DE3830416C2

DE3830416C2 -

Info

Publication number: DE3830416C2
Application number: DE3830416A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Sakuma; Yasuhiko Fukumoto; Akihiro Akishima Tokio/Tokyo Jp 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: 1991-10-24
Also published as: FR2620234A1; GB8820949D0; DE3830416A1; GB2209606B; GB2209606A; JPS6468662A; US4887467A

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschleunigungsmeßgerät, umfassend ein Paar von Rückstellwicklungen, welche an gegenüberliegenden Oberflächen eines Schwenkelementes angeordnet sind, das zwischen zwei Magnetstrukturen vorgesehen ist, ferner umfassend Kapazitäten oder eine Dehnungsstreifenbrücke mit piezoelektrischen Widerstandselementen zur Feststellung einer beschleunigungsbedingten Auslenkung des Schwenkelements 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 dem Ausgang des Summierverstärkers verbundenen negativen Rückkopplungsverstärker mit einem Treiberverstärker, wobei das Ausgangssignal des negativen Rückkopplungsverstärkers den Rückstellwicklungen zuführbar ist, um das Schwenkelement zurück in seine Ausgangsposition zu bringen und um die Kapazitäten auszugleichen oder das Ausgangssignal der Dehnungsstreifenbrücke auf Null zu bringen, und wobei das Ausgangssignal des negativen Rückkopplungsverstärkers durch einen Ausgangswiderstand geleitet ist, um auf diese Weise ein Signal zur Messung der Beschleunigung zu bilden.

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.

Aus der DE-OS 28 40 652 geht ein Beschleunigungsmeßgerät hervor, welches eine Positionserfassungs- bzw. Abgriffeinrichtung zur Erzeugung eines Signals aufweist, das die Verschiebung eines Spulenkörpers aus einer vorbestimmten Lage in bezug auf das Gehäuse des Beschleunigungsmeßgerätes anzeigt. Diese Positionserfassungs- bzw. Abgriffeinrichtung umfaßt Kondensatoren, die in einem Brückenschaltkreis angeordnet sind. Sie erzeugen ein Positionssignal, welches einem Servoverstärker in einem elektronischen Schaltkreis zugeführt wird. Der Servoverstärker seinerseits liefert einen Kompensationsstrom an Spulen des Spulenkörpers, um auf diese Weise den Spulenkörper in der vorbestimmten Lage, bezogen auf das Gehäuse des Beschleunigungsmeßgerätes, zu halten. Getrennt von der Positionserfassungs- bzw. Abgriffeinrichtung und dem dazugehörigen elektronischen Schaltkreis ist ein Temperaturkompensationssystem vorgesehen, welches einen separaten Schaltkreis aufweist. Die beiden Schaltkreise sind räumlich voneinander getrennt. Hierdurch erhöht sich nicht nur der Montageaufwand für das Beschleunigungsmeßgerät, sondern auch der von ihm beanspruchte Einbauraum.

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 Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beschleunigungsmeßgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einen einfachen Aufbau besitzt.

Die Lösung der vorstehenden Aufgabe ist bei einem Beschleunigungsmeßgerät der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß der negative Rückkopplungsverstärker mit Widerstandselementen (R₄, R₅) zur Korrektur der Temperaturänderung in dem Verstärkungsfaktor des negativen Rückkopplungsverstärkers verbunden ist, um die Temperaturänderung in dem Widerstand der Rückstellwicklung, den piezoelektrischen Widerstandselementen oder anderen Elementen in dem Kreis zu ändern, wodurch die geringste Temperaturänderung in der gesamten Rückkopplungsschleifenverstärkung des Beschleunigungsmeßgeräts erhalten wird. Durch die Integration des Temperaturkompensationskreises in den Meßkreis wird zum einen ein kompakter Aufbau des Beschleunigungsmeßgeräts erreicht. Zum anderen kompensiert der Temperaturkompensationskreis die Temperaturänderungen in einem weiten Temperaturbereich.

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,

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 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 22 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 50, 51, 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 48 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 (ΔK_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

Beschleunigungsmeßgerät, umfassend ein Paar von Rückstellwicklungen (30), welche an gegenüberliegenden Oberflächen eines Schwenkelementes (20) angeordnet sind, das zwischen zwei Magnetstrukturen (18) vorgesehen ist, ferner umfassend Kapazitäten oder eine Dehnungsstreifenbrücke (40) mit piezoelektrischen Widerstandselementen (50-55) zur Feststellung einer beschleunigungsbedingten Auslenkung des Schwenkelementes (20) aus seiner neutralen Position und Abgabe eines Gleichstrombrückensignals in Abhängigkeit der betreffenden Auslenkung, einem Vorverstärker (42) zur Verstärkung des Gleichstromsignals, einem mit dem Vorverstärker verbundenen Summierverstärker, (44), sowie einem mit dem Ausgang des Summierverstärkers (44) verbundenen negativen Rückkopplungsverstärker mit einem Treiberverstärker (46), wobei das Ausgangssignal des negativen Rückkopplungsverstärkers Rückstellwicklungen (30) zuführbar ist, um das Schwenkelement (20) zurück in seine Ausgangsposition zu bringen und um die Kapazitäten auszugleichen oder das Ausgangssignal der Dehnungsstreifenbrücke (40) auf Null zu bringen, und wobei das Ausgangssignal des negativen Rückkopplungsverstärkers durch einen Ausgangswiderstand (48) geleitet ist, um auf diese Weise ein Signal zur Messung der Beschleunigung zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Rückkopplungsverstärker mit Widerstandselemente (R₄, R₅) zur Korrektur der Temperaturänderung in dem Verstärkungsfaktor des negativen Rückkopplungsverstärkers verbunden ist, um die Temperaturveränderung in dem Widerstand der Rückstellwicklung (30), den piezoelektrischen Widerstandselementen (50-55) oder anderen Elementen in dem Kreis zu ändern, wodurch die geringste Temperaturänderung in der gesamten Rückkopplungsschleifenverstärkung des Beschleunigungsmeßgeräts (10) erhalten wird.