пьезоэлектрический акселерометр

Классы МПК:G01P15/09 с помощью пьезоэлектрического датчика
G01B7/34 для измерения шероховатости или неровностей поверхностей 
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):ОАО Калужский завод "Автоприбор"
Приоритеты:
подача заявки:
2002-04-10
публикация патента:

Изобретение относится к транспортной измерительной технике и предназначено для использования при измерении ускорения автомобиля в системе электронного управления двигателем. Устройство содержит чувствительный пьезоэлемент, RC-фильтр низкой частоты, потенциалозадающий резистор, включенный параллельно конденсатору RC-фильтра, операционный усилитель, подключенный к выходу RC-фильтра, источник опорного напряжения, соответствующий полюс которого соединен с общим выводом чувствительного пьезоэлемента, конденсатора RC-фильтра и потенциалозадающего резистора. Между соответствующими выводами чувствительного пьезоэлемента и резистора RC-фильтра включен термостабильный компенсирующий конденсатор. Принятое включение конденсатора, имеющего практически нулевой температурный коэффициент емкости, позволяет уменьшить относительную погрешность измерения, обусловленную изменением собственной емкости чувствительного пьезоэлемента в заданном диапазоне температур. Упрощается также настройка акселерометра, так как снижается чувствительность электрической схемы к разбросу собственной емкости чувствительного пьезоэлемента. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.
Рисунок 1

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий чувствительный пьезоэлемент, RC-фильтр низкой частоты, потенциалозадающий резистор, включенный параллельно конденсатору RC-фильтра, усилитель, выполненный на базе операционного усилителя в неинвертирующем включении и подключенный входом к выходу RC-фильтра, и источник опорного напряжения, соответствующий полюс которого соединен с общим выводом чувствительного пьезоэлемента, конденсатора RC-фильтра и потенциалозадающего резистора, отличающийся тем, что между соответствующими выводами чувствительного пьезоэлемента и резистора RC-фильтра включен термостабильный компенсирующий конденсатор.

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

пьезоэлектрический акселерометр, патент № 2196997

где С1мин - минимальное значение собственной емкости чувствительного пьезоэлемента в заданном диапазоне температур;

С2 - емкость компенсирующего конденсатора;

К - коэффициент, учитывающий, минимум во сколько раз необходимо уменьшить относительную погрешность измерений, обусловленную изменением собственной емкости чувствительного пьезоэлемента в заданном диапазоне температур.

Описание изобретения к патенту

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

Известен автомобильный пьезоэлектрический измеритель ускорения, содержащий включенные последовательно чувствительный пьезоэлемент и усилитель заряда, входная цепь которого состоит из соединенных параллельно пьезоэлементу потенциалозадающего резистора и термокомпенсирующего конденсатора, имеющего положительный температурный коэффициент емкости (US 5095751, G 01 Р 15/09, 17.03.1992).

Недостаток данного устройства заключается в неудовлетворительной точности измерения, обусловленной низкой температурной стабильностью и слабым подавлением высоких частот, близких к частоте резонанса пьезоэлемента.

Низкая температурная стабильность объясняется тем, что использование конденсатора, имеющего положительный температурный коэффициент емкости, не позволяет в полной мере скомпенсировать изменение параметров пьезоэлемента, т. к. в широком диапазоне температур значения коэффициента преобразования и собственной емкости пьезоэлемента изменяются в широких пределах по разным и достаточно сложным законам.

Слабое подавление паразитного сигнала на частоте собственного резонанса пьезоэлемента может привести к перегрузке входного каскада усилителя заряда и, как следствие, к снижению точности измерений.

Наиболее близким к предложенному является пьезоэлектрический акселерометр, содержащий чувствительный пьезоэлемент, RC-фильтр низкой частоты, соединенный с выходом пьезоэлемента, потенциалозадающий резистор, включенный параллельно конденсатору RC-фильтра, усилитель, выполненный на базе операционного усилителя в неинвертирующем включении и подключенный входом к выходу RC-фильтра, и источник опорного напряжения, соответствующий полюс которого соединен с общим выводом чувствительного пьезоэлемента, конденсатора RC-фильтра и потенциалозадающего резистора (ЕР 1037053 A1, G 01 Р 15/09, 20.09.2000).

Недостаток указанного устройства также связан с существенными погрешностями измерения, обусловленными температурной нестабильностью.

Задачей изобретения является повышение температурной стабильности и точности измерения.

Поставленная задача решается тем, что в пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем чувствительный пьезоэлемент, RC-фильтр низкой частоты, потенциалозадающий резистор, включенный параллельно конденсатору RC-фильтра, усилитель, выполненный на базе операционного усилителя в неинвертирующем включении и подключенный входом к выходу RC-фильтра, и источник опорного напряжения, соответствующий полюс которого соединен с общим выводом чувствительного пьезоэлемента, конденсатора RC-фильтра и потенциалозадающего резистора, между соответствующими выводами чувствительного пьезоэлемента и резистора RC-фильтра включен термостабильный компенсирующий конденсатор.

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

пьезоэлектрический акселерометр, патент № 2196997

где С1мин - минимальное значение собственной емкости чувствительного пьезоэлемента в заданном диапазоне температур;

С2 - емкость компенсирующего конденсатора;

К - коэффициент, учитывающий минимум во сколько раз необходимо уменьшить относительную погрешность измерений, обусловленную изменением собственной емкости чувствительного пьезоэлемента в заданном диапазоне температур.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предложенного пьезоэлектрического акселерометра.

Устройство содержит чувствительный пьезоэлемент 1, RC-фильтр низкой частоты с резистором 2 и конденсатором 3, потенциалозадающий резистор 4, включенный параллельно конденсатору 3 RC-фильтра, усилитель 5, выполненный на базе операционного усилителя в неинвертирующем включении и подключенный входом к выходу RC-фильтра 2-3, источник опорного напряжения 6, соответствующий полюс которого соединен с общим выводом чувствительного пьезоэлемента 1, конденсатора 3 RC-фильтра и потенциалозадающего резистора 4. Между соответствующими выводами чувствительного пьезоэлемента 1 и резистора 2 RC-фильтра включен термостабильный компенсирующий конденсатор 7.

В процессе работы устройства на чувствительный пьезоэлемент 1, закрепленный в выделенном месте системы электронного управления двигателем автомобиля, воздействуют виброускорения инерционных масс, что вызывает появление на электродах пьезоэлемента 1 электрического заряда, пропорционального величине ускорения. Полученные электрические сигналы фильтруются фильтром 2-3 низкой частоты, усиливаются усилителем 5 и поступают в блок регистрации (на схеме не показан).

Как известно, основной причиной низкой температурной стабильности при работе пьезоэлектрического акселерометра в широком диапазоне температур (от минус 40oС до плюс 125oС) является то, что коэффициент преобразования и собственная емкость чувствительного пьезоэлемента изменяются в больших пределах, по разным и достаточно сложным законам. Особенно это касается изменения собственной емкости чувствительного пьезоэлемента. Это приводит к изменению коэффициента преобразования и амплитудно-частотной характеристики пьезоэлектрического акселерометра и, как следствие, к снижению точности измерения.

В предложенном техническом решении последовательное включение с чувствительным пьезоэлементом 1 термостабильного компенсирующего конденсатора 7, т. е. конденсатора, имеющего практически нулевой температурный коэффициент емкости, позволяет уменьшить относительную погрешность измерения, обусловленную изменением собственной емкости чувствительного пьезоэлемента 1 в заданном диапазоне температур более чем в К раз, при этом

пьезоэлектрический акселерометр, патент № 2196997

Это значительно облегчает задачу компенсации температурной зависимости коэффициента преобразования чувствительного пьезоэлемента 1 известными методами, в частности использованием, как в данном случае, конденсатора 3 фильтра низкой частоты с необходимым температурным коэффициентом емкости, и позволяет существенно повысить точность измерения ускорения пьезоэлектрическим акселерометром.

В реальных условиях величина емкости компенсирующего конденсатора 7 выбирается из соображений необходимости уменьшения относительной погрешности измерений, обусловленной изменением собственной емкости чувствительного пьезоэлемента 1 в заданном диапазоне температур, с учетом обеспечения нижней граничной частоты рабочего диапазона FН и необходимого коэффициента преобразования А пьезоэлектрического акселерометра:

пьезоэлектрический акселерометр, патент № 2196997

где R2 - сопротивление потенциалозадающего резистора 4;

С1мин - минимальное значение собственной емкости чувствительного пьезоэлемента 1;

С2 - емкость компенсирующего конденсатора 7;

С3 - емкость конденсатора фильтра низкой частоты 4.

пьезоэлектрический акселерометр, патент № 2196997

где помимо уже использовавшихся обозначений А0 - коэффициент преобразования чувствительного пьезоэлемента 1;

А1 - коэффициент усиления усилителя 5.

Последовательное включение с чувствительным пьезоэлементом 1 компенсирующего конденсатора 7 позволяет не только более чем в К раз уменьшить относительную погрешность измерений, связанную с изменением собственной емкости чувствительного элемента 1 в заданном диапазоне температур, но и упростить операцию настройки при изготовлении пьезоэлектрических акселерометров, так как дает возможность снизить чувствительность электрической схемы к разбросу собственных емкостей чувствительных пьезоэлементов, который может достигать пьезоэлектрический акселерометр, патент № 219699720%, что особенно важно в условиях серийного и массового производства.

Класс G01P15/09 с помощью пьезоэлектрического датчика

устройство для измерения продолжительности удара -  патент 2512104 (10.04.2014)
пьезоэлектрический датчик ударного ускорения -  патент 2495438 (10.10.2013)
акселерометр гидростатический -  патент 2488125 (20.07.2013)
метод станочного изготовления сдвигового измерительного датчика -  патент 2436105 (10.12.2011)
трехосевой акселерометр -  патент 2416098 (10.04.2011)
механический фильтр для пьезоакселерометра -  патент 2410704 (27.01.2011)
пьезоэлектрический акселерометр -  патент 2402019 (20.10.2010)
пьезоэлектрический измерительный преобразователь -  патент 2400867 (27.09.2010)
пьезоэлектрический акселерометр -  патент 2400760 (27.09.2010)
согласующее устройство с двухпроводным интерфейсом для пьезодатчика -  патент 2399916 (20.09.2010)

Класс G01B7/34 для измерения шероховатости или неровностей поверхностей 

устройство автоматического контроля прямолинейности сварных стыков рельсов и способ его использования -  патент 2520884 (27.06.2014)
способ определения кинетики износа поверхностей деталей машин -  патент 2494342 (27.09.2013)
способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении -  патент 2480711 (27.04.2013)
способ измерения шероховатости поверхности в процессе электролитно-плазменной обработки -  патент 2475700 (20.02.2013)
профилометр для контроля микрогеометрии коллекторов электрических машин -  патент 2422767 (27.06.2011)
сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством измерения массы и диссипативных свойств -  патент 2407021 (20.12.2010)
сканирующий зондовый микроскоп с контролируемой средой измерения -  патент 2401983 (20.10.2010)
устройство для измерения шероховатости наружной сферической поверхности детали (варианты) -  патент 2392583 (20.06.2010)
способ контроля плоскостности поверхностей трубопроводной арматуры и устройство для его осуществления -  патент 2386104 (10.04.2010)
нутромер -  патент 2381440 (10.02.2010)
Наверх