ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2003 года по МПК G01P15/09 G01B7/34 

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:

где С1_мин - 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 40^oС до плюс 125^oС) 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

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 F_Н и необходимого коэффициента преобразования А пьезоэлектрического акселерометра:

где R2 - сопротивление потенциалозадающего резистора 4;
С1_мин - минимальное значение собственной емкости чувствительного пьезоэлемента 1;
С2 - емкость компенсирующего конденсатора 7;
С3 - емкость конденсатора фильтра низкой частоты 4.

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 ±20%, что особенно важно в условиях серийного и массового производства.

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.

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

где С1_мин - 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.