DE3218351A1

DE3218351A1 - Sensor

Info

Publication number: DE3218351A1
Application number: DE19823218351
Authority: DE
Inventors: Ernest Carl 07006 West Caldwell N.J. Wittke
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1981-06-26
Filing date: 1982-05-14
Publication date: 1983-01-13
Also published as: GB2102576A; FR2508647A1; IT8222011A0; NO822008L; AU8512782A; IL65442A0; SE8203948L; JPS5860213A; SE8203948D0

Description

Sensor

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Sensor. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Gerät zum Erfassen physikalischer Größen wie Winkelgeschwindigkeit, geradlinige Beschleunigung, Richtung des magnetischen oder elektrischen Feldes und von Luftströmungsdaten. Es gibt zur Zeit einen Multisensor, ein zur Vielfachmessung geeignetes Erfassungsgerät, das zur Messung der obengenannten Größen in der Lage ist. Dieses besondere Gerät ist in der US-Patentschrift 4,197,737 eines "Multiple Sensing Device and Sensing Devices Therefor" von Roland Pittman (15. April 1980) beschrieben, worauf hier Bezug genommen wird.

Fig. 1 zeigt das Gerät 10 und eine geeignete Demodulatoranordnung 12. Im Grunde besteht das Gerät aus einer drehbaren Welle 14 mit zwei sich radial nach außen erstreckenden Armen aus piezoelektrischem Material, die einen einfachen Dipol 16 darstellen. Wenn eine physikalische Störung angelegt wird, biegen sich die Arme und erzeugen eine dem Maß der Biegung proportionale piezoelektrische Spannung. Das Ausgangssignal wird vom Multisensor über eine nichtgezeigte Schleifringanordnung abgegriffen.

Der oben beschriebene Multisensor erfaßt Geschwindigkeiten und lineare Beschleunigung dadurch, daß piezoelektrische Elemente um eine Motordrehachse in Drehung versetzt werden.

^:t⁶· tO * Ο.:λ 3213351

Durch geeignete gegenseitige Verbindung der piezoelektrischen Bauteile wird deren Antwortsignal bezüglich einer

! gewünschten Eingangsgröße größtmöglich und bezüglich der ungewünschten Eingangsgrößen kleinstmöglich gemacht. Befindet sich die Welle in Drehung, dann wird jede in der

! Dipolebene erfolgende Beschleunigung, entweder eine geradlinige Beschleunigung im Falle des Beschleunigungsmessers oder eine Coriolis-Beschleunigung im Fall des Drehgeschwindigkeits-Messers, mit cos (U^t) multipliziert,- worin ο_ς die Drehwinkelfrequehz darstellt. Dadurch wird bei der Drehfrequenz ein in seiner Größe der angelegten Beschleunigung- ■ proportionales Signal erzeugt. Wenn jedoch eine mit zwei-

! fächer Drehfrequenz (2 t->„) auftretende Eingangsstörung an-

^b - ■" ι ■

gelegt wird, dann erzeugt sie ebenfalls ein Ausgangssignal bei der Drehfrequenz, das damit gleichartig mit dem gewünschten Signal ist. Unregelmäßigkeiten und Ungenauigkeiten an

: den Lagern können Beschleunigungen und Winkelgeschwindigkeiten hervorrufen und rufen sie auch tatsächlich hervor, die von der rotierenden Vorrichtung moduliert werden und einen erheblichen Fehler im Ausgangssignal verursachen.

Wenn der Multisensor nur aus einem einfachen Dipol besteht, ist keine praktikable Möglichkeit gegeben, diese ungewünsch-

j, ten Stör- und Streusignale zu kompensieren. · ,

Wegen der Unmöglichkeit, bei dem in Fig. 1 gezeigten Gerät zwischen bei zweifacher Drehfrequenz auftretenden Störungen und einem richtigen Eingangssignal zu unterscheiden, hat der Multisensor keine weitverbreitete Anwendung erreicht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das grundlegende Multi-sensor-Prinzip in einer Anordnung zu verwenden, die gegenüber Lagerstörungen und anderen Ungenauigkeiten,die zu falschen Ausgangssignalen führen können, unempfindlich ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gelöst, der gemäß der ' Erfindung gekennzeichnet ist durch den kennzeichnenden.Teil

des Anspruches 1.

Die vorliegende Erfindung überwindet die Schwächen des in der US-Patentschrift 4,197,737 beschriebenen Multisensors dadurch, daß ein zusätzlicher oder zweiter Dipol vorgesehen ist, der im rechten Winkel zum ersten Dipol angeordnet ist. Der Einfachheit halber wird der erste Dipol als "reeller" Dipol und der zweite Dipol als "imaginärer" Dipol bezeichnet, was ein rotierendes Koordinaten-System andeutet. Der zusätzliche oder imaginäre Dipol stellt eine zusätzliche Informationsquelle dar, die nach der Demodulation eine genaue Bestimmung der ursprünglich dem Multisensor zugeführten Information erlaubt.

Die Erfindung wird im weiteren anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines Multisensors, wie er in der US-Patentschrift 4,197,737 beschrieben ist, und einer geeigneten Demodulatorschaltung; und

Fig. 2 einen verbesserten erfindungsgemäßen Multisensor und seine entsprechende Demodulatorschaltung.

Die Erfindung und die dazugehörende Demodulatorschaltung ist in Fig. 2 gezeigt. Die verbesserte Multisensoranordnung 20 ist nahezu identisch mit ihrem in Fig. 1 gezeigten Vorläufer 10. Sie besitzt zwei Dipole 22 und 24 aus piezoelektrischem Material, die an einer Welle 26 befestigt sind. Die konstruktiven mechanischen Einzelheiten des Multisensors sind ähnlich denen eines Multisensors mit einfachem Dipol. Da sie ausführlich in der US-Patentschrift 4,197,737 erläutert sind, soll eine Wiederholung hier unterbleiben.

Fig. 2 zeigt ebenfalls, in Form eines Blockschaltbildes,

die zur Demodulation des Signales erforderliche Schaltung. Das Verfahren ähnelt abgesehen von einigen geringfügigen Abwandlungen dem, das für einen Multisensor mit einfachem Dipol verwendet wird. Es wird im folgenden in Einzelheiten erläutert. 1

Zum Verständnis der Punktionsweise· des Multisensors mit , ■ zwei Dipolen ist die nachfolgende Ableitung erforderlich.

Gegeben sei eine sinusförmige Störung mit Winkelgeschwindigkeit U3L· in der X-Y-Ebene des Multisensors, mit der Amplitude A und dem Phasenwinkel 0 zur Zeit t = 0. Die Amplitude der Störung ergibt sich zu:

. D - A CQs(ü>_Dt + φ) (1)

Nimmt man an, daß die Störung längs einer im Winkel Θ zu der X-Achse des Sensors geneigten Linie erfolgt, dann wird die Störung in X-Achsenrichtung:

D_x ■ D gps θ .

und in Y-Achsenrichtung:

D_y■· D sin θ . (3)

Eine Zusammenfassung der Gleichungen 1 und 2 für die StÖ rungskomponente in X-Achsenrichtung und von Gleichung T ' und 3 für die Störungskomponente in Y-Achsenrichtung und Entwickeln ergibt:

- I [cos (ü)_Dt + φ + θ) + cos (u)_Dt + φ - θ)| [si

[ _D φ _D φ | (4)

⁰Y " Ϊ [sin (ü)_Dt + φ + θ) - sin (u_Dt + φ - θ)j (5)

Betrachtet man den Fall/ daß der Sensor von einem senkrecht zur Drehachse und senkrecht zueinander angebrachten Paar von (willkürlich als reell und imaginär bezeichneten) Dipolen gebildet wird, und definiert man, daß der reelle Dipol.sich zur Zeit t = 0 entlang der X-Achse des Gerätes erstreckt und der imaginäre Dipol zur Zeit t = T/ (2 la_c) , wobei Ιο>_ς die Winkelgeschwindigkeit der Wellendrehung bezeichnet, sich entlang der Y-Achse des Gerätes erstreckt, so ergibt sich für das reelle Signal:

S_R = D_x cos (Ogt) + D_y sin (iOgt) (6)

und für das imaginäre Signal:

S₁ = D_y cos (ügt) - D_x sin (ü_st) ⁽⁷⁾

Entwickeln ergibt:
S_R= A/2 [cos ((ü_D-Og) t+ 4 + θ ) + cos ((ö_D+»_s) t + f - θ )] (8)

S₁= A/2 [sin((i>_D-io_s)t+f» + 0) - sin((»_D+ö_s)t ₊f-0)] (9)

Um die ursprüngliche Eingangsinformation für die X- und Y-Achsen zu erhalten, ist es erforderlich, den reellen und imaginären Informationsteil mit sin (Ü_ot) und cos ( Io_ct) zum Erhalt von vier Produkten zu multip-lizieren und sie als Paare dieser Produkte zu kombinieren:

X-Achsensignal = S_, . cos(k₀t) - S_T sin (t>> t) (10)

K ο X b

Y-Achsensignal = S . cos(ot) + S_R sin (lot) (11)

Entwickeln und Einsetzen ergibt für die beiden Signalkomponenten:

X-Signal = A/2 [cos(iJpt + φ + Θ) + cos(t* t+φ-β )] 12)

Y-Signal = A/2 [sin(L^+f+b) - sin(0_Dt+f-Ö)] (13) Diese Ausdrücke, können umgeschrieben werden zu:

X-Signal = A cos ( co-t + ψ ) cos Θ ' (14)

Y-Signal = A cos ( t> t +φ ) sin 0 (15)

Der Term A cos ( to t + ψ) stellt die auf den Sensor einwirkende Störung dar, während cos0 und sinö die Richtung der Störung bezüglich der Geräteachsen bedeuten. Die Gleichungen 14 und 15 zeigen, daß das Ausgangssignal den auf das Gerät einwirkenden Eingang wiedergibt, vorausgesetzt, daß reelle und imaginäre Dipole im Gerät verwendet werden und

ι daß die Demodulation über Sinus- und Cosinus-Multiplikation durchgeführt wird. Ein Umfalten der Lagerstörungen bei.,

, doppelter Drehfrequenz in eine statische Vorspannung erfolgt ; nicht.

Bei dem bekannten Multisensor wird die Information mit Hilfe eines einfachen Dipol-Detektors und nicht mittels reellen und imaginären Sensoren verschlüsselt. Die Wirkung der vorliegenden Ausführungsform kann dadurch bestimmt werden, daß das imaginäre Signal in Gleichungen 10 und 11 gleich Null gesetzt wird. '

X-Signal = S_n · cos ( O_t) I (16)

Ϋ-Signal ~ S_R · sin ( Lo_gt) .' · ' (17)

Entwickeln und Einsetzen ergibt für beide Signalkomponenten:

X-sig = -2 ^cos ^_Dt+^)cos(©)+₃cos((t>_D-2o_s)t+f+e)+_:5cos((io_D+2o_s)t+f-e) (18) Y-sig = | cos (Ujjt+Φ) sin (Q)- ^in((i^-2«_s)t+M)+Jsin(C»_D ^+2<Js^)t+^"^e) ⁱ¹⁹⁾

Der erste Term in Gleichungen 18 und 19 ist identisch mit

der Hälfte des von den Gleichungen 14 und-15 bestimmten Signales und stellt das korrekte Ausgangssignal -für das Gerät dar. Dieses Ausgangssignal wird jedoch von den zweiten und dritten Termen verfälscht. Der dritte Term ist nicht, übermäßig bedeutungsvoll, da seine geringstmögliche Frequenz bei doppelter Drehfrequenz des Gerätes dann auftritt, wenn O_ gleich 0 ist. Er stellt ein Hochfrequenzrauschen dar, das normalerweise das System nicht beeinflußt. Der zweite Term in Gleichungen 18 und 19 macht Schwierigkeiten. Er zeigt, daß Störungen bei zweifacher Drehfrequenz im Ausgangssignal bei einer, (im Vergleichzur statischen Empfindlichkeit des Gerätes) Empfindlichkeit von 50 % eine statische Vorspannung erzeugen. Da die Auswirkungen der Lagerstörungen bei zweifacher Drehfrequenz hoch sind, · bedeutet ein Geräteaufbau ohne Verwendung von sowohl reellen als auch imaginären Dipolen eine bedeutende, Einschränkung seiner Vorspannungsstabilität. - ^.

Der Multisensor ist im Grunde ein Kodierer oder Modulator. Um nutzbare Information vom Multisensor zu erhalten, wird das Ausgangssignal von den Dipolen über eine'nichtgezeigte Schleifring-Anordnung abgegriffen und in einer Demodulatorschaltung verarbeitet. Das Dernodulationsverfahren ist lediglich die Umkehrung des Modulationsverfahrens und damit ausgedrückt durch die in obigen Gleichungen 1 bis 15 entwickelten Beziehungen. Das Signal von jedem Dipol wird-entsprechen-■ den Kanälen auf den Leitungen 30 bzw. 32 zugeleitet. Zu Beginn werden die Signale in den Stufen 34 und 36 verstärkt und gefiltert. Danach wird jedes Signal simultan zwei Demodulator en zugeführt, von denen einer auf 0° und der andere auf 90° bezogen ist. Mathematisch entspricht das der Multiplikation jedes Signales mit cos ( Co₀t). und sin ( co^t) . Zur Vervollständigung des Verfahrens werden, die Ausganqssignale der Demodulatoren 38 und 42 (der Ausgang des Demodulators 42 ist in Wirklichkeit invertiert) im Summierglied 46 und die Ausgangssignale der Demodulatoren 40 und 44 im Summierglied 48 zusammenaddiert.

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Danach sind Ausgangsverstärker und Filter 50, 52 vorgesehen. Die Ausgangssignale dieser Stufen sind, wie mathematisch in Gleichungen 14 und 15 gezeigt, die Anzeigesigna-' Ie für die X-Achse und die Y-Achse. Es ist noch festzustellen, daß bei einem stationären Eingang tJL. Null ist und diese Signale keine zeitveränderlichen Funktionen darstellen, sondern statt dessen konstante Gleichspannungen.

Der Multisensor mit zwei Dipolen ist lediglich eine mögli- ■ ehe Anordnung, die die dem Multisensor mit einfachem Dipol anhaftenden Schwächen vermeidet. Theoretisch führt jedes System zum Erfassen von linearer Beschleunigung und von Winkelgeschwindigkeit zu dem gewünschten Ergebnis,das eine zweidimensionale Anordnung verwendet. Beispielsweise wird ein Sensor mit drei radial abstehenden Armen, die zueinänder jeweils einen Winkel von 120° aufweisen, den 2o_g-Term erfassen. Ebenso sind fünf Arme mit 72"-Winkel untereinander zulässig. Der entsprechende Demodulator erfordert allerdings die entsprechenden Referenzfreguenzen zum Dekodieren des Sensor-Ausgangssignales.

in den vorhergehenden Ausführungen wurde angenommen, daß das Signal vom Sensor-Gerät mit einer Sinus- oder Kosinus-Funktion zum Durchführen des Demodülationsverfahrens multipliziert wird. Grundsätzlich kann dieses dadurch erreicht · werden, daß die Signale in schneller Folge nach einem geeigneten Anti-Umfalt-Filter erfaßt werden, eine Analog-Digital-Umwandlung durchgeführt wird und daß das erhaltene Signal mit der geeigneten Sinus- oder Kosinus-Funktion multipliziert' wird, wie sie in einem ROM gespeichert ist und vom Zähler in einer Synchronisations-Phasen-Regelschleife addressiert wird, über einfaches digitales Tiefpaß-Filtern der resultierenden Daten erhält man Information, die zur Weiterverarbeitung durch einen Computer geeignet ist. In der Praxis würde eine wirksame derartige Lösung einen Analog-Digital-Wandler mit 16 bis 18 bit Genauigkeit und Auf-

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lösung erfordern, der in der Lage ist, etwa im 100 KHZ-Takt zu arbeiten, um ein Multiplexen des Analog-Digital-Gerätes zu erlauben. Gegenwärtig ist an ein solches Gerät nicht im entferntesten zu denken (die Genauigkeit verfügbarer Analog-Multiplizierer ist ebenfalls bei weitem nicht ausreichend für diesen Anwendungsfall).

Zur Zeit ist die einzige adäquat erscheinende Vorrichtung zur Durchführung der Demodulator-Funktion der Schaltdemodulator. Der Schaltdemodulator bewirkt eine Multiplikation des Signales mit + 1 anstatt mit sin (60 t) oder cos (<o_t). Bei Verwendung eines Schaltdemodulators werden ungeradzahlige Harmonische, wie sie für eine Rechteckwelle charakteristisch sind, in das Ausgangssignal eingebracht und erfordern ein anschließendes Filtern.

, -fr

Leerseite

Claims

(ZZJ! ¹LIUf=^I '

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8000" MÜNCHEN

SN 5-2384 P/K/hu

The Singer Company, Stamford, Connecticut 06904 / U.S.A.

Sensor

PATENTANSPRÜCHE

(j\y Sensor, gekennzeichnet durch

eine drehbare Welle (26), einen ersten Dipol (22) mit zwei an ihrem Mittelpunkt an der Welle (26) befestigten piezoelektrischen kristallinen Armen und einem Signalausgang, einen zweiten Dipol (24), der zwei an ihrem Mittelpunkt an der Welle (26) befestigte piezoelektrische kristalline Arme und einen Signalausgang aufweist und gegenüber dem ersten Dipol (22) winkelmäßig verdreht angeordnet ist, und eine Demodulatoreinrichtung (28).
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (22) und der zweite (24) Dipol in senkrecht zur Achse der Welle (26) angeordneten Ebenen liegen.

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8000 MÜNCHEN 90 · WILLROIDERSTR. 8 · TEL. (089) 64064O

ο Δ

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3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der zweite Dipol (24) im rechten Winkel zum ersten Dipol (22) angeordnet ist.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (22) und der zweite (24) Dipol in einer gemeinsamen Ebene liegen.
5. Sensor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch

eine mit dem ersten (22) und zweiten (24) Dipol verbundene Schleifringvorrichtung zum Abgreifen eines Ausgangssignals.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulatoreinrichtung (28) eine Synchrondemodulatoreinrichtung aufweist.
7. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, ^: daß die Demodulatoreinrichtung (28)

einen ersten (38), einen zweiten (40), einen dritten (42) und einen vierten (44) Synchrondemodulator, von denen jeder einen Signaleingang, einen Referenzeingang und einen Signalausgang aufweist, einen ersten, bezüglich der Phase auf. 0° bezogenen Signalgenerator, einen zweiten, bezüglich der Phase auf 90° bezogenen Signalgenerator, ein erstes Summierglied (46) mit einem nichtinvertierenden Eingang, einem invertierenden Eingang und einem Ausgang, ein zweites Summierglied (48) mit einem, ersten und einem zweiten nicht invertierenden Eingang und einem Ausgang aufweist, wobei der Ausgang des ersten Dipols (22) mit den Signaleingängen, des ersten (38) und zweiten (40) Synchrondemodulators, der Ausgang des zweiten Dipols (24) mit den Signaleingängen des dritten (42) und vierten (44) Synchrondemodulators, der Ausgang des ersten Signalgenerators mit den Referenzeingängen des ersten (38) und vierten (44) Synchrondemodulator, der Ausgang des zweiten Signalgenerators mit den Referenz-

eingängen des zweiten (4O) und dritten (42) Synchron-• demodulators, der Ausgang des ersten Synchrondemodulators (38) mit dem nichtinyertierenden Eingang des ersten Summiergliedes (46), der Ausgang des zweiten Synchrondemodulators· (40) mit dem ersten nichtinvertierenden Eingang des zweiten Summiergliedes (48), der Ausgang des dritten Synchrondemodulators (42) mit dem invertierenden Eingang des ersten Summiergliedes (46) und der Ausgang des vierten Synchrondemodulators (44) mit dem ο zweiten nichtinvertierenden Eingang des zweiten Summier-.gliedes (48) verbunden ist.
8. Sensor, gekennzeichnet durch

eine drehbare Welle (26), einen ersten, einen zweiten und einen dritten, an der Welle (26) befestigten und davon sich nach außen in einem rechten Winkel dazu erstreckenden Arm aus piezoelektrischem Material, wobei die Arme untereinander einen Winkel von 120° einschließen, und eine Demodulatoreinrichtung (28).
9. Verfahren 'zum Erfassen einer geradlinigen Beschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, daß ein erster Dipol (22) aus piezoelektrischem kristallinen Material um eine sich senkrecht zum Dipol in seinem Mittelpunkt erstreckende Rotationsachse zum Erzeugen eines Ausgangssignals vom ersten Dipol

(22) in Drehung versetzt wird, daß ein zweiter Dipol (24) aus piezoelektrischem kristallinen Material um die genannte Rotationsachse in seinem Mittelpunkt zum Erzeugen eines Ausgangssignals vom zweiten Dipol in Drehung versetzt wird, wobei der zweite Dipol (24) gegenüber dem ersten Dipol (22) winkelmäßig verdreht ist, und daß die Ausgangssignale des ersten (22) und zweiten (24) Dipols demoduliert werden.
10. Verfahren zum Erfassen einer linearen Beschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Demodulieren die weiteren Verfah-

rensschritte aufweist, daß das Ausgangssignal des ersten Dipols (22) bei 0° und 90° Phasenreferenz zum Erzeugen eines ersten bzw. eines zweiten demodulierten Signals synchron demoduliert wird, daß das Ausgangssignal des zweiten Dipols bei 0° und 90° Phasenreferenz zum Erzeugen eines dritten bzw. eines vierten demodulierten Signals synchron demoduliert wird, daß das dritte demodulierte Signal invertiert wird, daß das erste demodulierte Signal und das invertierte dritte demodulierte Signal zum Erzeugen eines X-Ausgangssignals und das zweite und vierte demodulierte Signal zum Erzeugen eines Y-Ausgangssignals summiert wird.
11. Verfahren zur Bestimmung von Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit eines Körpers mit einer Drehachse auf mindestens zwei nicht parallelen Achsen, die um die Drehachse rotieren, wobei die mindestens zwei Achsen im wesentlichen senkrecht zur Drehachse angeordnet sind.