CN1160574C - 角速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种角速度传感器，备有驱动手段和检测手段。驱动手段使具有驱动部和检测角速度的检测部的传感元件中的驱动部稳定振动，检测手段从所述传感元件的检测部检测角速度。通过所述检测手段检测该检测手段中获得的机械结合信号，能获得故障时的自检信号。该传感器具有故障自检功能。

Description

角速度传感器

本申请为申请号96190557.3、申请日1996年5月29日(国际申请日)、题为“角速度传感器”的分案申请。

技术领域

本发明涉及具有自检功能的角速度传感器。

背景技术

例如，音叉形角速度传感器，在音叉形驱动部的两驱动板前端与其正交方向上设有检测板，若以通常音叉驱动方式驱动上述驱动板，加上角速度，则从与其对应、相互相反方向振动的上述检测板的输出可检测角速度。

已有技术的角速度传感器，如图18所示，通过在树脂制的一端开口的盒1的开口部安装树脂制的盖2，形成密封空间。

该密封空间内部安置有电路板3，和金属制重(weight)板4。也即，在盒1内部四角植有支持杆5，该支持杆5弹性地支持固定着重板4和电路板3。为了实现这种弹性支持，在重板4的四角装有橡胶制的减振器6，并在该减振器6与电路板3之间设有树脂制的支脚7，支持杆5从下方贯通减振器6、支脚7、电路板3后，将其前端压破在电路板3面上，由此，弹性地支持固定着电路板3和重板4。重板4相对于电路板3的一侧，如图19所示，在垂直方向上压入固定着金属制的支持棒8，该支持棒8的上部水平方向上压入固定着金属制的支持棒9。该支持棒9的直径约为支持棒8直径的五分之一那么细，且材质由具有像钢琴线那样弹性的金属材料制成，其另一端经焊锡固定有金属制基板10。

金属制驱动板11、12的一端挟着该基板10的支持棒8、9的两侧而固定，它们的表面上进一步固定有板状压电元件11a、12a，由此，形成音叉形驱动部。且，驱动板11、12的另一端，如图19所示，在与压电元件11a、12a部正交的方向上弯折，并在其后延长形成的检测板13、14上固定有板状压电元件13a、14a，这样，构成检测部。从而，由驱动部和检测部构成传感元件。

但是，在已有角速度传感器中产生的问题是，对于传感器起动后所产生的制品故障，并不具有为将该故障传至外部或从外部判断该故障的功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能从外部检测有部分损坏而不能正常检测动作状态的高可靠性角速度传感器。

为完成上述发明目的，本发明的角速度传感器备有：传感元件，驱动手段，检测手段和自检手段；所述传感元件具有驱动部和检测角速度的检测部；所述驱动手段包括将驱动信号供给上述传感元件中驱动部的驱动电路和加有来自上述传感元件的监控信号的监控电路，该驱动手段通过将所述监控电路输出经AGC电路加给所述驱动电路驱动所述传感元件并使之稳定地振动；所述检测手段包括加有来自所述传感元件中检测部的输出的电荷放大器和通过带通滤波器加有所述电荷放大器输出的同步检波器，该检测手段与来自所述驱动手段的驱动信号同步检波所述带通滤波器的输出，从而输出角速度信号；所述自检手段从所述检测手段获得该检测手段获得的除角速度信号外的机械结合信号(另称机械耦合信号，下同)，检测所述传感元件中异常，从而输出自检信号。

按照上述结构，由于将结构上必不可少的检测手段所获得的机械结合信号取为自检信号，故能检测该角速度信号是否处于能正常检测工作状态，而且，该机械结合信号必定产生，故不必另外设置产生该机械结合信号的手段，其分结构极其简单，不仅自检可靠性高，而且传感器起动后，可检知特性稳定所需时间，起动后，可更早地使用传感器的输出。

本发明第一方面的角速度传感器，其特征在于，包含：

取出一检测体输出的角速度的输出端，该检测体包含驱动部分、用于驱动所述驱动部分的驱动装置、及检测一角速度输出的检测装置；以及

通过从所述检测体检测一不同于角速度信号的机械耦合信号来输出一自检用信号的自检装置，

其中，所述检测体包含音叉型驱动部分以及两者构成所述驱动部分的两驱动板的端部所连接的各检测板，且所述检测板与所述驱动板正交，

其中，检测到的机械耦合信号是自检信号，由所述检测板间的机械耦合产生，

其中，从所述检测板获得的机械耦合信号提供给电荷放大器、整流器、滤波器和判定电路，

所述角速度传感器包含一将从所述两检测板获得的机械耦合信号之和初始化设定为零的构件。

附图说明

图1为表示本发明角速度传感器第一实施例的电路框图；图2为图1传感器各部分动作波形图；图3为表示本发明角速度传感器第二实施例的电路框图；图4为图3传感器各部分动作波形图；图5为表示本发明角速度传感器第三实施例的电路框图；图6为图5传感器各部分动作波形图；图7为表示本发明角速度传感器第四实施例的电路框图；图8为图7传感器各部分动作波形图；图9为表示本发明角速度传感器第五实施例的电路框图；图10为图9传感器各部分动作波形图；图11(a)为图9传感器关键部分剖开放大的立体图；图11(b)为图11(a)的剖面图；图11(c)为图9传感器的等效电路图；图12为表示图9传感器关键部分的电路结构的电路图；图13为表示本发明角速度传感器第六实施例的电路框图；图14为图13传感器关键部分的电路结构的电路图；图15为图13传感器各部分的动作波形图；图16为表示本发明角速度传感器第七实施例的电路框图；图17为图16传感器各部分动作波形图；图18为已有技术角速度传感器的主要部分装配立体图；图19为图18传感器关键部分剖开放大的立体图。

具体实施方式

(实施例1)

图1为本发明角速度传感器第一实施例中控制电路的电路图。驱动器15将作为驱动信号的1VP-P(峰-峰)、1.5KHz的交流信号加给作为传感元件的驱动板11的压电元件11a。由此，驱动板11、12以支持棒9为中心开始向内外方向作音叉振动。驱动板12的压电元件12a，因音叉振动而产生与所加信号成比例的感应电压，该电压通过电流放大器16、带通滤波器17，在A点形成图2中A所示监控信号。该信号通过后续的全波整流器18、AGC电路19，反馈给驱动器15，对驱动信号进行AGC控制。在检测部中，压电元件13a、14a一旦检测到角速度，它们就共同输出+Q角速度信号。这种情况作为角速度信号表示在图2的B、C中，它们在图1中D点合成，形成图2中D情况的角速度。接着，该角速度信号经过电荷放大器20、带通滤波器21、同步检波器22、低通滤波器23，从输出端24输出。其间，图1中E、F、G点的信号波形作为角速度信号表示在图2的E、F、G中。

再有，在本实施例中，必须在相对于驱动板11、12的正交方向上设置检测板13、14，但真正把它们作成正交实质上是困难的，而且压电元件13a、14a的大小及它们的安装要完全相同是不可能的，其结果是，除上述角速度信号外，压电元件13a、14a总是产生图2中B、C所示的机械结合信号。此时，压电元件13a、14a粘贴于检测板13、14的同一面，由于检测板13、14的重心会有某种程度地偏向压电元件13a、14a的粘贴侧，故驱动板11、12作音叉振动时，例如向外扩张时，会产生向压电元件13a、14a侧的扩张弯曲。因此，在这些压电元件13a、14a中产生的机械结合信号如图2中B、C所示，构成相互相位相反的状态，故在图1的D点中，这种机械结合信号合成时会变小。该机械结合信号经电荷放大器20、放大器25放大后，经整流器26整流并由其后平滑器27平滑后，用判定器28判定电平，从信号端29输出这种判定结果。图1中H、I、J各点的输出分别表示于图2中H、I、J。也即，平滑器27输出I在电平a、b之间时，作为判定器28的输出的信号端29如图2中J所示输出低电平。与此相比，如图1所示检测板14中途损坏或其引线等断线时，如图2中C所示，该故障点之后，压电元件14a的输出角速度信号和机械结合信号都变为零电平。其结果在图1的D点中只有压电元件13a产生的机械结合信号，构成比之目前大得多的机械结合信号电平。因此，此时平滑器27的输出如图2中I所示，此a点大，结果，判定器28产生如图2中J所示的高电平输出。再有，在检测板13、14两者都坏，或两引线都断线等情况下，平滑器27的输出比图2的I中b点还小，此时，判定器28的输出J也构成高电平输出。然后，在上述输出高电平情况下，该角速度传感器向使用机器传送故障信息。

(实施例2)

图3表示另一实施例，在该实施例中，同步检波器30介于放大器25与平滑器27之间，并用驱动信号中的反馈电路的反馈信号，即来自图3中A点的通过相位器31的信号，进行同步检波。也即，流入放大器25的机械结合信号中也混有角速度信号，故消去该角速度信号，使机械结合信号电平接近正确值。为此，如上所述，用相位器31对流入图3中A点的图4中信号A相移滞后90°，若用图4中H所示具有该90°滞后相位的信号同步检波从放大器25的输出，则如图4中I所示，角速度信号被消去，输入平滑器27的机械结合信号电平能接近正确值。

(实施例3)

图5表示再一实施例，在该实施例中，在图5中D点将从压电元件13a、14a获得的机械结合信号相加时，初始设定成零。即在本实施例中，对于图1、图3所示这种相加不为零的状态，通过对检测板13或14进行平衡调整，使得保压电元件13a、14a产生的机械结合信号相加的结果初始设定为零。这种情况表示在图6的D中，例如发生检测板14受损、或引线脱落那样的故障之前的正常状态下，机械结合信号不出现在图5中D点上。然而，该故障发生后，由于压电元件14a不产生机械结合信号，故如图6中D所示，出现机械结合信号。其结果，如图6中J所示，发生故障时，判定器28的输出变为高电平，这通过或门电路32从信号端29输出如图6中M所示确知角速度传感器发生故障的信号。在本实施例中，驱动信号中反馈信号，也即全波整流器18的输出，通过判定器33供给或门电路32。本实例中，为要不驱动驱动板11、12时，也能从信号端29报知故障，因此，在本实施例中，驱动信号通过判定器33供给或门电路，判定器33，由于驱动板11、12未被驱动、其反馈信号为零时，输出高电平，该电平通过或门电路32从信号端29输出，报知有故障。

如上述实施例1、2、3所示，在结构上作成将电荷放大器20的输出输入到作为自检手段的放大器25的情况下，一旦有超过同步检波器22输入范围的信号由带通滤波器21被输入，输出到输出端24的信号尽管不加有角速度信号，但仍会变化。此时，可以改变结构，使带通滤波器21的输出输入放大器25，设定判定器28的判定基准，使之可检测同步检波器22的饱和情况，同时使平滑器27的时常数与低通滤波器23的时常数相等。

(实施例4)

图7表示又一实施例，该实施例与实施例3一样也进行初始设定，对检测板13或14平衡调整，使得从压电元件13a、14a获得的机械结合信号相加时为零。然后，用电荷放大器20a放大来自压电元件13a的信号，用电荷放大器20b放大来自压电元件14a的信号，用加法器34将它们相加，通过其后的处理从输出端24取出作为角速度输出。用减法器35从电荷放大器20a的输出中减去电荷放大器20b的输出，通过其后的处理，形成从信号端29输出自检信号的状态。图7中各部分波形示于图8中。在上述实施例中，表示了几个例子，其中放大器25、整流器26、平滑器27也可省去。虽用音叉形角速度传感器作了说明，但在三角柱型、圆柱形、音片型、圆筒型等角速度传感器中也必定会产生机械结合信号，故也可使用这种机械结合信号进行故障检测。

(实施例5)

图9为本发明角速度传感器另一实施例中控制电路的电路图。

驱动器15将约1VP-P、1.5KHz的交流信号加给驱动板11的压电元件11a。这样，驱动板11、12以支持棒9为中心开始向内外方向音叉振动。驱动板12的压电元件12a因音叉振动而感应出与施加信号成比例的电压，该电压通过电流放大器16、带通滤波器17，在A点输出图10中A所示监控信号。该监控信号通过后续的全波整流器18、AGC电路19反馈给驱动器15，对驱动信号进行AGC控制，使A点的信号振幅始终不变。在检测部中，压电元件13a、14a的信号在D点共同合成，输入到电荷放大器20。与来自A点的音叉振动同步的监控信号通过衰减器36的衰减，经注入器37加给电荷放大器20的同相输入端。电荷放大器20的输出经过带通滤波器21、同步检波器22、低通滤波器23，从输出端24输出。由监控信号经衰减器36、注入器37加给电荷放大器20的信号所产生的I点、H点、E点、F点、G点的信号波形显示于图10的E、F、G、H、I中。

另外，在本实施例中，检测角速度的压电元件13a、14a，如图11(a)所示，通过粘接剂8粘接在检测板13上，再形成为检测角速度信号电荷的银电极13b。

这里，检测板13、压电元件13a和银电极13b，如图11(b)所示，形成平行的平板电容器，其等效电路如图11(c)所示构成。此时，压电元件13a构成的电容器的电容量由式(1)所示。

Cs1≈ε·S/d    ……(1)

ε：压电体的介电常数

S：面积

d：压电体的厚度

同样，压电元件14a产生的电容器的电容量由式(2)所示。

Cs2＝∑·S/d    ……(2)

∑：压电体的介电常数

S：面积

d：压电体的厚度

这里，检测角速度的压电体的灵敏度与式(1)、(2)表示的电容量Cs1、Cs2之间有下面关系。

·灵敏度正比于面积S。

·电容量C正比于面积S。

那末·灵敏度正比于电容量。

因而，若能检测电容量的变化，就可推测灵敏度的变化，便能检测灵敏度的异常。

另外，如图10所示，A点的监控信号A经衰减器36衰减成如图10中波形I所示，被加给注入器37。注入器37，由如图12中37所示的电容器和电阻等构成，如图10中波形H所示，这里相对于监控信号A具有相位差，加给电荷放大器20的同相输入端。这里，假定电荷放大器20的反相输入和正相(同相)输入为等电位，故加给正相输入端的来自注入器37的信号，如图10中波形D所示，也表示为电荷放大器20的反相输入端上的信号。

其结果，在连接于反相输入端的压电元件13a、14a的电容量成分Cs1、Cs2上，产生图10中波形D所示的位移电流ID，结果在电荷放大器20的输出端输出图10中波形E的电压。此时，E点的输出电压ve由下面式(3)表示。

ve＝Vm·α·(1/co)·(Cs1+Cs2)·ID∠φ    ……(3)

ve：电荷放大器的输出电压E(VP-P)

Vm：监控电压(VP-P)

α：衰减器36的衰减率(0＜α＜1)

∠φ：注入器引起的相位差(0＜φ＜90°)

co：电荷放大器20的反馈电容(pF)

ID：位移电流

从输出端24获得的信号Vout表示为式(4)。

Vout＝A·D·Vm·α·(1/co)·(Cs1+Cs2)·ID·sinφ  ……(4)

D：同步检波器22的检波常数

A：LPF23的DC增益

图10中信号E，相对于监控信号A，相位偏差∠φ，经BPF21滤波后，由同步检波器22检波，仅提取对应于相位差的信号成分，经LPF23滤波形成DC偏离量，从端子24输出。通常，根据该DC偏离量，将输出的偏离量调整到如2.5V是可以的。

这里，按式(3)，图10信号E与角速度检测用压电元件13a、14a所具有的电容量Cs1、Cs2成比例，故若在图9中B点或C点发生断线等情况下，如图10波形E、F所示，信号电平发生变化，结果，输出端24的电压电平发生变化。若通过如阈值判别这种电平变化，就可判别出异常作为传感器的故障。

注入器37的输入信号从驱动电路中监控信号获得，且其输出信号加给电荷放大器20的输入端，故从式(4)可见，不管音叉、驱动电路、检测电路各内部的哪一个发生故障，作为输出端24中DC偏离量的变化都能表现出来，因此能经常保持检测传感器的故障。

(实施例6)

图13表示本发明角速度传感器另一实施例，通过对实施例5增加对衰减器36来的信号进行通断控制的开关38，以便从外部对注入器37的输入进行开关控制。其具体电路示于图14，动作波形示于图15。

通常情况下，经衰减器36衰减的监控信号I被开关38切断，不会输给注入器37，因此，传感器输出也为平常原有状态。当外部来的信号，如来自计算机的检查信号等，如图15中J所示，加给图13中控制端39时，开关38闭合，来自衰减器36的信号I输入注入器37。其结果，各部分波形如图15中H、D、E、F那样变化，从而如图15中G所示，在输出端24上发生与加给控制端39的检查信号连动的偏离量变动。该偏离量变动由实施例5中式(4)确定，若对该变动量进行监测，就能判知传感器的异常状态。

(实施例7)

图16表示本发明角速度传感器再一实施例，其动作波形示于图17。该实施例是一种将实施例6中开关38的外部输入端与另一判定器28的输出端共用的例子。例如，判定器28对电荷放大器20的输出E进行监测，如检测到因外部异常冲击或振动加给音叉而产生的异常电压，端子29就向外部输出异常。这里，形状8的输入与端子29共用，上述开关38的开关逻辑值设定得与上述判定器28的逻辑输出相反。因此，在不使开关38动作的通常情况下，可检测到因外部加给音叉的异常冲击或振动产生的异常电压，从而向外部报知这种异常。另一方面，当对传感器进行检查时，从端子29输入检查信号，并对端子24的传感器输出进行监测，从而通过一个端子可进行多功能的故障诊断，实现高功能。

在将上述开关38的开关逻辑值设定得与上述判定器28的逻辑输出相同时，由上述判定器28的逻辑输出强制上述开关38动作，故能转向自检模式，直至外部加上自检复位信号之前，能始终保持作为异常检测状态的输出信号。

这里，虽对用监控信号报知传感器动作状态的实施例进行了叙述，但用同样的电路结构可调节传感器输出的偏离量。此时，可调节衰减器36的衰减量，或调节注入器37的相移量，来达到所希望的偏离量的调节。若用感温元件，通过温度改变衰减量或相移，就可对传感器输出进行温度补偿。

另外，将注入器37的输出加给带通滤波器21、同步检波器22，也可获同样效果。

工业应用性

如上所述的本发明的角速度传感器，由于检测手段可检测该检测手段获得的角速度信号外的机械结合信号，故根据该机械结合信号的状态可检测该角速度信号是否处于正常检测动作的状态。而且，该机械结合信号必定会产生，故不必另设产生这种机械结合信号的手段，其分支结构极其简单，故具有高可靠性的自检功能。

Claims (2)

1.一种角速度传感器，其特征在于，包含：

取出一检测体输出的角速度的输出端，该检测体包含驱动部分、用于驱动所述驱动部分的驱动装置、及检测一角速度输出的检测装置；以及

通过从所述检测体检测一不同于角速度信号的机械耦合信号来输出一自检用信号的自检装置，

其中，所述检测体包含音叉型驱动部分以及两者构成所述驱动部分的两驱动板的端部所连接的各检测板，且所述检测板与所述驱动板正交，

其中，检测到的机械耦合信号是自检信号，由所述检测板间的机械耦合产生，

其中，从所述检测板获得的机械耦合信号提供给电荷放大器、整流器、滤波器和判定电路，

所述角速度传感器包含一将从所述两检测板获得的机械耦合信号之和初始化设定为零的构件。

2.如权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，还包含一将所述判定电路的输出和监控电路的输出提供给一逻辑和电路的构件。

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