DE8416880U1

DE8416880U1 - ACCELERATION MEASURING DEVICE

Info

Publication number: DE8416880U1
Application number: DE19848416880
Authority: DE
Original assignee: Keller AG fuer Druckmesstechnik
Current assignee: Keller AG fuer Druckmesstechnik
Priority date: 1984-06-02
Filing date: 1984-06-02
Publication date: 1984-09-06

Description

ANDRAE - FLACHE HÄUG ¹KNEISSLANDRAE - FLACHE HÄUG ¹ KNEISSL EUROPEAN PATENT ATTORNEYSEUROPEAN PATENT ATTORNEYS

. Pafyiinwalt DIpI.-Phy». Flieh, Max-Josefe-Platz β, D-8200 Rosenhelm ■ . Pafyiinwalt DIpI.-Phy ». Flieh, Max-Josefe-Platz β, D-8200 Rosenhelm ■

MÖNCHEN Dlpl.-Chem. Dr. Steffen Andrae Dlpl.-Ing. Dietmar Hnufl Dlpl.-Chem. Dr.Ridiard Kneitsl Steinatrasse 44 D-6000 MOnchen 80 Telefon: (089) 482089 Telegramm: pagema MOnchen Telex: 5216281 afho dMONKS Dlpl.-Chem. Dr. Steffen Andrae Dlpl.-Ing. Dietmar Hnufl Dlpl.-Chem. Dr Ridiard Kneitsl Steinatrasse 44 D-6000 MOnchen 80 Phone: (089) 482089 Telegram: pagema Munich Telex: 5216281 afho d

Keller AG für Druckmeßtechnik, CH-8404 WinterthurKeller AG for pressure measurement technology, CH-8404 Winterthur

G 9G 9

BeschleunigungsmeßeinrichtungAccelerometer

Die Erfindung betrifft eine Beschleunigungsmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an acceleration measuring device according to the preamble of claim 1.

In vielen technischen Bereichen wäre es wünschenswert, 5 wenn auftretende Beschleunigungskräfte exakt gemessen werden könnten.Dies gilt beispielsweise sowohl für die Messung stark wechselnder Beschleunigungen z. B. von Kolben bis hin zur Messung der Beschleunigung in einem Auto beispielsweise für das Auslösen von Gurtstrammern. Dadurch kann 10 auch die Sicherheit wesentlich verbessert werden.In many technical areas it would be desirable if the acceleration forces that occur are measured exactly This applies, for example, to the measurement of strongly changing accelerations, e.g. B. from piston to to measuring the acceleration in a car, for example to trigger belt tensioners. This can 10 security can also be significantly improved.

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In der Praxis bestehen Beschleunigungsmeßeinrichtungen aus einer Masse, die zwischen Piezoquarzen oder aus dünnen Kohleplättchen aufgebauten elektrischen Widerständen liegt und die der durch die Beschleunigungskräfte verursachten Bewegung folgt. Durch die Druckänderung entstehen veränderliche Spannungen oder Widerstandsänderungen, die gemessen oder im Kathodenstrahloszilograph sichtbar gemacht werden können.In practice, accelerometers consist of a mass between piezo crystals or thin Carbon platelets built up electrical resistances and those caused by the acceleration forces Movement follows. The change in pressure produces variable voltages or changes in resistance that are measured or can be made visible in the cathode ray oscilloscope.

Diese Beschleunigungsmeßeinrichtungen sind aber in der Praxis bisher äußerst aufwendig gebaut und von daher sehr teuer.In practice, however, these acceleration measuring devices have so far been of extremely complex construction and are therefore very complex expensive.

Aufgabe der Erfindung ist es von daher, eine Beschleunigungsmeßeinrichtung zu schaffen, mittels derer auf einfachste Art und Weise und damit gegenüber dem Stand der Technik deutlich billiger möglichst exakte Werte der Beschleunigungskräfte gemessen werden können. Die Aufgabe wird erfindungsgeinäß entsprechend den im kennzeichnden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. The object of the invention is therefore to provide an acceleration measuring device to create, by means of which in the simplest way and thus compared to the state of the art values of the acceleration forces that are as exact as possible can be measured much cheaper. The task is according to the invention solved according to the features specified in the characterizing part of claim 1. Advantageous configurations of the invention are specified in the subclaims.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine wesentliche Vereinfachung einer Beschleunigungsjneßeinrichtung geschaffen, indem nunmehr nicht mehr eine zusätzliche Masse zwischen zwei piezoelektrischen Kristallen angeordnet werden muß, sondern jetzt lediglich ein einziger piezoelektrischer Kristall selbst dient, der zumindest über eine Einpunktbefestigung an einem Träger angebracht ist.The present invention provides a substantial simplification an accelerator created by now no longer an additional mass between two piezoelectric crystals must be arranged, but now only a single piezoelectric crystal itself serves, which is attached to a carrier at least via a single-point attachment.

Der piezoelektrische Kristall mit seiner "'"enmasse folgt den Bewegungen und wird bei auftretenden Beschleunigungskräften aufgrund seiner eigenen Massenträgheit in entgegengesetzter Richtung zu den Beschleunigungskräften durchgebogen. Da die gegenüberliegenden und quer zur Beschleunigungsrichtung liegenden Seiten des piezoelektrischen Kristalles zumindest teilweise beispielsweise durch eine aufgedampfte Metallschicht leitend sind, können dort die elektrischen Spannungen als Meßsignale abgegriffen werden.The piezoelectric crystal with its "'" mass follows the movements and is in the opposite direction when acceleration forces occur due to its own inertia Bent towards the acceleration forces. Because the opposite and transverse to the direction of acceleration lying sides of the piezoelectric crystal at least partially, for example by a vapor-deposited Metal layer are conductive, the electrical voltages can be tapped there as measurement signals.

In einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 2 ist dabei der piezoelektrische Kristall vorzugsweise in seiner Mitte über einer Einpunktbefestigung an einem Träger befestigt, der in einer Weiterbildung nach Anspruch 3 parallel zur Beschleunigungsrichtung angeordnet und selbst als leitender Draht ausgebildet ist. Da der Träger am piezoelektrischen Kristall angelötet ist, dient dieser Träger gleichzeitig als der eine Leitungsdraht zur Weiterleitung der Meßsigr.ale.In a preferred embodiment according to claim 2, the piezoelectric crystal is preferably in his Middle attached to a one-point attachment on a carrier, which in a development according to claim 3 parallel is arranged to the direction of acceleration and is itself designed as a conductive wire. Since the carrier on the piezoelectric Crystal is soldered on, this carrier serves at the same time as the one wire for forwarding the measuring signals.

Eine wesentliche weitere Vereinfachung im Hinblick auf einen kompakten Aufbau läßt sich nach Anspruch 4 dadurch erzielen, daß der leitende Träger selbst auf einer Leiterplatte eines Spannungssignalkonverters befestigt ist.A substantial further simplification with regard to a compact structure can be achieved according to claim 4, that the conductive support itself is mounted on a circuit board of a voltage signal converter.

Dabei hat es sich weiterhin als günstig erwiesen, auf der vom Träger abgewandt liegenden Seite der Leiterplatte die aktiven und passiven Schaltelemente des Spannungspegelkonverters vorzusehen. Auf der gegenüberliegenden, also dem piezoelektrischen Kristall zu liegenden Seite kommen dann die Leiterbahnen selbst und die Lötpunkte zur Befestigung der aktiven und passiven Schaltelemente zu liegen, so daß dort auch problemlos die zum Träger gegenüberliegende Seite desIt has also proven to be advantageous to use the printed circuit board on the side of the printed circuit board facing away from the carrier provide active and passive switching elements of the voltage level converter. On the opposite, i.e. the one Piezoelectric crystal on the lying side then come the conductor tracks themselves and the soldering points to attach the active and passive switching elements to lie, so that there also easily the opposite side of the carrier to the

p'ezoelektrischen Kristalles über einen Verbindungsdraht mit einem entsprechenden Lötpunkt auf der zugewandtliegenden Seite der Leiterplatte verbunden werden kann.p'ezoelectric crystal via a connecting wire with can be connected to a corresponding solder point on the facing side of the circuit board.

Ferner ist die Leiterplatte in dem Gehäuse der Beschleunigungsmeßeinrichtung so angeordnet, daß diese den obenliegenden Innenraum mit dem piezoelektrischen Kristall von dem unteren Gehäuseinnenraum mit den aktiven und passiven Schaltelementen trennt, wodurch sich auf einfache Weise nach Anspruch 9 ermöglichen läßt, daß der untere Innenraum mit Harz, beispielsweise Epoxydharz ausgegossen wird. Durch die hiermit verbundene Dämpfung werden tiefe Eigenfrequerizen erzeugt, wodurch sich verbesserte und unverfälschtere Meßsignale abgreifen lassen. Damit sind auch die elektrc nischen Komponenten von Schwingungs- und Feuchtigkeitseinflüssen geschützt. Erstere können Störsignale verursachen und zu Ermüdungserscheinungen führen. Letztere können die untere. Grenzfrequenz im Feld verschlechtern.Furthermore, the circuit board is in the housing of the accelerometer arranged so that these the overhead interior space with the piezoelectric crystal of separates the lower housing interior with the active and passive switching elements, which makes it easy according to claim 9 allows that the lower interior is filled with resin, for example epoxy resin. The associated damping results in deep natural frequencies generated, whereby improved and more unadulterated measurement signals can be tapped. This means that the elektrc niche components protected from the effects of vibration and moisture. The former can cause spurious signals and lead to fatigue. The latter can be the lower. Worsen the cut-off frequency in the field.

Nachfolgend wird auf die Figur Bezug genommen, in der im Vertikalschnitt eine Seitenansicht durch die erfindungsgemäße Beschleunigungsmeßeinrichtung dargestellt ist.Reference is made below to the figure, in which, in vertical section, a side view through the inventive Accelerometer is shown.

In der Figur umfaßt dabei die Beschleunigungsmeßeinrichtung ein Gehäuse 1 mit einer aufsetzbaren Kappe 3, die beispielsweise auf einer umlaufenden Schulter 5 sitzt. Das Gehäuse 1 mit der Kappe 3 kann dabei als Rundgehäuse in Form eines Zylinders ausgebildet sein und aus beliebigen Materialien bestehen.In the figure, the acceleration measuring device comprises a housing 1 with an attachable cap 3, which for example seated on a circumferential shoulder 5. The housing 1 with the cap 3 can be used as a round housing in Be designed in the form of a cylinder and consist of any materials.

Im oberen Gehäuseinnenraum 7 ist als piezoelektrischer Kristall ein Stab bzw. Stäbchen 9 angeordnet, der bzw. das über eine Einpunktverbindung nämlich einen Lötpunkt 11 an einem Träger 13 befestigt ist. Der Träger 13 ist leitend und besteht dazu beispielsweise aus einem Draht. Der Lötpunkt stellt eine Art Lötöse dar, die auch unter der Bezeichnung "gedrehte Lötteilo für Printplatten" bekannt ist.In the upper housing interior 7, a rod or rod 9 is arranged as a piezoelectric crystal, which Namely, a soldering point 11 is attached to a carrier 13 via a one-point connection. The carrier 13 is conductive and consists for example of a wire. The soldering point represents a kind of soldering lug, also known as "twisted soldering parts for printed circuit boards" is known.

Wie aus der Figur ferner zu ersehen ist, ist der Träger 13 auf einer Leiterplatte 15 befestigt, über die der obere Gehäuseinnenraum 7 mit dem Stäbchen 9 vom unteren Gehäuseraum 17 getrennt ist.As can also be seen from the figure, the carrier 13 is attached to a printed circuit board 15, over which the upper housing interior 7 is separated from the lower housing space 17 with the rod 9.

Die Leiterplatte 15 ist Bestandteil eines Spannungspegel konverters 19, auf dessen Funktion nachfolgend noch eingegangen wird. Auf der Oberseite der Leiterplatte 15 sind die nicht näher dargestellten Leiterbahnen und Lötpunkte 21 vorgesehen, über die die von der Gegenseite her eingesteckten aktiven und passiven Schaltelemente 23 des Spannungspegelkonverters 19 fest verlötet sind.The circuit board 15 is part of a voltage level converter 19, the function of which will be discussed below will. On the top of the circuit board 15, the conductor tracks and soldering points 21, not shown in detail, are provided, Via the active and passive switching elements 23 of the voltage level converter plugged in from the opposite side 19 are firmly soldered.

Der piezoelektrische Kristall in Form des Stäbchens 9 ist an seiner Ober- und Unterseite zumindests teilweise metallisiert, um die elektrischen Spannungen abzugreifen, die zum einen über den elektrisch leitenden Träger 13 und zum anderen über einen an der Oberseite des Stäbchens 9 angelöteten Draht 25 mit der Leiterplatte 15 verbunden ist. Von der Unterseite der Leiterplatte 15 führen noch Anschlußdrähte 27 über eine Bohrung 29 im Gehäuse 1 zur Weiterleitung der elektrischen Meßsignale heraus. Der untere Gehäuseinnenraum 17 mit den aktiven und passiven Schaltolementen 23 ist ferner noch über eine weitere Bohrung 31 mit einem Füllmaterial, beispielsweise Harz bzw. Epoxydharz ausgegossen. Die hierdurch bedingten tieftren Eigenfrequenzen führen zu deutHch verbesserten und unverfälschten Meßergebnissen. Damit sind auch unter harten Feldbedingungen die tiefen Eigenfrequenzen gewährleistet, die im Labor gemessen werden. Dadurch wird die Bohrung über eine Aufspannschraube 33 verschlossen, die mit einer Teilschaftlänge über die Gehäuseaußenwand übersteht, über die Aufspannschraube 33 kann die Beschleunigungsmeßeinrichtung an einem Körper eingeschraubt werden, dessen Beschleunigung zu messen ist.The piezoelectric crystal in the form of the rod 9 is at least partially metallized on its top and bottom, to tap the electrical voltages, on the one hand via the electrically conductive carrier 13 and on the other hand is connected to the circuit board 15 via a wire 25 soldered to the top of the rod 9. From the underside of the circuit board 15, connecting wires 27 lead through a hole 29 in the housing 1 for transmission of the electrical measurement signals. The lower housing interior 17 with the active and passive Switching elements 23 is also yet another hole 31 filled with a filler material, for example resin or epoxy resin. The resulting deep doors Natural frequencies lead to significantly improved and unadulterated measurement results. So are even under tough Field conditions ensures the low natural frequencies that are measured in the laboratory. This will make the hole closed by a clamping screw 33, which protrudes over the housing outer wall with a part of the shaft length the clamping screw 33, the accelerometer can be screwed into a body whose acceleration is to be measured.

1 I I 1 11 I I 1 1

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Abschließend wird noch darauf hingewiesen, daß die Kappe 3 am Gehäuse 1 beispielsweise verklebt oder verschweißt werden kann.Finally, it should be pointed out that the cap 3 is, for example, glued or welded to the housing 1 can.

Nachfolgend wird auf die Funktionsweise der Beschleunigungsmeßeinrichtung eingegangen.The function of the accelerometer is described below received.

Die Beschleunigungsmeßeinrichtung wird beispielsweise über die erwähnte Aufspannschraube 33 an einem Körper fest eingedreht, dessen Beschleunigung gemessen werden soll.Treten die Beschleunigungskräfte beispielsweise in der Z-Achse auf, so vollführt der piezoelektrische Kristall in Form des Stäbchens 9 des T-förmigen Meßwertaufnehmers Schwingungen, wie sie durch die Pfeile 35 gekennzeichnet sind. Diese Durchbiegung des Stäbchens 9 wird durch die Trägheit seiner Masse bewirkt. Es entsteht eine der Beschleunigung proportionale Spannung, die über den leitenden Träger 13 von der einen Seite und über den Draht 25 von der anderen Seite des dielektrischen Kristalls zur Leiterplatte 15 weitergeleitet wer-den. The acceleration measuring device is screwed in firmly on a body, for example via the clamping screw 33, whose acceleration is to be measured. If the acceleration forces occur, for example, in the Z-axis, then performs the piezoelectric crystal in the form of the rod 9 of the T-shaped transducer vibrations like them are indicated by the arrows 35. This bending of the rod 9 is caused by the inertia of its mass. The result is a voltage proportional to the acceleration, which is transmitted across the conductive support 13 by the one Side and over the wire 25 from the other side of the dielectric Crystals are forwarded to the circuit board 15.

Dort werden die abgegriffenen elektrischen Spannungen modifiziert, um das hochohmige Spannungssignal in ein niederohmiges Spannungssignal umzuwandeln. Über die Anschlußdrähte 27 wird dann dieses Signal einem nicht näher gezeigten Ablesegerät zugeführt.There the tapped electrical voltages are modified, to convert the high-resistance voltage signal into a low-resistance voltage signal. About the connecting wires 27 this signal is then fed to a reading device not shown in detail.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß Bewegungen der Beschleunigungsmeßeinrichtung in Richtung der X- und Y-Achse keine oder vernachlässigbare Signale erzeugen, so daß die Beschleunigung nur in einer Richtung, im gezeigten Beispiel in Z-Richtung gemessen werden.Finally, it should be noted that movements of the accelerometer in the direction of the X and Y-axis generate no or negligible signals, so that the acceleration is only in one direction, in the shown Example can be measured in the Z-direction.

M MtlM Mtl

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Wie aus dem Querschnitt in der Zeichnung zu ersehen ist, ist der Meßwertaufnehmer im Prinzip T-förmig ausgebildet mit einem querliegeriden Stäbchen 9 als piezoelektrischen Meßelement. Grundsätzlich sind natürlich auch Abweichungen der Forin möglich, indem beispielsweise das Stäbchen lediglich an einem Stirnende an einem Träger befestigt ist. Anstelle des Stäbchens kann aber auch beispielsweise eine gewisse Plattenform verwendet werden, obgleich sich die Ausführungsform nach dem gezeigten Beispiel als äußerst günstig erwiesen hat. Neben natürlichen piezoelektrischen Kristallen können für das Stäbchen 9 vor allem auch keramische Materialien, wie z. B. Titanate und Niobate verwendet werden, die einen guten piezoelektrischen Effekt zeigen. Neuerdings können auch Kunststoffe verwendet werden, die ebenfalls den Piezoeffekt aufweisen.As can be seen from the cross section in the drawing, the transducer is basically T-shaped with a transverse rod 9 as a piezoelectric measuring element. In principle, of course, there are also deviations The form is possible, for example, in that the stick is only attached to a support at one end of the face. Instead of of the rod can also be used, for example, a certain plate shape, although the embodiment has proven to be extremely favorable according to the example shown. In addition to natural piezoelectric crystals can for the rod 9 especially ceramic materials such. B. titanates and niobates are used that show a good piezoelectric effect. Recently, plastics can also be used that also have the piezo effect.

Claims

* · Fr t · · PA4TEJiTAJNVy ^ tTE; ··; ·,:. ANDRAE FLÄCH - '' HAUGT 'KNEISSL EUROPEAN PATENT ATTORNEYS PiUnUnwmU Dlpl.-Phyi. Fl «ch. M «x-Jo» »fi-PI« l2 6. D-MOO Rotanhelm. ROSENHEIM Dipl.-Phys. Dieter Flach Max-Josefs-Platz β D-8200 Rosenheim Telephone: (08031) 17352 Telegram: Physicist Rosenhelm MÖNCHEN Dipl.-Chem. Dr. Steffen Andrae Dipl.-Ing. Dietmar Hang Dipl.-Chem. Dr. Richard Kneissl Steinstrasse 44 D-8000 Munich 80 Telephone: (089) 462099 Telegram: pagema Munich Telex: 5216281 afho el Keller AG für Druckmeßtechnik, CH-8404 Winterthur G 9 Acceleration measuring device Claims: 10

1. Accelerometer with a mass and adjacent piezoelectric transducer, on the opposite side lying transversely to the direction of movement and at least partially conductive sides, the pressure signal is removable, characterized in that the mass is formed by the piezoelectric transducer (rod 9) itself and this at least one One-point attachment (soldering point 11) is attached to a support (13), and that the piezoelectric transducer (rod 9) is attached to the support (13) in a deflectable manner in accordance with the acceleration forces.

2. Beschieunigungsmeßeinrichtung according to claim 1, characterized in that the piezoelectric transducer (rod 9) is attached in its center to the carrier (13) in cross section T-shaped.

3. Acceleration measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier (13) is aligned parallel to the direction of acceleration, consists of a conductive wire and takes on the piezoelectric Meßwertauf:

(Rod 9) is soldered on one of the two conductive sides.

4. Beschieunigungsmeßeinrichtung according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the carrier (13) with the piezoelectric transducer (rod 9) is attached to a circuit board (15) of a Spaiinungspegelkonverters.

5. Acceleration measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that active and passive switching elements (23) are arranged on the side of the circuit board (15) opposite from the piezoelectric transducer (rod 9).

6. Acceleration measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that on the side of the circuit board 115 facing the piezoelectric transducer (rod 9), the conductor tracks with soldering points for the active and passive switching elements (23) are provided.

7. Acceleration measuring device according to one of the claims? 1 to 6, characterized in that another wire

(25) from the top of the piezoelectric transducer (rod 9) from a soldering point (22) to the circuit board (15) leads.

8. Accelerometer according to one of claims 1 to 7, characterized in that the circuit board (15) inside the housing (1) has an upper housing interior (7) with the piezoelectric transducer (rod 9) from a lower housing interior (17) with the active and passive switching elements (23) separates.

9. Accelerometer according to one of claims 1 to 8, characterized in that the lower housing interior (17) with the active and passive switching elements (23) is poured, preferably with resin or epoxy resin.

10. Accelerometer according to one of claims 1 to 9, characterized in that a closable filler bore (31) for pouring out the lower housing interior (17) is provided in the housing (1).

11. Accelerometer according to one of claims 1 to 10, characterized in that the housing (1) is glued or welded moisture-tight via a cap (3) for receiving the piezoelectric transducer (rod 9).

12. Accelerometer according to one of claims 1 to 11, characterized in that the piezoelectric transducer consists of ceramic.