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Die
Erfindung betrifft eine Auswertelektronik für einen Drehratensensor.
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Stand der Technik
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Drehratensensoren
zur Ermittlung von Drehraten um eine oder mehrere Messachsen sind aus
dem Stand der Technik bekannt. Bei bekannten mikromechanischen Drehratensensoren
werden zwei oder mehr seismische Massen derart angetrieben, dass
sie eine antiparallele Schwingung ausführen. Tritt eine Drehrate um
eine festgelegte Messachse auf, so werden die seismischen Massen
durch Coriolis-Kräfte
antiparallel senkrecht zur Antriebsrichtung ausgelenkt. Diese Auslenkungen
werden mittels einer Auswertelektronik erfasst und liefern ein Maß für die zu
messende Drehrate.
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Bei
Drehratensensoren gemäß dem Stand der
Technik beobachtet man eine Empfindlichkeit der Drehratensensoren
auf Vibrationen in Auslenkrichtung der seismischen Massen in einem
Frequenzbereich von einigen Hz bis zu einigen kHz. Eine externe Vibration
verursacht eine Bewegung der seismischen Massen mit der Frequenz
der externen Störanregung.
Dadurch kann die Messung einer auf den Drehratensensor wirkenden
Drehrate beeinträchtigt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Auswertelektronik
für einen
Drehratensensor bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Auswertelektronik
für einen
Drehratensensor gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Eine
erfindungsgemäße Auswertelektronik für einen
Drehratensensor mit einer ersten und einer zweiten seismischen Masse
ist dazu ausgebildet, aus einer Auslenkung der ersten und zweiten
seismischen Massen eine auf den Drehratensensor wirkende Drehrate
zu ermitteln. Dabei weist die Auswertelektronik ein Regulationsglied
auf, um eine durch Störeinflüsse bewirkte
unerwünschte
Auslenkung der ersten und zweiten seismischen Massen zu minimieren.
Vorteilhafterweise kann dadurch die Vibrationsempfindlichkeit des
Drehratensensors reduziert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass
die erfindungsgemäße Auswertelektronik
zur Verwendung mit allen Arten von Drehratensensoren geeignet ist.
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Zweckmäßigerweise
weist der Drehratensensor einen Antriebsmechanismus auf, der dazu ausgebildet
ist, die ersten und zweiten seismischen Massen zu einer antiparallelen
Schwingung entlang einer Antriebsrichtung anzuregen. Dabei sind
die ersten und zweiten seismischen Massen entlang einer Messrichtung
auslenkbar, die im Wesentlichen senkrecht zur Antriebsrichtung orientiert
ist. Weiter ist ein Detektionsmittel vorgesehen, um eine Auslenkung der
ersten und zweiten seismischen Massen entlang der Messrichtung zu
detektieren. Außerdem
ist ein Kompensationsmittel vorgesehen, um eine unerwünschte Auslenkung
der ersten und zweiten seismischen Massen zu kompensieren. Es ist
von Vorteil, dass durch diese Ausgestaltung eine Intermodulation von
Antriebs- und Störfrequenzen
unterdrückt
wird.
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Bevorzugt
bilden die erste und die zweite seismische Masse, das Detektionsmittel,
das Regulationsglied und das Kompensationsmittel einen Regelkreis.
Vorteilhafterweise erlaubt dies einen gefesselten Betrieb der durch
die erste und die zweite seismische Masse gebildeten Beschleunigungssensoren.
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Zweckmäßigerweise
ist der Antriebsmechanismus ein elektrostatischer oder piezoelektrischer Antriebsmechanismus.
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In
einer Ausführungsform
ist das Detektionsmittel ausgebildet, eine Auslenkung der ersten
und zweiten seismischen Massen anhand von Kapazitätsänderungen
zwischen den ersten und zweiten seismischen Massen und auf einer
Substratoberfläche
angeordneten ersten und zweiten Gegenelektroden zu ermitteln. Dies
ermöglicht
eine Verwendung der Auswertelektronik mit bekannten Drehratensensoren.
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Zweckmäßigerweise
ist das Kompensationsmittel in dieser Ausführungsform ausgebildet, eine unerwünschte Auslenkung
der ersten und zweiten seismischen Massen durch Anlegen von elektrischen Spannungen
zwischen den ersten und zweiten seismischen Massen und den auf der
Substratoberfläche angeordneten
ersten und zweiten Gegenelektroden zu kompensieren. Vorteilhafterweise
ermöglicht
dies eine Kompensation unerwünschter
Auslenkungen, ohne dass zusätzliche
Bauelemente benötigt
werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist das Detektionsmittel ausgebildet, eine Auslenkung der ersten
und zweiten seismischen Massen anhand einer Änderung einer elektrischen
Kenngröße mindestens
eines piezoelektrischen Elements zu erkennen.
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Zweckmäßigerweise
ist das Kompensationsmittel in dieser Ausführungsform ausgebildet, eine unerwünschte Auslenkung
der ersten und zweiten seismischen Massen durch Anlegen einer elektrischen
Spannung an das mindestens eine piezoelektrische Element zu kompensieren.
Vorteilhafterweise werden auch hierbei keine zusätzlichen Bauelemente zur Kompensation
unerwünschter
Auslenkungen benötigt.
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In
einer Weiterbildung weist der Drehratensensor einen mechanischen
Tiefpass auf, wobei die Auswertelektronik ausgebildet ist, eine
unerwünschte Auslenkung
der ersten und zweiten seismischen Massen in einem Frequenzbereich
von 0 Hz bis oberhalb einer Grenzfrequenz des mechanischen Tiefpasses
zu minimieren. Vorteilhafterweise ergänzen sich in dieser Ausführungsform
die Auswertelektronik und der mechanische Tiefpass.
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Gemäß einer
zusätzlichen
Weiterbildung ist die Auswertelektronik dazu ausgebildet, eine auf
den Drehratensensor in Messrichtung wirkende Beschleunigung zu ermitteln.
Vorteilhafterweise wird dadurch eine Verwendung des Drehratensensors
als Beschleunigungssensor ermöglicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch eine Aufsicht auf einen Drehratensensor;
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2 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild einer Auswertelektronik zur Erfassung
der Coriolisbeschleunigung für
einen Drehratensensor.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Aufsicht auf einen mikromechanischen Drehratensensor 100,
der mit einer in 2 dargestellten Auswertelektronik 300 verwendet
werden kann. Der in 1 gezeigte Drehratensensor 100 stellt
allerdings lediglich ein Beispiel dar. Die Auswertelektronik 300 der 2 eignet
sich zur Verwendung mit beliebigen Arten von schwingenden Drehratensensoren.
Insbesondere kann die Auswertelektronik 300 auch in Verbindung mit
Drehratensensoren verwendet werden, die zur Detektion von Drehraten
um andere Drehachsen als in 1 vorgesehen
sind.
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Der
Drehratensensor 100 ist über einer Oberfläche eines
Substrats 110 angeordnet. Das Substrat 110 kann
beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein. Die Oberfläche des
Substrats 110 ist in einer Ebene angeordnet, die durch
eine x-Richtung
und eine dazu senkrechte Antriebsrichtung 205 aufgespannt
wird. Eine Messrichtung 215 ist senkrecht zur Substratoberfläche, also
auch senkrecht zu x-Richtung
und Antriebsrichtung 205 orientiert.
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Der
Drehratensensor 100 umfasst einen ersten Rahmen 120 und
einen zweiten Rahmen 220. Der erste Rahmen 120 ist über erste
Federelemente 130 mit dem Substrat 110 verbunden.
Die ersten Federelemente 130 erlauben eine Bewegung des
ersten Rahmens 120 entlang der Antriebsrichtung 205. Der
zweite Rahmen 220 ist über
zweite Federelemente 230 mit dem Substrat 110 verbunden.
Die zweiten Federelemente 230 erlauben eine Bewegung des
zweiten Rahmens 220 entlang der Antriebsrichtung 205.
Die ersten Federelemente 130 und die zweiten Federelemente 230 können beispielsweise
als Balkenfedern ausgebildet sein.
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Der
erste Rahmen 120 und der zweite Rahmen 220 können mittels
eines Antriebsmechanismus 200 in eine antiparallele Schwingung
entlang der Antriebsrichtung 205 versetzt werden. Die antiparallele Schwingung
kann derart ausgebildet sein, dass der erste Rahmen 120 und
der zweite Rahmen 220 sich während einer ersten Schwingungsphase
voneinander weg und während
einer zweiten Schwingungsphase aufeinander zu bewegen. Die Antriebsschwingung
kann dabei eine Frequenz von einigen 10 kHz, beispielsweise von
15 kHz aufweisen. Der Antriebsmechanismus 200 kann ein
elektrostatischer oder ein piezoelektri scher Antriebsmechanismus
sein. Solche Antriebsmechanismen sind aus dem Stand der Technik
bekannt.
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Der
Drehratensensor 100 umfasst weiter eine erste seismische
Masse 140, die in einem durch den ersten Rahmen 120 umgrenzten
Bereich über der
Oberfläche
des Substrats 110 angeordnet ist. Die erste seismische
Masse 140 ist über
dritte Federelemente 150 mit dem ersten Rahmen 120 verbunden. Der
Drehratensensor 100 umfasst außerdem eine zweite seismische
Masse 240, die durch den zweiten Rahmen 220 umgrenzt über der
Oberfläche
des Substrats 110 angeordnet und über vierte Federelemente 250 mit
dem zweiten Rahmen 220 verbunden ist. Die erste seismische
Masse 140 und die zweite seismische Masse 240 sind über ein
fünftes
Federelement 210 miteinander verbunden. Außerdem sind
die erste und die zweite seismische Masse 140, 240 über sechste
Federelemente 211 jeweils mit dem Substrat 110 verbunden.
Bei den dritten, vierten, fünften
und sechsten Federelementen 150, 250, 210, 211 kann es
sich um Balkenfedern handeln. Die dritten Federelemente 150 und
die vierten Federelemente 250 sind in Antriebsrichtung 205 derart
steif ausgebildet, dass die erste und die zweite seismische Masse 140, 240 Antriebsbewegungen
des ersten und des zweiten Rahmens 120, 220 in
Antriebsrichtung 205 folgen. Außerdem sind die dritten und
die vierten Federelemente 150, 250 derart ausgebildet,
dass die erste und die zweite seismische Masse 140, 240 entlang der
Messrichtung 215 gegen den ersten und den zweiten Rahmen 120, 220 ausgelenkt
werden können.
Die erste und die zweite seismische Masse 140, 240 können sich
also senkrecht zur Substratoberfläche vom Substrat 110 weg
oder auf das Substrat 110 zu bewegen.
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Wirkt
eine Drehrate um eine zur x-Richtung parallele Drehachse auf den
Drehratensensor 100 während
der erste und der zweite Rahmen 120, 220 eine
antiparallele Schwingung durchführen,
so bewirkt die Drehrate in Messrichtung 215 an die erste und
die zweite seismische Masse 140, 240 angreifende
Coriolis-Kräfte.
Die Richtung der auf die erste und die zweite seismische Masse 140, 240 wirkenden
Coriolis-Kräfte
ist dabei von der Drehrichtung und den Bewegungsrichtungen des ersten
und des zweiten Rahmens 120, 220 abhängig. in
einer Schwingungsphase, während
der sich der erste und der zweite Rahmen 120, 220 voneinander
weg bewegen, kann auf die erste seismische Masse 140 beispielsweise
eine Kraft wirken, die vom Substrat 110 fortzeigt, während auf
die zweite seismische Masse 240 eine Kraft in Richtung
zum Substrat hin wirkt. in einer Schwingungsphase, während der
sich der erste und der zweite Rahmen 120, 220 aufeinander
zu bewegen, wirkt dann auf die erste seismische Masse 140 eine
Coriolis-Kraft in Richtung des Substrats 110, während an
der zweiten seismischen 240 eine vom Substrat 110 hinfortweisende
Coriolis-Kraft angreift. Die auf die erste und die zweite seismische 140, 240 wirkenden
Coriolis-Kräfte
bewirken periodische Auslenkungen der ersten und zweiten seismischen
Massen 140, 240 entlang der Messrichtung 215 mit
der Frequenz der durch den Antriebsmechanismus 200 bewirkten
Antriebsbewegung. Die Amplituden dieser Auslenkungen in Messrichtung 215 stellen
ein Maß für die Größe der auf
den Drehratensensor 100 einwirkenden Drehrate dar.
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Der
Drehratensensor 100 umfasst Detektionsmittel 260,
um eine Auslenkung der ersten und der zweiten seismischen Masse 140, 240 entlang
der Messrichtung 215 zu erkennen. Die Detektionsmittel 260 können beispielsweise
elektrostatische Detektionsmittel sein. Beispielsweise kann auf
dem Substrat 110 unterhalb der ersten seismischen Masse 140 eine
erste Gegenelektrode 265 und auf dem Substrat 110 unterhalb
der zweiten seismischen Masse 240 eine zweite Gegenelektrode 266 angeordnet
sein. In diesem Fall bilden die erste seismische Masse 140 und
die erste Gegenelektrode 265 einen ersten Kondensator,
dessen Kapazität
vom Abstand der ersten seismischen Masse 140 von der mit
dem Substrat 110 verbundenen ersten Gegenelektrode 265 abhängt. Die
zweite seismische Masse 240 und die zweite Gegenelektrode 266 bilden
einen zweiten Kondensator, dessen Kapazität sich bei einer Auslenkung
der zweiten seismischen Masse 240 in Messrichtung 215 ändert. Durch
eine Messung und Auswertung der Kapazitäten des ersten und des zweiten
Kondensators kann auf durch Coriolis-Kräfte bewirkte
Auslenkungen der ersten und der zweiten seismischen Masse 140, 240 und
dadurch auf eine auf den Drehratensensor 100 wirkende Drehrate
geschlossen werden. Durch Anlegen elektrischer Spannungen an die
erste und die zweite Gegenelektrode 265, 266 können Auslenkungen
der ersten und der zweiten seismischen Masse 140, 240 in
Messrichtung 215 auch gezielt beeinflusst werden. Die erste und
die zweite Gegenelektrode 265, 266 stellen insofern
auch ein Kompensationsmittel 270 dar. In einer anderen
Ausführungsform
der Erfindung können
die Detektionsmittel 260 und die Kompensationsmittel 270 auch
durch piezoelektrische Elemente gebildet werden, die beispielsweise
an den Aufhängungsfedern 150, 250 angeordnet
sind. Bei einer Auslenkung der ersten und zweiten seismischen Massen 140, 240 entlang
der Messrichtung 215 ändert
sich in dieser Ausführungsform
eine elektrische Kenngröße der piezoelektrischen
Elemente, beispielsweise eine Spannung, eine Ladung oder ein Widerstand.
Durch Anlegen elektrischer Spannungen an die piezoelektrischen Elemente
können
Auslenkungen der ersten und zweiten seismischen Massen 140, 240 auch
gezielt beeinflusst werden.
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Auch
in Messrichtung 215 auf den Drehratensensor 100 wirkende
Beschleunigungen können zu
einer Auslenkung der ersten und der zweiten seismischen Masse 140, 240 in
Messrichtung 215 führen. Solche
Beschleunigungen können
beispielsweise von Vibrationen in Messrichtung 215 herrühren. Zur Dämpfung solcher
Vibrationen kann der Drehratensensor 100 auf einem mechanischen
Tiefpass angeordnet sein. Derartige mechanische Tiefpässe sind aus
dem Stand der Technik bekannt, wirken aber erst oberhalb einer gewissen
Mindestfrequenz, beispielsweise oberhalb einiger kHz. Vibrationen
mit niedriger Frequenz werden nicht hinreichend gedämpft.
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Durch
eine Drehrate bewirkte Coriolis-Kräfte führen zu gegenphasigen bzw.
antiparallelen Auslenkungen der ersten und der zweiten seismischen
Masse 140, 240. Eine auf den Drehratensensor 100 wirkende
Vibration verursacht hingegen parallele bzw. gleichphasige Auslenkungen
der seismischen Massen 140, 240 mit der Frequenz
der Vibration, die beispielsweise im Bereich bis 4 kHz liegen kann.
Eine mit dem Drehratensensor 100 verbundene Auswertelektronik
reagiert auf derartige Gleichanteilssignale nicht. Allerdings schwingt
die mechanische Struktur des Drehratensensors 100 auch
ohne Störvibrationen
nicht nur mit der antiparallelen Antriebsfrequenz sondern anteilig
auch mit anderen benachbarten Schwingungsformen, beispielsweise
einer Parallelresonanz. Unter dem Einfluss von Störvibrationen kommt
es zu einer Intermodulation der beteiligten Frequenzen an der nichtlinearen
Kennlinie des Detektionsmittels 260. Dadurch entstehende
Mischprodukte können
durch Faltung die Arbeitsfrequenz des Drehratensensors 100 treffen.
In diesem Fall kommt es zu einer Vibrationsempfindlichkeit des Drehratensensors 100,
da durch den Einfluss der Störvibration eine
Verfälschung
der Schwingung von erster und zweiter seismischer Masse 140, 240 bei
der Antriebsfrequenz des Drehratensensors 100 entsteht.
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Durch
die in 2 gezeigte Auswertelektronik 300 wird
die Vibrationsempfindlichkeit des Drehratensensors 100 reduziert,
indem durch Störvibrationen
bewirk te Gleichanteilsbewegungen der seismischen Massen 140, 240 durch
einen geregelten bzw. gefesselten Betrieb der Auswertelektronik 300 verringert
oder unterdrückt
werden. Zweckmäßigerweise sollten
Gleichanteilsbewegungen im Frequenzbereich zwischen 0 Hz bis knapp über die
Grenzfrequenz eines eventuell vorhandenen mechanischen Tiefpasses
unterdrückt
werden.
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In
der Auswertelektronik 300 erfasst das Detektionsmittel 260 eine
erste Kapazität 316 des
durch die erste seismische Masse 140 und die erste Gelegenelektrode 265 gebildeten
ersten Kondensators und eine zweite Kapazität 317 des durch die
zweite seismische Masse 240 und die zweite Gegenelektrode 266 gebildeten
zweiten Kondensators. Falls das Detektionsmittel 260 ein
piezoelektrisches Detektionsmittel ist, so erfasst das Detektionsmittel 260 stattdessen
elektrische Kenngrößen der
piezoelektrischen Detektionsmittel. Die erste Kapazität 316 und die
zweite Kapazität 317 werden
durch einen Kapazitäts-Spannungs-Wandler 320 in
den Kapazitäten 316, 317 proportionale
erste und zweite Spannungen 326, 327 umgewandelt.
Ein Differenzglied 330 gewinnt aus einer Differenz zwischen
der ersten Spannung 326 und der zweiten Spannung 327 ein
analoges Differenzsignal 335. Ein Analog-Digital-Wandler 340 wandelt
das analoge Differenzsignal 335 in ein digitales Differenzsignal 345 um. Über einen
Controller 350 wird das digitale Differenzsignal 345 über eine Rückkopplung 360 und
das Kompensationsmittel 270 als Kraft auf die seismischen
Massen 140, 240 zurückgeführt und steht gleichzeitig
als Coriolisbeschleunigung 355 für eine anschließende Synchrondemodulation
und Tiefpassfilterung zur Bestimmung der Drehrate zur Verfügung.
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Zusätzlich umfasst
die Auswertelektronik 300 ein Regulationsglied 310,
das aus der ersten Spannung 326 und der zweiten Spannung 327 ein Kompensationssignal 315 erzeugt.
Das Regulationsglied 310 besitzt eine hinreichend hohe
Verstärkung bei
kleinen Frequenzen, um durch die Reglerfunktion die Bewegungen der
seismischen Massen 140, 240 aufgrund von Störbeschleunigungen
hinreichend klein zu halten bei hinreichend kleiner Phasendrehung,
damit die Stabilität
des Regelkreises gewährleistet
ist. Weiterhin besitzt das Regulationsglied 310 bei den
Resonanzstellen der mechanischen Sensorstruktur des Drehratensensors 100,
insbesondere bei der Parallelresonanz der seismischen Massen 140, 240,
eine hinreichend große
Dämpfung,
damit die Kreisverstärkung
des offenen Regelkreises in diesem Frequenzbereichen den Faktor
1 nicht übersteigt
und der Regelkreis an diesen Stellen stabil bleibt. Das Kompensationssignal 315 wird
dem Kompensationsmittel 270 zugeführt, um eine Kompensation ungewünschter
Störauslenkungen
der ersten und der zweiten seismischen 140, 240 zu
erreichen. Falls das Kompensationsmittel 270 durch aus
den seismischen Massen 140, 240 und den Gegenelektroden 265, 266 bestehende
Kondensatoren gebildet wird, kann das Kompensationsmittel 270 unerwünschte Störauslenkungen
der seismischen Massen 140, 240 beispielsweise
durch Anlegen geeigneter Spannungen an die Kondensatoren kompensieren.
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Die
durch das Kompensationsmittel 270 vorgenommene Kompensation
unerwünschter
Auslenkungen der seismischen Massen 140, 240 bewirkt auf
die seismischen Massen 140, 240 wirkende Kräfte, die
sich mit den durch eine auf den Drehratensensor 100 wirkende
Drehrate bewirkten Coriolis-Kräften 305 zu
einer Gesamtkraft 306 überlagern.
Diese Gesamtkraft 306 bestimmt die effektive Auslenkungen der
ersten und der zweiten seismischen Masse 140, 240,
die wiederum durch das Detektionsmittel 260 erfasst wird.
Damit bilden die erste und die zweite seismische Masse 140, 240,
das Detektionsmittel 260, das Regulationsglied 310 und
das Kompensationsmittel 270 einen Regelkreis.
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Der
anhand von 1 erläuterte Drehratensensor 100 und
die anhand von 2 erläuterte Auswertelektronik 300 bieten
neben der beschriebenen Verwendung zur Detektion von Drehraten zusätzlich die
Möglichkeit,
die erste und die zweite seismische Masse 140, 240 zur
Detektion von in Messrichtung 215 auf den Drehratensensor 100 wirkenden
Beschleunigungen im Frequenzbereich zwischen 0 Hz und der Grenzfrequenz
des mechanischen Tiefpasses zu verwenden.