DE4312839C2 - Dynamischer Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

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

Zur Messung der Beschleunigung sind eine Reihe von Wirkprin­ zipien bekannt. Verbreitet sind kapazitive Feder-Mas­ se-Beschleunigungssensoren mit und ohne geregelte elektrostatische bzw. magnetische Rückstellkräfte. Ka­ pazitive Beschleunigungssensoren mit Rückstellkräften (z. B. DE-PS 32 05 367, EP 118 359, DE-PS 30 14 038) sind zwar für genaue Messungen geeignet, nachteilig dabei ist, daß sie einen komplizierten Aufbau und eine aufwendige Elektronik erfordern. Kapazitive Beschleu­ nigungssensoren ohne Rückstellkräfte (z. B. DE-OS 36 25 411) erfordern zwar einen geringeren Aufwand, sind dafür aber relativ unempfindlich und besitzen mei­ stens einen größeren Linearitätsfehler und eine größere Zeitdrift. Die in der Schrift DE-OS 38 31 593 beschrie­ bene Schaltungsanordnung verwendet zur Signalgewin­ nung eine phasenverschobene Hochfrequenzspannung mit einer umfangreichen Folgeelektronik, deren Nach­ teile in einer nichtlinearen Kennlinie und hohem Schal­ tungsaufwand liegen.

Ebenfalls weit verbreitet sind dynamische piezoelek­ trische Beschleunigungssensoren ("Piezoelektrische Meßgeräte", Firmenschrift Kistler Instrumente GmbH 1977). Nachteile dieser Sensoren sind neben der Alte­ rungsabhängigkeit die hohe Impedanz des Sensorele­ ments, so daß kostspielige Ladungsverstärker mit ho­ hem elektronischen Aufwand erforderlich sind. Ein wei­ terer Nachteil besteht im Auftreten von hohen Span­ nungsspitzen bei Schockbelastungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen dynamischen Beschleunigungssensor der oben genannten Art anzugeben, der besser als bisher den Anforderungen der Praxis entspricht und insbesondere einfacher in seinem Aufbau und somit preiswerter ist und auch keine aufwendigen Ladungsverstärker erfordert.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Dynamische Beschleunigungssensoren, bestehend aus einem Primärwandler mit einer beweglichen Feder-Masse-Elektrode, mindestens einer starren Elektrode und einer Aus­ werteelektronik aus mindestens einem Operationsverstärker werden besonders zur Messung und Kontrolle von gefährdenden Beschleunigungen bzw. Vibrationen benutzt.

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

Fig. 1 den Grundaufbau des dynamischen Beschleuni­ gungssensors,

Fig. 2 den Aufbau des dynamischen Beschleunigungs­ sensors mit getriebenem Schirm,

Fig. 3 den Aufbau des Beschleunigungssensors mit differentiellem Primärwandler,

Fig. 4 den Aufbau des dynamischen Beschleunigungs­ sensors mit extern zugeführter Elektrodenspannung,

Fig. 5 den Aufbau des dynamischen Beschleunigungs­ sensors mit logarithmischer Verstärkerschaltung,

Fig. 6 den dynamischen Beschleunigungssensor mit exponentiellem Verstärkungsverhalten,

Fig. 7 einen Aufbau des dynamischen Beschleuni­ gungssensors mit vermindertem Aufwand 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 Störgrößenverminde­ rung.

In Fig. 1 ist mit 1 die bewegliche Feder-Masse-Elek­ trode und mit 2 die starre Elektrode eines Primärwand­ lers bezeichnet. Die Widerstande R1 und R2 bilden ei­ nen Spannungsleiter und der Widerstand R3 stellt das durch diesen Spannungsteiler bestimmte Potential an der starren Elektrode 2 bereit. Wird die bewegliche Elektrode 1 durch eine Beschleunigung ausgelenkt, än­ dert sich der Abstand zwischen der Elektrode 1 und der starren Elektrode Z was durch Ladungsverschiebung an der starren Elektrode und am nichtinvertierenden Ein­ gang des Operationsverstärkers OV1 zu einer beschleu­ nigungsproportionalen Spannungsänderung führt. Der Operationsverstärker OV1 ist als Spannungsfolger ge­ schaltet und am Ausgang des Operationsverstärkers kann am Punkt Ua die beschleunigungsproportionale Ausgangsspannung abgenommen werden.

Die Anordnung nach Fig. 2 ist identisch mit der An­ ordnung nach Fig. 1. Zusätzlich ist der Ausgang des Operationsverstärkers Ua und der invertierende Aus­ gang 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 Fe­ der-Masse-Elektrode 1 des Primärwandlers angebracht. Die Widerstände R1 und R2 bilden einen Spannungstei­ ler und die Widerstände R3 und R4 stellen das durch den Spannungsteiler bestimmte Potential an beiden starren Elektroden 2 und 3 bereit. Wird die bewegliche Elektro­ de 1 durch eine Beschleunigung ausgelenkt, ändert sich der Abstand differentiell zwischen Elektrode 1 und den starren Elektroden 2 und 3, was durch Ladungsverschie­ bung an den starren Elektroden und damit auch an den beiden nichtinvertierenden Eingängen der Operations­ verstärker OV1 und OV2 zu einer gegenläufigen be­ schleunigungsproportionalen Spannungsänderung führt. Die Operationsverstärker sind als Spannungsfol­ ger geschaltet und können durch Veränderung des Ver­ hältnisses der beiden Rückkopplungswiderstände R5 und R6 in ihrer Verstärkung eingestellt werden. An den Anschlüssen +UB und GND wird die Betriebsspan­ nung angelegt und am Anschluß Ua die beschleuni­ gungsproportionale Ausgangsspannung Ua abgegriffen. Diese Anordnung ergibt einen genauen und empfindli­ chen dynamischen Beschleunigungssensor, der durch Variation des Verstärkungsverhältnisses und der Stei­ figkeit der beweglichen Elektrode 1 außerordentlich breit einstellbare Beschleunigungsmeßbereiche von ei­ nigen 10^-5 m · s^-2 bis einigen 10³ · s^-2 ermöglicht. Bei einer Betriebsspannung von 5 V ergibt sich beispiels­ weise 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 Operationsverstarker OV1 und OV2 erfolgt über die Kondensatoren C1 und C2. Dadurch kann ein Elektro­ denpotential angewendet werden, das großer als die Be­ triebsspannung ist, woraus eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit resultiert.

Bei der Anordnung in Fig. 5 wird der Rückkopplungs­ widerstand R6 durch zwei antiparallele Dioden D1 und D2 ersetzt, so daß sich eine logarithmische Kennlinie zwischen Beschleunigung und Ausgangsspannung Ua ergibt. Dadurch ist der Beschleunigungssensor in einem sehr breiten Beschleunigungsbereich einsetzbar, wobei niedrige Beschleunigungswerte hervorgehoben werden.

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

In Fig. 7 wird das Elektrodenpotential vom Ausgang der beiden Operationsverstärker OV1 und OV2 über die Widerstände R7 und R8 den starren Elektroden 2 und 3 zugeführt. Die starren Elektroden 2 und 3 sind mit den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker OV1 und OV2 verbunden. Die Werte für die parallel zu den Widerständen R5 und R6 liegenden Kondensatoren C3 und C4 betragen nur einige pF, so daß diese Kapazi­ täten als Leiterbahnkapazitäten unmittelbar aus der Leiterplattenstruktur erzeugt werden können. Diese Schaltung erfordert besonders geringen elektronischen Aufwand.

In Fig. 8 ist mit 1 wieder die bewegliche Feder-Mas­ se-Elektrode, mit 2 und 3 sind die starten Elektroden bezeichnet, die ein kompaktes Paket 4 des Primärwand­ lers ergeben, auf dem unmittelbar die Leiterplatte mit der elektronischen Schaltung 5 aufgebracht ist. Diese Anordnung ist raumsparend und ergibt geringe parasi­ täre Kapazitäten der Verbindungsleitungen zwischen dem Primärwandler und der Auswertelektronik.

Die Anordnung von mehreren parallelgeschalteten dynamischen Beschleunigungssensoren S1, S2 . . . Sn nach Fig. 9 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 star­ ren Elektrode (2) und einer Auswerteelektronik aus mindestens einem Operationsverstärker (OV1), da­ durch gekennzeichnet, daß die starre Elektrode (2) über einen Widerstand (R3) mit einem aus der Be­ triebsspannung (+UB) und einem Spannungsteiler (R1, R2) erzeugten Gleichspannungspotential und mit dem nichtin­ vertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OV1) verbunden ist und der Ausgang des Opera­ tionsverstärkers mit dem Anschlußpunkt der Aus­ gangsspannung (Ua) verbunden ist.

2. Dynamischer Beschleunigungssensor nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aus­ gang des Operationsverstärkers (Ua) und der in­ vertierende Ausgang des Operationsverstärkers (OV1) mit einem getriebenen Schirm (6) verbunden ist, der die elektrischen Zuführungen zur starren Elektrode (2) und die starre Elektrode (2) umgibt.

3. Dynamischer Beschleunigungssensor nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärwandler zwei starre Elektroden (2, 3) besitzt, die mit einem aus der Betriebsspannung (+UB) und einem Spannungsteiler (R1, R2) erzeugten Gleichspannungspotential und mit den nichtinvertierenden Eingängen zweier Operationsverstärker (OV1, OV2) verbun­ den sind und der Ausgang des einen Operationsver­ stärkers (OV1) über den Widerstand (R5) mit dem invertierenden Eingang des anderen Operations­ verstärkers (OV2) verbunden ist und der invertie­ rende Eingang des anderen Operationsverstärkers (OV2) über den Widerstand (6) mit dem Ausgang desselben Operationsverstärkers (OV2) verbunden ist und an diesem die Ausgangsspannung (Ua) an­ liegt.

4. Dynamischer Beschleunigungssensor nach An­ spruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential durch einen Anschluß (Up) von außen über zwei Widerstände (R7, R8) den starren Elek­ troden (2, 3) zugeführt wird und die starren Elektro­ den (2, 3) über Kondensatoren (C1, C2) mit den nichtinvertierenden Eingängen der beiden Opera­ tionsverstärker (OV1, OV2) verbunden sind.

5. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R6) zwischen dem Ausgang der Ausgangsspannung (Ua) und dem invertieren­ den Eingang des einen Operationsverstärkers (OV2) durch zwei antiparallele Dioden (D1, D2) ersetzt wird.

6. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R5) zwischen Ausgang des einen Operationsverstärkers (OV1) und invertie­ rendem Eingang des anderen Operationsverstär­ kers (OV2) durch zwei antiparallele Dioden (D3, D4) ersetzt wird.

7. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, 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 An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Elektroden (2, 3) über Widerstände (R7, R8) mit den Ausgängen der Operationsverstärker (OV1, OV2) und die starren Elektroden (2, 3) mit den invertie­ renden Eingängen der Operationsverstärker (OV1, OV2) verbunden sind.

9. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (5) direkt auf dem Pri­ märwandler (4) angeordnet ist.

10. Dynamischer Beschleunigungssensor nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere dynamische Beschleunigungssen­ soren (S1, S2 . . . Sn) in gleicher Wirkrichtung ange­ ordnet sind und die Ausgänge (Ua1, Ua2 . . . Uan) über Widerstände (Ra1, Ra2 . . . Ran) parallelge­ schaltet und in einem Punkt (Uam) vereint sind.