DE2828806A1

DE2828806A1 - Beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE2828806A1
Application number: DE19782828806
Authority: DE
Inventors: Pierre Hartemann; Patrick Levesque; Michel Valdois
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-07-01
Filing date: 1978-06-30
Publication date: 1979-01-18
Also published as: US4199990A; FR2396306B1; GB2002518B; CA1099947A; JPS5414285A; FR2396306A1; GB2002518A

Description

	Patentanwälte	Dipl.-Ing.	2828806
Dipl.-lng.	Dipl.-Chem.	G. Leiser
E. Prinz	Dr. G. Hauser
	Ernsbergerstrasse 19
	8 München 60

Unser Zeichen; T 3134 ■ 28.Juni 1978

THOMSON-CSF

173 Bd.Haussmann

75008 Paris, Prankreich

Be schleunigungsme s ser

Die Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungsmesser und insbesondere auf einen unter Ausnutzung der Ausbreitung elastischer Oberflächenwellen arbeitenden Beschleunigungsmesser.

Zum Messen einer Beschleunigung können elastische Verformungen festgestellt werden, die an einem an einem Sockel befestigten elastischen Körper auftreten. Es kann auch dafür gesorgt werden, daß die mechanische Spannung einer vibrierenden Saite von der zu messenden Beschleunigung verändert wird, so daß die Änderung der Schwingungsfrequenz dieser Saite das Maß für die Beschleunigung darstellen kann. Durch Vereinigen des Verfahrens zur Messung einer Schwingungsfrequenz mit dem Prinzip der Feststellung der Beschleunigung über die elastische Verformung eines Probenkörpers ergibt^ sich ein Beschleunigungsmesser mit einem Volumenwellenresonator, ^rBa 809883/0882

der in einer Platte aus piezoelektrischem Material gebildet ist. Diesem Resonator ist eine elektrische Schaltung zugeordnet, mit deren Hilfe diese Schwingungen aufrechterhalten werden können. Ein solcher Beschleunigungsmesser weist eine Struktur auf, die der herkömmlichen Struktur eines quarzgesteuerten Oszillators sehr nahe kommt. Die Empfindlichkeit für die Beschleunigung ist relativ gering.

Zur Überwindung dieses Nachteils wird nach der Erfindung vorgesehen, daß die zu messende Beschleunigung auf einen elastischen Körper einwirkt, bei dem wenigstens eine Fläche elastische Oberflächenwellen weiterleitet. Die Befestigung an einem Sockel^erfolgt über eine andere Fläche als die, die diese Oberflächenwellen weiterleitet; die Schwingungserscheinung bleibt dabei auf eine Zone mit starker Deformation beschränkt. Daraus ergibt sich eine große Beschleunigungsmeßempfindlichkeit und eine exakte Einschränkung der Ausbreitungseigenschaften, die dabei eine Rolle spielen.

Nach der Erfindung ist ein mit elastischen Oberflächenwellen arbeitender Beschleunigungsmesser; mit einem der zu messenden Beschleunigung ausgesetzten Sockel, einer Platte aus elastischem, piezoelektrischem Material, Oszillatorvorrichtungen, die auf der Oberfläche dieser Platte elastische Oberflächenwellen aufrechterhalten und Detektorvorrichtungen zum Feststellen der Winkelmodulation der von denOszillatorvorrichtungen erzeugten Schwingungsspannungen dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hauptfläche der piezoelektrischen Platte wenigstens einen elektromechanischen Wandler aufweist, der mit den Oszillatorvorrichtungen verbunden ist, und daß die zweite Hauptfläche der piezeoelektrischen Platte fest mit dem Sockel in ihrer gesamten Ausdehnung verbunden ist.

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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 einen mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Beschleunigungsmesser, der am Arm einer Zentrifuge befestigt ist und

Fig.2 eine andere Ausführungsform der Anordnung von Fig.1.

In Fig.1 ist der Dreharm 7 einer Zentrifuge dargestellt, die dazu bestimmt ist, zusammen mit der Beschleunigung der Erdanziehungskraft "g* eine Beschleunigung zu erzeugen. Das Gabelende 6 ist mit Lagerbuchsen versehen, in denen ein Sockel 5 um die Achse 9 drehbar gelagert ist. Wenn der Arm 7 um die Achse 8 mit der Winkelgeschwindigkeit ω angetrieben wird, wird eine Beschleunigung γ = g + R ω erzeugt, wobei R der Drehradius bezogen auf die Auflagefläche des Sockels 5 ist. Auf dem Sockel 5 ist ein Substrat 1 mit.einer ihrer Hauptflächen angebracht. Dieses Substrat ist am Sockel 5 festgeklebt. Die andere Hauptfläche 2 des Substrats 1 trägt zwei elektromechanische Wandler 3 und 4, die in der parallel zur Drehachse 9 verlaufenden Richtung X elastische Oberflächenwellen austauschen.

Das Substrat 1 ist beispielsweise eine Quarzplatte, die in einem ST-Schnitt ausgeschnitten ist.

Die Wandler 3 und 4 bestehen aus leitenden Elektroden in Form ineinander verzahnter Kämme, die auf der Hauptfläche 2 angebracht sind. Die abstrahlenden Zwischenräume, die von den Zahnkämmen begrenzt sind, sind geradlinig und rechtwinklig zur X-Achse ausgerichtet. Die Y-Achse und die Z-Achse bilden mit der X-Achse das Bezugsachsensystem des Quarzes; der Winkel Θ, den die Hauptfläche

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mit der Y-Achse bildet, ist charakteristisch für den ST-Schnitt.

Die Eingangsklemmen einer elektrischen Verstärkeranordnung sind mit dem Wandler 4 verbunden, der dazu bestimmt ist, die elastischen Oberflächenwellen zu empfangen. Die Ausgangsklemmen der Verstärkeranordnung 10 speisen den Wandler 3» damit dieser in Richtung zum Wandler 4 diese Wellen aussendet. Auf Grund der von der Vorrichtung mit elastischen Oberflächenwellen gebildeten frequenzselektiven elektromechanischen Schleife beginnt die Verstärkeranordnung 10 mit der Frequenz f zu schwingen, die von der Beschleunigung γ abhängt.

Das von der Schwingungsanordnung 10, 1, 2, 3, 4 kommende Schwingungssignal wird an eine Vorrichtung 11 angelegt, die eine I formation liefert, die die von der Beschleunigung γ hervorgerufene Frequenzabweichung repräsentiert.

Beispielsweise kann die Anordnung 11 von einem als Frequenzmesser oder als Periodenmesser arbeitenden Zähler gebildet sein.

Der in Fig.1 dargestellte Beschleunigungsmesser ist ein Oszillator mit einer Verzögerungsleitung mit ST-Schnitt. Bei Auswahl einer Schwingungsfrequenz von etwa 105 MHz ergibt sich eine Frequenzabweichung, die bis an 12 Hz pro g heranreicht, wobei g den Wert 9,81 m/s hat. Die maximale relative Empfindlichkeit ergibt sich somit etwa mit 10~⁷/g.

Die Empfindlichkeit hängt gemäß einer Sinusfunktion von dem Winkel ab, den die Beschleunigungsrichtung in einer gegebenen Ebene bildet. Es gibt daher Richtungen mit maximaler Empfindlichkeit und mit der Empfindlichkeit 0,

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die senkrecht zueinander liegen.

Die zu einer maximalen Empfindlichkeit führende Lage des Beschleunigungsmessers ergibt sich beispielsweise so, daß die Beschleunigungsrichtung γ in der Ebene YZ liegt. Indem der Sockel 5 um die Achse 9 gedreht wird, wird eine Frequenzabweichung beobachtet, die ein erstes Maximum aufweist, wenn die Beschleunigung mit der Y-Achse einen Winkel in der Nähe von +42° bildet. Eine Drehung des Sockels 5 um 180° ergibt ein zweites Maximum mit entgegengesetztem Vorzeichen.

Die Meßempfindlichkeit ist zwar viel besser als bei herkömmlichen piezoelektrischen Beschleunigungsmessern, doch bleibt die Frequenzabweichung hinsichtlich ihres relativen Werte gering. Die thermische Frequenzdrift muß daher so gering wie möglich gemacht werden, indem ein geeigneter Schnitt ausgewählt wird. Damit der Meßfehler verringert wird, der sich aus der Temperaturdrift ergibt, wird die mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung zweckmässigerweise in einem thermostatgesteuerten Gehäuse untergebracht. Die Ionenimplantation eines Teils der die elastischen Wellen weiterleitenden Oberfläche ermöglicht eine Anhebung des Temperaturbereichs,^ dem die Temperaturdrift am kleinsten ist. Dieses Frequenzstabilisierungsverfahren in Abhängigkeit von der Temperatur ist besonders wirksam, wenn die Platte gemäß einem Y-Schnitt oder einem ST-Schnitt ausgeschnitten ist.

Die von der Beschleunigung abhängige Frequenzabweichung kann auf die Tatsache zurückgeführt werden, daß die elastische Wellen weiterleitende Oberfläche eine Verformung erleidet. Im Fall von Fig.1 erzeugt die Beschleunigung γ

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in der Platte 1 mechanische Spannungen, die mit einer Annäherung an die am Sockel 5 festgeklebte Fläche zunehmen. Dieser Spannungszustand hat die Wirkung, die freie Fläche 2 der Platte 1 zu wölben, was eine Verlängerung oder eine Verkürzung der Laufzeit der elastischen Oberflächenwellen zur Folge hat. Zur Beibehaltung der Phasenbedingung, die die Selbsterregung realisiert, ändert die Schwingungsfrequenz ihren Wert.

Im beschriebenen Beispiel ist eine mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende verformbare Struktur angegeben worden, die ein Vierpolfilter bildet.

In Fig.2 ist eine andere AusfUhrungsform dargestellt, in der die mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung ein Resonator ist.

Die der zu messenden Beschleunigung ausgesetzte Platte 1 überträgt elastische Oberflächenwellen mittels ihrer oberen Fläche 2. Ein Betriebszustand mit stehenden Wellen wird geschaffen, indem die Fläche 2 mit zwei Gitterreflektoren 18 und 19 ausgestattet wird. Die Linien der Gitter und 19 können durch Einkerben der Platte 1, durch örtliche Ablagerungen auf der Fläche 2 oder durch Ionenbeschuß der Fläche 2 erhalten werden. Es ist somit ein Resonanzraum mit Spiegeln vorhanden, in dessen Innerem eine mechanischelektrische Umsetzung mittels eines Wandlers 20 durchgeführt werden kann. Indem der Wandler 20 mit einer Oszillatorschaltung 21 mit negativem elektrischen Widerstand mit entsprechendem Wert verbunden wird, wird eine freischwingende Oszillatoranordnung erhalten, deren Schwingungsfrequenz von dem Resonanzraum bestimmt wird. Unter dem Einfluß der an die Platte 1 angelegten Beschleunigung kann eine Abweichung der Schwingungsfrequenz beobachtet werden.

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" ¹⁰ " 28233Ü6

In Fig.2 ist eine Möglichkeit zur Feststellung der von der Beschleunigung verursachten Frequenzabweichung veranschaulicht, mit deren Hilfe die schnellen Schwankungen der zu messenden Beschleunigung erkennbar gemacht werden können. Zu diesem Zweck wird die von der Oszillatorschaltung 21 abgegebene Wechselspannung an einen abgeglichenen Mischer 23 angelegt, der an seinem anderen Eingang eine von einem abstimmbaren Überlagerungsoszillator erzeugte Wechselspannung empfängt. Der Mischer liefert eine die Phasenverschiebung der ihm zugeführten Wechselspannungen repräsentierende Spannung. Eine Phasenverriegelungsschleife 24 mit träger Wirkung verbindet den Ausgang des Mischers 23 mit dem Frequenzsteuereingang des Überlagerungsoszillators 22. Der Oszillator ist beispielsweise eine Frequenzsyntheseanordnung, und die Verriegelungsschleife enthält ein Tiefpaßfilter, das die langsamen Schwankungen der aus dem Mischer 23 kommenden Spannungen überträgt. Der Überlagerungsoszillator liefert eine Wechselspannung, deren Frequenz der Frequenz der von der Oszillatorschaltung 21 erzeugten Wechselspannung folgt. Die langsamen Schwankungen der zu messenden Beschleunigung werden von der Phasenverriegelungsschleife kompensiert, die beispielsweise eine Zeitkonstante von einigen Sekunden aufweist. Im Gegensatz dazu sind die Phasenschwankungen, die aus schnellen Schwankungen der Beschleunigung resultieren, am Ausgang des Mischers 23 verfügbar. Eine Differenzierschaltung 25 transformiert diese Phasenschwankungen in eine elektrische Spannung, die die Momentanfrequenzabweichung repräsentiert. Diese elektrische Spannung wird einer Meßschaltung 26 zugeführt. Die Meßschaltung 26 kann beispielsweise einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer enthalten, auf den ein Frequenzmeßzähler folgt, der als Periodenmesser .arbeitet. Die in Fig.2 dargestellten Meßvorrichtungen für die Frequenzabweichung sind dann von Vorteil, wenn Beschleunigungsschwankungen gemessen werden

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sollen, da die Messung von der Temperatürdrift nicht verfälscht wird. Außerdem liegt ein schnelles Ansprechverhalten vor, da die Messung von der Ableitung einer Phasenabweichung abhängt.

In Fig.2 ist gestrichelt ein zusätzlicher Wandler 27 dargestellt, der im Inneren des Resonanzraums angebracht ist. Dieser Wandler 27 arbeitet mit den Wandlern 20 so zusammen, daß bei der Resonanzfrequenz des Resonanzraums ein maximaler Schwingungsenergieaustausch gewährleistet wird. In diesem Fall ist die Schaltung 21 eine Verstärkerschaltung, deren Ausgang am Wandler 27 angeschlossen ist und deren Eingang am Wandler 20 angeschlossen ist.

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Claims

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse

8 München 60

Unser Zeichen;ΐ 3134 28.Juni 1978

THOMSON-CSF

173 Bd.Haussmann , 75008 Paris, Frankreich

Patentansprüche

Θ Mit elastischen Oberflächenwellen arbeitender Beschleunigungsmesser mit einem der zu messenden Beschleunigung ausgesetzten Sockel, einer Platte aus elastischem, piezoelektrischem Material, Oszillatorvorrichtungen, die auf der Oberfläche dieser Platte elastische Oberflächenwellen aufrechterhalten und Detektorvorrichtungen zum Feststellen der Winkelmodulation der von den Oszillatorvorrichtungen erzeugten Schwingungsspannung ., dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hauptfläche der piezoelektrischen Platte wenigstens einen elektromechanischen Wandler aufweist, der mit den Oszillatorvorrichtungen verbunden ist, und daß die zweite Hauptfläche der piezoelektrischen Platte fest mit dem Sockel in ihrer gesamten Ausdehnung verbunden ist.

Schw/Ba

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ORIGINAL INSPECTED

- 2 - 282S3 Db
2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hauptfläche elektromechanisch^ Sende- und Empfangswandler trägt, die die elastischen Oberflächenwellen in einen vorbestimmten Richtung austauschen.
3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsvorrichtungen eine elektrische Verstärkervorrichtung aufweisen, die an die elektromechanischen Wandler so angeschlossen ist, daß eine freischwingende Oszillatoranordnung entsteht.
4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hauptfläche zwei Gitterreflektoren für elastische Oberflächenwellen trägt, die so angeordnet sind, daß ein Resonanzraum entsteht, daß wenigstens ein elektromechanischerWandler von der ersten Hauptfläche im Inneren des Resonanzraums getragen ist und daß die Oszillatorvorrichtungen eine elektrische Schaltung mit negativem Widerstand enthalten, die an den elektromechanischen Wandler so angeschlossen ist, daß eine freischwingende Oszillatoranordnung entsteht.
5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, _t dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hauptfläche zwei Gitterreflektoren für elastische Oberflächenwellen enthält, die so angeordnet sind, daß ein Resonanzraum entsteht, daß im Inneren des Resonanzraums längs seiner Achse zwei elektromechanische Wandler angebracht sind, und daß die Oszillatorvorrichtungen eine elektrische Verstärkerschaltung enthalten, die die zwei Wandler so verbindet, daß eine freischwingende Oszillatoranordnung entsteht.

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ORIGINAL INSPECTED
6. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein elektromechanischer Wandler vorgesehen ist, der von Elektroden in Form ineinandergreifender^Kämme gebildet ist.
7. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material Quarz ist und daß die Platte ein Schnitt des Typs ST, Y oder AT ist.
8. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Feststellung der Winkelmodulation eine von der Beschleunigung hervorgerufene Abweichung der Frequenz feststellen.
9. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Torrichtungen zur Feststellung der Winkelmodulation eine von der Beschleunigung hervorgerufene Phasenänderung feststellen.
10. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 9_f dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Feststellung der Winkelmodulation eine Differenzierschaltung enthalten, die die Phasenänderung in eine Frequenzabweichung transformiert, daß die Phasenänderung von einer Mischschaltung geliefert wird, die die Schwingungsspannung und eine von einem abstimmbaren Überlagerungsoszillator gelieferte Spannung empfängt, und daß der Ausgang der Mischschaltung mit dem Regeleingang des abstimmbaren Überlagerungsoszillators über eine Gegenkopplungsschleife verbunden ist.

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