Zugriffsnummer 54949
Dokumenttyp Dissertation Freier Zugang
Sprache Deutsch
Titel Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften von Sensoren mit digitalem Interface
Autor(in); Institution
Seeger, Benedikt; 1.7, Akustik und Dynamik, PTB-Braunschweig
Quelle/Jahr (2025), 166 S.
Schriftenreihe PTB-Bericht PTB-Diss-23
Dissertationsvermerk Dissertation, Technische Universität Braunschweig, 2025
Herausgeber(in)
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
ISSN 2941-1297
ISBN 978-3-944659-55-8
DOI
URL
Berichtsnummer PTB-Diss-23
Verlag Braunschweig: Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Zusammenfassung Die fortschreitende Miniaturisierung und Digitalisierung führt in der Beschleunigungsmesstechnik zur Verbreitung von Sensorsystemen mit ausschließlich digitalem Datenausgang, den sogenannten digitalen Sensoren. Für dieMessgrößen Beschleunigung undWinkelgeschwindigkeit werden mehr als eineMilliardeMEMS-Sensoren pro Jahr gefertigt. Durch den zumTeil günstigen Preis und die sehr kleine Bauform können diese Sensoren auch in anspruchsvolleren dynamischenMessaufgaben, beispielsweise der Zustandsüberwachung auf Basis von maschinellem Lernen, eingesetzt werden. In dieser Arbeit wurde im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts Metrology for the Factory of the Future (Met4FoF) das erste primäre dynamische Kalibrierverfahren für die komplexwertige Übertragungsfunktion von digitalen Beschleunigungssensoren in Anlehnung an ISO 16063 entwickelt und in einem ersten internationalen Vergleich validiert. Zur Ansteuerung der Sensoren wurde eine Mikrocontroller-basierte Datenerfassungseinheit (Data Acquisition Unit, DAU) entwickelt. Die DAU erfasst die von den Sensoren asynchron erzeugten Messwerte und zeitstempelt diese gegen eine GNSS-Absolutzeitbasis. Die Messdaten werden in der DAU in SI-Einheiten konvertiert und zusammen mit Metadaten über Ethernet an einen Empfangs-PC gesendet. Durch die Verwendung eines Echtzeit-Betriebssystems und Hardware-Zeitstempelung kann jede DAU bis zu vier unterschiedliche Sensoren parallel auslesen. Die DAU wurde auch verwendet, um kalibrierte digitale Sensoren in industrienahen Anwendungen zur Zustandsüberwachung einzusetzen. Die DAU kann synchron zu einem digitalen Sensor auch analoge Spannungen erfassen. Damit kann in den bestehenden primären analogen Beschleunigungskalibriersystemen der nationalen Metrologieinstitute, wie derPTB oder dem spanischen CEM, ein Phasenbezug hergestellt werden, ohne die bestehenden Kalibriersysteme verändern zu müssen. Zur Validation des Kalibrierverfahrens wurde dem spanischen Metrologieinstitut CEM eine DAU zur Verfügung gestellt. Der Vergleich der damit bestimmten Übertragungsfunktionen zeigt eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse von PTB und CEM und belegt die grundsätzliche Eignung des Verfahrens. Die asynchrone Messdatenerfassung der MEMS-Sensoren mit Absolutzeitstemplung ist ein wesentlicher Unterschied zu den analogen Sensoren mit getrennter Signalerfassung. Die Qualität der internen Sensorzeitbasis kann mit der DAU bestimmt werden. Daher wurde ein Verfahren zur Berechnung des Abtastphasenrauschens entwickelt. Die Auswirkungen des Abtastphasenrauschens auf die Auswertung dynamischerMessungen im Frequenzraum ohne Absolutzeitstemplung wurde umfassend simuliert und visualisiert. Monte-Carlo-Simulationen belegen, dass unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise bei hoher Signalfrequenz und langer Messdauer, das Sensorabtastphasenrauschen zum Teil zu erheblichen Amplitudenabweichungen führt. Bei einigen Sensoren kommt es schon bei Messungen von 30 s Länge bei einer Anregungsfrequenz von 63 Hz zu den beschriebenen Amplitudenabweichungen. Durch die Absolutzeitstemplung und Verwendung der Zeitstempel in der Sinus-Approximation kann dieser Einfluss nahezu vollständig kompensiert werden. Bei der Anwendung kalibrierter digitaler Sensoren mit einer DAU, zur Lebenszeitabschätzung von Verschleißteilen eines Projektpartners konnten deutliche Verbesserungen der Vorhersagegenauigkeit durch Verwendung der Absolutzeitstempel und einfacher Interpolation erreicht werden.
Kostenfreier Zugang Freier Zugang
Themenbereich der Metrologie Akustik, Ultraschall, Beschleunigung
Geschäftsfelder Grundlagen der Metrologie ; Metrologie für die Wirtschaft
Förderinformationen (1) Förderername: European Commission (EC)
Förderer ID: 0000 0001 2162 673X
Förderer ID Typ: ISNI
Förderprogramm: EMPIR Call 2017 Industry
Titel der Förderung: 17IND12: Met4FoF: Metrology for the Factory of the Future
Förderungsnummer: 17IND12
URI der Förderung: https://www.ptbd.de/empir2018/met4fof/home/

Zitierung

Seeger, B. (2025). Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften von Sensoren mit digitalem Interface [Dissertation, Technische Universität Braunschweig, 2025]. Braunschweig: Physikalisch-Technische Bundesanstalt. https://doi.org/10.7795/110.20251017

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