Sistema de calibrado de un sensor de movimiento dinámico y procedimiento para calibrar un sensor de movimiento dinámico.

Un sistema de calibrado del sensor de movimiento dinámico que comprende:

una mesa (38); un sensor de movimiento dinámico en ensayo (SUT), teniendo dicho SUT (18) un eje de sensibilidad orientado en paralelo a un eje del recorrido de dicha mesa (38);

un excitador (12) capaz de generar un largo recorrido a una baja frecuencia y de suficiente fuerza para mover dicho SUT (18) sobre dicha mesa (38);

una fuente (52) que genera una señal impulsora suficiente para accionar el excitador (12), sobre al menos un intervalo de baja frecuencia;

un sensor de desplazamiento óptico (60) sin contacto que tiene una rejilla (64), estando conectado dicho sensor de desplazamiento óptico (60) a dicha mesa (38) de manera que el movimiento de dicho sensor de desplazamiento óptico (60) más allá de una fuente de luz (61) produce una patrón óptico representativo de la posición de dicha mesa agitadora (60) suficiente para establecer una referencia posicional;

una unidad de procesamiento (50) que comprende al menos un convertidor de analógico a digital (CAD), estando dicha unidad de procesamiento (50) configurada y dispuesta para adquirir señales de salida analógicas de dicho SUT (18) y dicho sensor de desplazamiento óptico (60);

estando configurada adicionalmente dicha unidad de procesamiento (50) para calcular una segunda derivada en el tiempo de dicha referencia posicional como una aceleración de referencia y una señal de aceleración sincrónica de dicho SUT (18);

y comparar dicha aceleración de referencia con dicha señal de aceleración sincrónica.

Sistema de calibrado de un sensor de movimiento dinámico y procedimiento para calibrar un sensor de movimiento dinámico Referencia cruzada a solicitudes relacionadas Esta solicitud reivindica el beneficio conforme a 35 U.S.C. §119 (e) de la Solicitud Provisional de Estados Unidos Nº 61/008.839 presentada el 20 de noviembre de 2007 y que se incorpora en el presente documento por referencia.

Campo de la invención La invención se refiere, en general, a procedimientos y sistemas para un calibrado preciso de sensores de movimiento dinámicos. Específicamente se refiere a proporcionar un sensor de posición de alta precisión, proporcionando de esta manera una referencia superior para el calibrado de precisión de los sensores de movimiento dinámicos a baja frecuencia. El Sensor de Movimiento Dinámico se define como cualquier transductor que mida el tiempo de variación del desplazamiento y/o aceleración incluyendo, aunque sin limitación, acelerómetros, velocímetros y sondas de desplazamiento.

Antecedentes de la invención Los sensores de movimiento dinámicos ("sensores de movimiento" o "sensores") son transductores usados para medir la aceleración. Los sensores de movimiento dinámicos normalmente son sensibles a lo largo de un solo eje. Esto es lo que se denomina sensor de movimiento dinámico de un solo eje o uniaxial. Por ejemplo, la magnitud de la aceleración se mide mediante un instrumento externo o sistema de medición que detecta la salida eléctrica del acelerómetro. La salida del acelerómetro normalmente es una forma de onda de tensión proporcional a la magnitud de la aceleración aplicada. Análogamente, los dispositivos de detección de movimiento dinámicos, tales como velocímetros y transductores de desplazamiento, responden dinámicamente a la salida de una forma de onda de tensión o generan corriente proporcional a la velocidad. El documento EP 1 630 562 A1 desvela un sensor de movimiento dinámico de este tipo.

El procedimiento de calibrado de un acelerómetro u otro sensor de movimiento comprende aplicar un movimiento medido o calculado conocido al sensor de movimiento dinámico a ensayar (el Sensor de Ensayo o SUT) , como se determina por un sensor de referencia (REF) de alta precisión. Esto es lo que se denomina procedimiento contrastado. El procedimiento de calibrado de acelerómetro contrastado está cubierto por la norma ISO (ISO16063

21: Calibrado de Vibración por Comparación con un Transductor de Referencia) y aquí solo se resumirá.

Los dispositivos SUT y REF están fijados ambos a un dispositivo capaz de conferir movimiento armónico a un desplazamiento significativo. Uno de estos dispositivos está representado en la Figura 1 y se denomina agitador de largo recorrido o vibrador de largo recorrido. Durante el calibrado, el transductor de referencia, que previamente ha sido calibrado por otros medios tales como un interferómetro láser (como se describe en ISO16063-11) , se usa para medir la aceleración aplicada. Ambos acelerómetros producen una señal eléctrica que varía con el tiempo proporcionaron la magnitud de la aceleración a la que está sometida el dispositivo. Esta señal eléctrica, que varía con el tiempo, puede tomar la forma de una tensión proporcional a la magnitud, pero también puede estar en forma de una corriente o carga proporcional a la magnitud de la aceleración. En el caso de un sensor de salida de corriente o carga, se utiliza una unidad de acondicionamiento de señal para convertir la corriente o carga en la señal de tensión apropiada para el convertidor de analógico a digital usado para digitalizar y registrar la señal de magnitud de aceleración. El software de calibrado que se ejecuta en el microprocesador u ordenador conectado al REF o SUT es el responsable de calcular la sensibilidad del acelerómetro a calibrar multiplicando la sensibilidad del sensor de referencia por la proporción de las magnitudes de la señal eléctrica de los dos dispositivos. Se calcula la proporción de aceleración de SUT a aceleración de REF y esta proporción se usa para calcular la sensibilidad de tensión del acelerómetro del SUT.

La precisión y resolución del REF es el factor limitante en la precisión de la operación de calibrado. A menores frecuencias, normalmente 10 Hz o menor, usar un acelerómetro u otro tipo de sensor de movimiento como un sensor de referencia limita la precisión de calibrado del sistema debido al hecho de que la aceleración disminuye con el cuadrado de la frecuencia para un desplazamiento dado. Esto es lo que se denomina comúnmente limitación del recorrido y, por esta razón, la industria normalmente utiliza agitadores capaces de generar un desplazamiento de al menos 0, 1524 m (6") de pico a pico (pk-pk) para su uso en calibrados de baja frecuencia.

Debe observarse que la norma ISO16063 sugiere el uso de un procedimiento de cálculo de raíces cuadráticas medias ("RMS") o un procedimiento espectral de cálculo de la magnitud de la aceleración a la frecuencia de interés. El procedimiento típico usado en la técnica anterior ha sido utilizar un procedimiento RMS, pero este cambia rápidamente al procedimiento espectral y es capaz de proporcionar un resultado superior en términos de rechazo de ruido, mejorando de esta manera la precisión de calibrado global.

Por lo tanto, existe en el campo un problema con el procedimiento conocido de calibrado de sensores de movimiento dinámicos a menores frecuencias usando un sensor de movimiento como una referencia o patrón inicial.

Breve sumario de la invención La presente invención comprende un sistema de calibrado de sensor de movimiento dinámico que incluye una mesa agitadora de largo recorrido u otro excitador mecánico o electromecánico de baja frecuencia ("excitador") , un sensor de desplazamiento óptico o codificador, en el que el sensor de desplazamiento óptico es un sensor de referencia, una unidad microprocesadora y al menos un convertidor de analógico a digital (CAD) incluido en el microprocesador, y en el que la unidad microprocesadora genera una señal sinusoidal al excitador para generar movimiento armónico del excitador, y adicionalmente en el que el sensor de desplazamiento óptico produce una primera señal de desplazamiento analógico a al menos un CAD para la conversión a una primera señal digital. En realizaciones alternativas, el sistema de calibrado puede tener dos, tres o más CAD.

La presente invención comprende también un procedimiento para calibrar un sensor de movimiento dinámico que comprende:

a - enviar una onda sinusoidal continua que tiene un bajo nivel de frecuencia predeterminado desde un microprocesador hasta una mesa agitadora de largo recorrido u otro excitador mecánico o electromecánico de baja frecuencia para generar un movimiento armónico en la mesa;

b - transmitir las salidas de la fotocorriente sinusoidal desde un codificador de desplazamiento óptico situado en la mesa agitadora hasta una primera tarjeta convertidora de analógico a digital (CAD) en el microprocesador;

c - dirigir una señal de salida desde el sensor de movimiento dinámico de ensayo hasta una segunda tarjeta CAD en el que la segunda CAD está fijada funcionalmente a la primera CAD;

d - convertir las salidas de fotocorriente a una señal de desplazamiento;

e - transformar la señal de desplazamiento en una medición de magnitud y fase a la frecuencia predeterminada usando procedimientos con transformada de Fourier;

f - medir la magnitud y fase de la señal de salida del sensor de ensayo a la frecuencia predeterminada usando procedimientos con transformada de Fourier;

g - almacenar las mediciones de magnitud y fase del codificador y sensor de desplazamiento óptico;

h - calcular la sensibilidad del sensor de movimiento dinámico de ensayo;

i - repetir las etapas a a h a una frecuencia de bajo nivel predeterminada diferente.

El SUT puede ser un acelerómetro, un velocímetro o un transductor de desplazamiento que responde dinámicamente. La señal de salida desde dicho sensor de movimiento dinámico de ensayo puede ser una señal de fase y magnitud de corriente. En realizaciones alternativas, el procedimiento de calibrado puede utilizar uno, tres o más CAD.

Un objetivo de la invención es proporcionar un procedimiento para calibrar con precisión un sensor de movimiento dinámico que vibra o se mueve a bajas frecuencias.

Un segundo objetivo de la invención es proporcionar un nuevo sistema de calibrado de sensor de movimiento dinámico que calibra con precisión un sensor de movimiento dinámico de ensayo a bajas frecuencias.

Un tercer objetivo de la invención es desvelar un procedimiento y sistema de calibrado de un sensor de movimiento dinámico que no requiere... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de calibrado del sensor de movimiento dinámico que comprende:

una mesa (38) ; un sensor de movimiento dinámico en ensayo (SUT) , teniendo dicho SUT (18) un eje de sensibilidad orientado en paralelo a un eje del recorrido de dicha mesa (38) ; un excitador (12) capaz de generar un largo recorrido a una baja frecuencia y de suficiente fuerza para mover dicho SUT (18) sobre dicha mesa (38) ; una fuente (52) que genera una señal impulsora suficiente para accionar el excitador (12) , sobre al menos un intervalo de baja frecuencia; un sensor de desplazamiento óptico (60) sin contacto que tiene una rejilla (64) , estando conectado dicho sensor de desplazamiento óptico (60) a dicha mesa (38) de manera que el movimiento de dicho sensor de desplazamiento óptico (60) más allá de una fuente de luz (61) produce una patrón óptico representativo de la posición de dicha mesa agitadora (60) suficiente para establecer una referencia posicional; una unidad de procesamiento (50) que comprende al menos un convertidor de analógico a digital (CAD) , estando dicha unidad de procesamiento (50) configurada y dispuesta para adquirir señales de salida analógicas de dicho SUT (18) y dicho sensor de desplazamiento óptico (60) ; estando configurada adicionalmente dicha unidad de procesamiento (50) para calcular una segunda derivada en el tiempo de dicha referencia posicional como una aceleración de referencia y una señal de aceleración sincrónica de dicho SUT (18) ; y comparar dicha aceleración de referencia con dicha señal de aceleración sincrónica.

2. El sistema de calibrado del sensor de movimiento dinámico de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende un CAD (54) codificador fijado funcionalmente a un CAD (56) del sensor de movimiento dinámico para sincronizar dichas señales de salida de dicho SUT (18) y de dicho sensor de desplazamiento óptico (60) .

3. El sistema de calibrado del sensor de movimiento dinámico de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dicha fuente es un convertidor de digital a analógico (CDA) , generando dicho CDA (52) una señal impulsora sinusoidal para controlar el movimiento de dicho excitador (12) .

4. El sistema de calibrado del sensor de movimiento dinámico de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende adicionalmente un amplificador de potencia (58) en el que dicha señal impulsora se transmite a dicho excitador (12) a través de dicho amplificador de potencia (58) .

5. El sistema de calibrado del sensor de movimiento dinámico de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dicho SUT (18) es un acelerómetro.

6. El sistema de calibrado del sensor de movimiento dinámico de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dicha unidad de procesamiento (50) está configurada adicionalmente para calcular una primera derivada de dicha referencia posicional y dicho SUT (18) es un velocímetro.

7. El sistema de calibrado del sensor de movimiento dinámico de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dicho SUT (18) es un transductor de desplazamiento que responde dinámicamente.

8. El sistema de calibrado del sensor de movimiento dinámico de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dicha unidad de procesamiento (50) está configurada y dispuesta adicionalmente para comparar la magnitud y la fase de dichas señales de salida desde dicho SUT (18) con la magnitud y la fase de dicha aceleración de referencia.

9. El sistema de calibrado del sensor de movimiento dinámico de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dicho excitador (12) es un agitador electrodinámico de bobina de altavoz.

10. El sistema de calibrado del sensor de movimiento dinámico de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la unidad de procesamiento es la unidad de microprocesador (50) .

11. Un procedimiento para calibrar un sensor de movimiento dinámico en ensayo (SUT) , en particular por medición directa simultánea de la posición y el tiempo, que comprende:

enviar una señal impulsora eléctrica de baja frecuencia que tiene una amplitud ajustable desde una fuente eléctrica hasta un excitador para generar un movimiento armónico en una mesa asociada; montar un SUT sobre dicha mesa de manera que una sensibilidad del eje de dicho SUT sea generalmente paralela a un eje del recorrido de dicha mesa; proporcionar una sensor de posición óptica sin contacto que tiene una salida eléctrica representativa de la posición para alcanzar un grado de precisión posicional deseado; leer dicha salida eléctrica como la referencia para la posición; calcular la aceleración instantánea de dicha mesa como la segunda derivada en el tiempo de dicha salida eléctrica; leer la salida eléctrica de dicho SUT;

comparar dicha salida eléctrica de dicho SUT con dicha aceleración instantánea a una pluralidad de frecuencias;

caracterizado porque dicho sensor de desplazamiento óptico sin contacto comprende una rejilla,

dicho sensor de desplazamiento óptico sin contacto está conectado a dicha mesa de manera que el movimiento de dicho sensor de desplazamiento óptico sin contacto más allá de la fuente de luz produce un patrón óptico representativo de la posición de dicha mesa agitadora suficiente para establecer una referencia posicional.

12. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11 en el que dicha salida eléctrica se lee como una función 10 del tiempo;

el cálculo de la aceleración instantánea es un cálculo matemático mientras que dicha salida eléctrica es una función del tiempo, en el que la salida eléctrica de dicho SUT se lee como una función del tiempo; y en el que la comparación de dicha salida eléctrica de dicho SUT con dicha aceleración instantánea es suficiente para definir las características de rendimiento de dicho SUT dentro de un intervalo de frecuencia seleccionado.

13. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11 o 12 en el que dicha señal impulsora eléctrica es sinusoidal continua.

14. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11 o 12 en el que dicha señal impulsora eléctrica es digital.

15. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11 o 12, que comprende adicionalmente:

proporcionar una pluralidad de atributos medidos que comprende un registro conductual de dicho SUT sobre sus intervalos de frecuencia y magnitud pretendidos cuando dicho excitador es accionado sobre una pluralidad de bajas frecuencias y longitudes de recorrido.

16. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11 o 12, que comprende adicionalmente:

calcular la velocidad instantánea de dicha mesa como la primera derivada en el tiempo de dicha salida 25 eléctrica.