DE3509915A1

DE3509915A1 - Beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE3509915A1
Application number: DE19853509915
Authority: DE
Inventors: Michael S. Wrentham Mass. Danielson
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1984-08-31
Filing date: 1985-03-19
Publication date: 1986-03-13
Also published as: US4598586A; FR2569855A1; JPS6166166A; GB8520779D0; GB2163847A

Description

Northrop Corporation Norwood, Massachusetts o2o62 V.St.A.

Beschleunigungsmesser

Die Erfindung betrifft Beschleunigungsmesser mit optischen Nullabgleichsmeßwertgebern und insbesondere ein Kompensationsschema zum Eliminieren von Änderungen des optischen Ausgabewirkungsgrads aufgrund von Temperaturänderungen.

Bei einer Klasse von Beschleunigungsmessern wird zwischen eine Lichtquelle, z.B. einer lichtemittierenden Diode und auf Licht ansprechende Fotodioden ein Massependel angeordnet. Die Fotodiode kann insbesondere aus einer monolithischen Anordnung mit zwei Elementen bestehen, die jeweils lichtempfindlich sind. Beim Auftreten einer Beschleunigung wird das Massependel abgelenkt, so daß einer der Fotodiodendetektoren stärker

ausgeleuchtet wird als der andere. Die relativen Beträge der Ausleuchtung können gemessen und subtrahiert werden, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das dazu verwendet werden kann, das Massependel in die Nullstellung zurückzulenken. Häufig wird das Massependel mit Hilfe elektrischer Spulen in die Nullstellung zurückgelenkt. Die elektrischen Spulen sind in diesem Fall an der Masse angebracht und wechselwirken mit einem Permanentmagneten. Die Stärke des in den Spulen fliessenden Stroms, der erforderlich ist, um das Massependel in die Nullstellung zurückzulenken, ist ein Maß für die Beschleunigung, die der Beschleunigungsmesser und somit das Fahrzeug, an dem der Beschleunigungsmesser angebracht ist, erfährt.

Solch ein System ist ein Regelsystem, in dem Nullabweichungen gemessen und rückgekoppelt werden, um die Abgleichsbedingungen wieder herzustellen. In allen Regelsystemen müssen die Verstärkungspegel innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden, da sonst das System unstabil werden kann. Wenn daher die Gesamtverstärkung des Systems lichtemittierende Diode/Fotodetektor geändert werden muß, kann der entsprechende Verstärkungsfaktor zu einer DeStabilisierung des Systems führen. Änderungen des Verstärkungsfaktors können das Ergebnis von Komponentenänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur sein.

Eine Möglichkeit, Temperaturänderungen zu kompensieren, besteht darin, die Temperatur direkt zu messen und diesen Meßwert dazu zu benutzen, die Meßwerte der Fotodetektoren zu kompensieren. Bei dieser Technik werden selbstverständlich getrennte Temperaturmeßelemente benötigt, die den Beschleunigungsmesser komplexer gestalten und verteuern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungsmesser anzugeben, der ein effektives und sehr zuverlässiges optisches Meßsystem aufweist, in dem eine Temperaturkompensation durchgeführt wird, ohne daß es dazu erforderlich ist, die Temperatur direkt zu messen. Dabei soll das optische Meßsystem

einfach aufgebaut sein und mit geringen Kosten herzustellen und zu betreiben sein.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungsmesser weist eine innerhalb einer optischen Meßeinheit angeordnete Masse und eine Regeleinrichtung auf, die die Masse während der Beschleunigung innerhalb der optischen Meßeinheit in Nullstellung hält. Die optische Meßeinheit weist eine Lichtquelle und einen aus zwei Elementen bestehenden Fotodiodendetektor auf, der von der Lichtquelle beabstandet angeordnet ist, derart, daß jedes Element des Fotodiodendetektors durch die Lichtquelle gleich stark ausgeleuchtet wird. Die Bewegung der Masse ändert die Ausleuchtung, so daß diese für die beiden Elemente nicht mehr gleich ist. Eine elektrische Vorrichtung erzeugt ein erstes, zur Differenz der Ausgangssignale der beiden Elemente des Fotodiodendetektors proportionales Ausgangssignal. Ferner ist eine Schaltung vorgesehen, die ein zweites Signal erzeugt, das zur Summe der Ausgangssignale der beiden Elemente des Fotodiodendetektors proportional ist. Dieses zweite Signal wird dazu verwendet, den der Lichtquelle zugeführten Strom zu verändern, derart, daß das zweite Signal auf einem vorbestimmten Bezugspegel gehalten wird. Damit werden Änderungen im Gesamtverstärkungsfaktor aufgrund von Temperaturänderungen im wesentlichen eliminiert.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch, einen Beschleunigungsmesser, bei dem die Kompensationsschaltung eingeschaltet werden kann,

Fig. 2 den optischen Meßwertgeber des Beschleunigungsmessers aus Fig. 1,

-o-

Fig. 3 eine Kompensationsschaltung,

Fig. 4 im Diagramm die Spannungen V und V, über der

a D

Temperatur bei einem nichtkompensierten optischen Meßwertgeber,

Fig. 5 im Diagramm die SpannungenV und V, über der

el D

der Temperatur bei Verstärkungsfaktorkompensation,

Fig. 6 im Diagramm die Abgleichsspannung über der

Temperatur für einen nichtkompensierten optischen Meßwertgeber und

Fig. 7 im Diagramm die Abgleichsspannung über der

Temperatur bei Verstärkungsfaktorkompensation.

Der in Figur 1 gezeigte Beschleunigungsmesser misst Beschleunigungen in Richtung aus der Zeichenebene hinaus und in diese hinein. Der Beschleunigungsmesser 10 weist einen Träger 12 auf, an dem flexible Arme 14 und 16 starr befestigt sind. In den Armen 14 und 16 sind Ausschnitte 18 und 20 angebracht, um eine angemessene Flexibilität zu gewährleisten. Die Arme 14 und 16 tragen eine elektrische Spule 22 mit einer zentralen öffnung 24. In der öffnung 2 4 ist ein Permanentmagnet 26 angeordnet. An der Spule 24 ist ein Schattenzeiger 28 befestigt, der zwischen einer lichtemittierenden Diode als Lichtquelle 30 und einer aus zwei Elementen bestehenden Fotodiode 32 angeordnet ist. Die Fotodiode 32 ist in Figur 2 im Detail gezeigt. Die Fotodiode 32 besteht aus einem ersten Element 34 und einem zweiten Element 36. In der in Figur 1 gezeigten Stellung liegen die Elemente 34 und 36 übereinander auf der Fotodiode 32. Während Beschleunigungen in die Ebene der Figur 1 oder aus dieser heraus, die entlang des Pfeils 38 in Figur 2 erfolgen könnte, wird der Schattenzeiger 28 aufgrund

der Flexibilität der Arme 14 und 16 abgelenkt. Wenn z.B. der Schattenzeiger 28 in Figur 2 nach unten gebeugt wird, wird das Fotodiodenelement 34 stärker ausgeleuchtet als das Fotodiodenelemente 36. Die relativen Ausgangssignale der Fotodiodenelemente 34 und 36 können dann dazu benutzt werden, die Spule 22 zu aktivieren, die daraufhin mit dem Permanentmagneten 26 derart wechselwirkt, daß der Schattenzeiger 28 in seine Nullstellung zurückgelenkt wird. Die zum Abgleich notwendige Stromstärke ist ein Maß für die Beschleunigung des Trägers 12 des Beschleunigungsmessers 10. Bei einer solchen Anordnung wird der Schattenzeiger 28 mit Hilfe eines Regelsystems in Nullstellung gehalten.

Da der Schattenzeiger 28 über ein Regelsystem in Nullstellung gehalten wird, muß der Gesamtverstärkungsfaktor innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden, da sonst das System unstabil werden kann, was im allgemeinen bei automatischen Regelsystemen der Fall ist. Es wurde gefunden, daß die Kennlinien der lichtemittierenden Diode 30 und der Fotodiode 32, einschließlich der Fotodiodenelemente 34 und 36 sich mit der Temperatur ändern. Solche Änderungen beeinträchtigen direkt die Rückkopplungsschleifenverstärkung und führen zu Unstabilitäten, wenn keine Kompensation vorgesehen ist.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf Figur 3 näher erläutert. Die lichtemittierende Diode oder LED 30 ist so ausgerichtet, daß sie die Fotodiodenelemente 34 und 36 gleich stark ausleuchtet. Die Fotodiodenelemente 34 und 36 sind jeweils an die Eingänge von Differenzverstärkern A1 und A2 geschaltet, an deren invertierenden Eingängen über Widerstände R1 und R2 Rückkopplungsschleifen vorgesehen sind. Kapazitäten C1 und C2 stabilisieren durch Hochfrequenzdämpfung. Diese Anordnungwandelt die durch die Beleuchtung durch die LED 30 erzeugten Fotoströme i und i, in Ausgangsspannungen V und V, um. Die Ausgangsspannungen V und V, werden in einem Differenz-

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verstärker A3 substrahiert, um eine Nullabgleichsspannung V zu erzeugen. Die Ausgangsspannung V wird dann in einer weiteren (nicht gezeigten) Schaltung dazu verwendet, die in Figur 1 gezeigte Spule 22 so zu steuern, daß der Schattenzeiger 28 in der Nullstellung verbleibt. Wie bereits erwähnt, ist die Ausgangsspannung V ein Maß für die Beschleunigung des Beschleunigungsmessers 10. Es hat sich gezeigt, daß bei Temperaturänderungen V und V, sich ändern. Da V und V, in einem Regelsystem verwendet werden, ändert sich V aufgrund der Änderungen von V und V, nicht, da der Schattenzeiger 28 sich bewegen wird, um eine auftretende Änderung von V , die durch temperaturinduzierte Differenzen in V und V, hervorgerufen werden, auszugleichen. Änderungen in V und V, sind direkte

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Verstärkungsfaktoränderungen. Die auftretenden Änderungen in V sind eine Nebenerscheinung. Wie oben bereits erwähnt, kann eine solche Verstärkungsfaktoränderung zu Unstabilitäten in dem Regelsystem führen.

Die Ausgangsspannungen V und V, werden addiert und durch

3. D

einen Verstärker A4 invertiert, der ein Ausgangssignal V liefert. Das Signal V wird als Fehlersignal verwendet, um die oben diskutierten Verstärkungsfaktoränderungen zu kompensieren. Das Ausgangssignal V , das die Summe der Ausgangssignale V

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und Vv darstellt, ist an einen Eingang eines Differenzverstärkers A5 angelegt und eine Bezugsspannung V r ist an den anderen Eingang dieses Differenzverstärkers A5 angelegt. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers A5 ist daher die Differenz zwischen dem Signal V und dem Signal V -. Diese Differenz steuert ein Längsdurchlaßelement Q1, vorzugsweise ein MOSFET-oder FET-Bauelement , um den dem LED 30 zugeführten Strom Iß so einzustellen, daß V im wesentlichen auf dem gleichen Wert wie V ^ gehalten wird. Dabei kann jedes beliebige an die erforderlichen Ströme angepaßte Bauelement verwendet werden. Ein Kondensator C3 ist zur Hochfrequenzdämpfung und Stabilisierung parallel zum Verstärker A5 geschaltet und ein Widerstand R₁₀ dient zur Strombegrenzung.

Während des Betriebs, währenddessen sich die Temperatur des Beschleunigungsmessers 10 ändert, wird der Gesamtverstärkungsfaktor der Wechselwirkung zwischen dem LED 30 und den Fotodiodendetektoren 34 und 36 Änderungen in der Ausgangsspannung

V hervorrufen, selbst wenn die Beschleunigung des Beschleunigungsmessers 10 konstant bleibt. Durch Aufaddieren der Ausgangssignale der Fotodetektoren 34 und 36 werden solche Verstärkungsfaktoränderungen erfaßt und kompensiert, wodurch

V im wesentlichen durch Temperaturänderungen unbeeinträchtigt bleibt.

Figuren 4 und 5 zeigen Änderungen in V_o und V, mit der Tempe-

a D

ratur bei und ohne Verstärkungsfaktorkompensation. Aus Figur ist ersichtlich, daß bei einem Strom I^ von 15 mA die Änderung in den Spannungen V und V_K näherungsweise 16,7 mV pro ⁰C beträgt. Im Vergleich dazu beträgt die kompensierte Änderung der Spannungen V und V, mit der Temperatur ungefähr 1,1 mV pro ⁰C. Durch die Verwendung der anhand Figur 3 beschriebenen Verstärkungsfaktorkompensation werden also Verstärkungsfaktoränderungen aufgrund von Temperaturänderungen wesentlich reduziert.

Die Figuren 6 und 7 zeigen die Wirkungen von Temperaturänderungen auf V mit und ohne die mit Bezug auf Figur 3 beschriebene Verstärkungsfaktorkompensation. Figur 6 zeigt, daß die unkompensierte Ausgangsspannung V eine Temperaturabhängigkeit von ungefähr 40,6 mV pro ⁰C aufweist. Verglichen dazu beträgt die kompensierte Änderung der Ausgangsspannung V mit der Temperatur ungefähr 7,06 mV pro ⁰C, wie in Figur 7 gezeigt ist. Durch die Verwendung der in Figur 3 gezeigten Kompensationsschaltung werden die Änderungen der Ausgangsspannung V , die in einem Regelsystem zum Regeln des Nullabgleichs eines Schattenzeigers 28 verwendet wird, wesentlich reduziert.

Wie oben beschrieben, wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Kompensation des Verstärkungs-

faktors gelöst, mit der temperaturinduzierte Verstärkungsfaktoränderungen in einem optischen Meßwertgeber in einem Beschleunigungsmesser kompensiert werden. Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt vielmehr auch alle im Ermessen eines Durchschnittsfachmanns liegenden Änderungen.

Claims

BEETZ & PARTNER Patentanwälte

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Telefon (089) 227201 - 227244 - 29 5910 r.· ι ι η _ηΓΓτ7

τ, τηο^ο -r, ., ·.... U Dipl.-lng. R. BEETZ sen.

Telex 522048 - Telegramm Allpat® München _ . _R „._._._-,.

Dr.-lng.W.TIMPE

Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED

Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W.SCHMITT-FUMIAN

Dipl.-lng. K. LAMPRECHT 11981

19. März 19

Patentansprüche

Beschleunigungsmesser mit einer innerhalb einer optischen Meßeinrichtung angeordneten Masse und einer Regeleinrichtung, die die Masse während der Beschleunigung im wesentlichen in Nullstellung innerhalb der optischen Meßeinrichtung hält,

dadurch gekennzeichnet, daß die optische Meßeinrichtung aufweist:

eine Lichtquelle (30),

einen aus zwei Elementen (34, 36) bestehenden Fotodiodendetektor (32), der von der Lichtquelle (30) beabstandet angeordnet ist, derart, daß jedes Element (34, 36) des Fotodiodendetektors (32) durch die Lichtquelle (30) gleich stark ausgeleuchtet wird und die Bewegung der Masse (28) diese gleiche Ausleuchtung ändert,

elektrische Glieder (A.,) zum Erzeugen eines ersten,

zur Differenz der Ausgangssignale der beiden Elemente

(34, 36) des Fotodiodendetektors (32) proportionalen Signals (V ) und

elektrische Glieder (A.) zum Erzeugen eines zweiten, zur Summe der Ausgangssignale der beiden Elemente (34, 36) des Fotodiodendetektors (32) proportionalen Signals,

65-(N.D.83-106)ICAl

wobei das zweite Signal (V,) zum Ändern des der Lichtquelle (30) zugeführten Stroms verwendet wird, um das zweite Signal (V,) auf einen vorbestimmten Bezugspegel zu halten.
2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (30) eine lichtemittierende Diode ist.
3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

der aus zwei Elementen (34, 36) bestehende Fotodiodendetektor (32) einen monolithischen Aufbau aufweist.