DE102021202132A1

DE102021202132A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Detektionssensitivität eines Drehratensensors

Info

Publication number: DE102021202132A1
Application number: DE102021202132.8A
Authority: DE
Inventors: Clemens Jurgschat
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2021-09-30
Also published as: US12092461B2; CN115014386A; DE102021202134A1; US20210302163A1; US20220282971A1; CN113447672A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Detektionssensitivität eines Drehratensensors vorgeschlagen, wobei der Drehratensensor ein schwingungsfähiges System (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass-- in einem ersten Schritt ein erstes Quadratursignal des schwingungsfähigen Systems (1) bestimmt wird,-- in einem zweiten Schritt eine kontrollierte Veränderung einer Transferfunktion des schwingungsfähigen Systems (1) erfolgt,-- in einem dritten Schritt ein zweites Quadratursignal des schwingungsfähigen Systems (1) bestimmt wird, und-- in einem vierten Schritt die Detektionssensitivität auf Grundlage des ersten und zweiten Quadratursignals bestimmt wird..Weiterhin wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Detektionssensitivität eines Drehratensensors vorgeschlagen, wobei der Drehratensensor ein erstes schwingungsfähiges System (1) und ein zweites schwingungsfähiges System aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik bekannte Drehratensensoren sind in ihrer Performance durch nachteilige Effekte wie beispielsweise der Drift der Detektionssensivität begrenzt, da diese bei fehlender Kompensation bzw. Korrektur zu einer falschen Interpretation der Messergebnisse führen können. Daher weisen Drehratensensoren häufig Kompensationsmechanismen auf, die der Drift von Messergebnissen entgegenwirken.
Eine solche Drift der Sensitivität ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig, wie beispielsweise von umgebungsbedingten Einflüssen wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit oder auch von mechanischen Spannungen, Alterung und vielem mehr. Oftmals beruht die eigentliche physikalische Ursache der Drift auf einem mechanischen Einfluss auf die Feder-Masse-Systeme (FMS) des Sensors. Ein solcher mechanischer Einfluss hat wiederum eine Änderung des Amplitudengangs (Verstärkungskennlinie) und/oder des Phasengangs (Phasenkennlinie) zur Folge. Amplituden- und Phasengang werden durch die Transferfunktion (auch Übertragungsfunktion oder Systemfunktion) des Feder-Masse-Systems bestimmt, die die frequenzabhängige Antwort des Systems charakterisiert, indem sie den Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal (z.B. Antriebssignal) und dem Ausgangssignal (z.B. die Amplitude der Antriebs- oder Detektionsmode, bzw. des zugehörigen elektrische Signals) angibt. Für verschiedene Modelle schwingungsfähiger Systeme ist die Transferfunktion in analytischer Form bekannt. Insbesondere ergibt sich für eine gedämpfte Schwingung eines Systems aus einer Masse und einer linearen Feder die folgende Abhängigkeit von der Frequenz ω des Eingangssignals (der dimensionsbehaftete Vorfaktor der Verstärkung G(ω) ist hier weggelassen): $G (ω) \sim \frac{1}{\sqrt{{(1 - \frac{ω^{2}}{ω_{0}^{2}})}^{2} + \frac{ω^{2}}{Q^{2} \cdot ω_{0}^{2}}}}$
$ϕ (ω) = arctan (\frac{\frac{ω}{Q \cdot ω_{0}}}{1 - \frac{ω^{2}}{ω_{0}^{2}}})$
Dabei bezeichnet ω₀ die Eigenfrequenz (bestimmt durch die Masse und die Federkonstante) und Q den Gütefaktor des schwingungsfähigen Systems. Bei einer Änderung z.B. der Federkonstanten (und damit der Eigenfrequenz) des Systems werden die Verstärkungs- und Phasenkennlinie durch die oben genannten Effekte in ihrer Steigung und in ihrer Lage bezüglich der Frequenzachse beeinflusst. Der Verlauf der Kennlinien kann andererseits auch durch eine Veränderung der Güte des Systems aufgrund einer Temperaturänderung beeinflusst werden. Eine Änderung der Verstärkung bzw. der Phase beeinflusst wiederum das Messsignal (vgl. Gleichung 3 weiter unten), ohne dass dies auf einer tatsächlichen Änderung der Drehrate beruhen würde, so dass es hier zu einem Messfehler kommt und die Detektionssensivität herabgesetzt wird. Um eine Drift zu erkennen, ohne dabei auf einen Referenzstimulus (d.h. eine bekannte äußere Drehrate) zurückzugreifen, kann die in jedem realen mikromechanischen System vorhandene Quadratur (in den Formeln mit Quad bezeichnet) ausgenutzt werden. Die Quadratur erzeugt eine von der Drehrate Ω unabhängige Kraftwirkung, bzw. einen zusätzlichen Beitrag zum Detektionssignal, der um 90° gegenüber dem von der Drehrate erzeugten Nutzsignal phasenverschoben ist. Beide Signalbeiträge sind jedoch zur Sensitivität G proportional. Aufgrund der Phasenverschiebung lässt sich das Quadratursignal s_Quad durch Demodulation vom Detektionssignal s_Ω abtrennen. $s_{Ω} = G * Ω + G * Quad * ϕ$
$s_{Quad} = G * Quad$
Dieser Umstand wird in aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Bestimmung einer Sensitivitätsänderung ausgenutzt. Dies wird erreicht, indem die Quadratur des oszillierenden Detektionsapparats durch zusätzlich im Sensor integrierte Elektroden auf elektrostatischem Wege vorübergehend künstlich verstärkt wird. Die dadurch veränderten Ausgangssignale werden dann im Betrieb mit einem Referenzwert verglichen, der über eine vorhergehende Kalibrierung festgelegt wurde. Aus dem Verhältnis der des Ausgangssignals zum Referenzwert kann dann eine Aussage über die Sensitivitätsänderung abgeleitet werden. Ein Nachteil einer solchen Methode ist jedoch der damit verbundene zusätzliche Designaufwand und der Platzbedarf der zusätzlichen Elektroden auf dem Sensor. Es ist daher wünschenswert, eine Messung der Sensitivitätsdrift ohne zusätzlichen mechanischen Mehraufwand zu erreichen. Zudem lässt sich mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik nur eine temperaturabhängige Änderung der Verstärkungs- und Phasenkennlinie eines schwingungsfähigen Systems bestimmen. Eine Verschiebung der Kennlinie durch zusätzliche Störeffekte wie mechanische Spannungen in der den Sensor bildenden mikromechanischen Struktur lassen sich dagegen nur bedingt ermitteln.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, Informationen über eine mögliche Drift der Detektionssensivität zu erhalten, ohne dass dabei die oben beschriebenen Nachteile auftreten.
Das Verfahren gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass auf eine künstliche Beeinflussung der Quadratur des schwingungsfähigen Systems und insbesondere auf die dafür erforderlichen zusätzlichen Elektroden verzichtet werden kann. Das Verfahren ermöglicht eine effiziente Weise, eine Sensitivitätsänderung eines schwingungsfähigen Systems (im Folgenden auch als Feder-Masse-Systems oder abkürzend FMS bezeichnet) festzustellen. Bei dem FMS kann es sich insbesondere um den Detektionsapparat eines Drehratensensors handeln. Die Detektion dieser Änderung ist dabei unabhängig von einer eventuellen Änderung der Quadratur und zudem nahezu temperaturunabhängig. Das Verfahren ermöglicht die Bestimmung der Position der Transferfunktion (TF) bzw. die Position des Arbeitspunktes auf der durch die Transferfunktion bestimmten Verstärkungs- bzw. Phasenkennlinie. Auf diese Weise lässt sich nicht nur die Detektionssensivität, sondern auch die Phasenänderung (ohne Berücksichtigung des Temperatureinflusses) bestimmen. Daraus ergibt sich insbesondere die Möglichkeit, einen Korrekturfaktor bzw. eine Korrekturfaktorfunktion oder -tabelle aufzustellen, welche im Betrieb des Sensors zur Kompensation der Drift von Sensitivität und Phase genutzt werden kann. Anhand der in dem Verfahren bestimmten Messergebnisse kann eine temperaturabhängige absolute und eine temperaturunabhängige relative Phasendifferenz bestimmt werden, die als weiterer Indikator für zusätzliche Einflussfaktoren dienen kann.
Jede der oben genannten Möglichkeiten kann, insbesondere im Falle des Detektionsapparats, ohne die im Stand der Technik verwendeten zusätzlichen Elektroden implementiert werden. Sie sind zudem unabhängig von einer anliegenden Drehrate und können damit während des Betriebs des Sensors ohne weitere Einschränkungen angewendet werden. Denkbar ist auch, zusätzliche Elektroden zur Beeinflussung des FMS zu verwenden und diese komplementär zur erfindungsgemäßen Methode einzusetzen, um die Genauigkeit eventueller Kompensationen zu verbessern und so zu einer drehratenunabhängigen absoluten Bestimmung der Sensitivität beizutragen.
Das Konzept der Erfindung beruht auf der Grundidee, eine kontrollierte Veränderung der Transferfunktion (d.h. des Amplituden- und/oder Phasengangs) herbeizuführen und bei einer festen Antriebsfrequenz die relative Änderung der Verstärkung bzw. der Phasenverschiebung zur Bestimmung der Position der Transferfunktion bezüglich der Frequenzachse zu ermitteln. Bei einer vorgegebenen Antriebsfrequenz lässt das Detektionssignal nur bei Kenntnis der anliegenden Drehrate Rückschlüsse auf die tatsächliche Verstärkung zu. Das Detektionssignal enthält nach Gleichung 3 (neben dem durch Demodulation bestimmbaren Quadraturanteil) die Verstärkung G und die Drehrate Ω in Form eines Produkts, so dass anhand des Detektionssignals allein keine Trennung der beiden Einflüsse möglich ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird hingegen der Quadraturanteil s_Quad für mindestens zwei verschiedene (durch die kontrollierte Veränderung der Transferfunktion hervorgerufenen) Verstärkungen bestimmt womit genügend Information zu Verfügung steht, um die wahre Verstärkung zu bestimmen.
Mit Gleichung 4 ergibt sich für das Verhältnis v_i des zur veränderten Transferfunktion gehörenden Quadratursignals s_Quad,i,Δ = s_Quad,i + Δs_Quad (zur veränderten Transferfunktion gehörende Größen werden im Folgenden mit einem zusätzlichen Index Δ gekennzeichnet und Differenzen durch ein der Größe vorangestelltes Δ) und des zur unveränderten Transferfunktion gehörenden Quadratursignals s_Quad,i: $v_{i} = \frac{s_{Quad,i, Δ}}{s_{Quad,i}} = \frac{(G_{i} + Δ G_{i}) \cdot Quad}{G_{i} \cdot Quad} = \frac{G_{i} + Δ G_{i}}{G_{i}}$
Wie aus der Gleichung zu erkennen ist, ist das so aufgestellte Verhältnis unabhängig von der Quadratur. Für das Ausgangssignal der Drehrate gilt nach der Veränderung der Transferfunktion: $s_{Ω, i, Δ} = (G_{i} + Δ G_{i}) Ω (ϕ_{i} + Δ ϕ_{i})$
Die Bestimmung der Verstärkung auf Grundlage des Verhältnisses v_i lässt sich am Beispiel einer kontrollierten horizontalen Verschiebung (insbesondere durch eine entsprechenden Verschiebung der Eigenfrequenz) der durch die Gleichungen 1 und 2 gegebenen Verstärkungs- und Phasenkennlinie beschreiben (vgl. 3): Da die Verstärkung laut Gleichung 1 bei Frequenzen unterhalb der Eigenfrequenz streng monoton wächst und oberhalb der Eigenfrequenz streng monoton fällt, lässt sich ein Bereich festlegen, in welchem das Verhältnis v_i eine eindeutige Aussage über die Position des Arbeitspunktes zulässt. Ein ähnlicher Ansatz lässt sich auf Grundlage der Phasenkennlinie durchführen, d.h. indem von der mechanischen Phasenänderung auf die Position der Kennlinie zurückgeschlossen wird. Wirkt nun ein unbekannter äußerer Einfluss (z.B. mechanische Spannungen) auf das FMS des Antriebs oder der Detektionseinheit und ruft eine Änderung der Eigenfrequenz ω₀ → ω_i hervor, so ändert sich auch das Verhältnis v₀ → v_i. 4 stellt diesen Prozess in einer allgemeineren Form grafisch dar.
Die obigen Ausführungen, die den Erfindungsgedanken im Detail am Beispiel einer kontrollierten horizontalen Verschiebung beschreiben, lassen sich auf den allgemeinen Fall übertragen, bei dem eine weitgehend beliebige reproduzierbare und kontrollierte Beeinflussung der Transferfunktion eines schwingungsfähigen Feder-Masse-Systems zur Ermittlung des Arbeitspunktes auf den durch die Transferfunktion gegebenen Verstärkungs- und Phasenkennlinien und damit letztlich zur Bestimmung der Sensitivitätsänderung durch äußere Einflüsse genutzt werden kann.
Über die Anwendung der Verschiebung der Eigenfrequenz als Kompensationsmethode hinaus (ob in mechanischer oder elektrisch induzierter Variante), kann dieses Verfahren auch für weitere Funktionen bzw. in weiteren Anwendungsalternativen genutzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt im zweiten Schritt eine kontrollierte Veränderung einer Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems und/oder es erfolgt eine kontrollierte Veränderung des Gütefaktors des schwingungsfähigen Systems. Die Eigenfrequenz ω₀ und die Güte Q bestimmen gemäß den Gleichungen 1 und 2 die Form und Lage der Verstärkungs- und Phasenkennlinie. Die Güte bestimmt dabei im Wesentlichen die Breite der Kurve, d.h. den Abfall der Flanken links und rechts des Maximums, während die Eigenfrequenz die Lage der Kennlinien relativ zur Frequenzachse bestimmt. Beide Größen lassen sich damit in dem erfinderischen Verfahren dazu benutzen, die Transferfunktion in kontrollierter und reversibler Weise zu verändern und ermöglichen durch die oben beschriebene Messung des Quadratursignals eine Bestimmung der Sensitivitätsdrift.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Veränderung der Eigenfrequenz durch eine kontrollierte Veränderung der Federkonstanten des schwingungsfähigen Systems. Die Federkonstante bestimmt zusammen mit der Masse des schwingenden Körpers die Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems, so dass ein Erhöhung oder Verringerung der Federkonstante direkt zu einer Verschiebung der Eigenfrequenz führt, die wie oben ausgeführt eine für eine Bestimmung der Sensitivitätsdrift genutzt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgen in einem, dem dritten Schritt nachfolgenden und dem vierten Schritt vorausgehenden fünften Schritt weitere kontrollierte Veränderungen der Transferfunktion und es werden weitere Quadratursignale des Drehratensensors bestimmt, wobei im vierten Schritt die Detektionssensitivität auf Grundlage der ersten, zweiten und weiteren Quadratursignale bestimmt wird. Auf diese Weise lässt die Genauigkeit der der ermittelten Sensitivitätsdrift durch eine Wiederholung, bzw. mehrfache Wiederholung des zweiten und dritten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhafterweise verbessern. Im einfachsten Fall lässt sich beispielsweise die Sensitivitätsdrift bei jeder Wiederholung ermitteln und aus den so ermittelten Werten für die Drift eine geeignete Auswahl treffen oder ein Mittelwert bilden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt wird in einem dem vierten Schritt nachfolgenden, fünften Schritt eine Kompensationsgröße für ein Detektionssignal auf Grundlage der im vierten Schritt bestimmten Detektionssensitivität bestimmt.
Um das Verhältnis v_i zur Kompensation nutzen zu können, kann im Vorfeld (unter Initialbedingungen) eine Matrix oder Funktion aufgestellt werden, die das veränderte Verhältnis v_i mit einem Kompensationsfaktor CF in Verbindung bringt. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass das Verhältnis v_i über einen bestimmten Bereich gemessen wird und der zugehörige Korrekturfaktur für jeden dieser Werte bestimmt wird. Im einfachsten Fall kann der Korrekturfaktor dadurch aufgestellt werden, dass das zur verschobenen Eigenfrequenz gehörende Quadratursignal in ein Verhältnis zum Referenzsignal gesetzt wird: $C F_{G,i} = \frac{G_{0} Q_{0}}{G_{i} Q_{0}} = \frac{G_{0}}{G_{i}}$
6 stellt diesen Prozess grafisch in einer allgemeineren Form dar. Da diese Messung bei Initialbedingungen erfolgt, unterliegt die Quadratur keinen Änderungen, wodurch der Korrekturfaktor unabhängig von eventuellen Veränderungen der Quadratur ist. Der berechnete Korrekturfaktor kann dann in einem weiteren Schritt auf das (bereits quadraturkompensierte) Ausgangssignal des demodulierten Detektionskanals angewendet werden: $s_{Ω, i} \cdot C F_{G,i} = Ω \cdot G_{i} \cdot \frac{G_{0}}{G_{i}} = Ω \cdot G_{0} = s_{Ω,0}$
Dadurch wird ein Ergebnis erreicht, wie es unter Initialbedingungen gemessen worden wäre, ohne dass eine Messung der Quadratur bzw. der Quadraturänderung nötig wäre. 5 stellt diesen Prozess grafisch in einer allgemeineren Form dar. In gleicher Weise kann ein Korrekturfaktor für die mechanische Phasenänderung berechnet und angewendet werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 6. Während dem Verfahren nach Anspruch 1 eine kontrollierte Veränderung der Transferfunktion eines schwingungsfähigen Systems zugrunde liegt, werden in dieser Variante zwei schwingungsfähige Systeme des selben Sensors verwendet, die sich in definierter Weise bezüglich ihrer Transferfunktionen unterscheiden. Das Verhältnis v_i entsprechend aus den Quadratursignalen beider Systeme, d.h. in Gleichung 5 ist die Größe s_Quad,i durch das Quadratursignal des ersten schwingungsfähigen Systems und die Größe s_Quad,i,Δ durch das Quadratursignal des zweiten schwingungsfähigen Systems gegeben. Die vorstehend ausgeführten Überlegungen übertragen sich jedoch unmittelbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Gütefaktor des ersten schwingungsfähigen Systems gleich einem Gütefaktor des zweiten schwingungsfähigen Systems, wobei eine Masse des ersten schwingungsfähigen Systems ist von einer Masse des zweiten schwingungsfähigen Systems verschieden ist und/oder eine Federkonstante des ersten schwingungsfähigen Systems von einer Federkonstante des zweiten schwingungsfähigen Systems verschieden ist. Bei dieser Ausführungsform wird der Unterschied der Transferfunktionen der beiden Systeme entweder durch die Masse, die Federkonstante und/oder den Gütefaktor erzeugt. Die Masse bestimmt dabei zusammen mit der Federkonstante die Eigenfrequenz, so dass sich durch eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Masse eine weitere Möglichkeit ergibt, die Eigenfrequenzen der beiden Systeme gegeneinander zu verschieben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt in einem dem vierten Schritt nachfolgenden fünften Schritt eine Kompensationsgröße für ein Detektionssignal auf Grundlage der im vierten Schritt bestimmten Detektionssensivität. Die Bestimmung der Kompensationsgröße erfolgt analog wie oben für den Fall eines einzigen schwingungsfähigen Systems beschrieben wurde.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lassen sich als Varianten sowohl des Verfahrens nach Anspruch 1 (Veränderung der Transferfunktion eines schwingungsfähigen Systems), als auch des Verfahrens nach Anspruch 6 (zwei schwingungsfähige Systeme mit unterschiedlichen Transferfunktionen) auffassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Drehratensensor ein Register mit einer Mehrzahl von Wertepaaren der Detektionssensivität und der Kompensationsgröße auf, wobei die Kompensationsgröße durch Auswahl eines Wertes aus dem Register erfolgt, oder die Kompensationsgröße wird durch einen analytischen, insbesondere linearen, Zusammenhang zwischen der Detektionssensivität und der Kompensationsgröße bestimmt. Abhängig von der Wahl des Arbeitspunktes kann also insbesondere auch näherungsweise von einem linearen Zusammenhang zwischen dem Detektionssignalverhältnis v und dem Kompensationsfaktor CF ausgegangen werden. Dadurch kann statt einer Tabelle oder ähnlichem ein Faktor ermittelt werden, so dass sich CF durch Multiplikation von v mit diesem Faktor berechnen lässt
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird im ersten Schritt ein erstes Detektionssignal und im zweiten Schritt ein zweites Detektionssignal bestimmt, wobei in einem, dem vierten Schritt nachfolgenden sechsten Schritt eine Temperaturauswirkung auf eine mechanische Phase des schwingungsfähigen Systems auf Grundlage des ersten und zweiten Detektionssignals und des ersten und zweiten Detektionssignals ermittelt wird. Ausgehend von den Gleichungen 3 und 4 und einer Verschiebung der Detektionsmoden lässt sich folgender Zusammenhang für die absolute Phasenänderung berechnen: $\frac{s_{Ω,0}}{s_{Quad,0}} - \frac{s_{Ω, i}}{s_{Quad,i}} = (\frac{Ω}{Quad} + ϕ) - (\frac{Ω}{Quad} + ϕ + Δ ϕ) = Δ ϕ$
Da dasselbe FMS bei einer Eigenfrequenzverschiebung untersucht wird und ein Verhältnis gebildet wird, ist die Bestimmung der horizontalen Position auf der Verstärkungskennlinie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nahezu unabhängig von Temperatureinflüssen. Allerdings werden thermische Störeinflüsse auf diese Weise auch nicht erkannt bzw. kompensiert. Die Berechnung der Phasenänderung, die durch die Verschiebung der Eigenfrequenz hervorgerufen wird, ist jedoch ein absoluter Wert und damit eine Funktion der Temperatur. Somit kann die absolute Phasenänderung in einer Variante der erfinderischen Methode als Indikator für einen Temperatureinfluss dienen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Drehratensensor, aufweisend ein schwingungsfähiges System und eine Kontrolleinheit, wobei der Drehratensensor, insbesondere die Kontrolleinheit, dazu konfiguriert ist ein Verfahren gemäß Anspruch 1 auszuführen. Ein weiterer Gegenstand ist ein Drehratensensor, aufweisend ein erstes und zweites schwingungsfähiges System und eine Kontrolleinheit, wobei der Drehratensensor, insbesondere die Kontrolleinheit, dazu konfiguriert ist, ein Verfahren gemäß Anspruch 6 durchzuführen oder dazu konfiguriert ist, ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6 durchzuführen. Die weiter oben beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens übertragen sich jeweils direkt auf Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Drehratensensors.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines schwingungsfähigen Systems, das durch eine elastisch gelagerte Masse gebildet wird und durch eine Elektrodenanordnung zur Schwingung angeregt werden kann.
2 illustriert die Transferfunktion eines schwingungsfähigen Systems durch eine Darstellung der Verstärkungskennlinien der Antriebs- und Detektionsschwingung und der Phasenkennlinie der Detektionsschwingung.
3 zeigt das Flussdiagram eines Initialisierungsvorgangs, bei dem eine Mehrzahl von Werten der Kompensationsgröße bestimmt wird.
4 zeigt das Flussdiagram eines Kompensationsvorgangs, bei dem eine Kompensationsgröße für das Detektionssignal bestimmt wird.
5 zeigt das Flussdiagram für die Bestimmung des Verhältnisses v_i.

Ausführungsformen der Erfindung
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines schwingungsfähigen Systems 1, wie es in Drehratensensoren eingesetzt wird. Das schwingungsfähige System 1 umfasst hier eine seismische Masse 2, die über eine Federanordnung 3 elastisch an das Sensorsubstrat gekoppelt ist und durch ein elektrostatisches Wechselfeld zu einer Schwingung (Antriebsschwingung bzw. Antriebsmode) angeregt werden kann. Eine gängige Möglichkeit zur Drehratenbestimmung besteht darin, dass die schwingungsfähige Masse 2 neben der Antriebsmode eine weitere Schwingungsmode aufweist, die beispielsweise entlang einer, auf der Antriebsschwingung senkrecht stehende Richtung verläuft und als Detektionsmode dient. Eine am Sensor anliegende Drehrate bewirkt eine Kopplung von Antriebs- und Detektionsmode, so dass die Amplitude der Detektionsmode (die durch die Stärke der Kopplung und damit von der anliegenden Drehrate abhängt) zur Messung der Drehrate genutzt werden kann. Neben dieser Kopplung weisen reale Sensoren zusätzlich (meist unerwünschte) Kopplungen der beiden Moden auf, die allgemein als Quadratureffekte bezeichnet werden und zu einer von der Drehrate unabhängigen Anregung der Detektionsmode führen. Das Messsignal enthält beide Anteile, wobei das Quadratursignal jedoch durch Demodulation vom Nutzsignal gentrennt werden kann. Das Messsignal kann, wie in der Abbildung angedeutet, durch die mit der Detektionsschwingung verbundene Änderung der durch die Masse 2 und eine substratfeste Messelektrode 4 gebildeten Kapazität detektiert werden. Durch eine Vorspannung 5 der Messelektrode kann darüber hinaus die Federkonstante des Systems angepasst und damit eine Verschiebung der Eigenfrequenz erreicht werden. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, die erfindungsgemäße kontrollierte Veränderung der Transferfunktion zu bewirken, da die Transferfunktion bei einer Erhöhung oder Verringerung der Eigenfrequenz zu höheren bzw. niedrigeren Frequenzen hin verschoben wird.
2 ist eine Darstellung der durch Verschiebung der Eigenfrequenz erzeugten Verstärkungs- und Phasenkurven bei einer Antriebsfrequenz, die mit einer Phasenregelschleife (phase-locked loop, PPL) im globalen Maximum arbeitet. Dargestellt ist die Verstärkungskennlinie 10 der Antriebsmode (oben), zwei gegeneinander verschobene Verstärkungskennlinien 11, 12 der Detektionsmode (Mitte) und zwei gegeneinander verschobene Phasenkennlinien 13, 14 der Detektionsmode (unten). Auf der horizontalen Achse 6 ist jeweils die Frequenz aufgetragen. Die vertikale Achse 7 der oberen Grafik entspricht der Verstärkung G_drive, die vertikale Achse 8 der mittleren Grafik der Verstärkung Gsense und die vertikale Achse 9 der unteren Grafik der Phase ϕ_sense. Der vertikale Auftrag ist jeweils logarithmisch.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf dem Ansatz, die Verstärkung oder Phase eines schwingungsfähigen Systems 1 bei unterschiedlichen Eigenfrequenzen zu vergleichen. 2 stellt die durch die Gleichungen 1 und 2 gegebenen Transferfunktionen für einen Sensor bestehend aus einem Antriebs-FMS (oben) und einem Detektions-FMS (Mitte und unten) grafisch durch die Verstärkungs- bzw. Phasenkennlinie 10, 11, 12, 13, 14 dar. Das Detektions-FMS wurde in diesem Beispiel durch eine Erhöhung der Federkonstante beeinflusst, wodurch die Eigenfrequenz ω₀ des Systems und damit die Kennlinien 11, 13 in ihrer Gesamtheit zu höheren Frequenzen hin verschoben werden (angedeutet durch den Pfeil 15). Die Differenz der Kurven ist durch Auswertung der zugehörigen Quadratursignale in einfacher Weise möglich. Wie aus Gleichung 5 ersichtlich ist, entspricht das Verhältnis der Quadratursignale unmittelbar dem Verhältnis v_i der Verstärkungen, d.h. den Werten 16 und 16' der Verstärkungskennlinien 11 und 12 bei der Antriebsfrequenz entsprechen. In der Abbildung ist die Antriebsfrequenz durch die vertikale Linie 35 gekennzeichnet und entspricht der Frequenz, bei der die Antriebsmode maximale Verstärkung G_drive erfährt. Die Flanken der Kennlinie 11 (und die ihres verschobenen Gegenparts 12) weisen links vom Maximum einen streng monoton steigenden und rechts davon einen streng monoton fallenden Verlauf auf. Von dem Wert des Verhältnisses v_i lässt sich in den Bereichen, in denen beide Kennlinien monoton sind, bei bekannter Verschiebung der Eigenfrequenz eindeutig auf den Arbeitspunkt zurückschließen. Diesen Umstand macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zunutze, um aus dem Verhältnis die wahre Verstärkung zu bestimmen.
3 zeigt den Ablauf einer Initialisierung des Sensors, bei dem für verschiedene Werte des Verhältnisses v_i die zugehörigen Werte der Kompensationsgröße CF_i(v_i) gesammelt werden. Hier und im Folgenden werden die Abläufe der Einfachheit halber anhand der konkreten Realisierung mittels Verschiebung der Eigenfrequenz beschrieben, wobei jedoch eine Übertragung auf den allgemeinen Fall einer kontrollierten Veränderung der Transferfunktion ohne weiteres möglich ist. Die Vorgänge werden insbesondere automatisiert von einer Kontrolleinheit des Sensors ausgeführt.
Im Block 17 wird die Initialisierung gestartet und im Block 18 wird zunächst festgestellt, ob die gewünschte Anzahl an Messpunkten erreicht ist. Zu Anfang liegen noch keine Messwerte vor, so dass im Block 20 die Eigenfrequenz des FMS verschoben wird und nachfolgend im Block 21 das Quadratursignal gemessen und das Verhältnis v_i aus dem gemessenen Wert und dem Wert des zur unverschobenen Eigenfrequenz gehörenden Quadratursignals bestimmt wird. Im Block 22 wird der Korrekturfaktor CF_i = v_i/v bestimmt und in 23 als Zuordnung CF_i(v_i) beispielsweise in einem Register abgelegt. Die Abfolge 18, 20, 21, 22, 23 wird solange wiederholt, bis in 18 festgestellt wird, dass die gewünschte Anzahl an Messpunkten erreicht ist und der Vorgang in 19 beendet wird.
4 zeigt den Ablauf einer Kompensation einer Sensitivitäts- bzw. Phasenänderung aufgrund von Störeinflüssen. Nachdem der Vorgang in 24 gestartet wurde, wird in 25 das Verhältnis v_i bestimmt und in 26 der zughörige Korrekturfaktor CF_i(v_i) aus 28 abgerufen (CF_i(v_i) kann hier beispielsweise als Tabelle oder auch als Funktion vorliegen). In 27 wird der Vorgang beendet.
5 zeigt den Ablauf der Bestimmung des Verhältnisses v_i. Nach dem Start 29 wird in 30 das Quadratursignal s_Quad,i gemessen. Im Schritt 31 wird die Eigenfrequenz des FMS verschoben und im nachfolgenden Schritt 32 das zugehörige Quadratursignal s_Quad,i,Δ gemessen. Danach wird in 33 das Verhältnis v_i = s_Quad,i,Δ/s_Quad,i berechnet und der Ablauf in 34 beendet.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Detektionssensitivität eines Drehratensensors, wobei der Drehratensensor ein schwingungsfähiges System (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass -- in einem ersten Schritt ein erstes Quadratursignal des schwingungsfähigen Systems (1) bestimmt wird, -- in einem zweiten Schritt eine kontrollierte Veränderung einer Transferfunktion des schwingungsfähigen Systems (1) erfolgt, -- in einem dritten Schritt ein zweites Quadratursignal des schwingungsfähigen Systems (1) bestimmt wird, und -- in einem vierten Schritt die Detektionssensitivität auf Grundlage des ersten und zweiten Quadratursignals bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im zweiten Schritt eine kontrollierte Veränderung einer Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems (1) erfolgt und/oder eine kontrollierte Veränderung des Gütefaktors des schwingungsfähigen Systems (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Veränderung der Eigenfrequenz durch eine kontrollierte Veränderung der Federkonstanten des schwingungsfähigen Systems (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem, dem dritten Schritt nachfolgenden und dem vierten Schritt vorausgehenden fünften Schritt weitere kontrollierte Veränderungen der Transferfunktion erfolgen und weitere Quadratursignale des Drehratensensors bestimmt werden, wobei im vierten Schritt die Detektionssensitivität auf Grundlage der ersten, zweiten und weiteren Quadratursignale bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem, dem vierten Schritt nachfolgenden fünften Schritt eine Kompensationsgröße für ein Detektionssignal auf Grundlage der im vierten Schritt bestimmten Detektionssensitivität bestimmt wird.
Verfahren zur Bestimmung einer Detektionssensitivität eines Drehratensensors, wobei der Drehratensensor ein erstes schwingungsfähiges System (1) und ein zweites schwingungsfähiges System aufweist, wobei eine Transferfunktion des ersten schwingungsfähigen Systems (1) von einer Transferfunktion des zweiten schwingungsfähigen Systems verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, dass -- in einem ersten Schritt ein erstes Quadratursignal des ersten schwingungsfähigen Systems (1) bestimmt wird, -- in einem zweiten Schritt ein zweites Quadratursignal des zweiten schwingungsfähigen Systems bestimmt wird, und -- in einem vierten Schritt die Detektionssensitivität auf Grundlage des ersten und zweiten Quadratursignals bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Gütefaktor des ersten schwingungsfähigen Systems (1) gleich einem Gütefaktor des zweiten schwingungsfähigen Systems ist, wobei eine Masse des ersten schwingungsfähigen Systems (1) von einer Masse des zweiten schwingungsfähigen Systems verschieden ist und/oder eine Federkonstante des ersten schwingungsfähigen Systems (1) von einer Federkonstante des zweiten schwingungsfähigen Systems verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei in einem dem vierten Schritt nachfolgenden fünften Schritt eine Kompensationsgröße für ein Detektionssignal auf Grundlage der im vierten Schritt bestimmten Detektionssensitivität bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drehratensensor ein Register mit einer Mehrzahl von Wertepaaren der Detektionssensivität und der Kompensationsgröße aufweist, wobei die Kompensationsgröße durch Auswahl eines Wertes aus dem Register erfolgt, oder wobei die Kompensationsgröße durch einen analytischen, insbesondere linearen, Zusammenhang zwischen der Detektionssensivität und der Kompensationsgröße bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im ersten Schritt ein erstes Detektionssignal und im zweiten Schritt ein zweites Detektionssignal bestimmt wird, wobei in einem, dem vierten Schritt nachfolgenden sechsten Schritt eine Temperaturauswirkung auf eine mechanische Phase des schwingungsfähigen Systems (1) auf Grundlage des ersten und zweiten Detektionssignals und des ersten und zweiten Detektionssignals ermittelt wird.