Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung von Beschleuni- gungs- und Kraftsensoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anregung von Wellen in Stäben zur Kalibrierung von Beschleunigungssensoren und Kraftsensoren, insbesondere mit hohen Amplituden. Ein solcher Sensor ist ein elektromecha- nischer Wandler, der die mechanische Größe Beschleunigung bzw. Kraft in ein elektrisch messbares Signal, z.B. Ladung oder Spannung wandelt. Um das Ubertragungsverhalten des Sensors zu ermitteln, muss eine Kalibrierung durchgeführt werden.

Zur Kalibrierung von Beschleunigungssensoren sind verschiedene Einrichtungen bekannt. Vorrichtungen und Verfahren zur Kalibrierung von Schwingungs- und Stoßaufnehmern sind in ISO 16063 beschrieben. Bei der Kalibrierung mit Beschleuni- gungsamplituden > 1000 m/s ² müssen stoßförmige, das heißt zeitlich begrenzte Signale verwendet werden. Das allgemein bekannte Hammer-Amboss-Prinzip, das auf dem Zusammenstoß zweier Festkörper beruht, arbeitet zufriedenstellend bis zu Beschleunigungsamplituden von 5000 m/s ² . Um höhere Be- schleunigungen, für hochwertige Kalibrierungen zu erzeugen, muss das Hopkinson-Stab-Prinzip genutzt werden. Das beschriebene Kalibrierverfahren ist in ISO 16063-13 erläutert. Zur Kalibrierung von Kraftsensoren werden üblicherweise statische Verfahren eingesetzt. Das heißt der Sensor wird mit einer statischen Gewichtskraft belastet. Die Kalibrierung von Kraftsensoren mittels zeitlich veränderlicher Signale, die mit einem Hopkinson-Stab erzeugt werden, stellt eine Neuheit dar.

Prinzipiell sind 3 verschiedene Methoden zur Kalibrierung mittels eines Hopkinson-Stabes bekannt. Diese unterschiedlichen Methoden betreffen die verwendete Referenzsensorik.

Die Beschleunigung am Stabende kann mittels eines optischen Messsystems (z.B. Laservibrometer ) oder eines Referenzbeschleunigungssensors bzw. Kraftsensors gemessen werden. Eine weitere Methode zur Kalibrierung ist die Messung der Dehnung des Stabes mittels Dehnungsmessstreifen. Aus der Stabdehnung kann die Beschleunigung des Stabendes berechnet werden.

Das Hopkinson-Stab-Prinzip basiert darauf, dass sich eine mechanische Welle in einem langen schlanken Stab ausbrei- tet. Durch die Reflektion der Welle an einem freien Stabende entsteht eine Bewegung, welche die für die Kalibrierung der Sensoren geforderte Beschleunigung bzw. Kraft erzeugt. Durch die Eigenschaften eines langen schlanken Stabes können diese Beschleunigungen und Kräfte sehr hohe Amplituden (> 1.000.000 m/s ² bzw. >100.000 N) erreichen.

Beim klassischen Hopkinson-Stab wird ein Festkörper, z.B. eine Stahlkugel, auf ein Ende des Stabes geschossen, woraus ein mechanischer Kraftstoß resultiert. Durch diesen Kraft- stoß wird eine longitudinale Dehnwelle im Stab ausgelöst und kann sich entlang des Stabes fortpflanzen. Der zeitliche Verlauf der Dehnung sowie der Beschleunigungs- und Kraft-Zeit-Verlauf am Stabende ist durch den Kraft-Zeit- Verlauf des Kraftstoßes am Stabanfang definiert. Zum Bei- spiel regen große Stahlkugeln ein sehr schmales Frequenzspektrum an. Mit kleiner werdendem Kugeldurchmesser werden die Frequenzspektren breiter. Die Maximalamplituden nehmen jedoch mit größer werdendem Kugeldurchmesser stark zu.

Die Hauptnachteile des klassischen Hopkinson-Stabes sind:

- Die Beschleunigungssignalform ist nicht beeinflussbar.

- Die Impulsdauer der Beschleunigung ist durch die Stoß- partner vorgegeben und kann somit nur aufwändig beein- flusst werden

- Die Reproduzierbarkeit der Beschleunigungssignale und damit das Kalibrierergebnis sind durch den Verschleiß der Stoßpartner eingeschränkt - eingeschränkter unterer Amplitudenbereich von ca. > 5.000 m/s ² .

In US 5 000 030 A ist ein Verfahren und ein Apparat zur Messung der dynamischen Charakteristiken eines Stoss-Acce- lerometers beschrieben. An einem Hopkinson-Stab befindet sich eine Referenzsensorik sowie an seinem Ende der zu kalibrierende Sensor. Die Erregung eines mechanischen Stoßes kann unter anderem auch mittels eines piezoelektrischen Elementes erfolgen. Eine gezielte Beeinflussung der Signal- form, der Signalamplitude als auch der Impulsdauer der Signale erfolgt nicht.

Ein Testsystem zur Kalibrierung von Beschleunigungssensoren beschreibt US 3 830 091 A, wobei seitlich an einem Alumi- niumstab montierte elektromechanische Aktoren den Stab mittels einer Steuer- und Regelelektronik in Resonanz-schwing- ungen versetzen und wobei an einem Ende des Stabes der zu testende Beschleunigungssensor sowie ein Referenzbeschleunigungssensor montiert ist. Bei diesem Testsystem lassen sich harmonischen Beschleunigungen erzeugen. Die Frequenzen der Beschleunigung sind jedoch lediglich in ganzzahligen Vielfachen einer Grundfrequenz (z. B. 1 kHz, 2kHz, 3kHz...) einstellbar. Die erzielbare Beschleunigungsamplitude beträgt lediglich ca. 3.000m/s ² .

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Kalibrierung von Be- schleunigungs- und Kraftsensoren mittels eines Hopkinson- Stabes, mit deren Hilfe eine gezielte Beeinflussung der Signalform, der Signalamplitude als auch der Impulsdauer der Signale über einen großen Amplitudenbereich ermöglicht wird. Die Vorrichtung soll einfach aufgebaut sein und sicher und wartungsarm funktionieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Verfahrensanspruches 1 sowie durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruches 3 gelöst. Ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen 2 und 4 bis 5 beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kalibrierung von Be- schleunigungs- und Kraftsensoren nutzt eine an einem Hop- kinson-Stab in üblicher Weise ausgebildete Referenzsenso- rik. Die Referenzsensorik kann ein optisches Messsystem (z.B. Laservibrometer ) oder ein Referenzsensor sein. Eine weitere Methode zur Kalibrierung ist die Messung der Dehnung des Stabes mittels Dehnungsmessstreifen. Aus der Stabdehnung kann die Beschleunigung bzw. die Kraft des Stab-en- des berechnet werden.

Ein üblicherweise verwendeter Hopkinson-Stab ist ein etwa 2 m bis 4 m langer, etwa 18 mm bis 30 mm dicker Metallstab.

Am Ende des Hopkinson-Stabes ist der zu kalibrierende Sensor befestigt. Zur Erregung eines Beschleunigungs- oder Kraftimpulses dient ein am gegenüberliegenden Ende des Hopkinson-Stabes befestigter elektromechanischer Aktor.

Entgegengesetzt zum Hopkinson-Stab ist am elektromechani- schen Aktor eine Gegenmasse befestigt, die viel kürzer als

die Stablänge sein muss und eine Masse > 1/100 der Stabmasse haben muss. Diese Gegenmasse hat die Funktion die Aktorkraft in den Stab einzuleiten.

Der elektromechanische Aktor ist über eine Steuerleitung mit einer Steuer- und Regelelektronik verbunden.

Der elektromechanische Aktor kann vorzugsweise ein piezoelektrischer Aktor oder auch ein magnetostriktiver Aktor sein. Ein magnetostriktiver Aktor lässt sich sehr einfach an den Stab ankoppeln, hat aber einen deutlich schlechteren Wirkungsgrad als ein piezoelektrischer Aktor.

Von der Referenzsensorik kann eine Steuerleitung zur Steuer- und Regelelektronik führen.

Die Vorrichtung kann zur Kalibrierung von Kraft oder Beschleunigungssensoren verwendet werden. Um Beschleunigungssensoren zu kalibrieren, muss der Sensor am freien Stabende montiert werden. Um Kraftsensoren zu kalibrieren, muss der Sensor zuzüglich einer Ankoppelmasse am freien Stabende montiert werden.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wie folgt:

Die beschriebenen Nachteile von bekannten Kalibrierungsverfahren mittels Hopkinson-Stäben haben die Ursache darin, dass die Welle im Stab durch einen mechanischen Kraftstoß ausgelöst wird. Die vorliegende Erfindung beruht darauf, den mechanischen Kraftstoß durch eine alternative Methode zur Anregung der Wellen im Stab zu ersetzen. Diese Methode soll ein elektrisches Ansteuersignal in einen definierten Kraftstoß wandeln. So geartete Wandler können allgemein als

Aktoren bezeichnet werden. Zur Kalibrierung von Beschleuni- gungs- und Kraftsensoren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommen insbesondere elektromechanische Aktoren zum Einsatz, die einen großen Kraftdynamikbereich (1 mN bis 5 kN) und einen großen nutzbaren Frequenzbereich (> 10 kHz) haben.

Eine Regelung der Beschleunigungs- bzw. Kraftimpulsform kann durch Messung der jeweiligen Größe an der Referenzsen- sorik erfolgen. Die Messgröße wird an eine Regelelektronik übergeben und es kann eine gezielte Vorverzerrung der Ansteuersignale des elektromechanischen Aktors erfolgen.

Wenn der Hopkinson-Stab bei seinen Längs-Eigenfrequenzen in den Zustand der Resonanz versetzt wird, erfolgt bei konstanter Erregerleistung eine Maximierung der Beschleunigungs- bzw. Kraftamplitude am Stabende. Dadurch lassen sich besonders energieeffizient große Beschleunigungs- bzw. Kraftamplituden erreichen.

Durch überlagerung von Wellen wird die Beschleunigungsbzw. Kraftamplitude am Ende des Stabes maximiert. Durch wiederholte Energiezufuhr in Form von erneuter Anregung des Hopkinson-Stabes mittels des elektromechanischen Aktors wird die Kraft- bzw. Beschleunigungsamplitude stufenweise erhöht.

Durch die Erfindung können die Nachteile des klassischen Kalibrierungsverfahrens mittels eines Hopkinson-Stabes be- hoben werden.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Beschleunigungssignalform elektrisch beeinflussbar wird. Auch die Impulsdauer des Beschleunigungssignals ist elektrisch

beeinflussbar. Die Erfindung ermöglicht eine Beeinflussung der Signalform (harmonische Signale, impulsförmige Signale), der Signalamplitude (typisch 20 m/s ² bis 100.000 m/s ² ) als auch der Impulsdauer (typisch 50 μs bis 500μs) der Sig- nale.

Es entsteht praktisch kein Verschleiß, wodurch die Reproduzierbarkeit der Beschleunigungssignale und des Kalibrierergebnisses verbessert wird.

Weiterhin lassen sich als vorteilhafte Eigenschaften der Kalibriereinrichtung die Möglichkeit der einfachen Automatisierung der Kalibrierabläufe und eine energieeffizientere Arbeitsweise im Vergleich zur herkömmlichen Kalibrierein- richtung nennen.

Nachfolgend wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Kalibriervorrichtung mit Laservibrometer als Refe- renzsensorik

Fig. 2 Kalibriervorrichtung mit Kraftsensor als Referenz- sensorik

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Kalibrierung von Beschleunigungssensoren. Die Vorrichtung besteht aus einem Hopkinson-Stab 1, der als metallischer zylindrischer Stab mit einer Länge von 2 m und einem Durchmesser von 20 mm ausgebildet ist. Am linken Stabanfang ist ein piezoelektri- scher Aktor 2 kraftschlüssig mit dem Hopkinson-Stab 1 verbunden. Eine zylindrische metallische Gegenmasse 3 mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Länge von 30 mm ist mit dem Aktor 2 verklebt. Am rechten Stabende ist der zu kalibrierende Sensor 4 montiert. Die Referenzsensorik 8 ist als

Laser ausgeführt. Die Steuer- bzw. Regelelektronik steuert über eine Steuerleitung 7 den piezoelektrischen Aktor 2.

Fig. 2 beschreibt eine Vorrichtung zur Kalibrierung von Kraftsensoren. Die Vorrichtung besteht aus einem Hopkinson- Stab 1, der üblicherweise als metallischer zylindrischer Stab mit einer Länge von 2 m und einem Durchmesser von 20 mm ausgebildet ist. Am linken Stabanfang ist ein piezoelektrischer Aktor 2 kraftschlüssig mit dem Hopkinson- Stab 1 verbunden. Eine zylindrische metallische Gegenmasse 3 besitzt einen Durchmesser von 50 mm und eine Länge von 30 mm. Sie ist mit dem piezoelektrischen Aktor 2 verklebt, also stoffschlüssig verbunden. Am rechten Stabende ist der zu kalibrierende Sensor 4, der Referenzsensor 8 und die An- koppelmasse 9 montiert. Die Steuer bzw. Regelelektronik 6 steuert über eine Steuerleitung 7 den piezoelektrischen Aktor 2.

Die Signale des zu kalibrierenden Sensors 4 und der Refe- renzsensorik 8 werden einer Steuer- bzw. Regelelektronik 6 zugeführt. Durch die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 2 mit definierten elektrischen Signalen werden in dem Stab definierte Wellen erzeugt. Aus der Reflektion der Wellen am rechten Stabende lassen sich somit definierte Be- schleunigungs-Zeit bzw. Kraft-Zeit Signale erzeugen.

Durch die änderung der elektrischen Ansteuersignale am piezoelektrischen Aktor 2 lassen sich die Signale am rechten Stabende gezielt beeinflussen. Die Erfindung ermöglicht so sowohl eine Beeinflussung der Signalform (harmonische Signale, impulsförmige Signale), der Signalamplitude (typisch 20 m/s ² bis 100.000 m/s ² ) als auch der Impulsdauer (typisch 50 μs bis 500μs) der Signale.

Um ein definiertes Soll-Signal am Stabende zu erzeugen, können die Ist-Signale der Referenzsensorik genutzt werden um diese mit dem Soll-Signal zu vergleichen. Mittels geeigneter mathematischer Methoden kann eine Vorverzerrung der Ansteuersignale für den Aktor berechnet werden, so dass das Soll-Signal am Stabende erzeugt wird. Dadurch lassen sich Kalibriersignale erzeugen, die auf den jeweiligen zu kalibrierenden Sensor abgestimmt sind.

Für die Erzielung von besonders hohen Signalamplituden am rechten Stabende können die Kontinuumseigenschaften des Stabes genutzt werden.

Zum einen kann der Stab in der Längs-Eigenfrequenz mit har- monischen Signalen angeregt werden. Dadurch lassen sich besonders hohe Signalamplituden am Stabende mit einem Minimum an eingebrachter elektrischer Leistung erreichen.

Zum anderen kann der Aktor mit dem gleichen Signal perio- disch angesteuert werden. Wenn die Periode der Ansteuerung an die Laufzeit der Welle durch den Stab angepasst wird überlagert sich die ursprüngliche Welle mit der jeweils neu erzeugten Welle. Durch diese überlagerung lassen sich ebenfalls besonders hohe Signalamplituden am Stabende mit einem geringen elektrischen Leistungseintrag erzielen.

BezugsZeichenaufstellung

1 Stab 2 elektromechanischer Aktor

3 Gegenmasse

4 zu kalibrierender Sensor

5 Steuerleitung

6 Steuer- bzw. Regelelektronik 7 Steuerleitung

8 Referenzsensorik

9 Ankoppelmasse