Montag, 27. Mai 2024 · 0 min read
Vergleich von MEMS- und IEPE-Beschleunigungssensoren für die Prüfung des Schwingungsverhaltens von Bauwerken
Untersuchungen des elastoplastischen Verhaltens durch Kraft-Weg-Hysteresezyklen sind von wesentlicher Bedeutung, wenn es darum geht, zu verstehen, wie sich Strukturen verhalten, wenn sie zyklischen Belastungen, z. B. durch Erdbeben, ausgesetzt sind. Die Universität La Sapienza in Rom untersuchte das plastische Verhalten eines maßstabsgetreuen Modells und verglich dabei die Performance von IEPE- und MEMS-Beschleunigungssensoren. Ziel war es, den Beschleunigungssensortyp zu ermitteln, dessen Signale am besten mit denen eines Laser-Wegsensors übereinstimmen.
Die Abteilung für Bauingenieurwesen und Geotechnik der Universität La Sapienza in Rom (Italien) untersuchte das plastische Verhalten durch Analyse der zyklischen Belastungen, die auf eine auf einem Rütteltisch platzierte maßstabsgetreue Struktur einwirken.
Diese Analyse mit Hilfe von Kraft-Weg-Hystereseschleifen ermöglicht es, die Energiedissipationskapazität der Struktur zu untersuchen und ihr plastisches Verhalten im Detail zu bewerten.
Das Labor
Das Labor für Materialien und Strukturen der Abteilung für Bauingenieurwesen und Geotechnik der Universität La Sapienza in Rom wurde Anfang der 1960er-Jahre gegründet. Heute konzentrieren sich seine Aktivitäten auf drei verschiedene Bereiche:
die Lehre,
die wissenschaftliche Forschung mit Experimenten an Materialien und Modellen,
die Erbringung von Dienstleistungen für öffentliche und private Einrichtungen in Form der Durchführung von Analysen der mechanischen Eigenschaften von Zivil- und Industriebauten und damit verbundenen amtlichen Zertifizierungen von Materialien und Prototypen.
Das Labor ist ein offizielles Forschungs- und Prüflabor für die Prüfung von Baumaterialien und erfüllt in dieser Funktion die folgenden Aufgaben:
Prüfungen an Stählen, Betons, Mörteln, Ziegeln, Profilen und Metallgeweben,
Prüfungen an Strukturelementen und Modellen, auch im Originalmaßstab,
Kalibrierung und Überprüfung von Ableseskalen für Messgeräte.
Die wichtigsten im Labor vorhandenen Prüfmaschinen sind:
Pressen, maximale Presskraft 1500 kN und 5000 kN,
Zugmaschinen, maximale Zugkraft 500 kN und 1000 kN,
eine elektronisch gesteuerte MTS-Universalprüfmaschine für statische und dynamische Tests, maximale Belastung 500 kN (statische Last), Kolbenhub ±100 mm, maximale Prúffrequenz bis zu einigen zehn Hz,
eine Zugprüfmaschine der Firma Schenck (Zug- und Druckprüfung) mit elektronischer Steuerung, maximale Belastung 250 kN, Kolbenhub 400 mm, maximale Prúffrequenz in der Größenordnung von 100 Hz,
ein Pulsator mit einem Paar 20-t-Gewichte und einem 100-t-Gewicht, auch für zyklische Tests mit einer maximalen Prúffrequenz von 10 Hz.
ein elektrodynamischer Shaker, komplett mit Netzteil/Verstärker, maximale Sinuskraft 100 N, maximale Beschleunigung 588 m/s2, maximale Auslenkung 10 mm,
ein Rütteltisch MOOG L081-324-11.
Der Rütteltisch
Der Rütteltisch (auch Schwingerreger oder Shaker) wird im Ingenieurwesen eingesetzt, um Strukturen kontrollierten dynamischen Belastungen auszusetzen, die denen ähneln, die von Erdbeben und anderen Beanspruchungen ausgehen. Diese Maschine ist für Laborversuche von außerordentlicher Wichtigkeit. Sie ermöglicht es Ingenieuren, das Verhalten von Bauwerken unter simulierten seismischen oder dynamischen Belastungsbedingungen im Zeitverlauf zu bewerten.
Die Hauptbestandteile eines Rütteltisches sind:
Rüttelplatte: Eine flache, feste Oberfläche, die kontrollierten Schwingungen ausgesetzt wird. Sie kann je nach Bedarf in der Größe variieren und ermöglicht die Platzierung von Strukturen in unterschiedlichen Maßstäben.
Antriebseinheit: Ein Antriebssystem, z. B. mit Elektro- oder Hydraulikmotoren, das Schwingungen erzeugt. Dieses System setzt die geprüfte Struktur kontrollierten dynamischen Belastungen aus.
Steuerung: Ein integriertes Steuerungssystem, das die Frequenz, Amplitude und Energie der auf den Tisch applizierten Schwingungen regelt. Eine präzise Steuerung ist unerlässlich, um während des Tests die gewünschten Belastungsbedingungen zu reproduzieren.
Messinstrumentierung: Sensoren und Instrumente zur Messung der dynamischen Antwort der getesteten Struktur, z. B. Beschleunigungssensoren, Dehnungsmessstreifen oder Kraftsensoren
Der vom Labor verwendete Rütteltisch vom Typ Moog L081-324-11 hat die folgenden technischen Merkmale:
Abmessungen der Rüttelplatte: 1,5 x 1,5 m
maximaler Hub: ±200 mm
maximale Tragfähigkeit: 2 t
viergeschossiger Rahmen mit einer Grundfläche von 0,60 m x 0,60 m und einer Geschosshöhe von 0,60 m
Gesamthöhe: 2,40 m.
Der Rahmen ist mit einer 0,68 m x 0,76 m großen Stahlplatte verbunden, die ihrerseits über einen Elastomerisolator und vier Kugel-Lastübertragungselemente mit dem Rütteltisch verbunden ist.
Testanwendungen von Rütteltischen
Analyse des seismischen Verhaltens: Der Rütteltisch simuliert seismische Belastungen und ermöglicht es Ingenieuren, die Antwort von Gebäuden und anderen Strukturen auf seismische Kräfte zu untersuchen.
Tests zur Validierung von Strukturmodellen: Strukturen können Schwingungen ausgesetzt werden, um numerische Modelle und Simulationen zu validieren und zu kalibrieren und so eine genaue Übereinstimmung zwischen experimentellen Daten und Modellvorhersagen zu gewährleisten.
Bewertung der strukturellen Widerstandsfähigkeit: Tests zur Bewertung der seismischen Widerstandsfähigkeit von Strukturen dienen der Ermittlung möglicher Schwachstellen und der Bewertung der Fähigkeit, Energie zu absorbieren, ohne irreversible Schäden zu erleiden.
Prüfung der Wirksamkeit von Erdbebenschutzvorrichtungen: Mit dem Rütteltisch wird die Wirksamkeit von Erdbebenschutzvorrichtungen wie seismischen Isolatoren und Dämpfern getestet, die die Übertragung seismischer Kräfte auf Bauwerke verringern sollen.
Untersuchung des plastischen Verhaltens: Tests zur Untersuchung des plastischen Verhaltens von Bauwerken bei zyklischen Belastungen, die denen ähneln, die von Erdbeben erzeugt werden
Charakterisierung von Materialien: Mit dem Rütteltisch können Materialien und Werkstoffe charakterisiert und ihre Antwort auf Schwingungen und zyklische Belastungen bewertet werden.
Tragwerksplanung und -optimierung: Die Ergebnisse von Rütteltischversuchen liefern wichtige Daten für die Planung und Optimierung von Bauwerken und verbessern deren Sicherheit und seismische Widerstandsfähigkeit.
Alles in allem erlaubt der Einsatz eines Rütteltisches den Ingenieuren die Durchführung verschiedener kontrollierter Tests. Sie können realistische dynamische Bedingungen nachbilden und liefern entscheidende Daten für die seismische Auslegung und die Sicherheit von Bauwerken.
Plastisches Verhalten – zyklische Einzelfrequenzbelastungen
Wie lässt sich das plastische Verhalten von Bauwerken unter Erdbebeneinwirkung untersuchen? Mit dem Rütteltisch ist es möglich, zyklische Belastungstests durchzuführen, um das elastoplastische Verhalten der Strukturen zu ermitteln.
Mit Hilfe von Beschleunigungssensoren können per Integration die entsprechenden Wegwerte und Kraft-Weg-Verhältnisse ermittelt werden. Die Auswertung der Kraft-Weg-Hysteresezyklen ist der Kern der Analyse, die zum Verständnis der plastischen Mechanismen der Struktur führt.
Die Form und die Breite der Hysteresekurven spiegeln das Vermögen der Struktur wider, bei dynamischen Ereignissen Energie abzuleiten. Diese Informationen sind von entscheidender Bedeutung für den Entwurf von Energiedissipationssystemen, wie z. B. viskosen Dämpfern oder Pendeldämpfern, die die Erdbebensicherheit des Bauwerks verbessern können.
Die Analyse entscheidender Punkte der Hysteresekurven, wie z. B. der Fließ- oder der Kollapsgrenze, ermöglicht ein detailliertes Verständnis der strukturellen Leistung. Diese Daten bilden die Grundlage für die Entwicklung von Modellen für das plastische Verhalten, die die Genauigkeit der prädiktiven Analyse von zyklischen Belastungssituationen verbessern.
Der Rütteltisch spielt im Hochbauwesen eine entscheidende Rolle. Er ist ein vielseitiges Hilfsmittel für die Extrapolation eines breiten Spektrums an Informationen. Es ist möglich, das Antwortverhalten von Strukturen in dynamischen Situationen, wie z. B. Erdbeben, zu verbessern. Anhand dieser Zyklen können Ingenieure beobachten, wie das Bauwerk auf zyklische Belastungen reagiert, und so eine detaillierte Analyse seiner Fähigkeiten und Grenzen erstellen.
Messaufbau
Das in den Abb. 5 und 6 dargestellte Modell stellt einen viergeschossigen Rahmen mit isoliertem Sockel dar, dessen Weg wir durch Endschalter (Bumper) begrenzten. Bei unseren Tests wurde das Modell mittels eines Rütteltisches zeitvariablen dynamischen Kräften ausgesetzt. Die Verwendung von Bumpern war von essentieller Bedeutung, um die Verfälschung der Messungen durch die Kollision des Sockels mit der Plattform zu vermeiden.
In jedem Geschoss des Modells installierten wir zwei Arten von Beschleunigungssensoren:
PCB 393A03: IEPE-Beschleunigungssensoren (piezoelektrische Sensoren mit eingebauter Impedanzwandler-Elektronik)
Dewesoft IOLITEi-3xMEMS-ACC-8g: MEMS-Beschleunigungssensoren (mikroelektromechanische Systeme)
Die Verschiebung des Sockels maßen wir mit einem Lasersensor des Typs optoNCDT 1420-500, um eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten.
Die Datenerfassung erfolgte durch
zwei KRYPTON-4xACC von Dewesoft: robuste, verteilbare EtherCAT-Datenerfassungssysteme, speziell für IEPE-Sensoren,
Ein KRYPTON-3xSTG von Dewesoft: zwei KRYPTON-4xACC von Dewesoft: robuste, verteilbare EtherCAT-Datenerfassungssysteme, speziell für IEPE-Sensoren,
fünf IOLITEi 3xMEMS-ACC-8g: Datenerfassungsmodule mit integriertem triaxialem MEMS-Beschleunigungssensor,
fünf IEPE-Sensoren des Typs PCB 393A03: Beschleunigungssensoren mit einer Empfindlichkeit von 1V/g,
Wir belasteten die Struktur mechanisch durch Einzelfrequenzwellen, um detaillierte Informationen über ihre Fähigkeit zur Absorption dynamischer Lasten zu erhalten. Dieses Testverfahren bietet auch Vorteile, wenn es darum geht, die Qualität der Antwort der Messumformer im Strukturbereich zu analysieren.
Ziele der Analyse
Die Studie hatte zwei klar definierte Ziele:
Das erste Ziel bestand darin, die Beschleunigungssensor-Instrumentierung zu ermitteln, die am besten geeignet ist, ein Signal zu liefern, das dem des Laser-Wegsensors entspricht. Die Genauigkeit dieses Signals wird nach Maßgabe der zeitlichen Antwort der Messumformer bewertet, die mechanische Einzelfrequenzwellen (Harmonische) erzeugen.
Das andere Ziel bestand in der Untersuchung des elastoplastischen Verhaltens des Strukturmodells, da die Strukturelemente, die das Modell selbst charakterisieren, variieren.
Beschleunigungssensortechnologien
Es sind einige Jahrzehnte vergangen, seit die Geotechnik als Geophone bezeichnete Beschleunigungssensoren in die Welt der dynamischen Analyse einführte. Inzwischen sind die anfänglichen, durch die Resonanz des Sensors verursachten Probleme der Phasenverschiebung des Signals überwunden worden, und es sind Beschleunigungssensoren erhältlich, die zwar weniger empfindlich sind, dank ihrer höheren Resonanzfrequenz jedoch einen wesentlich zuverlässigeren Phasengang aufweisen.
Dieses Projekt hat uns erlaubt, zu verstehen, wie wichtig die Analyse des Phasengangs des Signals ist, der nicht nur von der Resonanz des Sensors abhängt, sondern auch von der Anwendung von Filtern auf das Signal.
Die Genauigkeit eines von einem Erfassungssystem erzeugten Signals hängt von vom Modul und von der Phase ab. Der Modul gibt an, mit welcher Amplitude die aufgenommene Wellenform wiedergegeben wird. Die Phase ist sozusagen das Alter Ego der zeitlichen Antwort des Sensors auf das Ereignis. Beide verwendeten Sensoren erzeugen ein Signal mit sehr hoher Modul- und Phasentreue. Eine der beiden Technologien erzeugt jedoch in der Datenverarbeitungslinie einen nicht vernachlässigbaren Faktor.
Das von dem piezoelektrischen Effekt erzeugte elektrische Signal hat eine minimale Amplitude. Es wird durch die Bewegung der elektrischen Oberflächenladungen des Kristalls bei Veränderungen der mechanischen Druckkräfte erzeugt. Um das Signal in der Messtechnik nutzen zu können, wird es in ein Spannungssignal umgewandelt und verstärkt.
Wir überlagerten die Stromversorgung der Signalleitung, um den Kristall mit einem Überschuss an Ladungen zu „dopen“ und ein breiteres Signal zu erzeugen. Andererseits erhielten wir gerade durch diese Ladungsanregung eine erzwungene Offset-Spannung. Um diese zu eliminieren, ist ein Hochpassfilter erforderlich (in der Regel bei 0,5 Hz).
Dieser Filter hat vernachlässigbare Auswirkungen, wenn das betrachtete Frequenzband unter 1 Hz liegt. Wenn die analysierten Strukturen jedoch kontinuierlich über das gesamte Spektrum bis hin zum Gleichstrom untersucht werden sollen, sieht die Sache ganz anders aus.
Einhergehend mit der Änderung der Filterordnung folgt die Signalveränderung unterschiedlichen Trends für Modul und Phase. Die Theorie beschreibt eine Moduldämpfung von -20 dB/Dekade pro Filterordnung, während die Phase eine Verschiebung von -90° für jede zusätzliche Ordnung verursacht. Dieses letzte Detail darf nicht vernachlässigt werden, da man mit der 6. Ordnung eine Phasenverschiebung von 540° erhält.
Es ist nun nachvollziehbar, wie das vom IEPE-Sensor erzeugte und dann vom Hochpassfilter gereinigte Signal nicht vernachlässigbaren Einflüssen unterliegt. Andererseits benötigt die MEMS-Technologie keinen Filter zur Signalverarbeitung und kennt diese Probleme nicht.
Eigenschaften der Sensoren
| Model | PCB 393A03 | Dewesoft IOLITEi-3xMEMS-ACC-8g |
| Type | IEPE - Integrated Electronics Piezo-Electric | MEMS - Micro Electro Mechanical Systems |
| Resonanzfrequenz | > 55 kHz | 2,4 kHz |
| Bandbreite | 7 kHz | 1,5 kHz |
| Angewendete Filter | Hochpass (≈0,5 Hz) | Keine |
Phasenverschiebung – die Schlüsselrolle von MEMS
Der Dämpfungs. und Phasenverschiebungseffekt des vom IEPE-Sensor erzeugten Signals ist in den nachstehenden Graphiken zu erkennen (siehe Abb. 9). Dank des Bode-Diagramms des Hochpassfilters konnten wir nachvollziehen, wie sich dieser Effekt mit der betrachteten Frequenz ändert (siehe Abb. 8).
Wir führten Tests durch, indem wir das Strukturmodell mit mechanischen Einzelfrequenzwellen belasteten. Auf diese Weise konnten wir den Dämpfungs- und Phasenverschiebungseffekt des Hochpassfilters des IEPE-Sensors im Detail betrachten: Er war bei 0,25 Hz stark und dann ab etwa 1 Hz vernachlässigbar.
Die Abb. 9 bis 13 zeigen die Signaldämpfung und die Phasenverschiebungen, die die drei Sensortypen verursachen. Die Signale sind dabei wie folgt farblich identifiziert:
• Violett – IEPE-Beschleunigungssensor
• Orange – MEMS-Beschleunigungssensor
• Magenta – Laser-Wegsensor
Ergebnisse – Verhalten bei niedrigen Frequenzen
Bei einer elastoplastischen Prüfung kann man die Verformungen der Struktur in zwei Hauptphasen unterteilen, nämlich die elastische und die plastische.
In der elastischen Phase ist die Verformung entsprechend dem Hookeschen Gesetz reversibel und linear in Bezug auf die applizierte Last. Sobald jedoch die Fließgrenze des Materials überschritten wird, findet ein Übergang zur plastischen Phase statt, und die Verformungen werden dauerhaft und nicht umkehrbar.
Bei Kraft-Weg-Zyklen unter diesen Bedingungen ist häufig eine Änderung der Steigung und der Form zu beobachten. Das Material bzw. die Struktur weist ein hysteretisches Verhalten auf, d. h. die Beziehung zwischen der applizierten Spannung und der resultierenden Verformung ist nicht einheitlich. Das bedeutet, dass die Antwort der Struktur nicht nur vom aktuellen Wert der applizierten Spannung abhängt, sondern auch von ihrer Belastungs- und Verformungsgeschichte.
Dieses Phänomen kann signifikante Auswirkungen auf die Planung und Analyse von Bauwerken haben. Es wirkt sich auf ihre Fähigkeit aus, wiederholten Belastungen im Laufe der Zeit standzuhalten, ohne dauerhafte Schäden oder ein strukturelles Versagen zu erleiden. Das Verständnis und die Charakterisierung des hysteretischen Verhaltens von Materialien und Strukturen ist entscheidend für die Sicherheit und Zuverlässigkeit technischer Anwendungen.
Unser Test zeigte eine Veränderung des Hysteresezyklus auf. Diese Veränderung rührte nicht von der Struktur her, sondern von der unterschiedlichen Signalverarbeitung durch die beiden Sensortypen. Das Signal des IEPE-Sensors war durch den Hochpassfilter in der Datenverarbeitungskette gedämpft und phasenverschoben, der MEMS-Sensor hingegen erzeugte ein mit dem des Laser-Wegsensors gleichphasiges Signal, das also in Modul und Phase keine Abweichungen aufwies.
Fazit
Wenn Sie MEMS- und IEPE-Beschleunigungssensoren für die Schwingungsdatenerfassung zur Prüfung des elastoplastischen Verhaltens von Strukturen in Betracht ziehen, müssen Sie die Auswirkungen des Hochpassfilters des IEPE-Beschleunigungssensors berücksichtigen. Dieses Element könnte zum Verlust von Informationen bei niedrigen Frequenzen führen.
MEMS-Sensoren hingegen bieten in dieser Anwendung eine hohe Präzision und eine bemerkenswerte Auflösung. Sie ermöglichen es, selbst geringe Änderungen der Beschleunigung bei sehr niedrigen Frequenzen zu erfassen. Obwohl IEPE-Beschleunigungsmesser an sich ebenso präzise sind, kann diese Präzision in der Nähe der kontinuierlichen Komponente des Frequenzspektrums durch die Auswirkungen des Hochpassfilters beeinträchtigt werden.
Bei IEPE-Beschleunigungsaufnehmer kann der Hochpassfiltereffekt die Hystereseschleife beeinflussen. Sie sind deshalb möglicherweise nicht ideal für Prüfungen, die ein Höchstmaß an Präzision bei der Charakterisierung des elastoplastischen Verhaltens von Strukturen erfordern, bei denen also die genaue Erfassung von Veränderungen bei niedrigen Frequenzen von entscheidender Bedeutung ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass beide Arten von Sensoren ihre Vorteile und Grenzen haben. Die Auswirkungen des Hochpassfilters des IEPE-Beschleunigungssensors dürfen jedoch nicht vernachlässigt werden, wenn die Genauigkeit bei niedrigen Frequenzen für die durchgeführten Tests eine entscheidende Rolle spielt.
Sie können MEMS-Beschleunigungssensoren oder Kompensationsstrategien einsetzen, um die Auswirkungen des Hochpassfilters des IEPE-Beschleunigungssensors zu mildern. Die sorgfältige Berücksichtigung solcher Faktoren ist entscheidend für die Auswahl von Beschleunigungssensoren auf Grundlage der spezifischen Testanforderungen.
Vielen Dank für die zur Verfügung gestellten Materialien an
Ing. Domenico Pagano
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