DE9205416U1

DE9205416U1 - Dynamischer Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE9205416U1
Application number: DE9205416U
Authority: DE
Original assignee: KAMPFRATH GERIT DR; SEIDEL HANS-HERMANN DR 8960 KEMPTEN DE
Current assignee: KAMPFRATH GERIT DR; SEIDEL HANS-HERMANN DR 8960 KEMPTEN DE
Priority date: 1992-04-21
Filing date: 1992-04-21
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2002-04-22
Also published as: DE4312839C2; DE4312839A1

Description

Dr. Gerit Kampfrath/Dr. Hans-Hermann Seidel
Neuhauser Weg 114
8960 Kempten

DYNAMISCHER BESCHLEIJNIGIJIVGSSENSOR

Stand der Technik

Dynamische Beschleunigungssensoren werden besonders zur Messung und Kontrolle von gefährdenden Beschleunigungen bzw. Vibrationen benutzt. Zur Messung der Beschleunigung sind eine Reihe von Wirkprinzipien bekannt. Verbreitet sind kapazitive Feder-Masse-Beschleunigungssensoren mit und ohne geregelte elektrostatische bzw. magnetische Rückstellkräfte. Kapazitive Beschleunigungssensoren mit Rückstellkräften (z.B. DE-PS 32 05 367, EP 118 359) sind zwar für genaue Messungen geeignet, nachteilig dabei ist, daß sie einen komplizierten Aufbau und eine aufwendige Elektronik erfordern. Kapazitive Beschleunigungssensoren ohne Rückstellkräfte (z.B. DE-OS 36 25 411) erfordern zwar einen geringeren Aufwand, sind dafür aber relativ unempfindlich und besitzen meistens einen größeren Linearitätsfehler und eine größere Zeitdrift. Ebenfalls weit verbreitet sind dynamische piezoelektrische Beschleunigungssensoren ("Piezoelektrische Meßgeräte", Firmenschrift Kistler Instrumente GmbH, 1977). Nachteile dieser Sensoren sind neben der Alterungsabhänigkeit die hohe Impedanz des Sensorelements, so daß kostspielige Ladungsverstärker mit hohem elektronischen Aufwand erforderlich sind. Ein weiterer Nachteil besteht im Auftreten von hohen Spannungsspitzen bei Schockbelastungen.

Aufgabe

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen dynamischen Beschleunigungssensor zu schaffen, der hohe Empfindlichkeit und einen kleinen Linearitätsfehler bei geringem elektronischen Aufwand aufweist.

Vorteile

Mit der Erfindung wird erreicht, daß Beschleunigungsmessungen mit geringem elektronischen Aufwand und damit kostengünstig bei hoher Empfindlichkeit, geringer Drift und kleinem Linearitätsfehler möglich sind.

Weiterbildung der Erfindung

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angeben.

Mit der Weiterbildung nach Anspruch 2 läßt sich die Genauigkeit und Empfindlichkeit steigern sowie die Linearität verbessern.

Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht die externe Zuführung des Potentials der starren Elektroden zur Vergrößerung der Empfindlichkeit.

Die Weiterbildung nach Anspruch 4 erlaubt die Erfassung eines sehr breiten Beschleunigungsbereiches unter Hervorhebung geringer Beschleunigungswerte.

Eine meßtechnische Hervorhebung hoher Beschleunigungswerte ergibt die Ausgestaltung nach Anspruch 5.

Der Kennlinienkorrektur dient die Ausgestaltung nach Anspruch 6.

Eine Verringerung des Aufwandes an passiven Bauelementen gegenüber der Weiterbildung aus den Ansprüchen 2 und 3 ergibt die Weiterbildung nach Anspruch 7.

Die Weiterbildung nach Anspruch 8 ergibt eine vorteilhafte Anordnung zur Verringerung parasitärer Kapazitäten.

Zur Verringerung des Störgrößeneinflusses, insbesondere des Rauschens, ist die Weiterbildung nach Anspruch 9 geeignet.

Darstellung der Erfindung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Figur 1 bis 8 gegeben. Es zeigen:

Fig. 1 den Grundaufbau des dynamischen Beschleunigungssensors,

Fig. 2 den Aufbau des Beschleunigungssensor mit differentiellem Primärwandler,

Fig. 3 den Aufbau des dynamischen Beschleunigungssensors mit extern zugeführtem Potential der starren Elektroden,

Fig. 4 den dynamischen Beschleunigungssensor mit logarithmischem Verstärkungsverhalten,

Fig. 5 den dynamischen Beschleunigungssensor mit exponentiellem Verstärkungsverhalten,

Fig. 6 einen Aufbau des dynamischen Beschleunigungssensors mit vermindertem Aufwand an passiven Bauelementen,

Fig. 7 den dynamischen Beschleunigungssensor mit einer vorteilhaften Anordnung des Primärwandlers und der Elektronik und

Fig. 8 eine Anordnung von mehreren dynamischen Beschleunigungssensoren zur Störgrößenverminderung.

In Fig. 1 ist mit 1 die bewegliche Feder-Masse-Elektrode und mit 2 die starre Elektrode eines Primärwandlers bezeichnet. Die Widerstände R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler und die Widerstand R3 stellt das durch diesen Spannungsteiler bestimmte Potential an der starren Elektroden 2 bereit. Wird die bewegliche Elekrode 1 durch eine Beschleunigung ausgelenkt, ändert sich der Abstand zwischen der Elektrode 1 und

der starren Elektrode 2, was durch Ladungsverschiebung an den starren Elektrode 1 und am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 0V1 zu einer beschleunigungsproportionalen Spannungsänderung führt. Der Operationsverstärker 0V1 ist als Spannungsfolger geschaltet und am Ausgang des Operationsverstärkers kann am Punkt Ua die beschleunigungsproportionale Ausgangsspannung abgenommen werden.

In der Anordnung nach Fig. 2 ist eine zweite starre Elektrode 3 auf der anderen Seite der beweglichen Feder-Masse-Elektrode 1 des Primärwandlers angebracht. Die Widei— stände R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler und die Widerstände R3 und R4 stellen das durch den Spannungsteiler bestimmte Potential an beiden starren Elektroden 2 und 3 bereit. Wird die bewegliche Elektrode 1 durch eine Beschleunigung ausgelenkt, ändert sich der Abstand differentiell zwischen Elektrode 1 und den starren Elektroden 2 und 3, was durch Ladungsverschiebung an den starren Elektroden und damit auch an den beiden nichtinvertierenden Eingängen der Operationsverstärker 0V1 und OV2 zu einer gegenläufigen beschleunigungsproportionalen Spannungsänderung führt. Die Operationsverstärker sind als Spannungsfolger geschaltet und können durch Veränderung des Verhältnisses der beiden Rückkopplungswiderstände R5 und R6 in ihrer Verstärkung eingestellt werden. An den Anschlüssen +UB und GND wird die Betriebsspannung angelegt und am Anschluß Ua die beschleunigungsproportionale Ausgangsspannung Ua abgegriffen. Diese Anordnung ergibt einen genauen und empfindlichen dynamischen Beschleunigungssensor, der durch Variation des Verstärkungsverhältnisses und der Steifigkeit der beweglichen Elektrode 1 außerordentlich breit einstellbare Beschleunigungsmeßbereiche von einigen 10 m - s bis einigen 10 m ■ s ermöglicht. Bei einer Betriebsspannung von 5 V ergibt sich beispielsweise bei einem Gesamtmeßbereich von +/-200 m -s eine Empfindlichkeit von etwa 10 mV ■ m ■ s . Die erzielte Linearität ist besser als 0.5 % vom Meßbereich.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 wird das Potential für dei starren Elektroden 2 und 3 nicht intern aus der Betriebspannung gewonnen, sondern extern am Punkt Up über die Widerstände R7 und R8 den stationären Elektroden 2 und 3 zugeführt. Die Abtrennung dieses Potentials von den nichtinvertierenden Eingängen der Operationsverstärker OV1 und OV2 erfolgt über die Kondensatoren C1 und C3. Dadurch kann ein Elektrodenpotential angewendet werden, das größer als die Betriebsspannung ist, woraus eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit resultiert.

Bei der Anordnung in Fig. 4 wird der Rückkopplungswiderstand R6 durch zwei antiparallele Dioden D1 und D2 ersetzt, so daß sich eine logarithmische Kennlinie zwischen Beschleunigung und Ausgangsspannung Ua ergibt. Dadurch ist der Beschleunigungssensor in einem sehr breiten Beschleunigungsbereich einsetzbar, wobei niedrige Beschleunigungswerte hervorgehoben werden.

Die Anordnung nach Fig. 5 ergibt einen Beschleunigungssensensor mit einer exponentiellen Kennlinie, die höhere Beschleunigungswerte besonders hervorhebt. Dabei wird der Rückkopplungswiderstand R5 durch zwei antiparallele Dioden D3 und D4 ersetzt.

In Fig. 6 wird das Elektrodenpotentiai vom Ausgang der beiden Operationsverstärker OV1 und OV2 über die Widerstände R7 und R8 den starren Elektroden 2 und 3 zugeführt. Die starren Elektroden 2 und 3 sind mit den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker OV1 und OV2 verbunden. Die Werte für die parallel zu den Widei— ständen R5 und R6 liegenden Kondensatoren C3 und C4 betragen nur einige pF, so daß diese Kapazitäten als Leiterbahnkapazitäten unmittelbar aus der Leiterplattenstruktur erzeugt werden können. Diese Schaltung erfordert besonders geringen elektronischen Aufwand.

In Fig. 7 ist mit 1 wieder die bewegliche Feder-Masse-Elektrode, mit 2 und 3 sind die starren Elektroden bezeichnet, die ein kompaktes Paket 4 des Primärwandlers ergeben, auf dem unmittelbar die Leiterplatte mit der elektronischen Schaltung 5 aufgebracht ist. Diese Anordnung ist raumsparend und ergibt geringe parasitäre Kapazitäten der Verbindungsleitungen zwischen dem Primärwandler und der Auswertelektronik.

Die Anordnung von mehreren parallelgeschalteten dynamischen Beschleunigungssensoren S1, S2 ... Sn nach Fig. 8 ergibt einen verminderten Störsignaleinfluß, insbesondere des Rauschens. Die Ausgänge Ua1, Ua2 ... Uan der einzelnen Sensoren werden über Widerstände Ra1 , Ra2 ... Ran zum Gesamtsignalausgang Uam zusammengeschaltet.

Claims

Ansprüche

1. Dynamischer Beschleunigungssensor, bestehend aus einem Primärwandler mit einer beweglichen Feder-Masse-Elektrode (1), mindestens einer starren Elektrode (2) und einer Auswerteelekronik aus mindestens einem Operationsverstärker (OVD₁ dadurch gekennzeichnet, daß die starre Elektroden (2) über einen Widerstand (R3) mit einem aus der Beriebsspannung (+UB) und einem Spannungsteiler (R1, R2) erzeugten Potential und mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärker (0V1) verbunden ist und der Ausgang des Operationsverstärkers mit dem Anschlußpunkt der Ausgangsspannung (Ua) verbunden ist.

2. Dynamischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärwandler zwei starre Elektroden (2, 3) besitzt, die mit einem aus der Betriebsspannung (+UB) und einem Spannungsteiler (R1, R2) erzeugten Potential und mit den nichtinvertierenden Eingängen zweier Operationsverstärker (0V1, 0V2) verbunden sind und der Ausgang des einen Operationsverstärkers (OVD über den Widerstand (R5) mit dem invertierenden Eingang des anderen Operationsverstärkers (0V2) verbunden ist und der invertierende Eingang des anderen Operationsverstärker (0V2) über den Widerstand (6) mit dem Ausgang desselben Operationsverstärker (0V2) verbunden ist und an diesem die Ausgangsspannung (Ua) anliegt.

3. Dynamischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential durch einen Anschluß (Up) von außen über zwei Widerstände (R7, R8) den starren Elektroden (2, 3) zugeführt wird und die starren Elekroden (2, 3) über Kondensatoren (C1, C2) mit den nichtinvertierenden Eingängen der beiden Operationsverstärker (0V1, 0V2) verbunden sind.

4. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R6) zwischen dem Ausgang der Ausgangsspannung (Ua) und dem invertierenden Eingang des einen Operationsverstärkers (0V2) durch zwei antiparallele Dioden (DI₁ D2) ersetzt wird.

5. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R5) zwischen Ausgang des einen Operationsverstärkers (OVD und invertierendem Eingang des anderen Operationsverstärkers (0V2) durch zwei antiparallele Dioden (D3, D4) ersetzt wird.

6. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder beide Widerstände (R5, R6) zwischen den Ausgängen der beiden Operationsverstärker (0V1, 0V2) durch einen nichtlinearen Widerstand ersetzt werden.

7. Dynamischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Elektroden (2, 3) über Widerstände (R5, R6) mit den Ausgängen der Operationsverstärker (0V1, 0V2) und die starren Elekroden (2, 3) mit den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker (0V1, 0V2) verbunden sind.

8. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (5) direkt auf dem Primärwandler (4) angeordnet ist.

9. Dynamischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere dynamische Beschleunigungssensoren (S1, S2 ... Sn) in gleicher Wirkrichtung angeordnet sind und die Ausgänge (Ua1, Ua2 ... Uan) über Widerstände (Ra1, Ra2 ... Ran) parallelgeschaltet und in einem Punkt (Uam) vereint sind.