DE68908405T2

DE68908405T2 - Gegen beeinflussung durch mechanische spannungen kompensierter messaufnehmer.

Info

Publication number: DE68908405T2
Application number: DE89907517T
Authority: DE
Inventors: Brian Norling
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1989-06-06
Publication date: 1994-03-10
Anticipated expiration: 2009-06-07
Also published as: US4932258A; WO1990000254A1; IL90371A0; JPH02502756A; EP0407472B1; EP0407472A1; DE68908405D1; JPH0650320B2; USRE34631E; EP0407472A4

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Meßwertaufnehmer zur Erfassung einer Beschleunigung, insbesondere einen Meßwertaufnehmer, bei dem eine Prüfmasse freitragend an einer Halterung befestigt ist, die mit einer unausgewogenen Kraft beaufschlagt ist.

Hintergrundinformation

Bei bestimmten Meßwertaufnehmern nach dem Stand der Technik ist eine Seite eines tragenden, kreisförmigen Ringes freitragend zwischen zwei gegenüberliegenden Polgehäusen eingespannt. Ein Paar Biegescharniere erstrecken sich von der gegenüberliegenden Seite des Rings einwärts, um eine scheibenförmige Prüfmasse zu halten. Die Prüfmasse umfaßt auf jeder Seite eine dort befestigte Momentspule, die bei einer Lageänderung der Prüfmasse wirksam wird, um die Masse in eine mittige Position zwischen den Polgehäusen zurückzubringen. Um die Spule herum ist eine plattierte Aufnehmer-Kondensatorfläche aufgebracht. Elektrische Leiter auf den Biegescharnieren verbinden die Momentspule und die Aufnehmer-Kondensatorfläche mit Anschlüssen auf der Halterung. Ein typisches Beispiel eines solchen Meßwertaufnehmers ist in dem US-Patent 4,250,757 näher erläutert, das dem gleichen Inhaber übertragen wurde, wie die vorliegende Erfindung.
In bezug auf solche Meßwertaufnehmer tritt ein Problem auf, wenn auf den Haltering eine Kraft in einer Richtung quer zur Ebene des Rings aufgebracht wird, die zur Ablenkung des Rings führt. Die lineare und Winkelablenkung des Halteringes wird durch die Biegescharniere auf die Prüfmasse übertragen und führt zu einer Verschiebung eines Kapazitätsschwerpunktes, d.h. der effektiven Mitte der Aufnehmer-Kondensatorfläche für kleine Auslenkungen, aus ihrer normalen Position annähernd zentrisch zwischen dem oberen und unteren Polgehäuse. Die Momentspule antwortet auf die Verschiebung des Kapazitätsschwerpunktes durch Zurückbringen der Prüfmasse in ihre vorherige Lage. Da das Zurückbringen der Prüfmasse zu einer Beugung der Biegescharniere führt, ist ein ständiges Rückstellmoment erforderlich, um das durch die Biegescharniere aufgebrachte Moment auszugleichen. Daher enthält das Ausgangssignal des Meßwertauf nehmers eine Vorspannungsverschiebungskomponente.
Äußere unausgewogene Krä.f te, die auf die Halterung der Prüfmasse aufgebracht werden, können verschiedene Ursachen haben. Zum Beispiel: a) die Goldanschlußdrähte, die die Verbindung zur Halterung herstellen, können eine bleibende Kraft ausüben, die über die Zeit infolge der Kriecheigenschaften von Gold nachläßt; b) ein elastisches Dämpfungsmaterial, das auf die Halterung aufgebracht ist, kann infolge thermischer Veränderungen der Umgebung eine unausgewogene Kraft auf die Anordnung ausüben; c) die Anhäufung statischer Ladungen kann entweder eine anziehende oder eine abstoßende Kraft zwischen der Halterung und einer angrenzenden Oberfläche erzeugen; und d) Vorbelastungsänderungen und thermisch veränderliche Verzerrungen können entstehen, wenn der freitragende Abschnitt der Halterung einen angrenzenden Teil des Polgehäuses durch Verunreinigungen oder Montagefehler berührt.
Eine dynamische Quelle unausgewogener, auf die Halterung der Prüfmasse aufgebrachter Kraft kann durch die Belastung der Halterung mit einer "g"-Kraft (Beschleunigungskraft) verursacht werden. In diesem Fall ist die Vorspannungsverschiebung eine lineare Funktion der Beschleunigung und tritt dadurch als Verschiebung des Skalierungsfaktors des Meßwertaufnehmers in Erscheinung. Solch eine ersichtliche Verschiebung des Skalierungsfaktors kann bei Auftreten mit der Zeit ein wesentliches Problem verursachen, wenn der Meßwertaufnehmer Vibrationen bei einer Frequenz ausgesetzt wird, die in der Nähe der Resonanzfrequenz der Halterung liegt. Der Über-Alles-Effekt einer solchen, dynamisch bedingten Belastung der Halterung zeigt sich als Schwingungs-Gleichrichtungsfehler in verschiedenen Frequenzbereichen.
Ob durch statisch oder dynamisch bedingte unausgewogene Belastung verursacht, kann eine Ablenkung des Halteelementes ein unerwünschtes Vorspannungsverschiebungs- oder -fehlersignal im Ausgangssignal von Meßwertaufnehmern der bekannten, oben beschriebenen Art verursachen. Die vorliegende Erfindung strebt danach, die Ablenkung der Halterung durch solch eine Kraft zu kompensieren, wodurch auch immer verursacht, und dadurch die Vorspannungsverschiebung und den dynamischen Fehler im Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers zu minimieren, die sonst auftreten würden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf einen Meßwertaufnehmer der oben beschriebenen Art, bei dem eine bewegliche Prüfmasse auf ihrer Oberfläche eine plattierte Aufnehmer-Kondensatorfläche aufweist. Zu der Aufnehmer-Kondensatorfläche gehört ein Kapazitätsschwerpunkt. Die Prüfmasse ist mit einer Seite der Halterung über einen nachgiebigen Kragarm verbunden und daher in einer im wesentlichen quer zur Ebene einer Oberfläche der Halterung angeordneten Richtung beweglich. Die Halterung ist freitragend in einer Polgehäusebaugruppe montiert.
Der Meßwertaufnehmer enthält ferner eine Einrichtung zur Erkennung einer Bewegungsänderung des Meßwertaufnehmers in der Querrichtung durch Erfassung einer Lageänderung der Aufnehmer-Kondensatorfläche, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Rückstellsignals zur Beseitigung der Lageänderung und Erzeugung eines Ausgangssignals, das eine Funktion des Rückstellsignals und daher kennzeichnend für die Bewegungsänderung ist.
Eine auf die Halterung aufgebrachte unausgewogene Kraft mit einer Komponente in der Querrichtung wird erfindungsgemäß auf verschiedene Weisen kompensiert. Die grundlegende Voraussetzung für die Lieferung einer solchen Kompensation durch die Erfindung ist, daß der Kapazitätsschwerpunkt auf einer Ablenkachse angeordnet werden muß, um die die Halterung unter der auf gebrachten unausgewogenen Kraft abgelenkt wird, so daß der Kapazitätsschwerpunkt durch diese Kraft nicht abgelenkt wird. Näherungsweise kann diese Bedingung erreicht werden durch Verändern der Anordnung einer Vielzahl von Anschlußstücken zwischen der Halterung und Polgehäusebaugruppe, in der die Halterung montiert ist. Anstatt weit verteilt zu sein, wie bei bekannten Konstruktionen, sind die Anschlußstücke dicht beieinander auf einem relativ kurzen Abschnitt der Halterung gegenüber der Seite gruppiert, an der der Kragarm die Aufnehmer-Kapazität mit der Halterung verbindet. Die dichte Gruppierung der Befestigungs-Anschlußstücke in dieser Form verschiebt die Achse, um die die Halterung unter der auf gebrachten unausgewogenen Kraft abgelenkt wird, so daß sie durch den Kapazitätsschwerpunkt verläuft.
In dem Fall, daß die unausgewogene Kraft auf die Halterung an einem näher an der einen Kante des Kragarms als an der anderen Kante liegenden Punkt ausgeübt wird, umf aßt die Kompensation die Bereitstellung einer größeren Kondensatorfläche auf einer von diesem Punkt weiter entfernten Seite der Prüfmasse, als auf einer hierzu näheren Seite, wodurch der Kapazitätsschwerpunkt auf die Ablenkachse verschoben wird.
In einer weiteren Ausführung umfaßt die Halterung einen ersten und einen zweiten integrierten Schlitz, die zwei sich im wesentlichen zu einer mit der unausgewogenen Kraft beaufschlagten Seite der Halterung hin erstreckende Hebel definieren. An den Enden der Hebel sind Befestigungsanschlußstücke zwischen der Polgehäusebaugruppe und der Halterung angeordnet. Die Hebel dienen zur Verschiebung der Achse, um die die Halterung abgelenkt wird, so daß diese durch den Kapazitätsschwerpunkt verläuft, und kompensieren dadurch die auf die Halterung ausgeübte unausgewogene Kraft.
Die Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren zur Ausführung der Kompensation einer auf die Halterung ausgeübten unausgewogenen Kraft, wie oben beschrieben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt einen Querschnitt eines Meßwertaufnehmers, auf den die vorliegende Erfindung angewendet ist.
Figur 2 zeigt in einer Draufsicht die Prüfmasse und Halterung eines bekannten Meßwertaufnehmers.
Figur 3 zeigt in einer Ansicht eine Verlagerung des Kapazitätsschwerpunktes in Folge einer aufgebrachten Kraft, die zu einer Ablenkung (übertrieben) des Halterings des bekannten Meßwertaufnehmers gemäß Figur 2 führt.
Figur 4 zeigt in einer Draufsicht eine erste Ausführungsform der Prüfmasse und des Halterings mit der vorliegenden Erfindung.
Figur 5 zeigt in einer Ansicht die erste Ausführungsform gemäß Figur 4 nach Aufbringen einer unausgewogenen Kraft auf den Haltering.
Figur 6 ist eine Draufsicht und stellt die Prüfmasse und den Haltering einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei dem eine Ablenkkraft in der Nähe einer Kante eines nachgiebigen Biegescharniers ausgeübt ist.
Figur 7 ist eine Ansicht der zweiten Ausführungsform gemäß Figur 6 und stellt die Ablenkung (übertrieben) der Halterung dar, die von der aufgebrachten ungleichmäßigen Kraft verursacht wird.
Figur 8 zeigt in einer Draufsicht eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 9 zeigt in einer Ansicht die Folge einer ausgeübten Kraft, die eine Ablenkung (übertrieben) der Halterung der dritten Ausführungsform gemäß Figur 8 verursacht.
Figur 10 ist eine geometrische Darstellung eines freitragenden Haltearms und einer freitragenden Prüfmasse.
Figur 11 ist eine Ansicht der Darstellung gemäß Figur 10 nach Aufbringen einer Ablenkkraft.
Figur 12 zeigt eine mit der dritten Ausführungsform verwandte vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Drauf sicht.
Figur 13 zeigt die vierte Ausführungsform in einer Ansicht.
Figur 14 zeigt eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht.
Figur 15 zeigt die fünfte Ausführungsform in einer Ansicht.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein Meßwertaufnehmer 20 dargestellt, der verwendbar ist zur Erzeugung eines Signals, das eine Beschleunigung entlang einer bevorzugten Achse anzeigt. Der Meßwertaufnehmer 20 umfaßt ein erstes und zweites Polgehäuse 22 und 24, die jeweils entsprechend erste und zweite Magnete 26 und 28 enthalten, die in axial gegenüberliegender Ausrichtung angeordnet sind. Die Polgehäuse 22 und 24 stoßen pressend gegen Anschlußstücke 30, die auf gegenüberliegenden Flächen eines Halterings 32 angeordnet sind. Der Haltering 32 ist somit zwischen den Polgehäusen 22 und 24 entlang einer Seite seines Umfangs befestigt.
Eine scheibenförmige Prüfmasse 34 ist freitragend innerhalb des inneren Umfangs des Halteringes 32 durch einen Kragarm befestigt, der Biegescharniere 38 umf aßt, die sich von dem inneren Umfang des Halteringes 32 zu der Seite hin erstreckt, auf der die Anschlußstücke 30 angeordnet sind. Die Prüfmasse 34 hat eine im wesentlichen ebene Oberfläche, von der aus sich auf jeder Seite eine zylindrische Momentspule 36 erstreckt, die die Magnete 26 und 28 teilweise umfassen. Die gegenüberliegenden Oberflächen der Prüfmasse 34 (außerhalb des Umfangs der Momentspule 36) sind mit einer metallischen Lage beschichtet, die eine Aufnehmer-Kondensatorfläche 40 umfaßt. Mit der Aufnehmer-Kondensatorfläche 40 ist ein Kapazitätsschwerpunkt 42 verbunden, der als kapazitive Mitte der Aufnehmer-Kondensatorfläche definiert ist.
Eine bekannte Baugruppe aus Haltering und Prüfmasse ist in Figur 2 dargestellt, bei der der Kapazitätsschwerpunkt einschließlich der Streukapazität benachbarter leitender Flächen sich im wesentlichen auf einer Linie befindet, die sich zwischen den am weitesten voneinander entfernt angeordneten Halterungs-Anschlußstücken 30 befindet. Die Aufnehmer-Kondensatorfläche ist durch eine leitende Strecke 52 elektrisch angeschlossen, die eine metallische Lage umfaßt, die sich von der Aufnehmer-Kondensatorfläche 40 über die Biegescharniere 38 auf den Haltering 32 erstreckt. Eine Goldlitze 50 verbindet ein Ende der leitenden Strecke 52 und stellt eine leitende Verbindung zu der Polgehäusebaugruppe her.
Der bekannte Haltering 32 ist in weit voneinander beabstandeten Anschlußstücken 30 montiert (d. h., die End-Anschlußstücke 30 befinden sich etwa auf einem Durchmesser des Halterings, wie in Figur 2 dargestellt) und können einer unausgewogenen Kraft ausgesetzt sein, wie durch den Pfeil 44 in Figur 3 angedeutet, die eine Komponente in Richtung parallel zu der bevorzugten Achse aufweist. Die verschiedenen Quellen und Ursachen einer solchen Ablenkkraft, wie sie hier besprochen wird, brauchen nicht wiederholt zu werden. Wie in einer übertriebenen Darstellung in Figur 3 gezeigt, führt die Kraft 44 zu einer abwärts gerichteten Ablenkung des Halteringes 32. Die Abwärts-Ablenkung des Halterings 32 führt zu einer aufwärts gerichteten vertikalen Verschiebung 48 des Kapazitätsschwerpunktes 42. In Reaktion auf die Verschiebung 48 des Kapazitätsschwerpunktes 42 aus seiner "normalen" oder ursprünglichen Position, d. h. zentriert zwischen dem ersten und zweiten Polgehäuse 22 und 24, erzeugt die Momentspule 36 eine magnetische Rückstellkraft gegenüber dem ersten und zweiten Magneten 26 und 28, die ein Biegemoment um die Biegescharniere 38 erzeugt und den Kapazitätsschwerpunkt 42 in seine ursprüngliche Lage zurückbringt. Als Folge der Rückstellung durch die Momentspulen 36 enthält das Ausgangssignal des bekannten Meßwertaufnehmers, der in Figur 3 dargestellt ist, einen Vorspannungsfehler, d. h. eine Offset-Komponente.
Eine gedachte Linie, die sich von dem Punkt des Halteringes 32, auf den die Kraft 44 ausgeübt wird, in der Ebene der Prüfmasse 34 (vor der Rückstellbewegung der Momentspulen 36) erstreckt, dient als Bezug, um eine zweite Linie 46 zu definieren, die zu dieser rechtwinklig ist, ebenfalls in der Ebene der Prüfmasse 34 liegt und direkt über dem normalen Kapazitätsschwerpunkt 42 angeordnet ist. Die zweite Linie 46 wird unter Einfluß der Vorspannkraft 44 durch die Biegescharniere des Halterings 32 lateral verschoben, wie aus der bekannten Ausführungsform in Figur 3 deutlich zu sehen ist. Im Gegensatz dazu ist erfindungsgemäß die Prüfmasse 34 konstruiert, um um die zweite Linie 46 zu schwenken, die zur "Ablenkachse" wird.
In den Figuren 4 und 5 ist eine erste Annäherung zur Kompensation einer aufgebrachten unausgewogenen Kraft 44 dargestellt. In dieser ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die im Ganzen mit dem Bezugszeichen 100 versehen ist, ist der bekannte Meßwertauf nehmer gemäß Figuren 2 und 3 verändert durch Verlagern der äußeren Halte-Anschlußstücke 30, so daß diese dicht um die mittleren Halte-Anschlußstücke 30 gruppiert sind; dadurch sind alle Anschlußstücke 30 auf einem gegenüber der bekannten Konstruktion verhältnismaßig kürzeren Abschnitt des Halteringes 32 angeordnet. Zum Zwecke der Klarheit ist die Momentspule 36 weder bei dieser Ausführungsform noch in den Figuren, die andere erfindungsgemäße Ausführungsformen zeigen, dargestellt. Wie in Figur 5 gezeigt, tritt eine Ablenkachse 102 (definiert wie die Ablenkachse 46) durch den Kapazitätsschwerpunkt 42. Dadurch führt die unausgewogene Kraft 44 nicht zu einer Ablenkung des Kapazitätsschwerpunktes 42 aus seiner normalen Position und die Momentspule 36 erzeugt keine Rückstellkraft. Dadurch ist das Ausgangssignal des Meßwertauf nehmers frei von Vorspannungsfehlern infolge der Ablenkung des Halteringes 32.
In den Figuren 6 und 7 ist eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 120 versehen ist, bei der eine Ablenkkraft 132 auf den Haltering 32 an einem Punkt aufgebracht wird, der an einem wesentlich dichter an der einen Kante des Kragarms gelegen ist, als an der anderen Kante, d. h. näher dem einen Biegescharnier 38 als dem anderen. Ohne eine Einrichtung zur Kompensation der Kraft 132 würde ein bekannter Meßwertaufnehmer, wie er in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, ein Vorspannungsfehlersignal erzeugen als Folge der auf gebrachten unausgewogenen Kraft 132. Zur Kompensation der "außermittigen" Ablenkung des Halteringes 32 durch die Kraft 132, ist die zweite Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes 120 mit einem Kapazitätsschwerpunkt 128 ausgestattet, der von dem vorherigen Kapazitätschwerpunkt 42 verschoben ist. Die Änderung der Lage des Kapazitätsschwerpunktes 128 ist Folge der Bereitstellung einer asymmetrischen Anordnung der Aufnehmer-Kondensatorfläche. Eine verhältnismäßig größere plattierte Kondensatorfläche 124 ist auf einem Abschnitt der Prüfmasse 34 angeordnet, der verhältnismäßig weiter entfernt von dem Punkt ist, an dem die Kraft 132 ausgeübt wird, als eine zweite, kleinere Aufnehmer-Kondensatorfläche 122. Die relativen Größen und Anordnungen der Aufnehmer-Kondensatorflächen 124 und 122 sind so gewählt, daß der Kapazitätsschwerpunkt 128 auf die Ablenkachse 130 verschoben wird, die mit der Ablenkung des Halteringes 32 durch die aufgebrachte Kraft 132 verbunden ist. Durch das Zusammenfallen von Kapazitätsschwerpunkt 128 mit der Ablenkachse 130 wird der Kapazitätsschwerpunkt 128 nicht aus seiner normalerweise zwischen dem ersten und zweiten Polgehäuse 22 und 24 des Halteringes 32 zentrierten Lage verschoben; demzufolge enthält ein Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers, auf den die zweite Ausführungsform 120 angewendet wird, keinen Vorspannungsfehler. Ein in der Wirkung ähnlicher mechanischer Effekt kann erhalten werden durch Versteifen des Halteringes (auf der der Last näheren Seite) infolge Erhöhen der Breite oder Dicke oder infolge Verringern seiner Länge unter Verwendung einer Aufnehmer-Kondensatorfläche 40 anstelle der Flächen 124 und 122.
Eine dritte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, wie in den Figuren 8 und 9 dargestellt, ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 150 versehen. Bei dieser Ausführungsform sind auf einem Haltering 154 Hebel 152 vorgesehen und durch "L"-förmige Schlitze 156 definiert, die sich mit einem ersten Schenkel radial auswärts von dem inneren Umfang des Halterings 154 erstrecken und in einem zweiten Schenkel parallel zum Umfang liegen. Befestigungs-Anschlußstücke 30 sind an den äußeren Enden der Hebel 152 aufgebracht, die im wesentlichen auf einer sich durch den Kapazitätsschwerpunkt 42 erstreckenden Linie liegen. Mittig zwischen den Hebeln 152 und gegenüber den Biegescharnieren 38 sind, wie in der ersten Ausführungsform, weitere Befestigungs-Anschlußstücke 30 angeordnet. Wie in Figur 9 dargestellt, wird durch die Hebel 152 die Ablenkachse 102 so verschoben, daß sie mit dem Kapazitätsschwerpunkt 42 fluchtet. Wiederum führt eine auf den Haltering 154 ausgeübte Kraft 44 zu seiner Ablenkung um die Achse 102, verursacht jedoch keine Verlagerung des Kapazitätsschwerpunktes 42 aus seiner normalen Position. Als Folge davon weist das Ausgangssignal eines Meßwertauf nehmers mit der dritten Ausführungsform 150 keinen Vorspannungsfehler infolge der ausgeübten ungleichmäßigen Kraft 44 auf.
Eine in den Figuren 12 und 13 dargestellte vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 160 versehen. Ein Haltering 162 enthält einen bogenförmigen Schlitz 164 nahe den Biegescharnieren 38, zentriert in der radialen Ausdehnung des Ringes und endend jeweils nahe der Achse 102. Ein Paar Befestigungs-Anschlußstücke 30 sind gegenüber den Biegescharnieren 38 auf jeder Seite des Rings 162 angeordnet. Zusätzliche Paare schmaler Befestigungs-Anschlußstücke 166 sind auf jeder Seite des Halterings 162 vorgesehen, etwa ein Drittel des Umfangs des Halteringes beabstandet von den Befestigungs- Anschlußstücken 30. Eine nahe den Biegescharnieren 38 (d. h. auf dem Abschnitt radial innerhalb des Schlitzes 164) auf den Haltering 162 aufgebrachte Kraft 44 führt zu einer abwärts gerichteten Ablenkung des Halteringes um die Achse 102, jedoch wird der Kapazitätsschwerpunkt nicht aus seiner normalen Position abgelenkt. Der Schlitz 164 verschiebt daher die Biegeachse 102 so, daß sie durch den Kapazitätsschwerpunkt 42 verläuft.
Schließlich ist eine fünfte Ausführungsform in den Figuren 14 und 15 dargestellt und durch das Bezugszeichen 170 bezeichnet. Wie in Figur 14 deutlich gezeigt, ist eine Prüfmasse 172 gekürzt, um eine abgeflachte Seite 174 gegenüber den Biegescharnieren 38 zu bilden. Ein Haltering 176 ist mit Halte-Anschlußstücken 30 in allgemein üblicher Weise befestigt. Eine Aufnehmer-Kondensatorfläche 178 ist auf die Prüfmasse aufgebracht in einer im wesentlichen symmetrischen Form zur Mitte der Momentspule 36, so daß der Kapazitätsschwerpunkt 42 mit der Mitte der Momentspule und der Achse 102 zusammenfällt. Eine zur Ablenkung des Halteringes 176 um die Achse 102 aufgebrachte Kraft 44 führt lediglich dazu, daß die Momentspule um diese Achse schwenkt, lenkt jedoch nicht den Kapazitätsschwerpunkt ab.
Auch wenn es so erscheinen kann, daß die Kompensation einer aufgebrachten unausgewogenen Kraft 44 oder 132 durch geeignete Verschiebung entweder der Ablenkachse oder des Kapazitätsschwerpunktes von der Größe der ausgeübten Kraft abhängt, kann gezeigt werden, daß dies nicht der Fall ist. Der Nachweis des Vorstehenden wird hier für eine vereinfachte, rechtwinklig ausgebildete Halterung und Prüfmassen-Baugruppe geführt, wie sie in den Figuren 10 und 11 dargestellt ist; dennoch treffen die Ergebnisse genau so gut für eine kreisförmige oder komplizierter geschnittene Halterung und Prüfmassen-Baugruppe zu.
In den Figuren 10 und 11 sind zwei parallele Halterungen 200 dargestellt, die sich bei einer Dicke "h" und Breite b/2 über eine Länge L erstrecken. Die Halterungen 200 sind mit einem Ende freitragend in einer Befestigung 202 eingespannt und mit ihren anderen Enden entlang einer Linie verbunden, von der aus eine Prüfmasse 204 freitragend durch ein Biegescharnier 206 gehalten ist. Ein Mittelpunkt 208 (entsprechend einem Kapazitätsschwerpunkt) ist innerhalb der Prüfmasse 204 ausgewählt in einem Abstand "a" von den äußeren Enden der Haltehebel 200, und eine Kraft "P" wird, wie durch den Pfeil 210 dargestellt, ausgeübt, um die Haltehebel 200 um eine Strecke "δ" abzulenken, wie mit 212 dargestellt. Der Ablenkwinkel oder die Neigung ist gleich "θ".
Die Standardgleichung für die Auslenkung eines rechteckigen Balkens mit einem Elastizitätsmodul "E" ist gegeben zu:
δ = 4 PL³/Ebh³ = KδP
Die Neigung an dem freien Ende der Hebel 200 beträgt:
θ = 6 PL²/Ebh³ = KθP.
Für a = δ/tanθ gilt für kleine Winkel, bei denen Tangens tanθ = θ (im Bogenmaß) ist, a = δ/θ. Durch Einsetzen der vorhergehenden Gleichungen ergibt sich:
a = KδP/KθP = Kδ/Kθ
Daher ist die Lage des Punktes 208, der durch die Länge "a" beschrieben ist, das Verhältnis von zwei Konstanten, die von unveränderlichen Merkmalen einer gegebenen Halterung und Prüfmassen-Baugruppe abhängen, und die für kleine Winkel keine Funktion der Größe der Auslenkung sind. Die Position, in der der Mittelpunkt 208 die Linie der unbelasteten Position überschreitet, ist unabhängig von der Größe der auf gebrachten Last P. Daher ist es stets möglich, einen Kapazitätsschwerpunkt auf der Ablenkachse anzuordnen, unabhängig von der Größe der unausgewogenen Kraft, die auf den Haltering ausgeübt ist (solange die Ablenkung des Halteringes kleine Winkel umfaßt).
Einem Fachmann wird deutlich sein, daß der vorstehende Nachweis auch für Balken anderer Querschnitte und Schrägungen gültig ist. In einem weiteren Schritt wird es deutlich, daß für kleine Verschiebungen irgendeiner linear elastischen Struktur die Verschiebung und die lokale Neigung lineare Funktionen der Last sind. Daher kann mit einer ausreichend freien Prüfmassenanordnung ein Nullpunkt relativer Bewegung gefunden werden, da der Abstand zu diesem Punkt (ähnlich "a" in der obigen Gleichung) unabhängig von der auf gebrachten Last ist. Es wird ferner deutlich, daß die Kompensation einer auf den Haltering 32 oder 154 aufgebrachten Kraft erreicht werden kann entweder durch Verlagern der Anschlußstücke 30 wie in der ersten Ausführungsform 100, Verlagern des Kapazitätsschwerpunktes 128 wie in der zweiten und fünften Ausführungsform 120 und 170 oder durch Verändern des Halteringes 154 wie in der dritten und vierten Ausführungsform 150 und 160.

Claims

1. Meßwertaufnehmer mit

a) einer beweglichen Prüfmasse (34), auf die eine Aufnehmer-Kondensatorplatte (40) aufgebracht ist, die einen Kapazitätsschwerpunkt (42) aufweist;

b) einer Halterung (32), die einen festgelegten und einen freischwebenden Abschnitt umfaßt, wobei innerhalb der Halterung (32) die Prüfmasse (34) befestigt ist, die über einen nachgiebigen Kragarm (38) an einer Seite der Halterung angebracht und dadurch in einer im wesentlichen quer zur Ebene der Oberfläche der Halterung angeordneten Richtung beweglich ist;

c) einer Polgehäusebaugruppe (22,24), in der der festgelegte Abschnitt der Halterung (32) befestigt ist, wobei der freischwebende Abschnitt der Halterung infolge einer auf ihn einwirkenden unausgewogenen Kraft (44 oder 132) um eine Ablenkachse (102) gegenüber der Polgehäusebaugruppe ablenkbar ist, wobei die unausgewogene Kraft eine Komponente in der Querrichtung aufweist;

d) einer Einrichtung zur Erkennung einer Bewegungsänderung des Meßaufnehmers in der Querrichtung durch Erfassen einer Lageänderung des Kapazitätsschwerpunktes (42), mit einer Vorrichtung (36) zur Erzeugung eines Rückstellsignals, um der Lageänderung entgegenzuwirken, und zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das eine Funktion des Rückstellsignals ist und dadurch eine Bewegungsänderung anzeigt;

e) einer Einrichtung zur mechanischen Kompensation einer durch die unausgewogene Kraft (44 oder 132) hervorgerufenen Ablenkung der Halterung (32) und zum Legen des Kapazitätsschwerpunktes (42) auf die Ablenkachse (102), um die die Halterung unter Einfluß der unausgewogenen Kraft abgelenkt wird, so daß der Kapazitätsschwerpunkt (42) nicht durch die unausgewogene Kraft verlagert und eine daraus folgende Verschiebung der Vorspannung im Ausgangssignal weitgehend verhindert wird.

2. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zur mechanischen Kompensation eine Vorrichtung aufweist zur Befestigung der Halterung (32) an der Polgehäusebaugruppe (22,24) entlang eines kurzen festgelegten, der Seite der Halterung, auf der der Kragarm (38) die Prüfmasse (34) mit der Halterung verbindet, gegenüberliegenden Abschnitts der Halterung, wobei der Kapazitätsschwerpunkt (42) zwischen dem Kragarm (38) und dem festgelegten Abschnitt angeordnet ist.

3. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem die unausgewogene Kraft (132) auf die Halterung (32) an einem näher an der einen Kante des Kragarms (38) als an der anderen Kante liegenden Punkt ausgeübt ist, und bei dem die Einrichtung zur mechanischen Kompensation die Bereitstellung einer größeren Aufnehmer-Kondensatorplattenfläche (40) auf einer von diesem Punkt weiter entfernten Seite (124) der Prüfmasse (34) umfaßt, als auf einer hierzu näheren Seite (122), wodurch der Kapazitätsschwerpunkt (42) auf die Ablenkachse (102) verschoben wird.

4. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem die Halterung (32) einen ersten und einen zweiten Schlitz (156) umfaßt, die zwei sich im wesentlichen zu einer mit der unausgewogenen Kraft (44) beauf schlagten Seite der Halterung hin erstreckende Hebel (152) definieren, deren Enden auf einer Linie (102) durch den Kapazitätsschwerpunkt (42) liegende Anschlußstücke (30) zur Befestigung der Halterung (32) aufweisen, wobei die Hebel (152) dadurch die Einrichtung zur mechanischen Kompensation bilden.

5. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 4, der ferner Anschluß stücke (30) zur Befestigung der Halterung (32) aufweist, die im wesentlichen gegenüber dem Punkt, an dem die unausgewogene Kraft (44) angreift, und zwischen den Hebeln (152) angeordnet sind.

6. Meßwertauf nehmer nach Anspruch 4 oder 5, dei dem die Schlitze im wesentlichen "L"-förmig sind.

7. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem die Halterung (32) einen Schlitz (164) aufweist, der die Halterung in den festgelegten, an der Polgehäusebaugruppe (22,24) befestigten Abschnitt und den freischwebenden Abschnitt unterteilt, wobei der nachgiebige Kragarm (38) die Prüfmasse (34) mit dem freischwebenden Abschnitt der Halterung (32) verbindet.

8. Meßwertauf nehmer nach Anspruch 7, bei dem sich der Schlitz (164) entlang der Halterung (32) zwischen einem ersten und einem zweiten Punkt erstreckt, wobei der erste und der zweite Punkt im wesentlichen auf gegenüberliegenden Seiten der Halterung angeordnet sind.

9. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zur mechanischen Kompensation eine gemeinsame Lage des Kapazitätsschwerpunktes (42) und des Mittelpunktes der Vorrichtung (36) zur Erzeugung eines Rückstellsignals aufweist.

10. Verfahren zur Minimierung eines Vorspannungsfehlers in einem Ausgangssignal eines Meßwertaufnehmers, wobei der Meßwertaufnehmer eine Aufnehmer-Kondensatorplatte (40) aufweist, die auf einem Kragarm (38) innerhalb einer Halterung (32) angebracht ist, die ihrerseits als Ausleger durch mehrere von voneinander beabstandete Anschlußstücke (30) gehalten ist, wobei die Halterung (32) einen festgelegten, an den Anschlußstücken (30) befestigten Abschnitt und einen freischwebenden Abschnitt umfaßt, der mit dem festgelegten Abschnitt verbunden ist, wobei der Vorspannungsfehler im Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers aus einer unausgewogenen Kraft (44 oder 132) resultiert, die auf den freischwebenden Abschnitt der Halterung ausgeübt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

Bestimmen eines Kapazitätsschwerpunktes (42) der Aufnehmer-Kondensatorplatte (40) und Legen des Kapazitätsschwerpunktes (42) auf die Ablenkachse (102), um die der freischwebende Abschnitt der Halterung (32) unter der aufgebrachten unausgewogenen Kraft (44 oder 132) abgelenkt wird.