DE102008025387A1

DE102008025387A1 - System und Verfahren zur Fehlerverringerung bei elektrostatischen Instrumenten mit Kraftausgleich

Info

Publication number: DE102008025387A1
Application number: DE102008025387A
Authority: DE
Inventors: Robert E. Woodland Hills Stewart; Robert Newhall Griffith
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 2007-05-30
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: US20080295597A1; DE102008025387B4; US7614300B2; JP2008298775A; FR2916855A1; JP4750825B2; FR2916855B1

Abstract

Ein System und ein Verfahren zur Verringerung von Fehlern bei elektrostatischen Instrumenten mit Kraftausgleich werden bereitgestellt. Das System und das Verfahren verringern Fehler der Messwerte, die durch einen Ladungsanstieg in Instrumenten mit Kraftausgleich verursacht werden, bei denen Ladeimpulse zum Erzeugen einer elektrostatischen Kraft zur Nulleinstellung einer trägen Kontrollmasse verwendet werden, die zwischen den entgegengesetzten Elektroden angeordnet ist. Das System und das Verfahren verringern den Ladungsanstieg, indem Ladeimpulse an jede der entgegengesetzten Elektroden eines Erfassungselements über eine gegebene Zeitdauer eines Ladungszyklus bei der Konfiguration mit normaler Polarität gefolgt von Ladeimpulsen an jede der entgegengesetzten Elektroden des Erfassungselements über eine gegebene zweite Zeitdauer eines Ladungszyklus bei der Konfiguration mit inverser Polarität angelegt werden.

Description

Verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung ist mit der U.S.-Patentanmeldung, Aktenzeichen 11/031,271, eingereicht am 7. Januar 2005, mit dem Titel "Force Balanced Instrument System and Method for Mitigating Errors", verwandt, die hiermit einbezogen wird.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Instrumente mit Kraftausgleich und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Fehlerverringerung bei elektrostatischen Instrumenten mit Kraftausgleich.
Hintergrund der Erfindung
Bei einem Erfassungsinstrument mit Kraftausgleich wie z. B. einem Beschleunigungssaufnehmer ist es im Allgemeinen wünschenswert, dass sich das Ausgangssignal des Instruments proportional zur zu erfassenden Eingangsbedingung verhält. Deshalb sind für zahlreiche Typen elektrostatischer und elektromagnetischer Erfassungsinstrumente mit Kraftausgleich spezielle Techniken erforderlich, um eine lineare Beziehung zwischen dem Instrumentenausgang und dem erfassten Eingang zu erhalten. Bei elektrostatischen und elektromagnetischen Instrumenten stehen die vom Instrumentkraftgeber aufgebrachten Kräfte nicht in linearer Beziehung zur Rückkopplungsspannung oder zum Rückkopplungsstrom, die bzw. der dem Kraftgeber zugeführt wird. Außerdem hat für den optimalen Betrieb des Instruments selbst die vom Regelungsnetz aufgebrachte Rückkopplungskraft vorzugsweise eine lineare Beziehung zum erfassten Eingang. Um eine derartige Linearität zu erhalten, werden deshalb spezielle Techniken angewendet.
Bei einem elektrostatischen Beschleunigungsaufnehmer mit Kraftausgleich wird z. B. eine elektrostatische Kraftbeaufschlagung in einem geschlossenen Regelkreis verwendet, um einen Ausgang von einer hängenden trägen Masse oder Kontrollmasse zu positionieren und zu erhalten. Das elektrostatische Kraftbeaufschlagungssystem verwendet eine kapazitive Messelektrode an jeder Seite eines hängenden Elements, die aus einem Siliziumsubstrat herausgeätzt wurde. Ein Steuerimpuls dient zur sequentiellen Beaufschlagung jeder Elektrode mit einem konstanten Ladungsbetrag. Eine variable Kraft wirkt auf die träge Masse, indem die Zeitdauer (z. B. das Lastspiel) variiert wird, während der die Ladung an der jeweiligen Platte bleibt. Die Zeitdauer, während der die Ladung an der jeweiligen Platte verbleibt, hängt von der Verschiebung der trägen Masse aus der Nullposition ab.
Wenn jedoch die Platten mit einer konstanten Ladung beaufschlagt werden, besteht die Gefahr eines Ladungsanstiegs. Dieser Ladungsanstieg führt zu Schwankungen der elektrischen Kennwerte des Beschleunigungsaufnehmers. Diese Schwankungen der elektrischen Kennwerte können in Messfehlern resultieren, die über das Gerät variieren. Der Ladungsanstieg ist schwer zu diagnostizieren und zu modellieren, da er mit inhärenten Schwankungen der Kennwerte und/oder fertigungsbedingten Abweichungen eines gegebenen Geräts einhergeht. Außerdem können Temperaturschwankungen, Alterung und frühere Schaltungsbedingungen das Ausmaß des Ladungsanstiegs im Gerät beeinflussen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Instrumentensystem mit Kraftausgleich bereitgestellt. Das System weist ein Erfassungselement mit einer trägen Kontrollmasse auf, die zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenplatte angeordnet ist, sowie ein Schaltsystem, das zwischen der Lieferung von Ladeimpulsen an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit normaler Polarität und der Lieferung von Ladeimpulsen an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit inverser Polarität umschaltbar ist. Das System weist ferner ein Steuerlogikgerät auf, das das Umschalten des Schaltsystems steuert, um Ladeimpulse an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit normaler Polarität während der Zeitdauer eines ersten Ladungszyklus und Ladeimpulse an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit inverser Polarität während der Zeitdauer eines zweiten Ladungszyklus bereitzustellen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Instrument mit Kraftausgleich bereitgestellt, das ein Erfassungselement mit einer trägen Kontrollmasse enthält, die zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenplatte angeordnet ist. Das Instrument weist ein Mittel zur Bereitstellung von Ladeimpulsen, ein Mittel zum Umschalten zwischen dem Anlegen der Ladeimpulse an ein Erfassungselement bei der Konfiguration mit normaler Polarität und dem Anlegen der Ladeimpulse an ein Erfassungselement bei der Konfiguration mit inverser Polarität sowie ein Mittel zum Steuern der Zeitdauer des Ladungszyklus zum Anlegen der Ladeimpulse an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit normaler Polarität und zum Steuern der Zeitdauer des Ladungszyklus zum Anlegen der Ladeimpulse an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit inverser Polarität auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verringerung von Fehlern in einem Instrument mit Kraftausgleich bereitgestellt, das ein Erfassungselement mit einer trägen Kontrollmasse verwendet, die zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenplatte angeordnet ist. Das Verfahren weist das Schalten des Erfassungselements auf entweder die Konfiguration mit normaler Polarität oder die Konfiguration mit inverser Polarität auf, wobei ein Ladeimpuls während der Zeitdauer eines ersten Ladungszyklus abwechselnd an die erste Elektrodenplatte und die zweite Elektrodenplatte gelegt wird, das Bestimmen einer ersten Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen, die von den Ladeimpulsen an der ersten und zweiten Elektrodenplatte induziert werden, für jede Sequenz der Ladungszyklen während der Zeitdauer des ersten Ladungszyklus und das Aggregieren der ersten Spannungsdifferenz über der Zeit, um ein Lastspiel einzustellen, das der Ladungszyklussequenz der ersten Zeitdauer des Ladungszyklus zugeordnet ist. Das Verfahren weist ferner das Umschalten auf die jeweils andere Konfiguration der Konfiguration mit normaler Polarität und der Konfiguration mit inverser Polarität auf, wobei ein Ladeimpuls während der Zeitdauer eines zweiten Ladungszyklus abwechselnd an die erste Elektrodenplatte und die zweite Elektrodenplatte gelegt wird, das Bestimmen einer zweiten Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen, die von den Ladeimpulsen an der ersten und zweiten Elektrodenplatte induziert werden, für jede Sequenz der Ladungszyklen während der zweiten Zeitdauer des Ladungszyklus und das Aggregieren der zweiten Spannungsdifferenz über der Zeit, um ein Lastspiel einzustellen, das der Ladungszyklussequenz der zweiten Zeitdauer des Ladungszyklus zugeordnet ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Schaltschema eines Beschleunigungsaufnehmersystems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Impulsdiagramm bezüglich des Anlegens von Ladeimpulsen an die Elektroden des Beschleunigungsaufnehmers von 1.
3 zeigt ein Verfahren zur Fehlerverringerung bei Instrumenten mit Kraftausgleich gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Fehlerverringerung bei Instrumenten mit Kraftausgleich. Das System und das Verfahren verringern Fehler der Messwerte, die durch den Ladungsanstieg in Instrumenten mit Kraftausgleich verursacht werden, bei denen Ladeimpulse zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft zur Nulleinstellung einer trägen Kontrollmasse verwendet werden, die zwischen den entgegengesetzten Elektroden eines Erfassungselements angeordnet ist. Das System und das Verfahren verringern den Ladungsanstieg, indem Ladeimpulse an jede der entgegengesetzten Elektroden über eine gegebene Zeitdauer eines Ladungszyklus bei der Konfiguration mit normaler Polarität gefolgt von Ladeimpulsen an jede der entgegengesetzten Elektroden über eine gegebene zweite Zeitdauer eines Ladungszyklus bei der Konfiguration mit inverser Polarität angelegt werden. Bei der Konfiguration mit normaler Polarität empfängt eine gegebene Elektrode eines Erfassungselements einen Ladeimpuls und die Kontrollmasse ist mit virtueller Masse gekoppelt. Bei der Konfiguration mit inverser Polarität sind die Kontrollmasse und eine gegebene Elektrode des Erfassungselements miteinander gekoppelt und erhalten einen Ladeimpuls, wobei die entgegengesetzte Elektrode mit virtueller Masse gekoppelt ist, was in einer Umkehr der Polarität des Erfassungselements und der entgegengesetzten Elektrode bezüglich der Kontrollmasse resultiert. Dies resultiert in der Entfernung jeglicher Restladung an den Elektroden, die durch die Ladeimpulse bei der Konfiguration mit normaler Polarität verursacht wurden. Als Ergebnis wird die an den Elektroden verbleibende Nettorestladung im Durchschnitt reduziert.
Bei einem Aspekt der Erfindung wird ein Instrumentensystem mit Kraftausgleich bereitgestellt. Das System weist ein Erfassungselement mit einer trägen Kontrollmasse auf, die zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenplatte angeordnet ist, und ein Schaltsystem, das zwischen der Bereitstellung von Ladeimpulsen in einer Konfiguration mit normaler Polarität an das Erfassungselement und der Bereitstellung von Ladeimpulsen in einer Konfiguration mit inverser Polarität an das Erfassungselement umschaltbar ist. Das System weist ferner ein Steuerlogikgerät auf, das das Umschalten des Schaltsystems steuert, um Ladeimpulse an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit normaler Polarität während der Zeitdauer eines ersten Ladungszyklus und Ladeimpulse an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit inverser Polarität während der Zeitdauer eines zweiten Ladungszyklus bereitzustellen.
Beim vorliegenden Beispiel beschreibt der Begriff Ladeimpuls die Bereitstellung einer Ladung während einer Zeitdauer an die Elektroden des Instruments mit Kraftausgleich und soll sowohl einen Spannungs- als auch einen Stromimpuls definieren. Beispielsweise wird ein Ladeimpuls, der als Spannungsimpuls angelegt wird, als ein Eingang bereitgestellt, der beim Anlegen an die Elektroden in einen Stromimpuls gewandelt wird, was in einer an die Elekt roden angelegten Ladung resultiert. Der Begriff Ladeimpuls soll also entweder einen Strom- oder einen Spannungsimpuls bezeichnen.
Es ist bekannt, dass die elektrostatische Kraft (F) von der Ladung im Quadrat (Q²) abhängt. Deshalb ändert sich die Polarität der elektrostatischen Kraft nicht mit der Polarität der an die Elektroden angelegten Ladung. Die erste und zweite Zeitdauer der Ladungszyklen kann jeweils eine einzelne Ladeimpulssequenz (d. h. ein Einzelimpuls an jeder der entgegengesetzten Elektroden) oder eine Mehrzahl Ladeimpulssequenzen sein. Obwohl das System und das Verfahren anhand von Beispielen eines Beschleunigungsaufnehmersystems erläutert werden, dürfte es sich verstehen, dass das System und das Verfahren in einer Mehrzahl verschiedener Instrumenttypen mit Kraftausgleich angewendet werden kann.
In einem Instrument mit Kraftausgleich wie einem Beschleunigungsaufnehmer ist eine Kontrollmasse vorgesehen, die kombinierte elektrostatische Kraftaufnehmer- und Kraftgeberplatten oder Elektroden an ihren gegenüberliegenden Seiten hat. Die Platten stellen eine konstante Anziehungskraft in aufeinander folgenden Abschnitten einer Ladungssequenz bereit, die abwechselnd auf entgegengesetzte Seiten des Erfassungselements wirkt. Der Kraftausgleich wird durch Steuern des Lastspiels der Ladungszyklussequenz erzielt, so dass die Differenz der Dauer zwischen jedem der Abschnitte einer vollen Ladungssequenz ein lineares Maß der Beschleunigung ist. Die Spannung an jeder der Kraftgeberplatten wird unabhängig erfasst, nachdem jede mit einem Ladeimpuls geladen worden ist, der ein im Wesentlichen festes Kraftniveau über die Dauer des Ladungssequenzabschnitts bereitstellt. Die beiden aufeinander folgenden Spannungsabtastwerte werden gespeichert und ihre Differenz integriert, um das Lastspiel der Ladungszyklussequenz zu steuern, das seinerseits die Dauer der Beaufschlagung mit den abwechselnd gerichteten Kräften steuert, die durch die jeweiligen Platten auf die Kontrollmasse wirken.
1 zeigt ein Schaltschema eines beispielhaften Beschleunigungsaufnehmersystems 10 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Obwohl sich die Beschreibung des vorliegenden Beispiels auf ein Beschleunigungsaufnehmersystem bezieht, kann die vorliegende Erfindung auf zahlreiche andere Instrumentensysteme mit Kraftausgleich angewendet werden, die eine träge Kontrollmasse mittels Ladeimpulsen auf null einstellen. Das Beschleunigungsaufnehmersystem 10 stellt ein Beispiel einer Technik bereit, bei der für eine Erfassungselementelektrode die Polaritätsumkehr und die Ladeimpulssteuerung implementiert sind, aber es versteht sich, dass zahlreiche andere Techniken zur Implementierung der Polaritätsumkehr und Ladeimpulssteuerung eines Erfassungselements eingesetzt werden können.
Das Beschleunigungsaufnehmersystem 10 enthält ein Erfassungselement 21, das eine Kontrollmasse oder eine hängende Masse 20 aufweist, die zwischen einer oberen Elektrodenplatte 22 und einer unteren Elektrodenplatte 24 angeordnet ist. Die Kontrollmasse 20 ist mit geringem Abstand nahe der oberen Elektrodenplatte 22 und der unteren Elektrodenplatte 24 positioniert, so dass ein erster Kondensator C1 von der oberen Elektrodenplatte 22 und der Kontrollmasse 20 und ein zweiter Kondensator C2 von der unteren Elektrodenplatte 24 und der Kontrollmasse 20 gebildet werden. Das Erfassungselement 21 kann aus einem Halbleitersubstrat gebildet sein, so dass die Kontrollmasse daraus anisotrop so geätzt werden kann, dass die Kontrollmasse 20 mit dem Substrat in einer frei tragenden Anordnung verbunden ist. Die frei tragende Anordnung ermöglicht die Auslenkung der Kontrollmasse 20 um eine Ausgangsachse als Reaktion auf eine Beschleunigung entlang der Eingangsachse. Es versteht sich, dass ein oder mehrere andere zum Beschleunigungsaufnehmersystem 10 gehörige Elemente im Halbleitersubstrat ausgebildet werden können, wobei es sich um unabhängige Schaltungsgeräte, um in einer integrierten Schaltung integrierte Geräte oder eine Kombination davon handeln kann.
Die obere Elektrodenplatte 22 sowie die untere Elektrodenplatte 24 bilden sowohl Kraftaufnehmer- als auch Kraftgeberplatten, so dass ein Ladeimpuls an eine entsprechende Platte angelegt wird, wodurch eine elektrostatische Kraft auf die Kontrollmasse 20 wirkt, während die Spannung an der Ladungsplatte abgetastet wird. Die an der Platte abgetastete Spannung liefert eine Angabe für die Verschiebung der Kontrollmasse 20 relativ zur abgetasteten oder der entgegengesetzten Platte. Die Spannungsdifferenz zwischen den abgetasteten Spannungen an jeder Elektrodenplatte liefert eine Angabe für die Verschiebung der Kontrollmasse 20 relativ zu einer Platte über der anderen.
Das Beschleunigungsaufnehmersystem 10 enthält eine einzige Referenzspannung (VREF), die über einen Schalter S8 mit einem Ladeverstärker 16 gekoppelt ist. Ein Steuerlogikgerät 12 erzeugt ein Impulssteuersignal, das die Kopplung der Referenzspannung steuert, um Ladeimpulse an die obere und untere Elektrodenplatte 22 und 24 zu liefern. Das Steuerlogikgerät 12 kann ein Hardware-Gerät (z. B. ein ASIC), ein Prozessorgerät, das Software-Befehle verarbeitet, oder eine Kombination aus Hardware- und Software-Geräten sein. Es sei darauf hingewiesen, dass das Steuerlogikgerät 12 aus einer Mehrzahl Geräten bestehen kann, um die geeigneten Steuerungs-, Taktungs- und Messungsfunktionen in Zusammenhang mit dem Steuerlogikgerät 12 bereitzustellen. Das Impulssteuersignal koppelt die Referenzspannung während einer Ladeimpulsperiode an einen negativen Eingangsanschluss des Ladeverstärkers 16, wodurch ein Ladeimpuls an den Eingang angelegt und somit einem Ausgang des Ladeverstärkers 16 bereitgestellt wird.
Das Steuerlogikgerät 12 wird aktiviert, um die Anzahl der Ladungszyklussequenzen oder die Ladungszyklusperiode zum Anlegen der Ladeimpulse an die Elektroden bei der Konfiguration mit normaler Polarität und die Anzahl der Ladungszyklussequenzen oder die Ladungszyklusperiode zum Anlegen der Ladeimpulse an die Elektroden bei der Konfiguration mit inverser Polarität zu bestimmen. Die Ladungszyklusperiode bei der Konfiguration mit normaler Polarität kann gleich oder ungleich der Ladungszyklusperiode bei der Konfiguration mit inverser Polarität sein. So kann beispielsweise ein Impuls während einer einzelnen Ladungszyklussequenz bei der Konfiguration mit normaler Polarität angelegt werden, gefolgt von einem Impuls während einer einzelnen Ladungszyklussequenz bei der Konfiguration mit inverser Polarität. Wahlweise kann die Zeitperiode eines Ladungszyklus zahlreiche Ladungszyklussequenzen enthalten, so dass Impulse einer gegebenen Polaritätskonfiguration während einer Zeitperiode eines Ladungszyklus, der im Bereich von Millisekunden, Sekunden, Minuten oder Stunden liegt, angelegt werden. Der Wechsel zwischen Ladeimpulsen bei der Konfiguration mit normaler Polarität und der Konfiguration mit inverser Polarität während der Zeitperioden des Ladungszyklus kann während des Betriebs des Beschleunigungsaufnehmersystems 10 kontinuierlich sein. Durch den Wechsel zwischen den Polaritätskonfigurationen des Erfassungselements 21 während verschiedener Zeitperioden des Ladungszyklus wird die Restladung, die sich aufgrund der Ladeimpulse bei der Konfiguration mit normaler Polarität aufbaut, während der Ladeimpulse bei der Konfiguration mit inverser Polarität entladen. Damit werden Fehler der Messwerte verringert.
Das Steuerlogikgerät 12 erzeugt Schaltsteuersignale (H-SW CNTRLS), die mit einem H-Schalter 18 gekoppelt sind. Der H-Schalter 18 koppelt im Betrieb den Ausgang des Ladeverstärkers 16 entweder mit der oberen Elektrodenplatte 22 oder der unteren Elektrodenplatte 24, während die nicht gewählte Elektrodenplatte bei der Konfiguration mit normaler Polarität mit virtueller Masse gekoppelt ist. Der H-Schalter 18 koppelt im Betrieb den Ausgang des Ladeverstärkers 16 mit der Kontrollmasse 20 und entweder mit der oberen Elektrodenplatte 22 oder der unteren Elektrodenplatte 24, während die gewählte Elektrodenplatte bei der Konfiguration mit inverser Polarität mit virtueller Masse (d. h. mit dem negativen Eingangs anschluss des Ladeverstärkers 16) gekoppelt ist. Es versteht sich, dass zahlreiche verschiedene Schaltgeräte verwendet werden könnten, um die Funktionalität des H-Schalters 18 bereitzustellen. Der H-Schalter 18 enthält die Schalter S1 bis S7, die von den Schaltsteuersignalen gesteuert werden, die Ladeimpulse zwischen den entgegengesetzten Elektroden sowohl bei der Konfiguration mit normaler Polarität als auch bei der Konfiguration mit inverser Polarität richten.
Bei der Konfiguration mit normaler Polarität verursacht der Ladeimpuls, dass die Spannung an der gewählten Elektrodenplatte rampenartig auf eine Spannung steigt, die eine Angabe hinsichtlich der Verschiebung der Kontrollmasse 20 relativ zur gewählten Platte liefert. Bei der Konfiguration mit inverser Polarität bleibt die gewählte Elektrodenplatte auf der virtuellen Masse, während die nicht gewählte Platte und die Kontrollmasse rampenartig auf eine Plattenspannung ansteigen, die eine Angabe hinsichtlich der Verschiebung der Kontrollmasse 20 relativ zur gewählten Platte liefert. Da jedoch die Spannungsdifferenz zwischen der Kontrollmasse 20 und der gewählten Platte negativ ist, wird die Restladung an den Elektroden aufgrund der Ladeimpulse bei der Konfiguration mit normaler Polarität entfernt, so dass die Nettorestladung im Durchschnitt verringert wird. Das Steuerlogikgerät entlädt im Betrieb die Plattenspannung von der gewählten Elektrodenplatte, indem ein Reset-Signal erzeugt wird, das die Elektrode über einen anderen Schalter (nicht dargestellt) mit Masse koppelt, oder indem die Elektrodenplatte mit virtueller Masse gekoppelt wird, indem ein entsprechender Schalter des H-Schalters 18 geschlossen wird.
Während einer Ladungszyklussequenz bei der Konfiguration mit normaler Polarität schließt das Steuerlogikgerät 12 den Schalter S3, der die Kontrollmasse 20 mit virtueller Masse koppelt und den Schalter S6, der den Ausgang des Ladeverstärkers 16 mit der oberen Elektrodenplatte 22 koppelt, während die übrigen Schalter S1, S2, S4, S5 und S7 offen bleiben können. Das Steuerlogikgerät kann auch einen anderen Schalter (nicht dargestellt) schließen, der die untere Elektrodenplatte 24 mit Masse koppelt, oder den Schalter S4 oder S5 schließen, um die untere Elektrodenplatte 24 mit virtueller Masse zu koppeln. Ein Ladeimpuls wird vom Impulssteuersignal angelegt, das den Schalter S8 schließt und öffnet, der die Referenzspannung VREF mit dem Eingang des Ladeverstärkers 16 koppelt und einen Ladeimpuls am Ausgang des Ladeverstärkers 16 und an die obere Elektrodenplatte 22 bereitstellt. Die Spannung der oberen Elektrodenplatte steigt rampenartig auf eine relativ zu Masse positive Spannung, die der Verschiebung der oberen Elektrodenplatte 22 relativ zur Kontrollmasse 20 entspricht. Die Spannung an der oberen Elektrodenplatte 22 wird von einem ersten Abtast-Halte-Gerät 25 abgetastet. Die Spannung liegt so lang an der oberen Elektrodenplatte 22 an, bis ein Reset-Impuls die Spannung aus der oberen Elektrodenplatte 22 entlädt. Ein Reset-Impuls koppelt die obere Elektrodenplatte 22 über einen anderen Schalter (nicht dargestellt) mit Masse oder durch Schließen des Schalters S2 mit virtueller Masse. Die Schalter S1 bis S7 können in den offenen Zustand zurückkehren.
Ein zweiter Ladeimpuls kann dann an die untere Elektrodenplatte 24 gelegt werden. Das Steuerlogikgerät 12 schließt den Schalter S3, der die Kontrollmasse 20 mit der virtuellen Masse koppelt, und den Schalter S7, der den Ausgang des Ladeverstärkers 16 mit der unteren Elektrodenplatte 24 koppelt, während die übrigen Schalter S1, S2, S4, S5 und S6 offen bleiben können. Das Steuerlogikgerät kann auch einen anderen Schalter (nicht dargestellt) schließen, der die obere Elektrodenplatte 22 mit Masse koppelt, oder Schalter S1 oder S2, um die obere Elektrodenplatte 22 mit der virtuellen Masse zu koppeln. Ein Ladeimpuls wird vom Impulssteuersignal angelegt, das den Schalter S8 schließt und öffnet, der die Referenzspannung VREF mit dem Eingang des Ladeverstärkers 16 koppelt und einen Ladeimpuls am Ausgang des Ladeverstärkers 16 und an die untere Elektrodenplatte 24 bereitstellt. Die Spannung der Elektrodenplatte steigt rampenartig auf eine relativ zu Masse positive Spannung, die der Verschiebung der unteren Elektrodenplatte 24 relativ zur Kontrollmasse 20 entspricht. Die Spannung an der unteren Elektrodenplatte 24 wird von einem zweiten Abtast-Halte-Gerät 26 abgetastet. Die Spannung liegt so lang an der unteren Elektrodenplatte 24 an, bis ein Reset-Impuls die Spannung der unteren Elektrodenplatte 24 entlädt. Ein Reset-Impuls koppelt die untere Elektrodenplatte 24 über einen anderen Schalter (nicht dargestellt) mit Masse oder durch Schließen des Schalters S5 mit virtueller Masse.
Während einer Ladungszyklussequenz bei der Konfiguration mit inverser Polarität schließt das Steuerlogikgerät 12 den Schalter S1, der die Kontrollmasse 20 mit der oberen Elektrodenplatte 22 koppelt, und den Schalter S6, der den Ausgang des Ladeverstärkers 16 mit der oberen Elektrodenplatte 22 und der Kontrollmasse 20 koppelt. Das Steuerlogikgerät 12 koppelt die untere Elektrodenplatte 24 durch Schließen des Schalters S5 mit der virtuellen Masse, während die übrigen Schalter S2, S4 und S7 offen bleiben können. Ein Ladeimpuls wird vom Impulssteuersignal angelegt, das den Schalter S8 schließt und öffnet, der die Referenzspannung VREF mit dem Eingang des Ladeverstärkers 16 koppelt und einen Ladeimpuls am Ausgang des Ladeverstärkers 16 und an die obere Elektrodenplatte 22 und die Kontrollmasse 20 bereitstellt. Die Spannung der oberen Elektrodenplatte 22 und der Kontrollmasse 20 steigt rampenartig auf eine relativ zur unteren Elektrodenplatte 24 positive Spannung, die der Verschiebung der oberen Elektrodenplatte 22 und der Kontrollmasse 20 relativ zur unteren Elektrodenplatte 24 entspricht. Die Spannungsdifferenz zwischen der Kontrollmasse 20 und der unteren Elektrodenplatte 24 ist jedoch negativ, wodurch die Restladung an der unteren Elektrodenplatte 24 aufgrund der Ladeimpulse bei der Konfiguration mit normaler Polarität verringert wird, so dass die Nettorestladung der unteren Elektrodenplatte 24 im Durchschnitt verringert wird. Die Spannung an der oberen Elektrodenplatte 22 und der Kontrollmasse 20 relativ zur unteren Elektrodenplatte 24 wird vom ersten Abtast-Halte-Gerät 25 abgetastet. Die Spannung an der oberen Elektrodenplatte 22 und der Kontrollmasse 20 liegt so lang an der oberen Elektrodenplatte 22 an, bis ein Reset-Impuls die Spannung der oberen Elektrodenplatte 22 und der Kontrollmasse 20 entlädt. Ein Reset-Impuls koppelt die obere Elektrodenplatte 22 über einen anderen Schalter (nicht dargestellt) mit Masse oder durch Schließen des Schalters S2 mit virtueller Masse.
Danach kann ein zweiter Ladeimpuls an die untere Elektrodenplatte 24 und die Kontrollmasse 20 angelegt werden. Das Steuerlogikgerät 12 schließt den Schalter S4, der die Kontrollmasse 20 mit der unteren Elektrodenplatte 24 koppelt, sowie den Schalter S7, der den Ausgang des Ladeverstärkers 16 mit der unteren Elektrodenplatte 24 und der Kontrollmasse 20 koppelt. Das Steuerlogikgerät 12 koppelt die obere Elektrodenplatte 22 durch Schließen des Schalters S2 mit der virtuellen Masse, während die übrigen Schalter S1, S5 und S6 offen bleiben können. Ein Ladeimpuls wird vom Impulssteuersignal angelegt, das den Schalter S8 schließt und öffnet, der die Referenzspannung VREF mit dem Eingang des Ladeverstärkers 16 koppelt und einen Ladeimpuls am Ausgang des Ladeverstärkers 16 und an die untere Elektrodenplatte 24 bereitstellt. Die Spannung der unteren Elektrodenplatte 24 und der Kontrollmasse steigt rampenartig auf eine relativ zur oberen Elektrodenplatte 22 positive Spannung, die der Verschiebung der unteren Elektrodenplatte 24 und der Kontrollmasse 20 relativ zur oberen Elektrodenplatte entspricht. Die Spannungsdifferenz zwischen der Kontrollmasse 20 und der oberen Elektrodenplatte 22 ist jedoch negativ, wodurch die Restladung der oberen Elektrodenplatte 22 aufgrund der Ladeimpulse bei der Konfiguration mit normaler Polarität verringert wird, so dass die Nettorestladung der oberen Elektrodenplatte 22 im Durchschnitt verringert wird. Die Spannung an der unteren Elektrodenplatte 24 und der Kontrollmasse 20 relativ zur oberen Elektrodenplatte 22 wird vom Abtast-Halte-Gerät 26 abgetastet. Die Spannung liegt so lang an der unteren Elektrodenplatte 24 und der Kontrollmasse 20 an, bis ein Reset-Impuls die Spannung der unteren Elektrodenplatte 24 und der Kontrollmasse 20 entlädt. Ein Reset-Impuls koppelt die untere Elektrodenplatte 24 über einen anderen Schalter (nicht dargestellt) mit Masse oder durch Schließen des Schalters S5 mit virtueller Masse. Die Schalter S1 bis S7 können in den offenen Zustand zurückkehren.
Das Steuerlogikgerät 12 erzeugt ein erstes Abtast-Halte-Steuersignal (S/H1 CNTRL) zum Wählen des ersten Abtast-Halte-Geräts 25 und ein zweites Abtast-Halte-Steuersignal (S/H2 CNTRL) zum Wählen des zweiten Abtast-Halte-Geräts 26. Die an der oberen und unteren Elektrodenplatte 22 und 24 abgetasteten Spannungen werden einem Differenzverstärker 28 bereitgestellt. Der Differenzverstärker 28 stellt ein Differenzsignal bereit, das die Differenz zwischen der Spannung an der oberen Elektrodenplatte 22 und der unteren Elektrodenplatte 24 repräsentiert. Das Differenzsignal wird an einen Integrator 30 geliefert, der ein über der Zeit variierendes Differenzsignal integriert, um ein integriertes Differenzsignal zu erzeugen. Der Integrator 30 ist aus den Widerständen R3, R4, den Kondensatoren C3 und C4 sowie dem Verstärker 28 gebildet. Das integrierte Differenzsignal wird dann an einen Analog-/Digitalwandler (A/D) 32 geliefert, der das integrierte Differenzsignal digitalisiert und das digitalisierte integrierte Differenzsignal an das Steuerlogikgerät 12 liefert.
Das integrierte Differenzsignal wird vom Steuerlogikgerät 12 verwendet, um die Zeitdauer, während der die Ladung an jeder Elektrode verbleibt, oder das Lastspiel der Ladungszyklussequenz einzustellen. Das Lastspiel der Ladungszyklussequenz ist mit dem integrierten Differenzsignal korreliert. Die Differenz zweier Abschnitte einer einzigen Ladungszyklussequenz oder des Lastspiels der Ladungszyklussequenz ist ein lineares Maß der Beschleunigung. Nach einigen wenigen Ladungszyklussequenzen kann ein gültiger Beschleunigungswert bestimmt und einem E/A-Anschluss des Steuerlogikgeräts 12 bereitgestellt werden.
Es ist zu beachten, dass die Beschleunigung in Zusammenhang mit dem Beschleunigungsaufnehmer über der Zeit variieren kann, so dass der obige Prozess wiederholt wird, um die Beschleunigungswerte kontinuierlich zu aktualisieren. Wenn der Beschleunigungsaufnehmer beispielsweise mit einem 10 MHz-Takt arbeitet und die Gerätekopplung mit dem E/A mit einer Frequenz im Hertz- oder Kilohertz-Bereich aktualisiert wird, kann ein guter Mittelwert der Beschleunigungsmesswerte vom Steuerlogikgerät 12 für jede E/A-Aktualisierung abgeleitet werden, da zahlreiche Ladungszyklussequenzen erfolgt sind.
2 zeigt ein Impulsdiagramm in Zusammenhang mit dem Anlegen von Ladeimpulsen an die Elektroden des Beschleunigungsaufnehmersystems 10 von 1. Das Impulsdiagramm enthält eine Mehrzahl Wellenformen einschließlich einer Ladeimpulswellenform 50, die einem Stromimpuls entspricht, der an einen Eingang des Verstärkers 16 gelegt wird, einer Reset-Steuersignalwellenform 52, die dem Reset-Steuersignal entspricht, und einer Plattenspannungswellenform 54, die der Spannung entspricht, die nach dem Anlegen eines Ladeimpulses entweder an der oberen Elektrodenplatte 22 oder an der unteren Elektrodenplatte 24 gehalten wird. Die Wellenformen enthalten außerdem eine Abtast-Halte-Steuersignalwellenform 56, die zwischen dem Abtasten der Plattenspannung am ersten Abtast-Halte-Gerät 25 und am zweiten Abtast-Halte-Gerät 26 wählt. Die A/D-Abtastwellenform 58 zeigt die Abtastung des integrierten Differenzsignals durch den A/D-Wandler 32. Außerdem sind eine erste H-Schalter-Wellenform 60, die einen Schaltzustand einer ersten Schaltsteuersignalgruppe darstellt, und eine zweite H-Schalter-Wellenform 62, die einen Schaltzustand einer zweiten Schaltsteuersignalgruppe darstellt, vorhanden. Bei der Konfiguration mit normaler Polarität zeigt die erste H-Schalterwellenform 60 den Schaltzustand des Schalters S7 und die zweite H-Schalterwellenform 62 den Schaltzustand des Schalters S6. Bei der Konfiguration mit inverser Polarität zeigt die erste H-Schalterwellenform 60 den Schaltzustand der Schalter S2, S4 und S7 und die zweite H-Schalterwellenform 62 den Schaltzustand der Schalter S1, S5 und S6.
Im Impulsdiagramm von 2 dient der Großbuchstabe "T" zur Darstellung eines Zeitmoments, während der Kleinbuchstabe "t" ein Zeitintervall repräsentiert. Wie aus 2 ersichtlich ist, wird im Zeitpunkt T0 ein Reset-Steuersignal angelegt, um die untere Elektrodenplatte 24 mit Masse oder virtueller Masse zu koppeln wie oben erläutert, um jegliche Spannung an der unteren Elektrodenplatte 24 aus einer vorigen Ladungszyklussequenz zu entladen. Am Ende des Zeitintervalls t1 (z. B. 5,38 msec) geht die erste H-Schalterwellenform 60 auf LOW (niedrig), während die zweite H-Schalterwellenform 62 auf HIGH (hoch) geht, wodurch die untere Elektrodenplatte 24 durch das Öffnen des Schalters S7 vom Ausgang des Verstärkers 16 getrennt wird, und die obere Elektrodenplatte 22 mit dem Ausgang des Verstärkers durch das Schließen des Schalters S6 verbunden wird. Bei der Konfiguration mit normaler Polarität bleibt der Schalter S3 geschlossen, wodurch die Kontrollmasse 20 mit virtueller Masse verbunden wird, die der negative Eingangsanschluss des Ladeverstärkers 16 ist. Bei der Konfiguration mit inverser Polarität öffnet der Schalter S4, wodurch die untere Elektrodenplatte 24 und die Kontrollmasse 20 entkoppelt werden, der Schalter S5 schließt, wodurch die untere Elektrodenplatte 24 mit der virtuellen Masse gekoppelt wird, der Schalter S1 schließt, wodurch die Kontrollmasse 20 mit der oberen Elektrodenplatte 22 gekoppelt wird, und der Schalter S2 öffnet, wodurch die obere Elektrodenplatte 22 und die virtuelle Masse entkoppelt werden.
Am Ende des Zeitintervalls t2 (z. B. 5,38 msec) geht die Reset-Wellenform 52 auf LOW über, wodurch die gewählte obere Elektrodenplatte 22 von Masse oder virtueller Masse getrennt wird. Am Ende des Zeitintervalls t3 kurz nach dem Übergang der Reset-Wellenform 52 auf LOW wird ein Ladeimpuls (Q) während der Dauer der Ladeimpulsperiode t4 (z. B. 4,89 msec) an die obere Elektrodenplatte 22 angelegt, wie mit der Ladeimpulswellenform 50 dargestellt ist. Der Ladeimpuls (Q) wird durch das Impulssteuersignal angelegt, das den Schalter 58 schließt, der die Referenzspannung VREF über das Schaltsystem 14 mit dem negativen Anschluss des Operationsverstärkers 16 koppelt. Dies resultiert in einem Ladeimpuls am Ausgang des Verstärkers 16 und an der oberen Elektrodenplatte 22 bei der Konfiguration mit normaler Polarität und an der oberen Elektrodenplatte 22 und der Kontrollmasse 20 im Betrieb der Konfiguration mit inverser Polarität.
Wie mit der Plattenspannungswellenform 54 dargestellt ist, steigt die Spannung an der oberen Elektrodenplatte 22 rampenartig auf einen Spannungspegel V1 an, der mit der Verschiebung der Kontrollmasse 20 relativ zur oberen Elektrodenplatte 22 bei der Konfiguration mit normaler Polarität und mit der Verschiebung der unteren Elektrodenplatte 24 gegenüber der oberen Elektrodenplatte 22 und der Kontrollmasse 20 bei der Konfiguration mit inverser Polarität zusammenhängt. Am Ende des Zeitintervalls t5 unmittelbar nachdem die Plattenspannung rampenartig auf den Spannungspegel V1 angestiegen ist, tastet die erste Abtast-Halte-Schaltung 25 die Spannung an der oberen Elektrodenplatte 22 während der Dauer des Abtastzeitintervalls t6 ab, wie mit der Abtast-Halte-Steuersignalwellenform 56 dargestellt ist. Die Plattenspannung bleibt bis zum Ende des Zeitintervalls t8 an der oberen Elektrodenplatte 22. Das Zeitintervall t8 repräsentiert einen ersten Abschnitt eines Zeitintervalls t_CCS einer Ladungszyklussequenz. Sowohl bei der Konfiguration mit normaler Polarität als auch bei der Konfiguration mit inverser Polarität wirkt eine konstante elektrostatische Kraft auf die Kontrollmasse 20 während der Zeit, in der die Spannung V1 an der oberen Elektrodenplatte 22 anliegt.
Im Zeitpunkt T9 wird ein Reset-Signal angelegt, wodurch die obere Elektrodenplatte 22 die an ihr aus dem ersten Abschnitt der Ladungszyklussequenz anliegende Spannung V1 entlädt. Am Ende des Zeitintervalls t10 geht ab dem Zeitpunkt T9 die zweite H-Schalterwellenform 62 auf LOW, während die erste H-Schalterwellenform 60 auf HIGH geht, wodurch die obere Elektrodenplatte 22 vom Ausgang des Verstärkers 16 getrennt und die untere Elektrodenplatte 24 mit dem Ausgang des Verstärkers 16 verbunden wird. Bei der Konfiguration mit normaler Polarität bleibt der Schalter S3 geschlossen, der die Kontrollmasse 20 mit der virtuellen Masse koppelt, die ein negativer Eingangsanschluss des Ladeverstärkers 16 ist. Bei der Konfiguration mit inverser Polarität öffnet der Schalter S1, wodurch die obere Elektrodenplatte 22 und die Kontrollmasse 20 entkoppelt werden, S2 schließt, wodurch die obere Elektrodenplatte 22 mit der virtuellen Masse gekoppelt wird, der Schalter S4 schließt, wodurch die Kontrollmasse 20 mit der unteren Elektrodenplatte 24 gekoppelt wird, und der Schalter S5 öffnet, wodurch die untere Elektrodenplatte 24 und die virtuelle Masse entkoppelt werden.
Am Ende des Zeitintervalls t11 ab T9 geht die Reset-Wellenform 52 auf LOW über, wodurch die Masse oder die virtuelle Masse von der gewählten unteren Elektrodenplatte 24 getrennt wird. Am Ende des Zeitintervalls t12 ab dem Zeitpunkt T9 etwas nachdem die Rest-Wellenform 52 auf LOW übergegangen ist, wird ein Ladeimpuls (Q) während der Dauer der Ladeimpulsperiode t13 (z. B. 4,89 msec) an die untere Elektrodenplatte 24 angelegt, wie mit der Ladeimpulswellenform 50 dargestellt ist. Der Ladeimpuls (Q) wird vom Impulssteuersignal und dem Polaritätswählsignal angelegt, das die Referenzspannung VREF mit dem negativen Anschluss des Operationsverstärkers 16 koppelt. Dies resultiert in einem Ladeimpuls am Eingang des Verstärkers 16 und an der unteren Elektrodenplatte 24.
Wie die Plattenspannungswellenform 54 zeigt, steigt die Plattenspannung der unteren Elektrodenplatte 24 rampenartig auf einen positiven Spannungspegel V2 an, der mit der Verschiebung der Kontrollmasse 20 relativ zur unteren Elektrodenplatte 24 bei der Konfiguration mit normaler Polarität und mit der Verschiebung der oberen Elektrodenplatte 22 gegenüber der unteren Elektrodenplatte 24 und der Kontrollmasse 20 bei der Konfiguration mit inverser Polarität zusammenhängt. Am Ende des Zeitintervalls t14 ab dem Zeitpunkt T9 unmittelbar nachdem die Plattenspannung rampenartig auf den Spannungspegel V2 angestiegen ist, tastet die zweite Abtast-Halte-Schaltung 26 die Spannung an der unteren Elektrodenplatte 24 während der Dauer des Abtastzeitintervalls t15 ab, wie mit der Abtast-Halte-Steuersignalwellenform 56 dargestellt ist.
Am Ende des Zeitintervalls t7 ab dem Zeitpunkt T9 etwas nach dem Ende des Abtastzeitintervalls t15, tastet der A/D-Wandler 32 ein Differenzsignal ab, das vom Integrator 30 bereitgestellt wird, wie mit der A/D-Abtastwellenform 58 dargestellt ist. Der Integrator 30 emp fängt das Differenzsignal vom Differenzverstärker 28, der die Differenzspannung zwischen der oberen Elektrodenplattenspannung V1 des ersten Abtast-Halte-Geräts 25 und der unteren Elektrodenplattenspannung V2 des zweiten Abtast-Halte-Geräts 26 bereitstellt. Die Plattenspannung V2 bleibt an der unteren Elektrodenplatte 24 bis zum Ende des Zeitintervalls t16 ab dem Zeitpunkt T9. Das Zeitintervall t16 repräsentiert einen zweiten Abschnitt des Zeitintervalls t_CCS der Ladungszyklussequenz. Sowohl bei der Konfiguration mit normaler Polarität als auch bei der Konfiguration mit inverser Polarität wirkt eine konstante elektrostatische Kraft auf die Kontrollmasse 20 während der Zeit, in der die Spannung V2 an der unteren Elektrodenplatte 24 anliegt, bis zum Zeitpunkt T17, in dem der nächste Reset-Impuls an die untere Elektrode 24 angelegt wird. Das Zeitintervall t_CCS der Ladungszyklussequenz bleibt konstant, während die Zeitintervalle t8 und t16 auf Basis der Kräfte, die zur Nulleinstellung der Kontrollmasse 20 zwischen der oberen und der unteren Elektrode 22 und 24 erforderlich sind, variieren. Das Verhältnis des Zeitintervalls t8 des ersten Abschnitts der Ladungszyklussequenz zum Zeitintervall t_CCS der Ladungszyklussequenz (d. h. die Summe der Zeitintervalle t8 und t16) repräsentiert das Lastspiel der Ladungszyklussequenz. Das Lastspiel der Ladungszyklussequenz kann zum Ableiten der Beschleunigung herangezogen werden, die die Kontrollmasse 20 erfährt.
Hinsichtlich der oben beschriebenen Struktur- und Funktionsmerkmale wird sich das Verfahren gemäß den verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung aus 3 besser erschließen. Der Einfachheit halber ist das Verfahren von 3 zwar als serielle Ausführung dargestellt und beschrieben, es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellte Reihenfolge beschränkt ist, da manche Aspekte gemäß der vorliegenden Erfindung in anderer Reihenfolge und/oder gleichzeitig mit anderen Aspekten als die hierin dargestellten und beschriebenen ausgeführt werden könnten. Des Weiteren sind möglicherweise nicht alle der dargestellten Merkmale zur Implementierung eines Verfahrens gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erforderlich.
3 zeigt ein Verfahren zur Fehlerverringerung bei einem Instrument mit Kraftausgleich wie einem Beschleunigungsaufnehmer. Das Instrument mit Kraftausgleich enthält ein Erfassungselement mit einer trägen Kontrollmasse, die zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenplatte, die einander entgegengesetzt sind, angeordnet ist. Das Verfahren beginnt bei 100, wo entweder die Konfiguration mit normaler Polarität oder die Konfiguration mit inverser Polarität gewählt wird. Bei der Konfiguration mit normaler Polarität ist die Kontrollmasse mit virtueller Masse gekoppelt und die gewählte Platte der ersten und zweiten Elektrodenplatte erhält abwechselnd einen Ladeimpuls. Im Modus mit inverser Polarität ist die Kontrollmasse mit der nicht gewählten Platte der ersten und zweiten Elektrodenplatte gekoppelt, und die gewählte Platte der ersten und zweiten Elektrodenplatte ist mit virtueller Masse gekoppelt, wobei die nicht gewählte Platte und die gekoppelte Kontrollmasse abwechselnd einen Ladeimpuls erhalten. Ein Schaltoperation zwischen der Konfiguration mit normaler und der mit inverser Polarität resultiert in der Entfernung jeglicher Restladung an den Elektroden aufgrund der Ladeimpulse bei der Konfiguration mit normaler Polarität. Als Ergebnis wird die an den Elektroden verbleibende Nettorestladung im Durchschnitt verringert.
Bei 110 wird eine erste Elektrodenplatte (z. B. die obere Elektrode) mit der gewählten Ladungspolarität gepulst und die Spannung der ersten Elektrodenplatte wird etwas nach dem Erreichen eines Spannungspegels in Zusammenhang mit dem Verschieben der ersten Elektrodenplatte relativ zur Kontrollmasse bei der Konfiguration mit normaler Polarität oder in Zusammenhang mit dem Verschieben der zweiten Elektrodenplatte gegenüber der Kontrollmasse und der ersten Elektrodenplatte bei der Konfiguration mit inverser Polarität abgetastet. Bei 120 wird die erste Elektrodenplatte nach Abschluss eines ersten Abschnitts des Ladungszyklus entladen. Das Verfahren geht dann zu 130 weiter.
Bei 130 wird eine zweite Elektrodenplatte (z. B. die untere Elektrode) mit der gewählten Ladungspolarität gepulst und die Spannung der zweiten Elektrodenplatte wird etwas nach dem Erreichen eines Spannungspegels in Zusammenhang mit dem Verschieben der zweiten Elektrodenplatte relativ zur Kontrollmasse bei der Konfiguration mit normaler Polarität oder in Zusammenhang mit dem Verschieben der ersten Elektrodenplatte gegenüber der Kontrollmasse und der zweiten Elektrodenplatte bei der Konfiguration mit inverser Polarität abgetastet. Bei 140 wird die zweite Elektrodenplatte nach Abschluss eines zweiten Abschnitts des Ladungszyklus entladen. Das Verfahren geht dann zu 150 weiter. Bei 150 wird die Spannungsdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrodenplatte berechnet, die eine Angabe für die Verschiebung der Kontrollmasse relativ zur ersten und zweiten Elektrodenplatte bereitstellt. Das Verfahren geht dann zu 160 weiter, um die berechnete Spannungsdifferenz über der Zeit zu aggregieren, um ein Lastspiel einzustellen, das eine gute Angabe für die von der Kontrollmasse erfahrene Beschleunigung liefert. Die aggregierte Spannungsdifferenz wird zur Einstellung des Lastspiels der Ladungszyklussequenz herangezogen, um die Zeitintervalle des ersten und zweiten Abschnitts der Ladungszyklussequenz zu bestimmen. Dies stellt eine Angabe für die Kraft bereit, die zur Nulleinstellung der Kontroll masse erforderlich ist und zur Bestimmung der Beschleunigung der Kontrollmasse verwendet werden kann. Das Verfahren geht dann zu 170 weiter.
Bei 170 bestimmt das Verfahren, ob die Zeitperiode des Ladungszyklus abgeschlossen ist. Eine Zeitperiode des Ladungszyklus kann z. B. eine einzelne Ladungszyklussequenz sein. Alternativ kann eine Zeitperiode des Ladungszyklus eine Mehrzahl Ladungszyklussequenzen enthalten. Wenn die Zeitperiode des Ladungszyklus nicht abgeschlossen ist (NEIN), kehrt das Verfahren zu 110 zurück, um weiter Ladeimpulse der gewählten Polarität an die erste und zweite Elektrode zu liefern. Wenn die Zeitperiode des Ladungszyklus abgeschlossen ist (JA), geht das Verfahren zu 180 weiter. Bei 180 wird die gewählte Konfiguration des Erfassungselements auf die jeweils andere der Konfigurationen mit normaler bzw. inverser Polarität geändert. Das Verfahren kehrt dann zu 110 zurück, um Ladeimpulse mit der geänderten Polaritätskonfiguration bereitzustellen, bis die nächste Zeitperiode des Ladungszyklus abgeschlossen ist.
Die obige Beschreibung enthält beispielhafte Implementierungen der vorliegenden Erfindung. Es ist natürlich nicht möglich, jede denkbare Kombination aus Komponenten und Verfahren im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, aber der Durchschnittsfachmann erkennt, dass zahlreiche weitere Kombinationen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Demzufolge soll die vorliegende Erfindung alle derartigen Änderungen, Modifikationen und Variationen abdecken, die in den Gültigkeitsbereich der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

Instrumentensystem mit Kraftausgleich mit: einem Erfassungselement mit einer trägen Kontrollmasse, die zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenplatte angeordnet ist; einem Schaltsystem, das zwischen der Lieferung von Ladeimpulsen an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit normaler Polarität und der Lieferung von Ladeimpulsen an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit inverser Polarität umschaltbar ist; und einem Steuerlogikgerät, das das Umschalten des Schaltsystems steuert, um Ladeimpulse an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit normaler Polarität während der Zeitdauer eines ersten Ladungszyklus und Ladeimpulse an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit inverser Polarität während der Zeitdauer eines zweiten Ladungszyklus bereitzustellen.
System nach Anspruch 1, das ferner eine einzige Referenzspannung aufweist, die sowohl bei der Konfiguration mit normaler Polarität als auch bei der Konfiguration mit inverser Polarität Ladeimpulse an das Erfassungselement liefert.
System nach Anspruch 1, bei dem das Steuerlogikgerät bei der Konfiguration mit inverser Polarität das Schaltsystem so konfiguriert, dass abwechselnd eine gewählte Platte der ersten und zweiten Elektrodenplatte entweder mit Masse oder virtueller Masse gekoppelt wird, abwechselnd die nicht gewählte Platte der ersten und zweiten Elektrodenplatte mit der Kontrollmasse gekoppelt wird, und abwechselnd Ladeimpulse an die nicht gewählte Platte und die gekoppelte Kontrollmasse geliefert werden.
System nach Anspruch 3, bei dem das Steuerlogikgerät bei der Konfiguration mit normaler Polarität das Schaltsystem so konfiguriert, dass abwechselnd eine nicht gewählte Platte der ersten und zweiten Elektrodenplatte entweder mit Masse oder virtueller Masse gekoppelt wird, die Kontrollmasse entweder mit Masse oder virtueller Masse gekoppelt wird und die gewählte Platte der ersten und zweiten Elektrodenplatte abwechselnd so gekoppelt wird, dass sie einen Ladeimpuls erhält.
System nach Anspruch 1, das ferner einen Operationsverstärker aufweist, der einen Ladeimpuls von einem ersten Abschnitt des Schaltsystems empfängt und den Ladeimpuls einem zweiten Abschnitt des Schaltsystems bereitstellt, das zwischen dem Bereitstellen des Ladeimpulses entweder an die obere oder an die untere Elektrodenplatte wählt.
System nach Anspruch 1, bei dem die erste Elektrodenplatte auf eine Spannung geladen wird, die die Verschiebung der ersten Elektrodenplatte gegenüber der Kontrollmasse als Reaktion auf einen Ladeimpuls angibt, und die zweite Elektrodenplatte auf eine Spannung geladen wird, die die Verschiebung der Kontrollmasse gegenüber der zweiten Elektrodenplatte als Reaktion auf einen Ladeimpuls bei der Konfiguration mit normaler Polarität angibt, und bei dem die erste Elektrodenplatte auf eine Spannung geladen wird, die die Verschiebung der zweiten Elektrodenplatte gegenüber der Kontrollmasse angibt, und die zweite Elektrodenplatte auf eine Spannung geladen wird, die die Verschiebung der Kontrollmasse gegenüber der ersten Elektrodenplatte als Reaktion auf einen Ladeimpuls bei der Konfiguration mit inverser Polarität angibt.
System nach Anspruch 1, das ferner aufweist: ein erstes Abtast-Halte-Gerät; ein zweites Abtast-Halte-Gerät; einen Differenzverstärker, der eine Differenzspannung auf Basis der vom ersten Abtast-Halte-Gerät abgetasteten Spannung und der vom zweiten Abtast-Halte-Gerät abgetasteten Spannung bereitstellt; und bei dem das erste Abtast-Halte-Gerät die Spannung an der ersten Elektrodenplatte und das zweite Abtast-Halte-Gerät die Spannung an der zweiten Elektrodenplatte während des Anlegens von Ladeimpulsen abtastet.
System nach Anspruch 1, bei dem die Konfiguration mit normaler Polarität Ladeimpulse abwechselnd an die erste und zweite Elektrodenplatte und die Konfiguration mit inverser Polarität Ladeimpulse abwechselnd an die erste Elektrodenplatte und die gekoppelte Kontrollmasse und an die zweite Elektrodenplatte und die gekoppelte Kontrollmasse anlegt.
Instrument mit Kraftausgleich mit einem Erfassungselement, das eine träge Kontrollmasse hat, die zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenplatte angeordnet ist, wobei das Instrument aufweist: ein Mittel zur Bereitstellung von Ladeimpulsen; ein Mittel zum Umschalten zwischen dem Anlegen der Ladeimpulse an ein Erfassungselement bei der Konfiguration mit normaler Polarität und dem Anlegen der Ladeimpulse an ein Erfassungselement bei der Konfiguration mit inverser Polarität; und ein Mittel zum Steuern der Zeitdauer des Ladungszyklus zum Anlegen der Ladeimpulse an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit normaler Polarität und zum Steuern der Zeitdauer des Ladungszyklus zum Anlegen der Ladeimpulse an das Erfassungselement bei der Konfiguration mit inverser Polarität.
Instrument nach Anspruch 9, das ferner aufweist: ein erstes Mittel zum Abtasten einer ersten Spannung an der ersten Elektrodenplatte des Erfassungselements, die durch einen Ladeimpuls induziert wurde; ein zweites Mittel zum Abtasten einer zweiten Spannung an der zweiten Elektrodenplatte des Erfassungselements, die durch einen Ladeimpuls induziert wurde; Mittel zum Erzeugen der Differenzspannung bezüglich der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Spannung; und Mittel zum Steuern einer Zeitdauer, während der eine Ladung auf der ersten Elektrodenplatte gehalten wird, und der Zeitdauer, während der eine Ladung auf der zweiten Elektrodenplatte gehalten wird, auf Basis der Differenzspannung.
Instrument nach Anspruch 9, bei dem das Steuerungsmittel bei der Konfiguration mit inverser Polarität das Schaltmittel so konfiguriert, dass es die gewählte Platte der ersten oder zweiten Elektrodenplatte abwechselnd entweder mit Masse oder virtueller Masse koppelt, die nicht gewählte Platte der ersten oder zweiten Elektrodenplatte mit der Kontrollmasse koppelt, und Ladeimpulse abwechselnd an die nicht gewählte Platte und die gekoppelte Kontrollmasse liefert.
Instrument nach Anspruch 9, bei dem das Steuerungsmittel bei der Konfiguration mit normaler Polarität das Schaltmittel so konfiguriert, dass es die nicht gewählte Platte der ersten oder zweiten Elektrodenplatte abwechselnd entweder mit Masse oder virtueller Masse koppelt, die Kontrollmasse entweder mit Masse oder virtueller Masse koppelt, und die gewählte Platte der ersten oder zweiten Elektrodenplatte abwechselnd so koppelt, dass sie einen Ladeimpuls erhält.
Instrument nach Anspruch 9, bei dem das Steuerungsmittel das Schaltmittel so konfiguriert, dass es bei der Konfiguration mit normaler Polarität zwischen dem Anlegen eines Ladeimpulses an die erste und zweite Elektrodenplatte abwechselt, und bei der Konfiguration mit inverser Polarität zwischen dem Anlegen eines Ladeimpulses an die erste Elektrodenplatte und die gekoppelte Kontrollmasse und die zweite Elektrodenplatte und die gekoppelte Kontrollmasse abwechselt.
Instrument nach Anspruch 13, bei dem die erste Elektrodenplatte auf eine Spannung geladen wird, die die Verschiebung der ersten Elektrodenplatte gegenüber der Kontrollmasse als Reaktion auf einen Ladeimpuls angibt, und die zweite Elektrodenplatte auf eine Spannung geladen wird, die die Verschiebung der Kontrollmasse gegenüber der zweiten Elektrodenplatte als Reaktion auf einen Ladeimpuls bei der Konfiguration mit normaler Polarität angibt, und bei dem die erste Elektrodenplatte auf eine Spannung geladen wird, die die Verschiebung der zweiten Elektrodenplatte gegenüber der Kontrollmasse angibt, und die zweite Elektrodenplatte auf eine Spannung geladen wird, die die Verschiebung der Kontrollmasse gegenüber der ersten Elektrodenplatte als Reaktion auf einen Ladeimpuls bei der Konfiguration mit inverser Polarität angibt.
Instrument nach Anspruch 9, bei dem das Mittel zum Bereitstellen von Ladeimpulsen eine einzige Referenzspannung aufweist, die sowohl bei der Konfiguration mit normaler Polarität als auch bei der Konfiguration mit inverser Polarität Ladeimpulse an das Erfassungselement liefert.
Verfahren zur Verringerung von Fehlern in einem Instrument mit Kraftausgleich, das ein Erfassungselement mit einer trägen Kontrollmasse verwendet, die zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenplatte angeordnet ist, wobei das Verfahren aufweist: Schalten des Erfassungselements auf entweder die Konfiguration mit normaler Polarität oder die Konfiguration mit inverser Polarität; Anlegen eines Ladeimpulses während der Zeitdauer eines ersten Ladungszyklus abwechselnd an die erste und die zweite Elektrodenplatte; Bestimmen einer ersten Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen, die von den Ladeimpulsen an der ersten und zweiten Elektrodenplatte induziert werden, für jede Sequenz der Ladungszyklen während der Zeitdauer des ersten Ladungszyklus; Aggregieren der ersten Spannungsdifferenz über der Zeit, um ein Lastspiel einzustellen, das der Ladungszyklussequenz der ersten Zeitdauer des Ladungszyklus zugeordnet ist; Umschalten auf die jeweils andere Konfiguration der Konfiguration mit normaler Polarität und der Konfiguration mit inverser Polarität; abwechselndes Anlegen eines Ladeimpulses während der Zeitdauer eines zweiten Ladungszyklus an die erste und die zweite Elektrodenplatte; Bestimmen einer zweiten Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen, die von den Ladeimpulsen an der ersten und zweiten Elektrodenplatte induziert werden, für jede Sequenz der Ladungszyklen während der zweiten Zeitdauer des Ladungszyklus; und Aggregieren der zweiten Spannungsdifferenz über der Zeit, um ein Lastspiel einzustellen, das der Ladungszyklussequenz der zweiten Zeitdauer des Ladungszyklus zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Schalten des Erfassungselements auf die Konfiguration mit inverser Polarität das abwechselnde Koppeln einer gewählten Platte der ersten und zweiten Elektrodenplatte entweder mit Masse oder virtueller Masse und das abwechselnde Koppeln einer nicht gewählten Platte der ersten und zweiten Elektrodenplatte mit der Kontrollmasse aufweist, so dass Ladeimpulse an die nicht gewählte Platte und die gekoppelte Kontrollmasse gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Schalten des Erfassungselements auf die Konfiguration mit normaler Polarität das abwechselnde Koppeln einer nicht gewählten Platte der ersten und zweiten Elektrodenplatte entweder mit Masse oder virtueller Masse aufweist, so dass Ladeimpulse an die gewählte Platte gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die erste Elektrodenplatte auf eine Spannung geladen wird, die die Verschiebung der ersten Elektrodenplatte gegenüber der Kontrollmasse als Reaktion auf einen Ladeimpuls angibt, und die zweite Elektrodenplatte auf eine Spannung geladen wird, die die Verschiebung der Kontrollmasse gegenüber der zweiten Elektrodenplatte als Reaktion auf einen Ladeimpuls bei der Konfiguration mit normaler Polarität angibt, und bei dem die erste Elektrodenplatte auf eine Spannung geladen wird, die die Verschiebung der zweiten Elektrodenplatte gegenüber der Kontrollmasse angibt, und die zweite Elektrodenplatte auf eine Spannung geladen wird, die die Verschiebung der Kontrollmasse gegenüber der ersten Elektrodenplatte als Reaktion auf einen Ladeimpuls bei der Konfiguration mit inverser Polarität angibt.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Ladeimpulse von derselben einzigen Referenzspannung sowohl bei der Konfiguration mit normaler Polarität als auch bei der Konfiguration mit inverser Polarität bereitgestellt werden.