DE1243895B

DE1243895B - Electromechanical measuring transducers for measuring a force, in particular for use as an accelerometer

Info

Publication number: DE1243895B
Application number: DEL42453A
Authority: DE
Inventors: Harold F Erdley
Original assignee: Litton Industries Inc
Current assignee: Litton Industries Inc
Priority date: 1961-07-14
Filing date: 1962-07-13
Publication date: 1967-07-06

Description

Elektromechanischer Meßumformer zur Messung einer Kraft, insbesondere zur Verwendung als Beschleunigungsmesser Es sind elektromechanische Meßumformer zur Messung einer Kraft, insbesondere zur Verwendung als Beschleunigungsmesser bekannt, die ein oder mehrere langgestreckte Schwingelemente besitzen, wobei jedes Schwingelement von einer Oszillatorschaltung mit seiner Eigenfrequenz in Schwingungen versetzt wird. Da die Eigenfrequenz von der Länge des Schwingelements abhängt, führen in Richtung der Längsachse desselben wirkende äußere Kräfte, die eine Längenänderung hervorrufen, zu Frequenzänderungen. Diese können in bekannter Weise gemessen werden und dienen als Maß der Beschleunigung.Electromechanical transducer for measuring a force, in particular for use as an accelerometer. They are electromechanical transducers for measuring a force, known in particular for use as an accelerometer, having one or more elongated vibrating elements, each vibrating element set in oscillation with its natural frequency by an oscillator circuit will. Since the natural frequency depends on the length of the vibrating element, lead in Direction of the longitudinal axis of the same acting external forces that cause a change in length cause frequency changes. These can be measured in a known manner and serve as a measure of acceleration.

Ein bekanntes Gerät dieser Art ist der Saitenbeschleunigungsmesser. Er beruht darauf, daß die Eigenfrequenz einer transversal schwingenden Saite von der Größe der axial gerichteten Spannung abhängt. In Richtung der Saitenachse gerichtete Beschleunigungen führen also zu einer Änderung der Saitenspannung und beeinflussen damit die Schwingfrequenz der Saite. Dieses Meßgerät hat jedoch verschiedene Nachteile. Einige derselben konnten dadurch beseitigt werden, daß zwei parallele Saiten verwendet werden, von denen die eine durch die zu. messende Kraft jeweils im gleichen Maße verkürzt wird, wie die andere verlängert wird. Auch diese Anordnung ist aber für die Anforderungen der Praxis noch nicht genau genug, und zwar insbesondere wegen der geringen Schwinggüte und Frequenzkonstanz. A well-known device of this type is the string accelerometer. It is based on the fact that the natural frequency of a transversely vibrating string of depends on the magnitude of the axially directed stress. Direction of the string axis Accelerations lead to a change in the string tension and influence it thus the vibration frequency of the string. However, this meter has several disadvantages. Some of these could be eliminated by using two parallel strings be, one of which by the to. measuring force in each case to the same extent is shortened as the other is lengthened. This arrangement is also for the requirements of practice are not yet precise enough, in particular because of the low vibration quality and frequency constancy.

Schwinggüte und Frequenzkonstanz sind bekanntlich bei stabförmigen Schwingern besser. So ist auch bereits ein elektromechanischer Meßumformer für die Messung von Beschleunigungen bekanntgeworden, der aus zwei transversal schwingenden Stäben besteht, die von einer gemeinsamen Unterstützungsstelle nach entgegengesetzten Richtungen weisen. Eine in Längsrichtung der beiden Stäbe wirkende Kraft sucht also den einen Stab zu verkürzen und den anderen zu verlängern. Der dadurch bedingte Frequenzunterschied wird gemessen und ist das Maß für die Beschleunigung. Die Anordnung ist allerdings in gewissem Ausmaße auch gegen Querbeschleunigungen empfindlich, wodurch die Präzision beeinträchtigt wird. Vibration quality and frequency constancy are known for rod-shaped Swing better. There is already an electromechanical transducer for the Measurement of accelerations became known from two transversely oscillating There is rods going from a common support point to opposite one Show directions. A force acting in the longitudinal direction of the two rods is therefore looking for to shorten one rod and lengthen the other. The one caused by it The frequency difference is measured and is the measure of the acceleration. The order however, it is also sensitive to lateral acceleration to a certain extent, thereby affecting the precision.

Aufgabe der Erfindung ist es, den zuletzt genannten Meßumformer hinsichtlich der Schwinggüte noch weiter zu verbessern und gegen Störeinflüsse unempfindlicher zu machen. The object of the invention is to provide the last-mentioned transmitter with regard to The vibration quality can be further improved and less sensitive to interference close.

Der erfindungsgemäße elektromechanische Meßumformer zur Messung einer Kraft, insbesondere zur Verwendung als Beschleunigungsmesser, mit einem oder mehreren - langgestreckten Schwingelementen, wobei jedes Schwingelement zwei schwingende Arme aufweist, die von einer Oszillatorschaltung mit ihrer Eigenfrequenz in Schwingungen um ihre Längsachse versetzt werden, so daß in Richtung der Längsachse wirkende äußere Kräfte zu Frequenzänderungen führen, ist dadurch gekennzeichnet, daß die zwei schwingenden Arme an ihren Enden miteinander verbunden sind, so daß jedes Schwingelement die Gestalt zweier mit den Stirnflächen ihrer Zinken verbundenen Stimmgabeln aufweist. The electromechanical transducer according to the invention for measuring a Power, especially for use as an accelerometer, with a or more - Elongated oscillating elements, each oscillating element having two oscillating ones Has arms that oscillate by an oscillator circuit with their natural frequency be offset about their longitudinal axis, so that acting in the direction of the longitudinal axis outer Forces lead to changes in frequency, is characterized in that the two oscillating Arms are connected to one another at their ends, so that each vibrating element the Has the shape of two tuning forks connected to the end faces of their prongs.

Vorzugsweise besteht das Schwingelement in an sich bekannter Weise aus einem oder zwei piezoelektrischen Kristallen. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Meßumformers. The oscillating element is preferably made in a manner known per se from one or two piezoelectric crystals. This creates a special simple structure of the transmitter according to the invention.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Some embodiments of the invention are given below described in the drawing.

Hierin ist F i g. 1 ein Schrägbild eines dreiachsigen Beschleunigungsmessers gemäß der Erfindung, Fig. 2 a und 2b Seiten- und Schrägansicht eines Wandlerelements gemäß der Erfindung, Fig. 3 das schematische Schaltbild eines im Zusammenhang mit der Erfindung geeigneten Oszillators, F i g. 4 ein Blockschaltbild einer Registriervorrichtung für einen Beschleunigungsmesser gemäß der Erfindung, F i g. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel eines dreiachsigen Beschleunigungsmessers gemäß der Erfindung, F i g. 6 ein Schrägbild eines abgeänderten Wandlerelements gemäß der Erfindung und F i g. 7 ein Schrägbild eines Wandlerelements, das zur Umwandlung von Analogwerten in Digitalwerte geeignet ist.Herein is F i g. 1 is an oblique view of a triaxial accelerometer according to the invention, FIGS. 2a and 2b side and oblique view of a transducer element according to the invention, Fig. 3 is the schematic circuit diagram of a in connection with oscillator suitable for the invention, F i g. 4 is a block diagram a registration device for an accelerometer according to the invention, F i g. 5 shows another embodiment of a three-axis accelerometer according to the invention, FIG. 6 is an oblique view of a modified transducer element according to the invention and FIG. 7 is an oblique view of a transducer element required for conversion from analog values to digital values is suitable.

Fig. 1 zeigt als Anwendungsbeispiel der Erfindung einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser, der die Beschleunigungen eines Gestells 10 in drei zueinander senkrechten Achsen X, Y und Z mißt. Der Beschleunigungsmesser enthält drei Paar Wandlerelemente 11 a und 11 b, 13 a und 13 b, 15 a und 15 b, die aus piezoelektrischem Material bestehen. Die Längsachsen der Wandlerelemente sind zu je zweien in den drei Koordinatenachsen angeordnet. Das eine Ende jedes Wandlerelementes ist starr mit dem Gestell 10 verbunden, während die anderen Enden der Elementella, 13 a und 15 a mit einer trägen Masse 17 verbunden sind. Ebenso sind die anderen Enden der Elemente laub, 13 b und 15 b mit einer zweiten trägen Masse 19 verbunden. Die effektive Masse der trägen Massen 17 und 19 ist gleich. Fig. 1 shows a three-axis as an example of application of the invention Accelerometer showing the accelerations of a frame 10 in three to one another vertical axes X, Y and Z. The accelerometer contains three pairs Transducer elements 11 a and 11 b, 13 a and 13 b, 15 a and 15 b, which consist of piezoelectric Material. The longitudinal axes of the transducer elements are two in each case arranged three coordinate axes. One end of each transducer element is rigid connected to the frame 10, while the other ends of the Elementella, 13 a and 15 a are connected to an inert mass 17. So are the other ends of the Elements leaves, 13 b and 15 b connected to a second inertial mass 19. The effective one The mass of the inertial masses 17 and 19 is the same.

Bei einer Beschleunigung längs einer der Bezugsachsen des Beschleunigungsmessers ergibt sich jeweils eine Druck- oder Zugkraft auf das Element a des betreffenden Paares und die entgegengesetzte Last auf das Element 6. Erfährt das Gestell 10 z. B. eine Beschleunigung längs der X-Achse in Richtung der oberen linken Ecke der Figur, so erfährt das Wandlerelement 13a einerx Druck in Achsrichtung und das Wandlerelement 13 b einen Zug in der gleichen Richtung. Aus der Änderung der Eigenfrequenz der beiden Wandlerelemente läßt sich in noch zu beschreibender Weise ein Signal ableiten, das unmittelbar proportional zur Beschleunigung ist. When accelerating along one of the accelerometer reference axes there is in each case a compressive or tensile force on the element a of the relevant Couple and the opposite load on the element 6. If the frame 10 z. B. an acceleration along the X-axis towards the upper left corner of the Figure, the transducer element 13a experiences a pressure in the axial direction and the transducer element 13 b a train in the same direction. From the change in the natural frequency of the a signal can be derived from both transducer elements in a manner to be described below, which is directly proportional to the acceleration.

Eines der sechs Wandlerelemente ist in-Fig.2a und 2b im einzelnen dargestellt. Es besteht aus zwei parallelen Stäben 21 und 23, die an ihren Enden miteinander verbunden sind. In der Nähe des einen Endes sind die Stäbe 21 und 23 seitlich mit einem leitenden überzug oder einem Blech 25 versehen, während die gegenüberliegende Seite des Stabes 23 einen Überzug bzw. ein Blech27 und die gegenüberliegende Seite des Stabes 21 einen Überzug 29 trägt. Die Überzüge 27 und 29 sind mit der einen Klemme eines Oszillators 31 verbunden, während der Überzug 25 an die andere Klemme desselben angeschlossen ist. One of the six transducer elements is shown in detail in FIGS. 2a and 2b shown. It consists of two parallel rods 21 and 23 at their ends are connected to each other. Near one end are the bars 21 and 23 laterally provided with a conductive coating or a sheet 25, while the opposite Side of the rod 23 a coating or a sheet 27 and the opposite side of the rod 21 has a coating 29. The coatings 27 and 29 are with one Terminal of an oscillator 31 is connected, while the coating 25 is connected to the other terminal connected to it.

Da die Wandlerelemente piezoelektrische Eigenschaften besitzen sollen, ergibt sich bei der Einwirkung einer elektrischen Schwingung eine modulierte Schubspannung auf die Stäbe, die sie zu mechanischen Schwingungen anregt. Wenn z. B. an der Elektrode 25 eine negative und an der Elektrode 29 eine positive Spannung vorhanden ist, so dehnt sich der Teil des Stabes 21 in der Nähe der Elektrode 25 und ruft eine mechanische Spannung in Richtung der oberen Pfeile hervor, während der Teil des Stabes 21 in der Nähe der Elektrode 29 sich zusammenzieht und dadurch eine Spannung in Richtung der unteren Pfeile hervorruft. Infolgedessen erleidet der Stab eine Schubspannung, die entsprechend der elektrischen Schwingung des Oszillators 31 sinusförmig schwankt. Da durch wird der Stab zu Querschwingungen angeregt, deren stärkste Auslenkung in seiner Mitte stattfindet, während an den Verbindungsstellen der beiden Stäbe Schwingungsknoten auftreten. Since the transducer elements should have piezoelectric properties, The effect of an electrical oscillation results in a modulated shear stress on the rods, which it stimulates mechanical vibrations. If z. B. on the electrode 25 a negative voltage and a positive voltage at the electrode 29 are present, so the part of the rod 21 near the electrode 25 expands and calls a mechanical Tension emerges in the direction of the upper arrows, while the part of the rod 21 in near the electrode 29 contracts and thereby a voltage in the direction the lower arrows. As a result, the rod suffers shear stress, which fluctuates sinusoidally in accordance with the electrical oscillation of the oscillator 31. As a result, the rod is excited to transverse vibrations, their greatest deflection in its center takes place, while nodes of vibration at the junctures of the two rods appear.

Betrachtet man die beiden Arme des Wandlerelementes zugleich, so sieht man, daß bei der Resonanzfrequenz beide Arme phasengleich nach außen und innen schwingen. Wegen der Verbindung der beiden Arme an den Knoten geht während jeder Schwingungsperiode nur wenig Energie verloren. Die Gestalt des Wandlerelementes ergibt also eine geringe Dämpfungskonstante und damit eine hohe mechanische Schwingungsgüte Q. Das ergibt sich auch daraus, daß das Wandlerelement Ähnlichkeit mit zwei an den Stirnflächen ihrer Zinken miteinander verbundenen Stimmgabeln hat. Bekanntlich hat eine Stimmgabel eine hohe mechanische Schwingungsgüte. If one considers the two arms of the transducer element at the same time, so one can see that at the resonance frequency both arms are outwardly and inwardly in phase swing. Because of the connection of the two arms to the knot goes during each Period of oscillation only lost a little energy. The shape of the transducer element thus results in a low damping constant and thus a high mechanical vibration quality Q. This also follows from the fact that the transducer element is similar to two on the The end faces of their prongs have interconnected tuning forks. As is well known, has a tuning fork has a high mechanical vibration quality.

Infolge der hohen Schwingungsgüte schwingt das Wandlerelement mit großer Genauigkeit bei seiner Eigenfrequenz, solange diese nicht durch ein äußeres Ereignis, wie das Auftreten einer Vorspannung in Längsachse des Elementes, geändert wird. Beim Vorhandensein einer solchen Vorspannung ändert sich bekanntlich die Schwingfrequenz im gleichen Ausmaß wie die Größe der Vorspannung, wobei das Vorzeichen der Frequenzänderung von der Richtung der Vorspannung bzw. der entsprechenden Beschleunigung abhängt. As a result of the high vibration quality, the transducer element also vibrates great accuracy in its natural frequency, as long as this is not due to an external Event, such as the occurrence of a prestress in the longitudinal axis of the element, changed will. It is known that the oscillation frequency changes when such a bias is present to the same extent as the magnitude of the bias, with the sign of the frequency change depends on the direction of the preload or the corresponding acceleration.

Zur Anregung des Wandlerelementes kann jeder beliebige kristallgesteuerte Oszillator dienen. Ein bekanntes Beispiel eines solchen ist in F i g. 3 gezeigt. Any crystal-controlled one can be used to excite the transducer element Serve an oscillator. A well-known example of this is shown in FIG. 3 shown.

Er ist z. B. mit Transistoren bestückt. Das Wandlerelement liegt hierbei in einer Brückenschaltung. Es wird nicht nur vom Oszillator zur Schwingung angeregt, sondern bestimmt auch die Schwingungsfrequenz des Oszillators und damit die Frequenz des Ausgangssignals. Der Oszillator ist stets auf die gleiche Frequenz wie das Wandlerelement abgestimmt, so daß das Ausgangssignal des Oszillators ein Maß für die Beschleunigung des Wandlerelementes darstellt.He is z. B. equipped with transistors. The transducer element lies here in a bridge circuit. It is not only excited to vibrate by the oscillator, but also determines the oscillation frequency of the oscillator and thus the frequency of the output signal. The oscillator is always at the same frequency as the transducer element matched so that the output signal of the oscillator is a measure of the acceleration represents the transducer element.

Es kann gezeigt werden, daß die Eigenfrequenz der erfindungsgemäßen Wandlerelemente in folgender Weise von der Vorspannung in Achsenrichtung und damit von der Beschleunigung abhängt: Wenn w0 die übereinstimmende Schwingfrequenz der Wandlerelemente eines Paars ohne das Vorhandensein von Vorspannungen, w1 die Schwingfrequenz bei einer bestimmten Druckspannung und w2 die Schwingfrequenz bei einer gleich großen Zugspannung ist, während S die eingeprägte Axialkraft und K eine Materialkonstante ist, so gilt: w12 = w02 - KS; (1) W22 = Wo2 + RS; (2) daraus folgt: 2KS (W2 W2 = (w2 + W1) (3) Es zeigt sich also, daß die Differenz der Schwingfrequenzen der beiden Wandlerelemente unmittelbar proportional zur axialen Beschleunigungskraft S und umgekehrt proportional zur Summenfrequenz (w2+wl) ist. Baut man den Beschleunigungsmesser so auf, daß die Summenfrequenz (w2+w) im ganzen Bereich der auftretenden Beschleunigungen konstant ist, so wird die Differenzfrequenz (w1 - w2) stets proportional zur Axialbeschleunigung sein. It can be shown that the natural frequency of the invention Transducer elements in the following way from the bias in the axial direction and thus depends on the acceleration: If w0 is the corresponding oscillation frequency of Transducer elements of a pair without the presence of biases, w1 the oscillation frequency at a certain compressive stress and w2 the oscillation frequency at an equally large one Tensile stress, while S is the applied axial force and K is a material constant is, then: w12 = w02 - KS; (1) W22 = Wo2 + RS; (2) it follows: 2KS (W2 W2 = (w2 + W1) (3) So it turns out that the difference in the oscillation frequencies of the two Converter elements directly proportional to the axial acceleration force S and is inversely proportional to the sum frequency (w2 + wl). Build the accelerometer so that the sum frequency (w2 + w) in the whole range of the occurring accelerations is constant, the difference frequency (w1 - w2) is always proportional to the axial acceleration be.

Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer Meßvorrichtung, mit deren Hilfe dies durchzuführen ist. Die beiden Wandlerelemente einer Bezugsachse befinden sich in einer Gegenkopplungsschleife, die die Summe (w1 + w2) stets auf einen konstanten Wert einregelt, so daß die Differenzfrequenz (w1-w2) unmittelbar proportional zur Axialbeschleunigung bleibt. Zur Registrierung der Beschleunigungswerte dient eine Subtraktionsvorrichtung 36, die den Wert (w1- w2) bildet und an die ein Zähler 38 angeschlossen ist. Dieser wird periodisch durch die Rückstellvorrichtung 40 zurückgestellt und unmittelbar vorher abgelesen. Fig. 4 shows the block diagram of a measuring device with which Help to carry this out. The two transducer elements are located on a reference axis is in a negative feedback loop, the sum (w1 + w2) always on a constant Value adjusts so that the difference frequency (w1-w2) is directly proportional to the Axial acceleration remains. A Subtraction device 36 which forms the value (w1-w2) and to which a counter 38 connected. This is reset periodically by the reset device 40 and read off immediately beforehand.

Das Ablesungsergebnis ist jeweils proportional zur herrschenden Axialbeschleunigung.The reading result is proportional to the prevailing axial acceleration.

Die Oszillatoren31a und 31b für die beiden zusammengehörigen Wandlerelemente 11 a und 11 b (dasselbe gilt für die entsprechenden Wandlerelemente 13 a und 13 b bzw. 15 a und 15b) liefern die Ausgangsfrequenzen w1 und w2, welche der jeweiligen Eigenfrequenz der Wandlerelemente entsprechen. Die Ausgangssignale werden einem Addierwerk 33 zugeführt, das ein Signal mit der Summenfrequenz (w1 + w) erzeugt. Dieses wird einer Vergleichsschaltung 35 zugeführt. Die Vergleichsschaltung 35 vergleicht die Summenfrequenz (w,+w,) mit einer Bezugsfrequenz 2wo, das von einem festen Oszillator 42 geliefert wird. Die Frequenzabweichung A w wird einem Verstärker 37 zugeführt und dann auf eine Stellvorrichtung 39 gegeben, welche Zug- oder Druckkräfte derart auf die beiden Wandler 11 a und 11 b aufprägt, daß ihre Eigenfrequenzen sich so lange verändern, bis (w1 + w2) mit der Vergleichsfrequenz 2w, übereinstimmt. The oscillators 31a and 31b for the two associated transducer elements 11 a and 11 b (the same applies to the corresponding transducer elements 13 a and 13 b or 15 a and 15 b) provide the output frequencies w1 and w2, which of the respective Corresponding to the natural frequency of the transducer elements. The output signals are a Adder 33 is supplied, which generates a signal with the sum frequency (w1 + w). This is fed to a comparison circuit 35. The comparison circuit 35 compares the sum frequency (w, + w,) with a reference frequency 2wo, that of a fixed oscillator 42 is delivered. The frequency deviation A w is fed to an amplifier 37 and then given to an adjusting device 39, which tensile or compressive forces such on the two transducers 11 a and 11 b impresses that their natural frequencies are so Change for a long time until (w1 + w2) matches the comparison frequency 2w.

Die Stellvorrichtung 39 kann in an sich bekannter Weise aufgebaut sein. Sie besteht z. B. aus einem Elektromagneten, der einen mit den beiden Wandlerelementen verbundenen magnetischen Anker anzieht bzw. abstößt. Dabei ist zu beachten, daß beide Wandlerelemente zur Regelung die gleiche Vorbelastung erfahren sollen. Sie müssen also gleichzeitig einer Druckspannung bzw. einer Zugspannung unterworfen werden, um die gewünschte Kompensation zu erreichen. The adjusting device 39 can be constructed in a manner known per se be. It consists z. B. from an electromagnet, the one with the two transducer elements connected magnetic armature attracts or repels. It should be noted that both converter elements should experience the same preload for regulation. she must therefore be subjected to a compressive stress or a tensile stress at the same time to achieve the desired compensation.

Bei dem Beschleunigungsmesser nach Fig. 1 ist nun für jede der drei Achsen eine Meß- und Regelordnung gemäß Fig.4 vorgesehen. Infolge der Trägheit der großen Massen 17 und 19 führen Beschleunigungen des Gestells 10 zum Auftreten von Zug- und Druckkräften in Axialrichtung auf ein oder mehrere Wandlerelemente, die in der oben beschriebenen Weise gemessen werden. Am Zähler 38 wird für jede Achse ein digitales Signal abgenommen, dessen Zahlenwert der aufgetretenen Beschleunigung entspricht. Der Beschleunigungsmesser in Fig. 1 kann übrigens leicht zu einem Geschwindigkeitsmesser umgestaltet werden, indem einfach die periodische Rückstellung des Fehlers 38 weggelassen wird. Dann zeigt der Zähler jeweils eine Zahl, welche der Geschwindigkeit des Gestells 10 entspricht. In the accelerometer of FIG. 1, for each of the three Axes provided a measurement and control system according to Fig.4. As a result of the inertia of large masses 17 and 19 lead to accelerations of the frame 10 to the occurrence of Tensile and compressive forces in the axial direction on one or more transducer elements that can be measured in the manner described above. The counter 38 is used for each axis a digital signal picked up, the numerical value of which is the acceleration that has occurred is equivalent to. Incidentally, the accelerometer in Fig. 1 can easily be converted into a speedometer can be remodeled by simply omitting the periodic reset of error 38 will. Then the counter shows a number which indicates the speed of the frame 10 corresponds.

Die Anordnung nach Fig. 1 gestattet eine freie Bewegung der trägen Masse 17 und 19, so daß Abmessungsänderungen infolge von Temp eraturschwankungen zugelassen werden können. Wenn dagegen der Beschleunigungsmesser keinen wesentlichen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, so kann eine andere Ausführungsform eines Dreiachsenbeschleunigungsmessers gemäß F i g. 5 Verwendung finden. Diese Anordnung ist etwas vereinfacht, da nur eine träge Masse 17 vorhanden ist, die sich zwischen den Wandlerelementen jedes Paares befindet. The arrangement of Fig. 1 allows free movement of the sluggish Mass 17 and 19, so that dimensional changes due to temperature fluctuations can be admitted. If, on the other hand, the accelerometer is not significant Is exposed to temperature fluctuations, another embodiment of a Three-axis accelerometer according to FIG. 5 find use. This arrangement is a bit simplified, there only an inertial mass 17 is present, which is between the transducer elements of each pair.

Auch die Wandlerelemente selbst können anders ausgeführt sein als in Fig. 2 a und 2b dargestellt. So können sie z. B. statt aus einem Stück aus mehreren Teilen eines Kristallwerkstoffs wie Quarz bestehen und entsprechend F i g. 6 zusammengekittet sein. The converter elements themselves can also be designed differently than shown in Fig. 2a and 2b. So you can z. B. instead of one piece from several Parts of a crystal material such as quartz exist and according to FIG. 6 cemented together be.

Statt zur Beschleunigungsmessung können die erfindungsgemäßen Wandlerelemente auch für zahlreiche andere Aufgaben herangezogen werden. Dazu gehören z. B. Gewichtsmessung in einer Waage oder die Umwandlung eines Signals aus einem Analogwert in einen Digitalwert auf dem Umweg über eine Kraftmessung. Letztere Anwendung ist in Fig. 7 beispielsweise dargestellt. Hierbei sind zwei Wandlerelemente 51 a und 51 b so angeordnet, daß sie eine gemeinsame LängsachseB-B aufweisen. Sie sind starr an einer zwischen ihnen liegenden Masse 53 befestigt. Jede Bewegung der Masse 53 längs der Achse B-B ergibt also eine Druckbelastung des einen Wandlerelementes und eine gleich große Zugbelastung des anderen Elemenfes. Ferner ist ein Elektromagnet 55 unabhängig von der Masse 53 in der Nähe derselben angeordnet, so daß Relativbewegungen zwischen dem Elektromagneten und der Masse stattfinden können. Instead of measuring acceleration, the transducer elements according to the invention can also be used for numerous other tasks. These include B. Weight measurement in a scale or the conversion of a signal from an analog value to a digital value via a force measurement. The latter application is shown in FIG. 7, for example shown. Here, two transducer elements 51 a and 51 b are arranged so that they have a common longitudinal axis B-B. You're rigid with one between them lying mass 53 attached. Any movement of the mass 53 along the axis B-B results thus a pressure load on one transducer element and an equally large tensile load of the other element. Furthermore, an electromagnet 55 is independent of the mass 53 arranged in the vicinity of the same, so that relative movements between the electromagnet and the mass can take place.

Ist die Masse 53 selbst magnetisch, so wird sie bei Zuführung eines Analogsignals zum Elektromagneten 55 in Richtung der AchseB-B angezogen oder abgestoßen, wodurch sich entsprechende Zug- und Druckkräfte in den Wandlerelementen ergeben. Die dadurch hervorgerufene änderung der Eigenfrequenz der Wandlerelemente 51 a und 51 b kann mittels der Schaltung nach F i g. 4 in ein Digitalsignal umgewandelt werden, das dem eingegebenen Analogsignal entspricht. If the mass 53 itself is magnetic, it becomes when a Analog signal to the electromagnet 55 in the direction of the axis B-B attracted or repelled, which results in corresponding tensile and compressive forces in the transducer elements. The resulting change in the natural frequency of the transducer elements 51 a and 51 b can by means of the circuit according to FIG. 4 can be converted into a digital signal, which corresponds to the input analog signal.

Es ist auch der Aufbau einer Vorrichtung zur Umwandlung von Analog- in Digitalsignale unter Verwendung eines einzigen Wandlerelementes möglich. Hierbei müssen aber verschiedene Abänderungen in der Schaltung nach Fig. 4 vorgenommen werden, um die Proportionalität herbeizuführen. It is also the construction of a device for converting analog into digital signals using a single transducer element. Here but various changes must be made in the circuit of Fig. 4, to bring about proportionality.

Auch andere Abänderungen sind ohne weiteres denkbar, z. B. die Anbringung der Spule 55 auf der Masse 53 und eine unabhängige Aufhängung eines damit zusammenwirkenden Magneten.Other modifications are also easily conceivable, e.g. B. the attachment the coil 55 on the mass 53 and an independent suspension of a cooperating therewith Magnets.

Claims

Claims: 1. Electromechanical transducer for measuring a Force, particularly for use as an accelerometer, with one or more elongated oscillating elements, each oscillating element having two oscillating arms has, which oscillate by an oscillator circuit with its natural frequency be offset about their longitudinal axis, so that acting in the direction of the longitudinal axis outer Forces lead to changes in frequency, d u r c h g e - indicates that the two oscillating arms (21, 23) are connected at their ends so that each Oscillating element has the shape of two connected to the end faces of their prongs Has tuning forks.

2. Converter according to claim, characterized in that the vibrating element consists of one or two piezoelectric crystals.

3. Transmitter according to one of the preceding claims for measuring forces acting in a certain direction, characterized in that that two vibrating elements are coupled together in such a way that the force to be measured exerts a tension on one element and a pressure on the other element.

4. Converter according to claim 3, characterized by an evaluation circuit in which the magnitude of the force to be measured is measured as a function of the tensile and compressive load in that it impresses the vibrating elements with natural frequencies wl and w2 which express the expressions are equal, where w0 is the resonance frequency of the vibrating elements in the unloaded state, S represents the force to be measured and K is a constant of proportionality.

5. Converter according to claim 4, characterized in that the evaluation circuit compares the sum of the frequencies (w2 + wl) with a fixed reference frequency and the two Vibrating elements jointly impose such a compressive or tensile load, that the sum (w2 + wl) remains constant, so that the difference (w1 - w2) is immediate is proportional to the force to be measured.

6. Converter according to claim 5, characterized in that the load impressed on the transducers by means of an electromagnet and a magnetic armature will.

7. Converter according to one of the preceding claims, characterized in that that a counter measures the oscillation frequency of the oscillating element or elements and so one provides digital display for analog input signals.

Documents considered: German Patent No. 729 894; Swiss Patent No. 352165; British Patent No. 861,325; U.S. Patent No. 2928668.