DE3606875C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Mes
sung der in einer Richtung wirkenden Beschleunigung und
insbesondere zur Schwerefeldmessung in Erdumlaufbahnen
etc., mit einem Meß-Körper, der in einer Ebene senkrecht
zur Richtung der zu messenden Beschleunigung im Vergleich
zur Größe der zu messenden Beschleunigung hart fixiert
ist, und der in Richtung der zu messenden Beschleunigung
weich derart fixiert ist, daß das auf den Meß-Körper wir
kende Rückstell-Kraftfeld nichtlineare Anteile enthält,
und dessen Position eine Positionserfassungseinrichtung
erfaßt, deren Ausgangssignal eine Auswerteinheit zur Er
fassung der Beschleunigung auswertet.
Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 ist aus "Feinwerktechnik und Meßtechnik, 88 (1980) 5, S. 223-
S. 227" bekannt. In diesem Artikel ist im Bild 4 eine
gattungsgemäße Vorrichtung mit nichtlinearem Rückstell-
Kraftfeld angegeben. Die dort beschriebenen Vorrichtungen
weisen typischerweise ein Auflösungsvermögen von 10 -4G auf
und sind damit nicht zur Schwerefeldmessung in Erdumlauf
bahnen etc. geeignet, da hierzu Auflösungsvermögen erfor
derlich sind, die um mehrere Größenordnungen größer sind.
Eine Vorrichtung zur hochgenauen Beschleunigungsmessung
beispielsweise in Erdumlaufbahnen ist beispielsweise aus
der US-PS 43 84 487 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrich
tung wird die Beschleunigung eines aufgeladenen Körpers in
einem homogenen elektischen Feld gemessen, das von sechs
jeweils paarweise einander zugeordneten Elektroden erzeugt
wird. Um auch Änderungen des Gravitationsfeldes im Bereich
von 10 -10 g auflösen zu können, wird bei der aus der US-PS
43 84 487 bekannten Vorrichtung die jeweilige Position des
Körpers interferometrisch gemessen.
Eine ähnliche Vorrichtung, bei der das Rückstell-Kraftfeld
durch sechs Federn erzeugt wird, ist beispielsweise aus
der US-PS 37 13 343 bekannt.
Die aus der US-PS 43 84 487 bekannte Vorrichtung weist
eine Reihe von Nachteilen auf:
Beispielsweise ist die Positionserfassungseinrichtung, bei
der insgesamt drei Interferometer verwendet werden, nicht
nur sehr aufwendig, sie hat darüber hinaus auch einen gro
ßen 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 Raumtranspor
ters gebracht worden ist, die gewünschten Genauigkeiten
erreichbar sind.
Darüber hinaus wird bei der bekannten Vorrichtung, das
Kraftfeld, in dem der "Meß-Körper" aufgehängt bzw. angeord
net ist, durch elektrische Felder erzeugt. Die bekannte
Vorrichtung hat damit einen vergleichsweisen hohen Ener
giebedarf, der ebenfalls in Raumfahrzeugen nachteilig ist.
Bei der aus der US-PS 37 13 343 bekannten Vorrichtung er
geben sich aufgrund der Verwendung von Federn bei größeren
Auslenkungen zwar auch nicht lineare Anteile des Rückstell-
Kraftfeldes, die Konzeption mit sechs Federn erlaubt
jedoch nicht die Auflösung kleinster Beschleunigungsunter
schiede.
Dies gilt auch für die aus der DE-AS 12 76 950 bekannte
Vorrichtung, bei der auf den Meß-Körper als Rückstell-
Kraftfeld entkoppelte elektrostatische Kräfte wirken.
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 10-3
bis 10 -4 Eötvös-Einheiten erzielen zu können, die Fre
quenzänderung eines superleitenden Hohlraumresonators
gemessen werden. Eine praktische Realisierung dieser Vor
richtung 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 wirkt zusätzlich in Richtung der Beschleu
nigung eine regelbare Kraft auf den Meß-Körper, die nur
den linearen Anteil des Rückstell-Kraftfeldes kompensiert.
Die Auswerteeinheit wertet zur Messung der Beschleunigung
den nichtlinearen Anteil aus.
Dieser erfindungsgemäße Grundgedanke erlaubt es beispiel
weise, den Körper gemäß Anspruch 2 an vier Zugfedern auf
zuhängen, die in der Ruhelage des Körpers in einer Ebene
senkrecht zur Richtung der zu messenden Beschleunigung
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 er
zeugt wird, (Anspruch 4) oder einen para- oder diamagneti
schen 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 6 bis 9 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 Gas
strahl - 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 eine Halbleiter-Positionsdetektors
(Anspruch 9) zu bestimmen. Beispielsweise erhält man bei
Verwendung eines Halbleiterdetektors und einer erfindungs
gemäßen Vorrichtung nach Anspruch 2 eine Auflösung von
10 -12 g, wenn der Positionsdetektor 10 -6 m auflösen kann.
Ferner ist es möglich die Position des Körpers mittels
eines induktiven (Anspruch 12), eines kapazitiven Meßver
fahrens (Anspruch 11) oder auch mittels der Änderung einer
Resonatorfrequenz (Anspruch 13) zu bestimmen.
In den Ansprüchen 14 folgende sind verschiedene Möglich
keiten gekennzeichnet, das inhomogene lichtlineare Kraft
feld verstellbar auszugestalten.
Die erfindungsgemäße 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 zeigt eine Ansicht dieses Ausführungs
beispiels.
Vier in der x/y-Ebene angeordnete Federn 1 . . . 4 sind einer
seits mit einem Körper 5 mit der Masse m, andererseits mit
Verstellelementen 6 . . . 9 verbunden. Die Verstellelemente
6 . . . 9 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 9 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 p mit einer Komponente in z-Richtung
erzeugen, das ebenfalls auf den Körper wirkt.
Zur Erfassung der momentanen Position des Körpers ist
diese 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 p regelt.
Mit dieser Anordnung erhält man ein Kräftegleichgewicht in z-
Richtung, wenn der Körper 5 um Δ z durch die zu messende
Beschleunigung aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird, das
sowohl linear von Δ z als auch in dritter Ordnung von Δ z
abhängt. Der lineare Term läßt sich durch entsprechende
Regelung der von dem elektrischen Feld E p 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
Hertz und damit in einem technisch günstigen Bereich.
Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels beschrieben worden, innerhalb des allgemeinen Er
findungsgedankens 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 darüber hinaus 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 (21)
1. Vorrichtung zur Messung der in einer Richtung wirken
den Beschleunigung und insbesondere zur Schwerefeldmessung
in Erdumlaufbahnen etc., mit einem Meß-Körper, der in
einer Ebene senkrecht zur Richtung der zu messenden Be
schleunigung hart fixiert ist, und der in Richtung der zu
messenden Beschleunigung weich derart fixiert ist, daß das
auf den Meß-Körper wirkende Rückstell-Kraftfeld nichtli
neare Anteil enthält, und dessen Position eine Positions
erfassungseinrichtung erfaßt, deren Ausgangssignal eine
Auswerteinheit zur Erfassung der Beschleunigung auswertet,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich in Richtung (z) der Beschleunigung eine regelbare Kraft auf den Meß-Körper (5) wirkt, die nur den linearen Anteil des Rückstell-Kraftfel des kompensiert, und
daß die Auswerteeinheit zur Messung der Beschleunigung den nichtlinearen Anteil auswertet.
daß zusätzlich in Richtung (z) der Beschleunigung eine regelbare Kraft auf den Meß-Körper (5) wirkt, die nur den linearen Anteil des Rückstell-Kraftfel des kompensiert, und
daß die Auswerteeinheit zur Messung der Beschleunigung den nichtlinearen Anteil auswertet.
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 die regelbare Kraft eine elek
trostatische Kraft (E p ) ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Kraft eine elek
tromagnetische Kraft ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Kraft pneuma
tisch beispielsweise durch einen gerichteten Gasstrahl
erzeugt wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
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.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
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.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungsein
richtung die Position des Körpers kapazitiv erfaßt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungsein
richtung die Position des Körpers induktiv erfaßt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
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.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftfeld verstellbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, in Verbindung mit An
spruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängepunkte der Federn
verstellbar sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Längenänderung mittels
eines Linearmotors, einer µm-Schraube, eines pielektri
schen Kristalls oder einer stromdurchflossenen Spule er
folgt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Federn mittels
Stromdurchfluß oder gezielter Temperaturänderung verstell
bar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anlenkpunkte der Federn
hydraulisch verstellbar sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß der Körper auf seine Ruhelage
geregelt wird.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß eine periodische Bewegung in
Richtung der Beschleunigung erzwungen wird.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftfeld periodisch geän
dert wird.
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---|---|---|---|---|
DE4408607C1 (de) * | 1994-03-08 | 1995-06-01 | Gloau Hans Joachim Dr | Dynamometer-Sensor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2595142A1 (fr) | 1987-09-04 |
DE3606875A1 (de) | 1987-09-10 |
JPS62266485A (ja) | 1987-11-19 |
JPH0664156B2 (ja) | 1994-08-22 |
FR2595142B1 (fr) | 1990-07-27 |
US4819486A (en) | 1989-04-11 |
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