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Entwicklung eines Messverfahrens zur Prüfung der Empfindlichkeit von Inertialsensoren auf Drehschwingungen

Schulmeister, Michael :
Entwicklung eines Messverfahrens zur Prüfung der Empfindlichkeit von Inertialsensoren auf Drehschwingungen.
Technische Universität Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2010)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

In Fahrdynamikregelsystemen kommen zur Erfassung der Gierbewegung des Kraftfahrzeugs mikromechanische Drehratensensoren zum Einsatz. Diese zeigen häufig eine Störempfindlichkeit bei hochfrequenten Drehschwingungen.

Im Fahrzeug treten diese Störungen z.B. durch schwingende Karosserieteile auf. Um dieses Verhalten grundsätzlich untersuchen zu können, soll ein bereits als Konzeptstudie bestehender Prüfplatz zur Erzeugung von hochfrequenten Drehschwingungen eingesetzt werden. Ziel ist die Erzeugung einer Drehrate von 10°/s in einem Frequenzbereich von 300Hz bis 3kHz bei einer Amplitudengenauigkeit < 15%. Innerhalb einer messtechnischen Fehleranalyse des Prüfplatzaufbaus wird deutlich, dass die Anforderungen an das System nicht erfüllt werden. Bei sinusförmiger Anregung erreicht das Übertragungsverhalten in einem Frequenzbereich von 50Hz bis 2kHz nur eine Amplitudengenauigkeit von 41%.

Um in den geforderten Bereich vorzudringen, werden die Defizite des Systems analysiert. Die Hauptursachen sind Abweichungen bzw. Störungen in zwei funktionsbestimmenden Blöcken: Das Regelsystem und die Messeinrichtung zur Rückführung der Regelgröße.

In einer anschließenden Konzeptphase wird eine Gesamtlösung für die ermittelten Defizite erarbeitet. Durch die Integration eines vorhandenen Schwingregelsystems für Linearschwinger wird die Regelgröße in einem bestimmten Radius translatorisch erfasst. Für die Messeinrichtung werden die Erfassungsmöglichkeiten der mechanischen Messgrößen Auslenkung, Geschwindigkeit und Beschleunigung betrachtet und bewertet. Nach sorgfältiger Prüfung wird die Beschleunigung als Messgröße gewählt. Durch eine Bewertung der bekannten physikalischen Wirkprinzipien zeigt sich, dass ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor für die Erfassung von hochfrequenten Schwingungen am besten geeignet ist. Dieser wird durch die Neukonstruktion des Drehtisches in die Tischebene integriert.

Zum automatischen Betrieb des Regelsystems wird eine Software-Bibliothek in der Programmierumgebung Agilent VEE erstellt. Mit der gleichen Software wird ein automatisiertes Prüfprogramm entwickelt, um das Kontrollsignal auf Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei Sinusanregung zu charakterisieren. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Charakterisierung des Gesamtsystems nach Realisierung der Verbesserungsmaßnahmen. Das System wird auf die Parameter Drehrate, Massenträgheit und Arbeitsfrequenzbereich spezifiziert. Diese nehmen Einfluss auf die Genauigkeit des Prüfstands. Die Anforderungen an die Genauigkeit und den Arbeitsfrequenzbereich werden vollkommen erfüllt. Im Vergleich zur Konzeptstudie wird eine Bandbreite von 200Hz bis 3,2kHz mit einer Genauigkeit < 6% erreicht.

Abschließende Testmessungen mit zwei Sensortypen bestätigen die Funktionalität des Prüfstands.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2010
Autor(en): Schulmeister, Michael
Titel: Entwicklung eines Messverfahrens zur Prüfung der Empfindlichkeit von Inertialsensoren auf Drehschwingungen
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

In Fahrdynamikregelsystemen kommen zur Erfassung der Gierbewegung des Kraftfahrzeugs mikromechanische Drehratensensoren zum Einsatz. Diese zeigen häufig eine Störempfindlichkeit bei hochfrequenten Drehschwingungen.

Im Fahrzeug treten diese Störungen z.B. durch schwingende Karosserieteile auf. Um dieses Verhalten grundsätzlich untersuchen zu können, soll ein bereits als Konzeptstudie bestehender Prüfplatz zur Erzeugung von hochfrequenten Drehschwingungen eingesetzt werden. Ziel ist die Erzeugung einer Drehrate von 10°/s in einem Frequenzbereich von 300Hz bis 3kHz bei einer Amplitudengenauigkeit < 15%. Innerhalb einer messtechnischen Fehleranalyse des Prüfplatzaufbaus wird deutlich, dass die Anforderungen an das System nicht erfüllt werden. Bei sinusförmiger Anregung erreicht das Übertragungsverhalten in einem Frequenzbereich von 50Hz bis 2kHz nur eine Amplitudengenauigkeit von 41%.

Um in den geforderten Bereich vorzudringen, werden die Defizite des Systems analysiert. Die Hauptursachen sind Abweichungen bzw. Störungen in zwei funktionsbestimmenden Blöcken: Das Regelsystem und die Messeinrichtung zur Rückführung der Regelgröße.

In einer anschließenden Konzeptphase wird eine Gesamtlösung für die ermittelten Defizite erarbeitet. Durch die Integration eines vorhandenen Schwingregelsystems für Linearschwinger wird die Regelgröße in einem bestimmten Radius translatorisch erfasst. Für die Messeinrichtung werden die Erfassungsmöglichkeiten der mechanischen Messgrößen Auslenkung, Geschwindigkeit und Beschleunigung betrachtet und bewertet. Nach sorgfältiger Prüfung wird die Beschleunigung als Messgröße gewählt. Durch eine Bewertung der bekannten physikalischen Wirkprinzipien zeigt sich, dass ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor für die Erfassung von hochfrequenten Schwingungen am besten geeignet ist. Dieser wird durch die Neukonstruktion des Drehtisches in die Tischebene integriert.

Zum automatischen Betrieb des Regelsystems wird eine Software-Bibliothek in der Programmierumgebung Agilent VEE erstellt. Mit der gleichen Software wird ein automatisiertes Prüfprogramm entwickelt, um das Kontrollsignal auf Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei Sinusanregung zu charakterisieren. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Charakterisierung des Gesamtsystems nach Realisierung der Verbesserungsmaßnahmen. Das System wird auf die Parameter Drehrate, Massenträgheit und Arbeitsfrequenzbereich spezifiziert. Diese nehmen Einfluss auf die Genauigkeit des Prüfstands. Die Anforderungen an die Genauigkeit und den Arbeitsfrequenzbereich werden vollkommen erfüllt. Im Vergleich zur Konzeptstudie wird eine Bandbreite von 200Hz bis 3,2kHz mit einer Genauigkeit < 6% erreicht.

Abschließende Testmessungen mit zwei Sensortypen bestätigen die Funktionalität des Prüfstands.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Amplitudenregelung, Drehratensensor, Drehschwingungserzeugung, Winkelgeschwindigkeitsmessung
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 05 Sep 2011 14:04
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1716

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 03-06-2009

Ende Datum: 02-03-2010

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKD 1716
Gutachter / Prüfer: Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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