DE102019109311B3 - Arrangement and method for the calibration and operation of capacitive actuators - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur rückführbaren Kalibrierung eines elektrostatischen Aktors. Die Anordnung weist neben einem geführten mechanischen Gestell mindestens eine Einrichtung zur elektrostatischen Krafterzeugung auf.Mit der hier vorgeschlagenen Anordnung und dem dazugehörigen Verfahren kann durch Messung der an den Einrichtungen zur elektrostatischen Krafterzeugung vorherrschenden elektrischen Kenngrößen gleichzeitig und ohne die Anordnung oder messungsrelevante Teile der Vorrichtung in Resonanz zu versetzen, das Maß der Krafterzeugung bestimmt werden. Diese Kalibrierung kann während einer Krafterzeugung stattfinden.The invention relates to an arrangement and a method for traceable calibration of an electrostatic actuator. In addition to a guided mechanical frame, the arrangement has at least one device for electrostatic force generation. With the arrangement proposed here and the associated method, the electrical parameters prevailing at the devices for electrostatic force generation can be resonated simultaneously and without the arrangement or measurement-relevant parts of the device to move, the level of force generation to be determined. This calibration can take place during force generation.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur rückführbaren Kalibrierung eines elektrostatischen Aktors.The invention relates to an arrangement and a method for traceable calibration of an electrostatic actuator.
Das Minimalbeispiel eines elektrostatischen Aktors ist ein Plattenkondensator. Ein Plattenkondensator ist eine Anordnung von zwei planparallelen Platten gleichartiger Geometrie, welche elektrisch leitend kontaktiert werden. Damit ist diese Anordnung in der Lage, elektrische Energie in Form eines elektrischen Feldes, hervorgerufen durch elektrische Ladungsträger, zu speichern. Das Maß für das Fassungsvermögen eines Kondensators für elektrische Ladungsträger ist die Kapazität. Die Kapazität eines Plattenkondensators ist dabei von der Plattengröße, dem Plattenabstand und dem Material zwischen den Platten, dem Dielektrikum, abhängig. Wird bei konstant angelegter elektrischer Spannung die Plattengröße, der Plattenabstand oder das Dielektrikum geändert, so wird die resultierende Kapazitätsänderung durch das Fließen eines elektrischen Stromes kompensiert. Die Messung dieser elektrischen Ströme wird vielfältig genutzt, beispielsweise um Bewegungen der Kondensatorplatten zu vermessen und damit sensorisch eingesetzt zu werden, beispielsweise um kleinste Wegänderungen oder Geschwindigkeiten nachzuweisen. Andererseits ist aber auch eine Verwendung als kapazitiver Aktor zur elektrostatischen Krafterzeugung möglich.The minimal example of an electrostatic actuator is a plate capacitor. A plate capacitor is an arrangement of two plane-parallel plates of the same geometry, which are contacted in an electrically conductive manner. This arrangement is thus able to store electrical energy in the form of an electrical field caused by electrical charge carriers. The measure of the capacity of a capacitor for electrical charge carriers is the capacity. The capacitance of a plate capacitor depends on the plate size, the plate spacing and the material between the plates, the dielectric. If the plate size, the plate spacing or the dielectric is changed while the electrical voltage is constantly applied, the resulting change in capacitance is compensated for by the flow of an electrical current. The measurement of these electrical currents is used in a variety of ways, for example to measure movements of the capacitor plates and thus to be used by sensors, for example to demonstrate the smallest changes in travel or speeds. On the other hand, it can also be used as a capacitive actuator for generating electrostatic force.
In der
In der
In der
In keiner dieser bekannten Druckschriften wird allerdings die Kopplungskonstante zwischen der Krafterzeugung und der dafür aufgewendeten elektrischen Spannung explizit bestimmt.However, none of these known documents explicitly determine the coupling constant between the generation of force and the electrical voltage used for it.
Dagegen wird in der
Neben den genannten Messverfahren ist die Bestimmung der Kapazität und damit der Kopplungskonstante anhand mathematischer Modelle und mit Hilfe einer Längenmessung möglich A. M. Thompson & D. G. Lampard: A new theorem in electrostatics and its application to calculable standards of capacitance. In: Nature volume 177, page 888 (1956)). Diese Methode ist jedoch nur für bestimmte Elektrodenanordnungen mit hoher Genauigkeit realisierbar.In addition to the measurement methods mentioned, the capacitance and thus the coupling constant can be determined using mathematical models and with the aid of a length measurement A. M. Thompson & D. G. Lampard: A new theorem in electrostatics and its application to calculable standards of capacitance. In: Nature volume 177, page 888 (1956)). However, this method can only be implemented with high accuracy for certain electrode arrangements.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Anordnung und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, um gleichzeitig und ohne die Anordnung oder messungsrelevante Teile der Anordnung in Resonanz zu versetzen, während der Krafterzeugung mit Hilfe elektrischer Kenngrößen die Aktorkonstante resonanzfrei zu kalibrieren.The object of the present invention is to provide an arrangement and a device for simultaneously and without causing the arrangement or measurement-relevant parts of the arrangement to resonate, during the generation of force using electrical parameters to calibrate the actuator constant without resonance.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Ansprüche. The object is achieved by the features of the independent claims. Preferred embodiments are the subject of the respective back-related claims.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung zur rückführbaren Kalibrierung eines elektrostatischen Aktors.
Die Anordnung zur rückführbaren Kalibrierung eines elektrostatischen Aktors, weist mindestens ein Gestell zur Halterung mindestens einer beweglichen Elektrode, mindestens eine gestellfeste Elektrode, mindestens eine Spannungsquelle, mindestens einen elektrischen Verbraucher, mindestens zwei Messeinrichtungen für elektrische Kenngrößen und mindestens eine Messeinrichtung zur Positionsmessung und eine Messeinrichtung zur Geschwindigkeitsmessung auf, wobei die Anordnung dafür ausgebildet ist, die Aktorkonstante resonanzfrei zu kalibrieren.
Die Kalibrierung gleichzeitig zur Erzeugung der elektrostatischen Kraft wird erreicht, wenn die Frequenz der Relativbewegung der gestellseitigen Elektroden weit oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz des mit dem Aktor verbundenen Führungssystems liegt, sodass die aufgrund der Relativbewegung erzeugte Kraftänderung nur in einem für die Anwendung vernachlässigbaren Bereich zu Bewegungen des mechanischen Systems führt. Eine geeignete Bewegungsfrequenz liegt beispielsweise oberhalb der 10-fachen Resonanzfrequenz.A first aspect of the invention relates to an arrangement for traceable calibration of an electrostatic actuator.
The arrangement for traceable calibration of an electrostatic actuator has at least one frame for holding at least one movable electrode, at least one electrode fixed to the frame, at least one voltage source, at least one electrical consumer, at least two measuring devices for electrical parameters and at least one measuring device for position measurement and one measuring device Velocity measurement, the arrangement being designed to calibrate the actuator constant without resonance.
The calibration at the same time as the generation of the electrostatic force is achieved when the frequency of the relative movement of the electrodes on the frame is far above the mechanical resonance frequency of the guide system connected to the actuator, so that the change in force generated due to the relative movement only moves in a range that is negligible for the application mechanical system leads. A suitable movement frequency is, for example, above 10 times the resonance frequency.
Nachfolgend erfolgt zum besseren Verständnis der Erfindung die Definition bestimmter Termini:
- Elektrode: Hierbei wird vorliegend das offene Ende eines elektrischen Leiters verstanden. Werden zwei dieser Leiterenden elektrisch gegenpolig geladen und in einen geometrischen Abstand zueinander gesetzt, so ist dies ein allgemeiner Kondensator. Als spezielle und besonders einfache Ausführung gilt der Plattenkondensator. Bei diesem sind die Platten die hier definierten Elektroden. Die Elektroden sind mit einer Spannungsquelle verbunden.
- Electrode: Here the open end of an electrical conductor is understood. If two of these conductor ends are charged with opposite polarity and placed at a geometric distance from one another, this is a general capacitor. The plate capacitor is a special and particularly simple version. The plates are the electrodes defined here. The electrodes are connected to a voltage source.
Konstantspannungsquelle: Hierbei handelt es sich um den Spezialfall einer Spannungsquelle. Bei dieser Ausführung einer Spannungsquelle wird über einen gegebenen Zeitraum ein konstanter Wert der ausgegebenen elektrischen Spannung eingestellt. Dieser Wert der Spannung ist über den angegebenen Zeitraum auch während der Bewegung der Kondensatorplatten zueinander messbar.Constant voltage source: This is the special case of a voltage source. In this version of a voltage source, a constant value of the output electrical voltage is set over a given period of time. This value of the voltage can also be measured during the movement of the capacitor plates to one another over the specified period.
Frequenz der Bewegung: Hierunter wird synonym die Erregerfrequenz, oder Anregungsfrequenz, eines zur mechanischen Schwingung geeigneten Systems verstanden. Dabei nimmt das schwingungsfähige System nach kurzer Einschwingphase die Erreger- bzw. Anregungsfrequenz an und wird gezwungen, mit dieser zu schwingen. Jedes schwingungsfähige System besitzt eine Eigenfrequenz. Ist die Erregerfrequenz gleich der Eigenfrequenz kommt es zum Spezialfall der Resonanz.Frequency of movement: This is synonymous with the excitation frequency, or excitation frequency, of a system suitable for mechanical vibration. After a short settling phase, the system capable of oscillation assumes the excitation frequency and is forced to oscillate with it. Every system capable of oscillation has a natural frequency. If the excitation frequency is equal to the natural frequency, there is a special case of resonance.
Resonanzfrequenz: Darunter wird die Frequenz verstanden, bei welcher die Schwingungsenergie eines Erregers in ein schwingungsfähiges System eingekoppelt wird, ohne dass die Dämpfung ausreicht um die zugeführte Energie wieder in Wärme umzuwandeln und abzuführen. Dabei ist es möglich und wahrscheinlich, dass dies zur Zerstörung des schwingungsfähigen Systems führt.Resonance frequency: This is the frequency at which the vibrational energy of an exciter is coupled into an oscillatory system without the damping being sufficient to convert the supplied energy back into heat and to dissipate it. It is possible and likely that this will destroy the vibrating system.
Aktorkonstante: Die Aktorkonstante k gibt an, bei welchem Wert einer angelegten elektrischen Spannung die resultierende Höhe der zu erwartenden Kraft erzeugt wird. Physikalisch begründet sich dies aus den folgenden, exemplarisch für den Plattenkondensator gültigen, Gleichungen:
- 1.
- 2. x(t) = Δx(t) + x0, wobei Δx die relative Änderung des Abstandes der Kondensatorplatten zueinander und x0 die Position der Ruhelage der Kondensatorplatten symbolisiert. Die elektrische Feldenergie mit
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- 8. F(x(t)) = k(x)U2 zu folgern.
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- 2. x (t) = Δx (t) + x 0 , where Δx symbolizes the relative change in the distance between the capacitor plates and x 0 symbolizes the position of the rest position of the capacitor plates. The electric field energy with
- 3rd
- 4th
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- 8. To conclude F (x (t)) = k (x) U 2 .
Wobei F(x) die Kraft zwischen zwei Kondensatorplatten, x(t) der Abstand der Kondensatorplatten zueinander, W die gespeicherte Feldenergie des Kondensators, U die an den Kondensatorplatten anliegende konstante elektrische Spannung, C die Kapazität des Plattenkondensators, i(t) die elektrische Stromstärke, Q die im Kondensator gespeicherte Ladungsmenge und k(x) die vom Plattenabstand abhängige Aktorkonstante ist.Where F (x) the force between two capacitor plates, x (t) the distance between the capacitor plates, W the stored field energy of the capacitor, U the constant electrical voltage applied to the capacitor plates, C the capacitance of the plate capacitor, i (t) the electrical Current, Q is the amount of charge stored in the capacitor and k (x) is the actuator constant that depends on the plate spacing.
Elektrische Kenngrößen: Darunter werden im Sinne der vorliegenden Schrift die Werte der elektrischen Spannung U und der elektrischen Stromstärke i(t) verstanden. Die elektrischen Kenngrößen beschreiben einen elektrischen Verbraucher.
Ein elektrischer Verbraucher ist in der Lage, elektrische Energie in Wärme und eine andere Energieform, z. B. in das Magnetfeld eines Elektromagneten, umzuwandeln. Theoretisch kann jeder Verbraucher durch ein Ersatzschaltbild aus ideal ohmschen, ideal induktiven und ideal kapazitiven Bauelementen in geeigneter Kombination dargestellt und beschrieben werden. Dieser reale Verbraucher zeigt bei verschiedenen Frequenzen der angelegten Spannung bzw. des durch ihn hindurchfließenden elektrischen Stromes unterschiedliches Verhalten. So kann ein beliebiger Verbraucher für einen bestimmten Frequenzbereich vorwiegend ohmsches Verhalten zeigen. Ein elektrischer Verbraucher ist somit gemäß seiner vorwiegend ohmsches Verhalten zeigenden elektrischen Kenngrößen eine reale Ausformung eines physikalischen ohmschen Bauelementes. Electrical parameters: In the sense of the present document, these are understood to mean the values of the electrical voltage U and the electrical current strength i (t). The electrical parameters describe an electrical consumer.
An electrical consumer is able to convert electrical energy into heat and another form of energy, e.g. B. in the magnetic field of an electromagnet. Theoretically, each consumer can be represented and described in a suitable combination using an equivalent circuit diagram of ideally ohmic, ideally inductive and ideally capacitive components. This real consumer shows different behavior at different frequencies of the applied voltage or of the electrical current flowing through it. For example, any consumer can show predominantly ohmic behavior for a specific frequency range. An electrical consumer is thus a real shape of a physical ohmic component in accordance with its electrical characteristics, which predominantly show ohmic behavior.
Die erfindungsgemäße Anordnung, die dafür ausgebildet ist, die die Aktorkonstante im Bereich von 10 µHz bis 20 kHz, mit Ausnahme eines 3 dB breiten Bereichs um die Resonanzfrequenz, zu kalibrieren, weist ein Gestell auf, welches zur Aufnahme von krafterzeugenden Einrichtungen, wie z. B. elektrostatische Aktoren und piezoelektrische Aktoren, geeignet ist. Des Weiteren ist das Gestell geeignet, kraftumformende Einrichtungen, wie z. B. mechanische oder magnetische Lager bzw. Getriebe zu haltern. Somit ist in Ausführungsformen der Erfindung die Führung der beweglichen Elektrode mechanisch oder magnetisch ausgeführt.
Die Ausnahme des 3 dB breiten Bereichs um die Resonanzfrequenz wird gewählt, da im Resonanzfall die Rückkopplung der Wirkung auf das Messobjekt die Messgröße bis zur Unkenntlichkeit beeinflusst und gleichsam die Messung oder die Anordnung zerstört.
Das Gestell ist zusätzlich in der Lage, kraftspeichernde Einrichtungen, wie z. B. mechanische Spiral- oder Blattfedern, zu führen. Das Gestell der Anordnung weist mindestens zwei Elektroden eines Kondensators, bevorzugt eines Plattenkondensators, auf. Dabei sind die mindestens zwei Elektroden des Kondensators zueinander beweglich. Bevorzugt ist mindestens eine Elektrode gestellfest ausgeführt und die andere, zweite Elektrode ist beweglich.
In Ausführungsformen der Erfindung ist die über den Messzeitraum anliegende Spannung der Spannungsquelle konstant.
Die Elektroden sind zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen ihnen mit einer Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden. In Ausführungsformen der Erfindung ist diese Spannungsquelle eine Konstantspannungsquelle. Bevorzugt ist die Spannungsquelle oder Konstantspannungsquelle mit einer Messeinrichtung für elektrische Kenngrößen verbunden. Bevorzugt wird die Kenngröße der elektrischen Spannung gemessen.
Ein elektrischer Verbraucher mit vorwiegend ohmschen Verhalten im angestrebten Frequenzbereich von 10 µHz bis 20 kHz ist derart angebracht und elektrisch leitend mit den Kondensatorplatten verbunden, dass der aus der Bewegung der Kondensatorplatten resultierende elektrische Stromfluss durch diesen Verbraucher, ganz oder teilweise, hindurchfließen muss. An diesem Verbraucher ist mindestens eine Messeinrichtung zur Messung der elektrischen Kenngröße geeignet verschaltet.The arrangement according to the invention, which is designed to calibrate the actuator constant in the range from 10 μHz to 20 kHz, with the exception of a 3 dB wide range around the resonance frequency, has a frame which can accommodate force-generating devices, such as, for. B. electrostatic actuators and piezoelectric actuators is suitable. Furthermore, the frame is suitable for power-converting devices, such as. B. to hold mechanical or magnetic bearings or gears. Thus, in embodiments of the invention, the guidance of the movable electrode is carried out mechanically or magnetically.
The exception of the 3 dB wide range around the resonance frequency is chosen because in the case of resonance, the feedback of the effect on the measurement object influences the measurand beyond recognition and at the same time destroys the measurement or the arrangement.
The frame is also able to power storage devices such. B. mechanical coil or leaf springs. The frame of the arrangement has at least two electrodes of a capacitor, preferably a plate capacitor. The at least two electrodes of the capacitor are movable relative to one another. At least one electrode is preferably designed to be fixed to the frame and the other, second electrode is movable.
In embodiments of the invention, the voltage of the voltage source applied over the measurement period is constant.
The electrodes are electrically conductively connected to a voltage source to generate an electric field between them. In embodiments of the invention, this voltage source is a constant voltage source. The voltage source or constant voltage source is preferably connected to a measuring device for electrical parameters. The parameter of the electrical voltage is preferably measured.
An electrical consumer with predominantly ohmic behavior in the desired frequency range from 10 µHz to 20 kHz is attached and electrically conductively connected to the capacitor plates in such a way that the electrical current flow resulting from the movement of the capacitor plates must flow through this consumer, in whole or in part. At least one measuring device for measuring the electrical parameter is suitably connected to this consumer.
Bevorzugt ist die zu messende Kenngröße die elektrische Stromstärke. Daher wird zu Messung ein Strommessgerät zur Messung des Stromstärkesignals eingesetzt.The parameter to be measured is preferably the electrical current. Therefore, a current measuring device is used to measure the current signal.
Besonders bevorzugt wird das über den vorwiegend ohmsches Verhalten zeigenden Verbraucher abfallende elektrische Spannungssignal gemessen.The electrical voltage signal falling across the predominantly ohmic behavior consumer is particularly preferably measured.
Mechanisch ist an das Gestell der Anordnung mindestens ein Befestigungssystem zur Anbringung eines Aktors angebracht. Des Weiteren ist mindestens eine Spannungsquelle verschaltet, mindestens eine Messeinrichtung für elektrische Kenngrößen, mindestens eine Messeinrichtung zur Positionsmessung und/oder mindestens eine Messeinrichtung für Geschwindigkeit sowie ein Aktor zur Erzeugung einer Relativbewegung der Elektroden zueinander und das Positions- oder Geschwindigkeitsmesssystem zur Messung der Relativbewegung der Elektroden angebracht. Bei der Verwendung als Aktor wird eine der Elektroden am ortsfesten Gestell, die andere an einem beweglichen Teil befestigt, wobei bevorzugt die gestellseitig montierte Elektrode in Bewegung versetzt wird. Ein konstruktiver Vorteil der Bewegung der gestellseitigen Elektrode besteht darin, dass, bis auf eine Masseverbindung, keine weiteren elektrischen Verbindungen für den am beweglichen Teil des Systems befindlichen Aktor benötigt werden.At least one fastening system for attaching an actuator is mechanically attached to the frame of the arrangement. Furthermore, at least one voltage source is connected, at least one measuring device for electrical parameters, at least one measuring device for position measurement and / or at least one measuring device for speed and an actuator for generating a relative movement of the electrodes to one another and the position or speed measuring system for measuring the relative movement of the electrodes appropriate. When used as an actuator, one of the electrodes is attached to the stationary frame, the other to a movable part, the electrode mounted on the frame preferably being set in motion. A constructive advantage of the movement of the frame-side electrode is that, apart from a ground connection, no further electrical connections are required for the actuator located on the movable part of the system.
In Ausführungsformen der Erfindung zeigt der elektrische Verbraucher im gegebenen Frequenzbereich vorwiegend ohmsches Verhalten.In embodiments of the invention, the electrical consumer shows predominantly ohmic behavior in the given frequency range.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist zur gleichzeitigen Messung und Kalibrierung der Aktorkonstante aus den rückführbar gemessenen Größen die folgenden Schritte auf:
- a. Beschalten eines Kondensators mit elektrischer Spannung wobei die Elektroden (Kondensatorplatten) beweglich und/oder drehbar zueinander angeordnet sind,
- b. Beschaltung eines Aktors mit verschiedenen Betriebsspannungen zur Erzeugung einer Relativbewegung der Elektroden (Kondensatorplatten) zueinander,
- c. Einstellung der Bewegungsfrequenz, sodass die Relativbewegung der Elektroden (Kondensatorplatten) oberhalb der Resonanzfrequenz des mit einer der Elektroden (Kondensatorplatten) verbundenen mechanischen Systems liegt,
- d. Messung der Geschwindigkeit der Relativbewegung der Elektroden (Kondensatorplatten) bei gleichzeitiger Messung des durch die Kapazitätsänderung bedingten elektrischen Stromes oder der daraus resultierenden elektrischen Spannung über einem elektrischen Verbraucher und
- e. Berechnung der Aktorkonstante aus den gemessenen elektrischen und mechanischen Größen.
- a. Wiring a capacitor with electrical voltage, the electrodes (capacitor plates) being arranged to be movable and / or rotatable relative to one another,
- b. Wiring an actuator with different operating voltages to generate a Relative movement of the electrodes (capacitor plates) to each other,
- c. Setting the movement frequency so that the relative movement of the electrodes (capacitor plates) lies above the resonance frequency of the mechanical system connected to one of the electrodes (capacitor plates),
- d. Measurement of the speed of the relative movement of the electrodes (capacitor plates) while simultaneously measuring the electrical current caused by the change in capacity or the resulting electrical voltage across an electrical consumer and
- e. Calculation of the actuator constant from the measured electrical and mechanical quantities.
Im Gegensatz zu klassischen Kalibrierverfahren, wie z. B. Wattwaagen, werden bei der vorgeschlagenen Lösung keine Referenzgewichte benötigt. Somit ist eine vorteilhafte Rückführbarkeit der Kraftkopplungskonstante ohne Massennormal ermöglicht. Die Kalibrierung gleichzeitig zur Erzeugung der elektrostatischen Kraft wird erreicht, wenn die Frequenz der Relativbewegung der gestellseitigen Elektroden in einem Bereich von 3 dB entfernt der mechanischen Resonanzfrequenz des mit dem Aktor verbundenen Führungssystems liegt. Die resonanzfreie Kalibrierung der Kraftkopplungskonstante bietet den Vorteil, dass sie unabhängig von der Krafterzeugung durchgeführt werden kann.In contrast to classic calibration methods, such as B. Watt scales, no reference weights are required in the proposed solution. An advantageous traceability of the force coupling constant without mass standard is thus made possible. The calibration at the same time as the generation of the electrostatic force is achieved when the frequency of the relative movement of the electrodes on the frame side is in a range of 3 dB from the mechanical resonance frequency of the guide system connected to the actuator. The resonance-free calibration of the force coupling constant offers the advantage that it can be carried out independently of the force generation.
Das Verfahren basiert auf der Erzeugung der elektrostatischen Kraft und gleichzeitigen Messung der Relativgeschwindigkeit der Elektroden (Kondensatorplatten) zueinander und des zeitgleich in dem Schaltkreis fließenden elektrischen Stromes während einer gestellseitigen Krafterzeugung. Weiterhin ist die Kenntnis der an die Elektroden angelegten Spannung für das Verfahren erforderlich.
Durch Auswertung des Verhältnisses aus elektrischer Stromstärke und Geschwindigkeit der bewegten Elektroden (Kondensatorplatten) kann nach den o. g. Gleichungen, insbesondere nach den Gleichungen (1., 4. und 8) die Aktorkonstante des elektrostatischen Aktors bestimmt werden. Dazu ist bevorzugt der Abstand der Kondensatorplatten in Ruhelage x0 bekannt. Im Falle eines unbekannten Abstandes kann dieser aus den Messdaten von Ortsänderung, Geschwindigkeit und Stromstärke rekonstruiert werden. Bevorzugt wird dies durch ein Computerprogrammprodukt mittels einer Datenverarbeitungsablage durchgeführt.The method is based on the generation of the electrostatic force and simultaneous measurement of the relative speed of the electrodes (capacitor plates) to one another and of the electrical current flowing simultaneously in the circuit during the generation of a force on the rack side. Furthermore, knowledge of the voltage applied to the electrodes is necessary for the method.
The actuator constant of the electrostatic actuator can be determined by evaluating the ratio of the electrical current strength and speed of the moving electrodes (capacitor plates) according to the above-mentioned equations, in particular according to equations (1, 4 and 8). For this purpose, the distance between the capacitor plates in the rest position x 0 is preferably known. In the event of an unknown distance, this can be reconstructed from the measurement data of location change, speed and current. This is preferably carried out by a computer program product using a data processing repository.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche in jeder Anordnung miteinander zu kombinieren.To implement the invention, it is also expedient to combine the above-described configurations, embodiments and features of the claims with one another in any arrangement.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Kraftmesssystem in Form einer Torsionswaage und soll dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The exemplary embodiment relates to a force measuring system in the form of a torsion balance and is intended to describe the invention without restricting it.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 : In der Abbildung ist schematisch das vereinfachte Modell der Messapparatur eingezeichnet. Die schematische Abbildung weist alle minimalen Merkmale der erfindungsseitigen Anordnung auf. Diese sind: eine bewegliche Elektrode und eine gestellfeste Elektrode eines Plattenkondensators (101 ), ein mechanisches Führungssystem zur Befestigung eines Aktors (701 ), eine Spannungsquelle (401 ), eine Messeinrichtung für elektrische Kenngrößen (601 ), geeignet zur Messung des Spannungsabfalls am elektrischen Verbraucher (501 ), sowie eine Messeinrichtung zur Positionsmessung und eine Messeinrichtung für Geschwindigkeit (301 ). -
2 : In der Abbildung ist schematisch das vereinfachte Modell der Messapparatur eingezeichnet. Die schematische Abbildung weist alle minimalen Merkmale der erfindungsseitigen Anordnung auf. Diese sind: eine bewegliche Elektrode und eine gestellfeste Elektrode eines Plattenkondensators (101 ), ein mechanisches Führungssystem zur Befestigung eines Aktors (701 ), eine Spannungsquelle (401 ), eine Messeinrichtung für elektrische Kenngrößen (601 ), geeignet zur Messung der Stromstärke, sowie eine Messeinrichtung zur Positionsmessung und eine Messeinrichtung für Geschwindigkeit (301 ). -
3 : In der Abbildung ist das Diagramm der Messung der relativen Position der Kondensatorplatten dargestellt. Aus dem Diagramm kann die Frequenz, mit welcher die Messung des Ausführungsbeispiels durchgeführt wurde,von 0,06 Hz entnommen werden. -
4 : In der Abbildung ist ein Diagramm mit Messdaten der mechanischen Kenngrößen Geschwindigkeit und relative Position der Kondensatorplatten zueinander dargestellt. Dabei ist die relative Position der Kondensatorplatten gegen die Geschwindigkeit abgetragen, mit welcher die Änderung der Position der Kondensatorplatten vollzogen wird. -
5 : In der Abbildung ist ein Diagramm abgebildet, welches die gemessenen Werte der Stromstärke in Beziehung zur gemessenen Geschwindigkeit der Änderung der Position der Kondensatorplatten veranschaulicht. Diese Korrelation ist maßgeblich für das Bestimmen der gesuchten Aktorkonstante. -
6 : In der Abbildung ist die Verteilung des Verhältnisses aus gemessener Stromstärke i(t) und Geschwindigkeit über der relativen Position der Kondensatorplatten zueinander dargestellt. Die Asymmetrie bzgl. der relativen Ruhelage ist aus Gleichung (2.) sowie durch Annäherung und Entfernung der Kondensatorplatten zueinander erklärbar. -
7 : In der Abbildung ist ein Diagramm abgebildet, welches eine vorläufige Kalibrierkonstante (Hilfskonstante) ff = kU zeigt.
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1 : The simplified model of the measuring apparatus is shown schematically in the figure. The schematic illustration has all the minimal features of the arrangement according to the invention. These are: a movable electrode and a fixed electrode of a plate capacitor (101 ), a mechanical guide system for fastening an actuator (701 ), a voltage source (401 ), a measuring device for electrical parameters (601 ), suitable for measuring the voltage drop at the electrical consumer (501 ), as well as a measuring device for position measurement and a measuring device for speed (301 ). -
2nd : The simplified model of the measuring apparatus is shown schematically in the figure. The schematic illustration has all the minimal features of the arrangement according to the invention. These are: a movable electrode and a fixed electrode of a plate capacitor (101 ), a mechanical guide system for fastening an actuator (701 ), a voltage source (401 ), a measuring device for electrical parameters (601 ), suitable for measuring the current, as well as a measuring device for position measurement and a measuring device for speed (301 ). -
3rd : The diagram shows the measurement of the relative position of the capacitor plates. The frequency at which the measurement of the exemplary embodiment was carried out, 0.06 Hz, can be seen from the diagram. -
4th : The figure shows a diagram with measurement data of the mechanical parameters speed and relative position of the capacitor plates to each other. The relative position of the capacitor plates is plotted against the speed at which the change in the position of the capacitor plates is carried out. -
5 : The figure shows a diagram which shows the measured values of the current intensity in relation to the measured speed of the change in the position of the capacitor plates. This Correlation is decisive for determining the actuator constant sought. -
6 : The figure shows the distribution of the ratio of the measured current i (t) and speed over the relative position of the capacitor plates to each other. The asymmetry with respect to the relative rest position can be explained from equation (2) and by the approximation and distance of the capacitor plates from one another. -
7 : The figure shows a diagram showing a provisional calibration constant (auxiliary constant) f f = kU.
Es handelt sich hier um eine vorläufige Kalibrierkonstante, da die zur Messung verwendete konstante elektrische Spannung noch in der Größe f' enthalten ist. Die Messwerte wurden gemäß der gemessenen relativen Position der Kondensatorplatte sortiert und ein Mittelwert mit Messunsicherheit gebildet. Der Wert von f' wird einheitenlos dargestellt und wurde in diesem Beispiel als 9,85(2) gemessen.This is a preliminary calibration constant, since the constant electrical voltage used for the measurement is still contained in size f '. The measured values were sorted according to the measured relative position of the capacitor plate and an average with measurement uncertainty was formed. The value of f 'is presented without units and was measured as 9.85 (2) in this example.
Die Anordnung in diesem Ausführungsbeispiel ist auf das Ziel gerichtet, eine von einem ortsfernen Messobjekt erzeugte Kraft durch Erzeugung einer elektrostatischen Gegenkraft zu kompensieren. Die zur elektrostatischen Kompensation verwendete elektrische Spannung kann bei bekanntem Kalibrierfaktor in eine Kraft umgerechnet werden. Dazu ist die Kalibriereinrichtung zur resonanzfreien Kalibrierung der Aktorkonstante am Gestell zur Messung angebracht, wobei auf einer Montageplatte ein Federgelenk angeordnet ist. Auf diesem Federgelenk ist ein Metallrad liegend angeordnet. Liegend bedeutet hier, dass die Achse der Rotationssymmetrie des Rades in Richtung der Fallbeschleunigung ausgerichtet ist. Das Rad ist aus Aluminium gefertigt. Das Rad weist vier symmetrisch und strahlenförmig zur Mittelachse angeordnete Speichen auf. Entlang der Speichen des Rades sind die Einrichtungen zur Kraftmessung am Messobjekt, zur Positions- und Geschwindigkeitsmessung, zur Bewegungserzeugung und zur Krafterzeugung angeordnet. Die zu messende Kraft wird am Messobjekt magnetisch durch die Erzeugung von Wirbelströmen in einer bewegten, elektrisch leitfähigen Flüssigkeit ausgeübt. Dazu wird auf einer Speiche des Rades ein Distanzstück in Form einer Stange entlang der Speiche angebracht. Am Ende der Stange, welches dem Mittelpunkt des Rades abgeneigt ist, sind Magnete zur Krafterzeugung durch Wirbelstrominduktion angeordnet. In gegenläufiger Richtung, entlang der gegenüber verlaufenden Speiche, ist ebenfalls ein Distanzstück angeordnet. Dies dient einerseits als Ausgleichsgewicht und andererseits als Fußpunkt für einen piezoelektrischen Aktor zur Bewegungserzeugung. In diesem Ausführungsbeispiel ist entlang ebendieser gewichtsausgleichenden Halteeinrichtung ebenfalls eine Platte des kraftkompensierenden Plattenkondensators angebracht.The arrangement in this exemplary embodiment is aimed at the purpose of compensating a force generated by a remote measurement object by generating an electrostatic counterforce. The electrical voltage used for electrostatic compensation can be converted into a force if the calibration factor is known. For this purpose, the calibration device for resonance-free calibration of the actuator constant is attached to the frame for measurement, a spring joint being arranged on a mounting plate. A metal wheel is arranged horizontally on this spring joint. Lying here means that the axis of the rotational symmetry of the wheel is aligned in the direction of the acceleration due to gravity. The wheel is made of aluminum. The wheel has four spokes arranged symmetrically and radially to the central axis. The devices for measuring the force on the measurement object, for measuring position and speed, for generating movement and for generating force are arranged along the spokes of the wheel. The force to be measured is exerted magnetically on the measurement object by generating eddy currents in a moving, electrically conductive liquid. For this purpose, a spacer in the form of a rod is attached along the spoke on a spoke of the wheel. At the end of the rod, which is inclined to the center of the wheel, magnets for generating force by means of eddy current induction are arranged. A spacer is also arranged in the opposite direction, along the spoke running opposite. This serves on the one hand as a counterweight and on the other hand as a base for a piezoelectric actuator for generating movement. In this exemplary embodiment, a plate of the force-compensating plate capacitor is also attached along this weight-balancing holding device.
Auf der Montageplatte sind die Halterung der zweiten Kondensatorplatte, die Halterung des piezoelektrischen Aktors und die Halterung der Messeinrichtung zur Messung von Position und Geschwindigkeit des Rades angebracht.The mounting of the second capacitor plate, the mounting of the piezoelectric actuator and the mounting of the measuring device for measuring the position and speed of the wheel are attached to the mounting plate.
Beide Platten des Plattenkondensators bilden den zu kalibrierenden elektrostatischen Aktor, da die zur Erzeugung einer elektrostatischen Gegenkraft an die Platten angelegte elektrische Spannung in die resultierende Kraft umgerechnet werden muss. Die elektrische Spannung wird hierbei durch eine Konstantspannungsquelle vom Typ Agilent 3245A zur Verfügung gestellt. Der zusätzlich an dieser Anordnung befestigte Aktor wird mit einem eigenen Spannungssignal mit geeignet hohen Frequenzen zur Anregung einer mechanischen Schwingung versorgt.Both plates of the plate capacitor form the electrostatic actuator to be calibrated, since the electrical voltage applied to the plates to generate an electrostatic counterforce must be converted into the resulting force. The electrical voltage is provided by an Agilent 3245A constant voltage source. The actuator, which is additionally attached to this arrangement, is supplied with its own voltage signal with suitably high frequencies to excite mechanical vibration.
Die mittels Torsionsschwingversuch gemessene Eigenfrequenz der Anordnung beträgt 0,6 Hz und die Frequenz des eingestellten Spannungssignals beträgt (0,06) Hz, siehe hierzu die Abbildung
BezugszeichenlisteReference list
- 101 -101 -
- Plattenkondensator mit veränderlichem Abstand der KondensatorplattenPlate capacitor with variable distance between the capacitor plates
- 201 -201 -
- StromflussCurrent flow
- 301 -301 -
- Messeinrichtung zur Positions- und/oder GeschwindigkeitsmessungMeasuring device for position and / or speed measurement
- 401 -401 -
- Spannungsquelle (insbes. Konstantspannungsquelle)Voltage source (especially constant voltage source)
- 501 -501 -
- Elektrischer Verbraucher mit vorwiegend ohmschen VerhaltenElectrical consumer with predominantly ohmic behavior
- 601 -601 -
- Einrichtung zur Messung elektrischer KenngrößenDevice for measuring electrical parameters
- 701 -701 -
- AktorActuator
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