DE3709096A1

DE3709096A1 - Resonator, insbesondere zur messung der beschleunigung von flugkoerpern

Info

Publication number: DE3709096A1
Application number: DE19873709096
Authority: DE
Inventors: William C Albert
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1986-03-20
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1987-09-24
Also published as: IL80565A; GB2188149A; IL80565A0; US4658174A; NO864954D0; SE8700008D0; AU6755287A; CA1261929A; NO864954L; GB8627717D0; GB2188149B; JPS62229039A; IT8719482A0; FR2596152A1; SE8700008L; IT1203504B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Resonator, insbesondere zur Messung der Beschleunigung von Flugkörpern, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Resonatoren mit einem Schwingglied werden vielfach zur Beschleunigungs messung bei Luftfahrzeugen und auch Raketen oder dergleichen verwendet, wobei das Schwingglied in der Regel als Schwingbalken ausgebildet ist, dessen Schwingungsfrequenz sich, ähnlich wie bei einer Saite, bei Zugbelastung des Schwingbalkens erhöht, während sie bei Druckbelastung abfällt, so daß die Resonatoren also bei Beaufschlagung mit einer Kraft ein entsprechendes Ausgangssignal liefern, womit ein Rechner beaufschlagt werden kann, gegebenenfalls nach Umwandlung in digitale Form ein digitaler Rechner, und woraus auch die Fluggeschwindigkeiten des mit einem solchen Resonator versehenen Flug körpers sowie die von ihm zurückgelegte Strecke ermittelt werden können.

Zur genauen Bestimmung der auf die Resonatoren jeweils einwirkenden Kraft muß die Schwingungsfrequenz des Schwingbalkens seiner jeweiligen Axial belastung genau entsprechen. Da der Schwingbalken mit Befestigungsorganen verbunden ist, welche die durch die Schwingungen des Schwingbalkens bewirkten Kräfte und Drehmomente aufnehmen müssen, ist jedoch stets ein gewisser Energieverlust gegeben, was den das Verhältnis der Gesamtenergie pro Schwingung zum Energieverlust pro Schwingung definierenden Gütefaktor Q der Resonatoren verringert, wobei ein niedriger Gütefaktor Q einer entsprechend geringen Frequenzstabilität der Resonatoren gleichkommt.

Es sind Resonatoren, insbesondere zur Messung der Beschleunigung von Flug körpern, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art bekannt, deren Ausgestaltung den besagten Energieverlust verhindern soll (US-PS 34 70 400). Dabei erstrecken sich die beiden Isolatorfedern, welche sowohl zwischen der einen Isolatormasse und dem benachbarten Befestigungsorgan als auch zwischen der anderen Isolatormasse und dem benachbarten Befesti gungsorgan vorgesehen sind, parallel zueinander und zur Längsachse des vor zugsweise als Schwingbalken ausgebildeten Schwinggliedes und muß der Schwer punkt jeder Isolatormasse in der Schwingungsebene des Schwinggliedes sehr genau positioniert werden, um die beim Schwingen desselben auftretenden Reaktionskräfte und -momente zu eliminieren. Die für das ordnungsgemäße Funktionieren dieses Schwinggliedisoliersystems einzuhaltenden Bedingungen sind vielfach nur schwer zu erfüllen. Beispielsweise müssen die Isolatormassen mit zusätzlichem Gewicht versehen werden, wenn ihr Schwerpunkt weiter als bei den bekannten Resonatoren vorgesehen von ihrer Basis entfernt sein soll, was mit Schwierigkeiten verbunden ist, da die besagten Bedingungen dann nicht mehr erfüllt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Resonator, insbesondere zur Messung der Beschleunigung von Flugkörpern, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, bei welchem insbesondere die erwähnten Schwierigkeiten vermieden sind und welcher größere Freiheit bei der Ausbildung des Schwinggliedisoliersystems gibt, so daß dessen Geometrie unterschiedlich sein kann.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungs gemäßen Resonators sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben.

Die durch den erfindungsgemäßen Resonator vermittelten Vorteile ergeben sich aus der Aufgabenstellung. Darüberhinaus läßt sich nach der Erfindung im Verein mit der Lehre gemäß US-PS 34 70 400 ein Isoliersystem für das Schwingglied von Resonatoren verwirklichen, welches unerwünschte Resonanzen in der Nähe der Grundfrequenz des Schwinggliedes eliminiert.

Nachstehend sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Resonators anhand von Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1A eine Seitenansicht einer Hälfte des Schwingbalkens und des Schwingbalkenisoliersystems der bekannten Resonatoren im Ruhe zustand;

Fig. 1B die Seitenansicht gemäß Fig. 1A, wobei der Schwingbalken und das Schwingbalkenisoliersystem maximal ausgelenkt sind;

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung der Komponenten gemäß Fig. 1A und 1B, wobei die im Zustand gemäß Fig. 1B auftretenden Kräfte und Drehmomente eingezeichnet sind;

Fig. 3 die Schwingbalkenhälfte und die Isolatormasse gemäß Fig. 2, wobei die wesentlichen Kräfte und Drehmomente veranschaulicht sind, welche darauf einwirken;

Fig. 4 den Belastungszustand gemäß Fig. 3, wobei jedoch derjenige der Isolatormasse auf deren Schwerpunkt bezogen ist;

Fig. 5 die Isolatormasse gemäß Fig. 3 und 4, wobei eine Verlängerung ihrer Schenkel veranschaulicht ist;

Fig. 6 eine Seitenansicht eines Schwingbalkens mit je einer Isolator masse an den beiden Enden beim Schwingen ohne gegenseitige Abstimmung;

Fig. 7 eine Explosionsdarstellung der linken Hälfte des Schwingbalkens und der linken Isolatormasse gemäß Fig. 6, wobei die auftretenden Kräfte und Drehmomente eingezeichnet sind;

Fig. 8 die Isolatormasse gemäß Fig. 7, wobei die Bewegungen bestimmter Stellen derselben veranschaulicht sind;

Fig. 9 eine Seitenansicht des Schwingbalkens, der beiden Organe zur Befestigung desselben und des Schwingbalkenisoliersystems eines erfindungsgemäßen Resonators;

Fig. 10 eine entsprechende Seitenansicht einer Variante der Baueinheit gemäß Fig. 9; und

Fig. 11 die linke Hälfte einer entsprechenden Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der Baueinheit gemäß Fig. 9.

Gemäß Fig. 1A weisen die bekannten Resonatoren nach US-PS 34 70 400 einen Schwingbalken 4 auf, welcher an jedem Ende mit einer U-förmigen Isolator masse 6 versehen ist, deren beide Schenkel 6 A und 6 B sich im wesentlichen parallel zur Längsachse des Schwingbalkens 4 entlang desselben erstrecken und die mit einem Befestigungsorgan 8 verbunden ist, und zwar mittels eines Paares zueinander paralleler Isolatorfedern 10 und 12, welche senkrecht von der quer zur Längsachse des Schwingbalkens 4 verlaufenden Basis 14 der Isolatormasse 6 zu dem zur Basis 14 parallelen Befestigungsorgan 8 hin abstehen. Der Schwingbalken 4 wird mittels eines nicht dargestellten elektronischen Oszillators in Schwingungen versetzt, um in der seine Längsachse enthaltenden Zeichnungsebene von Fig. 1A mit einer charakteristischen Frequenz zu schwingen, wie Fig. 1B veranschaulicht, welche den Schwingbalken 4, die Isolator masse 6 und die beiden Isolatorfedern 10 und 12 bei maximaler Auslenkung aus der Ruhestellung gemäß Fig. 1A zeigt. Die Isolatormasse 6 und die beiden Isolatorfedern 10 und 12 sollen zur Erzielung eines hohen Gütefaktors Q Energieverluste des Schwingbalkens 4 verhindern und gewährleisten, daß das Biegemoment und die Scherkraft, welche als Reaktionsmoment bzw. Reaktionskraft an der Wurzel 16 des Schwingbalkens 4 auftreten, nicht auf das Befestigungsorgan 8 übertragen werden.

Die Eigenfrequenz der aus der Isolatormasse 6 und den beiden Isolatorfedern 10 sowie 12 bestehenden Anordnung zur Schwingbalkenisolierung ist aufgrund von deren Ausgestaltung im Vergleich zur Schwingungsfrequenz des Schwing balkens 4 sehr niedrig, welcher beispielsweise mit einer Frequenz von 40 KHz schwingt, während die Eigenfrequenz des Schwingbalkenisoliersystems der Resonatoren beispielsweise bei nur etwa 5 bis 6 kHz liegt. Dieser Frequenzunterschied ist im Hinblick auf eine möglichst geringe Reaktionsscherkraft an der Wurzel 16 des Schwingbalkens 4 günstig. Wie erwähnt, wird dort jedoch zusätzlich noch ein Reaktionsmoment erzeugt, welches ein entsprechendes Drehmoment in die Isolatormasse 6 induziert, dem Axialkräfte entgegenwirken, welche sich in den Isolatorfedern 10 und 12 ergeben.

In Fig. 2 sind als Reaktionsmomente M, Reaktionsscherkräfte V und Reaktions axialkräfte F veranschaulicht, welche sich am Biegebalken 4 der Länge L _B , an der Isolatormasse 6, deren Schwerpunkt S einen Abstand r von der Wurzel 16 des Schwingbalkens 4 hat, an den beiden Isolatorfedern 10 sowie 12 und am Befestigungsorgan 8 im Zustand gemäß Fig. 1B ergeben. Nimmt man an, daß die Reaktionsaxialkraft F _B des Schwingbalkens 4, die Reaktionsscherkräfte V _S und die Reaktionsmomente M _S der Isolatorfedern 10 und 12 im Vergleich zu den Trägheitsreaktionskräften und -momenten der Isolatormasse 6 bei der Schwingungsfrequenz des Schwingbalkens 4 und schließlich auch deren Reaktionsaxialkräfte F _S vernachlässigbar klein sind, dann läßt sich der Belastungszustand der Isolatormasse 6 so reduzieren, wie in Fig. 3 veran schaulicht. Dieser kann auch so dargestellt werden, wie in Fig. 4 angegeben, wenn er auf den Schwerpunkt S der Isolatormasse 6 bezogen wird. Das System gemäß Fig. 1A und 1B ist dann genau abgestimmt, wenn das Drehmoment M _B -r V _B gemäß Fig. 4 gleich Null ist, was nach US-PS 34 70 400 dann der Fall ist, wenn der Abstand r = 0,215 L _B , also der Schwerpunkt S der Isolatormasse 6 sich an einem ganz bestimmten Ort befindet. Dann eliminiert das Schwingbalkenisoliersystem der bekannten Resonatoren durch Trägheitswirkung die an den beiden Wurzeln 16 des Schwingbalkens 4 erzeugten Reaktions momente.

Allerdings ist es schwierig, diejenigen Bedingungen einzuhalten, welche gemäß US-PS 34 70 400 für die bekannten Resonatoren wesentliche sind. So muß bei spielsweise dann, wenn der Schwerpunkt S der Isolatormasse 6 einen Abstand x von der Wurzel 16 des Schwingbalkens 4 haben soll, welcher außerhalb des Bereichs von L _B/6 bis L _B/4 nach US-PS 34 70 400 liegt, gemäß Fig. 5 jeder Schenkel 6 A bzw. 6 B der Isolatormasse 6 mit einer großen Verlängerung 6′ versehen werden, so daß das Gewicht der Isolatormasse 6 sich beträchtlich vergrößert, was verschiedene Schwierigkeiten mit sich bringt.

Beispielsweise kann dann die Isolatormasse 6 selbst eine Frequenz haben, welche in der Nähe der Frequenz des Schwingbalkens 4 liegt, was eine Reak tionsscherkraftintensivierung zur Folge hat. Auch werden das Reaktionsmoment M _B und die Reaktionsscherkraft V _B an der Wurzel 16 des Schwingbalkens 4 in einem gewissen Ausmaß zum Befestigungsorgan bei fehlender Abstimmung infolge linearer Bewegung oder Drehens der Isolatormasse 6 übertragen. Beispielsweise hat die Isolatormasse 6 dann, wenn das Schwingbalkenisoliersystem nicht genau abgeglichen und also M _B ≠ r V _B ist, das Bestreben, sich zu drehen, so daß die Isolatorfedern 10 und 12 mit Reaktionsaxialkräften F _S beaufschlagt werden, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Das Reaktionsmoment M _R am Befestigungsorgan 8 resultiert gemäß der bekannten Übertragungsfähigkeitsgleichung sowohl aus Isolatorfederreaktionen als auch aus Trägheitsreaktionen.

Fig. 6 veranschaulicht, wie sich beim Schwingen eines Schwingbalkens 20 mit je einer Isolatormasse 21 an den beiden Enden die beiden Isolatormassen 21 jeweils um die Strecke Y _I linear bewegen und um den Winkel R _I drehen, wenn das Schwingbalkenisoliersystem nicht abgestimmt ist. Dabei ergeben sich zwei Knotenpunkte 22 und 24 auf der gemeinsamen Längsachse des Schwing balkens 20 und des Schwingbalkenisoliersystems. Gemäß Fig. 7 weist der linke Knotenpunkt 22 einen Abstand d _N vom Schwerpunkt S der linken Isolatormasse 21 auf, auf welche die Reaktionsscherkraft V _B und das Reaktions moment M _B einwirken. Demgemäß wird der Schwingbalken 20 mit der entgegengesetzten Reaktionsscherkraft V _B und dem entgegengesetzten Reaktions moment M _B beaufschlagt.

Für die Strecke Y _I und den Winkel R _I ergeben sich aus Fig. 6 und 7 in Verbindung mit den bekannten Linear- und Drehbewegungsgleichungen die folgenden Beziehungen:

-Y _I = V _B/(M _I W _B²) (1)

- R _I = (M _B -r V _B )/(M _I R _I²W _B²) (2)

M _I = Masse der Isolatormasse 21 R _I = Trägheitsradius der Isolatormasse 21 W _B = Eigenfrequenz des Schwingbalkens 20

Gemäß Fig. 6 und 7 gilt für den Abstand d _N die Gleichung:

d _N = Y _I/R _I (3)

Daraus ergibt sich mit den Gleichungen (1) und (2) für den Abstand d _N die Beziehung:

d _N = R _I²/(M _B/V _B -r) (4)

Erst bei vollkommenen Abgleich des Schwingbalkenisoliersystems (M _B = V _B r) wird also der Abstand d _N = ∞ und verschwinden die Knotenpunkte 22 und 24, so daß dafür bei den bekannten Resonatoren gemäß Fig. 1A mit zueinander parallelen Isolatorfedern 10 und 12 gesorgt werden muß.

Die Linearbewegung und das Drehen der Isolatormassen 21 haben gemeinsam zur Folge, daß sich beispielsweise für die linke Isolatormasse 21 die beiden aus Fig. 8 ersichtlichen Bewegungslinien 26 und 27 ergeben, welche jeweils durch eine der beiden Stellen A und B, an denen die zugehörigen Isolatorfedern mit der Isolatormasse 21 verbunden werden, laufen und bezüglich der x-Achse sowie der y-Achse des dargestellten Koordinatensystems so geneigt sind, daß sie sich jeweils senkrecht zur Verbindungslinie 28 bzw. 29 der Stelle A bzw. B und des der Isolatormasse 21 benachbarten Knotenpunktes 22 erstrecken, während sie bei vollkommenem Abgleich, wobei die Isolatormasse 21 die Position 21 B einnehmen würde, senkrecht zur x-Achse und parallel zur y-Achse verlaufen würden. Die beiden in Verbindung mit der Isolatormasse 21 vorzu sehenen Isolatorfedern würden also bei einer solchen Anordnung die geringsten Reaktionskräfte und -momente bewirken, daß ihre Längsachsen mit den Ver bindungslinien 28 und 29 zusammenfallen, sich also am Knotenpunkt 22 schneiden und jeweils senkrecht zur Bewegungslinie 26 bzw. 27 der zugehörigen Verbindungsstelle A bzw. B an der Isolatormasse 21 erstrecken, da sie dann jeweils in Richtung größter Nachgiebigkeit ausgelenkt werden würden. Dem entsprechend sind die Resonatoren gemäß Fig. 9 bis 11 ausgebildet, deren grundsätzlicher Aufbau im übrigen demjenigen der bekannten Resonatoren gemäß Fig. 1A entspricht.

Die Resonatoren gemäß Fig. 9 bis 11 weisen jeweils einen Schwingbalken 30 bzw. 40 bzw. 50 mit je einer Isolatormasse 31 bzw. 41 bzw. 51 an seinen beiden Enden auf, welche mit einem Befestigungsorgan 33 bzw. 43 bzw. 53 verbunden ist, und zwar mittels eines Paares von Isolatorfedern 38 und 39 bzw. 48 und 49 bzw. 58 und 59, deren Längsachsen 38 _I und 39 _I bzw. 48 _I und 49 _I bzw. 58 _I und 59 _I sich im benachbarten Knotenpunkt 32 bzw. 42 bzw. 52 schneiden und jeweils senkrecht zur Bewegungslinie 36 bzw. 37 (Fig. 9) 46 bzw. 47 (Fig. 10) 56 bzw. 57 (Fig. 11) der jeweiligen Isolatorfeder/Isolator masse-Verbindungsstelle A bzw. B verlaufen, welche die Richtung derjenigen Reaktionsscherkraft V _B und desjenigen Reaktionsmomentes M _B repräsentieren, die an der benachbarten Wurzel 30′ bzw. 40′ bzw. 50′ des Schwingbalkens 30 bzw. 40 bzw. 50 auftreten, wenn derselbe schwingt. Die beiden Isolatorfedern 38 und 39 bzw. 48 und 49 bzw. 58 und 59 jedes Paares sind also jeweils um den Winkel R _A gegenüber der Längsachse des Schwingbalkens 30 bzw. 40 bzw. 50 geneigt, und zwar in einander entgegengesetzten Richtungen.

Aufgrund der unterschiedlichen Gestalt der Isolatormassen 31 gemäß Fig. 9, der Isolatormassen 41 gemäß Fig. 10 und der Isolatormasse 51 gemäß Fig. 11 liegt der Knotenpunkt 32 gemäß Fig. 9 innerhalb des linken Befestigungsorgans 33, der Knotenpunkt 42 gemäß Fig. 10 links außerhalb des linken Befestigungsorgans 43 und der Knotenpunkt 52 gemäß Fig. 11 rechts außerhalb des dort dargestellten linken Befestigungsorgans 53 und innerhalb der dort dargestellten linken Isolatormasse 51. Dementsprechend konvergiert jedes Isolatorfederpaar 38, 39 gemäß Fig. 9 von der benachbarten Isolatormasse 31 weg zum benachbarten Befestigungsorgan 33 hin, ebenso wie jedes Isolatorfederpaar 48, 49 gemäß Fig. 10 von der benachbarten Isolatormasse 41 weg zum benachbarten Befestigungsorgan 43 hin, allerdings mit kleinerem Isolator federneigungswinkel R _A, während das Isolatorfederpaar 58, 59 gemäß Fig. 11 von der Isolatormasse 51 zum Befestigunsorgan 53 hin divergiert.

Der Schwingbalken 30 bzw. 40 bzw. 50, die Isolatormassen 31 bzw. 41 bzw. 51, die Isolatorfedern 38 sowie 39 bzw. 48 sowie 49 bzw. 58 sowie 59 und die Befestigungsorgane 33 bzw. 43 bzw. 53 sind als einstückige Baueinheit ausgebildet, welche durch spanabhebende Bearbeitung aus einem Block hergestellt werden kann, beispielsweise einem Block aus piezoelektrischem Material, insbesondere Quarz, oder Metall.

Es ist durchaus möglich, die Erfindung auch in Verbindung mit der Lehre nach US-PS 34 70 400 zu verwirklichen. In manchen Fällen kann es bei der Herstellung einfacher sein, sowohl den Isolatormassenschwerpunkt als auch den Isolatorfederneigungswinkel einzustellen, statt nur einen dieser beiden Parameter.

Claims

1. Resonator, insbesondere zur Messung der Beschleunigung von Flugkörpern, mit einem zwischen zwei Befestigungsorganen angeordneten Schwingglied, welches in einer seine Längsachse enthaltenden Ebene unter Aufrechterhaltung einer charakteristischen Frequenz schwingt und zur Isolierung von den Befesti gungsorganen an seinen beiden Enden mit je einer Isolatormasse versehen ist, die mittels eines Paares von Isolatorfedern mit dem benachbarten Befesti gungsorgan verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paar von Isolatorfedern (38, 39; 48, 49; 58, 59) von der zugehörigen Isolatormasse (31; 41; 51) weg konvergiert oder divergiert, wobei die beiden Isolator federn (38, 39; 48, 49; 58, 59) jeweils senkrecht zu einer Bewegungslinie (36 bzw. 37; 46 bzw. 47; 56 bzw. 57) orientiert sind, welche die Verbindungsstelle (A bzw. B) zwischen der Isolatorfeder (38 bzw. 39; 48 bzw. 49; 58 bzw. 59) und der Isolatormasse (31; 41; 51) schneidet und die Richtung derjenigen Reaktionsscherkraft (V _B ) und desjenigen Reaktionsmomentes (M _B ) repräsentiert, die an der den beiden Isolatorfeder (38, 39; 48, 49; 58, 59) benachbarten Wurzel (30′; 40′; 50′) des Schwinggliedes (30; 40; 50) auftreten.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingglied (30; 40; 50) als Schwingbalken ausgebildet ist.

3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingglied (30; 40; 50), Isolatormassen (31; 41; 51), die Isolatorfedern (38, 39; 48, 49; 58, 59) und die Befestigungsorgane (33; 43; 53) aus piezoelektrischem Material, vorzugsweise Quarz, oder Metall bestehen.