DE3417826C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kalibrieren von Körperschallaufnehmern mit einem piezoelektrischen Schwingungserzeuger.

Solche Einrichtungen haben bisher den Nachteil, daß die Eigenschaften des gesamten Schwingungssystems durch das Aufsetzen des zu prüfenden Aufnehmers verändert werden, so daß eine genaue Kalibrierung in Frage gestellt ist.

Die Erfindung geht deshalb von der Aufgabe aus, eine für die Kalibrierung geeignete Einrichtung zu schaffen. Sie soll insbesondere eine Messung der Anregung bei aufgesetztem Prüfling möglich machen. Außerdem soll der Frequenzbereich bei der Kalibrierung möglichst groß sein und auch Werte oberhalb von 20 kHz bis mindestens 70 kHz umfassen, die bisher wegen Resonanzerscheinungen überhaupt nicht verwendet werden konnten.

Die Einrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwingerplatte aus piezoaktivem Material auf einer Trägerplatte aus stark dämpfendem Material angeordnet und mit einem Sinusgenerator verbunden ist, daß die Schwingerplatte mit einer verspiegelten durchsichtigen Scheibe verbunden ist und daß die Bewegung der Spiegelschicht mit einem Laserinterferometer gemessen wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Sie zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung. In

Fig. 2 ist die Ausbildung des elektrischen Teils für den Fall einer kontinuierlichen Anregung dargestellt.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Versuchsaufbau dient als schwingungserregendes Element eine Platte 1 aus piezoaktivem Material, zum Beispiel Quarz oder Blei-Zirkonat- Titanat (PZT). Sie ruht auf einer Trägerplatte 2, die aus stark dämpfendem Material, zum Beispiel Styropor, besteht. Dadurch werden Resonanzen im geforderten Frequenzbereich vermieden. Die Schwingerplatte 1 wird mit einem Sinusgenerator 3 in bekannter Weise erregt. Da die Platte 1 aus undurchsichtiger Piezo- Keramik besteht, ist sie bei 4 durchbohrt. Dadurch entsteht ein Zugang zu einer durchsichtigen, zum Beispiel aus Glas bestehenden Scheibe 5, die auf der der Platte 1 abgekehrten Seite verspiegelt ist. Die Verspiegelung 6 stellt unmittelbar die Schwingungsebene dar, deren Bewegung direkt auf einen Prüfling 7 in Form eines Körperschallaufnehmers einwirkt. Bei Verwendung eines durchsichtigen Quarzschwingers als Platte 1 könnte eine besondere Scheibe als Oberflächenspiegel entfallen. Die Oberfläche der Quarzscheibe würde selbst die Schwingungsebene bilden, die die zu messende Kalibrierbewegung auf den Prüfling 7 ausübt.

Die Bewegung der Schwingungsebene 6 wird durch ein geeichtes Laserinterferometer 10 gemessen, das in der Lage ist, die Auslenkung und Phase der Schwingungsebene zu messen. Sein Laserstrahl 11 wird auf die Schwingungsebene 6 fokussiert und von dieser reflektiert. Für den Strahldurchtritt ist bei 9 auch die Trägerplatte 2 durchbohrt, an der das Laserinterferometer 10 über Abstandsstäbe 12 in einem festen Abstand angebracht ist.

Bei elektrisch "offenen" Prüflingen 7 wird eine elektrische Einstreuung durch den Sinusgenerator 3 bzw. die Schwingerplatte 1 mit Hilfe einer elektrischen Abschirmung 15 vermieden.

Das Eigenresonanzverhalten der neuen Einrichtung wird bei tiefen Frequenzen im wesentlichen durch die Dämpfung der Trägerplatte 2 und im hochfrequenten Bereich f 100 kHz vor allem durch das Eigenresonanzverhalten der Kombination aus verspiegelter Glasscheibe 5 und Schwingerplatte 1 bestimmt. Letzteres läßt sich durch die Abmessungen der Platte 1 variieren.

Die elektrische Anordnung bei kontinuierlicher Anregung ist in Fig. 2 dargestellt. Wesentliches Gerät für die Meßwerterfassung und -verarbeitung ist ein kommerzieller Network Analyzer 18. Dessen eingebauter Sinus-Generator 3 versorgt u. a. die Schwingerplatte 1 des Schwingungserregers 20 mit Schwingungsebene 6, Oberflächenspiegel 5, Schwingerplatte 1 und Trägerplatte 2.

Auf dem Meßeingang des Network Analyzers 18 liegt das über einen Verstärker 21 verstärkte Signal des zu prüfenden Körperschallaufnehmers 7. Auf den Referenzeingang wird das Signal des Laserinterferometers 10 gegeben, das ja die Bewegung der Schwingungsebene 6 exakt mißt.

Der Network Analyzer 18 bildet das Verhältnis der Amplituden

und die Phasendifferenz ϕ von Meß- und Referenzsignal und schreibt beides als Funktion der Frequenz f auf dem x-y-Schreiber 22 aus.

Aufgrund der unmittelbaren Verhältnisbildung während der Messung spielt der Frequenzgang des Schwingungserregers 20 nur eine untergeordnete Rolle. Insbesondere die Frequenzgangänderungen des gesamten Schwingungssystems und damit auch des Schwingungserregers, die sonst beim Auswechseln der zu prüfenden Körperschallaufnehmer 7 unvermeidbar sind, werden automatisch eliminiert.

Aus der Phasendifferenz ϕ läßt sich im Einzelfall herauslesen, bei welchen Frequenzen der zu prüfende Körperschallaufnehmer 7 als Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- bzw. als Wegaufnehmer wirkt.

Dank ihrer Breitbandigkeit und der direkten Kontrolle der Bewegung der Schwingungsebene 6 bietet die neue Einrichtung neben der Möglichkeit der kontinuierlichen Anregung zum ersten Mal eine Möglichkeit zur kontrollierten und damit definierten Anregung mit transienter Erregung, wie zum Beispiel Impuls- oder Sprung- Anregung, wie sie auch bei realem Einsatz der Körperschallaufnehmer auftritt.

Claims (3)

1. Einrichtung zum Kalibrieren von Körperschallaufnehmern mit einem piezoelektrischen Schwingungserzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwingerplatte (1) aus piezoaktivem Material auf einer Trägerplatte (2) aus stark dämpfendem Material angeordnet und mit einem Sinusgenerator (3) verbunden ist, daß die Schwingerplatte (1) mit einer verspiegelten durchsichtigen Scheibe (5) verbunden ist und daß die Bewegung der Spiegelschicht (6) mit einem Laserinterferometer (10) gemessen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserinterferometer (10) auf der der Schwingerplatte (1) abgekehrten Seite der Trägerplatte (2) angeordnet ist, daß durch die Trägerplatte (2) eine Bohrung (9) führt und daß durch die Bohrung (9) ein fokussierter Strahl (11) des Laserinterferometers (10) auf die Spiegelschicht (6) gerichtet ist und damit die Bewegung der Ebene direkt erfaßt wird, die an den Körperschallaufnehmer (7) grenzt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingerplatte (1) eine elektrische Abschirmung (15) aufweist.