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Analyse dynamischer Messungen

Arbeitsgruppe 8.42

Übersicht

Dynamische Messungen kommen in vielen Bereichen der Metrologie und der Industrie vor wie z.B. bei der Messung zeitabhängiger Kräfte und Beschleunigungen. Zur Analyse dynamischer Messungen werden häufig Methoden aus dem Gebiet der digitalen Signalverarbeitung verwendet. Viele Anwendungen lassen sich mittels linearer, zeitinvarianter Systeme modellieren, bei denen der Zusammenhang zwischen den zeitabhängigen Ein- und Ausgangssignalen durch eine Faltung mit der Impulsantwort des verwendeten Messsystems beschrieben wird. Ein- und Ausgangssignale sind dabei nicht proportional zueinander und eine wichtige Aufgabe ist es, das Eingangssignal anhand des gemessenen Ausgangssignals zu schätzen. Hierzu kommen oft digitale Filter zum Einsatz. Aus metrologischer Sicht spielt dabei die Bestimmung von Unsicherheiten eine zentrale Rolle.

Typische dynamische Messung mit zeitabhängigen Verzerrungen im Ausgangssignal verursacht durch das Messsystem.

Typische Beispiele für dynamische Messungen sind die Messung zeitabhängiger mechanischer Größen, wie zum Beispiel Messung von Beschleunigung, Kraft, Drehmoment oder Druck an und in Motoren. Weitere Beispiele sind Oszilloskopmessungen für die Charakterisierung elektronischer Bauteile in der Computerindustrie, die Untersuchung von Ultraschallgeräten für die Medizintechnik, die spektrale Charakterisierung von Leuchtquellen, die spektrale Farbmessung und die Kamera-gestützte Temperaturmessung.

Forschung

Der Schwerpunkt in der Arbeitsgruppe 8.42 der PTB liegt in der Entwicklung von Schätzverfahren zur Rekonstruktion des Eingangssignals aus dem Ausgangssignal bei bekanntem dynamischem Verhalten des verwendeten Messsystems. Dies beinhaltet die Entwicklung von Verfahren zur Ermittlung der Unsicherheit der erhaltenen Schätzung. Ein anderer Schwerpunkt liegt in der Entwicklung von Analysemethoden zur dynamischen Kalibrierung, d.h. zur Bestimmung des dynamischen Übertragungsverhaltens eines Messsystem. 

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Publikationen

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Artikel

Titel: On challenges in the uncertainty evaluation for time-dependent measurements
Autor(en): S. Eichstädt, V. Wilkens, A. Dienstfrey, P. Hale, B. Hughes and C. Jarvis
Journal: Metrologia
Jahr: 2016
Band: 53
Ausgabe: 4
DOI: 10.1088/0026-1394/53/4/S125
Schlüsselwörter: dynamic measurement, dynamic uncertainty, deconvolution
Marker: 8.42, Dynamik
Zusammenfassung: The measurement of quantities with time-dependent values is a common task in many areas of metrology. Although well established techniques are available for the analysis of such measurements, serious scientific challenges remain to be solved to enable their routine use in metrology. In this paper we focus on the challenge of estimating a time-dependent measurand when the relationship between the value of the measurand and the indication is modeled by a convolution. Mathematically, deconvolution is an ill-posed inverse problem, requiring regularization to stabilize the inversion in the presence of noise. We present and discuss deconvolution in three practical applications: thrust-balance, ultra-fast sampling oscilloscopes and hydrophones. Each case study takes a different approach to modeling the convolution process and regularizing its inversion. Critically, all three examples lack the assignment of an uncertainty to the influence of the regularization on the estimation accuracy. This is a grand challenge for dynamic metrology, for which to date no generic solution exists. The case studies presented here cover a wide range of time scales and prior knowledge about the measurand, and they can thus serve as starting points for future developments in metrology. The aim of this work is to present the case studies and demonstrate the challenges they pose for metrology.

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