DE3878683T2

DE3878683T2 - Beschleunigungsmesser mit vorrichtung zur unterdrueckung von gleichtakteingangssignalen.

Info

Publication number: DE3878683T2
Application number: DE8989901226T
Authority: DE
Inventors: J Cornelius; L Norling
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1987-10-22
Filing date: 1988-10-10
Publication date: 1993-06-09
Anticipated expiration: 2008-10-11
Also published as: EP0341306A1; JPH0648277B2; JPH01503414A; DE3878683D1; EP0341306A4; WO1989003998A1; EP0341306B1; US4766768A; IL87989A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Beschleunigungsmesser, insbesondere einen Beschleunigungsmesser, bei dem die Bewegung einer Probemasse durch Kraftaufnehmer begrenzt ist.

Hintergrund der Erfindung

In einem Schwingbalken-Beschleunigungsmesser ist eine Probemasse an einem Halter über ein Biegegelenk oder ähnliches befestigt und ein Schwingbalken-Kraftaufnehmer ist entlang der Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers zwischen die Probemasse und den Halter geschaltet. Eine Beschleunigung in der Empfindlichkeitsachse führt zu einer Druck- oder Zugkraft an dem Kraftaufnehmer. Diese Kraft wird in ein elektrisches Signal gewandelt, das sowohl die Richtung als auch die Größe der Beschleunigung angibt. Eine bekannte Art Schwingbalken-Kraftaufnehmer enthält einen Quarzkristall in Form einer doppelseitigen Stimmgabel. Die doppelseitige Stimmgabel enthält ein Paar nebeneinanderliegende Balken, die zu einer Querschwingung angeregt werden, bei der sich die beiden Balken in ihrer gemeinsamen Ebene 180º phasenverschoben zueinander bewegen. Zug- oder Druckkräfte an dem Kraftaufnehmer führen zu einer entsprechenden Erhöhung oder Verminderung der Schwingfrequenz.
Schwingbalken-Beschleunigungsmesser besitzen eine Anzahl wesentlicher Vorzüge einschließlich exzellenter Stabilität des Skalierungsfaktors. Viele Fehlerquellen in solchen Beschleunigungsmessern können wesentlich reduziert werden durch Verwendung von zwei Probemassen und zwei Aufnehmer-Kristallen, die in Gegentakt-Anordnung betrieben werden, so daß ein Kristall unter Druck gesetzt ist, während der andere unter Zug gesetzt ist. Das Ausgangssignal wird als Funktion des Frequenzunterschiedes aufbereitet. Dieses Meßverfahren scheidet viele Gleichtaktfehler aus, einschließlich des Beitrages der Kraft- Kristall-Nichtlinearität zu dem Entzerrungskoeffizient der Schwingung. Jedoch ist bei der Verwendung zweier Prüfmassen von Nachteil, daß die Gleichheit des dynamischen Ansprechens der beiden Beschleunigungsmesser schwierig zu erreichen ist. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wurde vorgeschlagen, eine einzelne Probemasse in Verbindung init einem Paar Kraftaufnehmer zu verwenden, wobei die Kraftaufnehmer im Gegentaktbetrieb mit der Probemasse verbunden sind, bei dem bei einer gegebenen Beschleunigung ein Kristall unter Druck und der andere unter Zug gesetzt ist. Wie die Lösung mit zwei Probemassen kann diese Anordnung verwendet werden, um verschiedene Gleichtaktfehler auszuschließen.
Eine vorwiegende Quelle von Gleichtaktfehlern bei den meisten Schwingbalken-Beschleunigungsmessern bezieht sich auf fehlangepaßte thermische Ausdehnungskoeffizienten. Kristalliner Quarz hat in der Kristallachsen-Orientierung, die üblicherweise für Kraftaufnehmer verwendet wird, einen relativ nichtlinearen Ausdehnungskoeffizient als Funktion der Temperatur. Es ist extrem schwierig, Metalle zu finden, die geeignete Biegeeigeschaften aufweisen und auch der thermischen Ausdehnung von kristallinein Quarz entsprechen. Selbst wenn bei einer gegebenen Temperatur eine perfekte Übereinstimmung erzielt wird, führen die Nichtlinearitäten der Ausdehnung von kristallinem Quarz zu Fehlanpassungen bei den Extrema der Betriebstemperatur. Ferner ist es üblich, daß der Spannungs-Nullpunkt einer Kristallbefestigung bei einer Temperatur wesentlich oberhalb des Betriebsbereichs des Beschleunigungsmessers liegt. Dies ist typisch für Epoxide, anodisches Verbinden, Hartlöten und Glasschmelzverbindungen. Daher wird ein solcher Beschleunigungsmesser eine Fehlanpassung der thermischen Ausdehnung haben, die zu Gleichtaktspannungen an den Kristallen führt.
Remanente Spannungen an den Kristallen und dem Mechanismus kann zu vielen Problemen führen. Diese Probleme schließen hohe Spannungen an den Verbindungslinien an den Endverbindungsstellen, Spannungen an mechanischen Teilen und Spannungen an den Kristallen ein. Die großen Spannungen an den Verbindungslinien führen zu beschleunigtem Kriechen, größeren Festigkeitsanforderungen und Beschränkungen bei verwendbaren Verbindungstechnologien. Spannungen an mechanischen Teilen führen zu verminderter Schlagfestigkeit, Forminstabilitäten und zusätzlichen Festigkeitsanforderungen. Spannungen an den Kristallen führen zu Forminstabilitäten, verringertem Betriebsbereich, Veränderungen der Kristall-Betriebspunkte, größerer Temperaturempfindlichkeit und Ausgleichsfehlern durch ungleiche Steifigkeit.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der Erfindung, die Gleichtaktbelastung der Kraftaufnehmer zu vermindern, während eine hohe Steifigkeit erhalten bleibt, um Beschleunigungs-Eingangssignale im Differenzbetrieb zu unterstützen.
Die beanspruchte Erfindung sieht einen Beschleunigungsmesser zur Messung der Beschleunigung in einer Empfindlichkeitsachse (SA) vor, enthaltend: einen Halter; eine Probemasse; eine Befestigungseinrichtung zur Befestigung der Probemasse an dem Halter drehbar um eine Gelenkachse (HA) rechtwinklig zur Empfindlichkeitsachse (SA), und zwei Kraftaufnehmer, die parallel zu einer Aufnehmerachse (TA) normal zur Gelenkachse (HA) zwischen die Probemasse und ein von dem Halter mechanisch isoliertes Teil geschaltet und die auf einander gegenüberliegenden Seiten der Gelenkachse (HA) so angeordnet sind, daß eine Drehbewegung der Probemasse um die Gelenkachse einen Kraftaufnehmer unter Zug und den anderen Kraftaufnehmer unter Druck setzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die das Teil von dem Halter mechanisch isoliert, eine Aufhängung umfaßt, die relativ nachgiebig für eine Bewegung des Teiles parallel zur Aufnehmerachse und relativ unnachgiebig gegenüber einer Drehbewegung des Teiles um die Gelenkachse ist.
Das Teil, daß mechanisch von dem Halter isoliert ist und mit dem die Kraftaufnehmer verbunden sind, wird hier als Isolator bezeichnet. Die US-A-46 58 174 offenbart einen mechanischen Isolator in einem Schwingbalken-Kraftaufnehmer, der jedoch eine Isolator-Masse bildet, deren Funktion es ist, die Übertragung von Energie von dem schwingenden Teil eines Resonators auf eine Halterung zu verhindern. Es besteht keine Gleichartigkeit mit der Aufhängung gemäß dieser Erfindung.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers;
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Probemassenbaugruppe für eine Ausführungsform nach Figur 1;
Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines Beschleunigungsmessers in Verbindung mit der Probemassenbaugruppe aus Figur 2;
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf die Probemassenbaugruppe aus Figur 2 und einen der Kraft-Kristalle;
Figuren 5A bis 5C zeigen schematische Darstellungen verschiedener Isolator-Aufhängungssysteme;
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Figuren 8 und 9 zeigen schematische Darstellungen der Beschleunigungsmesser nach den Figuren 2 bis 4.

Detallierte Beschreibung der Erfindung

Eine bevorzugte Ausführungsform eines Beschleunigungsmessers nach der vorliegenden Erfindung ist in schematischer Form in Figur 1 dargestellt. Der Beschleunigungsmesser 10 enthält eine Probemasse 12, die an dem Halter 14 befestigt ist, so daß die Probemasse drehbar um eine Gelenkachse HA ist, die senkrecht zu der Zeichenebene liegt. Der Beschleunigungsmesser enthält ferner einen Isolator 16, der an einem anderen Teil des Halters 14 über eine Isolator-Aufhängung, insgesamt mit dein Bezugszeichen 20 bezeichnet, angebracht ist. Die Isolator-Aufhängung, in Figur 1 durch vier Rollen symbolisiert, ist nachgiebig entlang einer Aufnehmerachse TA, die rechtwinklig zu einer Empfindlichkeitsachse SA und zur Gelenkachse HA liegt, und ist unnachgiebig gegenüber einer Drehbewegung um die Gelenkachse HA.
Die Kraftaufnehmer 22 und 24 verbinden den Isolator 16 und die Probemasse 12. Die Kraftaufnehmer sind parallel zur Aufnehmerachse TA und auf einander gegenüberliegenden Seiten der Gelenkachse HA angeordnet, so daß eine Drehbewegung der Probemasse 12 um die Gelenkachse HA einen Kraftaufnehmer unter Zug und den anderen Kraftaufnehmer unter Druck setzt. Unterschiedliche thermische Ausdehnung oder Zusammenziehung der Kraftaufnehmer 22 und 24 im Verhältnis zu anderen Teilen des Beschleunigungsmessers führen zu einer Bewegung des Isolators 16 entlang der Aufnehmerachse TA, führen jedoch idealerweise nicht zu Zugspannungen an den Kraftaufnehmern und damit nicht zu Fehlern im Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers. Bei einem tatsächlichen System, bei dem die Isolator-Aufhängung einen gewissen Widerstand gegen die Bewegung des Isolators entlang der Aufnehmerachse hat, erzeugen die resultierenden kleinen Kräfte auf die Kraftaufnehmer Gleichtakteingangssignale, die im wesentlichen durch die Gegentaktanordnung der Aufnehmer ausgeschaltet werden.
Eine tatsächliche Ausführungsform entsprechend der schematischen Ausführung aus Figur 1 ist in den Figuren 2 bis 4 dargestellt. Diese Ausführungsform enzhält obere und untere Plattenteile 30 und 32 (Figur 3), zwischen die die Probemassenbaugruppe 34 geschichtet ist. Die Probemassenbaugruppe 34 enthält einen zylindrischen Wafer, auf dem die Probemasse 40 und der Isolator 42 gebildet sind. Kraftaufnehmende Kristalle 80 und 82 sind jeweils an der oberen und unteren Fläche der Probemassenbaugruppe befestigt, wie es im folgenden weiter beschrieben wird. Die Probemasse 40 wird durch Schneiden paralleler Schlitze 44 und 46 durch den Wafer und durch Formen eines Paares fluchtender, halbkreisförmiger Ausschnitte in der unteren und oberen Fläche des Wafers zur Bildung eines eine kreisbogenförmige Krümmung aufweisenden Biegebereiches 50 zwischen der Probemasse 40 und des verbleibenden Teiles der Probemassenbaugruppe, die im folgenden als Halter 52 bezeichnet wird, gebildet. Die Orientierung der Gelenkachse ist so, daß sie rechtwinklig zu den Schlitzen 44 und 46, die die Seiten der Probemasse 40 definieren, liegt.
Der Isolator 42 ist durch Herstellung eines Paares ineinandergreifender C-förmiger Schlitze 54 und 56 gebildet, die in ihrer Ausbildung zu dem Isolator 42 verbunden mit dem Halter 52 über die Balken 60 und 62 führt. Die Größen und Lagen der Schlitze 54 und und 56 sind so eingestellt, daß die Balken 60 und 62 verhältnismäßig kleine Ausmessungen entlang der Aufnehmerachse TA und verhältnismäßig große Ausmessungen entlang der Gelenkachse und der Empfindlichkeitsachse haben. Daraus folgt, daß der Isolator 42 relativ nachgiebig für Translationsbewegungen entlang der Aufnehmerachse und verhältnismäßig unnachgiebig gegenüber anderen Freiheitsgraden, einschließlich der Rotation um die Gelenkachse HA, ist. Die untere und obere Fläche des Tsolators 42 enthält Ausnehmungen 70 und 72, die zur Reduzierung der Masse des Isolators aus den im folgenden beschriebenen Gründen dienen. Wie am besten in Figur 2 zu sehen ist, enthalten die obere Fläche des Isolators 42, des Balkens 62 und des Halters 52 jeweils zurückspringende Bereiche 74, 76 und 78 und die untere Fläche der entsprechenden Elemente ähnliche zurückspringende Bereiche. Diese zurückspringenden Bereiche erlauben die Befestigung der kraftaufnehmenden Kristalle 80 und 82 zwischen dem Isolator 42 und der Probemasse 40.
Die obere Halteplatte 30, die Probemassenbaugruppe 34 und die untere Halteplatte 32 sind durch 4 Schrauben (nicht dargestellt) verbunden, die durch Öffnungen (nicht dargestellt) in der oberen und unteren Platte und durch Öffnungen 86 im Halter 52 geführt sind. Die obere und untere Platte enthält vertiefte Bereiche 88 oberhalb und unterhalb der kraftaufnehmenden Kristalle, um die Kristalle und die Anschlußdrähte, die mit diesen verbunden sind, aufzunehmen. Die Kristalle können auch auf Auflager montiert oder in die Probemassenbaugruppe eingelassen werden, um Skalierung und Eigenfrequenz einzustellen. Die der Probemasse 40 benachbarten Teile der oberen und unteren Platte können so bearbeitet sein, daß diese Flächen leicht abgesetzt von der Probemasse sind, um ausreichende Stoßfreiheit im Bereich 90 zwischen der Probemasse und den benachbarten Flächen der oberen und unteren Platte zu erhalten.
Im Betrieb sind die kraftaufnehmenden Kristalle 80 und 82 mit einem Paar Treiberschaltungen verbunden, die Ausgangssignale mit den jeweiligen Schwingungsfrequenzen der Kristalle liefern. Die Ausgangssignale können dann auf Fachleuten bekannte Weise verarbeitet werden, um eine Messung der Beschleunigung entlang der Empfindlichkeitsachse SA zu erhalten. Die Verarbeitung kann in einer in dem U.S.P. 4,467,651 beschriebenen Weise durchgeführt werden, auf die hier Bezug genommen wird. Die Konstruktion des Isolators, die in den Figuren 2 bis 4 gezeigt wird, liefert eine 10:1 Reduzierung der Gleichtaktlasten auf den Kristallen bei jeder gegebenen Beschleunigung. Dies wird erreicht durch eine Abweichung der Probemassen-Resonanzfrequenz von weniger als 1 %. Bei dieser Ausführungsform, wie auch bei den weiter unten beschriebenen Ausführungsformen, sind die rechtwinkligen Abstände zwischen den kraftaufnehmenden Kristallen und der Gelenkachse vorzugsweise gleich, so daß eine gegebene Beschleunigung gleiche und gegensinnige Kräfte an den kraftaufnehmenden Kristallen ergibt.
Das Isolationssystem des Isolators 42 kann irgendeine Form annehmen, solange dies eine relativ große Nachgiebigkeit für eine Bewegung entlang der Aufnehmerachse TA und eine relativ geringe Nachgiebigkeit gegenüber einer Rotation um die Gelenkachse HA ergibt. Ferner werden vorzugsweise alle Isolator-Resonanzfrequenzen gut oberhalb der maximalen Eingangs-Schwingungsfrequenz von 2000 Hz gehalten. Drei verschiedene Isolator-Aufhängungssysteme sind in den Figuren 5A bis 5C dargestellt. In diesen Figuren werden jeweils gleiche Bezugszeichen 42 und 52 für den Isolator und den Halter verwendet. In Figur 5A wird der Isolator 42 durch ein Paar gegenüberliegende ineinandergesteckte C-förmige Schlitze 100 und 102 gebildet, die ein Paar Balken 104 und 106 bilden. In Figur 5B wird der Isolator 42 gebildet durch ein Paar gegenüberliegender C-förmiger Schlitze 110 und 112 und ein Paar gerader Schlitze 114 und 116 gebildet, die ein Aufhängungssystem mit den Balken 121 bis 124 bilden. Ein Vorzug der Anordnung nach Figur 5B ist, daß dies zu einer ausschließlich linearen Bewegung des Isolators entlang der Aufnehmerachse führt. Ein Nachteil ist, daß dies mehr Schnitte (Schlitze) erfordert, als die Ausführungsformen, die in den Figuren 4 und 5A dargestellt sind. Ein weitere Anordnung des Isolators-Aufhängungssystems ist in Figur 5C dargestellt. Bei dieser Ausführungsform bildet ein einziger Schlitz 130 ein nahezu vollständiges Rechteck und vergrößerte Enden 132 und 134 bilden einen Biegebereich 136.
Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers ist schematisch in Figur 6 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die Probemasse 150 durch geeignete Einrichtungen (nicht dargestellt) an einem Halter befestigt, so daß die Probemasse um die Gelenkachse HA, die senkrecht zu der Zeichenebene in Figur 6 liegt, drehbar ist. Der Isolator 152 ist über eine Isolator-Aufhängungsvorrichtung an der Halterung 154 angebracht, die als ein Paar Biegestellen 156 dargestellt sind, so daß der Isolator 152 relativ nachgiebig ist gegenüber translatorischer Bewegung entlang der Aufnehmerachse TA, die bei dieser Ausführungsform parallel zur Empfindlichkeitsachse SA liegt. Dennoch verhindern die Biegestellen 156 eine Rotation des Isolators 152 um die Gelenkachse HA. Ein Paar kraftaufnehmende Kristalle 160 und 162 erstrecken sich zwischen der Probemasse 150 und dem Isolator 152 parallel zu der Aufnehmerachse TA. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen führt die Beschleunigung entlang der Einpfindlichkeitsachse SA zu einer Drehung der Probemasse 150 um die Gelenkachse HA und setzt dabei einen kraftaufnehmenden Kristal unter Zug und den anderen kraftaufnehmenden Kristall unter Druck. Verschiedene thermische Ausdehnung oder Zusammenziehung der kraftaufnehmenden Kristalle im Verhältnis zu anderen Teilen des Beschleunigungsmessers führen zu translatorischer Bewegung des Isolators 152 entlang der Aufnehmerachse TA. Infolge der hohen Nachgiebigkeit des Isolators entlang der Aufnehmerachse führt verschiedene thermische Ausdehnung zu einer relativ kleinen Gleichtaktkraft auf die Kristalle.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in Figur 7 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Probemasse 170 durch geeignete Mittel an dem Halter 172 angebracht, so daß die Probemasse drehbar um die Gelenkachse HA ist.
Der Isolator 174 ist ebenfalls an dem Halter 172 durch geeignete Mittel angebracht, so daß der Isolator drehbar um eine Drehachse 176 ist, die parallel zu der Gelenkachse HA, jedoch in einer Richtung senkrecht zu der Gelenkachse von dieser beabstandet ist, so daß der Isolator nicht um die Gelenkachse drehbar ist. Die Drehachse 176 läuft vorzugsweise durch den Massenschwerpunkt des Isolators 174, so daß der Isolator nicht zu Drehungen als Antwort auf Beschleunigungen neigt. Kraftaufnehmende Kristalle 176 und 178 erstrecken sich entlang der Aufnehmerachse TA zwischen der Probemasse 170 und dem Isolator 174 auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse HA. Die Aufnehmerachse TA ist rechtwinklig sowohl zu der Gelenkachse, als auch zu der Empfindlichkeitsachse SA. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen führt eine Beschleunigung entlang der Einpfindlichkeitsachse SA zur Drehung der Probemasse 170 um die Gelenkachse HA und setzt dabei einen kraftaufnehmenden Kristall unter Zug und den anderen unter Druck. Andererseits führt verschiedene thermische Ausdehnung der kraftaufnehmenden Kristalle zur Drehung des Isolators 174 um die Drehachse 176 und erzeugt dabei kleine Gleichtaktkräfte an den Kristallen.
Bei den Ausführungsformen, die in den Figuren 2 bis 4 gezeigt sind, führen die Masse des Isolators 42 und die Nichtlinearitäten in den Kristallzungen zu einer leichten Querschbeschleunigungsempfindlichkeit, selbst bei einer Gleichtaktbelastung. Ein Weg zur Reduzierung dieser Fehlerquelle ist, die Masse des Isolators soweit wie möglich zu reduzieren, wie durch die Vertiefungen 70 und 72. Eine weitere Möglichkeit ist, einen Beschleunigungsmesser wie in Figur 6 dargestellt zu verwenden, bei dem die Masse des Isolators 152 eine Gleichtaktbelastung nur bei Beschleunigung entlang der Empfindlichkeitsachse hinzufügt. In diesem Fall wird der Fehler durch den Kalibrierungsprozeß für den Beschleunigungsmesser beseitigt. Eine weitere Möglichkeit ist, einen Beschleunigungsmesser, wie in Figur 7 dargestellt, zu verwenden, bei dem der Isolator 174 in seinem Massenschwerpunkt gelagert ist, so daß dieser durch lineare Beschleunigung nicht beeinflußt wird.
Ein weiterer Fortschritt bezüglich des Problems der Isolatormasse ist schematisch in Figur 8 dargestellt, wobei die Bezugszeichen der Figuren 2 bis 4 zur Bequemlichkeit wiederverwendet werden. MP und MI stellen jeweils die Masse der Probemasse und des Isolators dar. KP stellt die Federkonstante des Biegebereiches 50 für translatorische Bewegung der Probemasse entlang der Aufnehmerachse in Bezug auf die Halterung dar. Ähnlich repräsentiert KI die Federkonstante des Isolator-Aufhängungssystems, ebenfalls bei Bewegung entlang der Aufnehmerachse gegenüber der Halterung. Wird das Verhältnis MP/KP gleich MI/KI gemacht, geht die Querachsenempfindlichkeit gegen Null. Allgemein ist der bevorzugte Weg zur Erzielung dieser Gleichheit MI sehr viel kleiner als MP und KI um denselben Faktor sehr viel kleiner als KP zu machen.
Die Verbindung der beiden Schwingbalken-Kraftaufnehmer mit einer einzelnen Probemasse führt zu einem möglichen Problem des Übersprechens zwischen den Aufnehmern. Daher wird es für manche Konstruktionen vorzuziehen sein, kraftaufnehmende Kristalle zu verwenden, die Mittenfrequenzen aufweisen, die weit genug voneinander entfernt sind, so daß sich die Betriebsfrequenzbereiche der Kristalle nicht überlappen. Die Verwendung von Kristallen, die verschiedene Frequenzen haben, kann bedeuten, daß die Steifigkeit der Kristalle unterschiedlich ist und daß die Kräfte, die durch die Kristalle für eine gegebene Beschleunigung erfaßt werden, voneinander unterschiedlich sind. Diese Unterschiede in der Größe der gemessenen Kräfte führt allgemein zu einer Erhöhung des Schwingungs-Entzerrungskoeffizienten, speziell bei maximaler Probemassen-Auslenkung, die Eingangssignale im Bereich der System-Grundresonanz, d. h. bei der Resonanzfrequenz der Schwingung der Probemasse um die Gelenkachse bei feststehendem Isolator, begleitet.
Eine weitere Bedingung wird zu ungleicher Erfassung von Kräften durch die Kristalle führen, wenn sie mit unterschiedlichen rechtwinkligen Abständen von der Gelenkachse HA befestigt sind. Diese Ungleichheit kann durch Veränderungen bei dem Prozeß, der zur Befestigung der Kristalle auf dem Mechanismus verwendet wird, beruhen und/oder auf Dimensionsänderungen, die dem Mechanismus eigen sind. Diese ungleichen Montageabstände erhöhen ebenfalls den Schwingungs-Entzerrungskoeffizienten.
Der Gebrauch eines Isolators, der sich entlang der Aufnehmerachse bewegen kann, liefert eine Einrichtung zur Reduzierung des Schwingungs-Entzerrungskoeffizienten und diese Reduzierung kann maximiert werden durch die geeignete Auswahl der Isolator-Steifigkeit entlang der Aufnehmerachse. Ein vereinfachtes Modell der Beschleunigungsmesser nach den Figuren 2 bis 4 ist in Figur 9 dargestellt. Das Modell in Figur 9 enthält eine Probemasse 40, die ein Trägheitsmoment IP um die Gelenkachse HA hat, einen Isolator 42, der die Masse MI hat, und ein Isolator- Aufhängungssystem 20, das entlang der Aufnehmerachse TA die Federkonstante KI hat. Der Isolator und die Probemasse sind durch die kraftaufnehmenden Kristalle 80 und 82 verbunden, die jeweils die Federkonstanten K&sub1; und K&sub2; haben und in rechtwinkligen Abständen R&sub1; und R&sub2; von der Mittellinie 180 durch die Gelenkachse HA rechtwinklig zur Aufnehmerachse TA angeordnet sind. Das System, das in Figur 9 dargestellt ist, kann als System mit zwei Freiheitsgraden angesehen werden, dessen Bewegungen aus der Rotation der Probemasse um die Gelankachse und der Translation des Isolators entlang der Aufnehmerachse bestehen. Für die derzeitigen Betrachtungen wird angenommen, daß die positive Drehrichtung der Probemasse im Uhrzeigersinn und die positive Richtung der Isolatorbewegung nach rechts ist.
Allgemein sind die Kräfte F&sub1; und F&sub2;, die durch die entsprechenden kraftaufnehmenden Kristalle aufgenommen werden, gegeben durch
F&sub1; = K&sub1; (θ R&sub1; - Z) (1)
F&sub2; = -K&sub2; (θ R&sub2; + Z) (2)
wobei θ der Drehwinkel der Probemasse um die Gelenkachse, Z die Bewegungsstrecke des Isolators entlang der Aufnehmerachse und wobei angenommen ist, daß eine Zugkraft positiv und eine Druckkraft negativ ist. Idealerweise sind die Kräfte F&sub1; und F&sub2; gleich für jede gegebene Beschleunigung, d. h., für jede gegebene Drehung der Probemasse 40. Dennoch wird allgemein F&sub1; und F&sub2; ungleich sein infolge der Differenzen zwischen K&sub1; und K&sub2; und/oder Differenzen zwischen R&sub1; und R&sub2;. Es wurde herausgefunden, daß für das Modell mit zwei Freiheitsgraden aus Figur 9 die maximale Differenz zwischen den Kräften, die von den Kristallen während resonanter Probemassen-Auslenkungen aufgenommen werden, minimiert werden können durch Justierung der Federkonstante K&sub1;, so daß
Der Wert von KI, der durch die Gleichung (3) bestimmt ist, ist die abgestimmte Bedingung, bei der die Resonanzfrequenz der Isolatormasse und des Isolator-Aufhängungssystems ohne die Kristalle 80 und 82 gleich der Grundsystemresonanz ist, d. h., der Resonanzfrequenz der Probemasse und der kraftaufnehmenden Kristalle, keine Bewegung des Isolators angenommen. Unter der abgestimmten Bedingung wird die Bewegung des Isalators zur Reduzierung der Kraftunterschiede zwischen den Kristallen führen und dadurch den Schwingungs-Entzerrungskoeffizienten verbessern. Das Isolator-Aufhängungssystem ist dazu vorzugsweise so konstruiert, daß KI die Gleichung (3) erfüllt, speziell bei Systemen, in denen Kristalle mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen verwendet werden.

Claims

1. Beschleunigungsmesser zur Messung der Beschleunigung in einer Einpfindlichkeitsachse (SA) enthaltend:

einen Halter (14);

eine Probemasse (12);

eine Befestigungseinrichtung zur Befestigung der Probemasse (12) an dem Halter (14) drehbar um eine Gelenkachse (HA) rechtwinklig zur Empfindlichkeitsachse (SA), und zwei Kraftaufnehmer (22, 24), die parallel zu einer Aufnehmerachse (TA) normal zur Gelenkachse (HA) zwischen die Probemasse (12) und ein von dem Halter (14) mechanisch isoliertes Teil (16) geschaltet und die auf einander gegenüberliegenden Seiten der Gelenkachse (HA) so angeordnet sind, daß eine Drehbewegung der Probemasse (12) um die Gelenkachse (HA) einen Kraftaufnehmer (22) unter Zug und den anderen Kraftaufnehmer (24) unter Druck setzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die das Teil (16) von dem Halter (14) mechanisch isoliert, eine Aufhängung (20) umfasst, die relativ nachgiebig für eine Bewegung des Teiles (16) parallel zur Aufnehmerachse und relativ unnachgiebig gegenüber einer Drehbewegung des Teiles (16) um die Gelenkachse (HA) ist.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, bei dem die Aufnehmerachse (TA) senkrecht zur Empfindlichkeitsachse (SA) liegt.

3. Beschleunigungsrnesser nach Anspruch 2, bei dem die Aufhängung (20) relativ nachgiebig ist für eine Drehung des Teiles (16) um eine Drehachse (136, 176), die parallel zur Gelenkachse (HA) liegt, jedoch in senkrechter Richtung von dieser beabstandet ist.

4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, bei dem die Aufnehmerachse (TA) parallel zur Empfindlichkeitsachse (SA) liegt.

5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, bei dem die Aufhängung (20) einen ersten und einen zweiten Balken (60, 62; 104, 106; 121, 122, 123, 124) enthält, die auf gegenüberliegenden Seiten des Teiles (16) entlang der Aufnehmerachse (TA) sich parallel zur Gelenkachse (HA) erstreckend angeordnet, jeweils mit dem Halter (14) und dem Teil (16) verbunden und jeweils relativ nachgiebig für Biegung entlang der Aufnehmerachse (TA) und relativ unnachgiebig gegenüber Biegung entlang der Empfindlichkeitsachse (SA) sind.

6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, bei dem die Befestigungseinrichtung (20) einen eine kreisbogenförmige Krümmung aufweisenden Biegebereich umfaßt.

7. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der rechtwinklige Abstand (R&sub1;) zwischen jedem Kraftaufnehmer (80) und der Gelenkachse (HA) gleich dem rechtwinkligen Abstand (R&sub2;) zwischen dem anderen Kraftaufnehmer (82) und der Gelenkachse (HA) ist.

8. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Masse (MP) der Probemasse (12) geteilt durch die Nachgiebigkeit (KP) der Befestigungseinrichtung entlang der Aufnehmerachse (TA) gleich der Masse (MI) des Teiles (16) geteilt durch die Nachgiebigkeit (KI) der Aufhängung (20) entlang der Aufnehmerachse (TA) ist.

9. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Federkonstante der Aufhängung (20) zur Bewegung des Teiles (16) entlang der Aufnehmerachse (TA) so gewählt ist, daß die Resonanzfrequenz der Schwingung des Teiles (16) entlang der Aufnehmerachse (TA) unabhängig von den Kraftaufnehmern und der Probemasse im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Schwingung der Probemasse bei festgehaltenem Teil (16) um die Gelenkachse (HA) ist.

10. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halter (14), die Probemasse (12), der Befestigungseinrichtung für die Probemasse, das Teil (16) und die Aufhängung (20) zusammen eine Probemassenbaugruppe (34) bilden, die zwischen mit dem Halter (14) verbundene obere und untere Plattenteile (30, 32) eingelegt ist.