DE3834531A1 - Beschleunigungsaufnehmer - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsaufnehmer
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Art.
Bekannt sind Beschleunigungsaufnehmer, bei denen die
auf einen Trägheitskörper einwirkende Beschleunigungs
kraft beobachtet und gemessen wird. Der Trägheitskörper
wird durch ein elastisches Organ in seiner Ruhelage
gehalten, während die einwirkende Beschleunigungskraft
bestrebt ist, ihn aus einer Ruhelage zu entfernen. Für
präzise Messungen sehr niederfrequenter Be
schleunigungen oder sogar statischer Beschleunigungen
reicht dieses Prinzip in der Regel nicht aus. In der
Navigationstechnik, insbesondere in der Raumfahrt,
stellt sich die Aufgabe, sehr geringe Beschleunigungs
werte exakt und als Absolutwerte feststellen zu können.
Eine Schwierigkeit besteht darin, daß die Meßwerte
eines geeichten Beschleunigungsaufnehmers nur begrenzte
Zeit gültig sind, weil die einzelnen Komponenten der
Meßkette eine Drift aufweisen. Die elastische Kraft
konstante des elastischen Organs kann als bekannt vor
ausgesetzt werden, so daß die Steigung der Geraden, die
das Verhältnis zwischen der Größe des Meßsignals und
der herrschenden Beschleunigung angibt, bekannt ist.
Unbekannt ist aber der Ursprung des betreffenden Ko
ordinatensystems. Für eine Eichung des Beschleunigungs
aufnehmers wäre es zweckmäßig, den Absolutwert der
Beschleunigung eines Wertepaares aus gemessener
Beschleunigung und Anzeige zu kennen. Die Kenntnis des
Absolutwertes setzt aber einen zweiten Beschleunigungs
aufnehmer voraus, der geeicht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Be
schleunigungsaufnehmer der im Oberbegriff des Patentan
spruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, der auf einfache
Weise geeicht werden kann, um Absolutwerte von Be
schleunigungen zu messen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit
den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an
gegebenen Merkmalen.
Bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmer ist
die Masse des Trägheitskörpers in definierter Weise
veränderbar. Mit einem ersten Massewert kann eine erste
Messung und mit einem zweiten Massewert eine zweite
Messung durchgeführt werden. Die Differenz Δ m zwischen
den Massewerten entspricht einer Differenz Δ x zwischen
den Auslenkungen des Trägheitskörpers bei den beiden
Messungen. Nach der Beziehung
Δ m×b = k×Δ x
kann die gesuchte Beschleunigung b bestimmt werden,
wenn die Kraftkonstante k des elastischen Systems be
kannt ist, unter der Voraussetzung, daß die Massedif
ferenz Δ m des Trägheitskörpers einen definierten Wert
hat und daß die Differenz Δ x der Auslenkungen des Träg
heitskörpers bei den verschiedenen Massen gemessen
wird. Die Beschleunigung b ist proportional dem
Quotienten Δ x : Δ m. Auf diese Weise ist es möglich, den
Beschleunigungsaufnehmer durch Messung der Auslenkung x
bei zwei unterschiedlichen Massen zu eichen. Zweck
mäßigerweise erfolgt die eine Messung nur mit dem Träg
heitskörper und die andere Messung, wenn der Trägheits
körper mit einer vorbestimmten Masse des Fremdstoffs
beladen ist.
Der erfindungsgemäße Beschleunigungsaufnehmer eignet
sich für die hochgenaue Messung von statischen oder
niederfrequenten Beschleunigungen. Er ist insbesondere
in der Raumfahrt einsetzbar, kann aber für seismische
Messungen u.dgl. verwendet werden. Nachdem das Verhält
nis Δ x : Δ m gemessen ist, können nachfolgend entweder
nur mit der Masse des Trägheitskörpers oder mit der um
die definierte Masse des Fremdstoffes ergänzten Masse
des Trägheitskörpers weitere Beschleunigungsmessungen
durchgeführt werden.
Nach Anspruch 2 ist vorgesehen, daß der Fremdstoff in
ein geschlossenes Gehäuse eingeleitet wird, in dem sich
der Trägheitskörper befindet. Dabei wird der Trägheits
körper mit dem vorzugsweise gasförmigen Fremdstoff be
laden. Die Beladung des Trägheitskörpers ist eine
Funktion des in dem Gehäuse herrschenden Partialdrucks
des Fremdstoffs und der Temperatur. Aus dem Phasen
diagramm kann die Gewichtserhöhung des Trägheitskörpers
ermittelt werden.
Der Trägheitskörper kann aus einem Metall, z.B.
Vanadium, bestehen, das ein guter Speicher für ein Gas,
z.B. Wasserstoff ist. Vanadium hat ein geringes
spezifisches Gewicht und ist imstande, Wasserstoff in
die Zwischengitterplätze einzulagern. Auch andere
Elemente als Vanadium eignen sich als Gasspeicher, z.B.
Palladium. Die Beladung muß auch nicht notwendigerweise
mit Wasserstoff erfolgen. Deuterium ist hierfür eben
falls geeignet.
Neben der Masseänderung durch Gasbeladung kann eine
Masseänderung auch durch Kondensation eines Stoffes an
der Oberfläche des Trägheitskörpers oder durch Be
dampfen erfolgen.
Die Masseänderung erfolgt mit Zeitkonstanten im Bereich
von Sekunden, so daß der Beschleunigungsaufnehmer be
sonders geeignet ist zur Bestimmung von niederfrequenten
oder sogar statischen Beschleunigungen.
Die Auslenkung des Trägheitskörpers erfolgt berührungs
los. Hierzu können unterschiedliche Methoden benutzt
werden, beispielsweise optische oder kapazitive Weg
meßeinrichtungen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungs
form der Erfindung erfolgt die Wegmessung nach Anspruch
7 durch Nachführen einer Spitze, die einen bestimmten
Abstand zum Trägheitskörper einhält, wobei zwischen
Spitze und Trägheitskörper ein Tunnelstrom fließt. Der
Abstand zwischen Spitze und Trägheitskörper kann derart
geregelt werden, daß der Tunnelstrom konstant bleibt.
Als Vorrichtung zum Bewegen der Spitze eignet sich ein
Piezokristall.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des mechanischen
Aufbaus des Beschleunigungsaufnehmers,
Fig. 2 das Regelschaltbild des Sensors,
Fig. 3 eine Ausführungsform mit zwei zu beiden Seiten
des Trägheitskörpers angeordneten Sensoren zur
Kompensation solcher Änderungen des Tunnel
stroms, die durch die Beladung des Trägheits
körpers verursacht werden, und
Fig. 4 eine Ausführungsform mit einem Hohlkörper.
Gemäß Fig. 1 weist der Beschleunigungsmesser eine Basis
10 auf, an der das eine Ende des elastischen Organs 11
eingespannt ist. Das elastische Organ 11 besteht aus
einer dünnen Siliziumplatte. Silizium eignet sich als
elastisches Organ besonders, weil es eine genau be
kannte Elastizitätskonstante hat und weil es in den ge
wünschten Abmessungen, z.B. durch Ätzen, hochgenau her
gestellt werden kann.
Am oberen Ende des elastischen Organs 11 ist der Träg
heitskörper 12 befestigt. Dieser Trägheitskörper 12
besteht aus einem Körper 13 aus Vanadium und einer den
Körper 13 umgebenden Beschichtung 14 aus Palladium.
Vanadium hat die Eigenschaft, daß es ein guter Wasser
stoffspeicher ist und Palladium hat eine hohe Durch
lässigkeit für Wasserstoff und dient im vorliegenden
Fall als Oberflächenbeschichtung zur Erzeugung der er
forderlichen Oberflächenqualität des Trägheitskörpers
12.
Die Form des elastischen Organs 11 als Platte wurde
gewählt, damit der Beschleunigungsaufnehmer selektiv
die Beschleunigungskomponente in einer ganz bestimmten
vorgegebenen Raumrichtung ermittelt. Diese Beschleu
nigungskomponente verläuft rechtwinklig zur Ebene des
elastischen Elements 11, das als Biegeschwinger aus
gebildet ist. Zur Erzielung einer gewünschten
Elastizitätskonstante können in dem Bereich zwischen
der Einspannung an der Basis 10 und der Masse 12 Aus
brüche 15 in der Platte des elastischen Organs 11 vor
gesehen sein.
Von der Basis 10 ragt ein Ständer 16 auf, an dem über
einen Isolator 17 eine Bewegungsvorrichtung 18 für eine
Spitze 19 befestigt ist. Die Bewegungsvorrichtung 18
besteht aus einem Piezokristall, an dessen einander
gegenüberliegenden Stirnseiten Elektroden 20, 21 vorge
sehen sind. Die Spitze 19 ist an der Elektrode 21 unter
Zwischenschaltung einer Isolierung 22 derart befestigt,
daß sie auf die Seitenfläche des Trägheitskörpers 12
gerichtet ist.
Wirkt auf den Trägheitskörper 12 eine quer zur Fläche
des elastischen Organs 11 gerichtete Beschleunigungs
kraft ein, dann wirkt das elastische Organ 11 als Biege
schwinger, d.h. es biegt sich derart, daß der Träg
heitskörper 12 entweder in Richtung auf die Spitze 19
oder von dieser fort, bewegt wird. Der Beschleunigungs
aufnehmer hat eine große Richtungsselektivität. Zur
Bestimmung der Beschleunigungen in den beiden anderen
Raumrichtungen können jeweils gleichartige Beschleu
nigungsaufnehmer vorgesehen sein, bei denen das
elastische Organ rechtwinklig zu dem elastischen Organ
11 angeordnet sind.
Der gesamte Beschleunigungsaufnehmer ist in einem druck
dichten Gehäuse 23 angeordnet, in das ein Rohr 24 ein
mündet, welches an eine Wasserstoffquelle angeschlossen
ist.
Im folgenden wird die prinzipielle Arbeitsweise des
Beschleunigungsaufnehmers anhand von Fig. 2 erläutert:
Die Spitze 19 hat einen geringen Abstand von dem Träg
heitskörper 12. Dieser Abstand beträgt einige 10-10 m.
Eine Stromquelle 25 ist mit einem Pol an das elastische
Element 11 angeschlossen und über dieses elastische
Element mit dem elektrisch leitenden Trägheitskörper 12
verbunden. Der andere Pol der Stromquelle 25 ist über
einen Strommesser 26 mit der ebenfalls leitenden Spitze
19 verbunden. Die Stromquelle 25, deren Spannung 6 Volt
beträgt, erzeugt zwischen der Spitze 19 und dem Träg
heitskörper 12 einen Tunnelstrom, dessen Stärke von dem
Strommesser 26 gemessen wird. Das Ausgangssignal des
Strommessers 26 wird einem Regler 27 zugeführt, der
eine Hochspannungsquelle 28 steuert. Die Ausgangs
leitungen der Hochspannungsquelle 28 sind mit den Elek
troden 20 und 21 zu beiden Enden der Bewegungsvorrich
tung 18 verbunden. Da diese Bewegungsvorrichtung 18 aus
einem Piezokristall besteht, ändert sie ihre Länge in
Abhängigkeit von der Größe der an ihren Enden an
liegenden Hochspannung. Der Regler 27 variiert die
Länge der Bewegungsvorrichtung 18 in der Weise, daß der
Tunnelstrom zwischen der Spitze 19 und dem Trägheits
körper 12 konstant bleibt. Dadurch bleibt auch der Ab
stand zwischen der Spitze 19 und dem Trägheitskörper
konstant, d.h. die Spitze 19 folgt der Bewegung des
Trägheitskörpers 12 mit konstantem Abstand. Das Aus
gangssignal 29 des Reglers 27 bildet das Meßsignal, das
der Auslenkung des Trägheitskörpers 12 aus seiner Ruhe
stellung proportional ist.
Zum Eichen des Beschleunigungsaufnehmers wird bei einer
auf den Trägheitskörper 12 einwirkenden, zunächst unbe
kannten Beschleunigungskraft eine Messung vorgenommen,
wobei an der Ausgangsleitung 29 ein Ausgangssignal er
halten wird. Diese Messung wird ausgeführt, indem im
Gehäuse 23 ein geringer Wasserstoff-Partialdruck
herrscht. Hierzu wird der Wasserstoffdruck im Gehäuse
23 verringert. Danach wird über den Anschluß 24 Wasser
stoff in das Gehäuse 23 eingeleitet, bis im Gehäuse 23
ein bestimmter Partialdruck des Wasserstoffs aufgebaut
ist. Dabei belädt sich der Vanadium-Körper 13 durch die
Palladium-Schicht 14 hindurch mit Wasserstoff, so daß
die Masse des Trägheitskörpers 12 um einen genau de
finierten Betrag Δ m erhöht wird. Danach wird eine
zweite Messung bei derselben herrschenden Beschleuni
gung durchgeführt. Infolge der erhöhten Masse des Träg
heitskörpers 12 ist bei der zweiten Messung die Aus
lenkung des Trägheitskörpers aus seiner Ruhelage größer
als bei der ersten Messung. Das Signal an Ausgangs
leitung 29 ist daher ebenfalls vergrößert. Durch die
beiden Messungen mit unterschiedlicher Masse und die
dabei erzielten unterschiedlichen Signale an Ausgangs
leitung 29 wird die Proportionalität zwischen Ausgangs
signal und Masse ermittelt und somit die Proportionali
tät zwischen Ausgangssignal und absoluter Beschleunigung
errechnet. Auf diese Weise ist der Beschleunigungsauf
nehmer geeicht worden.
Im Anschluß an die Eichung können über längere Zeit
Beschleunigungsmessungen durchgeführt werden, wobei
entweder die erhöhte Masse des Trägheitskörpers 12 be
nutzt wird oder zuvor eine Entladung des Wasserstoffs
aus dem Trägheitskörper 12 erfolgt. Dadurch, daß der
Wasserstoff aus dem Trägheitskörper 12 entladen werden
kann, besteht die Möglichkeit, beliebig häufig Eich
zyklen durchzuführen.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist zusätzlich
zu dem beschriebenen Sensor, dessen Spitze 19 auf einer
Seite des Trägheitskörpers 12 angeordnet ist, auf der
gegenüberliegenden Seite ein weiterer Sensor angeord
net, dessen Komponenten denjenigen des ersten Sensors
entsprechen und mit den gleichen Bezugszeichen versehen
sind, wobei jeweils der Zusatz "a" hinzugefügt ist.
Wenn der Trägheitskörper nach einer Seite hin aus
seiner Ruhelage ausgelenkt wird, verkürzt sich die eine
Bewegungsvorrichtung 18 bzw. 18 a, während sich die gegen
überliegende Bewegungsvorrichtung ausdehnt. Die Variante
von Fig. 3 ist zweckmäßig in den Fällen, in denen allein
durch den veränderten Gasdruck der Tunnelstrom zwischen
der Spitze 19 und dem Trägheitskörper 12 verändert wird,
oder in dem Fall, daß Kontaminationen an der Oberfläche
des Trägheitskörpers 12 diesen Tunnelstrom verändern.
Die beiden Regler 27 und 27 a sind untereinander derart
verbunden, daß ihre Ausgangssignale subtrahiert werden.
Normalerweise sind die Ausgangssignale der Regler 27
und 27 a im Betrag einander gleich und im Vorzeichen
verschieden, so daß eine Subtraktion dieser Ausgangs
signale den Wert 0 ergibt, wenn der Trägheitskörper 12
sich in seiner Mittelstellung befindet. Die Differenz
der Ausgangssignale der Regler 27 weicht jedoch von 0
ab, wenn der Trägheitskörper 12 sich im ausgelenkten
Zustand befindet. Diese Differenz wird somit als Meß
signal benutzt.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen ist der von dem
elastischen Organ getragene Trägheitskörper frei beweg
bar. Möglich ist auch eine Ausführungsform, bei der
eine Rückstellvorrichtung derart auf den Trägheits
körper einwirkt, daß dieser bei allen einwirkenden Be
schleunigungskräften in derselben Position gehalten
wird. Zur Messung der Beschleunigung kann hierbei die
jenige Kraft benutzt werden, die von der Rückstellvor
richtung aufgebracht wird, um den Trägheitskörper in
der vorbestimmten Position zu halten. Hierbei dient der
Sensor zur Regulierung der Kraft der Rückstell
vorrichtung.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ist der Träg
heitskörper 12 ein Hohlkörper 30, vorzugsweise in Form
einer Kugel. In den Hohlkörper 30 führt eine Leitung 31
hinein, die durch das elastische Organ 11 hindurchgeht
und durch die ein Fluid, vorzugsweise ein Gas, in den
Hohlkörper 30 eingeleitet werden kann. Als Fluid eignen
sich insbesondere Xenon oder SF6 (Schwefelhexafluorid).
Durch Einleiten des Gases in den Hohlkörper 30 wird
dessen Masse verändert, so daß auch die Kraft, die für
eine bestimmte Verformung des elastischen Organs 11
benötigt wird, verändert wird. Außerhalb des Hohl
körpers 30 herrscht eine Atmosphäre aus einem Gas,
dessen Dichte unterschiedlich von derjenigen des Gases
im Innern des Hohlkörpers 30 ist. Die Drücke der Gase
außerhalb und innerhalb des Hohlkörpers sind vorzugs
weise gleich. Durch Einleiten von Gas in den Hohlkörper
30 und durch Evakuieren des Hohlkörpers wird die Masse
des Trägheitskörpers 12 verändert.
Claims (10)
1. Beschleunigungsaufnehmer, insbesondere zur Bestim
mung niederfrequenter Beschleunigungen, mit einem
Trägheitskörper (12), der an einem elastischen Organ
(11) befestigt ist, und einem Sensor zur Ermittlung
der Position des Trägheitskörpers,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bestimmung des Absolutwertes der Beschleuni
gung die Masse des Trägheitskörpers (12) durch An
lagerung oder Aufnahme eines Fremdstoffs kontrol
liert veränderbar ist.
2. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Trägheitskörper (12) mit dem
elastischen Organ (11) und dem Sensor in einem druck
dichten Gehäuse (23) untergebracht ist und daß in
dieses Gehäuse (23) der Fremdstoff einleitbar ist.
3. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitskörper (12)
aus einem gasaufnehmenden Material besteht und daß
der Fremdstoff ein Gas ist.
4. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Trägheitskörper (12) mit dem
elastischen Organ (11) und dem Sensor in einem druck
dichten Gehäuse (23) untergebracht ist und daß das
Gehäuse (23) mit einer Verdampfungsvorrichtung zum
Aufdampfen eines Fremdstoffs auf den Trägheitskörper
(12) versehen oder verbunden ist.
5. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitskörper (12)
einen Körper (13) aus Vanadium enthält.
6. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Trägheitskörper (12) eine
Beschichtung (14) aus Palladium aufweist.
7. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine
auf den Trägheitskörper (12) gerichtete Spitze (19)
aufweist, über die ein Tunnelstrom zum Trägheits
körper (12) fließt, daß die Spitze (19) in Richtung
auf den Trägheitskörper (12) bewegbar ist und daß
eine Bewegungsvorrichtung (18) zum Bewegen der Spitze
(19) derart geregelt ist, daß der Abstand zwischen
Spitze (19) und Trägheitskörper (12) konstant ist.
8. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite
des Trägheitskörpers (12) ein Sensor angeordnet ist
und daß das Meßsignal von der Differenz der Ausgangs
signale beider Sensoren abgeleitet ist.
9. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Trägheitskörper (12) ein
Hohlkörper (30) ist, dessen Masse durch Einleiten
eines Fluides veränderbar ist.
10. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß außerhalb des Hohlkörpers (30)
eine Atmosphäre aus einem Gas herrscht, dessen Dichte
unterschiedlich von derjenigen des Fluides ist und
dessen Druck gleich demjenigen des Fluides ist.
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