DE3444142C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

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

= 2 × ,

wobei
= die Coriolisbeschleunigung
= die Winkelgeschwindigkeit des zu messenden, drehenden Koordinatensystems (zweiter Körper), und
= 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.

Generell stützen sich die bekannten Systeme entweder auf einen rotierenden oder einen nicht erzwungen vibrierenden Körper, um die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Rotationsachse des zweiten Körpers einzuführen. Die Beschleunigungskraft, die auf solche rotierenden oder vibrierenden Körper einwirkt, wird dann gemessen, um die Coriolisbeschleunigung zu bestimmen. Kennt man die Coriolisbeschleunigung und die Geschwindigkeit eines eine Kraft feststellenden Elementes, läßt sich die Rotationsgeschwindigkeit des Körpers auf einfache Weise bestimmen.

Vibrierende Körper sind wegen ihrer mechanischen Einfachheit im Vorteil gegenüber rotierenden Anordnungen. Um ein Rotations- Trägheitsinstrument empfindlich für die Coriolisbeschleunigung 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 Coriolisbeschleunigung ein elektrisches Signal proportional der Corioliskraft erzeugt. Derartige Systeme arbeiten als Abstimmgabeln, bei denen die Zinken mit einer Frequenz vibrieren und in einer senkrechten Ebene um einen Betrag proportional dem Wert von 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.

Aus der US-PS 32 06 986 ist eine Einrichtung zum Messen einer Winkelgeschwindigkeit bekannt. Die Sensoren sind zwei identische Bimorphe, die in ihren Mittelpunkten an den Enden eines dritten Bimorphs befestigt sind, der als Querbalken eines "H" angeordnet ist. Die Resonanzfrequenz von z. B. 250 Hz der drei Bimorphe und ihre Belastungen sind etwa gleich. Der Mittelpunkt des als Querbalken angeordneten Bimorphs ist ein Schwingungsknoten, und die Einrichtung ist an diesem Knoten gelagert. Die beiden endseitigen Bimorphe werden mit ihrer gemeinsamen Resonanzfrequenz in Gegenphase zueinander angetrieben. Jede Abweichung von einer solchen gleichen Frequenz und Gegenphasenlage liefert ein Biegemoment an den dritten Bimorph, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird. Eine Drehung der Einrichtung um die Y-Achse erzeugt ein elektrisches Signal bei Resonanzfrequenz mit einer Amplitude proportional der Drehgeschwindigkeit der Einrichtung um die Y-Achse und mit einer Polarität, die die Drehrichtung anzeigt.

Die Schwingmassen schwingen um zwei parallele Achsen, die parallel zur Z-Achse verlaufen. Sie sprechen auf Winkelgeschwindigkeiten nur um eine einzige Achse, nämlich die Y-Achse, nicht aber auf lineare Beschleunigung an. Die Massen der Bimorphe sind in ihren Schwingungen unfrei und sie schwingen in einem Biegebetrieb rückwärts und vorwärts unter Steuerung eines angelegten Signales. Ihre Amplitude ist ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit, ihre Polarität ein Maß für die Drehrichtung um die Y-Achse.

Aus der Literaturstelle "IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems" Vol. AES-3, Mai 1967, Seiten 465-471 sind Anordnungen bekannt, bei denen Beschleunigungsmesser zur Bestimmung einer Drehbewegung verwendet werden; diese Beschleunigungsmesser sind jedoch keine Schwingungs-Beschleunigungsmesser. Wie in diesem Aufsatz ausgeführt wird, ist die Geschwindigkeit relativ zum Fahrzeugsystem Null, und es tritt kein Coriolissignal auf.

Die Literaturstelle "Control Engineering", Juni 1963, Seiten 95-99 beschreibt im Aufsatz "Theory and Practice in Vibratory Rate Gyros" stimmgabelartige Kreisel, jedoch nicht zwei Beschleunigungsmesser oder einen zweiachsigen Beschleunigungsmesser mit einer Schwingung in einer Richtung senkrecht zur Ebene, die durch die Abfühlachse der Beschleunigungsmesser definiert sind. Ferner sind die Massen nicht unfrei im Sinne des Zwanges durch einen Servoantrieb mit geschlossener Schleife in einem kraftabgeglichenen Beschleunigungsmesser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinrichtung zu schaffen, die sowohl auf die Rotationsgeschwindigkeit als auch auf die lineare Beschleunigung anspricht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der Sensoreinrichtung nach der Erfindung wird der Beschleunigungsmesser mit einer Frequenz in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Abfühlachsen in Schwingungen versetzt. Das schwingende Coriolissignal kann z. B. durch Demodulation, von den Beschleunigungssignalen niedrigerer Frequenz, die durch die Beschleunigungsmesser festgestellt werden, getrennt werden. Mit einer derartigen Zweiachsen-Einrichtung werden somit Signale erzeugt, die ein Maß für die Coriolisbeschleunigungen sind und die durch Winkelgeschwindigkeiten induziert werden, während gleichzeitig lineare Beschleunigungen längs zweier aufeinander senkrecht stehender Achsen gemessen werden.

Bei einer Sensoreinrichtung nach der Erfindung werden deshalb die Vorteile einer Vibrationseinrichtung erreicht, wobei die Einrichtung weniger kompliziert ist als dies mit einer rotierenden Schwingungsanordnung der Fall ist, gleichzeitig werden aber Nachteile früherer Vibrationsanordnungen ausgeschaltet.

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

Fig. 1 in perspektivischer Explosionsdarstellung eine Teilansicht der Sensoreinrichtung nach der Erfindung, und

Fig. 2 eine Seitenschnittansicht einer Sensoreinrichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Sensoreinrichtung nach der Erfindung. Die die Trägheitskraft feststellende Vorrichtung weist eine orthogonale Anordnung von oberen und unteren Beschleunigungsmessern 10 und 12 auf. Jeder Beschleunigungsmesser ist kraftabgeglichen und eine Masse, z. B. eine Pendelmasse, ist so orientiert, daß sie auf eine Beschleunigungskraft reagiert, die längs einer vorbestimmten Achse, der Eingabeachse, wirkt. Die Masse wird in Nullposition gehalten.

Es können eine Vielzahl von unterschiedlichen Trägheitsbeschleunigungs- Meßgeräten verwendet werden; bei der speziellen Ausführungsform 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 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 22 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 der Sensoreinrichtung 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, 32 und 34 innerhalb der Elemente der Tragarmanordnung nehmen Schrauben auf, 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 38 legen die Orientierungen der Empfindlichkeit auf Beschleunigungskräfte fest. Doppelpfeile 40 und 42 zeigen die kolinearen Richtungen der Vibration der Beschleunigungsmesser, während eine Drehung des Körpers, mit dem das Sensorgehäuse befestigt ist, um die angezeigten orthogonalen, rotationsempfindlichen Achsen 44 und 46 gemessen wird. Unter Bezugnahme auf die obige Gleichung für die Coriolisbeschleunigung ergibt sich, daß das System eine vorbestimmte Vibrationsgeschwindigkeit auf die die Kraft anzeigenden Beschleunigungsmesser 10 und 12 längs kolinearer Achsen 40 und 42 aufgibt, orthogonale Rotationen um Beschleunigungsmesserachsen 44 und 46 feststellt und Coriolisbeschleunigungskräfte längs der Eingabeachsen 36 und 38 erfährt. Zusätzlich zeigt die Sensoreinrichtung 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 Fig. 2 beschrieben, die eine Querschnittsansicht des Gehäuses 48 einer Sensoreinrichtung 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 50 um 90° gegenüber denen unterhalb der Achse 50 gedreht gezeichnet sind. Dies ergibt sich auch in Verbindung mit Fig. 1.

Die Abdeckungen 52 und 54 dichten die Sensoreinrichtung 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 so ausgebildet ist, daß unabhängige doppelte Membranaufhängungen sowohl oberhalb als auch unterhalb der horizontalen Achse 50 entstehen. Die Anker/Membrane 62 und 64 sind mit der einzigen Abstützung der Anordnung aus oberem Tragarm 14 und Beschleunigungsmesser 10 verschraubt, während die Anker/Membrane 66 und 68 die einzige Abstützung für die untere Anordnung bestehend aus Tragarm und Beschleunigungsmesser bilden.

Zylindrische Abstandshalter 70 und 72 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 62 und 64 eingeschaltet ist, und die von dem zylindrischen Abstandshalter 70 umgeben ist, und die unter Vibrationseinheit weist eine Anordnung aus unterem Beschleunigungsmesser 12 und Tragarm auf, die zwischen die Anker/Membrane 66 und 68 eingeschaltet ist und von dem zylindrischen Abstandshalter 72 umgeben ist.

Ein Elektromagnet 74 ist in der Mitte des Gehäuses 48 mit Hilfe eines nach innen verlaufenden radialen Flansches 76 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 der Sensoreinrichtung mit Hilfe oberer und unterer Stromleiter 82 und 84 gebildet, die in elektrischer Verbindung mit der Feststelleinrichtung 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 74 treibt die oberen und unteren Doppelmembran- Vibrationseinheiten an, die weiter oben durch Erregen und Entregen elektromagnetischer Felder definiert sind, welche abwechselnd die Membrane 64 und 66 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 74 zwischen den Membranen 64 und 66 die beiden Einheiten und die zugeordneten Beschleunigungsmesser mit einer Phasenverschiebung von 180°. Durch Vibrieren mit Phasenverschiebung üben die Einheiten, deren jede identische Resonanzfrequenzen besitzt, gleiche und entgegengesetzt gerichtete Vibrationskräfte aus, wodurch die Vibrationsenergie, die mit dem Gehäuse 48 gekoppelt ist, zur Vermeidung von Befestigungsempfindlichkeiten minimiert wird.

Die Abgabe eines jeden Beschleunigungsmessers ist ein Signal, das die Rotationsgeschwindigkeitsinformation und die lineare Beschleunigungsinformation längs jeder Eingabeachse 36, 38 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 Beschleunigungsmesser 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.

Claims (3)

1. Sensoreinrichtung mit zwei miteinander gekoppelten Beschleunigungsmessern und mit einem die beiden Beschleunigungsmesser in Schwingungen versetzenden Antrieb, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• a) ein erster kraftabgeglichener Beschleunigungsmesser (10) mit einer in Nullposition gehaltenen Masse ist so angeordnet, daß er auf eine lineare Beschleunigung längs einer ersten Achse (38) anspricht,
• b) ein zweiter kraftabgeglichener Beschleunigungsmesser (12) mit einer in Nullposition gehaltenen Masse ist so angeordnet, daß er auf eine lineare Beschleunigung längs einer zweiten Achse (36) anspricht, die rechtwinklig zur ersten Achse (38) verläuft,
• c) eine Vorrichtung (74) versetzt die beiden Beschleunigungsmesser (10, 12) in Richtung einer dritten, rechtwinklig zur ersten und zur zweiten Achse (38, 36) verlaufenden Achse (40, 42) phasenverschoben in Schwingungen,
• d) an einer Trägervorrichtung sind jeweils mittels eines oberen bzw. eines unteren Tragarmes (14, 16) die beiden Beschleunigungsmesser (10, 12) befestigt, wobei der obere und der untere Tragarm (14, 16) sich jeweils sowohl über als auch unter den zugehörigen Beschleunigungsmesser (10, 12) erstrecken,
• e) die Trägervorrichtung weist zwei Doppelmembranaufhängungen (62, 64, 66, 68) auf, die jeweils die Abstützung für die Anordnung aus oberem bzw. unterem Tragarm (14, 16) und zugeordnetem Beschleunigungsmesser (10, 12) ist, und
• f) eine Vorrichtung zur Verarbeitung der den ausgeübten Beschleunigungskräften einschließlich den Coriolisbeschleunigungskräften entsprechenden Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser (10, 12).

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Beschleunigungsmesser (10, 12) in Schwingungen versetzende Vorrichtung (74) einen Elektromagneten aufweist, der zwischen den Doppelmembranaufhängungen (62, 64, 66, 68) befestigt ist.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfrequenz der Doppelmembranaufhängungen (62, 64, 66, 68) so hoch gewählt ist, daß die Coriolisbeschleunigungskräfte von den Beschleunigungskräften niedriger Frequenz unterschieden werden können.