DE3400259A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von beschleunigungen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von beschleunigungenInfo
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Description
Sundstrand Data Control, Inc. Redmond, Washington 98o52, V.St.A.
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Beschleunigungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Beschleunigungen,
bei denen ein Beschleunigungsmesser mit zwei Nachweismassen, denen jeweils ein bei einer
Resonanzfrequenz arbeitender Kraftwandler zugeordnet ist, verwendet wird.
Es ist bereits ein Beschleunigungsmesser mit zwei Nachweismassen entwickelt worden. Den Nachweismassen
ist jeweils ein Resonanz-Kraftwandler zugeordnet, so daß sie sich nicht frei bewegen können.
Die Beschleunigung wird über die Beziehung a = ACf^-f-) bestimmt, wobei a die Beschleunigung
ist, A ein Skalenfaktor und f. und f2 die Frequenzen
der beiden Kraftwandler sind.
572-BO1627A-CM-Bk
fc.
Die Skalenfaktoren der beiden Nachweismasse-Kraftwandleranordnungen
müssen genau aneinander angepaßt werden, um eine gute Linearität zu erzielen und um
Fehler bei der Demodulation der Schwingungen zu minimieren. Dies wird normalerweise durch Trimmen
der Nachweismassen erreicht. Das heißt, es wird Material von einer der Massen abgenommen, bis die
Skalenfaktoren der beiden Nachweismasse-Kraftwandleranordnungen
aneinander angepaßt sind. Dies ist ein zeitaufwendiger Vorgang, der wiederholtes Trimmen
und Testen einer Nachweismasse oder beider Nachweismassen erfordert.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Verfahren und eine
Vorrichtung zur Bestimmung der Beschleunigung anzugeben.
Nach einem Merkmal der Erfindung wird die Beschleunigung über die Beziehung
a = A1f1-A2f2+A0
bestimmt, wobei A1, A2 und AQ Kalibrierungskoeffizienten
sind.
Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wird die Beschleunigung über die Beziehung
a = A1fl 2-A2f2 2 +A0
bestimmt.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Kalibrierungskoeffizienten durch Versuche in
3.
einem Temperatur- und Beschleunigungsbereich für die gewünschte Betriebsart, z. B. für eine lineare Näherung
der Beschleunigung, bestimmt werden. Die Beschleunigung wird aus den Frequenzen zweier Kraftwandler
bestimmt und die Skalenfaktoren der beiden Nachweismasse-Kraftwandleranordnungen müssen nicht
aneinander angepaßt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus dem Folgenden hervor, in dem die Erfindung beispielsweise
anhand der Zeichnung erklärt wird. Es zeigen:
Fig. 1: Einen Längsschnitt durch eine bevorzugte
Ausführungsform eines bei der Durchführung des Verfahrens verwendeten Beschleunigungsmessers
mit zwei Nachweismassen,
Fig. 2: eine in Einzelteile aufgelöste perspektivische Darstellung einer Nachweismasse- und Kraftwandleranordnung
des in Fig. 1 gezeigten Beschleunigungsmessers,
Fig. 3: ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungseinheit,mit
der die Beschleunigung aus den beiden Kraftwandlerfrequenz Signalen
bestimmt wird.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des Beschleunigungsmessers mit zwei auf Beschleunigungen
längs derselben Achse ansprechenden Nachweismassen 30 und 31, die so angeordnet sind, daß die jeweiligen
Biegungen gegenläufig sind und mit Resonanz-Kraftwandlerstreifen
32, 33, die so an den Nachweismassen befestigt sind, daß, wenn ein Wandler gedehnt
wird, der andere zusammengedrückt wird. Die Beschleuni-
eine
gung wird als/Funktion der Differenz zwischen den
gung wird als/Funktion der Differenz zwischen den
Resonanzfrequenzen der beiden Kraftwandlerstreifen gemessen.
Die beiden Nachweismasse-Kraftwandleranordnungen sind identisch, und nur eine davon ist in
Fig. 2 gezeigt und wird im Folgenden im Detail beschrieben.
Die zylindrische Halterung 35 weist entgegengesetzt gerichtete Halterungsflächen 36, 37 auf. Der
Sockel jeder Nachweismasse enthält ein Befestigungselement,
das auf einer der Halterungsflächen aufliegt. Die Halterung 35 weist eine nach außen gerichtete
Rippe 38 auf, die auf einem zylindrischen Distanzstück 39 aufliegt, das die beiden Anordnungen der
Nachweismassen im Gehäuse 40 trägt. Der Deckel 41 enthält ein abgetrenntes Elektronikfach 42.
Der obere Beschleunigungsmesser aus Fig. 1, der in seine Einzelteile aufgelöst in Fig. 2 dargestellt
ist, hat einen Sockel 45, der einen Halterungsring einschließt. Die Nachweismasse 30 ist mit dem Sockel
über die Biegezone 47 verbunden. Der Halterungsring liegt auf der Fläche 36 der Halterung 35 auf.
Die Nachweismasse 30 hat im allgemeinen einen rechteckigen Umriß und die gleiche Dicke wie der
Halterungsring 46. In der Mitte der Nachweismasse ist eine ovale Öffnung 48 angebracht.
Der Resonanz-Kraftwandlerstreifen 32 ist mit einem Ende 50 an einer Wand der Öffnung 48 befestigt
und mit dem anderen Ende 51 mit der Endfläche 52 eines Freiträgers 53 verbunden, der sich vom Sockel
aus wegerstreckt und eine nachgiebige Halterung bildet.
Die Platten 56 und 57 sind an der Ober- bzw Unterseite des Halterungsrings 46 befestigt und
werden durch die Befestigungen 58 fixiert. Zwischen den Platten 56 bzw 57 und den Flächen des Halterungsrings
46 sind Abstandsstücke 59 angebracht. Sie beabstanden die Flächen der Platten 56, 57 von der
oberen und der unteren Fläche der Nachweismasse In Fig. 1 ist der Abstand übertrieben dargestellt.
Die Platten 56, 57 dienen als kombinierte Dämpfungsflächen und Anschläge für die Nachweismasse 30.
Eine Schaltplatte 62 ist auf der oberen Fläche der Platte 56 angebracht und trägt die zum Kraftwandlerstreifen
32 zugehörige Elektronik. Ein Deckel kapselt die Komponenten auf der Schaltplatte ab.
Wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht, weist die Wand der Öffnung 48 in der Nachweismasse 30 auf der
zur Biegezone 47 hin gelegenen Seite eine Stufe 65 auf. Das Ende 50 des Kraftwandlers 32 ist an der
von dem Freiträger 53 abgewandten Fläche 66 befestigt. Die Fläche 66 ist so gewählt, daß der Stoßmittelpunkt
der Nachweismasse 30 auf ihr liegt. Der Stoßmittelpunkt ist der Punkt auf der Nachweismasse, an dem
diese fest angestoßen werden kann, ohne daß die durch die Biegezone gebildete Drehachse erschüttert
wird. Diese geometrischen Verhältnisse minimieren die Empfindlichkeit der Nachweismasse gegenüber
Schwingungen des Beschleunigungsmessers.
Mit dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau der zwei Nachweismassen werden eine Reihe von Vorteilen erzielt.
Fehlerquellen,die Gleichtakteffekte in beiden
Nachweismasse-Kraftwandleranordnungen erzeugen, werden reduziert. Wenn z. B. beide Kraftwandler ungefähr
gleiche Temperaturkoeffizienten haben, ist die Temperaturempfindlichkeit der gesamten Anordnung
beträchtlich reduziert.
Ein weiteres Beispiel ist die Drift der Zeitbasis,gegenüber
der die Ausgabefrequenzen der Kraftwandler gemessen werden. Bei einem Meßfühler mit
einer einzigen Nachweismasse ist die Basislinie des Beschleunigungsmessers gegenüber Änderungen
der Zeitbasis sehr empfindlich. Wenn die Nachweismasse-Kraftwandleranordnungen
ungefähr abgeglichen sind, so daß A„ kleiner als ein größtmöglicher Wert
ist, ist die Zeitbasisdrift in erster Linie ein Gleichtaktsignal und die Empfindlichkeit gegenüber
Änderungen der Basislinie ist wesentlich verringert.
Die Anordnung der beiden Nachweismassen 30, 31, deren Biegungen gegenläufig sind, führt zu einer
Unempfindlichkeit der beiden Prüfmassen gegenüber quer zur Achse auftretenden Beschleunigungen.
Schwingungsdemodulationsfehler treten auf, wenn der Beschleunigungsmesser einer oszillierenden
Eingabebeschleunigung ausgesetzt ist, deren Periode kleiner als die Meßperiode der Kraftwandlerfrequenzen
ist. Der Kraftwandler reagiert nicht linear und erzeugt eine Demodulation solcher oszillierenden
Eingabewerte,und die Ausgabewerte des Beschleunigungsmessers werden verschoben. Bei einer Anordnung
mit zwei Nachweismassen, deren Kraftwandler so angebracht sind, daß einer gedehnt und der andere kompri-
miert wird, heben sich Schwingungsdemodulationsfehler auf.
Fig. 3 zeigt im Diagramm den Beschleunigungsmeßfühler 75 mit zwei Nachweismassen, zusammen mit der
dazugehörigen Elektronik und eine Signalverarbeitungseinheit 76, die einen programmierten Mikroprozessor zur
Bestimmung der Beschleunigung aufweist, der der Beschleunigungsmesser ausgesetzt ist, aus den Frequenzen der
Kraftwandler und aus anderen relevanten Eingabegrößen, wie z. B. der Temperatur.
Der Meßfühler 75 enthält die mechanische Anordnung 78 der zwei Nachweismassen und der Resonanz-Kraftwandler
und die Meßfühlerelektronik 79. Diese erzeugt die Resonanzfrequenzen f.. und f„ der Kraftwandler,
die die,an den Kraftwandlern als Wirkung
der Beschleunigung,der die Nachweismassen ausgesetzt sind,anliegenden Kräfte wiedergeben. Der Temperaturfühler
80 mißt die Temperatur der mechanischen Anordnung und liefert ein Signal f„, deren Frequenz
eine Funktion der Temperatur ist.
Die Signalverarbeitungseinheit 76 weist einen Frequenzpulszähler 81, einen Mikroprozessor 82 und
einen programmierbaren Nur-Lese-Speicher (PROM) 83 auf. Der Taktgeber 84 liefert Takteingabewerte an
den Mikroprozessor und den Frequenzpulszähler. Daten/Adressen-, Adressen- und Steuerleitungen mit
einer entsprechenden Anzahl von Sammelleitungen verbinden den Frequenzpulszähler 81, den Mikroprozessor
8 2 und den PROM 83.
Die Frequenzsignale f1, f~ der Kraftwandler
O *+ U U L
/TC.
und das Temperatursignal ±T sind an den Frequenzpulszähler
81 geschaltet, der digitale Signale erzeugt, durch die jede Frequenz zur Weiterverarbeitung im
Mikroprozessor 82 dargestellt ist. Die berechnete Beschleunigung wird am Ausgang des Mikroprozessors
wahlweise am Ausgang 85 in 8-Bit-Parallelform oder am Ausgang 86 in Serienform ausgegeben.
Die Wichtungsfaktoren bzw -koeffizienten werden für die Frequenzen der Kraftwandler jeder Nachweismasse
erstellt. Die Beschleunigung kann zB mit der Gleichung
a = Alf1-A2f2+A0
bestimmt werden, wobei A1 der Wichtungsfaktor bzw
-koeffizient eines Kraftwandlers ist, A„ der Wichtungsfaktor
bzw -koeffizient des anderen Kraftwandlers und A0 ein Basislinien-Korrekturterm ist.
Vorzugsweise wird die Beschleunigung jedoch als eine Funktion der Quadrate der Frequenzen der
Kraftwandler über die Beziehung
2 2 a = A1f1 ~A2£2 +A0
bestimmt. Die Beziehung, in der die Quadrate der Frequenzen benutzt werden, liefert eine bessere
Linearität und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Empfindlichkeit eines
Kraftwandlers gegenüber der des anderen. Insbesondere
ist, wenn das Quadrat der Frequenzen benutzt wird, der Schwingungsdemodulationsfehler,
der aufgrund kleiner Änderungen in der relativen / Skalierung der beiden Kraftwandler auftritt, z. B.
in Abhängigkeit von der Frequenz, typischerweise um eine Größenordnung kleiner.
Die Kalibrierungskoeffizienten A1, A„ und A^. werden
für bestimmte Betriebsarten des Beschleunigungsmessers sowie für bestimmte Temperaturen erstellt.
Insbesondere werden die Koeffizienten so bestimmt, daß der Algorithmus die beste Näherung für die Eingabebeschleunigungen
über den gesamten Eingabebereich ergibt. Der Koeffizientensatz wird durch Kalibrieren
des Geräts bei verschiedenen diskreten Temperaturwerten T. im Betriebsbereich des Beschleunigungsmessers
bestimmt. Die Koeffizienten können in Matrixform dargestellt werden:
{A±jj; j = 1, 2, 3, ....; i = 1, 2, 0.
Jeder Koeffizient A. wird dann mit einer "Leastsquare5-fit"-Polynomfunktion
in Abhängigkeit von der Temperatur
Ai = ΣΙ Bik · T ' i = 1, 2, 0
k=0
gebildet.
Es können andere Sätze von Kalibrierungskoeffizienten,
die auf andere Eigenschaften als der Linearität basieren, gebildet werden. So können zB die
Koeffizienten danach ausgewählt werden, daß die
da
Ableitung -τ=· der Beschleunigung nach der Temperatur minimal wird.
Ableitung -τ=· der Beschleunigung nach der Temperatur minimal wird.
Das Modell zur Berechnung der Beschleunigung, das auf der bestmöglichen Näherung der tatsächlichen-Beschleunigung
über dem gesamten Bereich der Eingabe-
daten basiert, minimiert den Schwingungsdemodulationsfehler und wird daher bevorzugt.
Die Bildung der Koeffizienten erfolgt vorzugsweise durch Messung der Beschleunigung im Bereich von -1g
über Og bis +1g und im Bereich der Betriebstemperaturen, denen das Gerät ausgesetzt ist. Typischerweise
ist die Eingabebeschleunigung die Erdbeschleunigung. Der Beschleunigungsmesser wird nacheinander mit seiner
Meßachse in 24 verschiedene Winkellagen relativ zur Vertikalen gebracht. Diese Prozedur wird bei verschiedenen
Temperaturen aus dem Betriebsbereich wiederholt.
Die Kalibrierungskoeffizienten werden wie oben angegeben bestimmt und diese Information wird im
PROM 83 gespeichert, von wo aus sie vom Mikroprozessor bei Bedarf abgerufen wird. Die Anzahl
der Temperaturen, bei denen die Messungen gemacht werden und die Anzahl der Terme der Temperatur-Polynome
sind Faktoren, die die Präzision der Beschleunigungsmessung bestimmen.
Die digitalen Frequenzen f1, f~ und die Temperatur
werden, vom Mikroprozessor 82 gesteuert, am Ausgang des Frequenzpulszählers 81 abgefragt. Die
Kalibrierungskoeffizienten A1, A„ und AQ werden vom
PROM 83 abgerufen und die Beschleunigung wird berechnet.
Claims (11)
- PatentanwälteBEETZ & PARTNER 572-35.72oP 5. Jan. 1984§teirv3dorfstr. 10,8000 München 22PatentansprücheM.j Verfahren zur Bestimmung von Beschleunigungen mit einem Beschleunigungsmesser,dadurch gekennzeichnet, daß- die durch die Beschleunigung auf zwei Nachweismassen einwirkende Beschleunigungskraft jeweils durch einen Resonanzkraftwandler aufgenommen wird,- die Resonanzfrequenzen f.. und f~ der Kraftwandler sich bei einer Beschleunigungsänderung in entgegengesetzter Weise ändern und- die Beschleunigung aus den Kraftwandlerfrequenzen über die Beziehunga = Alf1-A2f2+A0,bestimmt wird, wobei A1, A- und AQ Kalibrierungskoeffizienten sind.
- 2. Verfahren zur Bestimmung von Beschleunigungen mit einem Beschleunigungsmesser,dadurch gekennzeichnet, daß- die durch die Beschleunigung auf zwei Nachweismassen einwirkende Beschleunigungskraft jeweils durch einen Resonanzkraftwandler aufgenommen wird,572-B01627A/CMALdie Resonanzfrequenzen f1 und f~ der Kraftwandler sich bei einer Beschleunigungsänderung in entgegen gesetzter Weise ändern unddie Beschleunigung aus den Kraftwandlerfrequenzen über die Beziehung2 2
a = A1^ -A2 f 2 +A0bestimmt wird, wobei A1, A„ und A0 Kalibrierungskoeffizienten sind. - 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder Z, dadurch gekennzeichnet,daß die Kalibrierungskoeffizienten A1, A~ und An im gesamten Bereich der Eingabedaten und im gesamten Bereich der Betriebstemperaturen des Beschleunigungsmessers bestimmt werden.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß- der Beschleunigungsmesser bei diskreten Temperaturwerten T. kalibriert wird und- die Kalibrierungskoeffizienten als eine Koeffizientenmatrix(A1j); j =1,2, 3, . .. ; i = 1, 2, 0dargestellt werden.
- 5. Verfahren nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daßjeder Koeffizient durch eine "least-squares-fit" Polynomfunktion der TemperaturA = n
1 k?o Bik 'TK ; i = 1, 2, 0gebildet wird. - 6. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,daß die Kalibrierungskoeffizienten für ein Minimum der Ableitung der Beschleunigung a nach der Temperaturda
T: -τ*? bestimmt wird. - 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,daß die Kalibrierungskoeffizienten durch eine elektronische Auswertung von Eichmessungen am Beschleunigungsmesser in einer Signalverarbeitungseinheit (76) bestimmt werden und die Bestimmung der Beschleunigung mittels der Resonanzfrequenzen und der Kalibrierungskoeffizienten ebenfalls in der Signalverarbeitungseinheit erfolgt.
- 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7,gekennzeichnet durch- einen Beschleunigungsmeßfühler (75) mit zwei in Richtung der zu messenden Beschleunigung ausgerichteten Kraftwandlerstreifen (32, 33), die mit einem entgegengesetzten Ende jeweils mit einer trägen Nachweismasse (30, 31) verbunden sind,- eine Elektronikschaltung zur Erzeugung von Schwingungen der Kraftwandlerstreifen (32, 33) und- eine Signalverarbeitungseinheit (76) zur Bestimmung von Kalibrierungskoeffizienten (A-, A2, AQ) des Beschleunigungsmeßfühlers (75) aus einer Funktion der Resonanzfrequenzen f.. und f„ und der Kalibrierungskoeffizienten.
- 9. Vorrichtung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet,daß die Kraftwandlerstreifen (32, 33) jeweils an den Enden (52, 66) der Schenkel eines U-förmigen Halters (45) angebracht sind, dessen einer Schenkel einen Freiträger (53) für einen Kraftwandlerstreifen (32) bildet und dessen anderer Schenkel durch eine Biegezone (47) in Richtung der Beschleunigung als träge Nachweismasse (30) beweglich gehaltert ist.
- 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,daß an dem Beschleunigungsmeßfühler (75) ein Temperaturfühler (80) angebracht ist und der Temperaturmeßwert in die Signalverarbeitungseinheit (76) eingegeben wird.
- 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet,daß die Signalverarbeitungseinheit (76) einen Frequenzpulszähler (81), einen Mikroprozessor (82), einen programmierbaren Nur-Lese-Speicher (83) und einen Taktgeber (84) aufweist.
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