DE3320659A1 - Mit elastischen oberflaechenwellen arbeitender beschleunigungsmesser - Google Patents
Mit elastischen oberflaechenwellen arbeitender beschleunigungsmesserInfo
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Description
PRSNZ,
Patentanwälte · "european P.iteft?* Attorney1»* 3 3 ZO Ό Do
München Stuttgart
THOMSON - CSF 7. Juni 198J
173, Bdo llaussmann
75008 Paris /Frankreich
Unser Zeichen; T 3623
Mit elastischen Oberflächenwellen arbeitender Beschleunigungsmesser
Die Erfindung betrifft mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Beschleunigungsmesser; insbesondere solche,
die wenigstens zwei Oszillatoren enthalten, welche an Wandler angeschlossen sind^ die sich auf den beiden Flächen
einer elastischen Scheibe befinden, die sich unter
der Wirkung der Beschleunigung durchbiegt. Eine solche
. Struktur ermöglicht die Messung der Beschleunigung be-
' 5; züglich einer zu den Hauptflächen der Scheibe senkrechten
Richtung? diese Scheibe weist im allgemeinen ein in einer Halterung verankertes Ende und ein freies Ende auf„
an dem eine seismische Masse befestigt sein kann. Die Wandler sind so ausgelegt,, daß sie elastische Oberflächenwellen
anregen und aufnehmen, von denen bekannt ist/ daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit abhängig von mechanischen
Biegespannungen ist- Bei einer ersten Ausbildungsform bilden die Wandler eine übertragungsleitung, deren
Verzögerungszeit die Phasenverschiebung einer Oszillator-
schleife festlegt. Bei einer zweiten Ausführungsform sind die Wandler in einem Linienmuster-Resonanzhohlraum
angeordnet und mit Einrichtungen verbunden, die dazu bestimmt sind, die Schwingung den Hohlraumes aufrechtzuerhalten.
Die Frequenz, welche die zu messende Beschleunigung darstellt, ergibt sich als Subtraktion
von zwei Schwingungsfrequenzen, die mit thermischen Abdriften behaftet sind, welche einander nicht genau kompensieren.
Diese thermischen Abdriften entstehen nämlich zum Teil aus Spannungen, die durch die Verankerungsbefestigung
der Scheibe und gegebenenfalls durch die Befestigung der seismischen Masse erzeugt werden. Diese Beanspruchungen
können zu den mechanischen Biegebeanspruchungen hinzukommen, wenn die Zonen, wo diese entstehen, nahe an
dem Bereich liegen, der von den mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Meßeinrichtungen eingenommen
wird.
Wenn die mechanischen Biegebeanspruchungen denen eines Trägers mit konstantem Querschnitt entsprechen, ändert
sich ihre Stärke wie das Biegemoment, wodurch eine genaue Positionierung der mit elastischen Oberflächenwellen
arbeitenden Meßeinrichtungen erforderlich wird. Ferner verursacht die Veränderung der Beanspruchungen
eine Veränderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwellen in der Meßzone, was .zu
einer Verzerrung der Wellenfronten führen kann.
Um den oben erwähnten Mängeln abzuhelfen, schlägt die Erfindung vor, eine Scheibe mit parallelen Flächen zu
verwenden, die so geschnitten ist, daß sie eine Zone gleichen Biegewi<l<irstandes enthält, in welcher die mit
Cif» elastischem Oberi I ächenwellen arbeitenden Meßeinrichtungen
angeordnet sind.
Durch die Erfindung wird ein mit elastischen Oberflä-
chenwellen arbeitender Beschleunigungsmesser geschaffen,
bei dem eine Scheibe mit parallelen Flächen unter der
Einwirkung der zu messenden Beschleunigung verbogen wird, wobei die in den genannten Flächen erzeugten Biegebeanspruchungen
durch mit elastischen Oberfläehenwellen
arbeitende Oszillator-Meßeinrichtungen erfaßt werden, und dieser Beschleunigungsmesser ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Oszillator-Meßeinrichtungen sich in einer Zone der genannten Scheibe befinden, die
XO denselben Biegewiderstand aufweist»
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen
wird» In der Zeichnung zeigern
Fig» 1 eine isometrische Ansicht eines mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Beschleunigungsmessers
bekannter Art?
Figo 2 eine der Erläuterung dienende Ansicht?
Fig. 3 eine isometrische Ansicht, welche Strukturen gleichen Biegewiderstandes darstellt, die mit
elastischen Oberflächenwellen arbeitende Wand
lereinrichtungen aufweist?
Fig. 4 eine Scheibe eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers?
Fig, 5 eine isometrische Teilansicht eines erfindungsgemäßen mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden
Beschleunigungsmessers;
Fig. 6 eine isometrische Ansicht einer ersten Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers?
Jt
Fig. 7 eine Draufsicht einer zweiten AusführungsVariante
des Beschleunigungsmessers;
Fig. 8 eine Seitenansicht der in Fig. 7 gezeigten Austj
f ührungsvariante;
Fig. 9 eine isometrische Teilansicht einer dritten Ausführungsvariante
des Beschleunigungsmessers; und
ίο '~~' "' ·-■■■ ■'■·&
Fig0 IO und 11 weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Beschleunigungsmesser.
In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß die mechanischen Biegebeanspruchungen, die durch
die Beschleunigung erzeugt werden, sich auf den Hauptflächen einer Scheibe konstanter Dicke äußern, die aus
einem Material ausgeschnitten ist, in dem sich elastische Oberflächenwo.llen ausbreiten können. Als nicht einschränkendes
Beispiel kann die Verwendung einer Scheibe in Betracht gezogen werden, die aus einem piezoelektrischen
Kristallmaterial wie Quarz ausgeschnitten ist; ■bei einer komplizierteren Ausbildung der mit elastischen
Oberflächenwellen arbeitenden Wandlereinrichtungen kann die Scheibe auch aus Siliziumdioxid gebildet
werden. Bei der Messung der Beschleunigung wird die zu den Hauptflächen der Scheibe senkrechte Komponente gemessen.
Der Schnitt wird so gewählt, daß die Steifigkeit gegenüber Biegedeformierungen für zu den Hauptflächen
der Scheibe parallele Beanspruchungen größer ist als die Steifqkeit, die bei der Messung der senkrechten
Beschleunigungskomponente maßgeblich ist. Der Beschleunigungsmesser umfaßt notwendigerweise
einen Träger der Scheibe, der eine Durchbiegung
■jfy der Scheibe zuläßi . Die Meßmasse kann durch die Scheibe
...selbiJt oder durch eine seismische Masse gebildet sein.
Tm letzteren Fall bildet die Scheibe eine elastische Verbindung zwischen dem Träger und der seismischen Masse,
ft * ft ft
ρ ί> *>
a
0 OQ ο
0 OQ ο
und bei allen Elementen wird angenommen, daß sin dieselbe
Beschleunigung erfahren»
In Fig. 1 ist neben einem räumlichen Koordinatensystem Oxyz ein mit elastischen Oberflächenwellen arbeitender
Beschleunigungsmesser herkömmlicher Art dargestellt. Die zu messende Beschleunigung γ, deren Richtung parallel
zu Oy ist, wird auf einen Träger 1, eine seismische Masse 3 und eine elastische Scheibe 2 ausgeübt,
die den Träger 1 mit der seismischen Masse 3 verbindet.
Der senkrechte Querschnitt der Scheibe entsprechend einem Schnitt parallel zur Ebene yOx ist rechtwinklig
und weist die Breite b sowie die Höhe h auf. Das Trägheitsmoment der Scheibe 2, wenn diese unter der Wirkung
. ρ- der Beschleunigung Ύ ausgelenkt wird, ist durch den
j-jv.3
folgenden Ausdruck gegeben% —yjr worin h deutlich kleiner
als b ist. Für eine Beanspruchung in der Richtung Ox ist das Trägheitsmoment wesentlich größer, während
für eine in der Richtung Oz wirksame Beanspruchung die Durchbiegung nicht berücksichtigt wird.
Die Deformierungen der Scheibe 2 werden durch mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Meßeinrichtungen
erfaßt. Wenn z.B. die Scheibe 2 eine Quarzscheibe mit
„._ dem Schnitt ST ist, die bei der Temperatur 25°C eine
verschwindende thermische Abdrift gewährleistet, sind die Hauptflächen 4 und 5 mit Elektroden 6, 7, 8, 9, 10,
11, 12 und 13 in Form von verzahnten Kämmen versehen, die strahlende Zwischenräume begrenzen, welche nach der
QQ Achse Ox orientiert sind. Die Elektroden 6 und 7 bilden
einen elastische Oberflächenwellen aussendenden Wandler, wobei diese Wellen sich in der Richtung Oz
ausbreiten und dann von einer Gruppe von Elektroden 8, 9 aufgenommen werden, die den Empfangswandler bilden.
O5 Die Gesamtheit der auf der Fläche 4 angeordneten Elemente
bildet somit eine mit elastischen Oberflachenwellen arbeitende Verzögerungsleitung, welche in der
Schleife eines Verstärkers 14 liegt. Die Gesamtheit
der auf der Fläche 5 angeordneten leitenden Elemente bildet eine weitere mit elastischen Oberflächenwellen
arbeitende Verzögerungsleitung, über die der Ausgang eines weiteren Verstärkers 15 zu seinem Eingang zurückgeschleift
ist. Es sind somit zwei Oszillatoren vorhanden, deren Schwingungsfrequenzen f.j und f2 von den
Ausbreitungszeiten t.. und t2 der elastischen Oberflächenwellen
abhängt, die auf den Flächen 4 und 5 ausgetauscht werden. Die Ausgänge der Verstärker 14 und 15
sind mit den Eingängen eines subtrahierenden Mischers 16 verbunden, dessen Ausgang 17 ein Wechselspannungssignal
der Frequenz f = f1 ~ f2 liefert. Um das Schaltbild
zu vereinfachen, sind in Fig. 1 Masseverbindungen G angegeben.
Wenn eine Beschleunigung γ auftritt, so führt die einfache
Durchbiegung der Scheibe 2 zum Auftreten von mechanischen Biegebeanspruchungen an den Flächen 4 und 5,
wodurch die Ausbreitungszelten t.. und t„ gegensinnig
verändert werden. Daraus ergeben sich neue Oszillatorfrequenzen f1 + ΔΙ·1 sowie f2 ~ AF, und das Ausgangssignal
am Ausgang 17 weist die Frequenz f + 2 AF auf. Es ist also ersichtlich, daß die Beschleunigung γ über
die Frequenzänderung 2AF gemessen wird.
Die Deforinierung der Scheibe 2 durch einfaches Durchbiegen
verursacht auch mechanische Scnerbeanspruchungen,
jedoch sind diese an den freien Flächen 4 und 5 verschwindend, in denen die elastischen Oberfiächenwellen
sich ausbreiten. Die einfache durchbiegung kann
daher mit einer reinen Biegedeformier ing gleichgesetzt werden. Um zu vermeiden, daß windschiefe Durchbiegungen
auftreten, wird der Scheibe 2 und der Masse 3 eine Gestalt gegeben, die eine yOz parallele Symmetrieebene
aufweist, so daß mechanische Torsionsbeanspruchungen
der Scheibe 2 vermieden werden. Bei der in Fig.. 1 gezeigten
Anordnung können jedoch parasitäre Beanspruchungen zu den mechanischen Biegebeanspruchungen hinzu-
kommen,, und zwar aufgrund der Verankerung der Scheibe 2
an dem Träger 1 und der Befestigung an der seismischen Masse 3. Die thermische Dehnung der Scheibe 2 kann verschieden
sein von derjenigen der Aufnahmenut des Trägers
1 und der seismischen Masse 3, wodurch die Beschleunigungsmessung vorfälscht werden kann. Wie in Fig. 2 gezeigt
ist, wo dieselben Bezug^zeichen gleiche Elemente wie in Figo 1 bezeichnen, ist ferner das Biegemoment
in jedem senkrechten Schnitt der Scheibe 2 stark unterschiedlich» Die Gerade 18 zeigt die Veränderung des Bie~
gemoments M längs der Achse ζ für eine auf das Ende einwirkende Kraft F = m γ, während die Kurve 19 die
Änderung des Biegemomentes M zeigt, das durch die Eigenmasse
der Lamelle verursacht wird. Aus dem in Fig„ 2
gezeigten Diagramm ist ersichtlich, daß die mechanische Biegebeanspruchung für den Fall einer Scheibe, die eine
konstante Dicke und einen solchen Querschnitt aufweist, daß das Trägheitsmoment konstant ist, eine Größe ist,
die sich innerhalb des Meßbereichs, wo die elastischen
Oberflächenwellen ausgetauscht werden, beträchtlich verändert.
Die Variation der mechanischen Beanspruchungen führt zu einer entsprechenden Variation der Ausbreitungsgeschwindigkeit
der elastischen Oberflächenwellen. Dies kann zu Verzerrungen der Wellenfronten und des verzögerten
elektrischen Signals führen,, Zum anderen wird die Position
der Wandlereinrichtungen kritisch, denn die Empfindlichkeit hängt von der Position dieser Wandler
entlang der Scheibe ab.
In Figo 3 sind zwei Scheiben gezeigt, die in einem
Träger 1 verankert sind und in der Ebene xOy ein Profil aufweisen, das zur Verankerungsstelle hin progressiv
verbreitert ist. Für den Fall einer Scheibe konstanter Dicke h, bei der nur die Eigenmasse auf die zu messende
Beschleunigung anspricht, wird eine elastische Biegebeanspruchung konstanten Wertes erhalten, wenn die De-
* V* W** <*W
formierung einen konstanten Krümmungsradius P aufweist. Für einen laufenden Wert ζ -der Entfernung ζ können die
elementaren Biegemomente auf integriert werden, die auf"" den senkrechten Querschnitt der Scheibe mit der Breite
b in der Entfernung ζ vom Punkt O und mit der Höhe h
einwirken. Wenn M (z ) das resultierende Biegemoment ist, so ist bo'h
I = - das Trägheitsmoment dieses senkrechten Querschnitts, während E der Elastizitätsmodul
des Materials ist, aus dem die Scheibe 2 gebildet ist. Es gilt dann:
_L - M(zo}
P E.I
,p- Es ist ersichtlich, daß die Bedingung, einen gleichen
Widerstand anzutreffen, darauf hinausläuft, eine Biegesteifigkeit E.I vorzusehen, die proportional dem Biegemoment
M(z ) ist. Das Profil der Scheibe 2 in der Ebene xOz ist durch zwei Parabelbögen begrenzt, wie in Fig. 3
2Q gezeigt ist, und zwar bei der Scheibe 2, welche die
zweite Stellung einnimmt. Die in Form von verzahnten Kämmen 6, 7, 8, 9, ausgebildeten Wandler können in derjenigen
Hälfte der Fläche 4 liegen, die links von der Achse ζ liegt, während die verzahnten, kammförmigen Wandler
10, 11, 12 und 13 in der von der Achse ζ rechts liegenden Hälfte der Scheibe angeordnet sind. Eine solche
Anordnung mit seitlicher Versetzung ist vorteilhaft, um die kapazitive Kopplung zwischen den Meße.inrichtungen
der Fläche 4 und denen der Fläche 5 zu ver-
QQ mindern. Die Fig. 3 zeigt ferner in dor ersten Stellung
eine Scheibe 2, bei der die Bedingung gleichen Biegewiderstandes durch eine Dreiecksform mit dem Scheitel O
erfüllt ist. Dieser Fall entspricht einer Scheibe, deren
Eigenmasse vernachlässigbar ist gegenüber einer seis-
of mischen Masse (m ), die am Punkt 0 die Trägheitskraft
F^m γ ausübt, worin Y die zu messende Beschleunigung
ist. Im allgemeinen Falle definieren die Eigenmasse der Scheibe und die angesetzte Masse ein Profil gleichen
) α ρ ο ο β· α
«ο if» a ο i
«ο if» a ο i
Biegewiderstandes, das zwischen den beiden in Fig. 3
gezeigten Profilen liegt»
In Fig. 4 ist eine Scheibe 2 für einen erfindunysgemäßen
Beschleunigungsmesser gezeigt, die eine Mittelzone 25 mit gleichem Biegewiderstand eiufweist, welche
eine -Verankerungszone 26 mit einer Endzone 2 2 verbindet, wobei die Verankerungszone im senkrechten Querschnitt
24 konstante Höhe und Breite und die Endzone 22 einen
jQ senkrechten Querschnitt 23 aufweist. Die Endzone 22
wird von einem Befestigungsstift 27 durchquert, der zwei Massekörper 20 und 21 trägt, die aufgrund der zu
messenden Beschleunigung eine Kraft F erzeugen. Die Endzone 22 übt eine Kraft F aus. Die Bedingung glei-
!5 chen bzw. gleichbleibenden Widerstandes ist ab der
Schnittfläche 23 erfüllt, wo ein Biegemoment wirksam wird, das aus den Kräften F und F resultiert. Alle
senkrechten Schnitte der Zone 25 gleichbleibenden Widerstandes sind hinsichtlich ihrer Breite so bemessen,
äa"ß die zusätzliche Belastung aufgrund der Eigenmasse der Scheibe zwischen der Schnittfläche 23 und jeder
dazwischenliegenden Schnittfläche bis zur Schnittfläche 24 berücksichtigt ist". In der Praxis zeigt sich, daß
das Biegemoment M, dem jeder senkrechte Querschnitt der Zone gleichen Widerstandes widerstehen muß, proportional
zu dem Trägheitsmoment des Querschnittes variiert, also proportional zu seiner Breite. Die Gestalt
der Zone 25 gleichbleibenden Widerstandes ist trapezförmig, jedoch sind die die Basen verbindenden Flächen
leicht gekrümmt, wie in Fig. 4 gezeigt ist, wenn die Eigenmasse der Scheibe berücksichtigt werden soll.
Die in Fig. 5 gezeigte isometrische Teilansicht gibt ein Ausführungsbeispiel eines Beschleunigungsmessers
wider, bei dem eine piezoelektrische Scheibe 2 mit parallelen Flächen verwendet wird, deren Schnitt eine
Zone 25 gleichen Biegewiderstandes aufweist. Der in Fig. 5 gezeigte Schnitt weist einen ringförmigen Rahmen
auf, der innenseitig an eine Meßzunge anschließt, wel-
* tf · *
ι* 4V-
• Ü · U Ψ
ehe an ihrem Ansatz die Zone 25 gleichen Widerstandes
und an ihrem freien Ende eine Gruppe von Massekörpern 20, 21, 27 aufweist. Vorzugsweise ist der Schnitt der
Scheibe 2 symmetrisch in bezug auf die Achse z, die bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel ein Durchmesser
des kreisförmigen Außenumfangs der Scheibe 2 ist.
Die beschriebene Anordnung ist vorteilhaft, denn sie ermöglicht das Entfallen von Mitteln zur Befestigung
der Scheibe 2 und der Meßzone 25, welche die mit elastischen Oberf.! ächenwellen arbeitenden Wandler auf
den Flächen 4 und 5 enthält. Durch das Entfallen dieser Mittel können Beanspruchungen vermindert werden, die
durch die Befestiijungsweise der Scheibe 2 verursacht
werden, wobei diese Befestigung diametral gegenüber dem Anschluß der Zunge an den ringförmigen Rahmen erfolgt.
Die Biege-'i'orsions- und Scherbeanspruchungen, die in dem ringförmigen Rahmen aufgrund der Beschleunigung
auftreten, haben im Bereich der Zone 25 nur geringe Auswirkungen. Um den ringförmigen Rahmen der
Scheibe 2 zu verstärken, können gemäß Fig. 5 zwei Versteifungselemente
28 und 29 in Form von Kreisbögen vorgesehen werden, die gegen die Flächen 4 und 5 der
Scheibe 2 angelegt bzw. damit verklebt sind. Diese Ver~ steifungselemente 28 und 29 sind vorzugsweise aus einer
Scheibe ausgeschnitten, die völlig gleich derjenigen
ist, aus der die Scheibe 2 hergestellt wurde, wobei beim Zusammenbau darauf geachtet wird, daß dieselben
kristallographischen Orientierungen eingehalten werden.
Durch diese Maßnahme wird das Entstehen von Beanspruchungen
verhindert, die auf unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen den Elementen 28, 29 und der Scheibe
2 beruhen.
Ü5 Die aus der Scheibe 2 und den Versteifungselementen 28,
29 gebildete Einholt muß an einem Halbgehäuse 36 befestigt
werden, das aus einem Material hergestellt werden kann, das eirn-n Wärmedehnungskoeffizienten aufweist,
der verschieden von den Wärme· lohnungskoef f izlent en i;.t,
die für das Material zutreffen, aus dom diese Einheii
gebildet j st.
Unter diesen Uniständen ist es zweckmäßig, Befest.igun<jsmittel
zu verwenden, welche eine freie Ausdehnung der
aus der Scheibe und den Versteifungselementen gebildeten Einheit in der Ebene xy zulassen, wobei gleichzeitig
ein gutes Aufliegen au Γ dem Hals 35 des Halb-" gehäuses 36 gewährleistet ist. Fig. 5 zeigt eine vorteilhafte
Ausführungsform, bei. der eine Anzahl von Kugeln verwendet wird, die als /iWischenabstützung dienen.
Eine Kugel 32 ist jeweils in zwei konischen Schalen aufgenommen, die in dem Hals 35 bzw. in dem Ver-,
steifungselement 29 gebildet .sind» Diese Art und Weise
der Befestigung ermöglicht ein Verschwenken des Gehäuses in bezug auf die aus der Scheibe und den Versteifungselementen
gebildete lCinheit. Eine zweite Kugel 34 ist in zwei V-förmigen Rillen beweglich, die
vorzugsweise zu den Aufnahmesohaien der Kugel 32 hin orientiert und in dem Hals 35 bzw. Versteifungsclement
29 eingeschnitten sind. Diese zweite Verbindung ermöglicht eine freie Ausdehnung der aus der Scheibe
und den Versteifungselementen gebildeten Einheit, jedoch mit fester Orientierung in der Ebene xy. Eine
dritte Kugel 33, die zwischen zwei ebenen Umlaufrändern eingefangen ist, welche an dem Hals 35 bzw. an dem Versteifungselement
29 gebildet sind, legt endgültig .die stabile Auflage der Einheit auf dem Halbgehäuse fest,
wobei jedoch eine freie Dehnung dieser Einheit zugelassen ist. In Fig„ 5 ist das andere Halbgehäuse weggelassen,
welches über der aus der Scheibe 2 und den Versteifungselementen 28, 29 gebildeten Einheit liegt»
Dieses andere Halbgehäuse ruht auf dem Halbgehäuse 36 unter Zwischenfügung von Stützen 37, und sein Halsteil
ist mit dem Versteifungselement 28 über Kugeln verbunden, die den Kugeln 32, 33 und 34 entsprechen. Fig„ 5
zeigt die V-förmige Aufnahme 31 und die konische Auf-
nähme 30 in dem Versteifungselement 28 zur Aufnahme von
zwei der drei Kugeln. Fig. 5 zeigt zwar eine aus der Scheibe und den Versteifungselementen gebildete Einheit,
deren Versteifungselemente bogenförmig sind, jedoch
P3 können entweder diese Versteifungselemente entfallen,
oder sie können auch, bei anderen Ausführungsformen, den ringförmigen Rahmen der Scheibe 2 vollständig überdecken.
In Fig. 6 ist eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Beschleunigungsmessers dargestellt. Das Gehäuse 36 trägt über ein Stützteil 39 eine bewegliche Einheit,
die aus einer Scheibe 2 besteht. Der Schnitt läßt eine Zunge 40 verbleiben, deren eines Ende an
Ifr einen ringförmigen Rahmen 41 anschließt, der als seismische
Masse dient, und deren anderes Ende, welches über eine Zone 25 gleichen Biegewiderstandes hinausgeht,
in dem Stützteil 39 verankert ist. In einer Baugruppe
38 sind die elektrischen Oszillator- und Mischschaltungen enthalten, die mit den mit elastischen
Oberflächenwellen arbeitenden Meßeinrichtungen zusammenwirken,
die in der Zone 25 enthalten sind.
Die in Fig. 6 gezeigte vorteilhafte Ausführungsform kann auch bei der Ausfuhrungsform nach Fig. 5 Anwendung
finden. Die seismischen Massen 20, 21, 27, die an der Scheibe 2 angesetzt sind, können also durch Verlängerungen
der Scheibe 2 ersetzt werden, welche die beiden Aussparungen einnehmen, die auf beiden Seiten der mittleren
Zunge gebildet sind. Ferner können die vorteilhaften Ausbildungen nach Fig. 5 auch bei der Ausführung:,
form nach Fit). 6 Anwendung finden, wo der Stützteil 39 durch eine Kugellagerung ersetzt werden kann,
welche einen inneicn, offenen Rahmen, der aus der yi-, Scheibe 2 geschnii ten ist und von dem Ende der Zone
ausgeht·., gefangen hält. Die beiden gekrümmten Schenkel dieses offenen Innonrahmens nehmen dabei die beiden
leeren Teile ein, welche die mittlere Zunge 40 einrah-
ft A β ■»
ί) e A β β * te
men.
Wie sich aus obiger Beschreibung ergibt, erfolgt die
Messung der Durchbiegung mittels elastischen Oberflächenwellen
in einer Zone gleichen Widerstandes, die durch einen geeigneten Schnitt einer Scheibe mit
parallelen Flächen erhalten wird. Die erhaltene Zunge kann einen einzigen Körper mil: einem offenen oder geschlossenen
Rahmen bilden, der als Halterungsmittel zur Befestigung an einem Gehäuse dient, während ihr
freies Ende Verlängerungen aufweisen kann, deren zusätzliche Masse die Empfindlichkeit für die zu messende
Beschleunigung vergrößert.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Schnitt bzw.
eine Schnittform begrenzt, die nur eine einzige Meßzunge enthält, denn demselben Rahmen können mehrere
Zungen gemeinsam sein, die jeweils eine Meßzone gleichbleibenden Biegewiderstandes aufweisen.
Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform enthält die Meßeinheit bzw. Scheibe 2 innenseitig von einem parallelogrammförmigen
Rahmen zwei Meßzungen, die jeweils mit einer Zone 251 bzw. 252 gleichen Widerstandes versehen
sind. Jede Zunge ist symmetrisch in bezug auf eine Achse 45 bzw. 46 geschnitten, und zwar mit annähernd
trapezförmiger Gestalt, die an ihrem freien Ende eine seismische Masse 201 bzw. 202 trägt. Jede Zone 251.,
252 gleichbleibenden Widerstandes enthält auf ihren beiden Flächen der Scheibe 2 eine Einrichtung zur Messung
mittels elastischen Oberflächenwellen. Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform sind die Meßmittel
Resonatoren für elastische Oberflächenwellen. Jeder Resonator umfaßt einen Schwingungsraum, der durch zwei
reflektierende Strichgitter begrenzt ist, die auf den Hauptflächen der Scheibe 2 durch Gravierung oder Ionenimplantation
gebildet sind. Elektroden können in dem Schwingungsraum jedes Resonators fotograviert sein, um
mittels einer Verstärkerschaltung 141, 151, 152 bzw. 142 einen Zustand stationärer elastischer Oberflächenwellen
aufrechtzuerhalten.
i, Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform sind also
vier Oszillatoren vorhanden, deren Schwingungsfrequen-2cn in Abhängigkeit von den Biegebeanspruchungen variieren,
die durch die zu messende Beschleunigung verursacht werden. Wenn angenommen xvird, daß die beiden Meßzungen
bei dieser Ausführungsform in der gleichen Weise auf eine Beschleunigung ansprechen, die senkrecht zur
Zeichenebene ist, und wenn angenommen wird, daß die Ruhefrequenzen der Oszillatoren 141, 142, 151 und 152
die Frequenzen f1, f„, f_ bzw. f sind, so liefert ein
I £ Z) Q
H1 Mischer 161 die Differenz f.. - f_, während ein Mischer
162 die Differenz f. - f« liefert. Ein Mischer 16 empfängt die Signale von den Mischern 161 und 162 und
bildet ein Signal, dessen Frequenzvariation f.. + f_ - f.,
- f. die Beschleunigung darstellt, welche auf die bewegliche Einheit einwirkt. Wenn nämlich Af die durch
die Beschleunigung verursachte Frequenzverschiebung ist,
so sind die Schwingungsfrequenzen: f + Af, f + Af,
f - Af, f - Af, so daß am Ausgang des Mischers 16 ein
Signal entsteht, dessen Frequenz gleich f.. + f_ - f3 f,
+ 4 Af ist. Wenn AF1, AF9, AF- und AF- die Temperaturabdriften
der vier Oszillatoren sind, so sind die thermisch gesteuerten Frequenzen folgende: f.. + AF1,
f„ + AF2, f_ + AF3 und f. + AF.. Die gestörte Frequenz
am Ausgang des Mischers 16 ist dann: f. + f - f - f
+ AF1 + AF2 - AF - AF . Die Ausbildung kann so getroffen
werden, daß die thermische Abdrift verschwindet; AF1 + AF2 - AF - AF gleich Null, und dies läßt
sich leichter verwirklichen als mit nur zwei Meßoszillatoren. DLe Lagerung der beweglichen Einheit bei der
'Sl-, Auaführungsform nach Fig. 4 auf dem Halbgehäuse 36
kann an zwei Punkten in der Mitte· der Seiten des Rahmens erfolgen, die nicht körperlicher Bestandteil der
Meßzungen iiind. Zu diesem Zweck werden eine eingelas-
■a Λ "η «ο Aq
Vif :
sene Stütze 43 und eine Schwenkabstützung 4 2 verwendest.
Fig. 8 zeigt einen Schnitt längs Linie 44 in Fig. 7. :
Die Meßeinheit bzw. Scheibe 2 ist auf der rechten Seite
zwischen zwei Halbgehäusen 361 und 362 festgelegt, um die Befestigung zu vervollständigen, ist jedoch der
linke Teil zwischen den Halbgehäusen 362 und 361 durch schwenkbar abgestützte Stifte 49 und 50 gehalten, die
sich in konischen Aussparungen abstützen, welche in !0 den Halbgehäusen 362 und 361 bzw. in Klötzchen 47 und
48 gebildet sind, die an der Meßeinheit 2 befestigt sind. Eine solche Halterung ermöglicht weitgehend die
Vermeidung von Beanspruchungen thermischen Ursprungs=
Der in Figo 9 gezeigte Beschleunigungsmesser ist ähnlich
der Ausführungsform nach den Figuren 7 und 8, jedoch bilden die Meßzungen einen einzigen Körper mit einem
zentralen Träger, der durch zwei Versteifungselemente 253 und 254 versteift ist» Die seismischen Massen sind
durch Flügel 201 und 202 gebildet, welche direkt mit der Scheibe 2 ausgeschnitten sind. Die Zonen 51, 52,
und 54 bezeichnen die jeweiligen Positionen der mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Meßeinrichtungen,
bei denen es sich um Verzögerungsleitungen mit verzahnten Kämmen oder um Liniengitter-Resonatoren handeln
kann. Diese Zonen liegen wiederum innerhalb der Bereiche gleichen Biegewiderstandes der beiden Meßzonen.
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsvariante mit nur ' einer Meßzunge, welche den Mittelschenkel eines E-förmigen
Schnittes bildet. Das Ende der Meßzunge weist einen Flügel 201 aufj, der als seismische Masse dient.
Die U-förmige Zone, die einen einzigen Körper mit der Zone 251 gleichen Widerstandes der Zunge bildet, ist
durch Aufkleben eines U-förmigen Versteifungselements 253 auf jeder Seite versteift. Die so gebildete? einen
einzigen Block darstellende Meßeinheit ist in gleicher
Weise wie bei der Ausführungsform nach den Figuren 7 und 8 gelagert. In einem Schaltungsblock 38 sind die Oszillator-
und Mischschaltungen enthalten, die mit den Meßeinrichtungen zusammenwirken/ welche in der Zone 251
liegen und mit elastischen Oberflächenwellen arbeiten.
Fig„ 11 zeigt eine weitere Schnittform der Scheibe 2.
Zwei Meßzungen 251 und 252 sind mit seismischen Massen 201 bzw. 202 versehen und bilden einen einzigen Körper
IQ mit einer zentralen Zunge 26Or die ihrerseits einen
einzigen Körper mit einem rechtwinkligen Rahmen bildet. Durch Befestigung dieses Rahmens am Gehäuse des Beschleunigungsmessers
über denjenigen Rand, der dem gegenüberliegt, welcher einen einzigen Körper mit der
Zunge 20 bildet, wird der Einfluß von Befestigungsbeanspruchungen in den Meßzonen 251 und 252 weitestgehend
unterdrückt.
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Claims (1)
- ο Ο 040an *Pät@htahv>/fflte" ·.."-*.* 33206Dipl.-lng. Dipl.-Chem. Dipl -IngE. Prinz - Dr. G. Hauser - G. LeiserErnsbergerstras se 198 München 60THOMSON - CSP 7. Juni 19 83173, Bd» Haussmann75OQ8 Paris /FrankreichUnser Zeichens T 3623PatentansprücheMit elastischen Oberflächenwellen arbeitender Beschleunigungsmesser ? bei dem eine parallele Flächen (4, 5) aufweisende Scheibe (2) unter der Wirkung der zu messenden Beschleunigung ausgelenkt wird, wobei die in den 5. Flächen (4? 5) der Scheibe (2) erzeugten Biegebeanspruchungen erfaßt werden durch mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Oszillator-Meßeinrichtungen (67 7, 8, 9, 10? 11, 12, 13, 14, 15), dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillator-Meßeinrichtungen in einer Zone (25) gleichen Biegewiderstandes der scheibe (2) liegen»2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (25) gleichen Widerstandes zu einer Zunge gehört,, die ein freies Ende (22) und ein Ende (26) aufweist,? das zur Befestigung an einem Gehäuse (36,1) bestimmt ist? auf welches die zu messende. Beschleunigung einwirkt„ und daß die Form der ZungeHD/blsymmetrisch in bezug auf die Biegeebene ist, welche die Beschleunigungsmeßrichtung (yj enthält.3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (22) der Zunge eine angesetzte seismische Masse (20, 21, 27) trägt.4» Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge einen einzigen Körper mit einem Rahmen bildet, der an das Gehäuse (36) über Verbindungselemente (32, 33? 34) angeschlossen ist, die eine freie Positionierung durch thermische Beanspruchungen zulassen.5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Versteifungsmittel (28, 29), die aus dem selben Material ausgeschnitten sind wie die Scheibe (2) , auf eine Verstärkung benötigende Teile des Rahmens aufgesetzt bzw. mit diesen verklebt sind.6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente Kugeln (32, 33, 34) sind, von denen eine in einer konischen Aufnahme und eine andere in einer V-förmigen Aufnahme angeordnet sind.7. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 2, 4,5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende .(22) der Zunge einen einzigen Körper mit solchen Elementen(41) der Zunge (2) bildet, die eine seismische Masse darstellen.8. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elemente einen Rahmen (41) bilden,9. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elemente einen Flügel (201)' . ■ 3bilden,10, Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (2) eine Einheit mit zwei Meßzungen bildet, die jeweils eine Zone (251, 252) gleichbleibenden B i.egewiderstandes aufweisen.„ Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1O7 dadurch gekennzeichnet, daß die Zungenbeinen einzigen Körper mit zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines Rahmens bilden, dessen zwei andere Seiten zur Verbindung mit einem Gehäuse (36) bestimmt sind,,12p Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1O7 dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen einen einzigen Körper mit einem 'Balken bilden, der zur Aufhängung und Befestigung an einem Gehäuse (36) dient=13. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Balken (260) seinerseits einen einzi- _-■·.. . gen Körper mit einem Rahmen bLldet«,14. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß vier mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Meßoszillatoren (141, 142, 151, 152) vorgesehen sind, daß eine erste Mischeinrichtung (161, 162) jeweils zu zweit die Schwingungsfrequenzen der von den Oszillatoren erzeugten Signale voneinander subtrahiert und daß eine zweite Mischeinrichtung (16) die Frequenzen der Signale voneinander subtrahiert, die von der ersten Mischeinrichtung (161, 162) ' geliefert werden,,3§ 15. Beschleunigungsmesser nach einem der vorstehenden An- - sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (2) piezoelektrisch ist»16. Beschleunigungsmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoreinrichtungen mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Abstimmittel von der Art einer Verzögerungsleitung oderk eines Reflektionsgitter-Resonators umfassen.17. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Flächen der Scheibe getrage- . . nen Abstimmittel in entgegengesetztem Sinne seitlich Q in bezug auf die Biegeebene der Zone gleichen Biegewiderstandes versetzt sind.
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