und leitet zusätzliche mechanische Kräfte auf das Sensorgehäuse ein. Kabel müssen im Abstand von maximal 100 mm fest mit der Struktur verbunden werden.
• Temperaturtransienten: Schnelle thermische Wechsel führen zu Verbiegungen des Sensorgehäuses durch Bimetall-Effekte bei ungleicher Materialausdehnung. Dies erzeugt tieffrequente Drifts unterhalb von 5 Hz, die fälschlicherweise als Maschinenschaukeln interpretiert werden.
• Sensorclipping im Resonanzbereich: Hochfrequente Schlagimpulse (beispielsweise von Ventilen oder Getriebezähnen) regen die ungedämpfte MEMS-Eigenresonanz an. Die Amplitude übersteigt den Aussteuerbereich des ADCs (z. B. plus/minus 16 g). Die Folge sind abgeschnittene Spitzen, die das gesamte Spektrum mit einem angehobenen Rauschflur und Scheinfrequenzen kontaminieren.
• Ungeeigneter Masseanschluss: Potenzialunterschiede zwischen Montageort und Schaltschrank erzeugen Masseschleifen. Diese koppeln Netzbrummen (50 Hz bzw. 60 Hz sowie Oberwellen bei 100 Hz, 150 Hz) in das Messsignal ein, welche die 1x- und 2x-Drehzahlkomponenten verdecken.

Nächste Schritte für die Inbetriebnahme

Beginnen Sie die Installation direkt mit einer physikalischen Nullpunkt- und Skalierungsprüfung. Da kapazitive MEMS-Sensoren Gleichspannungsbeschleunigung messen, lässt sich die Empfindlichkeit vor Ort ohne Shaker prüfen: Richten Sie den Sensor nacheinander mit jeder Messachse exakt vertikal nach oben und nach unten aus. Der Differenzwert zwischen beiden Lagen muss exakt 2 g (Erdbeschleunigung plus 1 g zu minus 1 g) betragen. Weicht dieser Wert um mehr als 2,5% vom Datenblatt ab, muss der Verstärkungsfaktor in der Erfassungssoftware angepasst werden.

Bearbeiten Sie anschließend den Montagepunkt an der Maschine. Fräsen oder schleifen Sie eine ebene Montagefläche. Entfernen Sie Farbschichten vollständig, da Lackschichten die Dämpfung im Kilohertzbereich drastisch erhöhen. Verschrauben Sie den Sensor mit dem vorgeschriebenen Anzugsmoment unter Verwendung eines dünnen Wärmeleitpastenfilms.

Konfigurieren Sie im Erfassungssystem die Signalübertragungskette. Legen Sie die Anti-Aliasing-Grenzfrequenz auf maximal 40% der konfigurierten ADC-Abtastrate fest. Zeichnen Sie bei neu installierten Maschinen oder frisch überholten Aggregaten sofort einen Basisschwingungszustand auf (Fingerprint-Messung). Speichern Sie sowohl das Rohzeitsignal als auch das FFT- und Hüllkurvenspektrum ab. Bei sicherheitskritischen Industrieanlagen oder Personengefährdung müssen Schwingungsanalysen nach ISO 10816 oder ISO 20816 von zertifizierten Schwingungsexperten nach ISO 18436 freigegeben werden.