CN1079943C - 转动速率测定装置 - Google Patents

Abstract

本专利描述的是一转动速率传感器，它根据共振回转动速率度仪原理工作，并借助一振幅调节的振荡器电路得以激发。这种传感器例如用来测定汽车的偏航速度。此外，还计算了用于度量实际偏航速度的科氏加速度效应。使用集成自检功能以检验传感器及其所属电子元件的功能。自检功能在检测开始后引入定义的干扰量作为所谓的BITE功能。这一定义的干扰量产生了可估计的出口电压，它的出现用于计算错误识别。

Description

转动速率测定装置

现有技术

发明涉及一种转动速率测定装置。

众所周知，转动速率传感器(例如根据振动回转速度仪原理工作)的使用与汽车行驶动力学调节系统相关。这类传感器用来计算科氏加速度效应，而科氏加速度是实际偏航速度的度量。

这种传感器的描述例如可从US-PS4759220中得知，在这篇专利文献中详细描述了这种传感器的典型结构及其所属的计算电路。这种传感器基本上是一由弹性材料制成的薄壁空心圆筒。在圆筒壁上装有多个压电弹性传感器元件，每两个传感器元件相对布置。借助于振荡器电路，使这些传感器元件处于恒定的机械驱动电机振荡中。科氏效应与和耦合的转动速度(它垂直于驱动电机振荡)一起对科氏加速度产生作用，这样造成科氏方向上驱动电机的振荡偏差。这一偏差是耦合的转动速率的量度。借助于检波器转换电路测定产生的输出电压，并考虑用输出电压来确定转动速率。

US-PS4759220中传感器(包括所属的计算电路)的缺点是，不能立即识别错误功能。如果这种传感器用于汽车中与安全性要求很高的相关系统中，那么必须检验其功能。

发明的优点

本发明的目的是提供一种转动速率测定装置，它能够可靠地识别错误功能。

按照本发明，实现发明目的的技术方案是，一种用于测定转动速率的装置，其特征是，可以接通用于识别错误功能的介质，它通过产生偏移信号给出装置预定的失调，并产生转动速率和偏移叠加的、被计算以识别错误的出口电压，该装置带有一具有多个传感器元件的传感器，将传感器置于一具有振动能力的物体上，该物体带有一被调的振荡器电路，并使得至少一个传感器元件处于恒定的振动状态，由此还激发带一阻尼电路和出口级、有振动能力的物体，阻尼电路与至少一个传感器元件相连，出口级与至少另一个传感器元件相连并给出出口电压，它是被测转动速率的量度；所述的有振动能力的物体是圆筒状，且一面是自由振动的，另一面是张紧固定的，振动轨迹上的传感器元件等同布置在圆筒表面上。

与已知的解决方法相比，本发明的测定转动速率装置的优点是，能够可靠地识别传感器的错误功能。此外，另一更为突出的优点是，只需要很少的附加费用，并且由于安全传感器监测的结果，可显著减少用于多余传感器的费用。

通过偏移信号与计算电路的补偿电路正确的相位耦合(由此使补偿电路失调)，还有这样的优点，在传感器即计算电路的出口显示转动速率与偏移量的叠加，由此可直接识别其功能能力。

借助于在其它权利要求中说明的措施获得发明的其它优点。此外，显著的优点还有，通过检测已知失调处的传感器，可用入口的检测进行偏移补偿。此外，还可在更广泛的范围里进行检测，因为检测功能通过电路布置不仅检测了计算电子元件的错误功能，而且还检测了传感器元件的错误功能。所谓的BITE功能的干扰量(它相应于一确定的转动速率)耦合的优点是，由于干扰量，传感器出口不取决于灵敏度的补偿。

附图

附图示出了发明，随后对其进行了详细说明。图1详细显示了传感器布置和计算电路，如从US-PS4759220中已知的一样；图2是发明的计算电路的实施例，它允许自检传感器和计算电路的功能。

实施例的说明

在图1中传感器用10表示，传感器10的空心圆筒11上有测量元件A，A’，B，B’，C，C’和D，D’。虚线表示由于振荡，空心圆筒11可以承受的变形。

测量元件A，B，C，D与组块12，13，14相连。12表示振荡器电路(驱动电路)，它使得合适的传感器元件处于恒定的机械驱动振荡电路中；13表示的是一阻尼电路，14是一检波器转换电路，在其出口处生成测量信号，该信号在过滤器15中以适宜的方式过滤，这样得到出口信号Uout。

用图1中描述的传感器布置以及转动速率传感器(根据振动回转速度仪原理工作)的电子元件可以测定汽车的偏航速度，即偏航速率。此外，科氏效应与耦合的转动速度(它垂直于驱动电机振荡)一起对科氏加速度产生作用，这样造成科氏方向上驱动电机的振荡偏差。这一偏差是耦合转动速率的量度，应进行测量。

在图2中描述了发明的计算电路。在这一发明中，传感器及其所属的电子元件相互耦合。

将用于生成偏移信号的介质与传感器电子元件集成为一体，并包括一个带有一可变放大的放大器(20)以及开关(21)的BITE块(16)，通过这个块可导出偏移信号。

描述的布置基本上包括了四个组块。第一组块16是所谓的BITE组块，振荡器电路用符号17表示，阻尼电路用18，输出级用19表示。

图2中的组块16-19还被分成了其它组块，各组块间的相互作用通过相应的连接线表示，可能的话，用带箭头的作用方向说明。BITE组块16中包括一可调放大的放大器20，在放大器中产生BITE功能。这一功能用K_BITE/Vs表示。这一功能通过BITE开关21在检测断开时继续在点22上给出BITE检测作为BITE干扰量U_BITE。

点22与阻尼电路18的组块23，24相连。组块23表示机械连接(圆筒和测量元件，例如压电元件)，传感器元件的传输功能用k_z表示。

组块24是一带AFC相位调节和恒定放大的电动阻尼电路，电阻尼电路的传输功能用K_e，D表示。此外，在点22开始电零点调整，点22上的电压用U_S，D表示。

振荡器电路17中有两个相互作用的组块25和26，组块25再次表明了圆筒和压电元件间的机械连接。传感器元件的传输功能是k_z，电压用U_S，O表示，它是振荡器电路的读出电压。系统的激发电压，即驱动电压用U_F，O表示，这一电压也被称作压力电压或驱动电压。

组块26表示带有相位调整器(AFC)和振幅调整器(AGC)的电激发电路，振荡器电路的传输功能用K_e，o表示。

在组块25和26之间的连接点上存在有驱动电压，即压力电压或驱动电压U_F，O，它被传输给组块27以进行相位正确的检波，即输出级19的同步检波和恒定的放大。此外，组块27还从阻尼电路18中得到电压U_F，D。组块27的传输功能用K_BM·K_O表示。在组块27的出口引入点28，在这一点上开始偏移补偿。点28与可调放大的放大器29相连，放大用v_s表示。在放大器29的出口处可测定转动速率出口电压U_rate，它是实际转动速率的量度。

在点30进行机械零点调整，电压U_cor作为科氏效应的电当量被输送给这一零点调整。

用图2中作为连接图说明的布置可以计算转动速率传感器，同时还可进行传感器和计算电路功能能力的检测。

如果通过振幅调节的振荡器电路使空心圆筒上一合适的传感器元件处于恒定的机械驱动振荡中，那么，科氏效应与一垂直于驱动振荡的耦合转动振荡一起对科氏加速度产生作用，这造成科氏方向上驱动电机的振荡偏移。通过这一效应还使得空心圆筒处于振荡状态，在空心圆筒上布置有用作测量元件的压电元件。由于振荡器的激发，空心圆筒在图1中划出的虚线边界间波动。

如果用一补偿电路，例如一伺服回路来计算偏移(如已提到的那样，它是耦合的转动速率的量度)，那么产生的调整量是被测转动速率的量度。如果这一带相位正确的耦合偏移信号的补偿电路失调，那么传感器的出口显示转动速率和偏移的叠加。如果这一偏移在BITE组块中产生，例如可以通过BITE开关来进行偏移的补偿，然后可在已知的失调处检测传感器。因为检测功能通过电路布置不仅涉及到计算电子元件，而且涉及到传感器元件，所以可检测二者的错误功能。

当激活BITE功能时，对于带振幅调节振荡器电路的振动回转速度仪可借助于下述考虑导出传感器出口处产生的电压U_rate，在这一过程中使传感器处于恒定的机械驱动振荡状态。驱动振荡具有速度v₀，它与振荡器电路的驱动电压U_F，O成正比。

对于振荡器电路有：

 K_z·K_e，o＝1

｜K_z|·｜K_e，o｜＝1

 arc(K_z)+arc(K_e，o)＝0⁰

｜U_F，O｜＝const(AGC功能；激发)

 v₀～U_F，O

 arc(v₀)＝arc(U_F，O)

 U_S，O＝K_z·U_F，O由于转动速率Ω，测量元件在科氏方向上产生偏移，测量元件处于振幅调节的驱动振荡状态，并具有确定的实际速度。力的作用为F_c＝1mV₀×Ω。与科氏力相互作用(导向调节)的补偿力，或者说补偿电压(调整量U_F，D)是现有转动速率的量度。在补偿电路(阻尼电路)中得到科氏电压U_S，D和建立反向电压U_F，D。

这两个电路通过传感器元件连接起来，并在所描述的状态下共振工作(即对于振荡器电路和阻尼电路传输功能是相同的)。

对于阻尼电路有：

｜k_z｜·｜k_e，D｜＞＞1

arc(k_z)+arc(k_e，D)≈180°

U_cor＝k_c·Ω·U_F，O $U_{F,D}\left(\mathrm{\Ω}\right)\frac{k_z\·k_{e,D}}{+1-k_z\·k_{e,D}}\·U_{\mathrm{cor}}\≈-U_{\mathrm{cor}}=-k_c\·\mathrm{\Ω}\·U_{F,O}$ 对于耦合的干扰信号BITE(在检测中建立，以相应的频率，相位)，阻尼电路的导向调节以同样的方式产生作用。因此，通过干扰量U_BITE的耦合可以模拟转动速率。耦合在振荡器电路中进行，它还带有振荡器检测的优点。

干扰信号相应于一固定调整的转动速率，并不取决于带端所必需的成套传感器的灵敏度修正。这通过两个带有互易放大的放大级(一个在BITE/阻尼电路中，一个在出口电路中)实现，结果，由于干扰量U_rate(BITE)，传感器出口并不取决于灵敏度补偿。

对于BITE布置有： $U_{\mathrm{BITE}}=\frac{k_{\mathrm{BITE}}}{v_s}\·U_{s,o}=\frac{k_{\mathrm{BITE}}}{v_s}\·k_z\·U_{F,o}$ $U_{F,D}\left(\mathrm{BITE}\right)\frac{k_z\·k_{e,D}}{1-k_z\·k_{e,D}}\·U_{\mathrm{BITE}}\≈-k_{\mathrm{BITE}}\·\frac{1}{k_z}$ $U_{F,D}\left(\mathrm{BITE}\right)=-\frac{k_{\mathrm{BITE}}}{v_s}\·U_{f,0}$ 传感器U_rate的出口显示了当激活BITE时，由于传输的干扰量，实际转动速率Ω和模拟转动速率的总和(叠加)。

U_F，D＝U_F，D(BITE)+U_F，D(Ω)

U_F，D＝-(K_BITE/v_s+k_c·Ω)·U_F，o

U_rate＝(k_BM·k_o·｜U_F，D｜·cos(arc(U_F，D·U_F，O))+U_off)·v_s

U_rate＝(-(k_BITE/v_s+k_c·Ω)·(｜U_F，O｜·k_BM·k_O)+U_off)·v_s

U_rate(BITE)＝-k_BM·k_o·k_BITE·｜U_F，O｜≠f(v_s)在开始检测时激活干扰量，由此可在已知的失调处U_rate(BITE)检测传感器。通过检测，不仅成套的驱动、阻尼和出口电子元件，而且传感器元件及其接头都可被检验其错误功能。缩写k_z     ＝：传感器元件的传输功能k_e，xx ＝：电子元件的传输功能U_s，xx＝：分路电压U_F，XX＝：驱动电压

  xx＝O＝：振荡器电路(激发)

  xx＝D＝：阻尼电路(补偿)v₀     ＝：驱动方向上测量元件的速度Ω     ＝：转动速率U_cor   ＝：科氏效应的电当量k_c     ＝：科氏常数U_BITE＝：BITE干扰量K_BITE＝：BITE标度系数K_BM    ＝：平衡调制器的放大k_O     ＝：出口级的恒定放大v_s     ＝：出口级的可变放大

      (带端的灵敏度补偿)U_off   ＝：零转动速率的补偿电压

      (带端的偏移补偿)U_rate  ＝：转动速率输出电压

Claims (6)

1.一种用于测定转动速率的装置，其特征是，可以接通用于识别错误功能的介质，它通过产生偏移信号给出装置预定的失调，并产生转动速率和偏移叠加的、被计算以识别错误的出口电压，该装置带有一具有多个传感器元件的传感器，将传感器置于一具有振动能力的物体上，该物体带有一被调的振荡器电路，并使得至少一个传感器元件处于恒定的振动状态，由此还激发带一阻尼电路和出口级、有振动能力的物体，阻尼电路与至少一个传感器元件相连，出口级与至少另一个传感器元件相连并给出出口电压，它是被测转动速率的量度；所述的有振动能力的物体是圆筒状，且一面是自由振动的，另一面是张紧固定的，振动轨迹上的传感器元件等同布置在圆筒表面上。

2.根据权利要求1的装置，其特征是，将用于生成偏移信号的介质与传感器电子元件集成为一体，并包括一个带有一可变放大的放大器(20)以及开关(21)的BITE块(16)，通过这个块可导出偏移信号。

3.根据权利要求2的装置，其特征是，BITE块(16)的放大器(20)的入口与振荡器电路(17)相连，通过连接传输振荡器电路入口处的电压(U_S，O)，BITE块(16)与阻尼电路(18)相连，通过连接传输阻尼电路(18)的偏移电压(U_BITE)。

4.根据权利要求1的装置，其特征是，振荡器电路(17)包括一带相位调节器和振幅调节器的电激发电路(26)。

5.根据权利要求1的装置，其特征是，阻尼电路(18)是一带相位调节器(AFC)进行相位控制的电阻尼电路，并是恒定的放大。

6.根据权利要求1的装置，其特征是，在出口级(19)的入口处有一带相位检波器和恒定放大的组块(27)，它与振荡器电路(17)和阻尼电路(18)相连，通过连接传输电压(U_F，O)和(U_F，O)，这样，组块(27)通过点(28)与可调放大的放大器(29)相连以补偿偏移，通过这一组块还可进行灵敏度补偿，并在其出口处可获得计算的电压(U_rate)。

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