DE4032550A1 - Sensorik zur analyse von schwingungen mit hilfe von elektroakustischer sensoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorik zur Analyse von Schwingungen mit Hilfe elektroakustischer Sensoren gemäß dem Patentanspruch 1.

Die Erfindung der genannten Art wird u. a. in den Berei­ chen eingesetzt, wo Klopfen, Schwingungen, Geräusche und akustische Spektren erkannt werden sollen. Daher wird die erfindungsgemäße Sensorik z. B. im Bereich der Meßtechnik, der Kfz-Technik und der allgemeinen Kontrolltechnik einge­ setzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor mit kleinen Abmessungen zu realisieren, der hohe Grenz- und Resonanzfrequenzen und/oder lineare Verhalten über einen breiten Meßbereich aufweist. Der Sensor soll dabei sehr breitbandig arbeiten und durch Filter direkt oder indirekt schmalbandig gemacht werden können.

Der Sensor soll hochtemperaturbeständig, wartungsfrei sein sowie aktiv und passiv arbeiten können. Er soll in der Lage sein, Bewegungen zu registrieren sowie Bedienungsvor­ gänge z. B. in einem Kraftfahrzeug erkennen und einem Auf­ zeichengerät, welches beispielsweise die Aufgabe eines Flugschreibers - bei Unfällen - hat, weiterleiten.

Die erfindungsgemäße Anordnung sowie ihre entsprechenden Weiterbildungen sollen leicht herstellbar, preiswert und materialsparend realisierbar sein.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist in dem Pa­ tentanspruch 1 beschrieben. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sowie bevorzugte An­ wendungen der Erfindung aufgeführt.

Der erfindungsgemäße Lösungsgedanke besteht darin, daß Sensoren sehr kleiner Abmessungen und sehr hoher Eigenre­ sonanzfrequenz aus unterschiedlichen Werkstoffen sehr ko­ stengünstig herstellbar sind, mit unterschiedlichen si­ gnalbewirkenden Umgebungen kombiniert werden und auf diese Weise mit einem Sensortyp die Anpassung an die unter­ schiedlichsten Applikationen ermöglichen.

Dadurch, daß die Sensoren passive Sensoren sind, kann das Meßsystem ruhend betrieben und die Auswerteschaltung und/oder die Aufzeichnung der Signale erst nach Über­ schreiten eines programmierten Signalpegels durch den Signalpegel selbst aufgeschaltet werden. Diese Konfigura­ tion erlaubt, wenn die Aufzeichnung mit einem Zeitcode verknüpft wird, die selbständige Aufzeichnung und Überwa­ chung der Störgrößen über einen längeren Zeitraum, ohne daß das Sysem gewartet werden muß.

In Verbindung mit einer entsprechenden Auswerteschaltung werden die Meßwerte digitalisiert und über Signalleitungen einem Aufzeichnungsgerät und/oder einem Auswerterechner und/oder einem System, welches in Verbindung mit einem analogen Aufzeichnungsgerät (Recorder) betrieben wird, der die Meßwerte der einzelnen Sensoren nach Filterung, Ver­ stärkung und/oder Dämpfung auf getrennten Spuren aufzeich­ net und nach Ablauf der Meßperiode oder eines vorgegebenen Zeitraumes an den Auswerterechner drahtlos oder durch Si­ gnalleitungen übermittelt, zugeführt werden.

Die Größe des Sensors und die Auswahl des Sensorwerkstof­ fes erlaubt die kostengünstige Herstellung von sehr klei­ nen Sensoren, deren Eigenresonanzfrequenz durch die kleine Baugröße z. B. sehr hoch liegt.

Aufgrund dieses Lösungsgedanken ist eine entsprechende ma­ terialsparende, preiswerte und leicht herstellbare erfin­ dungsgemäße Anordnung, welche die Aufgabenstellung in vollem Umfang erfüllt, herstellbar.

Im folgenden wird die Erfindung an hand von Fig. 1 bis Fig. 4 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Sensor mit tetraederisch angeordneten Druckaufnehmern;

Fig. 2 einen Druckaufnehmer nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensors mit starrer Aretierung über eine Federscheibe;

Fig. 4 eine vorteilhafte Ausbildung des Sensors als aku­ stischer Sensor.

Sehr wirtschaftlich herstellbare Druckaufnehmerdurchmesser bzw. -längen liegen bei < 0,2 mm bzw. < 0,1 mm. Das Zei­ chen "<" steht für "größer".

Der erfindungsgemäße Sensor nach Fig. 1 ist ausgebildet aus einer Kugel 20, welche z. B. aus einer Eisenlegierung besteht, um die tetraederisch Drucksensoren 30 angeordnet sind. Hierbei kann einer der Drucksensoren durch eine Spannfeder 10 zur Arretierung der Kugel 20 versetzt sein. Die Drucksensoren 30 und die Spannfeder 10 sind in einem Gehäuse 40 montiert, sodaß die Kugel 20 gegenüber den Drucksensoren 30 beweglich bleibt. Die Drucksensoren 30 und die Spannfeder 10 berühren bzw. drücken radial auf die Kugel 20.

Fig. 2 zeigt einen der Drucksensoren 30 als Einzelheit Z. Der Drucksensor 30 ist aus einem zylinderähnlichen Körper 31, vorzugsweise aus einem der eingangs genannten Werk­ stoffe, ausgebildet, der zwischen zwei (einer ersten bzw. zweiten) Elektroden eingearbeitet bzw. verbunden ist. Die Elektroden sind vorzugsweise an den Stirnflächen des Kör­ pers 31 ausgebildet.

Eine erste Elektrode ist über eine Masseleitung 32 mit dem Druckaufnehmergehäuse 33 direkt und mit dem Gehäuse 40 in­ direkt verbunden.

Die zweite Elektrode ist axial zur ersten Elektrode ausge­ bildet und weist einen Stecker auf für den Anschluß, z. B. einer Signalauswertung.

Fig. 3 zeigt die Ausbildung der Kugel 20 zwischen einem Druckaufnehmer 30 und einer hierzu axial angeordneten Spannfeder 11. Der Druckaufnehmer 30 und die Spannfeder 11 verspannen die Kugel 20 gegeneinander. Die Spannfeder 11 ist vorzugsweise als Tellerfeder ausgebildet. Diese Tel­ lerfeder ist vorzugsweise in Richtung Kugel 20 gewölbt.

Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Ausbildung eines akusti­ schen Sensors. Der Druckaufnehmer ist in einem Gehäuse 73 fixiert montiert. Seine eine Elektrode ist analog zu den bisherigen Ausbildungen aus dem Gehäuse 73 herausgeführt. Sie ist gegnüber dem Gehäuse 73 isoliert, so daß an ihr ein Signal, welches der zylinderähnliche Körper 31 (auch Si­ gnalwandler genannt) abgibt, geführt ist.

Als Gegenelektrode zu der o. g. stempelförmig ausgebilde­ ten Elektrode dient der Deckel 77 des Gehäuses 73. Dieser ist derart geformt, daß er eine mittige Ein- und Auswöl­ bung 21 aufweist, so daß die Einwölbung bündig mit dem zy­ lindrischen Körper 31 abschließt. Die Auswölbung 21 kann ausgebildet sein. Der Deckel 77 ist vorzugsweise kraft­ schlüssig mit dem Gehäuse 73 verbunden.

Ist die Kugel 20 ausgebildet, so sind die Druckaufnehmer 30 in der Lage, Bewegungen des Gehäuses 40 gegenüber der Kugel 20 zu registrieren, hinsichtlich Beschleunigung, Be­ wegungsrichtung usw. Weiterhin kann Körperschall aufgrund der dabei entstehenden Materialdichteschwankungen regi­ striert werden. Ist beispielsweise die Kugel 20 nicht aus­ gebildet (siehe Fig. 4), so ist nur Körperschall regi­ strierbar. Dieser Körperschall kann beispielsweise akusti­ sche oder seismische Ursachen aufweisen oder von Resonan­ zerscheinungen bei Beschleunigungen herrühren.

Durch die Ausbildung der Erfindung gemäß obiger Beschrei­ bung stellen sich die bereits genannten Vorteile ein. Der Sensor ist unter anderem in vorteilhafter Weise einsetzbar zur Messung von

• - Drücken und deren Änderung,
• - Kräften und deren Anderung,
• - Beschleunigung und Bewegungen,
• - Drücken und deren Änderung in Gasen und Flüssigkeiten bei schnell wechselnden Druckänderungen,
• - Kräften und deren Änderung bei schnell wechselnden Änderungen der auftretenden Kräfte.

Der Sensor ist beispielsweise vorteilhaft als ein- bis dreidimensionaler akustischer Sensor einsetzbar:

• - zur Messung von Geräuschen und deren Spektren - etwa als Klopfsensor, Schwingungssensor, Geräuschpegel und/oder -spektrumsensor - und
• - zur Messung von Geräuschen und deren Spektren - etwa als Klopfsensor zum Einsatz in Verbrennungsmotoren, zur Mes­ sung des Verbrennungsvorganges, zur Detektion von Gaslecks -,
  Schwingungen in Waffenrohren und an Waffensystemen zur Messung der akustischen und/oder mechanischen Schwingun­ gen nach Richtung und Amplitude,
  Geräuschpegel und/oder -spektrumsensor an stehenden und/oder bewegten Fahrzeug- und Maschinenteilen.

Weiterhin ist der Sensor u. a. einsetzbar als ein- bis dreidimensionaler Beschleunigungssensor und dort z. B.

• - als Achssensor zur Regelung der Stoßdämpfungsanlage bzw.
• - als Unwuchtsensor zum Einsatz in Werkzeugmaschinen, Pressen, Ziehmaschinen usw. und
• - zur Messung von Beschleunigungen nach Richtung und Amplituden, etwa als Achssensor zum Einsatz in Fahrzeu­ gen zur Regelung der Stoßdämpfungsanlage,
• - bei der Bearbeitung durch Zerspannungs- und/oder Verformungsvorgänge an Werkstücken mittels Werkzeugma­ schinen, Pressen, Ziehmaschinen usw., sowie
• - bei der Bearbeitung von Werkstücken durch die unter­ schiedlichen Bearbeitungsverfahren verursachten akusti­ schen Schwingungen im umgebenden System, die mittels entsprechender, vorhandener Sensorik erfaßt und zur Re­ gelung der Prozeßparameter ausgewertet werden können, und
• - als richtungsselektiver Sensor zur Erfassung der Be­ triebs- und Grenzwerte, etwa in Kurzzeitrecordern, Fahrtenschreibern, Unfallschreibern zum Einbau in
• - Kraftfahrzeugen,
• - Luftfahrzeugen,
• - Aufzugsanlagen,
• - Kraner,
• - Förderanlagen.

Weiterhin ist er optimal als ein- bis dreidimensionaler seismischer Sensor verwendbar, zur Messung von seismischen Störungen, etwa als

• - Annäherungssensor,
• - Überwachungssensor an
• - Fahrbahnen,
• - Eisenbahntrassen,
• - Baustellen in Hoch- und Tief­ bau,
• - Straßen- und U-Bahnanlagen,
• - Brücken und Brückenteilen.
• - zur Eingrenzung von seismi­ schen Schwingungen
• - zur Triangiulationsvermessung von Schwingungsquellen.

Seine technische Anwendbarkeit umfaßt die Messung von seismischen Störungen, etwa als:

• - Annäherungssensor für Minenzünder; der Zünder wird durch das Signal, das durch das annähernde Fahrzeug verursacht wird, dann aufgeschaltet, wenn die Intensität des Si­ gnals eine bestimmte Schwelle überschreitet. An­ schließend wird das Spektrum des Signals mit den im Speicher abgelegten Spektren verglichen und der Zünder geschärft;
• - Überwachungssensor für Gebäude und Gebäudeteile zueinan­ der, zum Einsatz an und um Baudenkmalen.

Der Sensor ist mithin desweiteren zur Überwachung von

• - Fahrbahnen, (auch in Verbindung mit Verkehrsleitsy­ stemen),
• - Eisenbahntrassen, etwa zum Entlastungsnachweis in Verbindung mit Schnellfahrtrassen,
• - Baustellen in Hoch- und Tiefbau, etwa zur Überwachung der Wechselwirkung von Rammen, Dampfhämmern, Preßlufthämmern,
• - Straßen- und U-Bahnanlagen, zur Überwachung der Gleisanlagen und der umgebenden Bauwerke,
• - Brücken und Brückenteilen, zur Messung der auftreten­ den Schwingungsgrößen, verursacht durch Windlasten und Befahrung,
• - Tunnelanlagen,
• - Bergbauanlagen und deren Umgebung, zur Detektion von Einbrüchen, insbesondere in der Umgebung von stillge­ legten Schachtanlagen,
• - Staumauern, zur Überwachung auf Schwingungen und Schwingungssdifferenzen zu den Mauerbefestigungen,
• - seismisch relevanten Zonen zur Eingrenzung der Ur­ sprungsorte von seismischen Schwingungen,
• - in Kombination mit einer Richtfunkstrecke o. ä. zur Triangiulationsmessung und Ortung von Schwingungs­ quellen,

einsetzbar.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene weitere Ausfüh­ rungsformen möglich.

Claims (7)

1. Sensorik zur Analyse von Schwingung mit Hilfe elek­ troakusticher Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß Senso­ ren sehr kleiner Abmessungen und sehr hoher Eigenresonanz­ frequenz aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet sind, mit unterschiedlichen signalbewirkenden Umgebungen kombiniert sind und auf diese Weise mit einem Sensortyp die Anpassung an die unterschiedlichen Applikationen ermöglichen, wobei der Sensor aktiv und/oder passiv be­ treibbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um eine Kugel (20), welche z. B. aus einer Eisenlegierung besteht, tetraederisch Drucksensoren (30) angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannfeder (10) zur Arretierung der Kugel (20) vorge­ sehen ist und die Drucksensoren (30) und die Spannfeder (10) in einem Gehäuse (40) montiert sind, so daß die Kugel (20) gegenüber den Drucksensoren (30) beweglich bleibt.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß Drucksensoren (30) aus einem zylinderähnlichen Körper (31) ausgebildet ist, der zwischen zwei Elektroden eingearbeitet bzw. verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spannfeder (11) eine Tellerfeder ist.

6. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaufnehmer in einem Gehäuse (73) fixiert montiert ist, seine eine Elektrode aus dem Gehäuse (73) herausgeführt ist, sie gegenüber dem Gehäuse (73) iso­ liert ist, und die Gegenelektrode der Deckel (77) des Ge­ häuses (73) ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (77) eine Ein- und Auswölbung (21) aufweist.