RU32281U1 - Пьезоэлектрический акселерометр - Google Patents

Description

г о о у-, 1 ....-. „

Пьезоэлектрический акселерометр

Изобретение относится к автомобильной промышленности и предназначено для использования при измерении ускорения автомобиля в системе электронного управления двигателем.

Основными требованиями, предъявляемыми к устройствам данного типа являются: миниатюрность исполнения, высокая точность и стабильность измерений в широком диапазоне температур (от минус 40°С до плюс 125°С), а также работа в достаточно низкочастотном диапазоне частот (от единиц до сотен Герц).

Известен пьезоэлектрический акселерометр, содержащий включенные последовательно чувствительный пьезоэлемент и усилитель, входная цепь которого состоит из подключеных параллельно пьезоэлементу высокоомного потенциалозадаюш;его резистора и термокомпенсируюшего конденсатора, имеющего положительный температурный ь оэффициент

емкости (GB 2 231 965А, G 01 Р 15/09, 28.11.1990).

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерений, обусловленная низкой температурной стабильностью пьезоэлектрического измерителя ускорения.

МПК7 G 01 Р 15/09 G 01 В 7/34

- ; 1 .

пьезоэлемента изменяются в широких пределах и по разным законам. Так при использовании в качестве чувствительного элемента пьезоэлемента биморфного типа в чип исполнении, с ростом температуры до плюс 125°С относительно нормальных условий возможно увеличение емкости на 55% и уменьшение коэффициента преобразования на 16%. При понижении температуры до минус 40°С может происходить уменьшение емкости на 20% и рост коэффициента преобразования на 8% (PKGS-OORA-R, Product Specification, MURATA MFG.CO., LTD).

Подключение параллельно обкладкамчувствительного

пьезоэлемента конденсатора, имеющего положительный температурный коэффициент емкости, не позволяет в полной мере скомпенсировать параметров пьезоэлемента. Это объясняется трудностью, а иногда и невозможностью подбора конденсатора с требуемым законом изменения емкости от температуры.

Кроме того, требование к миниатюризацииизделий

подразумевает использование монтажа с использованием чип элементов и технологий интегральных схем, что существенно ограничивает применение высокоомных (десятки и сотни МОм) резисторов во входной цепи усилителя.

Наиболее близким к предложенному является пьезоэлектрический акселерометр, содержащий усилитель переменного тока, выполненный на базе операционного усилителя в неинвертирующем включении.

чувствительный пьезоэлемент, подключенный между общим выводом и неинвертирующим входом операционного усилителя, а также подключенные параллельно чувствительному пьезоэлементу последовательно включенные между собой потенциалозадающий резистор и резистор обратной связи, а также последовательно включенные между собой первый и второй резисторы делителя выходного напряжения, подключенные между выходом операционного усилителя и точкой соединения потенциалозадающего резистора и резистора обратной связи, а также резистор балансировки и шунтирующий конденсатор, подключенные между инвертирующим входом операционного усилителя и общей точкой резисторов делителя выходного напряжения (Р.Граф. Электронные схемы, М., Мир, 1989г., стр.88).

Недостатком данного устройства является неудовлетворительная точности измерения, обусловленная низкой температурной стабильностью и слабым подавлением высоких частот, близких к частоте резонанса пьезоэлемента.

Недостаточная температурная стабильность объясняется отсутствием температурной компенсации в диапазоне рабочих температур. А учитывая, что коэффициент преобразования и собственная емкость пьезоэлемента под воздействием температуры могут изменяется в больших пределах, то это приводит к неконтролируемому изменению

чувствительности и амплитудно-частотной характеристики акселерометра и, как следствие, к снижению точности измерения.

Слабое подавление паразитного сигнала на частоте собственного резонанса пьезоэлемента может привести к перегрузке входного каскада операционного усилителя, что также приводит к снижению точности измерений.

Задачей изобретения является повышение температурной стабильности и точности измерения.

Поставленная задача решается тем, что в пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем усилитель переменного тока, выполненный на базе операционного усилителя в неинвертирующем включении, чувствительный пьезоэлемент, подключенный между общим выводом и неинвертирующим входом операционного усилителя, а также подключенные параллельно чувствительному пьезоэлементу последовательно включенные между собой потенциалозадающий резистор и резистор обратной связи, а также последовательно включенные между собой первый и второй резисторы делителя выходного напряжения, подключенные между выходом операционного усилителя и точкой соединения потенциалозадающего резистора и резистора обратной связи, а также резистор балансировки и шунтирующий конденсатор, подключенные между инвертирующим входом операционного усилителя и общей точкой резисторов делителя выходного напряжения, - параллельно выводам

чувствительного пьезоэлемента подключен термостабильный компенсирующий конденсатор.

Решению поставленной задачи способствует также то, что величина емкости термостабильного компенсирующего конденсатора выбрана из выражения:

С2

I + + SK 2.;r./.C2-f-+ lU3 &U2 J,

где: Cl- емкость термостабильного компенсирующего конденсатора;

С2 - собственная емкость чувствительного пьезоэлемента;

SK - относительное изменение коэффициента преобразования чувствительного пьезоэлемента в заданном диапазоне температур;

Sc- относительное изменениесобственной емкости

чувствительного пьезоэлемента в заданном диапазоне температур;

/ - центральная частота диапазона рабочих частот пьезоэлектрического акселерометра.

RI - сопротивление резистора обратной связи;

R2 - сопротивление второго резистора делителя напряжения;

Ю - сопротивление потенциалозадающего резистора.

При этом величина резистора обратной связи выбрана из выражения:

11

-1

где, помимо уже использовавшихся обозначений:

УН- нижняя трашща рабочего диапазона пьезоэлектрического акселерометра.

Причем между соответствующим выводами чувствительного пьезоэлемента и термостабильного компенсирующего конденсатора включен резистор фильтра низкой частоты.

Рещению поставленной задачи способствует также то, что общий вывод чувствительного пьезоэлемента и резистора обратной связи подключен к соответствующему полюсу источника опорного напряжения.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема предложенного пьезоэлектрического акселерометра.

Устройство содержит усилитель переменного тока 1, выполненный на базе операционного усилителя 2 в неинвертирующем включении, чувствительный пьезоэлемент 3, подключенный между общим выводом 4 и неинвертирующим входом операционного усилителя 2, а также подключенные параллельно чувствительному пьезоэлементу 3 последовательно включенные между собой потенциалозадающий резистор 5 и резистор обратной связи 6. Между выходом операционного усилителя 2 и точкой соединения потенциапозадающего резистора 5 и резистора обратной связи 6 подключены последовательно включенные между собой

2-Л--/Н-С2-ЛЗ

первый 7 и второй 8 резисторы делителя выходного напряжения. Между инверсным входом операционного усилителя 2 и общей точкой резисторов делителя выходного напряжения 7,8 подключены резистор балансировки 9 и шунтирующий конденсатор 10. Параллельно выводам чувствительного пьезоэлемента 3 подключен термостабильный компенсирующий конденсатор 12. Между соответствующими выводами чувствительного пьезоэлемента 3 и термостабильного компенсирующего конденсатора 12 включен резистор фильтра низкой частоты 13. Общий вывод 4 чувствительного пьезоэлемента 3 и резистора обратной связи 6 подключен к соответствующему полюсу источника опорного напряжения 14.

В процессе работы на чувствительный пьезоэлемент 3 акселерометра, установленного в выделенном месте системы электронного управления двигателем автомобиля, воздействуют виброускорения инерционных масс, что вызывает появление на электродах пьезоэлемента 3 напряжения, пропорционального величине ускорения. Полученные электрические сигналы фильтрзтотся фильтром низкой частоты 12, 13, усиливаются усилителем 1 и поступают в блок дополнительной обработки и регистрации (на схеме не показан).

В предложенном техническом решении подключение параллельно выводам чувствительного пьезоэлемента 3 термостабильного компенсирующего конденсатора 12, имеющего близкий к нулю температурный коэффициент емкости, позволяет уменьшить относительную

ilt

погрешность измерения, обусловленную изменением собственной емкости чувствительного пьезоэлемента 3.

Выбор емкости термостабильного компенсирующего конденсатора 12 из выражения:

С2Xj,/PI л

1 + + йс 2.;г./.С2. -+ lU3

Sc {R2 }

позволяет минимизировать суммарную погрешность измерения, обусловленную изменениями как собственной емкости чувствительного пьезоэлемента 3, так и его коэффициента преобразования.

Выбор величины резистора обратной связи 6 из выражения:

,

позволяет получить величину входного сопротивления усилителя переменного тока 1, достаточную для обеспечения нижней границы диапазона рабочих частот без подсоединения параллельно чувствительному пьезоэлементу 3 конденсатора большой емкости. Это позволяет использовать термостабильный компенсируюш;ий конденсатор 12 требуемой емкости. При этом во входной цепи усилителя 1 не применяются высокоомные (сотни МОм) резисторы. Последнее особенно важно при использовании технологии поверхностного монтажа чип - элементов и в производстве интегральных схем.

11

-1

2-я-/н-С2-КЪ )

Включение резистора 13 фильтра низкой частоты между соответствующими выводами чувствительного пьезоэлемента 3 и термостабильного компенсирующего конденсатора 12, позволяет не только формировать амплитудно-частотную характеристику пьезоэлектрического акселерометра, но и существенно повысить стабильность работы в области частот, близких к частоте резонанса чувствительного пьезоэлемента 3.

Подключение общего вывода 4 чувствительного пьезоэлемента 3 и резистора обратной связи 6 к соответствующему полюсу источника опорного напряжения 14 при питании пьезоэлектрического акселерометра от однополярного источника постоянного тока позволяет получать на выходе полноценный отклик на воздействие ускорений в обеих направлениях вдоль оси измерения ускорения.

Включение параллельно чувствительному пьезоэлементу термостабильного компенсирующего конденсатора 12 позволяет не только уменьшить относительную погрешность измерений, обусловленную изменением параметров чувствительного элемента 3 в заданном диапазоне температур, но и упростить операцию настройки при изготовлении пьезоэлектрических акселерометров. При этом снижается чувствительность электрической схемы к разбросу собственных емкостей чувствительных пьезоэлементов, величина которого может достигать ± 20%. Это особенно важно в условиях серийного и массового производства.

Claims (5)

1. Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий усилитель переменного тока, выполненный на базе операционного усилителя в неинвертирующем включении, чувствительный пьезоэлемент, подключенный между общим выводом и неинвертирующим входом операционного усилителя, а также подключенные параллельно чувствительному пьезоэлементу последовательно включенные между собой потенциалозадающий резистор и резистор обратной связи, а также последовательно включенные между собой первый и второй резисторы делителя выходного напряжения, подключенные между выходом операционного усилителя и точкой соединения потенциалозадающего резистора и резистора обратной связи, а также резистор балансировки и шунтирующий конденсатор, подключенные между инверсным входом операционного усилителя и общей точкой резисторов делителя выходного напряжения, отличающийся тем, что параллельно выводам чувствительного пьезоэлемента подключен термостабильный компенсирующий конденсатор.

2. Пьезоэлектрический акселерометр по п.1, отличающийся тем, что величина емкости термостабильного компенсирующего конденсатора выбрана из выражения:

где С1 - емкость термостабильного компенсирующего конденсатора;

С2 - собственная емкость чувствительного пьезоэлемента;

δк - относительное изменение коэффициента преобразования чувствительного пьезоэлемента в заданном диапазоне температур;

δс - относительное изменение собственной емкости чувствительного пьезоэлемента в заданном диапазоне температур;

f - центральная частота диапазона рабочих частот пьезоэлектрического акселерометра;

R1 - сопротивление резистора обратной связи;

R2 - сопротивление второго резистора делителя напряжения;

R3 - сопротивление потенциалозадающего резистора.

3. Пьезоэлектрический акселерометр по пп.1 и 2, отличающийся тем, что величина резистора обратной связи выбрана из выражения:

где R1 - сопротивление резистора обратной связи;

R2 - сопротивление второго резистора делителя напряжения;

f_н - нижняя граница рабочего диапазона пьезоэлектрического акселерометра;

С2- собственная емкость чувствительного пьезоэлемента;

R3 - сопротивление потенциалозадающего резистора.

4. Пьезоэлектрический акселерометр по пп.1-3, отличающийся тем, что между соответствующими выводами чувствительного пьезоэлемента и термостабильного компенсирующего конденсатора включен резистор фильтра низкой частоты.

5. Пьезоэлектрический акселерометр по пп.1-4, отличающийся тем, что общий вывод чувствительного пьезоэлемента и резистора обратной связи подключен к соответствующему полюсу источника опорного напряжения.