DE1296433B - Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

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" Die Erfindung betrifft einen einachsigen digitalen Vorspannung benötigen, an Stelle von schwingenden Beschleunigungsmesser, bei dem zwei träge Massen Saiten kann die Gefahr der Kriechdehnung und der an einem Gehäuse gegen jede Bewegung senkrecht Temperaturbeeinflussung herabgesetzt werden. Bei zur empfindlichen Achse fixiert sind und jede der einer bekannten Anordnung zur Messung von BeMassen in einer anderen der beiden Axialrichtungen 5 schleunigungen führen von einem mittleren Gestell mit dem Gehäuse über zu Eigenschwingungen an- aus zu beidseitig eines Gestells befindlichen Massen regb'are Elemente verbunden ist, deren zu messende langgestreckte Schwingelemente, deren Eigenfrequenz Eigenfrequenzen sich mit mechanischer Bean- sich mit der von den Massen ausgehenden Trägheitsspruchung ändern. kraft meßbar ändert. Jedes dieser Elemente weist Es ist bereits ein Beschleunigungsmesser mit digi- 10 zwei schwingende Arme auf, die an ihren Enden talem Ausgangssignal bekannt, bei dem eine an ihrem miteinander verbunden sind und somit wie eine einen Ende mit einem Magneten versehene Zunge Stimmgabel gegenphasig und mit gleicher Amplitude auf ihrer Eigenfrequenz vibriert, die eine einfache schwingen. Jede der Massen wird am Gestell durch Funktion ihrer Trägheit, ihrer Federkonstanten und drei derartige rechtwinklig zueinander liegende Stimmihrer Beschleunigung längs einer Longitudinalachse 15 gabeln gehalten, um Beschleunigungen in jeder Richist. Die Zunge wird dadurch zu Resonanzschwingungen tung messen zu können. Auch bei einer solchen angeregt, daß die jeweilige Geschwindigkeit des Anordnung besteht die Gefahr, daß über das zentral vibrierenden Magneten am freien Ende der Zunge liegende Gestell die Frequenzen sich gegenseitig elektrisch gemessen und diese Größe einem Verstärker beeinflussen. Außerdem können bei Existenz mehrerer zugeführt wird, dessen Ausgangsstrom elektromagne- 20 empfindlicher Achsen und die dadurch notwendigen tischen Wicklungen zur Erzeugung von seitlich auf (wenn auch geringen) Freiheitsgrade der Massen die die Zunge wirkenden Kräften zugeführt wird. Da- Schwingelemente in Querrichtung und auf Biegung durch, daß zwei gleiche Zungen so einander entgegen- beansprucht werden, was zu einer unkontrollierten gerichtet angeordnet werden, daß sich in Abhängig- Veränderung der zu messenden Eigenfrequenzen keit von der Beschleunigung in Richtung der gemein- 25 fuhren kann.

samen Längsachse die Eigenfrequenz der einen Zunge Es ist auch bekannt, bei einachsigen Beschleunierhöht, während sich die der anderen vermindert, gungsmessern die träge Masse in zwei Massenteile ist es möglich, die beiden Ausgangssignale derart zu aufzuteilen, die durch eine Feder miteinander verkombinieren, daß die der Beschleunigung Null ent- bunden sind. Die beiden Massen sind durch eine sprechende Eigenfrequenz des Systems eliminiert und 30 besondere Aufhängung gegen jede Bewegung senkdie von Temperatureffekten herrührenden Abwei- recht zur empfindlichen Achse fixiert, und jede der chungen möglichst klein gemacht werden. Massen ist in einer anderen der beiden Axialrichtungen

Ein weiterer digitaler Beschleunigungsmesser mit dem Gehäuse über zu Eigenschwingungen anreganderer Bauart, der sich als genauer und zuverlässiger bare Elemente verbunden. Diese Elemente bestehen erwiesen hat, verwendet zwei schwingende Saiten, 35 jeweils aus einem am Gehäuse torsionselastisch die unter gleichen Anfangsspannungen stehen. Eine befestigten Speichenkreuz oder -stern, wobei die bestimmte geometrische Anordnung sorgt dafür, daß Enden der Speichen durch in Axialrichtung gespannte eine einachsige Beschleunigung die Spannung in Drähte mit der zugehörigen Masse verbunden sind, der einen Saite um den gleichen Betrag erhöht, um Die Zugspannung der Drähte bestimmt gleichzeitig den sie die Spannung in der anderen Saite vermindert. 40 mit der torsionselastischen Lagerung am Gehäuse Eine Anfangsspannung ist deswegen erforderlich, die Drehfederkonstante des Speichenkreuzes. Eine damit auch die Saite noch gestreckt bleibt, deren gewisse Anfangsspannung der Drähte wird durch Spannung durch die Beschleunigung vermindert wird. die zwischen den Massenteilen befindliche Feder Infolge der veränderten Spannungen nimmt die aufrechterhalten. Je nach Richtung und Stärke der Eigenfrequenz der einen Saite zu und die der anderen 45 auf die Massen wirkenden Trägheitskräfte werden ab. überlagert man die Schwingungen der beiden die Drähte mehr oder weniger angespannt, so daß Saiten zueinander, so ist die am Ausgang entstehende sich die Eigenfrequenzen der Torsionsschwingungen Überlagerungsfrequenz der auftretenden Beschleu- beider Speichenkreuze gegensinnig verändern. Durch nigung proportional, wobei Nichtlinearitäten erheb- Frequenzvergleich läßt sich somit eine der Träg-Iich vermindert werden. Da die Eigenfrequenz der 50 heitskraft proportionale Größe in digitaler Form beiden Saiten von der Größe der Anfangsspannung ermitteln. Eine solche Anordnung weist jedoch die abhängt, ist ein Beschleunigungsmesser dieser Bauart gleichen Nachteile wie ein Beschleunigungsmesser im Hinblick auf Kriechdehnungen und Temperatur- mit schwingenden Saiten auf. Wenn auch die Eigengradienten sehr unzulänglich. Infolge der Kriech- schwingungen der angespannten Drähte selbst nicht dehnung erlahmen die beiden Saiten im Laufe der 55 für das Meßergebnis ausschlaggebend sind, so trägt Zeit, so daß ihre Frequenzen absinken und eine ihre durch dauernde Anspannung hervorgerufene falsche Beschleunigung gemessen wird. Ein Tempe- Kriechdehnung doch zu einer schleichenden Verraturgradient innerhalb des Beschleunigungsmessers änderung der Drehfederkonstanten und somit zur Tührt zu relativen Verschiebungen zwischen dem Verfälschung der Beschleunigungsmessung bei. festen Gehäuse und den Saiten, was Änderungen in 60 Erfindungsgemäß werden die genannten Nachteile den Saitenspannungen zur Folge hat und ebenfalls bei einem Beschleunigungsmesser der eingangs beeine falsche Beschleunigung ergibt. Außerdem sind zeichneten Art dadurch vermieden, daß jede der bei diesem Beschleunigungsmesser die beiden Saiten beiden gleichen und voneinander getrennten trägen längs des tragenden Gehäuses hintereinander an- Massen mit dem Gehäuse über je ein Paar gleicher, geordnet, so daß sie dazu neigen, im Bereich kleiner f>s in Axialrichtung parallel verlaufender und zur empfind-Beschleunigung mit der gleichen Frequenz /u liehen Achse symmetrisch angeordneter Zungen verschwingen. bunden ist, die in an sich bekannter Weise gegen-

Bei Verwendung slabförmiger Schwinger, die keine phasig mit gleicher Amplitude schwingfähig sind.

Da die Zungen keine Vorspannung erfordern, kann auf eine die beiden Massenteile verbindende Spannfeder verzichtet werden, so daß die Zungenpaare unabhängig voneinander schwingen und kein »Mitziehen« der Frequenzen erfolgen kann, woraus sich ein größerer Gütefaktor der beiden schwingenden Systeme ergibt. Durch das Fehlen jeglicher Anfangsspannung wird eine Kriechdehnung der Zungen verhindert, und eine Beeinflussung des Meßergebnisses durch Temperaturschwankungen ist auch in Beschleunigungsbereichen von ungefähr gleich Null vernachlässigbar. Werden als Zungen Quarze verwendet, so erhält die Anordnung eine besonders gute Temperaturstabilität und eine geringe innere Dämpfung.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausfuhrungsbeispielen an Hand der Zeichnungen, in denen

F i g. 1 das Schema einer Anordnung mit vibrierenden Saiten ist,

F i g. 2 einen Schnitt durch einen digitalen Beschleunigungsmesser mit den erfindungsgemäßen Merkmalen wiedergibt,

F i g. 3 ein Querschnitt längs der Linie III-III der F i g. 2 ist,

F i g. 4 ein schematisches Schaltbild für den in F i g. 2 und 3 dargestellten Beschleunigungsmesser zeigt,

F i g. 5 eine perspektivische Seitenansicht des Beschleunigungsmessers in einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt,

F i g. 6 eine perspektivische Ansicht des in F i g. 5 gezeigten Beschleunigungsmessers von der rückwärtigen Seite her wiedergibt,

F i g. 7 eine Seitenansicht des Beschleunigungsmessers nach F i g. 5 ist,

Fig. 8 ein Schnitt entlang der Linie VIII-VIII der F i g. 7 ist,

F i g. 9 den Beschleunigungsmesser nach F i g. 8 von rechts zeigt,

F i g. 10 ein Schnitt entlang der Linie X-X der F i g. 8 ist,

F i g. 11 ein Schema der an den in F i g. 2 dargestellten tragen Massen angreifenden Kräfte wiedergibt,

Fig. 12 ein Diagramm der auf die Masse nach F i g. 11 einwirkenden Momente ist,

F i g. 13 die Biegung einer an beiden Enden eingespannten Zunge zeigt und

F i g. 14 das Schaltbild eines elektrischen Analogons für einen schwingenden Draht ist.

Bevor die in F i g. 2 bis 10 gezeigten Ausführungsbeispiele im einzelnen erklärt werden, sollen die theoretischen Grundlagen an Hand der schematischen Saitenanordnung nach F i g. 1 beschrieben werden. Die beiden Saiten S₁ und S₂ sind auf beiden Seiten eines zweiarmigen Hebels J angebracht und an der Wand V befestigt. Im Mittelpunkt des Hebels greift eine Feder t an, die auf die beiden Saiten einen Zug ausübt. An den beiden entgegengesetzten Enden des Hebels greifen in gleichem Abstand von dem gedachten Drehpunkt zwei gleich große Kräfte W an. Sie bilden also ein Kräftepaar, dessen resultierende Kraft in senkrechter Richtung 0 ist. Der Hebel J ist außerdem verhältnismäßig fest angeordnet und »fühlt« nur die Momente um den Drehpunkt. Daher kommt es, daß nicht nur die beiden Saiten S₁ und S₂ gleich sind, sondern auch trotz der auf sie einwirkenden Kräfte ihre Länge beibehalten, so daß für den vorliegenden Zweck ihre beiden Längen in jedem Fall gleichgesetzt werden können und der Fehler in der Längendifferenz vernachlässigbar ist.

Die Resonanzfrequenz einer Saite erhält man bekanntlich aus der Formel

AmL '

wobei T die Zugkraft in kp ist, m die Masse in kp see² cm"¹ (= Gewicht/Gravität) und L die Länge der Saite in Zentimeter ist. Außerdem ist

m = ρ · A_s · L ;

wobei ρ die Massendichte in kp see² cm ⁴ ist, A_s die Querschnittsfläche der Saite in Quadratzentimeter und L die Länge der Saite in Zentimeter ist. Da eine Änderung der Länge L der Saite vernachlässigt werden soll, kann der Faktor 1 dividiert durch AmL für einige Zwecke wie eine Kontante k behandelt werden. Solange die Kräfte W nach F i g. 1 Null sind, ist die Frequenz der beiden gleichen Saiten S₁ und S₂ unter dem Einfluß der Feder t die gleiche. Diese Anfangsfrequenz wird hier als Grundfrequenz J₀ bezeichnet. Die Zugkraft ist gleich der Spannung multipliziert mit der Querschnittsfläche, d. h.

— S₀ · /4,,

wobei S₀ die Spannung der Saiten S₁ und S₂ bei der Grundfrequenz J₀ ist. Ebenso ist auch

DT = DS

DS ist die Spannungsänderung, die durch eine Änderung der Zugkraft DT bewirkt wird.

Aus dem Vorhergehenden ergibt sich die Grundfrequenz

/0 =

Wirken auf den Hebel J die Kräfte W, so ändern sich die Zugkräfte in den Saiten S₁ und S₂, und es entstehen die Frequenzen

Js₁ = ]/k ■ (T₀ + DT)

und

Im folgenden soll zunächst nur die Frequenz f_Si betrachtet werden. Ersetzt man wieder die Konstante Zc-S₀, so ergibt sich

und unter Berücksichtigung von (2), (3) und (4)

y. (8)

woraus man durch Vereinfachung

fsi = Jr I ' ■ (So + DS)
erhält.

Aus (5) erhält man unter Berücksichtigung von (D, (2), (3)

Daraus ergibt sich

f -

ΎΤ

(10) und

Löst man diese Gleichung nach der Saitenlänge L auf, so ergibt sich

fi * /o

(10')

Setzt man (10') in (9) ein, so ergibt sich als Resonanzfrequenz der Saite S₁ bei der erhöhten Spannung

oder durch weitere Vereinfachung

1 +

DS

S₀ '

(H) (12 a)

Auf dieselbe Weise läßt sich auch die Resonanzfrequenz der Saite S₂ bei der verminderten Spannung berechnen als

f - f.\i\

JS2 — JO ' ^l

^DS

(12b)

Setzt man für die Änderung der Spannung bzw. der Zugkraft

χ —

DT

(13)

S₀ T₀

und für die veränderten Frequenzen

/si = ./i, + Df₃₁
und

Jsi = ίο- DJ_S2 , (14)

so erhält man für die Frequenzänderungen D/st = fo-[Vl+x-l): (15a)

Df₃₂ = Jo-(I -H -*)· (15b)

Aus (15a) und (15b) ergibt sich die Differenzfrequenz

Df = Dj_sl + Df_S2 = J₀-

(16)

Als Frequenzfehler definiert man die Differenz aus der genauen Frequenz und der angenäherten Frequenz. Berücksichtigt man ferner, daß unter der Annahme x² -« 1

± χ

(17)

ist. so erhält man aus (15a) die Frequenzänderung

Df_sl = '·,·./

(18) Das wichtige Merkmal der in F i g. 1 gezeigten Anordnung besteht darin, daß die schwingenden Saiten in einer vollkommenen Zug-Druck-Beziehung stehen. Für eine derartige Anordnung ist es selbstverständlich wesentlich, daß die Saiten ein hohes Q besitzen, d. h., daß sie nur geringe Hysteresisverluste aufweisen. Außer diesen Problemen gibt es eine Menge weiterer Faktoren, die im einzelnen an sich vernachlässigbar sind, in der Kombination jedoch Fehler verursachen. Die praktische Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß bei der in F i g. 1 gezeigten Zug-Druck-Anordnung diese kleineren Fehler verursachenden Faktoren dazu neigen, sich aufzuheben und daß eine hohe Genauigkeit erreicht werden kann. Auch der Einfluß von Temperaturänderungen gehört zu den Faktoren, die sich bis zu einem gewissen Grade herausheben. Bei Geräten mit vibrierenden Saiten muß jedoch eine von O verschiedene Anfangsspannung auch in Beschleunigungsbereichen von G = O vorhanden sein, damit nicht diejenige Saite, deren Spannung durch die auftretende Beschleunigung vermindert wird, einknickt. Infolge dieser Anfangsspannung ist das Gerät notwendigerweise stark temperaturempfindlich. Jede thermische Ausdehnung des tragenden Gehäuses oder der Saiten verändert das ursprüngliche Spannungsfeld und führt zu einer unerwünschten Frequenzänderung. Erfindungsgemäß wird diese starke Temperaturempfindlichkeit durch Verwendung einer Stimmgabel als schwingendes Element vermieden, die in Beschleunigungsbereichen G = O spannungslos ist. Außerdem ist eine Hebelanordnung vorgesehen, die Spannungsänderungen in der Stimmgabel in Abhängigkeit von der thermischen Ausdehnung oder Kontraktion des Gehäuses eliminiert.
In F i g. 2 und 3 ist ein die Erfindung verkörpernder Beschleunigungsmesser 20 dargestellt, der ein zylindrisches Gehäuse 22 mit Seitenwänden 24 und 26 umfaßt. Das Gehäuse besteht aus einem Material mit guter thermischer Stabilität, beispielsweise aus Quarz. Ein Paar träger Massen 28 und 30, die aus einem thermisch stabilen Metall von großem spezifischem Gewicht bestehen, ist in dem Gehäuse mittels mehrerer quer zur Achse verlaufender Stützen 32 und 34 koaxial aufgehängt. Jede der Stützen besteht aus einem dünnen Materialblatt, dessen inneres Ende direkt mit der Masse verbunden ist und deren Stützende 36 bzw. 38 zur festen Verklammerung an der Wand des Gehäuses 22 dient. Durch diese Konstruktion werden die Massen 28 und 30 gegen Bewegungen senkrecht zur Achse gehalten, können sich jedoch in Abhängigkeit von Beschleunigungskräften

in Richtung der Gehäuselängsachse, die im folgenden als empfindliche Achse bezeichnet werden soll, frei bewegen.

Ein Paar Zungen 40 und 42 ist zwischen der Seitenwand 24 des Gehäuses und der trägen Masse 28 festgeklemmt. Zur Erleichterung dieses Festklemmens dienen an den Enden der Zungen vorgesehene Stützoder Zwischenstücke 44 und 46. Ein zweites Paar

Zungen 48 und 50 ist in ähnlicher Weise zwischen der tragen Masse 30 und der Wand 26 mittels Zwischenstücken 52 und 54 festgeklemmt.

In dieser Ausführungsform besteht jede der Zungen aus einem sehr dünnen Streifen magnetisch permeablen Materials. Die Zungen 40 und 42 bilden eine Stimmgabel 56 und die Zungen 48 und 50 eine Stimmgabel 58; die beiden Gabeln können zu Schwingungen in ihrer Eigenfrequenz mit Spulen 60 bzw. 62 angeregt werden, die zwischen den Zungen jeder Gabel angeordnet sind und — wie weiter unten im einzelnen beschrieben werden soll — an einer Wechselspannung liegen. Ein Paar miteinander verbundener Meßspulen 64 und 66 ist in den Luftspalten zwischen den Enden der Spule 60 und den Zungen 40 bzw. 42 angeordnet. Ein gleiches Paar Meßspulen 68 und 70 befindet sich in dem Luftspalt zwischen der Spule 62 und den Zungen 48 bzw. 50. In jeder der Meßspulen wird eine Spannung induziert, die die gleiche Frequenz hat, mit der die benachbarte Zunge vibriert.

Bei dieser Bauweise werden die Zungen in Beschleunigungsbereichen von G=O durch die tragen Massen 28 und 30 nicht gespannt. Wird jedoch das Gerät 20 längs seiner empfindlichen Achse gemäß F i g. 2 nach rechts beschleunigt, so drückt die träge Masse 28 auf die Zungen 40 und 42 und setzt damit deren Eigenfrequenz herab, während die träge Masse 30 die Zungen 48 und 50 anspannt und ihre Eigenfrequenz erhöht.

Solche Frequenzänderungen werden von den Meßspulen 46 bis 70 festgestellt, deren Ausgangssignal einer geeigneten Schaltung, wie sie beispielsweise in F i g. 4 dargestellt ist, zugeführt wird, um die Größe der Beschleunigung längs der empfindlichen Achse als digitale Zahl anzuzeigen. Das Ausgangssignal der Meßspulen wird außerdem auf die Spulen 60 und 62 zur Steuerung der Frequenz der erregenden Spannung rückgekoppelt, um die Schwingungen der Zungen auf ihrer Resonanzfrequenz zu erhalten.

F i g. 4 zeigt eine typische elektrische Schaltung für den Beschleunigungsmesser 20. Die in den Meßspulen 64 und 66 induzierte Wechselspannung wird in einem Verstärker 80 verstärkt und der Spule 60 zugeführt, um die Schwingungen der Zungen 40 und 42 auf ihrer Eigenfrequenz zu erhalten. Die verstärkte Spannung mit der der Stimmgabel 56 entsprechenden Frequenz W₁ wird einem Frequenzvervielfacher 82 und von dort einer Mischstufe 84 zugeführt. Ein gleicher (nicht gezeigter) Rückkopplungskreis dient dazu, die Schwingungen der Stimmgabel 58 aufrechtzuerhalten, wobei eine Spannung mit der entsprechenden Frequenz W₂ in ähnlicher Weise einem Frequenzvervielfacher 86 und danach der Mischstufe 84 zugeführt wird, in der die beiden Frequenzen W₁ und W₂ gemischt werden. Am Ausgang der Mischstufe entsteht die Summe der Frequenzen WJ-I-W₂ sowie deren Differenz W^-W₂, die nach Trennung mittels Filter 88 und 90 den Zählern 92 bzw. 94 zugeführt werden. Die Zähler setzen diese Frequenzen in proportionale Digitalzahlen um, die dann in einem Digitalmultiplikator 96 miteinander multipliziert werden und die Beschleunigung als Digitalzahl darstellen. Das zeitliche Intervall, in dem dieser Vorgang jeweils stattfindet, wird durch die Impulslänge der von einem Generator 98 erzeugten Gatterspannung bestimmt, die das Gatter 100 öffnet und die übertragung der Frequenzen aus der Mischstufe zu den Zählern 92 und 94 gestattet. Die Gatterspannung wird von einem Triggerimpuls gesteuert, der außerdem als Rückstellimpuls den beiden Zählern zugeführt wird. Am Gatterspannungsgenerator 98 tritt der Impuls verzögert auf, um sicherzustellen, daß die Rückstellung der Zähler abgeschlossen ist, bevor eine neue Rechenperiode eingeleitet wird.

Wie oben erwähnt, bewirkt eine Beschleunigung längs der empfindlichen x-Achse, daß die beiden Zungen jeder Stimmgabel infolge der Trägheitskraft der Massen 28 und 30 mit einer Zug- bzw. Druckspannung beaufschlagt werden. Infolgedessen nimmt die Resonanzfrequenz der Gabeln zu bzw. ab, wobei die Frequenzänderung der Quadratwurzel der Beschleunigung proportional ist. Eine Beschleunigung längs der Querachsen Y oder Z bewirkt, daß die einzelnen Zungen um ihre neutrale Achse gebogen werden, so daß keine Änderung ihrer Eigenfrequenz auftritt. Ordnet man zwei Gabeln 56 und 58 gemäß F i g. 2 in einander entgegengesetzten Richtungen an, so daß die Eigenfrequenz der einen in Abhängigkeit von einer Beschleunigung längs der empfindlichen Achse zunimmt während die andere abnimmt, so wird die Temperaturempfindlichkeit vermindert, und es ist sehr leicht möglich, die beiden Ausgangssignale der Stimmgabeln so zu kombinieren, daß die Fehler in dem Beschleunigungsausgangssignal möglichst klein werden. Außerdem ist die Frequenzänderung nun der Beschleunigung direkt proportional. Eine andere Methode besteht darin, daß nicht wie in F i g. 2 und 3 zwei, sondern nur eine Stimmgabel verwendet wird und diese in dem digitalen Rechner mit einem Bezugstakt verglichen wird, um die Frequenzänderung festzustellen.

Wie weiter oben erwähnt, ist die Temperaturempfindlichkeit bei elastischen Elementen, die aus einer Saite oder einer Membran bestehen, besonders stark, weil dort im Beschleunigungsbereich G = O ein bestimmtes, von 0 verschiedenes Spannungsfeld besteht. Jegliche thermische Ausdehnung des Gehäuses oder des schwingenden Elementes ändert dieses Spannungsfeld und ruft eine unerwünschte Frequenzänderung hervor. Demgegenüber ist ersichtlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesser die Stimmgabel bei fehlender Beschleunigung nicht unter Spannung steht und daß infolge der Hebelkonfiguration, mit Hilfe der die trägen Massen 28 und 30 unabhängig voneinander aufgehängt sind, Spannungsänderungen in den Stimmgabeln in Abhängigkeit von thermischer Ausdehnung oder Zusammenziehung des Gehäuses eliminiert werden. Da bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesser im Gegensatz zu der Wirkung von Saiten mit Biegung gearbeitet wird, ist die Temperaturempfindlichkeit wesentlich verringert. Damit die Meßempfindlichkeit der Stimmgabel, die als Frequenzänderung pro Beschleunigung längs der empfindlichen Achse (Δ f: G) definiert ist, einen praktischen Wert erhält, ist es erforderlich, das Querschnittsträgheitsmoment der Zungen möglichst klein und die trägen Massen möglichst groß zu machen. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß infolge der geometrischen Anordnung der Zungen längs der empfindlichen Achse ein großes Verhältnis von Masse zu Elastizität möglich ist, ohne daß die elastischen Federkonstanten einen unpraktischen Wert annehmen müßten.

Ein digitaler Stimmgabelbeschleunigungsmesser, wie er in den Zeichnungen dargestellt ist, hat ent-

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ίο

weder eine niedrigere Eigenfrequenz oder eine geringere Meßempfindlichkeit als ein Saitenbeschleunigungsmesser, wie sich aus der folgenden Erörterung ergibt. Beide Arten von Beschleunigungsmessern haben die gleiche Meßempfindlichkeit unter der Voraussetzung, daß

a) die Frequenzen die gleichen sind;

b) die trägen Massen die gleichen sind und

c) das Produkt aus Gewicht und Länge der beiden elastischen Elemente das gleiche ist.

Beispielsweise sollen die Meßempfindlichkeiten einer Zunge.und einer Saite mit gleicher Eigenfrequenz und gleicher träger Masse verglichen werden. Haben beide die gleiche Länge und die gleiche Dichte, so sind die Empfindlichkeiten nur dann die gleichen, wenn auch die Querschnittsflächen übereinstimmen. Hat die Zunge jedoch eine größere Querschnittsfläche, so ist ihre Meßempfindlichkeit geringer.

Achtet man auf gleiche Querschnittsfläche und erhöht man das Trägheitsmoment der Saite, so ist eine Stimmgabel der gleichen Frequenz und Meßempfindlichkeit möglich. Eine solche Bauart ist jedoch nicht praktisch, da sich die Stimmgabel unter Druckspannungen durchbiegen würde. Bei einem Saitenbeschleunigungsmesser verbiegt sich die Saite unter Druckspannung deshalb nicht, weil sie vorgespannt ist und in Wirklichkeit nur eine verminderte Diese Zahlen beziehen sich auf alle in den Zeichnungen dargestellten Stimmgabeln und Massen und bewirken eine Meßempfindlichkeit von 0,0184 G, wobei die Eigenfrequenz für G — 0 bei 9780 Hz liegt. Ein solcher Zungenbeschleunigungsmesser ist mit einem Saitenbeschleunigungsmesser der bekannten Art mit einer Empfindlichkeit von 0,0137 und einer Eigenfrequenz von 9380 Hz vergleichbar.

Es ist wichtig, daß die Eigenfrequenz der Stimmgabel in konstanter Umgebung stabil und scharf begrenzt ist. Die Stimmgabel sollte eine hohe Eigenfrequenzübertragbarkeit Q = 4000 oder mehr haben, und ihre beiden Zungen sollten die gleiche Eigenfrequenz aufweisen. Folglich ist für die Stimmgabel ein Material mit möglichst kleiner innerer Dämpfung auszuwählen. Es ist besonders darauf zu achten, daß an sämtlichen Verbindungspunkten keine großen Bewegungen mit der sich daraus ergebenden Dämpfung auftreten, und zur Vermeidung der Luftdämpfung wird man die Stimmgabel in einem Vakuum anordnen. Ferner ist außerordentlich großer Wert darauf zu legen, daß alle Verbindungsstellen, alle Querschnitte und Längen der Zungen völlig identisch sind. Die Dämpfung der Stimmgabel hat drei Ursachen:

a) Dämpfung und Störung durch das Gehäuse;

b) Luftreibung;

c) innere Dämpfung der Zungen.

Vorausgesetzt, daß sich die Stimmgabel im Vakuum

Zugspannung vorliegt. Eine Stimmgabel muß aus

diesem Grund einen größeren Querschnitt haben 30 befindet, um die Luftreibung unwirksam zu machen, und ist folglich weniger empfindlich. Versucht man dürfte die Dämpfung und Störung durch das Gehäuse die Empfindlichkeit der Stimmgabel anzuheben, so
gelangt man nur zu einer Verminderung ihrer Eigenfrequenz.

den größten Faktor darstellen, während die innere Dämpfung vernachlässigbar ist. Eine vibrierende Zunge einer Stimmgabel überträgt ihre Trägheits-

Aus dem Vorstehenden ergibt sich die wichtige 35 kräfte durch die Aufhängung auf das Gehäuse. Ein

Tatsache, daß man nicht gleichzeitig die Meßempfindlichkeit und die Eigenfrequenz einer Stimmgabel auf ein Minimum bringen kann, sondern daß man einen Kompromiß finden muß. Die nachstehend aufgeführten Regeln dienen als Gesichtspunkte dazu und sind in der Reihenfolge ihrer Wichtigkeit aufgeführt.

1. Man mache die träge Masse so groß wie möglich. Dadurch wird auch die Meßempfindlichkeit groß, ohne daß die Eigenfrequenz / der Stimmgabel beeinflußt wird.

2. Man mache die Breite b der Stimmgabel möglichst klein. Dadurch wird die Empfindlichkeit groß, ohne daß die Eigenfrequenz beeinflußt wird.

3. Man mache die Dicke t der Stimmgabel möglichst klein. Dadurch wird die Empfindlichkeit in wesentiich stärkerem Maße zunehmen, als die Eigenfrequenz/ abnimmt.

Der Elastizitätsmodul und das spezifische Gewicht Teil dieser Kräfte wird reflektiert, ein Teil im Gehäuse gestreut und ein weiterer Teil der anderen Zunge mitgeteilt. Um Q zu erhöhen, sollte der größte Teil der Energie zur Quelle reflektiert und nicht in das Gehäuse oder die tragenden Verbindungsstellen gestreut werden. Aus diesem Grund sind zur übertragung von Trägheitskräften geeignete konische Verbindungsstellen zu vermeiden; statt dessen sind scharf begrenzte Klemm- oder Schrumpf befestigungen zu verwenden.

Liegt der Schwerpunkt der von einem Zungenpaar getragenen trägen Masse genau in der Mitte der quer zur Achse wirkenden Halterungen, so neigt eine auf die träge Masse nach unten gerichtete Kraft dazu, diese im Uhrzeigersinn zu drehen und bewirkt, daß auf die obere Zunge eine Zugspannung und auf die untere Zunge eine Druckspannung einwirkt. Diese Spannungsfelder müssen dem über die festen Verbindungsstellen der Zungen einwirkenden Moment

45

der Stimmgabel sind bei dieser Optimierung nicht 55 entgegengerichtet sein, um die träge Masse im Gleichberücksichtigt, da sie relativ wenig flexibel sind und gewicht zu halten. Mangelndes Gleichgewicht und von anderen Faktoren (Temperaturempfindlichkeit) Spannungen in den beiden Zungen der Stimmgabel abhängen. Verringert man die Länge L der Stimm- sind unerwünscht, weil das Q der Stimmgabel bei gabel, so erhöht sich ihre Eigenfrequenz/, und die Resonanz beeinflußt wird und weil eine solche Ver-Empfindlichkeit nimmt ab. Nimmt man eine Nicht- 60 Schiebung des Q zu einer Frequenzänderung führen linearität von 0,835% bei G = 20 an, so ergeben

sich bei einer Stimmgabel mit dem Elastizitätsmodul 21 * k ²

von 2,1
0,0083kg

10* kp · cm"² und einer Dichte von ³

cm"³ folgende optimale b = 1,6 mm, .
t = 0,076 mm, L = 6,4 mm,.

Dimensionen:

kann. Um dies zu vermeiden, kann der Schwerpunkt der trägen Masse etwas mehr in die Nähe der Stimmgabelzungen verlegt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 kann man sehen, daß in Abhängigkeit von einer auf die träge Masse 28 nach unten einwirkenden Kraft an dieser Masse ein Drehmoment im Gegenzeigersinn entsteht, wenn der Schwerpunkt der Masse längs der empfindlichen

M =

K₃ =

d =

· Λ

= 0,184 kp

χ = 5,6 · 10

-3

mm

Der Massenschwerpunkt kann um den Weg χ

Achse etwas mehr nach links verlegt wird, so daß er sich nicht mehr in der Mitte zwischen den beiden oberen Queraufhängungen 32 befindet.

Die genaue Strecke, um die der Schwerpunkt verschoben werden muß, damit quer zur empfindlichen Achse auf die träge Masse einwirkende Beschleunigungen an den Zungen der Stimmgabel keine Druckoder Zugkräfte hervorrufen, kann an Hand der Fig. 11 bis 13 berechnet werden. Im Schwerpunkt

der trägen Masse 28 greife eine quer zur Achse ver- io verschoben werden, indem man die an den Massen 28 laufende Kraft P an, der Schwerpunkt sei um die und 30 vorgesehenen Noniusschrauben 29 bzw. 31

gemäß F i g. 2 justiert.

In der F i g. 7 bis 10 ist ein Beschleunigungsmesser

100 gezeigt, der eine ausgefeiltere Ausbildungsform

spannung sofort durchbiegen. Ein solches System i₅ der Erfindung darstellt. Der Beschleunigungsmesser kann gemäß Fig. 11 angenähert werden, wobei K₁ 100 besteht aus einem Rahmen 102 mit einer zylindie axiale Feder der sich nicht verkrümmenden Queraufhängungen darstellt, K₂ die sich biegende Feder
jeder der beiden Stimmgabelzungen 40 und 42
und K₃ eine Momentenfeder darstellt, die den Zungen 20
der Stimmgabel entspricht.

Nimmt man an, daß die träge Masse um den Weg δ nach unten ausgelenkt wird, so greifen an ihr die in F i g. 12 gezeigten Kräfte und Momente an.

Damit sich die Masse nicht dreht und dadurch in der 25 Segmentwände 108 und 110 und enthält einen unteren einen Zunge eine Zugkraft und in der anderen eine Bügel 116 mit einer sich nach oben öffnenden Ein-

Strecke χ aus der Mittellinie bezüglich der Queraufhängungen 32 versetzt, und es wird angenommen, daß sich diese Aufhängungen unter einer Druck-

drischen Wand 104, deren diametral gegenüberliegende Teile mit 106 bezeichnet sind. Segmentförmige Seitenwände 108 und 110 schließen das gemäß F i g. 8 linke Ende des Rahmens teilweise ab und bilden zusammen mit der zylindrischen Wand 104 auf der Gehäuseseite einen vertikalen Durchbruch 112, wie er in F i g. 7 klar erkennbar ist.
Eine äußere Klemmvorrichtung 114 verbindet die

hl

Druckkraft verursacht, muß die Summe der Kräfte 0 sein. Summiert man die Momente um den Schwerpunkt und setzt sie gleich 0, so erhält man

K₁ ■ δ ■ (L₁ - x) - K₁ · δ ■ (L₁ + χ)

+ 2

+ 2

K₂ K₃

-(L₂-X)
= 0:

= K₂ L₂ + K₃

^x ~ K₁+ K₂ ■

Nimmt man für die Queraufhängungen einen Querschnitt von 3,2 · 0,025 mm bei einer Länge von 6,4 mm an, so erhält man

2- A-E LA

= 5,5· 10³kp-cm"

K, =

= 0,15 kp ■ cm

-i

kerbung in der Mitte und seitlich hervorstehenden Flanschen 120 und 122, die mittels Schrauben 124 an den Segmentwänden 108 und 110 befestigt sind.

Ein oberer Bügel 126 ist mittels eines Schraubenpaars 128 am unteren Bügel 116 befestigt und weist eine sich nach unten öffnende Einkerbung auf, die zusammen mit der Kerbe im unteren Bügel eine mittlere öffnung 130 zum Einklemmen der Stimmgabelzungen bildet, wie noch beschrieben werden soll. Auf die Segmentwände 108 und 110 sind außerdem noch Anschlußklötze geschraubt, die jeweils mit einem Paar hervorstehender Anschlußstifte versehen sind, um den noch zu beschreibenden elektrischen Anschluß der Stimmgabelzungen zu erleichtern.

Eine aus zwei Teilen bestehende träge Masse 136 ist innerhalb der zylindrischen Wand 104 des Gehäuses mittels einer ringförmigen Membran 138 aufgehängt. Der Außenrand der Membran ist an der zylindrischen Wand 104 mittels eines Klemmrings 140 befestigt, der durch mehrere Schrauben 140 gehalten wird. Die beiden Hälften der trägen Masse 136 sind an den beiden Seiten der Membran 138 durch mehrere Schrauben 144 befestigt, die sich durch Bohrungen

Die Berechnung von K₃ erfordert eine weitere Erklärung. Dazu soll eine Zunge der Stimmgabel

als um den Weg δ ausgelenkt betrachtet werden, wie 50 in der Membran mit geeignetem Spielraum erstrecken. di i i 13 i i D di Z bidii

dies in F i g. 13 gezeigt ist. Da die Zunge beidseitig eingespannt ist, wirkt auf sie eine Kraft F und ein Moment M ein. Der Verdrehungswinkel θ muß am Ende der Zunge 0 sein.

H = 0 =

PL² 2EI

ML EI

η

2Af

damit wird

δ =

3EI

ML² 2EI

M	L1
2-	EI
M	L2

3Et

6EI

In der trägen Masse 136 ist eine innere Klemmvorrichtung 146 angeordnet, deren Endteil 148 aus einem oberen Bügel 150 und einem unteren Bügel 152 besteht. Ein Schraubenpaar 154 und 156 (vgl. F i g. 10)

ss zieht die beiden Bügel zusammen und klemmt die inneren Enden der Zungen — wie noch beschrieben wird — fest. Von dem Endteil 148 erstreckt sich durch eine mittlere Öffnung in der zweiteiligen trägen Masse und der Membran ein Stift 158, der mittels der geschlitzten Finger 160 eines Klemmrings 162 festgeklemmt wird. Um die Finger 160 an einer abgeschrägten Fläche radial nach innen zu pressen, wird vom äußeren Ende her in die träge Masse eine Schraube 164 eingeschraubt.

Ein Zungenpaar 166 und 168 ist zwischen der inneren und der äußeren Klemmvorrichtung 146 bzw. 114 eingespannt. Jede der Zungen ist an den Enden mit einem flachen rechteckigen Halterungs-

teil 170 versehen, um ein Einklemmen in den Bügeln der inneren und äußeren Klemmvorrichtungen ohne Beschädigung der Zungen zu ermöglichen. Die seitlichen Befestigungsteile vermindern die Auswirkungen der Spannungskonzentration und der Dämpfung; ihre Oberflächen und die mit ihnen in Berührung stehenden Flächen der Klemmbügel sind sorgfältig plangeschliffen, um die gegenseitige Berührungsfläche so groß wie möglich zu machen. Bei dem Ausfuhr ungsbeispiel nach F i g. 2 und 3 bestehen die einzelnen _w Teile des Aufbaus zur Erreichung einer hohen thermischen Stabilität aus Quarz. Bei dem Beschleunigungsmesser 100 jedoch bestehen sämtliche Teile mit Ausnahme der beiden Anschlußklötze und der Stimmgabelzungen mit ihren Halterungsteilen Vorzugsweise aus Stahl mit geringem Ausdehnungskoeffizienten. Obwohl der thermische Ausdehnungskoeffizient von 0,9 · 10~⁶ pro Grad Celsius nicht so gut ist wie der von Quarz (0,55 · 10"⁶ pro Grad Celsius), hat dieser Stahl doch noch eine gute thermische Stabilität, und seine leichtere Verarbeitung und seine Festigkeitseigenschaften rechtfertigen seine Verwendung. Die Membran 138 ist sehr dünn und besteht vorzugsweise aus einer 25 μ starken Folie. Sie muß deshalb vorsichtig behandelt werden, damit sie nicht während des Zusammenbaus knickt. Benutzt man nur eine Membran an Stelle von zwei, was den in axialem Abstand voneinander angeordneten Queraufhängungen gemäß F i g. 2 entsprechen würde, so werden die Radialspannungen, wie sie infolge von Abweichungen der Membran entstehen, so klein wie möglich gemacht, und es kann zwischen der Membran und der äußeren Klemmvorrichtung 114 ein einteiliges Gehäuse verwendet werden.

Der Beschleunigungsmesser 100 kann auf folgende Weise zusammengebaut werden: Die beiden Hälften der trägen Masse 136 werden mittels der Schrauben 144 zusammengeschraubt, wobei die Membran 138 zwischen ihnen eingeklemmt wird. Sodann wird die Membran am Ende der zylindrischen Wand 104 des Gehäuses mittels des Klemmrings 140 und der Schrauben 142 befestigt. Die innere Klemmvorrichtung 146 wird dann in die träge Masse eingesetzt und mittels der Klemmfinger 160 lose eingeklemmt. Als nächstes werden die seitlichen Befestigungsteile 170 auf die Zungenenden aufgekittet, und benachbarte Befestigungsteile werden zusammengekittet, so daß die Zungen als eine Einheit behandelt werden können. Die Befestigungsteile an den inneren Zungenenden werden in die innere Klemmvorrichtung 146 eingeführt und mit Hilfe der Schrauben 154 und 156 lose daran festgehalten. Die äußere Klemmvorrichtung 114 wird dann mit Hilfe der Schrauben 124 an den segmentförmigen Seitenwänden 108 und 110 des Gehäuses angeschraubt, wobei die Befestigungsteile 170 an den äußeren Zungenenden in die öffnung 130 zwischen den Bügeln der äußeren Klemmvorrichtung eingeführt werden. Nachdem die Zungen vorsichtig glatt gespannt wurden, werden die Bügel sowohl der inneren als auch der äußeren Klemmvorrichtung gleichmäßig angezogen, und der für die Befestigungsteile 170 benutzte Kitt wird durch ein entsprechendes Lösungsmittel herausgelöst. Als Kitt ist z. B. ein Uhren-Kristallkitt geeignet, der sich in Azeton löst. Nach dem Herauslösen des Kitts werden die Klemmvorrichtungen weiter angezogen, so daß sie die Stimmgabeln schließlich in ihrer Lage festhalten.

Es ist zu beachten, daß die Zungen 166 und 168 bei dem Beschleunigungsmesser 100 näher beieinander angeordnet sind als bei dem Beschleunigungsmesser 20 nach F i g. 2. Dadurch ist es möglich, die Zungen mittels einer angelegten Wechselspannung elektrostatisch zum Schwingen zu bringen. Die Zungen bestehen vorzugsweise aus Quarzkristallen, die bis auf eine Dicke von 76 μ abgeschliffen sind, wobei die einander gegenüberstehenden Oberflächen vergoldet und am einen Ende mit einem 125 μ starken Draht versehen sind, um den elektrischen Anschluß der Zungen an die Stifte der Anschlußklötze 132 und 134 zu ermöglichen. Die Befestigungsteile 170 bestehen vorzugsweise aus Quarz, um die Stimmgabeln gegenseitig und gegenüber den Klemmvorrichtungen und dem Gehäuse 102 elektrisch zu isolieren. Jedes Befestigungsteil besteht aus auf die beiden Seiten der Zungenenden gekitteten flachen Quarzstücken, wobei die Stücke — wie oben beschrieben — zunächst zusammengekittet werden und dann der Kitt nach dem endgültigen Zusammenbau herausgelöst wird. Die Quarzstücke können mit einer Genauigkeit von ± 2,5 μ hergestellt werden, und die Oberfläche der sie berührenden Klemmbügel wird ebenfalls sehr genau geläppt, um die Berührungsfläche möglichst groß zu machen.

Bei der speziellen gezeigten Ausführungsform beträgt die Zungenlänge zwischen den Klemmvorrichtungen 6,4 mm, ihre Breite 1,6 mm, der Abstand zwischen den Zungen 0,17 mm und das Gewicht der trägen Masse etwa 32 g. Um die Zungen zu Schwingungen mit einer Amplitude von etwa 0,25 μ anzuregen, werden sie an eine Wechselspannung von 40 V oder an eine Gleichspannung von 40 V mit einer überlagerten Wechselspannung von 10 V angelegt. Die Frequenz der Wechselspannung kann zwischen 4 und 8 kHz liegen, und die Eigenfrequenz der Zungen wird durch geeignete Mittel, beispielsweise auch akustisch, überwacht. Wird die träge Masse 136 entlang der empfindlichen Achse beschleunigt, so entsteht in den Zungen eine Druck- bzw. Zugspannung, und ihre Eigenfrequenz sinkt bzw. steigt als ein Maß der Beschleunigung. Eine elektrische Schaltung gemäß F i g. 4 kann dazu dienen, das an den Zungen abgenommene Ausgangssignal in ein Digitalsignal umzusetzen und mittels Rückkopplung die Frequenz der an den Zungen liegenden Spannung zu ändern, um die Schwingungen der Zungen auf der Eigenfrequenz zu erhalten. Ein zweiter Beschleunigungsmesser 100 kann gegenüber dem ersten um 180° verdreht vorgesehen sind, um mit einer der F i g. 1 ähnlichen gegeneinander gekehrten Anordnung die Genauigkeit des Gerätes zu verbessern. Wie oben wird der Raum um die Zungen evakuiert, um die Luftdämpfung möglichst gering zu halten. Wie in der Schaltung nach F i g. 4 gezeigt, kann das im folgenden beschriebene Summen- und Differenzverfahren angewandt werden. Dabei werden die Frequenzsumme und die -differenz von den beiden gegeneinander um 180° versetzten Beschleunigungsmessern 100 abgenommen und miteinander multipliziert. Das Ergebnis ist dann der aufgenommenen Beschleunigung genau proportional. Die Eigenfrequenz einer Stimmgabel bei einer Beschleunigung + G

ist Λ,-

(20a)

wobei

C₂

Die Eingangsfrequenz der anderen Stimmgabel bei der Beschleunigung —G ist

20,34t:L₂·
0,286 L²:E-b-t³,
Axialspannung
Gewicht jeder Masse,
Zungenlänge,
Zungenbreite,
Dichte der Zungen,
Zungendicke und
Elastizitätsmodul

f-e = C₁

(20 b)

Durch Multiplikation der Summe mit der Differenz dieser Frequenzen erhält man

(Ag + Ag) ■ (Ag - Ag)

= (Ag)² -(Ag)² = C\- C₂G- W.

(21)

Wie man sieht, ist das Ergebnis der Beschleunigung G genau proportional. Die Summen- und Differenzfrequenzen können an Hand der direkten Frequenzzahl der beiden Stimmgabeln multipliziert und dann in digitaler Rechenweise weiter verarbeitet werden. Eine solche Methode ersetzt die bei bekannten Saitenbeschleunigungsmessern übliche elektronische Technik, und sie besteht aus folgenden Schlitten:

a) überlagern der beiden Frequenzen;

b) Frequenzmultiplikation und

c) Korrektur von Nichtlinearitäten.

Die Zungen des Beschleunigungsmessers 100 können auch durch piezoelektrische Anregung in Schwingungen versetzt werden. Beste Frequenzstabilitäten werden heute durch derart angeregte Quarzkristalle erreicht. Bei den besten Kristallen liegen sie in der Größenordnung von 10~¹⁰ bei einem Q von rund 10⁶. Verwendet man den Kristall in einer beidseitig eingespannten Anordnung, so ist sein Q kleiner als bei beidseitig freier Anordnung, jedoch immer noch größer als 5000. Die piezoelektrische Anregung der Kristallzungen zu Dicken-Schwingungen kann durch Verwendung eines bimorphen Kristalls erreicht werden, indem beide Zungen aus zwei 5°-Jf-geschnittenen und mit entgegengesetzter Polarität aufeinandergekitteten Quarzplatten bestehen. Die notwendigen elektrischen Anschlüsse können direkt von den Stiften der Anschlußklötze 132 und 134 zu den Kristallzungen führen. Statt dessen können die Zungen auch aus einer y-geschnittenen Quarzplatte bestehen, die zu Scherungsschwingungen angeregt wird. Durch die Verwendung eines y-geschnittenen Kristalls wird die Notwendigkeit zweier Schnitte umgangen, wie sie bei dem vorerwähnten Abgeschnittenen Kristall der Fall ist. Ferner können die Zungen auch aus Kristallen mit einem ΝΓ-Schnitt bestehen und zu Breitenschwingungen verwendet werden. Bei diesem Verfahren befinden sich die elektrischen Anschlüsse normalerweise an den Schmalseiten des Kristalls; da die Zungen jedoch bei der beschriebenen Ausführungsform eine geringe Dicke haben, wäre es unpraktisch zu versuchen, die Klemmen an diesen schmalen Kanten anzuordnen. Deshalb setzt man sie auf die Breitseiten nahe der Kristallkanten, um so die Biegeschwingungen zu erzeugen. Eine andere mögliche Art, dünne Kristalle (außer den bimorphen) s piezoelektrisch zu Längen-Dicken-Biegeschwingungen anzuregen, besteht darin, daß ein einzelner X-geschnittener Kristall longitudinal angeregt wird, der dann wegen seiner beiderseitigen Einspannung seitliche Biegeschwingungen ausführt,
Die Zungen der Stimmgabel können auch durch ein Magnetfeld in Schwingungen versetzt werden, was deshalb vorteilhaft ist, weil es üblicherweise zum Anregen von Stimmgabeln verwendet wird und auch schon bei einer Art von Saitenbeschleunigungsmesser Anwendung gefunden hat. Dabei wird durch die Zungen ein Wechselstrom geleitet, der sie unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes auf ihrer Eigenfrequenz vibrieren läßt. Das Magnetfeld kann entweder extern durch einen Permanentmagneten oder auch durch den bewegten Strom der Zungen selbst erzeugt werden. In dem Aufsatz »Vibrating-Wire High Q Resonator« von A. D i χ ο η und W. M u r d ο η in der Zeitschrift »Electronics Magazine«, September 1953, ist ein schwingender Draht gezeigt, welcher der in F i g. 14 gezeigten elektrischen Schaltung analog ist. Bei der Resonanzfrequenz des Drahtes ist die Impedanz Z der Schaltung gleich einem ohmschen Widerstand R, und R₀ ist der Gleichstromwiderstand des Drahtes, der Anschlußfahnen und der Anschlußklemmen. Das Q dieser Schaltung leitet sich dabei folgendermaßen ab:

= W-R-CU-

(22)

Aus dieser Gleichung.kann man sehen, daß das Verhältnis R: R₀ größer als 1 sein muß, um das Q der schwingenden Saite möglichst groß zu machen. In dem genannten Aufsatz heißt es, daß zum Anregen der Drahtschwingungen ein äußeres Magnetfeld von 7,200 Γ anzuwenden ist. Damit ist es klar, daß bei Verwendung eines äußeren Magnetfeldes ein größeres RiR₀ erreichbar ist, als wenn man sich auf das Magnetfeld der Drähte selbst verläßt. Versuche haben für Quarzzungen von 75 μ ■ 1,6 mm · 6,4 mm und einer 2,5^-versilberten Saite ein Ri R₀ von 5,28 ergeben, was zwar wegen des geringen leitenden Querschnitts der vibrierenden Zunge klein, jedoch praktisch ausreichend ist. Wolfram- oder Beryllium-Kupferzungen weisen Verhältnisse von RiR₀ = 45,8 bzw. 18,9 auf.

Bei magnetischer Anregung kann die Schwingungsfrequenz der Zungen durch Meßspulen festgestellt werden, die sich in einem gemäß den Zungenschwingungen variierenden Luftspalt befinden; zur Erzeugung eines Beschleunigungsausgangssignals in digitaler Form kann eine der F i g. 4 entsprechende Schaltung herangezogen werden, bei der zur Frequenzänderung des durch die Zungen fließenden Wechsel-Stroms eine Rückkopplung stattfindet, um die Zungen auf ihrer jeweils auf Grund von Zug- oder Druckspannungen zu- bzw. abnehmenden Eigenfrequenz zu halten.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Einachsiger digitaler Beschleunigungsmesser, bei dem zwei träge Massen an einem Gehäuse gegen jede Bewegung senkrecht zur empfindlichen

909 522138

Achse fixiert sind und jede der Massen in einer anderen der beiden Axialrichtungen mit dem Gehäuse über zu Eigenschwingungen anregbare Elemente verbunden ist, deren zu messende Eigenfrequenzen sich mit mechanischer Beanspruchung ändern,dadurch gekennzeichnet,daß jede der beiden gleichen und voneinander getrennten trägen Massen (28, 30) mit dem Gehäuse (22) über je ein Paar gleicher, in Axialrichtung parallel verlaufender und zur empfindlichen Achse symmetrisch angeordneter Zungen (40, 42 bzw. 48, 50) verbunden ist, die in an sich bekannter Weise gegenphasig mit gleicher Amplitude schwingfähig sind.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung der trägen Massen (28, 30) in der zur empfindlichen Achse senkrechten Ebene durch radial zum Gehäuse (22) verlaufende, ausschließlich in Axialrichtung elastische Bänder (32, 34) erfolgt.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung der tragen Massen (28, 30) in der zur empfindlichen Achse senkrechten Ebene durch ringförmige Membranen (138) erfolgt.

4. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anregung der Zungenpaare (40, 42 und 48, 50) jeweils eine wechselstromdurchfiossene Elektromagnetspule (60 bzw. 62) dient und daß die Zungen aus magnetisch permeablem Material bestehen.

5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnetspulen (60,62) jeweils zwischen den Zungen (40,42 bzw. 48, 50) angeordnet sind.

6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Zungenfrequenzen in der Nähe der Zungen (40, 42, 48, 50) Induktionsspulen (64, 66, 68, 70) angeordnet sind.

7. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die beiden parallelen Zungen (40, 42 und 48,50) als Plattenpaar eines Kondensators wirken, die mit Wechselspannungen zu Schwingungen anregbar sind.

8. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen (40, 42, 48, 50) mit einer elektrisch leitenden Schicht versehene Quarzstreifen sind.

9. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen (40, 42, 48, 50) piezoelektrische Kristalle sind, die durch elektrischen Stromfluß zu Volumenschwingungen anregbar sind.

10. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die träge Masse (136), die Halteglieder (138) und das Gehäuse (102) aus Stahl mit geringem Ausdehnungskoeffizienten bestehen.

11. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die träge Masse (28, 30), die Halteglieder (32, 34) und das Gehäuse (22) aus Quarz bestehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen