DE2551943A1

DE2551943A1 - Verfahren zur messung der resonanzfrequenz fuer den automatischen frequenzabgleich mechanischer resonatoren mittels laserstrahlen

Info

Publication number: DE2551943A1
Application number: DE19752551943
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing Betzl; Guenter Luplow
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1974-12-19
Filing date: 1975-11-19
Publication date: 1977-05-26
Also published as: DE2551943C3; DE2551943B2

Description

Verfahren zur Messung der Resonanzfrequenz für den automatischen
Frequenzabgleich mechanischer Resonatoren mittels Laserstrah-Zusat zu Patent . ... ... Anmeldung P 24 60 230.0 De Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Resonanzfrequenz innerhalb eines Verfahrens zum automatischen Abgleich der Ist-Frequenz mechanischer Resonatoren auf eine vorgegebene Soll-Frequenz durch Abtragung von Resonatormaterial mittels geregelter Bestrahlung durch einen Laser in Abhängigkeit von einer aus einem Soll-Ist-Frequenzvergleich sich ergebenden Differenzfrequenz (Laserabgleichverfahren), bei dem die Resonatoren mittels einer Beschickungsvorrichtung den Halterungen eines Rundschalttisches und innerhalb dieser längs eines Kreisbogens einer Laserabgleicheinrichtung zugeführt worden, bei dem nach der den Laserabgleich abschließenden Messung der Resenanzfrequenz diese mit einem vorgegebenen Toleranz-Frequanzvergleich verglichen wird und bei dem die Resonatoren entsprechend dr gemessenen Resonanzfrequenz sortiert von eines von wenigstens zwei Auswurfstellen ausgeworfen werden, @nsbesondere nach Patent . .e. ... Anmeldung P 24. 60 230.0.
Im Hauptpatent ist ein Verfahren zum automatischen Frequenzabgleich mechanischer Resonatoren angegeben, bei dem die Zuführung der abzugleichenden Resonatoren zu ei schrittzeise bwegten Rundschalttisch durch eine aus einer Vibratoreinrichtung und einer Führungsschiene bestehende Beschickungseinrichtung Ärfolgt. Der Rundschalttisch weist zur Halterung der Resonatoren eine mit der Zahl der Schaltstellungen übereinstimmende Anzahl von konzentrisch zu einer Drehachse und in gleichen Abständan angeordneten Halt.erungen auf Die aus der Vibratoreinrichtung atstretenden Resonatoren werden über eine Führungsschiene den Halterungen des Rundschalttisches so zugeführt, da;) jeweils ein Resonator mit seinen stiftfo'rr.igen Halteorganen durch eine Halterung festgeklemmt wird. Durch den Rundschalttisch wird der in der Halterung befindliche Resonator dann einer mit einer Meßstelle kombinierten Laserabgleicheinrichtung zugeführt Dort wird wschselweise die Resonanzfrequenz des Resonators gemessen und dieser durch den Laser an der Stirnfläche so lange abgeglichen, bis die Sollfrequenz mit der geforderten Genauigkeit erreicht ist.
Beim Verfahren nach dem Hauptpatent wird die Resonanzfrequenz des Resonators durch ein Mikrofon gemessen, das die vom Resonator erzeugten Scjiallschwingungen in elektrische Schwingungen umwandelt. Der Resonator wird hierzu über eine Antriebsvorrichtung, beispielsweise eine Anregespule, zu Schwingungen angeregt. Die vom Mikrofon gemessene Resonanzfrequenz des Resonators wird einem Rückkopplungsverstärlrer zugeführt, der zusammen mit der Antriebsvorrichtung und dem Mikrofon den Meßkreis bildet. In diesem Meßkreis wird demzufolge die jeweilige Resonanzfrequenz, d.h. die Ist-Frequenz, gemessen. Diese IsFrequenz wird einem elektronischen Steuergerät zugeführt und von diesem mit einem vorgegebenen Toleranz-Frequenzbereich verglichen und der Resonator - falls er nicht schwingungsfähig ist -über eine Rutsche in einen Behälter der ersten Auswurfstelle abgelegt oder entsprechend der gemessenen Frequenz nach weiteren Schritten des Rundschalttisches in einer für zu hoch abgestimmte Resonatoren vorgesehenen Auswurfstelle oder in einer weiteren für richtig abgeglichene Resonatoren vorgesehene Auswurfstelle ausgeworfen.
Da nach dem Hauptpatent die Anregung der Resonatoren elektrisch über eine Anregespule mit Hilfe des Magnetostriktionseffekts erfolgt, ist eine vorherige Magnetisierung der Resonatoren in einer Magnetisierungsstation erforderlich. Das Verfahren nach dem Hauptpatent, bei dem die Resonatoren mit einer Genauigkeit von +2 Hz auf die So frequenz abstimmbar sind, hat sich gut bewährt und zeichnet sich durch geringe Störanfälligkeit und hohe Zuverlässigkeit aus. Für spezielle Filter mit besonders hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Einhaltung der Soll-Frequenz ist jedoch die Meßmethode nach dem Hauptpatent unter Umständen nicht mehr geeignet, da durch die hier notwendige Vormagnetisierung der Resonatoren deren innere Däinpfung erhöht und damit die Schwinggüte verringert und außerdem deren Eigenresonanzfrequenz gegenüber der im unmagnetisierten Zustand auftretenden Eigenresonanzfrequenz verschoben wird. Diese Frrquenzverwerfung ist durch die Ahhängigkeit des Elastizitätsmoduls E des Resonatormaterials von der Größe der Vormagneti sierung bedingt und erreicht bei ungünstigem Resonatormaterial und kräftiger Vormagnetisierung Werte für die relative Frequenz änderung Afff bis zu 2f10-4.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Resonanzfrequenz innerhalb eines Verfahrens zum automatischen Frequenzabgleich mechanischer Resonatoren nach dem Hauptpatent in der Weise weiterzubilden, daß die Eigenresonanzfrequenz der mechanischen Resonatoren unabhängig von oben angegebenen Störeinflüssen und mit entsprechend größerer Genauigkeit gemessen werden kann.
Ausgehend von dem im Hauptpatent angegebenen Verfahren wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß durch einen mechanischen Impuls der zu messende Resonator zu Schwingungen angeregt wird und anschließend die Frequenz der abkl.ingenden Schwingungen bestimmt wird.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist dadurch gegeben, daß die beim Verfahren nach dem Hauptpatent vor dem eigentlichen Abgleichvorgang notwendige Magnetisierung und damit die hierzu erforderliche Nagnetisierungsstation entfallen kann.
Außerdem wird beim erfindungsgemäßen Verfahren.vermieden, daß wie beim Verfahren nach dem Hauptpatent die Magnetisierung durch die Laserimpulse während des Abgleiches und dadurch auch die Sicherheit der Messung abnimmt. Da der Resonator mechanisch zu Schwingungen angeregt wird1 entfällt außerdem dle Notwendigkeit einer Auswurfstation für nichtschwingende Resonatoren.
Bei einer hinsichtlich der Meßgenauigkeit und damit der Abglsichgenauigkeit, und besonders auch hinsichtlich der konstruktiven Anpassung an die Anordnung nach dem Hauptpatent besonders günstigen Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der Resonanzfrequenz innerhalb eines Verfahrens zum automatischen Frequenzabgleich mechanischer Resonatoren nach dem Hauptpatent weist die Laserabgleichstation ein als Feder-Nasse-System ausgebildetes mechanisches Schlag;erk auf, welches einen Drehmagneten und eine mit der Drehachse des Drehmagneten verbundene und an ihrem äußeren Ende mit einer Schlagmasse versehene Spiralfeder enthält und ist ein in Resonatornähe angeordnetes und ausgangsseitig mit dem Eingang eines Verstärkers verbundenes Mikrofon vorgesehen. Der Verstärker ist bei dieser Anordnung ausgangsseitig mit dem Eingang eines einen Frequenzvergleicher enthaltenden Steuergerätes verbunden. Das Steuergerät weist einen mit der Drehtellersteuerung verbundenen Anschluß auf sowie mit den Auswurfstellen und mit der Antriebssteuerung des Drehmagneten verbundene Steuerausgänge und enthält ferner einen Lasersteuerungs-Ausgang, durch den der Lasereinileit ein der jeweiligen Differenzfrequenz eindeutig zugeordnetes Steuersignal zugeführt ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist dadurch gegeben, daß die Phasenlage des zum Verstärker gelangenden Signales nicht durch genaue Justierung des Abstandes zwischen Resonator und Mikrofon eingestellt werden muß, um die in der Meßs.rordnung nach dem Hauptpatent erforderliche Selbsterregung zu erhalten.
Im folgenden wird die Erfindtrng anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erlautert.
In der Zeichnung bedeuten: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsw gemäßen Anordnung zur Messung der Rescnanzfrequenz; Fig.2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung zur Messung der Resonanzfrequenz; Fig.3 eine schematische Darstellung eines mechanischen Schlagwerkes, das aus einer Magnetspule mit einem beweglichen Spulenkern besteht; Fig.4 eine Darstellung einer Anordnung zur Messung der Resonanzfrequenz von noch nicht mit Haitebeinen versehenen mechanischen Resonatoren.
Die in Fig.1 schematisch dargestellte Meßanordnung enthält einen mit stiftförmigen Halteorganen versehenen abzugleichenden Resonator 1, ein mechanisches Schlagwerk 2 das aus einem Drehmagneten 3 und aus einer mit der Drehachse 4 des Drehmagneten verbundenen und mit einer Schlagmasse 5 versehenen Feder 6 besteht, ein mit dem Eingang eines Verst%rkerr7verbundenes Mikrofon 8, ein eingangsseitig mit dem Ausgang des Verstärkers verbundenes Steuergerät 9 und eine mit einem Lasersteuerungsausgang 10 des Steuergerätzes verbundene Lasereinheit 11. Das Steuergerät 9 enthält einen weiteren Steuerausgang 12, der mit der Antriebs steuerung des Drehmagneten 3 verbunden ist sowie mit den Ausarurfstellen verbundene weitere Steuerausgänge 13.
Ferner ist ein weiterer Anschluß 14 des Steuergerätes 9 mit der Drehtellersteuerung des Rundschalttisches verbunden.
Das Steuergerät 9 enthält einen auf die Soll-Frequenz abgestimmten Frequenzvergleicher, dem die gemessene Ist-Frequenz des abzugleichenden Resonators zugeführt wird und der die Differenz zwischen der Ist-Frequenz und der Soll-Frequenz wn eine entsprechende elektrische Größe umwandelt, die über den Lasersteuerungsausgang 10 der Lasereinheit 11 zugeführt wird.
Bei der in Fig.1 dargestellten Anordnung wird der durch das mechanische Schlagwerk 2 erzeugte mechanische Impuls auf die Resonatormitte in Richtung der Schwingungsebene der anzuregenden Biegeschwingung geführt. Es ist jedoch auch möglich, den mechanischen Impuls auf eines der Resonatorenden zu übertragen. Die Position des in der Figur der Resonatorriitte gegenüberliegend angeordneten Mikrofons 8 kann auch den Resonator enden gegenüberliegend gewählt werden. Die an der Drehachse 4 des Drehmagneten 3 befestigte und an ihrem Ende mit einer Schlagmasse 5 versehene Blattfeder 6 kann auch in vorteilhafter Weise durch eine Spiralfeder 6' ersetzt werden, wie dies in Fig.2 dargestellt ist. Wesentlich für die richtige Funktion des Schlagwerkes 2 ist es, daß die Drehachse 4 des Drehmagneten in einer vorher festgelegten Winkellage, bei die Schlagmasse 5 den Resonator 1 noch nicht erreicht hat, durch einen Anschlag abgebremst wird, so daß die Schlagmasse infolge ihrer Trägheit über diese Winkellage hinaus schwingt und dabei den mechanischen Impuls auf den Resonator überträgt. Durch diesen mechanischen Impuls wird der zu messende Resonator zu Schwingungen angeregt, deren Frequenz während des Abklingens dieser Schwingungen bestimmt wird. Da rechani.sche Resonatoren im allgemeinen eine hohe Schwinggüte aufweisen, steht für die Messung der Frequenz der abklingenden Schwingungen eine ausreichende Zeit von zirka 0,5 Sekunden zur Verfügung. Bei Resonatoren mit einer Resonanzfrequenz von zirka 50 kHz beträgt die erforderliche Meßzeit für eine einfache Frequenzmessung zirka 20 bis 40 Millisekunden, so daß es möglich ist, während der abklingenden Schwingung wenigstens zwei vergleichende Frequenzmessungen durchzuführen.
Die mit dieser Anordnung erreichbare Genauigkeit der Frequenzmessung und damit auch des Frequenzabgleichs der mechanischen Resonatoren liegt bei der oben angegebenen Resonanzfrequenz innerhalb eines Bereiches < +1 Hz. Die Genauigkeit des Frequenzabgleiches ist also gegenüber dem Hauptpatent verdoppelt.
Da bei der Messung der Resonanzfrequenz des Resonators die Frequenz einer abklingenden Schwingung gemessen wird, ist es vorteilhaft, den Verstärker 7 als Regelverstärker auszuführen.
In der Darstellung nach Fig.2 ist der Resonator 1 mit seinen stiftfbrmigen Halteorganen durch eine auf einem Rundschalttisch 15 nontierte Halterung 16 geklemmt. Durch den gestrichelten Pfeil 15' ist die Drehrichtung des Rundschalttisches 15 angedeu-e-t. Das auf einer unbeweglichen Grundplatte befestigte mechanische Schlagwerk enthält als Feder eine mit der Drehachse 4 des auf der Grundplatte montierten Drehmagneten 3 fest verbundene Spiralfeder 6', an deren äußeren Ende eine Schlagt masse 5 befestigt ist. Da der mechanische Resonator 1 mit der Drehung des Rundschalttisches 15 eine Kreisbahn beschreibt, ist es erirderlich, das Mikrofon 8 und das in seiner Ruhestellung befindliche Schlagwerk so auf der GrundPlatte zu befestigen, daß keine Kollisionsgefahr gegeben ist.
In Fig.3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mechanischen Schlagwerkes schematisch dargestellt. Es ist hier eine fest mit der Grundplatte verbundene Magnetspule 17 vorgesehen, deren zylIndrischer Spulenkern 18 längs einer Führung innerhalb der Magnetspule in Achsrichtung beweglich ist. Dieser Spulenkern 18 ist an einem Ende mit einer Schlagmasse 5 versehen und an seinem anderen Ende durch eine Schraubenfeder 19 in seiner Ruhelage innerhalb des Spulenkörpers gehalten.
In Fig.4 ist eine, insbesondere als Einzelmeßplatz geeignete Meßanordnung für mechanische Resonatoren ohne Halteorgane dargestellt, bei der die Resoneboren im Bereich ihrer Schwingungs knoten lose auf gespannten Fäden 20 einer Auflage 21 gelagert sind. Die zur Auflage des Resonators dienenden Fäden 20 sind über eine wannenförmige Vertiefung 22 der Auflage 21 gespannt.
Die Auflage 21 ist ferner mit zwei Schneiden 23 versehen, die ebenfalls im Bereich des Schwingungsknotens im rechten Winkel zu den Fäden 20 verlaufen. Durch diese Schneiden 23 ist gewährleistet, daß die Schwingungen des durch das mechanische Schlagwerk 2 angeregten Resonators nach dem mechanischen Impuls nicht unzulässig gedämpft werden. Das Mikrofon 8 ist zwischen den beiden Schneiden 23 auf der dem mechanischen Schlagererk 2 gegenüberliegenden Seite des Resonators angebracht. Die hier angegebene Anordnung kann beispielsweise durch Verwendung der Halterung 16 (Fig.2) auch zu einem Einzelmeßplatz für Resonatoren mit bereits angebrachten Halteorganen abgewandelt werden.
Das erfindungsgemä.ße Verfahren zur Messung der Resonanzfrequenz mechanischer Resonatoren ist in gleichem Maße geeignet für eine analoge Anwendung innerhalb eines Verfahrens zum automatischen Frequenzabgleich mechanischer Resonatoren durch Materialabtragung mittels Sandstrahlen, das Gegenstand einer älteren Anmeldung ist. Auch für ein Verfahren zum Sortieren mechanischer Resonatoren nach einer weiteren älteren Patentanmeldung sowie für einen Einzeimeßplatz ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Resonanzfrequenz hervorragend geeignet.
10 Patentansprüche 4 Figuren Leerseite

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Messung der Resonanzfrequenz innerhalb eines Verfahrens zum automatischen Abgleich der Ist-Frequenz mechani schar Resonatoren auf eine vorgegebene Soll-Frequenz durch Abtragung von Resonatormaterial mittels geregelter Bestrahlung durch einen Laser in Abhängigkeit von einer aus einem Soll-Ist-Frequenzvergleich sich ergebenden Differenzfrequenz (Laserabgleichverfahren), bei dem die Resonatoren mittels einer Beschickungsvorrichtung den Halterungen eines Rundschalttisches und innerhalb dieser längs eines Kreir>bogens einer Laserabglsicheinsi chtung zugeführt werden, bei dem nach der den Laserabgleich abschließenden Messung der Resonanzfrequenz diese mit einem vorgegebenen Toleranz-Frequenzvergleich verglichen wird und bei dem die Resonatoren entsprechend der gemessenen Resonanzfrequenz sortiert von einer von wenigstens zwei Auswurfstellen ausgewor fen werden, insbesondere nach Patent. ... ... Anmeldung P 24 60 230.0, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß durch einen mechanischen Impuls der zu ma.Qsende Resonator zu Schwingungen angeregt wird und anschließend die Frequenz der abklingenden Schwingungen bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der mechanische Impuls in Richtung der Schwingungsebene der anzuregenden Biegeschwingung gefUhrt wird.
3. Verfahren nach den AnsprUchen 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der mechanische Impuls auf die flesonatormitte Ubertragen wird.
4. Verfahren nach den AnsprUchen 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der mechanische Impuls auf ein Resonatorende übertragen wird.
5. Verfahren nach den AnsprUchen 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der mechanische Impuls durch ein mechanisches Schlagwerk erzeugt wird.
6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Laserabgleichstation ein als Feder-Masse-System ausgebildetes mechanisches Schlag,sserk (2) aufweist, welches einen Drehmagneten (3) und eine mit der Drehachse (4) des Drehmagneten verbundene, an ihrem äußeren Ende mit einer Schlagmasse (5) versehene Spiralfeder (6') enthält, daß ein in Resonatornähe angeordnetes und ausgangs seitig mit dem Eingang eines Verstärkers (7) verbundene3 Mikrofon (8) vorgesehen-ist, daß der Verstärker (7) ausgangsseitig mit dem Eingang eines einen Frequenzvergleicher enthaltenden Steuergerätes (9) verbunden ist, daß das Steuergerät einen mit der Drehtellersteuerung verbundenen Anschluß (14) aufweist, und daß das Steuergerät (9) ferner mit den Auswurfstellen verbundene Steuerausgänge (13), einen mit der Antriebs steuerung des Drehmagneten (3) verbundenen weiteren Steuerausgang (12) und einen Lasersteuerungs-Ausgang (in), durch den der Lasereinheit (11) ein der jeweiligen Differenzfrequenz in eindeutiger-Weise zugeordnetes Steuersigilal zugeführt ist, aufweist.
j. Anordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß als mechanisches Schlagwerk ein Feder Masse-System mit einer an ihrem einen Ende eine Schlaginas se aufweisenden Blattfeder (6) vorgesehen ist.
8. Anordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß als mechanisches Schlagwerk eine unbeweglich angeordnete Magnetspule (17) mit einem längs einer Führung innerhalb der Magnetspule in Achsrichtung geführten und durch eine Schraubenfeder (19) in seiner Ruhelage gehaltenen, beweglichen, mit einer Schlagmasse (5) versehenen Spulenkern (18) vorgesehen ist.
9. Anordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das mechanische Schlagwerk ein mechanisches Pendel mit einem starr ausgebildeten und an seinem einen Ende drehbar gelagerten Pendelarm aufweist, daß der Pendelarm an seinem anderen Ende mit einer Schlagmasse und mit einem rechtwinklig zum Pendelarm verlaufenden Pendelarm-Fortsatz versehen ist, und daß das mechanische Schlagwerk eine zur Auslenkung des Pendels vorgesehene Tauchspule aufweist, durch die ein Teil des Pendelarmfortsatzes aufgenommen ist.
10. Anordnung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Verstärker (7) als Regelverstärker ausgeführt ist.