DE2237002C3 - Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Beschleunigungsmesser, bestehend aus einem monolithischen, das Piezoeiement und den Trägheitskörper umfassenden Block mit Elektroden.

Piezoelektrische Beschleunigungsmesser werden für Messungen der Vibrations- oder Impulsbeschleunigung an Teilen und Baugruppen von hauptsächlich für Flugzeuge, Flugkörper und Schiffe bestimmten Triebwerken verwendet.

Ein bekannter piezoelektrischer Beschleunigungsmesser der eingangs genannten Art (vgl. GB-PS 8 99 235) stellt ein Piezoelement dar, das auf die Beschleunigung durch seine Eigenmasse reagiert. Er hat beträchtliche Nachteile, denn ein Aufbau in Form eines einzigen Piezoelements gestattet es nicht, hochwertige technische Kenndaten oder Parameter zu erhalten, weil es nämlich wegen des Fehlens eines besonderen Trägheitskörpers keine Möglichkeit gibt, eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe elektrische Kapazität zu erhalten, und weil das Fehlen eines Grundkörpers die Meßgenauigkeit herabsetzt, und zwar auch deshalb, weil durch Verformungen des zu untersuchenden Prüflings hervorgerufene Zusatzsignale dem Hauptsignal überlagert werden. Bei einem solchen Aufbau sind die Verbindungsleitungen außerdem unmittelbar am Beschleunigungsmesser befestigt, wodurch zusätzliche, durch die Schwingungen dieser Leiter hervorgerufene Störungen erzeugt werden.

Deshalb ist es nicht möglich, den Beschleunigungsmesser gemäß der GB-PS auf einem großen Anwendungsgebiet zu verwenden, obwohl seine Herstellung relativ einfach ist.

Bei einem anderen bekannten piezoelektrischen Beschleunigungsmesser mit elektrostatischer Abschirmung, in dem mindestens ein piezoelektrisches Element mit Elektroden benutzt wird, das sich zwischen einem Trägheitskörper und einem Grundkörper befindet (vgl. z. B. J. I. J ο r i s c h, Schwingungsmeßtechnik, Moskau, J 963, S. 568), werden der Trägheitskörper, das Piezoelement mit auf seine Arbeitsflächen aufgetragenen Elektroden und der Grundkörper als einzelne Elemente aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt und miteinander durch Verkleben fest verbunden. Für die elektrostatische Abschirmung wird dabei das Metallgehäuse benutzt. Die Verwendung verschiedener Werkstoffe sowie der Klebeverbindungen wirkt sich aber ungünstig auf die Stabilität von Betriebskenndaten des piezoelektrischen Beschleunigungsmessers aus. Die Herstellung von hochwertigen Beschleunigungsmessern aus einzelnen Elementen ist mit großen technologischen Schwierigkeiten verbunden. Die Arbeitsflächen der zu verbindenden Elemente müssen bis zu einer hohen Güte bearbeitet werden, und die Elemente muß man beim Verkleben sehr genau anpassen. Dies erhöht die Herstellungskosten der Beschleunigungsmesser.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen Beschleunigungsmesser so aufzubauen, daß Kontaktübergänge zwischen den Bereichen fehlen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Block durch Hohlräume mit darin angebrachten Elektroden in Bereiche aufgeteilt ist, die als Piezoelement, Trägheitskörper und Grundkörper wirken.

Die Ausführung des Trägheitskörpers, des Piezoelements und des Grundkörpers in Form verschiedener Bereiche eines einzigen Monolithblocks gestattet es, die Empfindlichkeit und die elektrische Eigenkapazitäl beträchtlich zu erhöhen, wodurch der Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers erweitert wird. Das Vorhandensein eines Grundkörpers, der zwischen dem Prüfling und dem Piezoelement angeordnet ist, führt zu einer Abschirmung des Piezoelements vor dem Einfluß der Verformungen des Prüflings und der Störungen, die durch Schwingungen der Verbindungsleitungen hervorgerufen werden. Außerdem wird der Einfluß der Klebeverbindung mit dem Prüfling auf das geringstmöglichste vermindert.

All das erhöht die Stabilität der Parameter des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers sowie die Genauigkeit der Meßergebnisse beträchtlich.

Vorteilhaft kann der piezoelektrische Beschleunigungsmesser mit radial angeordneten zylinderförmigen Hohlräumen ausgeführt sein, deren Achsen in zwei Parallelebenen liegen.

Es ist auch eine Ausführung des piezoelektrischen Beschleunigungsmessers von Vorteil, bei der die Hohlräume keilförmig ausgebildet sind und symmetrisch in bezug auf die Längsachse des Monolithblocks liegen.

Es empfiehlt sich auch, daß die Hohlräume zwei voneinander getrennte koaxiale Zylinder mit Boden sind, deren Achsen parallel zur Symmetrieachse des Monolithblocks sind, wobei der Innenzylinder mit seiner offenen Stirnseite dem Boden des Außenzylinders zugewandt ist.

Dadurch ist ohne zusätzliche Einrichtungen das Messen von Beschleunigungen sowohl in senkrechter als auch in paralleler Richtung gegenüber der Prüflingsebene möglich.

Zweckmäßig ist schließlich eine Ausführung des piezoelektrischen Beschleunigungsmessers, bei der auf die Oberfläche jedes Hohlraums ein elektrisch leitender

Überzug aufgetragen ist, der als die Elektroden dient.

Die Fertigungsgerechtheit des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers ist bedeutend besser als bei den bekannten, da er einen Monolithblock darstellt und keinen Zusammenbau benötigt.

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Beschleunigungsmesser benötigt keine ungleichartigen Werkstoffe, keine Klebeverbindungen oder sonstigen mechanischen Verbindungen, und dies schließt aus die Beeinflussung seiner Eigenschaften durch verschiedene technologische und konstruktive Faktoren wie Arbeitsqualität beim Zusammenbau, Klebstoffeigenschaften, Bearbeitungs- und Anpassungsgüte einzelner Elemente, Eigenschaften von Werkstoffen für Gehäuse, Grundkörper und Trägheitskörper.

Die genannten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers vermi-dern die durch Temperatur- und Zeiteinflüsse hervorgerufenen Fehler, die beim erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesser nur von den Eigenschaften des benutzten piezoelektrisehen Werkstoffs abhängt, und ergeben eine höhere Beständigkeit gegen radioaktive Bestrahlung.

Das Fehlen eines Gehäuses vermindert das Gewicht des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers. Dies ist in manchen Fällen besonders wichtig.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungsmesser kann dank seiner Fertigungsrechtheit auf gewöhnlichen Fließstraßen zur Herstellung von piezokeramischen Erzeugnissen gefertigt werden und ermöglicht die Produktion von billigen und zuverlässigen Beschleunigungsmessern, die in einem breiten Frequenzbereich arbeiten können und durch hohe Empfindlichkeit, geringes Gewicht und kleine Abmessungen ausgezeichnet sind.

Der erfir.dungsgemäße piezoelektrische Beschleunigungsmesser ermöglicht also, die Stabilität seiner Betriebsdaten bedeutend zu erhöhen, die Herstellungslechnologie zu vereinfachen und damit seine Herstellungskosten herabzusetzen.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt

F i g. 1 einen piezoelektrischen Beschleunigungsmesser mit radial angeordneten zylinderförmigen Hohlräumen, deren Achsen in zwei Parallelebenen liegen (zum Teil im Längsschnitt),

F i g. 2 dasselbe im Schnitt 11-11 von F i g. 1,

F i g. 3 den vergrößerten Bereich A von F i g. 1,

Fig.4 ein zweites Ausführungsbeispiel mit keilförmigen Hohlräumen, die symmetrisch 7ur Längsachse des Monolithblocks liegen (zum Teil im Längsschnitt), F i g. 5 dasselbe im Schnitt V-V von F i g. 4,

F i g. 6 das Elektrodenanschluß-Schaltbild für den in F i g. 4 dargestellten Beschleunigungsmesser,

F i g. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel mit Hohlräumen, die als zwei koaxial angeordnete Zylinder mit einem Boden ausgebildet sind, wobei der innere Zylinder mit seiner offenen Stirnseite dem Boden des Außenzylinders zugewandt ist (zum Teil im Längsschnitt) und F i g. 8 dasselbe im Schnitt VIM-VIII von F i g. 7.

Der piezoelektrische Beschleunigungsmesser ist als einteiliger zylindrische- Monolithblock 1 (Fig. 1) aus piezoelektrischer Keramik ausgeführt. Im Inneren weist der Monolithblock 1 Hohlräume 2 auf, die als Zylinder ausgebildet sind, deren Durchmesser viel kleiner als der Durchmesser des Blocks 1 ist, und die den Block I in Bereiche einteilen, die als Grundkörper 3 des Piezoelements 4 und als Trägheitskörper 5 wirken.

Die Hohlräume 2 sind so ausgeführt, daß ihre Längsachsen in zwei Paralleleberen liegen.

Die Längsachsen der Hohlräume 2 (F i g. 2) sind radial zur Längsachse des Blocks 1 gerichtet, und der minimale Winkel zwischen ihnen beträgt 45°.

Auf der Oberfläche der Hohlräume 2 ist ein Metallüberzug aufgetragen, der Elektroden 6 (F i g. 3) bildet.

Jeder Bereich des Monolithblocks 1 (F i g. 1), der als Grundplatte 3 bzw. als Trägheitskörper 5 funktioniert, weist einen axialen Hohlraum 7 auf, der mit den Hohlräumen 2 verbunden ist und dadurch die Verbindung der darin liegenden Elektroden ermöglicht. Zu diesem Zweck wird die Oberfläche der Hohlräume 7 ebenfalls metallisiert. Die in der Zeichnung nicht gezeigten Anschlüsse des Beschleunigungsmessers werden mit den metallisierten Oberflächen der Hohlräume 7 verbunden.

Das Vorhandensein der Hohlräume 2 beeinträchtigt die Festigkeit des Monolithblocks 1 nur wenig, und der beschriebene Beschleunigungsmesser weist deswegen eine ziemlich hohe eigene Resonanzfrequenz auf. Dadurch kann der Frequenzbereich bei den Beschleunigung^messungen mit Hilfe dieses Beschleunigungsmessers bedeutend erweitert werden.

Die elektrostatische Abschirmung des beschriebenen Beschleunigungsmessers wird durch einen dünnen, in der Zeichnung nicht dargestellten Metallüberzug erreicht, der auf eine dünne dielektrische Schicht aufgetragen ist, die ihn von den Elektroden 6 (F i g. 3) isoliert.

Das zweite Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Beschleunigungsmessers ist ähnlich dem ersten aufgebaut.

Der Unterschied besteht nur darin, daß zwecks Erhöhung der eigenen elektrischen Kapazität des zwischen der Trägheitsmasse 9 und dem Grundkörper 10 liegen den Piezoelements 8 (Fig.4) der Monolithblock 1 sechs keilförmige Hohlräume ti aufweist. Diese Hohlräume 11 liegen symmetrisch in bezug auf die Längsachse des Blocks 1.

Auf der Oberfläche des Blocks 1 (F i g. 4) sind elektrisch leitende Streifen 12 aufgetragen, die zur Verbindung der Elektroden 13 dienen. Zur Gewährleistung der richtigen Polarität sind die Elektroden 13 (Fig.6) miteinander abwechselnd verbunden.

Ein axialer Hohlraum 14 (Fig.4) geht im Monolithblock 1 durch Bereiche hindurch, die als der Grundkörper 10 und als das Piezoelement 8 wirken, und trägt zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers sowie zur Verminderung seines Gewichts bei.

Das dritte Ausführungsbeispiel ist ähnlich den vorher beschriebenen Ausführungen aufgebaut.

Ihr Unterschied besteht darin, daß der Monolithblock 1 (F i g. 7) eine rechteckige Form hat. Im Monolithblock 1 sind zwei Hohlräume 15 als koaxiale Zylinder mit Boden ausgeführt, wobei der innere Zylinder mit seiner offenen Stirnseite dem Boden des Außenzylinders zugewandt ist.

Von den Hohlräumen 15 führen nach außen Kanäle 16, die zur Verbindung der Elektroden 17 mit Anschlüssen 18 des Beschleunigungsmessers dienen.

Die elektrostatische Abschirmung erfolgt bei dieser Ausführung des Beschleunigungsmessers durch Auftragung eines Metallüberzugs 19 (F i g. 8) auf die Oberfläche des Blocks 1 ohne Benutzung einer dielektrischen Zwischenschicht.

Ein Vorteil dieser Ausführung des Beschleunigungs-

messers im Vergleich mit den vorher beschriebenen besteht darin, daß für die Befestigung des Beschleunigungsmessers an einem Prüfling jede beliebige Fläche des Blocks gewählt werden kann, was besonders wichtig ist, wenn einzelne Beschlcunigungskomponenten beim Prüfling gemessen werden. Dies wird dadurch möglich, daß das Piezoelement 20 und die Trägheitsmasse 21 sich unter gleichen Bedingungen bezüglich des Grundkörpers 22 befinden, unabhängig davon, welche Fläche des Beschleunigungsmessers für die Befestigung gewählt wird.

Zur Messung einer Beschleunigung, die auf den Prüfling einwirk ι, muß jeder von den vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Beschleunigungsmessern mit seinem Grundkörper 3 (10,22) an die Oberfläche dieses Prüflings angeklebt werden, wobei die Beschleunigung dieses Prüflings auf den Beschleunigungsmesser übertragen wird.

Die Arbeitsweise aller Ausführungsbeispiele des piezoelektrischen Beschleunigungsmessers ist im Prinzip gleich und beruht auf der Benutzung des direkten piezoelektrischen Effekts der piezoelektrischen Keramik.

Bei einer Beschleunigung wirkt die Trägheitsmasse 5 (9, 21) auf das Piezoelement 4 (8, 20) des Beschleunigungsmessers mit einer Kraft ein, die der wirksamen Beschleunigung proportional ist. Dadurch erscheint an den Elektroden 6 (13 17) des Piezoelements 4 (8,20) ein elektrisches Signal, das dem Momentanwert der Beschleunigung proportional ist. Ein mit den Anschlüssen 18 des Beschleunigungsmessers verbundenes entsprechendes Gerät kann dieses Signal messen und analysieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser, bestehend aus einem monolithischen, das Piezoelement und den Trägheitskörper umfassenden Block mit Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (1) durch Hohlräume (2, 11, 15) mit darin angebrachten Elektroden (6, 13, 17) in Bereiche aufgeteilt ist, die als Piezoelement (4, 8, 20), Trägheitskörper (5, 9, 21) und Grundkörper (3, 10, 22) wirken.

2. Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (2) radial angeordnete Zy'inder sind, deren Achsen in zwei Parallelebenen liegen.

3. Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (11) keilförmig sind und zur Längsachse des Monolithblocks (1) symmetrisch liegen.

4. Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (15) zwei voneinander getrennte koaxiale Zylinder mit Boden sind, deren Achse parallel zur Symmetrieachse des Monolithblocks (1) ist, wobei der Innenzylinder mit seiner offenen Stirnseite dem Boden des Außenzylinders zugewandt ist.

5. Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Fläche jedes Hohlraums (2, 11,15) ein elektrisch leitender Überzug aufgetragen ist, der die Elektroden (6,13,17) bildet.