Kalibratie en herontwerp van een inertiele bewegingssensor

Achtergrond

De nauwkeurigheid van precisiemachines wordt grotendeels beperkt door de mate waarin vloertrillingen en andere verstoringen worden doorgegeven aan de machine. Daarom worden precisiemachines vaak ondersteund door passieve of actieve trillingsisolatie systemen, die het doorgeven van verstoringen verminderen. Actieve trillingisolatie systemen zijn voorzien van sensoren, actuatoren en een feedback (plus feedforward) regelstrategie. Er wordt gebruikt gemaakt van inertiële bewegingssensoren die absolute versnelling (accelerometers) of absolute snelheid (geophones) meten. Deze sensoren kunnen worden gemodelleerd als een massa die via een veer verbonden is met de sensorbasis, waarbij de uitwijking van de veer een maat is voor de absolute snelheid of versnelling van de sensorbasis. Geophones hebben laagfrequent (<50 Hz) een betere signaal-ruis verhouding dan accelerometers [1], maar hun bandbreedte is beperkt (typisch 4-200 Hz).

Figuur 1: Model van een bewegingssensor.

Figuur 1: Model van een bewegingssensor.

Inertiële bewegingssensor

Binnen de vakgroep WA is een inertiële bewegingssensor ontwikkeld, die ontworpen is om absolute snelheid én absolute positie te meten met een minimale bandbreedte van 0.5-500 Hz. Deze sensor maakt gebruik van het principe van “negatieve stijfheid” om de laagfrequente bandbreedte te reali-seren [2]: Een massa is verbonden aan de sensorbasis niet alleen via een verticaal gemonteerde veer, maar ook via twee gecomprimeerde horizontale veren. In afwezigheid van de verticale veer zouden de horizontale veren ervoor zorgen dat bij een kleine verstoring de massa naar boven of naar onder gaat bewegen. De massa ondervindt als het ware een negatieve stijfheid vanwege deze horizontale veren, terwijl de verticale veer een positieve stijfheid bijdraagt. De resulterende stijfheid in verticale richting is de optelsom van beide. Een prototype van deze sensor is beschikbaar voor experimenten.

Figuur 2: Principe van “negatieve stijfheid”.

Figuur 2: Principe van “negatieve stijfheid”.

Opdracht

Het doel van dit afstudeeronderzoek is een kalibratie en performance test van het huidige prototype en het maken van een herontwerp van deze sensor. Het herontwerp moet afmetingen hebben die vergelijkbaar zijn met commerciële geophones. Voor het testen van de performance zal een geschikte testopstelling ontworpen moeten worden. Voor het modelleren van de sensor ten behoeve van het herontwerp kan gebruik worden gemaakt van het softwarepakket Spacar.

Figuur 3: Prototype van de inertiële bewegingssensor.

Figuur 3: Prototype van de inertiële bewegingssensor.

Taken

·

Inlezen in de theorie van negatieve stijfheid

·

Begrijpen en verbeteren Spacar model van de sensor

·

Ontwerpen van een geschikte testopstelling

·

Kalibratie en testen performance huidige prototype

·

Herontwerp maken van de sensor

·

Schrijven van het afstudeerverslag

Begeleiders

·

ir. D. Tjepkema

·

dr. ir. J. van Dijk

·

prof. ir. H.J.M.R. Soemers

[1] G.W. van der Poel et al. Selection of motion sensors for hard mount active vibration isolation (2008).

[2] D.L. Platus. Negative-stiffness-mechanism vibration isolation systems (1992).