NO834821L - Akselerometer - Google Patents

Abstract

Et akselerometer omfatter en hengslet prøvemasse, hemmet mot bevegelse av en kraft-transduser basert på bjelkeresonans. For å tillate større bevegelse av prøvemassene, og større vidde i plasseringen av mekaniske stoppere, er én ende av kraft-transduseren forbundet med akselerometerets hoved-del gjennom en ettergivende montering. Den andre enden av kraft-transduseren er forbundet med prøvemassen ved dennes slagsenter. Tilstøtende overflater av prøvemassen og hoved-delen anordner demping ved å tilføre trykk til en film av viskøs gass. Et par prøvemasse/kraft-transduser-systemer er montert på en bærer i motsatte stillinger, med prøvemassenes følsomme akser på linje med hverandre og prøvemassenes hengselakser parallelle og motsatt med hverandre.

Description

Oppfinnelsen angår et akselerometer med en hengslet prøvemasse, hemmet av en kraft-transduser basert på bjelkeresonans.

Et akselerometer som benytter eri kraft-transduser basert

på bjelkeresonans til å hemme prøvemassens bevegelse har fordeler i sammenligning med servostyrte akselerometere når det gjelder enkelhet, lave kostnader og iboende digitalt utgangs-signal. Den typiske bjelketransduser er fremstilt av kvarts-materiale, som er ganske sprøtt. Følgelig må det forsynes med en beskyttelse mot for høye inngangs-signaler. Bruken av mekaniske stoffer er kjent. Prøvemassens bevegelse må imidler-tid være under 0,00254 mm. Det er vanskelig å produsere et akselerometer med stoppere som vil holde så små dimensjoner over et temperaturområde.

Et trekk ved oppfinnelsen er at den frembringer et akselerometer med en ettergivende montering for bjelketransduseren, som tillater prøvemassen å ha større bevegelse uten å skade transduseren. Den nødvendige presisjon ved setting av mekaniske stoppere er således redusert.

Et annet trekk er at prøvemassen er hengslet til en hoved-del, og at bjelketransduseren er forbundet med prøvemassen ved et mellomliggende punkt, mens de mekaniske stoppere er plassert slik at de kommer i kontakt med enden av prøvemassen. Prøve-massens bevegelse ved enden er større enn bevegelsen som over-føres til bjelketransduseren. Igjen blir den nødvendige presisjon ved setting av de mekaniske stoppere redusert.

Et videre trekk er at demping av prøvemassen er anordnet ved en kombinasjon av den ettergivende montering og av trykk og viskositet i en gassfilm. Denne kombinasjon øker forholdet mellom dempekraften og tilbakestillings-kraften, og minimaliserer prøvemassens respons overfor mekaniske resonanser uten ugunstig effekt på akselerometerets følsomhet.

Enda et trekk ved oppfinnelsen er at bjelketransduseren er forbundet med prøvemassen ved prøvemassens slagsenter. Dette geometriske forhold minimaliserer akselerometerets følsomhet overfor vibrasjon.

Videre trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå fra den følgende beskrivelse og fra tegningene, hvor:

Figur 1 er en diagrammatisk illustrasjon av en utforming av oppfinnelsen;

Figur 2 er en diagrammatisk illustrasjon av en annen utforming av oppfinnelsen; Figur 3 er en diagrammatisk illustrasjon av en tredje utforming av oppfinnelsen; Figur 4 er et seksjonsriss i lengderetningen gjennom et akselerometer ifølge oppfinnelsen; og Figur 5 er et eksplosjonsriss i perspektiv av en prøve-masse og kraft-transduser-system av akselerometeret på figur 4.

Hoved-delen, prøvemassen og den ettergivende montering av akselerometeret som beskrevet her kunne fremstilles av en en-hetlig blokk av naturlig eller syntetisk kvarts, som ved elektro-kjemisk etsing. Kraft-transduseren basert på bjelkeresonans er fortrinnsvis av typen dobbelendet stemmegaffelkonstruksjon, som er illustrert i detalj i U.S. patent nr. 4.215.570. Kraft-transduseren av en resonans-frekvens som er en funksjon av den aksielle kraft transduseren blir utsatt for.

Figur 1 på tegningene viser et akselerometer 10 med en hoved-del 11 og en prøvemasse 12 forbundet til denne ved en hengsel- eller bøyeseksjon 13. Prøvemassen reagerer på kompo-nenter av akselerasjon langs den følsomme akse som indikert ved den dobbelendede pil 14. Kraft-transduseren 16 har en ende 16a forbundet med prøvemassen 12, og den andre ende 16b forbundet med den frie ende 17 av en kravebjelke 18, som strekker seg fra hoved-delen 11, og utgjør en ettergivende montering for kraft-sensoren. Når en akselerasjon forskyver prøvemassen 12 fra dens hvilestilling, bøyes bjelken 18. En større bevegelse av prøvemassen kan skje uten å overskride transduserens kraftgrense enn ville vært mulig hvis bjelketransduserens ende 16b var festet til en stiv montering. Følgelig kan stopperne 19 og 20 bli plassert lengre fra hverandre, og den nødvendige presisjon i produksjon av disse er redusert.

Bjelketransduseren 16 er forbundet med prøvemassen 12 ved dennes midtpunkt. Stopperne 19, 20 er plassert på hoved-delen 11 for å komme i kontakt med enden 12a av pr-øvemassen, langt fra bøyeseksjonen 13. Dette forhold øker den tillatte adskil-lelse mellom stopperne, og reduserer kravet til presisjon i fremstilling.

Kravebjelken 18, illustrert på figur 1, er den foretrukne form av ettergivende montering for akselerometeret ifølge denne søknad. Andre strukturelle utforminger kan benyttes.

Den ettergivende montering kunne f.eks. være en bjelke forbundet eller understøttet ved begge endene, og med kraft-transduseren forbundet nær dens sentrum, eller en del stres-set i kompresjon, strekk eller torsjon.

Prøvemassen 12 og kraft-transduseren 16 utgjør et fjær/ masse-system som har en naturlig resonans-frekvens. I tillegg er systemet sterkt underdempet. Hvis akselerometeret blir eksitert av et inngangs-signal nær den naturlige resonans-frekvens, vil det bli en skarp topp i akselerometerets utgangs-signal. Denne ujevne respons er uønsket. Ved eller nær resonans, kan dessuten prøvemassen slå mot en stopperflate, slik at intet brukbart utgangs-signal blir oppnådd.

Figur 2 illstrerer en struktur som frembringer demping gjennom en trykkaksjon mot en film av viskøs gass. Elementer som er felles med figur 1 er identifisert med det samme referansetall, og vil ikke bli beskrevet i detalj.

Hoved-delen 11 er forsynt med et par dempe-overflater 23 og 24. Dempe-overflåtene er parallelle med og nær den øvre og nedre overflate av prøvemassen 12. Bevegelse av prøvemassen bevirker sammenpressing av gassen inne i de smale gapene 25 og 26. Mengden av demping vil variere med overflaten og adskillelsen av dempeoverflåtene, og med trykket og viskositeten i gassen.

Figur 3 viser en videre modifikasjon av akselerometeret. Igjen er elementer som er felles med figurene 1 og 2 identifisert med det samme referansetall, og en detaljert beskrivelse vil ikke bli gjentatt. På figur 3 er dempe-overflåtene 23' og 24' valgt både for å gi dempning som på figur 2, og til å tjene som stoppere i tilfelle av akselerasjons-inngangs-signaler ut over akselerometerets område.

Kombinasjon av dempe-aksjonen i akselerometerne på figurene 2 og 3 med den ettergivende montering 18 for kraft-transduseren 16 frembringer et akselerometer i hvilket forholdet mellom dempekraft og tilbakestillings-kraft er større enn om kraft-transdusere er festet til en stiv montering. Den ettergivende resonator-montering reduserer den effektive fjær-konstant i prøvemasse-kraft-transdusersystemet.

Figurene 4 og 5 illustrerer en foretrukken utførelse av akselerometere, med to prøvemasser 30, 31, følsomme for akselerasjon langs den samme akse, og montert med de respek-tive bøyeseksjoner motsatt av hverandre, og med kraft-transduserne 32 og 33 forbundet slik at den ene transduseren er under strekk når den andre er under trykk. Akselerasjonen blir målt som en funksjon av forskjellen mellom resonans-frekvensene for de to bjelke-kraft-transdusere. Videre detalj-er hår det gjelder utledning av akselerasjonen fra transduser-frekvensene kan finnes i den ovennevnte søknad. De to prøve-masse-transduserenheter er identiske. Bare én er vist på

figur 5, og skal beskrives i detalj.

Den sylindriske bærer 3 5 har motsatt rettede sete-overflater 36 og 37. Hoved-delen for hver prøvemasse omfatter et monterings-element som blir mottatt i en av sete-overflåtene. Bæreren 35 har en utadrettet ribbe 38 plassert på et sylindrisk avstands-stykke 39, som understøtter de to prøvemasse-enhetene inne i huset 40. Dekselet 41 har et elektronikk-kammer 42.

Det øvre akselerometeret på figur 4, illustrert i eksplo-sjons form på figur 5, har en hoveddel 45 som omfatter en mon-teringsring 46. Prøvemassen 30 er forbundet med hoved-delen ved bøyeseksjonen 47. Monteringsringen 46 blir mottatt på sete-flaten 3 6 av bæreren 35.

Prøvemassen 30 er generelt rektangulær i form, og har den samme tykkelse som monteringsringen 46. En oval åpning 4 8 er plassert i sentrum av prøvemassen.

Bjelketransduseren 32 har en ende 50 festet til veggen av åpningen 48, og den andre enden 51 forbundet med endeflaten 52 av en kravebjelke 53 som stikker ut fra hoved-delen 4 5 og ut-gjør en ettergivende montering.

Platene 56 og 57 er festet til den øvre og.den nedre overflate av monteringsringen 47, og blir holdt på plass av feste-anordningene 58. Utfyllings-skivene .59 er plassert mellom platene 56, 57 og overflatene av monteringsringen 46, og skil-ler overflatene av platene 56, 57 fra øvre og..nedre overflate av prøvemassen 30. Adskillelsen er overdrevet på figur 4. Platene 56, 57 tjener som kombinert dempe-overflater og stoppere for prøvemassen 30, som illustrert diagrammatisk på figur 3 .

Et kretskort 62 er montert på den øvre overflate av

platen 56, og inneholder elektronikken forbundet med resonans-bjelke-transduseren 32. Et deksel 63 inneslutter komponentene på kretskortet.

Som best kan sees på figur 4, har veggene i åpningen 4 8

i prøvemassen 30 et trinn i den flaten som ligger nærmest bøyeseksjonen 47. Enden 50 av transduseren 32 er forbundet med overflaten 66 lengst borte fra kravebjelken 53. Overflaten 66 er valgt slik at den omfatter slagsenteret av prøve-massen 30. Slagsenteret av prøvemassen er det punkt hvor denne kan bli slått uten å ryste dreieaksen som er anordnet ved bøye-seksjonen 47. Denne geometriske forhold minimaliserer prøve-massens følsomhet overfor vibrasjon av akselerometeret.

Et antall fordeler blir oppnådd ved konstruksjonen med to prøvemasser som illustrert på figur 4. Feilkilder som genererer fellesmodus effekter på både prøvemasse/kraft-transduser-systemene vil bli redusert. F.eks., hvis begge transduserne har lignende temperaturkoeffisienter, vil temperaturfølsom-heten av kombinasjonen bli betydelig redusert.

Et annet eksempel er driften i timebasen mot hvilken transduser-utgangsfrekvensene blir målt. Forspenning av akselerometeret av meget følsom overfor endringer i tidsbasen i en sensor med en enkel prøvemasse. Hvis prøvemasse/transduser-enhetene er omtrentlig tilpasset, blir driften i tidsfasen primært et fellesmodus-signal, og forspennings-følsomheten er meget redusert.

Plasseringen av de to prøvemassene 30, 31 med sine bøye-seksjoner motsatt hverandre bevirker en kansellering av de to prøvemassenes følsomhet overfor akselérasjon på tvers av aksen.

Feil på grunn av vibrasjons-likeretting forekommer når akselerometeret blir utsatt for et oscillerende inngangs-signal med en periode som er kortere enn perioden for måling av transduser-frekvensene. Ikke-lineær respons av transduserne forår-saker likeretting av slike oscillerende inngangs-signaler, noe som resulterer i skifting av akselerometerets utgangs-signal. Når de to prøvemasse-enhetene har transdusere montert slik at én er under strekk og den andre under trykk, har feil på grunn av vibrasjons-likeretting en tendens til å oppheve hverandre.

Claims (10)

1. Et akselerometer med en hoved-del, en prøvemasse festet til hovecflelen for å reagere på en akselerasjon, og en kraft-transduser basert på bjelkeresonans, med én ende forbundet til prøvemassen og den andre enden forbundet med hoved-delen, hvor utgangs-signalet fra kraft-transduseren er et mål for akselerasjonen som føles av prøvemassen, karakterisert ved : en ettergivende montering plassert mellom den andre enden av kraft-transduseren og hoved-delen for å utvide bevegelses-området for prøvemassen uten å utsette kraft-transduseren for en for stor kraft.

2. Akselerometere ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte ettergivende montering er en kravebjelke som stikker ut fra den nevnte hoved-del og som har en fri ende, og hvor den andre enden av kraft-transduseren er forbundet med den frie ende av bjelken.

3. Akselerometere ifølge krav 1, karakterisert ved en stopper på den nevnte hoved-del, plassert for kontakt med den nevnte prøvemasse for å begrense akselerasjons-indusert bevegelse av prøvemassen i én retning.

4. Akselerometer ifølge krav 3, karakterisert ved en hengsel som forbinder prøvemassen til hoved-delen, en kraft-transduser forbundet med prøvemassen ved et punkt mellom hengselen og enden av prøvemassen, og hvor den nevnte stopper er plassert for kontakt med enden av prøvemassen.

5. Et akselerometer med en hoved-del, en prøvemasse festet til hoved-delen for å reagere på en akselerasjon, og en kraft-transduser basert på bjelkeresonans, med én ende forbundet til prøvemassen og den andre enden forbundet til hoved-delen, hvor utgangs-signalet av kraft-transduseren er et mål for akselerasjonen som føles av prøvemassen, karakterisert ved at den nevnte ene ende av kraft-transduseren er forbundet med prøvemassen ved prøvemassens slagsenter.

6. Akselerometer ifølge krav 5, karakterisert ved at prøvemassen har en åpning gjennom sitt sentrum, og at en av kraft-transduserne er forbundet med veggen av denne åpning.

7. Akselerometer ifølge krav 6, karakterisert ved at de tilsvarende overflater mellom prøvemassen og den ene ende av kraft-transduseren har en dimensjon som er mindre enn tykkelsen av prøvemassen.

8. Et akselerometer med to prøvemasser, omfattende en bærer med to motsatt rettede seteflater, et par akselerometere som hver har en hoved-del omfattende et monterings-element, en prøvemasse, en hengsel som forbinder prøvemassen med hoved-delen for en dreiende bevegelse som følge av akselerasjon, og en kraft-transduser basert på bjelkeresonans, med én ende forbundet til prøvemassen og den andre enden til hoved-delen, karakterisert ved at monterings-elementet for hver av akselerometerne blir mottatt på en av sete-flatene av bæreren, med den følsomme akse av akselerometerne på linje og med hengsel-aksene for prøvemassene parallelle og motsatt av hverandre.

9. Akselerometer ifølge krav 8, karakterisert ved at dempeanordning og stoppeplater for prøvemassene er festet til monteringsringen for hvert akselerometer.

10. Akselerometer ifølge krav 9, karakterisert ved at monteringsringene og prøvemassene er av den samme tykkelse og har fyllings-skiver mellom monteringsringene og stoppeplatene.