DE3834531C2

DE3834531C2 -

Info

Publication number: DE3834531C2
Application number: DE3834531A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Neuhaus
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1988-10-11
Filing date: 1988-10-11
Publication date: 1990-08-16
Also published as: FR2637689A1; GB2224843A; GB2224843B; GB8921709D0; FR2637689B1; DE3834531A1; US5048339A

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsaufnehmer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1, 5 und 6 angegebenen Art.

Bekannt sind Beschleunigungsaufnehmer, bei denen die auf einen Trägheitskörper einwirkende Beschleunigungskraft 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 Beschleunigungen 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 Beschleunigungswerte 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 Kraftkonstante des elastischen Organs kann als bekannt vorausgesetzt 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 Koordinatensystems. Für eine Eichung des Beschleunigungsaufnehmers wäre es zweckmäßig, den Absolutwert der Beschleunigung eines Wertepaares aus gemessener Beschleunigung und Anzeige zu kennen. Die Kenntnis des Absolutwertes setzt aber einen zweiten Beschleunigungsaufnehmer voraus, der geeicht ist.

Ein Beschleunigungsaufnehmer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist bekannt aus "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen" (1967) VDI-Verlag, Düsseldorf, S. 497/498. Dieser Beschleunigungsaufnehmer weist in einem mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllten Gehäuse eine Masse auf, die an mehreren Blattfedern aufgehängt ist. Die Position der Masse wird von einem Weggeber festgestellt. Mit der Masse ist ein aus dem Gehäuse herausragender Schaft verbunden, an dem Zusatzgewichte befestigt werden können. Durch diese Zusatzgewichte 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 bekannt ist, unter der Voraussetzung, daß die Massedifferenz Δ m des Trägheitskörpers einen definierten Wert hat und daß die Differenz Δ x der Auslenkungen des Trägkeitskörpers 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungsaufnehmer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei dem der zusätzlich aufzubringende Fremdstoff keine mechanische Befestigung an dem Trägheitskörper erfordert und der daher für ferngesteuerte Systeme, insbesondere im Weltraum, einsetzbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils eines der Ansprüche 1, 5 oder 6.

Bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmer erfolgt die Anlagerung des Fremdstoffes entweder durch Gasaufnahme, durch Aufdampfen oder durch Einleiten eines Fluides in einen Hohlkörper. Dadurch besteht die Möglichkeit einer hochgenauen Dosierung des anzulagernden Fremdstoffes durch Einleiten dieses Fremdstoffes in den Trägheitskörper oder in den den Trägheitskörper enthaltenden Raum.

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 Verhältnis 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 Trägheitskörper mit dem vorzugsweise gasförmigen Fremdstoff beladen. Die Beladung des Trägheitskörpers ist eine Funktion des in dem Gehäuse herrschenden Partialdrucks des Fremdstoffs und der Temperatur. Aus dem Phasendiagramm 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 ebenfalls geeignet.

Neben der Masseänderung durch Gasbeladung kann eine Masseänderung auch durch Kondensation eines Stoffes an der Oberfläche des Trägheitskörpers oder durch Bedampfen erfolgen.

Die Masseänderung erfolgt mit Zeitkonstanten im Bereich von Sekunden, so daß der Beschleunigungsaufnehmer besonders geeignet ist zur Bestimmung von niederfrequenten oder sogar statischen Beschleunigungen.

Die Auslenkung des Trägheitskörpers erfolgt berührungslos. Hierzu können unterschiedliche Methoden benutzt werden, beispielsweise optische oder kapazitive Wegmeßeinrichtungen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Wegmessung nach Anspruch 8 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 zeigt

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

1. Beschleunigungsaufnehmer, insbesondere zur Bestimmung niederfrequenter Beschleunigungen, mit einem Trägheitskörper (12), der an einem elastischen Organ (11) befestigt ist, und einem Sensor zur Ermittlung der Position des Trägheitskörpers, wobei zur Bestimmung des Absolutwertes der Beschleunigung die Masse des Trägheitskörpers (12) durch Anlagerung oder Aufnahme eines Fremdstoffs kontrolliert veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitskörpers (12) aus einem gasaufnehmenden Material besteht und daß der Fremdstoff ein Gas ist.

2. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitskörper (12) mit dem elastischen Organ (11) und dem Sensor in einem druckdichten Gehäuse (23) untergebracht ist und daß in dieses Gehäuse (23) das Gas einleitbar ist.

3. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitskörper (12) einen Körper (13) aus Vanadium enthält.

4. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitskörper (12) eine Beschichtung (14) aus Palladium aufweist.

5. Beschleunigungsaufnehmer, insbesondere zur Bestimmung niederfrequenter Beschleunigungen, mit einem Trägheitskörper (12), der an einem elastischen Organ (11) befestigt ist, und einem Sensor zur Ermittlung der Position des Trägheitskörpers, wobei zur Bestimmung des Absolutwertes der Beschleunigung die Masse des Trägheitskörpers (12) durch Anlagerung oder Aufnahme eines Fremdstoffs kontrolliert veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitskörper (12) mit dem elastischen Organ (11) und dem Sensor in einem druckdichten Gehäuse (23) untergebracht ist und daß das Gehäuse (23) mit einer Verdampfungsvorrichtung zum Aufdampfen des Fremdstoffs auf den Trägheitskörper (12) versehen oder verbunden ist.

6. Beschleunigungsaufnehmer, insbesondere zur Bestimmung niederfrequenter Beschleunigungen, mit einem Trägheitskörper (12), der an einem elastischen Organ (11) befestigt ist, und einem Sensor zur Ermittlung der Position des Trägheitskörpers, wobei zur Bestimmung des Absolutwertes der Beschleunigung die Masse des Trägheitskörpers (12) durch Anlagerung oder Aufnahme eines Fremdstoffs kontrolliert veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitskörper (12) ein Hohlkörper (30) ist, dessen Masse durch Einleiten eines Fluides veränderbar ist.

7. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 6, 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.

8. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine auf den Trägheitskörper (12) gerichtete Spitze (19) aufweist, über die ein Tunnelstrom zum Trägheitskörper (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.

9. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite des Trägheitskörpers (12) ein Sensor angeordnet ist und daß das Meßsignal von der Differenz der Ausgangssignale beider Sensoren abgeleitet ist.