DE2845008A1

DE2845008A1 - Spring-mass accelerometer using piezoelectric tuning fork assembly - consisting of four piezoelectric elements of identical characteristics joined together in pairs by carrier

Info

Publication number: DE2845008A1
Application number: DE19782845008
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Ing Fick
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1978-10-16
Filing date: 1978-10-16
Publication date: 1980-04-30

Abstract

A spring-mass accelerometer is such that the displacement of the mass against the force of the spring is a measure of the applied acceleration and is converted into an electrical signal. It reduces the incidence of spurious voltages indicating accelerations not actually existing which can arise in piezoelectric types. Four piezoelectric elements of identical mechanical characteristics are joined together by a carrier (1) in pairs (2, 3) to form a tuning fork like arrangement electrically connected. An a.c. voltage of frequency corresp. to the mechanical natural frequency of the elements is connected to the first pair (2). The second pair (3) produces a voltage whose phase angle w.r.t. the input voltage is a measure of the acceleration. Because a.c. voltage stimulation is used there is no rest condition in which the null voltages can occur.

Description

BeschleunigungsaufnehmerAccelerometer

Beschleunigungsaufnehmer bestehen aus einem Feder-Masse-System, wobei die auf das System einwirkende Beschleunigung eine Auslenkung der Masse gegen die Federkraft bewirkt und die Größe der Auslenkung ein Maß für die Beschleunigung darstellt und zum Beispiel nach Umwandlung in eine elektrische Größe leicht meßbar ist.Accelerometers consist of a spring-mass system, whereby the acceleration acting on the system is a deflection of the mass against the Spring force causes and the size of the deflection is a measure of the acceleration and can be easily measured, for example after conversion into an electrical quantity.

Besonders kleine und einfache Beschleunigungsaufnehmer lassen sich mittels piezoelektrischer Elemente herstellen, die den Vorteil haben, selbst eine beschleunigungsabhängige, wenngleich kleine Spannung zu liefern, die, ggf.Particularly small and simple accelerometers can be using piezoelectric elements that have the advantage of being able to produce a to deliver acceleration-dependent, albeit small voltage, which, if necessary,

nach Verstärkung, direkt einem elektrischen Anzeigegerät zugeführt werden kann. Derartige Beschleunigungsaufnehmer sind ausführlich beschrieben in der Reihe "Valvo Berichte", Band 20, Heft 2, April 1977, Seiten 81 bis 92. Wie dort ausgeführt ist, haftet diesen piezoelektrischen Elementen der Nachteil einer geringeren Konstanz der Eigenschaften an.after amplification, fed directly to an electrical display device can be. Such accelerometers are described in detail in of the series "Valvo Reports", Volume 20, Issue 2, April 1977, pages 81 to 92. As there is performed, these piezoelectric elements have the disadvantage of being less Constancy of properties.

Im Ruhezustand liefern derartige Aufnehmer kein Ausgangssignal. Jedoch ist es möglich, daß durch statische Aufladungen z.B. pyroelektrischer Art Spannungen auftreten können, die eine Beschleunigung vortäuschen.Such sensors do not supply an output signal in the idle state. However It is possible that static charges, e.g. of a pyroelectric type, create voltages can occur that simulate an acceleration.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Beschleunigungsaufnehmer zu schaffen, der bei guter Konstanz seiner Eigenschaften das Auftreten solcher Störspannungen vermeidet und darüber hinaus eine ständige Überwachung seines Betriebszustandes ermöglicht.The object of the present invention is therefore to provide an acceleration sensor to create the occurrence of such interference voltages with good constancy of its properties avoids and, moreover, constant monitoring of its operating status enables.

Die Erfindung geht von der bekannten Tatsache aus, daß derartige piezoelektrischen Elemente eine Längenänderung erfahren, wenn an sie eine elektrische Spannung angelegt wird. Werden zwei solcher Elemente mechanisch fest miteinander verbunden, so wird ein solches Gebilde, wenn seine Elemente mit entgegengesetzten Spannungen beaufschlagt weden, einer Biegung unterworfen. Das Anlegen einer Wechselspannung führt somit zu Biegeschwingungen.The invention is based on the known fact that such piezoelectric Elements experience a change in length when an electrical voltage is applied to them will. If two such elements are mechanically firmly connected to one another, then such a structure when its elements are subjected to opposite voltages weden, subjected to a bend. The application of an alternating voltage thus leads to bending vibrations.

Ordnet man nun zwei sicher Gebilde auf einem gemeinsamen Körper nach Art einer Stimmgabel an und erregt eines dieser Gebilde mit einer Wechselspannung, deren Frequenz der mechanischen Eigenfrequenz der beiden Gebilde entspricht, so wird das zweite, nicht elektrisch erregte Gebilde mit entgegengesetzter Phasenlage mitschwingen und dabei aufgrund des piezoelektrischen Effektes eine Wechselspannung gleicher Frequenz, Jedoch ebenfalls entgegengesetzter Phasenlage liefern.If you now order two surely structures on a common body Kind of tuning fork and excites one of these structures with an alternating voltage, whose frequency corresponds to the mechanical natural frequency of the two structures, see above becomes the second, non-electrically excited structure with opposite phase position resonate and an alternating voltage due to the piezoelectric effect same frequency, but also deliver opposite phase position.

Eine Besceunigung dieses Systems in Richtung der Schwingungsebene wird aufgrund der mechanischen Trägheit beider Gebilde zu einer Phasenverschiebung zwischen erregender und erregter Frequenz führen, deren Größe ein Maß für die Beschleurdgung ist.An accentuation of this system in the direction of the level of vibration becomes a phase shift due to the mechanical inertia of both structures lead between exciting and excited frequency, the size of which is a measure of the acceleration is.

Auf diesen Überlegungen beruht die vorliegende Erfindung, die demzufolge dadurch gekennzeichnet ist, daß vier piezoelektrische Elemente gleicher mechanischer Eigenschaften paarweise miteinander verbunden und mittels eines Trägers zu einer Art Stimmgabelausgebildet sind, daß dem einen Paar eine Wechselspannung einer der mechanischen Eigenfrequenz der Elemente entsprechenden Frequenz zuge- führt ist, und daß dem anderen Paar eine Spannung entnehmbar ist, deren Phasenlage im Verhältnis zur anregenden Frequenz einem Meßgerät zugeführt ist.The present invention is based on these considerations and accordingly is characterized in that four piezoelectric elements of the same mechanical Properties connected to each other in pairs and by means of a carrier to one Art tuning fork are designed that the one pair an alternating voltage of one of the mechanical natural frequency of the elements corresponding frequency assigned leads is, and that the other pair a voltage can be taken, the phase position in Relation to the exciting frequency is fed to a measuring device.

Es leuchtet ein, daß sich der Erfindungsgedanke auch auf andere schwingungsfähige Gebilde anwenden läßt, die gegenphasige Schwingungen erzeugen können, so z.B. eine kreisringförmige Anordnung Ein "aktiver" Beschleunigungsaufnehmer der beschriebenen Art bietet verschiedene Vorteile. Einmal ist er unempfindlich gegenüber Störspannungen, zum anderen ist er hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit durch die ständig abgegebene Sekundärspannung leicht zu überwachen.It is obvious that the idea of the invention also applies to other vibratory Can use structures that can generate out-of-phase vibrations, such as a annular arrangement An "active" accelerometer of the type described Art offers several advantages. On the one hand it is insensitive to interference voltages, on the other hand, it is in terms of its functionality by the constantly released Secondary voltage easy to monitor.

Anhand der Zeichnung werden zwei Ausführungsbeispie e der Erfindung näher beschrieben. Darin zeigen Fig.1 einen Beschleunigungsaufnehmer nach Art einer Stimmgabel, und Fig.2 einen Beschleunigungsaufnehmer nach Art eines Kreisringes.Based on the drawing, two Ausführungsbeispie e of the invention described in more detail. 1 shows an accelerometer in the manner of a Tuning fork, and FIG. 2 an accelerometer in the manner of a circular ring.

Bei der Ausfiihrung nach Fig.1 sind auf einer gemeinsamen Basis 1 zwei Schwinger 2 und 3 angeordnet, deren jeder aus zwei mechanisch fest miteinander verbundenen piezoelektrischen Elementen besteht, wie dies durch die Schraffur angedeutet ist. Wirdz.B. der Schwinger 2 über seine Anschlußdrähte 4 und 5 mit einer Wechselspannung versorgt, deren Frequenz zweckmäßigerweise mit der Eigenfrequenz der Schwinger 2 und 3 übereinstimmt, so wird der Schwinger 2 Schwingungen ausführen, und der Schwinger 3 wird hierzu gegenphasig mitschwingen, wie dies von Stimmgabeln an sich bekannt ist und durch die Pfeile angedeutet ist. Den Anschlüssen 6 und 7 des Schwingers 3 läßt sich daher eine Wechselspannung entnehmen, deren Frequenz mit der anregenden Frequenz übereinstimmt, deren Phasenlage jedoch um 1800 gegenüber der anregenden Schwingung verschoben ist.In the embodiment according to FIG. 1, 1 two oscillators 2 and 3 arranged, each of which consists of two mechanically fixed to one another connected piezoelectric elements, as indicated by the hatching is. E.g. the oscillator 2 via its connecting wires 4 and 5 with an alternating voltage supplied, the frequency of which is expediently the same as the natural frequency of the oscillator 2 and 3 match, the oscillator will oscillate 2 and the oscillator 3 will resonate in phase opposition, as is known from tuning forks and is indicated by the arrows. Connections 6 and 7 of the transducer 3 an alternating voltage can therefore be taken, the frequency of which with the exciting Frequency coincides, but its phase position around 1800 compared to the exciting Vibration is shifted.

Erfährt das ganze System 1,2,3 eine Beschleunigung in Richtung der Pfeile, so stellt sich eine Phasenverschiebung ein, hervorgerufen durch die mechanische Trägheit der Schwinger 2 und 3. Die Größe der Phasenverschiebung ist ein Maß für die Beschleunigung und kann in bekannter Weise gemessen und ausgewertet werden.If the whole system 1,2,3 experiences an acceleration in the direction of Arrows, a phase shift occurs, caused by the mechanical Inertia of oscillators 2 and 3. The size of the phase shift is a measure of the acceleration and can be measured and evaluated in a known manner.

Es leuchtet ein, daß durch die Verwendung zweier oder dreier Systeme 1,2,3 auch Beschleunigungen in anderen Richtungen als der angegebenen gemessen werden können.It stands to reason that by using two or three systems 1,2,3 accelerations in directions other than those specified can also be measured can.

Bei der Ausführungsform nach Fig.2 sind die piezoelektrischen Elemente in Form eines Ringes zusammengefaßt, der sich bei Anlegung einer Wechselspannung nach Art einer Ellipse verformt und gleichfalls an den einander gegenüberliegenden Seiten eine Phasenverschiebung von 1800 aufweist, die in der oben beschriebenen Form ausgewertet werden kann. LeerseiteIn the embodiment according to FIG. 2, the piezoelectric elements are summarized in the form of a ring, which is when an alternating voltage deformed in the manner of an ellipse and also on the opposite ones Pages has a phase shift of 1800, which is described in the above Form can be evaluated. Blank page

Claims

Accelerometer, characterized in that four piezoelectric elements with the same mechanical properties in pairs (2,3) connected to one another and formed into a liner type tuning fork by means of a carrier (1) are that the one pair (2) an alternating voltage of one of the mechanical natural frequency the frequency corresponding to the elements is supplied, and that the other pair (3) a voltage can be taken whose phase position in relation to the exciting frequency is fed to a measuring device.