DE3507738C1 - Linearer Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

• Der Beschleunigungsmesser unterscheidet sich von dem aus der obengenannten Patentschrift bekannten dadurch, daß die träge Masse innerhalb eines Gehäuses frei beweglich ist und deren »Flugbahn« innerhalb des Gehäuses registriert wird. In vielen Fällen werden die zu messenden Beschleunigungen innerhalb der Zeit auftreten, die der trägen Masse für den freien Flug inner- halb des Gehäuses zur Verfügung steht. Sollte diese Zeit nicht ausreichen, so kann die Messung des Bewegungsablaufes der trägen Masse unmittelbar nach der Reflexion an der Gehäusewand weiter vorgenommen werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwei oder mehrere ähnlich aufgebaute Beschleunigungsmesser nebeneinander zu betreiben und stets nur die Bahn der trägen Masse zu verfolgen, die gerade in der gewünschten Richtung fliegt.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier teilweise schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen F i g. 1 einen linearen Beschleunigungsmesser mit einer trägen Masse und einer elektronischen Signalverarbeitung und F i g. 2 eine Mehrfachanordnung von Beschleunigungsmessern gemäß F i g. 1.
• In einem metallischen Gehäuse 1, welches gegenüber Schockwellen durch Dämpfungsschichten 2 isoliert mit dem Beschleunigungen ausgesetzten Körper 3 verbunden ist, befindet sich ein zylindrischer Raum 4. In diesem Raum 4 befindet sich eine als träge Masse dienende Kugel 5, deren Außendurchmesser nur geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des zylindrischen Raumes 4 ist Die Oberflächen der Kugel 5 sowie des Innenraumes 4 sind möglichst glatt und ggf. mit einem Material hoher Gleitfähigkeit, z. B. Teflon, beschichtet, so daß sich die Kugel unter dem Einfluß von Inertialkräften ohne große Reibung längs der Zylinderachse des Gehäuses bewegen kann. Die Kugel 5 ist aus Stahl und kann durch einen Elektromagneten 13 in der obersten Position fixiert werden.
• An zwei gegenüberliegenden Mantellinien der zylindrischen Gehäusewand sind Bohrungen 6.1, 6.2 6.N bzw. 7.1, 7.1,7.2 7.Nin vorgegebenen Abständen derart angebracht, daß je zwei Bohrungen 6.1 und 7.1 bzw. 6.2 und 7.2 usw. auf einer gemeinsamen Achse liegen. Vor den Bohrungen 6.1 bis 6.N ist jeweils eine Lichtquelle 8.1 bis 8.Nangeordnet; entsprechend dazu befinden sich an den Bohrungen 7.1 bis 7.N optoelektrische Empfänger, z. B. Fotodioden 9.1 bis 9.N. Je eine Lichtquelle 8.1 bzw. 8.2 usw. bildet mit je einem optoelektrischen Empfänger 9.1 bzw. 9.2 usw. eine Lichtschranke. Beim Durchgang der Kugel 5 durch je eine dieser Lichtschranken wird ein elektrisches Signal erzeugt, welches von einer elektronischen Signalverarbeitung 10 erfaßt und weiter verarbeitet wird. Aus diesen Signalen läßt sich, wie später beschrieben, die vollständige Bewegung der Kugel 5 berechnen, da die gemessenen Durchgangszeitpunkte der Kugel jeweils eindeutig einer Lichtschrankenposition zugeordnet sind.
• Die Stirnflächen 11 und 12 des zylindrischen Raumes 4 sind aus einem hartelastischen Material, so daß die Kugel 5 an diesen Flächen möglichst verlustarm reflektiert wird. Die Kugel selbst sollte eine hohe Oberflächengenauigkeit und Härte aufweisen, wobei sich als Oberflächenmaterial außer Stahl auch Kunststoff, Hartgummi o. ä. anbietet Auch die Verwendung eines Hohlkörpers als träge Masse ist möglich. Insbesondere im letzt genannten Falle empfiehlt es sich, den Innenraum 4 zu evakuieren, um den Luftwiderstand auf die träge Masse zu verringern.
• Die in einer Reihe angeordneten optoelektrischen Empfänger 9.1 bis 9.N bilden ein Empfängerarray, aus welchem beim Durchtritt der Kugel 5 durch die Lichtschranken analoge Ausgangspegel kommen. Diese werden einem Schwellendetektorarray 10.1 zugeführt, welches die analogen Pegel in logische Pegel (0 oder 1) überführt, je nachdem, ob zum getakteten Zeitintervall der Analogpegel eine vorher eingestellte Schwelle unterschreitet oder nicht. Der Taktgenerator 10.2 dient dabei als Zeitbasis.
• Die Ausgänge des Schwellendetektorarrays 10.1 werden einem Positions-Codierer 10.3 zugeführt, welcher die aus dem Eingangsbitmuster abgeleitete Position und Bewegungsrichtung der Kugel 5 in ein entsprechendes Binärwort umsetzt. Die Ermittlung der Bewegungsrichtung der Kugel 5 wird insbesondere dann erleichtert, wenn der Kugeldurchmesser ein ganzzahliges Vielfaches der Abstände der Lichtschranken beträgt. Bei der im dargestellten Falle sich nach unten bewegenden Kugel 5 zeigt dann der annähernd gleichzeitige Übergang des jeweils auf die Position der Kugel bezogenen unteren und oberen Signalbits von 1 nach 0 bzw. vonp nach 1 an, daß sich die Kugel, wie dargestellt, nach unten bewegt. Für eine Bewegung der Kugel nach oben würden diese Übergänge genau umgekehrt erfolgen.
• Der Positions-Codierer 10.3 führt das positions- und richtungsbeinhaltende Binärwort einer Signalverarbeitungslogik 10.4 zu, welche mittels zusätzlicher Interface-Signale zur Synchronisierung des Datenflusses mit dem Positions-Codierer 10.3 kommuniziert. Die Signalverarbeitungslogik 10.4 setzt die aus dem Positions-Codierer 10.3 kommenden Signale unter Einbeziehung der vom Taktgeber 10.2 gelieferten Zeitbasis in binäre Ausgangssignale, z. B. parallele Datenworte, um. Diese Ausgangssignale beschreiben die Geschwindigkeit oder, nach Differenzierung, die Beschleunigung der trägen Masse zum jeweiligen Zeitintervall. Die Ausgangssignale werden der jeweiligen, nicht näher dargestellten Peripherie zugeführt, von der auch zu geeigneten Zeitpunkten die entsprechenden SET- bzw. RESET-Ansteuerungen kommen.
• Da es bei der Reflexion der Kugel 5 an den Stirnflächen 11 und~12 selbst bei optimal ausgewählten Materialien zu Nichtlinearitäten in der Bewegung der Kugel kommt, empfiehlt es sich bei Messungen, die länger dauern als der Kugel zur freien Bewegung im Innenraum 4 zur Verfügung stehen, mehrere derartige Anordnungen gemäß F i g. 1 parallel zu schalten. Eine derartige Mehrfachanordnung ist in F i g. 2 dargestellt. Das Gehäuse 20 weist hier drei zylindrische Innenräume 21, 22 und 23 gleichen Durchmessers auf, dessen Längen in der Zylinderlängsachse durch unterschiedlich tief hineinragende Deckel 24,25 und 26 untereinander verschieden sind. In den Räumen 21, 22 und 23 befinden sich jeweils gleiche Kugeln 27, 28 und 29. Die einzelnen zylindrischen Räume 21, 22 und 23 weisen, wie in F i g. 1, jeweils Lichtschranken 30 bzw. 31 bzw. 32 auf, deren Signale jeweils in nicht dargestellten elektronischen Schaltungen gemäß F i g. 1 verarbeitet werden.
• Das Gehäuse 20 ist in Dämpfungsschichten 33 und 34 eingebettet und über eine Montagekappe 35 mit dem bezüglich seiner Bewegung zu vermessenden Objekt 36 verbunden.
• Da die zylindrischen Innenräume 21, 22 und 23 unterschiedlich lang sind, werden synchrone Bewegungen der Kugeln 27, 28 und 29 vermieden. Durch ein von den jeweils untersten bzw. obersten Lichtschranken ausgelöstes Signal kann dann jeweils rechtzeitig bevor die Kugel eine Stirnfläche erreicht, auf jeweils eine andere Meßkammer umgeschaltet werden, so daß die bei der Reflexion der Kugeln auftretenden Nichtlinearitäten rechnerisch ausgeblendet werden. Somit kommt auch über längere zeitliche Bewegungsabläufe des Körpers 36 eine vollständige Erfassung zustande.
• Anordnungen gemäß F i g. 1 oder F i g. 2 können auch mehrfach in allen relevanten Freiheitsgraden des in seiner Bewegung zu beobachtenden Körpers angeordnet werden, so daß mit derartigen Konfigurationen der vollständige Bewegungsablauf des Körpers unter äußeren Kräften berechnet werden kann. Da bei dem Beschleunigungsmesser lediglich die Freiflugphase der Kugel 5 bzw.27,28 und 29 berücksichtigt wird, können die Messungen selbst bei höchsten Schockbelastungen und mechanischen Frequenzen, wie sie z. B. in Munition auftreten, vorgenommen werden.

Claims (11)

1. Patentansprüche: 1. Linearer Beschleunigungsmesser mit mindestens einer trägen Masse, die innerhalb mindestens eines Gehäuses in mindestens einer Richtung freibeweglich und deren Position innerhalb mindestens eines Gehäuses mittels mindestens einer Meßeinrichtung bestimmbar ist bzw. sind, dadurch gekennzeichnet, daß a) die träge Masse (5; 27, 28, 29) zumindest in Bewegungsrichtung elastisch, vorzugsweise hartelastisch ist und, daß b) zumindest die, die beschleunigungsbedingte Bewegung der trägen Masse (5; 27,28,29) begrenzenden Teile (11,12; 24,25,26) des Gehäuses (1; 20) ebenfalls elastisch, vorzugsweise hartelastisch sind, derart, daß die träge Masse (5; 27, 28,29) möglichst verlustarm reflektiert wird.
2. 2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine Anzahl von Meßfühlern (8.1 ... 8.N, 9.1 9.N; 30, 31,32) aufweist, welche in vorgegebenen Abständen entlang der Bewegungsrichtung der trägen Masse (5; 27,28,29) angeordnet sind.
3. 3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler Lichtschranken (8.1,9.1;... 8.N . . 9.N;30, 31,32) sind.
4. 4. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (8.1,9.1;... &N, 9.N;30, 32) mit einer elektronischen Auswerteschaltung (10) zur Bestimmung der Beschleunigung und/oder der Geschwindigkeit und/oder des Weges der trägen Masse (5; 27,28,29) verbunden ist.
5. 5. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils vor dem Reflexionspunkt der trägen Masse (5; 27, 28, 29) befindliche Meßfühler (8.1, 9.1; 8.N, 9.N) auf eine Schalteinrichtung derart einwirkt, daß die elektronische Auswerteschaltung (10) abgeschaltet oder auf einen anderen Auswertemodus oder auf die Auswertung eines weiteren parallel angeordneten Beschleunigungsmessers umgeschaltet wird.
6. 6. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1; 20) mit mindestens einem zylindrischen Innenraum (4; 21, 22, 23), dessen Stirnflächen (11, 12; 24, 25,26) verlustarm reflektierend sind.
7. 7. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand des zylindrischen Innenraumes (4; 21, 22, 23) ein Material hoher Gleitfähigkeit aufweist.
8. 8. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die träge Masse (5; 27, 28, 29) durch eine Verriegelung (13) fixierbar bzw. Iösbar ist.
9. 9. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabe der trägen Masse (5; 27,28,29) nach Überschreitung einer definierten Beschleunigung erfolgt.
10. 10. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (20) mit mehreren parallel angeordneten zylindrischen Innenräumen (21, 22, 23), welche jeweils eine unterschiedliche Länge aufweisen und in welchen sich jeweils eine, untereinander gleiche träge Masse (27,28,29) befindet 11. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (4) bzw. die Innenräume (21, 22, 23) evakuiert ist bzw. sind.

    Die Erfindung betrifft einen linearen Beschleuni gungsmesser mit mindestens einer trägen Masse, die innerhalb mindestens eines Gehäuses in mindestens einer Richtung freibeweglich und deren Position innerhalb mindestens eines Gehäuses mittels mindestens einer Meßeinrichtung bestimmbar ist bzw. sind.

    Aus der DE-PS 12 85 774 ist ein Beschleunigungsmesser bekannt, dessen träge Masse ein federnd angeordneter Permanentmagnet ist, der zwischen zwei Weicheisenplatten geführt ist, auf denen je zwei induktionsabhängige Widerstände angeordnet sind. Eine Bewegung des Permanentmagnetes in der Meßachse wird durch die induktionsabhängige Widerstandsänderung in beschleunigungsproportionale elektrische Signale umgeformt Die Linearität eines derartigen Beschleunigungsmessers wird im wesentlichen durch die federnde Aufhängung bestimmt, wobei deren Masse in die wirksame träge Masse eingeht und in nur unzureichend kalkulierbarem Maße das Meßsignal beeinflußt. Um diesen Fehler möglichst klein zu halten muß daher der als träge Masse fungierende Körper im Vergleich zu der federnden Aufhängung relativ schwer sein.

    Aus der DE-PS 2 63 686 ist ein Geschwindigkeitsmesser der o. g. Art bekannt, bei dem Kugeln aus einem Behälter mit definierten rohrförmigen Auslässen in entsprechend zugeordnete und mit Kontakten versehene Rohre eines darunter befindlichen Behälters fallen. Je nach der auf die gesamte Einrichtung wirkenden Geschwindigkeit fallen die Kugeln in verschiedene Rohre und üben dadurch eine unterschiedliche Kraft auf ein Rad aus, dessen Umdrehungsgeschwindigkeit ein Maß für die Geschwindigkeit der gesamten Einrichtung ist Ein mit dem Rad verbundenes Zählwerk gibt dann den zurückgelegten Weg wieder. Die Messung von Beschleunigungen ist jedoch mit dieser Einrichtung nicht möglich.

    Aus der US-PS 3247 711 ist ein Kraftmesser bekannt, der auch zur Messung von Beschleunigungen geeignet ist. Hierbei wirkt eine dynamische Kraft auf eine Flüssigkeitssäule in einer Kapillare, wobei die dadurch verursachte Druckwelle mittels entlang der Kapillare angeordneter piezoelektrischer Druckmesser gemessen wird. Derartige Einrichtungen, die auf der Oberflächenspannung und Viskosität einer Flüssigkeit basieren, sind jedoch stark temperaturempfindlich.

    Es ist Aufgabe der Erfindung, einen linearen Beschleunigungsmesser zu schaffen, der reaktionsschne
11. ll Beschleunigungen erfaßt und mit dem insbesondere das Abbremsen eines bewegten Objektes auf die Geschwindigkeit Null bzw. dessen Reflexion erfaßt wird. Diese Aufgabe wird durch einen nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Beschleunigungsmesser gelöst.