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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung von Schallereignissen eines Objekts umfassend zumindest ein erstes Sensorelement und zumindest ein zweites Sensorelement sowie ein Verfahren dazu. Dabei ist die Sensoranordnung dazu geeignet das Verfahren durchzuführen.
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Die Zustandsüberwachung industrieller Anlagen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Körper- und Luftschallsignale werden häufig zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) oder für nichtzerstörende Prüfverfahren (Non-Destructive Testing) im Bereich industrieller Anwendungen herangezogen. In einer Reihe von Anwendungen stellt die Auswertung von Schallemissionen bzw. von Körperschall charakteristische Signale, die sogenannten Schallereignisse, zur Verfügung, die einen Rückschluss auf den zu überwachenden Prozess oder das zu überwachende Objekt erlauben. Beispiele hierfür sind die Überwachung von Lagern, die Überwachung von Werkzeugen oder die Korrosionserkennung.
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Die Signale sind zum Teil sehr klein gegenüber dem überlagerten Rauschen. Dementsprechend ist ein Auftreten von Schallereignissen direkt im Rohsignal der Sensoren schwer zu detektieren. Für anspruchsvolle Anwendungen müssen daher besonders teure, sehr empfindliche Sensoren eingesetzt werden. Für Anwendungen mit geringem Energiebudget (drahtlose, batterieversorgte Low-Power-Sensoren z. B. für Internet-of-Things) sind solche Sensoren ungeeignet, weil dauerhaft ein hoher Energiebedarf durch eine kontinuierliche Signalaufbereitung besteht (De-Noising). Eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Sensoren wird alternativ durch eine Verringerung der Bandbreite, also eine Erhöhung der Güte frequenzselektiver Sensoren erreicht. Das hat jedoch eine geringe Messdynamik aufgrund des langen Ausschwingens der Sensoren zur Folge. Die zu detektierenden Ereignisse werden dadurch verfälscht oder komplett überdeckt.
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Bekannte Vibrationsanalysesysteme verwenden breitbandig arbeitende piezokeramische Beschleunigungssensoren. Der Einsatz von breitbandig arbeitenden Sensoren ist problematisch im gestörten Umfeld. Dazu gehört u. a. der Umrichterbetrieb von Motoren, in dem das Motorgehäuse zum Lautsprecher wird. Der Breitbandsensor wird übersteuert und damit quasi ”taub”. Die Nutzsignale gehen in den großen Störsignalen verloren. In diesem Fall verursachen die steilflankigen Ströme Vibrationen im Motor derart, dass das Motorgehäuse quasi als Lautsprechermembran dient. Diese Störungen können so groß sein, dass die Nutzsignale überdeckt werden. Mit anderen Worten werden die Breitbandsensoren durch große Störsignale derart übersteuert, dass es äußerst schwierig ist, Veränderungen in den Nutzsignalen zu erkennen. Den breitbandigen Sensoren nachgeschaltet sind Vorrichtung zur weiteren Signalbearbeitung, insbesondere zur Durchführung einer Fast Fourier-Transformation, sowie Systeme zur Fehlerklassifikation. Hierfür ist je nach Leistungsklasse eine zum Teil beachtliche und aufwändige Rechenleistung erforderlich. Die Gesamtkosten für derartige Systeme sind sehr hoch.
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Die
DE 10 2005 050 351 A1 umfasst ein Vibrationsmesssystem zur Messung von Schwingungen im industriellen Umfeld. Je nach Frequenzbereich der relevanten Schwingungen können die Frequenzen selektiv gemessen werden oder breitbandig mit einer nachgeschalteten Fourieranalyse ermittelt werden. Mit frequenzselektiven Sensoren lassen sich aus technischen Gründen eher höherfrequente Schwingungen (> 1 kHz) analysieren. Niederfrequente Schwingungen (< 1 kHz) werden heute in der Regel mit einem breitbandigen piezokeramischen Sensor erfasst. Das Vibrationsmesssystem ist zur permanenten Zustandsüberwachung von Produktionsmitteln vorgesehen. Da das Vibrationsmesssystem frequenzselektiv arbeitet, kann auf den erheblichen Hardware- bzw. Softwareaufwand zur Realisierung einer Fast Fouriertransformation (FFT), die bei breitbandigen Sensoren benötigt wird, verzichtet werden.
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Die
DE 10 2004 045 528 A1 offenbart einen Vibrationssensor sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vibrationsanalyse unter Anwendung des Prinzips der elektrostatischen Steifigkeitsmodulation. für die Vibrationsanalyse werden frequenzselektive Vibrationssensoren einzusetzen, die nach dem Prinzip der Resonanzüberhöhung frequenzselektiv arbeiten derart, dass der Aufwand für eine nachgestaltete Signalaufbereitung minimal ist. Damit kann die Eigenfrequenz der Sensorstruktur und damit die Messfrequenz des Sensors in einem Frequenzbereich verändert werden. Ein derart abstimmbarer Vibrationssensor ist besonders vielfältig einsetzbar. Dabei sind eine Anzahl derartiger Vibrationssensoren in einem Array so angeordnet, dass sich die durch die einzelnen Vibrationssensoren abgedeckten Frequenzbereiche überlappen.
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Die
US2010131114A1 offenbart einen aktiv abgestimmten Schwingungsdämpfer zum Reduzieren von Schwingungen in einer Struktur. Bei einem System mit einem niedrigen Q-Faktor (hohe Dämpfung) wird ein stabiler Zustand relativ schnell nach einer Störung des Systems erreicht. Hingegen weist ein System mit einem hohen Q-Faktor eine sehr starke Resonanz bei der Resonanzfrequenz auf.
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Eine erste Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe einer Sensoranordnung zur Erfassung von Schallereignissen eines Objekts, die die oben genannten Probleme löst. Eine zweite Aufgabe ist die Angabe eines solchen Verfahrens, insbesondere eines Verfahrens, welches sich in der oben genannten Sensoranordnung durchführen lässt.
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Die erste Aufgabe wird gelöst durch die Angabe einer Sensoranordnung zur Erfassung von Schallereignissen eines Objekts umfassend zumindest ein erstes Sensorelement und zumindest ein zweites Sensorelement, wobei
- – das zumindest erste Sensorelement, insbesondere ein Low-Q-Sensor, eine erste Bandbreite aufweist,
- – das zumindest zweite Sensorelement, insbesondere ein High-Q-Sensor, eine zweite Bandbreite aufweist,
- – und wobei die zweite Bandbreite geringer ist als die erste Bandbreite,
- – und wobei das zweite Sensorelement bei Eintreten zumindest eines Schallereignisses ein Startsignal generiert und zum Aktivieren des ersten Sensorelements dem ersten Sensorelement zuführt.
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Die zweite Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Verfahrens zum Erfassen von Schallereignissen eines Objekts umfassend eine Sensoranordnung mit zumindest einem ersten Sensorelement und zumindest einem zweiten Sensorelement mit den Schritten:
- – Bereitstellen des zumindest einen ersten Sensorelements, insbesondere eines Low-Q-Sensors, mit einer ersten Bandbreite,
- – Bereitstellen des zumindest einen zweiten Sensorelements, insbesondere eines High-Q-Sensors mit einer zweiten Bandbreite, wobei die zweite Bandbreite geringer ist als die erste Bandbreite,
- – Generieren eines Startsignals durch das zweite Sensorelement bei Eintreten zumindest eines Schallereignisses,
- – Zuführen des Startsignals an das erste Sensorelement zum Aktivieren des ersten Sensorelements.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung des Problems eine Sensoranordnung aus einem ersten und einem zweiten Sensorelement vorgeschlagen: Ein erstes Sensorelement, insbesondere ein Low-Q-Sensor, mit einer ausreichend hohen Bandbreite bzw. hohen Dynamik, d. h. niedrigen Güte, zur Erfassung der Schallereignisse. Das SNR (Signal-Rausch-Verhältnis oder auch als Signal-Rauschabstand bezeichnet) des ersten Sensorelements kann dabei so gering sein, dass sein Messsignal im Rauschen untergeht. Das Signal-Rausch-Verhältnis SNR ist dabei ein Maß für die technische Qualität eines Nutzsignals, das von einem Rauschsignal überlagert ist. Bei niedrigem SNR (Signal-Rausch-Verhältnis oder auch als Signal-Rauschabstand bezeichnet) des ersten Sensorelements wird deshalb eine aufwändige und energieintensive Signalbearbeitung, z. B. in Form einer Filterung oder eines De-Noising, benötigt. Zudem ist erfindungsgemäß ein zweites Sensorelement, insbesondere ein High-Q-Sensor, mit geringerer Bandbreite bzw. niedriger Dynamik, d. h. höherer Güte als der des ersten Sensorelements, vorgesehen. Aufgrund der hohen Güte weist der Sensor eine geringe Bandbreite und damit ein geringes Rauschen auf. Er verstärkt im Normalbetriebsmodus das zu detektierende Signal stark und benötigt deshalb keine aufwändige Signalbearbeitung. Seine Dynamik reicht jedoch nicht aus, um die Signale unverfälscht zu erfassen, weil er aufgrund der geringeren Bandbreite und seiner höheren Güte zu lange nachschwingt. Sobald ein Signal auftritt, liefert der zweite Sensor aufgrund seiner hohen Güte ohne aufwändige Signalverarbeitung ein Startsignal. Dieses Startsignal, welches nachfolgend auch als Trigger bezeichnet wird, „weckt” das erste Sensorelement und seine Signalverarbeitung auf. So lange kein Signal auftritt, kann die Sensoranordnung in einem Energiesparmodus, in dem nur das zweite Sensorelement aktiv ist, verbleiben. Nur wenn das zweite Sensorelement ein Startsignal liefert, wacht das erste Sensorelement durch das durch den zweiten Sensor registrierte Signal auf und kann nun ein korrektes Messergebnis des Signals erstellen.
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Die im Stand der Technik genannten Probleme können durch die Erfindung gelöst werden. Es ist somit ein energiesparender Betrieb hochpräziser Sensorelemente zum Aufnehmen von Schallereignissen möglich, indem das erste Sensorelement quasi in einen Sleep-Mode versetzt wird und die Auswertung in diesem Sleep-Mode deaktiviert werden kann. Auch ergibt sich eine Reduzierung der anfallenden Daten und des Analyse- und Speicheraufwands, da nur echte Schallereignisse ausgewertet werden müssen. Auch können Embedded-Systeme mit geringem Ressourcenbedarf aufgebaut werden, da ein erhöhter Signal-Rausch-Abstand (SNR) ohne zusätzliche aktive Schaltungen im Sleep-Mode möglich wird. Die Detektion von Störungen und die Voraussortierung können bei Bedarf zudem mit deutlich weniger Energiebedarf ohne aufwändige Signalauswertung ausgeführt werden. Bei Anwendung einer MEMS-Technologie ist eine preiswerte aber präzise Fertigung möglich.
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In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
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Bevorzugt weisen daher das zweite Sensorelement eine hohe Güte und eine geringe Dynamik und das erste Sensorelement eine hohe Dynamik und eine geringe niedrige Güte auf. In bevorzugter Ausgestaltung ist das erste Sensorelement in einem Passivmodus, und das zweite Sensorelement in einem Aktivmodus. Durch das Startsignal gelangt das erste Sensorelement vom Passivmodus in den Aktivmodus. Bevorzugt weist das zweite Sensorelement eine Signalperiode in Bezug auf die Resonanzfrequenz auf. Das erfasste Schallereignis wird hierbei durch eine Schwellüberschreitung innerhalb der Signalperiode in Bezug auf die Resonanzfrequenz bewirkt. Alternativ erfolgt eine Generierung des Startsignals erst bei zumindest zwei Schwellüberschreitungen in zumindest zwei aufeinanderfolgenden Signalperioden in Bezug auf die Resonanzfrequenz.
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Auch kann eine Generierung des Startsignals und eine Zuführung an das erste Sensorelement zunächst bei der ersten Schwellüberschreitung in einer ersten Signalperiode in Bezug auf die Resonanzfrequenz erfolgen, so dass durch das Startsignal das erste Sensorelement von einem Passivmodus in einen Aktivmodus gelangt, wobei bei fehlender Schwellüberschreitung des zweiten Sensorelements in zumindest einer auf die erste folgenden zweiten Signalperiode des zweiten Sensorelements in Bezug auf die Resonanzfrequenz das erste Sensorelement von dem Aktivmodus wieder zurück in den Passivmodus gelangt.
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Das heißt, dass die Sensoranordnung auch derart betrieben werden kann, dass das erste Sensorelement, insbesondere der Low-Q-Sensor erst beim Auftreten mehrerer Schwellüberschreitungen in mehreren, insbesondere aufeinanderfolgenden Signalperioden in Bezug auf die Resonanzfrequenz gestartet und ausgewertet wird. Das Startsignal bzw. der Trigger wird entsprechend erst nach mehreren Überschreitungen in einer vorgegebenen Zeit generiert. Da das zweite Sensorelement, d. h. der High-Q-Sensor, stark nachschwingt und somit im Normalfall mehrere Signalperioden bei starker Anregung über einer einstellbaren Schwelle liegen, können somit Störungen z. B. durch elektromagnetische Einkopplungen vom auszuwertenden Schall-Messsignal unterschieden werden. Störungen führen typischerweise in einem kurzen Messzeitfenster nur zu einzelnen Schwellüberschreitungen und nicht zum mechanischen Nachschwingen des Sensors. Hiermit kann die Charakteristik der hohen Resonanz bzw. Güte des zweiten Sensorelements dazu genutzt werden, mechanische Signale von Störungen zu unterscheiden, die nicht zum Nachschwingen führen. Die Detektion dieser Störungen und die Voraussortierung können mit deutlich weniger Energiebedarf ohne aufwändige Signalauswertung ausgeführt werden.
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Auch kann die Signalanalyse des ersten Sensorelementes, d. h. des Low-Q-Sensors bereits bei der ersten Schwellwertüberschreitung durch das Startsignal gestartet werden, um die Reaktionszeit zu verringern. Erfolgt kein zweites Startsignal innerhalb der vorgegebenen Zeit, so kann die Auswertung wieder gestoppt und das erste Sensorelement wieder deaktiviert, d. h. in den Passivmodus geschaltet werden.
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Bevorzugt sind das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement als Messwertaufnehmer ausgestaltet. Auch können das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement in bevorzugter Ausgestaltung den gleichen Messbereich aufweisen. Die Sensorelemente können dabei als MEMS(Mikroelektromechaniksystem)-Sensoren ausgestaltet sein.
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Sensorelemente zur Schallerfassung werden heute in Mikrotechniken (MEMS), meist aus Silizium gefertigt. Bei dieser Technik ist eine Anordnung von zwei Sensorstrukturen mit gleichem Messbereich, aber unterschiedlicher Bandbreite leicht möglich. Zur Variation der Bandbreite kann mit verschiedenen Innendrücken oder verschiedenen Spaltabständen gearbeitet werden. Im Ergebnis erhält man kostengünstig herstellbare miniaturisierte Schallsensoren für Low-Power-Systeme.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das erste Sensorelement (Low-Q-Sensor) als piezoelektrischer Schwingungssensor ausgestaltet. Dies bedeutet, dass das zweite Sensorelement, welches hier bevorzugt als MEMS-High-Q-Sensors ausgestaltet ist, und ein breitbandigerer piezoelektrischer Schwingungs- oder Beschleunigungssensor kombiniert werden. Der piezoelektrische Sensor benötigt typischerweise im Betrieb deutlich mehr Energie, als das zweite Sensorelement, hier der MEMS-Sensor. Der piezoelektrische Sensor kann daher vom zweiten Sensorelement aufgeweckt werden, um Signale mit niedriger Resonanz aufzuzeichnen. Dazu kann hierzu die Signalverarbeitung und Stromversorgung des piezoelektrischen Sensors so lange abgeschaltet bzw. im Low-Power-Modus verbleiben, bis das zweite Sensorelement ein Schallereignis registriert und ein Startsignal generiert.
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Bevorzugt durchläuft das Schallereignis des Objekts das zweite Sensorelement so vor Erreichen des ersten Sensorelements, dass das zweite Sensorelement eine Generierung und eine Zuführung des Startsignals an dem ersten Sensorelement vornimmt, bevor das Schallereignis das erste Sensorelement erreicht. Dazu sind die Sensorelemente mechanisch so an das Messobjekt gekoppelt, dass der Schall bzw. Körperschall das zweite Sensorelement vor dem ersten Sensorelement durchläuft, so dass das zweite Sensorelement das Startsignal gibt bzw. triggert, bevor das Signal das erste Sensorelement erreicht. Somit ist es möglich, von vornherein das erste Sensorelement scharf zu schalten und bereits möglichst frühzeitig mit der Messaufgabe zu beginnen, ohne wichtige Informationen zu verlieren.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch:
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1 eine erste erfindungsgemäße Sensoranordnung,
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2 ein Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens; Detektion eines Schallereignisses,
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3 eine Signalbearbeitung des Low-Q-Sensors,
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4 eine Leistungsaufnahme des Low-Q-Sensors im Vergleich zur Leistungsaufnahme des High-Q-Sensors,
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5 eine High-Q-Sensor-Übertragungsfunktion im Vergleich zu einer Low-Q-Sensor-Übertragungsfunktion,
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6 eine Sensorsignalführung am Beispiel einer Platte, die überwacht wird,
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7 eine Sensorsignalführung am Beispiel eines Waveguides, der zur Überwachung genutzt wird.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird, zu verlassen.
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Beispielhaft wird in 1 nun eine Sensoranordnung, in Silizium-MEMS-Technologie realisiert, zur Erfassung von Schallereignissen eines Objekts gezeigt. Dazu ist das erste Sensorelement als eine erste schwingungsfähige Sensorstruktur 1, sozusagen als Low-Q-Sensor und das zweite Sensorelement als eine zweite schwingungsfähige Sensorstruktur 2, sozusagen als High-Q-Sensor auf einem Chip 3 in einer Messrichtung 4 realisiert. Dabei weist die erste schwingungsfähige Sensorstruktur 1 eine geringe Güte, eine hohe Bandbreite, ein geringes Nachschwingen, eine geringere Empfindlichkeit gegenüber der zweiten schwingungsfähigen Sensorstruktur 2, dafür aber eine unverfälschte Wiedergabe von Signalanregungen in Bezug auf die Resonanzfrequenz auf. Der Signal-Rausch-Abstand SRN der ersten schwingungsfähigen Sensorstruktur 1 kann so gering sein, dass ihr Messsignal ohne Vorverarbeitung im Rauschen untergeht. Sie benötigt deshalb eine aufwändige und energieintensive Signalbearbeitung. Die zweite schwingungsfähige Sensorstruktur 2 (High-Q-Sensor) weist eine hohe Güte, eine geringe Bandbreite und eine hohe Empfindlichkeit, aber dafür ein langes Nachschwingen auf. Dabei verfälscht das lange Nachschwingen das Messsignal. Die zweite schwingungsfähige Sensorstruktur 2 weist insbesondere eine geringere Bandbreite und eine höhere Güte als die erste schwingungsfähige Sensorstruktur 1 auf. Aufgrund der hohen Güte verstärkt die zweite schwingungsfähige Sensorstruktur 2 die Schallsignale stark und benötigt deshalb keine aufwändige Signalbearbeitung. Ihre Dynamik reicht jedoch nicht aus, um die Schallereignisse unverfälscht zu erfassen, weil sie aufgrund der geringeren Bandbreite (höheren Güte) zu lange nachschwingt. Sobald ein Schallereignis auftritt, liefert die zweite Sensorstruktur 2 aufgrund ihrer hohen Güte ohne aufwändige Signalverarbeitung ein Startsignal. Dieses Startsignal (Trigger) „weckt” die ersten Sensorstruktur 1 und ihre Signalverarbeitung auf. So lange kein Schallereignis auftritt, kann die Sensoranordnung in einem Energiesparmodus in dem nur die zweite Sensorstruktur 2 aktiv ist, verbleiben. Nur wenn die zweite Sensorstruktur 2 ein Startsignal liefert, weckt das die erste Sensorstruktur 1 auf. Dabei können die schwingungsfähigen Sensorstrukturen 1, 2 auf einer seismischen Masse 5 angebracht sein. Hier weisen die schwingungsfähigen Sensorstrukturen 1, 2 eine Federaufhängung 6 der seismischen Masse 5, als auch einen kapazitiven Messkamm 7 zur Signalgewinnung auf. Zudem weist sowohl die erste schwingungsfähige Sensorstruktur 1 eine Dämpfungsstruktur 8 mit Dämpfungselementen als auch die zweite schwingungsfähige Sensorstruktur 2 eine Dämpfungsstruktur 9 mit Dämpfungselementen auf. Die unterschiedlichen Güten werden bei der ersten schwingungsfähigen Sensorstruktur 1 durch zusätzliche, d. h. mehr Dämpfungselementen als bei der zweiten schwingungsfähigen Sensorstruktur 2 realisiert. Zusätzlich oder alternativ können die unterschiedlichen Güten auch durch verschiedene Drücke in den beiden Sensorstrukturen 1, 2 erzielt werden (nicht gezeigt). Dabei weist die erste Sensorstruktur 1 einen hohen Druck und die zweite Sensorstruktur 2 einen niedrigen Druck auf. Auch andere Ausführungen zur Erzeugung unterschiedlicher Güten/Bandbreiten sind selbstverständlich möglich. Auch sind selbstverständlich andere Arten der Signalgewinnung möglich, als auch andere Arten von geeigneten Sensoren.
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2 zeigt das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Detektion eines Schallereignisses 10. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit werden als erstes Sensorelement ein Low-Q-Sensor und als zweites Sensorelement ein High-Q-Sensor angenommen. Dabei ist auf der X-Achse die Zeit t aufgetragen; auf der Y-Achse die Amplitude A. Dabei tritt ein Schallereignis 10 ein. Beim Eintreffen des Schallereignisses 10 werden der High-Q-Sensor zu Schwingungen (High-Q-Sensor-Schwingungen 12) und der Low-Q-Sensor zu Low-Q-Sensor-Schwingungen 13 angeregt. Wenn die High-Q-Sensor-Schwingungen 12 eine Schwelle überschreiten (Schwellüberschreitung 11), wird die Signalauswertung des Low-Q-Sensors aktiviert und man erhält durch die Verarbeitung des Signalereignisses durch den Low-Q-Sensor das gewünschte Messergebnis. Solange der High-Q-Sensor nicht triggert, d. h. das Startsignal an den Low-Q-Sensor sendet, kann der Low-Q-Sensor im energiesparenden Schlafmodus betrieben werden. 3 zeigt die an 2 angepasste Signalbearbeitung des Low-Q-Sensors sowie das Zeitfenster 15 in dem der Low-Q-Sensor aktiv ist (Signalbearbeitung 14 des Low-Q-Sensors). 4 zeigt die Leistungsaufnahme 16 des Low-Q-Sensors im Zeitfenster 15 (3) im Vergleich zur Leistungsaufnahme 17 des High-Q-Sensors. Dabei ist auf der X-Achse die Zeit t aufgetragen; auf der Y-Achse die Leistung P.
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5 zeigt eine Übertragungsfunktion |H| eines High-Q-Sensors (High-Q-Sensor-Übertragungsfunktion 18) im Vergleich zu einer Low-Q-Sensor-Übertragungsfunktion 19, aufgetragen über der Frequenz f (X-Achse) und unter Angabe der Resonanzfrequenz 20. Dabei hat der High-Q-Sensor eine hohe Güte, eine geringe Bandbreite, eine hohe Empfindlichkeit, aber dafür langes Nachschwingen und verfälscht das Messsignal; der Low-Q-Sensor eine geringe Güte, eine hohe Bandbreite, ein geringes Nachschwingen, eine geringere Empfindlichkeit und daher eine unverfälschte Wiedergabe von Signalanregungen.
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6 zeigt eine Sensorsignalführung am Beispiel einer Platte 21, die überwacht wird, bei dem zwei Sensoren 22, 23 mechanisch so an das Messobjekt, hier die Platte 21, angekoppelt sind, dass der Schall bzw. Körperschall den zweiten Sensor 22 vor dem ersten Sensor 23 durchläuft, so dass der zweite Sensor 22 triggert, bevor dieses Signal den ersten Sensor 23 erreicht. Das heißt, dass die Sensoren 23, 22 mechanisch so an das Messobjekt angekoppelt sind, dass der Schall bzw. Körperschall den zweiten Sensor 22 mit der hohen Güte und geringen Bandbreite vor dem ersten Sensor 23 mit der geringen Güte und der hohen Bandbreite durchläuft, so dass der zweite Sensor 22 triggert, bevor dieses Signal den ersten Sensor 23 erreicht. Somit ist es möglich, von vornherein das Messsystem scharf zu schalten und bereits möglichst frühzeitig mit der Messaufgabe zu beginnen, ohne wichtige Informationen zu verlieren. Das Signal durchläuft bei Anregung der Platte 21 zunächst den zweiten Sensor 22 und zeitlich später den ersten Sensor 23, der bis dahin aktiv geschaltet werden kann.
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7 zeigt eine Sensorsignalführung am Beispiel eines Waveguides 24, der zur Überwachung genutzt wird. Dazu könnten die beiden Sensoren 22, 23, z. B. auf einem Waveguide 24 oder einer Sensorbehausung (nicht gezeigt), so platziert werden, dass der zweite Sensor 22 örtlich näher an der Signaleinkopplung des Waveguides 24 angekoppelt ist als der erste Sensor 23. Das Signal durchläuft bei der Einkopplung von Signalen in den Waveguide 24 zuerst den zweiten Sensor 22 und zeitlich später den ersten Sensor 23.
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Es wird mit der Erfindung eine Sensoranordnung angegeben, bei der zumindest zwei Körperschallsensorelemente für die gleiche Signalquelle so genutzt werden, dass, ein aufgrund seiner hohen Güte energiesparend zu betreibender High-Q-Sensor als Triggerquelle für einen präzisen, aber energiehungrigeren Low-Q-Sensor verwendet werden kann.
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Es wird erfindungsgemäß ein zweites Sensorelement mit möglichst hoher Resonanz und langem Ausschwingverhalten verwendet, um die Aktivität von Schwingungen zu detektieren. Daraufhin wird die Messaufgabe eines ersten Sensorelements mit geringer Resonanz und damit geringer Signalverfälschung ausgelöst, um die Schwingung des „linearen” zweiten Sensorelements bei hoher Abtastrate zu charakterisieren. Dadurch ergibt sich eine Detektion von Schwingungen geringer Amplitude bei geringem System-Energiebedarf. Das heißt, dass das zweite Sensorelement mit hoher Resonanzaktivität bei hohem SNR (Signal-to-noise-ration) detektiert und ein Startsignal erzeugt. Einem weiteren, ersten Sensorelement mit geringerer Resonanz wird das Startsignal zugeführt, wodurch dieser zur Durchführung der Messaufgabe, z. B. mit Mikrocontroller bei hoher Abtastrate, aufgeweckt wird. Die Messung wird daher nur ausgewertet, wenn die Signalamplitude hoch genug ist. Auch bei sehr verrauschten Messsignalen ist die Sensoranordnung anwendbar, da das Resonanzprinzip ausgenutzt wird, um die Bandbreite stark zu verringern. Zudem wird die Signalauswertung auf essentielle Ereignisse beschränkt, woraus weniger Prozessorlast erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung kann z. B. auf Motoren/Generatoren und Getrieben angewendet werden, ist aber nicht auf diese beschränkt.
