DE2729434A1

DE2729434A1 - Verfahren zur messung der resonanzfrequenz eines mechanischen resonators und messgeraet zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2729434A1
Application number: DE19772729434
Authority: DE
Inventors: Herbert Ernyei; Etienne Langlois
Original assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Current assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Priority date: 1976-06-29
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1978-01-05
Also published as: US4114454A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing Dtp).-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19 ί / /.O H O

8 München 60

LIGNES TELEGRAPHIQUES 27. Juni 1977

ET TELEPHONIQUES

89, rue de la Faisanderie

75016 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: L 1025

Verfahren zur Messung der Resonanzfrequenz eines mechanischen Resonators und Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung "betrifft ein schnelles und genaues Meßverfahren zur Messung der Resonanzfrequenz eines mechanischen Resonators; dieses Verfahren eignet sich besonders vorteilhaft im Fall von Resonatoren, die durch massive Metallstäbe von im allgemeinen zylindrischer Form gebildet sind.

Die Bestimmung der Resonanzfrequenz mechanischer Resonatoren, beispielsweise von Stahlstäben, erfolgt üblicherweise in einer Brückenschaltung, die durch einen frequenzveränderliohen Generator gespeist wird. Der Resonator wird in einer Spule angeordnet, die von einer Quelle mit einstellbarer Frequenz gespeist wird und einen der Brückenzweige bildet. Der Resonator wird außerdem in der gewünschten Schwingungsform in Schwingungen versetzt, was oft zu komplizierten

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Lei/Gl

Anordnungen führt. Die Messung erfolgt dadurch, daß die Brücke abgeglichen wird, wenn der Generator eine Frequenz hat, die in der Nähe der Resonanzfrequenz liegt, und daß dann die Frequenz gesucht wird, bei welcher die Verstimmung der Brücke am größten ist. Diese Operation ist verhältnismäßig langwierig.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in dem Resonator Schwingungen unter dem Einfluß eines Stoßes angeregt; der Fühler ist durch einen Solenoid gebildet, in dem ein schwacher Magnetisierungsfluß herrscht und in den der Resonator eingebracht wird. Die Schwingungen des Resonators ändern die Flußverteilung in der Spule, wodurch eine induzierte Spannung entsteht. Die Messung beruht auf der Zählung der Anzahl der Schwingungen des Stabes während einer festen Zeitdauer oder auf der Messung der Zeitdauer, die einer ganzen Zahl von Schwingungen entspricht. Die Dauer der Messung hängt von der Dämpfung der Schwingungen ab. Bei leistungsfähigen Resonatoren kann sie etwa 100 Millisekunden erreichen, wodurch es möglich ist, eine Meßgenauigkeit der Frequenzmessung in der Größenordnung von 10" zu erreichen.

Das Meßverfahren setzt das Bestehen eines polarisierenden Magnetflusses in dem Solenoid voraus. Je nach der Art des Resonators kann dieser Magnetfluß entweder durch den Resonator selbst erzeugt werden, wenn dieser magnetisiert ist, oder durch einen äußeren Magnet, oder auch durch einen Gleichstrom, der die Solenoidspule durchfließt. Die Stoßerregung des Resonators nach der Erfindung muß so erfolgen, daß die gewünschte Schwingungsform erregt wird. Es ist bekannt, wie man die Anregung einer Schwingungsform unter Benachteiligung der übrigen Schwingungsformen, selbst bei

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benachbarten Frequenzen, mit Hilfe von Stützen begünstigt, die in oder an dem Resonator unter Berücksichtigung der gewünschten Schwingungsform angebracht werden. Der Stoß, durch den der Resonator in Schwingungen versetzt wird, kann, je nach der Durchführungsform des Verfahren, mechanischen oder magnetischen Ursprungs sein.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel der Messung der Eigenresonanzfrequenz von Metallstäben, die in einer longitudinalen Grundschwingungsform schwingen, wobei die Erfindung natürlich nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus des Heßkopfes,

Pig. 2 das Blockschaltbild der Schaltung für die Verarbeitung der vom Meßkopf von Pig. 1 gelieferten Signale,

Pig. 3 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des Meßkopfes,

Pig. 4 ein Blockschaltbild der Schaltung zur Verarbeitung der vom Meßkopf von Fig. 3 gelieferten Signale und

Pig. 5 und 6 Eichkurven für eine Durchführungsform der Erfindung.

Ein Ausführongsbeispiel des Meßkopfes oder Fühlers ist in Fig. 1 dargestellt. Der Stab 1, der den zu messenden

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Resonator bildet, wird in ein Vormagnetisierungsfeld eingebracht, das durch einen Permanentmagnet 2 längs der Achse einer Spule 3 erzeugt wird. Die Befestigung darf den Gütefaktor des Resonators nicht verringern. Zufriedenstellende Ergebnisse werden erhalten, wenn der Stab durch eine runde Scheibe 4 aus nachgiebigem Material in einem Schwingungsknoten gehalten wird. Ein von einem Elektromagnet 6 betätigter Hammer 5 trifft auf den Stab und versetzt diesen in Schwingungen. Ein Dämpfungssystem 7 begrenzt die Schwingungen des Hammers. Nach dem Stoß nimmt die Amplitude der Schwingungen mit einer Zeitkonstante ab, die dem Gütefaktor den Materials proportional ist. Die Schwingungen des Stabes verändern den Magnetfluß in der Spule, wodurch an den Klemmen der Spule eine induzierte Spannung erzeugt wird, die das Meßsignal bildet. Das Signal wird in der in Fig. 2 dargestellten Schaltung verarbeitet.

Nach Verstärkung in einem Verstärker 11 geht das Meßsignal durch ein Bandfilter 12, das auf eine Frequenz abgestimmt ist, die in der Nähe der Resonanzfrequenz des Stabes liegt, die aus dessen Abmessungen definiert ist, so daß diese Frequenz durchgelassen wird. Das Filter kann durch ein T-Glied mit Induktivitäten und Kapazitäten gebildet sein, wie es in dem Buch "Reference Data for Radio Engineers", herausgegeben von der ITT (5. Auflage 1969), Kapitel 8, beschrieben ist. Dieses Filter hat den Zweck, das Rauschen zu verringern und die zu messende Resonanzfrequenz auszusondern.

Zur Erzielung einer annehmbaren Meßempfindlichkeit ist ein nichtlinearer Verstärker 13 vorgesehen. Er kann durch einen integrierten Verstärker des Typs 709 (hergestellt von Texas Instruments) gebildet sein, der mit einer Gegenkopplung durch ein Biodennetzwerk ausgestattet ist, wobei

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die Verstärkung der Schaltung bei abnehmender Amplitude des Signals nach einer nahezu logarithmischen Funktion ansteigt.

Eine Signalformerschaltung H mit einstellbaren Schwellenwerten (die aus einer von der Texas Instruments hergestellten Schaltung des Typs 7400 gebildet ist) trennt das Nutzsignal von dem restlichen Rauschen, so daß ein Rechtecksignal geliefert wird, das mit den Eingangskenngrößen des für die Messung verwendeten Frequenzmessers vereinbar ist.

Eine Zeitsteuerschaltung 15 speist den Elektromagnet 6, wodurch der Schlag des Hammers 5 ausgelöst wird. Diese Schaltung bewirkt auch die Nullstellung und das Ingangsetzen des Frequenzmessers. In Fig. 2 sind schematisch zwei Meßschaltungen dargestellt, die wahlweise an die Klemmen A und B angeschlossen werden können.

Der Frequenzmesser kann durch die Schaltungen 16 bis 21 gebildet sein. Sie Schaltung 16 erlaubt das Öffnen einer Torschaltung 17 für die Dauer von 10ⁿ Perioden des Signals; während dieser Zeit werden die Impulse eines quarzgesteuerten Taktgebers 18 in einem Zähler 19 gezählt, und ein Rechner 20 bildet den Kehrwert der Impulszahl. Ein Anzeigegerät 21 zeigt das Meßergebnis an und bewirkt dessen Speicherung (diese Schaltungen können mit Hilfe von integrierten Schaltungen realisiert werden, wie sie in dem "Handbuch für die Anwendung digitaler integrierter TTL-Schaltungen" der Texas Instruments beschrieben sind).

Falls die Schwingung für eine Dauer von mehr als 100 ms in einer ausreichenden Amplitude erhalten wird, können die Schaltungen 16 bis 21 durch einen von der Firma Schlumberger hergestellten reziproken Frequenzmesser des

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Typs 2620 ersetzt werden; dieses Gerät erlaubt die Erzielung einer Genauigkeit von + 10~ bei einer Zählzeit, die in der Nähe von 100 ms liegt.

Die bei dem Meßkopf von Fig. 1 verwendete Halterung ist ziemlich empfindlich und muß an den Querschnitt des zu messenden Resonators angepaßt werden.

Bei einer Anwendung in einer automatischen Maschine mit großer Häufigkeit ist es erwünscht, bewegliche zerbrechliche Teile zu vermeiden. Es ist ferner von Vorteil, wenn man mit der gleichen Meßanordnung Teile mit geringfügig verschiedenen Querschnitten messen kann.

Der in Fig. 3 dargestellte Meßkopf ist für die Messung der Resonanzfrequenz eines in einer longitudinalen Schwingungsform schwingenden Resonators vorgesehen, jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt. Der Hammer 5 ist durch eine Spule 25 ersetzt, durch die ein Stromimpuls geschickt wird, so daß ein magnetischer Stoß entsteht, der die Schwingungen in dem Stab 1 erregt. Der Stab behält eine Remanenzmagnetisierung, die ausreicht, um durch die Schwingungen in der Spule 3 eine induzierte Spannung zu erzeugen, die das Meßsignal bildet. Es ist keine Halterung notwendig, und es können die Frequenzen von Stäben mit sehr verschiedenen Querschnitten in dem gleichen Meßkopf gemessen werden, wobei der Stab ohne Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit um mehrere Millimeter verschoben werden kann. Der Resonator liegt in den Spulen auf.

Die Verwendung eines solchen Meßkopfes ist besonders dann von Vorteil, wenn es nicht notwendig ist, durch die Halterung eine Schwingungsform zu begünstigen, wie es bei dem vorhergehenden Beispiel der Fall war.

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Die Amplitude des Magnetfeld Impulses muß ausreichend groß sein, damit der einzige Stoß den Stab mit so großer Amplitude erregt, daß die Dauer der Schwingungen unter Berücksichtigung der Eigendämpfung eine genaue Messung erlaubt. Wenn die Schwingungseigenschaften der den Resonator bildenden Legierung von der Magnetisierung abhängig sind, kann es notwendig sein, die Stärke des Impulses zum Nachteil der Meßgenauigkeit zu begrenzen. In diesem Fall kann der Meßkopf von Pig. 1 besser geeignet sein.

Als Beispiel sei angegeben, daß eine Erregungsspule 25 mit zehn Windungen gebildet worden ist, durch die ein Stromimpuls mit einer Stärke von größenordnungsmäßig 1 A und einer Bauer von etwa 4 ws geschickt worden ist.

Die Schaltungen für die Steuerung und Signalverarbeitung Bind in Pig. 4 dargestellt. Die Schaltungsbestandteile, die mit denjenigen von Fig. 2 übereinstimmen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Impulsgenerator liefert Impulse, deren Dauer in der Nähe einer Halbperiode der Schwingung des Resonators liegt, wodurch die gewünschte Sohwingungsform begünstigt wird. Der Verstärker 27 speist die Spule 25. Der Schaltungskanal 11, 12, 13, 14 für die Verstärkung des von der Spule 3 aufgenommenen Signals ist alt dem zuvor beschriebenen Schaltungskanal identisch. Eine Stufe 29 ist hinzugefügt, um den Beginn des Signals zu unterdrücken, der durch die Spannung gestört ist, die in der Spüle 3 durch den der Spule 25 zugeführten Impuls infolge der Kopplung zwischen den beiden Spulen induziert wird. Die Steuerschaltung 28 synchronisiert die Schaltungen 26 und 29 und bewirkt die Nullstellung des Zählers.

Mit einer solchen Anordnung konnten mehr als zwei Messungen pro Sekunde mit einer Genauigkeit von 10** bei einer Frequenz in der Nähe von 130.000 Hz durchgeführt werden.

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Eine eingehendere Analyse ermöglicht die Bestimmung der Präzision und der Empfindlichkeit der bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Messungen.

Es seien:

Aq die Alifangsamplitude des Eingangssignals;

A₁ die Amplitude des Eingangssignals, die nach Behandlung durch die Schaltungen 11, 12 und 13 dem Schwellenwert der Schaltung 14 (Fig. 2) entspricht;

F die gesuchte Resonanzfrequenz in der gewünschten Schwingungsform;

Q der Gütefaktor des States;
t die Dauer der Messung;

t die Zeit, gezählt vom Beginn des Stoßes und vom Ingangsetzen der Messung.

Die Amplitude des Signals folgt der Funktion

A (t) = A₀ exp - πΡ₀ t_m/Q.

Während der Meßdauer t muß das Signal größer als A₁ sein. So muß die Amplitude am Beginn des Zyklus folgende Bedingung erfüllen:

A₀ > A₁ exp nF_s t_m/Q Diese Bedingung definiert die Empfindlichkeit des Verfahrens.

Die Unsicherheit ΔΡ /F_a der Frequenzmessung ist umgekehrt

3 3

proportional zu t . Wenn die Meßzeit ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des zu messenden Signals ist, ist die Unsicherheit der Messung gegeben durch:

F t · F s η ρ

0 9 8 8 1/116 3

uenz des zur Besti wendeten Taktsignals.

Darin ist P die Frequenz des zur Bestimmung von t vertl

Die Kurven der Figuren 5 und 6 ermöglichen die Festlegung der Meßbedingungen. Fig. 5 zeigt das kleinste Verhältnis Aq/A^ für eine Meßzeit von 100 ms als Funktion des Gütefaktors des Resonators.

Fig. 6 zeigt die Änderung des kleinsten Verhältnisses AqA₁ als Funktion der Meßzeit (oder der Meßgenauigkeit, wenn angenommen wird, daß ein Frequenzmesser der zuvor angegebenen Art verwendet wird, bei dem die zur Messung verwendete Taktfrequenz 10 MHz beträgt). Die verschiedenen Kurven entsprechen verschiedenen Werten des Gütefaktors des Stabes, die neben den Kurven angegeben sind.

Es ist ein Meßgerät zur Messung der Frequenz der Longitudinalschwingung von Legierungsstäben des Typs Elinvar oder Thermelast mit einer Frequenz in der Nähe von 130 kHz hergestellt worden. Die Meßgenauigkeit beträgt dann +0,1 Hz, und die Dauer eines vollständigen Meßzyklus ist kleiner als 500 ms.

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Claims

Patentansprüche

ι 1.]Verfahren zur Messung der Resonanzfrequenz eines mechanischen Resonators in einer zuvor gewählten Schwingungsform, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator in eine elektromagnetische Spule eingebracht wird, daß ein Magnetfeld in der Spule ausgebildet wird, daß der Resonator in einem Anfangszeitpunkt durch Stoß erregt wird, daß mit der induzierten Spannung eine Verstärkung, Filterung und Impulsformung vorgenommen wird, und daß entweder die Anzahl der Perioden der induzierten Spannung während einer festen Zeitdauer gezählt wird, die mit dem Anfangszeitpunkt beginnt, oder daß die einer ganzen Zahl von Schwingungen entsprechende Zeitdauer gemessen wird.

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld in der Spule durch einen äußeren Magnet ausgebildet wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator magnetisiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Ms 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Zählung unter 100 Millisekunden liegt.

5. Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Anwendung bei Resonatoren in Form von zylindrischen Stäben, gekennzeichnet durch einen von einem Elektromagnet betätigten Hammer, eine Halterung für den Resonator, die an einem Schwingungsknoten angreift, eine den Elektromagnet steuernde Zeitgeberschaltung, eine Signalverarbeitungsschaltung und ein Meßgerät, das durch die Zeitgeberschaltung ausgelöst und auf Null zurückgestellt wird.

6. Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung einen nichtlinearen Verstärker, ein auf die Nähe der zu messenden frequenz abgestimmtes Bandfilter und eine das Meßgerät speisende Signalformerschaltung enthält.

7. Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch zwei hintereinander gleichachsig angeordnete Magnetspulen, einen Steuerimpulsgenerator, der die erste Magnetspule speist, eine an die zweite Magnetspule angeschlossene Signalverarbeitungsschaltung und ein Meßgerät, das durch den Steuerimpulsgenerator ausgelöst und auf Null zurückgestellt wird.

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