DD300585A7

DD300585A7 - Verfahren und schaltungsanordnung zur temperaturkompensation eines piezoelektrischen wandlerantriebes

Info

Publication number: DD300585A7
Application number: DD32246888A
Authority: DD
Inventors: Gerd Wende; Lothar Zoeller
Original assignee: Adw Inst Physikalisch Tech
Priority date: 1988-12-01
Filing date: 1988-12-01
Publication date: 1992-06-25

Abstract

Die Erfindung findet Anwendung in der elektronischen Mesztechnik und im wissenschaftlichen Geraetebau, wie z. B. in sogenannten Modulationsvakuummetern. Die Aufgabe der Erfindung, die Schwingungsamplitude eines mit einer Wechselspannung angetriebenen piezoelektrischen Wandlerelementes thermisch zu stabilisieren und in die Temperaturkompensation ggf. weitere Bauelemente einzubeziehen, wird dadurch geloest, dasz die Temperaturabhaengigkeit der Kapazitaet des piezoelektrischen Wandlerelementes (1) zur Messung der Eigentemperatur des piezoelektrischen Wandlerelementes (1) genutzt und ein von der Kapazitaet des piezoelektrischen Wandlerelementes (1) abhaengiges Meszsignal auf den amplitudengesteuerten Wechselspannungsgenerator (2) zur Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlerelementes (1) zurueckgefuehrt wird, wobei in Reihe mit dem piezoelektrischen Wandlerelement (1) ein Strom-Spannungswandler (4) angeordnet ist, der das Meszsignal liefert, der Ausgang des Strom-Spannungswandlers (4) ueber einen Zusatzwiderstand (R 3) mit dem Istwert-Eingang des Wechselspannungsgenerators (2) verbunden sowie zwischen Ausgang oder einem invertierten Ausgang und Istwert-Eingang des Wechselspannungsgenerators (2) eine Zusatzbeschaltung (3) vorgesehen ist. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Temperaturkompensation der Schwingungsamplitude eines piezoelektrischen Wandlerantriebes. Ein derartiger piezoelektrischer Wandlerantrieb findet Anwendung in der elektronischen Meßtechnik und im Wissenschaftlichen Gerätebau, wie z.B. in sogenannten Modulationsvakuummetern nach Patentschrift DO 126.041 undDD 130.805.

Es ist bekannt, daß die Schwingungsamplitude eines mit einer Wechselspannung konstanter Amplitude angesteuerten piezoelektrischen Wandlers temperaturabhängig ist. In einigen speziellen Anwendungsfällen ist es notwendig, diese Temperaturabhängigkeit durch einen geeigneten Wandlerantrieb zu kompensieren.

Zur Erzeugung einer Zitterbewegung mit konstanter Amplitude an einem Laser-Gyro wird in der Patentschrift DE 3.109.789 vorgeschlagen, in unmittelbarer Nähe des piezoelektrischen Wandlerelementes ein temepraturabhängiges Element zu installieren. Durch eine dem temperaturabhängige!! Element nachgeschaltete Elektronik wird ein von der Umgebungstemperatur abhängiges elektrisches Signal gewonnen, das der Ansteuerelektronik für das piezoelektrische Wandlerelement zugeführt wird und dessen Ausgangswechselspannung bezüglich Amplitude in der Weise steuert, daß die Schwingungsamplitude das piezoelektrischen Wandlerelementes konstant bleibt. Als Nachteil dieser bekannten Lösung ist zunächst anzusehen, daß ein zusätzliches temperaturabhängiges Element mit entsprechender Zusatzelektronik eingesetzt wird. Ein weiterer prinzipieller Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, daß bei relativ schnellen Änderungen der Umgebungstemperatur die Temperaturen des temperaturabhängigen Elementes und des piezoelektrischen Wandlerelementes nicht gleich sind, was zwangsläufig zu Fehlkompensationen führt. Das heißt, die Schwingungsamplitude des piezoelektrischen Wandlerelementes ist von der zeitlichen Änderung der Umgebungstemperatur abhängig.

Die Forderung nach einer vollständigen Kompensation des Einflusses der Umgebungsten iperatur auf die Schwingungsamplitude des piezoelektrischen Wandlerelementes wird damit trotz erheblichen 'usätzliohen Auwandes nicht erfüllt.

Ziel der Erfindung ist es, die Temperaturabhängigkeit der Schwingungsamplitude eines piezoelektrischen Wandlerelementes zu kompensieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schwingungsamplitude eines mit einer Wechselspannung angetriebenen piezoelektrischen Wandlerelementes thermisch zu stabilisieren und in die Temperaturkompensation ggf. weitere Bauelemente einzubeziehen. Zur Lösung der Aufgaba wurde ein Verfahren zur Temperaturkompensation der Schwingungsamplitude eines piezoelektrischen Wandlerantriebes dadurch gefunden, daß die Temperaturabhängigkeit der Kapazität des piezoelektrischen Wandlerelementes zur Messung der Eigentemperatur des piezoelektrischen Wandlerelementes genutzt und ein von der Kapazität des piezoelektrischen Wandlerelementes abhängiges Meßsignal auf den Wechselspannungsgenerator zur Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlerelemcntes zurückgeführt wird mit der Wirkung, daß die Amplitude der Ausgangsspannung des Wechselspannungsgenerators derart geändert wird, daß die Schwingungsamplitude des piezoelektrischen Wandlerelementes temperaturunabhängig wird.

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dadurch geschaffen, daß in Reihe mit dem piezoelektrischen Wandlerelement ein Strom-Spannungswandler, der vorzugsweise ein Meßwiderstand ist, angeordnet ist, daß der Ausgang den Strom-Spannungswandlers über einen Zusatzwiderstand mit dem Ist-Wert-Eingang des Wechselspannungsgenerators verbundun ist und daß zwischen Ausgang oder einem invertierten Ausgang und Ist-Wert-Eingang des Wochselspannungsgenerators eine Zusatzbeschaltung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit vom Verhältnis der Temperaturkoeffizienten der Schwingungsamplitude und der Kapazität des piezoelektrischen Wandlerelementes zum Meßsignal eine Zusatzspannung effektiv addiert oder subtrahiert und die so gewonnene Gesamtspannung zur Steuerung der Amplitude des Wechselspannungsgenerators dient.

Für den Fall, daß d's Verhältnis des Temporaturkoeffizienten der Schwingungsamplitude des piezoelektrischen Wandlerelementes einschließlich der Temperaturkoeffizienten weiterer Bauelemente und des Temperaturkoeffizienten der Kapazität des piezoelektrischen Wandlerelementes kleiner als eins und positiv ist, besteht die Zusatzbeschaltung aus einem Koppelwiderstand oder einem Koppelkondensator, die jeweils zwischen Ausgang und Ist-Wert-Eingang des Wechselspannungsgenerators geschaltet sind. Für den Fall, daß das Verhältnis des Temperaturkoeffizienten der Schwingungsamplitude das piezoelektrischen Wandlerelemontes einschließlich der Temperaturkoeffizienten weiterer Bauelemente und des Temperaturkoeffizienten der Kapazität des piezoelektrischen Wandlerelementes größer als eins oder negativ ist, besteht die Zusatzbeschaltung aus einom Operationsverstärker, dessen nichtinvertierandor Eingang auf Masse und dessen invertierender Eingang über einen Kondensator oder einen Widerstand mit dem Ausgang desWechselspannungsgenerators und über einen Rückkoppelwiderstand mit seinem Ausgang verbunden ist und dessen Ausgang über einen Koppelwiderstand oder einen Koppelkondensator auf den Ist-Wert-Eingang des Wechselspannungsgenerators geschaltet ist, oder daß die Zusatzbeschaltung aus einem Koppelkondensator besteht, der zwischen einem invertierten Ausgang und Ist-Wert-Cingang des Wechselspannungsgenerators geschaltet ist. Für den Spezialfall, daß das Verhältnis der genannten Temperaturkoeffizienten gleich eins ist, gehen die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen ineinander über und vereinfachen sich in der Weise, daß der Zusatzwiderstand gleich null gewählt wird und daß außer dem Meßwiderstand alle anderen Beschaltungselemente entfallen. Erfindungsgemäß wird der Meßwiderstand in Abhängigkeit vom Verhältnis des Temperaturkoeffizienten der Schwingungsamplitude des piezoelektrischen Wandlerelementes einschließlich der Temperaturkoeffizienten weiterer Bauelemente und dem Temperaturkoeffizienten der Kapazität des piezoelektrischen Wandlerelementes und in Abhängigkeit vom kapazitiven Widerstand des piezoelektrischen Wandlerelementes bei der vorgegebenen Betriebsfrequenz und einer bestimmten Bezugstemperatur, z. B. Raumtemperatur, bemessen. Der Koppelwiderstand und der Koppelkondensator werden in Abhängigkeit von dem genannten Verhältnis der Temperaturkoeffizionten, dem genannten kapazitiven Widerstand des piezoelektrischen Wandlerelementes und dem Zusatzwiderstand dimensioniert, wobei der Zusatzwiderstand ein in weiten Grenzen frei wählbarer Parameter ist und wodurch der Koppelwiderstand bzw. der Koppelkondensator dahingehend bemessen werden können, daß nur eine geringe zusätzliche Belastung des Wechselspannungsgenerators bzw. eine geringe Belastung des Operationsverstärkers auftritt. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dr (s die Temperaturkompensation auf die wirkliche Temperatur im piezoelektrischen Wandlerelement anspricht und daß in jedem denkbaren Anwendungsfall eine Temperaturkompensation realisiert werden kann. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist einen einfachen Aufbau mit geringem Bauelementeaufwand auf und bewirkt eine Temperaturkompensation der Schwingungsamplitude eines piezoelektrischen Wandlerelementes, wobei die Kompensation von Temperaturkoeffizienten weiterer Bauelemente einbezogen werden kann.

Die Erfindung se'¹ nnand von sechs in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung Fig. 2 u. 3: erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen für den Fall, daß das Verhältnis des Temperaturkoeffizienten TKs

der Schwingungsamplitude des piezoelektrisc hen Wandlorelementes einschließlich der Temperaturkoelfizienten weiterer Bauelemente und des Temperaturkoeffizienten der Kapazität TKCp des piezoelektrischen Wandlerelementes kleiner oder gleich eins und positiv ist.

Fig. 4,5 u. 6: erfindungsgemäße Schaltungcanordnungen für den Fall, daß das Verhältnis des Temperaturkoeffizienten TKs der Schwingi ngsamplitude des piezoelektrischen Wandlerelementes einschließlich der Temperaturkoeffizienten weiterer Bauelemente und des Temperaturkoeffizienten der Kapazität TKCp des piezoelektrischen Wandlerelementes größer oder gleich eins odor negativ ist.

Die Schwingungsamplitude § eines piezoelektrischen Wandlet elementes 1 ist von der Amplitude ΰ der Steuerspannung und von der Temperatur des piezoelektrischen Wandlerelementes ι abhängig. Weiterhin ist die Kapazität Cp des piezoelektrischen Wandlerelementes von dessen Temperatur abhängig und kann damit zur Temperaturmessung genutzt werden. In den erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen, gemäß Figur 1 bis 6, wird für die Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlerlementes 1 ein in bekannter Weise amplitudengesteuerter Wechselspannungsgenerator 2 eingesetzt, für den die Bedingung

Οί,ι = a · u„ii

erfüllt sein muß, wobei die Sollspannung u_loM extern oder intern im Wechselspannungsgenerator 2 vorgegeben wird. Weiterhin wird in der erfindungsgemäßon Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 die Ist-Wert-Spannung U|„ mitteis eines in Reihe mit dem piezoelektrischen Wandlerelement 1 geschalteten Strom-Spannungswandlei 4 in der Weise gewonnen, daß ύ;₍₍ proportional zur Amplitude der Steuerspannung ΰ ist und daß weiterhin O₁₁, von der Kapazität Cp des piezoelektrischen Wandlerelementes 1 abhängig ist. Unter der in der praktischen Anwendung allgemein erfüllten Voraussetzung, daß u_;„ = a u_l0n « ύ ist, muß zur Temperaturkompensation der Schwingungsamplitude des piezoelektrischen Wandlerelementes 1 der Meßwiderstand R1 in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Figur 2 die Bedingung

_R1 a · U₁₀Ii -χ / TKS 1

0 V TKCp _uCp

und in den erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen gemäß Figur 3 bis 6 die Bedingung

a U₁₀Ii TKS 1

R1 =

TKCp _uCp

erfüllen. Für den außergewöhnlichen Fall, daß TKS/TKCp < O, also negativ ist, sind nur die erfindungsgemäßen Schaltungen gemäß Figur 4 bis 6 verwendbar, und der Meßwiderstand R1 muß die Bedingung

R1 =

TKCpJ „Cp

0 L TKCpJ „Cp

erfüllen. Das heißt, nur in dem Spezialfall TKS = TKCp kai· ι der Spannungsabfall an dem Meßwiderstand R1 unmittelbar als Ist-Wert-Spannung verwendet werden. In diesem Spezialfall vereinheitlichen sich die Schaltungsanordnungen gemäß Figur 2 bis 6 und vereinfachen sich in der Weise, daß der Zusatzwiderstand R 3 = 0 gewählt wird und außer dem Meßwiderstand RIaIIe anderen Beschaltungselemente entfallen.

Für den Fall, daß 0 < TKS/TKCp < 1 ist, muß der Meßwiderstand R1 entsprechend reduziert werden. In diesem Fall muß zur Erzeugung der Ist-Wert-Spannung in den Meßwiderstand R1 ein Zusatzstrom eingespeist werden, der effektiv addiert wird, bzw. es muß zu dem Spannungsabfall an dem Meßwiderstand R1 eine Zusatzspannung effektiv addiert werden, was in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Figur 2 durch den Koppelwiderstand R 2 und den Zusatzwiderstand R3 und in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 durch Koppelkondensator C2 und den Zusatzwiderstand R3 erfolgt. In den erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen gemäß Figur 2 und 3 wird der in weiten Grenzen frei wählbare Zusatzwiderstand R3 bevorzugterweise von null verschieden gewählt, wodurch der Koppelwiderstand R2 entsprechend groß bzw. der Koppelkondensator C2 entsprechend klein bemessen werden können, so daß die zusätzliche Belastung des Wechselspannungsgenerators 2 vernachlässigbar klein gehalten werden kann. Für den Fall, daß TKS/TKCp > 1 ist, muß der Meßwiderstand R1 entsprechend größer bemessen werden. In diesem Fall muß zur Erzeugung der Ist-Wert-Spannung in den Meßwiderstand R1 ein Zusatzstrom eingespeist werden, der effektiv subtrahiert wird, bzw. es muß von dem Spannungsabfall an dem Meßwiderstand R1 eine Zusatzspannung effektiv subtrahiert werden, was in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Figur 4 durch den Koppelkondensator C2 und den Zusatzwiderstand R3 erfolgt, denen über den mit dem Widerstand R4 und dem Rückkoppelwiderstand R5 beschalteten Operationsverstärker 5 eine invertierte Wechselspannung angeboten wird, und was in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Figur 5 durch den Koppelwiderstand R2 und den Zusatzwiderstand R3 erfolgt, denen über den mit dem Kondensator C4 und dem Rückkoppelwiderstand R 5 beschalteten Operationsverstärker 5 eine um -90° phasenverschobene Wechselspannung angeboten wird. Eine Vereinfachung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Figur 4 und 5 wird erreicht, wenn die Spannungsinvertierung im Wechselspannungsgonerator 2 integriert ist, so daß nach der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Figur 6 nur ein Koppelkondensator C2 als zusätzliches Schaltelement erforderlich ist. Falls der Wechselsparnungsgenerator 2 anstelle einer invertierten eine um -90° phasenverschobene Zusatzspannung liefert, dann ist selbstverständlich in der erfindungsgemäßon Schaltungsanordnung gemäß Figur 6 anstelle des Koppelkondensators C2 ein Koppelwiderstand R2 einzusetzen. Grundsätzlich sind hier der Koppelwiderstand R2 bzw. der Koppelkondensator C2 so zu bemessen, daß der Spannungsabfall an dem Meßwiderstand R1 infolge des Stromes durch das piezoelektrische Wandlerele.tient 1 allein betragsmäßig größer ist als der Spannungsabfall an dem Meßwiderstand R1 und dem Zusalzwide stand R3 infolge des über den Koppelwiderstand R 2 bzw. den Koppelkondensator C 2 eingespeisten Stromes. Für den außergewöhnlichen Fall, daß TKS/TKCp < 0 ist, sind der Koppelwiderstand R2 bzw. der Koppelkondensator in den erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen gemäß Figur 4 bis 6 so zu bemessen, daß der Spannungsabfall an dem Meßwiderstand R1 infolge des Stromes durch das piezoelektrische Wandlerelement allein betragsmäßig kleiner ist als der Spannungsabfall an dem Meßwiderstand R1 und dem Zusatzwiderstand R3 infolge des über den Koppelwiderstand R2 bzw. den Koppelkondensator C2 eingespeisten Stromes.

In Betracht gezogene Druckschriften: DE-PS 3109789 (G01 C 19/64) DD-PS 139094 (B06B 1/06) DD-PS 228688 (H 03 B 5/36) DE-OS 2029592 (H03B 5/04) DD-PS 115237 (G 05 F 1/46)

Claims

1. Verfahren zur Temperaturkompensation der ScI. vii jongsamplitude eines piezoelektrischen Wandlerantriebes, dadurch gekennzeichnet, daß ti β Temperaturabhängigkeit der Kapazität des piezoelektrischen Wandlerelementes zur Messung der Eigentemperatur des piezoelektrischen Wandlerelementes genutzt und ein von der Kapazität des piezoelektrischen Wandlerelementes abhängiges Meßsignal auf den amplitudengesteuerten Wechselspannungsgenerator zur Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlerelementes zurückgeführt . 'ird.

2. Schaltungsanordnung zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem piezoelektrischen Wandlerelement 0) ein Strom-Spannungswandler (4), angeordnet ist, daß der Ausgang des Strom-Spannungswandlers (4) über einen Zusatzwiderstand (R 3) mit dem Ist-Wert-Eingang des amplitudengesteuerten Wechselspannungsgenerators (2) verbunden ist und daß zwischen Ausgang oder einem invertierten Ausgang und Ist-Wert-Eingang des amplitudengesteuerten Wechselspannungsgenerators (2) eine Zusatzbeschaltung (3) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit vom Verhältnis der Temperaturkoeffiziente^r. der Schwingungsamplitude und der Kapazität des piezoelektrischen Wandlerelementes (1) zum Meßsignal eine Zusatzspannung effektiv addiert oder subtrahiert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzbeschaltung (3) aus einem Koppelwiderstand (R2) oder einem Koppelkondensator (C2) besteht.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzbeschaltung (3) aus einem Operationsverstärker (4) besteht, dessen nichtinvertierender Eingang mit Masse und dessen invertierender Eingang über einen Kondensator (C4) mit dem Ausgang des amplitudengesteuerten Wechselspannungsgenerators (2) und über einen Rückkoppelwiderstand (R5) mit seinem Ausgang verbunden ist und dessen Ausgang über ein Koppelwiderstand (R2) auf den Istwerteingang des amplitudengesteuerten Wechselspannungsgenerators (2) geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Kondensators (C4) ein Widerstand (R4) und anstelle des Koppelwiderstandes (R2) ein Koppelkondensator (C2) angeordnet sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzbeschaltung (3) aus einem Koppelkondensator (C2) besteht, der zwischen einem invertierten Ausgang und Ist-Wert-Eingang des amplitudengesteuerten Wechselspannungsgenerators (2) geschaltet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom-Spannungswandler (4) durch einen Meßwiderstand gebildet ist.