DE3014038C2

DE3014038C2 - Pendelbeschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE3014038C2
Application number: DE3014038A
Authority: DE
Inventors: Alain Plaisir Deval
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1979-04-11
Filing date: 1980-04-11
Publication date: 1986-09-25
Also published as: GB2047902A; GB2047902B; US4345474A; FR2454103A1; IT8021302A0; CA1131930A; FR2454103B1; IT1140852B; DE3014038A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Pendelbeschleunigungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Pendelbeschleunigungsmesser dieser Art ist beispielsweise aus der US-PS 40 09 607 bekannt. Bei den bekannten elektrostatischen Pendelbechleunigungsmessern treten im wesentlichen zwei Probleme auf. Eines der Probleme besteht in der mangelnden Linearität des von dem Pendelbeschleunigungsmesser gelieferten Signales. Diese mangelnde Linearität ist auf die Beziehung zwischen der zwischen den Elektroden wirkenden

so Kraft und der an die Elektroden angelegten Spannung sowie auf die Änderung der Kraft in Abhängigkeit des Elektrodenabslandes zurückzuführen. Das zweite Problem besteht in der Schwierigkeit, den Meßvorgang und die Rückstellung des Pendels vollständig zu entkoppeln.

Die für die Rückstellung oder das Zentrieren des Pendels erforderliche Spannung ist um etliche Größenordnungen größer als die Meßspannung: häufig beträgt die für die Zentrierung erforderliche Gleichspannung einige zehn Volt, während die Meßspannung in der Größen-Ordnung von Mikrovolt liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrostatischen Pendelbeschleunigungsmesser anzugeben, der relativ einfach im Aufbau ist, während langer Betriebszeiten ohne merkliche Erwärmung arbeiten kann, eine befriedigende Linearität aufweist und bei dem der Meßvorgang und der Rückstellvorgang vollständig entkoppelt sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Pendelbcschlcuni-

gungsmesser der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine von einem Stand der Technik gemäß vien US-Patentschriften 38 77 313 und 41 02 202 ausgehende zweite Ausführungsform der Erfindung zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe ist im Anspruch 2 angegebsn.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die angestrebte Linearität durch die Verwendung digitaler Schaltungen erreicht, wobei zur Zentrierung des Pendels Ladungsimpulse einer vorbestimmten Größe verwendet werden und die Anzahl der Impulse gezählt wird. Die Entkopplung von Meßvorgang und Zentrierung des Pendels wird durch einen Betrieb im Zeitmultiplex erreicht, indem abwechselnd gemessen und zentriert wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. In der folgenden Beschreibung wird in Verbindung mit den Zeichnungen die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Prinzipdarstellung des mechanischen Teiles des Beschleunigungsmessers in einem durch die Meßachse verlaufenden Schnitt, der nicht maßstabsgetreu ist,

Fig.2 eine schematische Darstellung, welche den Aufbau des Pendels des Beschleunigungsmessers zeigt,

Fig.3 ein Prinzipschaltbild einer Analogschaltung, die in Verbindung mit dem in den Fig. 1 und 2 dargpstellten mechanischen Teil verwendbar ist,

F i g. 4 ein Prinzipschaltbüd einer numerischen Schaltung, die in Verbindung mit dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten mechanischen Teil verwendbar ist,

F i g. 5 ein Schaltungsdetail,

F i g. 6 ein Schaltungsschema einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 7 eine Darstellung des zeitlichen Signalverlaufes in einem Teil der in F i g. 6 dargestellten Schaltung und

Fig.8 und 9 sehr schematische Schaltungsbilder zweier weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltung.

Der Beschleunigungsmesser umfaßt einen in den F i g. 1 und 2 schematisch dargestellten elektromagnetischen Teil und einen elektronischen Teil.

Der elektromagnetische Teil umfaßt einen Stator 10, in dem ein Pendel 11 angeordnet ist, das um eine senkrecht zur Meßachse 12 des Beschleunigungsmessers gerichtete Achse schwingen kann. Der Stator 10 umfaßt zwei Wangen aus einem Material mit einem thermisehen Ausdehnungskoeffizienten, der jenem des Pendels 11 zumindest nahekommt. Die beiden Wangen bestehen jeweils aus einer kreisförmigen Platte 13 bzw. 14. Als Material für die Wangen kann man insbesondere Silicium und Eisen-Nickel Legierungen verwenden. Diese Wangen 13 und 14 begrenzen zusammen mit einem sie auf Abstand haltenden Innenstück 15 eine Kammer 16. Das Innenstück 15 besteht aus einem äußeren Ring, an dem das Pendel 11 mittels zwei Scharniere 17 aufgehängt ist. Die Gesamtheit von Innenstück 15 und Pendel 11 wird durch Bearbeitung einer Siliciumscheibe hergestellt, die durch Schmelzen und Abkühlen gewonnen wurde. Eine derartige Bearbeitung kann durch Ultraschall erfolgen. Zur Erleichterung der Herstellung wird man im allgemeinen von einer Scheibe konstanter Dicke ausgehen. Das hat zur Folge, daß zwischen den äußeren Ring des Zwischenstückes 15 und die Wangen 13 und 14 Isolierringe 18 eingelegt werden müssen, um den nötigen Platz für ein Schwingen des Pendeis 11 zu erhalten.

Die Scharniere 17 bestehen aus Streifen, die dünner sind als der äußere Ring des Zwischenstückes 15 und das Pendel 11. Die Verdünnung kann durch chemische Bearbeitung, beispielsweise durch Bearbeitung mit Hilfe von Flußsäure erhalten werden. Die Scharniere definieren die Schwenkachse 19 des Pendels.

Auf den einander gegenüberleigenden Flächen des Pendels 11 und des Stators 10 (wenn dieser aus einem Isoliermaterial besteht) müssen Kondensatorelektroden ausgebildet werden. Alle diese Elektroden können jeweils von einer dünnen Metallschicht gebildet sein, die beispielsweise im Vakuum aufgedampft wird. F i g. 1 zeigt einen ersten Kondensator, der von den kreisförmigen Elektroden 20a und 206 gebildet wird, die auf der Wange 13 bzw. der gegenüberliegenden Fläche des Pendels 11 angeordnet sind. Der zweite Kondensator besteht aus Elektroden 21a und 21 b, die auf der Wange

14 bzw. der gegenüberliegenden Fläche des Pendels 11 angeordnet sind.

Die Verbindungen zwischen den Elektroden und dem Außenraum kann durch eine der Wangen hindurch erfolgen. In der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Verbindung durch die Wange 13 hindurch. Die Elektroden 20a und 21a sind durch einander gegenüberliegende Streifen verlängert und sowohl miteinander als auch mit dem Außenraum durch eine Metallbeschichtung der Wände eines Loches verbunden, das die Wange 13, die Isolierringe 18 und cien äußeren Ring des Innenstückes

15 durchsetzt. Jede der Elektroden 20b und 21 b ist durch eine Metallzunge 22 bzw. 23 verlängert, die auf dem entsprechenden Scharnier 17 angeordnet ist. Ein metallbeschichtetes Loch stellt die Verbindung zum Außenraum her. Das Loch ist für die Elektrode 20ό mit 24 bezeichnet.

Man erkennt, daß die mechanischen Abschnitte und die elektrischen Abschnitte des Beschleunigungsmessers ein geschlossenes Gehäuse bilden, das wegen des Fehlens eines elektromagnetischen Antriebs eine sehr geringe Dicke besitzt. Um zu verhindern, daß die Elektroden sich berühren, können Zapfen 25 zwischen dem Pendel 11 und den Wangen 13 bzw. 14 angeordnet sein. Im allgemeinen kann man auf diese Zapfen verzichten, wenn man die Metallbeschichiung der einander gegenüberliegenden Flächen einige Millimeter vom Rand dieser Flächen enden läßt. Dann erfolgt die gegenseitige Berührung dieser Flächen außerhalb der Elektroden.

Das geschlossene Gehäuse kann sehr unterschiedlich aufgebaut sein. Es kann dazu vorgesehen sein, zugleich einen festen Schutz und eine dichte Umhüllung zu bilden. Die Befestigung der beiden Wangen aneinander kann mit Hilfe dreier Schrauben erfolgen, die in Winkelabständen von 120° angeordnet sind. Die isolierringe können durch Scheibchen ersetzt werden, die von den Schrauben durchdrungen werden. Da die für die Isolierringe benötigte Stärke nur sehr gering ist (beispielsweise 10 μΐη), können sie durch Beschichtung der Wangen des Innenstückes 15 hergestellt werden.

Anstelle der Schrauben kann man Verbindungsbüge! verwenden, umso mehr, da eine genaue Winkelpositionierung der als Drehteile ausgebildeten Teile nicht erforderlich ist.

Der elektronische Teil umfaßt ein Detektorsystem zur Feststellung der Verrückung des Pendels 11 und ein Zentrier- und Meßsystem zum Zurückstellen des Pendels 11 in seine Mittellage. Das Zentrier- und Meßsystem bildet eine Regelschleife mit dem Detektorsystem. Das Detektorsystem seinerseits kann eine Regelschleife

m't einem analogen Rückstellsystem (Fig. 3) oder mit einem digitalen Rückstellsystem (Fig.4) bilden. In beiden Fällen werden die Schaltungsanordnungen vorzugsweise in mikroelektronischer Hybridtechnologie ausgeführt und sind auf einer oder mehreren mit den Wangen 13,14 durchmessergleichen Scheiben angeordnet, die ihrerseits auf den Wangen angeordnet sind, um elektrostatische Phänomene soweit wie möglich zu reduzieren.

Das kapazitive Detektorsystem gemäß den in den F i g. 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen umfaßt einen Schwingungsgenerator, dessen Frequenz gegenüber dem gesuchten Frequenzbereich für den Beschleunigungsmesser relativ hoch gewählt ist. Der Schwingungsgenerator 26 liefert beispielsweise eine Frequenz von 20 kHz, wenn das Frequenzband der gemessenen Beschleunigungen 100 bis 150 Hertz nicht überschreitet. Das von dem Schwingungsgenerator 26 erzeugte Wechselspannungssignal wird über einen einen Mittelabgriff aufweisenden Transformator 27 und Entkopplungskondensatoren 28 den Elektroden 206 und 216 zugeführt. Die Elektroden 20a und 21a sind ihrerseits mit der Masse verbunden.

Das Verstimmungs-Wechselspannungssignal, das am Mittelabgriff des Transformators 27 auftritt, wird einem Verstärker 29 zugeführt, der einen hohen Verstärkungsfaktor in dem gesuchten Durchlaßbereich aufweist (beispielsweise 10³ bei 100 Hz). Das Signal wird darauf einem Synchrondemodulator 30 zugeführt. Das Ausgangssignal des Demodulators 30 wird einem Integrationsverstärker 31 zugeführt. Auch wenn dies nicht unbedingt erforderlich ist, wird vorzugsweise ein Integrationsverstärker mit einer praktisch unendlichen Gleichstromverstärkung verwendet, um jegliche Möglichkeit eines Fehlers im Nullbereich zu vermeiden. Die Ausgangsspannung ^/Vdes Verstärkers, die ein Maß für die Beschleunigung darstellt, wird einem Meßgerät zugeführt.

Das Zentriersystem, das eine Regelschleife mit dem Detektorsystem bildet, umfaßt einen Generator zur Erzeugung einer elektrostatischen Rückstellkraft, der die Elektroden der für die Feststellung der Beschleunigung verwendeten Kondensatoren verwendet.

Die elektrostatische Anziehungskraft zwischen zwei Elektroden mit einem gegenseitigen Abstand e ist proportional V-Ie¹ (wobei Vdie angelegte Gleichspannung bezeichnet). Diese Kraft hängt also vom Quadrat der Spannung V ab. Um zu erreichen, daß die Kraft zur Rückzentrierung des Pendels im wesentlichen eine lineare Funktion der angelegten Gleichspannung ist, weist das in F i g. 3 dargestellte Zentriersystem einen Generator auf, welcher der Verstimmungsspannung oder Nichtgleichgewichtsspannung AV eine Gleichspannung V₀ überlagert, die man als Vorspannung bezeichnet.

Die in F i g. 3 dargestellte Anordnung umfaßt zu diesem Zweck zwei Verstärker, einen Differentialverstärker 32 und einen Additionsverstärker 33. Die beiden Verstärker 32 und 33 empfangen an ihrem nichtinvertierendem Eingang die Vorspannung V₀. Die Spannung ΔV wird an den invertierenden Eingang des Verstärkers 32 und den anderen nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 33 angelegt. Die Ausgangssignale der Verstärker 32 und 33 werden über Widerstände R mit gleichem Widerstandswert den Elektroden 206 und 216 zugeführt. Kondensatoren 34 gewährleisten eine Endkopplung und verhindern, daß den Elektroden 206 und 21 6 eine Rest-Wechselspannungskomponente zugeführt wird.

Wird mit Sdie Oberfläche der einander gegenüberliegenden Elektroden und mit ε die Elektrizitätskonstante des im Zwischenraum e befindlichen Gases bezeichnet, so ist in diesem Fall die elektrostatische Kraft /,' die auf das Pendel 11 ausgeübt wird, gegeben durch:

J.

In dieser Formel bezeichnen ei und e2 die Dicke des Dielektrikums zwischen den Elektroden 20a und 206 bzw. 21 a und 21 b.

Wenn das Pendel zwischen den Regelsystemen zentriert ist, erhält man ei = e? = en(Nennspaltbreitc) und:

f=2eSA-AV

Da die elektrostatische Kraft proportional der Beschleunigung ist, der die Pendel ausgesetzt sind, erkennt man, daß die gemessene Spannung Δ V proportional der Beschleunigung ist, wobei der Proportionalitätsfaktor durch die Rechnung definiert werden kann. In der Praxis, wenn e einen Wert von einigen Mikrometer und die Elektroden eine Oberfläche von einigen Quadratzentimeter aufweisen, genügt es im allgemeinen, eine Vorspannung Vo zu verwenden, die 50 V nicht überschreitet, wobei Δ ^ebenfalls unterhalb dieses Wertes bleibt.

Im Falle des in Fig.4 dargestellten digitalen Systemes (die Elemente dieses Systemes, die den Elementen der Ausführugnsform in F i g. 3 entsprechen, werden nicht noch einmal beschrieben) schließt sich an den Integrator 31 eine Schwellenschaltung· 35 an, die den Elcktroden 206 und 2ib des Pendels Rechteck-Spannungsimpulse mit dem Wert 2 Vo zuführt und zwar in einer Richtung oder der entgegengesetzten Richtung je nach Richtung der gemessenen Beschleunigung. Die Frequenz der Rechteckimpulse, die mit Hilfe eines Gerätes 36 gemessen wird, liefert den Wert der Beschleunigung, die in Richtung der Meßachse wirkt. Es kann ein Zähler vorgesehen sein, um die Zahl der Rechteckimpulsc mit dem Wert 2 Vb festzustellen, die jeweils eine Zunahme der Geschwindigkeit um einen vorbestimmten Wert repräsentieren.

Die Erfindung kann zahlreiche Abwandlungen aufweisen. Insbesondere können die Meßschaltung und die Regelschaltung in der Weise ausgebildet sein, daß sie eine exakte Messung selbst in dem Fall liefern, in dem das Pendel nicht exakt zentriert ist.

Die Schwierigkeit, die sich bei einem Zentrierfehler ergibt, erkennt man unmittelbar beim Betrachten der oben genannten Formeln 1 und 2. Darin sieht man, daß die elektrostatische Kraft /eine Funktion der Spaltbrcite ist. Wenn man jedoch die Kraft / als Funktion der Ladung Q des Kondensators darstellt, erhält man die folgende Beziehung:

/= Q¹HeS

Man erkennt, daß die Spaltbreite e in dieser Formel nicht mehr auftritt.

Um diese Feststellung verwenden zu können, muß man mit den Ladungen Q und nicht nur mit den Spannungen ΔV arbeiten und daher Ladungsverstärker verwenden und die Kondensatoren 20a—206 und 21a—2\b in Reihe mit einem geeichten unveränderlichen Kondensator schalten, den man mit dem gleichen Ladestrom

wie den Meßkondensator auflädt und der einen Referenzwert liefert.

D;is Schaltprinzip dieser Anordnung ist in F i g. 5 dargestellt. Die Kondensatoren 37 und 38 werden zum einen von dem Meßkondensator (Elektroden 20a und 20b beispielsweise) und zum anderen von dem Referenzkondensator gebildet. Man sieht, daß also eine Wahl getroffen werden muß. Wenn man den Meßkondensator als Kondensator 37 verwendet, wird es notwendig, Ausgänge an beiden Elektroden vorzusehen, während im vorhergehenden Fall eine der beiden Elektroden jedes Kondensators mit der Masse verbunden war. Wenn man den Meßkondensator als Kondensator 38 verwendet, ist es erforderlich, eine schwimmende Spannungsversorgung vorzusehen.

Bei dem in der Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde diese zweite Lösung beibehalten. Der Einfachheit halber wurden in der F i g. 6 diejenigen Elemente, die eine Entsprechung in den vorher beschriebenen Figuren besitzen, mit demselben Bezugszeichen versehen.

Das Regelsystem und Meßsystem des Beschleunigungsmessers gemäß Fig. 6 weist zwei Ladungsverstärker 39 und 40 auf, von denen jeder einem der Meßkondensatoren zugeordnet ist und von denen nur der erste beschrieben wird.

Der Ladungsverstärker 39 ist dem Kondensator zugeordnet, dessen Elektroden mit 20a und 20b bezeichnet sind. Die Elektrode 20a ist dabei mit der Masse verbunden. Der Kondensator, dessen Kapazität mit Cp + bezeichnet wird, ist in Reihe mit einem Referenzkondensator 41 der Kapazität Ce und einer Hochfrequenz-Spannungsquelle geschaltet, die eine Wechselspannungsquelle 42 umfaßt, deren Pole jeweils über eine Diode und eine mit dieser in Reihe geschaltete Kapazität an den Kondensator angeschlossen sind.

Der Verstärker umfaßt ferner einen Differentialverstärker 43, an den mit Hilfe eines Schalters 44, der in der Praxis von einem Analogschaltglied gebildet ist, ein Generator 45 zur Erzeugung einer Referenzspannung Vr über einen Ladungswiderstand angeschlossen werden kann. Der Verstärker 43 steuert eine Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen des Meßkondensators und des Referenzkondensators. Die Schaltungsanordnung besteht aus zwei Transistoren 46 und 47, von denen der eine an eine positive Spannung (beispielsweise + 100V) und der andere an eine negative Spannung (beispielsweise —15 V) relativ zum Nullpotential angeschlossen ist.

Eine dem Verstärker 43 zugeordnete Gegenkopplungsschleife umfaßt einen Operationsverstärker 48 mit dem Verstärkungsfaktor 1, dessen Eingang mit der Verbindungstelle zwischen dem Referenzkondensator 41 und dem Meßkondensator verbunden ist und dessen Ausgang iiher einen Widerstand R an den nichtinvertierenden Eingang des Differentialverstärkers 43 angeschlossen ist.

Vor Beschreibung der digitalen Schaltung, welche das System vervollständigt, wird es zweckmäßig sein, kurz die Funktionsweise des Ladungsverstärkers 39 zu erläutern, der in aufeinanderfolgenden Sequenzen wirksam wird, wobei jede Sequenz ein Laden der Kondensatoren und eine darauf folgende Entladung umfaßt.

Während des Ladevorganges ist der Schalter 44 geschlossen. Der Transistor 46 liefert einen Strom /, welcher die Kondensatoren der Kapazität Cp-V und Ce auflädt, bis die Spannung an den Klemmen des Kondensators 41 gleich der Spannung Vr ist. Dann verschwindet diese Spannung aufgrund der Wirkung der Gegenkopplungsschleife.

Der Meßkondensator und der Referenzkondensator nehmen somit die gleiche Elektrizitätsmenge Q auf:

Q= Ce ■ Vr.

Die Spannung Vp+ an den Klemmen des von den Elektroden 20a und 20b gebildeten Kondensators ist somit ίο gegeben durch:

Vp+ = (Ce/Cp) Vr

Die Entladung erfolgt, wenn sich der Schalter 44 öffnet. Der Verstärker 43 sperrt also den Transistor 46 und öffnet den Transistor 47, über den sich der Meßkondensator und der Referenzkondensator entladen. Ein konstanter Strom durchfließt den Transistor 47, bis die Spannung Ve an den Klemmendes Bezugskondensators 41 den Wert Null aufweist.

Während der Entladung liefern der Meßkondensator und der Bezugskondensator die gleiche Elektrizitätsmenge Q: am Ende des Entladungsvorganges gilt: Vp+ =0.

Der Ladungsverstärker wird einerseits als Mittel zum Feststellen der Position des Pendels, d. h. als Eingangselement der Regelschaltung für die Position desselben, und andererseits als Generator zur Erzeugung der Rückstellkraft verwendet. Diese beiden Funktionen werden nun nacheinander erläutert.

Erfassung der Position des Pendels

Da die beiden Verstärker 39 und 40 identisch ausgebildet sind, nehmen die beiden Kondensatoren 20a—2Oi und 21a—21 bdieselbe Ladung Qwährenddes Ladevorganges auf. Die Kapazitäten der beiden Kondensatoren werden mit Cp+ und Cp- bezeichnet.

Da die Elektroden 20a und 21a mit der Masse verbunden sind, erhält man für die Spannungen V+ und V— an den Elektroden 20b und 21 b folgende Beziehungen:

V+ = QZCp+: V QZCp-

Wenn man mit Ae die Abweichung von der Nennspaltbreite eo zeichnet, erhält man:

Cp+ =εο SZe₀ [1 -(AeZe₀)]
Für den anderen Kondensator erhält man:
Cp- = S₀ SZe₀ [1 +(AeZe₀)]

Die resultierende Spannung Vd zwischen den Elektroden 20b und 21 b ergibt sich folglich zu:

Vd

Cp( + )

= 2

Ae

C₀

In dieser Formel bezeichnet C₀ die Kapazität, wenn das Pendel seine zentrierte Nominalstellung einnimmt.

Man sieht, daß die Spannung Vd, die zwischen den Elektroden verfügbar ist, eine Anzeige für die Abweichung Ae des Pendels gegenüber seiner zentrierten No-

minalstellung liefert.

Meßphase

Generator zur Erzeugung der Rückstellkraft

Wie weiter oben angedeutet wurde, ergibt sich die Anziehungskraft zwischen den Elektroden aus der folgenden Formel:

F=K(Vp/ef mit K = sS/2
diese Formel kann man auch schreiben:

2eS

10

15

Dies zeigt, daß F eine Funktion von Q ist unabhängig von dem Abstand e. Wenn man Q ermittelt, kann man F erhalten und damit ein Maß für die Beschleunigung, das selbst dann noch genau ist, wenn das Pendel nicht seine zentrierte Nominalstellung einnimmt.

Die Ladungsverstärker 39 und 40 speisen eine Regelschaltung, welche versucht, zu verhindern, daß das Pendel aus einem bestimmten Bereich um seine Nominalstellung ausschwenkt. Bei der in der F i g. 6 dargestellten Ausführungsform besteht das Eingangselement dieser Regelschaltung aus einem Differentialverstärker 49, an den sich ein Eingangsschalter 50 einer Abtastschaltung il anschließt. In der Praxis besteht der Schalter 50 aus einem Feldeffekttransitor. Die Ausgangssignale der Abtastschaltung 51 werden einer Anordnung 52 zugeführt, die eine Integrator- und Korrekturschaltung darstellt und die gleiche Funktion hat wie das Element 31 bei den in den F i g. 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen.

Das Ausgangssignai der Integratorschaltung 52, das je nach der Richtung der Abweichung des Pendels von seiner Nominalstellung positiv oder negativ ist, wird zwei Komparatoren 53a und 536 zugeführt, die so eingestellt sind, daß sie den Grenzen des erlaubten Abweichbereichs entsprechen. Der Ausgang des !Comparators 53a ist über eine Kippschaltung 54a, ein UND-Glied 55a und ein ODER-Glied 56a, die kaskadenartig geschaltet sind und deren Aufgabe in dem Funktionsablauf später noch erläutert wird, mit dem Steuereingang des Schalters 44 des Ladungsverstärkers 39 verbunden. In gleicher Weise folgt auf den Komparator 536 eine Kippschaltung 546 ein UND-Glied 556 und ein ODER-Glied 566, dessen Ausgang mit dem nicht dargestellten Schalter 44 des Ladungsverstärkers 40 verbunden ist. Die Ausgangssignale, welche die Beschleunigung anzeigen, werden bei 57a und 57b am Ausgang der UND-Glieder 55a bzw. 556 abgegriffen.

Die Arbeitsv/eise des Beschleunigungsmessers ist sequenziell, wobei die Messung und die Korrektur der Lage des Pendels einander abwechseln. Hierzu benötigt man eine Sequenzschaltung 58, die einer Taktschaltung 62 zugeordnet ist. Die Sequenzschaltung ist dazu vorgesehen, an drei Ausgängen 59,60 und 61 logische Rechteck-Steuersignale zu liefern, die in der in F i g. 7 dargestellten Weise auf den Leitungen 59, 60 und 61 geschachtelt sind.

Von einem gewissen Zeitpunkt i₀ an findet man jeweils nacheinander eine Phase zur Messung oder Erfassung der Position des Pendels und danach eine Regelphase zur Einstellung der Position des Pendels durch die Rückstellkraft.

Zum Zeitpunkt ίο gibt die Sequenzschaltung 58 über ihren Ausgang 61 ein binäres Signal mit dem Pegel 1 und einer bestimmten Dauer an die ODER-Glieder 56a und 566. Diese Glieder schließen die Schalter 44 der beiden Ladungsverstärker 39 und 40 und bewirken die Aufladung des Meßkondensators und des Referenzkondensators mit einem konstanten Strom während eines bestimmten Zeitraumes.

Die am Ausgang des Differenzverstärkers 49 auftretende Spannungsdifferenz wird zum Zeitpunkt f, abgetastet, wenn das am Ausgang 59 der Sequenzschaltung 58 auftretende Signal den Schalter 50 schließt. Dieses Signal setzt die Kippschaltungen 54a und 546 auf Null. Diese Ausgangsspannung wird durch die iniegraiorschaltung 52 integriert, deren Ausgangsspannung wiederum mit zwei vorbestimmten Werten Sn und 5«, wobei letzterer im allgemeinen gleich —5h ist, mittels der Komparatoren 53a und 536 verglichen.

Wenn sich das Pendel im Bereich der erlaubten Postionen befindet, tritt kein Ausgangssignal an den Komperatoren auf. Wenn sich dagegen das Pendel außerhalb des zulässigen Bereiches bewegt, liefert einer der Komparatoren, beispielsweise der Komparator 53a ein Ausgangssignal.

Korrekturphase

Zum Zeitpunkt h tritt an dem Ausgang 60 der Sequenzschaltung 58 ein logischer Rechteckimpuls mit dem Pegel 1 und der bestimmten Dauer h-t₂ auf. Dieser Rechteckimpuls öffnet die UND-Glieder 55a und 55b. In dem weiter oben beschriebenen Ausführungsbeispiei tritt ein logisches Signal mit dem Pegel 1 am Ausgang des UND-Gliedes 55a auf und wird über das ODER-Glied 56a dem Schalter 44 des Ladungsverstärker 39 zugeführt und zwar nur dem Schalter 44 des Ladungsverstärkers 39. Diese zusätzliche Ladung versucht, das Pendel in seine zentrierte Nominalstellung zurückzustellen. Der Rechteckimpuls wird ferner einem Meßgerät zugeführt, das an die Ausgänge 57a und 576 angeschlossen ist und das von einem Auf- und Abzähler gebildet sein kann.

Schließlich bewirkt ein Signal über die Taktleitung 59 das Rücksetzen der Kippschaltungen 54a und 546 auf Null.

Fig. 8 zeigt in einer sehr schematischen Weise eine Variante der in der F i g. 3 dargestellten Ausführungsform. Diese Variante weist nur noch einen einzigen Verstärker auf an Stelle der zwei Verstärker mit identischem Verstärkungsfaktor bei der Ausführungsform gemäß Fig.3. Diese Variante benötigt ferner kernen Transformator 27 hoher Qualität mehr, der noch für die Ausführungsform gemäß F i g. 3 benötigt wird.

Die beiden Kondensatoren 20a—206 und 21a—216 werden durch zwei Spannungsquellen 70a und 706 polarisiert, die Nennspannungen + U und — U(bezogen auf die Masse) über Widerstände 71a und 716 gleichen Widerstandswertes liefern. Der von den beiden Kondensatoren, die im Gleichgewicht dieselbe Kapazität C aufweisen, gebildete Spannungsteiler wird von zwei Sinusspannungen mit gegenüber der Masse entgegengesetzter Phase gespeist, die von einem Generator 26 über Kondensatoren 72a und 726 geliefert werden. Die Wechselspannung, die an den Elektroden 206 und 216 des Pendels auftritt, wird von einem Kondensator 73 abgegriffen und einer Meßschaltung zugeführt, die ei-

nen Verstärker 74, einen Synchrondemodulator 75 und eine Filler- und Korrekturschaltung 76 umfaßt und eine störfrei, insbesondere ohne Drift arbeitende Integration ausfuhr). Das Ausgangssignal der Schaltung 76 wird einem Differentialverstärker 77 zugeführt, der über einen Kondensator 78 rückgekoppelt ist. Die von dem Verstärker 77 abgegebene Gleichspannung ist proportional der Amplitude der Abweichung des Pendels von seiner Mittelstellung, wobei das Vorzeichen dieser Gleichspannung an seine Phase bezüglich der Erregungsspan- K) nungen gekoppelt ist, die über die Kondensatoren 72a und 726 zugeführt werden. Die Widerstände 79,71a und 71 b dämpfen die Wechselspannungssignale, während die Kondensatoren 80a und 80Z> die Gleichspannungsgencratoren 70a und 70b entkoppeln.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsvariante ergibt sich klar aus der vorhergehenden Beschreibung: Wenn das Pendel sich in seiner Mittelstellung befindet und keiner Beschleunigung unterworfen ist, ist sein Gleichspannungspotential gleich dem der Masse, wobei, die beiden Kondensatoren, die es begrenzen, dieselbe Kapazität und Spannungswerte + Uund — i/mit demselben Absolutwert besitzen.

Wenn eine Beschleunigung auf das Pendel einwirkt, führt sie dazu, daß die Meß- und Korrekturschaltung in Funktion tritt, welche das Potential der Elektroden 20b und 21 b in der Weise modifiziert, daß das Gleichgewicht wieder hergestellt wird. Eine einfache Rechnung zeigt, daß die Ausgangsspannung des Verstärkers 77 bei in seiner zentrierten Lage befindlichem Pendel proportional der Beschleunigung ist.

F i g. 9 zeigt ein sehr vereinfachtes Schema einer Ausführungsvariante des in Fig.6 dargestellten Ausführungsbcispieles. Diese Variante ermöglicht es, auf einfache Weise das Problem zu lösen, das bei dem Beispiel gemäß F i g. 6 auftritt, wenn am Verstärker 49 nacheinander die Polarisationsspannung der Kondensatoren in der Höhe von einigen 10 Volt und die Meßspannung in der Größenordnung von Mikrovolt auftreten. Für sehr hohe Folgefrequenzen kann dabei das Phänomen auftreten, daß der Meßverstärker 49 der raschen Änderung der Spannung um einige Größenordnungen nicht folgen kann und daher nicht in der Lage ist, die Meßspannung zu verstärken.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 9 wird dagegen ein einziger Spannungswert erzeugt, der sowohl der Erzeugung der Rückstellkräfte als auch zur Messung der Stellung des Pendels dient.

Die Elektroden 206 und 21 £> des Pendels werden über einen Schalter 82 alternativ an die Masse und eine Meß-Schaltung angeschlossen, die in Kaskadenschaltung einen Verstärker 83 mit dem Verstärkungsfaktor 1 und eine Vcrarbeitungsschaltung 84 umfaßt. Eine logische Schaltung 85 weist Steuerausgänge zur Steuerung des Schalters 82 und weiterer Folgeschalter 83a—83Z) auf. Letztere verbinden alternativ den Eingang der Verstärker 84a, 84b mit der Masse bzw. einer Referenzspannungsquelle. Die Verstärker 84a und 846 sind identisch ausgebildet und speisen jeweils eine der Elektroden 20a und 21a. Die Referenzspannung wird von einem Generalor 81 erzeugt, der direkt mit einer der feststehenden Klemmen des Schalters 83£> und über einen Verstärker 87 mit dem Verstärkungsfaktor — 1 mit einer feststehenden Klemme des anderen Schalters 83a verbunden ist. Man sieht, daß in dieser Anordnung der Mittelabgriff der Kondensatorbrücke schwimmend bleibt Der Verstärker 83, der eine hohe Impedanz aufweist, erhält eine Eingangsspannung, deren Amplitude und Vorzeichen von der Verstimmung abhängen, die durch die Auslenkung des Pendels hervorgerufen wird.

Der Schalter 82 ist während der Rückstellung auf Null oder während der Phase, in welcher die eine Gleichgewichtseinstellung bewirkenden Kräfte wirken, geschlossen. Er ist während der Messung geöffnet. Eine Schaltung 86 zur Kompensation der Umschaltung ermöglicht es, die parasitären Ladungen zu annulieren, die durch die Aktion des Schalters 82 eingeführt werden. Die gemessene Spannung wird direkt relativ zum Potential der Masse in der Rückkopplungsschleife der Positionsregelung des Pendels ausgedrückt.

Die in der F i g. 9 dargestellte Schaltung läßt sich ohne Mühe aus dem im Handel erhältlichen Bauteilen zusammensetzen. Die Schalter können in MOS-Technologie ausgeführt sein. Die Spannungsverstärker, die typischerweise eine gegenüber der Signalspannung hohe Spannung von 80 V liefern, können zusammengesetzte Operationsverstärker sein, die eine C-MOS-Eingangsstufe aufweisen, auf die bipolare Transistoren folgen. Der Ausgangsverstärker mit hoher Wiedergabetreue kann unter Verwendung bipolarer Transistoren aufgebaut sein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrostatischer Pendelbeschleunigungsmesser zur Messung der Beschleunigung entlang einer Meßachse, umfassend einen einen hohlen Innenraum begrenzenden Stator, ein Pendel in Form einer elektrisch isolierenden Scheibe, die mit dem Stator über ein Gelenk verbunden ist, das ein Schwingen der Scheibe unter Einwirkung von parallel zur Meßachse gerichteten Beschleunigungskräften ermöglicht, ein Paar erste Elektroden, die an den einander gegenüberliegenden senkrecht zur Meßachse gerichteten Flächen des Innenraums angeordnet sind, ein Paar zweiter Elektroden, die an den beiden Seiten der Scheibe angeordnet und jeweils einer der ersten Elektroden zugewandt sind und mit diesen eine Kapazität bilden, eine Detektorschaltung zur Messung der Verstimmung zwischen den Kapazitäten zweier jeweils eine erste Elektrode und die dieser zugewandte zweite Elektrode umfassenden Meßkondensatoren, wobei die Detektorschaltung zwei Zweige aufweist, von denen jeder einen zusammen mit einem der Meßkondensatoren eine kapazitive Brückenschaltung bildenden Referenzkondensator aufweist, und eine Regelschaltung, die ein für die Verstimmung der Kapazitäten der Meßkondensatoren repräsentatives elektrisches Signal empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schaltungszweig einen Ladungsverstärker (39, 40) zur Ladung des Referenzkondensators (41) und des Meßkondensators (20a, 20b\ 21a 2ib)mit einem konstanten Strom umfaßt, daß die Regelschaltung einen Integrationsverstärker (52) aufweist, der das für die Verstimmung der Kapazitäten der beiden Meßkondensatoren (20a, 20b; 21a, 21 ty repräsentative elektrische Signal empfängt und zwei Schaltungswege speist, die abhängig von der Richtung der Beschleunigung zum Wiederausgleich der Pendelstellung jeder der kapazitiven Brückenschaltungen über den zugehörigen Ladungsverstärker (39, 40) Rechteckspannungsimpulse zuführen, daß die Regelschaltung einen Impulszähler zum Zählen der Differenz zwischen den den kapazitiven Brückenschaltungen zugeführten Rechteckspannungsimpulsen aufweist, und daß eine Sequenzschaltung (58) vorgesehen ist, die abwechselnd Steuerimpulse zur simultanen Steuerung beider Ladungsverstärker (39, 40) und Steuerimpulse zum wahlweisen Öffnen eines von zwei Übertragungsgliedern erzeugt, die jeweils Ausgangssignale eines Kompensator zu dem zugehörigen Ladungsverstärker (39,40) als Ladungssteuersignal übertragen.

2. Elektrostatischer Pendelbeschleunigungsmesser zur Messung der Beschleunigung entlang einer Meßachse, umfassend einen einen hohlen Innenraum begrenzenden Stator, ein Pendel in Form einer elektrisch isolierenden Scheibe, die mit dem Stator über ein Gelenk verbunden ist, das ein Schwingen der Scheibe unter Einwirkung von parallel zur Meßachse gerichteten Beschleunigungskräften ermöglicht, ein Paar erste Elektroden, die an den einander gegenüberliegenden senkrecht zur Meßachse gerichteten Flächen des Innenraums angeordnet sind, ein Paar elektrisch verbundener zweiter Elektroden, die an den beiden Seiten der Scheibe angeordnet und jeweils einer der ersten Elektroden zugewandt sind und mit diesen eine Kapazität bilden, und eine

Detektorschaltung zur Messung der Verstimmung zwischen den Kapazitäten zweier jeweils eine erste Elektrode und die dieser zugewandte zweite Elektrode umfassenden Meßkondensatoren, wobei die Detektorschaltung einen mit seinem Eingang mit den zweiten Elektroden verbundenen Verstärker aufweist und wobei eine digitale Regelschaltung zur Speisung jeweils eines von zwei Kanälen vorgesehen ist. die jeweils über erste Schalter mit einer ersten Elektrode verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der eingangsseitig mit den zweiten Elektroden (20b, 2\b) verbundene Verstärker (83) eine hohe Impedanz besitzt, daß die Detektorschaltung eine Verarbeitungsschaltung (84) zum Vergleich des Ausgangssignales des Verstärkers (83) mit vorbestimmten Grenzwerten und zur Erzeugung eines Ausgangssignales in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses umfaßt, daß die digitale Regelschaltung einen Referenzspannungsgenera tor (81) zur Erzeugung von Spannungen desselben Wertes und entgegensetzter Polarität zur Speisung jeweils eines der beiden Kanäle umfaßt, wobei die ersten Schalte! (83a, 836,) jeweils über einen Verstärker (84a, 9Ab) mit einer ersten Elektrode (20a, 2Ia^ verbunden sind, daß eine Sequenzschaltung derart geschaltet ist, daß sie Signale der Verarbe-tungsschaltung empfängt und in Abhängigkeit eines solchen Signales Öffnungsimpulse zum Öffnen eines die zweiten Elektroden (2Oi, 21 b) mit der Erde verbindenden weiteren Schalters (82) und des einen oder des anderen der beiden ersten Schalter (83a, 83ty erzeugt, und daß ein Impulszähler zum Zählen der Differenz zwischen der Anzahl von Impulsen vorgesehen ist, die den ersten Elektroden über die zugeordneten Kanäle zugeführt werden.