Die beiden jungen Ingenieure Per V. Brüel und Viggo Kjær hatten bereits vor dem Abschluss ihrer Ausbildung in der Fachrichtung Elektrotechnik (1939) beschlossen, gemeinsam eine Firma zu gründen.

Zuvor wollten sie jedoch ihr Wissen erweitern und praktische Erfahrungen sammeln. Deshalb wurde P.V. Brüel Assistent von P.O. Pedersen im neu gegründeten Akustiklabor, während V. Kjær als Entwicklungsingenieur in der dänischen Rundfunkindustrie arbeitete.

1942 wurde das Unternehmen Brüel & Kjær gegründet. Bei den ersten Geräten handelte es sich um Analysatoren und Generatoren für den Audiofrequenzbereich, doch bereits 1943 wurde mit der Entwicklung von Schwingungssensoren und dem Vertrieb der ersten Modelle begonnen.

Erste Konstruktionen mit Biegeelementen
Per V. Brüel verfolgte die Entwicklung in der Akustik im Journal of the American Society of Acoustics (J.A.S.A.), bis die Zeitschrift aufgrund des Weltkriegs in Europa nicht mehr erhältlich war.

In einer der letzten Ausgaben hatte Benjamin Baumzweiger die Aufnahme von Schwingungen mit Hilfe piezoelektrischer Kristalle beschrieben und Brüel sah darin Möglichkeiten für die Messung und Analyse von Schwingungen und Schall.

Abbildung 1 zeigt die erste Skizze eines Beschleunigungsaufnehmers. Daraus wurde der Typ 4301, dessen erstes Exemplar 1943 verkauft wurde. Kurz darauf folgten Weiterentwicklungen in Form von Typ 4302 und 4303 (Abbildung 2). Die Beschleunigungsaufnehmer beruhten alle auf Rochelle-Salzkristallen, die aus Chemikalienlösungen gezüchtet wurden. Anschließend mussten sie auf die richtige Form zugeschnitten werden, und zuletzt wurden sie mit Klebstoff zu den gewünschten Biegeelementen zusammengefügt.

Keramik und die Bedeutung des Gehäuses
Die größten Nachteile der Beschleunigungsaufnehmer mit Biegeelementen aus Rochelle-Salz bestanden darin, dass der Kristall zerstört wird, wenn er folgenden Einwirkungen ausgesetzt wird:

• Temperaturen über 50-55 °C, selbst bei kurzer Dauer
• Feuchte Luft mit einer relativen Luftfeuchtigkeit über 85%, abgesehen von sehr kurzer Dauer
• Trockene Luft mit einer relativen Luftfeuchtigkeit unter 30% bei längerer Dauer
• Zug- und Druckbelastungen über 15 MN/m²

Das erste Problem führt zu großen Schwierigkeiten, wenn der Sensor z.B. in einem aufgeheizten Auto hinterlassen wird. Das zweite und dritte Problem lässt sich durch eine gute Kapselung weitgehend überwinden, die geringe Festigkeit kann dagegen nicht verbessert werden. Die Aufnehmer gingen deshalb leicht entzwei, wenn sie fallengelassen wurden.

Anfang der 50er Jahre wurde bekannt, dass sich ein polarisiertes ferroelektrisches Keramikmaterial, Bariumtitanat (BaTiO3), für Beschleunigungsaufnehmer eignet. Kurz darauf konstruierten P.V. Brüel und C. G. Wahrman einen Beschleunigungsaufnehmer auf BaTiO3-Basis, und 1955 wurde mit Typ 4306 und 4307 eine neue Aufnehmergeneration auf den Markt gebracht.

Wie man der Querschnittsdarstellung entnehmen kann, bestand die gute Idee darin, das Gehäuse als Schutz zu verwenden. Durch eine Feder wird ein sehr gutes Verhältnis von Empfindlichkeit zu Masse erhalten, gleichzeitig jedoch wirken alle äußeren Kräfte direkt auf die Masse ein und können das Ausgangssignal verfälschen (jedoch hat von hunderten Kunden keiner darüber geklagt!). Als man dies erkannt hatte, wurde sofort daran gearbeitet, die Bauart modifizieren, und bereits im folgenden Jahr konnten die ersten Aufnehmer vom Typ 4308 verkauft werden. Sie hatten ein steifes Gehäuse und eine interne Feder, die zwischen Gehäuse und Masse angebracht war, um die Masse vom Gehäuse zu entkoppeln und eine Vorspannung zu liefern.

Wenig später wurde ein weiteres neues Material, Blei-Zirconat-Titanat (jetzt häufig als PZT bezeichnet) erhältlich, und 1957 kam eine Aufnehmerreihe mit den Typen 4308-9-10-11 auf den Markt.

Das Jahrzehnt von DeltaShear^®
Zu Beginn der 70er Jahre wurden große Anstrengungen unternommen, um die Stabilität und Wiederholbarkeit der Piezokeramik zu verbessern. Hieraus resultierte das heute noch viel verwendete Material PZ23. Gleichzeitig wurden die älteren Bauarten durch neue mit einem oben befestigten Zentralbolzen ersetzt. Dies ergibt eine sehr geringe Basisdehnempfindlichkeit, allerdings auf Kosten einer niedrigeren Resonanzfrequenz.

Gemäß der neuen Norm ANSI S2.11-69 mussten alle Parameter an den Sensoren gemessen werden und dabei zeigte sich, dass Aufnehmer vom Kompressionstyp gegenüber Scheraufnehmern mehrere Nachteile hatten. Daraufhin wurden vorwiegend Scheraufnehmer auf den Markt gebracht. Besondere Aufmerksamkeit wurde der Empfindlichkeit gegenüber Basisdehnung und Temperatursprüngen gewidmet, die häufig Schwierigkeiten bereiteten, wenn es galt, Shaker bei niedrigen Frequenzen zu steuern.

Diese Parameter sind insbesondere für sehr kleine Aufnehmer wichtig, daher wurde das Scherprinzip zum ersten Mal in einem 0,5 Gramm leichten Aufnehmer, dem Typ 8307, angewendet. Dieser besaß ein zylindrisches Keramikelement (von der Konkurrenz inspiriert) und für die Basis wurde das exotische Material Beryllium verwendet, um das Gewicht zu reduzieren.

Die beim 8307 verwendete Methode mit Kleben und Festklemmen fand man jedoch nicht für größere Aufnehmer geeignet. Es wurden zahlreiche Konfigurationen vorgeschlagen und teilweise erprobt, bis schließlich eine Lösung heranreifte: flache Scheiben, die um einen prismatischen Zentralpfosten angeordnet sind und von einem Spannring festgehalten werden. Diese Konstruktion forderte extrem gute Oberflächen, genaue Kontrolle der Abmessungen, ein sehr kräftiges Material für den Ring und die praktische Möglichkeit, den Ring mit der richtigen Spannung anzubringen.

1974 wurde die später als DeltaShear^® bekannte Konstruktion patentiert und anschließend damit begonnen, möglichst viele Aufnehmer in dieses Konzept zu überführen. Die Bauart ist seitdem in hunderttausenden Aufnehmern verwendet worden und wird weiterhin produziert. Heute gilt sie als klassische Bauart für Beschleunigungsaufnehmer und wird auch von einigen unserer Konkurrenten verwendet.

Elektronik im Innern
Gegen Ende der 70er Jahre erreichte die Entwicklung der Elektronik ein Stadium, das es ermöglichte, äußerst stabile Dickfilm-Vorverstärker in Beschleunigungsaufnehmern normaler Größe unterzubringen.

Diese Modifikationen bringen zwar Nachteile in Form einer niedrigeren Höchsttemperatur und Abstrichen bei Dynamikbereich und Zuverlässigkeit, doch auf dem Markt wurden die günstigeren Kanalpreise und die Reduzierung der Probleme mit Kabeln und der Aufnahme von Störsignalen begrüßt.

Es wurden verschiedene Systemkonfigurationen in Erwägung gezogen, bevor die Entscheidung zugunsten des Line-Drive-Systems fiel. Dieses verwendet eine Konstantspannung zur Versorgung des Aufnehmers, der dann den Strom proportional zum Eingangssignal moduliert. Dies ist im Grunde dasselbe System, das für die meisten Temperatur- und Druckgeber verwendet wurde und wird. Der große Vorteil eines solchen Systems gegenüber einem spannungsmodulierten System ist die weitaus größere Unempfindlichkeit gegenüber externen Störungen.

Das erste Produkt war der extrem kompakte (5 Gramm), aufschraubbare Vorverstärker Typ 2644 und später wurde diese Technologie im Innern zahlreichen Aufnehmer angewendet.

Da eine Reihe umfangreicher Projekte den größten Teil der Entwicklungskapazität belegte, waren die Eingabemöglichkeiten begrenzt und die einfacheren und kostengünstigeren spannungsmodulierten Systeme wurden zum Defacto-Industriestandard und unter verschiedenen Namen vertrieben.

Gegen Ende der 80er und in den 90er Jahren erreichte das Line-Drive-System jedoch einige Erfolge, insbesondere in Verbindung mit kritischen Überwachungssystemen, die sehr niedrige Störsignalpegel und hohe Leistung fordern.

Von Δ zu Θ
An der Wende zu den 90er Jahren war die Situation bei Brüel & Kjær durch eine lange Rezession und den Verlust von Märkten im Osten geprägt. Eine Reihe kleinerer Unternehmen rückte stärker in den Blickpunkt, weil der Preis in weitaus höherem Maße zum entscheidenden Faktor auf dem Markt wurde.

Dies galt insbesondere für den Modalanalyse-Markt in der Automobilindustrie. Angesichts dieser Herausforderung wurden die Aufnehmerkonstruktionen kritisch begutachtet und ein neues Konzept entwickelt, genannt ThetaShear^®, weil es dem griechischen Buchstaben Θ ähnlich sieht. Im Grunde war es eine Umkehrung der DeltaShear^®-Konstruktion mit der seismischen Masse in der Mitte und wesentlich weniger Einzelkomponenten. Damit werden Produktionskosten gespart und ThetaShear^® ist für den Modalmarkt geeignet, ohne zu viel von den Spezifikationen der DeltaShear^®-Bauart zu opfern. Um einen leichten und kostengünstigen Aufnehmer zu erhalten, wurde das Gehäuse aus Aluminium gefertigt. Heute ist Titan das bevorzugte Material für das Gehäuse, wie bei den ThetaShear^®-Aufnehmern Typ 4507 und Typ 4508.

Die verwendeten Systeme fordern hohe Übertragungsfaktoren für kleine Aufnehmer und rauscharme integrierte Verstärker zur Messung niedriger Schwingungspegel. Um diese Forderungen zu erfüllen, mussten besondere ASICS (Application Specific Integrated Circuits) mit speziellen Eingangstransistoren entwickelt werden, die wesentlich leistungsfähiger als die üblichen MOSFETs sind.

Die letzte Erweiterung des Konstruktionskonzepts ist OrthoShear^®, das eine Weiterführung von ThetaShear^® mit einer seismischen Masse und einem zylindrischen piezoelektrischen Element darstellt und mit dem sich, wie der Name andeutet, Messungen in drei orthogonalen Richtungen ausführen lassen. Typ 4506 und 4524 sind Beispiele für OrthoShear^®-Aufnehmer.

Mikrochip-Revolution
Das erste Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts war durch enorme Fortschritte in der Mikroelektronik gekennzeichnet. Für Beschleunigungsaufnehmer bedeutete dies dreierlei:

• Mikroprozessoren konnten große Datenmengen verarbeiten und damit Berechnungen an Finite-Elemente-Modellen (FEM) ausführen
• In das Aufnehmergehäuse wurden Mikrochips anstelle von ASICS eingebaut
• Mikroelektrische mechanische Systeme (MEMS) konnten zur Konstruktion von Aufnehmern auf Chips verwendet werden

Mit der Rechenkraft von PCs, einst die Domäne der Großrechner, konnten die Ingenieure von Brüel & Kjær jetzt Finite-Elemente-Modelle (FEM) im eigenen Labor aufstellen und lösen. Dies führte zur Schaffung einer umfangreichen Datenbank für Sensorkonstruktionen. Durch Verifizierung des FEM-Modells mit den getesteten Parametern der gebauten Aufnehmer wird die ‘Qualität’ der mathematischen Modelle ständig verbessert, so dass weniger Prototypen benötigt werden.

Das Schlüsselmerkmal der Normenreihe IEEE 1451 aus den 90er Jahren war die Definition der elektronischen Datenblätter (Transducer Electronic Data Sheets, TEDS). Jetzt wurde TEDS als eine Speichereinheit realisiert, die im Aufnehmergehäuse untergebracht ist und digital gespeicherte Sensorkennung, Kalibrierdaten, Korrekturen, Messbereich, herstellerbezogene Angaben etc. enthält. Die Kommunikation mit dem TEDS-Chip erfolgt über die Signalkabel. Bei der Endprüfung und Erstkalibrierung brennt Brüel & Kjær die spezifischen Daten des TEDS-Aufnehmers auf die Speicherkomponente, bevor er das Werk verlässt.

Brüel & Kjær hat neue technologische Möglichkeiten vorausgesehen und in der Geschichte der Beschleunigungsaufnehmer eine wichtige Rolle gespielt. Doch dabei wollen wir es nicht belassen. Unser Forschungs- und Entwicklungsteam für Sensorik sucht ständig die technologische Landschaft und den Horizont nach Ideen und Methoden ab, die für die Weiter- oder Neuentwicklung von Aufnehmern von Bedeutung sein könnten. Unter anderem ist denkbar, dass künftige Sensoren und Messwerterfassungssystemen von den massiven Fortschritten in der Mikroelektronik, Batterietechnologie und drahtlosen Kommunikation profitieren.

Sensorik gehört zu den Kerngeschäftsbereichen von Brüel & Kjær. Das ist schon immer so gewesen, seit mehr als 67 Jahren – fast einem Menschenalter! Die Qualität unserer Sensoren ist weltweit anerkannt und das Resultat von Erfahrung und Wissen, unterstützt durch sorgfältige Prüfungen und Qualitätskontrollen. Mit diesem Artikel hoffen wir Ihnen einen Einblick in die Geschichte der Beschleunigungsaufnehmer aus unserer Sicht gegeben zu haben, sowie eine Vorstellung davon, welches Erbe in jedem erprobten Sensor steckt, der unser Werk in Dänemark verlässt.

DANKSAGUNG

Dieser Artikel beruht weitgehend auf einer Veröffentlichung von Torben Licht im Jahr 1996. Sein Inhalt, insbesondere der Abschnitt über das erste Jahrzehnt, wurde mit der freundlichen Unterstützung von Dr. P.V. Brüel ausgearbeitet. Darüber hinaus möchte sich Torben Licht bei C.G. Wahrman für Informationen und Diskussionen, insbesondere über die 50er Jahre, und bei G. Rasmussen für seine Kommentare über die 50er und 60er Jahre bedanken.