NO864954L

NO864954L - Krafttransduktor med vibrerende stav.

Info

Publication number: NO864954L
Application number: NO864954A
Authority: NO
Inventors: William C Albert
Original assignee: Singer Co Kearfott Division
Priority date: 1986-03-20
Filing date: 1986-12-09
Publication date: 1987-09-21
Also published as: IL80565A0; GB2188149B; SE8700008L; AU6755287A; SE8700008D0; JPS62229039A; DE3709096A1; NO864954D0; IT1203504B; IL80565A; IT8719482A0; CA1261929A; GB2188149A; GB8627717D0; US4658174A; FR2596152A1

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt vibrerende stavreso-natorer og mer bestemt isolasjonssystemet i en vibrerende stavresonator.

En vibrerende stavresonator benyttes i et akselerometer med vibrerende stav, til måling av akselerasjonen av bly eller for bruk i forbindelse med raketter. En vibrerende stav har en oppbygning med visse strengelignende egenskaper ved at vibrasjonsfrekvensen øker om den vibrerende stav blir utsatt for strekkpåkjenninger. Omvendt hvis trykkpåkjenninger virker på den vibrerende stav, vil vibrasjonsfrekvensen avta som reaksjon på den kraft som utøves. Ved å benytte en vibrerende stavresonator, vil man således kunne få en utgang som representerer den kraft som ble utøvet på den vibrerende stavresonator. Denne utgang kan, siden den kan måles i digitalt format, lett tilpasses eksisterende digitale datamaskiner. Fra denne måling kan således hastigheten på et fartøy og den distanse fartøyet har tilbakelagt lett bestem-mes. For å kunne utføre nøyaktig bestemmelse av kraften, er det imidlertid ønskelig at vibrasjonsfrekvensen for den vibrerende stav er en sann og nøyaktig representasjon av den aksiale påkjenning staven blir utsatt for. Da den vibrerende stav er forbundet med en festeanordning, vil det imidlertid alltid være en viss energi som går tapt på grunn av det faktum at festeanordningen må motstå kreftene og momentene som skapes av den vibrerende stav. Dette fører til en reduksjon i Q faktoren for resonatoren, d.v.s. forholdet mellom den totale energi pr. periode og den energi som går tapt pr. periode. En reduksjon i Q verdien betyr at reso-natorens frekvensstabilitet blir forringet. For å begrense energitapet i resonatoren, må derfor en høy Q verdi opprett-holdes .

Et tidligere kjent isolerende festesystem for en resonator er beskrevet i US PS 3.470.400. I henhold til dette patent må tyngdepunktet for isolatormassen som er festet til den vibrerende stav for å eliminere energitap, anbringes på et meget nøyaktig sted i planet for lengdeaksen gjennom den vibrerende stav. Ved denne plassering, fremholdes det i patentskriftet, kan de aksiale reaksjoner utligne hverandre. Imidlertid er de kriterier som patentet foreskriver ofte vanskelige å oppnå. Der det f.eks. er ønskelig å bevege tyngdepunktet for isolatormassen fra det som er foreskrevet i patentet til et punkt som ligger lenger ut fra den vibrerende stav, må en tilleggsvekt føyes til isolatormassen, hvorved det oppstår forskjellige type problemer fordi oppbygningen ikke lenger oppviser de bestemte kriterier.

Foreliggende oppfinnelse er en heldig løsning på de nevnte problemer ved at man i stedet for å konsentrere tyngdepunktet for isolatormassen, tar i betraktning plasseringen av isolatorfJærene som benyttes for å forbinde isolatormassen med festeanordningen. Man får dermed en større fleksibilitet når det gjelder konstruksj onsgeometrien for en resonators isolasjonssystem.

Ved videre å benytte foreliggende oppfinnelse sammen med de informasjoner som finnes i det nevnte patentskrift, vil man oppnå en konstruksjon av et isolasjonssystem for en resonator der man eliminerer uønskede resonanser nær grunnfrekvensen for den vibrerende stav.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningene der: Fig. IA og IB er tidligere kjente resonatorkonstruksjoner som omhandlet i det tidligere nevnte patent,

fig. 2 er et diagram for konstruksjonen som er vist på figurene IA med denne delt opp i tre deler,

fig. 3 viser bare hovedreaksjonene for det tredelte diagram på figur 2,

fig. 4 viser overføring av reaksjonene til tyngdepunktet i konstruksjonen på figur 3,

fig. 5 viser en isolatormasse som har fått tilføyet et overheng,

fig. 6 viser et vibrerende stavsystem med en isolatormasse,

fig. 7 viser kraft-og momentreaksjonene ved roten av den vibrerende stav,

fig. 8 viser de giometriske steder for bevegelser i en isolasjonsmasse,

fig. 9 viser et isolasjonssystem i henhold til oppfinnelsen,

fig. 10 viser en utførelse av en fullstendig avstemt A-ramme resonator og

fig. 11 viser en alternativ utførelse for isolasjonssystemet i henhold til oppfinnelsen.

På figur 1 er det vist en vibrerende stavkonstruksjon som omhandlet i det tidligere nevnte US PS 3.470.400. For oversiktens skyld er bare en halvdel av konstruksjonen gjengitt og betegnet med 2. Mer i detalj er en vibrerende stav 4 forbundet med en isolatormasse 6 som har to ben 6A og 6B som rekker over den vibrerende stav 4. Konstruksjonen 2 har videre et endefeste 8 og etpar parallelle isolatorfJærer 10 og 12. Isolatormassen 6 er ved en basis 14 forbundet med paret av parallelle i solatorf Jærer som på sin side er forbundet med endefestet 8. Som forklart i det nevnte patent er formålet med den geometri som er vist på figur IA å holde Q faktoren så høy som mulig, slik at reaksjonskreftene i den vibrerende stav, d.v.s. bøyningsmomentet M og skjærkraftreaksjonen Y, som oppstår ved den vibrerende stavs rot 16 ikke vil bli overført til endefestet 8. Med andre ord er isolatorfjærene og isolatormassen benyttet for å hindre energitap fra den vibrerende stav. Naturligvis må man være klar over at staven 4 bringes til å vibrere av en elektronisk svinge-krets som er almindelig kjent og derfor ikke vist.

Ved denne utførelse skal kombinasjonen av isolatormasse 6 og isolatorfJærer 10 og 12 ha en meget lav egenfrekvens, d.v.s. sammenlignet med frekvensen for den vibrerende stav. For eksempel vibrerer den vibrerende stav i et typisk tilfelle med en frekvens på 40 kHz, men egenfrekvensen for isola-sj onssysternet i isolatoren er bare omtrent 5-6 kHz. For-skjellen i frekvensene mellom den vibrerende stav og isolatorsystemet hjelper til med å redusere skjærkraftreaksjonen ved roten 16 for den vibrerende stav 4. I tillegg til skjærkraftreaksjonen fremkommer det imidlertid ved roten 16 en bøyemoment reaksjon M som er en vinkelstilt reaksjon som prøver å innføre vinkelmomenter i isolasjonsmassen 6 der de motvirkes av aksiale krefter som skapes i isolatorfJærene 10 og 12.

På figur IB er resonatorutførelsen som er vist på figur IA, der den er i hvilestilling, vist ved maksimal avbøyning.

Figur 2 viser et diagram med utførelsen delt opp i tre legemer der man ser alle momentreaksj oner, skjærkraf treak-sjoner og kraftreaksjoner som finnes i utførelsen på figur IB. Momentene er betegnet med M, skjærkraftreaksjonene er betegnet med V og de aksiale reaksjoner er betegnet med F. Som vist er tyngdepunktet C.G. og stavens rot adskilt fra hverandre med avstanden r. Da figur 2 bare viser halvparten av en resonatorkonstruksJ on, er lengden av den vibrerende stav 4 betegnet som Lg/2. Under forutsetning av at skjær-kraft- og momentreaksjonene for isolatorfJærene 10 og 12 er ubetydelige sammenlignet med treghetsreaksjonene i isolatormassen ved stavfrekvensen, er den aksiale reaksjon fra den vibrerende stav 4 ubetydelig og siden de aksiale krefter i isolatorfJærene 10 og 12 også er ubetydelige, kan isolatormassen 6 på figur 2 reduseres til det som er vist på figur 3.

Ved å ta inn alle reaksjonene ved tyngdepunktet C.G. for isolatormassen 6, kan oppbygningen på figur 3 reduseres ytterligere til det som vist på figur 4, der et nettomoment Mg-rVg er vist. Settes Mg-rVg=0og ved å benytte det forhold mellom Mg og Vg som finnes i Us Ps 3.470.400, kan det vises at r=0.215 Lg. Dette er betingelsen for fullkommen avstem-ming av stavkonstrurksjonen som er vist på figur 1. Av dette er det klart at ifølge informasjonen i det nevnte US PS, må tyngdepunktet for isolatormassen anbringes på et meget nøye angitt sted for å resultere i et isolasjonssystem som benytter treghetsreaksJoner for å utligne de momentreaksjoner som oppstår ved roten av den vibrerende stav.

Imidlertid er de kriterier som fremsettes i det nevnte patent vanskelige å imøtekomme. Hvis det for eksempel er ønskelig å flytte tyngdepunktet C.G. ut en avstand X som overskrider den grense det nevnte patent angir (L/6 til L/4) må et stort overheng 20 føyes tilisolatormassen 6. Se figur 5. Ved å føye til overhenget 20, vil en ganske betydelig ekstra vekt bli føyet til isolatormassen. Denne ekstra vekt skaper forskjellige problemer så som for eksempel det faktum at isolatormassen selv kan få en frekvens som ligger nærmere frekvensen for den vibrerende stav og derved forverrer reaksjonene på skjærkraften. Hvis man dessuten har en eventuell mistilpasning, enten på grunn av lineær forskyvning av isolatormassen eller på grunn av vinkelbevegelse av isolatormassen, vil man få en viss overføring av stavrotens momentreaksjoner og skjærkraftreaksjoner til festeanordningen. Hvis for eksempel isolatorsystemet ikke er perfekt avstemt, d.v.s. Mg = rVg, vil isolatormassen forsøke å dreie seg og derved bringe en aksial reaksjon Fg til å opptre ved isolatorfJærene. Se figur 2. Det kan vises at den resulte-rende momentreaksjon Mjj ved endefestet er et resultat både av isolatorfJærenes reaksjoner og treghetsreaksjoner etter den vanlige ligning som gjelder overføringsegenskaper.

Et ikke fullkomment avstemt isolatormasse-vibrerende stavsystem med en vinkelbevegelse Øj og en lineær bevegelse Yj er vist på figur 6. Som forklart tidligere kan den lineære bevegelse Yjbehandles med de informasjoner som finnes i det tidligere nevnte patent. Vinkelbevegelsen Øj behandles med de informasjoner som finnes i det tidligere nevnte patent. Vinkelbevegelsen Øj blir imidlertid et problem. På grunn av de kombinerte lineære bevegelser og vinkelbevegelser, dannes det knutepunkter 22 og 24 langs lengdeansen for isolatormasse

- vibrerende stav systemet. Det kan lett vises at konstruksjonen på figur 6 kan deles opp i diagrammet med frie legemer på figur 7, der momentreaksjonene og skjærkraftreaksjonene, såvel som avstanden djj mellom tyngdepunktet C.G. for isolatormassen og knutepunktet, i dette eksempel 22, er vist. For oversiktens skyld, er igjen bare halvparten av konstruksjonen på figur 6 vist på figur 7. Ved å utnytte grunnligninger for lineærbevegelse og vinkelbevegelse sammen med figur 6, kan det vises at de følgende ligninger representerer den lineære bevegelse Yjog vinkelbevegelsen Øj

der Vg = skjærkraftreaksjonen for den vibrerende stav

Mj = massen i isolatormassen

Wg = egenfrekvens for den vibrerende stav.

Av figurene 6 og 7 kan man se at forholdet mellom Bjj, Yj og Øj er slik:

Etter innføring av ligningene 1 og 2 i 3, blir en ligning som representerer avstanden mellom et knutepunkt og tyngdepunktet i isolatormassen slik:

Ved dette punkt skal det påpekes at om Mg/Vj}=r, blir djj=°°. Dette er det fullkomment avstemte forhold fra det tidligere nevnte patent, der to isolatorfJærer står parallelt med hverandre.

På figur 8 er det i isolatormassen 26 vist overgangspunkter A og B, der isolatorf Jærene skal festes. På grunn av de kombinerte lineære bevegelser og vinkelbevegelser dannes de respektive geeometriske steder for punkter som vist ved linjene 28 og 30 og de passerer gjennom punktene A og B. Disse linjer er som vist vinkelstilt i forhold til X og Y aksene. Man skal merke seg at isolatormassen 26 vil bli orientert i den stilling som er vist med den stiplede isolatormasse 26B, der isolatormassen er fullkomment avstemt som tilfellet var i utførelsen i det nevnte patent. Det skal videre fremheves at om isolatormassen 26 er orientert i den stilling som er angitt med isolatormassen 26B, vil de geometriske steder 28 og 30 være orientert i Y retningen, i forhold til X og Y aksene. Når man nå ser på isolatormassen 26 slik den står med heltrukken linje, vil man lett se at de geometriske steder 28 og 30 står slik at hvis tenkte linjer 281 og 301 trekkes fra de tilsvarende punkter A og B til knutepunktet 32, vil de geometriske steder for bevegelsene 28 og 30 bli orientert perpendikulært på knutepunktet 32.

Utnyttes ideen om at der isolatorfJærer er koblet til isolatormassen ved overgangen som er antydet med punktene A og B på en slik måte at de ville skjære hverandre i et knutepunkt som tidligere var blitt bestemt på grunnlag av de ovennevnte ligninger, vil man lett se at isolatorfJærene tvinges til å bevege seg i deres mest ettergivende retning, d.v.s. hvis isolatorfJærene er forbundet med isolatormassen 26 i punktene A og B, slik at avbøyningen byr på den minste reaksjon, skal aksen for isolatorfJærene være perpendikulær på en bevegelsesretning og vil møtes ved knutepunktet. Dermed må vinklene for isolatorfJærene orienteres på en slik måte at den tilhørende akse for isolatorfJærene står perpendikulær på det tilhørende geometriske sted for bevegelsen ved punktene A og B. Denne vinkelstilling av isolatorfJærene fra en isolatormasse er vist på figur 9.

Hvis man behandler bare den venstre del av utførelsen på figur 9, ser man at isolatormassen 40 er koblet til et endefeste 38 ved hjelp av isolatorfJærer 34 og 36. Som vist skjærer aksene for isolatorfJærene 34 og 36, representert med stiplede linjer 341 og 361 hverandre i knutepunktet 32. Videre er aksene 341 og 361 perpendikulære på de geometriske steder for bevegelsene 28 og 30. Man skal naturligvis være klar over at i sol at or f J ær ene er forskjøvet fra planet parallelt med lengdeaksen for den vibrerende stav med en vinkel 0^, som vist i forhold til isolatorfJæren 34. Selv om knutepunktet 32 er vist liggende inne i endefestet 38 i konstruksjonen på figur 9, skal man være klar over at knutepunktet der aksene for isolatorfJærene skjærer hverandre ikke nødvendigvis må ligge inne i endefestet. For eksempel, som vist på figur 10, er knutepunktet 42 lagt utenfor endefestet 44. Dette skyldes det faktum at utførelsen på figur 10 har en annen geometri enn den som er vist på figur 9. Følgen av dette er at de geometriske steder for bevegelsen 46 og 48 i utførelsen på figur 10, som kan kalles en A ramme resonator, ligger i forskjellige områder på isolatormassen 50. Selv om aksene for isolatorfJærene 52 og 54 er perpendikulære på de geometriske steder for bevegelsene

46 og 48, skjærer i hverandre ved knutepunktet 42 i et punkt utenfor endefestet 44. Det følger nødvendigvis at vinkelen 0^for A ramme resonatoren er mindre enn den samme vinkel ved utførelsen på figur 9. Det skal også fremheves at knute punktet, i stedet for å ligge for eksempel til venstre for endefestet 44, kan ligge til høyre for dette. Dette er vist på figur 11.

Slik den er tegnet viser figur 11 en alternativ utførelse for isolasjonssystemet for en vibrerende stavresonator. Som vist skjærer aksene 561 og 581 for isolatorf Jærene 56 og 58 hverandre ved knutepunktet 64 ved en stilling som ligger inne i isolatormassen 62. Årsaken til dette er at geometrien for isolatormassen 62 er helt forskjellige fra den man finner på de tidligere figurer. Følgen av dette er at i stedet for å skjære hverandre i et knutepunkt som ligger til venstre for basis 64 for endefestet 60, skjærer aksene for isolatorfJærene hverandre i et knutepunkt som ligger til høyre for basis 66 for isolatormassen 62. Man ser dermed at isolatorfJærene kan være vinkelstilt i begge retninger som strekker seg skrått mot endefestet eller strekker seg skrått mot isolatormassen .

Selv om foreliggende oppfinnelse beskriver en ny isolatorut-førelse og en ny fremgangsmåte til frembringelse av denne utførelse, skal det påpekes at en kombinasjon av foreliggende oppfinnelse med det som er omhandlet i US PS 3.470.400 er mulig. For eksempel kan det være meget lettere, ved frem-stillingen, å Justere både plasseringen av tyngdepunktet for isolatormassen og vinkelen for isolatorf Jærene enn bare å Justere en av dem.

Selv om en foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen er beskrevet som forklaring, vil mange forandringer, modifika-sjoner, endringer, erstatninger og ekvivalenter helt eller delvis gi seg selv for fagfolk på det området oppfinnelsen angår. I henhold til dette skal beskyttelsesomfanget bare være begrenset av kravenes ånd og ramme.

Claims

1. Anordning, karakterisert ved at den omfatter: En del som er innrettet til å vibrere i et plan langs lengdeaksen, innretninger som er forbundet med delen for å holde denne i vibrasjon ved en karakteristisk frekvens, en isolatormasse forbundet med hver ende av delen, hvilken isolatormasse innbefatter en basis som strekker seg på tvers av lengdeaksen i begge retninger, et endefeste som står parallelt med og i avstand fra basis for hver isolatormasse og et par ikke parallelle isolatorfJærer som står i avstand fra hverandre og forbinder hver isolatormasse med det tilsvarende endefeste, idet hver isolatorfJær står perpendikulært på et geometrisk sted for bevegelse liggende nær ved basis for isolatormassen, hvilket geometriske sted for bevegelsen skjærer det punkt i den nevnte basis der isolatorf Jæren er forbundet med isolatormassen og hvilket geometriske sted for bevegelse representerer bevegelsesretningen for de kraftre-aksj oner og momentreaksjoner som fremkommer ved roten av den vibrerende del, hvorved energitapene fra den vibrerende del stort sett blir eliminert.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver ikke parallell isolatorfjær som står i avstand fra en annen er vinkelstilt på skrå mot lengdeaksen for basis for isolatormassen mot det tilhørende endefeste, mens de respektive akser for isolatorf Jærene skjærer hverandre i et knutepunkt som ligger i en retning bort fra den vibrerende del og sammenføyningen der fjærene er forbundet med den nevnte basis.

3. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver ikke parallelle isolatorfjaer som står i avstand fra en annen, er skråttstilt i vinkel mot lengdeaksen fra det tilsvarende endefeste til basis for isolatormassen, mens aksene for isolatorfjærene skjærer hverandre i et knutepunkt i avstand fra det punkt på isolatormassen der fjærene er festet.

4. Anordning som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved at den vibrerende del er en stav.

5. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den er utført av piesoelektrisk materiale.

6. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den er utført av kvarts.

7. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den er utført av metall.

8. Fremgmangsmåte til å motvirke energitap fra den vibrerende del i en anordning som omfatter en slik del, med en isolatormasse festet til hver ende av den vibrerende del og et endefeste anbragt i avstand fra hver isolatormasse, karakterisert ved at den omfatter: Innføring av et par ikke parallelle isolatorfjærer i avstand fra hverandre mellom hver isolatormasse og det tilhørende endefeste som forbindelse mellom isolatormassen og det tilhørende endefeste, anbringelse av hver isolatorf jaer perpendikulært på en geometrisk sted for en bevegelse, beliggende i isolatormassen der det geometriske sted for bevegelsen skjærer sammenføy-ningspunktet der isolatorfJæren er forbl indet med isolatormassen og hvilket geometriske sted representerer bevegelsesretningen for de kraftreaksjoner og momentreaksjoner som fremkommer ved roten av den vibrerende del, for derved å motvirke energitap fra den vibrerende del.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert ved at anbringelsestrinnet videre omfatter: Vinkelstilling av hver isolatorfJær på skrått fra basis for isolatormassen mot det tilsvarende endefeste og retningen av aksene for isolatorfJærene mot lengdeaksen for den vibrerende del, slik at de skjærer hverandre i knutepunktet i retning bort fra den vibrerende del og fra sammenføyningspunktene på isolatormassen, der isolatorfJærene er festet.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert ved at anbringelsestrinnet videre omfatter: Vinkelstilling av hver isolatorfjær skrått fra det tilhørende endefeste mot isolatormassen, innretning av aksene for isolatorfJærene mot lengdeaksen for den vibrerende del, hvilke akser dermed skjærer hverandre i et knutepunkt som ligger i avstand fra sammenføyningspunktene på isolatormassen der fjærene er festet.