DE4014205A1 - Measuring force by sensor electrostatic force - contg. compensating pendulum pivoted between measuring and force compensating electrodes - Google Patents
Measuring force by sensor electrostatic force - contg. compensating pendulum pivoted between measuring and force compensating electrodesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Messung von Kräften mittels mindestens eines mindestens ein elektrostatisch kraftkompensiertes Pendel enthaltenden Sensors. In dem Sensor ist das Pendel zwischen mindestens einem Paar von einer Wechselspannungsquelle mit Wechselspannung beaufschlagten Meßelektroden und mindestens einem Paar Kraftkompensationselektroden schwenkbar positioniert. Der Sensor steht in Wirkverbindung mit einer Auswerteeinheit.The invention is based on a method for measuring Forces by means of at least one at least one electrostatic force-compensated pendulum containing sensor. In the sensor is the pendulum between at least one pair supplied with alternating voltage by an alternating voltage source Measuring electrodes and at least one pair Force compensation electrodes pivotally positioned. The The sensor is operatively connected to an evaluation unit.
Ein derartiges Verfahren zur Messung von Kräften und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Sensor, welcher ein elektrostatisch kraftkompensiertes Pendel aufweist, ist beispielsweise aus der DE-OS 32 12 889 bekannt. Bei dieser Einrichtung wird vom Pendel ein Meßsignal abgeleitet, wenn auftretende Kräfte das Pendel aus seiner Gleichgewichtslage drücken wollen. Die nötige Gegenkraft wird, abhängig vom Meßsignal, durch zwei Kraftkompensationselektroden aufgebracht, welche ein auf das Pendel einwirkendes pulsierendes elektrostatisches Feld erzeugen, dessen Feldstärke proportional dem Quadrat der angelegten Spannung ist. Die Regelung der Feldstärke ist deshalb vergleichsweise schwierig. Wenn dynamische Messungen in einem großen Meßbereich verlangt werden, dann sind diese Schwierigkeiten besonders gravierend. Auch lassen sich Nullpunktverschiebungen und auch der Nullpunkt selber nur schwer ausgleichen bzw. einstellen.Such a method for measuring forces and a Device for performing the method with a sensor, which is an electrostatic force compensated pendulum has, for example from DE-OS 32 12 889 known. In this device, a pendulum sends a measurement signal derived when forces arise from the pendulum want to push his equilibrium position. The necessary The counterforce is, depending on the measurement signal, by two Force compensation electrodes applied, which one on pulsating electrostatic field acting on the pendulum generate whose field strength is proportional to the square of the applied voltage is. The regulation of the field strength is therefore comparatively difficult. If dynamic measurements are required in a large measuring range, then these difficulties are particularly serious. Let too zero offsets and also the zero point itself difficult to balance or adjust.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zur Messung von Kräften anzugeben, welches in einem vergleichsweise großen Meßbereich genaue Meßresultate erzielt, und eine einfach zu justierende Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu zeigen.The invention seeks to remedy this. The invention, as characterized in the independent claims, solves the task of a method for measuring forces indicate which in a comparatively large measuring range accurate measurement results achieved, and an easy to adjusting device for performing the method demonstrate.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß keine schädlichen Rückkopplungen auf das Meßsignal auftreten können, da die Kraftwirkungen auf das Pendel impulsfrei durch Gleichspannung kompensiert werden. Die Empfindlichkeit der Kraftmessung kann dadurch erheblich gesteigert werden. Ferner ist die Kraftmeßeinrichtung vergleichsweise einfach zu justieren, da bestehende quadratische Abhängigkeiten sich nicht auf die Meßgenauigkeit auswirken.The advantages achieved by the invention are in essential to see that no harmful feedback can occur on the measurement signal because the Effects of force on the pendulum impulse-free through direct voltage be compensated. The sensitivity of the force measurement can be increased significantly. Furthermore is the force measuring device is comparatively simple adjust because existing quadratic dependencies do not affect the measuring accuracy.
Es zeigtIt shows
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Kraftmeßeinrichtung, Fig. 1 shows a first embodiment of a force measuring device,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Kraftmeßeinrichtung, und Fig. 2 shows a second embodiment of a force measuring device, and
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer Kraftmeßeinrichtung. Fig. 3 shows a third embodiment of a force measuring device.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung mit einem elektrostatisch kompensierten Pendel 1. Das Pendel 1 ist in einer schematisch angedeuteten, elektrisch isolierenden oder mindestens hochohmig mit einem Referenzpotential der Schaltung verbundenen Lagerung 2 kippbar gelagert. Die mechanische Rückstellkraft der Lagerung 2 ist dabei möglichst klein zu halten in bezug auf die zu messende Kraft. Ein Paar Meßelektroden 3, 4 ist symmetrisch beidseits des Pendels 1 angeordnet. Die Meßelektroden 3, 4 werden von einer einseitig geerdeten oder einseitig mit dem Referenzpotential der Schaltung verbundenen Wechselspannungsquelle 5 über einen Transformator 6 mit einer symmetrischen, in der Mitte geerdeten Sekundärwicklung 7 mit Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich von etwa 5 bis 200 kHz, vorzugsweise von etwa 20 bis 40 kHz beaufschlagt, welche als Trägerfrequenz der Kraftmeßeinrichtung oder als Trägerfrequenz des Systems bezeichnet wird. Beidseits des Pendels 1 ist zudem ein Paar Kraftkompensationselektroden 8, 9 symmetrisch angeordnet. Fig. 1 shows a first embodiment of a force measuring device according to the invention with an electrostatically compensated pendulum 1. The pendulum 1 is tiltably supported in a schematically indicated, electrically insulating or at least high-resistance connection 2 connected to a reference potential of the circuit. The mechanical restoring force of the bearing 2 is to be kept as small as possible in relation to the force to be measured. A pair of measuring electrodes 3, 4 is arranged symmetrically on both sides of the pendulum 1 . The measuring electrodes 3, 4 are from a one-sided grounded or one-sided with the reference potential of the circuit AC voltage source 5 via a transformer 6 with a symmetrical, grounded secondary winding 7 with AC voltage with a frequency in the range of about 5 to 200 kHz, preferably of about 20 to 40 kHz, which is called the carrier frequency of the force measuring device or the carrier frequency of the system. A pair of force compensation electrodes 8, 9 are also arranged symmetrically on both sides of the pendulum 1 .
Die symmetrische Sekundärwicklung 7 des Transformators 6 bildet zusammen mit den Kapazitäten zwischen den Meßelektroden 3, 4 und dem Pendel 1 eine Brückenschaltung. Diese Brückenschaltung weist einen Ausgang 10 auf, welcher direkt mit dem Pendel 1 verbunden ist. Der Ausgang 10 ist gleichzeitig mit einem Eingang einer Auswerteeinheit 11 verbunden.The symmetrical secondary winding 7 of the transformer 6 forms, together with the capacitances between the measuring electrodes 3, 4 and the pendulum 1, a bridge circuit. This bridge circuit has an output 10 which is connected directly to the pendulum 1 . The output 10 is simultaneously connected to an input of an evaluation unit 11 .
In der Ruhelage des Pendels 1 ist die Brückenschaltung abgeglichen. Bei einer Auslenkung des Pendels 1 aus der Ruhelage entsteht ein Differenzsignal, welches als Eingangsstrom in einen invertierenden Eingang eines rauscharmen Transimpedanzverstärkers 12 fließt. Die Amplitude dieses Stromes ist abhängig von der Größe der Auslenkung des Pendels 1 aus der Ruhelage, die Phase des Eingangsstromes bezogen auf die Phase der Wechselspannungsquelle 5 ist abhängig von der Polarität der Auslenkung. Ein weiterer Eingang des Transimpedanzverstärkers 12 ist hier geerdet. Diese Erdung ist jedoch nicht in jedem Fall nötig. Zudem könnte, wenn ein integrierter Transimpedanzverstärker eingesetzt würde, dieser Eingang völlig fehlen. Eine Leitung 13 verbindet den Ausgang des Transimpedanzverstärkers 12 mit dem Eingang eines phasenempfindlichen Gleichrichters 14. Die Wechselspannungsquelle 5 ist über eine Leitung 17 mit dem Eingang einer Phasenabgleicheinrichtung 16 verbunden, deren Ausgang über eine Leitung 15 mit einem Referenzeingang des phasenempfindlichen Gleichrichters 14 verbunden ist. In der Phasenabgleicheinrichtung 16 werden Phasenverschiebungen im Signalpfad der Kraftmeßeinrichtung kompensiert, so daß eine an der Leitung 13 auftretende Signalspannung je nach Polarität der Auslenkung des Pendels 1 aus der Ruhelage entweder möglichst genau in Phase oder genau in Gegenphase ist mit einem an der Leitung 15 verfügbaren, von der Phasenabgleicheinrichtung 16 gelieferten Wechselspannungssignal.In the rest position of pendulum 1 , the bridge circuit is adjusted. When the pendulum 1 is deflected from the rest position, a differential signal is produced which flows as an input current into an inverting input of a low-noise transimpedance amplifier 12 . The amplitude of this current is dependent on the size of the deflection of the pendulum 1 from the rest position, the phase of the input current based on the phase of the AC voltage source 5 is dependent on the polarity of the deflection. Another input of the transimpedance amplifier 12 is grounded here. However, this grounding is not always necessary. In addition, if an integrated transimpedance amplifier were used, this input could be completely missing. A line 13 connects the output of the transimpedance amplifier 12 to the input of a phase-sensitive rectifier 14 . The AC voltage source 5 is connected via a line 17 to the input of a phase adjustment device 16 , the output of which is connected via a line 15 to a reference input of the phase-sensitive rectifier 14 . In the phase adjustment device 16 , phase shifts in the signal path of the force measuring device are compensated for, so that a signal voltage occurring on the line 13 , depending on the polarity of the deflection of the pendulum 1 from the rest position, is either as precisely as possible in phase or exactly in opposite phase with one available on line 15 . AC voltage signal supplied by the phase adjustment device 16 .
Vom Gleichrichter 14 wird ein phasenempfindlich gleichgerichtetes Signal über eine Leitung 18 einem PID-Regler 19 zugeführt, welcher eine Eingangsstufe mit einem nach dem bekannten Stand der Technik aufgebauten Tiefpaßfilter zur Unterdrückung der Trägerfrequenz und deren Oberwellen aufweist. Ein Ausgang des PID-Reglers 19 ist mit einer Klemme 20 verbunden, an welcher ein Meßsignal Us zur Weiterverarbeitung abgegriffen werden kann. Das Meßsignal Us beinhaltet nur Informationen, welche dem Frequenzspektrum der zu messenden Kraft entsprechen.From the rectifier 14 , a phase-sensitive rectified signal is fed via a line 18 to a PID controller 19 , which has an input stage with a low-pass filter constructed according to the known prior art for suppressing the carrier frequency and its harmonics. An output of the PID controller 19 is connected to a terminal 20 , at which a measurement signal U s can be tapped for further processing. The measurement signal U s only contains information which corresponds to the frequency spectrum of the force to be measured.
Der Ausgang des PID-Reglers 19 ist zudem elektrisch leitend mit einem Knoten 25 verbunden, welcher als Signalausgang der Auswerteeinheit 11 betrachtet wird und von welchem zwei Rückkopplungsleitungen 26, 27 zu jeweils einem Summierglied 28, 29 führen, und zwar führt die Rückkopplungsleitung 26 zu dem Summierglied 28 und die Rückkopplungsleitung 27 zum Summierglied 29. Die Summierglieder 28, 29 sind als analoge arithmetische Summierglieder ausgebildet. Das Summierglied 29 weist hier einen invertierenden Eingang auf und invertiert das Meßsignal Us. Lediglich eines der Summierglieder 28, 29 muß das Meßsignal Us invertieren, dabei ist es gleich welches Summierglied diese Aufgabe übernimmt. Jeweils ein weiterer, nicht invertierender Eingang der Summierglieder 28, 29 ist mit einer Gleichspannungsquelle 30 verbunden, welche eine konstante Gleichspannung Uo liefert. Das Summierglied 28 weist einen Ausgang auf, der mittels einer Leitung 31 über eine Abgleicheinrichtung 32 mit der Kraftkompensationselektrode 8 verbunden ist. Vom Ausgang des Summiergliedes 28 wird die Spannung (Uo+Us) abgegeben und die Kraftkompensationselektrode 8 damit beaufschlagt. Das Summierglied 29 weist einen Ausgang auf, der über eine Leitung 33 mit der Kraftkompensationselektrode 9 verbunden ist. Vom Ausgang des Summiergliedes 29 wird die Spannung (Uo+Us) abgegeben und die Kraftkompensationselektrode 9 damit beaufschlagt. Die Abgleicheinrichtung 32 ermöglicht einen Ausgleich von verschiedenen Spannungsempfindlichkeiten der Kraftkompensationselektroden 8, 9, wie sie beispielsweise durch kleinere Unsymmetrien im mechanischen Aufbau derselben hervorgerufen werden können.The output of the PID controller 19 is also electrically conductively connected to a node 25 , which is regarded as the signal output of the evaluation unit 11 and from which two feedback lines 26, 27 each lead to a summing element 28, 29 , namely the feedback line 26 leads to the Summing element 28 and the feedback line 27 to the summing element 29 . The summing elements 28, 29 are designed as analog arithmetic summing elements. The summing element 29 here has an inverting input and inverts the measurement signal U s . Only one of the summing elements 28, 29 has to invert the measurement signal U s , it does not matter which summing element takes over this task. In each case a further, non-inverting input of the summing elements 28, 29 is connected to a DC voltage source 30 , which supplies a constant DC voltage U o . The summing element 28 has an output which is connected to the force compensation electrode 8 by means of a line 31 via a balancing device 32 . The voltage (U o + U s ) is emitted from the output of the summing element 28 and the force compensation electrode 8 is acted upon with it. The summing element 29 has an output which is connected to the force compensation electrode 9 via a line 33 . The voltage (U o + U s ) is emitted from the output of the summing element 29 and the force compensation electrode 9 is acted upon by it. The balancing device 32 enables balancing of different voltage sensitivities of the force compensation electrodes 8, 9, as can be caused, for example, by smaller asymmetries in the mechanical structure thereof.
Im Ruhezustand, wenn keinerlei Kräfte auf das Pendel 1 einwirken, wird es durch die an die Kraftkompensationselektroden 8, 9 angelegte Gleichspannung Uo, die stets größer ist als das größte zu erwartende Meßsignal Us in der Ruhestellung genau in der Mitte zwischen den Kraftkompensationselektroden 8, 9 gehalten. Die Kraftmeßeinrichtung gibt dann kein Meßsignal Us ab. Sobald jedoch mechanische Kräfte auf das Pendel 1 einwirken, beispielsweise nach oben, wird dieses nach oben ausgelenkt und das elektrische Feld zwischen den Meßelektroden 3, 4 und dem Pendel 1 wird verändert, was zur Folge hat, daß in dem Pendel 1 ein Strom zu fließen beginnt. Hier muß darauf geachtet werden, daß die Frequenz der Änderungen der einwirkenden Kräfte wesentlich niedriger ist als die Frequenz der das Pendel 1 beaufschlagenden Wechselspannung, denn nur so kann verzerrungsfrei gemessen werden. Der dann durch das Pendel 1 fließende Strom wird im rauscharmen Transimpedanzverstärker 12 verstärkt und danach im phasenempfindlichen Gleichrichter 14 gleichgerichtet. Etwaige Phasenverschiebungen werden durch Vergleich mit der speisenden Wechselspannung über die Phasenabgleicheinrichtung 16 korrigiert. Der gleichgerichtete Strom durchläuft den PID-Regler 19 und ist an der Klemme 20 als Gleichspannungs-Meßsignal Us verfügbar. Gleichzeitig wird das Meßsignal Us über die Summierglieder 28 und 29 rückgekoppelt auf die Kraftkompensationselektroden 8, 9 und übt so eine zusätzliche Rückstellkraft auf das Pendel 1 aus, welches in die Ruhestellung gedrückt wird.In the idle state, when no forces are acting on the pendulum 1 , the direct voltage U o applied to the force compensation electrodes 8, 9 , which is always greater than the largest measurement signal U s to be expected in the rest position, causes it to be exactly in the middle between the force compensation electrodes 8 , 9 held. The force measuring device then does not emit a measurement signal U s . However, as soon as mechanical forces act on the pendulum 1 , for example upwards, it is deflected upwards and the electric field between the measuring electrodes 3, 4 and the pendulum 1 is changed, with the result that a current flows in the pendulum 1 begins. It must be ensured here that the frequency of the changes in the forces acting is substantially lower than the frequency of the alternating voltage acting on the pendulum 1 , since this is the only way to measure without distortion. The current then flowing through the pendulum 1 is amplified in the low-noise transimpedance amplifier 12 and then rectified in the phase-sensitive rectifier 14 . Any phase shifts are corrected by comparison with the supplying AC voltage via the phase adjustment device 16 . The rectified current passes through the PID controller 19 and is available at the terminal 20 as a DC voltage measurement signal U s . At the same time, the measurement signal U s is fed back via the summing elements 28 and 29 to the force compensation electrodes 8, 9 and thus exerts an additional restoring force on the pendulum 1 , which is pressed into the rest position.
Zur weiteren Erläuterung sollen noch Gleichungen betrachtet werden, welche die Pendelbelastungen charakterisieren. Die Kraftmeßeinrichtung ist im Gleichgewicht, wenn folgende Beziehung gilt:Equations should be considered for further explanation which characterize the pendulum loads. The Force measuring device is in balance when following Relationship applies:
FT = F₈ - F₉ + FM = 0 (Gleichung A)F T = F₈ - F₉ + F M = 0 (equation A)
Dabei bedeutet FT die totale Kraft, die auf das Pendel 1 einwirkt. Die Kraft FT muß im Gleichgewichtszustand Null sein. F₈ ist die von der Kraftkompensationselektrode 8 auf das Pendel 1 einwirkende Kraft. F₉ ist die von der Kraftkompensationselektrode 9 auf das Pendel 1 einwirkende Kraft. FM ist die auf das Pendel 1 einwirkende zu messende mechanische Kraft. F T means the total force that acts on pendulum 1 . The force F T must be zero in the state of equilibrium. F₈ is the force acting on the pendulum 1 from the force compensation electrode 8 . F₉ is the force acting on the pendulum 1 from the force compensation electrode 9 . F M is the mechanical force to be measured acting on the pendulum 1 .
Die Kräfte F₈ und F₉ sind durch folgende Gleichungen definiert:The forces F₈ and F₉ are given by the following equations Are defined:
F₈ = K₁ · (Uo + Us)² (Gleichung B)F₈ = K₁ · (U o + U s ) ² (equation B)
F₉ = K₂ · (Uo - Us)² (Gleichung C)F₉ = K₂ · (U o - U s ) ² (equation C)
Durch die Abgleicheinrichtung 32 wird sichergestellt, daß stets gilt:The adjustment device 32 ensures that the following always applies:
K₁ = K₂ (Gleichung D)K₁ = K₂ (equation D)
Dabei ist K₁ eine Systemkonstante. Uo ist der Wert der durch die Gleichspannungsquelle 30 gelieferte Gleichspannung und Us ist der Wert der Meßsignals. Die Gleichspannung Uo ist dabei stets größer als das größte zu erwartende Meßsignal Us.K₁ is a system constant. U o is the value of the DC voltage supplied by the DC voltage source 30 and U s is the value of the measurement signal. The DC voltage U o is always greater than the largest measurement signal U s to be expected.
Unter Benutzung der Gleichungen B, C und D wird aus der Gleichung A die folgende Beziehung:Using equations B, C and D, the Equation A has the following relationship:
FT = 4 · K₁ · Uo · Us + FM = 0 (Gleichung E)F T = 4 · K₁ · U · U s o + F M = 0 (Equation E)
Aus der Gleichung E ergibt sich vereinfacht die folgende Beziehung:The following results from the equation E in a simplified manner Relationship:
Us = K · FM U s = K · F M
Dabei ist K als eine resultierende Systemkonstante der Kraftmeßeinrichtung anzusehen.Here, K is a resulting system constant To view force measuring device.
Das Meßsignal Us ist also direkt proportional zur zu messenden Kraft FM. Durch die mechanische Subtraktion der beiden Kräfte F₈ und F₉ entfallen die quadratischen Terme und der Zusammenhang zwischen der zu messenden Kraft FM und dem Meßsignal Us wird linear. Dies hat zur Folge, daß sehr vorteilhaft eine optimale Auslegung der Rückkopplungsschleife möglich ist, da der Verstärkungsfaktor der offenen Schleife konstant und unabhängig von der Größe der zu messenden Kraft FM bleibt. Damit wird eine sehr genaue Kraftmeßeinrichtung mit hoher Dynamik und einfacher Kompensation einer allfälligen mechanischen Nullpunktverschiebung des Pendels 1 geschaffen.The measurement signal U s is therefore directly proportional to the force F M to be measured. The mechanical subtraction of the two forces F Kräfte and F₉ eliminates the quadratic terms and the relationship between the force F M to be measured and the measurement signal U s becomes linear. This has the consequence that an optimal design of the feedback loop is very advantageously possible, since the gain factor of the open loop remains constant and independent of the magnitude of the force F M to be measured. This creates a very precise force measuring device with high dynamics and simple compensation for any mechanical zero point shift of the pendulum 1 .
Fig. 2 zeigt eine zweite, gegenüber der ersten etwas vereinfachte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung. Beidseits des Pendels 1 ist nur ein Paar Elektroden 38, 39 angeordnet, die gleichzeitig als Meß- und auch als Kraftkompensationselektroden wirken. Das eine Ende der symmetrischen, in der Mitte geerdeten Sekundärwicklung 7 des Transformators 6 ist über einen Koppelkondensator 40 mit der Elektrode 38 verbunden, das andere Ende über einen Koppelkondensator 41 mit der Elektrode 39. Ferner ist der Elektrode 38 ein ohmscher Widerstand 42 vorgeschaltet, der Elektrode 39 ist ein ohmscher Widerstand 42 vorgeschaltet. Fig. 2 shows a second, somewhat simplified embodiment of a force measuring device according to the invention. On both sides of the pendulum 1 , only a pair of electrodes 38, 39 are arranged, which act simultaneously as measuring and also as force compensation electrodes. One end of the symmetrical secondary winding 7 , which is grounded in the middle, of the transformer 6 is connected to the electrode 38 via a coupling capacitor 40 , the other end via a coupling capacitor 41 to the electrode 39 . Further, the electrode 38 is connected upstream of a resistor 42, the electrode 39 is an ohmic resistor connected upstream of the 42nd
Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei die Fig. 2 näher betrachtet. Den Elektroden 38, 39 wird die von der Sekundärwicklung 7 des Transformators 6 gelieferte trägerfrequente Wechselspannung zugeführt. Zudem wird der Elektrode 38 über das Summierglied 28 die Gleichspannung (Uo+Us) und der Elektrode 39 über das Summierglied 29 die Gleichspannung (Uo-Us) zugeführt. Die Trägerfrequenz der Wechselspannung liegt stets weit oberhalb des Frequenzspektrums der zu messenden Kraft FM, so daß die Summation der Spannungen jeweils mittels einfacher RC-Netzwerke, bestehend aus den Widerständen 42, 43 und den Koppelkondensatoren 40, 41, möglich ist. Diese RC-Netzwerke entkoppeln die unterschiedlichen Signalquellen voneinander und verhindern eine gegenseitige Beeinflussung. Die Funktionsweise ist im übrigen gleich wie bei der Schaltung nach Fig. 1.To explain the operation of the FIG. 2 will be considered in more detail. The carrier-frequency AC voltage supplied by the secondary winding 7 of the transformer 6 is fed to the electrodes 38, 39 . In addition, the electrode 38 is supplied with the direct voltage (U o + U s ) via the summing element 28 and the direct voltage (U o -U s ) is supplied with the electrode 39 via the summing element 29 . The carrier frequency of the AC voltage is always far above the frequency spectrum of the force F M to be measured, so that the summation of the voltages is possible in each case by means of simple RC networks consisting of the resistors 42, 43 and the coupling capacitors 40, 41 . These RC networks decouple the different signal sources from one another and prevent mutual interference. The mode of operation is otherwise the same as in the circuit according to FIG. 1.
Weitere Schaltungsvarianten sind möglich, so daß die Kraftmeßeinrichtung den jeweiligen Betriebsanforderungen bezüglich Genauigkeit und Schnelligkeit der Messung leicht angepaßt werden kann. Ferner ist es möglich an den entsprechenden Stellen der Schaltung Filter, angepaßte Baugruppen und weitere Verstärker einzubauen, um ein optimales Meßsignal zu erhalten. Allen diesen Schaltungsvarianten ist jedoch das Merkmal gemeinsam, daß mittels eines Elektrodenpaares ein Pendel mittels elektrostatischer Kräfte in die Nullage zurückgestellt wird, wobei eine der Elektroden mit der Summe einer konstanten Spannung und des Meßsignals und die andere mit der Differenz der gleichen konstanten Spannung und des Meßsignales beaufschlagt wird.Further circuit variants are possible, so that the Force measuring device the respective operating requirements in terms of accuracy and speed of the measurement easily can be adjusted. It is also possible to corresponding points of the circuit filter, adapted Install modules and other amplifiers to achieve an optimal Obtain measurement signal. All of these circuit variants however, the feature is common that by means of of a pair of electrodes a pendulum by means of electrostatic Forces is reset to zero, one of the Electrodes with the sum of a constant voltage and the Measurement signal and the other with the difference of the same constant voltage and the measurement signal is applied.
Die Kraftmeßeinrichtung gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der gemäß Fig. 1 lediglich dadurch, daß das Pendel 1 geerdet und nicht mehr direkt mit dem Transimpedanzverstärker 12 verbunden ist, und daß statt dessen die Mitte der Sekundärwicklung 7 des Transformators 6 über die Klemme 10 mit dem Transimpedanzverstärker 12 elektrisch leitend verbunden ist. Der Strom wird hier von der Mitte der Sekundärwicklung 7 abgegriffen und danach weiterverarbeitet, wie bereits in der Beschreibung zur Fig. 1 geschildert.1, the force measuring device shown in Fig. 3 differs from that of FIG. Only in that the pendulum 1 is grounded and is no longer directly connected to the transimpedance amplifier 12, and that, instead, the center of the secondary winding 7 of the transformer 6 via the terminal 10 with the transimpedance amplifier 12 is electrically conductively connected. The current is tapped here from the center of the secondary winding 7 and then processed further, as already described in the description of FIG. 1.
Claims (9)
daß für die Kraftkompensation gleiches und konstantes Potential an die mindestens zwei Kraftkompensationselektroden (8, 9) angelegt wird,
daß der mindestens eine Strom in der Auswerteeinheit (11) in ein gleichgerichtetes Meßsignal (Us) umgewandelt und danach dem Potential der Kraftkom pensationselektroden (8, 9) überlagert wird, und
daß diese Überlagerung so erfolgt, daß die eine Kraftkompensationselektrode mit der Summe und die entgegengesetzte Kraftkompensationselektrode mit der Differenz aus angelegtem Potential und dem Meßsignal (Us) beaufschlagt wird.1. Method for measuring forces by means of a sensor containing at least one electrostatically force-compensated pendulum ( 1 ), in which the at least one pendulum ( 1 ) between at least one pair of alternating voltage-loaded measuring electrodes ( 3, 4 ) and at least one pair of force compensation electrodes ( 8, 9 ) is pivotally positioned, from which pendulum ( 1 ) at least one current is fed into an evaluation unit ( 11 ) for further processing, characterized in that
that the same and constant potential is applied to the at least two force compensation electrodes ( 8, 9 ) for the force compensation,
that the at least one current in the evaluation unit ( 11 ) is converted into a rectified measurement signal (U s ) and then the potential of the power compensation electrodes ( 8, 9 ) is superimposed, and
that this superposition takes place in such a way that one force compensation electrode is subjected to the sum and the opposite force compensation electrode is subjected to the difference between the applied potential and the measurement signal (U s ).
daß jede der Kraftkompensationselektroden (8, 9) mittels jeweils einer Verbindung elektrisch leitend mit dem gleichen Pol einer konstanten Gleichspannungsquelle (30) verbunden ist,
daß in jeder dieser Verbindungen ein Summierglied (28, 29) zwischengeschaltet ist, und
daß jedes der Summierglieder (28, 29) mit einem Signalausgang der Auswerteeinheit (11) in Wirkverbindung steht.2. Device for carrying out the method according to claim 1 with at least one sensor containing at least one electrostatically force-compensated pendulum ( 1 ), in which the at least one pendulum ( 1 ) between at least one pair of alternating voltage-loaded measuring electrodes ( 3, 4 ) and at least one pair of force compensation electrodes ( 8, 9 ) is pivotably positioned, and with an evaluation unit ( 11 ) that is operatively connected to the sensor, characterized in that
that each of the force compensation electrodes ( 8, 9 ) is electrically conductively connected to the same pole of a constant DC voltage source ( 30 ) by means of a respective connection,
that a summing element ( 28, 29 ) is interposed in each of these connections, and
that each of the summing elements ( 28, 29 ) is in operative connection with a signal output of the evaluation unit ( 11 ).
daß das Pendel (1) mit einem Eingang eines rauscharmen Transimpedanzverstärkers (12) verbunden ist,
daß ein Ausgang des Transimpedanzverstärkers (12) mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter (14) verbunden ist,
daß der Gleichrichter (14) über eine Phasenabgleicheinrichtung (16) mit der Wechselspannungsquelle (5) verbunden ist, und
daß ein Ausgang des Gleichrichters (14) über einen PID-Regler (19) mit dem Signalausgang der Auswerteeinheit (11) verbunden ist.3. Device according to claim 2, characterized in
that the pendulum ( 1 ) is connected to an input of a low-noise transimpedance amplifier ( 12 ),
that an output of the transimpedance amplifier ( 12 ) is connected to a phase-sensitive rectifier ( 14 ),
that the rectifier ( 14 ) is connected to the AC voltage source ( 5 ) via a phase adjustment device ( 16 ), and
that an output of the rectifier ( 14 ) is connected via a PID controller ( 19 ) to the signal output of the evaluation unit ( 11 ).
daß jede der Elektroden (38, 39) des mindestens einen Paares mittels jeweils einer ersten Verbindung elektrisch leitend mit dem gleichen Pol einer konstanten Gleichspannungsquelle (30) verbunden ist,
daß in jeder der ersten Verbindungen ein ohmscher Widerstand (42, 43) und ein Summierglied (28, 29) zwischengeschaltet ist,
daß jedes der Summierglieder (28, 29) mit einem Signalausgang der Auswerteeinheit (11) in Wirkverbindung steht,
daß jede der Elektroden (38, 39) des mindestens einen Paares zudem mittels jeweils einer zweiten Verbindung mit unterschiedlichen Klemmen einer Wechselspannungsquelle verbunden ist, und
daß in jeder der zweiten Verbindungen ein Koppelkondensator (40, 41) zwischengeschaltet ist.6. Device for performing the method according to claim 1 with at least one at least one electrostatically force-compensated pendulum ( 1 ) containing sensor in which the at least one pendulum ( 1 ) between at least a pair of electrodes ( 38, 39 ) is pivotally positioned, and with one evaluation unit ( 11 ) in operative connection with the sensor, characterized in that
that each of the electrodes ( 38, 39 ) of the at least one pair is electrically conductively connected to the same pole of a constant DC voltage source ( 30 ) by means of a first connection,
that an ohmic resistor ( 42, 43 ) and a summing element ( 28, 29 ) are interposed in each of the first connections,
that each of the summing elements ( 28, 29 ) is operatively connected to a signal output of the evaluation unit ( 11 ),
that each of the electrodes ( 38, 39 ) of the at least one pair is also connected to different terminals of an AC voltage source by means of a second connection, and
that a coupling capacitor ( 40, 41 ) is interposed in each of the second connections.
daß das Pendel (1) mit einem Eingang eines rauscharmen Transimpedanzverstärkers (12) verbunden ist,
daß ein Ausgang des Transimpedanzverstärkers (12) mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter (14) verbunden ist,
daß der Gleichrichter (14) über eine Phasenabgleicheinrichtung (16) mit der Wechselspannungsquelle verbunden ist, und
daß ein Ausgang des Gleichrichters (14) über einen PID-Regler mit dem Signalausgang der Auswerteeinheit (11) verbunden ist.7. Device according to claim 6, characterized in
that the pendulum ( 1 ) is connected to an input of a low-noise transimpedance amplifier ( 12 ),
that an output of the transimpedance amplifier ( 12 ) is connected to a phase-sensitive rectifier ( 14 ),
that the rectifier ( 14 ) is connected to the AC voltage source via a phase adjustment device ( 16 ), and
that an output of the rectifier ( 14 ) is connected to the signal output of the evaluation unit ( 11 ) via a PID controller.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH210089 | 1989-06-06 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4014205A1 true DE4014205A1 (en) | 1990-12-13 |
Family
ID=4225878
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19904014205 Withdrawn DE4014205A1 (en) | 1989-06-06 | 1990-05-03 | Measuring force by sensor electrostatic force - contg. compensating pendulum pivoted between measuring and force compensating electrodes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE4014205A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19857124A1 (en) * | 1998-12-11 | 2000-07-06 | Eidgenoess Tech Hochschule | Force sensor system has first electrode with second electrode for force absorbtion |
| DE102014003118B4 (en) | 2014-03-11 | 2023-06-29 | Alexander Spethmann | Measuring device for the simultaneous measurement of the forces of charged and uncharged particles and electrical currents at the same location |
-
1990
- 1990-05-03 DE DE19904014205 patent/DE4014205A1/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19857124A1 (en) * | 1998-12-11 | 2000-07-06 | Eidgenoess Tech Hochschule | Force sensor system has first electrode with second electrode for force absorbtion |
| DE19857124C2 (en) * | 1998-12-11 | 2002-04-18 | Eidgenoess Tech Hochschule | Force sensor system |
| DE102014003118B4 (en) | 2014-03-11 | 2023-06-29 | Alexander Spethmann | Measuring device for the simultaneous measurement of the forces of charged and uncharged particles and electrical currents at the same location |
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| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |