DE6604674U - FORCE COMPENSATED ACCELERATION AND VIBRATION TRANSDUCER - Google Patents

Description

Eistier Instrumente AG
8408 Winterthur/SchweizEistier Instrumente AG
8408 Winterthur / Switzerland

p 1525p 1525

Aktenzeichen: K 56 111/42o GmFile number: K 56 111 / 42o Gm

Beschleunigungs- und Schwingungsmeßwandler j Acceleration and vibration transducers j

Beschleunigungs-Meßwandler werden nicht nur zur Messung t- -""*,, linearer Beschleunigungen sondern auch, für wechselnde · "***· Beschleunigungen wie Vibrationen oder Schwingungen ^,ein- ; J¹" *-Acceleration transducers are not only used to measure t- "" * ,, linear accelerations but also for changing · "*** · accelerations such as vibrations or oscillations ^, a; J ¹ " * -

gesetzt. t ^S^-^^set. t ^ S ^- ^^

Unter dem Begriff Beschleunigungs-Meßwandler soll in dieser Schrift ein Meßwandler für statische wie dynamische, lineare wie wechselnde Beschleunigung verstanden werden.The term acceleration transducer is used in this document to refer to a transducer for static as well as dynamic, linear as well as changing acceleration can be understood.

Beim Bau von Beschleunigungs-Meßwandlern wird der piezoelektrische Effekt angewendet© Solche MeßwertwandlerWhen building acceleration transducers, the piezoelectric Effect applied © Such transducers

bestehen dann aus einer seismischen Masse, welche mittels Tellerfedern über eine Anzahl von piezoelektrischen Scheiben gegen die Montageplattform gepreßt wird. Wird das ganze System beschleunigt, so bewirkt die seismische Masse eine Kraft P « m · b auf die piezoelektrischen Kristalleinheiten aus, welche dadurch eine entsprechende elektrische Ladung Q erzeugen« Als Piezokristalle können sowohl keramisch erzeugte als auch natürliche Kristalle wie Quarz, Seignettesalz etc. Verwendung finden.then consist of a seismic mass, which by means of disc springs over a number of piezoelectric Discs is pressed against the mounting platform. If the whole system is accelerated, the seismic Measures a force P «m · b on the piezoelectric crystal units, which thereby generates a corresponding Generate electric charge Q “Piezo crystals can be ceramic-generated as well as natural crystals such as quartz, Seignette salt etc. can be used.

Nöben diesem Hauptanwendungsfalle sind im Handel auch andere kraftempfindliche Meßzellen anstelle der piezoelektrischen anzutreffen, z.B. die piezoresistiven Dehnungsmeßstreifengeber, kapazitiven oder induktiven Geber. Sie fallen ebenfalls in den Anwendungsbereich dieser Erfindung. Der Einfachheit halber wird die Erfindung anhand des piezoelektrischen Beschleunigungsließwandlers erläutert.Nöben this main use case are in the trade as well Other force-sensitive measuring cells can be found instead of the piezoelectric ones, e.g. the piezoresistive ones Strain gauge transmitter, capacitive or inductive transmitter. They also fall within the scope of this invention. For the sake of simplicity, the invention based on the piezoelectric acceleration converter explained.

Eine Hauptschwierigkeit solcher handelsüblicher Beflchleunigungs-Meßwandler besteht in der Tatsache, daß das zwischen Masse einerseits und Fundament und/oder "Deckel andererseits angeordnete Kristallpaket nicht nur auf Kräfte, hervorgebracht durch Beschleunigungswinwirkung, sondern auch auf mechanische Krafteinwirkungen wie Vorspannungsänderungen und besonders seitliche Gehäusekräfte, da die seismische Masse durch das Gehäuse seitlich geführt werden muß, reagiert, wodurch solche Instrumente in vielen Fällen nicht die Beschleunigung des Systems messen, sondern eine Unzahl von KraftwirkungenA major difficulty with such commercially available acceleration transducers consists in the fact that that between mass on the one hand and foundation and / or "Lid on the other hand arranged crystal package not only on forces brought about by the acceleration win effect, but also to mechanical forces such as changes in preload and especially lateral Housing forces, since the seismic mass must be guided laterally through the housing, reacts, causing such In many cases, instruments do not measure the acceleration of the system, but a myriad of force effects

If·If

registrieren. Für Anwendungsfälle, wo eine einwandfreie Trennung von Kräften, welche durch Beschleunigung, und solchen, welche durch ander© Einwirkungen zustande kommen, sind solche Meßgeräte nicht verwendbar.to register. For use cases where a perfect Separation of forces caused by acceleration and those caused by other influences come, such measuring devices cannot be used.

Der Erfindung liegt nun ein Beschleunigungs-Heßwandler zugrunde, welcher eine einwandfreie Trennung der unerwünschten Kräfte von den Beschleunigungskräften gewährleistet. Dies wird dadurch erreicht_s daß das aus Kraftmeßelementen und seismischer Masse "bestehende Paket in einem Gehäuse unter sehr hoher mechanischer Vorspannung vollständig starr eingebaut ist· Dadurch ist in vorteilhafter Weise erreicht> daß auf eine seitliche Führung der Masse verzichtet werden kann, was zu einem einfacheren Aufbau und insbesondere dazu führt, daß nur noch in wesentlich geringerem Maße Kräfte, hervorgerufen durch mechanische Krafteinwirkungen, mitgemessen werden. The invention is based on an acceleration / Hess converter which ensures a perfect separation of the undesired forces from the acceleration forces. This is achieved by _s that the package consisting of force measuring elements and seismic mass is completely rigidly installed in a housing under very high mechanical prestress Structure and in particular leads to the fact that only to a much lesser extent forces, caused by the effects of mechanical forces, are also measured.

Der Gedanke der Erfindung ist an den folgenden Figuren näher erläuterte Es Beigen:The idea of the invention is based on the following figures Beigen explained in more detail:

Fig. 1 Ein Querschnitt durch eine mögliche Form eines Beschleunigungs-MeßwandlerFig. 1 A cross section through one possible form of an acceleration transducer

Fig. 2 Ein Querschnitt durch einen handelsüblichen piezoelektrischen Beschleunigungs-MeßwandlerFig. 2 A cross section through a commercially available piezoelectric acceleration transducer

Fig. 5 Ein Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MeßwandlersFig. 5 A cross section through an embodiment of a transducer according to the invention

ÖÖU 4 ö c 4ÖÖU 4 ö c 4

Pig. 4 Ein Querschnitt durch sine weitere Ausführimgsform eines erfindungsgemaßen Meßwandlers mit zwei Ausgängen, -unter Einwirkung des äußeren Kraftimpulses P^.Pig. 4 A cross-section through another embodiment a transducer according to the invention with two outputs, -under the action of the outer Force pulse P ^.

tir an tir on

TTeuauxex-öTTeuauxex-ö

Mg. 5 Meßsignale an beiden Ausgängen ctesMg. 5 measurement signals at both outputs ctes

nach Pig. 4 unter Einwirkung des äußeren Kraftimpulses P,.after Pig. 4 under the action of the external force pulse P ,.

O Pig. 6 Ein Querschnitt durch den Wandler nach Pig,O Pig. 6 A cross section through the transducer according to Pig,

jedoch unter Einwirkung eines Beschleunigungsim^ulses bbut under the action of an acceleration pulse b

Pig. 7 Meßsignale an "beiden Ausgängen des Wandlers nach Pig. 6 unter Einwirkung des Beschleunigungsimpulses bPig. 7 measuring signals at "both outputs of the converter after Pig. 6 under the action of the acceleration pulse b

Pig. 8 Ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemaßen Meßwandlers mitPig. 8 A cross section through a further embodiment a transducer according to the invention with

zwei Ausgängentwo exits

Meßsignale an beiden Ausgängen des Wandlers nach ■ -Pig. 8 unter Einwirkung des äußeren Kraftim- - !pulses P^Measurement signals at both outputs of the converter according to ■ -Pig. 8 under the action of the external force - ! Pulse P ^

Pig. 10 Ein Querschnitt durch den Wandler mach Pig. jedoch unter Einwirkung eines Beschleunigungsimpulses b Pig. 10 A cross-section through the converter mach Pig. but under the action of an acceleration pulse b

Pig. 11 Meßsignale an beiden^Aus'gangen des WandlersPig. 11 measurement signals at both outputs of the converter

nach Pig. 10 unter Einwirkung eines Beschleunigungsimpulses bafter Pig. 10 under the action of an acceleration pulse b

11 («It11 («It

«ti
«I i ««Ti
"I i"

Fig. 12 Ein Querschnitt durch einen handelsüblichen Beschleunigungs-Meßwandler unter Einwirkung des äußeren Kraftimpulses P^Fig. 12 A cross section through a commercially available acceleration transducer under action of the external force impulse P ^

Fig. 13 Das Meßsignal am Ausgang des Wandlers nach Figo 12 unter Einwirkung des äußeren Kraftimpulses P^.FIG. 13 The measurement signal at the output of the transducer according to FIG. 12 under the action of the external force pulse P ^.

Fig. 14 Ein Querschnitt durch Wandler nach Fig. 12 jedoch unter Einwirkung eines Beschleunigungsimpulses b FIG. 14 A cross section through the transducer according to FIG. 12, however, under the action of an acceleration pulse b

Fig. 15 Sas Meßsignal am Ausgang des Wandlers nach Fig. 14 unter Einwirkung des Beschleunigungsimpulses b Fig. 15 Sas measurement signal at the output of the converter 14 under the action of the acceleration pulse b

Fig. 16 Ein Querschnitt durch eine Kombination Beschleunigungs-Kraftmefiwandler zur Bestimmung von Impedanzen16 A cross section through a combination acceleration-force transducer for determining impedances

Fig« 17 Ein Querschnitt durch einen Prüßmeßwandler für Beschleunigung mit aufgeschraubtem PrüflingFig. 17 A cross section through a test transducer for Acceleration with the test object screwed on

Figo 18 Ein Querschnitt durch einen Beschleunigungs-Meßwandler ausgebildet als StabmeßwandlerFig. 18 A cross section through an acceleration transducer designed as a rod transducer

Fig. 19 Diagramm von Druckwellen, welche sich durch Wandler nach Fig. 18 fortpflanzen19 shows a diagram of pressure waves which propagate through the transducers according to FIG

Fig. 20 Ein Querschnitt eines Beschleunigungs-Meßwanalers in Stabform gestaltet für besonders günstigen Durchschnitt von Körperschallwellen*Fig. 20 is a cross section of an acceleration measuring wall designed in the shape of a rod for a particularly favorable average of structure-borne sound waves *

Der bis anilin angestrebte Beschleunigungs-Heßwandler ist in Figo 1 dargestellt. Dieser besteht aus der Fundamentplatte 1, aus dem Kristallpaket 2, der seismischen Masse 3 "und einem Schutzgehäuse 4. Das piezoelektrische Paket 2 besteht auä einer Anzahl von plattenförmigen piezoelektrischen Scheiben, zwischen welchen Metallfolien oder aufgedampfte oder chemisch aufgetragene Metalls chi ent en 5 liegen.» Verbindungsmittel 6 verbinden die gleichpoligen Seiten der Platten mit-The acceleration Hess converter aimed at up to aniline is shown in FIG. This consists of the foundation plate 1, of the crystal package 2, the seismic one Earth 3 "and a protective housing 4. The piezoelectric Package 2 consists of a number of plate-shaped ones piezoelectric disks, between which metal foils or vapor-deposited or chemically applied Metal chi ent s 5. » Connecting means 6 connect the homopolar sides of the plates with

* - einander und mit der Fundamentplatte 1 ο Auf der Gegen* - each other and with the foundation plate 1 ο on the opposite

seite werden die gegenpoligen Ladungen durch ähnliche Mittel zum Ausgangs stecker 7 geführt. Das -^ristallpaket 2 ist sowohl unter sich, als auch mit der Fundamentplatte 1 und der Masse 3 i&it einer Lot-, Schweiß- oder Fusionsverbindung zu einer soliden Einheit zusammengefügte side, the opposite polarity charges are led to the output connector 7 by similar means. The - ^ ristallpaket 2 is both among themselves, as well as with the foundation plate 1 and the mass 3 i & it a solder, welding or Fusion connection joined together to form a solid unit

In Fig. 2 ist ein handelsüblicher Beschleunigungs-Meßwandler gezeigt, bestehend aus der Fundamentplatte 21, dem Kristallpaket 22, der Masse 23, der Vorspannfeder 24 und der Vorspann sehraube 25· In diesem Fall sind / die Kristallplatten lediglich aufeinander gelegt undIn Fig. 2 is a commercially available acceleration transducer shown, consisting of the foundation plate 21, the crystal package 22, the mass 23, the preload spring 24 and the opening credits are veryaube 25 · In this case, are / The crystal plates are simply placed on top of one another and

zwar so, daß jeweils gleichpolige Flächen gegeneinander zu liegen kommen, wobei zwischen diese» Flächen wiederum dünne Metallfolien oder Metallfilme als Ladungsträger nach außen verwendet werden. Die gleichpoligen Ladungen werden wiederum durch Sammelleiter 26 mit dem Fundament 21 verbunden oder auf der gegenüberliegenden Seite zum Stecker 27 abgeführte Die Vorspannfeder 24 wird mittels Spannschraube 25 so vorgespannt, daß auch bei der höchstenin such a way that surfaces of the same polarity come to lie against one another, whereby between these »surfaces again thin metal foils or metal films can be used as charge carriers to the outside. The homopolar charges are in turn connected by bus bars 26 to the foundation 21 or on the opposite side to the Plug 27 discharged The preload spring 24 is by means of Clamping screw 25 biased so that even at the highest

■ 1 1 I - ·■ 1 1 I - ·

ill» S · ·ill »S · ·

Il »ti t t 1Il »ti t t 1

zu messenden Beschleunigung ein Abheben der Masse 23 vom -^ristallpaket 22 nicht erreicht wird· Auf diese Weise wird das Kristallpaket lediglich auf Druck beansprucht. acceleration to be measured a lifting of the mass 23 vom - ^ ristallpaket 22 is not reached · on this In this way, the crystal package is only subjected to pressure.

In Jig. 3 ist ein erfindungsgemäßer Beschleunigungs-Meßwandler gezeigt. Dieser besteht aus der Fundament- * platte JI₅ aus dem positiv gepolten Kristallpaket 32*In jig. 3 shows an acceleration transducer according to the invention. This consists of the foundation plate JI ₅ from the positively polarized crystal package 32 *

der Masse 33 j dem negativ gepolten Kristallpaket 34-ι · lind der Verschlußschraube 35· Die beiden Kristallpaketethe mass 33 j the negatively polarized crystal packet 34-ι · Lind the screw plug 35 · The two crystal packages

eind so ±&L Meßwandler montiert, daß bei einer Krafteinwiriung P das Kristallpaket 34- eine negative Ladung •n den Sammelleiter 36 tnid Kristallpaket 32 eine positive ladung an den Sammelleiter 36 abgibt«, Dieser ist mit dem Stecker 37 verbunden.» Die Masse 33 ist mit Schiebe- «itz in diö Verlängerung der Fundamentplatte 31 eingepaßt und kann sich somit in axialer Richtung frei bewegeno Die Kristallpakefce 32 und 34- können aus einer "beliebigen Anzahl von ^ristallplatten bestehen, wobei die von beiden Paketan erzeugten Ladungen gegenpolig und je nach Anwendungsfall von gleicher oder verschiedener Größe vorgesehen sind. Für volle Kraftkompensation wie in Fig. 4, 5» 8 und. 9 müssen beide Pakete gleich große, jedoch gegenpolige Ladungen erzeugen.eind so ± & L transducer mounted so that at a Krafteinwiriung P crystal package 34- a negative charge • n the bus conductor 36 tnid crystal package 32 a positive charge to the bus bar 36 outputs "This is connected to the connector 37th" The mass 33 is fitted with a sliding fit in the extension of the foundation plate 31 and can thus move freely in the axial direction and are provided of the same or different sizes depending on the application.For full force compensation as in FIGS. 4, 5, 8 and 9, both packets must generate charges of the same size, but with opposing polarity.

Die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Beschleunigungs-Meßwandlers wird in den Figo 4 bis 11 näher erläutert. The functioning of an acceleration transducer according to the invention is explained in more detail in FIGS.

Jig, 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform in einem Ätarren Gehäuse 4-1, In diesem Gehäuse sind die Kristall-Jig, 4 shows schematically an embodiment in one Ancient case 4-1, In this case are the crystal

paketa 42 und 44, sowie die Masse 43 unter hoher mechanischer Vorspannung eingebaut· Zur besseren Erklärung der Wirkungsweise sind beide Kristallpakete mit eigenen Ausgängen 45 und 46 "versehen· Diese beiden Ausgänge werden normalerweise in einem einzigen zusammengefaßt· paketa 42 and 44, as well as the mass 43 under high mechanical preload built in · Both crystal packages are included for a better explanation of the mode of operation provided with their own outputs 45 and 46 "· These two Outputs are usually grouped into a single

In ffig, 5 sind die Ladungen dargestellt« cLie von einer Meßvorrichtung festgestellt werden, wenn ein Kraftimpuls ) P^. auf das Meßsystem wirkt· Ein solcher KraftimpulsIn ffig, 5 the charges are shown "are detected by a measuring device Clie when a power pulse) P ^. Such a force impulse acts on the measuring system

kann ζ·Β. durch einen Wärmeschock auf das Gehäuse hervorgerufen werden* Durch die Anordnung der Polarität der beiden Kristallpakete ergibt sich am Ausgang 46 ein negativer Impulsion genau gleicher Größe, unter Voraussetzung gleicher absoluter Empfindlichkeit der beiden Kristallpakete. Bei Zusammenschalten dieser Impulse heben sie sich vollständig auf. Der Wandler gibt also durch eine solche Kräfteinwirkung kein Signal ab·can ζ · Β. caused by a thermal shock to the housing * The arrangement of the polarity of the two crystal packages results in output 46 a negative impulsion of exactly the same size, assuming the same absolute sensitivity of the two crystal packages. When these impulses are interconnected, they cancel each other out completely. The converter therefore does not emit a signal through such a force action

In Fig. 6 ist der gleiche Wandler gezeigt, jedoch beiIn Fig. 6 the same converter is shown, but at

, Einwirkung eines Beschleunigungsimpulses b auf die Unter, Effect of an acceleration pulse b on the sub

lage 60. Auch dieser Wandler ist starr ausgebildet, d_Th. die Wandungen 61 sind massiv ausgeführt und die beiden Kristallsätze mit der Masse 63 sind wiederum unter Vorspannung eingebaut. Die Beschleunigung b bewirkt nun, daß die Masse 63 unter dem Einfluß der auf si© Hinwirkenden Kraft P = m · b eine minimale Verlagerung um den Weg s ausführte Dadurch wird das obere ^-ristallpaket 64 um den Betrag s komprimiert, das untere Paket 62 um den Betrag s.entlastet« Durch die Kompression gibtlocation 60. Also this converter is rigid, d _T h. the walls 61 are solid and the two crystal sets with the mass 63 are again installed under pretension. The acceleration b now causes the mass 63, under the influence of the force P = m · b acting on si ©, to carry out a minimal displacement by the distance s relieved by the amount s. «Through the compression there

o/ ·o / ·

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das Paket 64 definitionsgemäß einen negativen Ladungsimpuls entsprechend Fig. 7» während Kristallpaket 62 durch Entlastung aus dem hoch vorgespannten Zustand ebenfalls einen negativen Ladungsimpuls abgibt. Bei Zusammenschaltung der beiden Ausgänge ergibt sich somit ein doppelter negativer Impuls, d.h. beide Eristallpakete sind gleichwertig am Meßvorgang einer Beschleunigung beteiligt.the packet 64, by definition, a negative charge pulse according to FIG. 7, while crystal packet 62 also emits a negative charge pulse by relieving the load from the highly pre-stressed state. at Interconnection of the two outputs results in a double negative impulse, i.e. both crystalline packages are equally involved in the measurement process of an acceleration.

( In Fig. 8 ist ein weiterer erfindungsgemäßer Meßwandler(In Fig. 8 is another transducer according to the invention

schematisch gezeigt, jedociL mit einer elastischen Vorspannung der Kristallpakete 82 und 84 und der Masse 83. Das Gehäuse 80 geht in die Hülse 81 übe£-_o Entsprechend Fig. 9 bewirkt nun ein Kraftimpuls P,. auf den Kristallsatz 84 definitionsgemäß einen negativen Impuls während der Kristallsatz 82 einen positiven Impuls genau gleicher Amplitude erzeugt. Nach Zusammenschalten heben sich die beiden Impulse wieder auf.shown schematically, but with an elastic pretensioning of the crystal packages 82 and 84 and the mass 83. The housing 80 goes into the sleeve 81 via £ - _o According to FIG. 9, a force pulse P i now causes. on the crystal set 84, by definition, a negative pulse while the crystal set 82 generates a positive pulse of exactly the same amplitude. After being connected together, the two impulses cancel each other out again.

Ein gleicher Meßwandler ist in Fig. 10 gezeigt, jedoch unter Einwirkung einer Beschleunigung b auf die Meßunterlage 10Oe Dadurch wirkt auf die Masse 103 eine Kraft P. = m · b nach oben, wodurch der K_ri_stallsatz 101 kok-, primiert wird und der Kristallsatz 102 entlastet wird. Die Masse der Deckplatte 104 bewirkt ebenfalls eine Kraft Pp, so daß die Deckplatte 104 um die Strecke s₂ angehoben wird, da sich die Hülse 105 elastisch deformiert.A similar transducer is shown in Fig. 10, but under the action of an acceleration b to the measuring support 10Oe This acts on the mass 103, a force P. = m · b upward, whereby the K _r i _s tallsatz 101 Kok, is primed and the set of crystals 102 is unloaded. The mass of the cover plate 104 also causes a force Pp, so that the cover plate 104 is raised by the distance s ₂ , since the sleeve 105 is elastically deformed.

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■Dieser Entlastungseinfluß wird auf Fig. 11 erklärt: Fig. 11a) zeigt den ladungsimpuls herrührend von der seismischen Masse₀ Fig. 11 b) denjenigen herrührend von der Deckplatte 104. Fig₀ 11 c) zeigt die Addition der Impulse von Fmg₀ 11 a) und b), während Fig. 11 d) die Addition nach Zusammenschaltung zeigt, welcher dem Impuls nach Fig· 7 entspricht. Es ist somit erreicht, daß ein Beschleunigungs-Meßwandler gebaut werden kann, dessen Ausgangssignal völlig unabhängig von der Vor-This relief influence is explained in Fig. 11: Fig. 11a) shows the charge impulse originating from seismic mass ₀ Fig. 11 b) _{That originating from cover plate 104. Fig. 0} 11 c) shows the addition of the impulses from Fmg ₀ 11 a ) and b), while FIG. 11 d) shows the addition after interconnection, which corresponds to the pulse according to FIG. It is thus achieved that an acceleration transducer can be built whose output signal is completely independent of the

C* spannung des Kristallpakets ist, immer unter der Voraussetzung gleicher absoluter Empfindlichkeit der beiden Kristallpaketeο Je starrer das Gehäuse gebaut ist, um so gleichmäßiger beteiligen sich beide Kristallpakete . am Signalausgange Zudem ist die kraftkompensierende γ Wirkung ebenfalls völlig unabhängig von der Größen- -^ 1" ', Ordnung der Vorspannung, da jede Krafteinwirkung voll- -" ^, ständig kompensiert wird. Es ist aus diesen Darlegungen ;;ο>£" ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Beschleunigungs- ; ν'""- Meßwandler nunmehr lediglich Beschleunigungen mißt und unbeeinflußt von Krafteinwirkungen ist, im Gegensatz dazu wie dies an einem handelsüblichen Meßwandler geteigt werden soll,.C * is the voltage of the crystal package, always assuming the same absolute sensitivity of the two Crystal packages o The more rigid the housing is, the more evenly both crystal packages participate . at the signal output In addition, the force-compensating γ effect is also completely independent of the size - ^ 1 "', order of the preload, since every action of force is fully - "^, is constantly being compensated. It is from these explanations ;; ο> £ "it can be seen that the acceleration according to the invention ; ν '"" - transducer now only measures accelerations and is unaffected by the effects of force, in contrast to how it is made up of a commercially available transducer shall be,.

In Fig. 12 ist ein handelsüblicher Meßwandler gezeigt j bestehend aus dem Gehäuse 121, dem Kristallpaket 122, der Masse 123, der Vorspannfeder 124 und der Montageschraube 125· Wirkt nun ein Kraftimpuls P^, sei es durch Temperaturschock, Schalldruck etc. via Montageschraube 125 auf die Vorspannfeder 124, so ergibt sich ein negativer Signalimpuls entsprechend Fig. 13, und zwar istIn Fig. 12 a commercially available transducer is shown j consisting of the housing 121, the crystal package 122, the mass 123, the pretensioning spring 124 and the mounting screw 125 · If a force pulse P ^ now acts, be it through Temperature shock, sound pressure etc. via mounting screw 125 on the preload spring 124, the result is a negative one Signal pulse corresponding to FIG. 13, namely

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daran die gesamte Empfindlichkeit des ganzen Kristallpaketes "beteiligt· Wirkt nun andererseits ein Beschleunigungsimpuls b entsprechend Fig* 14 auf die Meßunterlage 140, so wird die Masse 141 durch die Kraft P » & · "b gegen die Vprspannfeder 144 und Montageschraube 145 ge-the entire sensitivity of the entire crystal package is involved in this. On the other hand, an acceleration pulse acts b according to Fig. 14 on the measuring pad 140, the mass 141 is determined by the force P »& ·" b against the tension spring 144 and mounting screw 145

' drückt. Durch die Lageveränderung s wird die Masse 141 angehoben und der Kristallsatz 142 entlaotet· Dadurch entsteht am Ausgang entsprechend Fig. 15 ein positives'presses. The change in position s makes the mass 141 raised and the crystal set 142 deflated · thereby a positive occurs at the output according to FIG. 15

■ Signal, das Meßsignal. Aus des Vergleich der Fig* 12 O und 14 ist somit ersichtlich, daß am Ausgang eines■ Signal, the measurement signal. From the comparison of Fig. 12 O and 14 can thus be seen that at the output of a

solchen Meßwandlers nicht mehr unterschieden werden kann, ob das Signal durch Kräfteinwirkung oder Beschleunigungseinwirkung entstanden ist, was in vielen Fällen völlig unbefriedigende Eesultate ergibt,Such a transducer can no longer distinguish whether the signal is due to the action of forces or the action of acceleration has arisen, which in many cases gives completely unsatisfactory results,

Nachdem die Funktionsweise der Erfindung dargestellt F wurde, sollen noch wenige Anwendungsgebiete angeführt . werden.After the mode of operation of the invention has been illustrated F, a few areas of application are to be cited . will.

; - ^e .Fig· 16 zeigt eine Kombination eines erfindungsgeiaäßen; - ^e .Fig · 16 shows a combination of an inventive

- .· _ft Beschleunigungs-Meßwandlers mit einem piezoelektrischen Λ j - ;" Kraftmeßwandler in Serie geschaltet» Solche Anordnungen ~ - » werden in S chwingungsunt er suchen zu Impedanzmessungen ' —, " > ', ^: f-benötigt· Sie besteht aus dem starren Gehäuse 161, den beiden Kristallsätzen 162, der Masse 163, dem kraftmessenden Eristallsatz 164 und der Druckplatte 165· Die Gehäusewand 166 des Kraftmeßsatzes ist sehr elastisch gehalten damit ein möglichst großer Teil der zu messenden Kraft über den Kristallsatz 164 geleitet wird. Dessen Ausgang wird mit dem Stecker 167 verbunden, währenddem die. - · _ft acceleration transducer with a piezoelectric Λ j -; "load cell in series" Such arrangements ~ - "are in S he chwingungsunt looking for impedance measurements' -, '>', ^f-needed · It consists of the rigid Housing 161, the two crystal sets 162, the mass 163, the force-measuring crystal set 164 and the pressure plate 165.The housing wall 166 of the force-measuring set is kept very elastic so that the largest possible part of the force to be measured is passed over the crystal set 164. Its output is connected to connector 167, while the

Beschleunigungs-Kristallsatze 162 mit dem Stecker 168 verbunden sind. Die Einheit gestattet Montage in einem "bewegenden System und erlaubt einwandfreie Trennung der Messung von Kraft und Beschleunigung desselben.Acceleration crystal sets 162 with connector 168 are connected. The unit allows assembly in a "moving system" and allows proper separation of the Measurement of force and acceleration of the same.

Eine weitere interessante Anwendung ist in Fig. iy gezeigt, wo die Erfindung als Prüfstandard für handelsübliche Beschleunigungs-Meßwandler verwendet werden kann. Sie besteht wiederum aus ©inem starren Gehäuse 171. welche auf eine schwingende Unterlage 170 montiert werden kann» Auf der Deckplatte 172 ist ein handelsüblicher Beschleuiiigungs-Meßwandler 173 kraftschlüssig verbunden Kontiert· Die ganze Einheit wird nun auf einen handelsüblichen Vibrator montiert und die beiden Signale werden nun verglichen· Durch die völlig Kraftunempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Wandlers ergibt sich ein geeigneter Prüfstandard für Kalibrierung von Beschleunigungs-Meßwandlera jeder Art.Another interesting application is shown in Fig. Iy, where the invention as a test standard for commercial Acceleration transducers can be used. It in turn consists of a rigid housing 171. which are mounted on a vibrating base 170 A commercially available acceleration transducer 173 is positively connected to the cover plate 172 Accounted · The whole unit is now mounted on a commercially available vibrator and the two signals are now compared · By being completely insensitive to force the transducer according to the invention results in a suitable test standard for calibration of acceleration transducers every kind.

In Fig. 18 ist ein erfindungs gemäß ejb Wandler gezeigt, der als Einbauelement in beliebige bewegliche Systeme geeignet ist. Er besteht aus den beiden symmetrischen Körperhälften 181 und 182, die in der Mitte nach bekannten Verfahren zusammengeschweißt oder geschraubt -sein können und zwischen ihren Druckflächen 183 und 184 die erfindungsgemäße Kristallanordnung aufweisen. Die beiden Kristallsätze sind mit dem Ausgang 185 verbunden· Durch die Möglichkeit der völlig kraftschlüssigen Anordnung der Verbindungsteile 181 und 182 ergibt sich nun der große Vorteil, daß eintretende Körperschallwellen P unbehindert durch den Meßwandler durch-In Fig. 18 a fiction according to ejb converter is shown, the is suitable as a built-in element in any movable system. It consists of the two symmetrical ones Body halves 181 and 182 welded or screwed together in the middle by known methods -can be and have the crystal arrangement according to the invention between their pressure surfaces 183 and 184. The two crystal sets are connected to the output 185 · By the possibility of completely non-positive Arrangement of the connecting parts 181 and 182 now results in the great advantage that structure-borne sound waves that occur P through the transducer unhindered

• 4 ö ( • 4 ö (

treten können und am anderen Ende in das Verbindungsglied 187 weitergeleitet werden. Würde statt des erfindungsgemäßen ein handelsüblicher Wandler so eingebaut, so würde eine im Eingangsglied 186 eintreffende Körperschallwelle an der Masse reflektiert was zu unangenehmen Signalstörungen, führen kann. Die erfindungsgemäße Ausführung gestattet zudem unbehinderte Kraftübertragung über den eingebauten Meßwandler ohne zu befürchten, daß dadurch das Meßsignal verändert würde.can step and at the other end in the connecting link 187 to be forwarded. If, instead of the one according to the invention, a commercially available converter were installed, a structure-borne sound wave arriving in the input element 186 would be reflected on the ground, which is too unpleasant Signal interference. The design according to the invention also allows unimpeded power transmission via the built-in transducer without fear of changing the measuring signal.

In I*ig. 19 sind die Verhältnisse dargestellt, wenn eine Körperschallwelle mit steilem Druckanstieg and der Amplitude P in den Meßwandler einläuft mit der Geschwindigkeit v. Bei Auftreffen auf den ersten -kristall sat ζ entsteht ein positiver Signalimpuls, der nach Durchlauf durch den zweiten Kristallsatz wieder auf den Wert Null abgebaut wird«, Je kurzer nun die Distanz zwiachen den beiden Kristallsätzen gestaltet werden kann, um so geringer ist die Störung, die noch durch Körperschallwellen erzeugt werden könneno Ein Wandler nach diesem Gedanken ist in Fig. 20 dargestellt. Darin sind wiederum zwei Anschlußstücke 200 und 205 vorgesehen, welche mit den symmetrischen Teilen 201 und 204· verbunden sind* Die aktive seismische Masse 203 ist schwtingradförmig ausgebildet mit möglichst dünner Flanschpartie zwischen den Kristallsätzen 202 und 206, damit die beiden sich aufhebenden Impulse zeitlich möglichst nahe zusammenliegen.In I * ig. 19 shows the relationships when a Structure-borne sound wave with a steep rise in pressure on the The amplitude P enters the transducer at the speed v. When hitting the first crystal sat ζ a positive signal pulse is generated, which returns to zero after passing through the second set of crystals is reduced «, the shorter the distance between the Both crystal sets can be designed, the less is the disturbance caused by structure-borne sound waves A converter according to this idea is shown in FIG. There are again two connectors 200 and 205 are provided, which with the symmetrical parts 201 and 204 · are connected * The active seismic mass 203 is shaped like a vibrating wheel with the thinnest possible flange between the crystal sets 202 and 206, so that the two cancel each other out Pulses are as close together in time as possible.

Ein durchlaufender Druckimpuls ist in Fig, 19 a) dargestellt, mit der Amplitude ρ und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit v. Fig. 19 t>) zeigt den positiven Signal-A pressure pulse passing through is shown in FIG. 19 a), with the amplitude ρ and the speed of propagation v. Fig. 19 t>) shows the positive signal

IS III«IS III "

impuls des Kristallsatzes 188 währenddem Figo 19 c) den um die Zeit T = ? verschobenen, negativen Signalimpuls des Kristallsatzes 189 zeigte Fig. 19 d) gibt das am Ausgang 185 registrierte Signal wieder_o momentum of crystal set 188 during Figo 19 c) the time T =? 19 d) shows the signal registered at output 185 again _o

Wird nun die Flanschpartie X der seismischen Masse zwischen den Kristallsätzen entsprechend Fig. 20 etwa 2 mm gewählt, so beträgt der zeitliche Unterschied T (Fig. 19 d) größenordnungsmäßig 1 Mikrosekunde, was ohne Schwierigkeiten ausgefiltert werden kann«.If now the flange part X of the seismic mass between the crystal sets according to FIG If 2 mm is selected, the time difference T (FIG. 19 d) is of the order of 1 microsecond, what can be filtered out without difficulty «.

Die Erfindung ermöglicht somit die wirtschaftliche Herstellung von kraftkompensierten Beschleunigungs-Meßwandlern, welche zu bedeutenden Verbesserungen in der Meßtechnik führen wird, da die Erfindung gestattet, Beschleunigungs- und Krafteinflüsse an bewegenden Systemen getrennt zu erfassen. Zudem sind auch die sonst sehr gefürchteten Temperaturschockeinflüsse von axißen praktisch eliminiert» da die dadurch hervorgerufenen Vorspannungsänderungen durch die eingebaute Kraftkompensation wirkungslos auf das Aus gangs signal werden* Ferner ermöglicht die Erfindung ganz neue Konstruktionsformen von Beschleunigungs-Meßwandlern, die als Einbauglieder in Bewegungsübertragungsorgane vorgesehen werden können und völlig kraftschlüssige Verbindungen gestatten, die praktisch keine Veränderung der Elastizität der Verbindung erbringen« Zudem ermöglicht die Erfindung auch ganz neue Kombinationen von Beschleunigungs- und Kraftmeßgeräten, welche wiederum völlig kraftschlüssig sein können und in beliebige Systeme eingebaut werden. EndlichThe invention thus enables the economical production of force-compensated acceleration transducers, which will lead to significant improvements in measurement technology, since the invention allows acceleration and force influences on moving systems to be recorded separately. In addition, they are otherwise very dreaded temperature shock influences from axißen practical »because the resulting changes in preload are eliminated by the built-in force compensation will have no effect on the output signal * Furthermore The invention enables completely new forms of construction of acceleration transducers, which are used as built-in members can be provided in motion transmission organs and completely non-positive connections allow practically no change in the elasticity of the connection provide «In addition, the invention also enables completely new combinations of acceleration and force measuring devices, which in turn can be completely non-positive and can be built into any system. Finally

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ermöglicht die Erfindung auch Beschleunigungs-Meßgsräte, "bei denen die sehr unbeliebten Körperschallwellen praktisch unbehindert durch die Meßwandler durchlaufen können und keine nennenswerte Störsignale hervorrufen. Dies ist insbesondere der EaIl, wenn die Masse schwungradförmig ausgebildet ist und die Partie zwischen den ,Kristallgruppen möglichst dünn ist.the invention also enables acceleration measuring devices, "where the very unpopular structure-borne sound waves come in handy can pass through the transducers unhindered and do not cause any significant interfering signals. this is especially the EaIl when the mass is flywheel-shaped and the part between the , Crystal groups is as thin as possible.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für den Einbau von allen Arten von piezoelektrischen Materialien, sowohl künstlicher als auch natürlicher· S5,e ist aber nicht auf piezoelektrische Mittel beschränkt, da sie ebensogut für alle anderen Meßsysteme angewendet werden kann, bei denBn die beschleunigungsmessung über eine Kraftmessung erfolgt.The invention is particularly suitable for the incorporation of all types of piezoelectric materials, both artificial as well as natural · S5, but e is not open Piezoelectric means limited, since they can be used just as well for all other measuring systems DenBn the acceleration measurement via a force measurement he follows.

In den beschriebenen Beispielen wurden durchwegs auf die Gegenpoligkeit der beiden Kristallpakete Weit gelegt. Die Erfindung ist aber auch auf Fälle anwendbar, wo gleichgepolte Meßzellen von Vorteil sind und wo die Signale der beiden Meßzellen zusammengeschaltet oder aber auch einzeln aus dem Wandler herausgeführt werden können_e Sie gestattet auch durch Anwendung einfacher Mittel sehr wirtschaftliche hoehpräsise Meßinstrumente herzustellen, di alle kostspieligen Konstruktionen Vorsorgen zur Reduzierung von Krafteinflussen waren, die mit einem Schlag überflüssig werden durch die Kraftkompensation, welche die Übel an der Wurzel erfaßt.In the examples described, the opposing polarity of the two crystal packages was consistently emphasized. The invention can also be used in cases where measuring cells with the same polarity are advantageous and where the signals of the two measuring cells can be interconnected or individually passed out of the transducer _e it also allows the use of simple means to produce very economical high-precision measuring instruments, which are all expensive Constructions Provisions were made to reduce the influence of forces, which suddenly become superfluous due to the force compensation, which records the evils at the root.

Claims (1)

Az.: K 56 Ή1/42 ο Gbm Stuttgart, 10. Oktober 1969 Aim.: Kistler Instrumente AG P 1525 Hgm X/kgRef .: K 56 Ή1 / 42 ο Gbm Stuttgart, October 10, 1969 Aim .: Kistler Instrumente AG P 1525 Hgm X / kg SchutζansprüeheProtection claims 1„ Beschleunigungs- und Schwingungsmeßwandler mit einer seismischen Masse, die in Meßrichtung zwischen zwei aus Kraftmeßelementen "bestehenden Kraftmeßsystemen angeordnet ist, deren Anschlüsse getrennt herausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die1 "Accelerometer and vibration transducer with a seismic mass, which is located in the measuring direction between two force measuring systems consisting of force measuring elements is arranged, the connections of which are led out separately, characterized in that the _v seismische Masse (33) unmiiitelbar innen an der Wand eines Gehäuses (41) formschlüssig anliegt und nur in Meßrichtung bewegbar ist, und daß das aus Kraftmeßelementen (32, 34) und seismischer Masse (33) bestehende Paket in dem Gehäuse (41) unter sehr hoher mechanischer in Meßrichtung verlaufender Vorspannung steht. _v seismic mass (33) in a form-fitting manner on the inside of the wall of a housing (41) and can only be moved in the measuring direction, and that the package consisting of force measuring elements (32, 34) and seismic mass (33) in the housing (41) is below very high mechanical prestress running in the measuring direction. 2. Meßwandl?r nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die zu beiden Enden der seismischen Masse (33) angeordneten Kraftelemente (32, 34) mit je für sich getrennten Signalleitungen versehen sind.2. Messwandl? R according to claim I _1, characterized in that the force elements (32, 34) arranged at both ends of the seismic mass (33) are each provided with separate signal lines. 3. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens je eine der Signalleitungen jedes der zu beiden Enden der seismischen Masse (33) angeordneten Kraftmeßelemente (32, 34) innerhalb des Wandlergehäuses miteinander verbunden sind.3. A transducer according to claim 1, characterized in that at least one of the signal lines each the force measuring elements (32, 34) arranged at both ends of the seismic mass (33) within of the converter housing are connected to one another. 4e Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßelemente (32, 34) gleiche Abmessungen und gleiche Materialkonstanten aufweisen.4e transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the two measuring elements (32, 34) have the same dimensions and the same material constants exhibit. fifi Λ A ß «y Λ fifi Λ A ß «y Λ ft * · · · ft ve lflft * · · · ft ve lfl » ro··« · ι»Ro ··« · ι 5» Meßwandler nach, einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im gleichen Gehäuse (161) zusätzlich ein Kraftmeßelement (164) untergebracht ist, wobei jedes Meßelement mit eigenen Signalleitungen versehen ist.5 »transducer according to one of the preceding claims, characterized in that a force measuring element (164) is additionally accommodated in the same housing (161) is, each measuring element with its own signal lines is provided. 6. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er als Kalibäerstandard (171) ausgebildet und mit einer Befestigung für Prüfmeßwandler (173) versehen und das ganze System auf einem Vibrator aufgebaut ist.6. transducer according to one of claims 1 "to 4, characterized characterized in that it is designed as a calibration standard (171) and has a fastening for test transducers (173) and the whole system is built on a vibrator. 7· Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse samt Inhalt zum Einbau zwischen zwei Verbindungsglieder (186, 187) symmetrisch gestaltet ist zu einer Ebene, auf der die Meßrichtung senkrecht steht.7 · Measuring transducer according to one of Claims 1 to 4, characterized characterized in that the housing and its contents for installation between two connecting links (186, 187) is designed symmetrically to a plane on which the measuring direction is perpendicular. 8. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (203) zwischen den Kristallsätzen (202 und 206) in Meßrichtung möglichst dünE. ausgebildet und die für das Beschleunigungssignal nötige Masse (203) schwungradförmig um die Meßzellen angeordnet ist.8. transducer according to one of claims 1 to 4 and 7, characterized in that the mass (203) between the crystal sets (202 and 206) as thin as possible in the measuring direction. designed and for the acceleration signal required mass (203) flywheel-shaped is arranged around the measuring cells. «a«>>»« au uen uDiicnen freisen geliefert«A« >> »« delivered outside and outside free 6ßO4676PO467