DE3709720A1 - Kraftsensor, insbesondere zur beschleunigungsmessung - Google Patents

Kraftsensor, insbesondere zur beschleunigungsmessung

Info

Publication number
DE3709720A1
DE3709720A1 DE19873709720 DE3709720A DE3709720A1 DE 3709720 A1 DE3709720 A1 DE 3709720A1 DE 19873709720 DE19873709720 DE 19873709720 DE 3709720 A DE3709720 A DE 3709720A DE 3709720 A1 DE3709720 A1 DE 3709720A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
force sensor
oscillating beam
oscillating
frequency
vibrating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19873709720
Other languages
English (en)
Inventor
William C Albert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Singer Co
Original Assignee
Singer Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Singer Co filed Critical Singer Co
Publication of DE3709720A1 publication Critical patent/DE3709720A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/097—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by vibratory elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G01L1/162—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S73/00—Measuring and testing
    • Y10S73/04—Piezoelectric

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftsensor, insbesondere zur Beschleunigungsmessung, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Schwingbalken-Kraftsensoren, also kraftempfindliche Resonatoren, finden insbesondere wegen ihres ausgedehnten Dynamikumfangs, hohen Auflösungsvermögens und geringen Leistungsbedarfs immer weitere Verbreitung und werden beispielsweise auch zur Beschleunigungs- und Druckmessung verwendet. Ihre Wirkungsweise beruht darauf, daß die Schwingungsfrequenz des Schwingbalkens sich bei Axialbelastung ändert, um mit wachsender Zugbelastung anzusteigen und mit wachsender Druckbelastung abzufallen. Als Schwingbalkenmaterial ist Quartz besonders bevorzugt, vor allem wegen seiner piezoelektrischen Eigenschaften, seines hohen Gütefaktors Q, seiner geringen Temperaturempfindlichkeit und seiner ausgezeichneten mechanischen Festigkeit sowie chemischen Stabilität. Bei Schwingbalken aus Quartz können maßstäbliche, zug- oder druckbelastungsbedingte Frequenzänderungen von bis zu +10% bzw. -10% ausgenutzt werden.
Kraftsensoren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sind bekannt (US-PS 34 70 400). Dabei sind besondere Maßnahmen getroffen, um den Schwingbalken von den beiden Befestigungsorganen zu entkoppeln bzw. zu isolieren und Verlust von Schwingungsenergie zu vermeiden, also einen hohen Gütefaktor Q zu gewährleisten.
Bekannt ist ferner ein Antrieb für derartige Kraftsensoren, um deren Schwingbalken aus piezoelektrischem Material in Querschwingungen zu versetzen (US-PS 34 79 536). Dabei werden die piezoelektrischen Eigenschaften des Schwingbalkens ausgenutzt und ist ein elektrischer Oszillator vorgesehen, welcher den Schwingbalken erregt und dazu an Elektroden angeschlossen ist, die den Schwingbalken auf einander gegenüberliegenden Breitseiten bedecken.
Schließlich ist es bekannt, derartige Kraftsensoren mit einem solchen Schwingbalkenantrieb paarweise zur Beschleunigungsmessung zu verwenden, wobei zwei Kraftsensoren mit aneinander angepaßten Eigenfrequenzen in unbelastetem Zustand so angeordnet werden, daß ihre Schwingbalken stets einander entgegengesetzte Axialbelastungen erfahren, also der Schwingbalken des einen Kraftsensors immer auf Druck bzw. Zug beansprucht wird, wenn der Schwingbalken des anderen Kraftsensors auf Zug bzw. Druck beansprucht ist, und wobei die Differenz der beiden jeweils vom einen bzw. anderen Kraftsensor gelieferten Frequenzen als Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers herangezogen wird. Die Funktionsweise ist um so besser, je weniger die Eigenfrequenzen der beiden Schwingbalken voneinander abweichen, welche dann gegeben sind, wenn die Schwingbalken axial nicht belastet sind. Insofern ergeben sich allerdings Schwierigkeiten, weil der Frequenzanpassung durch die mit der spanabhebenden Schwingbalkenherstellung verbundenen Fertigungstoleranzen Grenzen gesetzt sind.
Abgesehen davon, daß bei den bekannten Kraftsensoren die besagte Eigenfrequenz vom einen zum anderen also verhältnismäßig stark schwanken kann, bereitet auch ihre Temperaturabhängigkeit Schwierigkeiten. Die Frequenz, mit welcher der Schwingbalken der bekannten Kraftsensoren ohne Axialbelastung schwingt, steigt mit wachsender Temperatur zunächst bis zu einem Wendepunkt bei einer bestimmten Umschlagtemperatur an, um dann wieder abzufallen, wobei sie sich im Bereich der Umschlagtemperatur bei kleinen Temperaturänderungen kaum ändert, so daß es günstig ist, für die Kraftsensoren diese Umschlagtemperatur als Betriebstemperatur vorzusehen. Dieses ist insofern schwer zu bewerkstelligen, als dafür eine Schwingbalkenausgestaltung gewählt werden müßte, bei welcher die Frequenz/Axialbelastung-Empfindlichkeit des Schwingbalkens wesentlich vermindert wäre. Sowohl die Umschlagtemperatur als auch diese Empfindlichkeit hängen nämlich vom Dicke/Länge-Verhältnis des Schwingbalkens ab, allerdings in einander entgegengesetzten Richtungen. Um eine annehmbare Empfindlichkeit zu erzielen, muß der Schwingbalken lang und dünn ausgebildet werden, so daß sein Dicke/Länge-Verhältnis klein ist. Die zugehörige Umschlagtemperatur ist dann jedoch niedriger als die übliche Kraftsensorbetriebstemperatur. Um die erforderliche höhere Umschlagtemperatur zu erzielen, muß das Dicke/Länge-Verhältnis des Schwingbalkens erhöht werden, so daß seine Empfindlichkeit sich entsprechend verschlechtert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Schwierigkeiten zu beheben und einen Kraftsensor, insbesondere zur Beschleunigungsmessung, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, bei welchem die Eigenfrequenz des Schwingbalkens in unbelastetem Zustand auf einfache Weise sehr genau eingestellt werden kann und/oder eine hohe Umschlagtemperatur derselben im Verein mit einer hohen Frequenz/Axialbelastung-Empfindlichkeit des Schwingbalkens gewährleistet ist.
Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. 4 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kraftsensors sind in den restlichen Patentansprüchen angegeben.
Nachstehend ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftsensors anhand von Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigt
Fig. 1 perspektivisch einen bekannten Kraftsensor;
Fig. 2A ein Diagramm zur Veranschaulichung der Frequenz/Kraft-Kennlinie des Kraftsensors gemäß Fig. 1;
Fig. 2B ein Diagramm zur weiteren Veranschaulichung der Frequenz/Kraft-Kennlinie gemäß Fig. 2A;
Fig. 3 schematisch einen Beschleunigungsmesser bestehend aus zwei Kraftsensoren gemäß Fig. 1;
Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Temperaturabhängigkeit der Eigenfrequenz des Kraftsensors gemäß Fig. 1 in unbelastetem Zustand;
Fig. 5 schematisch die Verbindung des Schwingbalkens des Kraftsensors gemäß Fig. 1 mit den beiden zugehörigen Isolatormassen;
Fig. 6 eine Seitenansicht des Schwingbalkens eines erfindungsgemäßen Kraftsensors und der Verbindung desselben mit den beiden zugehörigen Isolatormassen;
Fig. 6A den Querschnitt entlang der Linie 6A-6A in Fig. 6; und
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht ähnlich derjenigen gemäß Fig. 1 des Kraftsensors mit dem Schwingbalken gemäß Fig. 6 und 6A.
Der in Fig. 1 dargestellte Kraftsensor 10 gemäß US-PS 34 70 400 weist zwei äußere Befestigungsorgane 12, 14 und einen zwischen denselben angeordneten Schwingbalken 16 auf. Die beiden Befestigungsorgane 12, 14 werden an Aufnehmern angebracht, um entlang der angegebenen Eingangsachse mit Axialkräften beaufschlagt zu werden, und sind jeweils mit zwei zueinander parallelen Ausnehmungen 13 bzw. 15 versehen, welche ein Biegegelenk bilden, dessen Biegeachse senkrecht zur Eingangsachse orientiert ist, wobei die beiden Biegeachsen der Biegegelenke der beiden Befestigungsorgane 12, 14 parallel zueinander verlaufen.
Um den Schwingbalken 16 im Betrieb von den beiden Befestigungsorganen 12, 14 zu entkoppeln bzw. zu isolieren, ist er an den beiden Enden mit je einer Isolatormasse versehen, deren quer zur Längsachse des Schwingbalkens 16 und parallel zum benachbarten Befestigungsorgan 12 bzw. 14 verlaufende Basis 18 bzw. 20 über ein Paar zueinander paralleler, dünner Isolatorfedern 22, 24 bzw. 26, 28 mit dem Befestigungsorgan 12 bzw. 14 verbunden ist. Jede Isolatormasse weist ferner zwei Schenkel 30, 32 bzw. 34, 36 auf, welche sich vom einen bzw. vom anderen Ende ihrer Basis 18 bzw. 20 im wesentlichen parallel zur Längsachse des Schwingbalkens 16 entlang desselben erstrecken und deren Längen sowie anderen Abmessungen von den Eigenschaften des Schwingbalkens 16 abhängen, wobei jedoch sowohl die beiden in Fig. 1 oberhalb des Schwingbalkens 16 verlaufenden Schenkel 30, 34 als auch die beiden in Fig. 1 unterhalb des Schwingbalkens 16 verlaufenden Schenkel 32, 36 im Abstand voneinander angeordnet sind. Die in Richtung der Eingangsachse auf die Befestigungsorgane 12, 14 einwirkenden Zug- oder Druckkräfte werden über die Isolatorfedern 22, 24, 26, 28 und die Isolatormassen bzw. deren Basen 18, 20 zum Schwingbalken 16 übertragen.
Wie dargestellt, kann der Kraftsensor 10 einstückig ausgebildet sein und aus einem Block eines geeigneten Materials durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden, insbesondere aus einem Block piezoelektrischen Materials, wie Quartz.
Um den Schwingbalken 16 gemäß US-PS 34 79 536 als Dickenscherungsschwinger anzutreiben, ist er mit zwei Paaren einander gegenüberliegender Elektroden 38, 40 und 42, 44 beschichtet, wobei die beiden Elektroden 38, 40 bzw. 42, 44 jedes Paares jeweils die in Fig. 1 obere bzw. untere Breitseite des Schwingbalkens 16 über eine bestimmte Länge bedecken. Die beiden Elektrodenpaare 38, 40 und 42, 44 sind über zwei Leitungen 46, 48 mit einem nicht dargestellten elektronischen Oszillator verbunden, wobei die eine Leitung 46 an die obere Elektrode 38 des einen Elektrodenpaares 38, 40 und an die unter Elektrode 44 des anderen Elektrodenpaares 42, 44 angeschlossen ist, während die andere Leitung 48 zur unteren Elektrode 40 des einen Elektrodenpaars 38, 40 und zur oberen Elektrode 42 des anderen Elektrodenpaars 42, 44 führt, so daß die elektrische Erregung durch den Oszillator entgegengesetzt gerichtete elektrische Felder quer durch den Schwingbalken 16 an entlang von dessen Längsachse im Abstand voneinander befindlichen Stellen bewirkt, um ihn in Querschwingungen zu versetzen. Die Oszillatorschaltung ist mit Schaltkreisen zur Erfassung der tatsächlichen Schwingungsfrequenz des Schwingbalkens 16 versehen, welche sich entsprechend seiner jeweiligen Axialbelastung ändert.
Fig. 2A veranschaulicht die Frequenz/Kraft-Kennlinie des Kraftsensors 10, welche näherungsweise durch die folgende Gleichung definiert ist, deren einzelne Terme in Fig. 2B graphisch dargestellt sind:
f = f₀ + K₁T + K₂T² (1)
(f= Schwingungsfrequenz des Schwingbalkens 16 f₀= Eigenfrequenz des Schwingbalkens 16 in unbelasteten Zustand K₁= Frequenz/Axialbelastung-Empfindlichkeitskoeffizient erster Ordnung des Schwingbalkens 16 K₂= Frequenz/Axialbelastung-Empfindlichkeitskoeffizient zweiter Ordnung des Schwingbalkens 16 T= Axialkraft, welche auf den Schwingbalken 16 einwirkt)
Daraus ergibt sich, daß die Abhängigkeit der Frequenz f von der Kraft T nicht linear ist. Um dennoch einen Beschleunigungsmesser mit linearer Kennlinie zu erhalten, ist es üblich, zwei jeweils mit einer Masse m zusammenwirkende Kraftsensoren 10 a und 10 b zu verwenden und so anzuordnen, daß ihre Schwingbalken 16 a und 16 b stets mit einander entgegengesetzten Axialkräften T = mg beaufschlagt werden und bei Beanspruchung des Schwingbalkens 16 a des einen Kraftsensors 10 a auf Zug oder Druck der Schwingbalken 16 b des anderen Kraftsensors 10 b auf Druck bzw. Zug beansprucht wird, um mit der entsprechenden Frequenz f₁ bzw. f₂ zu schwingen, wie in Fig. 3 veranschaulicht. Die Differenz dieser beiden jeweils vom Kraftsensor 10 a bzw. 10 b gelieferten Frequenzen f₁ und f₂ stellt das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers dar, dessen in Fig. 3 wiedergegebenen Komponenten in einem äußeren Gehäuse dicht eingeschlossen werden.
Im Zustand gemäß Fig. 3 wird der Schwingbalken 16 a des einen Kraftsensors 10 a auf Zug und der Schwingbalken 16 b des anderen Kraftsensors 10 b auf Druck beansprucht, so daß für die jeweilige Frequenz f₁ bzw. f₂ und deren Differenz f₁-f₂, also das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers, die folgenden Beziehungen gelten:
f₁ = f 01 + K 11 mg + K 21 (mg)² (2)
f₂ = f 02 + K 12 (-mg) + K 22 (mg)² (3)
f₁-f₂ = (f 01-f 02) + (K 11 + K 12) mg + (K 21 - K 22) (mg)² (4)
Die Anordnung gemäß Fig. 3 führt also zu einer sehr geringen Nettofrequenz in unbelastetem Zustand (mg = 0) und zur Gegentaktunterdrückung vieler Fehlerquellen, einschließlich Temperaturempfindlichkeit und der Unlinearität. Je genauer die Eigenfrequenz f 01 des einen Schwingbalkens 16 a in unbelastetem Zustand an die Eigenfrequenz f 02 des anderen Schwingbalkens 16 b in unbelastetem Zustand angepaßt werden kann, was bisher allerdings seine Grenzen in den mit der spanabhebenden Schwingbalkenherstellung verbundenen Fertigungstoleranzen findet, desto geringer ist die Nettofrequenz und desto wirkungsvoller ist die Gegentaktunterdrückung. Bei absolut identischen Schwingbalken 16 a und 16 b (f 01 = f 02; K 11 = K 12 = K 1; K 21 = K 22) würde der Beschleunigungsmesser nach Fig. 3 das Ausgangssignal f 1-f 2 = 2K 1 mg liefern.
Gemäß Fig. 5 ist der prismatische Schwingbalken 16 des Kraftsensors 10 nach Fig. 1 am linken Ende 17 fest mit der Basis 18 der benachbarten Isolatormasse verbunden, ebenso wie am nicht dargestellten rechten Ende mit der Basis 20 der benachbarten Isolatormasse, so daß für seine Eigenfrequenz f₀ in unbelastetem Zustand (T = 0) nach den bekannten Gleichungen für den querschwingenden, beidseitig eingespannten Stab die folgende Beziehung gilt:
f₀ = a₀ (t/L²) (E/ ρ ) (5)
(a₀= Konstante t= Dicke des Schwingbalkens 16 L= Länge des Schwingbalkens 16 E= Elastizitätsmodul des Materials des Schwingbalkens 16 ρ= Dichte des Materials des Schwingbalkens 16)
Zwei Schwingbalken 16 aus demselben Material, wobei also dieselbe Konstante a₀, derselbe Elastizitätsmodul E und dieselbe Dichte ρ vorliegen, weisen somit nur dann dieselbe Frequenz f₀ auf, wenn das Verhältnis der Dicke t zum Quadrat der Länge L des einen Schwingbalkens 16 und dasjenige des anderen Schwingbalkens 16 identisch sind. Zwar wird bei der Schwingbalkenherstellung gerade dafür Sorge getragen, die vorgegebenen Werte für eben diese Schwingbalkenparameter möglichst genau zu verwirklichen, jedoch müssen durch das Herstellungsverfahren bedingte Fertigungstoleranzen von bis zu etwa ±2,54 µ für die besonders kritische Dicke t in Kauf genommen werden, was bei einer Solldicke t von 0,127 mm etwa ±2% entspricht, so daß sich auch für die Frequenz f₀ eine Toleranz von bis zu ±2% ergibt, da sie gemäß Gleichung (5) zur Dicke t direkt proportional ist.
Weil beim Beschleunigungsmesser gemäß Fig. 3 immer nur zwei Kraftsensoren 10 a und 10 b verwendet werden, deren Eigenfrequenzen f 01 und f 02 in jeweils unbelastetem Zustand (T = mg = 0) einander mit einer Toleranz von höchstens etwa ±0,15% angepaßt sind, ist es also erforderlich, eine verhältnismäßig große Anzahl von Kraftsensoren 10 gemäß Fig. 1 herzustellen, um daraus dann die Paare zueinander passender Kraftsensoren 10 a, 10 b und je einen solchen Beschleunigungsmesser auswählen zu können.
Der Schwingbalken 16 des Kraftsensors 10 gemäß Fig. 1 ist temperaturempfindlich. Seine Eigenfrequenz f₀ in unbelastetem Zustand (T = 0) hängt von der Temperatur ab, wie in Fig. 4 veranschaulicht. Mit wachsender Temperatur steigt sie zunächst bis zu einem Wendepunkt bei einer bestimmten Umschlagtemperatur T ZTC an, um dann wieder abzufallen, wobei sie sich in der Nähe der Umschlagtemperatur T ZTC bei kleinen Temperaturänderungen praktisch nicht ändert, also der Temperaturkoeffizient dort virtuell gleich Null ist. Aus diesem Grunde ist es günstig, wenn die Betriebstemperatur des Kraftsensors 10 und die Umschlagtemperatur T ZTC identisch sind, und sollte der Schwingbalken 16 so ausgebildet werden, daß eine entsprechende Umschlagtemperatur T ZTC gewährleistet ist, also seine Dicke t und seine Länge L so gewählt werden, daß die Frequenz f₀ gemäß Gleichung (5) bei der Betriebstemperatur des Kraftsensors 10 den Wert am Wendepunkt der Kurve gemäß Fig. 4 hat.
Dabei ist jedoch der Einfluß dieser Schwingbalkenparameter auf die Frequenz/Axialbelastung-Empfindlichkeit des Schwingbalkens 16 zu berücksichtigen. Für das gegenseitige Verhältnis erster Ordnung zwischen der Frequenzänderung Δ f und der einwirkenden Axialkraft T gilt die folgende Beziehung:
Δ f/f₀ = a₁ (L²/Ebt³)T (6)
(a₁= Konstante b= Breite des Schwingbalkens 16)
Dieses bedeutet, daß bei einem verhältnismäßig dicken und kurzen Schwingbalken 16 mit entsprechend großem Dicke/Länge-Verhältnis die Frequenz/Axialbelastung-Empfindlichkeit -relativ gering ist, da bei der Gleichung (6) das Quadrat der Länge L sich im Zähler des mittleren Terms der rechten Seite befindet, die Dicke t jedoch in der dritten Potenz im Nenner.
Bei der Ausgestaltung des Schwingbalkens 16 zur Erzielung der erforderlichen hohen Umschlagtemperatur T ZTC ergibt sich also die Schwierigkeit, daß dafür einerseits ein entsprechend großes Dicke/Länge-Verhältnis vorgesehen werden muß, damit andererseits aber seine Frequenz/Axialbelastung-Empfindlichkeit vermindert wird. Beide Eigenschaften sind einander insofern entgegengerichtet, als sie einander entgegengesetzte Ausgestaltungen des Schwingbalkens 16 erfordern.
Sämtliche geschilderten Schwierigkeiten sind bei dem erfindungsgemäßen Kraftsensor gemäß Fig. 6, 6A und 7 vermieden, dessen Schwingbalken 61 mit den beiden zugehörigen Isolatormassen 63 mittels je eines Paares divergierender Schenkel 65, 67 verbunden und in der Mitte zwischen den beiden Schenkelpaaren 65, 67 mit einer Trimmasse 69 versehen ist. Jede Isolatormasse 63 ist wiederum über zwei Isolatorfedern 71 mit einem Befestigungsorgan 73 verbunden, welche zusammen mit der Isolatormasse 63 eine Isolatoranordnung bilden, um den Schwingbalken 61 vom Befestigungsorgan 73 zu entkoppeln bzw. zu isolieren. Auch ist der Kraftsensor wiederum symmetrisch sowie einstückig ausgebildet und besteht er aus piezoelektrischem Material, insbesondere Quartz.
Die beiden Schenkel 65, 67 am einen und am anderen Ende des Schwingbalkens 61 divergieren vom jeweiligen Ende weg zur benachbarten Isolatormasse 63 hin, um einen A-förmigen Rahmen an der betreffenden Wurzel des Schwingbalkens 61 zu bilden, welcher eine verhältnismäßig hohe axiale Steifheit und eine relativ hohe Drehnachgiebigkeit ermittelt, so daß der Schwingbalken 61 entsprechend leichter auslenkbar ist und ungehinderter schwingen kann, der gemäß Fig. 6A einen rechteckigen Querschnitt und eine Breite b aufweist, welche größer als seine Dicke t ist. Die mittlere Trimmasse 69, welche aus demselben piezoelektrischen Material besteht, wie der Schwingbalken 61, erstreckt sich quer zum Schwingbalken 61 und steht in Form je eines dünnen, prismatischen Vorsprungs senkrecht von der einen bzw. der anderen Breitseite des Schwingbalkens 61 ab, um durch Herausbrechen kleiner Teilchen die Eigenfrequenz f₀ des Schwingbalkens 61 in unbelastetem Zustand (T = 0) einstellen zu können.
Die zusätzliche Trimmasse 69 hat eine Modifikation der Gleichung (5) zur Folge, so daß für die Eigenfrequenz f₀ des Schwingbalkens 61 in unbelastetem Zustand die folgende Gleichung gilt:
f₀ = a₀ (t/L²) [E/ p (1 + 2,5 m A /m B )] (7)
(m A /m B = Verhältnis der Trimmasse 69 zur Masse des Schwingbalkens 61)
Daraus ergibt sich, daß bei Verringerung der Trimmasse 69 in kleinen Inkrementen die Frequenz f₀ sich in kleinen Inkremente erhöht, so daß es auf diese Weise möglich ist, die Eigenfrequenz f₀ des Schwingbalkens 61 in unbelastetem Zustand (T = 0) sehr genau einzustellen. Es hat sich gezeigt, daß inkrementale Frequenzänderungen von bis zu 0,04% erzielbar sind. Die Einstellung ist dann besonders einfach, wenn der Kraftsensor aus Quartz besteht, da dieses Material bröcklig ist, so daß aus der Trimmasse 69 des Schwingbalkens 61 kleine Teilchen herausgebrochen werden können. Auch ist es möglich, die Einstellung erst nach der vollständigen Fertigstellung des Kraftsensors, einschließlich des Aufbringens der Elektroden und des Testens durchzuführen.
Der Kraftsensor gemäß Fig. 6, 6A und 7 wird also zunächst so hergestellt, daß die Eigenfrequenz f₀ des Schwingbalkens 61 in unbelastetem Zustand (T = 0) unterhalb des Sollwertes liegt. Dann wird die tatsächliche Frequenz f₀ gemessen und die Trimmasse 69 durch Entfernen kleiner Partikel inkremental vermindert, bis die Sollfrequenz f₀ erreicht ist, was erwähntermaßen mit einer Genauigkeit von mindestens ±0,04% möglich ist, während beim Kraftsensor 10 gemäß Fig. 1 die Frequenz f₀ in einem Bereich von ±2%, bezogen auf den Sollwert, aufgrund von Fertigungstoleranzen schwanken kann. Die Trimmasse 69 ermöglicht es also, alle jeweils hergestellten Kraftsensoren auf eine gemeinsame Frequenz f₀ zu kalibrieren, so daß sie ohne weiteres paarweise zur Beschleunigungsmessung gemäß Fig. 3 verwendet werden können.
Die beiden jeweils am einen bzw. am anderen Ende des Schwingbalkens 61 vorgesehenen A-förmigen Rahmen erhöhen das Biegevermögen an der jeweiligen Wurzel des Schwingbalkens 61, was eine entsprechend größere Konstante a₁ der Gleichung (6) bedeutet. Für den beidseitig eingespannten Stab ist die Konstante a₁=0,148 und für den beidseitig frei drehbar abgestützten Stab ist die Konstante a₁=0,608. Wenn sich auch der letztgenannte Wert mit den A-förmigen Rahmen nicht erzielen läßt, da ihre Drehnachgiebigkeit dafür unendlich groß sein müßte, so läßt sich damit doch eine Konstante a₁ von etwa 0,4 erreichen. Gemäß Gleichung (6) läßt sich eine bestimmte Frequenz/Axialbelastung-Empfindlichkeit -Δ f/f₀ bei größerer Konstante a₁ mit entsprechend geringerer Schwingbalkenlänge L und/oder entsprechend größerer Schwingbalkendicke t erzielen, also mit einem entsprechend größeren Verhältnis der Schwingbalkendicke t zur Schwingbalkenlänge L, so daß es also mit den A-förmigen Rahmen möglich ist, für den Schwingbalken 61 das Dicke/Länge-Verhältnis so groß zu wählen, daß die Umschalttemperatur T ZTC gemäß Fig. 4 so hoch wie die Betriebstemperatur des Kraftsensors nach Fig. 6, 6A und 7 ist, und dennoch eine annehmbare Frequenz/Axialbelastung-Empfindlichkeit Δ f/f₀ zu erreichen.
Wenn es auch besonders vorteilhaft ist, die Trimmasse 69 und die von den Schenkelpaaren 65, 67 gebildeten A-förmigen Rahmen gemeinsam vorzusehen, so ist es doch grundsätzlich auch möglich, nur die Trimmasse 69 oder nur die A-förmigen Rahmen vorzusehen.

Claims (7)

1. Kraftsensor, insbesondere zur Beschleunigungsmessung, mit einem zwischen zwei Befestigungsorganen angeordneten, in Querschwingungen versetzbaren Schwingbalken aus piezoelektrischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingbalken (61) mit einer mittleren Trimmasse (69) versehen ist, welche aus demselben piezoelektrischen Material besteht und aus welcher zur Einstellung der Eigenfrequenz (f₀) des Schwingbalkens (61) in unbelastetem Zustand Teilchen herausbrechbar sind.
2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trimmasse (69) sich auf einander gegenüberliegenden Seiten des Schwingbalkens (61) senkrecht von demselben weg erstreckt.
3. Kraftsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingbalken (61) einen rechteckigen Querschnitt und eine Breite (b) aufweist, welche größer als seine Dicke (t) ist, und daß die Trimmasse (69) sich in Form je eines dünnen, rechteckigen Vorsprungs von der einen bzw. der anderen Breitseite des Schwingbalkens (61) weg erstreckt.
4. Kraftsensor, insbesondere zur Beschleunigungsmessung, mit einem zwischen zwei Befestigungsorganen angeordneten, in Querschwingungen versetzbaren Schwingbalken aus piezoelektrischem Material, insbesondere nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingbalken (61) an den beiden Enden mit je einem Paar divergierender Schenkel (65, 67) versehen ist, welches einen A-förmigen Rahmen zur Verbindung des Schwingbalkens (61) mit dem einen bzw. dem anderen Befestigungsorgan (73) bildet.
5. Kraftsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Ende bzw. Schenkelpaar (65, 67) des Schwingbalkens (61) und dem benachbarten Befestigungsorgan (73) eine Isolatoranordnung (63, 71) vorgesehen ist.
6. Kraftsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er symmetrisch ausgebildet ist.
7. Kraftsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einstückig ausgebildet ist.
DE19873709720 1986-03-26 1987-03-25 Kraftsensor, insbesondere zur beschleunigungsmessung Withdrawn DE3709720A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/844,479 US4658175A (en) 1986-03-26 1986-03-26 Vibrating beam force transducer with A-frame beam root and frequency adjusting means

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE3709720A1 true DE3709720A1 (de) 1987-10-08

Family

ID=25292824

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19873709720 Withdrawn DE3709720A1 (de) 1986-03-26 1987-03-25 Kraftsensor, insbesondere zur beschleunigungsmessung

Country Status (11)

Country Link
US (1) US4658175A (de)
JP (1) JPS62232528A (de)
AU (1) AU6755487A (de)
CA (1) CA1261930A (de)
DE (1) DE3709720A1 (de)
FR (1) FR2596517A1 (de)
GB (1) GB2188421A (de)
IL (1) IL80566A0 (de)
IT (1) IT1203505B (de)
NO (1) NO865032L (de)
SE (1) SE8700009L (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3930314A1 (de) * 1988-09-09 1990-03-22 Nissan Motor Piezoelektrischer sensor zur ueberwachung einer kinetischen bewegungsgroesse

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4804875A (en) * 1982-09-16 1989-02-14 The Singer Company Monolythic resonator vibrating beam accelerometer
FR2574209B1 (fr) * 1984-12-04 1987-01-30 Onera (Off Nat Aerospatiale) Resonateur a lame vibrante
US4862298A (en) * 1988-03-11 1989-08-29 Magnetic Peripherals Inc. Shock load detection device
US4929860A (en) * 1988-05-17 1990-05-29 Sundstrand Data Control, Inc. Electrode configuration for vibrating beam transducers
DE69027044T2 (de) * 1989-03-23 1996-12-19 Seca Gmbh Lastenmessanordnung
US4980598A (en) * 1989-12-21 1990-12-25 Lucas Schaevitz Inc. Monolithic resonator for a vibrating beam accelerometer
US5109175A (en) * 1989-12-21 1992-04-28 Lucas Schaevitz Inc. Monolithic resonator for vibrating beam force sensors
SE468656B (sv) * 1990-10-19 1993-02-22 Rydborn S A O Anordning foer omvandling av mekanisk paaverkan till en elektrisk signal
US5181019A (en) * 1991-07-02 1993-01-19 Designtech International, Inc. Weighted transducer and driving circuit with feedback
US5391844A (en) 1992-04-03 1995-02-21 Weigh-Tronix Inc Load cell
US5313023A (en) 1992-04-03 1994-05-17 Weigh-Tronix, Inc. Load cell
US5442146A (en) 1992-04-03 1995-08-15 Weigh-Tronix, Inc. Counting scale and load cell assembly therefor
US5336854A (en) 1992-04-03 1994-08-09 Weigh-Tronix, Inc. Electronic force sensing load cell
WO1997047977A1 (en) * 1996-06-11 1997-12-18 Alliedsignal Inc. Compensation of second-order non-linearity in sensors employing double-ended tuning forks
US6497152B2 (en) 2001-02-23 2002-12-24 Paroscientific, Inc. Method for eliminating output discontinuities in digital pressure transducers and digital pressure transducer employing same
US6595054B2 (en) 2001-05-14 2003-07-22 Paroscientific, Inc. Digital angular rate and acceleration sensor
US20040016307A1 (en) * 2002-07-24 2004-01-29 Albert William C. Vibration isolation mechanism for a vibrating beam force sensor
US6826960B2 (en) 2002-08-07 2004-12-07 Quartz Sensors, Inc. Triaxial acceleration sensor
US7802475B2 (en) * 2006-10-13 2010-09-28 Seiko Epson Corporation Acceleration sensor
CN100405011C (zh) * 2007-07-09 2008-07-23 北京信息工程学院 新型压电石英水平姿态传感器
US8082790B2 (en) * 2008-08-15 2011-12-27 Sural C.A. Solid-state inertial sensor on chip
GB2540406A (en) * 2015-07-16 2017-01-18 Cambridge Entpr Ltd Vibration-based energy harvester with strain optimised topology
US10580605B2 (en) 2015-11-23 2020-03-03 University Of Utah Research Foundation Very low power microelectromechanical devices for the internet of everything
US11474126B2 (en) 2020-03-05 2022-10-18 Quartz Seismic Sensors, Inc. High precision rotation sensor and method

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3238789A (en) * 1961-07-14 1966-03-08 Litton Systems Inc Vibrating bar transducer
US3269192A (en) * 1962-11-07 1966-08-30 Gen Precision Inc Tuning fork digital accelerometer
US3440888A (en) * 1962-11-07 1969-04-29 Gen Precision Systems Inc Bifurcate resonance column
US3486383A (en) * 1965-01-04 1969-12-30 Singer General Precision Vibrating beam transducer
US3413859A (en) * 1965-01-04 1968-12-03 Gen Precision Systems Inc Digital rate gyro
US3465597A (en) * 1965-05-25 1969-09-09 Singer General Precision Vibrating-column accelerometer
US3505866A (en) * 1966-10-13 1970-04-14 Singer General Precision Single tine digital force transducer
US3399572A (en) * 1966-12-01 1968-09-03 Gen Precision Inc Vibrating beam pressure transducer
US3479536A (en) * 1967-03-14 1969-11-18 Singer General Precision Piezoelectric force transducer
US3470400A (en) * 1967-12-21 1969-09-30 Singer General Precision Single beam force transducer with integral mounting isolation
US3766616A (en) * 1972-03-22 1973-10-23 Statek Corp Microresonator packaging and tuning
CH576180A5 (de) * 1974-03-15 1976-05-31 Wirth Gallo & Co
US4104920A (en) * 1977-04-01 1978-08-08 The Singer Company Piezoelectric damping mechanism
JPS5577222A (en) * 1978-12-06 1980-06-10 Seiko Epson Corp Tuning-fork type vibrator
US4221131A (en) * 1979-05-29 1980-09-09 The Singer Company Vibrating beam accelerometer
US4321500A (en) * 1979-12-17 1982-03-23 Paroscientific, Inc. Longitudinal isolation system for flexurally vibrating force transducers
FR2477803A1 (fr) * 1980-03-04 1981-09-11 Suwa Seikosha Kk Resonateur a quartz du type diapason a couplage de modes
US4498025A (en) * 1980-12-12 1985-02-05 Seiko Instruments & Electronics Ltd. Tuning fork
US4447753A (en) * 1981-03-25 1984-05-08 Seiko Instruments & Electronics Ltd. Miniature GT-cut quartz resonator
JPS57188121A (en) * 1981-05-15 1982-11-19 Seiko Instr & Electronics Ltd Frequency adjusting method of coupling oscillator
US4446394A (en) * 1981-09-14 1984-05-01 The Singer Company Linearizing mechanism for a vibrating beam force transducer
US4445065A (en) * 1981-09-14 1984-04-24 The Singer Company Non-prismal beam resonator
JPS6010122A (ja) * 1983-06-30 1985-01-19 Shinko Denshi Kk 荷重変換機構

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3930314A1 (de) * 1988-09-09 1990-03-22 Nissan Motor Piezoelektrischer sensor zur ueberwachung einer kinetischen bewegungsgroesse
US5118981A (en) * 1988-09-09 1992-06-02 Nissan Motor Company, Limited Piezoelectric sensor for monitoring kinetic momentum

Also Published As

Publication number Publication date
IT1203505B (it) 1989-02-15
US4658175A (en) 1987-04-14
JPS62232528A (ja) 1987-10-13
IT8719483A0 (it) 1987-02-25
GB2188421A (en) 1987-09-30
FR2596517A1 (fr) 1987-10-02
NO865032L (no) 1987-09-28
AU6755487A (en) 1987-10-01
CA1261930A (en) 1989-09-26
SE8700009D0 (sv) 1987-01-02
IL80566A0 (en) 1987-02-27
NO865032D0 (no) 1986-12-12
SE8700009L (sv) 1987-09-27
GB8627716D0 (en) 1986-12-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3709720A1 (de) Kraftsensor, insbesondere zur beschleunigungsmessung
DE3013185C2 (de)
DE3423501C2 (de)
DE3417858C2 (de)
DE3704584A1 (de) Kraftsensor bzw. bezugsfrequenzgeber
DE1281695B (de) Flachschwingende Messsaite
DE2936887C2 (de)
DE1572996B2 (de) Monolithischer, elektromechanischer Oszillator
DE2738877C2 (de) Piezoelektrischer Kleinstschwinger
DE3017702C2 (de)
DE4427993C2 (de) Piezoelektrische Resonanzkomponente
DE4412964A1 (de) Vibrator
DE69930652T2 (de) Monolithischer miniatur-beschleunigungssensor
DE2936225A1 (de) Piezoelektrischer resonator
CH667734A5 (de) Kraftwandler.
DE3620558C2 (de)
DE2945243A1 (de) Biegeschwingungswandler
DE4201360C2 (de) Einrichtung zur Füllstandsmessung
EP0402320B1 (de) Kraft-Messwandler und Herstellungsverfahren für einen solchen
DE10100833B4 (de) Piezoelektrischer Resonator
DE10147911B4 (de) Beschleunigungssensor
DE4433679C2 (de) Schwingungserreger
DE1265884B (de) Elektromechanisches Filter mit piezoelektrischem Antrieb und Laengsschwingungen oder Biegeschwingungen ausfuehrenden Resonatoren
DE3038660A1 (de) Beschleunigungsaufnehmer mit piezoelektrischem wandlerelement
DE102004022432A1 (de) Piezoelektrisches Resonatorbauteil

Legal Events

Date Code Title Description
8141 Disposal/no request for examination