Calibration and evaluation of accelerometers based on multisinusoidal excitation

• Autorzy: Buchczik D. , Pawelczyk M.

Warianty tytułu

PL

Wyznaczanie charakterystyk akcelerometrów z wykorzystaniem pobudzenia wielosinusoidalnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Vibrational diagnostics of machines is usually based on use of accelerometers. Their calibration is required in order to obtain reliable results. This paper presents method for calibration of accelerometers using a multisinusoidal excitation. There is also proposed a procedure for estimating uncertainty of the obtained characteristics. The routine is based on an analysis of signals in the frequency domain using evaluation of cross power spectral density between the signals from the calibrated and standard accelerometer and evaluation of power spectral density of the signal from the standard accelerometer. The procedure allows to determine the nominal sensitivity, amplitude-frequency characteristics and estimate their uncertainties. The experiments were performed using a piezoelectric sensor PCB 338B35, and a sensor based on ADXL 202 capacitive accelerometer constructed at Silesian University of Technology. Results of this study show that the proposed method can be successfully used. The main advantage of the routine is a very short duration of the measurement experiment. Values of estimated relative uncertainties reach several percent. The procedure can be applied when it is necessary to quickly check the sensor characteristics, for example in the field for periodical maintenance of sensors mounted on the machine.

PL

Diagnostyka wibracyjna maszyn jest zwykle oparta na wykorzystaniu akcelerometrów. Ich kalibracja jest konieczna w celu uzyskania wiarygodnych wyników pomiarów. W artykule przedstawiono metodę wyznaczania charakterystyk akcelerometrów przy użyciu pobudzenia wielosinusoidalnego. Zaproponowano również procedurę szacowania niepewności uzyskanych parametrów. Metoda opiera się na analizie sygnałów w dziedzinie częstotliwości, przy wykorzystaniu oceny wzajemnej gęstości widmowej mocy pomiędzy sygnałami z czujników kalibrowanego i referencyjnego oraz oceny gęstości widmowej mocy sygnału z czujnika referencyjnego. Procedura umożliwia określenie czułości nominalnej, charakterystyki amplitudowoczęstotliwościowej oraz oszacowanie ich niepewności. Eksperymenty przeprowadzono stosując czujnik piezoelektryczny PCB 338B35 oraz czujnik oparty na akcelerometrze ADXL 202 skonstruowanym na Politechnice Śląskiej. Wyniki badań wskazują, że proponowaną metodę można z powodzeniem stosować. Główną zaletą procedury jest bardzo krótki czas trwania eksperymentu pomiarowego. Oszacowane względne niepewności osiągają kilkanaście procent. Procedura może być stosowana, gdy konieczne jest szybkie sprawdzenie charakterystyki czujnika, na przykład w warunkach polowych, przy okresowej konserwacji czujników zamontowanych na monitorowanej maszynie.

Słowa kluczowe

EN

accelerometers; calibration; uncertainty of measurements; vibration measurements

PL

akcelerometr; kalibracja; niepewność wyników pomiarów; pomiar drgań

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Diagnostyki Technicznej
• Czasopismo: Diagnostyka
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 18, No. 4
• Strony: 79--87
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Buchczik D.

• Silesian University of Technology, Institute of Automatic Control, Measurement and Control Systems Group, ul. Akademicka 16, 44-100 Gliwice, Poland

autor

Pawelczyk M.

• Silesian University of Technology, Institute of Automatic Control, Measurement and Control Systems Group, ul. Akademicka 16, 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• 1. Albarbar A, Badri A, Sinha JK, Starr A. Performance evaluation of MEMS accelerometers. Measurement 2009; 42: 645-804. http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2008.12.002
• 2. Buchczik D, Ryba A. Calibration of accelerometers using random excitation. Pomiary Automatyka Kontrola 2014; 8: 544-548.
• 3. Buchczik D, Wyżgolik R, Pietraszek S. Comparative study of acceleration transducers for biomedical applications, Proceedings of SPIE 2006, 6348: 63480U-1-63480U-10. http://dx.doi.org/10.1117/12.721118
• 4. D'Emilia G, Gaspari A, Natale E. (2015). Dynamic calibration uncertainty of three-axis low frequency accelerometers. ACTA IMEKO 2015; 4(4): 75-81. http://dx.doi.org/10.21014/acta_imeko.v4i4.239
• 5. Ferraris F, Grimaldi U, Parvis M. Procedure for effortless in-field calibration of three-axial rate gyro and accelerometers. Sensors and Materials 1995; 7.5: 311-330.
• 6. Frosio I, Pedersini F, Borghese NA. Autocalibration of MEMS accelerometers. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 2009; 58(6): 2034-2041. http://dx.doi.org/10.1109/TIM.2008.2006137
• 7. ISO 16063-21 Methods for the calibration of vibration and shock transducers - Vibration calibration by comparison to a reference transducer. ISO 2003.
• 8. Lötters JC, Schipper J, Veltink PH, Olthuis W, Bergveld P. Procedure for in-use calibration of triaxial accelerometers in medical applications. Sensors and Actuators A: Physical 1998; 68(1-3): 221-228. http://dx.doi.org/10.1016/S0924- 4247(98)00049-1
• 9. Nez A, Fradet L, Laguillaumie P, Monnet T, Lacouture P. Comparison of calibration methods for accelerometers used in human motion analysis. Medical engineering & physics 2016; 38(11): 1289- 1299. http://dx.doi.org/10.1016/j.medengphy.2016.08.004
• 10. Rocha LA, Dias RA, Cretu E, Mol L, Wolffenbuttel, RF. Auto-calibration of capacitive MEMS accelerometers based on pull-in voltage. Microsystem technologies 2011; 17(3): 429-436. http://dx.doi.org/10.1007/s00542-011-1252-8
• 11. Schiefer M, Bono R, Sill RD. Improved low frequency accelerometer calibration. In XIX Imeko World Congress-Fundamental and Applied Metrology.
• 12. Sinha JK. On standardisation of calibration procedure for accelerometer. Journal of Sound and Vibration 2005; 286: 417-427. http://dx.doi.org/10.1016/j.jsv.2004.12.004
• 13. Umeda A, Onoe M, Sakata K, Fukushia T, Kanari K, Iioka H, Kobayashi T. (2004). Calibration of threeaxis accelerometers using a three-dimensional vibration generator and three laser interferometers. Sensors and Actuators A: Physical 2004; 114(1): 93- 101. http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2004.03.011
• 14. von Martens HJ, Link A, Schlaak HJ, Taeubner A, Wabinski W, Goebel U. Recent advances in vibration and shock measurements and calibrations using laser interferometry. In Proceedings of SPIE 2004; 5503: 1-19. http://dx.doi.org/10.1117/12.579524
• 15. Wang FQ, Guo YZ, Xu XZ (1995) Influence of different excitation methods on vibration calibration. ISA Transactions 1995; 34: 87-92. http://dx.doi.org/10.1016/0019-0578(95)00002-H
• 16. Won, SHP, Golnaraghi F. A triaxial accelerometer calibration method using a mathematical model. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 2010; 59.8: 2144-2153. http://dx.doi.org/10.1109/TIM.2009.2031849
• 17. Wyżgolik R, Buchczik D, Budzan S, Pawelczyk M. RT/FPGA implementation of the IEEE 1451 standard in sensors for machine conditioning systems. 21st International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), Międzyzdroje, 2016,794-799. https://doi.org/10.1109/MMAR.2016.7575238
• 18. Wyżgolik R, Buchczik D, Pietraszek S. Lowfrequency acceleration transducers for biomedical applications - the construction and the calibration. XXII Eurosensors, Dresden, 2008, Conference proceedings, 417-420.
• 19. Zhang L, Li W, Liu H. Accelerometer Static Calibration based on the PSO algorithm. In 2nd International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology. Atlantis Press 2012. http://dx.doi.org/10.2991/emeit.2012.119