DE3830416A1

DE3830416A1 - Beschleunigungsmessgeraet

Info

Publication number: DE3830416A1
Application number: DE3830416A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Sakuma; Yasuhiko Fukumoto; Akihiro Tomioka
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 1987-09-09
Filing date: 1988-09-07
Publication date: 1989-03-30
Also published as: GB2209606B; GB8820949D0; US4887467A; FR2620234A1; DE3830416C2; JPS6468662A; GB2209606A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Beschleunigungsmeßgerät, insbesondere einen darin angeordneten Stromkreis, mit welchem der Betrieb des Beschleunigungsmeßgerätes über einen weiten Temperaturbereich stabilisiert werden kann.

Es sind bereits kapazitive Beschleunigungsmeßgeräte bekannt, mit welchem die Beschleunigung eines Gegenstandes, beispielsweise eines Fahrzeugs, gemessen und festgestellt werden können. Kapazitive Beschleunigungsmeßgeräte besitzen dabei ein Gehäuse, zwei magnetische Einheiten mit entsprechenden Magnetstrukturen sowie ein aus geschmolzenem Quarz bestehendes Schwenkelement, welches mit Metall beschichtet ist. Dieses Schwenkelement ist dabei zwischen den beiden magnetischen Einheiten angeordnet, und in bezug auf das Gehäuse schwenkbar gelagert. Auf gegenüberliegenden Seiten des Schwenkelementes sind entsprechende Wicklungen vorgesehen, mit welchen die Permanentmagnete umschlossen werden, welche Teil der Magneteinheiten sind. Während der jeweilige Gegenstand bzw. das Fahrzeug beschleunigt wird, hat das Schwenkelement die Tendenz stationär im Raum stehenzubleiben, so daß dasselbe sich gegenüber den Magnetstrukturen bewegt. Auf beiden Seiten des Schwenkelementes werden zwei Kondensatoren gebildet, so daß bei einer Verschwenkung des Schwenkelementes in bezug auf die Magnetstrukturen die Kapazität des einen Kondensators zunimmt, während die Kapazität des anderen Kondensators abnimmt. Diese Kondensatoren werden dabei innerhalb eines Brückenkreises verwendet, so daß auf diese Weise ein Gleichstrom gebildet wird, der proportional zu der Beschleunigung ist, wobei dieses Gleichstromsignal zurück in die Wicklungen des Beschleunigungsmeßgerätes geleitet wird, um das Schwenkelement in seine Ruheposition zu bringen.

Derartige Beschleunigungsmeßgeräte können innerhalb von Flugzeugen oder Raumfahrzeugen oder in Lenksystemen verwendet werden. Dabei können die Betriebstemperaturen des Beschleunigungsmeßgerätes über einen weiten Bereich variieren. Demzufolge müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, damit eine vorhandene Beschleunigung mit hoher Genauigkeit innerhalb eines weiten Temperaturbereiches gemessen werden kann.

Im Rahmen der US-PS 46 58 647 ist bereits eine Anordnung beschrieben, um bei Beschleunigungsmeßgeräten äußere Störfaktoren bei Veränderung der Umgebungstemperatur zu vermeiden.

Im Rahmen der US-PS 44 98 342 ist fernerhin ein Beschleunigungsmeßgerät bekannt, welches mit einem Mikrostromkreis versehen ist, in welchem eine Dehnungsstreifenbrücke, ein Vorverstärker, ein Summierverstärker, ein Treiberverstärker sowie ein Ausgangswiderstand zur Signalabgabe vorgesehen sind. Die betreffende Brücke besitzt dabei vier spannungsempfindliche Widerstände, welche zu einer Vollbrücke zusammengeschaltet sind, wobei die vorhandenen Eingangsklemmen mit Gleichstrom gespeist werden, während an den Ausgangsklemmen ebenfalls ein Gleichstromsignal abgegeben wird, welches eine Ablenkung des Schwenkelementes aus seiner Ruheposition anzeigt.

Obwohl das betreffende Beschleunigungsmeßgerät so konstruiert ist, daß die Temperatureinflüsse möglichst klein gehalten werden, werden die vorgesehenen elektronischen Elemente sowie die Widerstände in starkem Maße dadurch beeinflußt. Dies führt dazu, daß das betreffende Beschleunigungsmeßgerät unstabil ist.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beschleunigungsmeßgerät zu schaffen, bei welchem eine weitgehend von zusätzlichen Bauteilen unabhängige Temperaturkompensation zustande kommt, so daß das betreffende Beschleunigungsmeßgerät über einen weiten Temperaturbereich einsetzbar ist.

Erfindungsgemäß wird dies durch Vorsehen der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Beschleunigungsmeßgerät besitzt einen Temperaturkompensationskreis, mit welchem die an den piezoelektrischen Widerstandselementen auftretenden Signale temperaturmäßig korrigiert werden. Aufgrund von Temperaturveränderungen sich ergebende Änderungen des Ausgangssignals des elektronischen Kreises des Beschleunigungsmeßgerätes werden dabei mit Hilfe eines negativen Rückkopplungsverstärkers kompensiert. Dabei wird ein fehlerhafter Betrieb des elektronischen Kreises aufgrund von Temperaturveränderungen verhindert, so daß das betreffende Beschleunigungsmeßgerät über einen weiten Temperaturbereich einsetzbar ist.

Die vorliegende Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schnittdiagramm eines Beschleunigungsmeßgerätes gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein schematisches Schaltdiagramm eines Stromkreises, bei welchem die vorliegende Erfindung eingesetzt wird,

Fig. 3 ein Schaltdiagramm eines konventionellen Beschleunigungsmeßgerätes gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem negativen Rückkopplungs-Verstärkungsfaktor und der Temperaturveränderung bei einem Beschleunigungsmeßgerät bekannter Bauweise,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Erläuterung der Beziehung zwischen dem Schleifenverstärkungsfaktor und der Bewegung des Schwenkelementes,

Fig. 6 ein schematisches Diagramm des Temperaturkompensationskreises gemäß der Erfindung und

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Temperaturveränderung des negativen Rückkopplungs-Verstärkungsfaktors bei einem elektrischen Stromkreis gemäß der Erfindung.

Entsprechend Fig. 1 ist das Beschleunigungsmeßgerät gemäß der Erfindung mit einem Beschleunigungssensor 10 versehen, welcher aus einem Paar von Gehäusehälften 12 zusammengesetzt ist, die aus einem magnetischen Material bestehen und in bezug auf die Achse X-X rotationssymmetrisch sind.

Die beiden Gehäusehälften 12 besitzen dabei jeweils eine flache Stirnwand 14 sowie einen Ringbereich 16, welcher sich von der Stirnwand 14 der Gehäusehälften 12 zur Mitte hin erstreckt. An der Innenseite der beiden Endwandungen 14 sind zwei scheibenförmige Permanentmagnete 18 befestigt, wobei jeweils ein Pol dieser Permanentmagneten 18 mit der Innenfläche der jeweiligen Stirnwand 14 in Berührung steht.

Zwischen den beiden Magnetstrukturen mit den Permanentmagneten 18 ist unter Verwendung eines Halteringes 22 und einer Gelenkverbindung 24 ein Schwenkelement 20 gehalten. Dieses Schwenkelement 20 besitzt dabei eine kreisförmige Konfiguration und ist aus einem nicht magnetischen Material gefertigt. Der eine Rand dieses Schwenkelementes 20 ist über die erwähnte Gelenkverbindung 24 mit dem Haltering 20 verbunden, während der verbleibende Umfangsbereich gegenüber dem Haltering 22 über einen schmalen Spalt 26 getrennt ist. An den oberen und unteren Flächen des Schwenkelementes 20 sind zwei Spulenträger 28 befestigt, auf welchen entsprechende Wicklungen 30 aufgebracht sind.

Gemäß Fig. 2 besitzt der elektronische Stromkreis des Beschleunigungsmeßgerätes eine Dehnungsstreifenbrücke 40, einen mit einem Vorverstärker 42 versehenen Differentialdetektorkreis, einen mit einem Summierverstärker 44 versehenen Signalverarbeitungskreis, einen mit einem Treiberverstärker 46 versehenen negativen Rückkopplungskreis, die Wicklung 30 sowie einen der Abgabe eines Ausgangssignals dienenden Ausgangswiderstand 48.

Der Brückenkreis 40 besteht aus einem Paar von piezoresistiven Dehnungsmeßelementen 51, 52, einem Paar von Festwiderständen 52, 53, sowie in Serie dazu angeordneten weiteren Widerständen 54, 55 sowie gleichstromgespeiste Eingangsklemmen 56, 57 und Ausgangsklemmen 58, 59.

Sobald das Beschleunigungsmeßgerät einer Beschleunigung ausgesetzt wird, wird das Schwenkelement 20 aus seiner Ruheposition abgelenkt, so daß an den Ausgangsklemmen 58, 59 entsprechende Ablenkung des Schwenkelementes 20 ein Gleichstrombrückensignal abgegeben wird. Dieses Brückensignal wird mit Hilfe des Vorverstärkers 42 verstärkt. Das Ausgangssignal dieses Vorverstärkers 42 wird dann dem Summierverstärker 44 zugeführt, von welchem aus der Treiberverstärker 46 angesteuert wird. Das Ausgangssignal des Treiberverstärkers 46 wird dann über die Rückstellwicklungen 30 dem Ausgangswiderstand 50 zugeführt, wobei eine Rückführung des Schwenkelementes 20 in seine Ruheposition erfolgt. Fig. 3 zeigt dabei die Schaltanordnung bei einem bekannten Kreis eines Beschleunigungsmeßgerätes.

Im folgenden soll nunmehr erörtert werden, in welcher Weise Temperaturveränderungen in bezug auf einen derartigen elektronischen Kreis mit piezoresistiven Elementen wirksam werden. Die dem Treiberverstärker 46 zugeführte Eingangsspannung V _P/O besitzt dabei einen negativen Temperaturkoeffizienten -α, so wie sich dies anhand von Fig. 4 ergibt, in welcher Temperaturveränderungen entlang der Abszisse dargestellt sind. Da der Verstärkungsfaktor des Treiberverstärkers 46 im wesentlichen durch die Widerstände R₁ und R₂ festgelegt wird, besitzt das Ausgangssignal V _O/A des Treiberverstärkers 46 ebenfalls einen negativen Temperaturkoeffizienten, so wie dies ebenfalls bei der Eingangsspannung V _P/O der Fall ist. Unter der Annahme, daß die Rückstellwicklung 30 einen positiven Temperaturkoeffizienten besitzt und einen positiven Widerstandswert R _TG aufweist, ist der durch die Rückstellwicklung 30 geleitete Strom i _a durch die folgende Gleichung festgelegt:

wobei R _M der Widerstandswert des Ausgangswiderstandes 48 ist.

Der durch die Rückstellwicklung 30 fließende Strom i _a besitzt demzufolge einen negativen Temperaturkoeffizienten -β, so wie sich dies anhand von Fig. 4 mit Δ _ia/Δ _t=-β ergibt.

Da der Schleifenverstärkungsfaktor des Beschleunigungsmeßgerätes proportional zu der Größe der Eingangsspannung V _P/O, dem Verstärkungsfaktor G₁ des Treiberverstärkers 46 und des durch die Rückstellwicklung 30 fließenden Stromes i _a ist, ergibt sich der Temperaturkoeffizient des Schleifenverstärkungsfaktors des Beschleunigungsmeßgerätes durch die folgende Gleichung:

Temperaturkoeffizient (Δ K _L/Δ _t)=-(α+β)

Unter Normalbedingungen wird die Phasenkompensation und die Einstellung des Schleifenverstärkungsfaktors des Beschleunigungsmeßgerätes bei Normaltemperatur von ungefähr 25°C durchgeführt. Falls jedoch das Beschleunigungsmeßgerät einer hohen Temperatur, beispielsweise +96°C ausgesetzt ist, wird demzufolge der Schleifenverstärkungsfaktor des Beschleunigungsmeßgerätes entsprechend verringert.

Entsprechend Fig. 5 sei nunmehr angenommen, daß eine Beschleunigung α entlang der idealen Achse X des Beschleunigungsmeßgerätes durchgeführt wird, während zusätzlich entlang der senkrecht zu der X-Achse stehenden Y-Achse eine Beschleunigung β erfolgt. Wenn in einem derartigen Fall das Schwenkelement 20 aus einer neutralen Lage um den Winkel R₁ ausgelenkt wird, kann der Auslenkungswinkel R₁ des Schwenkelementes 20 durch die folgende Gleichung angegeben werden:

Falls das Beschleunigungsmeßgerät nunmehr der erwähnten hohen Temperatur ausgesetzt wird, wird die Meßempfindlichkeit entsprechend verringert, während gleichzeitig der dynamische Bereich abnimmt. Da die Auslenkung des Schwenkelementes 20 umgekehrt proportional zu dem Schleifenverstärkungsfaktor K _L ist, und bei hohen Temperaturen die Auslenkung des Schwenkelementes 20 reduziert wird, erhöht sich der lineare Fehler, so daß auf diese Weise die Genauigkeit des Beschleunigungsmeßgerätes verringert wird.

Unter Berücksichtigung obiger Ausführungen werden bei einem Stromkreis gemäß der Erfindung entsprechend Fig. 2 und 6 innerhalb des Rückkopplungspfades zu dem Treiberverstärker 46 zusätzlich Widerstände R₄ und R₅ (SEL) eingesetzt.

Da der Verstärkungsfaktor des Treiberverstärkers 46 sich in Abhängigkeit einer Veränderung der angelegten Belastung verändert, und da die Rückstellwicklung 30 einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, erhält nunmehr der Verstärkungsfaktor des Treiberverstärkers 46 ebenfalls einen positiven Temperaturkoeffizienten. Wenn dieser positive Temperaturkoeffizient so gewählt ist, daß dadurch der negative Temperaturkoeffizient im Hinblick auf das Ausgangssignal V _P/O und den durch die Rückstellwicklung 30 fließenden Strom i _a aufhebt, ergibt sich, daß der Verstärkungsfaktor der negativen Rückkopplungsschleife Null wird, so wie dies in Fig. 7 gezeigt ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird demzufolge die temperaturbedingte Veränderung des Widerstandes der Rückstellwicklung 30 des Beschleunigungsmeßgerätes dazu verwendet, um die Temperaturveränderung zu kompensieren, falls der Verstärkungsfaktor der negativen Rückkopplung derart gewählt ist, daß der Schleifenverstärkungsfaktor unabhängig von Temperaturveränderungen ist.

Claims

1. Beschleunigungsmeßgerät mit einem Paar von Rückstellwicklungen, welche an gegenüberliegenden Oberflächen eines Schwenkelementes angeordnet sind, das zwischen zwei Magnetstrukturen angeordnet ist, ferner einer Dehnungsstreifenbrücke mit piezoelektrischen Widerstandselementen zur Feststellung einer beschleunigungsbedingten Auslenkung des Schwenkelementes aus seiner neutralen Position und Abgabe eines Gleichstrombrückensignals in Abhängigkeit der betreffenden Auslenkung, einem Vorverstärker zur Verstärkung des Gleichstromsignals, einem mit dem Vorverstärker verbundenen Summierverstärker, sowie einem mit einem dem Ausgang des Summierverstärkers verbundenen negativen Rückkopplungsverstärker mit einem Treiberverstärker, wobei das Ausgangssignal des negativen Rückkopplungsverstärkers Rückstellwicklungen zuführbar ist, um das Schwenkelement zurück in seine Ausgangsposition zu bringen und das Ausgangssignal des Brückenkreises auf Null zu bringen, und wobei das Ausgangssignal des Rückkopplungsverstärkers durch einen Ausgangswiderstand geleitet ist, um auf diese Weise ein Signal zur Messung der Beschleunigung zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Elemente (R₄, R₅) vorgesehen sind, mit welchen erreichbar ist, daß die Temperaturveränderungen des Widerstandes (R _TG) der Rückstellwicklung (30) zur Korrektur der Temperaturveränderung des Verstärkungsfaktors des negativen Rückkopplungsverstärkers (46) verwendet sind.

2. Beschleunigungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zur Korrektur der Temperaturveränderung des Verstärkungsfaktors des negativen Rückkopplungsverstärkers (46) Widerstandselemente (R₄, R₅) sind.