DE19827123C1 - Doppelplatten-Resonator für den sub- und unteren kHz-Frequenzbereich - Google Patents
Doppelplatten-Resonator für den sub- und unteren kHz-FrequenzbereichInfo
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Abstract
Es werden Doppelplatten-Resonatoren zur Bestimmung der viskoelastischen Größen von biologischen Materialien angegeben, deren geometrieabhängige Festfrequenzen im sub- und unteren kHz-Bereich liegen (Fig. 1). Als Resonatormaterialien eignen sich Aluminium, Edelstahl sowie andere Materialien hoher Güte. Die Anregung und Detektion der Doppelplatten-Resonatoren erfolgt piezoelektrisch. Für eine gute Resonanzüberhöhung muß die Piezoelementengröße hinreichend klein, und müssen beide Resonatorplatten sowohl bezüglich ihrer Massen als auch ihrer Trägheitsmomente optimal aufeinander abgestimmt sein. Nahe der Knotenebene werden Piezoelemente (P in Fig. 1) auf die Resonatoren aufgebracht. Die elektrischen Anschlüsse für die Piezoelemente (sowie für einen optionalen Temperatursensor und/oder Temperierelemente) werden durch die Resonatoraufhängung geführt. Durch geeignete Anbringung und Ansteuerung der Piezoelemente können zwei unterschiedliche Schwingungsmoden (Indentation und Scherung) unabhängig voneinander angeregt werden. Gemessen werden Resonanzfrequenz f und Dämpfung D des unbeladenen Resonators und die gleichen Größen nach Ankopplung an das Probenmaterial sowie die Kraft senkrecht zu den Resonatorplatten (Kopplungskraft). Als Prüfkörper wird ein mit einer der beiden Resonatorplatten fest verbundener Tastkopf verwendet, dessen Material, Geometrie sowie innerer Aufbau entsprechend den Meßanforderungen variiert werden kann. Aus Frequenzverschiebung DELTAf und Dämpfungsänderung DELTAD ...
Description
Mit Doppelplatten-Resonatoren sollen viskoelastische Kenngrößen (der komplexe Schermodul
G* = G' + i G", die komplexe Scherkomplianz J* = J' - i J" = 1/G* sowie der komplexe
Elastizitätsmodul E* = E' + i E") bei gewünschten Frequenzen im Labor, im Anwendungs
bereich oder im Rahmen der medizinischen Diagnostik bestimmt werden.
Im MHz-Gebiet sind Dickenscherquarze und im oberen kHz-Gebiet Torsionsresonatoren
geeignete Viskoelastizitätssensoren, die nach Eintauchen in oder Ankoppeln an das
Probenmaterial Scherwellen abstrahlen. Der Meßeffekt beruht auf der Rückwirkung dieser
Scherwellen auf die durch Eigenfrequenz f und Dämpfung D charakterisierte Eigenschwingung
des Dickenscherquarzes bzw. des Torsionsresonators und äußert sich in einer
Frequenzverschiebung Δf und Dämpfungsänderung ΔD, aus denen Real- und Imaginärteil des
komplexen Schermoduls gemäß G' = k[(ΔD/2)2 - (Δf)2], G" = -k Δf ΔD, mit der jeweiligen
Geometriekonstante k berechnet werden (Dickenscherquarze: 1,5 bis 150 MHz, P.
Schwarzenberger, Dissertation Ulm, 1993; Torsionsresonatoren: 1 kHz bis 1 MHz, W.
Pechhold, S. Mücke, E. Keller, Viskoelastizitätssensor für kHz-Frequenzen, Offenlegungsschrift
DE 196 41 115 A1, Anmeldetag 05.12.96).
Im sub- und unteren kHz-Gebiet läßt sich die analoge Aufgabe der Schermodulmessung - hier
erweitert um die Elastizitätmodulmessung sowie die Messung der Kopplungskraft - mit
Doppelplatten-Resonatoren aus dämpfungsarmem Material lösen, welche Transversal- bzw.
Longitudinalwellen in das angekoppelte Probenmedium abstrahlen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, möglichst ungestörte Doppelplatten-Resonatoren für
den Frequenzbereich 10 Hz bis 10 kHz zu entwickeln, die mit definierter Kopplungskraft an ein
Probenmedium angekoppelt werden können und zuverlässige Aussagen über die
viskoelastischen Kenngrößen aus Frequenzverschiebung Δf und Dämpfungsänderung ΔD im
Labor, im Anwendungsbereich oder im Rahmen der medizinischen Diagnostik liefern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen des
Doppelplatten-Resonators sind in den Unteranspüchen angegeben.
Anprüche1 bis 3 gehen z. B. von der heute verfügbaren gepolten dünnen Piezokeramik aus, die
auf die Resonatorplatten störungsarm aufgebracht, als Aktor- oder Sensorelement betrieben
werden kann.
Nach Anspruch 2 kann das Anbringen von Aktor- und Sensorelementen (z. B. durch Ankleben
mit einem Hochtemperatur-Zweikomponentenkleber) nahe der Knotenebene auf die
Resonatorplatten erfolgen. Diese Elemente dienen nach Anspruch 1 wahlweise als Aktor- oder
Sensorelemente, und es kann nach Anspruch 4 - je nach Ansteuerung und Positionierung -
eine Indentations oder Scherungsmode in der Tastkopfbewegung angeregt werden.
Für eine gute Resonanzüberhöhung, d. h. einen kleinen Grundpegel der beiden Schwingungs
moden (Indentation und Scherung), ist von erheblicher Bedeutung, daß das Verhältnis von
Resonatorplattendicke zu Piezoelementengröße einen bestimmten Wert nicht überschreitet und
daß beide Resonatorplatten hinsichtlich ihrer Massen und Trägheitsmomente optimal
aufeinander abgestimmt sind.
Um die Frequenzverschiebung Δf und die Dämfungsänderung ΔD reproduzierbar bestimmen zu
können, ist es erforderlich, nach Anspruch 5 die Kraft, mit welcher der Doppelplatten-Resonator
an die Probe angekoppelt wird, messen und definiert einstellen zu können.
Zur Bestimmung der durch das Probenmedium hervorgerufenen Frequenzverschiebung Δf muß
entweder die Leermessung bei der selben Temperatur erfolgen wie die Messung selbst, oder
es muß die Resonatortemperatur auf besser als 0,1 K bekannt sein, um den Temperaturgang
der Resonanzfrequenz (verursacht durch das Resonatormaterial) korrigieren zu können. Nach
Anspruch 6 kann dazu ein Temperaturfühler (z. B. Widerstandselement oder Thermolelement)
störungsarm in den Doppelplatten-Resonator integriert werden und/oder nach Anspruch 7 der
Resonator gegen temperaturändernde äußere Einflüsse abgeschirmt werden.
Für manche Meßaufgaben ist es notwendig, den Doppelplatten-Resonator auch heizen oder
kühlen zu können. Dies kann nach Anspruch 6 durch zusätzlich störungsarmen Einbau eines
Heiz- und/oder Kühlelementes realisiert werden.
Patentanspruch 8 soll sicherstellen, daß der Frequenzbereich von 10 Hz bis 10 kHz durch die
Doppelplatten-Resonatoren unterschiedlicher Form und Dimensionierung ausreichend dicht
abgedeckt werden und somit am unteren Ende des Frequenzbereiches der Torsions
resonatoren (DE 196 41 115 A1) lückenlos angeschlossen werden kann.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel von Doppelplatten-Resonatoren nach der beschriebenen
Erfindung (als Aufsatz auf ein Goldmann-Tonometer zur dynamisch-mechanischen
Charakterisierung der Augenhülle): An plattenförmige Körper aus AlMg3 werden Piezoelemente
beidseitig in der Nähe der Knotenebenen aufgebracht. Die elektrischen Anschlüsse (nicht
eingezeichnet) sowie die Anschlüsse für die optionalen Temperaturfühler sowie Heiz- und
Kühlelemente werden durch die Resonatoraufhängung geführt.
Claims (8)
1. Einrichtung zur Bestimmung viskoelastischer Kenngrößen im sub- bzw. unteren kHz-
Frequenzbereich mit einem Doppelplatten-Resonator, bestehend aus zwei Platten aus
einem Material niedriger Eigendämpfung, insbesondere Metall, Quarzglas, Keramik, die zu
Biegeschwingungen angeregt werden können, und einer Auswerteeinrichtung, welche aus
der Frequenzverschiebung und Dämpfungsänderung beim Ankoppeln an ein
Probenmedium dessen viskoelastische Eigenschaften berechnet, wobei die beiden Platten
des Doppelplatten-Resonators parallel zueinander fest miteinander verbunden und in ihren
Eigenschwingungsfrequenzen aufeinander abgestimmt sind und Schwingungsanregung
und -detektion durch auf die Resonatorplatten aufgebrachte Aktor- und Sensorelemente -
vorzugsweise Piezoelemente - erfolgen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aktor- und Sensorelemente in
der Nähe der Verbindungsstellen der Platten (Schwingungsknoten) angeordnet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Aktor und Sensor
Längsdehnungsschwinger sind.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß je nach der
Positionierung und der Ansteuerung der Aktorelemente zwei unterschiedliche
Schwingungsmoden des Tastkopfes (Indentation und Scherung) unabhängig voneinander
angeregt werden können.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der
Sensorelemente auch die statische Kraft, mit welcher der Doppelplatten-Resonator an die
Probe angekoppelt wird, gemessen werden kann.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein
Temperaturfühler, insbesondere Widerstandselement oder Thermoelement, und/oder Heiz-
oder Kühlelement in den Doppelplatten-Resonator störungsarm integriert ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Abschirmung gegen Temperaturstrahlung und andere temperaturändernde äußere
Einflüsse ein Gehäuse den Resonator berührungslos umgibt.
8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Anpassung an gewünschte Frequenzbereiche Doppelplatten-Resonatoren unterschiedlicher
Form und Dimensionierung vorgesehen sind, die leicht ausgetauscht werden können.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE10029091A1 (de) * | 2000-06-13 | 2002-01-10 | Wolfgang Pechhold | Piezo-Spinne |
| DE102005043036A1 (de) * | 2005-09-09 | 2007-03-15 | Siemens Ag | Vorrichtung zur Ermittlung der viskosen Eigenschaften einer Flüssigkeit |
| DE102010049766A1 (de) | 2010-10-29 | 2012-05-03 | Hochschule Merseburg (Fh) | Verfahren zum Messen der Viskosität |
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1998
- 1998-06-18 DE DE1998127123 patent/DE19827123C1/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
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| DE102010049766B4 (de) * | 2010-10-29 | 2016-10-06 | Hochschule Merseburg (Fh) | Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Viskosität |
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