DE2712359A1

DE2712359A1 - Elektromechanisches beschleunigungs- messgeraet

Info

Publication number: DE2712359A1
Application number: DE19772712359
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Bruel and Kjaer AS
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer AS
Priority date: 1976-03-29
Filing date: 1977-03-22
Publication date: 1977-10-20
Also published as: DK136976A; DK138768B; GB1522785A; DE2712359C2; DK138768C

Description

Patentanwalt

Dipl. Ing.

A/£ Brüel & Kjaer

2850 Naerum B 17 P1 + GmH

Dänemark 19. März 19 77

Elektromechanisches Beschleunigungs-Meßgerät

Die Erfindung betrifft ein Beschleunigungs-Meßgerät, bestehend aus einem Wandler in einer Umhüllung, wobei der Wandler dazu dient, genaue Messungen dynamischer Beschleunigungen auf einer vorgegebenen Geraden zu messen.

Zum Messen statischer und dynamischer mechanischer Kräfte werden häufig elektromechanisch^ Kraftmesser verwendet. Dabei wird die Änderung mechanischer Belastungen in Änderungen elektrischer Ladungen, Spannungen, Ströme oder Impedanzen umgesetzt und diese letzteren Größen werden gemessen.

Es sind eine Reihe verschiedener Bauarten und Arbeitsprinzipien von Beschleunigungsmessern bekannt, bei denen die Trägheit einer Masse eine mechanische Kraft erzeugt, die ihrerseits der zu messenden Beschleunigung proportional ist. Die Kraft wirkt auf einen sogenannten Wandler, z.B. einen druckempfindlichen elektrischen Widerstand oder ein entsprechendes Halbleiterelement oder ein piezoelektrisches Element oder ein elektrodynamisches System oder irgendein anderes bekanntes System zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie.

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Die Wandler können dabei mechanisch, auf Druck, Biegung oder Scherung belastet werden; es hat sich gezeigt, daß piezoelektrische Wandler, die auf Scherung beansprucht werden, besonders zweckmäßig sind, weil sie eine gute Linearität, einen niedrigen statischen und dynamischen Koeffizienten und einen großen Frequenzbereich aufweisen.

Ein bekanntes Beschleunigungs-Meßgerät der beschriebenen Art hat eine Unterlage oder Basis mit einem zylindrischen Zapfen, auf welchen ein hohlzylindrisch gestaltetes piezoelektrisches Element als Wandler aufgeklebt oder in anderer Weise befestigt ist.

Der Wandler selbst wird von einer Masse umgeben, die am Wandler befestigt ist. Diese rotationssymmetrische Gestaltung stellt sicher, daß die Einzelteile des Gerätes kostengünstig und mit großer Präzision durch Drehen und Schleifen hergestellt werden können. Ferner ist die Empfindlichkeit auf Bewegungen in Richtung senkrecht zur Achse äußerst klein. Ein Nachteil dieser Gestaltung ist allerdings darin zu sehen, daß die Verbindungen zwischen den zylindrischen Elementen bei Temperaturänderungen eine besonders schlechte Festigkeit haben. Unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Temperatur der Bauelemente geben Anlass zu unerwünschten mechanischen Spannungen.

Bei einer weiteren bekannten Bauart, ist der Zapfen als im Querschnitt einem regelmäßigen Polygon entsprechendes Prisma gestaltet. Die vertikalen Flächen des Prismas tragen flache Wandlerelemente, die durch Druckringe in ihrer Stellung gehalten werden. Auf diese Weise wird erreicht, daß die mechanische Steifigkeit des Prisma-förmigen Zapfens im wesentlichen in allen Richtungen senkrecht zur Achse die gleiche ist. Ein technischer Nachteil dieser Bauart

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liegt aber in der teueren Herstellung von prismatischen Zapfen und vor allem in der meist durch Klebung vorzunehmenden mechanischen Verbindung des Zapfens mit der Grundplatte; dies gilt vor allem dann, wenn das eigentliche Meßgerät sehr klein ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik sucht die Erfindung ein Beschleunigungs-Meßgerät der beschriebenen Art zu schaffen, welches die den bekannten Geräten anhaftenden Nachteile im Betrieb und insbesondere in der Fertigung nicht hat. Diese Ausgabe wird nach der Erfindung durch die im Anspruch (1) insgesamt angegebenen technischen Maßnahmen erreicht. Die Unteransprüche beschreiben die zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden unter Hinweis auf die Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1. in Explosionsdarstellung die wesentlichen Bauteile des Ausführungsbeispieles;

Fig. 2. das vollständig zusammengesetzte Meßgerät ohne Abdeckhaube von oben;

Fig. 3. die Art der Befestigung der Abdeckhaube auf der Grundplatte;
und

Fig. 4. eine Perspektive Darstellung des fertig zusammengebauten Beschleunigungs-Meßgerätes.

Das Meßgerät weist zunächst eine Unterlage oder Grundplatte (1) auf, welche im oberen Bereich einen Schlitz (9) aufweist. In diesen Schlitz (9) ist mit Pressfassung

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ein Zapfen (2) eingesetzt, der im wesentlichen die Gestalt eines auf dem Kopf stehenden T hat. Der Zapfen (2) trägt auf jeder flachen Seite des schmalen oberen Abschnitts ein piezoelektrisches Element (3), auf dessen Außenseite jeweils eine Meßmasse (4) angeordnet ist.

Die Teile (2), (3) und (4) werden in der aus Fig. 1 ohne weiteres erkennbaren Weise mittels eines löderringes oder -Zylinders (5) zusammengehalten. Durch aus Fig. 1 erkennbare Bohrungen (6) und (8) in der Grundplatte führt ein Koachsialkabel in den eigentlichen Meßgeber hinein, wobei der Innenleiter des Kabels elektrisch mit einer der beiden aus elektrischleitendem Werkstoff bestehenden Massen (4) oder dem elektrischleitenden Ring (5) verbunden ist und der Außenleiter mit der Grundplatte (1). Danach wird - siehe Fig. 1 und 3 - das kappenförmige Gehäuseteil (7) auf die Grundplatte aufgesetzt, wodurch zwei Dinge erreicht werden: Die Innenteile des Gebers werden fest gegeneinander gesichert und durch die Kappe gegen Einwirkungen von außen geschützt. Der Sitz der Kappe auf der Platte (1) kann ein Preßsitz sein.

Das soweit beschriebene Beschleunigungs-Meßgerät soll Beschleunigungen einer linearen Bewegung anzeigen, zu welchem Zweck die piezoelektrischen Elemente (3) in einer Richtung parallel zur Achse des Zapfens polarisiert sind. Wie dies im einzelnen geschieht, ist dem Fachmann bekannt. Die Basis oder Grundplatte (1) wird nun mit dem Körper verbunden, dessen Beschleunigung gemessen werden soll, so daß also praktisch die Relativbeschleunigung zwischen der Grundplatte (1) und dem Zapfen (2) einerseits und den Massen (4) andererseits meßbar ist. Diese Kräfte sind proportional zu den Massen (4) und zu der genannten Relativbeschleunigung. Die Orientierung des Meßgerätes wird so vorgenommen, daß die piezoelektrischen Elemente einer

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Scherwirkung unterworfen werden; durch diese letztere Angabe ist dem Fachmann ohne weiteres klar, in welcher geometrischen Zuordnung das Meßgerät an dem Gegenstand zu befestigen ist, dessen Beschleunigung gegen den Ruhezustand gemessen werden soll. Die Scherung der piezoelektrischen Elemente bringt aufgrund bekannter physikalischer Phänomene eine Ladungsumverteilung mit sich, die proportional zur Beschleunigung ist; die Ladung wird durch hier nicht näher zu beschreibende elektrische Meßgeräte gemessen. Kräfte, die durch Beschleunigungen im rechten Winkel zur Achse auftreten, entwickeln nur dann eine elektrisch meßbare Ladungsverschiebung, wenn die Flächen des Zapfens (2) nicht genau parallel zur Bewegungsachse der zu messenden Beschleunigung liegt. Dasselbe tritt ein, wenn die Polarisierung der piezoelektrischen Elemente nicht genau parallel zu dieser Achse verläuft.

Wenn die piezoelektrischen Elemente so an geordnet werden, daß die Richtungen der Polarisationen senkrecht zur Achse und gegensinnig angeordnet sind, dann erhält man klar erkennbar ein Meßgerät, das Winkelbeschleunigungen von Drehbewegungen um die Achse messen kann.

Die beschriebenen Merkmale gestatten es, die Einzelteile besonders genau herzustellen, was insbesodere für die Anlageflächen der piezoelektrischen Elemente wichtig ist. Dies ist bei vorbekannten, im wesentlichen verklebte Teile aufweisenden Meßgeräten nicht möglich. Außerdem kann man durch Wahl der Vorspannung des Ringes (5) die Linearität besonders gut machen. Eine entsprechende Vorspannung durch den Ring erhöht auch die Empfindlichkeit und die Räsonanzfrequenz ein wenig und verringert die Empfindlichkeit auf Verbiegungen der Grundplatte (1).

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Claims

Patentanwalt

Dipl. Ing.

A/S Brüel & Kjaer

Naerum B 17 P1 + GmH

Dänemark 19. März 1977

Patentansprüche

Λ 1./Elektromechanischer Wandler mit einem rechteckigen Zapfen

(2) als Halterung für elektromechanische Wandlerelemente

(3) auf gegenüberliegenden Flächen, wobei die Wandler auf durch die zu messende Kraft bedingte Scherung ansprechen und wobei der Teil des die piezoelektrischen Wandler tragenden Zapfens (2) zwar dieselbe Dicke, aber eine geringere Breite hat als derjenige Teil des Zapfens, der in einer Grundplatte (1), (9) verankert ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch ein Gehäuse (7) abgeschlossen ist, und daß der die Wandler tragende Zapfen (2) mit einem Preßsitz in der Grundplatte (1) gehaltert ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen dadurch in seine Preßpassung gedrückt ist, daß er über das Gehäuse bei dessen Anbringung festgedrückt ist.

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D-4000 Düsseldorf 1 ■ Bahnstraße 62 · Telefon 0211/356338

ORIGINAL INSPECTED