DE2459113A1 - Drehgeschwindigkeitssensor bzw. oszillierender kreisel - Google Patents

Drehgeschwindigkeitssensor bzw. oszillierender kreisel

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DE2459113A1 DE19742459113 DE2459113A DE2459113A1 DE 2459113 A1 DE2459113 A1 DE 2459113A1 DE 19742459113 DE19742459113 DE 19742459113 DE 2459113 A DE2459113 A DE 2459113A DE 2459113 A1 DE2459113 A1 DE 2459113A1
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    • 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
    • G01C19/5705Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis

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Description

  • Drehgeschwindigkeitssensor bzw. oszillierender Kreisel Die Erfindung bezient sich auf einen Drehgeschwindigkeitssensor, der auf der Basis eines oszillierenden Kreisels arbeitet, wobei eine Drehmasse zusammen mit einer Drehfeder als Torsionsschwingungssystem vorzugsweise durch Selbsterreglung in seiner Eigenfrequenz betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das auftretende Präzessionsmoment als Maß für die Drehgeschwindigkeit ermittelt wird, und daf aus dem Vergleich der Phasenlagen zwischen Drehschwingung der Kreiselmasse und dem auftretendem Präzessionsmoment die Richtung der Präzessionsgeschwindigkeit bestimmt wird, und als Naß für das auftretende Präzessionsmoment die Durchbiegung des Torsionsstabes oder das Kippen der hreiselmasse remessen wird.
  • Wie bekannt, finden zur Ilessung von Drehgeschwindigkeiten Kreiselsysteme Verwendung. Dabei geht man davon aus, daß eine rotierende Masse, die mit einem Drehgeschwindigkeitsvektor senkrecht zun Drallvektor bewegt wird, mit einem sogenannten Präzessionsmoment reagiert, das senkrecht auf der Ebene steht, die durch Drall- und Geschwindikgeits-Vektoren definiert ist. Die Ausführungen solcher Kreiselsysteme haben einen hohen technologischen Stand erreicht. Nachteilig sind jedoch die hohen Fertigungskosten sowie alle Probleme, die mit der Lagerung am Kreisel und Kardanrahmen sowie dem eigentlichen Kreiselantrieb zusammenhängen.
  • er Erfindung liegt daher, ausgehend von diesem vornandenen Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, einen dynamischen Drehgeschwindigkeitssensor zu schaffen, welcher die genannten Nachteile vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß man als rSrundelement eine zyklisch schwingende Masse, welche man an das freie Ende eines einseiti eingespannten Torsionsstabes bringt, und das System vorzugsweise dadurch Selbsterregung in seiner Eigenfrequenz Torsionssc;lwingungen erzeugt.
  • Ein solches System ist durch folgende Parameter definiert.
  • Torsionssteifigkeit des Torsionsstabes: G. IP CT = l Massenträgheitsmoment der Kreiselmasse Ik. Daraus ergibt sich die Eigenfrequenz dieses oszillierenden Kreisels zu das heißt, die oszillierende Masse hat einen Drall entsprechend Dk = Ik . #o . sin (#ot) Läßt man nun auf dieses System eine Präzessions-Geschindigkeit #p einwirken, so entsteht ein Kreislkippmoment Mp von der Größe Mp = Ik . #c . sin #c t . #p oder wegen Ik.#o.#p = const. = K Mp = K. sin #ct Das Präzessionsmoment Mp tritt hierbei als dynamisches Moment mit de Kreisfrequenz #o auf. Dieses Moment bewirkt eine Biegung des Torsionsstabes. Wird diese Biegung gemessen, so ist die Durchbiegung des Stabes ein Maß für die Drehgeschwindigkeit #p. Die Phasenlage zwischen Drehschwingung und Biegeschwingung gibt die Richtung der Drehgeschwindigkeit.
  • Statt der Biegung des Torsionsstabes kann auch das Kippen der Rotationsmasse um die Achse Mp über induktive oder kapazitive Wegaufnehmer gemessen und als Maß für die Drehgeschwindigkeit verwendet werden0 Uird das Torsionsschwingungssystem mit einer aktiven Dämpfung versehen, deren Stärke von w abhängt, so erhalt man ein p Schwingungssystem, dessen Resonanzfrequenz von der Drehgeschwindigkeit #p abhängig ist.
  • Um eine kontinuierliche Arbeitsweise dieses Sensors zu erreichen, wird das Schwingungssystem in Selbsterregung betrieben.
  • Die vom Torsionsschwinger ausgeführte Torsionsschwingung wird mit dem Drehgeschwindigkeitsgeber gemessen und über einen Verstärkerkreis einem Drehgeschwindigkeitserreger zugeführt. Bei entsprechender Einstellung von Kreisverstarkung und Phasenlage ergibt sich so für den Torsionsschwinger eine stationäre sinusförmige Schwingbewegung.
  • Wird nun das System mit einer Drehgeschwindigkeit #p beaufschlagt, so läßt sich z.B. das daraus resultierende Präzessionsmoment Mp als Maß für die Drehgeschwindigkeit durch Messung der Durchbiegung des Torsionsstabes mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen ressen. Dieses Bieemoment tritt als Biegewechselmoment auf. Der Betrag des Biegewechselmomentes ist dabei ein Maß für den Betrag der Drehgeschwindigkeit, die Phasenlage des Biegemomentes zur Torsionsschwingung a0 ist ein Kriterium für die Drehgeschwindigkeitsrichtung. Es ist daher erforderlich, die mit der Dehnungs-Meßstreifen-Brücke bemessene Biegeschwingung mit einem phasengesteuerten Gleichrichter sleichzuricilten. Am Ausgangs dieses Cleichrichters entscheidet die Polarität über die Drehgeschwindigkeitsrichtung, Die Spannung selbst ist ein Maß für den Betrag der Drehgeschwindigkeit. Das Torsionsschwingungssystem kann auch mit einer aktiven Wirbelstromdämpfung ausgestattet werden. Mit einer Spannungsquelle U1 kann eine Grundaktivierung dieser Dämpfung eingestellt werden, was einer ganz bestimmten Resonanzfrequenz des Systems entspricht, Kommt nun über den Additionsverstärker die Spannung hinzu, deren Polarität von der Drehgeschwindigkeitsriclltunc und deren Betrag, dem Betrag der Drehg-esc-hwindigkeit proportional ist, so wird die Wirbelstromdämpfung je nach Polarität verstärken oder vermindern. Dadurch entsteht eine eindeutige Abhängigkeit der Resonanzfrequenz des Systems von der Drehgeschwindigkeit #p. Die Messung der Drahgeschwindigkeit ist damit auf eine Frequenzmessung zurückgeführt. Die Resonanzfrequenz wird weiterhin mit einer Referenzfrequenz verglichen. Dabei wird das System so eingestellt, daß für #p = o die Frequenzdifferenz zwischen Torsionsschwingungen und Referenzoszillation gleich Null ist, Auf diese Weise wird #p proportional der Frequenzdifferenz, positive oder negative Differenzfrequenz entscheidet über die Richtung von #p. Die so entstehende Differenzfrequenz wird digitalisiert und codiert, so daß am Ausgang des Gerätes eine Digitalinformation für #p entsteht.
  • In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nenner erläutert.
  • Es zeigt Abb. 1 Den einseitig eingespannten Torsionsstab mit der Drehmasse.
  • Abb. 2 Den Grundaufbau eines solchen Drehgeschwindigkeits-Meßsystems.
  • Abb. 3 Das Torsionsschwingungssystem mit einer aktiven Wirbelstromdämpfung und einem elektromagnetischen Fesselsystem variabler 3rehsteitigkeit.
  • Abb. 4 Das Torsionsschwingungssystem mit einem elektromagnetischen Fesselsystem variabler Drehsteifigkeit.
  • Abb. 1 zeigt den Torsionsstab 1 mit der zyklisch schwingenden Masse 2 und der Einspannung 3, wobei Mp das Präzessionsmoment, #p die Winkelgeschwindigkeit und #o die Winkelgeschwindigkeit des schwingenden Kreisels bedeutet.
  • Abb. 2 zeigt den Torsionsstab 1 mit der schwingenden Masse 2, der Einspannung 3 und dem Dehnungsmeßstreifen 4, den Drehschwingungs-Erreger 5 und den Drehschwingungsaufnehmer 6 sowie den Vorverstärker Y, den Phasenschieber 8. Frequenz-Filter 9 und den Ausgangsverstärker für Schwingungs-Erreger 10, die De'nnungsmeßstreifen-Briicke 1 1 , den phasengesteuerten Cleichricater 12, den Ausgangsverstärker 13 sowie der Anzeige 14.
  • Abb. 3 zeit den Torsionsstab 1 mit der schwingenden Nasse 2, der Einspannung 3 und den Dehnungsmeßstreifen 4, den Drehschwingungs-Erreger 5 mit den Drehschwingungs-Aufnehmer 6, dem Vorverstärker 7, den Phasenschieber , den Frequenz-Filter 9 und den Ausgangs-Verstärker für den Schwingungserreger 10, die Dehnungsmeßstreifen-Brücke 11 mit dem Filter 18, die aktive Wirbelstromdämpfung 15, das elektromagnetische Fesselsystem variabler Drehsteifigkeit 16, den phasengesteuerten Pleichrichter 12, den Verstärker 19, den Additions-Verstärker 20 mit der Grunddämpfung 17, das Linearisierungs-Netzwerk 21, den Ausgangs-Verstärker 13 sowie den Referenz-Oszillator 22, den Mischer 23, den Codierer 24 und den Digital-Ausgang 25.
  • Abb. 4 zeigt den Torsionsstab 1 mit der schwingenden Masse 2, der Einspannung 3 und dem Dehnungsstreifen 4, den Drehschwingungs-Erreger 5 mit dem Drehschwingungsaufnenmer 6, den Vorverstärker 7, den Phasenschieber 8, den Frequenz-Filter 9 und den Ausgangs-Verstärker für den Schwingungserreger 10, die Dehnungsmerstreifen-Brükke 11 mit dem Filter 1R, den phasengesteuerten Cleichrichter 12, den Verstärker 19, den Additionsverstärker 20 mit der Grunddämpfung 17, das Linearisierungs-Netzwerk 21, den Ausgangsverstärker 13, das elektromagnetische Fesselsystem variabler Steifigkeit 16, den Referenz-Oszillator 22, den Mischer 23, den Codierer 24 und den digitalen Ausgang 25.

Claims (7)

  1. P a t e n t an s p r ü c h e
    Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines oszillisierenden Kreisels arbeitend, wobei eine Drehmasse zusammen mit einer Drehfeder als Torsionsschwingungssystem, vorzugsweise durch Selbsterregung in seiner Eigenfrequenz betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das auftretende Präzessionsmoment als Maß fiir die Drehgeschwindigkeit ermittelt wird, und-daß aus dem Vergleich der Phasenlage zwischen Drehschwingung der-Kreiselmasse und auftretendem Präzessionsmoment die Richtung der Präzessionsgeschwindigkeit bestimmt wird, und als Maß für das auftretende Präzessionsmoment die Durchbiegung des Torsionsstabes oder das Kippen der Kreis-elmasse gemessen wird.
  2. 2. Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines oszillierenden Kreisels nach Anspruch 1 arbeitend dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer aktiven Dämpfung die Dämpfung und damit die Resonanzfrequenz von der Drehgeschwindigkeit abhängig emacht-wird, und daß sich die Grunddämpfung des Systems elektrisch mittels der aktiven Wirbelstromdämpfung einstellen läßt.
  3. 3. Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines oszillierenden Kreisels nach Anspruch 1 und 2' dadurch gekennzeichnet, daß mit einem L'inearisierungsnetzwerk die Dämpfung von #p so abhängig gemacht wird, daß sich eine hohe Linearität zwischen #p und der Differenzfrequenz- ergibt; und daß Störschwingungen durch Filter im Selbsterregungs- und Dämpfungskreis zur Unterdrückung von Störschwingungen verwendet werden.
  4. 4. Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines oszillierenden Kreisels nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß für das Torsionsschwinungssysteri zur Ausschaltung enger Fertigungstoleranzen und Temperatureinflüssen, ein bekanntes elektromagnetisches Tesselsystem variabler Drehsteifigkeit Verwendung findet.
  5. 5. Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines oszillierenden Kreisels nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsschwingungen durch einen Ab griff induktiv oder kapazitiv gemessen werden.
  6. 6. Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines oszillierenden Kreisels nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß das Kippen der Kreiselmasse durch einen optischen Winkelcodierer erfaßt oder auch durch andere bekannte Ab griffssysteme gemessen wird.
  7. 7. Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines oszillierenden Kreisels nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Drehsteifigkeit des Elementes variabler Steifigkeit und damit die Resonanzfrequenz von der Drehgeschwindigkeit abhängig gemacht wird.
    L e e r s e i t e
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DE2459113B2 DE2459113B2 (de) 1977-07-21
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2404223A1 (fr) * 1977-09-23 1979-04-20 Systron Donner Corp Capteur de vitesse angulaire a deux axes
DE102006055589A1 (de) * 2006-11-24 2008-05-29 Infineon Technologies Ag Messvorrichtung und Messgrößensensor mit gekoppelter Verarbeitungs- und Anregungsfrequenz

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DE102006055589B4 (de) * 2006-11-24 2012-07-19 Infineon Technologies Ag Messvorrichtung und Messgrößensensor mit gekoppelter Verarbeitungs- und Anregungsfrequenz

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