DE3917611C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Beschleunigungsaufnehmers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Die Erfindung betrifft ferner einen Beschleunigungsaufnehmer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 angegebenen Art.

Bekannt sind Beschleunigungsaufnehmer, bei denen die auf einen Trägheitskörper einwirkende Beschleunigungs­ kraft beobachtet und gemessen wird (DE 36 31 651 A1 und DE-OS 21 50 052). 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 sta­ tischer Beschleunigungen reicht dieses Prinzip in der Regel nicht aus. In der Navigationstechnik, insbeson­ dere 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 Beschleuni­ gungsaufnehmers nur begrenzte Zeit gültig sind, weil die einzelnen Komponenten der Meßkette eine Drift auf­ weisen. 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 Beschleu­ nigung angibt, bekannt ist. Unbekannt ist aber der Ur­ sprung des betreffenden Koordinatensystems. Für eine Eichung des Beschleunigungsaufnehmers wäre es zweck­ mäßig, den Absolutwert der Beschleunigung eines Werte­ paares aus gemessener Beschleunigung und Anzeige zu kennen. Die Kenntnis des Absolutwertes setzt aber einen zweiten Beschleunigungsaufnehmer voraus, der geeicht ist.

In der DE 38 34 531 A1 ist ein Beschleunigungsaufnehmer be­ schrieben, der dadurch geeicht wird, daß die Masse des Trägheitskörpers durch Anlagerung oder Aufnahme eines Fremdstoffes kontrolliert verändert wird. Mit einem ersten Massewert des Trägheitskörpers wird eine erste Messung und mit einem zweiten Massewert eine zweite Messung durchgeführt. Die Differenz zwischen den Masse­ werten entspricht einer Differenz zwischen den Aus­ lenkungen des Trägheitskörpers. Auf diese Weise kann mit zwei Messungen der Absolutwert der Beschleunigung ermittelt werden. Die Eichung des Beschleunigungsauf­ nehmers erfolgt durch Messung der Auslenkung bei zwei unterschiedlichen Massen. Die Veränderung der Masse des Trägheitskörpers erfordert einen relativ hohen Aufwand oder ganz bestimmte Materialien, die imstande sind, Fremdstoffe anzulagern oder aufzunehmen.

Aus der US 36 91 850 ist ein Beschleunigungsaufnehmer für sehr geringe Beschleunigungen (sehr viel kleiner als 1 g) bekannt. Für die Kalibrierung wird der Trägheits­ körper unter 1-g-Bedingungen einem Medium höherer Dichte ausgesetzt, um einen Auftrieb zu erzeugen, durch den die auf den Trägheitskörper wirkenden großen Kräfte teilweise kompensiert werden. Nachdem eine solche Kraft­ kompensation erfolgt ist, können auf der Basis der un­ kompensierten Restkräfte konventionelle Kalibrierproze­ duren angewandt werden, wobei der Sensor beispielsweise um einen bestimmten Winkel gekippt wird, um eine wähl­ bare Komponente der Erdanziehung auszunutzen. Die Dichte des den Trägheitskörper umgebenden Mediums wird so gewählt, daß ein neutraler Schwebezustand nicht ein­ tritt und eine Rest-Erdanziehung vorhanden ist. Damit ist es jedoch nicht möglich, bei bekannter Kraftkon­ stante den Ursprung des Koordinatensystems des Be­ schleunigungsaufnehmers zu ermitteln. Nach Schaffung eines gewünschten geringen "Gewichts" des Prüfkörpers werden konventionelle Kalibrierungsprozeduren bei Schrägstellung des Beschleunigungsaufnehmers ausge­ führt.

Die US 35 70 315 beschreibt eine Flotationstechnik für die Kalibrierung von Beschleunigungsaufnehmern für sehr kleine Beschleunigungen. Hierbei wird ebenfalls eine dem Erdfeld ausgesetzte Prüfmasse in einem Medium hoher Dichte einem Auftrieb ausgesetzt, wodurch die Umgebungs­ dichte der Dichte der Prüfmasse angeglichen und das Gewicht der Prüfmasse aufgehoben werden kann. In diesem gewichtskompensierten Zustand können dann selbst kleinste Beschleunigungen mit hoher Genauigkeit festge­ stellt werden, jedoch ist eine Messung der Beschleuni­ gungen nicht ohne weiteres möglich, weil eine Kali­ brierung der Meßwerte nicht erfolgt.

Aus der DE 35 15 799 A1, der DE 35 90 290 T1 und dem Zeitschriftenaufsatz im "Archiv für technisches Messen" (Blatt J 163-5, 147-152, August 1972) sind Beschleunigungsmeßvorrichtungen bekannt, bei denen ein auf die Auslenkung der Prüfmasse ansprechen­ der Detektor ein der Auslenkung entsprechendes Signal erzeugt. Die Kopplung zwischen der Prüfmasse und dem Detektor erfolgt dabei magnetisch oder kapazitiv, wobei der Detektor eine Reaktionskraft auf die Prüfmasse aus­ übt. Durch die Rückwirkung des Detektors auf die Prüf­ masse wird das Meßergebnis verfälscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kali­ brierverfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, das mit einfachen Mitteln eine sehr genaue Kalibrierung am Einsatzort des Be­ schleunigungsaufnehmers ermöglicht. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungsaufnehmer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 angegebenen Art zu schaffen, welcher mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 kalibriert werden kann und der eine sehr genaue Messung der Beschleunigung am Einsatzort ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren und einer Vorrichtung mit den in den Patentansprüchen 1 und 2 an­ gegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmer wird nicht die Masse des Trägheitskörpers verändert, sondern nur die Dichte des den Trägheitskörper umgebenden Mediums. Damit ändert sich der Auftrieb, den der Trägheitskörper bei einer bestimmten Beschleunigung hervorruft. Diese Auftriebskraft ist abhängig von dem vom Trägheitskörper verdrängten Volumen des Mediums und von dessen Dichte. Je größer die Beschleunigung ist, umso größer ist die Auftriebsdifferenz zwischen den beiden Zuständen mit unterschiedlichen Mediendichten. Die Beschleunigung b kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach der Be­ ziehung

b = -k · Δx/V · Δρ

bestimmt werden, wobei k die Kraftkonstante des ela­ stischen Systems, Δx die Differenz zwischen den Aus­ lenkungen des Trägheitskörpers bei den beiden Mes­ sungen, V das Volumen des Trägheitskörpers und Δρ die Differenz der Mediendichten bei den beiden Messungen ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Beschleuni­ gungsaufnehmer durch Messung der Auslenkung x bei der­ selben herrschenden Beschleunigung und bei unterschied­ lichen Mediendichten zu kalibrieren, um bei bekannter Kraft­ konstante k des elastischen Systems den Ursprung des Koordinatensystems zu ermitteln, durch den die Gerade hindurchgeht, die die Abhängigkeit zwischen b und x kennzeichnet.

Die Auslenkung x des Trägheitskörpers kann auf ver­ schiedene Weise bestimmt werden, z. B. optisch oder kapazitiv. Ein Beschleunigungsaufnehmer, der für eine besonders exakte Ermittlung der Auslenkung geeignet ist, ist im Anspruch 2 angegeben.

Die Änderung der Dichte des den Trägheitskörper um­ gebenden Mediums kann dadurch erfolgen, daß der Medien­ druck in der den Trägheitskörper umgebenden Kammer ver­ ändert wird oder dadurch, daß unterschiedliche Medien, z. B. Gase, in diese Kammer eingeleitet werden. Die Dichteänderung erfolgt mit Zeitkonstanten im Bereich von Sekunden, so daß der Beschleunigungsaufnehmer be­ sonders geeignet ist zur Bestimmung von niederfrequen­ ten oder statischen Beschleunigungen.

Der Beschleunigungsaufnehmer kann zur Messung von Be­ schleunigungen auf der Erde benutzt werden, wo generell die Erdbeschleunigung g herrscht, oder auch zur Messung von Beschleunigungen im schwerelosen Raum, z. B. im Weltraum. In jedem Fall ist eine hochgenaue Kalibrierung möglich, so daß der Absolutwert der Beschleunigung mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des mechanischen Aufbaus des Beschleunigungsaufnehmers,

Fig. 2 das Regelschaltbild des Sensors, und

Fig. 3 eine Ausführungsform des Beschleunigungsaufnehners mit zwei zu beiden Seiten des Trägheitskörpers angeordneten Sensoren zur Kompensation solcher Änderungen des Tunnel­ stroms, die durch die Dichteänderungen verur­ sacht werden.

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 und einer den Körper 13 umgebenden Beschichtung 14 zur Erzeugung der erforder­ lichen 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 Elastizi­ tätskonstante können in dem Bereich zwischen der Ein­ spannung an der Basis 10 und der Masse 12 Ausbrüche 15 in der Platte des elastischen Organs 11 vorgesehen 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 Biegeschwinger, d. h. es biegt sich derart, daß der Trägheitskörper 12 entweder in Richtung auf die Spitze 19 oder von dieser fort bewegt wird. Der Beschleuni­ gungsaufnehmer hat eine große Richtungsselektivität. Zur Bestimmung der Beschleunigungen in den beiden ande­ ren Raumrichtungen können jeweils gleichartige Be­ schleunigungsaufnehmer vorgesehen sein, bei denen das elastische Organ rechtwinklig zu dem elastischen Organ 11 angeordnet sind.

Der gesamte Beschleunigungsaufnehmer ist in einem druckdichten Gehäuse 23 angeordnet, in das ein Rohr 24 einmündet, welches an eine Gasquelle 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 Ausgangslei­ tungen 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 anliegen­ den Hochspannung. Der Regler 27 variiert die Länge der Bewegungsvorrichtung 18 in der Weise, daß der Tunnel­ strom zwischen der Spitze 19 und dem Trägheitskörper 12 konstant bleibt. Dadurch bleibt auch der Abstand zwi­ schen der Spitze 19 und dem Trägheitskörper konstant, d. h. die Spitze 19 folgt der Bewegung des Trägheitskör­ pers 12 mit konstantem Abstand. Das Ausgangssignal 29 des Reglers 27 bildet das Meßsignal, das der Auslenkung des Trägheitskörpers 12 aus seiner Ruhestellung propor­ tional ist.

Zum Kalibrieren 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 eine geringe Gasdichte herrscht. Hierzu wird der Gasdruck im Gehäuse 23 verringert. Danach wird über den Anschluß 24 der Gasdruck und damit die Gasdichte im Gehäuse 23 erhöht, bis sich eine bestimmte Gasdichte eingestellt hat. Dann wird eine zweite Messung bei der­ selben herrschenden Beschleunigung durchgeführt. In­ folge des erhöhten Auftriebs des Trägheitskörpers 12 ist bei der zweiten Messung die Auslenkung des Träg­ heitskörpers aus seiner Ruhelage geringer als bei der ersten Messung. Das Signal an Ausgangsleitung 29 ist daher ebenfalls verringert. Durch die beiden Messungen mit unterschiedlichem Auftrieb, der der Beschleuni­ gungskraft entgegengerichtet ist, und die dabei erziel­ ten unterschiedlichen Signale an Ausgangsleitung 29 wird die Proportionalität zwischen Ausgangssignal und Masse ermittelt und somit die Proportionalität zwischen Ausgangssignal und absoluter Beschleunigung errechnet. Auf diese Weise ist der Beschleunigungsaufnehmer kalibriert worden.

Im Anschluß an die Kalibrierung können über längere Zeit Beschleunigungsmessungen durchgeführt werden, wobei entweder die geringere Gasdichte oder die höhere Gas­ dichte benutzt wird. Dadurch, daß das Gas aus dem Ge­ häuse 23 entladen werden kann, besteht die Möglichkeit, beliebig häufig Kalibrierzyklen 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 die 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. 18a, während sich die gegenüberliegende Bewegungsvorrichtung ausdehnt. Die Variante von Fig. 3 ist zweckmäßig in den Fällen, in denen allein durch den veränderten Gasdruck der Tunnel­ strom zwischen der Spitze 19 und dem Trägheitskörper 12 verändert wird, oder in dem Fall, daß Kontaminationen an der Oberfläche des Trägheitskörpers 12 diesen Tun­ nelstrom verändern. Die beiden Regler 27 und 27a sind untereinander derart verbunden, daß ihre Ausgangssig­ nale subtrahiert werden. Normalerweise sind die Aus­ gangssignale der Regler 27 und 27a im Betrag einander gleich und im vorzeichen verschieden, so daß eine Sub­ traktion dieser Ausgangssignale 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 Meßsignal 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 Trägheitskör­ per 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 Rückstellvorrich­ tung.

Claims (3)

1. Verfahren zur Kalibrierung eines Beschleunigungs­ aufnehmers, der einen an einem elastischen Organ (11) befestigten, in seiner Masse unveränderlichen Trägheitskörper (12) und einen Sensor zur Ermitt­ lung der Position des Trägheitskörpers aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des den Trägheitskörper (12) um­ gebenden Mediums verändert wird, daß bei gleicher Beschleunigung die Auslenkungen des Trägheits­ körpers (12) bei verschiedenen Dichten gemessen werden, und daß aus der Abhängigkeit der Aus­ lenkung von der Dichte bei bekannter Kraftkonstan­ te des aus Trägheitskörper (12) und elastischem Organ (11) bestehenden elastischen Auslenkungs­ systems die absolute Beschleunigung ermittelt wird.

2. Beschleunigungsaufnehmer, kalibrierbar mit dem Verfahren nach Anspruch 1, mit einem an einem ela­ stischen Organ (11) befestigten, in seiner Masse unveränderlichen Trägheitskörper (12) und einem Sensor zur Ermittlung der Position des Trägheits­ körpers (12), dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitskörper (12) mit dem elastischen Organ (11) und dem Sensor in einem druckdichten Gehäuse (23) untergebracht ist, 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 Rich­ tung 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) kon­ stant ist.

3. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite des Trägheits­ körpers (12) ein Sensor angeordnet ist und daß das Meßsignal von der Differenz der Ausgangssignale beider Sensoren abgeleitet ist.