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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.
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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.
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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.
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Ein solches System ist durch folgende Parameter definiert.
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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.
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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.
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Um eine kontinuierliche Arbeitsweise dieses Sensors zu erreichen,
wird das Schwingungssystem in Selbsterregung betrieben.
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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.
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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.
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In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nenner erläutert.
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Es zeigt Abb. 1 Den einseitig eingespannten Torsionsstab mit der
Drehmasse.
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Abb. 2 Den Grundaufbau eines solchen Drehgeschwindigkeits-Meßsystems.
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Abb. 3 Das Torsionsschwingungssystem mit einer aktiven Wirbelstromdämpfung
und einem elektromagnetischen Fesselsystem variabler 3rehsteitigkeit.
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Abb. 4 Das Torsionsschwingungssystem mit einem elektromagnetischen
Fesselsystem variabler Drehsteifigkeit.
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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.
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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.
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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.
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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.