DE3507738C1

DE3507738C1 - Linear accelerometer

Info

Publication number: DE3507738C1
Application number: DE19853507738
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 8031 Hochstadt Größler; Norbert Dipl.-Phys. 8899 Aresing Nissl
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1985-03-05
Filing date: 1985-03-05
Publication date: 1986-09-04

Abstract

The linear accelerometer has at least one inertial mass whose position inside at least one housing can be determined by means of at least one measuring device. The inertial mass can move freely within the housing in at least one direction and is elastic, preferably hard elastic, at least in the direction of motion. The parts of the housing which limit the motion of the inertial mass determined by the acceleration are likewise elastic, preferably hard elastic, in such a way that the inertial mass is reflected with as little loss as possible. During measurement, account is taken only of the free-flight phase of the inertial mass. <IMAGE>

Description

Der Beschleunigungsmesser unterscheidet sich von dem aus der obengenannten Patentschrift bekannten dadurch, daß die träge Masse innerhalb eines Gehäuses frei beweglich ist und deren »Flugbahn« innerhalb des Gehäuses registriert wird. In vielen Fällen werden die zu messenden Beschleunigungen innerhalb der Zeit auftreten, die der trägen Masse für den freien Flug inner- halb des Gehäuses zur Verfügung steht. Sollte diese Zeit nicht ausreichen, so kann die Messung des Bewegungsablaufes der trägen Masse unmittelbar nach der Reflexion an der Gehäusewand weiter vorgenommen werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwei oder mehrere ähnlich aufgebaute Beschleunigungsmesser nebeneinander zu betreiben und stets nur die Bahn der trägen Masse zu verfolgen, die gerade in der gewünschten Richtung fliegt. The accelerometer is different from that of the above Patent known in that the inertial mass is free within a housing is movable and its "trajectory" is registered within the housing. In many Cases the accelerations to be measured will occur within the time that the inertial mass for free flight within half of the housing to Available. If this time is not sufficient, the measurement of the movement sequence can be carried out the inertial mass is carried out immediately after the reflection on the housing wall will. Another possibility is to have two or more similarly constructed Accelerometers to operate side by side and always only the path of the sluggish Track mass that is currently flying in the desired direction.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier teilweise schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen F i g. 1 einen linearen Beschleunigungsmesser mit einer trägen Masse und einer elektronischen Signalverarbeitung und F i g. 2 eine Mehrfachanordnung von Beschleunigungsmessern gemäß F i g. 1. The invention is explained in part schematically below with reference to two illustrated embodiments described. It shows F i g. 1 a linear Accelerometer with an inertial mass and electronic signal processing and F i g. FIG. 2 shows a multiple arrangement of accelerometers according to FIG. 1.

In einem metallischen Gehäuse 1, welches gegenüber Schockwellen durch Dämpfungsschichten 2 isoliert mit dem Beschleunigungen ausgesetzten Körper 3 verbunden ist, befindet sich ein zylindrischer Raum 4. In diesem Raum 4 befindet sich eine als träge Masse dienende Kugel 5, deren Außendurchmesser nur geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des zylindrischen Raumes 4 ist Die Oberflächen der Kugel 5 sowie des Innenraumes 4 sind möglichst glatt und ggf. mit einem Material hoher Gleitfähigkeit, z. B. Teflon, beschichtet, so daß sich die Kugel unter dem Einfluß von Inertialkräften ohne große Reibung längs der Zylinderachse des Gehäuses bewegen kann. Die Kugel 5 ist aus Stahl und kann durch einen Elektromagneten 13 in der obersten Position fixiert werden. In a metallic housing 1, which against shock waves through Damping layers 2 are connected to the body 3 exposed to accelerations in an isolated manner is, there is a cylindrical space 4. In this space 4 there is one Ball 5 serving as an inertial mass, the outer diameter of which is only slightly smaller than the inner diameter of the cylindrical space 4 is the surfaces of the sphere 5 and the interior 4 are as smooth as possible and possibly with a higher material Lubricity, e.g. B. Teflon coated so that the ball is under the influence move by inertial forces without great friction along the cylinder axis of the housing can. The ball 5 is made of steel and can by an electromagnet 13 in the top Position to be fixed.

An zwei gegenüberliegenden Mantellinien der zylindrischen Gehäusewand sind Bohrungen 6.1, 6.2 6.N bzw. 7.1, 7.1,7.2 7.Nin vorgegebenen Abständen derart angebracht, daß je zwei Bohrungen 6.1 und 7.1 bzw. 6.2 und 7.2 usw. auf einer gemeinsamen Achse liegen. Vor den Bohrungen 6.1 bis 6.N ist jeweils eine Lichtquelle 8.1 bis 8.Nangeordnet; entsprechend dazu befinden sich an den Bohrungen 7.1 bis 7.N optoelektrische Empfänger, z. B. Fotodioden 9.1 bis 9.N. Je eine Lichtquelle 8.1 bzw. 8.2 usw. bildet mit je einem optoelektrischen Empfänger 9.1 bzw. 9.2 usw. eine Lichtschranke. Beim Durchgang der Kugel 5 durch je eine dieser Lichtschranken wird ein elektrisches Signal erzeugt, welches von einer elektronischen Signalverarbeitung 10 erfaßt und weiter verarbeitet wird. Aus diesen Signalen läßt sich, wie später beschrieben, die vollständige Bewegung der Kugel 5 berechnen, da die gemessenen Durchgangszeitpunkte der Kugel jeweils eindeutig einer Lichtschrankenposition zugeordnet sind. On two opposite surface lines of the cylindrical housing wall bores 6.1, 6.2, 6.N or 7.1, 7.1, 7.2, 7.N at specified intervals are like this attached that two holes 6.1 and 7.1 or 6.2 and 7.2 etc. on a common Axis lie. In front of the holes 6.1 to 6.N there is a light source 8.1 to 8.N Arranged; Correspondingly, there are opto-electrical ones at the holes 7.1 to 7.N. Recipient, e.g. B. Photodiodes 9.1 to 9.N. Forms a light source 8.1 or 8.2, etc. in each case each with an optoelectronic receiver 9.1 or 9.2 etc. a light barrier. At the The passage of the ball 5 through one of these light barriers is an electrical one Signal generated, which is detected by an electronic signal processing 10 and is further processed. From these signals, as will be described later, calculate the complete movement of the ball 5 as the measured transit times the ball are each clearly assigned to a light barrier position.

Die Stirnflächen 11 und 12 des zylindrischen Raumes 4 sind aus einem hartelastischen Material, so daß die Kugel 5 an diesen Flächen möglichst verlustarm reflektiert wird. Die Kugel selbst sollte eine hohe Oberflächengenauigkeit und Härte aufweisen, wobei sich als Oberflächenmaterial außer Stahl auch Kunststoff, Hartgummi o. ä. anbietet Auch die Verwendung eines Hohlkörpers als träge Masse ist möglich. Insbesondere im letzt genannten Falle empfiehlt es sich, den Innenraum 4 zu evakuieren, um den Luftwiderstand auf die träge Masse zu verringern. The end faces 11 and 12 of the cylindrical space 4 are made of one hard elastic material, so that the ball 5 has as little loss as possible on these surfaces is reflected. The ball itself should have high surface accuracy and hardness have, with plastic, hard rubber as surface material in addition to steel or the like. It is also possible to use a hollow body as an inertial mass. In the last-mentioned case in particular, it is advisable to evacuate the interior 4, to reduce the drag on the inertial mass.

Die in einer Reihe angeordneten optoelektrischen Empfänger 9.1 bis 9.N bilden ein Empfängerarray, aus welchem beim Durchtritt der Kugel 5 durch die Lichtschranken analoge Ausgangspegel kommen. Diese werden einem Schwellendetektorarray 10.1 zugeführt, welches die analogen Pegel in logische Pegel (0 oder 1) überführt, je nachdem, ob zum getakteten Zeitintervall der Analogpegel eine vorher eingestellte Schwelle unterschreitet oder nicht. Der Taktgenerator 10.2 dient dabei als Zeitbasis. The arranged in a row optoelectronic receivers 9.1 to 9.N form a receiver array, from which when the ball 5 passes through the Light barriers come at analog output levels. These become a threshold detector array 10.1 is supplied, which converts the analog levels into logic levels (0 or 1), depending on whether the analog level is a previously set for the clocked time interval Falls below threshold or not. The clock generator 10.2 serves as a time base.

Die Ausgänge des Schwellendetektorarrays 10.1 werden einem Positions-Codierer 10.3 zugeführt, welcher die aus dem Eingangsbitmuster abgeleitete Position und Bewegungsrichtung der Kugel 5 in ein entsprechendes Binärwort umsetzt. Die Ermittlung der Bewegungsrichtung der Kugel 5 wird insbesondere dann erleichtert, wenn der Kugeldurchmesser ein ganzzahliges Vielfaches der Abstände der Lichtschranken beträgt. Bei der im dargestellten Falle sich nach unten bewegenden Kugel 5 zeigt dann der annähernd gleichzeitige Übergang des jeweils auf die Position der Kugel bezogenen unteren und oberen Signalbits von 1 nach 0 bzw. vonp nach 1 an, daß sich die Kugel, wie dargestellt, nach unten bewegt. Für eine Bewegung der Kugel nach oben würden diese Übergänge genau umgekehrt erfolgen. The outputs of the threshold detector array 10.1 are a position encoder 10.3, which is the position and direction of movement derived from the input bit pattern the ball 5 converts into a corresponding binary word. Determining the direction of movement the ball 5 is made easier in particular when the ball diameter is an integer Is a multiple of the distances between the light barriers. In the case shown ball 5 moving downwards then shows the almost simultaneous transition of the lower and upper signal bits of in each case related to the position of the ball 1 to 0 or from p to 1 indicates that the ball is moving downwards, as shown. For an upward movement of the ball, these transitions would be exactly the opposite.

Der Positions-Codierer 10.3 führt das positions- und richtungsbeinhaltende Binärwort einer Signalverarbeitungslogik 10.4 zu, welche mittels zusätzlicher Interface-Signale zur Synchronisierung des Datenflusses mit dem Positions-Codierer 10.3 kommuniziert. Die Signalverarbeitungslogik 10.4 setzt die aus dem Positions-Codierer 10.3 kommenden Signale unter Einbeziehung der vom Taktgeber 10.2 gelieferten Zeitbasis in binäre Ausgangssignale, z. B. parallele Datenworte, um. Diese Ausgangssignale beschreiben die Geschwindigkeit oder, nach Differenzierung, die Beschleunigung der trägen Masse zum jeweiligen Zeitintervall. Die Ausgangssignale werden der jeweiligen, nicht näher dargestellten Peripherie zugeführt, von der auch zu geeigneten Zeitpunkten die entsprechenden SET- bzw. RESET-Ansteuerungen kommen. The position encoder 10.3 carries the position and direction containing Binary word of a signal processing logic 10.4, which by means of additional interface signals communicates with the position encoder 10.3 to synchronize the data flow. The signal processing logic 10.4 sets those coming from the position encoder 10.3 Signals taking into account the time base supplied by the clock 10.2 in binary Output signals, e.g. B. parallel data words to. Describe these output signals the speed or, after differentiation, the acceleration of the inertial mass at the respective time interval. The output signals are not closer to the respective one peripherals shown supplied, from which the corresponding at appropriate times SET or RESET controls come.

Da es bei der Reflexion der Kugel 5 an den Stirnflächen 11 und~12 selbst bei optimal ausgewählten Materialien zu Nichtlinearitäten in der Bewegung der Kugel kommt, empfiehlt es sich bei Messungen, die länger dauern als der Kugel zur freien Bewegung im Innenraum 4 zur Verfügung stehen, mehrere derartige Anordnungen gemäß F i g. 1 parallel zu schalten. Eine derartige Mehrfachanordnung ist in F i g. 2 dargestellt. Das Gehäuse 20 weist hier drei zylindrische Innenräume 21, 22 und 23 gleichen Durchmessers auf, dessen Längen in der Zylinderlängsachse durch unterschiedlich tief hineinragende Deckel 24,25 und 26 untereinander verschieden sind. In den Räumen 21, 22 und 23 befinden sich jeweils gleiche Kugeln 27, 28 und 29. Die einzelnen zylindrischen Räume 21, 22 und 23 weisen, wie in F i g. 1, jeweils Lichtschranken 30 bzw. 31 bzw. 32 auf, deren Signale jeweils in nicht dargestellten elektronischen Schaltungen gemäß F i g. 1 verarbeitet werden. Since the reflection of the ball 5 at the end faces 11 and ~ 12 even with optimally selected materials to non-linearities in the movement the sphere, it is recommended for measurements that take longer than the sphere are available for free movement in the interior 4, several such arrangements according to FIG. 1 to be connected in parallel. Such a multiple arrangement is shown in FIG G. 2 shown. The housing 20 here has three cylindrical interior spaces 21, 22 and 23 of the same diameter, the lengths of which in the longitudinal axis of the cylinder through lids 24, 25 and 26 projecting differently deeply from one another are. In the spaces 21, 22 and 23 there are identical balls 27, 28 and 29. The individual cylindrical spaces 21, 22 and 23 have, as in FIG. 1, respectively Light barriers 30 or 31 or 32, their signals in each case not shown electronic circuits according to FIG. 1 can be processed.

Das Gehäuse 20 ist in Dämpfungsschichten 33 und 34 eingebettet und über eine Montagekappe 35 mit dem bezüglich seiner Bewegung zu vermessenden Objekt 36 verbunden. The housing 20 is embedded in damping layers 33 and 34 and Via a mounting cap 35 with the object to be measured with regard to its movement 36 connected.

Da die zylindrischen Innenräume 21, 22 und 23 unterschiedlich lang sind, werden synchrone Bewegungen der Kugeln 27, 28 und 29 vermieden. Durch ein von den jeweils untersten bzw. obersten Lichtschranken ausgelöstes Signal kann dann jeweils rechtzeitig bevor die Kugel eine Stirnfläche erreicht, auf jeweils eine andere Meßkammer umgeschaltet werden, so daß die bei der Reflexion der Kugeln auftretenden Nichtlinearitäten rechnerisch ausgeblendet werden. Somit kommt auch über längere zeitliche Bewegungsabläufe des Körpers 36 eine vollständige Erfassung zustande. Since the cylindrical interiors 21, 22 and 23 of different lengths synchronous movements of the balls 27, 28 and 29 are avoided. Through a The signal triggered by the lower or uppermost light barriers can then in good time before the ball reaches an end face, one at a time other measuring chambers are switched over, so that those occurring in the reflection of the balls Non-linearities are mathematically masked out. This means that it also lasts for a long time Temporal movement sequences of the body 36 a complete detection comes about.

Anordnungen gemäß F i g. 1 oder F i g. 2 können auch mehrfach in allen relevanten Freiheitsgraden des in seiner Bewegung zu beobachtenden Körpers angeordnet werden, so daß mit derartigen Konfigurationen der vollständige Bewegungsablauf des Körpers unter äußeren Kräften berechnet werden kann. Da bei dem Beschleunigungsmesser lediglich die Freiflugphase der Kugel 5 bzw.27,28 und 29 berücksichtigt wird, können die Messungen selbst bei höchsten Schockbelastungen und mechanischen Frequenzen, wie sie z. B. in Munition auftreten, vorgenommen werden. Arrangements according to FIG. 1 or F i g. 2 can also be used multiple times in all relevant degrees of freedom of the body to be observed in its movement be arranged so that with such configurations the complete sequence of movements of the body under external forces can be calculated. As with the accelerometer only the free flight phase of balls 5 or 27, 28 and 29 is taken into account the measurements even with the highest shock loads and mechanical frequencies, how they z. B. occur in ammunition.

Claims

Claims: 1. Linear accelerometer with at least an inertial mass within at least one housing in at least one Direction freely movable and their position within at least one housing means at least one measuring device can be determined, characterized in that that a) the inert mass (5; 27, 28, 29) is elastic at least in the direction of movement, is preferably hard-elastic and that b) at least the acceleration-related Movement of the inertial mass (5; 27,28,29) limiting parts (11,12; 24,25,26) of the Housing (1; 20) are also elastic, preferably hard-elastic, such that the inertial mass (5; 27, 28,29) is reflected with as little loss as possible.

2. Accelerometer according to claim 1, characterized in that that the measuring device has a number of sensors (8.1 ... 8.N, 9.1, 9.N; 30, 31,32) has, which at predetermined intervals along the direction of movement of the sluggish Mass (5; 27,28,29) are arranged.

3. Accelerometer according to claim 2, characterized in that that the sensors are light barriers (8.1,9.1; ... 8.N.. 9.N; 30, 31,32).

4. Accelerometer according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the measuring device (8.1,9.1; ... & N, 9.N; 30, 32) with a electronic evaluation circuit (10) for determining the acceleration and / or the speed and / or the path of the inertial mass (5; 27,28,29) connected is.

5. Accelerometer according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the one in front of the point of reflection of the inertial mass (5; 27, 28, 29) located sensors (8.1, 9.1; 8.N, 9.N) on a switching device in such a way acts that the electronic evaluation circuit (10) switched off or on a another evaluation mode or the evaluation of another one arranged in parallel Accelerometer is switched.

6. Accelerometer according to one of claims 1 to 5, characterized by a housing (1; 20) with at least one cylindrical interior (4; 21, 22, 23), the end faces (11, 12; 24, 25, 26) of which are reflective with little loss.

7. Accelerometer according to claim 6, characterized in that that the side wall of the cylindrical interior (4; 21, 22, 23) is a material higher Has lubricity.

8. Accelerometer according to one of claims 1 to 7, characterized characterized in that the inertial mass (5; 27, 28, 29) by a lock (13) is fixable or detachable.

9. Accelerometer according to claim 8, characterized in that that the release of the inertial mass (5; 27,28,29) after exceeding a defined Acceleration takes place.

10. Accelerometer according to one of claims 1 to 9, characterized by a housing (20) with a plurality of cylindrical interior spaces arranged in parallel (21, 22, 23), each of which has a different length and in which there is an inertial mass (27,28,29) that is equal to one another. 11. Accelerometer according to one of claims 1 to 10, characterized in that the interior (4) or the interior spaces (21, 22, 23) is or are evacuated.

The invention relates to a linear accelerometer with with at least one inertial mass within at least one housing in at least one direction freely movable and its position within at least one housing can be determined by means of at least one measuring device or are.

From DE-PS 12 85 774 an accelerometer is known whose inert mass is a resiliently arranged permanent magnet between two soft iron plates is performed, on each of which two induction-dependent resistors are arranged. A movement of the permanent magnet in the measuring axis is dependent on the induction Change in resistance converted into electrical signals proportional to acceleration The linearity of such an accelerometer is essentially improved the resilient suspension is determined, with its mass in the effective inertial mass and influences the measurement signal to an insufficiently calculable degree. Around To keep this error as small as possible must therefore act as an inertial mass Body can be relatively heavy compared to the resilient suspension.

From DE-PS 2 63 686 a speedometer of the o. G. Art known in the balls from a container with defined tubular outlets into correspondingly assigned tubes provided with contacts and one below Container fall. Depending on the speed acting on the entire facility the balls fall into different tubes and thereby exert a different force on a wheel, the speed of which is a measure of the speed The entire facility is A counter connected to the wheel then gives the covered way again. The measurement of accelerations is however with this Setup not possible.

From US-PS 3247 711 a dynamometer is known which is also used for Measurement of accelerations is suitable. A dynamic force acts here a column of liquid in a capillary, whereby the pressure wave caused by it measured by means of piezoelectric pressure gauges arranged along the capillary will. Such devices based on the surface tension and viscosity of a Liquid based, but are highly temperature sensitive.

It is an object of the invention to provide a linear accelerometer to create the reaction snow

ll accelerations detected and with the particular the braking of a moving object to zero speed or its reflection is detected. This task is carried out according to the characteristic features of the Claim 1 formed accelerometer solved.