DE3500043C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen einachsigen Multisensor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind bereits Versuche durchgeführt worden, um eine Trägheitsmasse zur Anzeige der Drehgeschwindigkeit eines Körpers zu verwenden. Derartige Versuche basieren auf der Coriolis-Beschleunigung, die ein vibrierender oder drehender Körper erfährt, der mit einem zweiten Körper befestigt ist, dessen Drehung gemessen werden soll. Die Coriolis-Beschleunigung ist durch folgende Gleichung bestimmt:

= 2 × ,

wobei

= Coriolis-Beschleunigung
= Winkelgeschwindigkeit des sich drehenden Koordinatensystems (zweiter Körper), die gemessen werden soll, und
= Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Drehachse.

Vorstehende Gleichung bringt das Grundprinzip zum Ausdruck, auf dem alle Vibrationskreisel wie auch Kreisel mit eine Spinnbewegung ausführenden Rädern basieren. Dabei tritt eine Coriolis-Beschleunigungskraft auf, wenn eine sich bewegende Masse eine rechtwinklig zur Drehachse eines zugeordneten drehenden Koordinatensystems verlaufende Geschwindigkeitskomponente hat. Dieses Prinzip ermöglicht die Messung der Winkelgeschwindigkeit mit einem oszillierenden Pendel, wie dies zuerst von Leon Foucault um 1850 gezeigt worden ist. Seit dieser Zeit gab es zahlreiche Versuche, um das Prinzip der Coriolis-Beschleunigung auf die Konstruktion von Geschwindigkeitskreiseln und geschwindigkeitsintegrierenden Kreiseln anzuwenden.

Aus diesen Versuchen zur Erzeugung eines die Geschwindigkeit messenden Kreisels nach den vorgenannten Prinzipen sind folgende Lösungen für Trägheitssensoren interessant: "Gyrotron" der Firma Sperry Gyroscope Corporation (1940); "A5 Gyro" der Firmal Royal Aircraft Establishment; "Vibrating String Gyro" der Firma North American Rockwell Corporation (Autonetics Division, Anaheim, California); "Viro" der Firma General Electric Corporation und "Sonic Bell Gyro" der Firma General Motors Corporation (Delco Division). Mit Ausnahme des "Gyrotron" liegen die Entwicklungen dieser Trägheitssensoren in den früher 60er Jahren.

Die vorgenannten Systeme gehen entweder von einem sich drehenden Körper oder einem freien, vibrierenden Körper aus, um die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Drehachse des zweiten Körpers einzuführen. Die Beschleunigungskraft, die auf einen solchen drehenden oder vibrierenden Körper einwirkt, wird dann so gemessen, daß die Coriolis-Beschleunigung erzielt wird. Kenn man die Coriolis-Beschleunigung und die Geschwindigkeit eines die Kraft messenden Elementes, läßt sich die Drehgeschwindigkeit des Körpers auf einfache Weise bestimmen.

Vibrierende Körper haben entscheidende Vorteile gegenüber Drehanordnungen, soweit es die mechanische Einfachheit betrifft. Um ein drehbares Trägheitsinstrument, das auf Coriolis-Beschleunigung anspricht, z. B. einen Beschleunigungsmesser zu erzielen, sind Kugellager, Schleifringe, Spinnrotoren und dergl. erforderlich. Ferner muß eine Drehanordnung in der Phase auf das Gehäuse bezogen sein, in welchem sie befestigt ist, um die Eingangswinkelgeschwindigkeit in die orthogonalen empfindlichen Achsen aufzulösen, wodurch derartige Anordnungen zusätzlich komplizierter werden.

Aus der US-PS 32 06 986 ist ein schwingender, stimmgabelartiger Rotationssensor bekannt. Aufgrund ihrer Trägheit schwingen die Abstimmgabeln und die Z-Achse oder um Achsen parallel zu dieser Z-Achse in der XY-Ebene. Wenn auf eine solche Abstimmgabel ein Drehmoment um eine Achse parallel zur Y-Achse einwirkt, wird über einen Querbalken ein Signal abgegeben.

Aus der Literaturstelle IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-3, Nr. 3, Mai 1967, Seiten 465-471, ist bekannt, daß die Messung von Drehgeschwindigkeiten mit Hilfe von linearen Beschleunigungsmessern möglich ist, wobei mathematisch durch Lösen der Beschleunigungsgleichungen die Winkelrotationen wie auch die lineare Beschleunigung berechnet werden.

Schließlich ist aus der DE-OS 34 44 142, die auf eine ältere Anmeldung zurückgeht, ein Multisensor mit zwei Beschleunigungsmessern bekannt, deren Abfühlachsen senkrecht aufeinander stehen.

Ein Problem, das bei Multisensoren auftreten kann, die einen oder mehrere in Vibrationen versetzte Sensoren vom Trägheitsmassentyp aufweisen, ergibt sich daraus, daß die Beschleunigungsinformation längs der Eingangsachse des Sensors oder der Sensoren im Ausgang des Sensors enthalten ist. Während bei vielen Anwendungsfällen und unter vielen Bedingungen die Beschleunigungsfrequenz vorhersagbar ist und außerhalb der interessierenden Bandbreite liegt, treten Schwierigkeiten auf, wenn die Frequenz der linearen Beschleunigung längs der Eingangsachse nahe der Vibrationsfrequenz des Sensors ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und billigen einachsigen Multisensor zu schaffen, der für Kurzzeit-Navigation eine ausreichende Genauigkeit ergibt, und dessen Herstellung auf einfache Weise möglich sein soll.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der Erfindung wird ein Multisensor vom Vibrationstyp erzielt, mit dem eine erhöhte Empfindlichkeit sowohl in bezug auf Beschleunigung als auf Drehung erreicht wird, der nicht Fehlern ausgesetzt ist, welche induziert werden, wenn die Frequenz der Beschleunigung mit der modulierten Frequenz des in Vibrationen versetzten Sensors zusammenfällt oder dieser Frequenz sehr nahekommt.

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

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Einachsen-Multisensor, bei dem der besseren Übersicht wegen Teile entfernt sind,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Einachsen-Multisensor längs der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1, und zusätzlich bestimmte Bauteile, die in Fig. 1 weggelassen worden sind,

Fig. 3 einen Teilquerschnitt in vergrößertem Maßstab längs der Linie 3-3 der Fig. 1, woraus sich ergibt, wie die Vibration der rechten und linken Beschleunigungsmesser erzielt wird, und

Fig. 4 ein Funktionsblockschaltbild einer Schaltung für die Signalverarbeitung.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf einen Multisensor. Eine Reihe von Teilen der Ausführungsform sind aus der Fig. 1 entfernt. Diese Teile sind in den anderen Figuren dargestellt und werden nachstehend beschrieben.

Der Multisensor weist einen rechten Beschleunigungsmesser 10 und einen linken Beschleunigungsmesser 12 auf, die in einem Gehäuse 14 angeordnet sind, dessen Deckseite in Fig. 1 weggelassen ist. Mindestens einer der Beschleunigungsmesser kann so ausgebildet sein, daß eine Trägheitsmasse in der Weise angeordnet ist, daß sie auf Beschleunigungskräfte längs einer vorbestimmten Richtung anspricht und dadurch eine Anzeige dieser Beschleunigungskräfte ergibt. Des weiteren kann der Beschleunigungsmesser mit unfreier Masse arbeiten. Andererseits können Beschleunigungsmesser mit offener Schleife oder eine Kombination von Sensoren mit offener und geschlossener Schleife im Multisensor verwendet werden. Zusätzlich kann der Multisensor mit Beschleunigungsmessern ausgeführt sein, die Elemente aufweisen, deren optische Eigenschaften während einer Beschleunigung geändert werden.

Die Beschleunigungsmesser sind innerhalb eines Hohlraumes 16 angeordnet, der im Inneren des Gehäuses 14 ausgebildet ist. Jeder Beschleunigungsmesser ist mit einem dreiteiligen Bügel befestigt; der rechte Beschleunigungsmesser 10 ist mit dem Bügel befestigt, der den Finger 18 und den Träger 19 aufweist, während der linke Beschleunigungsmesser 12 mit dem Bügel befestigt ist, der den Finger 20 und den Träger 21 enthält. Seitenträger sind in Fig. 1 nicht gezeigt, damit jeder Beschleunigungsmesser und jede Bügelanordnung einwandfrei sichtbar gemacht werden kann. Wie in den anderen Figuren der Zeichnung dargestellt, ist jedoch jede kombinierte Bügel-Beschleunigungsmesser-Anordnung sandwichartig zwischen zwei im Abstand versetzte flexible Seitenträger eingesetzt, die piezoelektrische Elemente aufweisen, welche zur Erzielung einer vorbestimmten Vibrationssensorbewegung verklebt sind.

Die Beschleunigungsmesser 10 und 12 sind innerhalb des Hohlraumes 16 so angeordnet, daß im Ruhezustand ihre Eingangsachsen 22 und 24 im wesentlichen kollinear verlaufen. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, die eine Querschnittsansicht längs der Linie 2-2 der Fig. 1 ist und die einige Elemente aufweist, die in Fig. 1 der besseren Übersicht wegen nicht dargestellt sind. Fig. 2 zeigt die rechten und linken parallelen Trägeraufhängungen, die voneinander versetzte Seitenträger in Paaren 25, 26 und 27, 28 besitzen, die die rechten und linken Anordnungen auf Beschleunigungsmesser und Bügel sandwichartig aufnehmen. Die rechte Bügelanordnung wird durch einen unteren Finger 30 und die linke Bügelanordnung durch einen unteren Finger 32 vervollständigt.

Die Massen der rechten und linken Anordnungen aus Beschleunigungsmesser, Bügel und Seitenträgerpaaren sind im wesentlichen die gleichen, um die Belastung an den Gehäusebefestigungen 34, 36, 38 und 40 so gering wie möglich zu halten. Eine derartige Paarbildung von Massen hat die Tendenz, in erster Linie lineare (reine Translations-)Vibrationskräfte zu kompensieren. In den Trägern 19 und 21 sind identische Löcher 42 und 44 vorgesehen, wobei das Loch 42 im wesentlichen nur zum Ausgleich der Masse dient, während das Loch 44 einen Magneten 46 aufnimmt, der dem Magneten 48 entspricht, welcher mit dem rechten Beschleunigungsmesser 10 befestigt ist.

Jeder der Magneten 46 und 48 wirkt mit einem gehäusefesten Paar von Spulen zusammen, die zusammen als die Multisensor-Geschwindigkeitsabnahme wirken. Im Falle des Magneten 48 induziert seine Vibration mit dem rechten Beschleunigungsmesser 10 einen Strom in den Geschwindigkeits-Abnahmespulen 50 und 52, die mit einem gehäusefesten Bügel 54 verbunden sind. Der Bügel 54 ergibt zusätzlich die Lage des rechten, die Beschleunigung wieder herstellenden Verstärkers 56. Die Vibration des linken Beschleunigungsmessers 12 und des Magneten 46 induziert einen Strom in den Geschwindigkeits-Abnahmespulen 58 und 60, die dem Bügel 62 zugeordnet sind. Der linke, die Beschleunigung wieder herstellende Verstärker 64 ist an einem weiteren gehäusefesten Bügel festgelegt.

Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht in vergrößertem Maßstab längs der Linie 3-3 der Fig. 1 und zeigt die Vorrichtung, die eine Vibration der Beschleunigungsmesser 10 und 12 ergibt. Wie dieser Ansicht entnommen werden kann, wird der rechte Beschleunigungsmesser 10 in fester Zuordnung zwischen den Seitenwänden 25 und 26 der rechten parallelen Schienenaufhängung mit Hilfe der im Abstand versetzten Finger 18 und 30 des Haltebügels gehalten. Die Seitenträger 25 und 26 erstrecken sich über die Länge des Hohlraumes 16 und sind an ihren Enden mit den entgegengesetzten Trägerabstützgelenken 66 und 68 befestigt. Die Seitenträger haben jeweils einen etwa W-förmigen Querschnitt mit nach außen gerichteten verstärkten Teilen, die einstückig mit dünnen, stegartigen Bauteilen ausgebildet sind.

Piezoelektrische Elemente 70, 72, 74, 76 sind mit den stegförmigen Teilen der Seitenträger mittels Klebstoff, z. B. Epoxydkleber oder dergl. verbunden. Metallisierte bzw. Metallkontakte sind auf die piezoelektrischen Elemente paarweise aufplattiert. Derartiges piezoelektrisches Material wird in an sich bekannter Weise einer voraussagbaren und reproduzierbaren Deformation aufgrund von positiven und negativen elektrischen Potentialen unterzogen. Werden negative und positive elektrische Potentiale beispielsweise an in geeigneter Weise polarisierte Elemente nach der in Fig. 3 angezeigten Kombination angelegt, werden den Seitenträgern nutzbare Kräfte aufgegeben, um jeden an seinem Mittelpunkt nach oben zu drücken. Durch Umkehr der Vorzeichen der angegebenen Potentiale werden umgekehrt die Kombinationen aus Seitenband, Bügel und Beschleunigungsmesser nach unten gedrückt. Damit wird durch entsprechende Folge von Polaritäten der elektrischen Signale, die den Seitenwänden aufgegeben werden, der Beschleunigungsmesser 10 (und der Beschleunigungsmesser 12) mit einer vorbestimmten Frequenz und Amplitude nach oben und unten in Vibration versetzt.

Nach Fig. 2 werden die Vibrationen der Beschleunigungsmesser 10 und 12 mit einer Phasendifferenz von 180° so induziert, daß sie längs der parallelen Achsen 78 und 80 auftreten. Aufgrund der vorbeschriebenen Coriolis-Beschleunigungskräfte, die in einem vibrierenden System induziert werden, induzieren die Vibrationen der Beschleunigungsmesser 10 und 12 meßbare Beschleunigungskräfte proportional der Drehgeschwindigkeit des Multisensors in der Richtung der Eingangsachse eines jeden Beschleunigungsmessers. Somit enthalten die Ausgänge der Beschleunigungsmesser 10 und 12 ein Maß für die Drehgeschwindigkeit des Systems um die Achse 82, wie in Fig. 1 gezeigt.

Fig. 4 ist ein schematisches Schaltbild einer elektrischen Schaltung zur Bestimmung sowohl der linearen Beschleunigung längs der Eingangsachsen der Beschleunigungsmesser 10 und 12 als auch der Drehung um die Achse 82 mit hoher Genauigkeit, indem der von einem Multisensor nach der vorausgehenden Erörterung erzeugte Ausgang verwendet wird. Durch Verarbeitung der Signale in der dargestellten Weise wird eine Meßgenauigkeit erzielt, die sonst in einem Coriolis-Multisensor gefährdet würde, wenn Beschleunigungen längs der Eingangsachse des Beschleunigungsmessers bei Frequenzen auftreten, die der Modulationsfrequenz der Vibration des Beschleunigungsmessers angenähert sind.

Die Signale, die die Vibrationen der Beschleunigungsmesser erzeugen, werden in Stromleitern 88 und 90 durch eine Treiberschaltung 86 geführt. In die rechten und linken Abnahmespulenpaare induzierte Ströme betätigen die Treiberschaltung 86 in einer Eigenresonanzanordnung. Beispielsweise ist die abgefühlte Vibration des linken Beschleunigungsmessers, die in einen entsprechenden sinusförmigen Strom proportional der Geschwindigkeit durch Zusammenwirken des Magneten 46 mit den linken Abnahmespulen 58, 60 umgewandelt wird, in Fig. 4 so dargestellt, daß sie als Eingang in die Treiberschaltung 86 aufgegeben wird. Zusätzlich dient das in den Abnahmespulen induzierte Signal als Demodulationsbezugssignal durch Anlegen an einen Demodulator 92. Das Coriolis-Beschleunigungssignal, ein Vektorprodukt, schwingt mit einer Frequenz gleich der der Vibrationsfrequenz des abfühlenden Beschleunigungsmessers und der Amplitude proportional der Eingangswinkelgeschwindigkeit. Somit erfordert das Extrahieren des Winkelgeschwindigkeits- oder Geschwindigkeitsinformation eine Demodulation eines sinusförmigen Signales.

Die Ausgänge der rechten und linken Beschleunigungsmesser werden parallel sowohl einem Differentialverstärker 94 als auch einem Summierverstärker 96 zugeführt. Wenn die Beschleunigungsmesser um 180° phasenverschoben in Vibrationen versetzt werden, haben die Bestandteile ihrer Signalausgänge, die sich auf die Messung der Coriolis-Beschleunigung beziehen, entgegengesetztes Vorzeichen, während die Teile, die sich auf die lineare Beschleunigung beziehen, nicht in dieser Weise beeinfluß werden und gleiches Vorzeichen haben. Somit ist der Ausgang des Differentialverstärkers 94, ein Maß der Differenz zwischen den Beschleunigungsmesserausgängen, lediglich ein Maß für die Coriolis-Beschleunigung und somit die Drehung, da die Teile der Ausgänge, die auf eine lineare Beschleunigung ansprechen, unabhängig von der Beziehung zwischen den Frequenzen dieser beiden individuellen Bestandteile des Beschleunigungsmesserausganges aufgehoben werden. Als weitere Folge des gleichen und entgegengesetzten Richtungssinns der Coriolis- oder Geschwindigkeitskomponenten der Sensorausgänge ergibt der Ausgang des Differentialverstärkers 94 ein doppelt so empfindliches Maß der Drehung wie der Ausgang eines Beschleunigungsmessers mit einer einzigen Komponente des Multisensors.

Der Geschwindigkeitsausgang wird dann dem Demodulator 92 aufgegeben, der in der oben erwähnten Weise den induzierten sinusförmigen Strom der Geschwindigkeitsabnahmespulen als Demodulationsbezug verwendet. Der demodulierte Geschwindigkeitsausgang wird dann einem Filter 98 zur endgültigen Extraktion des Geschwindigkeitssignales aufgegeben.

Als weitere Folge des entgegengesetzten Richtungssinns der Coriolis-Komponenten der Ausgänge der rechten und linken Beschleunigungsmesser enthält der Ausgang des Summierverstärkers 96, dem die Beschleunigungsmesserausgänge aufgegeben werden, keine Geschwindigkeitsinformation und stellt ein doppelt so empfindliches Maß der linearen Beschleunigung längs der koinzidenten Beschleunigungsmesser-Eingangsachsen dar, wie der Ausgang eines einzigen der Beschleunigungsmesser 10 oder 12. Dieses Ausgangssignal wird nicht demoduliert (im Unterschied zu dem Geschwindigkeitssignal), da es ein direktes Maß für die Beschleunigung ist, gleichgültig, ob die Beschleunigung in ihrer Art eine Vibrationsbeschleunigung ist oder nicht. Anschließend wird das Signal dem Filter 100 aufgegeben, um daraus eine Beschleunigungsinformation zu extrahieren.

Claims (3)

1. Einachsiger Multisensor, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• a) ein auf Beschleunigung längs einer ersten Achse (22) ansprechender erster Beschleunigungsmesser (10),
• b) ein auf Beschleunigung längs einer zweiten Achse (24) ansprechender zweiter Beschleunigungsmesser (12), wobei die zweite Achse (24) im Ruhezustand im wesentlichen kollinear mit der ersten Achse (22) verläuft,
• c) Trägeraufhängungen (18, 19, 25, 26, 30; 20, 21, 27, 28, 32) für die Beschleunigungsmesser (10, 12),
• d) mit den Beschleunigungsmessern (10, 12) verbundene Magnete (46, 48), die mit gehäusefesten, als Geschwindigkeitsabnahme wirkenden Spulen (50, 52; 58, 60) zusammenarbeiten,
• e) Vibrationsvorrichtungen (70, 72, 74, 76), die mit den Trägeraufhängungen (18, 19, 25, 26, 30; 20, 21, 27, 28, 32) so befestigt und die so ausgelegt sind, daß die Beschleunigungsmesser (10, 12) längs paralleler Achsen (78, 80) phasenverschoben in Schwingungen versetzt werden, wobei diese parallelen Achsen (78, 80) im rechten Winkel zur ersten bzw. zweiten Achse verlaufen, und
• f) eine Schaltung (86, 88, 90, 92, 94, 96, 98, 100) zur Verarbeitung der Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser (10, 12) und der Spulen (50, 52; 58, 60).

2. Multisensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Beschleunigungsmesser (10, 12) eine Trägheitsmasse aufweist.

3. Multisensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationsvorrichtungen (70, 72, 74, 76) piezoelektrische Elemente aufweisen.