NO814342L - Akselerometer-understoettelsesanordning. - Google Patents

Description

'Denne oppfinnelse angår en understøttelsesanordning for akselerometre,

så som'servokontrollerte lineære akselerometere med kapasitiv avføling.

Med den-økende anvendelse av akselerometere i småfly og rakett-.navigasjonssystemer, samt andre anvendelser som krever lette elektroniske systemer, er reduksjon' i størrelse og vekt av akselerometere blitt stadig viktigere. I tillegg blir akselerometere ofte brukt i tilfeller hvor de utsettes for forholdsvis alvorlige fy-siske sjokk, vibrasjoner•og radikale temperatursvingninger som kan påvirke innretningens nøyaktighet. Det blir derfor ansett som viktig å redusere antall deler samt å redusere vekten og størrelsen på anordningen slik at virkningene av sjokk og temperatur kan mini-maliseres.

Tidligere kjente servokontrollerte akselerometere anvender også' vanligvis en servotilbakekoplingskrets omfattende en belastningsmot-stand eller en annen anordning til å måle en strøm gjennom en posi-sjonstilbakeføringsspole hvor strømmen brukes som et mål på- akselerasjon. Impedansen til belastningsmotstanden kan imidlertid påvirke servosløyfeforsterkningen til tilbakekoplingskretsen, og en forandring i verdien av belastningsmotstandén kan tilveiebringe en ustabil tilbakekoplingssløyfe eller en uønsket frekvensrespons i systemet. I mange av de tidligere kjente systemer måles også spenningen over en posisjonstilbakeføringsspole istedet for strøm-men, noe som kan føre til' betydelige kalibreringsfeil som skyldes flere faktorer, bl.a. krafttilbakeføringsspolens impedans varierer med temperatur og strøm. En annen feilkilde eller kalibrerings-vanskelighet med kapasitive avfølingssystemer stammer fra den al-minnelige bruk av cn fast kapasitet•for sammenlikning med en annen variabel kapasitet sanimensalt av en akselerasjohsresponsiv pendel og en kondensatorplate hvor forskjellen i kapasitet mellom den faste kondensatoren og den variable kondensatoren blir brukt som et mål på akselerasjon; Bruken av en slik fast kondensator et utsatt for feil fra strøkapasiteter fra akselerometerrammen og huset og medfører således betydelige kalibreringsvansker. I tillegg er tidligere kjente akselerometere med kapasitiv avføling konstruert med forholdsvis store hus på grunn av de forholdsvis store kondensatorplatene som brukes for å måle utsvinget til pendelen .eller korreksjonsmassen. Sammen med de forholdsvis store husene og til-hørende mekaniske komponenter som er nødvendige på grunn av de forholdsvis store kondensatorene, krever tidligere kjente akselerometere vanligvis utvidete hus for å romme tilhørende elektronikk, eller en separat.boks for den tilhørende elektronikken. Siden tidligere kjente akselerometersystemer vanligvis omfatter en kraftføler og separate elektronikkretsér, krever de øket arbeid og installa-sjonskdstnader i forbindelse med sammensetning av flere deler og flere ytterligere elektriske forbindelser som tilveiebringer po-tensielle feilkilder, spesielt i ugunstige omgivelser.

Oppfinnelsen til-

veiebringer et servokontrollert akselerometer med en ramme■utformet i ett stykke, innesluttet i et hus, for understøttelse av: en pendel , en' posisjonsdetekterende anordning for.å detektere pendelens posisjonsmessige respons på akselerasjon, et tilbakeføringssystem for' å bevege pendelen til et forutbestemt sted/et kretskort og en integrert krets som reagerer på. den posisjonsdetekterende anordningen for styring av tilbakeføringsmekanismen.

Den nevnte understøttelsesramme i ett

stykke ■ er hermetisk forseglet inne i 'et sylindrisk formet hus hvori en pendel eller seismisk masse formet som en padleåre ved en ende er dreibart festet-ved hjelp av en aksel og lagre til under-støttelsesrammen, et par kondensatorplater festet til rammen og med padleåren mellom kondensatorplatene slik at pendelbevegelse som et resultat av en akselerasjonskraft kan måles, en magnetanordning som samvirker med en torsjonsspole festet til pendelen slik at padleåren kan tilbakeføres til en forutbestemt posisjon mellom kondensatorplatene, et rektangulært tykkfilmkretskort . festet til under-støttelsesrammen over og parallelt med pendelen, hvilket brukes til

å understøtte en integrert krets s.om igjen, er elektronisk for-, bundet med- kondensatorplåtene og torsjonsspolen for derved å

bevirke at det frembringes tilstrekkelig strøm i torsjonsspolen når pendelen er blitt aybøyd som respons på en akselerasjonskraft.

En pendel eller seismisk masse omfatter en padleåreformet ende, og denne padleåre er plassert mellom to kondensatorplater, og en aksel er festet til pendelen hvor akselen understøttes av et par bøyeplater som igjen er festet ved h<y>er ende til en

■understøttelsesanordning sammen med et par reguleringsskruer for' regulering, av den kraft som påføres akselen av lagrene.

For å tilveiebringe et "kompakt sammensatt akselerometer med minst mulig deler og vekt, blir det. brukt en ramme utformet i ett stykke som kan settes inn i og forsegles inne i et sylindrisk formet hus. Festet til rammen er et par kondensatorplater og en pendel eller en seismisk masse. Pendelen er festet til rammen ved hjelp av.en aksel som er understøttet av et par lagre festet til et par bøyeplater som igjen er festet til rammen. Akselen som roterer i lagrene, tillater pendelen å bevege seg mellom kondensatorplatene som respons på akselerasjonskrefter. Festet .til pendelen mellom akselen og kondensatorplatene er også en torsjonsspole som samvirker med en permanentmagnet festet til understøttelsesrammen for

å tilbakeføre pendelen til en forutbestemt stilling midtveis mellom kondensatorplatene. Understøttelsesrammen i ett stykke frembringer, i tillegg til å være understøttelse for permanentmagneten, en magnetisk krets for den magnetiske fluks som genereres av permanentmagneten og tors,jonsspolen. Et rektangulært tykkfilmkretskort

■ er festet til rammen over og parallelt med pendelen og kondensatorplatene. En integrert krets,'hybridkretskomponenter og diskrete kretskomponenter er anordnet på tykkfilmkretskortet sammen med forbindelser for ledere fra kondensatorplatene, pendelen og torsjonsspolen. En spesiell fordel med denne konstruksjonen er at den mekaniske delen, pendelen innbefattet, kan reguleres og kali-breres i forbindelse med kretsen før innsetting i huset. Etter kalibrering blir rammen innbefattet'kretskortet satt inn i det sylindriske huset, og huset blir hermetisk forseglet. Etter for-seglingen blir huset evakuert og så fyllt med en inert gass. For

å redusere størrelsen på akselerometeret har kondensatorplatene' meget små dimensjoner og. frembringer i kombinasjon med pendelen et par kondensatorer med en kapasitet i størrelsesorden fra 2

til 4 picofarad.

Siden kondensatorene er ganske små og det pendelutsving som kreves for å måle en akselerasjonskraft, er meget lite, idet det resulterer i en kapasitetsforandring av størrelsesorden en tusendels picofarad, må det anvendes spesielle kretser til å måle forandringene i så små kapasiteter. Dette gjøres ved å påføre en tidsvarierende spenning hvor -økningen i spenning er i et lineært forhold med tiden fra den integrerte kretsen til hver av kondensatorene. Den résul- terende forskjell 1 strømmen gjennom kondensatorene blir målt ved hjelp av en differensiell detektorkrets, hvis utgang tilføres en tilbakekoplingskrets for frembringelse- av en tilbakeføringsstrøm i torsjonsspolen.. Tilbakekoplingskretsen utnytter et servokompen-serendé nettverk som resulterer i en tilbakeføringsstrøm og en servotilbakekoplingssløyfe' som er uavhengig av enhver belastnings-motstand eller impedans som kan brukes til å måle tilbakeførings--strømmen.

Figur 1 er ét langsgående tverrsnitt av et servokontrollert

akselerometer.

Figur 2 er et grunnriss av en del av akselerometeret på figur 1

som illustrerer en pendelopplagringskonstruksjon.

Figur 3 er et grunnriss av en del av akselerometeret på figur'1

som viser en 'alternativ pendelopplagringskonstruksjon.

Figur 4 er en illustrasjon på et bøyeplateorgan for bruk i forbindelse med pendelopplagringskonstruksjonen på figur

2 eller 3.

Figur 5 er en alternativ konstruksjon av et bøyeplateorgan for bruk sammen med opplagringskonstruksjonen på figur 2 eller 3. Figur 6 er en annen alternativ, konstruksjon av et bøyeplateorgan'for bruk sammen med en opplagringskonstruksjon som på figur 2 eller 3. Figur 7 viser en pendel for bruk i akselerometeret på figur 1. Figur 8 viser en alternativ pendelkonstruksjon for bruk i

akselerometeret på figur 1.

Figur 9 er et blokkskjema over en krets for bruk med akselerometeret på.figur 1 for frembringelse av et signal som representerer akselerasjon. Figur 10 er et skjematisk diagram over detektordrivkretsen på

blokkskjemaet på figur 9.

Figur 11 er et signaldiagram for detektordrivkretsen på figur 10. Figur 12 er et skjematisk diagram av differensialdetektorkretsen

i blokkskjemaet på figur 9.

Figur 13 er et skjema over spenning/strøm-omformerkretsen og utgangs- drivtrinnet i blokkskjemaet på. figur 9, og Figur .14 er et skjematisk diagram av servokompensasjonsnettverket i blokkskjemaet på figur 9.

Som vist på tverrsnittstegningen av et akselerometer 10 på figur 1, er et sylindrisk hus 12 'i ett stykke brukt til å omslutte både den mekaniske konstruksjonen og elektronikk-kretsene til et akselerometer. Venstre ende 14 av huset 12 er lukket, og den høyre side er åpen. En understøttelsesramme i ett stykke, av hvilken forskjellige deler er betegnet med referansetall 16 og bokstav-suffikser slik som 16A, 16B, 16C, osv., utgjør .en stiv understøt-telse for de forskjellige komponentene i akselerometeret som er vist på figur 1. Rammen strekker seg fra den venstre ende 14 av huset til den åpne enden og fyller hovedsakelig.ut den nedre halvdel av huset 12 som antydet med referansene 16A, 16B, 16C og 16D.. Over.delen 16A av understøttelseskonstruksjonen er anordnet et par hovedsakelig kvadratiske eller rektangulære kondensatorplater 18

og 20. Den nedre kbndensatorplaten 20 er festet ved hjelp av et bindemiddel slik' som epoksy, til delen 16A av understøttelsesram-men ved hjelp av et avstandselement 22. Den øvre kondensatorplaten 18 blir på. sin side holdt i avstand fra den nedre platen 20 ved hjelp- av et antall pinner.slik som 23 og 24 som er festet til hvert hjørne 'i kondensatorplatene.

Akselerometeret innbefatter også en pendel som generelt er betegnet 26. Pendelen 26 virker som en seismisk masse og reagerer på akselerasjonskrefter som virker i retning oppad eller nedad. Delen 28 av pendelen 26 er formet s-.om en flat plate eller padleåre og er innsatt parallelt mellom kondensatorplatene 18 og 20. I den fore-trukne utførélsesform av oppfinnelsen er platen 28 og kondensatorplatene 18 og 20 dimensjonert med en bredde på omkring 0,64 cm og en lengde på 0.51 cm, noe som vil resultere i kapasiteter mellom

platen 28 og kondensatorplatene 18 og 20 på omkring 2 til 4 picofarad. Når platen 28 således er sentrert mellom kondensatorplatene 18 og

20, vil kapasiteten mellom hver kondensatorplate og pendelplaten være omkring 2 til 4 picofarad. Ved den andre enden av pendelstangen 26 er en aksel 30 festet'til den nedre overflate. 32 av pendelen 24 ved • hjelp av et heftemateriale slik som epoksy. Akselen 30 brukes til å understøtte pendelen 26 og til å tillate den å dreie i begrenset grad som respons på akselerasjonskrefter som virker i en retning perpendikulært til overflaten av pendelplaten 28. Akselen 30 er opp-lagret ved hjelp av lagre og bøyeplater som vist på figurene 2 og 3, bg som er utelatt på figur 1 for a gjøre tegningen tydligere.

Festet til den nedre overflate 32 av pendelen 26 melloni pendelplaten 28 og akselen 30 er.en torsjonsspole antydet med referansetall 36.

Torsjonsspolen 36 er viklet inne i en spoleform 38 som fortrinnsvis er fremstilt av et lett materiale slik som aluminium. En fritt-stående spole uten spoleformen 38 kan også brukes.

En permanentmagnet- 40 er limt fast til rammen 16A og et polstykke 41 er likeledes festet til toppen av permanentmagneten 40. Magnetisk fluks som frembringes av permanentmagneten 40, samvirker med

strøm som flyter i torsjonsspolen 36 og bevirker at pendelen 26 dreies om akselen 30. Understøttelsesrammen 16A frembringer, i tillegg til at den bærer permanentmagneten 40, en magnetisk krets 1 for den magnetiske, fluks som produseres av permanentmagneten 40.

Til de opphevede delene 16F og 16G av den enhetlige rammen er festet et rektangulært kretskort 42 som fortrinnsvis er sammensatt av tykk-film med et ikke-ledende substratmateriale slik som aluminiumoksyd. Den venstre side av kretskortet 42 blir understøttet av den oppragende del 16F av den enhetlige rammen pg den høyre siden av kretskortet '42 blir likeledes understøttet av en oppragende del 16G av rammen. En integrert krets 44 er innesluttet i en metallkappe 46

på den øvre overflaten av kretskortet 42. På kretskortet er videre en hybridkrets sammen med et antall diskrete komponenter slik som

■ motstander og kondensatorer generelt betegnet 48.

Den høyre delen 16C av rammen omfatter en ringformet sylindrisk del som på figur 1 er merket med referansene 16D og 16E, idet ringen passer tett inn i den indre radius av huset 12. Etter sammensetningen blir delene 16D og 16E av rammen som er i ett stykke, sveiset eller loddet hermetisk tett rundt omkretsen av huset 12 som vist ved punktene 50 og 52, for å danne en gasstett forsegling. En kopp.54 tetter for den åpne enden av huset 12, og koppen er utstyrt med en ringformet fordypning 56 og' blir anbrakt i den ringformede delen av den enhetlige rammen som er betegnet 16D og 16E. Koppen er og-så hermetisk sveiset rundt den indre omkrets av rammedelene 16D og 16E som vist ved punktene 58 og 60 for å danne en gasstett forsegling. Ved enkelte anvendelser er det ikke nødvendig å forsegle huset herme-• tisk, slik at koppen kan festes til huset 12 ved hjelp av epoksy eller andre ikke gasstette materialer. Gjennom koppen 56 strekker det seg en rekke kontaktpirmer 62A, 62B, 62c og 62D, idet det er sørget for gasstett forsegling mot koppen 54 ved hjelp av glass-

materiale vist ved. 64 og 66. Koppen 54 omfatter også en åpning 68 som kan brukes til å evakuere luft fra huset 12 og for å

fylle det med en inert gass etter samrnen-monteringen. Denne åpningen

68 kan tettes på mange måter, innbefattet sveising av et organ slik

som en kule .70 til den ytre ende av åpningen i en ringformet fordypning 71. i koppen. 54 som vist på figur 1. Et antall ledninger 72 som antydet på figur 1, er koplet mellom pinnene.62A, 62B, 62C og 62D og kretskortet 42.

For å forbinde torsjonsspolen 38 elektrisk med kortet 42 er et par fjærtrådledninger, av hvilke en er vist ved 74 på figur 1-, festet til pendelen 26 ved akselen 30. Tråden 74 er festet til en pinne

■76 som .strekker seg gjennom et støtte-organ 78, sammensatt av iso-lerende materiale,, og så gjennom et hull eller en åpning 80 i kretskortet 42. Den andre fjærtråden og en andre pinne 77 som vist på figur 2, er likeledes festet til pendelen 26 og kretskortet 42 for å tilveiebringe en andre forbindelse for torsjonsspolen 38. Pinnen 76 er så ved hjelp av en ledningstråd 82 koplet til kretskortet 42. Ved å bruke pinnéne 76 og 77 som strekker seg gjennom åpningene 80 i kretskortet 42 som vist på figur 1, blir sammensetningen av akselerometeret lettet, siden kortet 42 kan anbringes direkte på støttedelene 16F og 16G på understøttelsesrammen og lett koples til pinnen.76. Ved å bruke fjærtrådene 74 og 75 til forbindelsen, kan pendelen 26. finbalanseres ved å påføre akselen 30 en liten torsjons-. kraft for på den måten å. kompensere for små mekaniske ubalanser i pendelen 26. Torsjonen som påføres mot akselen 30, kan reguleres ved enten å bøye fjærtrådene 74 og 75, eller ved å innstille plas-seringen av pinnene 76 og 77. Bruk av den koplingsanordningen som omfatter pinnene 76 og 77 og åpningen 80, tillater forskjellige • grader av termisk ekspansjon- av understøttelsesrammen 16 og kretskortet 42 uten- å forstyrre pinnen 76 og derfor spenningen eller inn-stillingen av fjærtråden 74.

En konstruksjon for understøttelse av akselen 30 er illustrert

på figur 2 på tegningene, som er et grunnriss av en del av akselerometeret 10 på figur 1 med kretskortet 42 fjernet. Et par bøyeplater 84 og 86 er festet til utspringene 16H, 161, 16Jog 16K på monteringsrammen ved hjelp av monteringsskruer 88, 90, 92 og 94. Et par lagre 96 og. 98 er festet til bø.yeplatene 84 og 86 og. mottar (edel)stentapper 100 og 102 som er festet til hver ende av akselen

30. Lagrene 96 og 98 tjener til å understøtte akselen 30 for derved

å tillate- pendelen å dreie rundt akselen 30 mens bevegelse av akselen i alle andre retninger motvirkes, og på den måten kan pendelplaten 28 bevege seg opp og ned mellom kondensatorplatene 18 og 20 som vist på figur 1. I et høypres.is jons.instriiment slik som, akselerometeret på figur 1, er det uhyre viktig at dreiningsfriksjonen kan re-duseres til et minimum mens pendelen samtidig skaffes en stiv opplag-ring slik at sideveis bevegelse av pendelen i forhold til rammen

så langt som mulig kan elimineres. For nøyaktig kalibrering og ytelse er det derfor nødvendig at optimalt trykk påføres til lagrene gjennom stentappene 100 og 102 for å tillate minimalisering av dreiningsfriksjonen mens sideunderstøttelsene gjøres størst mulig.. For dette for-mål er akselerometeret som er vist på figur 2, forsynt med to juste-ringsskruer 104 og 106. Justeringsskruene 104 og 106 er understøttet av utspring 16L og 16M som er i ett stykke med rammen. Understøttel-sesdelen 16L er blitt gjennomskåret på figur 2 for å vise'stillingen av justeringsskruen 104. Ved å trekke til justeringsskruene 104 og 106 på bøyeplatene 84 og 86, kan. passende press påføres mot bøye-platene 84 og 86 slik at det resulterer i optimalt trykk på akselen 30 av lagrene 96 og 98.

En alternativ anordning for understøttelse av akselen 30 på figur

1 er vist på figur 3. på figur 3 har understøttelsesrammen i ett

stykke en del 16N som opptar og understøtter lageret-96 i en fast posisjon. Det andre lageret 98 er understøttet av bøyeplaten 86

som på figur 2, med det unntak at det ikke er noen justeringsskrue 106. Justering av trykket på akselen 30blir på figur 3 utført ved hjelp av en fjærskive 108 som presses sammen når en monteringsskrue 94 trekkes til. Resultatet er at ved å justere den ene skruen 94, kan trykket på akselen 30 reguleres effektivt. Man vil innse at

det kan-benyttes en kombinasjon av de konstruksjoner som er vist på figur 2 og 3, slik som å benytte justeringsskruen 106 på figur 2 sammen med det . faste lageret 96 festet direkte til delen 16N som vist på figur 3.

En viktig faktor ved justeringen av trykket på akselen 30 som vist

på figur 2 og 3,; er at det sørges for korrekt størrelse av utsvinget av bøyeplatene 84 og 86 for et gitt trykk som påføres av justeringsskruene 104 og 106. For å frembringe et større utsving av bøye-platene for et gitt trykk, er det ofte nyttig å tilveiebringe slis-

ser i bøyeplatene.. På figur 4 er for eksempel bøyeplaten 86

på figurene 2 og 3 vist med to U-formede slisser 112 og 114 i bøyeplaten 2. De U-formede slissene 112 og 114 er anordnet på hver side av lageret 116. Det skal bemerkes at lagrene som er vist på figurene 2, 3 og 4 omfatter en avskrådd indre overflate 118 for opptak av de spisse stentappene 100 eller 102 på akselen 30 som vist på figur 2 og 3. I tillegg inneholder bøyeplaten på figur 4 hull 120 og 122 i hver ende for opptak av monterings skruene 94 og 96. Alternative typer slisser er vist i bøyeplatene på figur 5 og 6.

På figur 5 er der et par slisser 124, 126, 128, 130 på hver side

av lageret 116 hvor hver sliss er hovedsakelig perpendikulær til den langsgående aksen til bøyeplaten 86 og strekker seg fra siden til et- punkt forbi bøyeplatens midtpunkt. På figur 6 er rektangulært formede slisser 132 og 134 anordnet på hver side av lageret 116 på bøyeplaten 86.

Bøyeplatene på figurene 4, 5 og 6 viser også alternative midler for forbindelse av en ende av■bøyeplaten 86 til rammen i ett stykke

16N på figur 3 uten å anvende den separate fjærskiven 108 som er vist på figur 3. På figur 4 er enden av bøyeplaten med hullet 120 t formet med en koppformet del 136 som har en rekke radiale slisser 138. På figur 5 er bøyeplaten' 86 utformet med et par bladfjærer 140 og 142 på hver side av monteringshullet 120. Bøyeplaten 86 på figur 6 er konstruert med to utspring 144 og 146 som er bøyet omkring 180°

for å danne en fjær. Ved å anvende fjærkonstruksjonen 136, eller 142, eller 146 mot. rammen i forbindelse, med monteringsskruen 94 i anordningen på figur 3, er det mulig å justere trykket på akselen 30 uten at det kreves en separat del som fjærskiven 108.

For å forbedre ytelsen til akselerometeret på figur 1, bør pendelanordningen 26 vanligvis være lett i vekt, men likevel ha en stiv konstruksjon. Det blir for eksempel foretrukket at pendelen 26 lages av et forholdsvis lett metall slik som aluminium. I tillegg bør pendelen 26 være avstivet langs sin langsgående akse. To illu-strasjoner av midler til å frembringe stivhet i lengderetningen er vist på figur 7 og 8. Som vist på figur 7 består pendelanordningen av den flate padleåre- eller plateformede delen 28 og en stangdel 148. Festet til stangdelen 148 på. pendelen 26 er torsjonsspoleformen 38 som inneholder torsjonsspolen 36. På figur 1 er stangen 154

•avstivet-i lengderetningen ved hjelp av to oppbøyde kanter 150 og

152 langs hver side av .stangdelen 148. På figur 8 er stangdelen avstivet ved hjelp av en trekantformet rygg 154 som er formet ut av materialet i stangdelen 148. Ved å avstive stangdelen 146 på pendelen 26 som vist på figur 7 og 8, er det mulig å frembringe en lett men

likevel i lengderetningen stiv pendel for bruk i det lette akselerometeret som er vist på figur 1. Det blir foretrukket av hoved-virkningen av massen til pendelen 27. blir sentrert over torsjonsspolen 36 mens massen til de andre delene av pendelen 26,. som platen- 28 og stangen 148, blir gjort'minst mulig.

Et blokkskjerna over den elektroniske kretsen som brukes i akselerometeret 10 er vist på figur 9. Som vist på figur 9 er kondensatorplatene 18 og 20 i akselerometeret lo på figur 1 forbundet ved hjelp- av ledninger 200 og 202 til en detektordrivkrets 204. Torsjonsspolen 36, festet til pendelen 26, er ved hjelp av leder 206 elektrisk forbundet til en belastningsimpedans 208, som i de fleste anvendelser er .koplet til jord, som vist med leder 210. Belast- . ningsimpedansen 208 mottar tilbakéføringsstrømmen, I_R, som flyter gjennom torsjonsspolen 36 og frembringer en spenning V , over belastningsimpedansen som representerer akselerasjonen som måles ved hjelp av akselerometeret 10. Belastningsimpedansen vil vanligvis inneholde en motstand over hvilken spenningen V blir målt, hvor verdien av motstanden tilveiebringer den ønskede skalafaktor, vanligvis notert i volt/g. Siden strømmen I_ som flyter gjennom torsjonsspolen 36, er en direkte funksjon av akselerasjonen som blir målt, kan den ønskede skalafaktor volt/g oppnås ved å endre verdien av motstanden i belastningsimpedansen til den korrekte verdi. Belastningsimpedansen 208 kan også omfatte andre reaktive elementer slik.som kondensatorer for å kunne filtrere ut uønskede signaler. Tilbakéføringsstrømmen ID blir selv frembrakt i en ut-gangsdrivkrets 212 og tilført torsjonsspolen -36 ved hjelp av.en leder 214.

En sagtannoscillatorkrets 216 som er tilkoplet.en positiv forsynings-spenriing, +Vg, over leder 218 og en negativ forsyningsspenning

-Vg over leder 220, fører en sagtannformet bølgeform med en frekvens i området, fra 10 kHz til 1 MHz til detektordrivkretsen 204

over leder 222. Bølgeformen som frembringes av sagtannoscillatorkretsen 216, omfatter en stigespenning som øker lineært med tiden

. inntil toppspenningen nås, hvoretter spenningen faller hurtig til

en negativ verdi.. Denne sagtannformen blir.ved hjelp av detektor--drivkretsen ført til kondensatorplatene 18 og 20 over lederne 200.

og 202. Den tidsvarierende spenningen som på denne måten tilføres kondensatorplatene 18 og 20, vil resultere i en strøm i ^ i leder 200 og i leder 202. Detektordrivkretsen 204 anvender også for-syningsspenningene +Vg og -Vg som tilveiebringes på lederne 218 og 220 sammen med en referansespehning VREFsom innganger til detektordrivkretsen 204 over leder 224. Et skjematisk diagram over detektordrivkretsen 204 er vist. på figur 10.

En differensialdetektorkrets 230 er ved hjelp av ledere 226 og 228 forbundet med.detektordrivkretsen 204. Detektordrivkretsen 204 trekker strø^ mmer I' C 1 og. I' C~ 2 fra differensialdetektorkretsen 230 på lederne 226 og 228 som'vanligvis er lik kondensatorstrømmene og IC2"^ s^jematisk diagram over differensialdetektorkretsen 230 er vist på figur 12 sammen med en detaljert forklaring av

kretsen. Differensialdetektorkretsen 230 måler differansen mellom strømmene I'c^ 0<3 1 ' c2 som ^^en representerer differansen i kapa-sitans mellom kondensatorene og Q.^definert ved platene 18 og 20 og pendelen 26, og frembringer et utgangssignal'på leder 232 som er proporsjonalt med differansen mellom de to strømmene. Utgangssignalet på leder 232, representert ved en utgangsstrøm eller et differansesignal I ; blir brukt som inngang til et 1avpassfilter 234. Hovedfunksjonen til lavpassfilteret 234 er å filtrere ut høy-frekvensbæresignalet (10 kl-Iz til 1 MI-Iz) som frembringes av oscilla-tbrkretsen 216. Likestrømskomponentene i signalet 1^, som representerer differansen i kapasitet mellom platene 18 og 20 og således utsvinget til pendelen 26 på grunn av akselerasjon, blir overført ved hjelp av en leder 236 til den positive terminalen på en operasjonsforsterker 238. Operasjonsforsterkeren' 238 omformer, i realiteten strømsignalet 1^ til en utgangs.spenning VDpå leder 240 som representerer forskjellen i kapasitet mellom kondensatorene og , hvor forsterkningsgraden av utgangssignalet VDpå 240 blir styrt av et inngangssignal til den negative terminalen til operasjonsforsterkeren 238 på leder 242. Utgangs- eller differanse-spennihgen V"D blir så ført til én spenning/strøm-omformer 244 som frembringer inngangssi.gnaler på ledere 246 og 248 til utgangsdrivkretsen 212. Utgangsdrivkretsen 212 svarer med å frembringe tilbakeførings-strømmen IR på leder 214 som respons på en signalstrøm på leder 246 eller 248.

I tillegg er servokompensasjonsnettverket 250 koplet som en tilbakekopling mellom spenning/strøm-omformeren 244 og den negative terminalen på operasjonsforsterkeren 238. Hovedformålet med servo-kompensas jonsettverket 250 er å styre forsterkningen til operasjonsforsterkeren 238 og dermed påvirke servosystemets forsterkningsfaktor som en funksjon av frekvensen til utgangssignalet 1^. Et skjema over en foretrukket utførelsesform av servokompensasjonsnettverket er vist på figur 14. Servokompensasjonsnettverket 250 er hovedsakelig et-båndpassfilter som, for eksempel, tillater praktisk talt intet tilbakekoplingssignal 1^, som mottas fra omformeren 244, fra å.bli til-ført den negative terminalen på operasjonsforsterkeren 238 når ID og Vp er hovedsakelig henholdsvis likestrøm og likespenning eller har en meget lav frekvens. Som et resultat vil forsterkningen til operasjonsforsterkeren 238 være meget stor for likespenning eller lavfrekvensutganger fra akselerometeret. Virkningen av hva som er praktisk talt uendelig forsterkning av operasjonsforsterkeren 238 ved lave frekvenser, vil være å avstive pendelen 26 med hensyn til kondensatorplatene 18 og 20 for lavfrekvente vibrasjoner, slik ' at pendelen blir holdt riktig innenfor en forutbestemt posisjon: mellom platene 18 og 20. Ved å bruke denne meget høye forsterkningen for likespenning eller lavfrekvente vibrasjoner, vil feil som skyldes utsvinget eller tregheten til pendelen 26 bli.betydelig redusert og akselerometerets nøyaktighet blir forbedret betydelig. For høyere vibrasjonsfrekvenser, for eksempel i området 50 Hz, tillater servokompenseringsnettverket et forholdsvis stort til-bakekøplingssignal 1^, å bli .tilført den negative terminalen på operasjonsforsterkeren 238, for dermed å redusere forsterkerens forsterkning. Forsterkningen til operasjonsforsterkeren 238 blir redusert for disse midtbåndsfrekvensene for å forhindre ustabil drift av servo-sløyfen på grunn av virkninger av den mekaniske dynamikken til akselerometeret 10. For eksempel ville den naturlige frekvensen til. pendelen 26 vanligvis være i området for disse midt-, båndfrekvensene, noe som ville resultere i stabil drift av servo-sløyfen hvis operasjonsforsterkerens 238 forsterkning var meget høy ved disse frekvensene.. Over midtbåndfrekvensene vil servokompenseringsnettverket 250 igjen redusere mengden av tilbakekopling lp som tilføres den negative terminalen til operasjonsforsterkeren

'238, noe som vil øke forsterkningen til operasjonsforsterkeren.

Forsterkningen blir ved disse høyere frekvenser øket for å forbedre akselerometerets respons når det utsettes for forholdsvis høyfre-. kvente akselerasjonsinnganger, hvor den mekaniske dynamikken til akselerometeret 10 ikke er en betydelig faktor som har tendens til å skape ustabilitet i servosløyfen. Forsterkningsøkningen vil hå tendens til å kompensere for reduksjonen i bevegelse av pendelen 26 ved de høyere vibrasjonsfrekvenser. I tillegg vil servokompenseringsnettverket 250 eliminere destabiliseringsvirkningene ved variasjon av belastningsimpedansen 208 på servosystemet vist på figur 9. Det er således mulig, ved å benytte servokompenseringsnettverket 250, å anvende én rekke forskjellige belastningsimpedanser, noe som letter valget av en hensiktsmessig spenningsskalafaktor uten at det er nødvendig å kalibrere elektronikken i akselerometeret 10 på nytt..

I tillegg omfatter elektronikkretsen på figur 9 en trimmemotstand ' RT forbundet mellom den positive spenningsforsyningen +Vg på leder 218 og utgangsledningen 232 fra detektorkretsen 230. Ved å variere verdien av motstand , kan en forspenning tilføres den positive terminalen på operasjonsforsterkeren 238, noe som igjen har den virkning at nullposisjonen til pendelen 26 mellom kondensatorplatene 18 og 20 justeres^å figur 10 er vist et skjematisk diagram over detektordrivkretsen 204. Sagtannbølgeformen fra sagtannoscillatorkretsen 216 blir ført over leder 222 til basis i transistor 254. En av de primære;funksjonene til transistor 254 er å isolere oscillato.rkretsen 216 fra detektordrivkretsen 204.Basisene til transistorene 258 og 260 er koplet til emitteren i transistor 254 over en motstand 256. Når en økende spenning fra oscillator 216 blir ført til basis i transistor 254, vil transistorene 258 og 260 bli forspent i lederetningen eller slått på og vil således føre en likeledes økende spenning fra lederne 226 og 228 til kondensatorplatene 18 og 20, noe som resulterer i strømmene I ^- og<I>^<->Koplet til lederne 200 og 202 er også et par transistorer 262 og 264. Transistorene 262 og 264 tjener som dioder og frembringer en strømbane for utladningen av kondensatorene over leder 266.. En ytterligere transistor 268 har sin basis og kollektor koplet til lederen 266. Transistor 268 tjener således som en diode i til-

legg til å forspenne emitterne i transistorene 262 og 264. En strøm-kilde eller aktiv belastning i form av transistor 270, motstand 272, den negative spenningskilden -V o og referansespenningen V 1% Ili r på leder 224, er koplet til ledningen 266.

Virkningen av detektordrivkretsen 204 på figur 10 er illust-

rert ved signaldiagrammet på figur 11. I den øvre delen av figur 11 representerer spenningsbølgeformen 274 emitterspenningen V£ til

transistorene 258 og 260 på figur 10. Formen av bølgeformen 264 vil være hovedsakelig den samme som sagtannspenningen som tilføres fra sagtannoscillatorkretsen 216 på leder 222.. Som antydet på figur 11 øker spenningen V„ lineært med tiden langs stigningen 276 inntil den når en toppspenning ved 278, hvoretter den faller raskt til en negativ spenning ved 280. Bølgeformen 281 på figur' 11 representerer spenningen Vcsom tilføres kondensatorplatene 18 og 20. Kondensatorspenningen V-c vil til å begynne med holde seg konstant, som vist ved 282 på figur 11, inntil transistorene 258 og

.260 er blitt forspent i lederetningen. Etter at transistorene 258.og 260 er blitt forspent i lederetningen, vil spenningen Vcha samme karakteristikk som V_. Ved punktet 2 78 på bølgeform 2 74 hvor spenningen V Hi forandrer polaritet, vil kondensatorspenningen Vc, vist ved 284, forbli konstant inntil transistorene 262 og 264 blir forspent i lederetningen og således tillater kondensatorene og C2å bli utladet gjennom leder 266 til den aktive strømkilden 270. Siden det er et lineært forhold mellom kondensatorspenningen. Vcog tiden, kan kondensators.trømmene I ^ og I _ representeres av de følgende forhold:

hvor Cj oqC^ representerer kondensatorene som dannes av kondensatorplatene 18 og 20 og pendelen 26 som v i s-t på figur 10, og Vel°^Vc2 rePresenterer spenningene over de enkelte kondensatorene. Man kan således se at det er et direkte lineært forhold- mellom

Vcog tiden, idet kondensatorstrømmene. I ^ og I2vil være konstante. Kondensatorstrømmenes og I2beskaffenhet er vist i bølgeform 286 på figur 11,.hvor det kan ses at under den lineære stig-ning i kondensatorspenningen V^i bølgeform 281, vil kondensatorstrøm-mene ved 288 og 290være konstante og flyte mot kondensatorene

Cl °g C2'mens kondensatorstrømmene under fallet • i V^ vil strømme

i motsatt retning som vist ved 292. på grunn av det faktum at transistorene 262 og 264 tjener til å dirigere kondensatorutladnings-strømmene som representeres av 2.92 på figur 11, til-'den aktive

belastningen som representeres av transistor 270, vil inngangs-strømme<ne>I ' cl ogI'C2som v^-st ved 296°9298 Pa bølgeform 294 til detektordrivkretsen 204 på.lederne 226 og 228 være av tilnærmet samme størrelse og ha samme retning som kondensatorstrømmene I ^

og !q2' men v^ ikke ^a ^en negative delen 292. Utgang sst rømmene I'og I'C2fra dif f erensialdetektoren 230 på figur 9 på lederne 226 og 228 vil være i form åv en serie pulser med én polaritet som vist ved bølgeformen 294 på figur 11. Det skal bemerkes at den virkelige størrelsen på strømmene I' ^ og I'C2v^1 være proporsjonal med kapasitetene til henholdsvis kondensator Cl og C2.

' På figur 1.2 blir den positive forsyningsspenningen +Vg tilført differensialdetektorkretsen 230 over leder 218 til både en transistor 300 og en forspenningsmotstand 302. Transistoren 300 tjener hovedsakelig som en diode som tillater strøm.å flyte fra emitteren

i transistor 300 til en strømforsterker sammensatt av transistorene 304, 306, '308 og 210. Strømforsterkeren som utgjøres-av disse transistorene, tjener som en strømkilde for detektordrivkretsen 204 på figur 10, hvor forsterkningen til denne strømforsterkeren kan reguleres ved å regulere verdien av forspenningsmotstanden 302. Forsterkningen til differensialdetektorkretsen 230 kan således reguleres til å avspeile den spesielle mekaniske dynamikken til akselerometeret 10 eller for den spesielle anvendelse som akselerometeret brukes til. En aktiv last sammensatt av transistorene 312, 314, 316, 318 og motstandene 320 og 322 tjener også som et strømspeil. hvor kollektorstrømmen i.transistor 314 er omtrent lik kollektorstrømmen i transistor 308. Utgangsstrømmen 1^på leder 232 er proporsjonal med differansen i strømmene I'C]_ og I'C2som et resultat av følgende forhold. Kollektorstrømmen *£3<q8>

.i transistor 308 er lik:

hvor K er strømforsterkningen som bestemmes av transistor 302. Likeledes er kollektorstrømmen I^^q i transistor 310 lik:

Som et resultat vil kollektorstrømmen Iq2±4 ^or transistor 314 være lik forholdene: ■Ved koplingspunktet 324 i kretsen på figur 12 vil derfor følgende strømforhold være tilstede.

■Dette kan oppsummeres slik at utgangsstrømmen I på leder 232

vil være proporsjonal med differansen mellom strømmene I'c-j_ 0<3 I'c2hvor K representerer systemets forsterkning. Denne type detektorkrets har også den meget betydelige fordel at den tillater måling av differansene mellom kapasitetene til kondensatorene Cl og C2 med en nøyaktighet av størrelse en picofarad, og derfor er det mulig å bruke meget små kondensatorplater 18 og 20.- Målingen av slike små kapasiteter har videre den fordel at meget små utsving av pendelen 26 kan måles, noe som forbedrer nøyaktigheten og lineariteten til akselerometeret 10.

Etter å .ha passert gjennom lavpassfilteret 234 på figur 9 for å filtrere ut bærefrekvensen på fra 10 kHz til 1 MHz som genereres av sagtannoscillatoren 216, blir utgangsstrømmen ID ført til den positive terminalen på operasjonsforsterkeren 238. Utgangen fra operasjonsforsterkeren 238 VDpå leder 240 blir så ført til en spen-ningsomformerkrets 244 som er antydet innenfor de prikkede linjene

244 i skjemaet på figur 13. Når utgangsspenningen VDer positiv, blir en transistor 326 som har sin basis forbundet med leder 240,

brakt i ledende tilstand. Når V^ derimot er negativ, blir en

andre transistor 328 som har sin basis koplet til en leder 240 gjennom dioder 330 og 332, brakt i ledende tilstand. En strøm-kilde 333 tjener ved. hjelp av strømmen Ig til å holde diodene 3-30 og 332 forspent i lederetningen. Når transistor'326 er i ledende tilstand, vil tilbakekoplingsstrømmen I strømme i leder 246'fra utgangsdrivkretsen 212 gjennom kolléktoren og emitteren til transistor 326 til leder 252. Når transistor 328 er i ledende tilstand,, vil likeledes tilbakekoplingsstrøm Ip flyte til utgangs-

drivkretsen 212 på- leder 248 gjennom emitteren<p>g kollektoren til transistor 328 fra leder 252. I begge tilfeller vil tilbake-koplingsstrømmen I være proporsjonal med verdien av spenningen v^.

Utgangsdrivkretsen som er antydet med prikkete linjer 212 på figur 13, er hovedsakelig sammensatt av to strømforsterkere. Den

første strømforsterkeren omfatter motstandene 334 og 336, operasjonsforsterker 338 og transistor 340. Den andre strømforsterkeren be-±år av motstander 342 og 344, operasjonsforsterker 346 og transistor 348. Den første strømforsterkeren vil reagere på spenningen over motstand 334 ved å frembringe -en lik spenning over 336 som et resultat av virkemåten til operasjonsforsterker 338. Utgangen fra operasjonsforsterkeren 338 blir.koplet til basis i transistor 340 og vil drive transistoren 340 inntil strømmen gjennom motstand 336 frembringer en spenning som er lik spenningen over motstand 334. Det er derfor forholdet mellom motstandsverdiene 334 og 336 som be-stemmer forsterkningen til strømforsterkeren og således verdien av tilbakéføringsstrømmen i . Den andre strømforsterkeren virker på nøyaktig samme måte, idet operasjonsforsterkeren 346 bringer transistoren 348 til å lede nok strøm til å utlikne spenningene over motstandene 342 og 344. Resultatet er at når transistor 326 i spénning/strøm-omformeren '2.44 er i ledende tilstand, vil tilbake-føringsstrømmen I„ være lik:

og likeledes, når•transistor 328 er i ledende tilstand, vil tilbake-koplingsstrømmen 1^ flyte i motsatt retning og ha en verdi lik: Det generelle forholdet mellom tilbakeføringsstrømmen IR og til-bakek<p>plingsstrømmen i er således:

avhengig av polariteten til signalet V^. Siden tilbakekoplingsstrøm-men 1^, som føres til servokompenseringsnettverket 250 står i forhold til tilbakeføringsstrømmen I med de alternative relasjonene

R336//R334°gR344/</R>342' ma verdiene av disse motstandene velges

for å oppnå den størst mulige balanse ellers vil det bli for-vrengning eller andre feil i systemutgangen. Det blir derfor ansett fordelaktig ikke å inkludere motstandene 334, 336, 342 og 344 i den integrerte, kretsen som vist ved 44 på figur 1, slik at deres 'verdier lettere kan justeres og dermed lette kalibreringen av akselerometeret før sammensetningen.

På figur 14 er det vist et skjematisk diagram over servokompenseringsnettverket 250. Kretsen på figur 14 er som tidligere antydet hovedsakelig et båndpassfilter hvor et tilbakekoplingssignal med forholdsvis lav frekvens ikke blir overført til den negative inngangs-terminalen på operasjonsforsterkeren 238 over leder 242, og hvor et signal I_, med méget høy frekvens for det meste ikke blir overført til leder 242. En kondensator 350 forhindrer effektivt at en like-strøm I ■ rnår den negative terminalen på operasjonsforsterkeren 238, og det resulterer derfor i en hovedsakelig uendelig forsterkning av operasjonsforsterkeren 238 under likestrømsforhold. På samme måte vil en kondensator 352 som samvirker med motstandene 354,

356, 358 og 360 tillate mesteparten av høyfrekvenssignalet Ip å bli koplet til jord, og gir dermed operasjonsforsterkeren 238 en forholdsvis stor forsterkning. Ved midtbåndfrekvensene hvor, for eksempel, akselerasjonssignalet som'blir tilført akselerometeret 10 er tilnærmet, lik den naturlige frekvensen til pendelen 26, vil

servokompenseringsnettverket tillate en del av tilbakekoplings-signalet I_ å bli overført til den negative terminalen til operasjonsforsterker 238, noe som tjener til å redusere forsterkningen til servosløyfen. Ved' å justere verdiene til de forskjellige komponentene i servokompenseringsnettverket 250, kan derfor frekvens-responsen til servosystemet med hensyn til forsterkningen justeres for å avspeile dynamikken til de mekaniske komponentene til akselerometeret 10 og den spesielle anvendelse som det brukes i.

I tillegg samvirker motstand 360 i servokompenseringsnettverket

250 med de forskjellige elementene i spenning/strøm-omformeren 244 og utgangsdrivkretsen 212 for å frembringe en verdi på tilbake-koplingsstrømmen 1^, som er proporsjonal med forholdet ^ q^ 260'

Claims (6)

1. Akselerometer-understøttelsesanordning omfattende et hus, et par adskilte parallelle kondensatorplater festet inne i huset, en pendel som omfatter et stangorgan og en padleåreformet del festet til en ende av stangorganet, hvor padleårede- ■ len er anordnet i hovedsakelig adskilt parallell posisjon mellom platene, en aksel festet på tvers av' den langsgående aksen til pendelen , karakterisert ved at det for å øke påliteligheten av-akselerometeret er anordnet en understøttelsesramme festet inne i huset, og en akselopplagrings-anordning festet til rammen for dreibar.opplagring av akselen, ... idet akselopplagringsanordningen omfatter et første og en andre, lager for å. oppta og dreibart understøtte hver ende av akselen, et første bøyeorgan festet ved hver ende til rammen for å understøtte det første lageret og en andre anordning for å understøtte det andre lageret.

2. Akselerometer ifølge krav 1, karakterisert ved at den andre undérstøtt.elsesanordningen omfatter direkte festing av det andre lageret til understøttelsesrammen.

3. Akselerometer ifølge krav' 2, karakterisert ved at akselopplagringsanordningen. omfatter en regulerings-anordning for å regulere trykket av lagrene på akslene.

4. Akselerometer ifølge krav 1, karakterisert ved at et par bøyeplater er anordnet slik at hver ende av hver bøyeplate er.festet slik inne i huset at bø yeplatene er anordnet hovedsakelig parallelt med og på hver side av pendelen, et par lagre er festet på hver av bøyeplatene, en første regu-leringsanordni.ng omfatter en gjenget understøttelsesdel festet til huset langs en første av bøyeplatene og e.n justeringsskrue i gjengeinngrep med den regulerbare understøttelsesdelen og med en ende liggende an mot den første bøyeplaten for å justere trykket av lagrene mot akselen, og ved en andre justerings-anordning omfattende en gjenget understøttelsesdel festet til huset langs en andre av bøyeplatene og en justeringsskrue i gjengeinngrep med understøttelsesdelen og med en ende liggende an mot den andre bøyeplaten for regulering av trykket av lag rene mot akselen.

5. Akselerometer ifølge krav 4, karakterisert ved. at hver av bøyeplatene er utformet med minst en sliss.

6. Akselerometer ifølge krav !3, karakterisert v ed at hver sliss er på hver side av det punkt hvor reguleringsskruen ligger an mot bø yeplaten' , idet slissene er perpendikulære'til bøyeplatenes langsgående akse..