DE1247056B - Winkelgeschwindigkeitsmesser - Google Patents

Winkelgeschwindigkeitsmesser

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DE1247056B
DE1247056B DEM53522A DEM0053522A DE1247056B DE 1247056 B DE1247056 B DE 1247056B DE M53522 A DEM53522 A DE M53522A DE M0053522 A DEM0053522 A DE M0053522A DE 1247056 B DE1247056 B DE 1247056B
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DE
Germany
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torsion bar
tuning fork
frame
axis
angular
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Pending
Application number
DEM53522A
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English (en)
Inventor
Geoffrey Harold Hunt
Anthony Edward Walter Hobbs
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SECR AVIATION
Minister of Aviation
Original Assignee
SECR AVIATION
Minister of Aviation
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Publication date
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Publication of DE1247056B publication Critical patent/DE1247056B/de
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Description

  • Winkelgeschwindigkeitsmesser Die Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitsmesser mit zwei über einen Torsionsstab verkoppelten Schwingkörpern, von denen der eine zwei beiderseits des Torsionsstabes parallel dazu verlaufende, durch eine äußere Energiequelle zu Schwingungen in der gemeinsamen Ebene angeregte Stimmgabelzinken trägt und beide gegenphasige Schwingungen um die Achse des Torsionsstabes mit jeweils zu der Eigenfrequenz der Stimmgabelzinken gleicher Eigenfrequenz ausführen, bei dem ein von der bei einer Rotation der Gesamtanordnung um die Achse des Torsionsstabes resultierenden Schwingung des zweiten Schwingkörpers abgeleitetes Signal als Maß für die Geschwindigkeit der Rotation nach außen übertragbar ist.
  • Ein Winkelgeschwindigkeitsmesser der obigen Art ist in der britischen Patentschrift 611011 beschrieben, dabei ist der Torsionsstab einseitig eingespannt und trägt an seinem freien Ende einen Querbalken, der seinerseits zur Halterung der Stimmgabelzinken dient. In Verlängerung über den Querbalken hinaus ist an dem Torsionsstab ein zweiter Stab angesetzt, der wiederum einen querliegenden Stab trägt, an dessen Enden schwingende Massen sitzen.
  • Eine derartige Zusammenstellung von einzelnen Teilen ist einerseits durch die Vielzahl von Montage-und Justierarbeiten teuer in der Herstellung und andererseits durch die notwendigerweise weite Ausladung des unteren Querbalkens sperrig. Die Ausladung des unteren Querbalkens ist dabei durch die Notwendigkeit bestimmt, daß dieser Querbalken die Stimmgabelzinken einschließlich der daran angebauten Anregungsmittel über die Lage der Massen an dem oberen Querbalken hinaus von dem Torsionsstab weghalten muß, um unerwünschte gegenseitige Verkopplungen durch unmittelbare Berührung zwischen den schwingenden Teilen zu vermeiden. Außerdem ist der Abstand der beiden Querbalken auf dem Torsionsstab sehr klein; sollen daher im Interesse ausreichender Endausschläge größere Torsionsauslenkungen erzielt werden, so wird die Torsionsbeanspruchung in dem kurzen, zwischen den Querbalken liegenden Stabstück sehr groß, wodurch die Lebensdauer seines Materials sehr leidet. Weiterhin ist der Aufbau des bekannten Winkelgeschwindigkeitsmessers weitgehend unsymmetrisch, es besteht nur eine ebene Symmetrie zu der Achse des Torsionsstabes. Dies bringt die Gefahr mit sich, daß auch Rotationsbewegungen um andere Achsen als die vorbestimmte Drehachse des Geräts zu der Anzeige beitragen und deren Ergebnis verfälschen.
  • Ein nach dem gleichen Prinzip aufgebauter Win- kelgeschwindigkeitsmesser ist auch auf den Seiten 24 bis 36 und 106 der Zeitschrift »Aeronautical Engineering Review« vom Nov. 1953 beschrieben. Bei diesem Winkelgeschwindigkeitsmesser ist jedoch mit dem Torsionsstab nur ein einziger Schwingkörper verbunden, und zwar sitzt auf dem oberen Ende des Torsionsstabes eine Stimmgabel mit zwei zur Achse des Torsionsstabes parallelen Zinken, die Schwingungen in einer die Achse des Torsionsstabes enthaltenden Ebene ausführen können. Zur Abnahme der bei einer mit dem Schwingen der Stimmgabelzinken gleichzeitigen Rotation des gesamten Geräts um die Achse des Torsionsstabes auftretenden Torsionsschwingungen in dem Torsionsstab ist dieser mit einem senkrecht zur Schwingungsebene der Stimmgabelzinken stehenden Ansatzstück versehen, das bei diesen Schwingungen zwischen zwei Abnahmespulen hin- und herpendelt. Der Nachteil dieses Gerätes liegt in den relativ geringen Spannungen, die unmittelbar durch die Schwingungen des Torsionsstabes erzeugt werden und die Verwendung sehr hochwertiger Verstärker erforderlich machen.
  • Außerdem ist auch dieser Winkelgeschwindigkeitsmesser in seinem Aufbau sehr unsymmetrisch, er besitzt praktisch überhaupt keine Symmetrieachse oder Symmetrieebene, auch bei ihm besteht also die Gefahr, daß Rotationsbewegungen um andere Achsen als die Achse des Torsionsstabes zu der Anzeige beitragen und deren Ergebnis verfälschen. Schließlich ist auch eine Herstellung des gesamten Geräts aus einem Stück, die wegen des günstigen Einflusses einer Materialhomogenität auf die Anzeigegenauigkeit sehr erwünscht wäre, nicht möglich.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Winkelgeschwindigkeitsmesser anzugeben, der sich durch einen kompakten Aufbau und kleine Abmessungen auszeichnet und dennoch ein Ausgangssignal gut verwertbarer Größe liefert und dessen Anzeigegenauigkeit durch größtmögliche Symmetrie und Homogenität im Aufbau wesentlich gegenüber den bisher bekannten Geräten gleicher Art gesteigert ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der eine Schwingkörper ein offener, an den Enden des Torsionsstabes befestigter Rahmen und der andere innerhalb des Rahmens angeordnet ist und daß der Messer an an dem Torsionsstab oder an zwischen dem Rahmen und dem inneren Schwingkörper liegenden Schwingungsknoten angreifenden Stützen befestigt ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsmessers besteht der Torsionsstab aus zwei auf gegenüberliegenden Seiten von dem inneren Schwingkörper ausgehenden und mit diesem ein einheitliches Ganzes bildenden Teilen. Auch ist es weiterhin möglich, die Stimmgabelzinken, die Schwingkörper, den Torsionsstab und die Stützen aus einem einheitlichen Stück herzustellen. Von Vorteil erweist es sich schließlich, die Stimmgabelzinken und die Schwingkörper aus einem Material mit geringer Dämpfung herzustellen.
  • Zwei beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt; es zeigt F i g. 1 eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform, F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 1, F i g. 4 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Erfindung, F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4, F i g. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 4.
  • Beide in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen eignen sich besonders für die einstückige Herstellung aus einem Materialteil.
  • Gemäß den Fig. 1, 2 und 3 besteht die Torsionsstabanordnung aus zwei Torsionsstäben 11, 11, einem Stab 12 mit hoher Torsionsfestigkeit und zwei Abstützteilen 13, 13, die im Schwingungsknotenbereich der beiden Torsionsstäbe 11, 11 befestigt sind. Mit dem Stab 12 ist eine Stimmgabel 14 an ihrer Wurzel verbunden, deren Zinken 15, 15 sich parallel zum Stab 12 im gleichen Abstand und auf gegenüberliegenden Seiten erstrecken. Ferner ist an den äußeren Enden der Torsionsstäbe 11, 11 ein fester, rechteckig geformter Rahmen 16 im Bereich der Mitten der kürzeren Seiten derart befestigt, daß die längeren Seiten symmetrisch zur Achse der Torsionsstäbe befestigt sind.
  • Die Anordnung ist so getroffen, daß die Stimmgabel 14 mit dem torsionssteifen Teil 12 einerseits und der feste Rahmen 16 andererseits als Schwingkörper mit gleicher Eigenfrequenz in bezug auf die Achsen der Torsionsstabanordnung 11, 12 im Gleichgewicht gehalten werden. Die Eigenfrequenz der Schwingkörper ist andererseits von derselben Größe wie die Eigenfrequenz der Zinken der Stimmgabel 14. Auf diese Weise bildet der Stab 12 mit der Stimmgabel 14 und der feste Rahmen 16 jeweils einen Schwingkörper, der mit dem anderen federnd über die Torsionsstäbe 11, 11 gekoppelt ist, so daß die Schwingung des einen von der gegenphasigen Schwingung des anderen und die eine Zinke 15 der Abstimmgabel 14 von der gegenphasigen Schwingung der anderen Zinke begleitet ist.
  • Für den Fall, daß die Zinken der Abstimmgabel bereits schwingen, ist das gesamte System gegen Auslenkungen um die Achse der Torsionsstabanordnung empfindlich. So werden durch Auslenkung wechselwirkende oder oszillierende Reaktionskräfte in dem Aufbau hervorgebracht, die ein Anschwingen der Schwingkörper 16 und 12, 14 auf der Torsionsstabanordnung in Gegenphase bewirken. Ähnliches wird bewerkstelligt, wenn diese Schwingkörper 16 und 12, 14 bereits schwingen und durch eine Auslenkung des gesamten Systems eine entsprechende Oszillation der Zinken 15, 15 der Stimmgabel hervorgerufen wird.
  • In der praktischen Anwendung ist es vorzuziehen, die Zinken der Stimmgabel schwingen zu lassen. Dies kann dadurch erzielt werden, daß z. B. rückkoppelnde Einrichtungen Verwendung finden, die, wie in Fig. 1 dargestellt, als antreibende Anordnung aus vorzugsweise kapazitiven Bauteilen mit dem Ausgang eines Verstärkers AMP verbunden sind, dessen Eingang an Abnehmeranordnungen M aus vorzugsweise induktiven Bauteilen angeschlossen ist. Außerdem sind phasenempfindliche Abnehmeranordnungen P, P aus vorzugsweise induktiven Bauteilen zusätzlich an der Stimmgabel 14 und dem Rahmen 16 angebracht, die ein von der Auslenkung um die Torsionsachse phasenabhängiges Ausgangssignal liefern.
  • Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig.4, 5 und 6 ist der Winkelgeschwindigkeitsmesser aus zwei Torsionsstäben 21, 21 aufgebaut, die von zwei Stützteilen 23, 23, die im Schwingungsknotenbereich der Stäbe angeordnet sind, getragen werden und an den äußeren Enden der Torsionsstäbe 21 mit den Mitten der kürzeren Kante eines festen rechteckigen Rahmens 26 verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch die Stimmgabel 24 mit den Zinken 25, 25 an dem einen Ende des Rahmens 26 befestigt und an den inneren Enden der Torsionsstäbe 21 ein fester rechteckiger Körper 22 mit einer größeren Querabmessung als der feste Stab 12 der F i g. 1, 2 und 3 zwischen den Zinken 25 angebracht.
  • Bei der Anordnung nach den F i g. 4, 5 und 6 ist die Stimmgabel 24 zusammen mit dem festen Rahmen 26 einerseits und der rechteckige Körper 22 andererseits in bezug auf die Achse der Torsionsstabanordnung 21, 21 im Gleichgewicht gehalten, wobei beide Schwingkörper gleiche Eigenfrequenzen besitzen. Die Eigenfrequenz der Schwingkörper ist dieselbe wie die der Zinken 25, 25 der Stimmgabel.
  • Hierdurch wird bewirkt, daß der Rahmen 26 mit der Stimmgabel 24 und der rechteckige Körper 22 durch die Torsionsstäbe 21 gekoppelte Schwingsysteme bilden, so daß beim Anschwingen des einen Körpers der andere in Gegenphase mitschwingt, ebenso wie die Schwingung der einen Zinke 25 der Stimmgabel von einer gegenphasigen Schwingung der anderen Zinke 25 der Stimmgabel begleitet ist.
  • Wie im Fall der F i g. 1, 2 und 3 bewirkt eine Auslenkung des gesamten Systems um die Torsionsachse, wenn die Zinken25, 25 der Abstimmgabel bereits schwingen, ein Anschwingen der beiden Schwingkörper 22 und 24, 26 um die Torsionsachse in Gegenphase; und für den Fall, daß die beiden Schwingkörper 22 und 24, 26 bereits schwingen, ein Anschwingen der Zinke 25 der Stimmgabel auf Grund einer Auslenkung des gesamten Systems um die Torsionsachse.
  • Gemäß den Fig. 4, 5 und 6 ist vorgesehen, vorzugsweise die Stimmgabel 24 anzutreiben und ein Ausgangssignal vom Rahmen 26 und/oder Körper 22, z. B. mittels einer vorzugsweise induktiven Abnehmeranordnung M eines Verstärkers AMP und einer vorzugsweise kapazitiven Antriebsanordnung E, die mit den Zinken der Abstimmgabel und dem Rahmen verbunden sind, abzunehmen. Entsprechend F i g. 4 kann ein phasenempfindliches Ausgangssignal über vorzugsweise induktive Abnahmeeinrichtungen P, P, die mit dem Schwingkörper 22 oder dem Rahmen 26 verbunden sind, abgegriffen werden.
  • Obwohl in den beiden dargestellten Winkelgeschwindigkeitsmessern die beiden Schwingkörper 16 und 14, 12 oder 22 und 26, 24 auf der Torsionsstabanordnung in derselben durch den Torsionsstab gehenden Ebene angeordnet sind, ist dies nicht notwendig, und es können daher, wenn es vorteilhaft oder erwünscht ist, die beiden Schwingkörper in jeder beliebigen Winkelposition in bezug auf die gemeinsame Torsionsachse bis zu einem Winkel von 990 gegeneinander angeordnet werden.
  • In dem erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsmesser sind die Torsionsschwingkräfte, welche durch die Auslenkung der Zinken der Stimmgabel (oder der schwingenden Körper auf der Torsionsstabanordnung) um die Achse der Torsionsstabanordnung hervorgerufen sind und ein entsprechendes Anschwingen der auf der Torsionsstabanordnung befestigten Schwingkörper (oder der Zinken der Stimmgabel) bewirken, direkt proportional der Größe der Auslenkung. Daher wird, je geringer die Dämpfung der Schwingkörper auf der Torsionsstabanordnung oder, wenn für die Gewinnung des Ausgangssignals die Zinken der Stimmgabel verwendet werden, die Dämpfung der Zinken der Stimmgabel ist, das Verhältnis der Änderung der Amplitude des Ausgangs- oder entsprechenden Schwingsignals um so mehr dem Verhältnis der Auslenkung entsprechen und, je stärker die Dämpfung ist, die Amplitude des erhaltenen Schwingsignals um so mehr dem Verhältnis der Auslenkung entsprechen.
  • Im allgemeinen wird gewünscht, daß beide, sowohl die Zinken der Abstimmgabel als auch die um die Torsionsstabanordnung schwingenden Schwingkörper, sehr leicht gedämpft sind.
  • Aus dem Vorhergehenden ist zu entnehmen, daß der Winkelgeschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung ein Schwingsignal liefert, das von der Auslenkung des gesamten Aufbaues um die Torsionsachse abhängt und dessen Phase vorzeichenrichtig von der Phase der Ablenkung abhängt und das entweder ein Maß für die Anderung der Amplitude bei leichter Dämpfung oder ein Maß für die Amplitude selbst bei starker Dämpfung in Abhängigkeit von der Änderung der Auslenkung darstellt.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. Winkelgeschwindigkeitsmesser mit zwei über einen Torsionsstab verkoppelten Schwingkörpern, von denen der eine zwei beiderseits des Torsionsstabes parallel dazu verlaufende, durch eine äußere Energiequelle zu Schwingungen in der gemeinsamen Ebene angeregte Stimmgabelzinken trägt und beide gegenphasige Schwingungen um die Achse des Torsionsstabes mit jeweils zu der Eigenfrequenz der Stimmgabelzinken gleicher Eigenfrequenz ausführen, bei dem ein von der bei einer Rotation der Gesamtanordnung um die Achse des Torsionsstabes resultierenden Schwingung des zweiten Schwingkörpers abgeleitetes Signal als Maß für die Geschwindigkeit der Rotation nach außen übertragbar ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der eine Schwingkörper ein offener, an den Enden des Torsionsstabes (11 oder 21) befestigter Rahmen (16 oder 26) und der andere (12 oder 22) innerhalb des Rahmens angeordnet ist und daß der Messer an an dem Torsionsstab (11 oder 21) an zwischen dem Rahmen (16 oder 26) und dem inneren Schwingkörper (12 oder 22) liegenden Schwingungsknoten angreifenden Stützen (13 oder 23) befestigt ist.
  2. 2. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionsstab (11 oder 21) aus zwei auf gegenüberliegenden Seiten von dem inneren Schwingkörper (12 oder 22) ausgehenden und mit diesem ein einheitliches Ganzes bildenden Teilen besteht.
  3. 3. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimmgabelzinken (15 oder 25), die Schwingkörper (12 und 16 oder 22 und 26), der Torsionsstab (11 oder 21) und die Stützen (13 oder 23) aus einem einheitlichen Stück bestehen.
  4. 4. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimmgabelzinken (15 oder 25) und die Schwingkörper (12 und 16 oder 22 und 26) eine geringe Dämpfung besitzen.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 611 011; Zeitschrift »Aeronautical Engineering Review«, Nov. 1953, S. 24 bis 36, 106.
DEM53522A 1961-07-11 1962-07-11 Winkelgeschwindigkeitsmesser Pending DE1247056B (de)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB611011A (en) * 1943-01-13 1948-10-25 Smith & Sons Ltd S Improvements in or relating to devices for detecting or measuring rate of turn

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB611011A (en) * 1943-01-13 1948-10-25 Smith & Sons Ltd S Improvements in or relating to devices for detecting or measuring rate of turn

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