Neue integrierte Funktion zur Schwingungsüberwachung

Das Ziel dieses Beitrags ist es, die Notwendigkeit der Vibrationsüberwachung in einer IMU sowie die Vorteile der Entwicklung einer integrierten Vibrationsüberwachungsfunktion zu begründen.

Warum Vibrationen in einer IMU überwachen?

Wer Erfahrung mit dem Einsatz einer IMU (Micro-Electro-Mechanical Inertial Measurement Unit) in rauen Umgebungen hat, weiß, wie wichtig eine sorgfältige Berücksichtigung von Vibrationen und Akustik ist. MEMS-Sensoren basieren auf intern vibrierenden mechanischen Elementen. Dies hat zwei Hauptkonsequenzen:

• Leistungsabfall unter Vibration: Die Einwirkung von Vibrationen kann die Genauigkeit der IMU durch sogenannte VRE-Fehler (Vibration Rectification Error) oder den VRC-Koeffizienten (Vibration Rectification Coefficient) beeinträchtigen. Bei Hochpräzisionsanwendungen wie Vermessung oder Koppelnavigation können diese Fehler erhebliche Auswirkungen haben.
• Resonanzeffekte: Da der Sensor selbst vibriert, können die Messwerte der IMU gestört werden, wenn die Vibrationsfrequenzen des Fahrzeugs mit den internen Resonanzfrequenzen des Sensors übereinstimmen.

Diese Effekte sind oft entscheidende Aspekte bei der frühen Konstruktion. Teams investieren in der Regel viel Aufwand in komplexe Simulationen. Diese Simulationen können das reale Verhalten jedoch nur teilweise vorhersagen.

Sie müssen teure Testkampagnen mit Überwachungsgeräten durchführen. Diese Tests validieren die Simulationen. Wir haben die Erfahrung gemacht, dass selbst gründliche Simulationen reale Bedingungen nicht vollständig abbilden können. Einige Kunden haben unsere IMUs in noch raueren Umgebungen als vorgesehen eingesetzt. Sie halten Vibrationen von bis zu 30 g RMS und akustischen Belastungen von 150 dB stand.

Das Hinzufügen eines externen Überwachungsgeräts ist eine gute Entwicklungspraxis. Sie ist jedoch nicht perfekt. Sie wird niemals die tatsächlichen Bedingungen widerspiegeln, denen die IMU ausgesetzt ist:

• Der Messort ist versetzt.
• Eine durch das externe Überwachungsgerät erzwungene Änderung der Masse bzw. der Konfiguration führt zu einer Änderung des Ergebnisses.

Wir stellen unsere integrierte Funktion zur Schwingungsüberwachung vor

Um dem entgegenzuwirken, haben wir eine innovative Funktion zur Vibrationsüberwachung integriert. Diese befindet sich direkt in unseren IMUs und GNSS/INS. Unsere Systeme bieten nun eine Echtzeit-Vibrationsanalyse. Dies umfasst einen vollständigen Spektralbericht und einen zusammenfassenden Bericht.

Umfassender Bericht

Eine vollständige FFT (Fast Fourier Transform) zeigt die Schwingungsamplitude über alle Frequenzen hinweg. Die folgende Abbildung entspricht dieser Vollspektrumansicht. Sie zeigt die Intensität der Schwingungen, die für jede Frequenz im Zeitverlauf gemessen wurden.

Vereinfachter Schwingungsbericht

Eine übersichtliche Zusammenfassung, die das Spektrum in vier Frequenzbänder unterteilt. Für jedes Band enthält der Bericht die Gesamtvibrationsintensität (in g RMS), die dominierende (Spitzen-)Frequenz und deren Amplitude. Die folgende Abbildung zeigt einen Screenshot des Berichts zu synthetischen Schwingungen, wie er in unserem sbgCenter-Tool angezeigt wird.

Technische Daten

Das integrierte Modul zur Vibrationsüberwachung arbeitet vollständig eingebettet in der IMU/INS und gewährleistet Echtzeitleistung ohne zusätzliche Hardware. Die wichtigsten technischen Daten sind:

• Bandbreite: bis zu 8 kHz (je nach IMU-Modell).
• Dynamikbereich: bis zu 40 g RMS (je nach IMU-Modell).
• Zeitsynchronisation: Vibrationsberichte werden zur einfachen Analyse mit einem Zeitstempel der IMU-Uhr versehen.
• Vollständig eingebettet: Alle FFT-Berechnungen werden auf der Platine durchgeführt.
• Aktualisierungsrate und Auflösung: Vibrationsberichte werden alle 0,25 s mit einer Auflösung von 4 Hz erstellt.
• Fensterkonfiguration: Benutzer können aus mehreren FFT-Fenstermodi wählen — Flat Top, Hanning oder Rechteck — mit verschiedenen Kompromissen zwischen Amplitude, Genauigkeit und Frequenzlecks.

Dies ermöglicht Ihnen die Durchführung detaillierter Vibrationsanalysen am Ort der IMU. Anwender können Trägheitsrauschen und IMU-Leistung mit tatsächlichen mechanischen Anregungen korrelieren. Beispielsweise bietet die Echtzeit-FFT-Datenanalyse eine zusätzliche Messgröße. Diese ergänzt den kontinuierlichen Selbsttest (CBIT) der IMU. Sie deckt Montageresonanzen oder harmonische Anregungen auf. Diese fallen mit Änderungen des Beschleunigungsmesser-Rauschens oder des Gyroskop-Bias zusammen.

Anwendungsbeispiele für unsere integrierte Schwingungsüberwachungsfunktion

Die integrierte Funktion zur Schwingungsüberwachung lässt sich auf vielfältige Weise nutzen – und wir gehen davon aus, dass unsere Kunden noch weitere Anwendungsmöglichkeiten entdecken werden. Hier sind einige Beispiele:

• Vibrationsanalyse in der Designphase: Während der Fahrzeugentwicklung hilft die Funktion dabei, die IMU-Montage zu optimieren. Durch die direkte Messung von Vibrationen an der IMU können Ingenieure den besten Standort wählen, Dämpfer abstimmen und einen akustischen Schutz entwerfen – ganz ohne den Einsatz schwerer oder teurer externer Sensoren.
• IMU-Qualifikation auf Rüttelanlagen: Die Vibrationsüberwachung kann während der Qualifikation einer IMU oder eines INS verwendet werden, wenn diese Vibrationen (zufällig oder als Sweep) ausgesetzt werden. Dies ermöglicht die Bestätigung, dass die gemessenen Vibrationen mit den eingeleiteten Vibrationen übereinstimmen (Übertragungsfunktion), und dient als Werkzeug, um festzustellen, ob eine Resonanz auf den Shaker, den Versuchsaufbau oder die IMU zurückzuführen ist.
• UAV- und Luft- und Raumfahrtsysteme: Die Vibrationsüberwachung kann verwendet werden, um Resonanzmoden für Drehflügler oder Turbinentriebwerke zu erkennen und die Nutzlastisolierung zu validieren, wenn die IMU auf einem kardanisch aufgehängten oder stabilisierten System montiert ist.
• Landfahrzeuge: Unsere „ INS “ werden häufig in Landfahrzeugen zur Georeferenzierung (Mobile Mapping) eingesetzt. Die FFT lässt sich in diesem Zusammenhang auf innovative Weise nutzen: Schwingungsdaten könnten zur Analyse des Straßenzustands oder zur Klassifizierung von Geländetypen herangezogen werden.
• Auftragsbezogener integrierter Test (BIT): In rauen Einsatzumgebungen deuten übermäßige Vibrationen häufig auf Störungen wie Triebwerksausfälle, Probleme bei der Verstärkungsregelung oder aerodynamische Instabilität hin. Der integrierte Monitor kann diese Anomalien in Echtzeit erkennen, ohne dass zusätzliche Sensoren erforderlich sind.
• Strukturüberwachung und Modalanalyse: Die FFT-Schwingungsdaten können zur Verfeinerung der Modalanalyse genutzt werden, wobei Verschiebungen in den Resonanzfrequenzen erkannt werden, die auf potenzielle strukturelle Ermüdung, Lockerung oder Materialdegradation im Laufe der Zeit hinweisen. Dies wandelt die IMU in einen Dual-Sensor um: sowohl einen Bewegungstracker als auch ein Langzeit-Strukturüberwachungsinstrument.

Aufrufen der Schwingungsüberwachungsfunktion

Sofern Ihr Gerät kompatibel ist, führen Sie einfach ein Update auf die neueste Firmware durch. Aktivieren Sie anschließend in der Ausgabekonfiguration die Vibrationsüberwachungsmeldungen. So verarbeiten Sie die Daten:

1 – sbgCenter – Schwingungsberichte einfach visualisieren.

2 – sbgBasicLogger – Daten im ASCII-Format exportieren.

3 – sbgECom-Bibliothek – Binärdaten schnell und effizient auswerten.

Seien Sie gespannt auf weitere Dokumentationen und Beispielcode, mit denen Sie diese Funktion optimal nutzen können.

Produktkompatibilität

In diesem Abschnitt werden die spezifischen Produkte aufgeführt, die derzeit die integrierte Vibrationsüberwachungsfunktion unterstützen. Die Kompatibilität hängt sowohl von der Hardware-Revision als auch von der installierten Firmware-Version ab. Im Folgenden haben wir die aktuellen Anforderungen zusammengefasst, um sicherzustellen, dass Sie diese Funktion nutzen können.

Die Vibrationsüberwachungsfunktion ist derzeit verfügbar auf:

• Neueste Hardware-Revisionen für Ekinox Micro, Quanta Micro, Quanta Plus und Quanta Extra (INS) – mit Firmware-Version 5.5 oder höher
• Pulse-80 und Pulse-40 (IMUs) – mit Firmware-Version 2.0 oder höher

Bitte wenden Sie sich an unseren Support, falls auf Ihrem Produkt eine ältere Firmware-Version installiert ist. Dort erhalten Sie Informationen zur Kompatibilität und zu den Upgrade-Möglichkeiten. Diese Funktion wird in naher Zukunft auch in weitere Produkte integriert.