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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auswerten eines Detektionssignals eines Sensors für eine Drehrate, sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Eine Drehrate kann mit einem Drehratensensor gemessen werden. Dazu weist der Drehratensensor eine schwingungsfähig gelagerte Masse auf, die zu einer Antriebsschwingung angeregt wird. Wenn der Drehratensensor gedreht wird, wirkt auf die Masse die Corioliskraft, wodurch die Masse seitlich ausgelenkt wird. Die seitliche Auslenkung kann erfasst werden und ist ein Maß für die Drehrate.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Auswerten eines Detektionssignals eines Sensors für eine Drehrate, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird ein Sensor zum Erfassen einer Drehrate um eine Drehachse des Sensors vorgestellt, der Sensor kann als Drehratensensor bezeichnet werden, wobei der Sensor die folgenden Merkmale aufweist:
eine schwingfähig gelagerte Sensormasse, wobei die Sensormasse in einer quer zu der Drehachse ausgerichteten Antriebsrichtung durch eine mechanische und/oder elektrische Antriebsfeder mit einem Gehäuse des Sensors verbunden ist und die Sensormasse in einer quer zu der Antriebsrichtung und der Drehachse ausgerichteten Detektionsrichtung durch eine mechanische und/oder elektrische Detektionsfeder mit dem Gehäuse verbunden ist;
eine Antriebselektrode, die mit ihrer Wirkrichtung in der Antriebsrichtung ausgerichtet ist und dazu ausgebildet ist, unter Verwendung eines anlegbaren elektrischen Antriebssignals die Sensormasse in der Antriebsrichtung zu einer mechanischen Antriebsschwingung anzuregen; und
eine Detektionselektrode, die mit ihrer Wirkrichtung in der Detektionsrichtung ausgerichtet ist und dazu ausgebildet ist, eine, bei einer Drehung des Sensors (aufgrund der resultierenden Corioliskraft) eine mechanische Detektionsschwingung der Sensormasse in der Detektionsrichtung in einem elektrischen Detektionssignal abzubilden, wobei das Detektionssignal eine Drehrate des Sensors repräsentiert.
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Zum Antreiben der Sensormasse beziehungsweise einer seismischen Masse des Drehratensensors kann ein elektrisches Signal verwendet werden, das an der Antriebselektrode des Drehratensensors angelegt wird und eine elektrostatische Antriebskraft auf die Masse ausübt. Das Signal kann als Antriebssignal bezeichnet werden. Das Signal kann eine veränderliche Amplitude aufweisen. Somit variiert die Kraft proportional zu der Amplitude. Dadurch kann die Masse zu einer harmonischen Schwingung angeregt werden.
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Um eine Phasenlage des Signals entsprechend der Schwingung einzustellen, kann eine Position der Masse erfasst werden. Dazu kann eine elektrische Rückwirkung der Masse auf die Antriebselektrode gemessen werden. Die Rückwirkung kann an der gleichen Elektrode erfasst werden, an der das Antriebssignal anliegt. Die Rückwirkung kann in einem Detektionssignal der Antriebsschwingung abgebildet werden. Das Detektionssignal repräsentiert die Position der Masse in der Antriebsrichtung. Dies wird im weiteren Verlauf als Detektion der Antriebschwingung bezeichnet.
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Um eine Empfindlichkeit des Drehratensensors zu beeinflussen, kann die Schwingung der Masse vergrößert oder verkleinert werden. Dazu kann ein parametrisches Modulationssignal an die Antriebselektrode angelegt werden. Über das Modulationssignal wird zusätzlich zu der Antriebskraft eine elektrische Federkraft an die Masse angelegt. Die elektrische Federkraft kann als Modulationskraft bezeichnet werden. Zum Verstärken der Schwingung wirkt die zusätzliche Federkraft beispielsweise als zusätzliche auslenkende beziehungsweise rückstellende Kraft an der Masse. Das Modulationssignal kann ebenfalls über eine erfasste Position der Masse synchronisiert werden.
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Analog zur Antriebselektrode kann die Empfindlichkeit auch an der Detektionselektrode beeinflusst werden.
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Es wird ein Verfahren zum Auswerten eines Detektionssignals eines Sensors für eine Drehrate gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Anpassen einer Amplitude der Antriebsschwingung und/oder einer Amplitude der Detektionsschwingung unter Verwendung eines elektrischen Modulationssignals, um eine Empfindlichkeit des Sensors anzupassen, wobei das Modulationssignal in einer Modulationskraft auf die Sensormasse resultiert; und
Reduzieren eines Anteils des Modulationssignals in dem Detektionssignal, um ein kompensiertes Detektionssignal zu erhalten, um das Detektionssignal auszuwerten.
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Ferner wird eine Vorrichtung zum Auswerten eines Sensors für eine Drehrate gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
eine Einrichtung zum Anpassen einer Amplitude der Antriebsschwingung und/oder einer Amplitude der Detektionsschwingung unter Verwendung eines elektrischen Modulationssignals, wobei die Einrichtung zum Anpassen dazu ausgebildet ist, eine Empfindlichkeit des Sensors anzupassen, wobei das Modulationssignal in einer Modulationskraft auf die Sensormasse resultiert; und
eine Einrichtung zum Reduzieren eines Anteils des Modulationssignals in dem Detektionssignal, um ein kompensiertes Detektionssignal zu erhalten, um das Detektionssignal auszuwerten.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Die Antriebsschwingung kann eine mechanische Schwingung sein. Die Detektionsschwingung kann ebenfalls eine mechanische Schwingung sein. Die Modulationskraft kann eine elektrostatische Kraft sein.
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Der Anteil des Modulationssignals kann unter Verwendung eines invertierten Modulationssignals reduziert werden. Das invertierte Modulationssignal kann für positive Amplitudenwerte des Modulationssignals negative Amplitudenwerte aufweisen. Für negative Amplitudenwerte des Modulationssignals kann das invertierte Modulationssignal positive Amplitudenwerte aufweisen. Die positiven und negativen Amplitudenwerte können sich zu null addieren. Durch eine Auslöschung des Modulationssignals in dem Detektionssignal kann die Position der Sensormasse besonders sicher erfasst werden.
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Der Anteil des Modulationssignals kann unter Verwendung eines Summierers reduziert werden. Der Summierer kann das Detektionssignal mit einem Kompensationssignal summieren, um den Anteil des Modulationssignals zu kompensieren. Insbesondere kann das Kompensationssignal ein invertiertes Modulationssignal sein.
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Der Anteil des Modulationssignals kann unter Verwendung eines Filters reduziert werden. Der Filter kann als Tiefpass beziehungsweise Bandpass ausgelegt sein. Das Modulationssignal kann eine höhere Frequenz aufweisen, als das Detektionssignal. Insbesondere kann das Modulationssignal ein Mehrfaches der Frequenz des Detektionssignals aufweisen.
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Eine Amplitude des Modulationssignals kann vergrößert werden, wenn die Amplitude der Antriebsschwingung und/oder die Amplitude der Detektionsschwingung kleiner als ein Sollwert ist. Die Amplitude des Modulationssignals kann verkleinert werden, wenn die Amplitude der Antriebsschwingung und/oder die Amplitude der Detektionsschwingung größer als der Sollwert ist. Durch ein Verändern der Amplitude des Modulationssignals kann die Masse näherungsweise mit einer konstanten Amplitude schwingen
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Das Modulationssignal kann in das Detektionssignal eingespeist werden. Mit anderen Worten kann das Modulationssignal dem Detektionssignal überlagert werden. Das kann ohne Informationsverlust erfolgen, da die Informationen des Detektionssignals vollständig erhalten bleiben.
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Das Modulationssignal kann an die Sensormasse angelegt werden. Dabei kann die Sensormasse unter Verwendung des Modulationssignals auf ein wechselndes elektrisches Potenzial gebracht werden. Das elektrische Modulationssignal erzeugt zwischen der Sensormasse und der Antriebselektrode und/oder der Detektionselektrode eine Modulationskraft zum Anpassen der Amplitude der mechanischen Schwingung der Sensormasse. Durch das Einspeisen des Modulationssignals an der Sensormasse können die Antriebsschwingung und die Detektionsschwingung gemeinsam beeinflusst werden.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Rückkoppelns aufweisen, in dem das Antriebssignal an die Antriebselektrode und/oder ein Kraftsignal an die Detektionselektrode eingekoppelt wird, wobei der Schritt des Bereitstellens getaktet ausgeführt wird. Das Modulationssignal kann bei getakteter Einspeisung abwechselnd mit dem Antriebssignal und/oder Kraftsignal eingekoppelt werden. Dabei kann eine Kraft-Rückkopplung erreicht werden, die den Sensor stabil betreibbar macht. Das Kraftsignal kommt z.B. aus einem Regler der in einem ASIC, FPGA, Mikrocontroller oder mit diskreten Bauelementen implementiert sein kann. Das Kraftsignal kann durch die Position der Masse geregelt werden. Dabei kann das Kraftsignal so geregelt werden, dass die Masse bei einer Drehung des Sensors durch das Kraftsignal in ihrer neutralen beziehungsweise mittigen Lage gehalten wird. Eine durch das Kraftsignal ausgeübte Gegenkraft zu der Corioliskraft ist dann proportional zu der Drehrate des Sensors.
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Das Antriebssignal und/oder Kraftsignal kann mit dem Modulationssignal verrechnet werden. Durch das Verrechnen kann das Modulationssignal unterbrechungsfrei eingespeist werden. In einem Takt wird dann ausschließlich das Modulationssignal eingespeist, während im anderen Takt das Antriebssignal und/oder Kraftsignal zusammen mit dem Modulationssignal eingespeist wird.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Drehratensensors mit zwei Vorrichtungen zum Auswerten des Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Auswerten eines Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Reduzieren unter Verwendung eines Summierers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Reduzieren unter Verwendung eines Filters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Auswerten eines Drehratensensors mit einer Kraftrückkopplung und/oder Anlegen eines Antriebssignals gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 ein Blockschaltbild eines Drehratensensors mit einer Vorrichtung zum Auswerten des Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Auswerten eines Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Drehratensensors 100 mit zwei Vorrichtungen 102 zum Auswerten des Drehratensensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Drehratensensor 100 ist ein Sensor 100 zum Erfassen einer Drehrate um eine Drehachse 104 des Sensors 100. Die Drehachse 104 steht hier senkrecht zu einer Darstellungsebene. Der Sensor 100 weist eine Sensormasse 106, eine Antriebselektrode 108 und eine Detektionselektrode 110 auf. Die Sensormasse 106 ist schwingfähig gelagert. Die Sensormasse 106 ist in einer, quer zu der Drehachse 104 ausgerichteten Antriebsrichtung 112 durch eine mechanische und/oder elektrische Antriebsfeder 114 mit einem Gehäuse 116 des Sensors 100 verbunden. Die Sensormasse 106 ist in einer quer zu der Antriebsrichtung 112 und der Drehachse 104 ausgerichteten Detektionsrichtung 118 durch eine mechanische und/oder elektrische Detektionsfeder 120 mit dem Gehäuse 116 verbunden. Die Antriebselektrode 108 ist mit ihrer Wirkrichtung in der Antriebsrichtung 112 ausgerichtet. Die Antriebselektrode 108 ist dazu ausgebildet, unter Verwendung eines anlegbaren elektrischen Antriebssignals 121, die Sensormasse 106 in der Antriebsrichtung 112 zu einer mechanischen Antriebsschwingung anzuregen und eine vorhandene Antriebsschwingung der Sensormasse 106 in der Antriebsrichtung 112 in einem elektrischen Detektionssignal 122 der Antriebsschwingung abzubilden. Die Detektionselektrode 110 ist mit ihrer Wirkrichtung in der Detektionsrichtung 118 ausgerichtet. Die Detektionselektrode 110 ist dazu ausgebildet, eine, bei einer Drehung des Sensors 100 um die Drehachse 104, aufgrund der resultierenden Corioliskraft auftretende mechanische Detektionsschwingung der Sensormasse 106 in der Detektionsrichtung 118 in einem elektrischen Detektionssignal 124 der Detektionsschwingung abzubilden. Das Detektionssignal 124 repräsentiert eine Drehrate des Sensors 100.
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Die Sensormasse 106 kann in einen Antriebsschwinger und einen Detektionsschwinger unterteilt sein. Dabei kann der Antriebsschwinger die Antriebsschwingung in der Antriebsrichtung ausführen. Der Detektionsschwinger ist so in dem Antriebsschwinger gelagert, dass er in der Antriebsrichtung mit dem Antriebschwinger gekoppelt ist und die Detektionsschwingung in der Detektionsrichtung ausführen kann.
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Die Vorrichtungen 102 zum Auswerten des Sensors 100 weisen je eine Einrichtung 126 zum Anpassen und eine Einrichtung 128 zum Reduzieren auf. Eine der Vorrichtungen 102 ist mit der Antriebselektrode 108 verbunden. Die andere Vorrichtung 102 ist mit der Detektionselektrode 110 verbunden. Die Einrichtungen 126 zum Anpassen sind dazu ausgebildet, eine Amplitude der Antriebsschwingung beziehungsweise eine Amplitude der Detektionsschwingung unter Verwendung eines elektrischen Modulationssignals 130 anzupassen. Die Einrichtungen 126 zum Anpassen sind dazu ausgebildet, eine Empfindlichkeit des Sensors 100 anzupassen. Das Modulationssignal 130 resultiert in einer Modulationskraft auf die Sensormasse 106. Die Einrichtung 128 zum Reduzieren ist dazu ausgebildet, einen Anteil des Modulationssignals 130 in dem Detektionssignal 122 an der Antriebselektrode 108 beziehungsweise in dem Detektionssignal 124 an der Detektionselektrode 110 zu reduzieren, um ein kompensiertes Detektionssignal der Antriebsschwingung 132 beziehungsweise ein kompensiertes Detektionssignal der Detektionsschwingung 134 zu erhalten.
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Es wird ein Drehratensensor 100 mit minimalen Padanschlüssen vorgestellt. Bei einem herkömmlichen Sensorelement wird die Fläche des Sensorelements durch die Pads dominiert. Durch den hier vorgestellten Ansatz kann die Fläche des Sensorelements 100 reduziert werden. Dazu wird die Anzahl der Pads und somit die Kosten reduziert. Das hier vorgestellte Verfahren ermöglicht die Anwendung der parametrischen Verstärkung bei einem Sensor 100 mit minimalen Padanschlüssen.
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Es werden keine zusätzlichen Pads zur parametrischen Signaleinspeisung benötigt. Bei einem herkömmlichen, differenziellen Verfahren werden mindestens zwei Pads pro Schwingungsachse 112, 118 benötigt. Für das hier vorgestellte Verfahren wird nur noch ein Pad pro Schwingungsachse 112, 118 benötigt. Schaltungstechnisch wird eine Kompensationsschaltung 128 verwendet, da anders als beim differenziellen Verfahren, bei dem das parametrische Signal 130 als Gleichtaktsignal eingespeist wird, keine inhärente Gleichtaktunterdrückung stattfindet. Der Kostenvorteil der Padreduzierung überwiegt jedoch deutlich den Kostenaufwand der zusätzlichen Kompensationsschaltung.
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In 1 ist ein schematischer Aufbau eines Drehratensensors 100 mit minimalen Padanschlüssen gezeigt. Der Drehratensensor 100 weist eine Antriebselektrode 108 und eine Detektionselektrode 110 auf. Die Einspeisung des parametrischen Signals 130 für die parametrische Verstärkung erfolgt beispielsweise an der Detektionselektrode 110 und/oder an der Antriebselektrode 108. An der Antriebselektrode 108 wird das parametrische Signal 130 zusätzlich zu dem Antriebssignal 121 eingespeist.
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2 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 102 zum Auswerten eines Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 102 entspricht im Wesentlichen einer der Vorrichtungen in 1. Insbesondere ist hier die Vorrichtung 102 zum Auswerten des Detektionssignals 124 an der Detektionselektrode gezeigt. Wie in 1 weist die Vorrichtung 102 eine Einrichtung 126 zum Anpassen und eine Einrichtung 128 zum Reduzieren auf. In diesem Ausführungsbeispiel wird das parametrische Modulationssignal 130 an einem nichtinvertierenden Eingang 200 beziehungsweise positiven Eingang 200 eines Operationsverstärkers 202 eingespeist. Das Detektionssignal 122 der Antriebsschwingung beziehungsweise das Detektionssignal 124 der Detektionsschwingung liegen an einem invertierenden Eingang 204 beziehungsweise negativen Eingang 204 des Operationsverstärkers 202 an. Die Einrichtung 128 zum Reduzieren ist mit einem Ausgang 206 des Operationsverstärkers 202 verbunden. Der Ausgang 206 wird hier mit N1 bezeichnet. Parallel zu dem Operationsverstärker 202 ist ein Kondensator 208 beziehungsweise eine Kapazität 208 geschalten. Dabei ist eine Seite des Kondensators 208 mit dem invertierenden Eingang 204 und die andere Seite des Kondensators 208 mit dem Ausgang 206 des Operationsverstärkers 202 verbunden. Der Operationsverstärker 202 zusammen mit dem Kondensator 208 bilden einen Ladungsintegrierer 210 aus. Die Einrichtung 128 zum Reduzieren wird hier als Kompensationsschaltung 128 bezeichnet. In der Kompensationsschaltung 128 wird ein großer Anteil des Modulationssignals 130, das über den Operationsverstärker 202 am Ausgang 206 bereitgestellt wird, kompensiert oder ausgefiltert. Am Ausgang der Kompensationsschaltung 128 liegt dann wie in 1 das kompensierte Detektionssignal 132 der Antriebsschwingung beziehungsweise das kompensierte Detektionssignal 134 der Detektionsschwingung an. Das Modulationssignal 130 wird als Wechselspannung bereitgestellt.
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Die Signaleinspeisung wird mit Hilfe von 2 erklärt. Eine Detektionseinheit 210, vorzugsweise der in 2 dargestellte Ladungsintegrator 210, wird für die Signalauswertung der Detektionselektrode oder der Antriebselektrode verwendet. Dadurch können beide Bewegungsschwingungen gemessen werden. Über den Pluseingang 200 des Ladungsintegrators 210 wird das parametrische Signal 130 für die parametrische Verstärkung eingekoppelt, welches am Minuseingang 204 durch den Verstärker 202 nachgeführt wird und somit auf das Sensorelement wirken kann. Mit anderen Worten erfolgt die Einspeisung des Modulationssignals 130 am Pluseingang 200 des Verstärkers 202.
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Durch die Signaleinspeisung des parametrischen Signals 130 ist das jeweilige Detektionssignal 122, 124 mit diesem parametrischen Signal 130 am Knoten N1 206 in einer Spannung Uout überlagert. Durch die typischerweise bezogen auf das Detektionssignal 122, 124 relativ große Amplitude des parametrischen Signals 130 könnte eine nachfolgende Signalverarbeitungskette, wie beispielsweise ein Analog-Digital-Wandler, übersteuert werden. Daher wird eine Kompensation des parametrischen Signals 130 im Auswertepfad durchgeführt.
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Mithilfe einer Kompensationsschaltung 128 kann dieses zuvor eingespeiste parametrische Signal 130, welches idealerweise nur auf das Sensorelement wirken sollte, im nachfolgenden Auswertepfad reduziert werden.
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3 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung 128 zum Reduzieren unter Verwendung eines Summierers 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Einrichtung 128 zum Reduzieren ist mit dem Ausgang N1 beziehungsweise 206 des Operationsverstärkers wie in 2 verbunden. Der Summierer 300 beziehungsweise die Kompensationsschaltung 128 besteht aus einem weiteren Operationsverstärker 302 und einem Widerstand 304 im Rückkoppelpfad. Dabei ist der Widerstand 304 zwischen dem invertierenden Eingang 306 und dem Ausgang 308 des Operationsverstärkers 302 geschalten. Der nichtinvertierende Eingang 310 des Operationsverstärkers 302 liegt auf Masse. Zwischen dem Ausgang bzw. Konten 206 bzw. N1 und dem invertierenden Eingang 306 ist ein weiterer Widerstand 312 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 126 zum Anpassen zusätzlich über einen Invertierer 314 und einen zusätzlichen Widerstand 316 mit dem invertierenden Eingang 306 des Operationsverstärkers 302 verbunden. Der Invertierer 314 invertiert das Modulationssignal 130. Das invertierte Modulationssignal hebt also den Anteil des Modulationssignals im jeweiligen Detektionssignal vom Ausgang N1, 206 größtenteils auf.
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Mit einem Summierer 300 wird das zuvor eingespeiste, auf dem Signalknoten 206 bzw. N1 überlagerte parametrische Signal 130 wieder entfernt.
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4 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung 128 zum Reduzieren unter Verwendung eines Filters 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 ist die Einrichtung 128 zum Reduzieren beziehungsweise die Kompensationsschaltung mit dem Ausgang N1 206 verbunden. Der Filter 400 ist als Tiefpass oder Bandpass ausgelegt, da das jeweilige Detektionssignal niederfrequenter ist, als das Modulationssignal.
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Hier wird mit einem Filter 400 das parametrische Signal vom Nutzsignal getrennt. Das ist möglich, da das parametrische Signal eine Frequenz aufweist, die sich von der Resonanzfrequenz des Sensorelements unterscheidet, typischerweise liegt die Frequenz des parametrischen Signals bei der doppelten Sensorresonanzfrequenz (2f).
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5 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 102 zum Auswerten eines Drehratensensors mit einer Kraftrückkopplung und/oder Anlegen eines Antriebssignals 121 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 102 entspricht im Wesentlichen einer der Vorrichtungen in 1. Insbesondere ist hier die Vorrichtung 102 zum Auswerten des Detektionssignals 122 an der Antriebselektrode gezeigt. Zusätzlich wird ein Antriebssignal 121 und/oder Kraftsignal 500 mit dem Modulationssignal 130 in einer Verrechnungseinheit 502 verrechnet und über einen Zeitmultiplexer 504 an die Antriebselektrode bzw. Detektionselektrode gegeben. Der Zeitmultiplexer 504 wird durch einen Takt 506 beziehungsweise eine Taktung 506 getaktet. Dadurch wird zwischen zwei Phasen unterschieden. In einer Phase wird das Modulationssignal 130 über den Operationsverstärker 202 wie in 2 ohne das Antriebssignal 121 und/oder Kraftsignal 500 auf die jeweilige Elektrode des Drehratensensors gegeben. In der anderen Phase wird das mit dem Antriebssignal 121 und/oder Kraftsignal 500 verrechnete Modulationssignal 130 auf die jeweilige Elektrode des Drehratensensors gegeben.
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Gefesselte (closed-loop) Konzepte sind vorteilhaft gegenüber ungefesselten (open-Ioop) Konzepten. Dafür wird der Antriebsschwinger beziehungsweise die in der Antriebsrichtung schwingende Sensormasse über die Antriebselektrode und/oder der Detektionsschwinger beziehungsweise die in der Detektionsrichtung schwingende Sensormasse über die Detektionselektrode nicht nur detektiert, sondern auch kraftrückgekoppelt. Über einen Zeit-Multiplexer 504 wird der Antriebsschwinger und/oder Detektionsschwinger entweder detektiert oder angeregt bzw. kraftrückgekoppelt. Dabei wird über die gesamte Zeit das parametrische Signal 130 auf das Sensorelement gegeben. Das erfolgt während der Detektionsphase über den Pluseingang 200 des Verstärkers 202 und während der Anregung bzw. Kraftrückkopplung über die Verrechnungseinheit 502. Dabei wird das eigentliche rückgekoppelte Kraftsignal 500 mit dem parametrischen Signal 130 verrechnet und anschließend auf das Sensorelement gegeben.
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In einem Ausführungsbeispiel wird die in 5 gezeigte Umsetzung an dem Antriebsschwinger angewendet. Hier wird ebenfalls über die gesamte Periode ein parametrisches Signal 130 auf das Sensorelement gegeben. Dabei wird abhängig vom Zeit-Multiplexer 504 das parametrische Signal 130 während der Antriebs-Detektionsphase über den Pluseingang 200 des Verstärkers 202 eingespeist und während der Antriebsphase mit dem Antriebssignal 121 des Antriebs verrechnet und anschließend auf die Antriebselektrode des Sensorelements gegeben. Mit anderen Worten zeigt 5 eine Detektion und Kraftaufbringung mittels Zeit-Multiplexer 504.
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6 zeigt ein Blockschaltbild eines Drehratensensors 100 mit einer Vorrichtung 102 zum Auswerten des Drehratensensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Drehratensensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Drehratensensor in 1. die Vorrichtung 102 entspricht im Wesentlichen der Vorrichtung in 2. Hier ist nur eine Vorrichtung 102 an der Detektionselektrode 110 gezeigt. Zusätzlich wird an die Detektionselektrode 110 wie in 5 das Kraftsignal 500 eingespeist. Wie in 5 ist dazu ein getakteter Zeitmultiplexer 504 zwischen dem Operationsverstärker 202 und dem Anschluss des Drehratensensors 100 angeordnet. Im Gegensatz zu der Vorrichtung 102 in 2 ist die Einrichtung 126 zum Anpassen hier unmittelbar mit der Masse 106 des Drehratensensors 100 verbunden. Das Modulationssignal 130 liegt hier direkt an der Masse 106 an.
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In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des vorgestellten Ansatzes am Beispiel des Detektionspfads gezeigt, die den Schaltungsaufwand reduziert. Anstatt das parametrische Signal 130 über den Pluseingang 200 des Verstärkers 202 sowie mit dem Kraftsignal 500 zu verrechnen, wird in 6 das parametrische Signal 130 nur auf die Sensormasse 106 eingespeist. Hierdurch lässt sich die Kraftverrechnungseinheit einsparen. Vorteilhaft ist auch, dass die parametrische Verstärkung nun gleichzeitig auf den Antriebsschwinger 106 sowie auf den Detektionsschwinger 106 wirkt. Aufgrund der "Single-ended" Signalkette wird nach wie vor eine Kompensationsschaltung 128 benötigt. Die gezeigte Schaltung der Detektionselektrode 110 in 6 kann auch an die Antriebselektrode 108 angeschlossen werden. Mit anderen Worten zeigt 6 eine Reduzierung der Schaltung durch Aufbringung des Modulationssignals 130 auf die Sensormasse 106.
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Alternativ kann im Detektionspfad bei einem open-Ioop Konzept auf das Kraftsignal 500 sowie den Zeit-Multiplexer 504 verzichtet werden.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Auswerten eines Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 700 kann auf einer Vorrichtung zum Auswerten, wie sie beispielsweise in den vorhergehenden Figuren gezeigt ist, ausgeführt werden. Der auszuwertende Drehratensensor entspricht dabei einem Drehratensensor wie in 1. Das Verfahren 700 weist einen Schritt 702 des Anpassens und einen Schritt 704 des Reduzierens auf. Im Schritt 702 des Anpassens wird eine Amplitude der Antriebsschwingung und/oder eine Amplitude der Detektionsschwingung unter Verwendung eines elektrischen Modulationssignals angepasst, um eine Empfindlichkeit des Sensors anzupassen. Das Modulationssignal resultiert in einer Modulationskraft auf die Sensormasse. Im Schritt 704 des Reduzierens wird ein Anteil des Modulationssignals in dem Detektionssignal der Antriebsschwingung und/oder in dem Detektionssignal der Detektionsschwingung reduziert, um ein kompensiertes Detektionssignal der Antriebsschwingung und/oder ein kompensiertes Detektionssignal der Detektionsschwingung zu erhalten.
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In einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 702 des Anpassens eine Amplitude des Modulationssignals vergrößert, wenn die Amplitude der Antriebsschwingung kleiner als ein Sollwert ist. Wenn die Amplitude der Antriebsschwingung größer als der Sollwert ist, wird die Amplitude des Modulationssignals verkleinert.
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Mit anderen Worten zeigt 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Einspeisen eines parametrischen Verstärkungssignals bei einem Drehratensensor mit minimalen Padanschlüssen beziehungsweise ein Verfahren 700 zum gleich getakteten Einspeisen eines parametrischen Verstärkungssignals bei einem Drehratensensor.
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Durch die Anwendung der parametrischen Verstärkung kann ein Innendruck der Sensorkaverne erhöht werden. Weiterhin kann eine kleinere seismische Masse/Fläche gewählt werden. Die jeweiligen Sensitivitätsverluste durch den vergrößerten Druck und/oder die reduzierte Masse können durch die parametrische Verstärkung kompensiert werden. Durch die kleinere Geometrie des Sensorelements sowie auf den Verzicht auf eine kostenintensive Vakuumverpackung können Kosten reduziert werden.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird zusätzlich zu den üblichen Signalen bei Resonanzfrequenz f ein parametrisches Signal insbesondere mit doppelter Resonanzfrequenz 2f am Drehratensensor eingesetzt. Durch Kosteneinsparungen bei Inertialsensoren durch dieses Verfahren kann diese Technik bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt werden.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
