28.09.2006
In einer Kooperation der Arbeitsgruppen 1.31 "Darstellung Beschleunigung und 8.42 "Messdatenanalyse und Messunsicherheit" ist es gelungen, eine neue Methode zur Charakterisierung von Beschleunigungsaufnehmern für Anwendungen mit nicht-periodischen Signalen und für Anwendungen mit großen Beschleunigungsspitzenwerten zu validieren.
Die Charakterisierung von Beschleunigungsaufnehmern durch einen Empfindlichkeitswert, der bei der Stoßkalibrierung (gem. ISO 16063-13) als Spitzenwertverhältnis von Ausgangssignal und Eingangsbeschleunigung gebildet wird, ist aus metrologischer Sicht noch nicht die optimale Lösung. Das bestehende Verfahren ist zum Beispiel nicht in der Lage, dem Frequenzgang des Aufnehmers Rechnung zu tragen oder eine Phasenverschiebung zu bestimmen.
In einer Kooperation der Arbeitsgruppen 1.31 "Darstellung Beschleunigung" und 8.42 "Messdatenanalyse und Messunsicherheit" ist es gelungen, eine neue Methode zur Charakterisierung von Beschleunigungsaufnehmern zu validieren. Dabei wird das Aufnehmerverhalten durch eine Differentialgleichung zweiter Ordnung (Bewegungsgleichung) beschrieben. Die Koeffizienten dieser Differentialgleichung werden mit Hilfe der Messwerte aus üblichen Kalibrierverfahren bestimmt und die zugehörigen Messunsicherheiten auf Basis des Messunsicherheitsbudgets berechnet. Der große Vorteil dieser Verfahrensweise liegt darin, dass diese Art der Beschreibung des Aufnehmers unabhängig von der zur Kalibrierung verwendeten Signalform ist. Das heißt, der Anwender ist durch Nutzung des so bestimmten Modells in der Lage, das Verhalten seines Aufnehmers inclusive der Messunsicherheiten für beliebige Eingangsbeschleunigsverläufe (Stöße, Schwingungen, stochastische Verläufe) vorherzusagen.
Die Möglichkeit der Vorhersage durch Anwendung des Modells mit identifizierten Parametern wurde auch zur Validierung des Verfahrens eingesetzt. Zu diesem Zweck wurden für zwei unterschiedliche Beschleunigungsaufnehmer (Bruel&Kjaer 8305 und Endevco 2270) die Parameter des Modells über eine Kalibrierung mit sinusförmiger Anregung aber auch mit stoßförmiger Anregung bestimmt. Mit Hilfe der bei sinusförmiger Anregung einer Amplitude von 100 m/s² gewonnenen Parameter wurden anschließend Stoßantworten der Aufnehmer mit Spitzenwerten von 5000 m/s² sowie 50000 m/s² aus real gemessenen Stoßbeschleunigungs-Verläufen berechnet und anhand der sich ergebenden Spitzenwertverhältnisse mit den real gemessenen Stoßantworten verglichen (Bild 1). In ähnlicher Weise wurden mit Hilfe der durch Stoßkalibrierung bestimmten Parameter die Antwortsignale (Amplitude und Phasenverschiebung) der Aufnehmer für sinusförmige Anregung bei 100 m/s² Amplitude berechnet. Diese berechneten Antworten wurden mit real gemessenen Kalibrierergebnissen verglichen. Für beide Validierungsverfahren ergaben sich sehr gute Übereinstimmungen nicht nur der verglichenen Kalibrierergebnisse, sondern auch der beigeordneten Messunsicherheiten.
Das neue Verfahren zur Charakterisierung von Beschleunigungsaufnehmern bringt für Anwendungen insbesondere mit nicht-periodischen Signalen und für Anwendungen mit großen Beschleunigungsspitzenwerten erhebliche Vorteile. Es ist vorgesehen, die Anwendbarkeit der Methodik auch auf andere Beschleunigungsaufnehmer-Typen (-Bauformen), sowie den Transfer in den Bereich der dynamischen Kraftmessung zu prüfen.
Bild 1: Ergebnisse der Validierung einer Parameteridentifikation auf Basis von Stoßdaten für den Aufnehmer Bruel&Kjaer 8305. Messwerte mit Unsicherheitsbalken (k = 2): reale Kalibrierergebnisse mit sinusförmiger Anregung; durchgezogene Linie: modellgestützter Frequenzgang berechnet mit Parametern auf Basis von Stoßdaten (erweiterte Messunsicherheiten (k = 2) gestrichelt); S, f Betrag und Phasenverschiebung des komplexen Ladungsübertragungskoeffizienten; f Anregungsfrequenz)
Ansprechpartner:
Thomas Bruns, FB 1.3, AG 1.31, e-mail: Thomas.Bruns@ptb.de