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Forschung und Entwicklung

Arbeitsgruppe 1.71

Forschung und Entwicklung für die Realisierung und Untersuchung von Beschleunigungserregern und Winkelbeschleunigungserregernsowie von Präzisionsmessverfahren für Bewegungsgrößen

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Erreger konzentrieren sich einerseits auf die Bereitstellung hochwertiger Beschleunigungs- und Winkelbeschleunigungserreger als Bestandteile der Normalmesseinrichtungen (nationalen Normale), andererseits auf die Identifikation der metrologischen Eigenschaften (Störgrößenuntersuchungen) von Kalibrier-Erregern, die in Kalibrierlaboratorien Einsatz finden.

Als qualitäts- und funktionsbestimmende Bestandteile der Normalmesseinrichtungen (nationale Normale) müssen Beschleunigungs- und Winkelbeschleunigungserreger nahezu frei von Störbewegungen (z.B. Oberwellen, Querbewegungen) sein. Aufgrund dieser hohen Anforderungen wurden in der Arbeitsgruppe 1.71 "Beschleunigung" neue Verfahren zur Erzeugung stationärer bzw. transienter Beschleunigungen und Winkelbeschleunigungen entwickelt. Verschiedene Beschleunigungs- und Winkelbeschleunigungserreger wurden entworfen, konstruiert, realisiert und optimiert:

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Präzisionsmessverfahren

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Präzisionsmessung von Bewegungsgrößen konzentrieren sich einerseits auf die Bereitstellung hochgenauer laserinterferometrischer Messsysteme als Bestandteile der Normalmesseinrichtungen (nationalen Normale), zum anderen auf die Identifikation der metrologischen Eigenschaften (Störgrößenuntersuchungen) solcher Messverfahren und Messeinrichtungen, deren Einsatz als Transfer- bzw. Referenznormale in Kalibrierlaboratorien Einsatz vorgesehen ist (z.B. Referenznormal-Laservibrometer).

Laserinterferometrie, die weltweit als Primärkalibrierverfahren auf der Ebene der nationalen Metrologie-Institute eingesetzt wird, ist in der PTB (Arbeitsgruppe 1.71) in den letzten Jahren weiterentwickelt worden als einheitliche Methodologie und Technik zur Primärmessung translatorischer Bewegungsgrößen (z.B. Beschleunigung) und rotatorischer Bewegungsgrößen (z.B. Winkelbeschleunigung) bei sinusförmigen, stoßförmigen und anderen, anwendungsbezogenen Zeitabhängigkeiten. Eine Rückführungskette ist definiert und entwickelt worden, mit der die entsprechenden physikalischen Größen bei solchen Zeitabhängigkeiten dargestellt und weitergegeben werden, die den Anwendungsbedingungen entsprechen (z.B. Messung des Spitzenwertes 50 000 m/s² eines stoßförmigen Beschleunigungsverlaufes). Als universell anwendbares interferometrisches Messverfahren hat sich ein Heterodyne-Interferometer (Mach-Zehnder-Typ) mit Frequenzumsetzungstechnik und digitaler Signalverarbeitung bewährt. Zur Messung sinus- und stoßförmiger Bewegungsverläufe wurden zur Verarbeitung der Interferometersignale dieses Interferometertyps spezielle Signalauswertungsverfahren und Algorithmen entwickelt. Sie lassen sich in gleicher Weise auf translatorische und rotatorische Bewegungsgrößen anwenden, wenn der Winkelbeschleunigungserreger mit dem für diesen Zweck entwickelten Beugungsgitter(Sinusphasengitter) ausgestattet ist. Das in der PTB entwickelte, universelle Messverfahren mit Heterodyne-Interferometerist in der Spezialisierung für sinusförmige Schwingungsgrößen im Frequenzbereich 0,1 Hz bis 50 kHz und Amplitudenbereich 1 nm bis 0,5 m erprobt worden und hat sich (unter anderem bei internationalen Vergleichsmessungen) als höchst genau (Messunsicherheit 0,1 %) und leistungsfähig erwiesen. Die für Sinusschwingungen spezialisierte Version hat als "Sinusausgleichsverfahren" Eingang in die internationale Norm ISO 16063-11:1999 ("Primäre Schwingungskalibrierung mit Laserinterferometrie") gefunden. In der Spezialisierung für Stoßmessungen und für Primärkalibrierungen mit Stoßanregung ist das Verfahren in der neuen Norm ISO 16063-13:2001 ("Primäre Stoßkalibrierung mittels Laserinterferometrie") spezifiziert worden. Die Einbeziehung der für rotatorische Bewegungsgrößen entwickelten Version mit Beugungsgitter in die erste internationale Norm für die Kalibrierung von Rotationsaufnehmern (neues Normungsprojekt ISO 16063-15 "Primäre Schwingungskalibrierung von Rotationsaufnehmern mittels Laserinterferometrie") ist in Vorbereitung.

Für die interferometrische Messung sinusförmiger Schwingungen im Rahmen von Primärkalibrierungen und für Vergleichsmessungen zwischen nationalen Metrologie-Instituten wird in der PTB - neben dem neuen Sinusausgleichsverfahren - auch das konventionelle Interferenzstreifen-Zählverfahren in Verbindung mit einem Michelson-Interferometer (ebenfalls in ISO 16063-11:1999 spezifiziert) angewendet. Der ursprünglich (vgl. ISO 5347-1:1993) auf Frequenzen 20 Hz bis 800 Hz eingeschränkte Anwendungsbereich des Interferenzstreifen-Zählverfahrens konnte durch eigene Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf den Frequenzbereich 0,01 Hz bis 20 kHz (Schwingwegamplitudenbereich 5 nm bis 0,5 m) erweitert werden. Bei mehreren internationalen Vergleichmessung bewährte sich nicht nur die Messbereicherweiterung (bei Vergleichmessungen nachgewiesener Frequenzbereich: 0,5 Hz bis 20 kHz), sondern auch die erreichte Genauigkeitsverbesserung (frequenzabhängig; Messunsicherheit 0,1% bei Referenzfrequenz 160 Hz) des in der Arbeitsgrupp 1.71 entwickelten "modifizierten" Interferenzstreifen-Zählverfahrens.

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