DE3444142A1 - Zweiachsen-multisensor - Google Patents

Description

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Zweiachsen-Mul ti sensor

Die Erfindung bezieht sich auf Trägheitsricht- bzw. Trägheitsführungsgeräte und insbesondere auf Multisensoren zum Messen sowohl der Linearbeschleunigung als auch der Rotationsgeschwindigkeit eines sich bewegenden Körpers.

Es wurden bereits eine Reihe von Versuchen unternommen, eine träge Masse zu verwenden, um die Rotationsgeschwindigkeit eines Körpers anzuzeigen. Derartige Versuche haben auf der Coriqlisbeschleunigung beruht, die ein schwingender oder rotierender Körper erfährt, der mit einem zweiten Körper befestigt ist, dessen Drehung festgestellt werden soll. Die Coriolisbeschleunigung folgt der Gleichung

A = 2 Co χ v,
wobei A = die Coriolisbeschleunigung to = die Winkelgeschwindigkeit des zu messenden,

drehenden Koordinatensystems (zweiter Körper),

und
ν = die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur

Rotationsachse.

Damit ist das Grundprinzip ausgedrückt, auf dem alle Vibrationskreisel wie auch Kreisel mit Spinrädern basieren, nämlich, daß die Beschleunigung, die eine Masse erfährt, eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Rotationsachse des rotierenden Koordinatensystems besitzt, dem es zugeordnet ist. Das Messen der Winkelgeschwindigkeit mit einem oszillierenden Pendel wurde zuerst durch Leon Foucault um 1850 demonstriert. Seit dieser Zeit sind viele Versuche durchgeführt worden, um das Prinzip der Coriolisbeschleunigung auf Geschwindigkeitskreisel und die Geschwindigkeit integrierende Kreisel umzusetzen.

Unter den Versuchen zur Schaffung eines Geschwindigkeitsmeßkreisels nach diesen Prinzipien sind folgende Geräte entstanden:

"Gyrotron" der Firma Sperry Gyroscope Corporation (1940), "Λ5 Gyro", Royal Aircraft Establishment; "Vibrating String Gyro", North American Rockwell Corporation; "Viro", General Electric Corporation; "Sonic Bell Gyro", General Motors Corporation.

Mit Ausnahme des Gyrotrons liegen die übrigen Entwicklungen in den frühen 60iger Jahren.

Generell stützen sich die vorerwähnten Systeme entweder auf einen rotierenden oder einen nicht erzwungen vibrierenden Körper, um die Geschwindigkeitskomponente ν senkrecht zur Rotationsachse des zweiten Körpers einzuführen. Die Beschleunigungskraft, die auf solche rotierenden oder vibrierenden Körper einwirkt, wird dann gemessen, um die Koriolisbeschleunigung A zu bestimmen. Kennt man die Koriolisbeschleunigung und die Geschwindigkeit eines kraftfühlenden Elementes, läßt sich die Rotationsgeschwindigkeit des Körpers auf einfach Weise bestimmen.

Vibrierende Körper sind in Hinblick auf ihre mechanische Einfachheit entschieden im Vorteil gegenüber rotierenden Anordnungen. Um ein Rotations-Trägheitsinstrument empfindlich für die Coriolis-Beschleunigung zu machen, sind ein Beschleunigungsmesser, Kugellager, Schleifringe, Spinmotoren und dgl. erforderlich. Ferner muß eine rotierende Anordnung in ihrer Phasenlage auf das Gehäuse bezogen sein, in welchem sie befestigt ist, um die eingeführte Winkelgeschwindigkeit in zwei orthogonale empfindliche Achsen aufzulösen.

Versuche neuen Datums zur Messung der Rotation unter Verwendung eines vibrierenden Trägheitssensors sind mit Hilfe von vibrierenden mechanischen Systemen mit rückführungsloser Steuerung ausgeführt worden, bei denen die Verschiebung einer nicht erzwungen vibrierenden Trägheitsmasse unter Einwirkung der Koriolisbeschleunigung ein elektrisches Signal proportional der Korioliskraft erzeugt. Derartige Systeme arbeiten als Abstimmgabeln, bei denen die Zinken mit einer Frequenz ν vibrieren und in einer senkrechten Ebene um einen Betrag

proportional dem Wert von A abgelenkt werden. Derartige Systeme, die vom mechanischen Standpunkt aus weniger kompliziert sind als rotierende Systeme, sind Ungenauigkeiten unterworfen, die sich aus den orthogonalen Bewegungen ergeben, welche durch die vibrierenden, die Kräfte anzeigenden Mechanismen mit rückführungsloser Steuerung des Typs mit vibrierender Saite erforderlich sind,

Vorstehende und andere Nachteile bekannter Systeme werden mit vorliegender Erfindung dadurch behoben, daß eine Einrichtung zur Feststellung sowohl der Rotationsgeschwindigkeit als der linearen Beschleunigung eines Körpers vorgeschlagen wird, die unfreie Massensensoren, welche auf eine lineare Beschleunigung längs erster und zweiter vorgewählter Achsen anspricht, eine Vorrichtung, die die Sensoren so anordnet, daß die erste vorgewählte Achse senkrecht zur zweiten Achse verläuft, eine Vorrichtung, die die Sensoren in Vibrationsbewegungen versetzt, und eine Vorrichtung, die auf die Coriolis-Beschleunigungskräfte anspricht, welche auf die Sensoren ausgeübt werden, aufweist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum Feststellen der Beschleunigung und der Rotationsgeschwindigkeit eines Körpers vorgeschlagen. Ein derartiges Verfahren besteht darin, daß erste und zweite unfreie Massenträgheitssensoren vorgesehen werden, die auf lineare Beschleunigung ansprechen, und daß die Sensoren so angeordnet werden, daß jeder auf lineare Beschleunigungskräfte anspricht, die auf den Körper längs orthogonaler Achsen einwirken. Die Sensoren werden dann mit einer vorgewählten Frequenz in Schwingungen versetzt, und die linearen und Coriolis-Beschleunigungskräfte, die auf die Sensoren ausgeübt werden, werden gemessen.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt.

Fig. 1 in perspektivischer Explosionsdarstellung eine Teilansicht der Anordnung von Beschleunigungsmessern nach der Erfindung, und

Fig. 2 eine Seitenschnittansicht eines Multisensors nach der Erfindung.

Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines wesentlichen Teiles der Erfindung, die sich auf die bevorzugten relativen Orientierungen der die Trägheitskraft abfühlenden Vorrichtung bezieht, welche das Herz des Multisensors darstellt. Die Kraftabfühlvorrichtung weist eine orthogonale Anordnung von oberen und unteren Beschleunigungsmessern 10 und 12 auf. Jeder Beschleunigungsmesser ist vorzugsweise kraftabgeglichen und eine Masse, z.B. eine Pendelmasse, ist so orientiert, daß sie auf eine Beschleunigungskraft reagiert, die längs einer vorbestimmten Achse wirkt, welche als seine Eingabeachse bekannt ist. Im Gegensatz zu einer rückführungslosen Steuerung bei Kraftanzeigemechanismen ist eine solche Masse durch Wirkung von reaktiven "forcers" (Krafteinrichtungen) erzwungen, so daß anstatt der Erzielung einer meßbaren Verschiebung die auf die Masse einwirkende Kraft eine meßbare Funktion der Energie ist, die erforderlich ist, um die Krafteinrichtungen so zu beeinflussen, daß sie die Nullposition der Masse beibehalten, wenn Beschleunigungskräfte auf die Masse einwirken. Die Abgriffsensoren, eine Anzahl von herkömmlichen elektromechanischen Wandlern, erzeugen resultierende elektrische Signale proportional der Kraft (Beschleunigung), die von der reaktiven Trägheitsmasse innerhalb des Beschleunigungsmessers abgefühlt wird.

Es können eine Vielzahl von unterschiedlichen Trägheitsbeschleunigungs-Meßgeräten im Rahmen vorliegender Erfindung verwendet werden; bei der speziellen Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 finden zwei A4 MOD IV-Beschleunigungsmesser vom Pendeltyp mit Kraftabgleich Verwendung. Dieser Beschleunigungsmesser wird von der Fa. Litton Systems Inc., Beverly Hills hergestellt. Jeder der oberen und unteren Beschleunigungsmesser 10 und 12 ist in Fig. 1 so dargestellt, daß er mit einem entsprechenden oberen oder unteren Tragarm

14, 16 befestigt ist, der (im Falle des dargestellten unteren Tragarmes 16) ein mittleres Trägerbauteil 18 aufweist, das zwischen zwei querorientierten Flanschen 20 und 2 2 angeordnet ist. Die Höhe der gesamten Tragarmanordnung überschreitet die des damit befestigten Beschleunigungsmessers, und jede der Anordnungen ist so befestigt, daß sie sich sowohl über als auch unter den Beschleunigungsmesser erstreckt. Diese Anordnung ermöglicht es, die Beschleunigungsmesser innerhalb des Gehäuses des Multisensors so zu befestigen, daß eine Aufhängung erzielt wird, die die Möglichkeit jeglicher störender mechanischer Rückkopplung zwischen Beschleunigungsmesser und Gehäuse minimiert. Die Löcher 24, 26, 28, 30, 3 2 und 34 sind innerhalb der Elemente der Tragarmanordnung vorgesehen, um Schrauben aufzunehmen, die den Tragarm mit dem Beschleunigungsmesser und einer Anker/Membran-Anordnung verbinden.

Der herkömmliche innere Aufbau der Beschleunigungsmesser 10 und 12 ist nicht dargestellt? Eingangsachsen 36 und 3 8 legen die Orientierungen der Empfindlichkeit auf Beschleunigungskräfte fest. Doppelpfeile 4 0 und 42 zeigen die kolinearen Richtungen der Vibration der Beschleunigungsmesser, während eine Drehung des Körpers, mit dem das Multisensorgehäuse befestigt ist, um die angezeigten orthogonalen, rotationsempfindlichen Achsen 4 4 und 4 6 gemessen wird. Unter Bezugnahme auf die obige Gleichung für die Coriolisbeschleunigung ergibt sich, daß das mit einem Multisensor nach der Erfindung arbeitende System eine vorbestimmte Vibrationsgeschwindigkeit ν auf die die Kraft anzeigenden Beschleunigungsmesser 10 und 12 längs kolinearer Achsen 40 und 42 aufgibt, orthogonale Rotationen 65 um Beschleunigungsmesserachsen 4 4 und 4 6 feststellt und Coriolisbeschleunigungskräfte A längs der Eingabeachsen 3 6 und 3 8 erfährt. Zusätzlich zeigt das Multisensorsystem natürlich auch lineare Beschleunigungskräfte längs der Eingabeachsen 36 und 38 an, die nicht durch die Corioliskräfte eingeführt werden. Solche Beschleunigungen können von den die Geschwindigkeit messenden Corioliskräften durch entsprechende Auswahl der Vibrationsfrequenz der

Beschleunigungsmesser unterschieden werden,.die mit herkömmlichen Demodulationstechniken gekoppelt sind, wie weiter unten ausgeführt wird.

Das funktionsfähige System ist in Fig. 2 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser Fig. 2 beschrieben, die eine Querschnittsansicht des Gehäuses 4 8 eines Multisensors nach der Erfindung darstellt. Die Gerätedarstellung innerhalb des zylindrischen Gehäuses 48 ist im senkrechten Achsenkreuz symmetrisch um eine horizontale Achse 50 dargestellt, d.h., daß entsprechende Elemente der Geräte oberhalb der Achse 5 0 um 90° gegenüber denen unterhalb der Achse 50 gedreht gezeichnet sind. Dies ergibt sich auch in Verbindung mit Fig. 1.

Die Abdeckungen 5 2 und 5 4 dichten den Multisensor ab. Wie aus Fig. 2 zu entnehmen, weist der Tragarm 14, der den oberen Beschleunigungsmesser 10 aufnimmt, ein zentrisches Trägerbauteil 56 auf, das mit querorientierten Flanschen 58 und 60 verbunden ist.

Jede Anordnung aus Beschleunigungsmessern und Tragarm ist oben und unten mit einer im wesentlichen scheibenförmigen Anordnung aus Membran und Anker verschraubt, die verstärkte Mitten- und Randteile besitzt, welche durch eine verhältnismäßig dünne ringförmige Membran getrennt sind, die damit ausgebildet ist, damit unabhängige doppelte Membranaufhängungen sowohl oberhalb als auch unterhalb der horizontalen Achse 5 0 entstehen. Die Anker/Membrane 62 und 6 4 sind mit der einzigen Abstützung der Anordnung aus oberem Tragarm und Beschleunigungsmesser verschraubt, während die Anker/Membrane 66 und 6 8 die einzige Abstützung für die untere Anordnung bestehend aus Tragarm und Beschleunigungsmesser bilden.

Zylindrische Abstandshalter 7 0 und 7 2 trennen die Ränder der Anker/Membrane und vervollständigen zwei unabhängige Vibrationseinheiten innerhalb des Gehäuses 48; die obere Vibrationseinheit weist eine Anordnung aus oberem Beschleunigungsmesser 10 und Tragarm auf, die zwischen die Anker/Membrane 6 2

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und 6 4 eingeschaltet ist, und die von dem zylindrischen Abstandshalter 7 0 umgeben ist, und die untere Vibrationseinheit weist eine Anordnung aus unterem Beschleunigungsmesser 12 und Tragarm auf, die zwischen die Anker/Membrane 6 und 6 8 eingeschaltet ist und von dem zylindrischen Abstandshalter 7 2 umgeben ist.

Ein Elektromagnet 74 ist in der Mitte des Gehäuses 48 mit Hilfe eines nach innen verlaufenden radialen Flansches 7 6 und eines damit ausgebildeten Bechers 78 positioniert. Ein herkömmlicher Beschleunigungsrückstellverstärker 80, der auf dem Flansch 76 befestigt ist, nimmt Abgreifsignale auf, die innerhalb der Beschleunigungsmesser erzeugt werden, und gibt in Abhängigkeit davon Steuersignale an die Kraftvorrichtungen innerhalb der Beschleunigungsmesser, die auf die Pendelmasse wirken. Die erforderlichen Stromleiter hierfür sind in Fig. 2 nicht dargestellt, die elektrische Verbindung ist jedoch außerhalb des Multisensors mit Hilfe oberer und unterer Stromleiter 8 2 und 84 gebildet, die in elektrischer Verbindung mit der Abfühleinrichtung der oberen und unteren Beschleunigungsmesser 10 und 12 über Lötkontaktstellen 86 und 88 steht. Jeder Stromleiter weist sechs einzelne Leiter auf; ein Paar von Leitern bezieht sich auf die Erregung des Licht emittierenden Diodenteiles des Abgreifsensors, ein weiteres Paar ist dem Ausgang des Fotodiodenteiles des Abgriffes zugeordnet, und das dritte Paar ergibt einen Strom an die Kraftvorrichtung des Beschleunigungsmessers.

Der Elektromagnet 7 4 treibt die oberen und unteren Doppelmembran-Vibrationseinheiten an, die weiter oben durch Erregen und Entregen elektromagnetischer Felder definiert sind, welche abwechselnd die Membrane 6 4 und 6 6 anziehen und freigeben. Als Folge des Antriebes der Membrane werden die Vibrationseinheiten einschließlich der zugeordneten Beschleunigungsmesser in der vertikalen Ebene in Schwingungen versetzt. Ferner vibrieren in Übereinstimmung mit der Positionierung des Elektromagneten 7 4 zwischen den Membranen 6 4 und 6 6 die beiden Einheiten und die zugeordneten Beschleunigungsmesser mit einer Phasenverschiebung von 180°. Durch

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Vibrieren mit Phasenverschiebung üben die Einheiten, deren jede identische Resonanzfrequenzen besitzt, gleiche und entgegengesetzt gerichtete Vibrationskräfte aus, wodurch die Vibrationsenergie, die mit dem Gehäuse 4 8 gekoppelt ist, zur Vermeidung von Befestigungsempfindlichkeiten minimiert wird.

Der Abgabe eines jeden Beschleunigungsmessers ist ein Signal, das die Geschwindigkeitsinformation und die lineare Beschleunigungsinformation (längs jeder Eingabeachse des Beschleunigungsmessers) enthält. Die individuelle Demodulation der beiden Arten von Informationen ist unkompliziert als Folge der unterschiedlichen Frequenzen der Rotationsgeschwindigkeit und der Beschleunigungssignale. Die Abgabegeschwindigkeitsinformation wird mit der vorgewählten Frequenz der Schwingung des Beschleunigugsmessers moduliert, während die interessierende lineare Beschleunigung als konstant oder in einem verhältnismäßig niedrigen und voraussagbaren Frequenzbereich angesiedelt angesehen werden kann. Die Schwingungsfrequenz der Doppelmembranaufhängungen wird so gewählt, daß sie hoch ist im Vergleich zu den Anforderungen der Systembandbreite, um das Filtern des modulierten Geschwindigkeitssignals aus der Beschleunigungsmesserabgabe zu ermöglichen. Die Winkelgeschwindigkeitsinformation wird durch kapazitive Kopplung der Beschleunigungsmesserabgabe an einen Bandpaßverstärker erzielt, der um die Modulationsfrequenz zentriert ist. Der Ausgang des Bandpaßverstärkers wird dem Eingang des Demodulators aufgegeben, das Bezugssignal für den Demodulator wird so gewählt, daß es in Phase mit der Geschwindigkeit der vibrierenden Einheit ist. Der Ausgang des Demodulators wird dann so gefiltert, daß eine Gleichspannung erzielt wird, die in der Amplitude proportional der Winkelgeschwindigkeit ist, die mit einer Polarität aufgegeben wird, welche für die Richtung der angelegten Winkelgeschwindigkeit empfindlich ist.

Hieraus ergibt sich, daß bei Trägheitsinstrumenten eine Einrichtung geschaffen wird, die in der Lage ist, eine Rotation in zwei orthogonalen Ebenen und eine Beschleunigung in zwei orthogonalen Richtungen zu messen. Durch Verwendung

eines Multisensors besteht die Möglichkeit, die Vorteile einer Vibrationseinrichtung zu erzielen, wobei die Einrichtung weniger kompÜ2iert ist als dies mit einer rotierenden Schwingungsanordming der Fall ist, während die Nachteile früherer Vibrationsanordnungen vermieden werden.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Auf die lineare Beschleunigung und die Rotationsgeschwindigkeit eines Körpers ansprechender Multisensor, gekenn zeichnet durch folgende Merkmale:

a) einen unfreien Massensensor (10), der auf eine lineare Beschleunigung längs einer ersten vorgewählten Achse anspricht,

b) einen unfreien Massensensor (12), der auf eine lineare Beschleunigung längs einer zweiten vorgewählten Achse anspricht,

c) eine Vorrichtung (14, 16, 18; 56, 5 8, 60), die die unfreien Massensensoren (10,12)so anordnet und ausrichtet, daß die'erste vorgewählte Achse senkrecht zur zweiten vorgewählten Achse verläuft,

d) eine Vorrichtung (74, 62, 64, 66, 68, die die Sensoren (10, 12) in Schwingungen versetzt, und

e) eine Vorrichtung, die auf die auf die Sensoren (10, 12) ausgeübten Coriolis-Beschleunigungskräfte anspricht.

2. Multisensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die auf lineare Beschleunigung ansprechende Sensoren (10, 12) einen ersten (10) und einen zweiten (12) Beschleunigungsmesser aufweisen, und

b) daß die Vorrichtung (14, 16, 18; 56, 58, 60), die die Sensoren (10, 12) anordnet bzw. ausrichtet, zwei Doppelmembranaufhängungen (62, 64; 66, 68) besitzt.

3. Multisensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingende Vorrichtung (74, 62, 64, 66, 68) so angeordnet ist, daß die Sensoren (10, 12) außer Phase in Schwingungen versetzt werden.

4. Multisensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingende Vorrichtung (74, 62, 64, 66, 68) einen Elektromagneten aufweist, der zwischen dem Paar von Doppelmembranaufhängungen (62, 64, 66, 68) befestigt ist.

5. Multisensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfrequenz; der Doppe lmembranauf hängungen (62, 64, 66, 68) relativ zur Bandbreite des Systems hoch ist.

6. Multisensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Beschleunigungsmesser (10, 12) vom Typ A MOD IV sind.

7. Verfahren zum Peststellen der Rotationsgeschwindigkeit und der Beschleunigung eines Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß

a) erste und zweite unfreie Massenträgheitssensoren vorgesehen werden, die auf lineare Beschleunigungskräfte ansprechen,

b) die ersten und zweiten Sensoren zum Körper so angeordnet werden, daß jeder auf lineare Beschleunigungskräfte anspricht, die auf den Körper längs orthogonaler Achsen einwirken,

c) die ersten und zweiten Sensoren mit einer vorbestimmten Frequenz in Schwingungen versetzt werden, und

d) die linearen und die Coriolis-Beschleunigungskräfte, die auf die unfreien Massenträgheitssensoren ausgeübt werden, gemessen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Sensoren außer Phase in Schwingungen versetzt werden.