DE4042600C3 - Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Be­ schleunigungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches.

Piezoelektrische Beschleunigungsmesser werden konventionell für Messungen der Schwingungen oder des Fahrkomforts von Kraftfahrzeugen verwendet. Es soll zuerst der Gesamtaufbau eines bekannten piezo­ elektrischen Beschleunigungsmessers unter Bezugnah­ me auf Fig. 1 beschreiben werden.

Nach Fig. 1 ist in einem elektrisch leitenden Gehäuse 1 eine Isolierplatte 9 aufgenommen, auf der ein Gewicht 2 und ein piezoelektrisches Element 4 mittels einer Be­ festigungsschraube 5, die durch das Gewicht 2 und das Element 4 verläuft und einer auf die Schraube 5 gedreh­ ten Mutter 15 befestigt sind. Die Isolierplatte 9 ist eine Leiterplatte aus einem Epoxidharz oder aus Keramik. Das zwischen seiner oberen und seiner unteren Elektro­ de 3a und 3b gehaltene piezoelektrische Element 4 ist am Gehäuse 1 über die Isolierplatte 9 befestigt. Die untere Elektrode 3b liegt an der Isolierplatte 9 an, und die obere Elektrode 3a ist zwischen dem Gewicht 2 und dem piezoelektrischen Element 4 gehalten; die Elektro­ den 3a und 3b sind über die entsprechenden Ausgangs­ leiter 13 und 14 des piezoelektrischen Elements mit den Eingängen eines Ladungsverstärkers 6 elektrisch ver­ bunden.

Der auf der Isolierplatte 9 angeordnete Ladungsver­ stärker 6 bewirkt eine Vorverstärkung des Ausgangs- oder Meßsignals des piezoelektrischen Elements 4. Der Ladungsverstärker 6 dient dem Zweck der Verminde­ rung nachteiliger Auswirkungen von Geräuschen und Schwingungen auf den Spannungsversorgungspegel. Ein ebenfalls auf der Isolierplatte 9 angeordneter Ver­ stärker 7 verstärkt das Ausgangssignal des Ladungsver­ stärkers 6. Der Ausgang des Verstärkers 7 ist über einen drei Anschlüsse aufweisenden Kondensator 8b elek­ trisch mit einem Durchführungskondensator 10b und über eine Zuleitung 33 mit dem Eingang einer Steuer­ einrichtung 11 gekoppelt.

Eine Stabilisierungsspannungsquelle 12, die einen Stabilisierungsspannungskreis (nicht gezeigt) der Steuereinrichtung 11 umfaßt, liefert eine Versorgungs­ spannung an den piezoelektrischen Beschleunigungs­ messer über eine Spannungszuführung 31, einen Durch­ führungskondensator 10a und einen drei Anschlüsse aufweisenden Kondensator 8a. Der geerdete negative Anschluß der Stabilisierungsspannungsquelle 12 ist mit dem elektrisch leitfähigen Gehäuse 1 über einen Erdlei­ ter 32 gekoppelt. Ferner ist das Gehäuse 1 über den Erdleiter 16 mit der Isolierplatte 9 gekoppelt. Somit erfolgt die Erdung der elektronischen Schaltkreise auf der Isolierplatte 9 über elektrische Anschlüsse an das Gehäuse 1 und damit an den Erdungsleiter 32 der Steuereinrichtung 11, und die elektronische Schaltung des Beschleunigungsmessers ist in dem elektrisch leitfä­ higen Gehäuse 1 vollständig eingeschlossen; dies führt zu einem Abschirmeffekt für die im Gehäuse befindliche elektronische Schaltung des Beschleunigungsmessers und dient somit der Unterdrückung der nachteiligen Auswirkungen externer Störungen.

Ein Nachteil des bekannten piezoelektrischen Be­ schleunigungsmessers resultiert daraus, daß die elektri­ schen Eigenschaften des piezoelektrischen Elements 4 und der Schaltungsbauteile des Ladungsverstärkers 6 usw. temperaturabhängig sind und sich mit der Tempe­ ratur ändern. D. h., Änderungen der Umgebungstempe­ ratur führen zu Änderungen der elektrostatischen Ka­ pazität des piezoelektrischen Elements 4 und der elek­ trischen Eigenschaften der Schaltungsbauteile des La­ dungsverstärkers 6 usw. Somit ändert sich die Aus­ gangsspannung des Beschleunigungsmessers, die ein und derselben Beschleunigung entspricht, mit einer Än­ derung der Umgebungstemperatur; das bedeutet, daß eine Temperaturänderung zur Bildung eines Fehlers in der Ausgangsspannung des Beschleunigungsmessers führt.

Aus der DE-OS 33 34 603 A1, ist eine Verstärkeran­ ordnung für einen piezoelektrischen Beschleunigungs­ aufnehmer bekannt, wobei zur Offsetkompensation das Ausgangssignal der Verstärkeranordnung in einem se­ paraten Komparator mit einer Vergleichsspannung in einem festen oder variablen Zeittakt verglichen wird. Darüber hinaus ist ein Kondensator und ein Widerstand zur Bildung mindestens eines Tiefpasses vorgesehen, wobei der Kondensator gleichzeitig der Temperatur­ kompensation des Beschleunigungsaufnehmers dient. Nachteilig ist dort jedoch, daß bei schwankendem Be­ triebsspannungspotential eine unerwünschte Offsetver­ schiebung eintritt, wodurch insbesondere beim Einsau des dortigen Beschleunigungsaufnehmers in einem Kraftfahrzeug Meßungenauigkeiten resultieren oder ein erhöhter Aufwand zur Stabilisierung der Betriebs­ spannung getrieben werden muß.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen piezoelek­ trischen Beschleunigungsmesser vorzuschlagen, bei welchem die Meßgenauigkeit weder durch eine Ände­ rung der Umgebungstemperatur noch bei schwanken­ der Betriebsspannung beeinträchtigt ist.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruches.

Es weist also der Ladungsverstärker einen Kondensa­ tor mit positivem Kapazitäts-Temperaturkoeffizienten auf, der den Elektroden der Piezoelementeinrichtung parallelgeschaltet ist, wobei der Kondensator der Tem­ peraturkompensation im Hinblick auf eine durch eine Änderung der Umgebungstemperatur hervorgerufene Änderung der Ausgangsspannung des Beschleunigungs­ messers dient. Weiterhin umfaßt der Ladungsverstärker einen dem Kondensator parallelgeschalteten Wider­ stand und einen (an sich bekannten) Operationsverstär­ kerkreis, der zwei dem Kondensator und dem Wider­ stand parallelgeschaltete Eingänge aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen und unter Be­ zugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher er­ läutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines bekannten Beschleunigungsmessers.

Fig. 2 ein Schaltbild, das den Schaltungsaufbau des Ladungsverstärkers des Beschleunigungsmessers zeigt; und

Fig. 3a bis 3c Diagramme, die die Änderungsraten verschiedener Faktoren (in bezug auf die auf der Ab­ szisse aufgetragene Temperatur) zeigen, die die Aus­ gangsspannung des Beschleunigungsmessers beeinflus­ sen.

Ein Ausführungsbeispiel des Beschleunigungsmessers wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1-3 erläutert.

Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines bekannten pie­ zoelektrischen Beschleunigungsmessers für Kraftfahr­ zeuge.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird der Schaltungs­ aufbau des Beschleunigungsmessers erläutert.

Nach Fig. 2 umfaßt der Ladungsverstärker 6 einen Kondensator C1 und einen Widerstand R3, die als Paral­ lelkreis der oberen und der unteren Elektrode 3a und 3b des piezoelektrischen Elements 4 parallelgeschaltet sind, wobei der mit der Elektrode 3b verbundene An­ schluß des Widerstands R3 an einen Zwischenpunkt ei­ nes Spannungsteilers gekoppelt ist, der aus reihenge­ schalteten Widerständen R1 und R2 besteht und mit der Spannungsquelle und Erde parallel geschaltet ist. Somit wird das Potential der Elektrode 3b auf einem vorbe­ stimmten Pegel in bezug auf Erde gehalten, der durch den Spannungspegel der Spannungsquelle und das Wi­ derstandsverhältnis der Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 bestimmt ist. Ferner ist der nichtinvertierende (positive) Eingang eines Operationsverstärkers 20, der FET-Eingangskonfiguration hat, mit der oberen Elek­ trode 3a des piezoelektrischen Elements 4 verbunden, während der invertierende (negative) Eingang des Ope­ rationsverstärkers 20 mit der unteren Elektrode 3b des piezoelektrischen Elements 4 über einen Eingangswi­ derstand R4 desselben verbunden ist. Ferner ist der Ausgang des Operationsverstärkers 20 über einen Rückkopplungswiderstand R5 mit seinem invertieren­ den Eingang verbunden. Es ist zu beachten, daß die Regelverstärkung dieser invertierenden Verstärkerkon­ figuration des Operationsverstärkers 20 durch das Ver­ hältnis zwischen Rückkopplungswiderstand R5 und Ein­ gangswiderstand R4 bestimmt ist. Ferner ist zu beach­ ten, daß der Ladungsverstärker 6 den Kondensator C1, Widerstände R1-R5 und den Operationsverstärker 20 umfaßt.

Bei dem obigen Schaltungsaufbau des Ladungsver­ stärkers 6 ist zu beachten, daß der nichtinvertierende und der invertierende Eingang des Operationsverstär­ kers 20 mit FET-Eingangskonfiguration miteinander über den Widerstand R3 gekoppelt sind, so daß die Po­ tentiale beider Eingänge des Operationsverstärkers 20 sich gleichzeitig verriegelt ändern, wenn sich die Speise­ spannung ändert; damit wird die nachteilige Auswir­ kung einer Änderung der Speisespannung vermindert. Andererseits ist der Kondensator C1 in den Schaltkreis eingefügt, um die Zeitkonstante des Eingangskreises des Ladungsverstärkers 6 zu erhöhen, wodurch die vom Be­ schleunigungsmesser aufgenommene niedrigste Be­ schleunigungsfrequenz verringert wird. Wie noch im einzelnen erläutert wird, hat der Kondensator C1 ferner eine positive Temperaturkennlinie, so daß die durch ei­ ne Änderung der Umgebungstemperatur bewirkte Meßspannungsänderung minimiert wird.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 20, der die Endstufe des Ladungsverstärkers 6 bildet, wird vom Verstärker 7 verstärkt und über den drei Anschlüs­ se aufweisenden Kondensator 8b und den Durchfüh­ rungskondensator 10b auf die Ausgangsleitung 33 gege­ ben. Ferner ist die Spannungsversorgung zum Ladungs­ verstärker 6 und zum Verstärker 7 über den drei An­ schlüsse aufweisenden Kondensator 8a und den Durch­ führungskondensator 10a mit dem Speisespannungslei­ ter 31 verbunden.

Die Ausgangsspannung Vout des Beschleunigungs­ messers, die an den Zuleitungen 33 und 32 erzeugt wird, wenn auf das piezoelektrische Element 4 eine Kraft F aufgebracht wird, ist durch die folgende Gleichung ge­ geben:

Vout = α(√C2 . kr/fr . C1) . F . (1 + R5/R4) . K (1)

wobei
α = eine Konstante,
fr = die Resonanzfrequenz,
kr = der Kopplungskoeffizient,
C1 = die elektrostatische Kapazität des Kondensators C1,
C2 = die elektrostatische Kapazität des Kondensators C2,
F = die auf das piezoelektrische Element wirkende Kraft,
K = der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 7 und R4 und R5 = die Widerstandswerte des Eingangs- bzw. des Rückkopplungswiderstands R4 bzw. R5 des La­ dungsverstärkers 6.

Nachstehend wird der Betrieb des Ladungsverstär­ kers 6 beschrieben, um die jeweiligen Faktoren der obi­ gen Gleichung (1) zu erläutern.

Wenn die aus der Beschleunigung des Gewichts 2 resultierende Kraft auf das piezoelektrische Element 4 aufgebracht wird, wird an den Elektroden 3a und 3b aufgrund der der Beschleunigung entsprechenden Pola­ risation des Elements 4 eine der Beschleunigung ent­ sprechende Spannung ausgebildet. Diese an den Elek­ troden 3a und 3b sich aus bildende Spannung wird wie folgt geschrieben:

α . (√C2 . kr)/(fr . C1) (2)

und erscheint als ein Faktor in der obigen Gleichung (1); diese Spannung wird an die Eingänge des Ladungsver­ stärkers 6 angelegt. Dabei wird die der Beschleunigung entsprechende obige Spannung (2) an die Eingänge der invertierenden Schaltungskonfiguration des Opera­ tionsverstärkers 20 mit den Eingangs- und Rückkopp­ lungswiderständen R4 und R5 angelegt und daher mit dem Spannungsverstärkungsfaktor verstärkt, der durch das Verhältnis von R5 zu R4 bestimmt ist:

(1 + R5/R4).

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 20 wird weiter im Verstärker 7 mit einem Spannungsver­ stärkungsfaktor gleich K verstärkt und auf der Aus­ gangsleitung 33 des Beschleunigungsmessers über den drei Anschlüsse aufweisenden Kondensator 8b und den Durchführungskondensator 10b ausgegeben. Damit ist die Ausgangsspannung Vout des Beschleunigungsmes­ sers durch die obige Gleichung (1) gegeben.

Da der Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts von Widerständen allgemein klein ist, ist die durch Tem­ peraturänderungen bedingte Änderung des Verstär­ kungsfaktors, der durch das Verhältnis von R5 und R4

(1 + R5/R4)

gegeben und durch die invertierende Schaltungsausle­ gung des Operationsverstärkers 20 mit dem Eingangs- und dem Rückkopplungswiderstand R4 und R5 erhalten ist klein und kann daher bei der Berücksichtigung einer Änderung der durch die Gleichung (1) gegebenen Aus­ gangsspannung Vout vernachlässigt werden. Somit ist die Änderung der Ausgangsspannung Vout aufgrund der Temperaturänderung bestimmt durch den Tempe­ raturkoeffizienten des Faktors:

√C2 . kr/fr . C1 (2').

Das heißt, daß die Temperaturänderung der Aus­ gangsspannung Vout im wesentlichen durch die Tempe­ raturkennlinien des durch (2') gegebenen Faktors be­ stimmt ist.

Fig. 3(a) zeigt die Änderungsraten (die auf der Ordi­ nate in Prozent aufgetragen sind) des Kopplungskoeffi­ zienten kr (Vollinie A) und der Quadratwurzel der Ka­ pazität C des piezoelektrischen Elements 4 (Strichlinie B) in bezug auf die (auf der Abszisse aufgetragene) Um­ gebungstemperatur; daher nimmt die Anderungsrate des Produkts des Kopplungskoeffizienten kr und der Quadratwurzel der Kapazität C des piezoelektrischen Elements 4, wobei das Produkt in der Gleichung (2') als Zähler erscheint, die durch die Strichpunktlinie C wie­ dergegebene Form an. Andererseits zeigt.

Fig. 3(b) die Änderungsrate der Resonanzfrequenz fr (Volllinie D) und der Kapazität C1 (Strichlinie E) in bezug auf die Temperatur; daher nimmt die Änderungs­ rate des Produkts der Resonanzfrequenz fr und der Ka­ pazität C1, wobei dieses Produkt als Nenner in der Glei­ chung (2') erscheint, die durch die Strichpunktlinie F wiedergegebene Form an. Somit nimmt die Änderungs­ rate des Quotienten der durch die Kurven C und F bezeichneten Werte, wobei dieser Quotient der gesam­ ten obigen Gleichung (2') entspricht, die der Vollinie G in Fig. 3(c) entsprechende Form an.

Es wird also die Änderungsrate E der Kapazität C1 des den Elektroden 3a und 3b des piezoelektrischen Elements 4 parallelgeschalteten Kondensators C1 in be­ zug auf die Temperatur so gewählt, daß die zusammen­ gesetzte Änderungsrate F des Nenners der Gleichung (2') nahezu gleich der zusammengesetzten Änderungs­ rate C des Zählers in der Gleichung (2') wird. Gemäß der Erfindung hat die Kapazität des Kondensators C1 eine positive Temperaturcharakteristik (d. h. einen posi­ tiven Temperaturkoeffizienten) vorbestimmter Größe, so daß die zusammengesetzte Änderungsrate C des Kopplungskoeffizienten kr und der Quadratwurzel der Kapazität C des piezoelektrischen Elements 4 nahezu gleich der zusammengesetzten Änderungsrate F der Resonanzfrequenz fr und der Kapazität C1 ist. Durch diese Maßnahme kann die schließlich erhaltene zusam­ mengesetzte Änderungsrate G der Gesamtgleichung (2') in bezug auf die Temperatur eine gemäßigte Cha­ rakteristik haben (d. h., der Wert von G kann in einem kleinen Bereich um Null herum gehalten werden); daher kann gemäß der Erfindung ein Beschleunigungsmesser erhalten werden, dessen Meßgenauigkeit durch Tempe­ raturänderungen nicht beeinflußbar ist.

Im übrigen ist zu beachten, daß dann, wenn eine aus­ reichende Kompensation der Temperaturcharakteristik nicht ausschließlich durch die positive Temperaturcha­ rakteristik des Kondensators C1 erreichbar ist, eine wei­ tere Verbesserung der Temperaturcharakteristik des Beschleunigungsmessers dadurch erhalten werden kann, daß in der obigen Gleichung (1) dem Faktor (1 + R5/R4) eine kompensierende Temperaturcharakteristik gegeben wird. In diesem Fall wird als Widerstand R4 ein temperaturabhängiger Widerstand mit positivem Tem­ peraturkoeffizienten des Widerstandswerts verwendet; alternativ wird als Widerstand R5 ein temperaturabhän­ giger Widerstand (ein Thermistor) mit negativem Tem­ peraturkoeffizienten des Widerstandswerts verwendet. Ferner ist zu beachten, daß in der Schaltung des Ver­ stärkers 7 ein temperaturabhängiger Widerstand mit dem gleichen Temperaturkompensationseffekt verwen­ det werden kann.

Claims (1)

1. Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser mit einer Piezoelement­ einrichtung, die auf einer Isolierplatte (9) angeordnet ist, und ein piezoelektrisches Element (4), ein Paar von Elektroden (3a, 3b), die das piezoelektrische Element (4) zwischen sich halten, und ein Gewicht (2) aufweist zur Erzeugung einer einer Beschleunigung entsprechenden Spannung am piezoelektrischen Element (4) aufgrund einer vom Gewicht (2) nach Maßgabe der Beschleunigung auf das piezoelektrische Element (4) aufge­ brachten Kraft;
einem Ladungsverstärkerkreis (6) mit einer Operationsver­ stärkerschaltung (20), wobei der Ladungsverstärkerkreis (6) auf der Isolierplatte (9) befestigt ist und dessen Eingänge elektrisch mit den Elektroden (3a, 3b) gekoppelt sind, zur Verstärkung der im piezoelektrischen Element (4) erzeugten Spannung; und
wobei weiterhin der Ladungsverstärkerkreis (6) einen Kondensa­ tor (C1) zur Temperaturkompensation umfaßt; und
wobei der Beschleunigungsmesser in einem Gehäuse (1) unterge­ bracht und in diesem vollständig eingeschlossen ist;
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensator (C1) einen positiven Temperaturkoeffizien­ ten aufweist und den Elektroden (3a, 3b) des piezoelektrischen Elements (4) parallelgeschaltet ist,
daß der Ladungsverstärkerkreis (6) einen dem Kondensator (C1) paralellgeschalteten Widerstand (R3) aufweist,
daß eine Elektrode (3a) des piezoelektrischen Elements mit dem nichtinvertierenden Eingang der Operationsverstärkerschaltung (20) und die andere Elektrode (3b) über einen Eingangswider­ stand (R4) mit dem invertierenden Eingang der Operationsver­ stärkerschaltung (20) verbunden ist,
und daß der Ausgang der Operationsverstärkerschaltung (20) über einen Rückkopplungswiderstand (R5) mit dessen invertierenden Eingang verbunden ist, wobei der Eingangswiderstand (R4) einen positiven oder der Rückkopplungswiderstand (R5) einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes aufweist.