CN117990942A - 用于确定惯性传感器的驱动振荡的频率和/或频率变化的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
提出一种系统，具有惯性传感器和分析处理单元，其中，惯性传感器配置为用于激励惯性传感器的能够振荡的结构进行驱动振荡，使得根据驱动振荡的频率推导出所述惯性传感器的输出数据速率，分析处理单元具有参考节拍器并且配置为用于根据所述参考节拍器的参考频率求取惯性传感器的输出数据速率并且根据求取出的输出数据速率确定所述驱动振荡的频率和/或频率变化。替代地，惯性传感器配置为用于从分析处理单元接收参考节拍器的参考节拍信号并且根据所传递的参考节拍信号确定频率和/或频率变化。此外，提出一种用于确定惯性传感器的驱动振荡的频率和/或频率变化的方法。
Description
技术领域
本发明从一种由惯性传感器和分析处理单元组成的系统和一种用于确定惯性传感器的驱动振荡的频率和/或频率变化的方法出发。
背景技术
惯性传感器、尤其是转速传感器通常通过微机械振荡器实现。在转速传感器的情况下，在此以与驱动振荡共振的方式激励被弹性支承的质量并且经由质量的垂直于驱动振荡延伸的偏转来探测通过外部转动起作用的科里奥利力。科里奥利力通过质量的速度v和施加的外部转速给定Ω：
F科里奥利＝-2vΩ
由于在此至少近似地涉及简谐振荡(harmonische Schwingung)，因此，科里奥利力也可以通过驱动幅度x0和振荡频率ω来表述。
F科里奥利＝-2x0ωΩ。
根据该表述能够直接看出，在频率ω变化的情况下也出现经改变的科里奥利力，使得振荡的频率对测量信号的幅度具有直接影响。振荡频率的变化主要通过环境条件的影响而出现，例如通过环境温度或者通过作用到构件上的机械应力。用于补偿温度影响的常用方案在于，借助温度测量来调准传感器。然而，这样的方案具有不同缺点。例如，为此已知如下系统：在所述系统中，借助集成在ASIC(application-specific integrated circuit，专用集成电路)上的物理温度传感器执行温度测量。然而，温度传感器经由粘接剂从能够振荡的微机械系统(microelectromechanical system，MEMS)脱耦，使得在快速的温度变化的情况下或者由于传感器中的温度梯度可以在ASIC与MEMS之间出现温度差并且对温度效应的补偿相应地变得不准确。
因此，值得努力的是，实现对振荡频率的更直接的测量，相对于温度测量等间接的方法，该更直接的测量允许对(预期的)偏差的更准确的补偿。
发明内容
在此背景下，本发明的任务在于提供一种系统和一种方法，借助所述系统和所述方法能够求取惯性传感器的可运动的结构的振荡频率并且必要时能够补偿通过频率变化引起的偏差。
根据本发明的系统基于如下基本构思：借助分析处理单元的参考节拍器求取传感器内部的振荡器的频率。相对于现有技术，第一替代方案允许经由耦合到振荡频率上的输出数据速率确定频率，而第二替代方案允许将分析处理单元的参考节拍信号提供给传感器用于求取振荡频率。在两种情况下，参考节拍的提供通过分析处理单元、尤其是通过处理器或者通过另外的电子电路来实现，该处理器例如处理该传感器的数据。在此，分析处理单元基于通过参考节拍器提供的时基测量由传感器接收到的输出数据的时间速率或者通过传递参考节拍信号将该时基提供给该传感器。与此相比，仅仅基于在传感器中供使用的器件只能够有条件地实现对振荡频率的可靠测量，尤其是因为在由现有技术已知的系统中该传感器的系统节拍典型地由微机械振荡器的固有频率推导出。因此，内部测量参考自己，并且只能够通过迂回方式来确定该频率。相反，借助根据本发明的系统，用户具有如下可能性：根据输出数据速率确定传感器内部的频率(或者该频率相对于参考值的变化)并且基于该信息在必要时进行补偿(或者向该传感器传送求取出的内部频率并且能够在传感器本身中实现更准确的补偿)。替代地，分析处理单元可以向传感器传递参考节拍，使得该传感器可以在内部执行对输出数据速率的参考式分析处理。
由于传感器的内部系统节拍从MEMS振荡器频率推导出，但是典型地通过(尤其通过特定使用预给定的)规格确定输出数据速率，因此，通常通过设定固定分频器在传感器的最终测量时将数据速率一次性地设定为目标值。如果出现内部振荡频率的变化，则这些变化直接影响数据速率。典型地，这些波动处在输出数据速率的规格内，但是仍然能够被测量(在千分之几的范围中)。处理传感器数据的处理器通常具有非常准确的频率参考(通常呈石英振荡器的形式)，该频率参考能够实现对数据速率的准确测量。
惯性传感器尤其是转速传感器，该转速传感器配置为用于激励能够振荡的结构进行驱动振荡并且检测垂直于驱动振荡的探测振荡。替代地，惯性传感器也可以是加速度传感器。尤其是，惯性传感器具有控制单元，该控制单元例如配置为用于调节驱动振荡的幅度和/或由测量信号产生探测数据。分析处理单元可以尤其是处理器，该处理器经由数据连接接收并进一步处理传感器的输出数据。传感器和分析处理单元可以尤其以在空间上分开的方式布置(或者能够以在空间上分开的方式布置)或者分析处理单元可以连同传感器一起是传感器设备的一部分。
输出数据速率是如下时间速率：新的输出数据可以以该时间速率从传感器传送给分析处理单元或从传感器供该分析处理单元使用。如果数据以经同步的方式从传感器传递给分析处理单元，则连续的数据块的发送之间的持续时间的倒数相应于输出数据速率。尤其是，惯性传感器配置为用于，通过传感器内部的节拍信号的分频确定输出数据速率并且又根据驱动振荡产生传感器内部的节拍信号。尤其是，惯性传感器配置为用于，通过偏转信号检测驱动振荡并且根据该偏转信号产生传感器内部的节拍信号或者使传感器内部的节拍信号与偏转信号同步。
本发明的有利的构型和扩展方案能够由以下说明以及参考附图的描述获得。
根据本发明的系统尤其允许对由传感器求取出的原始数据的校正，通过该校正补偿经改变的振荡频率对传感器的探测数据的影响。校正值可以例如根据分析处理单元中的校正模型来求取。替代地，这些校正模型可以已经保存在传感器中，并且该传感器根据(由传感器本身确定的或者由处理器传送的)频率实施该补偿。
根据一种优选的实施方式，该分析处理单元配置用于根据求取出的频率和/或频率变化校正惯性传感器的探测数据。探测数据是由传感器检测到的物理参量的测量信号，尤其是施加在传感器上的转速或者加速度的测量信号。例如，为了进行校正，可以形成求取出的频率与存储在分析处理单元中的参考值之间的差，并且可以根据该差(即频率变化)进行校正。替代地，该校正也可以直接根据求取出的频率进行。例如，多个频率和/或频率变化(或者输出数据速率和/或输出数据速率的变化也)可以与一个或者多个配属的校正值一起保存在分析处理单元的存储器中，所述校正值在求取频率和/或频率变化之后应用到探测数据上。
根据另一种优选的实施方式，惯性传感器配置为用于根据频率和/或频率变化校正惯性传感器的探测数据。用于校正传感器数据的频率和/或频率变化在此可以根据所传递的参考节拍信号由传感器本身确定或者从分析处理单元传送。即，分析处理单元尤其配置为用于将求取出的频率和/或频率变化传递给惯性传感器。即，在后一种实施方式中，分析处理单元的功能在于，借助内部的参考节拍器求取频率和/或频率变化并且将结果回复给传感器，接下来在传感器内部执行该校正本身。
优选地，分析处理单元和/或惯性传感器配置为用于通过匹配惯性传感器的灵敏度或者偏置值校正探测数据。传感器的灵敏度相应于由传感器所测量的参量与所输出的测量信号的比例，并且通常是存储在传感器或者分析处理单元中的值，该值被读取并被应用以计算探测数据。通过匹配灵敏度，传感器或分析处理单元能够基于求取出的频率(偏差)以相对简单的方式进行对原始数据的校正。
根据一种优选的实施方式，所述系统具有另外的惯性传感器，其中，分析处理单元配置为用于根据求取出的频率和/或频率变化校正另外的惯性传感器的探测数据。尤其是，其输出数据速率被求取的惯性传感器是转速传感器，所述另外的惯性传感器是加速度传感器。尤其是，惯性传感器和另外的惯性传感器是传感器组的一部分。在该实施方式中，频率变化在(第一)惯性传感器中能够用于检测对传感器系统的环境影响和其他干扰影响并且相应地校正另外的惯性传感器的探测数据。例如，惯性传感器的频率变化可以用作用于存在于包装中的应力的量度，求取出的频率和/或频率变化可以用于在同样存在于该包装中的加速度传感器中进行校正。
根据一种优选的实施方式，所述系统具有至少一个另外的传感器，尤其是温度传感器、湿度传感器和/或弯曲传感器，其中，分析处理单元配置为用于接收另外的传感器的探测数据并且根据另外的传感器的探测数据和驱动振荡的求取出的频率和/或频率变化执行一致性检查，其中，分析处理单元尤其另外配置为用于通过一致性检查探测系统的功能性故障。通过这种方式能够借助例如内部的温度测量实现对频率的可信度检验。如果在这里出现不一致，则这可以用作用于功能性故障的指示，使得对频率和/或频率变化的求取在功能安全性的框架中可以用作附加的监控标准。
本发明的另一主题是一种方法。对于根据本发明的方法，得出在上文参照根据本发明的系统描述的所有构型可能性和优点，反之亦然。尤其是，该系统配置为用于实施根据本发明的方法和/或根据本发明的方法的实施方式。
根据根据本发明的方法的一种优选的实施方式，在另外的步骤中，根据求取出的频率和/或频率变化校正惯性传感器的探测数据，其中，所述校正尤其根据校正模型进行。尤其是，可以根据校正模型对灵敏度、偏置或者另外的内部参数进行匹配。除了求取出的输出数据速率之外，另外的参数也可以纳入到该校正模型中，所述另外的参数尤其通过附加的传感器检测。
优选地，根据惯性传感器的运行数据形成校正模型，尤其是其中，在多个不同的运行条件下，至少一个外部刺激作用到惯性传感器上，并且运行数据包括惯性传感器的在外部刺激作用的情况下产生的探测数据和配属的输出数据速率。外部刺激尤其以受控制的方式产生，例如其方式是，在测试设备中给惯性传感器施加转动和/或加速度。替代地，这也可以涉及在相应的应用中出现的或者存在的刺激。根据已知的外部刺激和探测数据能够确定通过运行条件引起的偏差并且求取相应的校正值。
特别优选地，所述不同的运行条件通过至少一个另外的传感器检测，所述至少一个另外的传感器尤其是温度传感器、湿度传感器和/或弯曲传感器，并且运行数据包括至少一个另外的传感器的传感器数据，用于形成校正模型。在该实施方式中，尤其在应用中训练校正模型，其方式是，例如建立与另外的传感器(温度、湿度、弯曲度等)相关的数据模型。真实的灵敏度值可以例如经由适合的算法从运动数据(例如结合加速度传感器使用1g标准)中提取。因此，在能够控制的状况中使用时，可以建立如下模型：该模型稍后可以在较不能够控制的状况中应用。校正模型尤其自动化地形成，即在运行期间，惯性传感器的探测数据连同一个或者多个另外的传感器的传感器数据一起自动化地被收集和存储。然后，基于这些存储的运行数据，例如可以为频率(或者输出数据速率)与补偿环境影响所需要的校正值之间的关联建立统计模型。例如，校正模型的形成可以通过机器学习进行。优选地，分析处理单元配置为用于自动化地收集运行数据并且根据所收集的运行数据行程和/或进一步改进校正模型。
本发明的实施例在附图中示出并且在以下描述中更详细地阐述。
附图说明
图1示出根据本发明的系统的一种实施方式的示意图。
图2绘出根据本发明的一种实施方式的时间流程。
具体实施方式
图1示出根据本发明的系统1的一种实施方式的示意性构造。系统1由惯性传感器2和分析处理单元3组成，该惯性传感器构造为转速传感器，该分析处理单元与传感器2经由数据连接8连接。转速传感器2具有可运动的微机械结构4，该微机械结构可以在两个彼此垂直的方向(驱动方向和探测方向)上偏转并且被激励进行振荡。驱动振荡可以例如通过静电力驱动，其中，驱动振荡的幅度通过传感器2的控制单元5来调节。
现在，如果在传感器2上施加外部转速，则MEMS结构4的振荡质量受到科里奥利力，该科里奥利力垂直于转动轴线并且垂直于驱动振荡的方向。在探测方向上的偏转的幅度可以通过电容式结构检测并通过控制单元5处理成输出数据7，所述输出数据被传送给分析处理单元3(通过箭头标示)并且被该分析处理单元用于确定施加在传感器2上的转速。在此，在给定的驱动频率和驱动幅度的情况下，探测振荡的幅度在最简单的情况下与所施加的转速成比例，其中，由测量参量(转速)和测量信号构成的比例通过传感器2的灵敏度给定。然而，如果例如由于温度影响或者机械应力而出现结构4的振荡频率的改变，则振荡质量受到相应较弱的或者较强的科里奥利力，并且测量信号的伴随于此的改变导致传感器2的精度减小。
传感器的输出数据7被传送给分析处理单元3的时间速率基于传感器内部的系统节拍，该系统节拍是由驱动振荡的频率推导出的。在没有独立的计时器的情况下，不能够直接地确定在传感器2内的振荡频率。在根据本发明的系统1的情况下，取而代之地充分利用如下事实：分析处理单元3具有参考节拍器6，借助该参考节拍器能够求取传感器2的输出数据速率，使得从与驱动振荡的频率耦合的输出数据速率的波动可以推导出振荡频率本身的波动。替代地，参考节拍器的参考节拍信号可以从分析处理单元3传递给传感器2，使得用于确定频率的时基供该参考节拍信号使用。为此目的，分析处理单元3配置为用于实施根据本发明的方法的一种实施方式的在图2中示出的步骤。
对用于求取输出数据速率的分析处理单元3的同步例如通过下述方式进行：传感器2——例如传感器2的控制单元5——向分析处理单元3发送触发信号，使得分析处理单元3的输出数据速率是已知的。替代于此地，同步的如下实施方式也是可能的：在该实施方式中，分析处理单元3以准连续的方式(即以与输出数据速率相对较高的频率)询问，在传感器2中是否存在新的输出数据，使得分析处理单元3也可以由此推断出输出数据速率。
在图2中示意性示出的方法10用于确定转速传感器2的驱动振荡的频率和/或频率变化并且用于接下来校正由转速传感器2求取出的探测数据。为此目的，该方法具有总共四个步骤11、12、13、14。在第一步骤11中，通过将传感器2与分析处理单元3同步来求取传感器2的输出数据速率。借助频率节拍器6，分析处理单元3在第二步骤12中核查，求取出的输出数据速率或由此求取出的振荡频率是否与参考值一致。如果驱动振荡的频率相对于所设置的额定值偏移，则得出输出数据速率相对于参考值的相应的偏移，使得输出数据速率是用于频率偏移的直接量度。基于该关联，在第三步骤13中通过分析处理单元确定频率偏移，并且在接下来的第四步骤14中，例如如此匹配传感器2的灵敏度或者偏置(Offset)或者另外的内部参数，使得测量值的通过频率偏移引起的偏差被补偿。
替代于此地，可以通过下述方式实现对频率和/或频率变化的确定：首先将参考节拍器6的参考节拍信号从分析处理单元3传递给惯性传感器2并且接下来借助所传输的参考节拍信号通过传感器2本身确定频率和/或频率变化。
Claims (10)
1.一种系统(1)，所述系统具有惯性传感器(2)和分析处理单元(3)，其中，所述惯性传感器(2)配置为用于激励所述惯性传感器(2)的能够振荡的结构(4)进行驱动振荡，使得根据所述驱动振荡的频率推导出所述惯性传感器(2)的输出数据速率，其特征在于，所述分析处理单元(3)具有参考节拍器(6)，其中，所述系统(1)配置为用于
将输出数据(7)从所述惯性传感器(2)传递给所述分析处理单元(3)，
通过所述分析处理单元(3)根据所述参考节拍器(6)的参考频率求取所述惯性传感器(2)的输出数据速率，
通过所述分析处理单元(3)根据求取出的输出数据速率确定所述驱动振荡的频率和/或所述驱动振荡的频率变化，
和/或，所述系统(1)配置为用于
将所述参考节拍器(6)的参考节拍信号从所述分析处理单元(3)传递给所述惯性传感器(2)，
通过所述惯性传感器(2)根据所传递的参考节拍信号确定所述驱动振荡的频率和/或所述驱动振荡的频率变化。
2.根据权利要求1所述的系统(1)，其中，所述分析处理单元(3)配置为用于根据求取出的频率和/或频率变化校正所述惯性传感器(2)的探测数据。
3.根据权利要求1或2所述的系统(1)，其中，所述惯性传感器(2)配置为用于根据求取出的频率和/或频率变化校正所述惯性传感器(2)的探测数据。
4.根据权利要求2或3所述的系统(1)，其中，所述分析处理单元(3)和/或所述惯性传感器(2)配置为用于通过匹配所述惯性传感器(2)的灵敏度或者偏置值校正所述探测数据。
5.根据上述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述系统(1)具有另外的惯性传感器，其中，所述分析处理单元(3)配置为用于，根据求取出的频率和/或频率变化校正所述另外的惯性传感器的探测数据。
6.根据上述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述系统(1)具有至少一个另外的传感器，尤其是温度传感器、湿度传感器和/或弯曲传感器，其中，所述分析处理单元(3)配置为用于，接收所述另外的传感器的探测数据并且根据所述另外的传感器的探测数据和所述驱动振荡的求取出的频率和/或频率变化执行一致性检查，其中，所述分析处理单元(3)尤其另外配置为用于，通过所述一致性检查探测所述系统(1)的功能性故障。
7.一种用于确定惯性传感器(2)的驱动振荡的频率和/或频率变化的方法(10)，其中，所述惯性传感器(2)配置为用于，激励所述惯性传感器(2)的能够振荡的结构(4)进行驱动振荡并且根据所述驱动振荡的频率控制或者调节所述惯性传感器(2)的输出数据速率，其中，所述方法(10)包括下述步骤(11，12，13)：
将所述惯性传感器(2)的输出数据(7)传递给所述分析处理单元(3)，
通过所述分析处理单元(3)根据参考节拍器(6)的参考频率求取所述惯性传感器(2)的输出数据速率，
根据求取出的输出数据速率确定所述驱动振荡的频率和/或所述驱动振荡的频率变化，
或者，所述方法(10)包括下述步骤：
将所述参考节拍器(6)的参考节拍信号从所述分析处理单元(3)传递给所述惯性传感器(2)，
通过所述惯性传感器(2)根据所传递的参考节拍信号确定所述驱动振荡的频率和/或所述驱动振荡的频率变化。
8.根据权利要求7所述的方法(10)，其中，在另外的步骤(14)中，根据求取出的频率和/或频率变化校正所述惯性传感器(2)的探测数据，其中，所述校正尤其根据校正模型进行。
9.根据权利要求8所述的方法(10)，其中，根据所述惯性传感器(2)的运行数据形成所述校正模型，尤其是其中，在多个不同的运行条件下，至少一个外部刺激作用到所述惯性传感器(2)上，并且所述运行数据包括所述惯性传感器(2)的在所述外部刺激作用的情况下产生的探测数据和配属的输出数据速率。
10.根据权利要求9所述的方法(10)，其中，所述不同的运行条件通过至少一个另外的传感器检测，所述至少一个另外的传感器尤其是温度传感器、湿度传感器和/或弯曲传感器，所述运行数据包括所述至少一个另外的传感器的传感器数据以用于形成所述校正模型。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |