Alternative Methoden zur Anregung von Wellen in Stäben zur Kalibrierung von Beschleunigungsaufnehmern

Brucke, Martin

Ausgangspunkt der Arbeit war, dass mit verfügbaren Erregern zur stoßförmigen Kalibrierung von Beschleunigungsaufnehmern mit Amplituden > 5.000 m/s² nicht komplett zufriedenstellend kalibriert werden kann. Hier wird üblicherweise das Hopkinson-Stab-Prinzip eingesetzt. Dieses Prinzip basiert auf der Wellenausbreitung in einem langen, dünnen Stab. Die Welle wird mit einem mechanischen Kraftstoß erzeugt. Herkömmliche Hopkinson-Stab-Kalibriererreger lassen sich aufgrund des mechanischen Aufbaus schwer steuern. Aus dem mechanischen Aufbau resultieren weiterhin Verschleiß sowie mangelhafte Reproduzierbarkeit als negative Eigenschaften. Das Ziel der Arbeit war folglich, den mechanischen Kraftstoß durch eine alternative Methode zur Anregung von Wellen in Stäben, bzw. eine elektrisch steuerbare Aktorik, zu ersetzen. Ein Hauptteil der Arbeit war die Erstellung eines Modells des klassischen Hopkinson-Stabes. Der nächste Schritt war die Auswahl geeigneter Aktorik zur Erzeugung eines dem Kraftstoß analogen Kraft-Zeit-Verlaufs. Mit einem geeigneten Aktor (piezoelektrisches Prinzip) erfolgte der Aufbau eines prototypischen Kalibriererregers. Die Untersuchung und Vermessung des Prototypen zeigte, dass der Ansatz der Arbeit, den mechanischen Kraftstoß durch eine elektrisch steuerbare Aktorik zu ersetzen, in einem großen Parameterfeld realisiert worden ist. Die Probleme, wie Abhängigkeit der Beschleunigungsdauer von der Beschleunigungsamplitude, mangelhafte Reproduzierbarkeit oder Verschleiß, die sich bei konventionellen mechanischen Systemen ergeben, sind mit dem erarbeiteten Aufbau nicht mehr existent. Die elektrisch präzise steuerbaren stoßförmigen Beschleunigungssignale stellen eine Neuheit auf diesem Gebiet der Kalibrierungen dar und eröffnen dem Anwender damit völlig neue Möglichkeiten.

The starting point was that with available exciters for shock calibration of accelerometers with amplitudes> 5.000 m/s² can be calibrated not completely satisfactory. Here usually the Hopkinson-Bar principle is used. This principle bases on the wave propagation in a long, thin rod. The wave is generated by a mechanical force impact. Conventional Hopkinson-Bar calibration exciters can be controlled difficult due to the mechanical structure. From the mechanical structure also result wear and poor reproducibility as negative characteristics. Consequently the aim of this study was the replacement of the mechanical force impact by an alternative method for excitation of waves in bars – this means her an electrically controllable actuator. A major part of this work was to develop a model of the classical Hopkinson-Bar. The next step was the selection of appropriate actuators for generating a Force-Time-Signal analogue the mechanical force impact. With a suitable actuator (piezoelectric principle) a prototype calibration exciter was build. The investigation of and measurements on the prototype showed that the approach of the work, the replacement of the mechanical impact by an electrically controllable actuators, have been implemented in a large parameter field. The problems, e.g. dependency of the acceleration pulse width from acceleration amplitude, poor reproducibility or wear, that are existent in conventional mechanical systems do no more exist in the new developed exciter. The precise electrically controllable shock acceleration signals are a novelty in this field of calibrations and present completely new possibilities to the user.

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Brucke, Martin: Alternative Methoden zur Anregung von Wellen in Stäben zur Kalibrierung von Beschleunigungsaufnehmern. 2009.

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