DE4042600C2

DE4042600C2 - Piezoelectric accelerometer for detecting vibration in vehicle

Info

Publication number: DE4042600C2
Application number: DE4042600A
Authority: DE
Inventors: Shunichi Wada; Masayuki Yano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-05-24
Filing date: 1990-05-23
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: DE4042600C3

Abstract

The piezoelectric element (4) held between upper and lower electrodes (3a,3b) on an insulating plate is electrically stressed by an overlying mass under vertical acceleration. The electrodes are wired to a charge amplifier (6) incorporating an operational amplifier (20) on the same plate, with a temp.-compensating capacitor (C1) in parallel with them. The charge amplifier circuit includes a resistance (R3) in parallel with the capacitor, and the lower electrode (3b) is returned to the reference potential of a fixed resistive divider (R1,R2). The output is amplified (7), filtered (8b) and taken through a feedthrough capacitor (10b) to a signal line (33).

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Beschleuni gungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.The invention relates to a piezoelectric accelerator Gungsmesser according to the preamble of the claim.

Piezoelektrische Beschleunigungsmesser werden konventionell für Messungen der Schwingungen oder des Fahrkomforts von Kraftfahrzeugen verwendet. Es soll zuerst der Gesamtaufbau eines bekannten piezoelektrischen Beschleunigungsmessers unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschreiben werden.Piezoelectric accelerometers are conventionally used to measure vibrations or driving comfort of automobiles. First, the overall structure of a known piezoelectric accelerometer will be described with reference to FIG. 1.

Nach Fig. 1 ist in einem elektrisch leitenden Gehäuse 1 eine Isolierplatte 9 aufgenommen, auf der ein Gewicht 2 und ein piezoelektrisches Element 4 mittels einer Befestigungsschraube 5, die durch das Gewicht 2 und das Element 4 verläuft, und ei ner auf die Schraube 5 gedrehten Mutter 15 befestigt sind. Die Isolierplatte 9 ist eine Leiterplatte aus einem Epoxidharz oder aus Keramik. Das zwischen seiner oberen und seiner unteren Elektrode 3a und 3b gehaltene piezoelektrische Element 4 ist am Gehäuse 1 über die Iso lierplatte 9 befestigt. Die untere Elektrode 3b liegt an der Isolierplatte 9 an, und die obere Elektrode 3a ist zwi schen dem Gewicht 2 und dem piezoelektrischen Element 4 gehalten; die Elektroden 3a und 3b sind über die entspre chenden Ausgangsleiter 13 und 14 des piezoelektrischen Ele ments mit den Eingängen eines Ladungsverstärkers 6 elek trisch verbunden.According to Fig. 1 in an electrically conductive housing 1 an insulating plate 9 is received, on which runs a weight 2 and the piezoelectric element 4 by means of a fastening screw 5, which by the weight 2 and the element 4, and ei ner rotated on the bolt 5 Nut 15 are attached. The insulating plate 9 is a circuit board made of an epoxy resin or ceramic. The held between its upper and lower electrodes 3 a and 3 b piezoelectric element 4 is attached to the housing 1 via the insulating plate 9 . The lower electrode 3 b bears against the insulating plate 9 , and the upper electrode 3 a is held between the weight 2 and the piezoelectric element 4 ; the electrodes 3 a and 3 b are electrically connected to the inputs of a charge amplifier 6 via the corresponding output conductors 13 and 14 of the piezoelectric element.

Der auf der Isolierplatte 9 angeordnete Ladungsverstärker 6 bewirkt eine Vorverstärkung des Ausgangs- oder Meßsignals des piezoelektrischen Elements 4. Der Ladungsverstärker 6 dient dem Zweck der Verminderung nachteiliger Auswirkungen von Geräuschen und Schwingungen auf den Spannungsversor gungspegel. Ein ebenfalls auf der Isolierplatte 9 angeord neter Verstärker 7 verstärkt das Ausgangssignal des La dungsverstärkers 6. Der Ausgang des Verstärkers 7 ist über einen drei Anschlüsse aufweisenden Kondensator 8b elek trisch mit einem Durchführungskondensator 10b und über eine Zuleitung 33 mit dem Eingang einer Steuereinrichtung 11 gekoppelt.The charge amplifier 6 arranged on the insulating plate 9 effects a preamplification of the output or measurement signal of the piezoelectric element 4 . The charge amplifier 6 serves the purpose of reducing adverse effects of noise and vibration on the voltage supply level. A also on the insulating plate 9 angeord designated amplifier 7 amplifies the output signal of the amplifier amplifier 6th The output of the amplifier 7 is electrically coupled via a three-terminal capacitor 8 b to a feed-through capacitor 10 b and via a feed line 33 to the input of a control device 11 .

Eine Stabilisierungsspannungsquelle 12, die einen Stabi lisierungsspannungskreis (nicht gezeigt) der Steuereinrich tung 11 umfaßt, liefert eine Versorgungsspannung an den piezoelektrischen Beschleunigungsmesser über eine Span nungszuführung 31, einen Durchführungskondensator 10a und einen drei Anschlüsse aufweisenden Kondensator 8a. Der ge erdete negative Anschluß der Stabilisierungsspannungsquelle 12 ist mit dem elektrisch leitfähigen Gehäuse 1 über einen Erdleiter 32 gekoppelt. Ferner ist das Gehäuse 1 über den Erdleiter 16 mit der Isolierplatte 9 gekoppelt. Somit er folgt die Erdung der elektronischen Schaltkreise auf der Isolierplatte 9 über elektrische Anschlüsse an das Gehäuse 1 und damit an den Erdungsleiter 32 der Steuereinrichtung 11, und die elektronische Schaltung des Beschleunigungs messers ist in dem elektrisch leitfähigen Gehäuse 1 voll ständig eingeschlossen; dies führt zu einem Abschirmeffekt für die im Gehäuse befindliche elektronische Schaltung des Beschleunigungsmessers und dient somit der Unterdrückung der nachteiligen Auswirkungen externer Störungen.A stabilization voltage source 12 , which comprises a stabilization voltage circuit (not shown) of the control device 11 , supplies a supply voltage to the piezoelectric accelerometer via a voltage supply 31 , a feed-through capacitor 10 a and a three-terminal capacitor 8 a. The grounded negative terminal of the stabilization voltage source 12 is coupled to the electrically conductive housing 1 via an earth conductor 32 . Furthermore, the housing 1 is coupled to the insulating plate 9 via the earth conductor 16 . Thus he follows the grounding of the electronic circuits on the insulating plate 9 via electrical connections to the housing 1 and thus to the grounding conductor 32 of the control device 11 , and the electronic circuit of the accelerometer is fully enclosed in the electrically conductive housing 1 ; this leads to a shielding effect for the electronic circuit of the accelerometer located in the housing and thus serves to suppress the adverse effects of external interference.

Ein Nachteil des bekannten piezoelektrischen Beschleunigungsmessers resultiert daraus, daß die elektri schen Eigenschaften des piezoelektrischen Elements 4 und der Schaltungsbauteile des Ladungsverstärkers 6 usw. tem peraturabhängig sind und sich mit der Temperatur ändern. D. h., Änderungen der Umgebungstemperatur führen zu Ände rungen der elektrostatischen Kapazität des piezoelektri schen Elements 4 und der elektrischen Eigenschaften der Schaltungsbauteile des Ladungsverstärkers 6 usw. Somit ändert sich die Ausgangsspannung des Beschleunigungsmes sers, die ein und derselben Beschleunigung entspricht, mit einer Änderung der Umgebungstemperatur; das bedeutet, daß eine Temperaturänderung zur Bildung eines Fehlers in der Ausgangsspannung des Beschleunigungsmessers führt. A disadvantage of the known piezoelectric accelerometer results from the fact that the electrical properties of the piezoelectric element 4 and the circuit components of the charge amplifier 6 , etc. are temperature-dependent and change with temperature. That is, changes in the ambient temperature lead to changes in the electrostatic capacitance of the piezoelectric element 4 and the electrical properties of the circuit components of the charge amplifier 6 , etc. Thus, the output voltage of the accelerometer corresponding to the same acceleration changes with a change the ambient temperature; this means that a change in temperature leads to the formation of an error in the output voltage of the accelerometer.

Aus der DE-OS 33 34 603 A1, ist eine Verstärkeranordnung für einen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer bekannt, wobei zur Offsetkompensation das Ausgangssignal der Verstär keranordnung in einem separaten Komparator mit einer Ver gleichsspannung in einem festen oder variablen Zeittakt ver glichen wird. Darüber hinaus ist ein Kondensator und ein Widerstand zur Bildung mindestens eines Tiefpasses vorgese hen, wobei der Kondensator gleichzeitig der Temperaturkompen sation des Beschleunigungsaufnehmers dient. Nachteilig ist dort jedoch, daß bei schwankendem Betriebsspannungspotential eine unerwünschte Offsetverschiebung eintritt, wodurch insbe sondere beim Einsatz des dortigen Beschleunigungsaufnehmers in einem Kraftfahrzeug Meßungenauigkeiten resultieren oder ein erhöhter Aufwand zur Stabilisierung der Betriebsspannung getrieben werden muß.From DE-OS 33 34 603 A1, an amplifier arrangement for known a piezoelectric accelerometer, the output signal of the amplifier for offset compensation keranordnung in a separate comparator with a Ver DC voltage in a fixed or variable cycle is compared. It is also a capacitor and a Resistance to the formation of at least one low pass provided hen, the capacitor of the temperature compen tion of the accelerometer is used. The disadvantage is there, however, that with fluctuating operating voltage potential an undesired offset shift occurs, whereby in particular especially when using the accelerometer there measurement inaccuracies result in a motor vehicle or an increased effort to stabilize the operating voltage must be driven.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen Beschleunigungsmesser vorzuschlagen, bei welchem die Meß genauigkeit weder durch eine Änderung der Umgebungstemperatur noch bei schwankender Betriebsspannung beeinträchtigt ist.It is therefore an object of the invention to provide a piezoelectric Propose accelerometer in which the measuring accuracy neither by changing the ambient temperature is still impaired when the operating voltage fluctuates.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit den Merkma len des Patentanspruches. The object of the invention is achieved with the features len of the claim.

Es weist also der Ladungsverstärker einen Kon densator mit positivem Kapazitäts-Temperaturkoeffizienten auf, der den Elektroden der Piezoelementeinrichtung parallelgeschaltet ist, wobei der Kondensator der Tempera turkompensation im Hinblick auf eine durch eine Änderung der Umgebungstemperatur hervorgerufene Änderung der Aus gangsspannung des Beschleunigungsmessers dient. Weiterhin umfaßt der Ladungsverstärker einen dem Kondensator parallelgeschalteten Widerstand und einen (an sich bekannten) Operationsver stärkerkreis, der zwei dem Kondensator und dem Widerstand parallelgeschaltete Eingänge aufweist.So the charge amplifier has a con capacitor with positive capacitance-temperature coefficient on the electrodes of the piezo element device is connected in parallel, the capacitor of the tempera Compensation for a change change in the ambient temperature caused by the off output voltage of the accelerometer is used. Farther the charge amplifier comprises a capacitor parallel resistor and a (known per se) op amplifier circuit, the two the capacitor and the resistor has inputs connected in parallel.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen inThe invention is described below based on the description of Ausfüh example and with reference to the enclosed Drawings explained in more detail. The drawings show in

Fig. 1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines bekannten Beschleunigungsmessers. Fig. 1 is a schematic side sectional view of a known accelerometer.

Fig. 2 ein Schaltbild, das den Schaltungsaufbau des Ladungsverstärkers des Beschleunigungsmessers zeigt; und Fig. 2 is a circuit diagram showing the circuit structure of the charge amplifier of the accelerometer; and

Fig. 3a bis 3c Diagramme, die die Änderungsraten verschie dener Faktoren (in bezug auf die auf der Abszisse aufgetragene Temperatur) zeigen, die die Ausgangsspannung des Beschleunigungsmes sers beeinflussen. FIGS. 3a to 3c are diagrams showing the change rates of various Dener factors (with respect to the plotted on the abscissa temperature) that affect the output voltage of the Beschleunigungsmes sers.

Ein Ausführungsbeispiel des Beschleunigungsmessers wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1-3 erläutert.An embodiment of the accelerometer will be explained with reference to FIGS. 1-3.

Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines bekannten piezoelektrischen Be schleunigungsmessers für Kraftfahrzeuge. Fig. 1 shows the overall structure of a known piezoelectric accelerometer Be for motor vehicles.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird der Schaltungsaufbau des Beschleunigungsmessers erläutert.Referring to FIG. 2, the circuit construction of the accelerometer will be explained.

Nach Fig. 2 umfaßt der Ladungsverstärker 6 einen Konden sator C1 und einen Widerstand R3, die als Parallelkreis der oberen und der unteren Elektrode 3a und 3b des piezoelek trischen Elements 4 parallelgeschaltet sind, wobei der mit der Elektrode 3b verbundene Anschluß des Widerstands R3 an einen Zwischenpunkt eines Spannungsteilers gekoppelt ist, der aus reihengeschalteten Widerständen R1 und R2 besteht und mit der Spannungsquelle und Erde parallel geschaltet ist. Somit wird das Potential der Elektrode 3b auf einem vorbestimmten Pegel in bezug auf Erde gehalten, der durch den Spannungspegel der Spannungsquelle und das Widerstands verhältnis der Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 be stimmt ist. Ferner ist der nichtinvertierende (positive) Eingang eines Operationsverstärkers 20, der FET-Eingangs konfiguration hat, mit der oberen Elektrode 3a des piezo elektrischen Elements 4 verbunden, während der invertie rende (negative) Eingang des Operationsverstärkers 20 mit der unteren Elektrode 3b des piezoelektrischen Elements 4 über einen Eingangswiderstand R4 desselben verbunden ist. Ferner ist der Ausgang des Operationsverstärkers 20 über einen Rückkopplungswiderstand R5 mit seinem invertierenden Eingang verbunden. Es ist zu beachten, daß die Regelver stärkung dieser invertierenden Verstärkerkonfiguration des Operationsverstärkers 20 durch das Verhältnis zwischen Rückkopplungswiderstand R5 und Eingangswiderstand R4 be stimmt ist. Ferner ist zu beachten, daß der Ladungsverstär ker 6 den Kondensator C1, Widerstände R1-R5 und den Opera tionsverstärker 20 umfaßt.According to FIG. 2, the charge amplifier 6 comprises a condensate sator C1 and a resistor R3 as a parallel circuit of the upper and the lower electrode 3 a and 3 b of the piezoelek tric element 4 are connected in parallel, said terminal connected b to the electrode 3 of the resistor R3 is coupled to an intermediate point of a voltage divider which consists of resistors R1 and R2 connected in series and is connected in parallel with the voltage source and ground. Thus, the potential of the electrode 3 b is kept at a predetermined level with respect to earth, which is determined by the voltage level of the voltage source and the resistance ratio of the voltage dividing resistors R1 and R2. Further, the non-inverting (positive) input of an operational amplifier 20, the FET input has configuration, connected to the upper electrode 3a of the piezoelectric element 4, while the invertie Rende (negative) input of operational amplifier 20 with the lower electrode 3b of the piezoelectric element 4 is connected via an input resistor R4 thereof. Furthermore, the output of the operational amplifier 20 is connected to its inverting input via a feedback resistor R5. It should be noted that the control gain of this inverting amplifier configuration of the operational amplifier 20 is determined by the relationship between the feedback resistor R5 and the input resistor R4. It should also be noted that the charge amplifier 6 includes the capacitor C1, resistors R1-R5 and the operational amplifier 20 .

Bei dem obigen Schaltungsaufbau des Ladungsverstärkers 6 ist zu beachten, daß der nichtinvertierende und der inver tierende Eingang des Operationsverstärkers 20 mit FET-Ein gangskonfiguration miteinander über den Widerstand R3 ge koppelt sind, so daß die Potentiale beider Eingänge des Operationsverstärkers 20 sich gleichzeitig verriegelt ändern, wenn sich die Speisespannung ändert; damit wird die nachteilige Auswirkung einer Änderung der Speisespannung vermindert. Andererseits ist der Kondensator C1 in den Schaltkreis eingefügt, um die Zeitkonstante des Eingangs kreises des Ladungsverstärkers 6 zu erhöhen, wodurch die vom Beschleunigungsmesser aufgenommene niedrigste Beschleu nigungsfrequenz verringert wird. Wie noch im einzelnen erläutert wird, hat der Kondensator C1 ferner eine positive Temperaturkennlinie, so daß die durch eine Änderung der Umgebungstemperatur bewirkte Meßspannungsänderung minimiert wird.In the above circuit configuration of the charge amplifier 6 , it should be noted that the non-inverting and the inverting input of the operational amplifier 20 with FET input configuration are coupled to one another via the resistor R3, so that the potentials of both inputs of the operational amplifier 20 change locked simultaneously, when the supply voltage changes; this reduces the adverse effect of a change in the supply voltage. On the other hand, the capacitor C1 is inserted in the circuit to increase the time constant of the input circuit of the charge amplifier 6 , thereby reducing the lowest acceleration frequency picked up by the accelerometer. As will be explained in more detail, the capacitor C1 also has a positive temperature characteristic so that the change in the measurement voltage caused by a change in the ambient temperature is minimized.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 20, der die Endstufe des Ladungsverstärkers 6 bildet, wird vom Verstär ker 7 verstärkt und über den drei Anschlüsse aufweisenden Kondensator 8b und den Durchführungskondensator 10b auf die Ausgangsleitung 33 gegeben. Ferner ist die Spannungsver sorgung zum Ladungsverstärker 6 und zum Verstärker 7 über den drei Anschlüsse aufweisenden Kondensator 8a und den Durchführungskondensator 10a mit dem Speisespannungsleiter 31 verbunden.The output signal of the operational amplifier 20 , which forms the output stage of the charge amplifier 6 , is amplified by the amplifier 7 and given via the three-terminal capacitor 8 b and the feed-through capacitor 10 b to the output line 33 . Furthermore, the voltage supply to the charge amplifier 6 and the amplifier 7 via the three-terminal capacitor 8 a and the feed-through capacitor 10 a is connected to the supply voltage conductor 31 .

Die Ausgangsspannung Vout des Beschleunigungsmessers, die an den Zuleitungen 33 und 32 erzeugt wird, wenn auf das piezoelektrische Element 4 eine Kraft F aufgebracht wird, ist durch die folgende Gleichung gegeben:The output voltage Vout of the accelerometer, which is generated on the leads 33 and 32 when a force F is applied to the piezoelectric element 4 , is given by the following equation:

Vout = α (√2·kr/fr·C1)·F·(1 + R5/R4)·K (1)Vout = α (√2kr / frC1) F (1 + R5 / R4) K (1)

wobei
α = eine Konstante,
fr = die Resonanzfrequenz,
kr = der Kopplungskoeffizient,
C1 = die elektrostatische Kapazität des Kondensators C1,
C2 = die elektrostatische Kapazität des Kondensators C2,
F = die auf das piezoelektrische Element wirkende Kraft,
K = der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 7 und
R4 und R5 = die Widerstandswerte des Eingangs- bzw. des Rückkopplungswiderstands R4 bzw. R5 des Ladungsverstärkers 6. in which
α = a constant,
fr = the resonance frequency,
kr = the coupling coefficient,
C1 = the electrostatic capacitance of capacitor C1,
C2 = the electrostatic capacitance of the capacitor C2,
F = the force acting on the piezoelectric element,
K = the amplification factor of the amplifier 7 and
R4 and R5 = the resistance values of the input and feedback resistors R4 and R5 of the charge amplifier 6 .

Nachstehend wird der Betrieb des Ladungsverstärkers 6 be schrieben, um die jeweiligen Faktoren der obigen Gleichung (1) zu erläutern.The operation of the charge amplifier 6 will be described below to explain the respective factors of the above equation (1).

Wenn die aus der Beschleunigung des Gewichts 2 resultie rende Kraft auf das piezoelektrische Element 4 aufgebracht wird, wird an den Elektroden 3a und 3b aufgrund der der Beschleunigung entsprechenden Polarisation des Elements 4 eine der Beschleunigung entsprechende Spannung ausgebildet. Diese an den Elektroden 3a und 3b sich aus bildende Spannung wird wie folgt geschrieben:If the force resulting from the acceleration of the weight 2 is applied to the piezoelectric element 4 , a voltage corresponding to the acceleration is formed on the electrodes 3 a and 3 b due to the polarization of the element 4 corresponding to the acceleration. This voltage which forms at the electrodes 3 a and 3 b is written as follows:

α·(√2·kr)/(fr·C1) (2)α · (√2 · kr) / (fr · C1) (2)

und erscheint als ein Faktor in der obigen Gleichung (1); diese Spannung wird an die Eingänge des Ladungsverstärkers 6 angelegt. Dabei wird die der Beschleunigung entsprechende obige Spannung (2) an die Eingänge der invertierenden Schaltungskonfiguration des Operationsverstärkers 20 mit den Eingangs- und Rückkopplungswiderständen R4 und R5 ange legt und daher mit dem Spannungsverstärkungsfaktor ver stärkt, der durch das Verhältnis von R5 zu R4 bestimmt ist:and appears as a factor in equation (1) above; this voltage is applied to the inputs of the charge amplifier 6 . The voltage corresponding to the acceleration ( 2 ) above is applied to the inputs of the inverting circuit configuration of the operational amplifier 20 with the input and feedback resistors R4 and R5 and is therefore amplified with the voltage amplification factor, which is determined by the ratio of R5 to R4:

(1 + R5/R4).(1 + R5 / R4).

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 20 wird weiter im Verstärker 7 mit einem Spannungsverstärkungsfaktor gleich K verstärkt und auf der Ausgangsleitung 33 des Be schleunigungsmessers über den drei Anschlüsse aufweisenden Kondensator 8b und den Durchführungskondensator 10b ausge geben. Damit ist die Ausgangsspannung Vout des Beschleuni gungsmessers durch die obige Gleichung (1) gegeben.The output of the operational amplifier 20 is further amplified in the amplifier 7 with a voltage gain equal to K and schleunigungsmessers having on the output line 33 of the loading over the three ports capacitor 8 b and b give out the feedthrough capacitor 10 degrees. Thus, the output voltage Vout of the accelerometer is given by the above equation (1).

Da der Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts von Wi derständen allgemein klein ist, ist die durch Temperatur änderungen bedingte Änderung des Verstärkungsfaktors, der durch das Verhältnis von R5 und R4Since the temperature coefficient of the resistance value of Wi which is generally small is by temperature changes due to a change in the gain factor by the ratio of R5 and R4

(1 + R5/R4)(1 + R5 / R4)

gegeben und durch die invertierende Schaltungsauslegung des Operationsverstärkers 20 mit dem Eingangs- und dem Rück kopplungswiderstand R4 und R5 erhalten ist, klein und kann daher bei der Berücksichtigung einer Änderung der durch die Gleichung (1) gegebenen Ausgangsspannung Vout vernachläs sigt werden. Somit ist die Änderung der Ausgangsspannung Vout aufgrund der Temperaturänderung bestimmt durch den Temperaturkoeffizienten des Faktors:given and obtained by the inverting circuit design of the operational amplifier 20 with the input and the feedback resistor R4 and R5, is small and can therefore be neglected when considering a change in the output voltage given by the equation (1) Vout. The change in the output voltage Vout due to the temperature change is thus determined by the temperature coefficient of the factor:

√2·kr/fr·C1 (2′).√2kr / frC1 (2 ′).

Das heißt, daß die Temperaturänderung der Ausgangsspannung Vout im wesentlichen durch die Temperaturkennlinien des durch (2′) gegebenen Faktors bestimmt ist.That is, the temperature change of the output voltage Vout essentially by the temperature characteristics of the is determined by (2 ′) given factor.

Fig. 3(a) zeigt die Änderungsraten (die auf der Ordinate in Prozent aufgetragen sind) des Kopplungskoeffizienten kr (Vollinie A) und der Quadratwurzel der Kapazität C des piezoelektrischen Elements 4 (Strichlinie B) in bezug auf die (auf der Abszisse aufgetragene) Umgebungstemperatur; daher nimmt die Änderungsrate des Produkts des Kopplungs koeffizienten kr und der Quadratwurzel der Kapazität C des piezoelektrischen Elements 4, wobei das Produkt in der Gleichung (2′) als Zähler erscheint, die durch die Strich punktlinie C wiedergegebene Form an. Andererseits zeigt Fig. 3 (a) shows the change rates (plotted along the ordinate in percent) of the coupling coefficient kr (solid line A) and the square root of the capacitance C of the piezoelectric element 4 (dashed line B) with respect to (on the abscissa applied) Ambient temperature; therefore, the rate of change of the product of the coupling coefficient kr and the square root of the capacitance C of the piezoelectric element 4 increases , the product appearing in the equation (2 ') as a counter, the shape represented by the dash-dotted line C. On the other hand shows

Fig. 3(b) die Änderungsrate der Resonanzfrequenz fr (Voll linie D) und der Kapazität C1 (Strichlinie E) in bezug auf die Temperatur; daher nimmt die Änderungsrate des Produkts der Resonanzfrequenz fr und der Kapazität C1, wobei dieses Produkt als Nenner in der Gleichung (2′) erscheint, die durch die Strichpunktlinie F wiedergegebene Form an. Somit nimmt die Änderungsrate des Quotienten der durch die Kurven C und F bezeichneten Werte, wobei dieser Quotient der ge samten obigen Gleichung (2′) entspricht, die der Vollinie G in Fig. 3(c) entsprechende Form an. Fig. 3 (b) the rate of change of the resonance frequency fr (full line D) and the capacitance C1 (dash line E) with respect to temperature; therefore, the rate of change of the product of the resonance frequency fr and the capacitance C1, which product appears as a denominator in the equation (2 '), takes the form represented by the chain line F. Thus, the rate of change of the quotient of the values denoted by curves C and F, which quotient corresponds to the entire equation (2 ') above, takes the form corresponding to the full line G in Fig. 3 (c).

Es wird also die Änderungsrate E der Kapazität C1 des den Elektroden 3a und 3b des piezoelek trischen Elements 4 parallelgeschalteten Kondensators C1 in bezug auf die Temperatur so gewählt, daß die zusammenge setzte Änderungsrate F des Nenners der Gleichung (2′) nahe zu gleich der zusammengesetzten Änderungsrate C des Zählers in der Gleichung (2′) wird. Gemäß der Erfindung hat die Kapazität des Kondensators C1 eine positive Temperatur charakteristik (d. h. einen positiven Temperaturkoeffizien ten) vorbestimmter Größe, so daß die zusammengesetzte Än derungsrate C des Kopplungskoeffizienten kr und der Qua dratwurzel der Kapazität C des piezoelektrischen Elements 4 nahezu gleich der zusammengesetzten Änderungsrate F der Resonanzfrequenz fr und der Kapazität C1 ist. Durch diese Maßnahme kann die schließlich erhaltene zusammengesetzte Änderungsrate G der Gesamtgleichung (2′) in bezug auf die Temperatur eine gemäßigte Charakteristik haben (d. h., der Wert von G kann in einem kleinen Bereich um Null herum gehalten werden); daher kann gemäß der Erfindung ein Be schleunigungsmesser erhalten werden, dessen Meßgenauigkeit durch Temperaturänderungen nicht beeinflußbar ist.So it is the rate of change E of the capacitance C1 of the electrodes 3 a and 3 b of the piezoelectric element 4 parallel connected capacitor C1 with respect to the temperature chosen so that the composite rate of change F of the denominator of the equation (2 ') is almost equal the composite rate of change C of the counter in equation (2 '). According to the invention, the capacitance of the capacitor C1 has a positive temperature characteristic (ie, a positive temperature coefficient) of a predetermined size, so that the composite rate of change C of the coupling coefficient kr and the square root of the capacitance C of the piezoelectric element 4 is almost equal to the composite rate of change F. the resonance frequency fr and the capacitance is C1. By doing so, the composite rate of change G of the overall equation (2 ′) finally obtained can have a moderate characteristic with respect to temperature (ie, the value of G can be kept in a small range around zero); therefore, an accelerometer can be obtained according to the invention, the measurement accuracy of which cannot be influenced by temperature changes.

Im übrigen ist zu beachten, daß dann, wenn eine ausreichen de Kompensation der Temperaturcharakteristik nicht aus schließlich durch die positive Temperaturcharakteristik des Kondensators C1 erreichbar ist, eine weitere Verbesserung der Temperaturcharakteristik des Beschleunigungsmessers dadurch erhalten werden kann, daß in der obigen Gleichung (1) dem Faktor (1 + R5/R4) eine kompensierende Temperatur charakteristik gegeben wird. In diesem Fall wird als Wider stand R4 ein temperaturabhängiger Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandswerts verwendet; alternativ wird als Widerstand R5 ein temperaturabhängiger Widerstand (ein Thermistor) mit negativem Temperaturkoeffi zienten des Widerstandswerts verwendet. Ferner ist zu be achten, daß in der Schaltung des Verstärkers 7 ein tempe raturabhängiger Widerstand mit dem gleichen Temperaturkom pensationseffekt verwendet werden kann.Incidentally, it should be noted that if a sufficient de compensation of the temperature characteristic cannot be achieved only by the positive temperature characteristic of the capacitor C1, a further improvement in the temperature characteristic of the accelerometer can be obtained by the fact that in the above equation (1) the Factor (1 + R5 / R4) a compensating temperature characteristic is given. In this case, a temperature-dependent resistor with a positive temperature coefficient of the resistance value is used as opposed to R4; alternatively, a temperature-dependent resistor (a thermistor) with a negative temperature coefficient of the resistance value is used as resistor R5. Furthermore, it should be noted that a temperature-dependent resistor with the same Temperaturkom compensation effect can be used in the circuit of the amplifier 7 .

Claims

Piezoelectric accelerometer with a piezo element device,
which is arranged on an insulating plate ( 9 ), and a piezoelectric element ( 4 ), a pair of electrodes ( 3 a, 3 b),
which hold the piezoelectric element ( 4 ) between them and have a weight ( 2 ) for generating a voltage corresponding to an acceleration on the piezoelectric element ( 4 ) due to a weight ( 2 ) according to the acceleration on the piezoelectric element ( 4 ) exerted force;
wherein the accelerometer is housed in a housing ( 1 ); and
a charge amplifier circuit ( 6 ) with an operational amplifier circuit ( 20 ), the charge amplifier circuit ( 6 ) being fixed on the insulating plate ( 9 ) and the inputs of which are electrically coupled to the electrodes ( 3 a, 3 b), for amplification in the piezoelectric Element ( 4 ) generated voltage; and
wherein the charge amplifier circuit ( 6 ) further comprises a capacitor (C1) for temperature compensation,
characterized in that the capacitor (C1) the electrodes ( 3 a, 3 b) of the piezoelectric element ( 4 ) is connected in parallel and that the charge amplifier circuit ( 6 ) has a resistor (R3) connected in parallel with the capacitor (C1), the input gears of the operational amplifier circuit ( 20 ) the capacitor (C1) and the resistor (R3) are connected in parallel.