DE3320659A1

DE3320659A1 - Mit elastischen oberflaechenwellen arbeitender beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE3320659A1
Application number: DE19833320659
Authority: DE
Inventors: Pierre 75013 Paris Hartemann; Alain Jackie 91240 St. Michel sur Orge Jacobelli; Jean Louis 75012 Paris Meunier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1982-06-08
Filing date: 1983-06-08
Publication date: 1983-12-08
Also published as: GB2123554A; FR2528183A1; GB8315576D0; FR2528183B1; JPS5910855A

Description

PRSNZ,

Patentanwälte · "european P.iteft?* Attorney¹»* 3 3 ZO Ό Do

München Stuttgart

THOMSON - CSF 7. _{Juni 198J}

173, Bdo llaussmann

75008 Paris /Frankreich

Unser Zeichen; T 3623

Mit elastischen Oberflächenwellen arbeitender Beschleunigungsmesser

Die Erfindung betrifft mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Beschleunigungsmesser; insbesondere solche, die wenigstens zwei Oszillatoren enthalten, welche an Wandler angeschlossen sind^ die sich auf den beiden Flächen einer elastischen Scheibe befinden, die sich unter

der Wirkung der Beschleunigung durchbiegt. Eine solche . Struktur ermöglicht die Messung der Beschleunigung be-

' ^5; züglich einer zu den Hauptflächen der Scheibe senkrechten Richtung? diese Scheibe weist im allgemeinen ein in einer Halterung verankertes Ende und ein freies Ende auf„ an dem eine seismische Masse befestigt sein kann. Die Wandler sind so ausgelegt,, daß sie elastische Oberflächenwellen anregen und aufnehmen, von denen bekannt ist/ daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit abhängig von mechanischen Biegespannungen ist- Bei einer ersten Ausbildungsform bilden die Wandler eine übertragungsleitung, deren Verzögerungszeit die Phasenverschiebung einer Oszillator-

schleife festlegt. Bei einer zweiten Ausführungsform sind die Wandler in einem Linienmuster-Resonanzhohlraum angeordnet und mit Einrichtungen verbunden, die dazu bestimmt sind, die Schwingung den Hohlraumes aufrechtzuerhalten. Die Frequenz, welche die zu messende Beschleunigung darstellt, ergibt sich als Subtraktion von zwei Schwingungsfrequenzen, die mit thermischen Abdriften behaftet sind, welche einander nicht genau kompensieren.

Diese thermischen Abdriften entstehen nämlich zum Teil aus Spannungen, die durch die Verankerungsbefestigung der Scheibe und gegebenenfalls durch die Befestigung der seismischen Masse erzeugt werden. Diese Beanspruchungen können zu den mechanischen Biegebeanspruchungen hinzukommen, wenn die Zonen, wo diese entstehen, nahe an dem Bereich liegen, der von den mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Meßeinrichtungen eingenommen wird.

Wenn die mechanischen Biegebeanspruchungen denen eines Trägers mit konstantem Querschnitt entsprechen, ändert sich ihre Stärke wie das Biegemoment, wodurch eine genaue Positionierung der mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Meßeinrichtungen erforderlich wird. Ferner verursacht die Veränderung der Beanspruchungen eine Veränderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwellen in der Meßzone, was .zu einer Verzerrung der Wellenfronten führen kann.

Um den oben erwähnten Mängeln abzuhelfen, schlägt die Erfindung vor, eine Scheibe mit parallelen Flächen zu verwenden, die so geschnitten ist, daß sie eine Zone gleichen Biegewi<l<ⁱrstandes enthält, in welcher die mit

Cif» elastischem Oberi I ächenwellen arbeitenden Meßeinrichtungen angeordnet sind.

Durch die Erfindung wird ein mit elastischen Oberflä-

chenwellen arbeitender Beschleunigungsmesser geschaffen, bei dem eine Scheibe mit parallelen Flächen unter der Einwirkung der zu messenden Beschleunigung verbogen wird, wobei die in den genannten Flächen erzeugten Biegebeanspruchungen durch mit elastischen Oberfläehenwellen arbeitende Oszillator-Meßeinrichtungen erfaßt werden, und dieser Beschleunigungsmesser ist dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillator-Meßeinrichtungen sich in einer Zone der genannten Scheibe befinden, die XO denselben Biegewiderstand aufweist»

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird» In der Zeichnung zeigern

Fig» 1 eine isometrische Ansicht eines mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Beschleunigungsmessers bekannter Art?

Fig_o 2 eine der Erläuterung dienende Ansicht?

Fig. 3 eine isometrische Ansicht, welche Strukturen gleichen Biegewiderstandes darstellt, die mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Wand

lereinrichtungen aufweist?

Fig. 4 eine Scheibe eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers?

Fig, 5 eine isometrische Teilansicht eines erfindungsgemäßen mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Beschleunigungsmessers;

Fig. 6 eine isometrische Ansicht einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers?

Jt

Fig. 7 eine Draufsicht einer zweiten AusführungsVariante des Beschleunigungsmessers;

Fig. 8 eine Seitenansicht der in Fig. 7 gezeigten Austj f ührungsvariante;

Fig. 9 eine isometrische Teilansicht einer dritten Ausführungsvariante des Beschleunigungsmessers; und

ίο '~~' "' ·-■■■ ■'■·&

Fig₀ IO und 11 weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesser.

In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß die mechanischen Biegebeanspruchungen, die durch die Beschleunigung erzeugt werden, sich auf den Hauptflächen einer Scheibe konstanter Dicke äußern, die aus einem Material ausgeschnitten ist, in dem sich elastische Oberflächenwo.llen ausbreiten können. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Verwendung einer Scheibe in Betracht gezogen werden, die aus einem piezoelektrischen Kristallmaterial wie Quarz ausgeschnitten ist; ■bei einer komplizierteren Ausbildung der mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Wandlereinrichtungen kann die Scheibe auch aus Siliziumdioxid gebildet werden. Bei der Messung der Beschleunigung wird die zu den Hauptflächen der Scheibe senkrechte Komponente gemessen. Der Schnitt wird so gewählt, daß die Steifigkeit gegenüber Biegedeformierungen für zu den Hauptflächen der Scheibe parallele Beanspruchungen größer ist als die Steifqkeit, die bei der Messung der senkrechten Beschleunigungskomponente maßgeblich ist. Der Beschleunigungsmesser umfaßt notwendigerweise einen Träger der Scheibe, der eine Durchbiegung

■jfy der Scheibe zuläßi . Die Meßmasse kann durch die Scheibe ...selbiJt oder durch eine seismische Masse gebildet sein. Tm letzteren Fall bildet die Scheibe eine elastische Verbindung zwischen dem Träger und der seismischen Masse,

ft * ft ft

ρ ί> *> a
0 OQ ο

und bei allen Elementen wird angenommen, daß sin dieselbe Beschleunigung erfahren»

In Fig. 1 ist neben einem räumlichen Koordinatensystem Oxyz ein mit elastischen Oberflächenwellen arbeitender Beschleunigungsmesser herkömmlicher Art dargestellt. Die zu messende Beschleunigung γ, deren Richtung parallel zu Oy ist, wird auf einen Träger 1, eine seismische Masse 3 und eine elastische Scheibe 2 ausgeübt, die den Träger 1 mit der seismischen Masse 3 verbindet. Der senkrechte Querschnitt der Scheibe entsprechend einem Schnitt parallel zur Ebene yOx ist rechtwinklig und weist die Breite b sowie die Höhe h auf. Das Trägheitsmoment der Scheibe 2, wenn diese unter der Wirkung

. ρ- der Beschleunigung Ύ ausgelenkt wird, ist durch den

j-jv.3

folgenden Ausdruck gegeben% —yjr worin h deutlich kleiner als b ist. Für eine Beanspruchung in der Richtung Ox ist das Trägheitsmoment wesentlich größer, während für eine in der Richtung Oz wirksame Beanspruchung die Durchbiegung nicht berücksichtigt wird.

Die Deformierungen der Scheibe 2 werden durch mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Meßeinrichtungen erfaßt. Wenn z.B. die Scheibe 2 eine Quarzscheibe mit

„._ dem Schnitt ST ist, die bei der Temperatur 25°C eine verschwindende thermische Abdrift gewährleistet, sind die Hauptflächen 4 und 5 mit Elektroden 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 und 13 in Form von verzahnten Kämmen versehen, die strahlende Zwischenräume begrenzen, welche nach der

QQ Achse Ox orientiert sind. Die Elektroden 6 und 7 bilden einen elastische Oberflächenwellen aussendenden Wandler, wobei diese Wellen sich in der Richtung Oz ausbreiten und dann von einer Gruppe von Elektroden 8, 9 aufgenommen werden, die den Empfangswandler bilden.

O₅ Die Gesamtheit der auf der Fläche 4 angeordneten Elemente bildet somit eine mit elastischen Oberflachenwellen arbeitende Verzögerungsleitung, welche in der Schleife eines Verstärkers 14 liegt. Die Gesamtheit

der auf der Fläche 5 angeordneten leitenden Elemente bildet eine weitere mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Verzögerungsleitung, über die der Ausgang eines weiteren Verstärkers 15 zu seinem Eingang zurückgeschleift ist. Es sind somit zwei Oszillatoren vorhanden, deren Schwingungsfrequenzen f.j und f₂ von den Ausbreitungszeiten t.. und t₂ der elastischen Oberflächenwellen abhängt, die auf den Flächen 4 und 5 ausgetauscht werden. Die Ausgänge der Verstärker 14 und 15 sind mit den Eingängen eines subtrahierenden Mischers 16 verbunden, dessen Ausgang 17 ein Wechselspannungssignal der Frequenz f = f₁ ~ f₂ liefert. Um das Schaltbild zu vereinfachen, sind in Fig. 1 Masseverbindungen G angegeben.

Wenn eine Beschleunigung γ auftritt, so führt die einfache Durchbiegung der Scheibe 2 zum Auftreten von mechanischen Biegebeanspruchungen an den Flächen 4 und 5, wodurch die Ausbreitungszelten t.. und t„ gegensinnig verändert werden. Daraus ergeben sich neue Oszillatorfrequenzen f₁ + ΔΙ·¹ sowie f₂ ~ AF, und das Ausgangssignal am Ausgang 17 weist die Frequenz f + 2 AF auf. Es ist also ersichtlich, daß die Beschleunigung γ über die Frequenzänderung 2AF gemessen wird.

Die Deforinierung der Scheibe 2 durch einfaches Durchbiegen verursacht auch mechanische Scnerbeanspruchungen, jedoch sind diese an den freien Flächen 4 und 5 verschwindend, in denen die elastischen Oberfiächenwellen sich ausbreiten. Die einfache durchbiegung kann daher mit einer reinen Biegedeformier ing gleichgesetzt werden. Um zu vermeiden, daß windschiefe Durchbiegungen auftreten, wird der Scheibe 2 und der Masse 3 eine Gestalt gegeben, die eine yOz parallele Symmetrieebene aufweist, so daß mechanische Torsionsbeanspruchungen der Scheibe 2 vermieden werden. Bei der in Fig.. 1 gezeigten Anordnung können jedoch parasitäre Beanspruchungen zu den mechanischen Biegebeanspruchungen hinzu-

kommen,, und zwar aufgrund der Verankerung der Scheibe 2 an dem Träger 1 und der Befestigung an der seismischen Masse 3. Die thermische Dehnung der Scheibe 2 kann verschieden sein von derjenigen der Aufnahmenut des Trägers 1 und der seismischen Masse 3, wodurch die Beschleunigungsmessung vorfälscht werden kann. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wo dieselben Bezug^zeichen gleiche Elemente wie in Fig_o 1 bezeichnen, ist ferner das Biegemoment in jedem senkrechten Schnitt der Scheibe 2 stark unterschiedlich» Die Gerade 18 zeigt die Veränderung des Bie~ gemoments M längs der Achse ζ für eine auf das Ende einwirkende Kraft F = m γ, während die Kurve 19 die Änderung des Biegemomentes M zeigt, das durch die Eigenmasse der Lamelle verursacht wird. Aus dem in Fig„ 2 gezeigten Diagramm ist ersichtlich, daß die mechanische Biegebeanspruchung für den Fall einer Scheibe, die eine konstante Dicke und einen solchen Querschnitt aufweist, daß das Trägheitsmoment konstant ist, eine Größe ist, die sich innerhalb des Meßbereichs, wo die elastischen Oberflächenwellen ausgetauscht werden, beträchtlich verändert.

Die Variation der mechanischen Beanspruchungen führt zu einer entsprechenden Variation der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwellen. Dies kann zu Verzerrungen der Wellenfronten und des verzögerten elektrischen Signals führen,, Zum anderen wird die Position der Wandlereinrichtungen kritisch, denn die Empfindlichkeit hängt von der Position dieser Wandler entlang der Scheibe ab.

In Fig_o 3 sind zwei Scheiben gezeigt, die in einem Träger 1 verankert sind und in der Ebene xOy ein Profil aufweisen, das zur Verankerungsstelle hin progressiv verbreitert ist. Für den Fall einer Scheibe konstanter Dicke h, bei der nur die Eigenmasse auf die zu messende Beschleunigung anspricht, wird eine elastische Biegebeanspruchung konstanten Wertes erhalten, wenn die De-

* V* W** <*W

formierung einen konstanten Krümmungsradius P aufweist. Für einen laufenden Wert ζ -der Entfernung ζ können die elementaren Biegemomente auf integriert werden, die auf"" den senkrechten Querschnitt der Scheibe mit der Breite b in der Entfernung ζ vom Punkt O und mit der Höhe h einwirken. Wenn M (z ) das resultierende Biegemoment ist, so ist ^bo'^h

I = - das Trägheitsmoment dieses senkrechten Querschnitts, während E der Elastizitätsmodul des Materials ist, aus dem die Scheibe 2 gebildet ist. Es gilt dann:

_L - ^M(zo^}

P E.I

,p- Es ist ersichtlich, daß die Bedingung, einen gleichen Widerstand anzutreffen, darauf hinausläuft, eine Biegesteifigkeit E.I vorzusehen, die proportional dem Biegemoment M(z ) ist. Das Profil der Scheibe 2 in der Ebene xOz ist durch zwei Parabelbögen begrenzt, wie in Fig. 3

2Q gezeigt ist, und zwar bei der Scheibe 2, welche die zweite Stellung einnimmt. Die in Form von verzahnten Kämmen 6, 7, 8, 9, ausgebildeten Wandler können in derjenigen Hälfte der Fläche 4 liegen, die links von der Achse ζ liegt, während die verzahnten, kammförmigen Wandler 10, 11, 12 und 13 in der von der Achse ζ rechts liegenden Hälfte der Scheibe angeordnet sind. Eine solche Anordnung mit seitlicher Versetzung ist vorteilhaft, um die kapazitive Kopplung zwischen den Meße.inrichtungen der Fläche 4 und denen der Fläche 5 zu ver-

QQ mindern. Die Fig. 3 zeigt ferner in dor ersten Stellung eine Scheibe 2, bei der die Bedingung gleichen Biegewiderstandes durch eine Dreiecksform mit dem Scheitel O erfüllt ist. Dieser Fall entspricht einer Scheibe, deren Eigenmasse vernachlässigbar ist gegenüber einer seis-

of mischen Masse (m ), die am Punkt 0 die Trägheitskraft F^m γ ausübt, worin Y die zu messende Beschleunigung ist. Im allgemeinen Falle definieren die Eigenmasse der Scheibe und die angesetzte Masse ein Profil gleichen

) α ρ ο ο β· α
«ο if» a ο i

Biegewiderstandes, das zwischen den beiden in Fig. 3 gezeigten Profilen liegt»

In Fig. 4 ist eine Scheibe 2 für einen erfindunysgemäßen Beschleunigungsmesser gezeigt, die eine Mittelzone 25 mit gleichem Biegewiderstand eiufweist, welche eine -Verankerungszone 26 mit einer Endzone 2 2 verbindet, wobei die Verankerungszone im senkrechten Querschnitt 24 konstante Höhe und Breite und die Endzone 22 einen

jQ senkrechten Querschnitt 23 aufweist. Die Endzone 22 wird von einem Befestigungsstift 27 durchquert, der zwei Massekörper 20 und 21 trägt, die aufgrund der zu messenden Beschleunigung eine Kraft F erzeugen. Die Endzone 22 übt eine Kraft F aus. Die Bedingung glei-

!5 chen bzw. gleichbleibenden Widerstandes ist ab der Schnittfläche 23 erfüllt, wo ein Biegemoment wirksam wird, das aus den Kräften F und F resultiert. Alle senkrechten Schnitte der Zone 25 gleichbleibenden Widerstandes sind hinsichtlich ihrer Breite so bemessen, äa"ß die zusätzliche Belastung aufgrund der Eigenmasse der Scheibe zwischen der Schnittfläche 23 und jeder dazwischenliegenden Schnittfläche bis zur Schnittfläche 24 berücksichtigt ist". In der Praxis zeigt sich, daß das Biegemoment M, dem jeder senkrechte Querschnitt der Zone gleichen Widerstandes widerstehen muß, proportional zu dem Trägheitsmoment des Querschnittes variiert, also proportional zu seiner Breite. Die Gestalt der Zone 25 gleichbleibenden Widerstandes ist trapezförmig, jedoch sind die die Basen verbindenden Flächen leicht gekrümmt, wie in Fig. 4 gezeigt ist, wenn die Eigenmasse der Scheibe berücksichtigt werden soll.

Die in Fig. 5 gezeigte isometrische Teilansicht gibt ein Ausführungsbeispiel eines Beschleunigungsmessers wider, bei dem eine piezoelektrische Scheibe 2 mit parallelen Flächen verwendet wird, deren Schnitt eine Zone 25 gleichen Biegewiderstandes aufweist. Der in Fig. 5 gezeigte Schnitt weist einen ringförmigen Rahmen auf, der innenseitig an eine Meßzunge anschließt, wel-

* tf · *

ι* 4V-

• Ü · U Ψ

ehe an ihrem Ansatz die Zone 25 gleichen Widerstandes und an ihrem freien Ende eine Gruppe von Massekörpern 20, 21, 27 aufweist. Vorzugsweise ist der Schnitt der Scheibe 2 symmetrisch in bezug auf die Achse z, die bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel ein Durchmesser des kreisförmigen Außenumfangs der Scheibe 2 ist.

Die beschriebene Anordnung ist vorteilhaft, denn sie ermöglicht das Entfallen von Mitteln zur Befestigung der Scheibe 2 und der Meßzone 25, welche die mit elastischen Oberf.! ächenwellen arbeitenden Wandler auf den Flächen 4 und 5 enthält. Durch das Entfallen dieser Mittel können Beanspruchungen vermindert werden, die durch die Befestiijungsweise der Scheibe 2 verursacht werden, wobei diese Befestigung diametral gegenüber dem Anschluß der Zunge an den ringförmigen Rahmen erfolgt. Die Biege-'i'orsions- und Scherbeanspruchungen, die in dem ringförmigen Rahmen aufgrund der Beschleunigung auftreten, haben im Bereich der Zone 25 nur geringe Auswirkungen. Um den ringförmigen Rahmen der Scheibe 2 zu verstärken, können gemäß Fig. 5 zwei Versteifungselemente 28 und 29 in Form von Kreisbögen vorgesehen werden, die gegen die Flächen 4 und 5 der Scheibe 2 angelegt bzw. damit verklebt sind. Diese Ver~ steifungselemente 28 und 29 sind vorzugsweise aus einer Scheibe ausgeschnitten, die völlig gleich derjenigen ist, aus der die Scheibe 2 hergestellt wurde, wobei beim Zusammenbau darauf geachtet wird, daß dieselben kristallographischen Orientierungen eingehalten werden.

Durch diese Maßnahme wird das Entstehen von Beanspruchungen verhindert, die auf unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen den Elementen 28, 29 und der Scheibe 2 beruhen.

Ü5 Die aus der Scheibe 2 und den Versteifungselementen 28, 29 gebildete Einholt muß an einem Halbgehäuse 36 befestigt werden, das aus einem Material hergestellt werden kann, das eirn-n Wärmedehnungskoeffizienten aufweist,

der verschieden von den Wärme· lohnungskoef f izlent en i;.t, die für das Material zutreffen, aus dom diese Einheii gebildet j st.

Unter diesen Uniständen ist es zweckmäßig, Befest.igun<jsmittel zu verwenden, welche eine freie Ausdehnung der aus der Scheibe und den Versteifungselementen gebildeten Einheit in der Ebene xy zulassen, wobei gleichzeitig ein gutes Aufliegen au Γ dem Hals 35 des Halb-" gehäuses 36 gewährleistet ist. Fig. 5 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform, bei. der eine Anzahl von Kugeln verwendet wird, die als /iWischenabstützung dienen. Eine Kugel 32 ist jeweils in zwei konischen Schalen aufgenommen, die in dem Hals 35 bzw. in dem Ver-, steifungselement 29 gebildet .sind» Diese Art und Weise der Befestigung ermöglicht ein Verschwenken des Gehäuses in bezug auf die aus der Scheibe und den Versteifungselementen gebildete lCinheit. Eine zweite Kugel 34 ist in zwei V-förmigen Rillen beweglich, die vorzugsweise zu den Aufnahmesohaien der Kugel 32 hin orientiert und in dem Hals 35 bzw. Versteifungsclement 29 eingeschnitten sind. Diese zweite Verbindung ermöglicht eine freie Ausdehnung der aus der Scheibe und den Versteifungselementen gebildeten Einheit, jedoch mit fester Orientierung in der Ebene xy. Eine dritte Kugel 33, die zwischen zwei ebenen Umlaufrändern eingefangen ist, welche an dem Hals 35 bzw. an dem Versteifungselement 29 gebildet sind, legt endgültig .die stabile Auflage der Einheit auf dem Halbgehäuse fest, wobei jedoch eine freie Dehnung dieser Einheit zugelassen ist. In Fig„ 5 ist das andere Halbgehäuse weggelassen, welches über der aus der Scheibe 2 und den Versteifungselementen 28, 29 gebildeten Einheit liegt» Dieses andere Halbgehäuse ruht auf dem Halbgehäuse 36 unter Zwischenfügung von Stützen 37, und sein Halsteil ist mit dem Versteifungselement 28 über Kugeln verbunden, die den Kugeln 32, 33 und 34 entsprechen. Fig„ 5 zeigt die V-förmige Aufnahme 31 und die konische Auf-

nähme 30 in dem Versteifungselement 28 zur Aufnahme von zwei der drei Kugeln. Fig. 5 zeigt zwar eine aus der Scheibe und den Versteifungselementen gebildete Einheit, deren Versteifungselemente bogenförmig sind, jedoch

P₃ können entweder diese Versteifungselemente entfallen, oder sie können auch, bei anderen Ausführungsformen, den ringförmigen Rahmen der Scheibe 2 vollständig überdecken.

In Fig. 6 ist eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers dargestellt. Das Gehäuse 36 trägt über ein Stützteil 39 eine bewegliche Einheit, die aus einer Scheibe 2 besteht. Der Schnitt läßt eine Zunge 40 verbleiben, deren eines Ende an

Ifr einen ringförmigen Rahmen 41 anschließt, der als seismische Masse dient, und deren anderes Ende, welches über eine Zone 25 gleichen Biegewiderstandes hinausgeht, in dem Stützteil 39 verankert ist. In einer Baugruppe 38 sind die elektrischen Oszillator- und Mischschaltungen enthalten, die mit den mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Meßeinrichtungen zusammenwirken, die in der Zone 25 enthalten sind.

Die in Fig. 6 gezeigte vorteilhafte Ausführungsform kann auch bei der Ausfuhrungsform nach Fig. 5 Anwendung finden. Die seismischen Massen 20, 21, 27, die an der Scheibe 2 angesetzt sind, können also durch Verlängerungen der Scheibe 2 ersetzt werden, welche die beiden Aussparungen einnehmen, die auf beiden Seiten der mittleren Zunge gebildet sind. Ferner können die vorteilhaften Ausbildungen nach Fig. 5 auch bei der Ausführung:, form nach Fit). 6 Anwendung finden, wo der Stützteil 39 durch eine Kugellagerung ersetzt werden kann, welche einen inneicn, offenen Rahmen, der aus der yi-, Scheibe 2 geschnii ten ist und von dem Ende der Zone ausgeht·., gefangen hält. Die beiden gekrümmten Schenkel dieses offenen Innonrahmens nehmen dabei die beiden leeren Teile ein, welche die mittlere Zunge 40 einrah-

ft A β ■»

ί) e A β β * te

men.

Wie sich aus obiger Beschreibung ergibt, erfolgt die Messung der Durchbiegung mittels elastischen Oberflächenwellen in einer Zone gleichen Widerstandes, die durch einen geeigneten Schnitt einer Scheibe mit parallelen Flächen erhalten wird. Die erhaltene Zunge kann einen einzigen Körper mil: einem offenen oder geschlossenen Rahmen bilden, der als Halterungsmittel zur Befestigung an einem Gehäuse dient, während ihr freies Ende Verlängerungen aufweisen kann, deren zusätzliche Masse die Empfindlichkeit für die zu messende Beschleunigung vergrößert.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Schnitt bzw. eine Schnittform begrenzt, die nur eine einzige Meßzunge enthält, denn demselben Rahmen können mehrere Zungen gemeinsam sein, die jeweils eine Meßzone gleichbleibenden Biegewiderstandes aufweisen.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform enthält die Meßeinheit bzw. Scheibe 2 innenseitig von einem parallelogrammförmigen Rahmen zwei Meßzungen, die jeweils mit einer Zone 251 bzw. 252 gleichen Widerstandes versehen sind. Jede Zunge ist symmetrisch in bezug auf eine Achse 45 bzw. 46 geschnitten, und zwar mit annähernd trapezförmiger Gestalt, die an ihrem freien Ende eine seismische Masse 201 bzw. 202 trägt. Jede Zone 251., 252 gleichbleibenden Widerstandes enthält auf ihren beiden Flächen der Scheibe 2 eine Einrichtung zur Messung mittels elastischen Oberflächenwellen. Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform sind die Meßmittel Resonatoren für elastische Oberflächenwellen. Jeder Resonator umfaßt einen Schwingungsraum, der durch zwei reflektierende Strichgitter begrenzt ist, die auf den Hauptflächen der Scheibe 2 durch Gravierung oder Ionenimplantation gebildet sind. Elektroden können in dem Schwingungsraum jedes Resonators fotograviert sein, um

mittels einer Verstärkerschaltung 141, 151, 152 bzw. 142 einen Zustand stationärer elastischer Oberflächenwellen aufrechtzuerhalten.

i, Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform sind also vier Oszillatoren vorhanden, deren Schwingungsfrequen-2cn in Abhängigkeit von den Biegebeanspruchungen variieren, die durch die zu messende Beschleunigung verursacht werden. Wenn angenommen xvird, daß die beiden Meßzungen bei dieser Ausführungsform in der gleichen Weise auf eine Beschleunigung ansprechen, die senkrecht zur Zeichenebene ist, und wenn angenommen wird, daß die Ruhefrequenzen der Oszillatoren 141, 142, 151 und 152 die Frequenzen f₁, f„, f_ bzw. f sind, so liefert ein

I £ Z) Q

H₁ Mischer 161 die Differenz f.. - f_, während ein Mischer 162 die Differenz f. - f« liefert. Ein Mischer 16 empfängt die Signale von den Mischern 161 und 162 und bildet ein Signal, dessen Frequenzvariation f.. + f_ - f., - f. die Beschleunigung darstellt, welche auf die bewegliche Einheit einwirkt. Wenn nämlich Af die durch die Beschleunigung verursachte Frequenzverschiebung ist, so sind die Schwingungsfrequenzen: f + Af, f + Af, f - Af, f - Af, so daß am Ausgang des Mischers 16 ein Signal entsteht, dessen Frequenz gleich f.. + f_ - f₃ f, + 4 Af ist. Wenn AF₁, AF₉, AF- und AF- die Temperaturabdriften der vier Oszillatoren sind, so sind die thermisch gesteuerten Frequenzen folgende: f.. + AF₁, f„ + AF₂, f_ + AF₃ und f. + AF.. Die gestörte Frequenz am Ausgang des Mischers 16 ist dann: f. + f - f - f + AF₁ + AF₂ - AF - AF . Die Ausbildung kann so getroffen werden, daß die thermische Abdrift verschwindet; AF₁ + AF₂ - AF - AF gleich Null, und dies läßt sich leichter verwirklichen als mit nur zwei Meßoszillatoren. DLe Lagerung der beweglichen Einheit bei der

'Sl-, Auaführungsform nach Fig. 4 auf dem Halbgehäuse 36 kann an zwei Punkten in der Mitte· der Seiten des Rahmens erfolgen, die nicht körperlicher Bestandteil der Meßzungen iiind. Zu diesem Zweck werden eine eingelas-

■a Λ "η «ο Aq

Vif :

sene Stütze 43 und eine Schwenkabstützung 4 2 verwendest.

Fig. 8 zeigt einen Schnitt längs Linie 44 in Fig. 7. ^: Die Meßeinheit bzw. Scheibe 2 ist auf der rechten Seite zwischen zwei Halbgehäusen 361 und 362 festgelegt, um die Befestigung zu vervollständigen, ist jedoch der linke Teil zwischen den Halbgehäusen 362 und 361 durch schwenkbar abgestützte Stifte 49 und 50 gehalten, die sich in konischen Aussparungen abstützen, welche in !0 den Halbgehäusen 362 und 361 bzw. in Klötzchen 47 und 48 gebildet sind, die an der Meßeinheit 2 befestigt sind. Eine solche Halterung ermöglicht weitgehend die Vermeidung von Beanspruchungen thermischen Ursprungs=

Der in Fig_o 9 gezeigte Beschleunigungsmesser ist ähnlich der Ausführungsform nach den Figuren 7 und 8, jedoch bilden die Meßzungen einen einzigen Körper mit einem zentralen Träger, der durch zwei Versteifungselemente 253 und 254 versteift ist» Die seismischen Massen sind durch Flügel 201 und 202 gebildet, welche direkt mit der Scheibe 2 ausgeschnitten sind. Die Zonen 51, 52, und 54 bezeichnen die jeweiligen Positionen der mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Meßeinrichtungen, bei denen es sich um Verzögerungsleitungen mit verzahnten Kämmen oder um Liniengitter-Resonatoren handeln kann. Diese Zonen liegen wiederum innerhalb der Bereiche gleichen Biegewiderstandes der beiden Meßzonen.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsvariante mit nur ' einer Meßzunge, welche den Mittelschenkel eines E-förmigen Schnittes bildet. Das Ende der Meßzunge weist einen Flügel 201 aufj, der als seismische Masse dient. Die U-förmige Zone, die einen einzigen Körper mit der Zone 251 gleichen Widerstandes der Zunge bildet, ist durch Aufkleben eines U-förmigen Versteifungselements 253 auf jeder Seite versteift. Die so gebildete? einen einzigen Block darstellende Meßeinheit ist in gleicher

Weise wie bei der Ausführungsform nach den Figuren 7 und 8 gelagert. In einem Schaltungsblock 38 sind die Oszillator- und Mischschaltungen enthalten, die mit den Meßeinrichtungen zusammenwirken/ welche in der Zone 251 liegen und mit elastischen Oberflächenwellen arbeiten.

Fig„ 11 zeigt eine weitere Schnittform der Scheibe 2. Zwei Meßzungen 251 und 252 sind mit seismischen Massen 201 bzw. 202 versehen und bilden einen einzigen Körper

IQ mit einer zentralen Zunge 26O_r die ihrerseits einen einzigen Körper mit einem rechtwinkligen Rahmen bildet. Durch Befestigung dieses Rahmens am Gehäuse des Beschleunigungsmessers über denjenigen Rand, der dem gegenüberliegt, welcher einen einzigen Körper mit der Zunge 20 bildet, wird der Einfluß von Befestigungsbeanspruchungen in den Meßzonen 251 und 252 weitestgehend unterdrückt.

Leerseite

Claims

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Pät@htahv>/fflte" ·.."-*.* 33206

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

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

Ernsbergerstras se 19

8 München 60

THOMSON - CSP 7. Juni 19 83

173, Bd» Haussmann

75OQ8 Paris /Frankreich

Unser Zeichens T 3623

Patentansprüche

Mit elastischen Oberflächenwellen arbeitender Beschleunigungsmesser ? bei dem eine parallele Flächen (4, 5) aufweisende Scheibe (2) unter der Wirkung der zu messenden Beschleunigung ausgelenkt wird, wobei die in den 5. Flächen (4_? 5) der Scheibe (2) erzeugten Biegebeanspruchungen erfaßt werden durch mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Oszillator-Meßeinrichtungen (67 7, 8, 9, 10_? 11, 12, 13, 14, 15), dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillator-Meßeinrichtungen in einer Zone (25) gleichen Biegewiderstandes der scheibe (2) liegen»

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (25) gleichen Widerstandes zu einer Zunge gehört,, die ein freies Ende (22) und ein Ende (26) aufweist,? das zur Befestigung an einem Gehäuse (36,1) bestimmt ist_? auf welches die zu messende

. Beschleunigung einwirkt„ und daß die Form der Zunge

HD/bl

symmetrisch in bezug auf die Biegeebene ist, welche die Beschleunigungsmeßrichtung (yj enthält.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (22) der Zunge eine angesetzte seismische Masse (20, 21, 27) trägt.

4» Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge einen einzigen Körper mit einem Rahmen bildet, der an das Gehäuse (36) über Verbindungselemente (32, 33? 34) angeschlossen ist, die eine freie Positionierung durch thermische Beanspruchungen zulassen.

5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Versteifungsmittel (28, 29), die aus dem selben Material ausgeschnitten sind wie die Scheibe (2) , auf eine Verstärkung benötigende Teile des Rahmens aufgesetzt bzw. mit diesen verklebt sind.

6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente Kugeln (32, 33, 34) sind, von denen eine in einer konischen Aufnahme und eine andere in einer V-förmigen Aufnahme angeordnet sind.

7. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 2, 4,5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende .(22) der Zunge einen einzigen Körper mit solchen Elementen

(41) der Zunge (2) bildet, die eine seismische Masse darstellen.

8. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elemente einen Rahmen (41) bilden,

9. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elemente einen Flügel (201)

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bilden,

10, Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (2) eine Einheit mit zwei Meßzungen bildet, die jeweils eine Zone (251, 252) gleichbleibenden B i.egewiderstandes aufweisen.

„ Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1O₇ dadurch gekennzeichnet, daß die Zungenbeinen einzigen Körper mit zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines Rahmens bilden, dessen zwei andere Seiten zur Verbindung mit einem Gehäuse (36) bestimmt sind,,

12p Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1O₇ dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen einen einzigen Körper mit einem 'Balken bilden, der zur Aufhängung und Befestigung an einem Gehäuse (36) dient=

13. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Balken (260) seinerseits einen einzi- _-■·.. . gen Körper mit einem Rahmen bLldet«,

14. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß vier mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Meßoszillatoren (141, 142, 151, 152) vorgesehen sind, daß eine erste Mischeinrichtung (161, 162) jeweils zu zweit die Schwingungsfrequenzen der von den Oszillatoren erzeugten Signale voneinander subtrahiert und daß eine zweite Mischeinrichtung (16) die Frequenzen der Signale voneinander subtrahiert, die von der ersten Mischeinrichtung (161, 162) ' geliefert werden,,

3§ 15. Beschleunigungsmesser nach einem der vorstehenden An- - sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (2) piezoelektrisch ist»

16. Beschleunigungsmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoreinrichtungen mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Abstimmittel von der Art einer Verzögerungsleitung oder

k eines Reflektionsgitter-Resonators umfassen.

17. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Flächen der Scheibe getrage- . . nen Abstimmittel in entgegengesetztem Sinne seitlich Q in bezug auf die Biegeebene der Zone gleichen Biegewiderstandes versetzt sind.