DE7325857U

DE7325857U - Beschleunigungsmesser

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Publication number: DE7325857U
Application number: DE19737325857
Authority: DE
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1972-07-13
Filing date: 1973-07-13
Publication date: 1973-12-06
Also published as: IT991737B; GB1442855A; FR2192306A1; BE801989A; FR2192306B1; ES416883A1; CH583423A5

Description

Patentanwälte DIpL-Ing. R. BEETZ Dlpl-Ing. K. LAM P RECHT

Dr.-Ing. R. B E E T Z Jr. ·» M In «hen 22, Stelmdorfatr. 1t

110-21.0860

13. 7. 1973

COMMISSARIAT A L¹ENEHGIE ATOMIQUE, Paris (Frankr.)

Beschleunigungsmesser

Die Neuerung betrifft einen Beschleunigungsmesser großen Meßbereiches .

Beschleunigungsmesser sind Empfänger, die eine Eintrittsgröße - natürlich eine Beschleunigung - in eine Ausgangsgröße, z. B. eine elektrische Spannung, verwandeln können. Da es sich um einen Empfänger handelt, ist mit Sicherheit die Ausgangsgröße unmittelbar und auf kennzeichnende Art mit der Eingangsgröße verbunden. Da die Eingangsgröße (das ist die Beschleunigung) eine Funktion der Zeit mit ge-

410-(B4650.3)-Bgn-r (6)

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wisaei' Fer'OÖe iei, itiuö natüxiiCn άίβ omciirniutty sWiäCnon ΰοΓ Ausgangsgröße (dor elektrischen Spannung) und der Eingangsgröße (der Beschleunigung) unabhängig von der Frequenz der zu messenden Beschleunigung sein. Anders gesagt: Das vom Beschleunigungsmesser kommende Band muß so breit wie möglich sein, um genaue Messungen unabhängig von der Frequenz der zu messenden Beschleunigung zu liefern.

Der Gegenstand der Neuerung und seine Vorteile vor dem Bekannten werden aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 die Grundbauart des Beschleunigungsmessers» Fig. 2 einen bekannten Beschleunigungsmesser,

Fig. 3 und 3' einen neuerungsgemäßen Beschleunigungsmesser von vorn bzw. von der Seite gesehen,

Fig. 4 und 4' eine andere Ausführungsform eines erfindungsge-

mäßen Beschleunigungsmessers mit Dämpfungseinrichtung.

Laut Fig. 1, die die Grundbauart des Beschleunigungsmessers zeigt, besteht dieser im wesentlichen aus einem biegsamen Balken 2, der starr in eiuem Halter 4 eingespannt ist und an seinem Ende eine Pendelmasse 6 mit dem Schwerpunkt G trägt. Ferner sind beiderseits der Druck- und der Zug-Seiten des Balkens 2 Dehnungsmeßstreifen 7 und 8 angebracht. Wenn eine Beschleunigung auftritt, gerät die Pendel-

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ι t » ι · a · ·

iiiöaac υ iiiä Schwingen« Ihr Schweipuiiki G wsnaort Uni einen Betrag Q (dies ist der kleine griechische Buchstabe delta), wodurch sich der Balken 2 verbiegt- und diese Verbiegungen werden von den Dehnungsmeßstreifen 7 und 8 vermerkt und in eine elektrische Größe verwandelt.

Bekanntlich ist für ein solches System die Resonanzfrequenz gegeben durch die Formel

worin K = ~ξ~ und F die auf die Blair' der ausgeübte KxSix, M die Masse der Pendelmasse und S der Wanderweg des Schwerpunktes G der Pendelmasse ist.

Damit ein richtiges Ergebnis geliefert wird, ist eine große Biegelänge nötig, damit auf den Balken eine genügende Spannung ausgeübt wird, die ausreicht, eine bedeutende elektrische Ausgangsgröße zu liefern. In diesem Fall ist S groß und k klein, also F_Q klein, und der Meßbereich ist schmal. Im übrigen pflegt man bei Beschleunigungsmessern einen Gütefaktor zu bestimmen. Dieser ist ausgedrückt durch

B-S. F₆ ² worin ß (der kleine griechische Buchstabe beta) den Gütefaktor, S die

Empfindlichkeit der Dehnungsmeßstreifen in Millivolt und F die Eigen-Schwingungsfrequenz des Systems bedeuten. Um ß zu verbessern, muß man also die Empfindlichkeit der Meßstreifen verbessern und sonst F vergrößern. Ein bekanntes Mittel, die Empfindlichkeit der Meßstreifen zu verbessern, besteht darin, an dem biegsamen Balken zu ihm senkrechte Arme anzubringen und die Dehnungsmeßstreifen auf die Enden dieser Arme zu kleben. Man bekommt so in der Ebene der Meßstreifen eine Vergrößerung der auf der Oberfläche des Balkens auftretenden Verformungen.

Unter Biegeebene muß man diejenige Ebene verstehen, welche die Symmetrieachse des biegsamen Balkens enthält und parallel zu derjenigen Ebene ist, in der sich jede Einzelfaser des Balkens verschiebt.

Eine andere Lösung dieses Problems ist in Fig. 2 gezeigt. In diese hat der biegsame Balken 2 einen großen Querschnitt, was ein kleineres δ ergibt. Bei dieser Ausführungsart sind in den Balken 2 zwei Kerben 10 und 12 von im wesentlichen dreieckiger Querschnittsform eingeschnitten, die zur Biegeebene des Balkens senkrecht sind und den eigentlichen Biegebalken 2 von der Pendelmasse 6 trennen. Jedes Ende jedes Dehnungsmeßstreifens 7' und 8' ist auf je eine der Lippen der entsprechenden Kerbe 10 oder 12 aufgeklebt. Diese piezoresistenten Meßstreifen haben die in der Zeichnung angegebene Form und sind in die Masse eines Silizium-Monokristalls eingeschnitten. Die Meßstreifen sind durch Kleben befestigt.

Die Nachteile dieser Lösung sind offenkundig. Denn da die Berührung

zwischen dem Balken und den Meßstreifen 7 ' und 8 ■ verhältnismäßig punktförmig ist, so ist die Verklebung zwischen den beiden nur von mäßiger Güte. Es droht daher die Gefahr, daß die Beanspruchungen nur unvollkommen vom Balken auf die Meßstreifen übertragen werden. Außerdem droht, wenn die Zug- oder Druckkräfte unmittelbar auf Meßstreifen übertragen werden, deren Mittelteil eine Drosselstelle bildet, die Gefahr, daß bei großen Verformungen der Meßstreifen bricht.

Die Neuerung betrifft einen Beschleunigungsmesser großen Meßbereiches , der die vorerwähnten Nachteile mildert.

Die Neuerung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist

einen biegsamen Balken konstanten Querschnittes, der an einem seiner Enden in einem starren Sockel eingespannt ist und in seiner Masse zwei Hohlräume aufweist, die sym metrisch zu einer zur Biegeebene senkrechten Mittelebene des Balkens angeordnet und von einer zur anderen Seite des Balkens hindurchgeführt sind und jeweils die Form eines Zylinders von zur Biegeebene des Balkens senkrechter Erzeugenden haben, die aber in der Mitte des Balkens nicht miteinander vereinigt, sondern so angeordnet sind, daß die Dicke, welche jede der Zug-Druck-Seitenflächen des Balkens von dem diesen Seitenflächen nächsten Teil der die Hohlräume begrenzenden Fläche kommt, minimal ist,

durch mindestens zwei Dehnungsmeßstreifen, die auf jeden der Teile der den beiden Hohlräumen zugewandten Zug-Druck-Flächen des Balkens aufgeklebt sind, und

durch einen an seinem freien Ende vorgesehenen Hohlraum, der den beiden erstgenannten Hohlräumen gleich ist und dessen Symmetrieebene zur Biegeebene des Balkens senkrecht ist und die Symmetrieachse des Balkens enthält.

Die folgende Beschreibung und die anhängende Zeichnung zeigen mehrere - keineswegs allein mögliche - Ausführungsbeispiele der Neuerung.

Fig. 3 und 3' zeigen einen Beschleunigungsmesser von vorn und von der Seite. Im Sockel 4 ist der eigentliche Beschleunigungsmssser eingespannt. Dieser besteht aus einem biegsamen Balken 14 von rechteckigem Querschnitt. In diesen Balken sind zwei zylindrische Höhlungen eingearbeitet, deren Erzeugende senkrecht zur Biegeebene des Balkens und parallel zur Ebene der Fig. 3 sind. Diese Hohlräume 16 und 18 begrenzen zwischen sich und dem Sockel 4 den - richtig so genannten - schwingenden Balken 20 und oberhalb der erwähnten Kerben die Pendelmasse 22. Die Hohlräume enden an ihrem einen Ende im Innern des Balkens in einer Abrundung 24 bzw. 24' und an ihrem anderen Ende in einer Abrundung 26 bzw. 26', die einseitig flach ist. Zwischen der Zug-Druck-Seite des Balkens 14 und den Abrundungen 26 und 26' befindet sich ein Steg 28 bzw. 28' aus Metall, der beträchtlich schmaler als der schwingende Balken ist.

Die Teile 26 und 26' der die Hohlräume 16 und 18 begrenzenden Fläche können leicht abgeflacht seinf so bieten die Stege 28 und 28' eine größere Länge. Die bevorzugte Form dieses Teils der Oberfläche

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ist derart, daß derjenige Teil des Balkens, der von einer Zug-Druck-Seite und diesem Oberflächenteil 26 bzw. 26' begrenzt ist, ein Profil gleichen Widerstandes gegen Knicken aufweist.

Der Beschleunigungsmesser hat am Ende der Pendelmasse 22 einen Hohlraum 30, der den Hohlräumen 16 und 18 gleicht und dessen Symmetrieebene zur Biegeebene des Beschleunigungsmessers senkrecht ist und die Symmetrieachse des Balkens 14 enthält. Dieser Hohlraum bildet wie die Hohlräume 16 und 18 einen Steg 32, der zwischen der geradlinigen Seitenfläche des Beschleunigraigsmessers und der Abflachung des Hohlraumes 30 ist.

Auf den otegen 28, 28' und 32 werden Dehnungsmeßstreifen herkömmlicher Art angebracht.

Zum Beispiel kann der Beschleunigungsmesser eint/ Gesamtlänge a von 7 mm, eine Breite b von 8 mm und eine Dicke c von 4 mn¹ haben. Die Achse der Hohlräume 16 und 18 hat einen Abstand d vom Ende des biegsamen Balkens, der 3,5 mm beträgt. Jeder Hohlraum kann eine Länge e = 3 mm und eine Breite f = 0,2 bis 1 mm haben, und die Dicke des Steges 28 kann etwa 0,05 mm sein.

Ein solcher Beschleunigungsmesser wie der oben beschriebe leistet folgendes:

Linearer Verwendungsbereich bis 15 000 g (g ist die Erdbeschleunigung),

Eigenfrequenz 90000 Hz,

73258S7-6.12.73

linearer Verwendungsbereich in Frequenzen: von Null bis 17 000 Hz,

Wirkungsbereich in Temperatur: von minus 50 C bis + 90 C. Jf Bei der in Fig. 4 und 4¹ gezeigten Ausführungsform ist der Be

schleunigungsmesser ein Drehkörper. Mit 4 ist der eingespannte Senkel, mit 20 der biegsame Balken und mit 22 die Pendel masse bezeichnet . In den biegsamer. Balken 20 sind Hohlräume 34 und 36 eingearbeitet, welche dieselbe Rolle wie die Hohlräume 16 und 18 spielen. Diese Hohlräume haben die Form glatter Bohrungen von z. B. 0,5 bis 2 mm Durchmesser j diese Bohrungen enden jedoch nahe der Außenfläche des Balkens 20 in Abflachungen 38 und 40. Bei dieser Ausführungsform hat die Pendelmasse 22 einen Durchmesser von 5 mm. In der Zeichnung ist rings um die Pendelmasse eine Buchse 42 gezeigt, die am Sockel starr befestigt ist und in die die Pendelmasse 22 mit geringem Spiel eintaucht (der Innendurchmesser der Buchse ist z. B. 5,3 mm).

Diese Buchse 42 dient dazu, die Schwingungen des biegsamen Balkens zu dämpfen. Es wird nämlich dieser ganze Beschleunigungsmesser in ein Gehäuse eingebaut, das mit zäher Flüssigkeit gefüllt wird. Die zwischen der Pendelmasse 22 und der Buchse 42 befindliche Flüssigkeitsschicht dient dann d-'.au, die Schwingungen des Beschleunigungsmessers zu dämpfen.

Einer der Vorteile des Beschleunigungsmessers liegt darin, daß er sich für jede beliebige Art von Dehnungsmeßstreifen eignet ,z.B.

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solche mit Halbleitern oder solchen mit Metall. Außerdem ermöglicht der dritte Hohlraum, den Gütefaktor ß (beta) eines nur zwei Hohlräume aufweisenden Beschleunigungsmessers zu verdoppeln.

Solche Beschleunigungsmesser können von verschiedenerlei Arten sein. Je nach ihren Abmessungen kann man mit ihnen Stöße oder Beschleunigungen von niedriger oder von mittlerer Frequenz messen.

Sie finden vielfache Vor Wendung, z. B. um Waffen zu erproben, um Umgebungen zu untersuchen, denen man elektronische Schaltungen aussetzen will, um das Verhaltei. von Bauteilen von Flugzeugen, Maschinen und Kraftfahrzeugen etc. zu untersuchen.

Claims

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Schutzansprüche

Ι. Beschleunigungsmesser großen Meßbereiches, gekennzeichnet

a) durch einen biegsamen Balken (14, 20) konstanten Querschnittes, der an einem seiner Enden in einem starren Sockel (4) eingespannt ist und in seiner Masse zwei Hohlräume (16, 18; 34, 38) aufweist, die symmetrisch zu einer zur Biegeebene senkrechten Mittelebene des Balkens angeordnet und von einer zur anderen Seite des Balkens hindurchgeführt sind und jeweils die Form eines Zylinders von zur Biegeebene des Balkans senkrechter Erzeugenden haben, die aber in der Mitte des Balkens nicht miteinander vereinigt, sondern so angeordnet sind, daß die Dicke, welche jede der Zug-Druck-Seitenflächen des Balkens von dem diesen Seitenflächen nächsten Teil der die Hohlräume begrenzenden Fläche kommt, minimal ist,

b) durch mindestens zwei Dehnungsmeßstreifen (7, 8; 7¹, 8'), die auf jeden der Teile der den beiden Hohlräumen zugewandten Zug-Druck-Flächen des Balkens aufgeklebt sind, und

c) durch einen an seinem freien Ende vorgesehenen Hohlraum (30), der den beiden erstgenannten Hohlräumen (16, 18) gleich ist und dessen Symmetrieebene zur Biegeebene des Balkens (14) senkrecht ist und die Symmetrieachse des Balkens enthält.
2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Teil der Fläche eine leicht abgeplattete Form (28, 28') von solcher Art aufweist, daß derjenige Teil des Balkens, der zwischen dem genannten Flächenteil und der zugehörigen Zug-Druck-Seitenfläche liegt, ein Profil gleichen Widerstandes gegen Knicken aufweist .
3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der biegsame Balken (20) einen geraden kreisrunden Teil aufweist und daß derjenige Teil des Balkens, der zwischen seinem freien Ende (22) und den beiden Hohlräumen (34, 38) liegt, mit Spiel in einer zylindrischen festen Buchse (42) angeordnet ist, und daß das aus dem Balken und der Buchse bestehende Ganze in einem Gehäuse angeordnet ist, das mit einer zähen Flüssigkeit gefüllt ist (Fig. 3,4).