DE3014038A1

DE3014038A1 - Pendelbeschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE3014038A1
Application number: DE19803014038
Authority: DE
Inventors: Alain Deval
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1979-04-11
Filing date: 1980-04-11
Publication date: 1980-10-23
Also published as: GB2047902A; GB2047902B; US4345474A; FR2454103A1; IT8021302A0; CA1131930A; FR2454103B1; DE3014038C2; IT1140852B

Description

Patentanwälte. Dipl.-Ing. H. Vü-ickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska

THem

8000 MÜNCHEN 86, DEN '^:

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

SOCIETE D'APPLICATIONS GENERALES
D'ELECTRICITE ET DE MECANIQUE SAGEM
6, Avenue d'Iena
75783 Paris Cedex 16/ Prankreich

Pendelbeschleunigungsmesser

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Die Erfindung betrifft einen Pendel-Beschleunigungsmesser, umfassend einen Stator, der an dem Objekt zu befestigen ist, dessen Beschleunigung gemessen werden soll/ und der einen Innenraum mit zwei einander gegenüberliegenden und im wesentlichen senkrecht zur Meßachse des Beschleunigungsmessers gerichteten,zwei Elektroden bildenden Flächen begrenzt, ein Pendel in Form einer Isolierscheibe mit zueinander parallelen leitfähigen Seitenflächen, die den Flächen des Stators gegenüberliegen, wobei die Isolierscheibe mit dem Stator über ein Scharnier verbunden ist, das eine Schwingbewegung der Isolierscheibe gegenüber dem Stator unter der Einwirkung von parallel zur Meßachse gerichteten Beschleunigungskräften ermöglicht, und eine Detektorschaltung zur Messung der Verstimmung der Kapazitäten zweier Kondensatoren, die jeweils von einer Fläche des Stator-Innenraumes und einer gegenüberliegenden Fläche des Pendels gebildet sind. Das das Meßorgan bildende Pendel wird dabei in seiner Ruhelage gehalten oder in die Ruhelage gebracht unabhängig von der Beschleunigung, die auf es innerhalb des Arbeitsbereiches einwirkt.

Es sind bereits derartige Beschleunigungsmesser bekannt, die eine elektromagnetische Zentrierungsvorrichtung aufweisen, die analog zu einem Lautsprecherantrieb arbeitet. Diese Vorrichtung weist verschiedene Nachteile auf. Der Beschleunigungsmesser ist komplex in seinem Aufbau und kostspielig. Die den elektromagnetischen Zentrierungsantrieb durchfließenden elektrischen Ströir.e bewirken eine Erwärmung der Vorrichtung. Bei längerer Betriebsdauer wird diese Erwärmung merklich und störend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungsmesser der oben genannten Art anzugeben,

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-JS-

der besser als bisher den Anforderungen der Praxis entspricht und insbesondere einfacher in seinem Aufbau und somit preiswerter ist und während langer Betriebszeiten ohne merkliche Erwärmung arbeitet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Regelschaltung, die an die Kondensatoren Gleichspannungen zur Erzeugung elektrostatischer Rückstellkräfte anlegt, welche die von der Beschleunigung herrührenden Kräfte ausgleichen, und eine Meßschaltung zur Messung der Differnez zwischen den an die beiden Kondensatoren angelegten Spannungen, wobei die Spannungsdifferenz eine Funktion der Beschleunigung in Richtung der Meßachse ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung

des mechanischen Teiles des Beschleunigungsmessers in einem durch die Meßachse verlaufenden Schnitt, der nicht maßstabsgetreu ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung, welche

den Aufbau des Pendels des Beschleunigungsmessers zeigt,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Analog-

schaltung, die in Verbindung mit dem in dem Figuren 1 und 2 dargestellten mechanischen Teil verwendbar ist,

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Fig. 4 ein Prinzipschaltbild einer nummer

ischen Schaltung, die in Verbindung mit dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten mechanischen Teil verwendbar ist,

Fig. 5 ein Schaltungsdetail,

Fig. 6 ein Schaltungsschema einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine Darstellung des zeitlichen Signal

verlaufes in einem Teil der in Figur 6 dargestellten Schaltung und

Fig. 8 und 9 sehr schematische Schaltungsbilder

zweier weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltung.

Der Beschleunigungsmesser umfaßt einen in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellten elektromagnetischen Teil und einen elektronischen Teil.

Der elektromagnetische Teil umfaßt einen Stator 10, in dem ein Pendel 11 angeordnet ist, das um eine · senkrecht zur Meßachse 12 des Beschleunigungsmessers gerichtete Achse schwingen kann. Der Stator 10 umfaßt zwei Wangen aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der jenem des Pendels 11 zumindest nahekommt. Die beiden Wangen bestehen jeweils aus einer kreisförmigen Platte 13 bzw. 14. Als Material für die Wangen kann man insbesondere Silicium und Eisen-Nickel Legierungen verwenden. Diese Wangen 13 und 14 begrenzen zusammen mit einem sie auf Abstand haltenden Innenstück 15 eine Kammer 16. Das Innenstück 15 besteht aus einem äußeren Ring, an dem das

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•β-

Pendel 11 mittels zweier Scharniere 17 aufgehängt ist. Die Gesamtheit von Innenstück 15 und Pendel 11 wird durch Bearbeitung einer Siliciumscheibe hergestellt, die durch Schmelzen und Abkühlen gewonnen wurde. Eine derartige Bearbeitung kann durch Ultraschall erfolgen. Zur Erleichterung der Herstellung wird man im allgemeinen von einer Scheibe konstanter Dicke ausgehen. Das hat zur Folge,daß zwischen den äußeren Ring des Zwischenstückes 15 und die Wangen 13 und 14 Isolierringe 18 eingelegt werden müssen, um den nötigen Platz für ein Schwingen des Pendels 11 zu erhalten.

Die Schaniere 17 bestehen aus Streifen, die dünner sind·als der äußere Ring des Zwischenstückes 15 und das Pendel 11. Die Verdünnung kann durch chemische Bearbeitung, beispielsweise durch Bearbeitung mit Hilfe von Flußsäure erhalten werden. Die Scharniere definieren die Schwenkachse 19 des Pendels.

Auf den einander gegenüberliegenden Flächen des Pendels 11 und des Stators 10 (wenn dieser aus einem Isoliermaterial besteht) müssen Kondensatorelektroden ausgebildet werden. Alle diese Elektroden können jeweils von einer dünnen Metallschicht gebildet sein, die beispielsweise im Vakuum aufgedampft wird. Fig. 1 zeigt einen ersten Kondensator, der von den kreisförmigen Elektroden 20a und 20b gebildet wird, die auf der Wange 13 bzw. der gegenüberliegenden Fläche des Pendels 11 angeordnet sind. Der zweite Kondensator besteht aus Elektroden 21a und 21b, die auf der Wange 14 bzw. der gegenüberliegenden Fläche des Pendels 11 angeordnet sind.

Die Verbindungen zwischen den Elektroden und dem Außenraum kann durch eine der Wangen hindurch erfolgen. In der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Ver-

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- Sr -

bindung durch die Wange 13 hindurch. Die Elektroden 20a und 21a sind durch einander gegenüberliegende Streifen verlängert und sowohl miteinander als auch mit dem Außenraum durch eine Metallbeschichtung der Wände eines Loches verbunden, das die Wange 13, die Isolierringe 18 und den äußeren Ring des Innenstückes 15 durchsetzt. Jede der Elektroden 20b und 21b ist durch eine Metallzunge 22 bzw. 23 verlängert, die auf dem entsprechenden Scharnier 17 angeordnet ist. Ein metallbeschichtetes Loch stellt die Verbindung zum Außenraum her. Das Loch ist für die Elektrode 20b mit 24 bezeichnet.

Man erkennt, daß die mechanischen Abschnitte und die elektrischen Abschnitt des Beschleunigungsmessers ein geschlossenes Gehäuse bilden, das wegen des Fehlens eines elektromagnetischen Antriebs eine sehr geringe Dicke besitzt. Um zu verhindern, daß die Elektroden sich berühren, können Zapfen 25 zwischen dem Pendel 11 und den Wangen 13 bzw. 14 angeordnet sein. Im allgemeinen kann man auf diese Zapfen verzichten, wenn man die Metallbeschichtung der einander gegenüberliegenden Flächen einige Millimeter vom Rand dieser Flächen enden läßt. Dann erfolgt die gegenseitige Berührung dieser Flächen außerhalb der Elektroden.

Das geschlossene Gehäuse kann sehr unterschiedlich aufgebaut sein. Es kann dazu vorgesehen sein, zugleich einen festen Schutz und eine dichte Umhüllung zu bilden. Die Befestigung der beiden Wangen aneinander kann mit Hilfe dreier Schrauben erfolgen, die in Winkelabständen von 120° angeordnet sind. Die Isolierringe können durch Scheibchen ersetzt werden, die von den Schrauben durchdrungen werden. Da die für die Isolierringe benötigte Stärke nur sehr gering ist (beispielsweise 10 um), können sie durch Beschichtung der Wangen

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des Innenstückes 15 hergestellt werden.

Anstelle der Schrauben kann man Verbindungsbügel verwenden, umso mehr, da eine genaue Winkelpositionierung der als Drehteile ausgebildeten Teile nicht erforderlich ist.

Der elektronische Teil umfaßt ein Detektorsystem zur Feststellung der Verrückung des Pendels 11 und ein Zentrier- und Meßsystem zum Zurückstellen des Pendels 11 in seine Hittellage. Das Zentrier- und Meßsystem bildet eine Regel^--hleife mit dem Detekorsystern. Das Detektorsystern seinerseits kann eine Regelschleife mit einem analogen Rückstell system (Fig. 3) oder mit einem numerischen Rückstellsystem (Fig. 4) bilden. In beiden Fällen werden die Schaltungsanordnungen vorzugsweise in mikroelektronischer Hybridtechnologie ausgeführt und sind auf einer oder mehreren mit den Wangen 13, 14 durchmessergleichen Scheiben angeordnet, die ihrerseits auf den Wangen angeordnet sind, um elektrostatische Phänomene soweit wie möglich zu reduzieren.

Das kapazitive Detektorsystem gemäß den in den Fig. 3 und 4 dargestelten Ausfuhrungsformen umfaßt einen Hochfrequenzgenerator ·, dessen Frequenz in Abhängigkeit des gesuchten Durchlaßbereiches für den Beschleunigungsmesser gewählt ist. Der Hochfrequenzgenerator 26 liefert beispielsweise eine Frequenz von 20 kHz,wenn das Frequenzband der gemessenen Beschleunigungen 100 bis 150 Hertz nicht überschreitet. Das von dem Hochfrequenzgenerator 26 erzeugte Wechselspannungssignal wird über einen einen Mittelabgriff aufweisenden Transformator 27 und Entkopplungskondensatoren 28 den Elektroden 20b und 21b zugeführt. Die Elektroden 20a und 21a sind ihrerseits mit der

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Masse verbunden.

Das Verstimmungs-Wechselspannungssignal, das am Mittelabgriff des Transformators 27 auftritt, wird einem Verstärker 29 zugeführt, der einen hohen Verstärkungsfaktor in dem gesuchten Durchlaßbereich aufweist (beispielsweise 10 bei 100 Hz). Das Signal wird darauf einem Synchrondemodulator 30 zugeführt. Das Ausgangssignal des Demodulators 30 wird einem Integrationsverstärker 31 zugeführt. Auch wenn dies nicht unbedingt erforderlich ist, wird vorzugsweise ein Integrationsverstärker mit einer praktisch unbegrenzten Gleichstromverstärkung verwendet, um jegliche Möglichkeit eines Fehlers im Nullbereich zu vermeiden. Die Ausgangsspannung ΔV des Verstärkers, die ein Maß für die Beschleunigung darstellt, wird einem Meßgerät zugeführt.

Das Zentriersystern, das eine Regelschleife mit dem Detektorsystem bildet, umfaßt einen Generator zur Erzeugung einer elektrostatischen Rückstellkraft, der die Elektroden der für die Feststellung der Beschleunigung verwendeten Kondensatoren verwendet.

Die elektrostatische Anziehungskraft zwischen zwei Elektroden mit einem gegenseitigen Abstand e ist

2 2

proportional V /e (wobei V die angelegte Gleichspannung bezeichnet). Diese Kraft hängt also vom Quadrat der Spannung V ab. Um zu erreichen, daß die Kraft zur Rückzentrierung des Pendels im wesentlichen eine lineare Funktion der angelegten Gleichspannung ist, weißt das in Fig. 3 dargestellte Zentriersystem " einen Generator auf, welcher der Verstimmungsspannung oder NichtgleichgewichtsspannungΔ V eine Gleichspannung V„ überlagert, die man als Vorspannung bezeichnet.

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• A2.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung umfaßt zu diesem Zweck zwei Verstärker, einen Differenzialverstärker 32 und einen Additionsverstärker 33. Die beiden Verstärker 32 und 33 empfangen an ihrem nichtinvertierendem Eingang die Vorspannung V«. Die Spannung A V wird an den invertierenden Eingang des Verstärkers 32 und den anderen nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 33 angelegt. Die Ausgangssignale der Verstärker 32 und 33 werden über Widerstände R mit gleichem Widerstandswert den Elektroden 20b und 21b zugeführt. Kondensatoren 34 gewährleisten eine Endkopplung und verhindern, daß den Elektroden 20b und 21b eine Rest-Wechselspannungskomponente zugeführt wird.

Wird mit S die Oberfläche der einander gegenüberliegenden Elektroden und mit £ die Elektrizitätskonstante des im Zwischenraum e befindlichen Gases bezeichnet, so ist in diesem Fall die elektrostatische Kraft f, die auf das Pendel 11 ausgeübt wird, gegeben durch:

f - ^£S

(D

In dieser Formel bezeichnen e.. und e„ die Dicke des Dielektrikums zwischen den Elektroden 20a und 20b bzw. 21a und 21b.

Wenn das Pendel zwischen den Regelsystemen zentriert ist, erhält man e =e₂=e₀ (Nennspaltbreite) und:

f= 2 £S -| Δν (2)

^e0

Da die elektrostatische Kraft proportional der Beschleunigung ist, der die Pendel ausgesetzt sind, er-

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kennt man, daß die gemessene Spannung ΔΜ proportional der Beschleunigung ist, wobei der Proportionalitätsfaktor durch die Rechnung definiert werden kann. In der Praxis, wenn e einen Wert von einigen Mikrometer und die Elektroden eine Oberfläche von einigen Qadrat zentimeter aufweisen, genügt es im allgemeinen, eine Verspannung V_Q zu verwenden, die 50V nicht überschreitet, wobei ΛV ebenfalls unterhalb dieses Wertes bleibt.

Iz¹L Falle des in Fig. 4 dargestallten numerischen Systemes (die Elemente dieses Systemes, die den Elementen der Ausführungsform in Fig. 3 entsprechen, werden nicht nocheinmal beschrieben) schließt sich ar. den Integrator 31 eine Schwellenschaltung 35 an, die den Elektroden 20b und 21b des Pendels Rechteck-Spannungsimpulse mit dem Wert 2 V» zuführt und zwar in einer Richtung oder der entgegengesetzten Richtung je nach Richtung der gemessenen Beschleunigung. Die Frequenz der Rechteckimpulse, die mit Hilfe eines Gerätes 36 gemessen wird, liefert den Wert der Beschleunigung, die in Richtung der Meßachse wirkt. Ξ3 kann ein Zähler vorgesehen sein, um die Zahl der P.echteckimpulse mit dem Wert 2V_ festzustellen, die jeweils eine Zunahme der Geschwindigkeit um einen vorbestimmten Wert repräsentieren.

Die Erfindung kann zahlreiche Abwandlungen aufweisen. Insbesondere können die Meßschaltung und die Regelschaltung in der Weise ausgebildet sein, daß sie eine exakte Messung selbst in dem Fall liefern, in dem ias Pendel nicht exakt zentriert ist.

Die Schwierigkeit, die sich bei einem Zentrierfehler ergibt, erkennt man unmittelbar beim Betrachten der eben genannten Formeln 1 und 2. Darin sieht man, daß

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-Vi-

-Ak-

die elektrostatische Kraft f eine Funktion der Spaltbreite ist. Wenn man jedoch die Kraft f als Funktion der Ladung Q des Kondensators darstellt, erhält man die folgende Beziehung:

f = Q² / 2 S S (3)

Man erkennt, daß die Spaltbreite e in dieser Formel nicht mehr auftritt.

Um diese Feststellung verwenden zu können, muß man mit den Ladungen Q und nicht nur mit den Spannungen AV arbeiten und daher Ladungsverstärker verwenden und die Kondensatoren 2Oa-2Ob und 21a-21b in Reihe mit einem geeichten unveränderlichen Kondensator schalten, den man mit dem gleichen Ladestrom wie den Meßkondensator auflädtund der einen Referenzwert liefert.

Das Schaltprinzip dieser Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Kondensatoren 37 und 38 werden zum einen von dem Meßkondensator (Elektroden 20a und 20b beispielsweise) und zum anderen von dem Referenzkondensator gebildet. Man sieht, daß also eine Wahl getroffen werden muß. Wenn man den Meßkondensator als Kondensator 37 verwendet, wird es notwendig, Ausgänge an beiden Elektroden vorzusehen, während im vorhergehenden Fall eine der beiden Elektroden jedes Kondensators mit der Masse verbunden war. Wenn man den Meßkondensator als Kondensator 38 verwendet, ist es erforderlich, eine schwimmende Spannungsversorgung vorzusehen.

Bei dem in der Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde diese zweite Lösung beibehalten. Der Einfachheit halber wurden in der Fig. 6 diejenigen Elemente, die eine Entsprechung in den vorher be-

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. A5.

schriebenen Figuren besitzen, mit demselben Bezugszeichen versehen.

Das Regelsystem und Meßsystem des Beschleunigungsmessers gemäß Fig. 6 weist zwei Ladungsverstärker 30 und 40 auf, von denen jeder einem der Meßkondensatoren zugeordnet ist und von denen nur der erste beschrieben wird.

Der Ladungsverstärker 39 ist dem Kondensator zugeordnet, dessen Elektroden mit 20a und 20b bezeichnet sind. Die Elektrode 20a ist dabei mit der Masse verbunden. Der Kondensator, dessen Kapazität mit Cp+ bezeichnet wird, ist in Reihe mit einem Referenzkondensator 41 der Kapazität Ce und einer Hochfrequenz-Spannungsquelle geschaltet, die eine Wechselspannungsquelle 42 umfaßt, deren Pole jeweils über eine Diode und eine mit dieser in Reihe geschaltete Kapazität an den Kondensator angeschlossen sind.

Der Verstärker umfaßt ferner einen Differenzialverstärker 43, an den mit Hilfe eines Schalters 44, der in der Praxis von einem Analogschaltglied gebildet ist, ein Generator 45 zur Erzeugung einer Referenzspannung Vr über einen Ladungswiderstand angeschlossen werden kann. Der Verstärker 43 steuert eine Schaltungs anordnung zum Laden und Entladen des Meßkondensators und des Referenzkondensators. Die Schaltungsanordnung besteht aus zwei Transistoren 46 und 47, von denen der eine an eine positive Spannung (beispielsweise + 100 V) and der andere an eine negative Spannung (beispielsweise - 15 V) relativ zum Nullpotential angeschlossen ist.

Eine dem Verstärker 43 zugeordnete Gegenkopplungsschleife umfaßt einen Oparationsverstärker 48 mit

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dem Verstärkungsfaktor 1, dessen Eingang mit der Verbindungsstelle zwischen dem Referenzkondensator 41 und dem Meßkondensator verbunden ist und dessen Ausgang über einen Widerstand R an den nichtinvertierenden Eingang des Differenzialverstärkers 43 angeschlossen ist.

Vor Beschreibung der numerischen Schaltung, welche das System vervollständigt, wird es zweckmäßig sein, kurz die Funktionsweise des Ladungsverstärkers 39 zu erläutern, der in aufeinanderfolgenden Sequenzen wirksam wird, wobei jede Sequenz ein Laden der Kondensatoren und eine darauf folgende Entladung umfaßt.

Während des Ladevorganges ist der Schalter 44 geschlossen. Der Transistor 46 liefert einen Strom I₇ welcher die Kondensatoren der Kapazität Cp+ und Ce auflädt, bis die Spannung an den Klemmen des Kondensators 41 gleich der Spannung Vr ist. Dann verschwindet diese Spannung aufgrund der Wirkung der Gegenkopplungsschleife.

Der Meßkondensator und der Referenzkondensator nehmen somit die gleiche Elektrizitätsmenge Q auf:

Q = Ce-Vr.

Die Spannung Vp+ an den Klemmen des von den Elektroden 20a und 20b gebildeten Kondensators ist somit gegeben durch:'

Vp+ = (Ce/Cp) Vr

Die Entladung erfolgt, wenn sich der Schalter 44 öffnet. Der Verstärker 43 sperrt also den Transistor 46 und öffnet den Transistor 47, über den sich der Meßkondensator und der Referenzkondensator entladen. Ein konstanter Strom durchfließt den Transistor 47,

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bis die Spannung Ve an den Klemmen des Bezugskondensators 41 den Wert Null aufweist.

Während der Entladung liefern der Meßkondensator und der Bezugskondensator die gleiche Elektrizitätmenge Q: am Ende des Entladungsvorganges gilt: Vp+ = 0.

Der Ladungsverstärker wird einerseits als Mittel zum Feststellen der Position des Pendels, d.h."als Eingangselement der Regelschaltung für die Position desselben, und andererseits als Generator zur Erzeugung der Rückstellkraft verwendet. Diese beiden Funktionen werden nun nacheinander erläutert.

Erfassung der Position des Pendels:

Da die beiden Verstärker 39 und 40 identisch ausgebildet sind, nehmen die beiden Kondensatoren 20a-20b und 21a-21b die selbe Ladung Q während des Ladevorganges auf. Die Kapazitäten der beiden Kondensatoren werden im Cp+ und Cp- bezeichnet.

Da die Elektroden 20a und 21a mit der Masse verbunden sind, erhält man für die Spannungen V+ und V-an den Elektroden 20b und 21b folgende Beziehungen:

V+ = Q/Cp+ ; V- = Q/Cp-

Wenn man mit4e die Abweichung von der Nennspaltbreite e_n zeichnet, erhält man:

Cp+ = £₀ S / e₀ [1- (de/e₀) ] Für den anderen Kondensator erhält man: Cp- = S_Q S / e₀ C 1+ (4e/e₀) ]

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Die resultierende Spannung Vd zwischen den Elektroden 20b und 21b ergibt sich folglich zu:

Vd =

Cp (+) Cp (-)

= 2 Q_ . 4j5
^CO ^e0

In dieser Formel bezeichnet C_n die Kapazität, wenn das Pendel seine zentrierte Nominalstellung einnimmt.

Man sieht, daß die Spannung Vd, die zwischen den Elektroden verfügbar ist, eine Anzeige für die Abweichung Δe des Pendels gegenüber seiner zentrierten Nominalstellung liefert.

Generator zur Erzeugung der Rückstellkraft:

Wie weiter oben angedeutet wurde, ergibt sich die Anziehungskraft zwischen den Elektroden aus der folgenden Formel:

F = K (Vp/e)² mit K = £S/2 diese Formel kann man auch schreiben:

Ts^

Dies zeigt, daß F eine Funktion von Q ist unabhängig von dem Abstand e. Wenn man Q ermittelt, kann man F erhalten und damit ein Maß für die Beschleunigung, das selbst dann noch genau ist, wenn das Pendel nicht seine zentrierte Nominalstellung einnimmt.

Die Ladungsverstärker 39 und 40 speisen eine Regelschaltung, welche versucht, zu verhindern, daß das

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- vf-

Pendel aus einem bestimmten Bereich um seine Nominalstellung ausschwenkt. Bei der in der Fig. 6 dargestellten Ausführungsform besteht das Eingangselement dieser Regelschaltung aus einem Differentialverstärker 49, an den sich ein Eingangsschalter 50 einer Abtastschaltung 51 anschließt. In der Praxis besteht der Schalter 50 aus einem Feldeffekttransistor. Die Ausgangssignale der Abtastschaltung 51 werden einer Anordnung 52 zugeführt, die eine Integrator- und Korrekturschaltung darstellt und die gleiche Funktion hat wie das Element 31 bei den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen.

Das Ausgangsignal der Integratorschaltung 52, das je nach der Richtung der Abweichung des Pendels von seiner Nominalstellung positiv oder negativ ist, wird zwei Komparatoren 53a und 53b zugeführt, die so eingestellt sind, daß sie den Grenzen des erlaubten Abweichbereichs entsprechen. Der Ausgang des Komparators 53a ist über eine Kippschaltung 54a,ein UND-Glied 55a und ein ODER-Glied 56a, die kaskadenartig geschaltet sind und deren Aufgabe in dem Funktionsablauf später noch erläutert wird, mit dem Steuereingang des Schalters 44 des Ladungsverstärkers 39 verbunden. In gleicher Weise folgt auf den Komparator 53b eine Kippschaltung 54b ein UND-Glied 55b und ein ODER-glied 56b, dessen Ausgang mit dem nicht dargestellten Schalter 44 des Ladungsverstärkers 44 verbunden ist. Die Ausgangsignale, welche die Beschleunigung anzeigen, werden bei 57a und 57b am Ausgang der UND-Glieder 55a bzw. 55b abgegriffen.

Die Arbeitsweise des Beschleunigungsmessers ist sequenziell, wobei die Messung und die Korrektur der Lage des Pendels einander abwechseln. Hierzu benötigt man eine Sequenzschaltung 58, die einer Takt-

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-VS-

. -JO-

schaltung 62 zugeordnet ist. Die Sequenzschaltung ist dazu vorgesehen, an drei Ausgängen 59, 60 und 61 logische Rechteck-Steuersignale zu liefern, die in der in Fig. 7 dargestellten Weise auf den Leitungen 59, 60 und 61 geschachtelt sind.

Von einem gewissen Zeitpunkt t_ an findet man jeweils nacheinander eine Phase zur Messung oder Erfassung der Position des Pendels und danach eine Regelphase zur Einstellung der Position des Pendels durch die Rückstellkraft.

Meßphase

Zum Zeitpunkt t_Q gibt die Sequenzschaltung 58 über ihren Ausgang 61 ein binäres Signal mit dem Pegel 1 und einer bestimmten Dauer an die ODER-Glieder 56a und 56b. Diese Glieder schließen die Schalter 44 der beiden Ladungsverstärker 39 und 40 und bewirken die Aufladung des Meßkondensators und des Referenzkondensators mit einem konstanten Strom während eines bestimmten Zeitraumes.

Die am Ausgang des Differentialverstärkers 49 auftretende Spannungsdifferenz wird zum Zeitpunkt t.. abgetastet, wenn das am Ausgang 59 der Sequenzschaltung 58 auftretende Signal den Schalter 50 schließt. Dieses Signal setzt die Kippschaltungen 54a und 54b auf Null. Diese Ausgangspannung wird durch die Integratorschaltung 52 integriert, deren Ausgangspannung wiederum mit zwei vorbestimmten Werten S„ und S_, wobei letzerer im allgemeinen gleich

ti B

-S„ ist, mittels der Komparatoren 53a und 53b ver-

glichen.

Wenn sich das Pendel im Bereich der erlaubten

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- 2Ji -

Positionen befindet, tritt kein Ausgangssignal an den Komparatoren auf. Wenn sich dagegen das Pendel außerhalb des zulässigen Bereiches bewegt, liefert einer der Komparatoren, beispielsweise der Komparator 53a ein Ausgangssignal.

Korrekturphase

Zum Zeitpunkt t tritt an dem Ausgang 60 der Sequenzschaltung 58 ein logischer Rechteckimpuls mit dem Pegel 1 und der bestimmten Dauer t-.-t„ auf. Dieser Rechteckimpuls öffnet die UND-Glieder 55a und 55b. In dem weiter oben beschriebenen Ausführungsbeispiel tritt ein logisches Signal mit dem Pegel 1 am Ausgang des UND-Gliedes 55a auf und wird über das ODER-Glied 56a dem Schalter 44 des Ladungsverstärkers 39 zugeführt und zwar nur dem Schalter 44 des Ladungs verstärkers 39. Diese zusätzliche Ladung versucht, das Pendel in seine zentrierte Nominalstellung zurückzustellen. Der Recheckimpuls wird ferner einem Meßgerät zugeführt, das an die Ausgänge 57a und 57b angschlossen ist und das von einem Auf- und Abzähler gebildet sein kann.

Schließlich bewirkt ein Signal über die Taktleitung 59 das Rücksetzten der Kippschaltungen 54a und 54b auf Null.

Fig. 7 zeigt in einer sehr schematischen Weise eine Variante der in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform. Diese Variante weist nur noch einen einzigen Verstärker auf an Stelle der zwei Verstärker mit identischem Verstärkungsfaktor bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3. Diese Variante benötigt ferner keinen Transformator 27 hoher Qualität mehr, der noch für die Ausführungsform gemäß Fig. 3 benötigt wird.

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•aa-

Die beiden Kondensatoren 20a-20b und 21a-21b werden durch zwei Spannungsquellen 70a und 70b polarisiert/ die Nennspannungen +U und -U (bezogen auf die Masse) über Widerstände 71a und 71b gleichen Widerstandswertes liefern. Der von den beiden Kondensatoren, . die im Gleichgewicht die selbe Kapazität C aufweisen, gebildete Spannungsteiler wird von zwei Sinusspannungen mit gegenüber der Masse entgegengesetzter Phase gespeist, die von einem Generator 26 über Kondensatoren 72a und 72b geliefert werden. Die Wechselspannung, die an den Elektroden 20b und 21b des Pendels auftritt, wird von einem Kondensator 73 abgegriffen und einer Meßschaltung zugeführt, die einen Verstärker 74, einen Synchrondemodulator 75 und eine Filter- und Korrekturkette 76 umfaßt und eine störfrei, insbesondere ohne Drift arbeitende Integration ausführt. Das Ausgangsignal der Kette 76 wird einem Differentialverstärker 77 zugeführt, der über einen Kondensator 78 rückgekoppelt ist. Die von dem Verstärker 77 abgegebene Gleichspannung ist proportional der Amplitude der Abweichung des Pendels von seiner Mittelstellung, wobei das Vorzeichen dieser Gleichspannung an seine Phase bezüglich der Erregungsspannungen gekoppelt ist, die über die Kondensatoren 72a und 72b zugeführt werden. Die Widerstände 79, 71a und 71b sperren die Wechselspannungssignale, während die Kondensatoren 80a und 80b die Gleichspannungsgeneratoren 70a und 70b entkoppeln.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsvariante ergibt sich klar aus der vorhergehenden Beschreibung: Wenn das Pendel sich in seiner Mittelstellung befindet und keiner Beschleunigung unterworfen ist, ist sein Gleichspannungspotential gleich dem der Masse, wobei die beiden Kondensatoren, die es begrenzen, die selbe Kapazität und Spannungswerte +U und -U mit dem selben Absolutwert besitzen.

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Wenn eine Beschleunigung auf das Pendel einwirkt, führt sie dazu, daß die Meß- und Korrekturschaltung in Funktion tritt, welche das Potential der Elektroden 20b und 21b in der Weise modifiziert, daß das Gleichgewicht wieder hergestellt wird. Eine einfache Rechnung zeigt, daß die Ausgangsspannung des Verstärkers 77 bei in seiner zentrierten Lage befindlichem Pendel proportional der Beschleunigung ist.

Fig. 9 zeigt ein sehr vereinfachtes Schema einer Ausführungsvariante des in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispieles. Diese Variante ermöglicht es, auf einfache Weise das Problem zu lösen, das bei dem Beispiel gemäß Fig. 6 auftritt, wenn am Verstärker 49 nacheinander die Polarisationsspannung der Kondensatoren in der Höhe von einigen 10 Volt und die Meßspannung in der Größenordnung von Mikrovolt auftreten. Für sehr hohe Folgefrequenzen kann dabei das Phänomen auftreten, daß der Meßverstärker 49 gleichsam geblendet wird und daher nicht in der lage ist, die Meßspannung zu verstärken.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 wird dagegen ein einziger Spannungswert erzeugt, der sowohl der Erzeugung der Rückstellkräfte als auch zur Messung der Stellung des Pendels dient.

Die Elektroden 20b und 21b des Pendels werden über einen Schalter 82 alternativ an die Masse und eine Meßschaltung angeschlossen, die in Kaskadenschaltung einen Verstärker 83 mit dem Verstärkungsfaktor 1 und eine Verarbeitungschaltung 84 umfaßt. Eine logische Schaltung 85 weist Steuerausgänge zur Steuerung des Schalters 82 und weiterer Folgeschalter 83a-83b auf. Letztere verbinden alternativ den Eingang der Ver-

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stärker 84a, 84b mit der Masse bzw. einer Referenzspannungsquelle. Die Verstärker 84a und 84b sind identisch ausgebildet und speisen jeweils eine der Elektroden 20a und 21a. Die Referenzspannung wird von einem Generator 81 erzeugt, der direkt mit einer der feststehenden Klemmen des Schalters 83b und über einen Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor -1 mit einer feststehenden Klemme des anderen Schalters 83a verbunden ist. Man sieht, daß in dieser Anordnung der Mittelabgriff der Kondensatorbrücke schwimmend bleibt. Der Verstärker 83, der eine hohe Impedanz aufweist, erhält eine Eingangsspannung, deren Amplitude und Vorzeichen von der Verstimmung abhängen, die durch die Auslenkung des Pendels hervorgerufen wird.

Der Schalter 82 ist während der Rückstellung auf Null oder während der Phase, in welcher die eine Gleichgewichtseinstellung bewirkenden Kräfte wirken, geschlossen. Er ist während der Messung geöffnet. Eine Schaltung 86 zur Kompensation der Umschaltung ermöglicht es, die parasitären Ladungen zu annulieren, die durch die Aktion des Schalters 82 eingeführt werden. Die gemessene Spannung wird direkt relativ zum Potential der Masse in der Rückkopplungsschleife der Positionsregelung des Pendels ausgedrückt.

Die in der Fig. 9 dargestellte Schaltung läßt sich ohne Mühe aus dem im Handel erhältlichen Bauteilen zusammensetzen. Die Schalter können in MOS-Technologie ausgeführt sein. Die Hochspannungsverstärker, die typischerweise eine Spannung von 80 V liefern, können zusammengesetzte Operationsverstärker sein, die eine"" C-MOS-Eingangsstufe aufweisen, auf die bipolare Transistoren folgen. Der Ausgangsverstärker mit hoher Wiedergabetreue kann unter Verwendung bipolarer Transistoren aufgebaut sein.

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Leerseite

Claims

Λ Pendel-Beschleunigungsmesser, umfassend einen Stator, der an dem Objekt zu befestigen ist, dessen Beschleunigung gemessen werden soll, und der einen Innenraum mit zwei einander gegenüberliegenden und im wesentlichen senkrecht zur Meßachse des Beschleunigungsmessers gerichteten,zwei Elektroden bildenden Flächen begrenzt, ein Pendel in Form einer Isolierscheibe mit zueinander parallelen leitfähigen Seitenflächen, die den Flächen des Stators gegenüberliegen, wobei die Isolierscheibe mit dem Stator über ein Scharnier verbunden ist, das eine Schwingbewegung der Isolierscheibe gegenüber dem Stator unter der Einwirkung von parallel zur Meßachse gerichteten Beschleunigungskräften ermöglicht, und eine Detektorschaltung zur Messung der Verstimmung der Kapazitäten zweier Kondensatoren, die jeweils von einer Fläche des Stator-Innenraumes und einer gegenüberliegenden Fläche des Pendels gebildet sind, gekennzeichnet durch eine Regelschaltung, die an die Kondensatoren (20a-20b; 21a-21b) Gleichspannungen zur Erzeugung elektrostatischer Rückstellkräfte anlegt, welche die von der Beschleunigung herrührenden Kräfte ausgleichen, und eine Meßschaltung zur Messung der Differenz zwischen den an die beiden Kondensatoren (20a-20b; 21a-21b) angelegten Spannungen, wobei die Spannungsdifferenz eine Funktion der Beschleunigung in Richtung der Meßachse ist.
2. Pendel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung einen Generator (26) zum Anlegen eines Hochfrequenzsignales an die beiden Kondensatoren (20a-20b; 21a-21b) und eine kapazitife Brückenschaltung zur Messung der Verstimmungs-Spannung der beiden Kondensatoren (20a-20b; 21a-21b) aufweist.

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3. Pendel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder· 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede leitfähige Seitenfläche (2Ob₇ 21b) des Pendels (11) mit dem Stator (10) über ein leitfähiges Band (22, 23) verbunden ist, das auf dem Scharnier (17) vorgesehen ist und die Zuführung einer Spannung zu den leitfähigen Seitenflächen (20b, 21b) des Pendels ermöglicht, wobei diese Spannung zur Erzeugung elektrostatischer Rückstellkräfte zur Zentrierung des Pendels (11) dient.
4. Pendel-Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung einen Integrationsverstärker (31) aufweist, der so geschaltet ist, daß er ein für die Verstimmung der Kapazitäten nach der Messung repräsentatives elektrisches Signal empfängt, und daß weitere Verstärker (32, 33) vorgesehen sind, die jeweils einem der Kondensatoren (20a-20b; 21a-21b) und dem Integrationsverstärker zugeordnet sind und den Kondensatoren (20a-20b; 21a-21b) jeweils eine Spannung V_ + Av bzw. V_ -Δν zuführen, wobei V_n eine bestimmte Vorspannung und AV die Ausgangsspannung des Integrationsverstärkers (31) bezeichnet.
5. Pendel-Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung einen Integrationsverstärker (52) aufweist, der so geschaltet ist, daß er ein für die Verstimmung der Kapazitäten der beiden Kondensatoren (20a-20b; 21a-21b) repräsentatives elektrisches Signal empfängt und zwei Schaltungswege speist, die Spannungsimpulse eines vorbestimmten Wertes je nach Richtung der Beschleunigung dem einen oder dem anderen der beiden Kondensatoren

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(20a-20b; 21a-21b) zuführen, wobei die Meßschaltung die Differenz zwischen den den beiden Kondensatoren (20a-20b; 21a-21b) zugeführten Spannungsimpulsen mißt.
6. Pendel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßkondensator zusammen mit einem entsprechenden Referenzkondensator (41) eine Schaltungsanordnung bildet, die einem Ladungsverstärker (39, 40) zugeordnet ist, und daß jeweils eine Reaktionsschleife vorgesehen ist, welche den Verbindungspunkt zwischen dem jeweiligen Meßkondensator und dem Referenzkondensator mit dem Eingang eines Verstärkers (43) verbindet, um die Messung im wesentlichen unabhängig von der Abweichung des Pendels (11) von seiner zentrierten Nominalstellung zu machen.
7. Pendel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schaltungswege einen Komparator (53a-53b) aufweist, welcher die am Ausgang des Integrationsverstärkers (52) auftretenden aufeinanderfolgenden Meßsignale mit einem Referenzniveau vergleicht.
8. Pendel-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sequenzerschaltung (58) vorgesehen ist, welche abwechselnd Steuersignale zur simultanen Steuerung der Ladungsverstärker l39, 40) und Öffnungsignale zur öffnung der übertragungsglieder zur übertragung der Ausganssignale von den Komperatoren (53a-53b) zu den entsprechenden Ladungsverstärkern (39, 40) sowie Ladungssteuersignale aussendet.

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