Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt das Funktionsprinzip eines kraftkompensierten Beschleunigungsmessers vor. Basierend auf traditionellen mechanischen Sensoren verwendet der differentielle kapazitive kraftkompensierte Beschleunigungsmesser eine differentielle Kondensatorstruktur und nutzt das Rückkopplungsprinzip, um die gemessene Beschleunigung in eine Änderung der Kondensatorkapazität umzuwandeln. Dadurch wird die Beschleunigungsänderung in einen Spannungswert transformiert. Dies verbessert die Empfindlichkeit, Nichtlinearität und den Messbereich des Sensors signifikant und ermöglicht seinen breiten Einsatz in Bereichen wie Erdbeben, Bauwesen, Transport und Luft- und Raumfahrt. Schlüsselwörter: Beschleunigungsmesser, differentieller kapazitiver kraftkompensierter Sensor. Ein Beschleunigungsmesser ist ein Messgerät, das das physikalische Signal der Beschleunigung in ein messbares elektrisches Signal umwandelt. Er wird häufig zur Messung von Stößen und Vibrationen in vielen Bereichen wie Industrie und Verteidigung eingesetzt. 1. Überblick über das Funktionsprinzip eines Beschleunigungsmessers: Ein Beschleunigungsmesser ist ein Messgerät, das das physikalische Signal der Beschleunigung in ein messbares elektrisches Signal umwandelt. Der differentielle kapazitive kraftkompensierte Beschleunigungsmesser wandelt die gemessene Beschleunigung in eine Änderung der Kondensatorkapazität um. Es gibt drei Methoden, diese Funktion zu realisieren: variabler Spalt, variable Fläche und variable Dielektrizitätskonstante. Der differentielle kapazitive Kraftmessbeschleunigungsmesser nutzt einen variablen Spalt und eine differentielle Struktur. Zu seinen Vorteilen zählen der einfache Aufbau, das gute dynamische Ansprechverhalten, die berührungslose Messbarkeit, die hohe Empfindlichkeit und die hohe Auflösung. Er kann Verschiebungen von nur 0,01 µm oder sogar darunter messen. Da seine Kapazität jedoch im Allgemeinen sehr gering ist (nur wenige pF bis einige hundert pF), kann seine kapazitive Reaktanz mehrere MΩ bis einige hundert MΩ betragen. Daher sind die Anforderungen an den Isolationswiderstand hoch, und parasitäre Kapazitäten (Leitungskapazität und Kapazität zwischen Bauteilen und Platten im Gerät usw.) dürfen nicht vernachlässigt werden. In den letzten Jahren wurden aufgrund der weitverbreiteten Anwendung integrierter Schaltungen elektronische Schaltungen nahe an die Sensorplatten platziert, wodurch die Nachteile wie parasitäre Kapazität und Nichtlinearität kontinuierlich überwunden werden konnten. Beim differenziellen kapazitiven Kraftmessbeschleunigungsmesser befindet sich der mechanische Teil nahe der Leiterplatte und wandelt die Beschleunigungsänderung in eine Auslenkungsänderung der Mittelelektrode des Kondensators um. Die nachfolgende Schaltung erfasst diese Auslenkung und gibt einen entsprechenden Spannungswert aus, aus dem der Beschleunigungswert ermittelt werden kann. Um den ordnungsgemäßen Betrieb des Sensors zu gewährleisten, muss die an die beiden Kondensatorplatten angelegte Vorspannung durch die Rechteckspannung des Nulldurchgangskomparators bereitgestellt werden. 2. Das grundlegende Funktionsprinzip des Kondensators mit variablem Luftspalt ist in Gleichung 2-1 dargestellt. Es handelt sich um einen Plattenkondensator, bestehend aus zwei parallelen Metallplatten mit Luft als Medium. Wird der Einfluss des Randfeldes vernachlässigt, lässt sich seine Kapazität durch die folgende Formel ausdrücken: Aus Gleichung (2-1) geht hervor, dass die Kapazität des Plattenkondensators eine Funktion von A und ist. Wenn die obere Platte fixiert und die untere Platte mit dem zu messenden Objekt verbunden ist, bewirkt eine Auf- und Abwärtsbewegung (d. h. eine Änderung) oder eine Seitwärtsbewegung (d. h. eine Änderung von A) des Objekts eine Kapazitätsänderung. Die Messschaltung wandelt diese Kapazitätsänderung in elektrische Signale wie Spannung, Stromstärke und Frequenz um. Aus der Amplitude des Ausgangssignals lässt sich die Amplitude der Objektverschiebung bestimmen. Wird diese Änderung an einen kapazitiven Differenzkraftsensor angelegt, führt ein Beschleunigungssignal zu einer Kapazitätsänderung C, die wiederum in ein Spannungssignal umgewandelt wird. Aus diesem Spannungssignal kann die Beschleunigung berechnet werden. Gleichung (2-2) zeigt, dass die Kapazität C zwischen den Platten umgekehrt proportional zum Plattenabstand ist und somit einen hyperbolischen Zusammenhang aufweist. Aufgrund der Nichtlinearität dieser Sensorkennlinie kann die bewegliche Elektrode im Betrieb in der Regel nicht den gesamten Spalt abdecken, sondern ist auf einen kleineren Bereich beschränkt, um einen annähernd linearen Zusammenhang mit C zu erzielen. Dies gibt die Größe der relativen Änderung der Ausgangskapazität an, die durch eine Einheitsverschiebung am Eingang verursacht wird. Um die Empfindlichkeit S zu verbessern, sollte der anfängliche Spalt verringert werden. Dies ist jedoch durch die Durchbruchspannung des Kondensators begrenzt und erhöht den Montage- und Verarbeitungsaufwand. Gleichung (2-5) zeigt, dass die Nichtlinearität mit zunehmender relativer Verschiebung ansteigt. Um eine gewisse Linearität zu gewährleisten, sollte die relative Verschiebung der Platten daher begrenzt werden. Eine Vergrößerung des anfänglichen Spalts würde die Empfindlichkeit des Sensors beeinträchtigen. Daher wird in praktischen Anwendungen meist eine Differenzstruktur verwendet, um die Empfindlichkeit zu verbessern und die Nichtlinearität zu reduzieren. Bei einem differenziellen kapazitiven Sensor nimmt die Kapazität des einen Kondensators C1 mit der Verschiebung zu, während die Kapazität des anderen Kondensators C2 abnimmt. Ihre charakteristischen Gleichungen lauten wie folgt: Es ist ersichtlich, dass durch die Umwandlung des kapazitiven Sensors in einen Differenzsensor die Nichtlinearität deutlich reduziert und die Empfindlichkeit verdoppelt wird. Gleichzeitig kann der differenzielle kapazitive Sensor den Einfluss elektrostatischer Anziehungskräfte auf die Messung verringern und Fehler durch Umwelteinflüsse wie Temperatur effektiv reduzieren. 3. Funktionsprinzip und Aufbau des kapazitiven Differenzkraftsensors 3.1 Funktionsprinzip Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht das Blockdiagramm des kapazitiven Differenzkraftsensors im Wesentlichen aus positiven und negativen Spannungsreglern, einem Vierfach-Operationsverstärker LT1058 und einem Doppel-Operationsverstärker OP270 sowie den erforderlichen Kondensatoren und Widerständen. 3.2 Mechanisches Aufbauprinzip des kapazitiven Differenzkraftsensors Da der Differenzkondensator die Empfindlichkeit und Linearität bei Anwendungen mit variablem Spalt deutlich verbessert, findet er breite Anwendung. Abbildung 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines kapazitiven Differenzkraftsensors. Er besteht im Wesentlichen aus einem oberen und einem unteren Magneten, einem Elektromagneten, einer Induktionsspule, einer Federplatte, einem Massenblock als Zwischenelektrode des Kondensators sowie kupferbeschichteten oberen und unteren Platten. Die oberen und unteren Magneten sind mittels Schrauben und Federn verbunden und bilden die Fixierung des Sensors. Die oberen und unteren Platten sind jeweils an den oberen und unteren Magneten befestigt. Zwischen den Platten befindet sich ein von einer Federplatte gehaltener Massenblock. An seiner Ober- und Unterseite sind Metallelektroden (Kupfer) aufgebracht, die die beweglichen Platten des Kondensators bilden. Die obere Platte und die Oberseite des Massenblocks bilden den Kondensator C1, die untere Platte und die Unterseite des Massenblocks den Kondensator C2. Ein Ende der Federplatte ist mit dem Magneten, das andere mit der Zwischenelektrode des Kondensators verbunden, um dessen Schwingung in einem effektiven Bereich zu halten. Das vom entsprechenden Chip ausgegebene Rechtecksignal wird mit Null verglichen und als Rechteckwelle ausgegeben. Diese Rechteckwelle wird durch einen Kondensator gefiltert, um die Gleichspannung zu entfernen, wodurch eine symmetrische Rechteckwelle entsteht. Diese symmetrische Rechteckwelle wird an eine Platte des Kondensators angelegt, und gleichzeitig, nach einer Inversion, wird die symmetrische Wellenform an die andere Platte angelegt. Liegt kein Beschleunigungssignal an, befindet sich die Zwischenplatte in der Mittelstellung zwischen der oberen und der unteren Platte, C1 = C2 und ΔC = 0, sodass der nachfolgende Schaltkreis kein Ausgangssignal liefert. Bei einem Beschleunigungssignal weicht die Zwischenplatte (Massenblock) von ihrer Mittelposition ab und bewirkt eine kleine Auslenkung. Auch der feste Teil des Sensors erfährt eine kleine Auslenkung. Bei positiver Beschleunigung verringert sich der Abstand zwischen Massenblock und oberer Platte, während sich der Abstand zwischen Massenblock und unterer Platte vergrößert. Daher ist C1 > C2, was zu einer Kapazitätsänderung ΔC führt. ΔC wird vom Verstärker verstärkt, und der Ausgangsstrom des Verstärkers wird in das Rückkopplungsnetzwerk eingespeist. Da die Pins 1 und 16 des OP270 mit den beiden Enden der Spule verbunden sind, wird beim Stromfluss durch die Spule ein Magnetfeld induziert, das eine elektromagnetische Kraft erzeugt. Aufgrund der Feder zwischen den oberen und unteren Magneten bewirkt die elektromagnetische Kraft, dass die Magneten in ihre Ausgangsposition vor der Beschleunigung zurückkehren. Die Kapazitätsänderung an diesem Punkt wird somit ausschließlich durch die Beschleunigungsänderung verursacht. Da Spule und bewegliche Platte über die Mittelachse verbunden sind, bewirkt die elektromagnetische Kraft, dass sich die mittlere Elektrode bei Beschleunigung entgegen der Auslenkung bewegt. Dies entspricht einer negativen Rückkopplung im Verstärkerkreis von ΔC und vergrößert somit den Messbereich des Sensors erheblich. Daher kann die bewegliche Platte für jeden Beschleunigungswert, sobald die Änderung der Gesamtkapazität ΔC erfasst wird, zwischen den beiden festen Platten positioniert werden. Die nachfolgende Schaltung gibt dann eine zur Beschleunigung proportionale Spannung aus, aus der die Beschleunigung berechnet werden kann. 4. Praktische Anwendung des Kraftmesssensors. Harbin Beiao Vibration Technology Co., Ltd. ist ein auf Schwingungsmessung spezialisiertes Unternehmen. Ihr nach dem Prinzip der differentiellen kapazitiven Kraftmessung entwickelter Beschleunigungsmesser erreicht folgende Hauptleistungsmerkmale: Messbereich: ±2,0 g, ±0,125 g, ±0,055 g; Empfindlichkeit: BA-02a: ±2,5 V/g, ±40,0 V/g; BA-02b1: ±40,0 V/g (Differenzausgang); BA-02b2: ±90,0 V/g (spezielle Anforderungen, hohe Empfindlichkeit); Frequenzgang: DC–50 Hz (±1 dB); Absolute Genauigkeit: ±3 % FS; Übersprechen: <0,3 %; Linearität: <1 %; Rauschen: <10 μV; Dynamikbereich: >120 dB; Temperaturdrift: <0,01 % g/g; Stromversorgung: ±12 V–±15 V bei 30,0 mA; Abmessungen: Sensoren mit einem Durchmesser von 43 x 60 mm, die diesem Konstruktionsprinzip folgen, finden breite Anwendung in der Schwingungsmessung. Sie eignen sich besonders für Schwingungsmessungen in Bereichen wie Erdbeben, Bauwesen, Militär, Transportwesen, Maschinenbau und Schifffahrt.