DE19841947C2

DE19841947C2 - Verfahren zum Messen von Körperschall zur Verwendung für die technische Diagnostik

Info

Publication number: DE19841947C2
Application number: DE1998141947
Authority: DE
Inventors: Peter Hauptmann; Holger Fritsch; Thomas Iwert
Original assignee: MU SEN MIKROSYSTEMTECHNIK GmbH
Current assignee: BACHMANN GMBH, AT
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2018-09-15
Also published as: DE19841947A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Körperschall zur Verwendung für die technische Diagnostik mit Hilfe einer anwendungsspezifisch gestalteten schwingungsfähigen Feder-Masse-Dämpfungsstruktur, bei dem mittels der zugehörigen Signalkonversion die Stärke der mechanischen Anregung ermittelt werden kann.

Verfahren zur Messung des Körperschalls basieren bisher zumeist auf breitbandigen, piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern (DE 31 21 451 A1, DE 41 04 961 A1) oder auf Dünnschichtsensoren, die allerdings eine spezielle Präparation des zu prüfenden Teiles erfordern. Zur Auswertung wird das im Zeitbereich gewonnene Signal einer Transformation und nachfolgenden Auswertung unterzogen (DE 40 17 448 A1). Diese Transformation erfolgt mit Hilfe von Soff- oder Hardwarewerkzeugen (DE 40 17 448 A1, DE 37 25 123 A1, DE 31 12 188 A1). Auf der Basis der so erhaltenen Aussagen ist es z. B. möglich, den Verschleiß mechanischer Maschinen- und Anlagenteile zu beurteilen.

Zu den großen Vorteilen der piezoelektrischen Beschleunigungssensoren gehört neben der relativ kleinen Bauform und der großen Bandbreite auch der außerordentliche Dynamikbereich (Als Dynamikbereich bezeichnet man den Bereich zwischen dem kleinsten und größten Signalpegel). Der verfügbare Dynamikbereich reicht bei diesem Sensortyp bis in die Größenordnung 1 : 10⁸. Deshalb haben sich diese Sensoren im Bereich der Körperschallanalyse weitestgehend gegenüber anderen Schwingungsaufnehmern etabliert.

Ein wesentlicher Nachteil dieses Sensortyps ist dagegen in der prinzipbedingten Abnahme der Meßempfindlichkeit im Frequenzbereich unter 100 Hz zu sehen.

In jüngster Zeit wurden auch mikromechanische Beschleunigungssensoren auf Halbleiterbasis entwickelt. Die mechanisch-elektrische Signalwandlung erfolgt meist kapazitiv oder piezoresistiv. Im allgemeinen sind die Sensoren hybrid aufgebaut und bestehen aus getrennten Chips für Mikromechanik und Mikroelektronik. Monolithisch integrierte Beschleunigungssensoren sind gegenwärtig noch in der Minderheit.

Zur Verminderung der Störanfälligkeit der Meßaufnehmer gegenüber elektromagnetischen Einstrahlungen und Temperatureinflüssen sind Sensoren mit mechanisch-optischer Signalwandlung und optischer Signalweiterleitung geeignet.

Des weiteren wurden folgende Verfahren und Anordnungen zur Schwingungsmessung beschrieben:

- Halbleiter-Sensorstrukuren auf Siliziumbasis, deren mechanische Eigenschaften entweder durch eine spezielle Formgebung (DE 37 03 946 A1) oder aber durch ein Trimmen der schwingenden Sensorkomponenten mittels einer definiert aufgebrachten Oberflächenbeschichtung (DE 36 11 969 A1) bestimmt werden.
- Optische Verfahren, bei denen die Schwingungen einer reflektierenden Körperoberfläche mit Hilfe von monochromatischem und kohärentem Licht durch Auswertung der zeitabhängigen Interferenzerscheinungen (DE 31 14 355 A1, DE 195 02 756 A1) gemessen werden.

In Kenntnis dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen von Körperschall für die technische Diagnostik der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht demnach darin, daß für eine effiziente Prozeß- und Zustandsanalyse die Überwachung schmaler Frequenzbänder bzw. einzelner Frequenzpeaks erfolgt. Das heißt, daß eine oder mehrere Eigenfrequenzen der Feder-Masse-Dämpfungsstruktur auf die zu detektierenden prozeß- bzw. zustandsspezifischen charakteristischen Frequenzen ausgelegt sind. Anstelle der bekannten breitbandigen Beschleunigungsaufnahmer besitzt die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Feder-Masse-Dämpfungsstruktur eine schmalbandige, auf das jeweilige Meßproblem abgestimmte, frequenzabhängige Empfindlichkeit.

Die zu detektierenden prozeß- bzw. zustandsspezifischen charakteristischen Frequenzen sind oftmals drehzahlabhängig, z. B. von der Drehzahl eines Antriebsmotors oder der Drehzahl einer Abtriebseinrichtung. Das Verfahrens wird daher bevorzugt zur Diagnostik von Prozessen oder Zuständen verwendet, die drehzahlabhängige charakteristische Frequenzen aufweisen, wobei die Eigenfrequenzen der Feder-Masse-Dämpfungsstruktur mindestens teilweise auf die innerhalb eines Drehzahlbereiches oder mehrerer vorgegebener Drehzahlbereiche entstehenden Frequenzen abgestimmt werden. Der gezielten Auslegung und Bestimmung der Eigenfrequenzen der Feder- Masse-Dämpfungsstruktur geht daher die Definition von Drehzahlbereichen voraus, in denen die Messung der charakteristischen Frequenzen erfolgt.

Weitere Verfahren zum Messen von Körperschall sind aus DE-OS 29 17 213 und DE-AS 16 73 919 bekannt. Bei diesen Tech niken werden mit breitbandigen Schwingungssensoren, gegebenen falls in Kombination mit nachgeschalteten Filtern oder Reso nanzkörpern, bestimmte Frequenzbänder eines überwachten Sys tems vermessen.

DE-OS 29 17 213 beschreibt die Überwachung des Klopfens eines Verbrennungsmotors mit einem piezoelektrischen Klopfsensor (ggf. in Kombination mit einer Resonanzplatte). Mit dem Klopf sensor wird ein elektrisches Schwingungssignal erzeugt, das nach Vergleich mit einem Referenzsignal eine Aussage über die Stärke des Motorklopfens zulässt. Zur Erzielung eines mög lichst großen Schwingungssignals wird der Klopfsensor so aus gelegt, dass er im Klopffrequenzband (< 1 kHz) resonant ange regt wird. Diese Technik besitzt zwar den Vorteil, dass wegen des resonant betriebenen Klopfsensors auf den Einsatz von Bandpassfiltern verzichtet werden kann. Es sind aber auch die folgenden Nachteile gegeben, aus denen sich insbesondere eine Einschränkung der Anwendbarkeit der herkömmlichen Technik auf die Detektion hochfrequenter Klopffrequenzen ergibt.

Die Resonanz herkömmlicher piezoelektrischer Sensoren ist re lativ breitbandig. Der Klopfsensor wird auch durch Frequenzen angeregt, die zu den jeweiligen Klopffrequenzen benachbart sind. Im Sensorsignal sind die Erregungen durch Klopf- und Nachbarfrequenzen nicht mehr zu trennen. Es kann zu Fehlinter pretationen des Sensorsignals kommen. Ein weiterer Nachteil betrifft die Verwendung der Resonanzplatte. Diese lässt sich nicht für niedrige, in der Maschinendiagnose interessierende Fehlfrequenzen auslegen. Je niedriger die Eigenfrequenz der Resonanzplatte ist, desto mehr höhere Harmonische können durch maschinentypische Frequenzen mit erregt werden. Dies führt zu Messfehlern.

DE-AS 16 73 919 betrifft die Körperschallmessung bei der La ger- und Getriebeüberwachung. Zur Schallmessung wird ein pie zoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer mit sog. Filterorganen kombiniert. Die durch Schäden an einem überwachten Lager ver ursachten Stöße regen unter anderem die Resonanzfrequenz (z. B. im Bereich von 30 bis 40 kHz) des Sensors an. Das Sensor signal wird an das Filterorgan in Form eines entsprechenden Bandpasses weitergegeben. Das gefilterte Signal wird einer Im pulsformung und -zählung sowie einer Spitzenwertbestimmung un terzogen. Diese Technik besitzt wiederum den Nachteil, dass piezoelektrische Beschleunigungssensoren mit einer relativ breiten Resonanz verwendet werden. Des Weiteren erfolgt eine indirekte Messung. Dies bedeutet, dass je nach der Resonanz der Sensor-Filter-Kombination nur ein bestimmter Frequenzbe reich ausgewertet wird, ohne dass erfasst werden kann, ob Schwingungsenergien zum Messsignal beitragen, die ggf. mit ei nem Schaden nicht in Zusammenhang stehen. Die Technik gemäß DE-AS 16 73 919 ist nur mit konstanten Drehzahlen umsetzbar. Eine Anwendung für drehzahldynamische Prozesse ist nicht gege ben. Nichtkonstante Drehzahlen führen zu nicht-auswertbaren Ergebnissen oder zu Fehlinterpretationen. Bei der Signalaus wertung zur Ermittlung von Stoßfrequenzen mechanischer Stöße und deren Phasenbeziehung dienen Struktureigenfrequenzen als Trägerfrequenzen, während die relativ niedrig-frequente Stoß impulsfolge eines Lagerschadens eine Amplitudenmodulation der Trägerfrequenzen hervorruft. Da insbesondere die Phasenbezie hungen durch Drehzahlschwankungen beeinflusst werden, wird die Amplitudenmodulation in nicht-auswertbarer Weise verändert.

Die spezielle Auslegung des Sensors auf diese im Vorfeld der Sensorproduktion bestimmten prozeß- bzw. zustandsspezifischen charakteristischen Frequenzen ermöglicht eine kostengünstige Überwachung vieler Meßobjekte und verringert damit wesentlich den gerätetechnischen Aufwand für Schwingungsmessungen.

Weitere Einzelheiten zum Verständnis einer zur dynamischen, frequenzselektiven resonanten Körperschallmessung eingesetzten mikromechanischen Feder-Masse-Dämpfungsstruktur ergeben sich aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel, in dem auch die theoretischen Grundlagender drehzahlabhängigen resonanten Körperschallmessungen beschrieben werden. Da für Anlauf-und Abtourvorgänge ähnliche Zusammenhänge gelten, kann die Beschreibung ohne Einschränkung lediglich für Anlaufvorgänge erfolgen.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 Diagramm zur Abhängigkeit der Vergrößerungsfunktion von der Anlaufbeschleunigung,

Fig. 2 Diagramm zur Frequenzverschiebung des maximums der Hüllkurve für drei Anlaufbe schleunigungen,

Fig. 3 bevorzugte Anordnung einer aus einem Silizium-Grundsubstrat herausgearbeiteten Silizium-Feder-Masse-Dämpfungsstruktur und einer Signalwandlungskomponente,

Fig. 4 Gemessener Amplituden-Frequenzgang einer Ausführungsform des für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzten mikromechanischen resonanten Vibrationssensors

Die Anlaufbeschleunigung = Λ (Λ ist die Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz) wird hierbei als konstant angenommen. Das Verhalten der Feder-Masse-Dämpfungsstruktur ist streng deterministisch und wird durch die Lösung der folgenden dimensionslosen Form der Bewegungsgleichung beschrieben mit (' ∼ d/dη).

ω₀ Eigenfrequenz des Schwingers im dämpfungsfreien Fall,
c Federkonstante,
m Masse des Schwingers,
D Dämpfungsmaß,
b Dämpfungskonstante,
ζ dimensionsloses Maß für die Anlaufgeschwindigkeit,
η Verhältnis der momentanen Erregerfrequenz zur Eigenfrequenz bei D = 0,
y Vergrößerungsfaktor des Ausschlages,
q Ausschlag,
Kraftamplitude
α Phasenverschiebungswinkel.

Die Lösung von Gleichung (1) führt zu drei wesentlichen Aussagen, die durch die Messungen verifiziert werden können.

- Das Maximum des Ausschlages ist kleiner als das der stationären Vergrößerungsfunktion.
- Die Frequenz für den Maximalausschlag verschiebt sich für den Anlauf bei größer werdenden ζ zu höheren Frequenzen. Für den Auslauf erhält man den gleichen Betrag der Frequenzverschiebung zu niedrigeren Frequenzen. Auch die Höhe des Ausschlages unterscheidet sich für den Anlauf und Auslauf kaum (für betragsmäßig gleiche ζ).
- Im Bereich η < 0,5 und η < 1,75 unterscheidet sich die Lösung kaum von der stationären Vergrößerungsfunktion.

Die Lösungsfunktionen der Dgl. (1) hängen zum einen vom Dämpfungsmaß D und zum anderen von der Anlaufgeschwindigkeit Λ bzw. von ζ ab.

Für die Auswertung der Hüllkurven ist zum einen das Maximum der Kurven und zum anderen das Frequenzverhältnis, bei dem dieses Maximum erreicht wird, von Interesse. Zum besseren Verständnis des Verfahrens dienen die Diagramme in Fig. 1 und Fig. 2.

Der experimentell ermittelte Kurvenverlauf in Fig. 1 widerspiegelt die erwartungsgemäße Abnahme der Sensorsignalamplitude mit wachsender Anlaufbeschleunigung. Das Frequenzverhältnis, bei dem dieses Maximum erreicht wird, ist in Fig. 2. dargestellt, welche die berechnete Frequenzverschiebung des Maximums der Vergrößerungsfunktion in Abhängigkeit von drei exemplarisch ausgewählten Anlaufgeschwindigkeiten zeigt. Die experimentell ermittelten Hüllkurvenverläufe zeigten im Vergleich mit den berechneten Verläufen eine sehr gute Übereinstimmung.

Wesentliche Vorteile des beschriebenen frequenzselektiven resonanten Körperschallmeßverfahrens mittels einer Feder-Masse-Dämpfungsstruktur gegenüber breitbandigen Schwingungsmeßverfahren insbesondere mit herkömmlichen piezoelektrischen Beschleunigungssensoren sind:

- signifikant verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis,
- Datenreduktion durch inhärente Filterwirkung des resonanten Meßkörpers,
- einfache Signalauswertung im Zeitbereich,
- relativ kurze Meßzeiten (vgl. z. B. Hüllkurvenverfahren bei der Lagerdiagnose)
- Automatisierbarkeit der resonanten Körperschallmessung.

Weitere Vorteile sind:

- Die Wandlung des mechanischen in ein elektrisches Signal kann dabei optisch, piezoresistiv oder kapazitiv erfolgen.
- Die Feder-Masse-Dämpfungsstruktur kann aus einem Halbleitermaterial, Metall, Glas oder anderen geeigneten Materialien gefertigt sein.
- Die der mechanisch aktiven Feder-Masse-Dämpfungsstruktur nachgeschaltete Auswerteelektronik kann hybrid mit den mechanischen bzw. mikromechanischen Sensorkomponenten verbunden oder monolithisch auf ihnen integriert sein.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt eine Anordnung gem. Fig. 3 verwendet, die eine aus einem Silizium-Grundsubstrat 1 herausgearbeitete, schwingungsfähige Silizium-Feder- Masse-Dämpfungsstruktur bzw. Si-Resonator 2 und eine Signalwandlungskomponente 3 aufweist. Die Signalwandlungskomponente 3 ist hier als integrierte piezoresistive Wheaston'sche Meßbrücke ausgebildet.

Die dreidimensionale Strukturierung des in Fig. 3 dargestellten mikromechanischen resonanten Vibrationssensors erfolgte durch anisotropes Ätzen in Kalilauge (KOH).

Das elektrische Ausgangssignal des Sensors ist in seiner Ausprägung und Periodizität ein Maß für die Schwingungselongation des Si-Resonators. Die Sensorsignalauswertung erfolgt dabei ausschließlich im Zeitbereich.

Für die Sensorcharakterisierung und die Festlegung der Drehzahlbereiche, in denen die resonante Körperschallmessung erfolgen soll, ist der Amplituden-Frequenzgang von besonderer Bedeutung, da er unter anderem die dynamischen Eigenschaften des Sensors widerspiegelt:

Der gemessene Amplituden-Frequenzgang einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten mikromechanischen resonanten Vibrationssensors 38 (Anregung in Richtung der Flächennormalen der seismischen Masse) ist in Fig. 4 dargestellt. Als Referenz wurde ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor (100 mV/g entspricht der 0 dB-Linie) verwendet. Die Zahlenangabe bezeichnet dabei die sogenannte Sensornennfrequenz. Das heißt, die Sensornennfrequenz entspricht der Frequenz des Grundmodes des Si-Resonators. Die Resonatorstrukturen wirken dabei als hochempfindliche, stark selektive mechanische Filter. Damit ist eine schmalbandige Detektion charakteristischer Körperschallfrequenzen einschließlich der damit verbundenen Datenreduktion realisierbar.

Claims

1. Verfahren zum Messen von Körperschall zur Verwendung in der technischen Diagnostik, bei dem vorbestimmte Prozesse oder Zustände an mindestens einem Messobjekt, die sich durch cha rakteristische, drehzahlabhängige Frequenzen auszeichnen, mit mindestens einer mit dem Messobjekt verbundenen schwingungsfä higen Feder-Masse-Dämpfungsstruktur erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass
die Feder-Masse-Dämpfungsstruktur mindestens eine schmalbandi ge Resonanzfrequenz besitzt, und
während Anlauf- und/oder Abtourvorgängen des Messobjektes ein Amplitudensignal der Feder-Masse-Dämpfungsstruktur im Zeitver lauf gemessen wird, und
das Auftreten der Prozesse oder Zustände erfasst wird, wenn der Zeitverlauf des Amplitudensignals Resonanzen zeigt, die den charakteristischen, drehzahlabhängigen Frequenzen entspre chen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Eigenfrequenz der Feder-Masse-Dämpfungsstruktur derart abge stimmt wurde, dass sie im interessierenden Drehzahlbereich re sonant anregbar ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem als Feder- Masse-Dämpfungsstruktur ein mikromechanisch hergestellter Vib rationssensor mit einem Silizium-Resonator verwendet wird.

4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Eigenfrequenz der Feder-Masse- Dämpfungsstruktur unterhalb von 600 Hz liegt.