NO865032L - Krafttransduktor med vibrerende stav. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår krafttranduktorer med vibrerende stav i sin almindelighet, og mer bestemt en krafttransduktor med vibrerende stav som har en A-ramme med stavrot som tillater høyere vendetemperatur for forspen-ningsf rekvensen.

Anvendelse av kraftfølsomme resonatorer med kvartskrystaller på instrumentfeltet øker i utstrekning år for år. Eksemplet på slike anvendelser idag innbefatter aksellerometere, trykkfølere og lastselger. Fordelene som oppnås ved å benytte denne teknologi i instrumenter innbefatter en digital utgang med iboende høy oppløsning, stort dynamisk område, liten varmefølsomhet og lavt energiforbruk. De spesielle egenskaper ved kvartskrystaller så som høy Q verdi, meget god mekanisk og kjemisk stabilitet, lav varmefølsomhet og pisoelektrisk oppførsel, er egenskaper som lengde har vært kjent og utnyttet i industri der frekvensstyring er av betydning. Det er nettopp disse særlige egenskaper som gjør kvartskrystaller til et tiltrekkende materiale for anvendelse i instrumenter. Det er vist at vibrerende bøyelige staver av kvartskrystaller oppviser et frekvensområde som reaksjon på strekk-og trykkrefter, på grunn av de "strenglignende" egenskaper, på + eller -10 prosent av full skala.

Eksempelet på denne type resonatorkonstruksjoner som tidligere er utviklet, er beskrevet i US PS 3.470.400. I den type anordninger som der er beskrevet, har man en isolator-konstruksjon som isolerer stavens induserte bevegelse og skjærkraf treaksj on fra et stavfeste. Isolasjonsvirkningen hindrer tap av vibrasjonsenergi og opprettholder en høy Q resonans. Stavvibrasjonene selv underholdes av en kombinasjon av de piesoelektriske egenskaper i materialet i staven, d.v.s. kvartsskrystall, sammen med eksitering fra elektroder som er anbragt på stavoverflaten og er forbundet med en elektronisk oscillator. Den piesoelektriske oscillatorvirk-ning som utnyttes i denne anordning og i foreliggende oppfinnelse, er beskrevet i detalj i US PS 3.479.536.

Det prinsipp som vibrerende bøyelige staver arbeider etter, er at, på samme måte som i en stram streng, vil frekvensen for stavens vibrasjoner øke med økende strekk eller stram-ning. I motsetning til en streng vil imidlertid en stav også reagere på trykkpåkjenning ved å redusere sin frekvens. I tillegg vil en stav ikke behøve forspenning, slik en streng gjør. Krafttransduktorer med vibrerende stav er anvendt i vibrerende stav aksellerometere. I slike tilfeller benyttes det et avstemt par resonatorer med vibrerende stav, stilt rygg-mot-rygg. Resultatet er at en aksellerasjon setter en stav under strekk og den annen under trykk. Utgangen fra vibrerende stav aksellerometere tas da som frekvensforskjellen. Denne mekanisme til bestemmelse av frekvensforskjellen, fører til en sterkt redusert netto forspenning og fører også til opphevelse av mange feilkilder så som temperaturfølsomhet og ulinearitet. Jo nærmere forspenningsfrekvensen for de to staver kan tilpasses, jo lavere blir den netto forspenning og jo mer effektiv blir utligningen av feilkildene ved fri svingning. Den grad forspenningsfrekvensene kan tilpasses hverandre med er for tiden begrenset av fremstillingstoleranser ved tilskjæring av stavdelene i resonatorkjonstruk-sjonen.

En egenskap ved en krafttransduktor av denne art, er at forspenningsfrekvensen er temperaturfølsom. Forspenningsfrekvensen er den frekvens staven vibrerer med når den er ubelastet. Det som særpreger stavfrekvensens temperaturføl-somhet, er at stavfrekvensen først øker med økende temperatur og deretter avtar. Det punkt der frekvensen slutter å øke og begynner å avta, er kjent som vendepunktet og temperaturen ved dette punkt er vendetemperaturen. Ved denne temperatur er forspenningsfrekvensen egentlig ufølsom for temperaturer ved små temperaturforandringer. For mange anvendelser i instrumenter er det ønskelig at instrumentets arbeidstemperatur og stavens vendetemperatur er lik hverandre. For lange, tynne staver med et lavt forhold mellom tykkelse og lengde, er vendetemperaturen vanligvis for lav. Det er en egenskap ved bøyelige krystaller at vendetemperaturen øker med økende forhold mellom tykkelse og lengde. Uheldigvis resulterer høyere tykkelse-til-lengde forhold i at staven får en lavere følsomhet overfor krefter. Det er således et behov foren måte å øke forholdet mellom tykkelse og lengde på uten å senke stavens kraftfølsomhet eller, sagt på en annen måte, et behov for et stavmønster som både har en høy vendetemperatur og en høy kraftfølsomhet.

Med disse mangler ved tidligere kjente utførelser som bakgrunn, er det en hensikt med foreliggende oppfinnelse å komme frem til en anordning for justering av forspenningsfrekvensen. En annen hensikt med foreliggende oppfinnelse er å komme frem til et stavmønster som både har en høy vendetemperatur og en høy kraftfølsomhet.

For å oppnå disse hensikter, er i et første eksempel i henhold til oppfinnelsen endene av staven forbundet med isolatormassen ved hjelp av en A-rammekonstruksjon. A-rammekonstruksjonen sørger for høy aksial stivhet, mens den er lett bøyelig i vinkel. Høy bøyelighet ivinkel ved stavroten muliggjør større bøyning av staven under justering. Dette tillater på sin side en økning i forholdet mellom stavens tykkelse og lengde. Dermed kan man konstruere en stav som har en høyere vendetemperatur for forspenningsfrekvensen.

For det annet, i henhold til oppfinnelsen, innbefatter sentrum av staven nu en sentralt plassert stillbar masse. Formålet med denne stillbare masse er å gjøre det mulig å fjerne små inkrementer under kalibreringen. Hver fjernelse av et inkrement fra massen vil svakt øke forspenningsfrekvensen for den vibrerende stav og derved utgjøre en juste-ringsanordning slik at alle staver som fremstilles kan trimmes til en felles nominell forspenningsfrekvens. Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningene der: Fig. 1 viser en tidligere kjent resonator, sett i perspektiv,

fig. 2 er et diagram som viser forholdet mellom frekvens og kraft i en stav,

fig. 3 er en skjematisk gjengivelse av et aksellerometer med vibrerende stav, i henhold til teknikkens stand,

fig. 4 er et diagram som viser forholdet mellom forspenningsfrekvens og temperatur,

fig. 5 viser skjematisk hvorledes den tidligere kjente stav var montert,

fig. 6 viser det samme, men angir den måte hvorpå staven i henhold til oppfinnelsen er festet, også med en stillbar masse, og

fig. 7 viser skjematisk, på samme måte som fig. 1, en resonator i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 1 på tegningene viser transduktoren 10 som er beskrevet i US PS 3.470.400 som representerer generelt en komplett anordning med vibrerende stav, innbefattende et par ende-fester 12 og 14 som kan være utspart ved 13 og 15 for å danne hengsler med kryssend akser og til hvilke bæredelene er festet og disse blir utsatt for aksiale krefter langs inngangsaksen når enheten benyttes som en kraftmåleenhet i et aksellerometer. Transduktoren 10 innbefatter en vibrerende stav 16 som strekker seg mellom og er festet til respektive bæredeler 18 og 20.

For å gjøre staven upåvirket av eller isolert fra festene 12 og 14 ved stavens arbeidsfrekvenser, er bæredelene 18 og 20 forbundet med de respektive fester 12 og 14 ved hjelp av par av tynne fjærdeler 22, 24 og 26, 28 som står i avstand fra hverandre og par av isolatormasser 30, 32 og 34, 36 som strekker seg fra de tilhørende bæredeler 16 og 20, sammen med endel av staven 16. De bestemte lengder og andre dimensjoner på massene er avpasset til stavens egenskaper. I alle tilfeller vil imidlertid massene 30 og 34 stå aksialt i avstand fra hverandre og massene 32 og 36 er på lignende måte i avstand fra hverandre aksialt. Aksiale påkjenninger, enten strekk eller trykk som utøves på endefestene 12 og 14, blir overført til staven 16 gjennom de tynne fjærdeler 22 og 24 og 26 og 28.

Stavtransduktoren 10 kan utformes av en enkel blokk av et eller annet passende materiale. For oversiktens skyld, vil det imidlertid, forutsatt anvendelse i en anordning laget av kvarts eller piesoelektrisk materiale som utgjør det spesielle mønster som vist og beskrevet og materialet skjæres til på en hvilken som helst passende velkjent måte.

For drift av staven 16 under skjærpåkj enninger, er par av elektroder 38 og 40 festet til motstående sider av staven langs et aksialt felt og et annet par elektroder 42 og 44 er festet til motstående sider av staven langs et annet aksialt felt. En elektronisk oscillator som ikke er vist, kan gi eksitering for driften av staven og ledninger 46 og 48 fra oscillatoren er forbundet med elektrodene. Ledningen 46 er forbundet med elektrodene 48 og 44 og ledningen 48 er forbundet med elektrodene 40 og 42. På denne måte vil den elektrisk eksitering påtrykke motsatt rettede tverrstilte elektriske felt gjennom staven i områder som ligger i avstand fra hverandre aksialt. På den måte som er beskrevet i detalj i US PS 3.479.536 vil den beskrevne konstruksjon og den elektriske eksitering være effektiv til frembringelse av vibrasjoner i staven. Det skal imidlertid påpekes at staven kan drives med andre midler og at den som er spesielt beskrevet bare er representativ og foretrekkes for bestemte forhold. Oscillatorkretsen innbefatter også kretser for føling av den virkelige svingningsfrekvens som vil variere som en funksjon av utøvet kraft.

Frekvens/kraftkarakteristikkene for transduktoren som er vist på fig. 1, kan beskrives tilnærmet med ligningen:

der:

f = resonansfrekvensen for den vibrerende stav fø = forspenningsfrekvens for den vibrerende stav

ubelastet

Ki = første ordensfrekvens-strekkfølsomhet (ikke

lineært uttrykk)

Kg = annen ordensfrekvens-strekkfølsomhet (ikke

lineært uttrykk)

T = strekkraft

Frekvens/kraf tkarakteristikkene er vist på fig. 2A, mens hvert uttrykk i ligning 1 er vist hver for seg på fig. 2B. Uttrykket som inneholder Kg koeffisienten er en uønsket ikke lineær effekt. Denne uønskede ikke lineæritet kan reduseres ved å benytte en tidligere kjent to-resonator-to-proof massetransduktor som setter en stav under strekk og den annen under trykk, som vist på fig. 3. Utgangen fra transduktoren tas som frekvensforskjellen mellom disse to enkelte resona-torfrekvenser. Som ligningene (2) til (4) angir, vil Kg effektene utlignes ved denne utførelse. Man skal merke seg at strekkraften T er erstattet av dens ekvivalente mg. Det skal også påpekes at et ytterligere merkesymbol benyttes for å skille mellom koeffisientene for de enkelte resonatorer.

Resonator 1 vil være i strekk og derfor:

Resonator 2 vil være under trykk og derfor: Frekvensforskjellen vil være

Kg effektene utligner hverandre på grunn av kvadreringen av

-mg uttrykket.

Utgangen fra aksellerometeret med vibrerende stav på fig. 3 blir således tatt som frekvensforskjellen f^minus f g. Dette resulterer i en sterkt redusert netto forspenning og opphevelse av mange feilkilder under vanlig drift, så som tempera-turfølsomhet og ulinearitet. Den gjengitte konstruksjon er omhyllet og forseglet i en ytre omhylning. I en anordning som f.eks. den som er vist på fig. 3, vil man jo tettere forspenningsfrekvensene for de to staver kan tilpasses hverandre, få desto lavere netto forspenning og desto mer effektiv opphevelse av feilkilder under vanlig drift. Den grad som forspenningsfrekvensene kan tilpasses hverandre med, er for tiden begrenset av fremstillingstoleranser når det gjelder tilskjæringen av stavdelen i resonatoranordningen.

En annen egenskap ved den vibrerende stav er vist på fig. 4 som er et diagram over frekvens og temperatur. Forspenningsfrekvensen er den frekvens staven vibrerer med uten belastning (T = 0). Forspenningsfrekvensens temperaturføl-somhet har den karakteristikk som er vist på fig. 4. Vendetemperaturen ( TzTC der ZTC ang*r punktet for en tempe-raturkoeffisient på null) er en arbeidstemperatur ved hvilken stavens forspenningsfrekvens blir så godt som temperatur-ufølsom for små temperaturforandringer.

Fig. 5 viser stavdelen i resonatoren som er vist på fig. 1.

Den tidligere kjente oppbygning av staven er ganske enkelt en prismeformet stav som er innbygget ved endene (fast-fast), d.v.s. med enden 17 festet til isolatordelen 18.

Det matematiske forhold som beskriver stavens forspenningsfrekvens (fø) uttrykt som stavens fysiske egenskaper, geometrien på fig. 5 og grenseforholdene, er gitt med ligning 5.

Der E er elastisitetsmodulen, p er materialet spesifikk vekt og aøer et konstant. L er stavens lengde og t er dens tykkelse.

For den fast-fast staven på fig. 5 som er laget av kvartskrystall er aøleddet og leddene for de fysiske egenskaper (E og p) faste, og det er derfor t og L dimensjonene som kan avpasses ved forgivningen til å gi den ønskede forspennings-f rekvens.

De to stavparametere som overvåkes under fremstillingen er altså tykkelse og lengde, der tykkelsen er den mest kritiske. Produksjonsprosessen som benyttes, tillater kontroll med tykkelsen til en toleranse på omtrent + eller -0.0025 mm som er omtrent + eller -2$ av den nominelle tykkelse på 0.0125 mm. Da forspenningsfrekvensen slik ligning 5 angir er direkte proporsjonal med tykkelsen, vil man få en frekvens-toleranse på pluss eller minus 2$ som resultat.

Anvendt i et aksellerometer benyttes resonatorene i avstemte par, der forspenningsfrekvensene er tilpasset til omtrent + eller -0.15$. For å få til denne tilpasning, må det fremstilles et stort antall resonatorer slik at par som er avpasset til 0.15$ kan velges fra den samlede resonatorserie som er fremstilt.

Ligning 6 er det matematiske uttrykk som beskriver første-ordensforholdet for frekvensforandringen (Af) sett i forhold til den utøvede kraft (T).

Der a-L er en konstant, b er stavens bredde og andre symboler er som definert tidligere.

Man skal merke seg at frekvensforandringen er positiv for strekk (+T) og minus for trykk (-T). En gjennomgåelse av ligning 6 viser at en stav med et høyt tykkelse-til-lengde forhold (forholdsvis kort og tykk som er nødvendig for en høy ^ZTC ) vil resultere i en nedsatt kraf tfølsomhet, siden uttrykket L i annen potens er teller, mens uttrykket t i tredje potens er nevner. Av den grunn vil den stavgeometri som gir en høy vendetemperatur gi en lav kraf t/f rekvensføl-somhet.

Fig. 6 viser skjematisk staven i henhold til oppfinnelsen og fig. 7 viser i perspektiv en resonator oppbygning som benytter denne stav. Som vist på fig. 6 og 7 er staven 61 i henhold til oppfinnelsen, i motsetning til staven 16 i den kjente utførelse, festet ved sine ender ved hjelp av en A-ramme konstruksjon ved stavens rot, der rammen har ben 65 og 67 som fester staven til isolatorkonstruksjonen 63. I tillegg er det midt på staven på hver side av denne en justerbar masse 69. På fig. 6a er det gjengitt et snitt gjennom staven, der man ser dens bredde b og tykkelse t.

Bruken av A-rammekonstruksjonen sørger for høy aksial stivhet, sammen med ettergivenhet i vinkelretningen. Dette tillater større stavbøyning under vibrasjoner.

Virkemåten for justeringsmassen vil nu bli beskrevet. Det kan vises at tilføyelse av justeringsmassen 69 modifiserer ligning 5, slik at det matematiske uttrykk for forspenningsfrekvensen nu innbefatter et andre ledd Som beskrevet tilnærmet i ligning 7.

Der m^/mg er masseforholdet mellom justeringsmassen og stavens masse.

En gjennomgåelse av ligning 7 viser at reduksjon av m^i små inkrementer vil øke forspenningsfrekvensen i små inkrementer. Det er blitt slått fast ved eksperimenter at frekvensforan-dringer så fine som 0.04$ kan oppnås ved å fjerne små inkrementer av denne sentrale masse. Man skal merke seg at resonatorene det her er tale om er laget av kvartskrystall som er et sprøtt materiale og derfor kan små inkrementer fjernes fra justeringsmassen 69 ved at de ganske enkelt brytes av. Anordningen til frekvensjustering er en stor fordel, siden justeringen kan gjøres i en resonator som er ferdig behandlet helt opp til elektroplettering og kontroll-prøving. Ved fremstillingen vil en resonator som nu innbefatter den sentrale masse, tilsiktet bli utført med en lavere f or spenningsf rekvens enn den ønskede nominelle fg. Kali-brer ingsprosedyren er først å måle forspenningsfrekvensen resonatoren har til å begynne med og deretter inkrementalt å fjerne små stykker av den sentrale masse inntil den ønskede nominelle forspenningsfrekvens er oppnådd.

Virkemåten for A-rammen vil nu bli beskrevet. Som forklart tidligere, tillater A-rammen mer bøyning ved stavens rot. Det kan analyttisk vises at mer bøyning ved stavens rot på en effektiv måte øker verdien av a^, som er en koeffisient i ligning 2. Som et eksempel er a^for en fast stav 0.148, mens a^for en pinne-pinnestav er 0.608. Det skal her nevnes at en pinne-pinne tilstand, d.v.s. en full vinkelmessig ettergivenhet, oppnås hvis den vinkelmessige ettergivenhet for A-rammen kunne gjøres uendelig. Selv om dette ikke kan oppnås i praksis, kan pinne-pinne forhold tilnærmes slik at en a^koeffisient som er større enn fast-fast forholdet, men mindre enn pinne-pinne forholdet kan oppnås i praksis. Eksperimentresultater viser at en a^på omtrent 0.4 kan oppnås i praksis.

En gjennomgåelse av ligning 6 vil vise at for en gitt frekvens/kraftfølsomhet vil en øket a^koeffisient muliggjøre en reduksjon i stavlengden L og/eller en økning i stavens tykkelse t for en total økning i stavgeometriens tykkelse-til-lengdeforholdet (t/L). En tilføyelse av A-rammen ved stavens rot er derfor en forbedring sammenlignet med teknikkens stand ved at en akseptabel frekvens/kraftfølsomhet kan oppnås med en stavgeometri som har større tykkelse-til-lengdeforhold og derfor en stav som har en høyere vendetemperatur (Tzxc) ^or forspenningsfrekvensen.

Fordelene med foreliggende oppfinnelse sammenlignet med det som er tidligere kjent, er følgende: 1. Tilføyelse av justeringsmassen danner et fint justerings middel for forspenningsfrekvensen, hvorved stavens for-spenningskrets kan trimmes til + eller - 0.04$. Ved de tidligere kjente utførelser resulterte fremstillingstole-ransene i en + eller - 2$ spredning av forspenningsfrekvensen. Denne justering gjør det mulig å trimme alle resonatorer til en felles forspenningsfrekvens som er ønskelig for tilpasningsformål ved anvendelse i aksellerometere der disse resonatorer ofte benyttes. Det er en ytterligere fordel at justeringsmidlene vil tillate justering av forspenningskretsen i en resonator som er ferdigbehandlet opp til plettering og kontrollprøving. 2. Tilføyelsen av den vinkelmessige ettergivende A-ramme ved stavroten resulterer i en stavutførelse som har en langt mer fordelaktig kombinasjon av frekvens/kraftfølsomhet og vendetemperatur.

Selv om disse to detaljer gir spesielt gode resultater kombinert, skal det påpekes at de godt kan benyttes hver for seg.

Claims (7)

1. Krafttransduktor med vibrerende stav omfattende en piesoelektrisk stavkonstruksjon med første og andre ender og anordnigner for å sette den piesoelektriske stav i vibrasjoner, karakterisert ved en justeringsmasse tildannet på midten av staven, hvilken justeringsmasse er bygget opp av piesoelektrisk materiale, hvorved deler av justeringsmassen kan brytes av for å justere forspenningsfrekvensen for den vibrerende stav.

2. Kraf ttransduktor som angitt i krav 1, karakterisert ved at justeringsmassen omfatter første og andre deler som strekker seg perpendikulært fra motstående sider av midten av stavanordningen.

3. Kraf ttransduktor som angitt i krav 2, karakterisert ved at den vibrerende stav har et rektangulært tverrsnitt med en bredde som er større enn dens tykkelse og ved at justeringsmassens deler omfatter tynne, rektangulære partier som strekker seg perpendikulært fra begge de bredere sider av den rektangulære stav.

4. Kraf ttransduktor som angitt i krav 1, karakterisert ved at de første og andre ender er festet til en understøttelsesanordning og omfatter første og andre ben ved hver ende av staven for feste av denne til bæreanordningen, hvilke ben danner en vinkel mellom seg, slik at det fremkommer et A-ramme feste.

5. Krafttransduktor som angitt i krav 4, karakter!- sert ved en isolatoranordning mellom hver ende av den vibrerende stav og bæreanordningen.

6. Kraf ttransduktor som angitt i krav 5, karakterisert ved at transduktoren er symmetrisk.

7. Kraf ttransduktor som angitt i krav 6, karakterisert ved at hele transduktoren er laget av et enhetlig stykke av piesoelektrisk materiale.