DE4338779A1 - Schwingungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsmesser, und speziel­ ler ist sie für einen Schwingungsmesser geeignet, der von Hand auf die zu messende schwingende Oberfläche gesetzt wird und mit dem die Schwingungsstärke z. B. aus Sicherheitsgrün­ den und zur Ausfallüberprüfung bei einer Betriebsanlage ge­ messen wird. Ein erfindungsgemäßer Schwingungsmesser ist auch für Beschleunigungsmesser geeignet, zu denen Beschleu­ nigungsmesser im engeren Sinn, Geschwindigkeitsmesser und Verschiebungsmesser gehören. Daher wird im folgenden haupt­ sächlich ein Beschleunigungsmesser (Schwingungsmesser) be­ schrieben.

Bisher werden Schwingungsmesser abhängig von der Meßrichtung in uniaxiale Schwingungsmesser mit einer Meßachse sowie Dreiachsen-Schwingungsmesser mit Meßachsen in drei Richtun­ gen usw. eingeteilt.

Daneben werden Schwingungsmesser abhängig von der Verwen­ dungsart in feststehende Schwingungsmesser, die an die schwingende Fläche eines Gegenstandes angeschraubt oder an­ geklebt werden, und in mit der Hand gehaltene Schwingungs­ messer unterteilt, die von der Bedienperson auf die schwin­ gende Fläche des zu messenden Gegenstands gehalten werden.

Bei diesen Schwingungsmessern ist die Meßfläche, für die der Schwingungsmesser verwendet werden kann, meistens auf Grund­ lage der Federkonstante (nachfolgend als "Kontaktfederkon­ stante" bezeichnet) und der Masse eines Schwingungssensors festgelegt, wobei die Kontaktfederkonstante zwischen der Kontaktfläche (oder dem von Hand gehaltenen Bereich) des Schwingungsmessers, die zur zu messenden schwingenden Fläche hinzeigt, und der Schwingungsmeßfläche besteht.

Der Zusammenhang (nachfolgend als "Frequenzcharakteristik" bezeichnet, wie er auch für die Erfindung gilt) zwischen der Schwingung der gemessenen Oberfläche und der Empfindlichkeit des Schwingungssensors ist speziell im Diagramm von Fig. 1 dargestellt, wobei die Empfindlichkeit entlang der Ordinate und die Frequenz der schwingenden Fläche entlang der Abszis­ se aufgetragen ist. Beim Messen von Schwingungen wird in allgemeinen der Frequenzbereich Fie, der von der Kontakt­ federkonstante und der Masse des Schwingungssensors abhängt und ungefähr kleiner als 1/3 der Resonanzfrequenz f1 (nach­ folgend als "Kontaktresonanzfrequenz" bezeichnet) zwischen dem Schwingungsmesser und der Fläche, deren Schwingung gemessen wird, ist, allgemein als Meßdatenwert verwendet.

Wenn Schwingungssensoren 1 und 2, wie sie in den Fig. 2A und 2B dargestellt sind, hinsichtlich ihrer jeweiligen Masse, ihrer Empfindlichkeit und der Kontaktfläche gleich gemacht werden, wird dann, wenn die Frequenzcharakteristik für den Fall, daß die Schwingungsrichtung parallel zur Fläche 3 der gemessenen Schwingung ist, wie durch den Pfeil "a" in Fig. 2A veranschaulicht, und die Meßachse K1 des auf die Fläche 3 gesetzten Schwingungssensors 1 parallel zur Fläche 3 ist, mit der Frequenzcharakteristik für den Fall, daß die Schwin­ gungsrichtung rechtwinklig zur Fläche 3, deren Schwingung gemessen wird, wie durch den Pfeil "b" in Fig. 2B veran­ schaulicht steht, und die Meßachse K2 des auf die Fläche 3 aufgesetzten Schwingungssensors 2 rechtwinklig zur Fläche 3 ist, wie in Fig. 3 dargestellt, verglichen wird, die Kon­ taktresonanzfrequenz fa im Fall von Fig. 2A kleiner als die Kontaktresonanzfrequenz fb im Fall von Fig. 2B.

Da sich, wie vorstehend beschrieben, die Kontaktfederkon­ stante zwischen dem Schwingungssensor 1 und der Fläche 3, deren Schwingung gemessen wird, und die Kontaktfederkonstan­ te zwischen dem Schwingungssensor 2 und der Fläche 3 abhän­ gig von den Schwingungsrichtungen voneinander unterscheiden, tritt ein Unterschied zwischen den Kontaktresonanzfrequenzen fa und fb abhängig von der Richtung der Fläche 3, deren Schwingung gemessen wird, und der Richtung der Meßachse K1 oder K2 des auf die Fläche 3 aufgesetzten Schwingungssensors 1 oder 2 auf. Bei einem Schwingungssensor ist die Kontakt federkonstante für den Fall, daß die Meßachse rechtwinklig zur Fläche 3 steht und die Schwingungsrichtung des Gegen­ standes, dessen Schwingung gemessen wird, rechtwinklig zur Fläche 3 ist, im allgemeinen größer als die Kontaktfeder­ konstante für den Fall, daß die Meßachse parallel zur Fläche 3 steht und die Schwingungsrichtung des Gegenstandes, dessen Schwingung gemessen wird, parallel zur Fläche 3 ist.

Ferner wird ein Schwingungsmesser vom feststehenden Typ an einer Fläche des Gegenstandes angebracht, dessen Schwin­ gung zu messen ist. Demgegenüber wird ein handgehaltener Schwingungsmesser am Ende der Sonde kugelförmig mit 3 bis 10 mm so ausgebildet, daß Kontakt mit der Fläche, deren Schwingung zu messen ist, nahezu ein punktförmiger Kontakt ist, und es wird in diesem Fall im allgemeinen eine Kraft in der Größenordnung von 10 bis 20 N gemessen. Daher besteht beim handgehaltenen Schwingungsmesser das Problem, daß die Kontaktfederkonstante niedrig ist, da die mit der Fläche, deren Schwingung zu messen ist, in Berührung stehende Fläche kleiner als beim feststehenden Typ ist, so daß die Kontakt­ resonanzfrequenz klein ist.

Jedoch kann ein handgehaltener Schwingungsmesser die Stärke einer Schwingung leicht dadurch messen, daß der Schwingungs­ messer lediglich von Hand an die Fläche gesetzt wird, deren Schwingung zu messen ist. Wenn z. B. viele Punkte kontinu­ ierlich zu messen sind, kann der handgehaltene Schwingungs­ messer einfacher bedient werden als der feststehende Typ, und es kann die Messung wirkungsvoller ausgeführt werden. Daher ist der handgehaltene Schwingungsmesser für den Fall geeignet, daß die Schwingung einer Betriebsanlage aus Si­ cherheitsgründen und zur Fehlerüberprüfung gemessen wird.

Bisher werden bei solchen Messungen die Stärke der Schwin­ gung in der Richtung rechtwinklig zur Fläche des Gegenstan­ des (nachfolgend als "Z-Achse-Richtung" bezeichnet) und die Stärke der Schwingung in zwei Richtungen parallel zu dieser Fläche, die rechtwinklig zueinander stehen (nachfolgend werden diese als "X Achse-Richtung " bzw. "Y-Achse-Richtung" bezeichnet) gemessen, und dann wird der Schwingungszustand des Gegenstandes dreidimensional auf Grundlage der Meßergeb­ nisse ausgewertet.

Was das Erfassungsverfahren in diesem Fall betrifft, exi­ stiert im allgemeinen ein Verfahren, bei dem drei uniaxiale Schwingungsmesser an einem Punkt an der Fläche befestigt oder an diesen von Hand gehalten werden, die rechtwinklig zur X-Achse-Richtung steht, einem Punkt auf der Fläche, die rechtwinklig zur Y-Achse-Richtung und zur X-Achse-Richtung steht.

Jedoch ist bei diesem Erfassungsverfahren der Erfassungswir­ kungsgrad gering, und darüber hinaus stimmen die Punkte, deren Schwingungen in den Richtungen der jeweiligen Achsen gemessen werden, nicht überein, so daß dies, genau gesagt, nicht die Schwingungsmessung für einen gewünschen Punkt ist. Daher besteht insgesamt das Problem, daß- das Meßergebnis hinsichtlich der gemessenen Schwingung eines Gegenstandes nicht genau ist.

Als Einrichtung zum Überwinden dieser Schwierigkeit wurde bisher ein feststehender, dreidimensionaler Schwingungsmes­ ser 10 mit dem in Fig. 4 dargestellten Aufbau vorgeschlagen.

Der dreidimensionale Schwingungsmesser 10 gemäß Fig. 4 be­ steht aus Schwingungssensoren 12A, 12B und 12C. Diese Schwingungssensoren sind an Seitenflächen 11A, 11B und 11C vorhanden, die am Montageblock 11 des quaderförmigen Schwin­ gungssensors aneinandergrenzen, so daß die jeweiligen Meß­ achsen K10, K11 und K12 rechtwinklig zu den Seitenflächen 11A, 11B und 11C stehen. Die der Fläche 11A, an der der Schwingungssensor 12A zum Messen der Schwingung in der Z- Achse-Richtung angeordnet ist, gegenüberstehende Seitenflä­ che 11D ist an der Fläche des (nicht dargestellten) Gegen­ stands, dessen Schwingung zu messen ist, mit einem Kleber oder mit Schrauben befestigt, so daß die Schwingungen in drei Achsenrichtungen, die die Richtungen der X-, Y- und Z- Achse sind, gleichzeitig in einem Punkt erfaßt werden kön­ nen.

Wenn jedoch bei diesem Typ von Schwingungsmesser 10 derselbe an der Fläche, deren Schwingung zu messen ist, mit Schrauben usw. angebracht wird, ist die Kontaktresonanzfrequenz hoch, da die Kontaktfederkonstante in bezug auf die Schwingung in der Richtung (Z-Achse-Richtung), die rechtwinklig zur Flä­ che, deren Schwingung gemessen wird, steht, groß ist. Daher vergrößert sich der Frequenzbereich in der Z-Achse-Richtung, der durch den Schwingungssensor 12A gemessen werden kann. Demgegenüber verengen sich die Frequenzbereiche in der X- Achse- und der Y-Achse-Richtung, die von den Schwingungssen­ soren 12B und 12C gemessen werden können, da die Kontaktfe­ derkonstante für die Schwingung in den Richtungen (X- und Y- Achse-Richtung), die parallel zur Fläche stehen, deren Schwingung gemessen wird, klein ist, die Kontaktresonanzfre­ quenz entsprechend dem Verhältnis zur Kontaktfederkonstante in der Z-Achse-Richtung klein. Daher werden die Frequenz­ bereiche in der X- und der Y-Achse-Richtung, die von den Schwingungssensoren 12B und 12C gemessen werden können, klein. Demgemäß besteht bei dieser Art von Schwingungsmesser 10 die Schwierigkeit, daß die Frequenzbereiche in der X- und der Y-Achse-Richtung, wie sie als Meßergebnis erhalten wer­ den, nur etwa 1/5 des Frequenzbereichs in der Z-Achse-Rich­ tung sind.

Darüber hinaus werden, wenn der herkömmliche feststehende Typ eines dreiachsigen Schwingungsmessers 10 von Hand an den Gegenstand gehalten wird, dessen Schwingung zu messen ist, die meßbaren Frequenzbereiche in X- und Y-Achse-Richtung weiter im Vergleich zu dem Fall verengt, daß der Schwin­ gungsmesser 10 durch Schrauben usw. an der Fläche befestigt wird, deren Schwingung zu messen ist.

Ferner kann man an einen (nicht dargestellten) Schwingungs­ messer denken, bei dem eine Sonde auf den herkömmlichen dreiachsigen Schwingungsmesser 10 aufgesetzt wird und die Schwingung dadurch gemessen wird, daß das Ende der Sonde dieses Schwingungsmessers von der Bedienperson von Hand auf den Gegenstand gesetzt wird, dessen Schwingung zu messen ist. Jedoch ist das Ende der Sonde mit einer Kugelfläche ausgebildet, und der Kontakt zur Fläche, deren Schwingung zu messen ist, ist in diesem Zustand beinahe ein Punktkontakt, so daß im Vergleich zum Fall, daß der in Fig. 4 dargestellte dreiachsige Schwingungsmesser 10 von Hand gehalten wird, die Kontaktfederkonstanten in X- und Y-Achse-Richtung einen kleinen Wert einnehmen. Daher wird keine flache Frequenz­ charakteristik bis zu einem Frequenzbereich von mehr als 2 kHz erhalten, der für Fehlerüberprüfungen erforderlich ist, so daß kein von Hand gehaltener dreiachsiger Schwin­ gungsmesser für die praktische Verwendung realisiert werden konnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungs­ messer anzugeben, der die Stärke der Schwingungen in drei zueinander rechtwinkligen Richtungen gleichzeitig an einem Punkt mit Kontaktresonanzfrequenzen in einem breiten Fre­ quenzbereich messen kann.

Die vorstehende Aufgabe sowie weitere Aufgaben der Erfindung werden durch einen Schwingungsmesser gelöst, der von Hand an die Fläche eines Gegenstands gehalten wird, dessen Schwin­ gung zu messen ist, und der folgendes aufweist: Meßachsen K30 bis K32 sowie K33 bis K36 in jeder Richtung; mehrere Schwingungssensoren 32A bis 32C, 32D bis 32G zum Erfassen der Stärke der Schwingung in einer jeweiligen Meßachsen­ richtung K30 bis K32, K33 bis K36 und zum Ausgeben dessel­ ben in Form von Meßsignalen S1 bis S3, S10 bis S13; einen speziellen festen Körper; eine Einrichtung zum Halten von Schwingungssensoren 31 und 51 zum Befestigen und Halten meh­ rerer Schwingungssensoren 32A bis 32C sowie 32D bis 32G so, daß die jeweiligen speziellen Mittelachsen M₂ geschnitten werden, die unter demselben Winkel R₂ liegen, und daß die Meßachsen K30 bis K32, K33 bis K36 die Mittelachse M₂ in einem Punkt U₂ auf der Fläche der von Hand gehaltenen Berei­ che 31A und 51A schneiden, die von Hand an eine Fläche des Gegenstandes gehalten werden, dessen Schwingung zu messen ist; und eine jeweilige Berechnungseinrichtung 41A bis 41C und 41D bis 41F zum jeweiligen Berechnen der Schwingungs­ stärke in zwei oder drei Achsenrichtungen, die einander rechtwinklig kreuzen, auf Grundlage der Meßsignale S1 bis S3 und S10 bis S13.

Mehrere Schwingungssensoren 32A bis 32C sowie 32D bis 32G sind so befestigt und werden so gehalten, daß sie die jewei­ lige spezielle Mittelachse M₂ unter demselben Winkel R₂ zentriert schneiden, und daß die Meßachsen K30 bis K32 sowie K33 bis K36 die Mittelachse M₂ in einem Punkt U₂ an der Oberfläche der Bereiche 31A und 51A schneiden, die von Hand an die Fläche des Gegenstandes gehalten werden, dessen Schwingung zu messen ist. Gleichzeitig wird die Schwingungs­ stärke in zwei oder drei Achsenrichtungen, die einander rechtwinklig an der Position des Gegenstandes, dessen Schwingung zu messen ist, kreuzen, jeweils auf Grundlage der Meßsignale S1 bis S3 sowie S10 bis S13 berechnet. Daher können die jeweiligen Schwingungssensoren 32A bis 32C sowie 32D bis 32G die Schwingung messen, die Schwingungskomponen­ ten in zwei oder drei Achsenrichtungen enthält, und zwar bis zu einer hohen Kontaktresonanzfrequenz mit hoher Kontaktfe­ derkonstante. So wird die Schwingungsstärke in zwei oder drei rechtwinklig zueinander stehenden Achsen an der Posi­ tion gemessen, deren Schwingung zu erfassen ist, und dabei wird ein Schwingungsmesser geschaffen, der es ermöglicht, die Kontaktresonanzfrequenz f1 bis in einen Bereich hoher Frequenz zu erweitern.

Erfindungsgemäß sind bei einem erfindungsgemäßen Schwin­ gungsmesser, der von Hand an die Fläche eines Gegenstands, dessen Schwingung zu messen ist, gehalten wird, mehrere Schwingungssensoren unter demselben Winkel angebracht, wobei die speziellen Mittelachsen zentriert sind, und sie sind so befestigt, daß jede Meßachse die Mittelachse an einem Punkt an der Oberfläche des von Hand gehaltenen Teils schneidet, und gleichzeitig wird die Schwingungsstärke für zwei oder drei Achsenrichtungen am Meßpunkt für den Gegenstand, dessen Schwingung zu messen ist, auf Grundlage des Ausgangssignals aus jedem Schwingungssensor gemessen, so daß jeder Schwin­ gungssensor die Schwingungsstärke der Schwingungselemente in zwei oder drei Achsenrichtungen mit hoher Kontaktfederkon­ stante messen kann. Daher können die Schwingungsstärken in zwei oder drei rechtwinklig zueinander stehenden Achsenrich­ tungen an der Schwingungsmeßposition gleichzeitig an einem Punkt gemessen werden, und es ergibt sich ein Schwingungs­ messer mit einer Kontaktresonanzfrequenz bis in einen Be­ reich hoher Frequenz.

Das Wesen, das Prinzip und die Nutzbarkeit der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor, in denen gleiche Teile durch gleiche Bezugsziffern oder -zeichen gekennzeichnet sind.

Fig. 1 ist ein Charakteristikdiagramm zum Erläutern der Be­ ziehung zwischen der Empfindlichkeit eines Beschleunigungs­ sensors und einer Schwingungsfrequenz;

Fig. 2A, 2B und 3 sind schematische Darstellungen zum Er­ läutern des Unterschieds zwischen Kontaktresonanzfrequenzen abhängig von der Schwingungsrichtung und der Richtung der Meßachse eines Schwingungssensors;

Fig. 4 ist eine schematische, perspektivische Darstellung, die einen herkömmlichen Dreiachsen-Schwingungsmesser vom feststehenden Typ zeigt;

Fig. 5A, 5B und 6 sind schematische Darstellungen zum Erläu­ tern des Funktionsprinzips der Erfindung;

Fig. 7 ist eine Seitenansicht, die ein erstes Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen Dreiachsen-Beschleunigungs­ messers zeigt;

Fig. 8 ist eine Draufsicht auf den Dreiachsen-Beschleuni­ gungsmesser von Fig. 7;

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das die Signalverarbeitungs­ schaltung des Dreiachsen-Beschleunigungsmessers von Fig. 7 zeigt;

Fig. 10 ist ein Charakteristikdiagramm, das die Kontaktreso­ nanzfrequenz für eine rechtwinklige und eine parallele Rich­ tung eines erfindungsgemäßen Dreiachsen-Beschleunigungsmes­ sers zeigt;

Fig. 11 ist ein Charakteristikdiagramm, das die Richtungs­ abhängigkeit für die parallele Richtung eines erfindungsge­ mäßen Dreiachsen-Beschleunigungsmessers zeigt;

Fig. 12 ist eine Seitenansicht, die ein zweites Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen Dreiachsen-Beschleunigungs­ messers zeigt;

Fig. 13 ist eine Draufsicht auf den Dreiachsen-Beschleuni­ gungsmesser von Fig. 12; und

Fig. 14 ist ein Blockdiagramm, das die Signalverarbeitungs­ schaltung des Dreiachsen-Beschleunigungsmessers von Fig. 12 zeigt.

Es werden nun bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrie­ ben.

(1) Funktionsprinzip

Wenn ein Stab, dessen spitz es oberes Ende rechtwinklig von Hand an eine Fläche (nachfolgend als "parallel schwingende Fläche" bezeichnet) gehalten wird, die in paralleler Rich­ tung schwingt, schwingt das obere Ende des Stabs mit der parallel schwingenden Fläche. Diese Bewegung ist dieselbe wie die Bewegung des oberen Endes des Stabs, der in Berüh­ rung mit der parallel schwingenden Fläche steht, die dieser um einen auf der Mittelachse liegenden Punkt (nachfolgend als "Drehpunkt" bezeichnet) ausführt.

Hierbei wird, wie in Fig. 5A dargestellt, ein Schwingungs­ aufnehmer 20 angenommen, bei dem ein erstes und ein zweites Schwingungssensorelement (die nicht dargestellt sind) auf einen Punkt "S" und einen Punkt "T" gesetzt werden, die in linearer Symmetrie und zentriert zur Mittelachse M₁ des (nicht dargestellten) Stabs liegen, um mit dem Stab zu schwingen, und damit jede von zwei Meßachsen K20 und K21 die Mittelachse M₁ in einem besonderen Punkt R schneidet.

Wenn der obere Endpunkt U₁ des Schwingungsaufnehmers 20 von Hand rechtwinklig auf die parallel schwingende Fläche 21 gehalten wird, schwingen das erste und das zweite Schwin­ gungssensorelement aufgrund der von der parallel schwingen­ den Fläche 21 über den Stab aufgenommenen Schwingung (nach­ folgend als "direkte Schwingung" bezeichnet) in paralleler Richtung. Gleichzeitig bewegt sich der Stab um einen beson­ deren Punkt P auf der Mittelachse M₁ als Drehpunkt, so daß das erste und das zweite Schwingungssensorelement eine soge­ nannte Hin- und Herbewegung um einen Schnittpunkt H ausfüh­ ren, wie in Fig. 5B dargestellt, der durch die sich zwischen den Punkten "S" und "T" erstreckende Linie und die Mittel­ achse M₁ des Stabs gebildet wird.

Dabei sind die direkten Schwingungen, die das erste und zweite Schwingungssensorelement von der parallel schwingen­ den Fläche 21 aufnehmen, und die Schwingung gemäß der Hin- und Herbewegung (nachfolgend als "Hin- und Herschwingung" bezeichnet) in Phase. Daher ergibt sich eine Zusammensetzung des Ausgangssignals auf Grundlage der direkten Schwingung und des Ausgangssignals auf Grundlage der Hin- und Her­ schwingung, wie sie vom ersten und zweiten Schwingungssen­ sorelement ausgegeben werden.

Wie in Fig. 6 dargestellt, ist hierbei, da der Drehpunkt P des Stabs der Ursprung ist, die durch diesen Drehpunkt P und den oberen Endpunkt U₁ gehende Linie die Z-Achse, und die gerade Linie, die rechtwinklig zur Z-Achse steht und paral­ lel zur Linie ist, die durch die Punkt "S" und "T" geht, ist die Y-Achse. Dabei sind die Z-Koordinaten des Schnittspunkts "H", des Punkts "R" und des oberen Endes U₁ Z_H, Z_R bzw. Z_U, und die Y-Koordinate des Punkts "T" ist Y_T.

Wenn der obere Endpunkt U₁ des Schwingungsaufnehmers 20 mit der Beschleunigung α in der Richtung parallel zur durch einen Pfeil c gekennzeichneten Y-Achse schwingt, erfaßt das am Punkt "T" angesetzte zweite Schwingungssensorelement gleichzeitig die Schwingungen in der Y- und Z-Achse-Rich­ tung.

In diesem Fall ist das Ausgangssignal P_T des zweiten Schwin­ gungssensorelements durch die folgende Formel gegeben:

P_T = y×sinR₁ + z×cosR₁ (1),

wobei die Schwingungsstärke des zweiten Schwingungssensor­ elements in paralleler Richtung "y" ist, die Schwingungs­ stärke in der rechtwinkligen Richtung "z" ist und der von der Meßachse KK21 des zweiten Schwingungssensorelements und der Mittelachse M₁ des Stabs gebildete Winkel (nachfolgend als "Schnittwinkel" bezeichnet) R₁ ist.

Dabei gilt dann, wenn der obere Endpunkt U₁ des Schwingungs­ aufnehmers 20 sich mit der Beschleunigung α in der Y-Achse- Richtung bewegt und der Auslenkwinkel des Drehpunkts P δ ist, die Gleichung:

sinδ = α/Z_U (2),

weswegen die Schwingungsstärke "y" des zweiten Sensorele­ ments in paralleler Richtung und die Schwingungsstärke "z" in der rechtwinkligen Richtung durch die folgenden Formeln gegeben sind:

y = Z_H×sinδ (3)

z = Y_T×sinδ (4).

Es werden dann die Gleichung (3) und die Gleichung (4) für "y" und "z" in die Gleichung (1) eingesetzt, wodurch das Ausgangssignal P_T des zweiten Schwingungssensorelements durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden kann:

P_T = (Z_H×sinR₁ + Y_T×cosR₁)×sinδ (5).

Dabei wird unter Verwendung der Z-Koordinate Z_R des Punkts "R" die Z-Koordinate Z_H des Schnittpunkts "H" durch die fol­ gende Gleichung wiedergegeben:

Z_H = Z_R-Y_T×(cosR₁/sinR₁) (6).

Die Gleichung (6) wird in die Gleichung (5) eingesetzt, wo­ durch das Ausgangssignal P_T des zweiten Schwingungssensor­ elements in die folgende Gleichung umgeschrieben werden kann:

P_T = Z_R×sinR₁×sinδ (7).

Darüber hinaus wird Gleichung (2) in Gleichung (7) einge­ setzt, wodurch letztere in die folgende Gleichung umge­ schrieben werden kann:

P_T = α×(Z_R/Z_U)×sinR₁ (8).

Hierbei ist deutlich, daß in Gleichung (8) das Ausgangssi­ gnal P_T des zweiten Schwingungssensorelements vom Schnitt­ winkel R₁ zwischen der Meßachse K21 des zweiten Schwingungs­ elements und der Mittelachse M₁ (d. h. der Linie rechtwink­ lig auf der parallel schwingenden Fläche) und von der Posi­ tion des Drehpunkts P abhängt.

Dabei kann der Drehpunkt P nicht immer auf einen Punkt fest­ gelegt werden, obwohl der Schnittwinkel R₁ in einem weiten Frequenzbereich mechanisch eingestellt werden kann.

Jedoch hängt das Ausgangssignal des zweiten Schwingungssen­ sorelements nicht von der Position des Drehpunkts P ab, da die Gleichung:

Z_R = Z_U (9)

gilt, wenn der Schnittpunkt "R" der Meßachse K21 des zweiten Schwingungssensorelements mit der Mittelachse M₁ des Stabs so angeordnet ist, daß er mit dem oberen Endpunkt U₁ des Schwingungsaufnehmers 20 übereinstimmt, da dann das Aus­ gangssignal P_T durch die folgende Gleichung angegeben wird:

P_T = α×sinR₁ (10),

und im Ergebnis zeigt dies, daß dasselbe Ausgangssignal er­ halten wird wie dann, wenn der Schwingungsmesser in den oberen Endpunkt U₁ gesetzt wird.

In diesem Fall kann, was die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Schwingungssensorelements betrifft, da die Par­ allelschwingung umgekehrte Phase hat und die Richtung recht­ winklig zur parallel schwingenden Fläche 21 in derselben Phase liegt, im Ergebnis die Schwingungsstärke in paralleler Richtung, die sich im ersten und zweiten Schwingungssensor­ element ergibt, dadurch gemessen werden, daß die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Schwin­ gungssensorelements gebildet wird, und die Schwingungsstärke in der Richtung rechtwinklig zur parallel schwingenden Flä­ che 21, die sich im ersten und zweiten Schwingungssensor­ element einstellt, kann dadurch gemessen werden, daß die Summe der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Schwin­ gungssensorelements gebildet wird.

(2) Erstes Ausführungsbeispiel

In Fig. 7 bezeichnet 30 allgemein einen Dreiachsen-Beschleu­ nigungsmesser, und ein Beschleunigungssensor-Befestigungs­ block 31 ist im wesentlichen konusförmig unter Verwendung eines steifen Formkörpermaterials wie eines Metalls ausge­ bildet, und in seinem spitzen Teil 31A ist er kugelförmig geformt.

Der untere Teil 31B des Beschleunigungssensor-Befestigungs­ blocks 31 ist, wie dies in den Fig. 7 und 8 dargestellt ist, beinahe als trapezförmiger Kegel geringer Höhe ausgebildet, mit Ausnahme von Befestigungsteilen 31BX für den ersten bis dritten Beschleunigungssensor 32A bis 32C, wo er jeweils eben ausgebildet ist, und an der Oberseite ist ein Handgriff 33 wie ein Stab so angebracht, daß die Verlängerungslinie ausgehend von der Mittelachse M₂ des Handgriffs durch das obere Ende U₂ des spitzen Teils 31A (nachfolgend als "Schwingungsmeßpunkt" bezeichnet) und den oberen Mittelpunkt C des Bodenflächenteils 31B geht.

In diesem Fall sind die Beschleunigungssensoren 32A und 32C unter Verwendung piezoelektrischer Elemente gebildet, und sie sind jeweils so angeordnet, daß die Meßachsen K30 bis K32 die Verlängerungslinie der Mittelachse M₂ des Handgriffs 33 im Schwingungsmeßpunkt U₂ unter demselben vorgegebenen Winkel R₂ schneiden, bei dem es sich um den Gleichwinkel β in Grad handelt (β = 120°).

Bei dieser Anordnung des Dreiachsen-Beschleunigungsmessers 30 wird der Schwingungsmeßpunkt U₂ von Hand auf die Fläche des Gegenstands, dessen Schwingung zu messen ist (und der nicht dargestellt ist), gehalten, so daß die Schwingungs­ stärke an der Position, an die der Schwingungsmeßpunkt U₂ von Hand gehalten wird, innerhalb der Schwingungsmeßfläche gemessen werden kann.

In diesem Fall erfassen beim Dreiachsen-Beschleunigungsmes­ ser 30 dann, wenn der Schwingungsmeßpunkt U₂ von Hand so ge­ halten wird, daß die Verlängerungslinie der Mittelachse M₂ des Handgriffs 33 in die Richtung (Z-Achse-Richtung) zeigt, die rechtwinklig zur Fläche des Gegenstands, dessen Schwin­ gung gemessen wird, steht, wenn die mit dem Schwingungsmeß­ punkt U₂ in Berührung stehende Fläche, wenn die sich von der Z-Achse zur Mittelposition des ersten Beschleunigungssensors 32A erstreckende Richtung die Y-Achse ist, in der X-, Y- und Z-Achse mit Beschleunigungen gemäß den Gleichungen:

X = x×sin(ωx×t) . . . (11)

Y = y×sin(ωy×t) . . . (12)

Z = z×sin(ωz×t) . . . (13)

schwingt, der erste bis dritte Beschleunigungssensor 32A bis 32C für die Schwingung in der X-Achse-Richtung Schwingungs­ stärken, wie sie durch die folgenden Gleichungen wiedergege­ ben werden:

Ax = O . . . (14)

Bx = -X×sin(ωx×t)×cos(β-)×sin(R2)
= X×sin(ωx×t)×sin(β)×sin(R2) . . . (15)

Cx = X×sin(ωx×t)×sin(β)×sin(R2) . . . (16).

Ferner erfassen der erste bis dritte Beschleunigungssensor 32A bis 32C die Schwingungsstärke für die Schwingung in der Y-Achse-Richtung gemäß den folgenden Gleichungen:

Ay = y×sin(ωy×t)×sin(R2) . . . (17)

By = -y×sin(ωy×t)×cos(π-β)×sin(R2)
= y×sin(ωy×t)×cos(β)×sin(R2) . . . (18)

Cy = y×sin(ωy×t)×cos(β)×sin(R2) . . . (19)

und sie erfassen die Schwingungsstärke für die Schwingung in der Z-Achse-Richtung gemäß den folgenden Gleichungen:

Az = z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (20)

Bz = z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (21)

Cz = z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (22).

Daher messen der erste bis dritte Beschleunigungssensor 32A bis 32C gemäß den Gleichungen (11) bis (22) insgesamt die durch die folgenden Gleichungen angegebenen Schwingungen der Kontaktmeßfläche am Schwingungsmeßpunkt U₂:

As = Ax + Ay + Az = 0 + y×sin(ωy×t)×sin(R2)
+ z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (23)

Bs = Bx + By + Bz
= -x×sin(ωx×t)×sin(β)×sin(R2)
+ y×sin(ωyξt)ξcos(B)ξsin(R2)
+ z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (24)

Cs = Cx + Cy + Cz
= X×sin(ωx×t)×sin(β)×sin(R2)
+ y×sin(ωy×t)×cos(β)×sin(R2)
+ z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (25).

In diesem Fall wandelt, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist, der erste Beschleunigungssensor 32A das erfaßte Ergebnis in ein Meßsignal S1 um, und er führt dies einer ersten bis dritten Funktionsschaltung 41A bis 41C über eine Ladungsver­ stärkungsschaltung 40A zu, während der zweite und dritte Beschleunigungssensor 32B und 32C das erfaßte Ergebnis in die Meßsignale S2 und S3 umwandeln und diese der ersten bis dritten Funktionsschaltung 41A bis 41C über Ladungsverstär­ kungsschaltungen 403 und 40C zuführen.

Dabei wird, wenn der Näherungswert in der Gleichung:

und die Gleichung

wenn 120° für β in den Gleichungen (23), (24) und (25) ge­ setzt wird, der überflüssige Term herausgehoben, wie es durch die folgende Gleichung wiedergegeben wird:

und die Gleichung, die nur die Formel beinhaltet, die die Schwingung in der X-, Y- und Z-Achse-Richtung als unbekannt angibt, kann weggelassen werden.

Daher kann jede Schwingung in der X-, Y- und Z-Achse am Punkt der Schwingungsmessungsfläche, die den Schwingungsmeß­ punkt U₂ des Dreiachsen-Beschleunigungsmessers 30 kontak­ tiert, durch die folgenden Gleichungen erhalten werden:

gemäß denen die Gleichungen (28), (29) und (30) als Glei­ chungen berechnet sind, die die Schwingung in der X-, der Y- bzw. der Z-Achse angeben.

Auf diese Weise erhalten die Funktionsschaltungen 41A bis 41C die Schwingungsstärken in der X-, der Y- bzw. der Z- Achse-Richtung gemäß den Funktionsgleichungen (31), (32) und (33) auf Grundlage der Meßsignale 51 bis 53. Das berechnete Ergebnis wird verstärkt und in Form von Funktionssignalen 54 bis 56 ausgegeben.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Winkel der Meßachsen K30 bis K32 der Beschleunigungssensoren 32A bis 32C zur Ver­ längerungslinie der Mittelachse M₂ des Handgriffs 33 im Schwingungsmeßpunkt U₂ auf einen Winkel von ungefähr 10 bis 450 abhängig von Versuchsdaten eingestellt.

Beim vorigen Aufbau eines Dreiachsen-Beschleunigungsmessers 30 wird der Schwingungsmeßpunkt U₂ des Beschleunigungssen­ sor-Befestigungsblocks 31 von Hand an die Fläche des Gegen­ stands gehalten, dessen Schwingung zu messen ist, so daß die Schwingungsbeschleunigung an der schwingenden Fläche durch jeden der Beschleunigungssensoren 32A bis 32C gemessen wird. Die Signale werden dann als Meßsignale S1 bis S3 an die vor­ gegebenen Funktionsschaltungen 41A bis 41C geliefert.

Jede Funktionsschaltung 41A bis 41C führt einen besonderen Bearbeitungsprozeß auf Grundlage der Meßsignale S1 bis S3 aus. Demgemäß werden die Schwingungsstärken in der X-, der Y- und der Z-Achse-Richtung an der Position, an die der Schwingungsmeßpunkt U₂ von Hand gehalten wird, für die Flä­ che des Gegenstands berechnet, dessen Schwingung zu messen ist.

Fig. 10 zeigt die Frequenzcharakteristik für die rechtwink­ lige und die parallele Richtung der jeweiligen Beschleuni­ gungssensoren 32A bis 32C beim Ausführungsbeispiel. Fig. 11 zeigt die Richtcharakteristik der Y-Achse-Richtung für je­ weilige Beschleunigungssensoren 32A bis 32C.

Im allgemeinen ist die Kontaktresonanzfrequenz ein wichtiges Element eines Schwingungsaufnehmers. Z. B. wird bei einem Schwingungsaufnehmer vom Beschleunigungstyp 1/3 der Kontakt­ resonanzfrequenz für die Daten zur Messung im flachen Be­ reich verwendet, wie oben beschrieben. Daher ist der Meß­ bereich um so größer, je höher diese Frequenz ist.

In diesem Fall wird die Kontaktresonanzfrequenz von der Mas­ se und der Kontaktfederkonstanten bestimmt. Bei einem Drei­ achsen-Schwingungsmesser 10 vom Befestigungstyp, bei dem die jeweiligen Meßachsen K10 bis K12 rechtwinklig zueinander stehen, wie in Fig. 4 dargestellt, besteht z. B. das Pro­ blem, daß die Kontaktresonanzfrequenz in der parallelen Richtung ungefähr 1/5 der Kontaktresonanzfrequenz in der rechtwinkligen Richtung ist, da die Kontaktfederkonstante in der parallelen Richtung kleiner als diejenige in der recht­ winkligen Richtung ist.

Jedoch kann für den Dreiachsen-Beschleunigungsmesser 30 des Ausführungsbeispiels bestätigt werden, daß die Kontaktreso­ nanzfrequenz für die parallele Richtung größer als diejenige für die rechtwinklige Richtung wird, was daraus folgt, daß die Kontaktresonanzfrequenz in der parallelen Richtung 5,3 kHz und die Kontaktresonanzfrequenz für die rechtwink­ lige Richtung 3,5 kHz wird.

Dies, weil die Kontaktfederkonstante für die parallele Rich­ tung beim Dreiachsen-Beschleunigungsmesser klein ist wie beim Dreiachsen-Schwingungsmesser 10 und da darüber hinaus die bewegliche und wirksame Masse kleiner wird, so daß die gesamte Kontaktresonanzfrequenz für die parallele Richtung hoch wird. Tatsächlich wird bei diesem Typ eines Dreiachsen- Beschleunigungsmessers 30, obwohl der gesamte Beschleuni­ gungssensor-Befestigungsblock 31 in rechtwinkliger Richtung eine bewegte Masse wird, derselbe eine Masse proportional zur Kraft, die zur Auslenkung in paralleler Richtung erfor­ derlich ist, so daß die bewegte Masse scheinbar ein kleiner Wert wird. Je dünner und länger das obere Ende des Dreiach­ sen-Beschleunigungsmessers wird, desto mehr wird diese Wir­ kung bemerkbar. Daher kann durch dünnere und längere Ausbil­ dung des oberen Endes des Dreiachsen-Beschleunigungsmessers 30 die scheinbare bewegte Masse in paralleler Richtung klei­ ner gemacht werden. Dadurch ist es möglich, daß die Kontakt­ resonanzfrequenz in paralleler Richtung hoch sein kann.

Gemäß Versuchen liegt dann, wenn der herkömmliche Dreiach­ sen-Beschleunigungsmesser 10 vom Befestigungstyp, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, dazu verwendet wird, von Hand an die Fläche eines Gegenstands gehalten zu werden, dessen Schwin­ gung zu messen ist, wobei eine übliche Handhaltekraft von einigen Kilogramm verwendet wird, die Kontaktresonanzfre­ quenz in einem Bereich ausgesprochen niedriger Frequenz.

Demgegenüber hat sich gezeigt, daß dann, wenn der Dreiach­ sen-Beschleunigungsmesser 30 mit einer Handhaltekraft von z. B. 10 N gehalten wird, die Kontaktresonanzfrequenz bis in einen Bereich hoher Frequenzen gemessen werden kann, der für praktische Verwendung ausreicht.

Beim obigen Aufbau sind der erste bis dritte Beschleuni­ gungssensor 32A bis 32C jeweils an der geneigten Ebene des unteren Teils 313 des Beschleunigungssensor-Befestigungs­ blocks 31 so angebracht, daß sie unter demselben Winkel β um die Verlängerungslinie der Mittelachse M₂ des Handgriffs 33 und unter demselben Schnittwinkel R₂ am Schwingungsmeßpunkt U₂ und der Verlängerungslinie der Mittelachse M₂ angebracht sind. Gleichzeitig berechnen die Funktionsschaltungen 41A bis 41C die Schwingungsstärken in der X- und der Y-Achse- Richtung, die parallel zur Fläche des gemessenen Gegenstan­ des liegen, sowie die Schwingungsstärke in der Z-Achse-Rich­ tung, die rechtwinklig zur Fläche des gemessenen Gegenstan­ des liegt, und zwar gemäß den durch die Gleichungen (31), (32) und (33) gegebenen Funktionsgleichungen auf Grundlage der Meßsignale S₁, S₂ und/oder S₃, die vom jeweiligen Be­ schleunigungssensor 32A bis 32C geliefert werden. So können der erste bis dritte Beschleunigungssensor 32A bis 32C die Schwingung einschließlich der Schwingungselemente für paral­ lele und die rechtwinklige Richtung am Schwingungsmeßpunkt U₂ mit hoher Kontaktfederkonstante messen, und gleichzeitig können die Schwingungsstärken für die drei Achsenrichtungen auf Grundlage der gemessenen Signale S1 bis S3 dadurch be­ rechnet werden, daß der überflüssige Term in den Gleichungen (28), (29) und (30) aufgehoben wird. Auf diese Weise kann ein Dreiachsen-Beschleunigungsmesser vom Handhaltetyp reali­ siert werden, bei dem die Schwingungsstärke in drei Achsen­ richtungen, die am Punkt zum Messen der Schwingung recht­ winklig zueinander stehen, gleichzeitig an einem Punkt ge­ messen werden können, und gleichzeitig ist die Kontaktreso­ nanzfrequenz f₁ dabei bis in den Bereich hoher Frequenzen angehoben.

Ferner kann die Schwingung in einem Punkt für die drei Ach­ senrichtungen gemessen werden, so daß die Schwingung in einem körperlich kleinen Bereich für die drei Achsenrichtun­ gen untersucht werden kann.

Ferner kann die Schwingung an einem Punkt für die drei Ach­ senrichtungen gleichzeitig und einfach gemessen werden, wo­ durch die Relativschwingungen in den drei Achsen erfaßt wer­ den können. So kann eine dreidimensionale Bewegung erfaßt werden, und es läßt sich eine engere Beziehung zwischen der Schwingung und dem tatsächlichen Zustand erkennen.

Ferner kann die Schwingung gleichzeitig und einfach für drei Achsenrichtungen gemessen werden, wodurch das Anwendungsge­ biet für Schwingungsmessung in der Zukunft erweitert werden kann, wodurch z. B. die Entwicklung eines Schwingungsmessers gefördert wird, der wirkungsvoll den dreidimensionalen Schwingungszustand anzeigt, und die Entwicklung von Geräten wie eines Geräts zum Analysieren der Frequenz einer Schwin­ gung mit maximaler Amplitude.

Ferner kann die Schwingung an einem Punkt gleichzeitig und einfach für drei Achsenrichtungen gemessen werden, so daß sogenannte Modalanalyse, bei der Signalverarbeitung in einem Computer ausgeführt wird, was zeitaufwendig ist, schneller vorgenommen werden kann.

Ferner erfassen der erste bis dritte Beschleunigungssensor 32A bis 32C die Schwingung an einer Fläche des Gegenstands, dessen Schwingung zu messen ist, und sie geben die Schwin­ gung in Form von Meßsignalen S1 bis S3 über die Ladungsver­ stärkungsschaltungen 40A bis 40C an die Funktionsschaltungen 41A bis 41C aus. Gleichzeitig berechnen die Funktionsschal­ tungen 41A bis 41C jeweils die Schwingungsstärken für die X-, die Y- und die Z-Achse-Richtung gemäß den Funktionsglei­ chungen (31), (32) und (33) auf Grundlage der Meßsignale S1 bis S3. So können die gewünschten Schwingungsstärken für die drei im Schwingungsmeßpunkt U₂ rechtwinklig zueinander stehenden Richtungen dadurch gemessen werden, daß der Hand­ haltewinkel der Meßfläche des Dreiachsen-Schwingungsmessers 30 eingestellt wird.

In diesem Fall erfassen die jeweiligen Beschleunigungssenso­ ren 32A bis 32C die Schwingung in Richtung der Mittelachse M₂ des Handgriffs 33 als Schwingung in der Z-Achse-Richtung, und sie erfassen die Schwingung in der Richtung, die durch den Schwingungsmeßpunkt U₂ geht, und in die der erste Be­ schleunigungssensor 32A auf der Ebene rechtwinklig zur Z- Achse zeigt, als Schwingung in der Y-Achse-Richtung.

(3) Zweites Ausführungsbeispiel

Die Fig. 12 und 13, bei denen solche Teile, die solchen in den Fig. 7 und 8 entsprechen, mit denselben Bezugsziffern oder -zeichen gekennzeichnet sind, zeigen einen Dreiachsen- Beschleunigungsmesser 50 gemäß dem zweiten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung der Beschleunigungssensor-Befestigungs­ block 51 hat beinahe dasselbe Aussehen wie der Beschleuni­ gungssensor-Befestigungsblock 31 des in den obigen Fig. 7 und 8 beschriebenen Dreiachsen-Beschleunigungsmessers 30, mit Ausnahme des Anordnungszustandes der Beschleunigungssen­ soren 32D bis 32G.

D. h., daß beim Dreiachsen-Beschleunigungsmesser 50, wie er in Fig. 12 dargestellt ist, ein vierter bis siebter Be­ schleunigungssensor 32D bis 32G, die mit dem ersten bis dritten Beschleunigungssensor 32A bis 32C (Fig. 7 und 8) übereinstimmen, so angeordnet sind, daß die Beschleunigungs­ sensor-Befestigungsteile 51BX des unteren Teils 51B des Be­ schleunigungssensor-Befestigungsblocks 51 unter demselben gegenseitigen Winkel γ (γ = 90°) liegen, so daß die Meßach­ sen K33 bis K36 am Schwingungsmeßpunkt U₂ am oberen Ende des spitzen Teils 51A des Beschleunigungssensor-Befestigungs­ blocks 51 die Verlängerungslinie der Mittelachse M₂ des Handgriffs 33 unter demselben Winkel R₂ schneiden.

Daher ist beim Dreiachsen-Beschleunigungsmesser 50 dann, wenn der Schwingungsmeßpunkt U₃ so von Hand auf die Fläche gehalten wird, daß die Mittelachse M₂ des Handgriffs 33 rechtwinklig zur Fläche des (nicht dargestellten) Gegenstan­ des steht, dessen Schwingung gemessen wird, die Richtung, die von der Mittelachse M₂ zur Mittelposition des vierten Beschleunigungssensors 32D steht, die Y-Achse-Richtung, und die Richtung, die von der Mittelachse M₂ zur Mittelposition des fünften Beschleunigungssensors 32E steht, ist die X- Achse. Wenn die den Schwingungsmeßpunkt U₃ berührende Meß­ ebene in drei Richtungen, nämlich der X-, der Y- und der Z- Achse-Richtung, so schwingt, wie es durch die Gleichungen (11), (12) bzw. (13) angegeben wird, erfassen der vierte bis siebte Beschleunigungssensor 32D bis 32G jeweils eine Kompo­ nente der Schwingungsstärke in X-Achse-Richtung, wie sie durch die zugehörige der folgenden Gleichungen wiedergegeben wird:

Dx = O . . . (34)

Ex = -X×sin(ωx×t)×sin(R2) . . . (35)

Fx = 0 . . . (36)

Gx = X×sin(ωx×t)×sin(R2) . . . (37).

Ferner messen der vierte bis siebte Beschleunigungssensor 32D bis 32G eine Komponente der Schwingungsstärke in Y-Ach­ se-Richtung gemäß der jeweils zugehörigen der folgenden Gleichungen:

Dy = y×sin(ωy×t)×sin(R2) . . . (38)

Ey = 0 . . . (39)

Fy = -Y×sin(ωy×t)×sin(R2) . . . (40)

Gy = 0 . . . (41).

Schließlich erfassen sie noch die Komponente der Schwin­ gungsstärke in Z-Achse-Richtung gemäß der zugehörigen der folgenden Gleichungen:

Dz = z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (42)

Ez = z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (43)

Fz = z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (44)

Gz = z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (45).

Daher erfassen der vierte bis siebte Beschleunigungssensor 32D bis 32G unter Verwendung der Gleichungen (34) bis (45) insgesamt über die Schwingungsebene, die den Schwingungsmeß­ punkt U₃ berührt, eine Schwingung, wie sie durch die folgen­ den Gleichungen wiedergegeben wird:

Ds = Dx + Dy + Dz
= O + y×sin(ωy×t)×sin(R2) + z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (46)

Es = Ex + Ey + Ez
= -x×sin(ωx×t)×sin(R2) + 0 + z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (47)

Fs = Fx + Fy + Fz
= 0 -y×sin(ωy×t)×sin(R2) + z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (48)

Gs = Gx + Gy + Gz
= x×sin(ωx×t)×sin(R2) + 0 + z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (49).

Hierbei wandeln, wie dies in Fig. 14 dargestellt ist, der vierte und siebte Beschleunigungssensor 32D und 32F das Meß­ ergebnis in Meßsignale S10 und S12 um und geben sie dann über Ladungsverstärkungsschaltungen 40D bzw. 40f an die zweite und dritte Funktionsschaltung 41E bzw. 41F aus, wäh­ rend der fünfte und siebte Beschleunigungssensor 32E und 32G das Meßergebnis in die Meßsignale S11 bzw. S13 umwandeln, um diese über die Ladungsverstärkungsschaltungen 40E und 40G an die erste bzw. dritte Funktionsschaltung 41D bzw. 41F auszu­ geben.

In diesem Fall hebt sich, wie dies durch die Gleichungen

Gs - Es = 2x×sin(ωx×t)×sin(R2) . . . (50)

Ds - Fs = 2y×sin(ωy×t)×sin(R2) . . . (51)

Ds + Es + Fs + Gs = 4z×sin(ωz×t)×cos(R2) . . . (52)

gezeigt wird, der überflüssige Term aus den Gleichungen (46), (47), (48) und (49) heraus, und es kann eine Gleichung abgeleitet werden, die nur die Formeln enthält, die die Schwingungen in der X-, der Y- oder der Z-Achse-Richtung als Unbekannte enthält.

Daher werden die Schwingungen in der X-, der Y- und der Z- Achse-Richtung an einem Punkt der Fläche des Gegenstands, dessen Schwingung zu messen ist, der in Berührung mit dem Schwingungsmeßpunkt U₃ des Beschleunigungsmessers 50 steht, durch die folgenden Gleichungen erhalten:

die aus den Gleichungen (50), (51) und (52) als Formeln be­ rechnet werden, die jeweils die Schwingungen in den genann­ ten Achsenrichtungen repräsentieren.

Auf diese Weise berechnen die Funktionsschaltungen 41D bis 41F die Schwingungsstärke in der X-, der Y- und der Z-Achse- Richtung abhängig von den Funktionsgleichungen (53), (54) und (55) auf Grundlage der Meßsignale S10, S11, S12 und/oder S13, um die berechneten Ergebnisse als Funktionssignale S14 bis S16 auszugeben.

Mit der obigen Anordnung eines Dreiachsen-Beschleunigungs­ messers 50 wird der Schwingungsmeßpunkt U₃ des Beschleuni­ gungssensor-Befestigungsblöcks 51 von Hand an die Fläche des Gegenstands gehalten, dessen Schwingung zu messen ist, so daß die jeweiligen Beschleunigungssensoren 32D bis 32F die Schwingungsbeschleunigung in der Meßebene erfassen und sie dann als Meßsignale S10 bis S13 an die speziellen Funktions­ schaltungen 41D bis 41F ausgeben.

Eine jeweilige Funktionsschaltung 41D bis 41F führt einen jeweils speziellen Funktionsprozeß auf Grundlage der Meßsi­ gnale S10 bis S13 aus, wodurch die Schwingungsstärke in der X-, der Y- und der Z-Achse-Richtung an derjenigen Stelle ge­ messen wird, an der der Schwingungsmeßpunkt U₃ an die Fläche des Gegenstands gehalten wird, dessen Schwingung zu messen ist.

Da beim obigen Aufbau der Dreiachsen-Beschleunigungsmesser 50 die Schwingungsstärke jeweils für sich unter Verwendung mehrerer Beschleunigungssensoren 32D bis 32F oder 32G für die Schwingungen in der X-, der Y- und der Z-Achse mißt, kann ein Schwingungsmesser realisiert werden, bei dem die Schwingungsstärke in den drei Achsenrichtungen jeweils mit bemerkenswert hoher Genauigkeit im Vergleich zum Dreiachsen- Beschleunigungsmesser 30 des ersten Ausführungsbeispiels ge­ messen werden kann.

(4) Andere Ausführungsbeispiele

Das erste und zweite Ausführungsbeispiel, wie sie vorstehend diskutiert wurden, behandelten den Fall, daß bei der Erfin­ dung Dreiachsen-Beschleunigungsmesser 30 oder 50 verwendet werden. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern ein Schwingungsmesser kann eine Vielzahl von Anwen­ dungen finden wie als Verschiebungsmesser, als Geschwindig­ keitsmesser usw.

Ferner behandelten das erste und das zweite Ausführungsbei­ spiel, wie sie vorstehend diskutiert wurden, den Fall, daß die Beschleunigungssensor-Befestigungsblöcke 31 und 51 im wesentlichen kegelförmig unter Verwendung eines steifen Kör­ pers wie eines solchen aus Metall ausgebildet sind. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern andere Materialien und Formen können für die Beschleunigungssensor- Befestigungsblöcke 31 und 51 verwendet werden, wenn speziel­ le Steifigkeit vorhanden ist und die jeweiligen Beschleuni­ gungssensoren 32A bis 32C oder 32D bis 32G in den besonderen Zuständen gehalten werden können.

Ferner behandelten das erste und das zweite Ausführungsbei­ spiel, wie sie vorstehend diskutiert wurden, den Fall, daß mehrere Beschleunigungssensoren 32A bis 32C oder 32D bis 32G so angeordnet sind, daß sie auf der geneigten Fläche des un­ teren Teils 31A bzw. 351A des Beschleunigungssensor-Befesti­ gungsblocks 31 bzw. 51 so sitzen, daß die Abstände zwischen den jeweiligen Beschleunigungssensoren 32A bis 32C oder 32D bis 32G und dem Schwingungsmeßpunkt U₂ bzw. U₃ gleich sind.

Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, da es dann, wenn die Winkel der Meßachsen K30 bis K32 oder K33 bis K36 der jeweiligen Beschleunigungssensoren 32A bis 32C bzw. 32D bis 32G zur Verlängerungslinie der Mittelachse M₂ des Handgriffs 33 gleich sind, nicht erforderlich ist, daß die Abstände zwischen den jeweiligen Beschleunigungssensoren 32A bis 32C oder 32D bis 32G und dem Schwingungsmeßpunkt U₂ bzw. U₃ gleich sind. In diesem Fall kann ein Dreiachsen-Schwin­ gungsmesser im wesentlichen dieselbe Wirkung erzielen, wie sie beim ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel vorliegt.

Ferner behandelten das erste und das zweite Ausführungsbei­ spiel, wie sie vorstehend diskutiert wurden, den Fall, daß der Winkel R₂, unter dem die Meßachsen K30 bis K32 oder K33 bis K36 der jeweiligen Beschleunigungssensoren 32A bis 32C bzw. 32D bis 32G die Verlängerungslinie der Mittelachse M₂ des Handgriffs 33 am Schwingungsmeßpunkt U₂ bzw. U₃ schnei­ den, so gewählt sind, daß sie ungefähr 10 bis 45° sind. Je­ doch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern ein Winkel mit anderem Wert kann als Winkel R₂ gewählt werden.

Ferner behandelten das erste und das zweite Ausführungsbei­ spiel, wie sie vorstehend diskutiert wurden, den Fall, daß Schwingungen in drei Richtungen, die rechtwinklig zueinander stehen, vom Dreiachsen-Beschleunigungsmesser 30 bzw. 50 ge­ messen werden. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf be­ schränkt, sondern es kann nur die Schwingungsstärke in einer oder in zwei Richtungen von den drei rechtwinklig aufeinan­ derstehenden Richtungen ausgegeben werden. In diesem Fall können die Schwingungsmesser 30 oder 50 als Schwingungsmes­ ser für eine Achse oder zwei Achsen verwendet werden.

Ferner behandelten das erste und das zweite Ausführungsbei­ spiel, wie sie vorstehend diskutiert wurden, den Fall, daß drei oder vier Beschleunigungssensoren 32A bis 32C oder 32D bis 32G so angeordnet sind, daß sie auf der geneigten Fläche des unteren Teils 31B bzw. 51A des Beschleunigungssensor- Befestigungsblocks 31 bzw. 51 sitzen. Jedoch ist die Erfin­ dung nicht hierauf beschränkt, sondern die Anzahl der Be­ schleunigungssensoren, die auf den Beschleunigungssensor- Befestigungsblock 31 oder 51 aufgesetzt sind, ist nicht hierauf beschränkt, sondern es kann eine andere Anzahl ver­ wendet werden, wenn die Schwingungsstärke in der Richtung dreier oder zweier Achsen jeweils auf Grundlage der von den Beschleunigungssensoren ausgegebenen Meßsignale bestimmt werden kann.

Ferner behandelten das erste und das zweite Ausführungsbei­ spiel, wie sie vorstehend diskutiert wurden, den Fall, daß jede Funktionsschaltung 41A bis 41C oder 41D bis 41G die Schwingungsstärke in der X-, der Y- und der Z-Achse an der Fläche des Gegenstandes mißt, dessen Schwingung zu messen ist, die mit dem Schwingungsmeßpunkt U₂ bzw. U₃ in Berührung steht, wobei die Berechnung mit den Funktionsgleichungen (31), (32) und (33) bzw. (53), (54) und (55) erfolgt. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern es kön­ nen andere Funktionsgleichungen verwendet werden, um die Schwingungsstärke auf Grundlage der Gleichungen (23), (24) und (25) oder der Gleichungen (46), (47) und (48) zu bestim­ men.

Ferner behandelten das erste und das zweite Ausführungsbei­ spiel, wie sie vorstehend diskutiert wurden, daß Beschleuni­ gungssensoren 32A bis 32C oder 32D bis 32G verwendet werden, die aus piezoelektrischen Elementen bestehen. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern für die genann­ ten Beschleunigungssensoren kann ein anderer Typ verwendet werden wie ein Spannungs-Schwingungsmeßaufnehmer oder ein optischer Schwingungssensor.

Ferner behandelten das erste und das zweite Ausführungsbei­ spiel, wie sie vorstehend diskutiert wurden, den Fall, daß die Schwingungsstärken in der X-, der Y- und der Z-Achse- Richtung unter Verwendung dreier Funktionsschaltungen 41A bis 41C oder 41D bis 41F berechnet werden. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern eine oder mehr Funktionsschaltungen können verwendet werden, wenn damit je­ weils die Schwingungsstärken in den drei Richtungen berech­ net werden können.

Claims (8)

1. Schwingungsmesser (30, 50), der von Hand an eine Fläche eines Gegenstands zu halten ist, dessen Schwingung zu messen ist, mit:

• - mehreren Schwingungssensoren (32A bis 32C; 32D bis 32G) mit einer Meßachse in einer Richtung für jeden Sensor, um die Schwingungsstärke in der Richtung dieser Meßachse zu messen, um Meßsignale (S1 bis S3; S10 bis S13) auszugeben;
• - einer Schwingungssensor-Halteeinrichtung (31; 51) zum Halten der Schwingungssensoren, mit einem speziellen, steifen Körper, der die mehreren Schwingungssensoren fest so trägt, daß sie unter demselben Winkel gegenüber einer Mittelachse stehen, und daß die jeweiligen Meßachsen die Mittelachse an einem Punkt (U₂; U₃) schneiden, der von Hand an die genannte Fläche des Gegenstands gelegt wird, dessen Schwingung zu messen ist; und
• - einer Berechnungseinrichtung (41A bis 41C; 41D bis 41F) zum Berechnen der Schwingungsstärke in den Richtungen zweier oder dreier Achsen, die einander an der genannten Meßposi­ tion schneiden, auf Grundlage der gemessenen Signale.

2. Schwingungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schwingungssensor-Trägereinrichtung (31; 51) im wesentlichen kegelförmig aus einem steifen Material ausge­ bildet ist und sie im Spitzenbereich des Kegels kugelförmig ist, welcher Spitzenbereich mit einem Punkt auf die Fläche des Gegenstandes gesetzt wird, dessen Schwingung zu messen ist.

3. Schwingungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schwingungssensor-Trägereinrichtung (31; 51) im unteren Bereich des kegelförmigen Bereichs mit trapezförmi­ gen Querschnitt ausgebildet ist, in welchem trapezförmigen Bereich die mehreren Schwingungssensoren angeordnet sind.

4. Schwingungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß ein als Handgriff dienender Stab (33) auf den tra­ pezförmigen Bereich so aufgesetzt ist, daß die Verlänge­ rungslinie der Mittelachse des Handgriffs durch die genannte Mittelachse der Schwingungssensor-Trägereinrichtung (31; 51) geht.

5. Schwingungsmesser nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungssensor-Trä­ gereinrichtung (31; 51) aus Metall besteht.

6. Schwingungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß drei Schwingungssensoren (32A bis 32C) vorhanden sind, die unter dem Gleichwinkel von 120° um die genannte Mittelachse der Schwingungssensor-Trägereinrichtung (31) angeordnet sind, damit sich überflüssige Signalkomponenten aufheben, die in den Meßsignalen vorhanden sind.

7. Schwingungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß vier Schwingungssensoren (32D bis 32G) vorhanden sind, die unter dem Gleichwinkel von 90° um die genannte Mittelachse der Schwingungssensor-Trägereinrichtung (51) an­ geordnet sind, damit sich überflüssige Signalkomponenten in den Meßsignalen herausheben.

8. Schwingungsmesser nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, unter dem die Meß­ achsen der mehreren Schwingungssensoren (32A bis 32C; 32D bis 32G) die genannte Mittelachse der Schwingungssensor- Trägereinrichtung (31; 51) schneiden, ungefähr 10 bis 45° beträgt.