DE102015217831A1

DE102015217831A1 - Method for determining a vibration of a component, computing device and sensor device

Info

Publication number: DE102015217831A1
Application number: DE102015217831.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Villnow; Georg Herbert Körner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2017-03-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Vibration (In_sens) eines Bauteils, bei welchem mittels einer Recheneinrichtung (3) ein Sensorsignal (Out_sens) von einem mit dem Bauteil gekoppelten Beschleunigungssensor (2), welcher auf einem optischen Sensorprinzip beruht, erfasst wird, wobei das erfasste Sensorsignal (Out_sens) eine mechanische Schwingung eines Sensorelements (4) des Beschleunigungssensors (2) beschreibt, und die Vibration des Bauteils anhand des erfassten Sensorsignals (Out_sens) bestimmt wird, wobei eine Übertragungsfunktion (H_sim(jω)) bestimmt wird, welche eine Amplitude der Schwingung des Sensorelements (4) in Abgängigkeit von der Frequenz (f) beschreibt, das erfasste Sensorsignal (Out_sens) mittels der Recheneinrichtung (3) anhand der Übertragungsfunktion (H_sim(jω)) angepasst wird und die Vibration (In_sens) des Bauteils anhand des angepassten Sensorsignals (U) bestimmt wird. The invention relates to a method for determining a vibration (In _sens ) of a component in which by means of a computing device (3) a sensor signal (Out _sens ) from an acceleration sensor (2) coupled to the component, which is based on an optical sensor principle, is detected wherein the detected sensor signal (Out _sens ) describes a mechanical vibration of a sensor element (4) of the acceleration sensor (2), and the vibration of the component is determined on the basis of the detected sensor signal (Out _sens ), wherein a transfer function (H _sim (jω)) is determined, which describes an amplitude of the oscillation of the sensor element (4) in Abgängigkeit of the frequency (f), the detected sensor signal (Out _sens ) by means of the computing device (3) based on the transfer function (H _sim (jω)) is adjusted and the Vibration (In _sens ) of the component based on the adjusted sensor signal (U) is determined.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Vibration eines Bauteils, bei welchem mittels einer Recheneinrichtung ein Sensorsignal von einem mit dem Bauteil gekoppelten Beschleunigungssensor, welcher auf einem optischen Sensorprinzip beruht, erfasst wird, wobei das erfasste Sensorsignal eine mechanische Schwingung eines Sensorelements des Beschleunigungssensors beschreibt und die Vibration des Bauteils anhand des erfassten Sensorsignals bestimmt wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Recheneinrichtung für eine Sensorvorrichtung sowie eine Sensorvorrichtung. The present invention relates to a method for determining a vibration of a component, wherein by means of a computing device, a sensor signal from an acceleration sensor coupled to the component, which is based on an optical sensor principle, is detected, wherein the detected sensor signal describes a mechanical vibration of a sensor element of the acceleration sensor and the vibration of the component is determined based on the detected sensor signal. Moreover, the present invention relates to a computing device for a sensor device and a sensor device.

Das Interesse richtet sich vorliegend auf Sensorvorrichtungen, welche einen Beschleunigungssensor aufweisen. Beschleunigungssensoren sind in unterschiedlichen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige Beschleunigungssensoren können beispielsweise im Betrieb von elektrischen Maschinen bzw. Generatoren dazu dienen, den Betrieb zu überwachen. Beispielsweise können derartige Beschleunigungssensoren für Kraftwerksgeneratoren verwendet werden, um die Schwingungen der Wickelköpfe des Generators zu erfassen. Die Schwingungen der Wickelköpfe sind abhängig von der Netzfrequenz des Generators, die beispielsweise 50 Hz (bzw. 60 Hz) beträgt. Die Schwingungen der Wickelköpfe betragen das Doppelte der Netzfrequenz, also 100 Hz (bzw. 120 Hz). The interest here is directed to sensor devices which have an acceleration sensor. Acceleration sensors are known in various embodiments from the prior art. Such acceleration sensors can serve, for example, in the operation of electrical machines or generators to monitor the operation. For example, such acceleration sensors for power plant generators can be used to detect the vibrations of the windings of the generator. The oscillations of the winding heads are dependent on the mains frequency of the generator, which is for example 50 Hz (or 60 Hz). The oscillations of the winding heads are twice the mains frequency, ie 100 Hz (or 120 Hz).

Die Beschleunigungssensoren zum Erfassen von Schwingungen von Generatoren können beispielsweise ein schwingendes Sensorelement aufweisen. Hierzu beschreibt die DE 10 2010 019 813 A1 einen faseroptischen Vibrationssensor für Generatoren in Kraftwerken. Dieser Vibrationssensor bzw. Beschleunigungssensor weist als schwingendes Sensorelement eine optische Faser auf, die einseitig eingespannt ist. Die optische Faser weist ein freistehendes Ende auf, wobei das freistehende Ende unter dem Einfluss von Vibrationen in Schwingungen versetzt wird. Diese Schwingungen können dann als Maß für die Vibration detektiert werden. Hierbei dient als Schwingungsmasse nur das Eigengewicht der optischen Faser. Dabei wird die optische Faser so gegenüber eines schräg angebrachten Spiegels positioniert, dass Licht, das aus der optischen Faser ausgekoppelt wird, von dem Spiegel reflektiert wird und teilweise in die optische Faser zurückgekoppelt wird. Wird nun die Faser aufgrund ihrer Massenträgheit in Schwingungen versetzt, so ändert sich der Abstand zwischen dem freien Ende der Faser und der Spiegeloberfläche. Dies bewirkt, dass sich die in die Faser wieder eingekoppelte Lichtleistung in Abhängigkeit von dem Abstand zu dem Spiegel und somit von der aktuellen Beschleunigung der Faser ändert. The acceleration sensors for detecting oscillations of generators may, for example, have a vibrating sensor element. This describes the DE 10 2010 019 813 A1 a fiber optic vibration sensor for generators in power plants. This vibration sensor or acceleration sensor has, as a vibrating sensor element, an optical fiber which is clamped on one side. The optical fiber has a freestanding end, the freestanding end being vibrated under the influence of vibrations. These vibrations can then be detected as a measure of the vibration. In this case serves as the vibration mass only the weight of the optical fiber. In doing so, the optical fiber is positioned opposite an obliquely mounted mirror so that light coupled out of the optical fiber is reflected by the mirror and partially coupled back into the optical fiber. If the fiber is vibrated due to its inertia, then the distance between the free end of the fiber and the mirror surface changes. This causes the light power coupled back into the fiber to change as a function of the distance to the mirror and thus of the actual acceleration of the fiber.

Derartige Beschleunigungssensoren weisen üblicherweise einen bestimmten Amplitudenfrequenzgang auf. Dies bedeutet, dass die optische Faser bzw. das schwingende Sensorelement für unterschiedliche Anregungsfrequenzen mit unterschiedlichen Schwingungsamplituden reagieren. Dies bedeutet, dass die Schwingungsamplitude abhängig von der Anregungsfrequenz ist. Das mit dem Beschleunigungssensor bereitgestellte Sensorsignal weist also eine Vergrößerungsfunktion auf, die frequenzabhängig ist. Da Kraftwerksgeneratoren üblicherweise stets mit konstanter Drehzahl rotieren, spielt die Vergrößerungsfunktion des Beschleunigungssensors hier eine eher untergeordnete Rolle. Lediglich die erste Harmonische der Schwingung des Sensorsignals, welche bei 200 Hz liegt, (bzw. 240 Hz) wurde bisher mit einem Fehler ausgegeben. Such acceleration sensors usually have a certain amplitude frequency response. This means that the optical fiber or the oscillating sensor element react with different oscillation amplitudes for different excitation frequencies. This means that the oscillation amplitude is dependent on the excitation frequency. The sensor signal provided with the acceleration sensor thus has a magnification function which is frequency-dependent. Since power generator generators usually always rotate at a constant speed, the magnification function of the acceleration sensor plays a rather minor role here. Only the first harmonic of the vibration of the sensor signal, which is at 200 Hz, (or 240 Hz) was previously issued with an error.

Wenn ein solcher Beschleunigungssensor in großen industriellen, drehzahlvariablen Antrieben eingesetzt werden soll, ist es erforderlich, dass mit dem Beschleunigungssensor, auch in Frequenzbereichen, die von der kalibrierten Frequenz abweichen, betrieben werden kann. Der übliche Frequenzbereich in industriellen Antrieben liegt beispielsweise zwischen 20 und 140 Hz, der durch die Drehfrequenzen zwischen 10 und 70 Hz begründet ist. Unter Berücksichtigung der ersten Harmonischen ist es erforderlich, den Frequenzbereich bis auf 280 Hz aufzuweiten. Hierbei ist es zudem erforderlich, dass die Vibrationen mit einer hohen Genauigkeit bzw. mit einer geringen Toleranz erfasst werden, damit entsprechenden Normen eingehalten werden. If such an acceleration sensor is to be used in large industrial, variable-speed drives, it is necessary to be able to operate with the acceleration sensor, even in frequency ranges which deviate from the calibrated frequency. The usual frequency range in industrial drives, for example, between 20 and 140 Hz, which is due to the rotational frequencies between 10 and 70 Hz. Considering the first harmonic, it is necessary to expand the frequency range up to 280 Hz. In addition, it is necessary that the vibrations are recorded with a high degree of accuracy or with a low tolerance in order to comply with corresponding standards.

Bisher wurde die Kompensation des Amplitudenfrequenzgangs bzw. der Vergrößerungsfunktion im sogenannten Post Processing durchgeführt. Hierbei wurde üblicherweise die Schwingungsfrequenz des Sensorelements beispielsweise mit einer Fast-Fourier-Transformation bestimmt. Im Anschluss konnten dann die Amplituden der Sensorsignale entsprechend angepasst werden. Da dieses Verfahren allerdings nicht echtzeitfähig ist und einen enormen zeitlichen Aufwand bedeutet, wurden diese Korrekturen meist nicht durchgeführt und entstehende Messfehler bei den Frequenzen, welche von der kalibrierten Frequenz abweichen, gezwungenermaßen in Kauf genommen. So far, the compensation of the amplitude frequency response or the magnification function has been performed in the so-called post-processing. In this case, the oscillation frequency of the sensor element was usually determined, for example, with a fast Fourier transformation. Afterwards, the amplitudes of the sensor signals could be adjusted accordingly. However, since this method is not real-time capable and means an enormous amount of time, these corrections were usually not performed and resulting measurement errors in the frequencies that deviate from the calibrated frequency, forced to accept.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wie ein Beschleunigungssensor der eingangs genannten Art bei unterschiedlichen Anwendungsfällen effizient und zuverlässig betrieben werden kann. It is an object of the present invention, as an acceleration sensor of the type mentioned in different applications can be operated efficiently and reliably.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, durch eine Recheneinrichtung sowie durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. This object is achieved by a method by a computing device and by a sensor device with the features according to the respective independent claims. Advantageous developments of present invention are the subject of the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Bestimmen einer Vibration eines Bauteils. Hierbei wird mittels einer Recheneinrichtung ein Sensorsignal von einem mit dem Bauteil gekoppelten Beschleunigungssensor, welcher auf einem optischen Sensorprinzip beruht, erfasst. Dabei beschreibt das erfasste Sensorsignal eine mechanische Schwingung eines Sensorelements des Beschleunigungssensors. Die Vibration des Bauteils wird anhand des erfassten Sensorsignals bestimmt. Darüber hinaus ist es vorgesehen, dass eine Übertragungsfunktion bestimmt wird, welche eine Amplitude der Schwingung des Sensorelements in Abhängigkeit von der Frequenz beschreibt und das erfasste Sensorsignal mittels der Recheneinrichtung anhand der Übertragungsfunktion angepasst wird und die Vibration des Bauteils anhand des angepassten Sensorsignals bestimmt wird. An inventive method is used to determine a vibration of a component. In this case, by means of a computing device, a sensor signal from an acceleration sensor coupled to the component, which is based on an optical sensor principle, detected. In this case, the detected sensor signal describes a mechanical oscillation of a sensor element of the acceleration sensor. The vibration of the component is determined based on the detected sensor signal. In addition, it is provided that a transfer function is determined, which describes an amplitude of the oscillation of the sensor element as a function of the frequency and the detected sensor signal is adjusted by means of the computing device based on the transfer function and the vibration of the component is determined based on the adjusted sensor signal.

Mit Hilfe des Beschleunigungssensors sollen Vibrationen eines Bauteils bzw. einer Komponente bestimmt werden. Der Beschleunigungssensor beruht auf einem optischen Sensorprinzip. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Beschleunigungssensor um einen optischen Beschleunigungssensor. Der Beschleunigungssensor umfasst das Sensorelement, dessen Bewegung bzw. dessen Schwingung optisch erfasst werden kann. Insbesondere kann das Sensorelement des Beschleunigungssensors eine optische Faser sein. Insbesondere ist das Sensorelement einseitig eingespannt. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Beschleunigungssensor ein Faser-Bragg-Gitter umfasst. Das Bauteil bzw. die Komponente kann beispielsweise einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Kraftwerksgenerator, zugeordnet sein. Bei dem Bauteil kann es sich insbesondere um einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine handeln, die als Generator im Kraftwerk eingesetzt wird. Hierzu kann der Beschleunigungssensor direkt an dem Wickelkopf angeordnet sein. Mit der Recheneinrichtung, die beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein kann, werden die Sensorsignale von dem Beschleunigungssensor empfangen. Die Sensorsignale beschreiben beispielsweise die Schwingung des Sensorelements in Abhängigkeit von der Zeit. Die Recheneinrichtung kann zudem einen entsprechenden Analog-Digital-Wandler aufweisen, mittels welchem das Sensorsignal des Beschleunigungssensors, das beispielsweise als zeitlich veränderliche Spannung vorliegt, in digitale Werte gewandelt werden kann. With the help of the acceleration sensor vibrations of a component or a component to be determined. The acceleration sensor is based on an optical sensor principle. In other words, the acceleration sensor is an optical acceleration sensor. The acceleration sensor comprises the sensor element whose movement or its oscillation can be detected optically. In particular, the sensor element of the acceleration sensor may be an optical fiber. In particular, the sensor element is clamped on one side. It can also be provided that the acceleration sensor comprises a fiber Bragg grating. The component or the component can for example be associated with an electrical machine, in particular a power plant generator. The component may in particular be a winding head of an electrical machine which is used as a generator in the power plant. For this purpose, the acceleration sensor can be arranged directly on the winding head. With the computing device, which may be formed for example as a microcontroller, the sensor signals are received by the acceleration sensor. The sensor signals describe, for example, the oscillation of the sensor element as a function of time. The computing device can also have a corresponding analog-to-digital converter, by means of which the sensor signal of the acceleration sensor, which is present for example as a time-varying voltage, can be converted into digital values.

Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass eine Übertragungsfunktion bestimmt wird, welche eine Amplitude und eine Phase der Schwingung des Sensorelements in Abhängigkeit von der Frequenz beschreibt. Diese Übertragungsfunktion stellt eine genäherte bzw. simulierte Übertragungsfunktion dar. Die Übertragungsfunktion ist eine Näherung des Amplitudenfrequenzgangs des Beschleunigungssensors, als einer realen Übertragungsfunktion des Beschleunigungssensors. Diese Übertragungsfunktion kann beispielsweise in der Recheneinrichtung hinterlegt sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine vorbestimmte Übertragungsfunktion in der Recheneinrichtung hinterlegt ist, die dann mittels der Recheneinrichtung im Betrieb des Beschleunigungssensors entsprechend angepasst wird. Mit der Recheneinrichtung wird nun das erfasste Sensorsignal anhand der Übertragungsfunktion angepasst bzw. korrigiert. Damit kann mit Hilfe der Recheneinrichtung der Amplitudenfrequenzgang des Beschleunigungssensors, insbesondere eines faseroptischen Beschleunigungssensors, für einen definierten Frequenzbereich kompensiert werden. Somit können direkt mit der Recheneinrichtung bzw. mit einem Mikroprozessor frequenzabhängige Messfehler eliminiert werden. Dies ermöglicht es, den Beschleunigungssensor nicht nur für Bauteile, die eine konstante Vibration bzw. Schwingungsfrequenz aufweisen, sondern auch für Bauteile, die eine variable Frequenz aufweisen, eingesetzt werden kann. Dabei ist es nicht erforderlich, den Beschleunigungssensor oder das Sensorelement zu verändern. Damit kann insgesamt mit einer bereits existierenden Sensortechnologie ein erweiterter Frequenzbereich zuverlässig erfasst werden. Dadurch, dass die Recheneinrichtung eingesetzt wird, um den frequenzabhängigen Fehler zu korrigieren, wird quasi ein echtzeitfähiges System bereitgestellt. Ein entsprechendes Post Processing-Verfahren ist nicht mehr notwendig. According to the invention, it is now provided that a transfer function is determined which describes an amplitude and a phase of the oscillation of the sensor element as a function of the frequency. This transfer function represents an approximated or simulated transfer function. The transfer function is an approximation of the amplitude frequency response of the acceleration sensor, as a real transfer function of the acceleration sensor. This transfer function can be stored, for example, in the computing device. It can also be provided that a predetermined transfer function is stored in the computing device, which is then adjusted accordingly by means of the computing device during operation of the acceleration sensor. With the computing device, the detected sensor signal is now adjusted or corrected on the basis of the transfer function. Thus, with the aid of the computing device, the amplitude frequency response of the acceleration sensor, in particular of a fiber-optic acceleration sensor, can be compensated for a defined frequency range. Thus, frequency-dependent measurement errors can be eliminated directly with the computing device or with a microprocessor. This makes it possible to use the acceleration sensor not only for components having a constant vibration but also for components having a variable frequency. It is not necessary to change the acceleration sensor or the sensor element. Thus, an extended frequency range can be reliably detected in total with already existing sensor technology. The fact that the computing device is used to correct the frequency-dependent error virtually provides a real-time capable system. A corresponding post-processing procedure is no longer necessary.

Bevorzugt wird die Übertragungsfunktion derart bestimmt, dass diese ein proportionales Übertragungsverhalten mit einer Verzögerung zweiter Ordnung beschreibt. Dies eignet sich insbesondere, wenn es sich bei dem Sensorelement des Beschleunigungssensors um ein einseitig eingespanntes Sensorelement handelt Ein solches Sensorelement beruht auf dem mechanischen Prinzip eines einseitig eingespannten Biegebalkens (Kragarm). Dieser folg auch den dafür zugrundeliegenden physikalischen Gesetzen eines linear-gedämpften Schwingungssystems. Dieses System lässt sich durch ein Masse-Feder-Dämpfer-System beschreiben und folgt somit einem proportionalen Übertragungsverhalten mit einer Verzögerung zweiter Ordnung, welches auch als PT2-Glied bezeichnet werden kann. Dieses Verhalten zeigt eine frequenzabhängige Amplitude bzw. eine Verzögerungsfunktion, welche mathematisch vollständig durch die Dämpfung, die Proportionalitäts- bzw. Federkonstante und die Resonanzfrequenz beschrieben werden kann. Diese Übertragungsfunktion kann beispielsweise in der Recheneinrichtung hinterlegt sein. Die Recheneinrichtung kann auch derart ausgebildet sein, dass ein Bediener des Beschleunigungssensors die jeweiligen Parameter des Beschleunigungssensors bzw. des Sensorelements vorgeben kann. Diese Parameter können beispielsweise die Federkonstante, welche die Empfindlichkeit beschreibt, und die Resonanzfrequenz des Sensorelements sein. Somit kann die Übertragungsfunktion in der Recheneinrichtung durch die Benutzereingabe vorgegeben werden. Somit kann eine hohe Nutzerfreundlichkeit erreicht werden. Preferably, the transfer function is determined such that it describes a proportional transmission behavior with a second-order delay. This is particularly suitable when the sensor element of the acceleration sensor is a sensor element clamped on one side. Such a sensor element is based on the mechanical principle of a cantilevered cantilever (cantilever). This also follows the underlying physical laws of a linear-damped vibration system. This system can be described by a mass-spring-damper system and thus follows a proportional transmission behavior with a second-order delay, which can also be referred to as PT2 element. This behavior shows a frequency-dependent amplitude or a delay function, which can be described mathematically completely by the damping, the proportionality or spring constant and the resonance frequency. This transfer function can be stored, for example, in the computing device. The computing device can also be configured such that an operator of the acceleration sensor can read the respective parameters of the acceleration sensor Acceleration sensor or the sensor element can pretend. These parameters may be, for example, the spring constant, which describes the sensitivity, and the resonant frequency of the sensor element. Thus, the transfer function can be specified in the computing device by the user input. Thus, a high level of user-friendliness can be achieved.

In einer Ausführungsform umfasst die Recheneinrichtung eine Simulationseinheit mit einem digitalen Filter, welches eine zu der Übertragungsfunktion inverse Übertragungsfunktion beschreibt, und zum Anpassen des erfassten Sensorsignals wird das erfasste Sensorsignal mittels der Simulationseinheit gefiltert. Da sich die Übertragungsfunktion des Beschleunigungssensors durch ein PT2-Glied beschreiben lässt, kann mathematisch eine Funktion beschrieben werden, welche das inverse Übertragungsverhalten des Beschleunigungssensors aufweist und die reale Übertragungsfunktion des Beschleunigungssensors somit kompensiert. Die inverse Übertragungsfunktion kann beispielsweise der Kehrwert der realen Übertragungsfunktion des Beschleunigungssensors sein. Diese inverse Übertragungsfunktion kann durch ein entsprechendes digitales Filter realisiert werden. Hierzu können die Filterkoeffizienten des digitalen Filters entsprechend angepasst werden. Bei dem digitalen Filter kann es sich beispielsweise um ein FIR-Filter (FIR – Finite Impulse Response) handeln. Auf diese Weise kann das erfasste Sensorsignal auf einfache Weise angepasst werden und somit die frequenzabhängigen Messfehler kompensiert werden. In one embodiment, the computing device comprises a simulation unit with a digital filter which describes an inverse transfer function to the transfer function, and for adapting the detected sensor signal, the detected sensor signal is filtered by means of the simulation unit. Since the transfer function of the acceleration sensor can be described by a PT2 element, mathematically a function can be described which has the inverse transmission behavior of the acceleration sensor and thus compensates for the real transfer function of the acceleration sensor. The inverse transfer function can be, for example, the reciprocal of the real transfer function of the acceleration sensor. This inverse transfer function can be realized by a corresponding digital filter. For this purpose, the filter coefficients of the digital filter can be adjusted accordingly. The digital filter may be, for example, an FIR (Finite Impulse Response) filter. In this way, the detected sensor signal can be easily adapted and thus the frequency-dependent measurement errors can be compensated.

Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass das erfasste Sensorsignal mittels eines weiteren digitalen Filters der Simulationseinheit gefiltert wird, wobei das weitere digitale Filter als Tiefpassfilter ausgebildet ist und derart ausgebildet ist, dass eine Phasenverschiebung des erfassten Sensorsignals unterbleibt. Wenn zum Bestimmen der inversen Übertragungsfunktion lediglich der Kehrwert der Übertragungsfunktion gebildet wird, erhält man im Laplace-Bereich eine Funktion, bei welcher der Zählergrad größer als der Nennergrad ist. Damit ist eine Systemstabilität nicht mehr gewährleistet, wodurch zusätzlich ein digitales Tiefpassfilter notwendig wird. Dabei erhöht sich der Nennergrad der kompensierten Übertragungsfunktion, so dass das System stabil und eingeschwungen bleibt. Dabei ist das weitere digitale Filter so zu wählen, dass es im Messbereich keinen Einfluss in Bezug auf die Amplitude und die Phase des Sensorsignals hat und dennoch dem Nyquist-Kriterium genügt. Das weitere digitale Filter kann beispielsweise als Butterworth-Filter oder als Bessel Filter ausgebildet sein. Das weitere digitale Filter kann auch eine Kombination aus einem Butterworth-Filter und einem Bessel Filter umfassen. Ein Butterworth-Filter weist den Vorteil auf, dass dieser keinen Einfluss auf den Frequenzgang der Übertragungsfunktion hat und die frequenzabhängige Gruppenlaufzeit eine verhältnismäßig untergeordnete Rolle spielt und damit vernachlässigt werden kann. Somit können die frequenzabhängigen Messfehler zuverlässig kompensiert werden. It is preferably provided that the detected sensor signal is filtered by means of another digital filter of the simulation unit, wherein the further digital filter is designed as a low-pass filter and is designed such that a phase shift of the detected sensor signal is omitted. If only the reciprocal of the transfer function is formed for determining the inverse transfer function, a function is obtained in the Laplace range in which the counter rate is greater than the denominator degree. Thus, a system stability is no longer guaranteed, which in addition a digital low-pass filter is necessary. This increases the denominator degree of the compensated transfer function so that the system remains stable and stable. The additional digital filter should be chosen such that it has no influence on the amplitude and phase of the sensor signal in the measuring range and still satisfies the Nyquist criterion. The further digital filter can be configured, for example, as a Butterworth filter or as a Bessel filter. The other digital filter may also include a combination of a Butterworth filter and a Bessel filter. A Butterworth filter has the advantage that it has no influence on the frequency response of the transfer function and the frequency-dependent group delay plays a relatively minor role and can thus be neglected. Thus, the frequency-dependent measurement errors can be reliably compensated.

In einer alternativen Ausführungsform weist die Recheneinrichtung eine Simulationseinheit auf, welche die Übertragungsfunktion beschreibt, wobei mittels der Simulationseinheit anhand einer simulierten Vibration des Sensorelements ein simuliertes Sensorsignal bestimmt wird. Die Simulationseinheit kann ebenfalls ein digitales Filter aufweisen. Mit Hilfe der Simulationseinheit wird eine genäherte bzw. simulierte Übertragungsfunktion des Beschleunigungssensors simuliert. Dieser Simulationseinheit wird eine simulierte Vibration zugeführt. Diese simulierte Vibration beschreibt die tatsächliche mechanische Schwingung des einseitig eingespannten Sensorelements. Da die Simulationseinheit die simulierte Übertragungsfunktion des Beschleunigungssensors beschreibt, ergibt sich am Ausgang ein simuliertes Sensorsignal, welches eine Näherung des realen erfassten Sensorsignals beschreibt. Somit kann beispielsweise durch einen Vergleich des simulierten Sensorsignals mit dem tatsächlich erfassten Sensorsignal die simulierte Übertragungsfunktion in der Simulationseinheit angepasst werden. Dies führt dazu, dass die simulierte Übertragungsfunktion die reale Übertragungsfunktion des Sensors sehr präzise beschreibt. Diese simulierte Übertragungsfunktion kann dann dazu verwendet werden, das erfasste Sensorsignal von dem Beschleunigungssensor anzupassen bzw. zu korrigieren. Damit können die Vibrationen des Bauteils besonders präzise bestimmt werden. In an alternative embodiment, the computing device has a simulation unit which describes the transfer function, wherein a simulated sensor signal is determined by means of the simulation unit on the basis of a simulated vibration of the sensor element. The simulation unit may also have a digital filter. With the help of the simulation unit, an approximated or simulated transfer function of the acceleration sensor is simulated. This simulation unit is supplied with a simulated vibration. This simulated vibration describes the actual mechanical vibration of the cantilevered sensor element. Since the simulation unit describes the simulated transfer function of the acceleration sensor, the result is a simulated sensor signal at the output, which describes an approximation of the real sensor signal recorded. Thus, for example, by comparing the simulated sensor signal with the actually detected sensor signal, the simulated transfer function in the simulation unit can be adjusted. As a result, the simulated transfer function describes the real transfer function of the sensor very precisely. This simulated transfer function can then be used to adjust the detected sensor signal from the acceleration sensor. Thus, the vibrations of the component can be determined very precisely.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Recheneinrichtung eine Reglereinheit auf, mittels welcher eine Differenz zwischen dem erfassten Sensorsignal und dem simulierten Sensorsignal bestimmt wird und die simulierte Vibration in Abhängigkeit von der bestimmten Differenz angepasst wird. Mit anderen Worten wird innerhalb der Recheneinrichtung ein Regelkreis realisiert, bei dem der Ausgang der Simulationseinheit, der das simulierte Sensorsignal beschreibt, und der tatsächliche Ausgang des Beschleunigungssensors, der das erfasste Sensorsignal beschreibt, miteinander verglichen werden. Wenn die Ausgänge nicht übereinstimmen, wird der Eingang der simulierten Übertragungsfunktion bzw. die simulierte Vibration in Abhängigkeit von der Differenz nachgeregelt. Dies kann insbesondere solange geschehen, bis die Ausgänge übereinstimmen. In a further embodiment, the computing device has a regulator unit, by means of which a difference between the detected sensor signal and the simulated sensor signal is determined and the simulated vibration is adjusted as a function of the determined difference. In other words, a control circuit is implemented within the computing device in which the output of the simulation unit, which describes the simulated sensor signal, and the actual output of the acceleration sensor, which describes the detected sensor signal, are compared with each other. If the outputs do not match, the input of the simulated transfer function or the simulated vibration is readjusted as a function of the difference. This can in particular be done until the outputs match.

Zum Bereitstellen des Regelkreises ist es erforderlich, die oben erläuterte Regelung, die eine Funktion im Zeitkontinuierlichen beschreibt, in eine zeitdiskrete Funktion überzuführen, da bei der digitalen Abtastung bzw. beim Erfassen der Sensorsignale lediglich zeitdiskrete Messwerte zur Verfügung stehen. Dies kann durch eine Transformation in den Kleinzeit-Bereich realisiert werden, wodurch ein IIR-Filter (IIR – Infinite Impulse Response) entsteht. Dabei hat sich herausgestellt, dass für diese Transformation sprung- bzw. impulsinvariante Transformationen am besten geeignet sind. To provide the control loop, it is necessary to convert the above-described control, which describes a function in continuous time, into a time-discrete function, since in the digital sampling or in the acquisition of the Sensor signals are only time-discrete measured values available. This can be realized by a transformation into the small-time range, whereby an IIR filter (IIR - Infinite Impulse Response) arises. It has been found that for this transformation, jump- or impulse-invariant transformations are most suitable.

In einer weiteren Ausführungsform wird die simulierte Vibration in aufeinanderfolgenden Regeltakten jeweils in Abhängigkeit von der bestimmten Differenz angepasst. Die Reglereinheit bzw. der Regelkreis innerhalb der Recheneinrichtung kann in aufeinanderfolgenden Regeltakten betrieben werden, bei denen der Ausgang der Simulationseinheit an den Ausgang des realen Sensors angepasst wird. Dies kann solange erfolgen, bis nach einer bestimmten Einschwingzeit ein Zustand erreicht wird, in dem der Ausgang der Simulationseinheit bzw. das simulierte Sensorsignal dem erfassten Sensorsignal bis auf einen vorbestimmten Regelfehler folgt. Dies kann dadurch geschehen, dass auch der Eingang der simulierten Übertragungsfunktion dem Eingang der Übertragungsfunktion des Beschleunigungssensors folgt. Der simulierte Eingang wird also an die reale Vibration des Bauteils angepasst. Somit kann die reale Vibration des Bauteils, die die Beschleunigung beschreibt, dadurch bestimmt werden, dass die simulierte Vibration an diese angepasst wird. In another embodiment, the simulated vibration is adjusted in successive control clocks, depending on the difference determined. The control unit or the control circuit within the computing device can be operated in successive control cycles, in which the output of the simulation unit is adapted to the output of the real sensor. This can be done until after a certain settling time a state is reached in which the output of the simulation unit or the simulated sensor signal follows the detected sensor signal except for a predetermined control error. This can be done by also the input of the simulated transfer function following the input of the transfer function of the acceleration sensor. The simulated input is thus adapted to the real vibration of the component. Thus, the real vibration of the component describing the acceleration can be determined by adjusting the simulated vibration to it.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Simulationseinheit ein digitales Filter umfasst und die simulierte Vibrationen anhand des simulierten Sensorsignals und der Filterparameter des digitalen Filters bestimmt. Auf der Recheneinrichtung bzw. dem Mikrocontroller stehen nur zu diskreten Abtastzeitpunkten Werte zur Verfügung. Somit kann eine kontinuierliche Regelung nicht direkt nachgebildet werden. Hierbei könnte das Problem entstehen, dass die Regelung instabil wird und ausschwingt. Es ist aber vorgesehen, dass für jeden der Abtastwerte der Ausgang bzw. das simulierte Sensorsignal so angenähert wird, dass dieser mit dem Eingang übereinstimmt. Unter Annahme der simulierten Vibration kann anhand der Übertragungsfunktion der Simulationseinheit der simulierte Ausgang berechnet werden und mit dem erfassten Sensorsignal verglichen werden. Danach kann die simulierte Vibration angepasst werden, wodurch ein neuer Wert für das simulierte Sensorsignal berechnet werden kann. Dieses iterative Verfahren wird insbesondere wiederholt, bis die Differenz zwischen dem simulierten Sensorsignal und dem erfassten Sensorsignal einen Grenzwert unterschreitet. Hier hat sich gezeigt, dass dies beispielsweise nach vier Durchläufen der Fall ist. Furthermore, it is advantageous if the simulation unit comprises a digital filter and determines the simulated vibrations on the basis of the simulated sensor signal and the filter parameters of the digital filter. Values are available on the computing device or the microcontroller only at discrete sampling times. Thus, a continuous control can not be replicated directly. This could cause the problem that the control becomes unstable and oscillates. However, it is provided that, for each of the sampled values, the output or the simulated sensor signal is approximated in such a way that it coincides with the input. Assuming the simulated vibration can be calculated based on the transfer function of the simulation unit, the simulated output and compared with the detected sensor signal. Thereafter, the simulated vibration can be adjusted, whereby a new value for the simulated sensor signal can be calculated. This iterative process is repeated in particular until the difference between the simulated sensor signal and the detected sensor signal falls below a limit value. Here it has been shown that this is the case for example after four passes.

Darüber hinaus lässt sich die Methode hinsichtlich der benötigten Rechenleistung des Mikrocontrollers optimieren. Da die Recheneinrichtung ein digitales Filter umfasst, das insbesondere als IIR-Filter ausgebildet ist und eine lineare Funktion beschreibt, ist es möglich, diese zu invertieren. Durch die invertierte Funktion kann der Eingang des Filters bzw. die simulierte Vibrationen anhand der aktuellen Filterparameter des digitalen Filters und dem simulierten Sensorsignal berechnet werden. Somit können Rechenschritte eingespart werden und somit die benötigte Rechenleistung deutlich gesenkt werden. Um diese Methode noch weiter zu verbessern, ist es möglich, die simulierte Vibration gemittelt über mehrere Abtastwerte für das erfasste Sensorsignal zu berechnen. Auf diese Weise kann beispielsweise Rauschen deutlich verhindert werden. Da das digitale Filter nahezu eine nur durch das Nyquist-Filter des Analog-Digital-Wandlers begrenzte Bandbreite hat, lässt sich durch einen nachgeschalteten Tiefpass das Rauschen bei hohen Frequenzen weiter verringern. In addition, the method can be optimized with regard to the required computing power of the microcontroller. Since the computing device comprises a digital filter, which is designed in particular as an IIR filter and describes a linear function, it is possible to invert it. Due to the inverted function, the input of the filter or the simulated vibrations can be calculated on the basis of the current filter parameters of the digital filter and the simulated sensor signal. Thus, computing steps can be saved and thus the required computing power can be significantly reduced. To further improve this method, it is possible to calculate the simulated vibration averaged over multiple samples for the detected sensor signal. In this way, for example, noise can be clearly prevented. Since the digital filter has almost a bandwidth limited only by the Nyquist filter of the analog-to-digital converter, a downstream low-pass can further reduce the noise at high frequencies.

In einer weiteren Ausführungsform wird die simulierte Vibration als das angepasste Sensorsignal verwendet, falls die bestimmte Differenz einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet. Wenn die Differenz zwischen dem simulierten Sensorsignal und dem realen, erfassten Sensorsignal den Grenzwert unterschreitet, kann davon ausgegangen werden, dass die Übertragungsfunktion mittels der Simulationseinheit hinreichend genau simuliert wurde. In diesem Fall entspricht dann die simulierte Vibration im Wesentlichen der realen Vibration des Bauteils bzw. des Wickelkopfes des Generators. In a further embodiment, the simulated vibration is used as the adjusted sensor signal if the determined difference falls below a predetermined threshold. If the difference between the simulated sensor signal and the real, detected sensor signal falls below the limit value, it can be assumed that the transfer function was simulated with sufficient accuracy by means of the simulation unit. In this case, the simulated vibration then essentially corresponds to the real vibration of the component or of the winding overhang of the generator.

Eine erfindungsgemäße Recheneinrichtung für eine Sensoranordnung ist zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt. Bei der Recheneinrichtung kann es sich insbesondere um einen Mikrocontroller handeln. A computing device according to the invention for a sensor arrangement is designed for carrying out a method according to the invention. The computing device may in particular be a microcontroller.

Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst einen Beschleunigungssensor, welcher auf einem optischen Sensorprinzip beruht, und eine erfindungsgemäße Recheneinrichtung. Der Beschleunigungssensor kann ein Sensorelement aufweist, das schwingend gelagert ist und durch die Vibrationen des Bauteils zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorelement um ein einseitig eingespanntes Sensorelement handeln. Das Sensorelement kann insbesondere eine optische Faser sein. Darüber hinaus kann der Beschleunigungssensor eine Lichtquelle umfassen, mittels welcher Licht in den optischen Sensor eingekoppelt werden kann. Ferner kann der Beschleunigungssensor ein entsprechendes Spiegelelement aufweisen, welches unter einem vorbestimmten Winkel zu dem freien Ende der optischen Faser positioniert ist. Insbesondere kann das Spiegelelement derart angeordnet sein, dass das aus der Faser ausgekoppelte Licht von dem Spiegel reflektiert wird und teilweise in die optische Faser zurückgekoppelt wird. Das Sensorprinzip des Beschleunigungssensors beruht dabei auf dem Prinzip der Modulation der optischen Lichtleistung. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Spiegelelement schwingend gelagert ist und die optische Faser feststehend angeordnet ist. Auch durch eine derartige Anordnung kann die Modulation der Lichtleistung erreicht werden. In diesem Fall ist das Spielelement das schwingende Sensorelement des Beschleunigungssensors. Die Sensorvorrichtung kann insbesondere dazu verwendet werden, mechanische Schwingungen von Wickelköpfen zu erfassen. A sensor device according to the invention comprises an acceleration sensor, which is based on an optical sensor principle, and a computing device according to the invention. The acceleration sensor may have a sensor element which is mounted swingably and is excited by the vibrations of the component to mechanical vibrations. For example, the sensor element may be a sensor element clamped on one side. The sensor element may in particular be an optical fiber. In addition, the acceleration sensor may comprise a light source, by means of which light can be coupled into the optical sensor. Further, the acceleration sensor may include a corresponding mirror element positioned at a predetermined angle to the free end of the optical fiber. In particular, the mirror element can be arranged such that the light coupled out of the fiber is reflected by the mirror and is partially fed back into the optical fiber. The sensor principle of the acceleration sensor is based on the principle of Modulation of the optical light output. It can also be provided that the mirror element is mounted swingably and the optical fiber is fixedly arranged. Also by such an arrangement, the modulation of the light output can be achieved. In this case, the game element is the vibrating sensor element of the acceleration sensor. The sensor device can in particular be used to detect mechanical oscillations of winding heads.

Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Recheneinrichtung und die erfindungsgemäße Sensoranordnung. The preferred embodiments presented with reference to the method according to the invention and their advantages apply correspondingly to the computing device according to the invention and the sensor arrangement according to the invention.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Further features of the invention will become apparent from the claims, the figures and the description of the figures. The features and feature combinations mentioned above in the description, as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures, can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the frame to leave the invention.

Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: The invention will now be described with reference to preferred embodiments and with reference to the accompanying drawings. Showing:

1 einen Beschleunigungssensor zum Erfassen von Vibrationen eines Bauteils, wobei der Beschleunigungssensor als Sensorelement eine optische Faser umfasst; 1 an acceleration sensor for detecting vibrations of a component, wherein the acceleration sensor as sensor element comprises an optical fiber;

2 den Beschleunigungssensor gemäß 1 im ausgelenkten Zustand; 2 the acceleration sensor according to 1 in the deflected state;

3 eine schematische Darstellung, welche die Kompensation eines Amplitudenfrequenzgangs des Beschleunigungssensors beschreibt; 3 a schematic representation which describes the compensation of an amplitude frequency response of the acceleration sensor;

4 einen realen Amplitudenfrequenzgang des Beschleunigungssensors im Vergleich zu einem genäherten Amplitudenfrequenzgang; 4 a real amplitude frequency response of the acceleration sensor compared to an approximated amplitude frequency response;

5 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung mit dem Beschleunigungssensor und Recheneinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform; und 5 a schematic representation of a sensor arrangement with the acceleration sensor and computing device according to a first embodiment; and

6 eine Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform. 6 a sensor arrangement according to another embodiment.

In den Figuren werden gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In the figures, identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals.

1 zeigt einen Beschleunigungssensor 2 in einer geschnittenen Seitenansicht. Mit Hilfe des Beschleunigungssensors 2 sollen Vibrationen eines Bauteils erfasst werden. Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine handeln, die insbesondere als Generator in einem Kraftwerk eingesetzt wird. 1 shows an acceleration sensor 2 in a sectioned side view. With the help of the acceleration sensor 2 should vibration of a component are detected. The component may be, for example, a winding head of an electrical machine, which is used in particular as a generator in a power plant.

Der Beschleunigungssensor 2 umfasst ein Sensorelement 4, welches vorliegend durch eine optische Faser gebildet ist. Das Sensorelement 4 ist an einem ersten Ende 5 an einem Befestigungselement 6 einseitig eingespannt. Zudem weist das Sensorelement 4 ein freies Ende 7 auf, welches dem ersten Ende 5 gegenüberliegt. Das Sensorelement 4 bzw. die optische Faser weist eine vorbestimmte Länge l auf. Zudem weist der Beschleunigungssensor 2 eine hier nicht dargestellte Lichtquelle auf, mittels welcher Licht 8 in das Sensorelement 4 bzw. die optische Faser eingekoppelt werden kann. Darüber hinaus weist der Beschleunigungssensor 2 ein Spiegelelement 9 auf, das unter einem vorbestimmten Winkel α geneigt ist. Vorliegend ist das Spiegelelement 9 derart zu dem Sensorelement 4 bzw. zu dem freien Ende 7 des Sensorelements 4 angeordnet, dass diese einen Abstand s zueinander aufweisen. The acceleration sensor 2 includes a sensor element 4 , which is formed here by an optical fiber. The sensor element 4 is at a first end 5 on a fastener 6 clamped on one side. In addition, the sensor element has 4 a free end 7 on which the first end 5 opposite. The sensor element 4 or the optical fiber has a predetermined length l. In addition, the acceleration sensor points 2 a light source, not shown here, by means of which light 8th in the sensor element 4 or the optical fiber can be coupled. In addition, the acceleration sensor points 2 a mirror element 9 which is inclined at a predetermined angle α. Present is the mirror element 9 such to the sensor element 4 or to the free end 7 of the sensor element 4 arranged that they have a distance s to each other.

2 zeigt einen Beschleunigungssensor 2 gemäß 1 in einem ausgelenkten Zustand. Hierbei wirkt eine Beschleunigung a auf das Sensorelement 4, wodurch das Sensorelement 4 in mechanische Schwingungen versetzt wird. Das Sensorprinzip des Beschleunigungssensors 2 beruht auf dem Prinzip der Modulation der optischen Lichtleistung. Wenn das Sensorelement 4 bzw. die optische Faser nun aufgrund ihrer Massenträgheit in Schwingungen versetzt wird, verändert sich der Abstand s zwischen dem freien Ende 7 und dem Spiegelelement 9. Der Abstand beträgt in der gezeigten Auslenkung des Sensorelements 4 s–Δs. Damit ändert sich auch die in das freie Ende 7 des Sensorelements 4 wieder eingekoppelte Lichtleistung in Abhängigkeit des Abstands s und somit von der Beschleunigung a der Faser. 2 shows an acceleration sensor 2 according to 1 in a deflected state. In this case, an acceleration a acts on the sensor element 4 , whereby the sensor element 4 is added to mechanical vibrations. The sensor principle of the acceleration sensor 2 is based on the principle of modulation of optical light output. When the sensor element 4 or the optical fiber is now vibrated due to their inertia, the distance s between the free end changes 7 and the mirror element 9 , The distance is in the deflection of the sensor element shown 4 s-.DELTA.s. This also changes the one into the free end 7 of the sensor element 4 again coupled light power as a function of the distance s and thus of the acceleration a of the fiber.

Da der Beschleunigungssensor 2 bzw. das Sensorelement 4 auf dem mechanischen Prinzip eines einseitig eingespannten Biegebalkens beruht, folgt dieser auch den dafür zugrundeliegenden physikalischen Gesetzen eines linear-gedämpften Schwingungssystems. Dieses System lässt sich durch ein Masse-Feder-Dämpfersystem und folgt somit dem Verhalten eines PT2-Gliedes. Dieses Verhalten zeigt eine frequenzabhängige Amplitude, die auch als Vergrößerungsfunktion V bezeichnet werden kann. Dieses Verhalten ist in 3 dargestellt. Hierbei ist auf der Abszisse die Frequenz f und auf der Ordinate die Vergrößerungsfunktion V aufgetragen. Hierbei zeigt die Kurve 10 eine Messkurve des Beschleunigungssensors 2 in Abhängigkeit von der Frequenz f. Die Kurve 11 beschreibt die Vergrößerungsfunktion V bzw. den Frequenzgang gemäß eines PT2-Gliedes. Hierbei ist zu erkennen, dass die Kurve 10 im Wesentlichen deckungsgleich mit der Kurve 11 ist. Because the acceleration sensor 2 or the sensor element 4 Based on the mechanical principle of a cantilevered cantilever beam, this also follows the underlying physical laws of a linear-damped vibration system. This system can be controlled by a mass-spring damper system and thus follows the behavior of a PT2 member. This behavior shows a frequency-dependent amplitude, which can also be called the magnification function V. This behavior is in 3 shown. This is up the abscissa represents the frequency f and on the ordinate the magnification function V. This shows the curve 10 a measurement curve of the acceleration sensor 2 depending on the frequency f. The curve 11 describes the magnification function V or the frequency response according to a PT2 element. It can be seen that the curve 10 essentially congruent with the curve 11 is.

Wenn der Beschleunigungssensor 2 bzw. das Sensorelement 4 mit verschiedenen Frequenzen f stets mit der gleichen Beschleunigung a angeregt werden, zeigt dieser eine Systemantwort mit veränderlicher Amplitude. Dieses Verhalten lässt sich durch eine nicht-konstante Übertragungsfunktion H(jω) beschreiben. Dieses Frequenzverhalten führt zu einem nicht unerheblichen Messfehler über den gesamten Frequenzbereich. When the acceleration sensor 2 or the sensor element 4 With different frequencies f are always excited with the same acceleration a, this shows a system response with variable amplitude. This behavior can be described by a non-constant transfer function H (jω). This frequency behavior leads to a not insignificant measurement error over the entire frequency range.

Der Amplitudenfrequenzgang bzw. die Vergrößerungsfunktion V des Beschleunigungssensors 2 soll nun kompensiert werden. Dies ist schematisch in 4 dargestellt. Hierbei zeigt ein erster Block 12 die Vergrößerungsfunktion V der Vibration des Bauteils in Abhängigkeit von der Frequenz f. Hierbei ist die Vergrößerungsfunktion V in Abhängigkeit von der Frequenz f konstant bzw. weist einen konstanten Wert auf. Die Vibration des Bauteils wird dem Beschleunigungssensor 2 als Vibration In_sens bzw. als Eingangssignal zugeführt. Wie bereits erwähnt, weist der Beschleunigungssensor 2 die Übertragungsfunktion H_sens(jω) auf. Am Ausgang des Beschleunigungssensors 2 wird ein Sensorsignal Out_sens ausgegeben, das eine vorbestimmte Verstärkungsfunktion V in Abhängigkeit von der Frequenz f aufweist. Diese ist in dem Block 13 dargestellt. Mittels einer Recheneinrichtung 3, die insbesondere als Mikrocontroller ausgebildet ist, soll nun eine Übertragungsfunktion bzw. eine simulierte Übertragungsfunktion H_sim(jω) bereitgestellt werden. Diese simulierte Übertragungsfunktion H_sim(jω) dient dazu, die reale Übertragungsfunktion H_sens(jω) des Beschleunigungssensors 2 zu kompensieren. Am Ausgang der Recheneinrichtung 3 ergibt sich ein angepasstes Sensorsignal U. Die Verstärkungsfunktion V des angepassten Sensorsignals U ist in Abhängigkeit von der Frequenz f wieder konstant. Dies ist in dem Block 14 dargestellt. The amplitude frequency response or the magnification function V of the acceleration sensor 2 should now be compensated. This is schematically in 4 shown. This shows a first block 12 the magnification function V of the vibration of the component as a function of the frequency f. Here, the magnification function V as a function of the frequency f is constant or has a constant value. The vibration of the component becomes the acceleration sensor 2 supplied as vibration in _sens or as input signal. As already mentioned, the acceleration sensor points 2 the transfer function H _sens (jω). At the output of the acceleration sensor 2 a sensor signal Out _{sens is} output, which has a predetermined gain function V as a function of the frequency f. This one is in the block 13 shown. By means of a computing device 3 , which is designed in particular as a microcontroller, should now be a transfer function or a simulated transfer function H _sim (jω) are provided. This simulated transfer function H _sim (jω) serves to calculate the real transfer function H _sens (jω) of the acceleration sensor 2 to compensate. At the output of the computing device 3 the result is an adapted sensor signal U. The amplification function V of the adjusted sensor signal U is again constant as a function of the frequency f. This is in the block 14 shown.

5 zeigt eine Sensorvorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Sensorvorrichtung 1 umfasst den Beschleunigungssensor 2 sowie die Recheneinrichtung 3. Wie zuvor erläutert, wird mit dem Sensor die Vibration In_sens des Bauteils erfasst. Durch die Übertragungsfunktion H_sens(jω) des Beschleunigungssensors 2 ergibt sich am Ausgang des Beschleunigungssensors 2 das Sensorsignal Out_sens. Dieses wird dann der Recheneinrichtung 3 zugeführt. Die Recheneinrichtung 3 kann einen entsprechenden Analog-Digital-Wandler aufweisen, um das Sensorsignal Out_sens abzutasten. Die Recheneinrichtung 3 umfasst eine Simulationseinheit 15, mittels welcher die simulierte Übertragungsfunktion H_sim(jω) bestimmt wird, welche die reale Übertragungsfunktion H_sens(jω) nachgebildet. 5 shows a sensor device 1 according to a first embodiment. The sensor device 1 includes the acceleration sensor 2 as well as the computing device 3 , As explained above, the sensor detects the vibration In _{sens of} the component. Through the transfer function H _sens (jω) of the acceleration sensor 2 results at the output of the acceleration sensor 2 the sensor signal Out _sens . This then becomes the computing device 3 fed. The computing device 3 may have a corresponding analog-to-digital converter to sample the sensor signal Out _sens . The computing device 3 includes a simulation unit 15 , by means of which the simulated transfer function H _sim (jω) is determined, which replicates the real transfer function H _sens (jω).

Vorliegend wird mittels der Simulationseinrichtung 15 eine invertierte Übertragungsfunktion H_sim ^–1 _(jω) bereitgestellt, welche dem inversen Übertragungsverhalten des Beschleunigungssensors entspricht. Die Simulationseinheit 15 kann ein digitales Filter umfassen, dessen Filterparameter so angepasst sind, dass sie die inverse Übertragungsfunktion H_sim ^–1 _(jω) abbilden. Zudem kann die Simulationseinheit 15 ein weiteres digitales Filterelement umfassen, welches als Tiefpassfilter ausgebildet ist. Dieses weitere Filterelement kann beispielsweise ein Butterworth-Filter und/oder ein Bessel Filter sein. Somit kann die Stabilität des Systems gewährleistet werden. Zudem ist das digitale Filterelement so ausgebildet, dass die Amplitude und die Phase des Sensorsignals Out_sens nicht verändert werden. Das Sensorsignal Out_sens kann dann mittels der Simulationseinheit 15 gefiltert werden, um den realen Frequenzgang bzw. die reale Übertragungsfunktion H_sens(jω) des Beschleunigungssensors 2 zu kompensieren. Somit kann auf einfache Weise das angepasste Sensorsignal U bestimmt werden. In the present case, by means of the simulation device 15 an inverse transfer function H _sim ^-1 _(jω) corresponding to the inverse transfer behavior of the acceleration sensor is provided. The simulation unit 15 may comprise a digital filter whose filter parameters are adapted to map the inverse transfer function H _sim ^-1 _(jω) . In addition, the simulation unit 15 comprise a further digital filter element, which is designed as a low-pass filter. This further filter element may be, for example, a Butterworth filter and / or a Bessel filter. Thus, the stability of the system can be ensured. In addition, the digital filter element is designed so that the amplitude and the phase of the sensor signal Out _{sens are} not changed. The sensor signal Out _sens can then by means of the simulation unit 15 be filtered to the real frequency response or the real transfer function H _sens (jω) of the acceleration sensor 2 to compensate. Thus, the adjusted sensor signal U can be determined in a simple manner.

6 zeigt eine Sensoranordnung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Hier weist die Recheneinrichtung 3 ebenfalls eine Simulationseinheit 15 auf, welche eine Übertragungsfunktion H_sim(jω) beschreibt. In diesem Fall ist die simulierte Übertragungsfunktion H_sim(jω) so bestimmt, dass diese möglichst der realen Übertragungsfunktion H_sens(jω) des Beschleunigungssensors 2 entspricht. Am Ausgang der Simulationseinheit 15 wird ein simuliertes Sensorsignal Out_sim ausgegeben. Die Recheneinrichtung 3 umfasst ferner eine Reglereinheit 16, welcher das erfasste Sensorsignal Out_sens zugeführt wird. Dieses wird mit dem simulierten Sensorsignal Out_sim verglichen. Insbesondere wird eine Differenz zwischen dem simulierten Sensorsignal Out_sim und dem realen Sensorsignal Out_sens gebildet. Diese wird einer Verstärkungseinheit 17 zugeführt, mit der ein vorbestimmter Verstärkungsfaktor k, der beispielsweise 1,1 beträgt, bereitgestellt wird. Der Ausgang der Verstärkereinheit 17 ist mit der Simulationseinheit 15 verbunden. Zudem wird der Simulationseinheit 15 eine simulierte Vibration In_sim zugeführt, welche die reale Vibration des Bauteils In_sens nachbildet. 6 shows a sensor arrangement 1 according to a further embodiment. Here the computing device points 3 also a simulation unit 15 which describes a transfer function H _sim (jω). In this case, the simulated transfer function H _sim (jω) is determined so that this as possible the real transfer function H _sens (jω) of the acceleration sensor 2 equivalent. At the exit of the simulation unit 15 a simulated sensor signal Out _{sim is} output. The computing device 3 further comprises a regulator unit 16 to which the detected sensor signal Out _{sens is} supplied. This is compared with the simulated sensor signal Out _sim . In particular, a difference between the simulated sensor signal Out _sim and the real sensor signal Out _{sens is} formed. This becomes an amplification unit 17 supplied with which a predetermined gain k, which is for example 1.1, is provided. The output of the amplifier unit 17 is with the simulation unit 15 connected. In addition, the simulation unit 15 a simulated vibration supplied in _sim , which simulates the real vibration of the component In _sens .

Im Betrieb der Sensoranordnung 1 werden das simulierte Sensorsignal Out_sim und das reale Sensorsignal Out_sens miteinander verglichen und verstärkt auf den Eingang der Simulationseinheit 15 gegeben. Die Simulationseinheit 15 gibt einen Wert aus, welcher durch den Regelkreis bzw. die Reglereinheit 16 so geregelt wird, dass das simulierte Sensorsignal Out_sim dem realen Sensorsignal Out_sens entspricht. Stimmen die Ausgänge bzw. das simulierte Sensorsignal Out_sim mit dem tatsächlichen Sensorsignal Out_sens überein, muss auch der Eingang bzw. die simulierte Vibration In_sim mit der tatsächlichen Vibration In_sens übereinstimmen. During operation of the sensor arrangement 1 the simulated sensor signal Out _sim and the real sensor signal Out _sens are compared and amplified to the input of the simulation unit 15 given. The simulation unit 15 outputs a value which is determined by the control loop or the control unit 16 is controlled so that the simulated sensor signal Out _sim corresponds to the real sensor signal Out _sens . If the outputs or the simulated sensor signal Out _sim match the actual sensor signal Out _sens , the input or the simulated vibration In _sim must also match the actual vibration In _sens .

Dabei wird die simulierte Übertragungsfunktion H_sim(jω) mittels der Recheneinrichtung 3 bestimmt, die insbesondere einen Mikrocontroller ein Embedded-System mit limitierter Rechenleistung umfasst. Hierzu wird die Übertragungsfunktion H_sim(jω) im zeitdiskreten z-Bereich bestimmt. Hierzu kann insbesondere eine sprunginvariante Transformation verwendet werden. Da die Recheneinrichtung 3 insbesondere einen Mikrocontroller umfasst, können nur zeitdiskrete bzw. quantisierte Werte verwendet werden. Zudem können die Berechnungen nur im Takt der Recheneinrichtung 3 durchgeführt werden. Hierbei ist es der Fall, dass verschiedene Verzögerungen, wie ein notwendiges Verzögerungsglied in der Rückführung, oder eine Verzögerung der Übertragungsfunktion die Regelstrecke instabil machen. Beispielsweise kann der Vergleich des simulierten Sensorsignals Out_sim mit dem tatsächlichen Sensorsignal Out_sens nicht in dem gleichen Takt erfolgen, in dem das simulierte Sensorsignal Out_sim bestimmt wurde. Hierzu kann es vorgesehen sein, dass beispielsweise mehrere Zyklen durchgeführt werden, bis der Regelkreis stabil betrieben werden kann. In this case, the simulated transfer function H _sim (jω) by means of the computing device 3 determines, in particular, a microcontroller includes an embedded system with limited computing power. For this purpose, the transfer function H _sim (jω) is determined in the time discrete z range. In particular, a jump-invariant transformation can be used for this purpose. Because the computing device 3 In particular comprises a microcontroller, only discrete-time or quantized values can be used. In addition, the calculations can only in time with the computing device 3 be performed. In this case, it is the case that different delays, such as a necessary delay element in the feedback, or a delay of the transfer function make the controlled system unstable. For example, the comparison of the simulated sensor signal Out _sim with the actual sensor signal Out _sens can not take place in the same clock in which the simulated sensor signal Out _{sim was} determined. For this purpose, it can be provided that, for example, several cycles are carried out until the control loop can be operated stably.

Weiterhin ist es vorgesehen, eine Näherung anzuwenden, um die simulierte Vibration In_sim zu bestimmen, welche den Ausgang bzw. das simulierte Sensorsignal Out_sim hinreichend genau repräsentiert. Als simulierte Vibrationen In_sim können beispielsweise sinusförmige Signale mit verschiedenen Frequenzen und Amplituden vorgegeben werden. Bei dieser Näherung kann zunächst ein möglicher Eingangswert In_sim vorgegeben werden, anhand dessen dann das simulierte Sensorsignal Out_sim berechnet wird. Hierbei ist es auch möglich, den Eingangswert In_sim häufiger auf den Eingang zu legen, um den Ausgang zu einem späteren Zeitpunkt zu erhalten. Dieser wird nun mit dem Ausgang des Beschleunigungssensors 2 bzw. mit dem Sensorsignal Out_sens verglichen. Je nach Abweidung der beiden Werte wird nun der zufällig gewählte Eingangswert In_sim angepasst. Nun wird wieder der Ausgang simuliert bzw. das simulierte Sensorsignal Out_sim bestimmt. Diese Schritte können beliebig oft wiederholt werden, bis die Differenz einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet. Furthermore, it is provided to use an approximation in order to determine the simulated vibration In _sim , which represents the output or the simulated sensor signal Out _{sim with} sufficient accuracy. As simulated vibrations In _sim , for example, sinusoidal signals with different frequencies and amplitudes can be specified. With this approximation, a possible input value In _sim can first be specified, on the basis of which the simulated sensor signal _{Out_sim is} calculated. It is also possible here to apply the input value In _sim more frequently to the input in order to obtain the output at a later time. This will now be with the output of the acceleration sensor 2 or compared with the sensor signal Out _sens . Depending on the deviation of the two values, the randomly selected input value In _{sim is} adjusted. Now the output is simulated again or the simulated sensor signal Out _{sim is} determined. These steps can be repeated as often as necessary until the difference falls below a predetermined limit.

Dabei kann auch eine Näherung des Eingangswerts bzw. der simulierten Vibration In_sim durchgeführt werden. Diese Näherung wird benötigt, um für die Simulation einen passenden Eingangswert zu finden. Hierbei können auch mehrere Iterationsschritte durchgeführt werden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass bestimmt wird, ab wann die Näherung genau genug ist bzw. nach wie vielen Zyklen der Ausgang Out_sim der Übertragungsfunktion H_sim(jω) ausreichend genau bestimmt wurde. Wenn beispielsweise die Anzahl notwendigen der Iterationsschritte bekannt ist und die damit verknüpften simulierten Eingangssignale In_sim bekannt sind, kann die Näherung in einem einzeigen Rechenschritt ausgeführt werden, in dem die Berechnung invertiert wird. Dies führt zu einer Verbesserung der Rechengeschwindigkeit. Zudem kann die Genauigkeit verbessert werden. Die Simulationseinheit 15 kann ein digitales Filter, insbesondere einen IIR-Filter, umfassen, welcher eine lineare Funktion beschreibt. Diese lineare Funktion kann nun invertiert werden. Durch die invertierte Funktion kann der Eingang des Filters durch die aktuellen Filterparameter und den Ausgangswert bzw. das simulierte Sensorsignal Out_sim berechnet werden. In this case, an approximation of the input value or the simulated vibration in _sim can also be performed. This approximation is needed to find a suitable input value for the simulation. In this case, it is also possible to carry out a plurality of iteration steps. In particular, it is provided that it is determined from when the approximation is accurate enough or after how many cycles the output Out _{sim of} the transfer function H _sim (jω) has been determined sufficiently accurate. For example, if the number of necessary iteration steps is known and the simulated input signals In _{sim associated with} it are known, the approximation can be performed in an on-line calculation step in which the calculation is inverted. This leads to an improvement in the computing speed. In addition, the accuracy can be improved. The simulation unit 15 may comprise a digital filter, in particular an IIR filter, which describes a linear function. This linear function can now be inverted. Due to the inverted function, the input of the filter can be calculated by the current filter parameters and the output value or the simulated sensor signal Out _sim .

Weiterhin kann es vorgesehen sein, die simulierte Vibration In_sim gemittelt über mehrere Abtastwerte für das Sensorsignal Out_sens zu berechnen. Auf diese Weise kann Rauschen verringert werden. Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass die Simulationseinheit 15 einen Tiefpassfilter aufweist, der dem digitalen Filter nachgeschaltet ist. Somit kann Rauschen bei hohen Frequenzen zudem verringert werden. Furthermore, it can be provided, the simulated vibration In _sim averaged over a plurality of samples of the sensor signal Out to calculate _sens. In this way, noise can be reduced. In addition, it may be provided that the simulation unit 15 a low pass filter downstream of the digital filter. Thus, noise at high frequencies can also be reduced.

Insgesamt wird die simulierte Vibration In_sim solange angepasst, bis der Unterschied zwischen dem simulierten Sensorsignal Out_sim und dem realen Sensorsignal Out_sens einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet. In diesem Fall stimmt die tatsächliche Vibration des Bauteils In_sens mit dem Eingangssignal bzw. der simulierten Vibration In_sim im Wesentlichen überein. Hierbei wird die simulierte Vibration In_sim als das angepasste Sensorsignal U verwendet. Overall, the simulated vibration In _{sim is} adjusted until the difference between the simulated sensor signal Out _sim and the real sensor signal Out _sens falls below a predetermined limit. In this case, the actual vibration of the component In _sens substantially coincides with the input signal or the simulated vibration In _sim . Here, the simulated vibration In _{sim is used} as the adjusted sensor signal U.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102010019813 A1 [0003]

Claims

Method for determining a vibration (In _sens ) of a component, in which by means of a computing device ( 3 ) a sensor signal (Out _sens ) from an acceleration sensor coupled to the component ( 2 ), which is based on an optical sensor principle, is detected, wherein the detected sensor signal (Out _sens ) a mechanical oscillation of a sensor element ( 4 ) of the acceleration sensor ( 2 ), and the vibration of the component is determined on the basis of the detected sensor signal (Out _sens ), characterized in that a transfer function (H _sim (jω)) is determined, which determines an amplitude of the oscillation of the sensor element ( 4 ) in Abgängigkeit of the frequency (f) describes the detected sensor signal (Out _sens ) by means of the computing device ( 3 ) is adjusted on the basis of the transfer function (H _sim (jω)) and the vibration (In _sens ) of the component is determined on the basis of the adapted sensor signal (U).

A method according to claim 1, characterized in that the transfer function (H _sim (jω)) is determined such that this describes a proportional transmission behavior with a second-order delay.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the computing device ( 3 ) a simulation unit ( 15 ) With a digital filter, which is a to the transfer function (H _sim (jω)) ^(-1 _(jω H _{_sim))} describes inverse transfer function comprises and for adjusting the detected sensor signal (Out _sens) the detected sensor signal (Out _sens) by means of the simulation unit ( 15 ) is filtered.

A method according to claim 3, characterized in that the detected sensor signal (Out _sens ) by means of another digital filter of the simulation unit ( 15 ) is filtered, wherein the further digital filter is designed as a low-pass filter and is designed such that a phase shift of the detected sensor signal (Out _sens ) is omitted.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the computing device ( 3 ) a simulation unit ( 15 ), which describes the transfer function (H _sim (jω)), wherein by means of the simulation unit ( 15 ) Based on a simulated vibration (In _sim ) of the component, a simulated sensor signal (Out _sim ) is determined.

Method according to Claim 5, characterized in that the computing device ( 3 ) a controller unit ( 16 ), by means of which a difference between the detected sensor signal (Out _sens ) and the simulated sensor signal (Out _sim ) is determined and the simulated vibration (In _sim ) is adjusted in dependence on the determined difference.

A method according to claim 6, characterized in that the simulated vibration (In _sim ) is adjusted in successive control clocks in each case depending on the determined difference.

Method according to one of claims 6 to 7, characterized in that the simulation unit ( 15 ) comprises a digital filter and the simulated vibration (In _sim ) is determined on the basis of the simulated sensor signal (Out _sim ) and the filter parameters of the digital filter.

Method according to one of claims 6 to 8, characterized in that the simulated vibration (Out _sim ) is used as the adjusted sensor signal (U), if the determined difference falls below a predetermined limit value.

Computing device ( 3 ) for a sensor device ( 1 ), which is designed to carry out a method according to one of the preceding claims.

Sensor device ( 1 ) with an acceleration sensor ( 2 ), which is based on an optical sensor principle, and with a computing device ( 3 ) according to claim 10.

Sensor device ( 1 ) according to claim 11, characterized in that the acceleration sensor ( 2 ) as the sensor element ( 4 ) comprises an optical fiber.