| Zusammenfassung |
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Untersuchungen und Entwicklung von Verfahren und Anregungsformen zur Parameteridentifikation eines Modells für Beschleunigungssensoren (BS) mit dem Ziel einer besseren Vergleichbarkeit von Stoßkalibrierung von BS bei Stoßamplituden ) 5 km/s².
Leider ist die Vergleichbarkeit bei den derzeitig (weltweit) verfügbaren Einrichtungen und angewendeten Kalibrierverfahren nur bedingt gegeben. Das als Aufnehmerkenngröße (Maßverkörperung) bei hohen Beschleunigungsamplituden angegebene Spitzenwert-Übertragungsverhältnis S_sh ist strenggenommen nur gültig für Stoßbeschleunigungen identischer spektraler Zusammensetzung, da die eingesetzten BS in den angeregten Frequenzbereichen keine konstante Übertragungsfunktion besitzen.
Als Ansatz zur Lösung wird ein Modell des Sensors erstellt und die Parameter des Modells aus Messungen bestimmt. Unter Anwendung dieses parametrisierten Modells kann dann aus der gemessenen Sensorantwort die Sensoranregung rekonstruiert werden.
Zunächst erfolgten eine detaillierte Untersuchungen der Messeinrichtungen, sowie eine Erweiterung der Messbandbreite zu höheren Frequenzen.
Die Untersuchung der Einflüsse der Antastpositionen auf der Referenzfläche des Sensors und deren Eigenbewegungen (Warp) führte zu einer neuen Methode der Gewichtung der Unsicherheiten im Frequenzbereich.
Für die Bestimmung der Übertragungsfunktion des Ladungsverstärkers wurden ein Modell zur Beschreibung des Ladungsverstärkers und erweiterte Messverfahren entwickelt, das systematische Fehler der Vergangenheit vermeidet. Es findet derzeit Eingang in die neuen Normen zur Kalibrierung von Messverstärkern.
Die Auswertung der gemessenen Übertragungsfunktionen der untersuchten Beschleunigungssensoren zeigte, dass die klassische Modellbeschreibung des Beschleunigungssensors als Einmassenschwinger (1-DOF-Modell) nicht ausreicht. Daher wird ein erweitertes Modell mit zusätzlicher Koppelmasse (2-DOF-Modell) vorgestellt, dass den Sensor ausreichend genau beschreibt. Die Identifizierung der Modellparameter erfolgt über einen Levenberg-Maquard-Fit im Frequenzbereich. Unter Anwendung der Monte-Carlo-Methode werden die Unsicherheiten des Modellparameter und der damit rekonstruierten Beschleunigungsanregung abgeschätzt.
Abschließend wird gezeigt, dass die Methoden und das 2-DOF Modell fähig sind, Stoßkalibrierungsvergleiche mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung mit einer deutlich verringerten Unsicherheiten durchzuführen.
This paper describes the investigation and development of methods and excitation modes for the parameter identification of a model for accelerometers with the aim of a better comparability of shock calibration of accelerometers at shock amplitudes ) 5 km/s².
Unfortunately, the comparability of the currently (worldwide) available equipment and calibration procedures is only limited. The peak value transfer ratio S_sh defined as transducer characteristic at high acceleration amplitudes is strictly speaking only valid for shock accelerations of identical spectral composition, since the BS used do not have a constant transfer function in the excited frequency ranges.
As an approach to the solution, a model of the sensor is created and the parameters of the model are determined from measurements. Using this parameterized model, the sensor excitation can then be reconstructed from the measured sensor response.
At first, a detailed investigation of the measuring equipment and an extension of the measuring bandwidth to higher frequencies were carried out.
For the determination of the transfer function of the charge amplifier, a model for the description of the charge amplifier and extended measuring methods were developed that takes into account the influences of the source impedance of the sensor and avoids systematic errors of the past. It is currently being incorporated into a new standard for the calibration of measurement amplifiers.
The evaluation of the measured transfer functions of the accelerometers investigated showed that the classical model description of the accelerometer as a single-mass oscillator (1 DOF model) is not sufficient. Therefore, an extended model with additional coupling mass (2-DOF model) is presented that describes the sensor with sufficient accuracy.
The model parameters are identified by a Levenberg-Maquard fit in the frequency domain. Using the Monte Carlo method, the uncertainties of the model parameter and the reconstructed acceleration excitations are estimated.
Finally, it is shown that the methods and the 2-DOF model are capable of performing shock calibration comparisons with different spectral compositions with significantly reduced uncertainties. |
