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tm - Technisches Messen

Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik

[TM - Technical Measurement: A Platform for Methods, Systems, and Applications of Measurement Technology
]

Editor-in-Chief: Puente León, Fernando / Zagar, Bernhard


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ISSN
2196-7113
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Volume 85, Issue 4

Issues

Novel monolithic pendulum tiltmeter with Nanorad resolution

Neuartiges monolithisches Tiltmeter mit Nanorad Auflösung

Michael Kühnel
  • Corresponding author
  • Technische Universität Ilmenau, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Process Measurement and Sensor Technology, PF 100 565, 98684 Ilmenau Germany
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/ Florian Fern
  • Technische Universität Ilmenau, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Process Measurement and Sensor Technology, PF 100 565, 98684 Ilmenau Germany
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/ Thomas Fröhlich
  • Technische Universität Ilmenau, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Process Measurement and Sensor Technology, PF 100 565, 98684 Ilmenau Germany
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Published Online: 2017-11-07 | DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2017-0097

Abstract

Tiltmeters with nanorad resolution in a large measurement range of ±9 mrad (±0.5) and a very good linearity have been developed at the Technische Universität Ilmenau in the recent years. The working principle bases on the measurement of tilt-dependent lateral forces, which act on a hanging force-compensated weigh cell (precision balance). The disadvantage is the relatively complex design of the weigh cell mechanics, the large dead weight and the high manufacturing costs.

For that reason a simplified tiltmeter was developed. It only consists of two components: a monolithic pendulum mechanics and an optical position sensor. State of the art pendulum tiltmeters contain several components that are linked by screwed, clamped or glued connections. This can limit the long-term-, temperature- or humidity stability of the tiltmeter.

The position sensor achieves a standard deviation of ∼ 50 pm at a measuring frequency of 10 Hz. The length of the pendulum amounts to 0.1 m, its mass is ∼ 62 g. With this combination, the theoretical standard deviation of the tilt measurement should result to ∼ 0.6 nrad at 10 Hz measuring frequency and was approved by measurements. The measurement range of the new monolithic tiltmeter amounts ∼ ±2 mrad.

Zusammenfassung

In den vergangen Jahren wurden an der TU Ilmenau Neigungsmesssysteme (Tiltmeter) mit Nanorad-Auflösung, einem sehr großen Messbereich von ±9 mrad (±0,5) und sehr guter Linearität entwickelt. Diese Tiltmeter basieren auf der Messung von neigungsbedingten Querkräften, die auf hängend gelagerte Präzisionswägezellen (Präzisionswaagen) wirken. Deren Nachteile sind die vergleichsweise große Komplexität der Mechanik, das hohe Eigengewicht und die hohen Herstellungskosten.

Aus diesem Grund wurden vereinfachte Tiltmeter entwickelt, welche nur aus zwei Bauteilen bestehen: einer monolithischen Pendelmechanik und einem optischen Wegsensor. Pendel basierte Tiltmeter nach dem Stand der Technik bestehen typischerweise aus einer Vielzahl von Baugruppen, welche durch Schraub-, Klemm-, oder Klebeverbindungen miteinander verbunden sind. Die Vielzahl an Baugruppen und Verbindungen limitiert aber die Langzeit, Temperatur- und Feuchtestabilität der jeweiligen Tiltmeter.

Mit dem Wegsensor wird eine Standardabweichung der Wegmessung von ∼ 50 pm bei einer Messfrequenz von 10 Hz erreicht. Die Pendellänge beträgt 0, 1 m, die Masse des Pendels ∼ 62 g. Damit wurde in den durchgeführten Messungen die theoretische Standardabweichung der Neigungsmessung von ∼ 0, 6 nrad bei 10 Hz Messfrequenz erreicht. Der Messbereich der neuen monolithischen Tiltmeter beträgt ∼ ±2 mrad.

Keywords: Tiltmeter inclinometer; pendulum; tilt; inclination

Schlagwörter: Neigungsmessung; Tiltmeter; Inklinometer; Pendel; Neigung

About the article

Michael Kühnel

Michael Kühnel is Research scientist at the Institute of Process Measurement and Sensor Technology, Technische Universität Ilmenau.

Technische Universität Ilmenau, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Process Measurement and Sensor Technology, PF 100 565, 98684 Ilmenau, Germany, Phone: +49 3677 69 3188, Fax: +49 3677 69 1412

Florian Fern

Florian Fern is PhD student at the Institute of Process Measurement and Sensor Technology, Technische Universität Ilmenau.

Technische Universität Ilmenau, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Process Measurement and Sensor Technology, PF 100 565, 98684 Ilmenau, Germany, Phone: +49 3677 69 3985, Fax: +49 3677 69 1412

Thomas Fröhlich

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Fröhlich is Director of the Institute of Process Measurement and Sensor Technology and Chair of the Department Process Measurement Technology, Technische Universität Ilmenau.

Technische Universität Ilmenau, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Process Measurement and Sensor Technology, PF 100 565, 98684 Ilmenau, Germany, Phone: +49 3677 69 1398, Fax: +49 3677 69 1412


Revised: 2017-07-23

Accepted: 2017-10-10

Received: 2017-07-17

Published Online: 2017-11-07

Published in Print: 2018-04-25


Citation Information: tm - Technisches Messen, Volume 85, Issue 4, Pages 244–251, ISSN (Online) 2196-7113, ISSN (Print) 0171-8096, DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2017-0097.

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[1]
Maximilian Darnieder, Markus Pabst, Ronny Wenig, Lena Zentner, René Theska, and Thomas Fröhlich
Journal of Sensors and Sensor Systems, 2018, Volume 7, Number 2, Page 587

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