NL8400061A - Versnellingsmeter met bundelresonatorkrachtomzetter. - Google Patents

Description

P*c .,- .

• Ui 5560-25 Ned.M/EvF

Korte aanduiding: Versnellingsmeter met bundelresonatorkrachtomzetter.

De uitvinding heeft betrekking op een versnellingsmeter voorzien van een scharnierende proefmassa in bedwang gehouden door een bundelresonatorkrachtomzetter.

Een versnellingsmeter, die gebruik maakt van een bundelresonator-5 krachtomzetter om de beweging van de proefmassa te bedwingen, bezit voordelen in vergelijking met een met een servomechanisme uitgeruste versnellingsmeter en wel wat betreft eenvoud, lage kosten en een inherent daaraan zijnde digitale uitvoer. De bundelomzetter wordt in een typerend geval gemaakt uit kwarts, dat zeer bros iifnövereenkomstig moet bescherming 10 verschaft worden tegen invoeren, die het toelaatbare bereik overschrijden.

Bet gebruik van mechanische stoppen of aanslagen is bekend. De beweging van de proefmassa moet echter kleiner zijn dan 0,00254 mm. Het is moeilijk een versnellingsmeter te vervaardigen met stoppen of aanslagen, die zulke kleine afmetingen zullen handhaven over een groot temperatuur bereik.

15 Een eerste kenmerk van de uitvinding is de verschaffing van een versnellingsmeter met een meegevende montage voor de bundelomzetter, waardoor de proefmassa een' grotere beweging kan uitvoeren zonder beschadiging van de omzetter. De vereiste precisie bij het afstellen van de mechanische aanslagen wordt dus verminderd. ' 20 Een ander kenmerk is dat de proefmassa scharniert aan een basis en dat de bundelomzetter verbonden is met de proefmassa in een tussen-gelegen punt, terwijl de mechanische aanslagen zodanig geplaatst zijn dat zij kontakt maken met het uiteinde van de proefmassa. De beweging van de proefmassa aan het uiteinde is groter dein de beweging die wordt 25 meegedeeld aan de bundelomzetter. Ook nu weer is de vereiste precisie bij het afstellen van de mechanische aanslagen verminderd.

Een verder kenmerk is het verschaffen van een demping, waarbij een viskeuze gasfilm wordt weggeperst in een nauwe spleet, en dit in combinatie met de meegevende montuur. Deze combinatie vergroot de ver-30 houding van dempingskracht tot herstelkracht, waarbij de reactie van de proefmassa op mechanische resonanties zo klein mogelijk gemaakt wordt zonder op nadelige wijze de gevoeligheid van de versnellingsmeter te beïnvloeden.

Nog een ander kenmerk van de uitvinding is dat de bundelomzetter 35 verbonden is met de proefmassa in het slagcentrum van de proefmassa. Deze geometrische betrekking brengt de trillingsgevoeligheid van de versnellingsmeter tot een minimum, terug.

8400061 ί- * - 2 -

De uitvinding sal hieronder aan de hand van enige in de figuren der bijgaande .tekeningen weergegeven uitvoeringsvoorbeelden nader worden toegelicht.

Figuur 1 is een schematische illustratie van een eerste uit-5 voeringsvorm van de uitvinding; figuur 2 toont een schematische voorstelling van een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding; figuur 3 toont een schematische voorstelling van weer een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding; 10 figuur 4 geeft een langsdoorsnede door een versnellingsmeter, waarin de uitvinding is belichaamd; en figuur 5 geeft een aanzicht in perspectief in uitgetrokken toestand van een proefmassa en krachtomzettersysteem van de versnellingsmeter van figuur 4.

15 De basis, proefmassa en meegevende montuur van de hierin beschreven versnellingsmeter^^u^kunnen worden vervaardigd uit een integraal blok van natuurlijk of synthetische kwarts zoals door elektrochemisch etsen. De bundel resónante krachtomzetter is bij voorkeur van de stemvorkconstructie aan de beide einden, zoals uitvoerig geïllustreerd 20 in het Eer-Nisse-octrooi nr. 4.215,570 verleend op 5 augustus 1980. De krachtomzetter bezit een resonantiefrequentie die een functie is van de axiale kracht, waaraan het is onderworpen.

Onder verwijzing thans naar figuur 1 van de tekeningen wordt daarin een versnellingsmeter IQ geïllustreerd voorzien van een basis 11 25 met een proefmassa 12, die daarmede verbonden is via een scharnier of buigzame sectie 13.' De proefmassa reageert op versnellingscomponenten langs de gevoelige as aangegeven door de dubbelkoppige pijl 14. De bundelresónatorkrachtomzetter 16 bezit een einde 16a, dat verbonden is met de proefmassa 12, waarbij h-t andere einde 16b verbonden is met het 30 vrije einde 17 van een eenzijdig ingeklemde balk 18, die zich. uitstrekt vanaf de basis 11, aldus een meegaande montuur verschaffend voor de krachtsensor. Wanneer een versnelling de proefmassa 12 verplaatst uit haar evènwichtstoestand, buigt de balk 18 door. Een grotere beweging van de proefmassa kan plaatsvinden zonder de krachtgrenzen van de omzetter 35 te overschrijden, dan mogelijk is, indien het bundelomzettereinde 16b bevestigd is aan een starre montuur. Dienovereenkomstig kunnen aanslagen 19, 20 over een grotere afstand van elkaar verwijderd zijn en is de precisie vereist bij de vervaardiging verminderd.

840006? * . ;> - 3 -

De bundelomzetter 16 is verbonden met de proefmassa in een middelpunt van de proefmassa 12. De aanslagen 19, 20 zijn gelegen op de basis 11 can kontakt te maken met het uiteinde 12a van de proefmassa, aan de zijde afgewend van het buigpunt 13. Deze betrekking vergroot voorts 5 de toegestane afstand tussen de aanslagen en vermindert de nauwkeurige dimensievereisten bij de vervaardiging.

De vrijdragende balk 18, weergegeven in fig. 1, is de voorkeursuitvoeringsvorm van de meegaande montuur voor de in deze aanvrage geopenbaarde versnellingsmeter. Andere constructieve vormgevingen kunnen worden 10 gebruikt. De meegevende montuur zou bijvoorbeeld een bundel kunnen zijn, die geklemd of ondersteund wordt aan beide einden, waarbij de kracht-omzetter daarmee verbonden is nabij het centrum; of een lichaam belast in compressie, spanning of torsie om meegaandheid te verlenen.

De proefmassa 12 en de krachtömzetter 16 vormen een veer-15 massasysteem, dat een natuurlijke resonantiefrequentie bezit. Daarnaast is het systeem sterk ondergedempt. Indien de versnellingsmeter wordt bekrachtigd door een invoer nabij de natuurlijke resonantiefrequentie, zal er een scherpe piiek zijn in de uitvoer van de versnellingsmeter. Deze niet gelijkmatige reactie is ongewenst. Bovendien bij of nabij resonantie kan 20 de proefmassa een aanslagoppervlak zodanig treffen, dat geen bruikbare uitgang wordt verkregen.

Figuur 2 illustreert een constructie waarbij demping verkregen wordt door een perswerking op een filmlaag van een viskeus gas. Elementen die voorkomen in figuur 1, worden hier aangehaald met dezelfde verwijzings-25 Cijfers en zullen niet in detail beschrev en worden.

Een paar dempingsoppervlakken 23, 24 zijn aanwezig op de basis 11. De dempoppervlakken zijn aan elkaar evenwijdig en zeer dicht nabij het bovenste én het onderste oppervlak van de proefmassa 12. Beweging van de proefmassa veroorzaakt een wegpersen van het gas binnen de smalle 30 spleet 25, 26. De mate van demping zal variëren met het oppervlak en de afstand tussen de dempingsoppervlakken en met de druk en de viscositeit van het gas.

Figuur 3 toont een verdere modificatie van de versnellingsmeter.

Ook hier worden gelijke élementen voorzien van dezelfde verwijzingscijfers 35 als in de figuren 1 en 2, en daarvan zal geen gedetailleerde beschrijving worden gegeven. In figuur 3 zijn de dempingsoppervlakken 23', 24' geselecteerd zowel om demping te verschaffen, zoals in figuur 2, als om te dienen ails aanslagen in het geval dat de versnellingsinvoeren hun toelaatbare 84 0 0 0 6 f - 4 - .

bereik overschrijden.

De combinatie van de dempingswerking van de versnellingsmeters van figuren 2 en 3 met de meegaande montuur 18 voor de krachtomzetter 16 verschaft een versnellingsmeter, waarbij de verhouding van de dempings-5 kracht tot de terugdrijfkracht groter is dan indien de krachtomzetter gefixeerd is aan een star montuur. De meegaande resonatormontuur reduceert de effectieve veerkonstante van het proefmassa-krachtomzetter-systeem.

Figuren 4 en 5 illustreren een voorkeursuitvoeringsvorm van de 10 versnellingsmeter voorzien van twee proefmassa's 30, 31 die gevoelig zijn voor versnellingen langs dezelfde as, gemonteerd met de betreffende doorbuigorganen tegenover elkaar en waarbij de bundelresonante kracht-omzetters 32, 33 zodanig verbonden'zijn, dat wanneer de ene omzetter onder spanning verkeert, de andere samengedrukt wordt. De versnelling 15 wordt gemeten als functie van het verschil tussen de resonantiefrequenties van de beide bundelkrachtomzetters. Verdere details aangaande de afleiding van de versnelling uit de ómzetterfrequenties kunnen worden· gevonden in de hiervoor genoemde samenhangende aanvrage. De beide proefmassa-omzettersamenstellen zijn identiek en' slechts een ervan is weergegeven 20 in figuur 5 en zal hierin uitvoerig worden besproken.

Een cilindrische drager 35 bezit tegengesteld gerichte als zitting dienende oppervlakken 36, 37. De basis voor elke proefmassa omvat een montageëlement, dat opgenómen wordt in een van de als zitting fungerende oppervlakken. De drager 35 bezit een zich naar buiten uitstrekkende 25 ribbe 38, die zitting vindt op een cilindrisch, afstandsstuk 39, dat de twee proefmassa's samenstellen ondersteunt binnen het huis 40. Het deksel 41 heeft een electronicacompartiment 42.

De bovenste versnellingsmeter van figuur 4, die in uitgetrokken toestand wordt geïllustreerd in figuur 5, bezit een basis 45, die een 30 montagering 46 omvat. De proefmassa 30 is verbonden met de basis door een doorbuigende sectie 47. De montagering 46 is opgenomen op het . als zitting fungerende oppervlak 36 van de drager 35.

De proefmassa 30 is in het algemeen rechthoekig in omtrek en heeft dezëlfde dikte als de montagering 26. Een ovale opening 48 is 35 centraal gelegen in de proefmassa.

De bundelresonante krachtomzetter 32 is met het ene einde 50 verbonden met de wand van de opening 48 en het andere einde 51 is verbonden met het eindoppervlak 52 van een vrijdragende balk 53, die zich uitstrekt vanaf de basis 45 en een meegaande montuur verschaft.

8400061 - 5 -

Platen 56 en 57 zijn bevestigd aan het bovenste en onderste oppervlak van de montagering 47 en worden op hun plaats gehouden door bevestigingsorganen 58. Vulplaatjes 59 zijn geplaatst tussen de platen 56, 57 en de oppervlakken van de montagering 46, teneinde afstand te 5 scheppen tussen de oppervlakken vein de platen 56, 57 enerzijds en het bovenste en het onderste oppervlak van de proefmassa 30 anderzijds. De afstand wordt in figuur 4 overdreven weergegeven. De platen 56, 57 dienen als gecombineerde dempingsoppervlakken en aanslagen voor de proefmassa 30, zoals geïllustreerd schematisch in figuur 3.

10 Een circuitpaneel 62 is gemonteerd aan het bovenste oppervlak van de plaat 56 en draagt de elektronica, die behoort bij de resonante bundelkrachtomzetter 32. Een deksel 63 omsluit de componenten op het circuitpaneel.

Zoals het beste te zien is in figuur 4 bezit de wand van 15 opening 48 in de proefmassa 30 een stapje 65 in het oppervlak dat zich het dichtst bij het doorbuigorgaan 47 bevindt. Het einde 50 van de omzetter 32 is verbonden met het oppervlak 66, dat afgekeerd is van de vrijdragende balk 53. Het oppervlak 66 is zodanig geselecteerd dat het het slagcentrum van de proefmassa 30 omvat. Het slagcentrum is 20 dat punt in de proefmassa, waarbij de proefmassa ronduit geslagen kan worden zondèr te stoten of te botsen tegen de schamieras ^verschaft door het doorbuigorgaan 47. Deze geometrische betrekking brengt de gevoeligheid van de proefmassa voor trillingen van de versnellingsmeter tot een minimum, terug.

25 Er worden een aantal voordelen verkregen met de twee proefmassa- constructies, die in figuur 4 geïllustreerd zijn. Foutbronnen, die gemeenschappelijke mode-effecten produceren op beide proefmassa-kracht-omzettersystemen zullen worden gereduceerd. Bijvoorbeeld indien beide omzetters soortgelijke temperatuurscoëfficiënten bezitten, wordt de 30 temperatuurgevoellgheid van de combinatie aanzienlijk gereduceerd.

Een ander voorbeeld is de drift in de tijdbasis waartegen de uitgangsfrequenties van de omzetter worden gemeten. De terugdrijving bij de versnellingsmeter is zeer gevoelig voor tijdbasisveranderingen in een sensor met een enkelvoudige proefmassa. Indien proefmassa-35 omzettersamenstellen bij benadering op elkaar afgepast zijn, is de tijd-basisdrift in hoofdzaak een gemeenschappelijke mode (common mode)signaal, en wordt de terugdrijvingsgevoeligheid in sterke mate gereduceerd.

De ligging van de twee proefmassa's 30, 31 met hun doorbuig-1 organen tegenover elkaar veroorzaakt een eliminatie van de gevoeligheid 8400061 - 6 - van de beide proefmassa's voor dwars-asversnellingen.

Trillingsrectificatiefouten vinden plaats, wanneer de ver-snellingsmeter is onderworpen aan een oscillerende invoer die een periode bezit korter dan de periode voor het meten van de omzetterfrequenties.

5 Een niet-lineaire responsie van de omzetters veroorzaakt rectificatie van dergelijke oscillerende invoeren met een resulterende verschuiving in de versnellingsmeteruitvoer. Bij het samenstel van een dubbele proef-massa, waarbij de omzetters zodanig gemonteerd zijn dat de ene onder spanning verkeert en de andere onder compressie staat, hebben trillingsrec- 10 tificatiefouten de neiging om tegen elkaar weg te vallen.

15 8400061

Claims (21)

1. Versnellingsmeter voorzien van een basis, een proefmassa bevestigd aan de basis teneinde te reageren op een versnellings- en een bundelresonatorkrachtomzetter, die met zijn ene einde verbonden is met de proefmassa en met zijn andere einde verbonden is met de basis, waarbij 5 de uitgang van de Jcrachtomzetter een maat is voor de versnelling gemeten door de proefmassa, gekenmerkt door een meegaand montuur, geplaatst tussen het andere einde van de krachtomzetter en de basis om zich uit te strekken over het bewegingsbereik van de proefmassa zonder de kracht-omzetter te onderwerpen aan een buitensporige kracht.

2. Versnellingsmeter volgens conclusie 1, waarbij de meegaande montuur uitgevoerd is als een vrijdragende balk, die zich uitstrekt vanaf de basis en een vrij einde bezit, waarbij het andere einde van de krachtomzetter verbonden is met het vrije einde van de balk.

3. Versnellingsmeter volgens conclusie 1, met liet kenmerk, dat 15 de proefinassabasis en meegevende montuur een uit één stuk bestaande structuur van kwarts zijn.

4. Versnellingsmeter volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de meegevende montuur gevormd is als een vrijdragende balk,die zich uitstrekt vanaf de basis en een vrij ein dfe bezit, waarbij het andere 20 einde van de krachtomzetter verbonden is met het vrije einde van de balk.

5. Versnellingsmeter volgens conclusie 1, gekenmerkt door een aanslag op de basis, die geplaatst is voor ingrijping door de proefmassa teneinde door versnelling opgewekte beweging van de proefmassa in de ene richting te begrenzen.

6. Versnellingsmeter volgens conclusie 5, gekenmerkt door twee aanslagen op de basis, een aan elke zijde van de proefmassa, daar aangebracht voor ingrijping door de proefmassa teneinde de door de versnelling opgewekte beweging van de proefmassa in beide richtingen te begrenzen.

7. Versnellingsmeter volgens conclusie 5, omvattende een schamier- verbinding van de proefmassa met de basis, waarbij een krachtomzetter verbonden is met de proefmassa in een punt gelegen tussen het scharnier en het uiteinde van de proefmassa, en waarbij de aanslag zodanig geplaatst is dat deze wordt aangegrepen door het uiteinde van de proefmassa.

8. Versnellingsmeter volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de proefmassa een plat oppervlak bezit onder rechte hoeken met de versnellingsrichting, waarop de versnellingsmeter reageert, en waarbij 8400061 - 8 - r V » de aanslag een plat oppervlak heeft, dat gekeerd is naar het platte oppervlak van de proef massa, de haar elkaar wijzende platte oppervlakken en de gasachtige omgeving, waarin de versnellingsmeter een dempende beweging van de proefmassa bewerkt.

9. Versnellingsmeter voorzien van een basis, een proefmassa bevestigd aan de basis om te reageren op een versnelling, en een bundel-resonatorkrachtomzetter, waarvan het ene einde verbonden is. met de proefmassa en het andere einde met de basis, waarbij de uitgang van de kracht-omzetter een maat is voor de versnelling afgetast door de proefmassa, 10 waarbij de verbetering hierin bestaat dat het ene einde van de kracht-omzetter verbanden is met de proefmassa in het slagcentrum van de proefmassa.

10. Versnellingsmeter volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de proefmassa een centrale opening daardoorheen bezit, en het ene einde 15 van de krachtomzetter verbonden is met een wand van de opening van het register.

11. Versnellingsmetèr volgens- conclusie 10, met het kenmerk, dat de pas vlakken tussen de proefmassa en het ene einde van de krachtomzetter een afmeting bezit kleiner dan de dikte van de proefmassa.

12. Versnellingsmeter volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de tussenverbihding tussen de proefmassa en het ene einde van. de krachtomzetter verwijderd is van de verbinding van de krachtomzetter met de basis.

13. Versnellingsmeter volgens, conclusie 10, met het kenmerk, dat 25 een doorbuigbaar orgaan de proefmassa verbindt met de basis en, het vlak van de krachtomzetter evenwijdig loopt aan de buigas van het door-buigbare orgaan.

14. Dubbel uitgevóerde proefmassaversnellingsmeter bevattende een drager met twee tegenover elkaar gekeerde als zitting 30 dienende oppervlakken; een paar versnellingsmeters, die elk een basis bezitten, waaronder een montageëlemènt, een proefmassa, een scharnier dat de proefmassa verbindt met de basis voor scharnierende beweging teneinde te reageren op versnellingen en eeh bundelresonatorkrachtomzetter waarvan het ene einde 35 verbonden' is met de proefmassa en het andere einde met de basis; waarbij het montageëlement van elk van de versnellingsmeters opgenomen is in een van de als zitting fungerende oppervlakken van de drager, waarbij de gevoelige assen van de versnellingsmeter uitgericht en met'de scharnierassen van de proefmassa's evenwijdig en tegenover 8400061 “St -m - 9 - elkaar geplaatst zijn.

15. Versnellingsmeter volgens conclusie 14 gekenmerkt door dempings- organen voor de proefmassa en aanslagplaten bevestigd aan de montagering van elke versnellingsmeter.

16. Versnellingsmeter volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat de montageringen en proefmassa's dezelfde dikte bezitten en vulelementen bezitten tussen de montageringen en de aanslagplaten.

17. Versnellingsmeter volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat de als zitting fungerende oppervlakken van de drager alsook de montage- 10 ringen cirkelvonnig zijn.

18. Versnellingsmeter volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat de proefmassa's rechthoekig zijn.

19. Versnellingsmeter volgensrconclusie 14, met het kenmerk, dat het ene einde van elke bundelomzetter verbonden is met het slagcentrum 15 van de bijbehorende proefinassa.

20. Versnellingsmeter volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat het andere einde van elke bundelomzetter verbonden is met de bijbehorende basis via een meegevende montuur.

21. Versnellingsmeter volgens conclusie 20, met het kenmerk, dat 20 de meegevende montuur een vrijdragende balk is, die zich uitstrekt vanaf de basis en een vrij einde bezit, waarbij het andere einde van de bundelomzetter verbonden is met het vrije einde van de vrijdragende balk. 25 8400061 ,