DE3808312A1 - Vorrichtung zum messen von beschleunigungen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Messen von Beschleunigungen, mit einem Referenzkörper, mit einer ge­ genüber dem Referenzkörper elastisch beweglichen Prüfmasse und mit einer Einrichtung, mit der die bei einwirkender Beschleuni­ gung zwischen Referenzkörper und Prüfmasse auftretende Ab­ standsänderung erfaßbar ist.

Bei einer bekannten Vorrichtung der vorbeschriebenen Gat­ tung besteht die Prüfmasse zum Beispiel aus einem Quarzplätt­ chen, das als Pendel ausgebildet ist, indem aus einem Stück Quarz ein Ring mit einer innenliegenden Pendelscheibe geschnitten ist. Dieser Ring wird mit dem Referenzkörper, zum Beispiel einem Außengehäuse, fest verbunden, so daß nur die als Pendelscheibe ausgebildete Prüfmasse beschränkt bewegbar ist.

Die beispielsweise durch Abätzung des ursprünglichen Quarz­ plättchens gebildeten Verbindungen von Pendelscheibe und Ring erlauben der Pendelscheibe kleinste Bewegungen, die senkrecht zu der von Ring und Pendelscheibenoberfläche aufgespannten Ebe­ ne stattfinden, d.h., also nur in einer linearen Richtung. Auf jeder Seite der Pendelscheibe ist eine Spule befestigt, die in einem sehr kleinen Abstand zu permanenten Magneten im Referenz­ körper Feldwechselwirkungen mit den Magneten ausüben können.

In Ruhe befindet sich die Prüfmasse genau in der Mitte zwischen den Magneten. An jeder Seite der Prüfmasse ist eben­ falls eine Kondensatorplatte so angebracht, daß zwischen jeder Seite der Prüfmasse und den Magnetoberflächen je eine Kapazi­ tät gebildet wird, die in Ruhe der Prüfmasse gleich ist. Eine auf die Prüfmasse wirkende Beschleunigung erzeugt eine Kapazi­ tätsveränderung proportional zum Betrag der auf die Prüfmasse wirkenden Kraft. Diese wird durch Anlegen eines äußeren Feldes im Servoverfahren so kompensiert, daß die als Prüfmasse dienende Pendelscheibe immer in der Nullage verbleibt und sich nur das außenliegende elektrische Feld verändert. Dieses Feld wird dann gemessen und dient als Maß für eine auf die Pendel­ scheibe wirkende Kraft. Daraus läßt sich die Beschleunigung, die auf diese Pendelscheibe wirkt, herleiten.

Die bekannte Vorrichtung ist gegen Magnetfelder oder elek­ trische Felder nicht unempfindlich, so daß großer Aufwand ge­ trieben werden muß, um die Vorrichtung gegen störende Fremdef­ fekte zu schützen. Ferner bedeutet die Wahl der Magnete in Be­ zug auf Homogenität und gleiche Feldstärke ein großes Problem. Ebenso ist die einheitlich reproduzierbare Fabrikation der Quarzplättchen und deren Bearbeitung problematisch.

Bekannte Vorrichtungen sind darüberhinaus stark temperatur­ abhängig und haben eine nicht sehr große Vibrationsstabilität. Das Resonanzverhalten der bekannten Vorrichtungen wird ober­ halb 300 Hertz kritisch und dieses Resonanzverhalten ist gleichzeitig nicht verschiebbar. Darüberhinaus sind der Meßbe­ reich und die Zerstörungsbeschleunigung nicht sehr hoch. Der komplizierte und empfindliche feinmechanische und elektrotech­ nische Aufbau der bekannten Vorrichtungen bedingt auch relativ hohe Herstellungskosten, die einen Masseneinsatz solcher Be­ schleunigungssensoren auf weiten Gebieten der Technik bisher verhindert haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen von Beschleunigungen der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die bei hoher Genauigkeit unkompliziert und be­ triebssicher arbeitet und eine möglichst kostengünstige indu­ strielle Serienfertigung zuläßt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die einander gegenüberliegenden Flächen des Referenzkörpers und der Prüfmasse teilreflektierend sind, und daß wenigstens eine Lichtquelle derart angeordnet ist, daß der Strahlengang durch Referenzkörper und Prüfmasse verläuft.

Durch die gegenseitige Zuordnung der teilreflektierenden Flächen von Referenzkörper und Prüfmasse sowie der Lichtquel­ le, arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung wie ein an sich bekanntes Interferometer. Da die Prüfmasse elastisch beweglich ist, kann bei einwirkender Beschleunigung eine Relativbewegung zwischen Prüfmasse und Referenzkörper stattfinden, aus der sich eine Abstandsänderung ergibt, die wiederum zu einer Ände­ rung des Interferogramms führt. Aus dem aufgrund der Abstands­ änderung gegebenen Interferogramm kann wiederum auf die einwir­ kenden Kräfte aufgrund der Beschleunigung geschlossen werden, und zwar mittels der Einrichtung, mit der die Abstandsänderung erfaßbar ist.

Eine Einrichtung zur Erfassung der Abstandsänderung kann z.B. wenigstens ein lichtempfindliches Organ umfassen, welches das Interferogramm in ein auswertbares Signal umwandeln kann.

Die teilreflektierenden Flächen von Prüfmasse und Referenz­ körper können zum Beispiel durch Verspiegeln gebildet werden. Referenzkörper und Prüfmasse sind vorzugsweise aus lichtdurch­ lässigem Werkstoff hergestellt und zum Beispiel in einander zu­ gekehrten Flächenbereichen durch Aufdampfen von beispielsweise Silber zu teilreflektierenden Spiegeln ausgebildet. Jeder Werk­ stoff von ausreichender Festigkeit und Lichtdurchlässigkeit ist geeignet, um daraus Referenzkörper und Prüfmasse herzustel­ len. Beispielsweise kann Glas, Kunststoff und dergleichen zur Anwendung kommen. Vorzugsweise wird als Werkstoff für Referenz­ körper und Prüfmasse Glaskeramik verwendet.

Die Lichtquelle sowie die Einrichtung zur Erfassung der Ab­ standsänderung können mit beliebigen Mitteln an entsprechenden Halterungen angebracht werden, um die gewünschte Position zu Prüfmasse und Referenzkörper einzunehmen.

Eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung sieht vor, daß der Referenzkörper ein Hohlkörper ist, und daß der Prüfkörper im Hohlkörper angeordnet ist.

Eine mit Vorteil besonders einfach gestaltete Ausführung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der Prüfkörper kolbenartig im Referenzkörper geführt ist. Dabei können Refe­ renzkörper und Prüfkörper entsprechende Querschnittsformen auf­ weisen, beispielsweise zylindrisch oder rechteckig. Die Recht­ eckform hat dabei noch den Vorteil, daß Verdrehungen innerhalb der Referenzkörper auf einfachste Weise unterbunden werden kön­ nen. Die Prüfmasse kann auch als dünnwandiger Hohlkörper mit teilreflektierender Oberfläche ausgebildet sein, wobei der Re­ ferenzkörper ein den Hohlkörper allseitig umgebendes Gehäuse mit teilreflektrierenden Innenflächen ist. Die Prüfmasse ist dabei derart dünnwandig, daß sich ihre Wandung bei Einwirkung von Beschleunigungen verformen kann, wobei die eine Abstandsän­ derung von der Innenwandung des Gehäuses verursachende Verfor­ mung wieder ein erfaßbares Interferogramm bildet. Die Ausfüh­ rung der Prüfmasse als dünnwandiger Hohlkörper hat den Vor­ teil, daß von der Vorrichtung Beschleunigungen in jeder Rich­ tung festgestellt werden können, wobei ohne weiteres durch ent­ sprechende Maßnahmen bei der Auswertung der Interferogramme nicht nur die Größenordnung der Beschleunigung, sondern auch die Richtung der Beschleunigung ermittelbar ist.

Der dünnwandige Hohlkörper kann z.B. eine kugelähnliche Blase sein, die aus elastischem, filmähnlichen Material gebil­ det ist, und an der Außenoberfläche eine die angestrebte Teil­ reflektion bewirkende Verspiegelung aufweist, die zum Beispiel auf einer Blase aus dünner filmartiger Folie durch entsprechen­ de Beschichtung mit Metallpartikeln angebracht werden kann.

Die Anordnung einer kolbenartig im Referenzkörper geführ­ ten Prüfmasse und auch die Ausbildung der Prüfmasse als kugel­ ähnliche Blase hat den Vorteil, daß keine besonderen Maßnahmen zur elastischen Halterung der Prüfmasse zu treffen sind, da ein in der kugelähnlichen Blase eingeschlossenes Gas als ela­ stische Polster wirkt und auch bei einer Ausbildung des Refe­ renzkörpers als geschlossener Zylinder die kolbenartig darin geführte Prüfmasse auf einem Gaspolster gehalten wird.

Der Referenzkörper kann auch als die kolbenartig darin ge­ führte Prüfmasse aufnehmendes, allseitig geschlossenes Gehäuse ausgebildet sein, wobei dich beidseitig der Prüfmasse im als Referenzkörper dienenden Gehäuse entsprechende Gaspolster be­ finden. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß die beiden Gas­ polster einen Temperaturausgleich bewirken können, wenn die Vorrichtung unterschiedlichen Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist.

Das lichtempfindliche Organ der Einrichtung zur Erfassung der Abstandsänderung zwischen Referenzkörper und Prüfmasse kann der Prüfmasse selbst zugeordnet sein, wobei dann der Refe­ renzkörper die entsprechende Lichtquelle aufweist. Die umge­ kehrte Anordnung, bei der das lichtempfindliche Organ dem Re­ ferenzkörper zugeordnet wird und die Prüfmasse die Lichtquelle trägt, ist ebenfalls möglich. Bei der beschriebenen Ausbildung der Prüfmasse als kugelähnliche Blase wird die Lichtquelle zweckmäßigerweise im Innern der kugelähnlichen Blase angeord­ net.

Weiterhin ist der elastischen Bewegung der Prüfmasse eine definierbare Dämpfung zugeordnet, die durch definierte Reibung z.B. zwischen dem Referenzkörper und der kolbenartig darin geführten Prüfmasse, durch Auswahl von Schmierstoffen oder durch entsprechende Materialauswahl erreichbar ist.

Außerdem können auch andere Dämpfungsmaterialen zwischen den beiden Spiegeloberflächen von Referenzkörper und Prüfmasse angebracht werden, wodurch eine leichte Anpassung der Vorrich­ tung an den Größenordnungsbereich der zu messenden Beschleuni­ gungen möglich ist.

Zwischen Prüfmasse und Referenzkörper kann auch ein op­ tisch nichtlineares Medium angeordnet werden, mit dem Vorteil, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als Schalter wirken kann, um, beispielsweise bei Überlastungen, eine entsprechende Apparatur abzuschalten, die mit der Vorrichtung zur Messung von Beschleunigungen ausgerüstet ist. Mit einer derart arbei­ tenden Vorrichtung können Beschleunigungen innerhalb eines be­ stimmten Bereichs gemessen werden, wobei eine die Beschleuni­ gung verursachende Apparatur dann mit der Vorrichtung nach der Erfindung abgeschaltet werden kann, sobald vorbestimmte Größen­ ordnungen der Beschleunigung überschritten werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, sind in der Zeichnung darge­ stellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Prinzipskizze einer Seitenan­ sicht einer ersten Ausführungsmöglichkeit der Vorrichtung zum Messen von Beschleunigungen im Schnitt,

Fig. 2 eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsmög­ lichkeit der Vorrichtung im Schnitt und

Fig. 3 eine der Ausführung gemäß Fig. 1 ähnliche Ausbil­ dung der Vorrichtung in schematischer Schnittan­ sicht.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausfüh­ rungsmöglichkeit einer Vorrichtung zum Messen von Beschleuni­ gungen im Schnitt. Ein starr mit seiner Umgebung, beispielswei­ se einem Beschleunigungen ausgesetzten Konstruktionsteil, ver­ bundener Referenzkörper 1 ist als Hohlkörper mit Bodenfläche 2 und Seitenwänden 3, 4 ausgebildet. Der Referenzkörper besteht aus einem lichtdurchlässigen Werkstoff, vorzugsweise Glaskera­ mik. Die dem Hohlkörperinneren zugekehrte Fläche 5 des Bodens 2 ist teilreflektierend, indem eine entsprechende Verspiege­ lung mit vorbestimmtem Reflexionsvermögen angebracht ist.

Eine Prüfmasse 6, ebenfalls aus Glaskeramik, ist kolbenar­ tig in den Referenzkörper 1 eingesetzt und darin längsbeweg­ lich geführt. Die dem Innenraum des Referenzkörpers 1 zugekehr­ te Fläche 7 der Prüfmasse 6 ist ebenfalls teilreflektierend durch Anbringung einer Verspiegelung mit gewünschtem Re­ flexionsvermögen. Die Prüfmasse schwimmt auf dem zwischen Prüfmasse und Boden 2 eingeschlossenen Gaspolster. Die Prüfmasse ist somit gegenüber dem Referenzkörper 1 elastisch beweglich.

Der Prüfmasse und dem Referenzkörper ist eine Lichtquelle 8 zugeordnet, die derart angeordnet ist, daß der Strahlengang durch Referenzkörper 1 und Prüfmasse 6 verläuft. Unterhalb der teilreflektierenden Fläche 5 des Referenzkörpers 1 befindet sich ein lichtempfindliches Organ 9, beispielsweise eine Foto­ diode bzw. ein Feld von Fotodioden. Jedes lichtempfindliche Or­ gan ist einer nicht weiter dargestellten Einrichtung zur Erfas­ sung der Abstandsänderung zwischen den Flächen 7 und 5 von Prüfmasse und Referenzkörper zugeordnet.

Auf den Referenzkörper einwirkende Beschleunigungen führen zu einer Relativbewegung zwischen Referenzkörper und Prüfmas­ se, die sich in einer Abstandsänderung zwischen den Flächen 5 und 7 von Prüfmasse und Referenzkörper auswirkt. Das aufgrund der Durchleuchtung mittels der Lichtquelle 8 erzeugte Interfe­ rogramm wird mit wenigstens einem lichtempfindlichen Organ er­ faßt und in ein Signal bzw. Signale gewandelt, die von einer entsprechend arbeitenden elektronischen Einrichtung so verar­ beitet und ausgewertet werden, daß ein Meßwert für die Be­ schleunigung angezeigt und ablesbar bzw. registrierbar ist.

Beschleunigungen beliebiger Richtung sind mit einer Ausfüh­ rung der Vorrichtung gemäß Fig. 2 meßbar. Dabei ist der Refe­ renzkörper 1 als kubusfömiges Gehäuse 10 ausgebildet, welches die Prüfmasse 6 umschließt, die hier als kugelförmige Blase 11 ausgebildet ist. Die kugelförmige Blase 11 kann zum Beispiel aus dünner, flexibler und transparenter Folie gebildet sein, wobei ihre äußere Oberfläche 12 wieder teilreflektierend ist, indem eine Verspiegelung mit gewünschtem Reflexionsvermögen aufgebracht ist. Die als Prüfmasse 6 dienende kugelförmige Bla­ se kann im Bereich ihrer Berührungspunkte mit den Innenseiten 13 des als kubusförmiges Gehäuse ausgebildeten Referenzkörpers 10 auch verbunden sein, zum Beispiel durch entsprechende Verklebung. Die Innenseiten 13 des kubusförmigen Gehäuses 10 sind ebenfalls teilreflektierend durch entsprechende Verspiege­ lung. Das kubusförmige Gehäuse besteht aus Glaskeramik.

Im Inneren der hier als kugelförmige Blase 11 ausgebilde­ ten Prüfmasse 6, vorzugsweise in deren Zentrum, befindet sich die Lichtquelle 8. Den der Lichtquelle gegenüberliegenden Sei­ ten des als kubusförmiges Gehäuse 10 ausgebildeten Referenzkör­ pers sind entsprechende lichtempfindliche Organe 9, 9′, 9′′ und 9′′′ zugeordnet, die wiederum der Wandlung des Interfero­ gramms in ein auswertbares Signal dienen, indem sie einer Ein­ richtung zur Erfassung der Abstandsänderung zwischen der Ober­ fläche der kugelförmigen Blase 11 und den Innenflächen 13 des Referenzkörpers 1 zugeordnet sind.

Die kugelförmige Blase 11 verformt sich bei einwirkenden Beschleunigungen, woraus sich eine Abstandsänderung ihrer Ober­ fläche 12 von den Innenflächen 13 des Referenzkörpers 1 er­ gibt, die zur Erzeugung eines entsprechenden Interferogramms führt. Das im Inneren der kugelförmigen Blase 11 eingeschlos­ sene Gaspolster dient der Vermittlung entsprechender Elastizi­ tät der Prüfmasse, die erforderlich ist , um nach dem Ausset­ zen der Beschleunigungen die Vorrichtung in entsprechende Nullstellung zu bringen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung, welche der Ausführung gemäß Fig. 1 ähnlich ist. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszahlen bezeich­ net. Bei dieser Ausführung ist der Referenzkörper 1 als allsei­ tig geschlossener Hohlkörper, z.B. als Zylinder, ausgebildet, der die darin kolbenartig geführte Prüfmasse 6 so umgibt, daß beidseitig der Prüfmasse 6 Hohlräume 14, 15 frei bleiben, die als Gaspolster wirken. Durch die Gaspolster in den Hohlräumen 14, 15 kann ein selbsttätiger Temperaturausgleich an der Vor­ richtung erfolgen. Wird zum Beispiel die Vorrichtung in eine erhöhte Umgebungstemperatur versetzt, erwärmen sich die Gaspol­ ster 14, 15. Die sich dadurch ändernden Gasdrücke verschieben die Prüfmasse jedoch nicht.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Messen von Beschleunigungen, mit einem Referenzkörper, mit einer gegenüber dem Referenzkörper elas­ tisch beweglichen Prüfmasse und mit einer Einrichtung, mit der die bei einwirkender Beschleunigung zwischen Referenzkörper und Prüfmasse auftretende Abstandsänderung erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Flächen (5, 7) des Refe­ renzkörpers (1) und der Prüfmasse (6) teilreflektierend sind und daß wenigstens eine Lichtquelle (8) derart angeordnet ist, daß der Strahlengang durch Referenzkörper (1) und Prüfmasse (6) verläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung der Abstandsänderung wenig­ stens ein lichtempfindliches Organ (9, 9′, 9′′, 9′′′) auf­ weist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Referenzkörper (1) ein Hohlkörper ist, und daß die Prüfmasse (6) im Hohlkörper angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfmasse (6) kolbenartig im Referenzkörper (1) ge­ führt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfmasse (6) als dünnwandiger Hohlkörper ausgebildet ist, und daß der Referenzkörper (1) ein den Hohlkörper allsei­ tig umgebendes Gehäuse (10) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dünnwandige Hohlkörper als kugelähnliche Blase (11) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfmasse (6) das lichtempfind­ liche Organ und der Referenzkörper (1) die Lichtquelle (8) auf­ weist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzkörper (1) das lichtempfindli­ che Organ (9, 9′, 9′′, 9′′′) und die Prüfmasse die Lichtquelle (8) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elastischen Bewegung der Prüfmasse (6) eine definierbare Dämpfung zugeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Prüfmasse (6) und Refe­ renzkörper (1) ein optisch nicht lineares Medium angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Referenzkörper (1) und Prüfmasse (6) aus lichtdurchlässigem Werkstoff bestehen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtdurchlässige Werkstoff Glaskeramik ist.