DE69004597T2

DE69004597T2 - Beschleunigungsmesser mit Pulsantrieb.

Info

Publication number: DE69004597T2
Application number: DE90630049T
Authority: DE
Inventors: Gregory J Mcbrien
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Breed Automotive Technology Inc
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1990-02-22
Publication date: 1994-03-10
Anticipated expiration: 2010-02-23
Also published as: JPH02278160A; EP0385917A1; IL93542A0; US4987779A; JP2851673B2; CA2010987C; CA2010987A1; EP0385917B1; DE69004597D1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Beschleunigungsmesser und insbesondere auf kapazitive Beschleunigungsmesser.

Stand der Technik

Es sind bereits verschiedene Konstruktionen von Beschleunigungsmessern bekannt, unter anderem solche, bei denen eine sehr dünne, dotierte Silicaplatte benutzt wird, die zwischen zwei Kondensatorplatten als eine prüfmasse elastisch aufgehängt ist, welche durch Beschleunigungskräfte aus ihrer Ruhe- oder Nullposition verlagert wird, was von Änderungen in den Kapazitäten und elektrostatischen Feldern begleitet ist, die zwischen der Prüfmasse und den Kondensatorplatten vorhanden sind, welche auf unterschiedliche elektrische Potentiale aufgeladen werden. Es ist außerdem bereits bekannt, das Ausmaß und die Richtung der Verlagerung der Prüfmasse aus ihrer Ruheposition aus dem elektrischen Strom zu bestimmen, der als ein Ergebnis von elektrischen potentialänderungen in die und aus der Prüfmasse fließt, welche in der Prüfmasse auftreten, wenn diese aufgrund der vorgenannten Veränderungen aus ihrer Ruheposition verlagert wird. Die Erfahrung mit Beschleunigungßmessern dieses Typ hat jedoch gezeigt, daß sie sehr unzuverlässige Meßergebnisse liefern, insbesondere da der Wert des vorgenannten elektrischen Stroms eine komplexe und weitgehend unvorhersagbare Funktion ist, nicht nur weil die Potentialänderung in der Prüfmasse eine nichtlineare Funktion der Verlagerung ist und außerdem von der Potentialdifferenz zwischen den Kondensatorplatten abhängig ist, welche sehr schwierig oder unmöglich zu allen Zeiten oder über eine ausgedehnte Zeitspanne konstant haltbar sein dürfte, sondern auch weil die Verlagerung selbst eine nichtlineare Funktion der Beschleunigungskräfte ist, die auf die Prüfmasse einwirken, und zwar unter anderem wegen nichtlinearen Ansprechens der elastischen Einrichtung wie flexiblen Scharnieren, mittels welchen die Prüfmasse in ihrer Position zwischen den Kondensatorplatten montiert ist, den Auswirkungen des Alterns auf die mechanischen Eigenschaften der Scharniere, temperaturabhängigen Änderungen in den mechanischen Eigenschaften und Dimensionen, und dgl.
Diese Nachteile können durch die Lösung vermieden werden, die in der am 3. Oktober 1990 veröffentlichten EP-A-0 390 721 beschrieben ist. Diese Anordnung hat jedoch gewisse Nachteile, die in einiger Ausführlichkeit später erläutert werden, so daß ihre Leistungsfähigkeit bei einigen Verwendungszwecken weniger als vollkommen sein kann.
Die FR-A-2 454 103 beschreibt einen Beschleunigungsmesser, der einen Stator aufweist, welcher an dem Objekt zu befestigen ist, dessen Beschleunigung gemessen werden soll. Dieser Stator weist einen Hohlraum auf, der zwei entgegengesetzte Oberflächen hat, die zwei Elektroden bilden, welche zu der Neßachse des Beschleunigungsmessers rechtwinkelig sind. Weiter, ein Pendel, das aus einer Isolierscheibe hergestellt ist, die zwei elektrisch leitfähige, parallele Oberflächen hat, ist vor den Statorstirnflächen angeordnet. Das Pendel kann unter der Wirkung von Beschleunigungen oszillieren, die parallel zu der Meßachse gerichtet sind. Eine Detektorschaltung mißt die Differenz zwischen den Kapazitäten der beiden Kondensatoren, die jeweils durch eine Stirnfläche des Hohlrawits und eine entgegengesetzte leitfähige Stirnfläche des Pendels gebildet werden. Eine Steuerschaltung ist vorgesehen, die an die Kondensatoren Gleichspannungen anlegt, welche elektrostatische Kräfte erzeugen, die die Beschleunigungskräfte kompensieren, welche auf das Pendel einwirken, und eine Neßschaltung mißt die Differenz zwischen den Spannungen, die an die Kondensatoren angelegt werden, wobei die Differenz eine Funktion der Beschleunigung längs der Meßachse ist.
Die GB-A-2 178 856 beschreibt eine Beschleunigungsmesseranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung zum Ansteuern eines solchen Beschleunigungsmessers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
Es ist ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
Mehr insbesondere, es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Beschleunigungsmesseranordnung zu schaffen, die nicht die Nachteile der bekannten Anordnungen dieser Art besitzt.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Beschleunigungsmesseranordnung des hier betrachteten Typs so auszubilden, daß zuverlässige Meßergebnisse mit einem sehr hohen Grad an Präzision geliefert werden.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Treiberschaltung zur Verwendung in einer Beschleunigungsmesseranordnung des obigen Typs zu schaffen, die es ermöglicht, eine äußerst zuverlässige und präzise Anzeige der Beschleunigungskräfte zu gewinnen, die auf die Prüfmasse einwirken.
Ein damit zusammenhängendes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Treiberschaltung und die Beschleunigungsmesseranordnung des obigen Typs auf derartige Weise auszubilden, daß sie im Aufbau relativ einfach sind, billig herstellbar sind, leicht zu gebrauchen sind und trotzdem im Betrieb zuverlässig sind.
Diese Ziele werden gemäß der Erfindung in den Ausführungsformen, die in dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche beschrieben sind, durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile derselben erreicht.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Entsprechend den obigen Zielen und weiteren Zielen, die im folgenden deutlich werden, ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung eine Beschleunigungsmesseranordnung, die als eine ihrer Komponenten wenigstens einen Beschleunigungssensor aufweist. Dieser Sensor enthält zwei Kondensatorplatten, die parallele, einander zugewandte Hauptflächen haben, welche zwischen sich einen Meßspalt begrenzen, eine plattenförmige, elektrisch auf ladbare Prüfmasse und eine Einrichtung zum elastischen Befestigen der Prüfmasse in dem Spalt parallel zu den Hauptflächen zur Verlagerung aufgrund der Einwirkung von Beschleunigungskräften aus einer im wesentlichen zentralen Ruheposition in Richtung zu der einen oder anderen Hauptfläche in Abhängigkeit von der Richtung der Beschleunigungskräfte. Es ist weiter eine Einrichtung vorgesehen zum Aufbauen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Kondensatorplatten, um elektrostatische Felder zwischen den Kondensatorplatten und der Prüfmasse zu erzeugen, die eine elektrische Prüfmassenpotentialvariation verursachen, welche eine Größe und Richtung hat, die von dem Ausmaß und der Richtung der Verlagerung der Prüfmasse aus deren Ruheposition abhängig sind. Die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung enthält weiter eine Einrichtung zum Auswerten der Variation und zum Versorgen der Prüfmasse mit einem elektrischen Steuersignal, das ausreicht, um an der Prüfmasse eine Spannung auszubilden, die zu der Variation proportional ist und bei der elektrostatische Kräfte, die durch sie zwischen der Prüfmasse und den Kondensatorplatten verursacht werden, die Prüfmasse gegen die Wirkung der auf sie einwirkenden Beschleunigungskräfte in ihre Ruheposition zurückbringen, mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer Folge von Impulsen, welche zwischen wenigstens zwei Spannungspegeln abwechseln und deren Aufeinanderfolge, Dauer und Richtung so sind, daß der zeitliche Mittelwert der Impulse die Spannung an der Prüfmasse im wesentlichen festlegt. Einzelheiten der Impulsfolge werden in Verbindung mit Fig. 4 erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher beschrieben, in welcher:
Fig. 1 eine vereinfachte Querschnittansicht eines Beispiels eines Beschleunigungssensors ist, der in einer Beschleunigungsmesseranordnung nach der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann;
Fig. 2 eine Schaltbilddarstellung einer Beschleunigungsmesseranordnung ist, die eine elektrische Treiberschaltung für einen nur schematisch dargestellten Beschleunigungssensor ähnlich dem von Fig. 1 zeigt; wobei sich Fig. 2 nicht auf die beanspruchte Erfindung bezieht;
Fig. 3 ein Blockschaltbild ist, das den Aufbau einer Quantisiervorrichtung zeigt, die in der Treiberschaltung nach Fig. 2 benutzt werden kann;
Fig. 4 eine Schaltbilddarstellung ähnlich der in Fig. 2 ist, aber den Aufbau der Treiberschaltung nach der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 5A, 5B und 6A bis 6C grafische Darstellungen von verschiedenen elementaren Wellenformen sind, die in der Treiberschaltung nach Fig. 4 benutzt werden.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

In der Zeichnung, auf die nun im einzelnen Bezug genommen wird, und zwar zuerst auf Fig. 1 derselben, ist zu erkennen, daß die Bezugszahl 10 darin benutzt worden ist, um einen Beschleunigungssensor in seiner Gesamtheit zu bezeichnen. Der Beschleunigungssensor 10 enthält zwei Kondensatorkomponenten 11 und 12, die Hauptflächen 13 und l4 haben, welche parallel zueinander sind, einander zugewandt sind und voneinander um eine vorbestimmte Strecke beabstandet sind, um zwischen sich einen Kondensatorspalt zu bilden. Die Kondensatorkomponenten 11 und 12 haben zwar wie dargestellt plattenförmige Konfigurationen und werden daher hier als Kondensatorplatten bezeichnet, es ist jedoch klar, daß sie irgendwelche anderen Konf igurationen haben könnten, solange sie mit den parallelen und beabstandeten Hauptflächen 13 und 14 versehen sind, die den Kondensatorspalt begrenzen. Die Hauptflächen 13 und 14 haben vorteilhafterweise die gleiche Ausdehnung.
Eine Prüfkomponente, die insgesamt mit der Bezugszahl 15 bezeichnet ist, ist zwischen den Kondensatorplatten 11 und 12 angeordnet und weist einen umfangsmäßig vollständigen Verbindungsteil oder separate Verbindungsteile 16 auf, die üblicherweise, aber nicht notwendigerweise, separate biegsame Scharnierteile 17 trennen, und eine zentrale Prüfmasse 18, die mit dem Verbindungsteil oder den Verbindungsteilen 16 durch die Scharnierteile 17 elastisch verbunden ist. Die Kondensatorplatten 11 und 12 und die Prüfkomponente 15 bestehen vorteilhafterweise aus Silica, welche wenigstens teilweise dotiert ist, um diesen dotierten Teilen elektrisch leitfähige Eigenschaften zu verleihen. Die Prüfkomponente 15 ist mit den beiden Kondensatorplatten 11 und 12 verbunden und von denselben vorzugsweise elektrisch isoliert durch Verbindungs- bzw. Distanzkörper 19 und 20, die zwischen dem Verbindungsteil oder den Verbindungsteilen 16 der Prüfkomponente 15 und den entsprechenden Gebieten der Kondensatorplatten 11 und 12 angeordnet sind.
Die Prüfmasse 18 wird durch die Scharnierteile 17 in der dargestellten Ruheposition gehalten, in welcher sie parallel zu und im wesentlichen äguidistant beabstandet von den Hauptflächen 13 und 14 der Kondensatorplatten 11 und 12 ist, solange keine äußeren Beschleunigungskräfte auf den Beschleunigungssensor 10 einwirken. Wenn jedoch der Beschleunigungssensor einer Beschleunigung ausgesetzt wird, die wenigstens eine Komponente hat, welche normal zu den Hauptflächen 13 und 14 der Kondensatorplatten 11 und 12 gerichtet ist, wird die flexible Halterung, die durch die Scharnierteile 17 gebildet wird, der Prüfmasse gestatten, sich aufgrund der Beschleunigung oder von Trägheitskräften, die auf sie einwirken, aus ihrer Ruheposition in Richtung zu der einen oder anderen der Hauptflächen 13 und 14 zu verlagern, je nach der Richtung der ausgeübten Beschleunigung. Die flexiblen Teile 17 sind vorzugsweise auf derartige Weise aufgebaut und um den Umfang der Prüfmasse 18 verteilt, daß die Prüfmasse 18 während dieser Verlagerung im wesentlichen parallel zu den Hauptflächen 13 und 14 der Kondensatorplatten 11 und 12 bleibt. Einzelheiten eines möglichen Aufbaus des Beschleunigungssensors 10, der die obigen Aufgaben auf ausgezeichnete Weise löst, finden sich in einer auf die Anmelderin zurückgehenden EP-A-387 518, die am 19.09.1990 veröffentlicht worden ist.
Die Kondensatorplatten 11 und 12 und die Prüfkomponente 15 sind wie dargestellt mit Klemmen 21, 22 bzw. 23 versehen. Wenn wie dargestellt die Klemme 22 an Nasse liegt und eine Spannung VT an die Klemme 21 angelegt wird, was zu der Bildung eines elektrischen Feldes zwischen den Hauptflächen 13 und 14 führt, wird die Prüfmasse 18 dazu tendieren, an einer Spannung VT zu liegen, die von den Distanzen D&sub1; und D&sub2; von den Hauptflächen 13 bzw. 14 abhängig ist und auch im stationären Zustand an der Klemme 23 erscheinen wird, wo sie abgelesen werden könnte, um die Position der Prüfmasse 18 relativ zu den Kondensatorplatten 11 und 12 zu bestimmen. Der Wert dieser Prüfplattenspannung Vp ist jedoch, wie oben erwähnt, eine so komplexe Funktion von so vielen Variablen, daß die einzige Größe, die mit Gewißheit aus dem Wert der Spannung Vp bestimmt werden könnte, nachdem die Prüfmasse 18 durch Beschleunigungskräfte aus ihrer Ruheposition verlagert worden ist, die Richtung der Komponente dieser Beschleunigung wäre, die in der Richtung der Hauptachse wirkt, welche sich normal zu den Oberflächen 13 und 14 erstreckt, wogegen irgendwelche Schlußfolgerungen, die auf der Basis des Wertes der Spannung Vp über die Größe dieser Beschleunigungskomponente getroffen werden, bestensfalls Approximationen wären.
Zum Vermeiden dieser Ungewißheit ist in der EP-A-0 390 721 vorgeschlagen worden, die Prüfmassenspannung Vp auf einen Wert zu zwingen, bei dem die elektrostatischen Kräfte, die zwischen der Prüfmasse 18 und den Kondensatorplatten 11 und 12 vorhanden sind, die Prüfmasse 18 gegen die Wirkung der an ihr herrschenden Beschleunigungskräfte in ihre Ruheoder Nullposition zurückbringen. Diese Technik basiert auf dem Erkennen der Tatsache, daß der Einfluß von Fertigungstoleranzen, Temperatur und/oder Materialalterung auf die Flexibilität der Scharnierteile 17, der ein sehr relevanter Faktor bei der Bestimmung des Ausmaßes der Verlagerung der Prüfmasse 18 durch auf sie einwirkende Beschleunigungskräfte aus ihrer Ruheposition ist, irrelevant wird, wenn die Prüfmasse 18 in ihrer Ruheposition ist, weil dann das Ausmaß der Verlagerung der Prüfmasse 18 aus ihrer Ruheposition null ist. Infolgedessen ist es lediglich notwendig, der Prüfmassenspannung VT einen derartigen Wert zu geben, daß die gesamte elektrostatische Kraft, die auf die Prüfmasse 18 in deren Ruheposition einwirkt (d.h. die vektorielle Summe der elektrostatischen Kräfte, die zwischen der Prüfmasse 18 und den Kondensatorplatten 11 und 12 wirken), gleich und entgegengesetzt, wenn die Prüfmasse 18 in ihrer Ruheposition ist, zu der Gesamtsumme der Beschleunigungskräfte ist, die auf die Prüfmasse 18 in der Richtung der Hauptachse des Beschleunigungssensors 10 einwirken.
Zum Verstehen dieses Prinzips, auf dem die vorliegende Erfindung aufbaut, ist zu berücksichtigen, daß die elektrostatische Kraft FE zwischen der Prüfmasse 18 und einer der Kondensatorplatten 11 und 12 gegeben ist durch:
wobei A = effektiver Kondensatorplattenflächeninhalt,
&epsi;o = Dielektrizitätskosntante
V = Spannungsdifferenz zwischen der Prüfmasse und der einen Kondensatorplatte, und
D = Distanz zwischen der Prüfmasse und der einen Kondensatorplatte.
Wenn die Prüfmasse 18 in ihrer Ruheposition ist, d.h. im wesentlichen zentrisch zwischen den Hauptflächen 13 und 14, ist die elektrostatische Gesamtkraft FE gleich der Beschleunigungskraft Fg (die gleich dem Produkt von Masse m und Beschleunigung g ist), und die elektrostatische Gesamtkraft FE ist gleich der vektoriellen Summe aus, d.h. der Differenz zwischen den partiellen elektrostatischen Kräften FE1 und FE2, die zwischen der Prüfmasse 18 und den Kondensatorplatten 11 bzw. 12 existieren und die gemäß der obigen Gleichung zu den Spannungsdifferenzen V&sub1; und V&sub2; proportional sind, welche zwischen der Prüfmasse 18 und den Hauptflächen 13 und 14 angetroffen werden. Darüber hinaus gilt V&sub2; = VT - V&sub1;. Wenn gilt A&sub1; = A&sub2; (wie es bei dem dargestellten Aufbau des Beschleunigungssensors 10 der Fall ist) und D&sub1; = D&sub2; (wie es in der Ruheposition der Prüfmasse 18 der Fall ist), dann gilt
Aus der obigen Gleichung ist zu erkennen, daß die Beschleunigung g in linearer Beziehung zu der treibenden Spannung VT steht, die an die Prüfmasse 18 angelegt wird, so daß der Wert von g aus dem Wert von Vp leicht bestimmt werden kann.
Die Erfahrung mit der Beschleunigeranordnung nach der letztgenannten Patentanmeldung hat gezeigt, daß, da bei dieser Anordnung mit direkter Einspeisung des Steuersignals als erforderlicher Steuer- oder Treibergleichspannung in die Prüfmasse 18 gearbeitet wird und dasselbe Steuersignal außerdem an einem Ausgang der Anordnung in digitale Daten umgewandelt wird, mit einem Genauigkeitsfehler, der so groß sein kann, wie fast das gesamte niederwertigste Datenbit, die aus der Beschleunigungsanordnung gewonnenen Daten von dem tatsächlichen Wert in einem Ausmaß abweichen können, das wegen der hohen Empfindlichkeit der Anordnung für äußere Kräfte das Äquivalent eines sehr signifikanten Fehlers in der Beschleunigungskraftmessung sein kann. Darüber hinaus gibt es Typen von Beschleunigungsmesservorrichtungen, die zwei Anschlüsse haben, welche benutzt werden, um die Position der Prüfmasse zu erfassen, wenn sie aufgrund der Beschleunigungskräfte verschoben oder verlagert wird, und um die Prüfmasse zurück in ihre ursprüngliche Ruhe- oder Nullposition zu treiben. Ein dritter Anschluß wird benötigt, ist aber nicht immer vorhanden, um eine Wechselstromerregung bei Beschleunigungsmessern zu bewirken, die eine induktive oder kapazitive Kopplung des Nullstellsignals verlangen. Es ist deshalb erwünscht, die Beschleunigungsmesservorrichtung auf derartige Weise aufzubauen, daß es möglich ist, die Erregungs- und Rückkopplungsnullkorrektursignale in einem einzelnen Anschluß der Vorrichtung zu verknüpfen.
Fig. 2 der Zeichnung, in der dieselben Bezugszahlen wie zuvor benutzt worden sind, um entsprechende Teile zu bezeichnen, zeigt ein Beispiel der Realisierung einer Treiberschaltung 30, die so aufgebaut ist, daß sie die oben dargelegten Gesichtspunkte berücksichtigt. Die Beschreibung der Treiberschaltung ist beim Verständnis der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, die in Fig. 4 der Zeichnungen gezeigt ist, nützlich. Die Schaltung 30 enthält einen Oszillator 31, der einen Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt. Das Ausgangssignal des Oszillators 31 wird mittels eines Transformators 32 und über Trennkondensatoren 33 und 34 an die Anschlüsse 21 und 22 der Kondensatorplatten 11 und 12 angelegt. Die Klemmen 21 und 22 sind weiter mit Masse über Widerstände R&sub1; bzw. R&sub2; verbunden, und die Spannung VT wird an die Klemme 21 und somit an die Kondensatorplatte 11 angelegt.
Die Klemme 23, die mit der Prüfmasse 18 elektrisch verbunden ist, ist mit einem Verstärker 35 verbunden, der als ein Transimpedanzverstärker aufgebaut sein kann und Veränderungen im elektrischen Strom, welcher in die und aus der Prüfmasse 18 fließt (überwiegend, wenn nicht ausschließlich, als Ergebnis der Wirkung der Wechselströme, die den Kondensatorplatten 11 und 12 an der Prüfmasse 18 zugeführt werden), in entsprechende Änderungen in einer Ausgangsspannung VN umwandelt. Diese Ausgangsspannung vN wird dann an einen Demodulator 36 angelegt, wo sie mit dem Wechselstrom demoduliert wird, der durch den Oszillator 31 geliefert und dem Demodulator 36 über eine elektrische Verbindungsleitung 37 zugeführt wird. Der Verstärker 35 und der Demodulator 36 sind von herkömmlichem Aufbau und können auf eine Weise, die dem einschlägigen Fachmann auf diesem Gebiet bestens bekannt ist, derart eingestellt werden, daß die demodulierte Gleichspannung VN des Ausgangssignals, das durch den Demodulator 36 abgegeben wird, auf dem Pegel ist, der benötigt wird, um die Prüfmasse 18 gegen die Wirkung der Beschleunigungskräfte, welche auf sie einwirken, in die Ruheposition zu treiben. Dieses Ausgangssignal wird dann über eine Verbindungsleitung 38, ein Tiefpaßfilter 39, eine Quantisiervorrichtung 40 und einen Widerstand 41 als das erforderliche quantisierte Steuer- oder Treibersignal an die Klemme 23 der Prüfmasse 18 angelegt. Außerdem leitet ein Ausgang 42 der Quantisiervorrichtung 40 das vorgenannte quantisierte Ausgangssignal der Quantisiervorrichtung 40 zu einer Anzeige- oder anderen Ablesevorrichtung mit irgendeinem bekannten Aufbau, die dann Daten anzeigt, welche den Wert des quantisierten Ausgangssignals und somit den Wert der Beschleunigung g in irgendeiner gewünschten Form angeben.
Fig. 3 der Zeichnung zeigt ein Beispiel des Aufbaus der Quantisiervorrichtung 40, die vorteilhafterweise in der Umgebung nach Fig. 2 benutzt werden kann. Die Beschreibung der Arbeitsweise des Quantisierers 40 ist beim Verständnis der Vorteile nützlich, die durch die Ausführungsform der Erfindung erzielt werden, welche in Fig. 4 der Zeichnungen dargestellt ist. Die Ausgangsspannung VN wird an einen Eingang eines Komparators 50 angelegt, während eine Rampenspannung, die von einem Rampengenerator geliefert wird, der unter einer Steuerung eines Zählers 52 und eines Decodierers 53 arbeitet, an einen weiteren Eingang des Komparators 50 angelegt wird. In dem Komparator 50 wird die Ausgangsspannung VN mit der Rampenwellenform verglichen, die eine präzise gesteuerte Periode hat. Die resultierende Ausgangswellenform des Komparators 50 ist ein pulsdauermoduliertes (PDM) Signal. Dieses Ausgangssignal wird dann zu einem Präzisionstaktsignal synchronisiert, welches den Zähler 52 und den Decodierer 53 durch einen Quantisierer 54 ansteuert, der wie dargestellt durch ein D-Flipflop gebildet wird, welches ebenfalls unter der Steuerung des Decodierers 53 steht. Dieses synchronsierte Signal wird dann benutzt, um die Nullstellspannung an der Prüfmasse 18 zu erzeugen sowie ein Eingangs- oder Steuersignal an einem Vor/Rückwärtszähler 55, der ebenfalls durch den Decodierer 53 gesteuert wird.
Im Betrieb gibt der Rampengenerator 51 ein Sägezahnsignal mit einem Mindestwert ab, das dem Minus-Vollskalenausgangssignal des Demodulators 36 entspricht, und mit einem Maximalwert, der dem positiven Vollskalenausgangssignal des Demodulators 36 entspricht. Deshalb ist das Tastverhältnis des PDM-Signals zu dem Demodulatorausgangssignal proportional.
Da das synchronisierte PDM-Signal zum Steuern des Vor/Rückwärtszählers 55 benutzt wird, ist die Frequenz der "Daten Aus"-Impulse proportional zu dem Tastverhältnis der Nullstellspannung. Die Nullstellspannung kann dann entweder durch ein Tiefpaßfilter geleitet und dann an die Prüfmasse 18 angelegt werden oder kann direkt, ohne Filterung, an die Prüfmasse 18 angelegt werden. In jedem Fall enthält der effektive Gleichstromwert der Nullstellspannung die Beschleunigungsinformation. Da der effektive Gleichstromwert der Nullstellspannung ebenfalls zu dem Tastverhältnis proportional ist, ist die Frequenz der "Daten Aus"-Impulse proportional zu der gemessenen Beschleunigung.
Weil diese Datenextraktionstechnik ein Teil des geschlossenen Beschleunigungsmesserregelsystems ist, brauchen die tatsächlichen Werte der Rampengeneratorspannung und der Demodulatorausgangsspannung nicht präzise gesteuert zu werden. Das System wird sich bei jeder Impulsdauer stabilisieren, die verlangt wird, um das System für eine bestimmte Beschleunigungseinwirkung nullzustellen. Außerdem, da jede Fehlerspannung der Prüfmasse 18 zu einem Ausgangssignal an dem Demodulatorausgang führen wird, hat das System ein eingebautes Gedächtnis. Das bedeutet, daß, wenn das System nicht exakt nullgestellt wird, die Schleife den Quantisierer 54 lediglich zwingen wird, sein Tastverhältnis zu ändern. Der Rest aus jeder Umwandlung (die wie oben erwähnt so viel wie fast das gesamte niederwertigste Bit betragen kann) wird in der Prüfmasse 18 gespeichert, so daß er die Position der Prüfmasse 18 beeinflussen wird und somit das Fehlersignal, das während des nächsten folgenden Umwandlungszyklus auftritt. Es wird somit eine verbesserte Präzision in dem "Daten Aus"-Wert über der Zeit erzielt. Darüber hinaus ist, da die Ausgangsdaten eine Reihe von Impulsen sind, der Impulszählwert proportional zur Geschwindigkeit, was in Hardwareintegration der Daten resultiert.
Eine vollständig digitale Realisierung einer Schaltungsanordnung, die sich mit den obigen Gesichtspunkten befaßt, ist in Fig. 4 der Zeichnung dargestellt, in welcher erneut dieselben Bezugszahlen wie zuvor benutzt worden sind, um entsprechende Teile zu bezeichnen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Nullstell- und Positionserfassungsspannungen in einem Signal verknüpft werden. In dieser Realisierung wird eine Gleichstromquelle 60 benutzt, um den erforderlichen Strom einem Schaltnetzwerk 61 zu liefern, das wie dargestellt vier Schalter 62, 63, 64 und 65 aufweist, die durch Widerstände R überbrückt sind und durch eine Schaltersteuerung 66 auf eine Weise gesteuert werden, die im folgenden deutlich werden wird. Für den Augenblick ist es ausreichend zu erwähnen, daß ein Ausgang 67 des Schaltnetzwerks 61 eine digitale Wellenform überträgt, die der Prüfmasse 18 zugeführt wird. Andererseits werden eine Referenzspannung VREF und eine Massespannung an die Kondensatorplatten 12 bzw. 11 über die Primärwicklungen eines Meßtransformators 68 angelegt, dessen Sekundärwicklung mit einem Verstärker verbunden ist, dessen einer Ausgang mit einem Eingang eines Demodulators 70 verbunden ist, wogegen eine Verbindungsleitung 71 die an dem Ausgang 67 des Schaltnetzwerks 61 erscheinende Wellenform dem anderen Eingang des Demodulators 70 zuführt. Das Ausgangssignal des Demodulators 70 wird dann der Schaltersteuerung 66 zugeführt, die die Schalter 62, 63, 64 und 65 auf den Wert des Ausgangssignals des Demodulators 70 gemäß einem vorbestimmten Protokoll steuert.
Während des Betriebes der Beschleunigungsmesseranordnung obigen Aufbaus ist der Mittelwert des digitalen Ausgangssignals in dem Fall von keiner Beschleunigung die Referenzspannung dividiert durch zwei, da die digitale Wellenform um den Punkt VREF/2 symmetrisch ist. Das führt zu insgesamt keiner elektrostatischen Kraft an der Prüfmasse. Wenn eine Beschleunigung erfolgt, erkennt die Demodulationsschaltungsanordnung 70 den Fehler aus den unabgeglichenen Kapazitäten, die zwischen der Prüfmasse 18 und der einen Kondensatorplatte 11 einerseits und zwischen der Prüfmasse 18 und der anderen Kondensatorplatte 12 andererseits vorhanden sind, und veranlaßt die Schaltersteuerung, die digitale Wellenform, die an dem Ausgang 67 erscheint und der Prüfmasse 18 zugeführt wird, phasenmäßig zu schalten. Dadurch wird wenigstens ein zusätzlicher "Auf"- oder "Ab"-Impuls relativ zu dem VREF/2-Pegel, je nach der Richtung der Beschleunigung, in die elementare Wellenform, die der Prüfmasse 18 zugeführt wird, "eingeschaltet", und das erzeugt insgesamt eine elektrostatische Kraft an der Prüfmasse 18 für die Dauer dieses zusätzlichen Impulses. Das phasenmäßige Schalten in dem Rückkopplungssignal erfolgt auch an dem Demodulator 70, so daß er die korrekte Polarität des Fehlersignals bewahren kann. Die Ausgangsimpulsfolge wird außerdem der Außenwelt als Daten an einer Klemme A geliefert.
Die Fig. 5A und 5B zeigen eine Art der elementaren Wellenformen, die der Prüfmasse 18 während Plus- bzw. Minusbeschleunigung zugeführt werden. Es wird jedoch gegenwärtig bevorzugt, die Wellenformen zu benutzen, die in den Fig. 6A, 6B und 6C für keine Beschleunigung, Plus-Beschleunigung bzw. Linus-Beschleunigung gezeigt sind, da dieses Schema den Aufbau und den Betrieb des Schaltnetzwerks 61 und der Schaltersteuerung 66 stark vereinfacht und ansonsten mögliche Schalt- und damit zusammenhängende Fehler eliminiert. Es wird nicht für notwendig angesehen, den Aufbau der Schaltersteuerung 66 hier im einzelnen zu beschreiben, da ihr Aufbau und ihre Arbeitsweise aus den in der Zeichnung dargestellten Wellenformen ohne weiteres zu entnehmen sein werden.
Es ist zu erkennen, daß die phasenmäßige Umschaltung in der elementaren Wellenform zu einer Situation führt, wo der zeitliche Mittelwert der Impulse, die der Prüfmasse 18 zugeführt werden, den erforderlichen Antrieb oder die erforderliche Nullstellspannung oder Ladung an der Prüfmasse 18 ergeben werden und daß das wiederum elektrostatische Felder zwischen der Prüfmasse 18 und den Kondensatorplatten 11 und 12 erzeugen wird, die die Prüfmasse in ihre Ruheposition treiben werden. Außerdem werden Fehler, die sich auf weniger als eine volle Bitbreite belaufen, auf eine Weise berücksichtigt werden, die oben erläutert worden ist, weil sie die Position der Prüfmasse 18 und somit des nächsten folgenden Fehlersignals beeinflussen werden.
Die vorliegende Erfindung ist zwar am Beispiel eines besonderen Aufbaus eines Beschleunigungsmessers veranschaulicht und beschrieben worden, bei dem ein besonderer Aufbau des Beschleunigungssensors und einer impulsgesteuerten Treiberschaltung desselben benutzt werden, es ist jedoch klar, daß sich die vorliegende Erfindung nicht auf dieses besondere Beispiel beschränkt, sondern daß vielmehr der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung allein durch die beigefügten Ansprüche bestimmt wird.

Claims

1. Beschleunigungsmesseranordnung mit wenigstens einem Beschleunigungssensor (10), der zwei Kondensatorplatten (11, 12) aufweist, die einander zugewandte, parallele Hauptflächen (13, 14) haben, welche zwischen sich einen Meßspalt begrenzen, eine plattenförmige, elektrisch aufladbare Prüfmasse (18) und eine Einrichtung (16, 17) zum elastischen Befestigen der Prüfmasse (18) in dem Spalt parallel zu den Hauptflächen (13, 14) zur Verlagerung unter der Einwirkung von Beschleunigungskräften aus einer im wesentlichen zentralen Ruheposition in Richtung auf die eine oder die andere der Hauptflächen (13, 14) in Abhängigkeit von der Richtung der Beschleunigungskräfte;

einer Einrichtung (21, 22) zum Aufbauen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Kondensatorplatten (11, 12) durch Anlegen von Gleichspannungen an die Kondensatorplatten (11, 12), die einer Gleichstromquelle (60) entnommen werden, um elektrostatische Felder zwischen den Kondensatorplatten (11, l2) und der Prüfmasse (18) zu erzeugen, welche eine elektrische Potentialveränderung der Prüfmasse verursachen, die eine Größe und Richtung hat, welche von dem Ausmaß und der Richtung der Verlagerung der Prüfmasse (18) aus der Ruheposition derselben abhängig ist; und

einer Einrichtung zum Auswerten der Veränderung und zum Versorgen der Prüfmasse (18) mit einem elektrischen Steuersignal, das ausreicht, um an der Prüfmasse (18) eine Nullstellspannung aufzubauen, die proportional zu der Veränderung ist und bei der elektrostatische Kräfte, die durch sie zwischen der Prüfmasse (18) und den Kondensatorplatten (11, 12) hervorgerufen werden, die Prüfmasse (18) gegen die Wirkung der auf sie einwirkenden Beschleunigungskräfte in ihre Ruheposition zurückbringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbaueinrichtung (21, 22) eine Einrichtung aufweist zum Anlegen der Gleichspannungen an die Kondenstorplatten (11, 12) mit im wesentlichen konstanten, unterschiedlichen Pegeln, wodurch die Gleichspannung zwischen den Kondensatorplatten (11, 12) einen festen Wert (VREF) hat; daß eine Impulsfolgeerzeugungseinrichtung eine Schalteinrichtung (62-65) aufweist, die mit der Quelle (60) verbunden ist und einen Ausgang (67) hat, der mit der Prüfmasse (18) verbunden ist, und eine Einrichtung (66) zum Steuern der Schalteinrichtung (62-65), um eine Impulsfolge mit einer elementaren Wellenform, die eine mittlere Spannung hat, welche gleich VREF/2 in dem Fall von keiner Beschleunigung ist, an dem Ausgang derselben zu liefern; daß die erzeugten Impulse zwischen wenigstens zwei Spannungspegeln abwechseln und die Aufeinanderfolge, Dauer und Richtung der Impulse so sind, daß der zeitliche Mittelwert dieser Impulse im wesentlichen die Nullstellspannung an der Prüfmasse (18) aufbaut, und daß die Auswerteeinrichtung weiter eine Einrichtung (68) aufweist zum Erkennen der Auswirkungen der Impulsfolge auf die an den Kondensatorplatten (11, 12) erscheinenden Potentiale und zum Abgeben eines diese darstellenden Ausgangssignals, eine Einrichtung (70) zum Demodulieren des Ausgangssignals mit der Impulsfolge und eine Einrichtung zum Anlegen des so demodulierten Ausgangssignals an die Steuereinrichtung (66), um zu bewirken, daß die Steuereinrichtung (66) die Wellenform der Impulsfolge in Abhängigkeit von dem Wert des demodulierten Signals phasenmäßig schaltet, um dadurch insgesamt eine elektrostatische Kraft an der Prüfmasse (18) zu erzeugen.

2. Beschleunigungsmesseranordnung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinrichtung einen Verstärker (69) enthält, der das Ausgangssignal empfängt und es nach Verstärkung an die Demoduliereinrichtung (70) anlegt.

3. Anordnung zum Ansteuern eines Beschleunigungssensors des Typs, der zwei Kondensatorplatten (11, 12) aufweist, die parallele, einander zugewandte Hauptflächen (13, 14) haben, welche einen Meßspalt miteinander begrenzen, und eine plattenförmige, elektrisch aufladbare Prüfmasse (18), die in dem Spalt parallel zu den Hauptflächen (13, 14) zur Verlagerung aufgrund der Einwirkung von Beschleunigungskräften aus einer im wesentlichen zentralen Ruheposition in Richtung zu der einen oder anderen Hauptfläche (13, 14) in Abhängigkeit von der Richtung der Beschleunigungskräfte elastisch befestigt ist, wobei die Anordnung aufweist:

eine Einrichtung (21, 22) zum Aufbauen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Kondensatorplatten (11, 12) durch Anlegen von Gleichspannungen an die Kondensatorplatten (11, 12), die einer Gleichstromquelle (60) entnommen werden, um elektrostatische Felder zwischen den Kondensatorplatten (11, 12) und der Prüfmasse (18) zu erzeugen, welche eine elektrische Potentialveränderung der Prüfmasse verursachen, die eine Größe und Richtung hat, welche von dem Ausmaß und der Richtung der Verlagerung der Prüfmasse (18) aus der Ruheposition derselben abhängig ist; und

eine Einrichtung zum Auswerten der Veränderung und zum Versorgen der Prüfmasse (18) mit einem elektrischen Steuersignal, das ausreicht, um an der Prüfmasse (18) eine Nullstellspannung aufzubauen, die proportional zu der Veränderung ist und bei der elektrostatische Kräfte, die durch sie zwischen der Prüfmasse (18) und den Kondensatorplatten (11, 12) hervorgerufen werden, die Prüfmasse (18) gegen die Wirkung der auf sie einwirkenden Beschleunigungskräfte in ihre Ruheposition zurückbringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbaueinrichtung (21, 22) eine Einrichtung aufweist zum Anlegen der Gleichspannungen an die Kondenstorplatten (11, 12) mit im wesentlichen konstanten, unterschiedlichen Pegeln, wodurch die Gleichspannung zwischen den Kondensatorplatten (11, 12) einen festen Wert (VREF) hat; daß eine Impulsfolgeerzeugungseinrichtung eine Schalteinrichtung (62-65) aufweist, die mit der Quelle (60) verbunden ist und einen Ausgang (67) hat, der mit der Prüfmasse (18) verbunden ist, und eine Einrichtung (66) zum Steuern der Schalteinrichtung (62-65), um eine Impulsfolge mit einer elementaren Wellenform, die eine mittlere Spannung hat, welche gleich VREF/2 in dem Fall von keiner Beschleunigung ist, an dem Ausgang derselben zu liefern; daß die erzeugten Impulse zwischen wenigstens zwei Spannungspegeln abwechseln und die Aufeinanderfolge, Dauer und Richtung der Impulse so sind, daß der zeitliche Mittelwert dieser Impulse im wesentlichen die Nullstellspannung an der Prüfmasse (18) aufbaut, und daß die Auswerteeinrichtung weiter eine Einrichtung (68) aufweist zum Erkennen der Auswirkungen der Impulsfolge auf die an den Kondensatorplatten (11, 12) erscheinenden Potentiale und zum Abgeben eines diese darstellenden Ausgangssignals, eine Einrichtung (70) zum Demodulieren des Ausgangssignals mit der Impulsfolge und eine Einrichtung zum Anlegen des so demodulierten Ausgangssignals an die Steuereinrichtung (66), um zu bewirken, daß die Steuereinrichtung die Wellenform der Impulsfolge in Abhängigkeit von dem Wert des demodulierten Signals phasenmäßig schaltet, um dadurch insgesamt eine elektrostatische Kraft an der Prüfmasse (18) zu erzeugen.

4. Beschleunigungsmesseransteueranordnung nach Anspruch 3, wobei die Auswerteeinrichtung einen Verstärker (69) enthält, der das Ausgangssignal empfängt und es nach Verstärkung an die Demoduliereinrichtung (70) anlegt.