DE2712890A1

DE2712890A1 - Beschleunigungsaufnehmer

Info

Publication number: DE2712890A1
Application number: DE19772712890
Authority: DE
Inventors: Oscar Walter Derek
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Johnson Matthey PLC
Priority date: 1976-03-30
Filing date: 1977-03-24
Publication date: 1977-10-06
Also published as: JPS52131770A; NO771038L; US4108006A; FR2346722A1; NL7703463A; SE7703222L; IT1076256B; BE853023A; DK136377A; ZA771704B; AU501981B2; AU2350077A

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 22. März 1977

Johnson, Matthey & Co., Ltd. P 3343 X-ef 43 Hatton Garden
London, England

Vertreter:

Kohler-Schwindling-Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 41
7OOO Stuttgart 1

Beschleunigungsaufnehmer

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsaufnehmer zum Feststellen oder Messen von Beschleunigungen, mit einem Glied, das zu Schwingungen angeregt wird, wenn der Beschleunigungsaufnehmer einer einen Schwellwert übersteigenden Beschleunigung ausgesetzt wird.

Bei derartigen bekannten Beschleunigungsaufnehmern erzeugen die Schwingungen des Gliedes ein Signal, das,

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bei aehr einfachen .Ausf'übrungs formen einet; »eschleunigungsaui'nehmerü , lediglich anzeigt, daß eine den Schwel 1-wert übersteigende Beschleunigung aufgetreten ist. Tn verfeinerten Ausführungsformen derartiger beschleuniinjngsaufnehmer gibt das Signal jedoch Auskunft über Größe und gegebenenfaiι s auch Richtung der Beschleunigung.

Bei einem bekannten Beschleunigungsaufnehmer der eingangs erwähnten Art ist das Glied ein elastisches Blatt aus ferromagnetischem Material, das in einer Ebene zu schwingen vermag und an seinem freien Ende einen Weicheisenanker trägt. In der Ruhelage des Blattes befindet sich der Anker in einer etwa äquidistanten Position zu einem Paar von Weicheisenpolstücken, die sich zunächst von dem Anker weg und dann etwa rechtwinklig zur ersten Richtung und parallel zu dem Blatt nach unten erstrecken, bis sie sich auf Höhe der Basis des Blattes befinden. Zwischen dem unteren Ende jedes Polstückes und dem Blatt ist ein Stabmagnet in Kontakt mit dem jeweiligen Polstück und dem Blatt angeordnet, wobei jeweils ein bestimmter seiner Pole in Kontakt entweder mit dem Blatt oder mit einer Seite eines ferromagnetisehen Klemmstückes steht, in dem das Blatt eingespannt und gehalten ist. Außerdem ist auf jedem der sich nach unten erstreckenden Bereiche jedes Polstückes eine Aufnahmewicklung oder Aufnahiiiespule angebracht. Der Beschleunigungsaufnehmer umfaßt also zwei magnetische Kreise, wobei das Blatt beiden Magnetkreisen gemeinsam ist; wird das Blatt in Schwingung versetzt, wenn

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der Beschleunigungsaufnehmer einer Beschleunigung ausgesetzt wird, die größer ist als der Schwellwert, so bewegt sich der Anker zwischen den Polstücken hin und her, wodurch der magnetische Fluß in jedem der beiden magnetischen Kreise sich ändert und entsprechend variierende Spannungen an den Wicklungsenden jeder der Spulen auftreten. In der Praxis sind die Wicklungsenden der Spulen mit einem Aufzeichnungs- oder Anzeigegerät verbunden, und es ist das Auftreten der Spannungen ein Anzeichen dafür, daß das Blatt schwingt und daß der Aufnehmer einer den Schwellwert überschreitenden Beschleunigung ausgesetzt ist oder war.

Wird der Beschleunigungsaufnebmer einer Beschleunigung ausgesetzt, die größer ist als der Schwellwert, und die parallel zum magnetischen Feld zwischen den Polstiicken ausgerichtet ist oder von der zumindest eine Komponente in diese Richtung fällt, so wird das Blatt, solange die Beschleunigung anhält, in einer Richtung etwas versetzt. Endet die Beschleunigung, so schwingt das Blatt zwischen den Polstücken eine Zeitlang mit progressiv abnehmender Amplitude, bis es zur Ruhe kommt. Daraus resultiert eine im wesentlichen sinusförmige Spannung, die an den Anschlußenden der Spulen erscheint und deren erster Scheitelwert von der Größe der auf den Beschleunigungsaufnehmer ausgeübten Beschleunigung abhängt. Danach verläuft der sinusförmige Ausgangswert mit derselben Frequenz und abnehmender Amplitude weiter, bis die Schwingung endet.

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ι·',Ί ue liessiing der Mescli J euii i gung kann aus der urolie dcL. Aufangsscheite]wertes der Spannung oder duivli eine Auswertung dot· Abfall kurve (Hüllkurve) erhalten werden, deren Verlauf von den mechanischen und elektromagnetischen im genschaften des Besohl eunigungnauf rifihiners abhängt,

Hin Nachteil dieser vorstellend beschriebenen bekannten Beschleunigungsaufnehwer liegt darin, dali .sie nur eiiie Beschleunigung in einer Kichtuni¹; bzw. deren in eine Richtung fallende Komponente aufzunehmen vermögen. Ji i-d außerdem eine Anzeige oder Messung einer Beschleunigung oder Beschleuiiigungskomponenl;e in einer anderen Richtung benötigt, müssen zumindest zwei solcher Beschl euniguii ;üaui'nehmet· in entsprechend geeigneter Anordnung relativ zueinander verwendet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Beuchleunigungsaufnehmer der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß sie die obigen Nachteile nicht mehr aufweisen und Beschleunigungen oder Beschleunigungskomponenten in verschiedenen Richtungen aufzunehmen vermögen.

Gelost wird diese Aufgabe bei einem Beschleunigungsauinehiner der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch, daß das Glied mehr als eine Schwingungsebene aufweist und beim Schwingen sich außer der diniensi onell en Änderung durch Biegung mindestens ein weiterer physikalischer Parameter des Beschleun j,- ungsauf neiuuers in seiner

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Größe ändert. Dadurch lassen sich Beschleunigungswerte in zumindest zwei Schwingungsebenen gleichzeitig mit demselben Beschleunigungsaufnehmer erfassen, was vor allem auch den Vorteil hat, daß die zeitliche Beziehung der Beschleunigungen zueinander in einfacher Weise zweifelsfrei meßtechnisch erfaßbar ist, wobei außerdem noch die gleiche Empfindlichkeit in den verschiedenen Schwingungsebenen leicht eingehalten werden kann.

Weitere Merkmale von Ausgestaltungen der Erfindung liegen darin,

a) daß das Glied eine solche Querschnittsform aufweist, daß es in den beiden zueinander vorzugsweise senkrechten Schwingungsebenen unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweist;

b) daß das Glied einen kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt aufweist und der Beschleunigungsaufnehmer so ausgebildet ist, daß Schwingungen des Gliedes in zwei gegebenen Ebenen erkennbar unterschiedliche Änderungen des erwähnten physikalischen Parameters hervorrufen» der kennzeichnend für die Schwingungen in den erwähnten Ebenen ist;

c) daß der physikalische Parameter der magnetische Fluß in dem magnetischen Kreis des Beschleunigungsaufnehmers ist;

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d) daß der physikalische Parameter eine Kapazität ist;

e) daß der physikalische Parameter die Intensität der Beleuchtung einer foto-optischen Anordnung ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Beschleunigungsaufnehmer zwei Magnete oder magnet L-sierbare Elemente auf. Dabei sind die beiden Magnete oder magnetisierbaren Elemente zueinander im wesentlichen rechtwinklig im Bereich der Halterung des langgestreckten Gliedes in den beiden Ebenen angeordnet, und es ist jedem Magnet oder magnetischem Element ein Polstück zugeordnet, das dem Glied in dem der Halterung entfernten Bereich gegenüber endet und dazwischen einen räumlichen Luftspalt bildet; eine elektrische Aufnehmerspule umgibt das langgestreckte Glied in dem Bereich zwischen Halterung und Luftspalt, die in stromdurchflossenem Zustand zwei magnetische Flußkreise erzeugt, die beide durch das Glied und den zugeordneten Luftspalt über ein Polstück zu einem magnetischen oder magnetisierbaren Element geführt sind. Dabei ist der Aufbau des Beschleunigungsaufnehmers dergestalt, daß bei Einwirken einer Beschleunigung, die zumindest eine Komponente in mindestens einer der beiden Ebenen aufweist, das langgestreckte Glied schwingt un.: einen Wechsel in der Abmessung mindestens eines der Luftspalte und damit eine Spannung an den Wicklungsenden infolge der Änderung der magnetischen Flußverkettung mit den Windungen der Wicklung aufgrund der Flußänderung in den magnetischen Kreisen ergibt.

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Bei einer anderen iievorzugLen Aus I'iih ππι,-,γ.ΙΊ, mi der Erfindung, bei der der IJeschleunigungsauf nehmer in i ι einem Ivagnet oder magnet i si erLaren Element versehen ist, ist der Harnet oder das magnetische Element zwischen der iiaJ terung des langgestreckten Gliedes und einem Polstück angeordnet, das dem Glied in dem der Halterung entf ernten Bereich gegenüber endet und einen Luftspalt, /,wischen sich und dem Glied definiert, wobei eine elektrische Wicklung das langgestreckte Glied zwischen Halterung und Luftspalt umgebend vorgesehen ist und das dein langgestreckten Glied zugewandte Ende des l'olstückes zugespitzt ist, so daß bei Schwingungen des langgestreckten Gliedes uuer zur Spitze der Luftspalt seine Größe um einen Betrag ändert, der von dem Grad der Schwingung abhängt (und von dem Scheitelwinkel der Zuspitzung des konischen oder keilförmigen IoL-stückendes).

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung Ln der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Ansprüchen. Es zeigen, in vereinfachter, schematisierter Darstellung:

Fig. 1 eine Ansicht eines bekannten Beschleunigungsaufnehmers, wie er einleitend erläutert wurde,

Fig. 2 eine Ausfünrungsform eines erfindungsgemäßen ßeschleuni gungsaufnehmers,

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eine weilere Ausführung3form einea erfindungs gemäßen Beschleunigungsaufnehmers, und

Schwingungsmoden des Gliedes den in Fig. 3 dargestellten Beschleunigungsaui'nehmers und davon abgeleitete Spannungsformen.

Gemäß der Darstellung nach Fig. 1 trägt ein Glied 1, das die Gestalt eines elastischen Blattes (Blattfeder) aufweist, die in nur einer einzigen Ebene zu schwingen vermag, einen Anker 2. In der Zeichnung ist dies die Y-Y¹-Ebene. Die Basis des Gliedes 1 ist in Klemmstücken 3» 3' eingespannt, an die Stabmagnete 5i5' beidseitig anschliessen, an deren freie Enden zum Glied 1 parallele Schenkel anschließen, auf die Aufnahmespulen 6,6' aufgesteckt sind. Die Schenkel gehen nach einer rechtwinkligen Abbiegung über in Polstücke 4- und 4 ', deren freie Stirnseiten dem freien Ende des Gliedes 1 im Bereich des Ankers 2 gegenüberstehen.

Fig. 2 zeigt demgegenüber einen erfindungsgemäßen Beschleunigungsauf nehmer, wobei gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei diesem Beschleunigungsaufnehmer weist das Glied 1, das unter der Einwirkung einer einen bestimmten Schwellwert übersteigenden Beschleunigung schwingt, einen quadratischen Querschnitt auf, wobei es in der dargestellten Ausführungsform Hauptschwingungsmoden in der X-X¹- bzw. der Y-Y'-Ebene aufweist.

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Eine Beschleunigung oder Beachleunigungskoiflponente oder Beschleunigungen oder Beschleunigungskomponenten parallel zu dem einen oder dem anderen oder zu beiden der Arme 4,4' der Polstücke, wobei die Beschleunigungen oder ihre Komponenten in der einen, der anderen oder beiden der Ebenen X-X¹ und Y-Y¹ liegen, bringen das filled Ί zum Schwingen. Dadurch ändert sich entsprechend der eine oder der andere oder beide der Luftspalte zwischen den Polstücken 4 und 4' in ihrer üröße, und es erscheint eine sich ändernde Spannung an den Enden der Aufnahmewicklung 6 als Ergebnis der sich ändernden Flußverkettungen mit den Windungen der Spule aufgrund der Flußänderungen in den magnetischen Kreisen 4'-1-5¹ bzw. 4-1-5.

Der in Fig. 1 dargestellte ßeschleunigungsaufnehmer gibt lediglich eine Anzeige über das Vorhandensein einer den Schwellwert übersteigenden Beschleunigung. Es ist auch möglich, zwischen Beschleunigungen parallel zu den Armen 4 bzw. 4' zu unterscheiden, indem Aufnahmespulen an den entsprechenden Teilen, beispielsweise den sich nach unten erstreckenden Schenkeln der Polstücke 4 bzw. 4' angebracht werden.

Diese Unterscheidung kann Jedoch auch dadurch erreicht werden, daß der quadratische Querschnitt des langgestreckten Gliedes 1 durch einen beispielsweise rechteckförmigen Querschnitt ersetzt wird, wobei dessen größere Rechteckseite parallel zur X-X'-Ebene liegt. Die Spannung an der

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Spule ο h.-it dann eine Frequenz en tsprer ne rid der Eigenfrequenz des Gliedes 1 Ln der¹ '/.-['.'- bzw. der Y-Y'-Ebene oder der sich aus der· Kombination dieser beiden Frequenzen ergebenden Frequenz, ,je nach Richtung der Beschleunigung. In letzterem Fall erhält man eine zusammengesetzte Spannungsschwingungsform, die sich aus der Kombination der Schwingungsformen der Eigenfrequenzen der Schwingungen in den λ-λ¹- und Y-Y' -Kbenen ergibt, wobei die Amplituden von der Richtung der Beschleunigung abhängen, die auf den Beschleunigungsaufnehmer einwirkt. Durch Analyse der Schwingungsf'orm ist es möglich, die Großen der Beschleunigungen in den Richtungen parallel zu den Polstücken 4 bzw. 4' zu bestimmen, can Gewicht 7 ist auf dem 'Glied 1 in seiner Lage einstellbar, um innerhalb gewisser Grenzen willkürlich die Eigenfrequenz des Gliedes variieren zu können.

in der Fig. 3, in der wiederum die gleichen Bezugszeichen sich auf dieselben Teile wie in den früheren Figuren beziehen, ist ein Permanentmagnetstab 5 zwischen einem Polstück 4 und einer ferromagnetische!! Hai teilung 8 angeordnet, an der das einen kreisförmigen Querschnitt aufweisende Glied 1 befestigt ist. Das Glied 1, auf das eine Aufnahmespule 6 aufgesteckt ist, trägt an seinem oberen Ende ein Gewicht 7, dessen Position einstellbar ist, um innerhalb gewisser Grenzen die Eigenfrequenz des Gliedes 1 ändern zu können. Bei dieser Ausführungsform umfaßt der magnetische Kreis das Glied 1, die Halterung 8, den Magnet 5, das Polstück 4 und den Luftspalt zwischen dem Ende des Polstückes und dem Glied 1.

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tie i dieser Ausf iilirungsi'oriu kauri das Glied 1 frei in ,jeder anderen außer der Z-Z '-Hi oht .ung schwi ngen. JuL das dem •Glied 1 benachbarte Ende des IuI Stückes H in der in b' i _f; . dargestellten Weise angeschrägt oder angespitzt, so hat die opannung an den Enden der Spule G bei in Hichtunr der· Y-Y'-Ebene schwindendem Glied eine l''requen-ζ, die doppelt üo groß ist wie diejenige, wenn das Glied ir. Rirhtun^ der '<-/. '-libene tiuhwingt. Diese Frequenzen sind in Fig. H al s 2 i'o bzw. i'o bezeiolinet, wobei Γο die Lj f.-.unsc.hwin^un,·^- frequen/, des Gliedes 1 ist.

Eine otthwi ngunp; des Gliedes 1 in jeder anderen Ebene oder anderen Ebenen als der ..-λ'- und Ϊ-Υ '-Eber.en erzeugt eine ·/. us amine nieset ζ te Sohwingungs form der Spannung, die eine Kombination der Schwi rigungs formen mit den Frequenzen i'o und 2 fo ist, mit Amplituden, die von der Richtung der Beschleuni ^ung abhängen, der der Beschleur.iyjungsaufnehiner ausgesetzt ist. Durch Analyse dieser· zusammengesetzten ocliwingun^sform ist es möglich, Größe und Richtung der¹ einwirkenden Beschleunigung zu hestimi&eu.

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Claims

Patentansprüche

1.\Beschleunigungsaufnehmer zum Feststellen oder Messen von Beschleunigungen, mit einem Glied, das zu Schwingungen angeregt wird, wenn der Beschleunigungsaufnehmer einer einen Schwellwert übersteigenden Beschleunigung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (1) mehr als eine Schwingungsebene aufweist und beim Schwingen sich außer der dimensioneilen Änderung durch Biegung mindestens ein weiterer physikalischer Parameter des Beschleunigungsaufnehmers in seiner Größe ändert.

2. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (1) langgestreckt und an einem Ende in einer Halterung (3 bzw. 8) befestigt ist und einen solchen Querschnitt aufweist, daß es unterschiedliche charakteristische oder Eigenfrequenzen in zwei zueinander senkrechten Ebenen aufweist.

3. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (1) langgestreckt ist und sein Querschnitt kreis- oder rechteckförmig oder quadratisch ist, und daß sein Schwingen in zwei gegebenen Ebenen erfaßbare, unterschiedliche Änderungen des physikalischen Parameters ergibt, die kennzeichnend für die Schwingungen in den beiden Ebenen sind.

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4. beschleuni ,'',Uiiciiau fnehiiier nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der physikalische Parameter ein magnetischer fc'Luß in einem magnetischen Kreis des Beschleunigungsauinehmers oder eine Kapazität oder eine Beleuchtungsstärke einer foto-optischen Anordnung ist.

5. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, mit zwei Magneten oder magnetisierbaren Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnete (5 und V) oder magnetisierbaren Kiemente zueinander im wesentlichen rechtwinklig im Bereich der Halterung in den beiden Ebenen (X-X¹; Y-Y¹) angeordnet sind, daß jedem Magnet (5> bzw. 5') oder magnetischem Element ein Polstück (4 bzw. 4¹) zugeordnet ist, das dem (ilied in dem der Halterung entfernten Bereich gegenüber endet und dazwischen einen räumlichen Luftspalt bildet, daß eine elektrische Aufnahinespule (6) das Glied (1) in dem Bereich zwischen Halterung und Luftspalt umgibt, die in stromdurchflossenem Zustand zwei magnetische Flußkreise erzeugt, die beide durch das Glied (1) und den zugeordneten Luftspalt über jeweils ein Polstück (4 bzw. 4') zu einem magnetischen oder magnetisierbaren Element geführt sind, und daß der Aufbau des Beschleunigungsaufnehmers dergestalt 1st, daß bei Einwirken einer Beschleunigung, die zumindest eine Komponente in mindestens einer der beiden Ebenen (X-X'; Y-Y') aufweist, das langgestreckte Glied (1)

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schwingt, und einen Wechsel in der Abme^.iun,· inj mlest.enu eines i]er Luftspalte und damit, eine Spannung an den Wicklungsenden infolge dej· Änderung der· u,u,';nt; L i scIjimi Flußverkettung mit den Windungen der Wicklung (b) aufgrund der Flußänderung in den magnetischen Kreisen ergibt.

o. ßeschleunigungsauinehmer nach einem der· Ansprüche 3 bis A, mit einem Magnet oder magnetisierbarer! Element, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet k'j) oder das magnetisierbare Element zwischen der Halterung (8) deii langgestreckten Gliedes (1) und einem Polstück (4) angeordnet ist, das dem Glied (1) in dem der Halterung (8) entfernten Rereich gegenüber endet und einen Luftspalt zwischen sich und dem Glied (1) definiert, daß eine elektrische Wicklung (6) das langgestreckte Glied (1) zwischen Halterung (8) und Luftspalt umgebend vorgesehen ist, und daß das dem langgestreckten Glied (1) zugewandte Ende des Poletückes (4) zugespitzt ist, so daß bei Schwingungen des langgestreckten Gliedes quer zur Spitze der Luftspalt seine Größe urn einen betrag ändert, die von dem Maß an Zuspitzung· und Schwingung abhängt.

7. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der· Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet,, daß an dem der Halterung abgewandten Bereich des langgestreckten Gliedes (1) ein Gewicht (7) angebracht ist, das die Eigenfrequenz des Gliedes (1) beeinflußt.

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8. ßesch] euni gungsaufnehmer nach Anspruch '/, dadurch gekennzeichnet , daß das Gewich U ('/) in Liiii^srichtun,"; dei Gliedes (1) zum Zwecke der Änderung von dessen Eigenfrequenz verstellbar ist.

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