DE4312839A1 - Dynamischer Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen dynamischen Beschleunigungssensor, der aus einer beweglichen Feder-Masse-Elektrode und einer Auswertelektronik mit mindestens einem Operationsverstärker besteht und eine hohe Empfindlichkeit sowie einen kleinen Lineari­ tätsfehler bei geringem elektronischen Aufwand aufweist.

Dynamische Beschleunigungssensoren werden besonders zur Messung und Kontrolle von gefährdenden Beschleunigungen bzw. Vibrationen benutzt. Zur Messung der Beschleuni­ gung sind eine Reihe von Wirkprinzipien bekannt. Verbreitet sind kapazitive Feder-Mas­ se-Beschleunigungssensoren mit und ohne geregelte elektrostatische bzw. magnetische Rückstellkräfte. Kapazitive Beschleunigungssensoren mit Rückstellkräften (z. B. DE-PS 32 05 367, EP 118 359, DE-PS 30 14 038) sind zwar für genaue Messungen geeig­ net, nachteilig dabei ist, daß sie einen komplizierten Aufbau und eine aufwendige Elek­ tronik erfordern. Kapazitive Beschleunigungssensoren ohne Rückstellkräfte (z. B. DE-OS 36 25 411) erfordern zwar einen geringeren Aufwand, sind dafür aber relativ unem­ pfindlich und besitzen meistens einen größeren Linearitätsfehler und eine größere Zeit­ drift. Die in der Schrift DE-OS 38 31 593 beschriebene Schaltungsanordnung ver­ wendet zur Signalgewinnung eine phasenverschobene Hochfrequenzspannung mit einer umfangreichen Folgeelektronik, deren Nachteile in einer nichtlinearen Kennlinie und ho­ hem Schaltungsaufwand liegen.

Ebenfalls weit verbreitet sind dynamische piezoelektrische Beschleunigungssensoren ("Piezoelektrische Meßgeräte", Firmenschrift Kistler Instrumente GmbH 1977). Nachteile dieser Sensoren sind neben der Alterungsabhängigkeit die hohe Impedanz des Sensore­ lements, so daß kostspielige Ladungsverstärker mit hohem elektronischen Aufwand er­ forderlich sind. Ein weiterer Nachteil besteht im Auftreten von hohen Spannungsspitzen bei Schockbelastungen.

Diese genannten Nachteile sollen durch die im folgenden beschriebene Erfindung be­ seitigt werden.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Grundaufbau des dynamischen Beschleunigungssensors,

Fig. 2 den Aufbau des dynamischen Beschleunigungssensors mit getriebenem Schirm,

Fig. 3 den Aufbau des Beschleunigungssensors mit differentiellem Primärwandler,

Fig. 4 den Aufbau des dynamischen Beschleunigungssensors mit extern zugeführter Elektrode,

Fig. 5 den Aufbau des dynamischen Beschleunigungssensors mit logarithmischer Ver­ stärkerschaltung,

Fig. 6 den dynamischen Beschleunigungssensor mit exponentiellem Verstärkungsverhal­ ten,

Fig. 7 einen Aufbau des dynamischen Beschleunigungssensors mit vermindertem Auf­ wand an passiven Bauelementen,

Fig. 8 den dynamischen Beschleunigungssensor mit einer vorteilhaften Anordnung des Primärwandlers und der Elektronik und

Fig. 9 eine Anordnung von mehreren dynamischen Beschleunigungssensoren zur Stör­ größenverminderung.

In Fig. 1 ist mit 1 die bewegliche Feder-Masse-Elektrode und mit 2 die starre Elektro­ de eines Primärwandlers bezeichnet. Die Widerstände R1 und R2 bilden einen Span­ nungsteiler und der Widerstand R3 stellt das durch diesen Spannungsteiler bestimmte Potential an der starren Elektrode 2 bereit. Wird die bewegliche Elektrode 1 durch ei­ ne Beschleunigung ausgelenkt, ändert sich der Abstand zwischen der Elektrode 1 und der starren Elektrode 2, was durch Ladungsverschiebung an der starren Elektrode und am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV1 zu einer beschleu­ nigungsproportionalen Spannungsänderung führt. Der Operationsverstärker OV1 ist als Spannungsfolger geschaltet und am Ausgang des Operationsverstärkers kann am Punkt Ua die beschleunigungsproportionale Ausgangsspannung abgenommen werden.

Die Anordnung nach Fig. 2 ist identisch mit der Anordnung nach Fig. 1. Zusätzlich ist der Ausgang des Operationsverstärkers Ua und der invertierende Ausgang mit einem getriebenen Schirm 6 verbunden, der die Elektrode 2 und die elektrischen Zuführungen zu diesen Elektroden umgibt.

In der Anordnung nach Fig. 3 ist eine zweite starre Elektrode 3 auf der anderen Seite der beweglichen Feder-Masse-Elektrode 1 des Primärwandlers angebracht. Die Wider­ stände R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler und die Widerstände R3 und R4 stellen das durch den Spannungsteiler bestimmte Potential an beiden starren Elektroden 2 und 3 bereit. Wird die bewegliche Elektrode 1 durch eine Beschleunigung ausgelenkt, ändert sich der Abstand differentiell zwischen Elektrode 1 und den starren Elektroden 2 und 3, was durch Ladungsverschiebung an den starren Elektroden und damit auch an den beiden nichtinvertierenden Eingängen der Operationsverstärker OV1 und OV2 zu einer gegenläufigen beschleunigungsproportionalen Spannungsänderung führt. Die Operations­ verstärker sind als Spannungsfolger geschaltet und können durch Veränderung des Verhältnisses der beiden Rückkopplungswiderstände R5 und R6 in ihrer Verstärkung eingestellt werden. An den Anschlüssen +UB und GND wird die Betriebsspannung ange­ legt und am Anschluß Ua die beschleunigungsproportionale Ausgangsspannung Ua abge­ griffen. Diese Anordnung ergibt einen genauen und empfindlichen dynamischen Beschleu­ nigungssensor, der durch Variation des Verstärkungsverhältnisses und der Steifigkeit der beweglichen Elektrode 1 außerordentlich breit einstellbare Beschleunigungsmeßberei­ che von einigen 10^-5 m · s^-2 bis einigen 10³ · s^-2 ermöglicht. Bei einer Betriebsspan­ nung von 5 V ergibt sich beispielsweise bei einem Gesamtmeßbereich von ±200 m · s^-2 eine Empfindlichkeit von etwa 10 mV · m^-1 · s². Die erzielte Linearität ist besser als 0.5 % vom Meßbereich.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 wird das Potential für die starren Elektroden 2 und 3 nicht intern aus der Betriebsspannung gewonnen, sondern extern am Punkt Up über die Widerstände R7 und R8 den stationären Elektroden 2 und 3 zugeführt. Die Abtrennung dieses Potentials von den nichtinvertierenden Eingängen der Operationsverstärker OV1 und OV2 erfolgt über die Kondensatoren C1 und C3. Dadurch kann ein Elektrodenpo­ tential angewendet werden, das größer als die Betriebsspannung ist, woraus eine wei­ tere Steigerung der Empfindlichkeit resultiert.

Bei der Anordnung in Fig. 5 wird der Rückkopplungswiderstand R6 durch zwei antipa­ rallele Dioden D1 und D2 ersetzt, so daß sich eine logarithmische Kennlinie zwischen Beschleunigung und Ausgangsspannung Ua ergibt. Dadurch ist der Beschleunigungssen­ sor in einem sehr breiten Beschleunigungsbereich einsetzbar, wobei niedrige Beschleu­ nigungswerte hervorgehoben werden.

Die Anordnung nach Fig. 6 ergibt einen Beschleunigungssensensor mit einer exponen­ tiellen Kennlinie, die höhere Beschleunigungswerte besonders hervorhebt. Dabei wird der Rückkopplungswiderstand R5 durch zwei antiparallele Dioden D3 und D4 ersetzt.

In Fig. 6 wird das Elektrodenpotential vom Ausgang der beiden Operationsverstärker OV1 und OV2 über die Widerstände R7 und R8 den starren Elektroden 2 und 3 zuge­ führt. Die starren Elektroden 2 und 3 sind mit den invertierenden Eingängen der Ope­ rationsverstärker OV1 und OV2 verbunden. Die Werte für die parallel zu den Wider­ ständen R5 und R6 liegenden Kondensatoren C3 und C4 betragen nur einige pF, so daß diese Kapazitäten als Leiterbahnkapazitäten unmittelbar aus der Leiterplattenstruktur erzeugt werden können. Diese Schaltung erfordert besonders geringen elektronischen Aufwand.

In Fig. 7 ist mit 1 wieder die bewegliche Feder-Masse-Elektrode, mit 2 und 3 sind die starren Elektroden bezeichnet, die ein kompaktes Paket 4 des Primärwandlers ergeben, auf dem unmittelbar die Leiterplatte mit der elektronischen Schaltung 5 aufgebracht ist. Diese Anordnung ist raumsparend und ergibt geringe parasitäre Kapazitäten der Verbindungsleitungen zwischen dem Primärwandler und der Auswertelektronik.

Die Anordnung von mehreren parallelgeschalteten dynamischen Beschleunigungssensoren S1, S2 . . . Sn nach Fig. 8 ergibt einen verminderten Störsignaleinfluß, insbesondere des Rauschens. Die Ausgänge Ua1, Ua2 . . . Uan der einzelnen Sensoren werden über Wi­ derstände Ra1 , Ra2 . . . Ran zum Gesamtsignalausgang Uam zusammengeschaltet.

Claims (10)

1. Dynamischer Beschleunigungssensor, bestehend aus einem Primärwandler mit einer beweglichen Feder-Masse-Elektrode (1), mindestens einer starren Elektrode (2) und ei­ ner Auswerteelektronik aus mindestens einem Operationsverstärker (OV1), dadurch ge­ kennzeichnet, daß die starre Elektrode (2) über einen Widerstand (R3) mit einem aus der Betriebsspannung (+UB) und einem Spannungsteiler (R1, R2) erzeugten Potential und mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärker (OV1) verbunden ist und der Ausgang des Operationsverstärkers mit dem Anschlußpunkt der Ausgangsspannung (Ua) verbunden ist.

2. Dynamischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Operationsverstärkers (Ua) und der invertierende Ausgang des Ope­ rationsverstärkers (OV1) mit einem getriebenen Schirm (6) verbunden ist, der die elek­ trischen Zuführungen zur starren Elektrode (2) und die starre Elektrode (2) umgibt.

3. Dynamischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Primärwandler zwei starre Elektroden (2, 3) besitzt, die mit einem aus der Betriebsspannung (+UB) und einem Spannungsteiler (R1, R2) erzeugten Potential und mit den nichtinvertierenden Eingängen zweier Operationsverstärker (OV1, OV2) verbunden sind und der Ausgang des einen Operationsverstärkers (OV1) über den Wi­ derstand (R5) mit dem invertierenden Eingang des anderen Operationsverstärkers (OV2) verbunden ist und der invertierende Eingang des anderen Operationsverstärkers (OV2) über den Widerstand (6) mit dem Ausgang desselben Operationsverstärkers (OV2) verbunden ist und an diesem die Ausgangsspannung (Ua) anliegt.

4. Dynamischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Potential durch einen Anschluß (Up) von außen über zwei Widerstän­ de (R7, R8) den starren Elektroden (2, 3) zugeführt wird und die starren Elektroden (2, 3) über Kondensatoren (C1, C2) mit den nichtinvertierenden Eingängen der beiden Operationsverstärker (OV1, OV2) verbunden sind.

5. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Widerstand (R6) zwischen dem Ausgang der Ausgangsspannung (Ua) und dem invertierenden Eingang des einen Operationsverstärkers (OV2) durch zwei antiparallele Dioden (D1, D2) ersetzt wird.

6. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Widerstand (R5) zwischen Ausgang des einen Operationsverstärkers (OV1) und invertierendem Eingang des anderen Operationsverstärkers (OV2) durch zwei antiparallele Dioden (D3, D4) ersetzt wird.

7. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein oder beide Widerstände (R5, R6) zwischen den Ausgängen der beiden Operationsverstärker (OV1, OV2) durch einen nichtlinearen Widerstand ersetzt werden.

8. Dynamischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Elektroden (2, 3) über Widerstände (R5, R6) mit den Ausgängen der Ope­ rationsverstärker (OV1, OV2) und die starren Elektroden (2, 3) mit den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker (OV1, OV2) verbunden sind.

9. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (5) direkt auf dem Primärwandler (4) ange­ ordnet ist.

10. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere dynamische Beschleunigungssensoren (S1, S2 . . . Sn) in gleicher Wirkrichtung angeordnet sind und die Ausgänge (Ua1, Ua2 . . . Uan) über Wi­ derstände (Ra1, Ra2 . . . Ran) parallelgeschaltet und in einem Punkt (Uam) vereint sind.