DE3606875A1

DE3606875A1 - Optoelektronischer beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE3606875A1
Application number: DE19863606875
Authority: DE
Inventors: Bernd Kunkel; Karl Keller; Reinhold Lutz
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1986-03-03
Filing date: 1986-03-03
Publication date: 1987-09-10
Also published as: DE3606875C2; JPS62266485A; US4819486A; FR2595142B1; FR2595142A1; JPH0664156B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Be schleunigungsmessung und insbesondere zur Schwerefeldmes sung in Satelliten etc. gemäß dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.

Eine Vorrichtung zur hochgenauen Beschleunigungsmessung mit den Merkmalen des Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise aus der US-PS 4 384 487 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird die Beschleunigung eines aufgeladenen Körpers in einem homogenen elektrischen Feld gemessen, das von sechs jeweils paarweise einander zuge ordneten Elektroden erzeugt wird. Um auch Anderungen des Gravitationsfeldes im Bereich von 10 ¹⁰ g auflösen zu können, wird bei der aus der US-PS 4 384 487 bekannten Vorrichtung die jeweilige Position des Körpers interfero metrisch gemessen.

Diese bekannte Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 hat damit eine Reihe von Nachteilen:

Beispielsweise ist die Positionserfassungeinrichtung, bei der insgesamt drei Interferometer verwendet werden, nicht nur sehr aufwendig, sie hat darüberhinaus auch einen großen Raumbedarf und muß genau justiert sein. Bereits diese Erfordernisse lassen es zweifelhaft erscheinen, ob mit der bekannten Vorrichtung auf einer Erdumlaufbahn, in die die Vorrichtung mittels einer Rakete oder eines Raum transporters gebracht worden ist, die gewünschten Genauig keiten erreichbar sind.

Darüberhinaus wird bei der bekannten Vorrichtung, das Kraftfeld, in dem der "Meß-Körper" aufgehängt bzw. ange ordnet ist, durch elektrische Felder erzeugt. Die bekannte Vorrichtung hat damit einen vergleichsweisen hohen Ener giebedarf, der ebenfalls in Raumfahrzeugen nachteilig ist.

Eine Vorrichtung anderer Gattung zur Beschleunigungsmes sung ist aus dem Artikel "A Supersensitive Accelerometer for Spacecraft Gradiometry" von V.S. Reinhardt et al. erschienen in Proceedings of the IEEE Position Location and Navigation Symposium (1982) bekannt.

Bei dieser Vorrichtung soll, um eine Auflösung von 10³ bis 10 ⁴ Eötvös-Einheiten erzielen zu können, die Fre quenzänderung eines superleitenden Hohlraumresonators gemessen werden. Eine praktische Realisierung dieser Vorrichtung steht jedoch noch aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochgenaue Vorrichtung zur Beschleunigungsmessung anzugeben, die eine große Auflösung bei einem großen dynamischen Bereich hat und sich insbesondere zum Einsatz in Raumfahrzeugen eig net, also beispielsweise einen geringen Raum- und Energie bedarf hat.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet. Überraschenderweise kann die Aufgabe dadurch gelöst wer den, daß von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen und diese Vorrichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils weitergebildet wird. Erfindungsgemäß ist der Körper, dessen träge Masse beschleunigt wird, in einem anisotropen und nichtlinearen Kraftfeld angeordnet; damit ist gemeint, daß die auf dem Körper wirkende Kraft nicht linear von der Auslenkung des Körpers aus seiner Ruhelage abhängt. Durch diese nichtli neare Abhängigkeit ist es möglich, das Kraftfeld im Be reich der Ruhelage des Körpers "sehr weich" und im Bereich größerer Auslenkungen aus der Ruhelage zunehmend "härter" auszubilden. Damit erhält man im Bereich der Ruhelage des Körpers hohe Auslenkungen bei einer bestimmten Beschleuni gung ohne daß das Gesamtsystem aufgrund zu großer Auslen kungen des Körpers instabil würde.

Dieser erfindungsgemäße Grundgedanke erlaubt es beispiels weise, den Körper gemäß Anspruch 2 an vier Zugfedern aufzuhängen, die in der Ruhelage des Körpers in einer Ebene senkrecht zur Richtung der zu messenden Beschleuni gung angeordnet sind und jeweils miteinander einen rechten Winkel einschließen. Bei einer derartigen Anordnung erhält man bei kleinen Auslenkungen des Körpers aus seiner Ruhe lage in Richtung der Beschleunigung eine Kraft, die linear und in dritter Ordnung von der Auslenkung des Körpers in Richtung der Beschleunigung abhängt. Der lineare Kraftan teil läßt sich beispielsweise dadurch kompensieren, daß gemäß Anspruch 6 zusätzlich in Richtung der Beschleunigung eine regelbare Kraft auf den Körper wirkt, die linear von der Auslenkung des Körpers abhängt. Damit hängt die auf den Körper wirkende "Nettokraft" in dritter Ordnung von der Auslenkung aus der Ruhelage ab.

In den Ansprüchen 3 bis 5 sind weitere Möglichkeiten ge kennzeichnet, das erfindungsgemäß verwendete inhomogene und "nichtlineare" Kraftfeld zu erzeugen: Beispielsweise kann das Kraftfeld gemäß Anspruch 3 dadurch erzeugt wer den, daß der Körper eine in eine Membran eingebettete Kugel ist. Weiter ist es möglich, das Kraftfeld dadurch zu erzeugen, daß man eine dielektrische oder eine aufgeladene Kugel in einem inhomogenen abstoßenden elektrischen Feld, das durch punktförmige, in einer Ebene liegende Pole erzeugt wird, (Anspruch 4) oder einen para- oder diamagne tischen Stab mit inhomogener Massenverteilung zwischen in einer Ebene magnetischen Polen (Anspruch 5) anordnet.

Verschiedene Möglichkeiten, die in Richtung der Beschleu nigung zusätzlich auf den Körper wirkende regelbare Kraft zu erzeugen, sind in den Ansprüchen 7 bis 10 gekennzeich net:

Die Kraft kann beispielsweise eine elektrostatische oder eine elektromagnetische Kraft sein, sie kann aber auch durch Strahlungsdruck (Lichtstrahl, Röntgenstrahl) oder pneumatisch - beispielsweise durch einen gerichteten Gasstrahl - erzeugt werden.

In jedem Falle hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß es möglich ist, die Position des als Refe renzmasse dienenden Körpers auf die verschiedensten Arten zu bestimmen:.

Beispielsweise ist es möglich, den Körper als Retroreflek tor zu verwenden und seine Position nicht nur mittels eines an sich bekannten interferometrischen Meßverfahrens, sondern auch mittels eines Halbleiter-Positionsdetektors (Anspruch 11) zu bestimmen. Beispielsweise erhält man bei Verwendung eines Halbleiterdetektors und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 6 in Verbindung mit Anspruch 2 eine Auflö sung von 10¹² g, wenn der Positionsdetektor 10 ⁶ m auflö sen kann.

Ferner ist es möglich die Position des Körpers mittels eines induktiven (Anspruch 13), eines kapazitiven Meßver fahrens (Anspruch 14) oder auch mittels der Änderung einer Resonatorfrequenz (Anspruch 15) zu bestimmen.

In den Ansprüchen 16 folgende sind verschiedene Möglich keiten gekennzeichnet, das inhomogene lichtlineare Kraft feld verstellbar auszugestalten.

Die erfindunggemäße Vorrichtung kann in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden:

Beispielsweise kann die freie Bewegung des Körpers be stimmt werden, der Körper auf die Sollage (Auslenkung ungefähr gleich Null) geregelt oder in eine periodische Bewegung in Richtung der Beschleunigung versetzt werden. Ferner ist es auch möglich die Schwingungsfrequenz, mit der der Körper schwingt zu messen.

Natürlich ist auch eine Kombination dieser Meßverfahren denkbar.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be schrieben,
deren einzige Figur eine Ansicht dieses Ausführungs beispiels zeigt.

Vier in der x/y-Ebene angeordnete Federn 1...4 sind einer seits mit einem Körper 5 mit der Messe m, andererseits mit Verstellelementen 6...10 verbunden. Die Verstellelemente 6...10 dienen zur Verstellung der Anlenkpunkte der Federn und können beispielsweise Mikrometerschrauben, Piezoele mente oder Tauschspulen etc. sein. Durch die Verstellung der Anlenkpunkte der Federn mittels der Verstellelemente 6 bis 10 ist es möglich, Ungleichgewichte der auf den Körper wirkenden Federkräfte, die beispielsweise durch Ferti gungstoleranzen, Temperaturgradienten etc. hervorgerufen werden können, wenigstens zu minimieren, wenn nicht prak tisch zu null zu machen.

Ferner sind zwei Elektroden 11 und 12 vorgesehen, die ein elektrisches Feld E mit einer Komponente in z-Richtung erzeugen, das ebenfalls auf den Körper wirkt.

Zur Erfassung der momentanen Position des Körpers ist dieser als Retroreflektor ausgebildet und wird mit einer Lichtquelle 13 beleuchtet. Das vom Körper 13 reflektierte Licht wird mittels einer Linse 14 auf einen nur schema tisch dargestellten Halbleiterpositionsdetektor 15 abge bildet, dessen Ausgangssignale die Position des reflek tierten Lichtpunkts in x- und y-Richtung angeben.

Ferner ist eine nicht dargestellte Steuereinheit vorgese hen, die die Ausgangssignale des Positionsdetektors 15 auswertet und unter anderem die Stärke des elektrischen Feldes E regelt.

Mit dieser Anordnung erhält ein Kräftegleichgewicht in z- Richtung, wenn der Körper 5 um Δ z durch die zu messende Beschleunigung aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird, des sowohl linear von Δ z als auch in dritter Ordnung von Δ z abhöngt. Der lineare Term läßt sich durch entsprechende Regelung der von dem elektrischen Feld E erzeugten Kraft praktisch vollständig kompensieren, so daß das Kraftfeld, in dem sich der Körper bewegt, nur noch in dritter Ordnung von Δ z abhängt.

Damit erhält man mit einem optischen Positionsdetektor, mit dem der Ort des Körpers 5 auf 10-7 m aufgelöst werden kann, und Federkonstanten k von ca 10⁸ N/m, einer Feder länge von ca 10-2 m und einer Masse des Körpers von ca 2 · 10^-1 kg eine Auflösung von ca. 10^-12. Weiter sind die Eigenfrequenzen des Systems im Bereich einiger hundert Herz und damit in einem technisch günstigen Bereich.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels beschrieben worden, innerhalb des allgemeinen Erfindungsgedankens sind selbstverständlich die verschie densten Modifikationen möglich:.

Beispielsweise ist es möglich, den Halbleiter-Positionsde tektor durch ein anderes Positionsbestimmungssystem zu ersetzen. Die Verwendung eines Halbleiterpositionsdetektors ist jedoch aus Auflösungs- und Platzgründen bevorzugt.

Ferner kann die Verschiebung der Anlenkpunkte der Federn auf beliebige Art erfolgen. Es ist darüberhinaus auch möglich auf die Verschiebung zu verzichten, und die Länge der Federn beispielsweise durch einen Stromfluß durch die Federn zu beeinflußen.

Die Steuereinheit, die aus dem Ausgangssignal des Posi tionsdetektors die zu messende Beschleunigung errechnet, kann auch das elektrische Feld regeln bzw. die vorstehend exemplarisch beschriebene Vorrichtung in einer bestimmten Betriebsart betreiben, beispielsweise den Körper 5 durch Variation des elektrischen Feldes in seine Ruhelage über führen. In jedem Falle weist die Steuereinheit bevorzugt einen Mikroprozessor auf.

Claims

1. Vorrichtung zur Beschleunigungsmessung und insbesondere zur Schwerefeldmessung in Erdumlaufbahnen etc., mit einem Körper, der in einem Kraftfeld beweglich angeordnet ist, und dessen Position eine Positionserfassungseinrichtung erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Körper (1) wirken de Kraft anisotrop ist und mindestens in Richtung (z) der zu messenden Beschleunigung nicht linear von der Auslen kung des Körpers aus seiner Ruhelage abhängt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper an vier Zugfedern (1...4) aufgehängt ist, die in Ruhelage des Körpers (5) in einer Ebene (x/y) senkrecht zur Richtung (z) der zu mes senden Beschleunigung angeordnet sind und jeweils einen rechten Winkel mit der benachbarten Feder einschließen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine in eine Mem bran eingebettete Kugel ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine dielektrische oder eine aufgeladene Kugel ist, die sich in einem inhomo genen abstoßenden elektrischen Feld befindet, das punkt förmige, in einer Ebene liegende Pole erzeugen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein para- oder diamagnetischer Stab mit inhomogener Massenverteilung ist, der zwischen in einer Ebene liegenden magnetischen Polen angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung der Beschleunigung zusätzlich eine regelbare Kraft auf den Körper wirkt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Kraft eine elektrostatische Kraft (E ) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Kraft eine elektromagnetische Kraft ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Kraft durch Strahlungsdruck erzeugt wird, den ein Licht- oder Röntgen strahl aufbringt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Kraft pneuma tisch beispielsweise durch einen gerichteten Gasstrahl erzeugt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungsein richtung eine Lichtquelle, die den als Retroreflektor ausgebildete Körper beleuchtet, und einen Halbleiter- Positionsdetektor aufweist, der die Position des reflek tierten Lichtstrahls erfaßt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungsein richtung eine Lichtquelle, die den als Retroreflektor ausgebildeten Körper beleuchtet, und ein Interferometer aufweist, das die Position des Körpers interferometrisch bestimmt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungsein richtung die Position des Körpers kapazitiv erfaßt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungsein richtung die Position des Körpers induktiv erfaßt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper den Boden eines gegebenenfalls supraleitenden Hohlraumresonators bildet, und die Position des Körpers durch Messung der Änderung der Resonatorfrequenz erfaßbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Anprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftfeld verstellbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, in Verbindung mit An spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängepunkte der Federn verstellbar sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenänderung mittels eines Linearmotors, einer um-Schraube, eines pielektri schen Kristalls oder einer stromdurchflossenen Spule erfolgt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Federn mittels Stromdurchfluß oder gezielter Temperaturänderung verstell bar ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlenkpunkte der Federn hydraulisch verstellbar sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper sich frei bewegt.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 in Verbindung mit Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper auf seine Ruhelage geregelt wird.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 in Verbindung mit Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine periodische Bewegung in Richtung der Beschleunigung erzwungen wird.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftfeld periodisch geändert wird.