Dynamische Kalibrierung digitalen Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitssensoren

Im Rahmen des EMPIR Projektes „Met4FoF“ werden dynamische Kalibrierverfahren für Sensoren (Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit) mit ausschließlich digitalem Datenausgang entwickelt und implementiert.

Durch die Verwendung dieser Sensoren in Smartphones ist ein breites Angebot an „digitalen“ MEMS-Sensoren am Markt verfügbar geworden. Um diese Sensoren für dynamische Anwendungen z.B. Condition-Monitoring nutzen zu können müssen Kalibrierverfahren entwickelt werden. Dabei werden die Verfahren als Erweiterung bestehender „analoger“ Systeme implementiert.

Zur dynamischen Kalibrierung von Sensoren muss der zeitliche Bezug aller Messwerte genau bekannt sein. Bei „digitalen“ Sensoren ergibt sich hier ein Problem, da diese Sensoren die Analog-Digital-Wandlung intern durchführen. In der Regel existiert keine direkte Möglichkeit den Abtastzeitpunkt zu beeinflussen. Der Sensor wird auf eine bestimme Datenrate programmiert und erfasst selbständig Messwerte. Ist ein Datum bereit wird dies durch einen data ready interrupt signalisiert. Im Rahmen des Met4FoF-Projekts [1] wurde eine Hardwarelösung (data acquisition unit, DAU) zur Erfassung und GPS basierter Absolutzeitstempelung der Sensordaten realisiert. Dabei kann, nach ersten Auswertungen, eine Messunsicherheit von weniger als 200 ns bei der Absolutzeitstempelung erreicht werden. Sowohl Software [2] als auch Hardwarelayout [3] sind frei verfügbar (open source).

Bild 1 zeigt schematisch den Datenfluss in der Hardware.

Bild 1: Schematischer Datenfluss in der Hardware.

Bei der Erfassung der Daten werden diese direkt im Mikrocontroller der DAU in SI Einheiten überführt. Informationen zu den Einheiten der Messwerte werden D-SI [4] konform übertragen. Synchron zu den Messwerten \(y_{\text{DUT,}\omega}(t_k)\), an den diskreten (möglichweise nicht äquidistanten) Abtastzeitpunkten \(t_k\)  des „digitalen“ Sensors kann die DAU auch analoge Synchronisierungssignale (z.B. das Anregungssignal einer Schwingarmatur) \(y_{\text{syncDAU,}\omega}(t_k)\) erfassen. Das bestehende analoge Kalibriersystem erfasst sowohl dasselbe analoge Synchronisierungssignal  \(y_{\text{syncCAL,}\omega}(t_i)\) zu den Zeitpunkten \(t_i\) als auch das Referenzsignal \(y_{\text{ref,}\omega}(t_i)\), wie in Bild 2 schematisch dargestellt.

Bild 2: Schematische Darstellung der Signale bei der Kalibrierung eines „digitalen“ Sensors [5].

Mittels Sinusapproximation können sowohl die Amplitude \(\hat{Y}_\omega\) als auch die Phasenlage \(\varphi_\omega\) der einzelnen Signale bei diskreten Anregungsfrequenzen \(\omega\) bestimmt werden.

Betrag und Phase des Übertragungskoeffizient kann dann mit folgenden Gleichungen bestimmt werden:

Betrag: \(|S (\omega)|=\frac{\hat{Y}_{\text{DUT},\omega}}{\hat{Y}_{\text{ref},\omega}}\)
Phase: \(\Delta \varphi (\omega)=\varphi_{\text{DUT},\omega}-\varphi_{\text{ref},\omega}\)

In Zukunft werden die bisher entwickelten Verfahren weiter verifiziert. Die hier vor gestellte DAU wird im weiteren Verlauf des Met4FoF Projekts als Ausgangspunkt für einen „smarten“ Sensor mit Echtzeit- Unsicherheitsberechnung verwendet.

Acknowledgment:

This project has received funding from the EMPIR programme co-financed by the participating states and from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme.

Literatur:

[1] Metrology for the Factory of the Future 17IND12 Met4FoF URL: https://www.ptb.de/empir2018/met4fof/home/

[2] Met4FoF Github: https://github.com/Met4FoF/Met4FoF-SmartUpUnit

[3] Circuit Maker Schematics: https://circuitmaker.com/Projects/Details/Benedikt-Seeger-2/Met4FoF-Interface-Board

[4] Hutzschenreuter, Daniel, et al. , SmartCom Digital System of Units (D-SI) Guide for the use of the metadata-format used in metrology for the easy-to-use, safe, harmonised and unambiguous digital transfer of metrological data, DOI: 10.5281/zenodo.3522631

[5] Seeger, Benedikt, et al. Methods for dynamic calibration and augmentation of digital acceleration MEMS sensors, DOI: 10.1051/metrology/201922003

Ansprechpartner:

Benedikt Seeger, FB 1.71, AG 1.71, E-Mail: benedikt.seeger(at)ptb.de