DE102004016196B4 - Vorrichtung und Verfahren zum intermittierenden Antrieb und Analyse eines elektromechanischen Systems - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum intermittierenden Antrieb und Analyse eines elektromechanischen Systems Download PDF

Info

Publication number
DE102004016196B4
DE102004016196B4 DE102004016196A DE102004016196A DE102004016196B4 DE 102004016196 B4 DE102004016196 B4 DE 102004016196B4 DE 102004016196 A DE102004016196 A DE 102004016196A DE 102004016196 A DE102004016196 A DE 102004016196A DE 102004016196 B4 DE102004016196 B4 DE 102004016196B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
computer
analysis
electromechanical system
memory
excitation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE102004016196A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102004016196A1 (de
Inventor
Klaus Dr. Petry
Matthias Balzer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Karlsruhe GmbH filed Critical Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority to DE102004016196A priority Critical patent/DE102004016196B4/de
Publication of DE102004016196A1 publication Critical patent/DE102004016196A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102004016196B4 publication Critical patent/DE102004016196B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/348—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor with frequency characteristics, e.g. single frequency signals, chirp signals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/30—Arrangements for calibrating or comparing, e.g. with standard objects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/341—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor with time characteristics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/36—Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/42—Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by frequency filtering or by tuning to resonant frequency
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/46—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by spectral analysis, e.g. Fourier analysis or wavelet analysis
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/044—Internal reflections (echoes), e.g. on walls or defects

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)

Abstract

Vorrichtung zum intermittierenden Antrieb und Analyse eines elektromechanischen Systems (6), bestehend aus:
einem elektronischen Rechner (1),
einem Antriebszweig, der am Speicherausgang des Rechners (1) beginnt, zu einem Digital-Analog-Wandler (2) führt, von dort zu einer Leistungsendstufe (4) mit einem dazwischen geschalteten Tiefpassfilter (3) geht,
einem Analyse-/Rückkopplungszweig, der mit einem Verstärker (7) beginnt, auf den ein Tiefpassfilter (8) folgt und über einen Analog-Digital-Wandler (9) zu einem Analyse-/Rückkopplungseingang am Rechner (1) gelegt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass:
der Antriebs- und Analyse-/Rückkopplungszweig auf jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluss eines Umschalters (5) geführt sind, dessen umschaltbarer Anschluss mit dem elektromechanischen System (6) verbunden ist,
in dem elektronischen Rechner (1) der Speicher, eine Entscheidungs- und Steuerlogik sowie ein spektraler Frequenzanalysator miteinander verknüpft sind,
der Analyse-/Rückkopplungseingang auf den Eingang des Spektrum-/FFT-Analysators im Rechner (1) gelegt ist,
die Steuerausgänge der Steuerlogik im Rechner (1) mit dem D/A-Wandler (2) des...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung/Unterdrückung unerwünschter Schwingungsmodi eines elektromechanischen Systems und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Ein bekannter Vertreter eines elektromechanischen Systems, das in seiner Eigenschaft als elektromechanischer Wandler entweder als Aktor – motorischer Betrieb – oder als Sensor – generatorischer Betrieb – oder in einer Kombination Sensor/Aktor betrieben werden kann, ist ein Piezokristall, Piezoxid, oder ein mit Hilfe einer Piezokeramik aufgebauter elektroakustischer Wandler, Schall- und Ultraschallwandler, oder ein mechanischer Geber, ein Aktor. Ein solches System, ein solcher Wandler ist in der Lage, mehrere Schwingungsmodi gleichzeitig auszuführen. Der Piezokristall verformt sich im Rhythmus der angelegten Spannung und wird dabei zu Schwingungen angeregt. Je nach Form der Piezokeramik und spektraler Bandbreite des angelegten Spannungsverlaufes, Spektrum der Anregungsfrequenzen, werden dabei verschiedene Schwingungsmodi angeregt, im Falle einer piezokeramischen Scheibe z.B. Radial- und Dickenschwingungsmodi. 2 zeigt die Resonanzfrequenzen, Radial- und Dickenresonanz, einer solchen piezokeramischen Scheibe. Kunststoffe, die ein gleiches Verhalten wie eine Piezokeramik besitzen, sind ebenfalls bekannt.
  • In der EP 1 238 715 A1 wird ein vielfrequenter ultraschallstrukturtierter Treiber beschrieben. Es wird über einen vielfrequenten Hochleistungstreiber berichtet, der fähig ist anzuregen und ausschwingen zu lassen. Vielmodige mechanische Schwingungen in beliebigen Hochleistungs-, Massiv- und starren System werden durch pulswiederholte, phasen-, frequenz-, und amplitudenmodulierte Wellenpakete erregt.
  • Die Last für den vielfrequenten Ultraschall-Hochleistungstreiber ist ein Ultraschallwandler, der über einen akustischen Wellenleiter mit der akustischen Last, dem Ultraschallreaktor, dem schwingfähigen mechanischen System, der eigentlichen Last, starr gekoppelt ist. Eine Rückkopplung besteht von dieser eigentlichen Last zur vielfrequenten Ultraschallleistungsquelle über einen akustischen Sensor, mit dem die Amplitude der Erregung in der akustischen Last D gemessen/erfasst und an die Ultraschall-Energiequelle A über den Rückkopplungsweg weitergeleitet wird.
  • Der Leistungskreis samt Rückkopplung ist ein Analogsystem. Bei verschiedenen diskreten Frequenzen wird Ultraschallenergie abgegeben, die die eigentliche Last zu mechanischen Schwingungen harmonisch oder subharmonisch anregt. Es wird kein Anregungsimpuls, fourieranalytisch begründet, synthetisiert. Eine Erregung mit ausgewählter Pulsform erfolgt nicht. Weil ein Analogsystem, wird nur mit pulsmodulierter Vielfrequenzanregung gefahren. Eine Frequenzanalyse wird nicht durchgeführt, so dass auch keine beliebige Pulssynthese erfolgen kann.
  • In der DE 37 02 355 A1 wird ein Ultraschall-Abbildungsgerät mit einem Zweikanal-Ultraschallwandler zum Senden und Empfangen einer Hochfrequenz-Ultraschallwelle zur Gewinnung eines B-Modus-Bildes sowie einer Niederfrequenz-Ultraschallwelle zur Gewinnung eines Doppler-Modus-Bildes vorgestellt. Hinzu kommt eine Sendeschaltung zum Ansteuern des Ultraschallwandlers im B-Modus und im Doppler-Modus für die Ausstrahlung eines Ultraschallstrahls. Eine Empfangsschaltung wird zum Verarbeiten eines Hochfrequenz-Echosignals entsprechend dem B-Modus sowie zum Ausgeben eines B-Modus-Bildsignals und eines Doppler-Modus-Bildsignals sowie eine Wiedergabe- oder Anzeigeschaltung zum Wiedergeben der B-Modus- und Doppler-Modus Bildsignale von der Empfangsschaltung als Tomographiebild eines Untersuchungs- Objekts bzw. als Blutströmungsgeschwindigkeitsdaten eingesetzt.
  • In der Sache geht es bei den zitierten und abgehandelten Literaturstellen um frequenzdiskrete Erregung und der daraus folgenden Antwort des erregten Systems.
  • Die Eigenschaft eines elektromechanischen Systems, mehrere Schwingungsmodi gleichzeitig ausführen zu können, wirkt sich mitunter sehr störend aus. Besteht ein solches elektromechanisches System aus einem Ultraschallsensor, wäre es wünschenswert, dass so genannte Nebenschwingungsmodi nicht angeregt werden, da deren Frequenzanteile das eigentliche Nutzsignal, Schallsignal in einer Hauptresonanzfrequenz, überlagern. Aufgrund dieser Überlagerung wird die messtechnische Erfassung des Nutzsignals erschwert und bedarf in der Regel einer Filterung.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromechanisches System oder gleichbedeutend einen elektromechanischen Wandler so anzuregen, dass ein Energietransfer in das schwingungsfähige System spektral nur auf der oder denjenigen Frequenzen erfolgt, in der oder denen es betrieben werden soll.
  • Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und dem Verfahren gemäß Anspruch 4 gelöst.
  • Das elektromechanische System wird einerseits im motorischen Betrieb, der Anregung, von einem Speicher eines Rechners er-/angeregt. Der Rechner selbst ist aus einem Speicherbaustein, einem verknüpfenden Logikbaustein und einem analysierenden FFT-Baustein aufgebaut. Der Ausgang des Speichers wirkt auf einen Digital-Analog-Wandler, dessen Ausgang zumindest mittelbar über eine Leistungsendstufe mit einer selektiven, spektral abgestimmten Anregungsspannung das elektromechanische System erregt. Andrerseits besteht ein Zweig von dem elektromechanischen System zum Eingang an den Rechnerbaustein zur spektralen Frequenzanalyse, der diskreten oder schnellen Fouriertransformation (DFT oder FFT) nach Anspruch 3, vor, über den das sich überlassene elektromechanische System hinsichtlich seines auslaufenden Frequenzverhaltens, der Erregungsantwort, analysiert wird. Ein von der Logik im Rechner gesteuerter Umschalter steuert das angeschlossene elektromechanische System von der motorischen Anregung in die Rückkopplung, den generatorischen Betrieb und umgekehrt. Dieser Rückkopplungszweig besteht aus dem an den Umschalter angeschlossenen Verstärker, gefolgt von einem Tiefpass und einem Analog-Digital-Wandler, der auf den frequenzanalysierenden Baustein im Rechner geführt ist.
  • Nach Anspruch 5 wird das elektromechanische System minimalspektral ange-/erregt. Der zeitliche Verlauf ist dabei aus mindestens drei Zeitbereichen zusammengesetzt, nämlich dem bei null zumindest stetig beginnenden Einschwingbereich, dem zumindest mit stetigem Übergang folgenden, mindestens aus einer sinusförmigen Grundschwingung bestehenden Hauptbereich und dem sich zumindest mit stetigem Übergang anschließenden Abklingbereich, der zu null hin zumindest stetig abklingt. Damit wird spezifisch bzw. frequenzspezifisch angeregt. Zur motorischen Anregung des elektromechanischen Systems werden Funktionen, Wellenzüge, herangezogen, die hinsichtlich ihres Frequenzspektrums auf das anzuregende System angepasst sind. Diese synthetisch erzeugten Funktionen werden über die Digital-Analogstufe im Anregungszweig, nach optionaler Filterung mit dem Tiefpassfilter (Anspruch 2) der Leistungsendstufe zugeführt, welche an das elektromechanische System bzw. den elektromechanischen Wandler angeschlossen ist. Das optionale Tiefpassfilter kann entfallen, wenn für die in Folge der Quantisierung bei der D/A-Wandlung entstandenen Spektralanteile keine entsprechenden Schwingungsmodi im elektromechanischen System vorhanden sind, die angeregt werden könnten. Das Tiefpass filter nach der DR-Wandlung entspricht einem Anti-Aliasing-Filter für einen A/D-Wandler.
  • Die im Speicher hinterlegten Anregungsfunktionen besitzen nur Spektralanteile, die eine Anregung des elektromechanischen Systems in mindestens derjenigen Frequenz ermöglicht, die als Hauptarbeitsfrequenz des Wandlers identifiziert und deklariert wurde. Das wird auch als harmonisierte Ansteuerung bezeichnet. Aufgrund der abgestimmten und minimierten Spektralanteile der Anregungsfunktion wird ein Energietransfer von der Leistungsstufe in den Wandler auf unerwünschten Frequenzen in unerwünschte Schwingungsmodi minimiert und hierdurch das Verhältnis von Nutz- zu Störsignalen, SNR-Signal to Noise Ratio, bzw. SINAD-Signal Over Noise And Distortion, vergrößert. Dadurch ergibt sich ein geringerer Leistungsbedarf bei der Ansteuerung des Wandlers und infolge die Möglichkeit, elektronische Leistungsendstufen zu miniaturisieren und direkt am DA-Wandler beispielsweise im Sensor- oder Aktorgehäuse zu integrieren.
  • Durch das Verfahren ist es möglich, im Bereich der Ultraschallsensorik, z.B. zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, Medizintechnik, besonders schwache Echosignale noch aufzulösen und zu detektieren. Diese schwachen Echosignale gehen bei bisheriger, konventioneller Breitbandansteuerung des Systems/Wandlers in einem zu hohen Rausch- und Störfrequenzpegel unter.
  • Für den motorischen Betrieb wird das elektromechanische System möglichst schmalbandig angeregt, um einen Mode bevorzugt anzuregen und andrerseits den Energieübertrag optimal zu gestalten. Darauf ist die Anregung aber nicht beschränkt. Zur Analyse des Systems ist es von Interesse, seinen Frequenzgang zu kennen. Deshalb wird nach Anspruch 6 das elektromechanische-System zur Kalibrierung in vorgegebenen Zeitabständen mit einer breitbandigen Anregung erregt und nach Abschalten der Anregung über den Umschalter das Ausschwingen/-klingen – die Antwort – über den Rückkopplungsweg das Übertragungsverhalten des elektromechanischen Systems und des Rückkopplungswegs spektral über die DFT oder FFT frequenzanalysiert. In diesem Fall ist die Anregung ein Diracstoß oder Nadelpuls als spektral breitestbandige Funktion oder spektral nicht so breitbandige Funktionen jedoch immer noch unstetig wie ein Rechteckpuls oder ein Rechtecksprung. Ist der spektrale Bereich der Untersuchung in etwa bekannt, können auch spektral noch weniger breitbandige aber geeignete steige Funktionen zur Analyse herangezogen werden, Dreiecksfunktionen, hin bis zu glatten Funktionen. Solche Funktionen sind im Speicher des Rechners etwa in einer sogenannten Look-Up-Tabelle, LUT, abgelegt oder werden dort erzeugt (Anspruch 7). Allerdings führen durch Breitbandanregung erzeugte Ultraschallfrequenzen bei einem Standard-Puls-Echo-System zu einer Interferenz von Echos verschiedener Frequenzen und Laufzeiten und schlussendlich zu einer verschlechterten Detektierbarkeit des Nutzsignals, wegen des erhöhten Grundstörpegels im Echo-Empfangszeitraum.
  • Die Augenblickswerte der Anregungsfunktion werden in äquidistanten Zeitabschnitten aus dem Speicher ausgelesen. Die Auslesefrequenz ist nach dem Shannon-Abtast-Theorem mindestens gleich der zweifachen Frequenz der im Gesamtsystem in nennenswertem Masse vorkommenden höchsten Frequenz.
  • Durch das Verfahren ist es möglich, hochwertige Ultraschall-Sensor-Systeme herzustellen, die als Schallwandler piezokeramische oder mit diesen artverwandte Transducer verwenden, die systembedingt auf mehreren Schwingungsmodi angeregt werden können. Dieser Betrieb von Wandlern wird auch als dynamischer Betrieb bezeichnet. Die Vorrichtung und das damit ausgeführte Verfahren sind beispielsweise für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, NDT- Non Distructiv Testing, oder in der Medizintechnik geeignet. Auch lässt es sich bei der Nachrichtenübertragung mit Ultraschall einsetzen. Durch eine in der Band breite begrenzte Ansteuerung des Systems/Wandler lässt sich der Signal-Stör-Abstand in der gesamten Übertragungsstrecke erhöhen und damit z.B. die Signalqualität und Reichweite vergrößern.
  • Mit der Vorrichtung und dem Verfahren können auch piezokeramischen Aktoren, z.B. Hydraulikventile, Stellglieder, in technisch ausgezeichneter Art und Weise betrieben werden, weil die zu betreibenden Systeme oder Wandler im statischen oder quasistatischen Betrieb, gezielt, weit weg von einer Resonanzstelle betrieben werden können. Durch spektral gezielte Ansteuerfunktionen lassen sich Überschwingungen minimieren und hierdurch Schalt- und Stellvorgänge zuverlässig entprellen und damit präzisieren. Es ist sogar möglich, die Ansteuerung von Wandlern und damit Aktoren mit einem abgestimmten Einschwing- und Abklingfunktionsabschnitt zu betreiben.
  • In der Vorrichtung sind Speicher und Ausleselogik in einem programmierbaren Baustein zusammen gefasst, in der Fachwelt auch als FPGA = Field Programmable Gate Array oder ASIC = Application Specific Integrated Circuit bezeichnet. Ein diskreter Aufbau dieser Funktionsgruppen ist möglich (Anspruch 3).
  • Mit dem Umschalter wird die Anregungseinheit, zusammengefasst als digitaler Funktionsgenerator mit Leistungsstufe, elektrisch vom elektromechanischen System nach der Anregung getrennt und mit dem Eingang des Signalverstärkers verbunden. Diese elektrische Trennung des elektromechanischen Systems von seiner Anregungseinheit dient der Vermeidung eines Einflusses durch die Anregungseinheit nach Ende des motorischen Betriebes des Wandlers, z.B. Kurzschluss oder Dämpfung, und sichert einen von der Ansteuervorrichtung einflussfreien generatorischem Betrieb des Systems/Wandlers als Mikrophon oder Aufnehmer.
  • Mit Hilfe der Spektralanalyse, weil in der Vorrichtung als On-Board-Spektralanalyse vorhanden, kann eine Systemanalyse und nachfolgende Sensorkalibrierung durchgeführt werden. Hierzu wird das im Nachlauf des elektromechanischen Systems, dem Nachschwingen, vorhandene und/oder bei einer Anwendung als Sensor im Schall-/Echoverlauf enthaltene Frequenzspektrum mit der Spektralinformation der eigentlichen Ansteuerungsfunktion verglichen. Dadurch sind Rückschlüsse auf den Wandlerbetrieb möglich, wie z.B.:
    • • Detektion von Verzerrungen und Nichtlinearitäten von Wandler und Leistungsstufe
    • • Detektion von Fremdstörungen,
    • • Ermittlung eines frequenzabhängigen Absorptionsverhaltens von Messmedien, z.B. Fluiden,
    • • Kontrolle des Wandlerwirkungsgrades, wegen Verschmutzung, Alterung beispielsweise,
    • • Kontrolle der Wandler-Resonanzfrequenz, etwa wegen Drift durch Temperaturänderung.
  • Insbesondere die Kontrolle einer temperaturabhängigen oder sich durch sonstige Einflüsse verändernde Wandlerresonanzfrequenz lässt sich detektieren, wenn in bestimmten Betriebszeitabständen neben der harmonisierten, minimalspektralen Anregung breitbandige Kalibrierungsanregungen durchgeführt werden.
  • Die Breitbandanregung ermöglicht in diesem Fall eine nachfolgende Detektion der genauen Resonanzfrequenz über die FFT/DFT-Analyse des Nachschwingens oder eines Echos. Im Falle der Breitbandanregung tritt spektral nach der FFT/DFT-Analyse diejenige Frequenz mit größter Amplitude in Erscheinung, bei der der Wandler seine am stärksten ausgeprägte Resonanz besitzt. Nach Feststellung der Resonanzstelle erfolgt eine Parametrierung des digitalen Funktionsgenerators auf die aktuell ermittelte optimale Betriebsfrequenz für die Anregung, des mittleren Bereichs II (sinusförmiger Hauptbereich in der Ansteuerung - 3), mit der die nachfolgende Ansteuerung dann vorgenommen wird. Die Parametrierung ermittelt der Rechner 1 anhand eines Algorithmus oder aus der Tabelle, der LUT-Table. Sind die Abstände zwischen Kalibrierung und hiervon abgeleiteter nachfolgender Ansteuerung entsprechend kurz gewählt, kann unter Berücksichtigung der möglichen äußeren Systemeinflüsse, z.B. Störungen, davon ausgegangen werden, das sich das Systemverhalten in diesen entsprechend kurzen Totzeiten nicht wesentlich ändert. Die Rückkopplung über eine FFT-Analyse bildet damit den geschlossenen Regelkreis zur System-/Wandleransteuerung. Die Vorrichtung mit angeschlossenem elektromechanischem System/Wandler bildet einen prognostizierenden, mit einer Totzeit behafteten Regler.
  • Es wurde die Anregung, Analyse und dynamische Regelung eines elektromechanischen Systems beschrieben, wie einer Piezokeramik beispielsweise. Jedoch sind das Verfahren und die Vorrichtung nicht auf derartige Systeme beschränkt. Beide, Verfahren und Vorrichtung, können überall dort eingesetzt werden, wo Systeme zu mehr als einer Schwingungsform angeregt werden können, aber eine oder mehrere bestimmte zentrale Frequenzen in der Anregeung bevorzugt werden sollen. Eine gleichzeitige Anregung z.B. von zwei gewünschten Schwingungsmodi würde über eine Anregefunktion bewerkstelligt werden, die nur Spektralanteile von diesen zwei Frequenzen enthält. Verfahren und Vorrichtung sind nicht auf bestimmte Frequenzbereiche begrenzt, z.B. nur Schall- oder Ultraschallfrequenzen. Eine Limitierung ergibt sich technisch nur aus der Tatsache, dass die synthetisch, digital erzeugten Anregungsfunktionen das Shannon-Abtasttheorem erfüllen, d.h. die Wandlungsfrequenz des D/A-Wandlers Samplingrate) mindestens der zweifachen Frequenz entspricht, die in der generierten Anregungsfunktion nach vorheriger Filterung als höchste Frequenz enthalten sein soll. Identische Forderungen ergeben sich an die A/D-Wandlerstufe des FFT-Moduls.
    •
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbildes einer erfindungsgemäßen Anordnung mit optionaler FFT-Rückkopplungseinheit zur Bildung einer Regelstrecke;
  • 2 einen typischen Admittanz-Verlauf eines piezokeramischen Elementes mit seinen zahlreichen Serien- und Parallel-Resonanzfrequenzen (zahlreiche mögliche Schwingungsmodi);
  • 3 einen beispielhaften schematischen Verlauf der Anregungsspannung eines elektromechanischen Systems am Beispiel eines Ultraschallwandlers, zur harmonisierten, minimalspektralen Anregung;
  • 4 einen typischen Verlauf des Echosignal-Frequenzspektrums eines Ultraschallsensors mit konventioneller Breitbandansteuerung, Impulsanregung;
  • 5 einen typischen Verlauf des Echosignalspektrums desselben Ultraschallsensors aus 4 mit Anregung durch eine harmonisierte minimalspektrale Ansteuerfunktion wie in 3 wiedergegeben.
  • Nach 1 ist der mit der Ausleselogik verbundene Speicher, zusammengefasst in dem FPGA 1 mit dem D/A-Wandler 2 verbunden. Im Speicher selbst ist in digitaler Form die für den gewünschten harmonisierten Betrieb des elektromechanischen Systems 6 nach 3 gestaltete Anregungsfunktion abgelegt. Dem am Aus gang des D/A-Wandlers 2 anliegenden Signal 2' werden über das Tiefpassfilter 3 die durch die D/A-Wandlung selbst entstandenen Spektralanteile entzogen, soweit sie selbst zu einer ungewünschten Anregung des elektromechanischen Systems 6 führen können. Das durch den Tiefpass 3 gefilterte Signal 3' wird über die Leistungsendstufe 4 und über den elektronischen Umschalter 5 dem elektromechanischen System 6, z.B. ein Schallwandler, zugeführt. In der Phase der Anregung ist das elektromechanische System elektrisch mit der Leistungsendstufe 4 verbunden. Nach der Anregung wird die Leistungsendstufe 4 über den elektronischen Schalter 5 getrennt und das elektromechanische System mit dem Signalverstärker 7 verbunden. Das vom Signalverstärker gelieferte Signal 7' wird über das Anti-Aliasing-Filter 8, ein Tiefpass, dem A/D-Wandler 9 zugeführt und darin digitalisiert. Die im Anschluss an die Anregung im elektromechanischen System generierten Signale, z.B. durch mechanisches Nachschwingen, (Ultra-)Schall-Echos, mechanische bzw. akustische Störungen etc., werden aufgezeichnet und innerhalb des FPGA1 einer FFT/DFT unterzogen. Anhand der durch den generatorischen Betrieb des elektromechanischen Systems erhaltenen Spektralinformationen sind Rückschlüsse auf das Gesamtsystem und eine optimierte Betriebsregelung gegeben.
  • Für den Betrieb des elektromechanischen Systems/Wandlers 6 lassen sich zwei Betriebsarten unterscheiden:
  • Betriebsart i ohne Rückkopplung:
    • • Prinzip: Ansteuerung eines Aktors mit einer harmonisierten Anregungsfunktion zur Minimierung unerwünschter Schwingungsmodi und dadurch minimierter Energietransfer in unerwünschte Schwingungsformen.
    • • Wandlerfunktion: Aktor im rein motorischen Betrieb.
    • • Kennzeichen: Kein FFT/DFT-Analysebaustein vorhanden, keine Rückkopplung, kein elektronischer Umschalter 5 notwendig.
  • Betriebsart ii geregelt, mit Rückkopplung:
    • • Prinzip: Ansteuerung eines kombinierten Aktors/Sensors, z.B. Ultraschallwandler mit einer harmonisierten Anregungsfunktion zur Minimierung unerwünschter Schwingungsmodi und Nachführung der Betriebsparameter mittels Rückkopplung.
    • • Wandlerfunktion: Aktor im motorischen Betrieb und Sensor im generatorischer Betrieb.
    • • Kennzeichen: Diagnose und Nachregelung über die Rückkopplung (siehe 1). Die Rückkopplung erfolgt über die während dem generatorischen Betrieb des elektromechanischen Systems mittels FFT/DFT gewonnen Signalinformationen und einer von der Spektralverteilung und amplitudenabhängigen Änderung der Parameter für den motorischen Betrieb, z.B. Frequenznachführung.

Claims (7)

  1. Vorrichtung zum intermittierenden Antrieb und Analyse eines elektromechanischen Systems (6), bestehend aus: einem elektronischen Rechner (1), einem Antriebszweig, der am Speicherausgang des Rechners (1) beginnt, zu einem Digital-Analog-Wandler (2) führt, von dort zu einer Leistungsendstufe (4) mit einem dazwischen geschalteten Tiefpassfilter (3) geht, einem Analyse-/Rückkopplungszweig, der mit einem Verstärker (7) beginnt, auf den ein Tiefpassfilter (8) folgt und über einen Analog-Digital-Wandler (9) zu einem Analyse-/Rückkopplungseingang am Rechner (1) gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass: der Antriebs- und Analyse-/Rückkopplungszweig auf jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluss eines Umschalters (5) geführt sind, dessen umschaltbarer Anschluss mit dem elektromechanischen System (6) verbunden ist, in dem elektronischen Rechner (1) der Speicher, eine Entscheidungs- und Steuerlogik sowie ein spektraler Frequenzanalysator miteinander verknüpft sind, der Analyse-/Rückkopplungseingang auf den Eingang des Spektrum-/FFT-Analysators im Rechner (1) gelegt ist, die Steuerausgänge der Steuerlogik im Rechner (1) mit dem D/A-Wandler (2) des Antriebszweiges und dem Umschalter (5) verbunden sind, um das elektromechanische System (6) intermittierend mit dem Antriebs- oder dem Analyse- /Rückkopplungszweig zu verbinden.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Digital-Analog-Wandler (2) und der Leistungsendstufe (4) ein Tiefpass (3) geschaltet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass: der Rechner (1) mit seiner Gruppe aus Speicher, Logik und Frequenzanalyse aus einem programmierbaren Baustein, Field Programable Gate Array, FPGA, oder einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, Application Specific Integrated Circuit, ASIC, oder die Gruppe aus Speicher, Logik und Frequenzanalyse diskret aufgebaut ist, wobei der Baustein zur Spektralanlyse eine diskrete Fouriertransformation, DFT, oder eine schnelle Fouriertransformation, FFT, der Antwort des elektromechanischen Systems (6) durchführt.
  4. Verfahren zur Verringerung/Unterdrückung unerwünschter Schwingungsmodi eines elektromechanischen Systems (6), das über einen Umschalter intermittierend an einen von einem Rechner kommenden Antriebszweig und an einen zu dem Rechner führenden Analyse-/Rückkopplungszweig angeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass: das elektromechanische System in zwei Betriebsmodi gefahren wird, nämlich dem motorischen Betrieb zum Erregen des elektromechanischen Systems (6) und dem generatorischen Betrieb zum Analysieren des Zustandes des elektromechanischen Systems (6), wobei: im motorischen Betrieb das elektromechanische System (6) mittels einer im Speicher des Rechners (1) gespeicherten selektiven, spektral abgestimmt schmalbandigen Funktion über die Leistungsendstufe (4) zur Ausgabe einer entsprechenden Anregungsspannung (4') erregt wird, im generatorischen Betrieb zur Spektral-/Resonanzanalyse die im elektromechanischen System (6) nach einer weiteren breitbandigen Anregung enthaltene Schwingungsenergie in einem Baustein zur spektralen Frequenzanalyse im Rechner (1) zurückgeführt wird, um das elektromechanische System (6) durch Entscheidung in einem Logikbaustein in dem Rechner (1) vom Speicher im Rechner (1) aus erneut dynamisch angepasst anzuregen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass: die minimalspektrale Anregungsspannung (4') für das elektromechanische System (6) aus mindestens drei Zeitbereichen (I), (II), (III) zusammengesetzt wird: dem bei null zumindest stetig beginnenden Einschwingereich (I), dem zumindest mit stetigem Übergang folgenden, mindestens aus einer sinusförmigen Grundschwingung bestehenden Hauptbereich (II) und dem sich zumindest mit stetigem Übergang anschließenden Abklingbereich (III), der zu null hin zumindest stetig ausläuft.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung in vorgegebenen Zeitabständen eine breitbandi ge Anregung mit bis zu einem Diracstoß oder einer Sprungfunktion vom Speicher des Rechners (1) zur Anregung des elektromechanischen Systems (6) ausgegeben und nach Abschalten der Anregung über den Umschalter (5) das Ausschwingen – die Antwort – über den Rückkopplungsweg (7, 8, 9) das Übertragungsverhalten des elektromechanischen Systems (6) und des Rückkopplungswegs (7, 8, 9) über den frequenzanalysierenden Baustein spektral über eine diskrete Fouriertransformation, DFT, oder eine schnelle Fouriertransformation, FFT, analysiert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die anregenden, digital erzeugten Funktionen im Rechner (1) berechnet werden oder die anregenden, digitalen Funktionen aus einer im Speicher integrierten Tabelle, Look Up Table, LUT, entnommen werden.
DE102004016196A 2004-04-01 2004-04-01 Vorrichtung und Verfahren zum intermittierenden Antrieb und Analyse eines elektromechanischen Systems Expired - Fee Related DE102004016196B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004016196A DE102004016196B4 (de) 2004-04-01 2004-04-01 Vorrichtung und Verfahren zum intermittierenden Antrieb und Analyse eines elektromechanischen Systems

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004016196A DE102004016196B4 (de) 2004-04-01 2004-04-01 Vorrichtung und Verfahren zum intermittierenden Antrieb und Analyse eines elektromechanischen Systems

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102004016196A1 DE102004016196A1 (de) 2005-11-03
DE102004016196B4 true DE102004016196B4 (de) 2007-05-31

Family

ID=35070364

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102004016196A Expired - Fee Related DE102004016196B4 (de) 2004-04-01 2004-04-01 Vorrichtung und Verfahren zum intermittierenden Antrieb und Analyse eines elektromechanischen Systems

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102004016196B4 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012009210A1 (de) * 2012-05-10 2013-11-14 Helmut Obieglo Ansteuerung eines PIEZO - Glements
EP3857185B1 (de) * 2018-09-26 2022-02-16 Meowell Gmbh Verfahren und vorrichtung zur akustischen messung in einer rohrleitung

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010036257A1 (de) 2010-09-03 2012-03-08 Epcos Ag Verfahren zur Kontrolle von Biegeschwingungen eines Piezoaktuators
DE102010061790A1 (de) 2010-11-23 2012-05-24 Robert Bosch Gmbh Digitale Ansteuerung für ein mikro-elektromechanisches Element
DE102013007962B4 (de) * 2013-05-10 2018-11-22 Audi Ag Verfahren zum Einwirken auf eine Bewegungs-Kraft-Charakteristik eines Betätigungselements sowie manuelle Eingabevorrichtung mit einem Betätigungselement
DE102014217419A1 (de) * 2014-09-01 2016-03-03 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers
DE102015112410A1 (de) 2015-07-29 2017-02-02 Epcos Ag Verfahren zur Frequenzregelung eines piezoelektrischen Transformators sowie Schaltungsanordnung mit einem piezoelektrischen Transformator
KR20210105053A (ko) * 2020-02-18 2021-08-26 에스케이하이닉스 주식회사 연산 회로 및 그것을 포함하는 딥 러닝 시스템

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3702355A1 (de) * 1986-01-28 1987-07-30 Toshiba Kawasaki Kk Ultraschallabbildungsgeraet
EP0378651B1 (de) * 1988-07-08 1993-10-13 Endress + Hauser Flowtec AG Verfahren und anordnung zur durchflussmessung mittels ultraschallwellen
DE4341073A1 (de) * 1993-12-02 1995-06-08 Daimler Benz Ag Schwingungsmotor und Verfahren zur Steuerung eines Schwingungsmotors
DE19742661A1 (de) * 1996-10-11 1998-04-16 Aisan Ind Steuervorrichtung zum intermittierenden Antrieb eines Aktuators, Pulverzufuhrvorrichtung und Servosystem mit Verwendung der Steuervorrichtung
US5922956A (en) * 1997-06-23 1999-07-13 Rhodes; George W. Dynamic ultrasonic resonance testing
EP1238715A1 (de) * 2001-03-05 2002-09-11 Prokic Miodrag Multifrequenz-Ultraschall-Betätigungsvorrichtung für Aufbaukomponente
DE4329246C2 (de) * 1993-08-31 2002-10-24 Eckard Mommertz Verfahren zur Bestimmung der frequenzabhängigen Reflexionseigenschaften von Wandmaterialien

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3702355A1 (de) * 1986-01-28 1987-07-30 Toshiba Kawasaki Kk Ultraschallabbildungsgeraet
EP0378651B1 (de) * 1988-07-08 1993-10-13 Endress + Hauser Flowtec AG Verfahren und anordnung zur durchflussmessung mittels ultraschallwellen
DE4329246C2 (de) * 1993-08-31 2002-10-24 Eckard Mommertz Verfahren zur Bestimmung der frequenzabhängigen Reflexionseigenschaften von Wandmaterialien
DE4341073A1 (de) * 1993-12-02 1995-06-08 Daimler Benz Ag Schwingungsmotor und Verfahren zur Steuerung eines Schwingungsmotors
DE19742661A1 (de) * 1996-10-11 1998-04-16 Aisan Ind Steuervorrichtung zum intermittierenden Antrieb eines Aktuators, Pulverzufuhrvorrichtung und Servosystem mit Verwendung der Steuervorrichtung
US5922956A (en) * 1997-06-23 1999-07-13 Rhodes; George W. Dynamic ultrasonic resonance testing
EP1238715A1 (de) * 2001-03-05 2002-09-11 Prokic Miodrag Multifrequenz-Ultraschall-Betätigungsvorrichtung für Aufbaukomponente

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012009210A1 (de) * 2012-05-10 2013-11-14 Helmut Obieglo Ansteuerung eines PIEZO - Glements
EP3857185B1 (de) * 2018-09-26 2022-02-16 Meowell Gmbh Verfahren und vorrichtung zur akustischen messung in einer rohrleitung

Also Published As

Publication number Publication date
DE102004016196A1 (de) 2005-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0357164B1 (de) Ultraschallverfahren und Schaltungen zu deren Durchführung
DE3702355C2 (de)
DE102005038649B4 (de) Verfahren und System zum Betreiben eines Ultraschallwandlers
DE102007059908A1 (de) Sensorfunktion zur Ansteuerung mit variabler Sendefrequenz zum Zwecke der Verschmutzungserkennung
EP2984503B1 (de) Verfahren zur messung mittels ultraschall, insbesondere als parkhilfe für fahrzeuge, und ultraschallmesssysteme
CZ290552B6 (cs) Způsob ultrazvukového zobrazování orgánů nebo tkáně a zařízení nebo systém k provádění tohoto způsobu
EP0336224A1 (de) Aufnehmer und Verfahren zur Schallemissionsprüfung
DE102004016196B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum intermittierenden Antrieb und Analyse eines elektromechanischen Systems
EP3418736B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur breitbandmessung mit multielement-luftultraschallschallwandlern
DE112010003150T5 (de) Ultrasonografievorrichtung
DE102010003624A1 (de) Verfahren zum Erfassen einer Störung eines Ultraschallwandlers und Störungserfassungsvorrichtung für einen Ultraschallwandler
DE102013019311A1 (de) Ultraschallmessung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen unterweitgehender Kompensation von Jitter und Offset
EP0116901A2 (de) Vorrichtung zur Ultraschallprüfung
EP4260089A1 (de) Ultraschallsensorsystem für ein kraftfahrzeug und verfahren zum betreiben des ultraschallsensorsystems
DE2720966C2 (de) Ultraschallsender
EP4172611A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur aufbereitung und analyse eines messfluids für die messung in einem messgerät
WO2013091933A1 (de) Verfahren und schaltungsanordnung zur ansteuerung eines ultraschallsensors
EP3444605B1 (de) Ultraschallmikrofon mit selbsttest
EP2151672A1 (de) Verfahren zum Messen eines Füllstands oder Grenzstands, Füllstand- oder Grenzstandmessgeräte-Schaltung und Füllstand- oder Grenzstandmessgerät
AT310929B (de) Einrichtung zur Überwachung der Schwingungen von strömende oder pulsierende Medien enthaltenden Leitungssystemen u.dgl. mit Ultraschall, insbesondere für diagnostische Zwecke
WO2013102516A1 (de) Vorrichtung zur erfassung von analogen signalen sowie verfahren zum betreiben der vorrichtung
DE102015122197A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall
DE102018106701A1 (de) Dopplersonografie-Sondenkopf mit differenzieller Signalübertragung
EP1430286A2 (de) Auswertung des abklingverhaltens eines prüfobjekts
WO2017211445A1 (de) Verfahren zur regelung von zumindest zwei mechanischen schwingern

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8364 No opposition during term of opposition
8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE, 76131 KA, DE

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee