DE2832762C2

DE2832762C2 - Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer

Info

Publication number: DE2832762C2
Application number: DE2832762A
Authority: DE
Inventors: Reto Dipl.-Chem. Bern Calderara; Hanspeter Winterthur Dähler; Werner Zug Guth; Peter Kleinandelfingen Wolfer
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1977-10-25
Filing date: 1978-07-26
Publication date: 1986-09-18
Also published as: DK156151B; AT383425B; DE2832762A1; ATA703378A; GB2006962A; CH619541A5; DK382478A; GB2006962B; US4326143A; DK156151C

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer, der eine Masse-Sensoranordnung und einen elektronischen Vertärker umfaßt, die in einem Gehäuse aus Isoliermaterial untergebracht sind, das an seiner Innenseite mit einer elektrisch leitenden, flächigen Innenabschirmung ausgestattet und mit einem Befestigungselement zum Anbringen an einem Gegenstand versehen ist und von dem ein Kabel nach außen geführt ist, dessen. .Abschirmung mit der Innenabschirmung verbunden ist, wobei die Masse-Sensoranordn jng von einem vorzugsweise runden Kopf in dem Gehäuse gehaltert wird, der in elektrisch leittader Verbindung mit der Innenabschirmung steht

Ein derartiger Aufnehmer ist aus der FR-PS 21 16 922 bekannt.
Der bekannte Aufnehmer umfaßt eine als Hohlzylinder gestaltete Masse-Sensoranordnung, wobei das ringförmige piezoelektrische Element mit einer Stirnseite an einer Grundplatte befestigt ist, auf deren gegenüberliegenden Seite ein mit der Grundplatte einstückiger Bolzen vorsteht. Auf der der Grundplatte gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Elementes ist eine Kontaktscheibe und anschließend eine seismische Masse angebracht. Innerhalb des piezoelektrischen Elementes ist ein elektronisches Verstärkerelement, nämlich den Feldeffekttransistor untergebracht, der mit seiner Gate-Elektrode mit der Kontaktscheibe und mit seinen beiden anderen Elektroden mit den Enden eines Kabels verbunden ist, das durch eine teils radiale, teils axiale Bohrung der Grundplatte hindurch geführt ist. Die Außenabschirmung des Kabels ist dabei mit der Grundplatte elektrisch leitend verbunden. Die Masse-Sensoranordnung ist durch mehrmaliges Tauchen in Kunststoff

täiiimhüllt,· wobei diese Umhüllung ein .Gehäuse bildet, lidessen äußerste" Schicht gleichzeitig die Mantelfläche der Grundplatte umgibt und das Kabel· angrenzend an idie Grundplatte umhüllt. Eine der das Gehäuse bildenden Hüllschichten besteht aus einem elektrisch leitenden Kunststoff und bildet eine Innenabschirmung, die mit der Grundplatte und damit auch der Außenabschir-

mung des Kabels verbunden ist.

Bei dem bekannten Aufnehmer liegt somit eine Seite des piezoelektrischen Elementes an der Masse der Grundplatte und damit an der Masse des zu untersuchenden Werkstückes. Da sich jedoch in aller Regel die Masse des zu untersuchenden Werkstücks auf einem nicht zu kontrollierenden Potential befindet, können hierdurch erhebliche Störsignale entstehen, die wegen der einpoligen Anordnung des bekannten Aufnehmers die Messung beeinflussen und unter Umständen unbrauchbar machen können.

Aus der DE-PS 1195 512 ist ferner ein weiterer Schwingungs- und Beschleunigungsaumehmer von im wesentlichen torusförmieer Struktur bekannt Die zentrale Bohrung des bekannten Sensors wird von einer isolierenden Hülse gebildet Mittels einer durch die Hülse greifenden Schraube kann der bekannte Aufnehmer auf ein Werkstück aufgeschraubt werden. Der Innenaufbau dieses bekannten Aufnehmers besteht aus mehreren, konzentrischen und ebenfalls torusförmigen EIementen, insbesondere einem torusförmigen piezoelektrischen Element, auf das außen eine ebenfalls torusförmige seismische Masse aufgepreßt ist Seitlich an dem bekannten Aufnehmer ist ein Verbindungskabel angeschlossen, dessen Innenleiter mit der seismischen Masse verbunden ist

Dieser bekannte Sensor hat jedoch den Nachteil, daß die durch die zentrale Bohrung fassende Befestigungsschraube, trotz ihrer elektrischen Isolierung, mit dem metallischen Grundkörper des Aufnehmers einen Kondensator beträchtlicher Kapazität bildet so daß nichtstationäre elektrische Störungen, die vom Werkstück her kommen, auf die Meßelemente des Aufnehmers übertragen werden können. Außerdem hat dieser bekannte Aufnehmer elektrisch gesehen den Nachteil, daß lediglich ein externer Verstärker vorgesehen ist, so daß sich im Bereich des Aufnehmers seibsi entstehende öder eingestreute Störungen den sehr schwachen Meßsignalen unmittelbar überlagern. Mechanisch gesehen hat der bekannte Aufnehmer darüber hinaus den Nachteil, daß er relativ schwer aufgebaut ist, so daß er nur bei Werkstücken erheblicher Masse eingesetzt werden kann und daß er ferner eine hoch präzise Fertigung durch die Mehrzahl der aufeinander zu pressenden torusförmigen Elemente erfordert

Schließlich ist aus der DE-OS 27 00 342 noch ein Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer bekannt, der eine zentrale Befestigungsschraube umfaßt, die mit einer Kegelfläche versehen ist, auf die ein die Gestalt eines Kegelstumpfman'els aufweisender Sensor aufge- so preßt ist, dessen äußere Mantelfläche von einer Hülse umgeben ist, die mit eine^r kegeligen, auf die Mantelfläche des Sensors passenden Bohrung versehen ist. Diese Hülse ist durch eine koaxiale Schraube mit der Befetigungsschraube vs/spannt

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde einen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß der Einfluß von externen Störungen, insbesondere von elektrischen Störungen von Seiten des zu untersuchenden Werkstücks, nahezu vollkommen ausgeschaltet wird, ohne daß hierzu eine yergrößerung der Abmessungen, eine Erhöhung des Gewichts oder eine Komplizierung des Herstellungsverfahrens in Kauf genommen werden muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kopf an der Innenseite des Gehäuses verankert ist, daß die von der Mass.e-Sensoranordnung erzeugten elektrischen Signale dem Verstärker über zwei von der Innenabschirmung getrennte Leitungen zugeführt werden und daß ferner das Befestigungselement, von dem Kopf und der Innenabschirmung elektrisch isoliert an der Außenseite des Gehäuses angeordnet ist

Durch diese Merkmale sind vollkommen potentialfreie Messungen an den Sensorelementen möglich, so daß der erfindungsgemäße Aufnehmer besonders unanfällig gegenüber Störpotentialen ist, die sie insbesondere bei Erdschleifen und durch nichtstationäre Einstreuungen vom Werkstück her auftreten. Erreicht werden diese Vorteile durch den allseits geschlossenen Faraday'schen Käfig, in dem sich sämtliche internen Befestigungselemente befinden, während die externen Befestigungselemente, die zum Befestigen an dem zu untersuchenden Werkstück dienen, streng außerhalb des Faraday'schen Käfigs angeordnet sind und eine kapazitive Einstreuung durch Ableiten von Störsignalen in die Außenabschirmung des Anschlußkabels ausgeschaltet werden. Besonders vorteilhaft ist dabei insbesondere, daß die von den Meßelementen, insbesondere piezoelektrischen Elementen erzeugten ·-. -iktrischen Signale, beispielsweise die elektrischen Ladungen, zweipolig der im Sensor enthaltenen Verstärkeranordnung übermittelt werden, so daß in diesem Bereich der Messung überhaupt keine Einstreuungen möglich sind. Das Meßsignal ^eHaBt dann erst nach hinreichender Verstärkung den Faraday'schen Käfig über das Anschlußkabel, so daß danach auftretende Störungen sich erst um mehrere Größenordungen vermindert auf das Meßergebnis auswirken können.

Weitere Vorteile sind Gegenstand von Unteransprüchen. Von besonderem Vorteil ist dabei die erfindungsgemäße Verwendung einer Trägerschraube, die fest im Isoliergehäuse verankert ist, wodurch eine einfache und zuverlässige Montage und Halterung des Sensorelementes und der seismischen Masse sowie eine zuverlässige Halterung der den elektronischer. Verstärker tragenden Leiterplatte möglich ist. Von Vorteil ist schließlich auch, daß Abdichtung und Halterung von Decken und Anschlußkabel in einfacher Weise betriebssicher möglich sind.

öie Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung näher erläutert und beschrieben. Es zeigt

F i g. I einen Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer mit piezoelektrischem Scbubelement im Schnitt,

Fig.2 einen Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer mit piezoelektrischem Kompressionselement im Schnitt

Nach F i g. 1 bedeutet 1 die seismische Masse in Form eines Rohrstückes aus Metall, das z. B. Wolfram enthält und 2 ein Piezokeramik-Rohrstück, dessen Außenmantelfläche mit der Innenmantelfläche der seismischen Macoe 1 durch bekannte Mittel verbunden ist. Zu Verbindung kann man Zweikomponentensilberepoxikleber wählen, der einerseits für eine gute Haftuny und andererseits wegen seiner Leitfähigkeit für eine gute Ladungsabnahme sorgt. Der Piezokeramiktei! 2 ist seinerseits wiederum auf das als Lagerelement ausgebildete Keramikrohrstück 4, z. B. ebenfalls mit Leiterepoxi 5 aufgeklebt. Die Klebverbindungen 3. und 5 könnte man an und für sich vermeiden und z. B: dureji feine. Aufschrumpfungⁱ oder Aufpressung ersetzen, so daß die Haftung der Stücke 1, 2 und 4 aufeinander nur durch Reibung erreicht wird. Dann wäre jedoch eine Vorspannung notwendig, welche die Polarisation der Piezokeramik 2 beeinflussen könnte, so daß dieses Element 2 Pyroeffekte zeigen würde, die man vermeiden will. Außer-

dem müßte man mit einer Veränderung der Vorspannung durch die Temperatur rechnen, was indirekt ebenfalls einen Pyroeffekt hervorrufen würde. Die seismische Masse 1 aus z. B. Metall und Piezokeramik 2 haben beide niedrige thermische Ausdehnungs-Koeffizienten. Deshalb muß das Lagerelement 4 ebenfalls aus Keramik mit einem angepaßt niedrigen thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten hergestellt sein, damit nicht thermische Spannungen zwischen den einzelnen Rohrstükken entstehen, welche die Klebverbindungen 3 und 5 löten könnten oder zu unerwünschten indirekten Pyroeffekten Anlaß geben könnten. Das Lagerelement 4 bildet mit den übrigen Teilen 1, 2, 3 und 5 eine kompakte Einheit, die lose auf die pilzförmig ausgebildeten Trägerschraube 6 geschoben werden kann. Die Trägerschraube 6 hat einen Pilzkopf 7, der mittels geeigneter Formgebung im Kunststoffgehäuse 8 eingespritzt und fest verankert ist. Zum Gehäuse 8 gehört ein Deckel 9, in den das Kabel 10 vollständig dicht eingespritzt ist Deckel 9 und Gehäuse 8 werden mit einer Schraube 11, die in die Distanzmutter 12 eingeschraubt wird, verbunden und mit Dichtung 13 abgedichtet. Die Distanzmutter 12 ist auf den Gewindeteil 14 der Trägerschraube 6 so aufgeschraubt, daß gleichzeitig die Leiterplatte 15 auf die Anschlagfläche 16 gespannt wird. Die seismische Masse 1 erzeugt im Piezoelement 2 Schubspannungen in zylindrischen Schnittebenen senkrecht zum Radius, die in den Elektroden 3 und 5 piezoelektrische Ladungen erzeugen. Die θ Ladungen der Elektrode 5 werden auf die seismische Masse 1 abgeleitet und von da über die Drahtverbindung 17 zu der elektronischen Schaltung auf der Leiterplatte 15 geleitet. Die θ Ladungen der Innenelektrode 3 fließen über die Zylinderoberfläche des Keramikrohres 4 bis zur metailisierten Stirnfläche 18, die durch Isolierkonus 19 abgeschlossen ist. Von dort treten die θ Ladungen nach bekannten Mitteln auf die Schaltung der Leiterplatte 15 über. Auf der Leiterplatte Ϊ5 befinden sich die elektrischen Komponenten eines Vorverstärkers, z. B. ein Junctionfet-Transistor 20, ein Widerstand 21, eine Anschlußlasche 22, die z. B. zum Anschluß des Innenleiters des Kabels 10 dient. Im Gehäuse 8 sind als Beispiel 2 Haftmagneteinheiten, bestehend aus der Weicheisenhülse 23, der Vergußmasse 24 und der Magnetscheibe 25 eingepreßt. Die Teile 23, 24 und 25 sind vor dem Einspritzen in das Gehäuse 8 hergestellt und geprüft worden. Als Material für die Scheibenmagnete 25 dienen zweckmäßigerweise Legierungen aus Eisen. Nickel, Kobalt und seltene Erden, so daß sie trotz kleinen Dimensionen der Scheibe 25 eine genügende Haftfestigkeit ergeben. Zweckmäßigerweise spritzt man 2 Magnete 30 im Gehäuse ein, so daß deren Haftflächen gegeneinander einen Winkel von 90 Grad bilden. Wenn die Unwuchtbewegungen der zu untersuchenden Maschine in einer Ebene liegt, die senkrecht zur Schraubenachse 6 liegt, erscheint keine Beschleunigung in Achsrichtung und ein derart plazierter Beschleunigungsaufnehmer nimmt kein Signal auf. Wenn man dann den Aufnehmer mit dem anderen im 90 Grad gedrehten Magneten aufsetzt, erhält man die volle Beschleunigung in Achsrichtung, so daß mit zwei solchen Magneten immer eine Stellung zu finden ist, in der der Beschleunigungsaufnehmer ein Signal abgibt. Das PIastikgehäuse 8 und der Deckel 9 sind mit einer Innenabschirmung 26, die den ganzen Innenraum des Gehäuses überdeckt, ausgestattet. Die Abschirmung dient dazu, daß elektrische Felder nicht störende Ladungen im Meßsystem, insbesondere am Eingang des Verstärkers, von außer her, influenzieren können. Die Abschirmschicht kann Zweikomponentensilberepoxikleber sein, der schon erwähnt wurde. Es eignen sich jedoch auch Einkomponentenleitfarben auf Silber- oder auch Kohlebasis. Zweikomponentensilberepoxis eignen sich dcshalb besonders, weil der Übergang der Kabelabschirmung 27 zur Abschirmschicht 26 mühelos elektrisch leitend hergestellt werden kann, was mit einer einfachen Klebestelle ermöglicht wird. Die Verbindung von Dekkel 9 und Gehäuse 8 muß in der Weise erfolgen, daß die

ίο Innenabschirmung sich lückenlos überdecken und miteinander Kontakt machen. Es ist aber auch möglich, den Abschlußdeckel 9 aus Metall herzustellen, wodurch eine zusätzliche Metallisierung entfällt. Von Bedeutung ist nur, daß das Gehäuse 8 aus Kunststoff besteht, da nur dieser Bauteil auf das Meßobjekt montiert ist und damit in mögliche Störpotentiale eingeschaltet ist. Das Kunststoffgehäuse ergibt aber eine vollständige Trennung der hochempfindlichen Meßteile von der Außenwelt.
In Fig.2 ist eine Variante von Fig. 1 gezeigt. Die plattenförmige seismische Masse Si aus Metaii wird unter mechanischer Vorspannung auf das piezoelektrische Element 52 gepreßt, das aus einer oder mehreren Lochplatten bestehen kann. Die Platten sind nach bekannter Art geschichtet und mit Elektroden 53 versehen. Auf der Trägerschraube 56 ist ein isolierendes Röhrchen 54 z. B. aus Teflon aufgeschoben, welche alle Teile zentriert und von der Abschirmung 66 isoliert. Die Grundplatte 55 besteht aus Keramik, die an den entsprechenden Stellen mit einer leitschicht 58 versehen ist. Die Signalleitung 57 ist direkt auf diese Leiterschicht aufgebracht und verbindet diese mit dem Verstärker auf Platine 59. Die gegengepolte Ladung wird über die Metallmasse 51 direkt zum Verstärker auf Platine 59 über Durchbruch 60 geleitet. Alle übrigen Teile entsprechen F i g. 1.

Anstelle von aufgespritzten Leitbelägen innerhalb des Kunststoffgehäuses können auch galvanisch aufgebrachte, aufgedampfte oder aufgesputterte Metallbeläge verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer, der eine Masse-Sensoranordnung (1, 2; 51, 52, 53) und einen elektronischen Verstärker (20,21) umfaßt, die in einem Gehäuse (8) aus Isoliermaterial untergebracht sind, das an seiner Innenseite mit einer elektrisch leitenden, flächigen Innenabschirmung (26; 66) ausgestattet und mit einem Befestigungselement zum Anbringen an einem Gegenstand versehen ist und von dem ein Kabel (10) nach außen geführt ist, dessen Abschirmung (27) mit der Innenabschirmung (26; 66) verbunden ist, wobei die Masse-Sensoranordnung (1, 2; 51, 52, 53) von einem vorzugsweise runden Kopf (7) in dem Gehäuse (8) gehaltert wird, der in elektrisch leitender Verbindung mit der Innenabschirmung (26; 66) steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (7) an der Innenseite des Gehäuses (8) verankert ist, daß die von der Masse-Sensoranordnung (1,2; 51,52,53) erzeugten elektrischen Signale vom Verstärker (2ö, 2i) über zwei von der innenabschirmung (26; 66) getrennte Leitungen (17, 3; 57, 60) zugeführt werden und daß ferner das Befestigungselement, von dem Kopf (7) und der Innenabschirmung (26) elektrisch isoliert, an der Außenseite des Gehäuses (8) angeor-inet ist

2. Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (7) Teil einer in das Innere des becherförmigen Gehäuses (8) weisenden, von der Masse-Sensoranordnung (1,2; 51,52,53) koaxial umgebenen piu.förmigen Trägerschraube (6; 56) ist, deren Gewindeteil (14) mittels -iner aufgedrehten Mutter (12; 62) sowohl einen Deckel (9) als auch eine den elektronischen Verstärker (2⁷S 21) umfassende Leiterplatte (15) eingespannt trägt, die außerdem mit den Verbindungen (17, ί§; 57,60) zum Sensor (2; 52) und Anschlüssen (22) für das Kabel (10) versehen ist.

3. Aufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (8) als Befestigungselement ein Haftmagnet (30) eingebaut ist, dessen Achse parallel oder senkrecht zur Achse der Trägerschraube (6; 56) angeordnet ist.

4. Aufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Haftmagnet fest im Gehäuse in einer um 90° gegenüber dem ersten Haftmagneten geneigten Ebene angeordnet ist.

5. Aufnehmer nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Haftmagnet (30) aus einem deckeiförmigen Metallgehäuse (23), einem scheibenförmigen Dauermagneten (25) und einer ringförmigen Vergußmasse (24) besteht.

6. Aufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse-Sensoranorrlnung aus einem piezoelektrischen Schubelement mit einer rohrförmigen Masse (1), einem rohrförmigen Piezoelement (2) und einem rohrförmigen Träger (4) aus elektrisch isolierendem Material besteht, wobei ein Teil der Außenoberfläche des Trägers (4) ..und ein Teil (18) seiner der Leiterplatte (15) zugeiiWandten Stirnfläche den Signalübertragung zur Leiterplatte (15) dient und mit einem elektrischleitenden Belag versehen ist.

7. Aufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse-Sensoranordnung ein koaxial um die Trägerschraube (56) angeordnetes piezoelektrisches Kompressionselement

aus Piezoplatten (52) und Elektroden (53) sowie eine Metallmasse (51) und eine Rundplatte (55) umfaßt, und daß die durch ein Isolierröhrchen (54) zentriert und durch die Mutter (62) vorgespannt ist

8. Aufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse-Sensoranordnung aus einem koaxial angeordneten, mit Dehnmeßstreifen ausgerüsteten Sensorkörper besteht

9. Aufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse-Sensoranordnung aus einem koaxial angeordneten piezoresistiven Sensorkörper besteht

10. Aufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter als Distanzmutter (12; 62} ausgebildet ist und mit ihr sowohl die Leiterplatte (15; 59) gegen die Auflage (16) wie auch der Träger (4) bzw. die Grundplatte (55) gegen den pilzförmigen Kopf (7) der Trägerschraube (6; 56) verspannt ist

11. Aufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Kunststoff oder Meiali bestehender Deckel (9) gegen seinen als Dichtfläche (13) ausgebildeten Rand und auf die Distanzmutter (12; 62) gespannt ist