DK143046B

DK143046B - ANGLE SPEED SENSOR

Info

Publication number: DK143046B
Application number: DK675069AA
Authority: DK
Inventors: V H Aske
Original assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1968-12-19
Filing date: 1969-12-19
Publication date: 1981-03-16
Also published as: SE351296B; YU33637B; CA941635A; YU317369A; NL6918942A; DE1962136C3; DE1962136A1; JPS4938462B1; BE743266A; DE1962136B2; CH503997A; AT293069B; FR2026574A1; DK143046C; GB1282579A

Description

(9) \Ra/ OD FREMLÆGGELSESSKRIFT 1U3046 DANMARK (ευ int. ci.3 g o i p 3/u »(21) Ansøgning nr. 675^/69 (22) Indleveret den 19« deC. 1969 (24) Løbedag 1 9 . deC. 1 9&9 (44) Ansøgningen fremlagt og(9) \ Ra / OD PRESENTATION LETTER 1U3046 DENMARK (ευ int. Ci.3 goip 3 / u »(21) Application No. 675 ^ / 69 (22) Filed on 19« Dec. 1969 (24) Maturity day 1 9th Dec. 1 9 & 9 (44) The application submitted and

fremlæggelsesskriftet offentliggjort den 1 6. tnar. 1 98Ithe petition published on 1 6. tnar. 1 98I

DIREKTORATET FORDIRECTORATE FOR

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET <30> Prioritet begæret fra denPATENT AND TRADEMARK SYSTEM <30> Priority requested from it

19. dec. 1968, 785252, USDec 19 1968, 785252, US

(7U HONEYWELL INC., 2701, Fourth Avenue South, Minneapolis, Minnesota, US· (72) Opfinder: Vernon H. Aske, 3415 Arbor Land, Hopkins, Minnesota, us, (74) Fuldmægtig under sagens behandling:(7U HONEYWELL INC., 2701, Fourth Avenue South, Minneapolis, Minnesota, US · (72) Inventor: Vernon H. Aske, 3415 Arbor Land, Hopkins, Minnesota, us, (74) Agent in proceedings:

Ingeniørfirmaet Lehmann & Ree.The engineering firm Lehmann & Ree.

(54) Vinkelhastighedsføler.(54) Angular velocity sensor.

Den foreliggende opfindelse angår en vinkelhastighedsføler, d.v.s. en føler, som, når den drejes rundt omkring sin følsomhedsakse eller sine følsomhedsakser, giver udgangssignaler, der angiver dens vinkelhastighed omkring disse akser.The present invention relates to an angular velocity sensor, i.e. a sensor which, when rotated about its axis of sensitivity or its axes of sensitivity, gives output signals indicating its angular velocity about these axes.

Mange vinkelhastighedsfølere anvender gyroskopiske principper og er følgelig komplicerede og kostbare på grund af det store antal præcisionskomponenter, som kræves. Endvidere gør anvendelsen af gyroskopiske principper sådanne følere udsatte for fejl på grund af temperatur, masseubalance og dynamisk tværkobling.Many angular velocity sensors use gyroscopic principles and are consequently complicated and expensive due to the large number of precision components required. Furthermore, the application of gyroscopic principles makes such sensors prone to failure due to temperature, mass imbalance and dynamic cross-coupling.

Der kendes endvidere vinkelhastighedsfølere, hvori den såkaldte corioliskraft udnyttes. Sådanne følere er også relativt komplicerede og kostbare. Således skal grundinertielementet i en coriolisføler være præcist afbalanceret for at få et nøjagtigt følerudgangssignal.Angular velocity sensors are also known, in which the so-called Coriolis force is utilized. Such sensors are also relatively complicated and expensive. Thus, the basic inertial element of a Coriolis sensor must be precisely balanced to obtain an accurate sensor output signal.

2 1430462 143046

De fleste coriolisfølere anvender desuden piezoelektriske krystaller til at afføle svingninger. Sådanne krystaller er imidlertid stærkt temperaturfølsomme, hvilket naturligvis medfører driftsvanskeligheder. Følere af coriolistypen er endvidere følsomme for lineære accelerationer, hvorfor der ofte skal træffes forholdsregler til at eliminere udgangssignaler forårsaget af sådanne accelerationer. Endelig er udgangssignalet i en coriolisføler afhængigt af omdrejningshastigheden.In addition, most Coriolis sensors use piezoelectric crystals to sense oscillations. However, such crystals are highly temperature sensitive, which of course leads to operational difficulties. Coriolis-type sensors are also sensitive to linear accelerations, so precautions must often be taken to eliminate output signals caused by such accelerations. Finally, the output signal in a Coriolis sensor depends on the speed of rotation.

For at undgå de ovennævnte problemer er der blevet udviklet en vinkelhastighedsføler af en anden art. I denne vinkelhastighedsføler anvendes en føler, der virker i afhængighed af vinkelacceleration i stedet for hastighed, og føleren drejes således,at dens føl-somhedsakse ligger langs den ønskede akse først den ene vej og derefter den anden. Ved drejningen ændres vinkelhastigheden af føleren således med det dobbelte af vinkelhastigheden, der skal måles. Denne ændring i vinkelhastighed er en vinkelacceleration, som måles af føleren. Metoden med gentagen drejning af en vinkelaccelerationsføler muliggør således måling af vinkelhastigheden.To avoid the above problems, an angular velocity sensor of a different kind has been developed. In this angular velocity sensor, a sensor is used which operates as a function of angular acceleration instead of velocity, and the sensor is rotated so that its axis of sensitivity lies along the desired axis first one way and then the other. Thus, during rotation, the angular velocity of the sensor changes by twice the angular velocity to be measured. This change in angular velocity is an angular acceleration measured by the sensor. The method of repeated rotation of an angular acceleration sensor thus enables measurement of the angular velocity.

Vinkelaccelerationen af accelerometret er imidlertid ikke kun afhængig af vinkelhastigheden, der skal måles, men også af den hastighed, hvormed det drejes. Hastigheden, hvormed det drejes, skal følgelig normalt styres nøjagtigt, da enhver variation i drejningshastigheden vil frembringe en tilsvarende variation og unøjagtighed i udgangssignalet. Det er formålet med den foreliggende opfindelse at afhjælpe denne ulempe.However, the angular acceleration of the accelerometer depends not only on the angular velocity to be measured, but also on the speed at which it rotates. Accordingly, the speed at which it rotates must normally be controlled accurately, as any variation in the rotational speed will produce a corresponding variation and inaccuracy in the output signal. It is the object of the present invention to remedy this drawback.

Opfindelsen angår således en vinkelhastighedsføler af den i krav l's indledning angivne art, som er ejendommelig ved det i samme kravs kendetegnende del angivne. Ved anvendelse af et væskeringsaccelerometer, hvor væsken i ringen kan bevæge sig frit omkring ringen, og en motor til drejning af ringen ved en hastighed, som er tilstrækkelig stor til,at de viskose modstandsvirkninger af ringen på væsken er forsvindende små, gøres amplituden af udgangssignalet kun afhængig af vinkelhastigheden, der skal måles, og uafhængig af drejningshastigheden af accelerometret. Denne drejningshastighed påvirker kun frekvensen af udgangssignalet.The invention thus relates to an angular velocity sensor of the type specified in the preamble of claim 1, which is characterized by the characterizing part of the same claim. By using a liquid ring accelerometer, where the liquid in the ring can move freely around the ring, and a motor for rotating the ring at a speed sufficiently large that the viscous resistance effects of the ring on the liquid are vanishingly small, the amplitude of the output signal is made only depending on the angular velocity to be measured and independent of the rotational speed of the accelerometer. This rotational speed only affects the frequency of the output signal.

Som det senere vil fremgå mere klart, fungerer vinkelhastighedsføleren ifølge opfindelsen ikke gyroskopisk og lider derfor ikke af de deraf følgende tidligere nævnte ulemper. Endvidere optræder heller ikke de ovenfor nævnte ulemper ved følere af coriolistypen. Der kræves således ikke nogen præcisionsafbalancering, ligesom der ikke anvendes temperaturfølsomme krystaller. Konstruktionen af vinkelhastighedsfdie- 3 143046 ren ifølge opfindelsen kan være en sådan, at behovet for nulindstilling undgås og tillige muliggøres dens anvendelse over et bredt temperaturområde uden temperaturregulering. Føleren kan være af en konstruktion, som er ufølsom for lineær acceleration, og dynamisk tværkobling kan undgås. Endvidere kan den tilvejebringe et selvgenereret udgangssignal ved en slags dynamovirkning.As will become more apparent later, the angular velocity sensor according to the invention does not function gyroscopically and therefore does not suffer from the consequent previously mentioned disadvantages. Furthermore, the above-mentioned disadvantages of Coriolis-type sensors also do not occur. Thus, no precision balancing is required, nor are temperature sensitive crystals used. The construction of the angular velocity spring according to the invention can be such that the need for zero setting is avoided and also its use over a wide temperature range without temperature control is enabled. The sensor can be of a construction which is insensitive to linear acceleration, and dynamic cross-coupling can be avoided. Furthermore, it can provide a self-generated output signal by a kind of dynamo effect.

Virkemåden af vinkelhastighedsføleren ifølge opfindelsen forstås bedst ved betragtning af et bestemt eksempel på den foran beskrevne konstruktion. Accelerometerunderstøtningen antages at have et, fortrinsvis to, lejer, som tillader accelerometret, der kan være af den enaksede type, at dreje rundt. Organerne til at bevæge, i dette tilfælde til at dreje, accelerometret rundt, kan være en motor, som fortrinsvis er således indrettet, at den drejer accelerometret rundt med en i det væsentlige konstant hastighed. Det antages, at føleren som et hele er monteret på et legeme, hvis vinkelhastighed skal måles, og at denne montering er en sådan, at accelerome-trets rotationsakse er vinkelret på den akse, omkring hvilken denne rotation sker, følgelig benævnt "måle"-aksen.The operation of the angular velocity sensor according to the invention is best understood by considering a particular example of the construction described above. The accelerometer support is assumed to have one, preferably two, bearings which allow the accelerometer, which may be of the uniaxial type, to rotate. The means for moving, in this case for rotating, the accelerometer may be a motor which is preferably arranged to rotate the accelerometer at a substantially constant speed. It is assumed that the sensor as a whole is mounted on a body whose angular velocity is to be measured, and that this mounting is such that the axis of rotation of the accelerometer is perpendicular to the axis around which this rotation takes place, hence called "measuring" - axis.

Når accelerometret drejes rundt af motoren, kommer dets føleakse følgelig på linie med måleaksen én gang for hver 18o°'s omdrejning. Når de to akser er på linie, er vinkelhastigheden, som virker omkring accelerometrets føleakse, naturligvis vinkelhastigheden af legemet omkring måleaksen. Mellem de to på linie liggende stillinger afhænger andelen af vinkelhastigheden omkring måleaksen, som virker omkring accelerometrets føleakse, dvs. vinkelhastigheds-vektorkomposanten, af vinklen mellem de to akser, r.eks. er det klart, at når vinklen er 9o°, dvs. at de to akser er vinkelret på hinanden, er vinkelhastighedsvektorkomposanten, som virker omkring føle-aksen, nul. Mellem disse to stillinger varierer denne vektorkompo-sant med tiden på sinusformet måde.Consequently, when the accelerometer is rotated by the motor, its sensing axis aligns with the measuring axis once every 18 ° of rotation. When the two axes are in line, the angular velocity acting around the sensing axis of the accelerometer is, of course, the angular velocity of the body about the measuring axis. Between the two aligned positions depends the proportion of the angular velocity around the measuring axis, which acts around the sensing axis of the accelerometer, ie. the angular velocity vector component, of the angle between the two axes, e.g. it is clear that when the angle is 9o °, ie. that the two axes are perpendicular to each other, the angular velocity vector component acting around the feel axis is zero. Between these two positions, this vector component varies with time in a sinusoidal manner.

Når accelerometret drejes rundt af motoren, er det følgelig udsat for en vinkelhastighed omkring sin føleakse, og denne vinkelhastighed vokser fra nul til legemets hastighed omkring sin måleakse i løbet af de 9o° forud for den orientering, hvor akserne er på linie. Under de næste 9o° falder den til nul. Under de følgende 9o° vokser den til hastigheden af legemet, effektivt i den modsatte retning på grund af vinkelændringen på 18o°, og under de næste 9o° falder den derpå igen til nul.Consequently, when the accelerometer is rotated by the motor, it is subjected to an angular velocity about its sensing axis, and this angular velocity increases from zero to the velocity of the body about its measuring axis during the 90 ° prior to the orientation where the axes are aligned. During the next 9o ° it drops to zero. Below the following 9o ° it grows to the velocity of the body, effectively in the opposite direction due to the angular change of 18o °, and below the next 9o ° it then drops again to zero.

Accelerometret udsættes således for en sinusformet og med tiden varierende vinkelhastighed, dvs. en sinusformet varierende acceleration omkring sin føleakse. Denne acceleration afhænger af 4 143046The accelerometer is thus exposed to a sinusoidal and time-varying angular velocity, i.e. a sinusoidal varying acceleration about its sensor axis. This acceleration depends on 4 143046

Vinkelhastigheden af legemet omkring måleaksen og af vinkelhastigheden af accelerometret omkring sin omdrejningsakse, dvs. motorhastigheden. Hvis den førstnævnte er kendt, angiver accelerometerudgangssignalet følgelig legemets vinkelhastighed omkring måleaksen.The angular velocity of the body about the measuring axis and of the angular velocity of the accelerometer about its axis of rotation, i.e. the engine speed. Accordingly, if the former is known, the accelerometer output signal indicates the angular velocity of the body about the measuring axis.

Som tidligere understreget er den netop beskrevne konstruktion af vinkelhastighedsføleren kun et eksempel. Accelerometerunder-støtningen kan således være en sådan, at den tillader oscillation af accelerometret i stedet for rotation. I dette tilfælde kan organerne til bevægelse af accelerometret være en svingningsmekanisme. Andre former for accelerometerbevægelse vil let indses, idet det eneste krav er, at de skal medføre variation af vinklen mellem måle- og føleakser-ne. Det er følgelig ikke nødvendigt, at aksen for rotation eller anden bevægelse af accelerometret er vinkelret på dets føleakse. Forudsat at disse to akser ikke er parallelle, vil bevægelse af accelerometret medføre en sådan vinkelvariation.As previously emphasized, the construction of the angular velocity sensor just described is only an example. The accelerometer support may thus be such as to allow oscillation of the accelerometer instead of rotation. In this case, the means for moving the accelerometer may be an oscillation mechanism. Other forms of accelerometer movement will be readily apparent, the only requirement being that they cause variation in the angle between the measuring and sensing axes. Accordingly, it is not necessary that the axis of rotation or other movement of the accelerometer be perpendicular to its sensing axis. Provided that these two axes are not parallel, movement of the accelerometer will result in such an angular variation.

Det følger af det foregående, at bevægelse af føleren som et hele omkring en eller anden akse, der ikke er parallel med omdrejningsaksen, vil frembringe en deraf følgende virkning på accelerometerudgangssignalet på grund af den resulterende med tiden varierende vinkelhastighedsvektorkomposant, som vil virke omkring accelerome-trets føleakse. Følgelig kan en sådan føler betragtes som havende mere end en føle- eller måleakse. For at bestemme de separate vinkelhastigheder omkring de respektive måleakser i stedet for blot den resulterende vinkelhastighed, hvoraf den sidste er repræsenteret ved accelerometerudgangssignalet, skal komposanterne afhængige af de respektive vinkelhastigheder imidlertid uddrages af udgangssignalet. I dette øjemed kan accelerometret indeholde organer til at give signaler, som angiver de øjeblikkelige værdier af vinklerne mellem accele-rometrets føleakse og følerens måleakser, og organer til at sammenligne disse signaler med accelerometerudgangssignalet. Sammenligningsorganerne kan virke på samme måde som en demodulator, men i hvert tilfælde uddrager de af accelerometerudgangssignalet de komposanter, som forårsages af vinkelhastighederne omkring de respektive måleakser.It follows from the foregoing that movement of the sensor as a whole about some axis not parallel to the axis of rotation will produce a consequent effect on the accelerometer output signal due to the resulting time varying angular velocity vector component which will act around the accelerometer. third sense axis. Consequently, such a sensor can be considered as having more than one sensing or measuring axis. However, in order to determine the separate angular velocities about the respective measurement axes instead of merely the resulting angular velocity, the last of which is represented by the accelerometer output signal, the components depending on the respective angular velocities must be extracted from the output signal. To this end, the accelerometer may include means for providing signals indicating the instantaneous values of the angles between the sensing axis of the accelerometer and the measuring axes of the sensor, and means for comparing these signals with the accelerometer output signal. The comparators may act in the same way as a demodulator, but in each case they extract from the accelerometer output signal the components which are caused by the angular velocities about the respective measuring axes.

Væsentlige fordele opnås ved hjælp af accelerometret indeholdende en magnet og en leder, som er bevægelige i forhold til hinanden omkring accelerometrets føleakse, idet konstruktionen af dette er en sådan, at ved acceleration af accelerometret omkring dets føleakse accelererer magneten eller lederen med samme hastighed, medens den anden udsættes for en kraft, som er utilstrækkelig til at bringe den til at accelerere med samme hastighed, hvorved der som resultat optræder en relativ bevægelse, således at der følgelig induceres enSignificant advantages are obtained by means of the accelerometer containing a magnet and a conductor which are movable relative to each other about the sensing axis of the accelerometer, the construction of which is such that upon acceleration of the accelerometer about its sensing axis the magnet or conductor accelerates at the same speed. the other is subjected to a force which is insufficient to cause it to accelerate at the same speed, whereby as a result a relative motion occurs, so that consequently a

5 U304G5 U304G

trøm i lederen af magnetens felt, hvilken strøm derfor tilvejebringer accelerometrets udgangssignal. En af disse fordele er, at sådanne accelerometre frembringer et selvgenereret udgangssignal. En anden endnu mere vigtig fordel hidrører fra, at motoren er således indrettet, at den drejer accelerometret rundt med en hastighed, som er tilstrækkeligt høj til, at magneten eller lederen, som udsættes for den nævnte kraft, forbliver i det væsentlige i stilstand, så at den relative bevægelse af magneten og lederen er i det væsentlige lig med følerens vinkelhastighed omkring sin føleakse eller -akser. Under disse forhold er accelerometerudgangssignalet, som er afhængigt af den strøm, der induceres i lederen, i det væsentlige uafhængigt af motorhastigheden. Følgelig kan en ikke reguleret motor, dvs. en motor, som ikke har konstant hastighed, f.eks. en induktions- eller hysteresemotor, anvendes til at dreje accelerometret rundt, hvilket medfører en reduktion i pris. En sådan virkemåde kan også bedst beskrives ved betragtning af et eksempel, hvor det antages, at magneten er af den permanente type, er ringformet og er fastgjort i accelerometret koncentrisk med dettes føleakse, lederen er en kviksølvring, der også er koncentrisk med føleaksen, og en spole er anbragt i nærheden af kviksølvringen, og ved relativ bevægelse af kviksølvringen og magnetfeltet induceres en strøm i spolen af strømmen i kviksølvringen, hvor den førstnævnte strøm udgør accelerometrets udgangssignal.current in the conductor of the field of the magnet, which current therefore provides the output signal of the accelerometer. One of these advantages is that such accelerometers produce a self-generated output signal. Another even more important advantage derives from the fact that the motor is arranged so that it rotates the accelerometer at a speed which is sufficiently high that the magnet or conductor which is subjected to said force remains substantially at a standstill, so that that the relative motion of the magnet and the conductor is substantially equal to the angular velocity of the sensor about its sensing axis or axes. Under these conditions, the accelerometer output signal, which is dependent on the current induced in the conductor, is substantially independent of the motor speed. Consequently, an unregulated motor, i.e. a motor which does not have a constant speed, e.g. an induction or hysteresis motor, is used to turn the accelerometer around, resulting in a reduction in cost. Such an operation can also be best described by way of example, where it is assumed that the magnet is of the permanent type, is annular and is fixed in the accelerometer concentric with its sensing axis, the conductor is a mercury ring also concentric with the sensing axis, and a coil is arranged in the vicinity of the mercury ring, and by relative movement of the mercury ring and the magnetic field a current is induced in the coil by the current in the mercury ring, the former current constituting the output signal of the accelerometer.

Det antages, at accelerometret, som indeholder kviksølvringen, drejes rundt med en konstant vinkelhastighed omkring sin føleakse. Hvis vinkelhastigheden af accelerometret forøges, drejer accelerometret til at begynde med rundt omkring kviksølvet og frembringer derved en kraft, som søger at accelerere kviksølvet op til denne højere hastighed. Situationen er følgelig den, at accelerometret accelererer med samme acceleration, medens kviksølvet også accelererer, men med en lavere acceleration. Denne lavere acceleration er afhængig af den kraft, som udøves af accelerometret på kviksølvet, og det kan vises, at denne er i det væsentlige uafhængig af den relative rotationshastighed, dvs. af accelerometrets vinkelacceleration. Det følger heraf, at den maksimale værdi af forskellen mellem de to accelerationer er afhængig af vinkelaccelerationen af accelerometret. Denne maksimale værdi svarer til den maksimale relative rotationshastighed mellem accelerometret og dermed magneten og kviksølvet. Følgelig er den maksimale amplitude af accelerometrets udgangsstrøm afhængig af vinkelaccelerationen.It is assumed that the accelerometer, which contains the mercury ring, rotates at a constant angular velocity about its sensing axis. If the angular velocity of the accelerometer increases, the accelerometer initially rotates around the mercury, thereby producing a force which seeks to accelerate the mercury up to this higher velocity. Consequently, the situation is that the accelerometer accelerates with the same acceleration, while the mercury also accelerates, but with a lower acceleration. This lower acceleration is dependent on the force exerted by the accelerometer on the mercury, and it can be shown that this is substantially independent of the relative rotational speed, i.e. of the angular acceleration of the accelerometer. It follows that the maximum value of the difference between the two accelerations depends on the angular acceleration of the accelerometer. This maximum value corresponds to the maximum relative rotational speed between the accelerometer and thus the magnet and the mercury. Consequently, the maximum amplitude of the output current of the accelerometer depends on the angular acceleration.

Dette er rigtigt, hvis kviksølvet bevæger sig over en væ- 6 143046 sentlig afstand- Når accelerometret imidlertid danner en del af en vinkelhastighedsføler ifølge opfindelsen, er dette ikke nødvendigvis tilfældet. Da kviksølvets acceleration er i det væsentlige uafhængig af vinkelaccelerationen, som udøves på accelerometret ved forøgelse af motorhastigheden, aftager den afstand, over hvilken kviksølvet bevæges som følge af følerens rotation omkring sin måleakse, og over en vis motorhastighed, der kan være ca. looo omdrejninger pr. minut, forbliver kviksølvet i det væsentlige i stilstand. Under disse omstændigheder drejer accelerometret og dermed magneten i virkeligheden rundt skiftevis i modsatte retninger omkring en stationær leder, hvori den maksimale amplitude af strømmen derfor er afhængig af vinkelhastigheden af føleren omkring dens måleakse. Accelerometret fungerer således i virkeligheden ikke som et rigtigt accelerometer, idet amplituden af dets udgangssignal kun er afhængig af akselhastigheden og ikke også af motorhastigheden. Det er dette forhold, som muliggør anvendelse af en ikke reguleret motor.This is true if the mercury moves over a significant distance. However, when the accelerometer forms part of an angular velocity sensor according to the invention, this is not necessarily the case. Since the acceleration of mercury is essentially independent of the angular acceleration exerted on the accelerometer by increasing the motor speed, the distance over which the mercury moves due to the rotation of the sensor about its measuring axis decreases, and over a certain motor speed which may be approx. looo revolutions per. minute, the mercury remains essentially at a standstill. Under these circumstances, the accelerometer and thus the magnet actually rotate alternately in opposite directions around a stationary conductor, the maximum amplitude of the current therefore depending on the angular velocity of the sensor about its measuring axis. Thus, the accelerometer does not in fact function as a real accelerometer, the amplitude of its output signal being dependent only on the shaft speed and not also on the motor speed. It is this condition that allows the use of an unregulated motor.

Til yderligere forklaring af funktionen af vinkelhastigheds-målere ifølge opfindelsen skal der i det følgende henvises til tegningen , hvor fig. 1A-1E i idealiseret form viser de forskellige accele-rometerudgangssignaler, som fås fra vinkelhastigheds- og vinkelaccelerationsfølsomme accelero-metre, fig. 2 et tværsnit i en udførelsesform for en vinkelhastighedsføler ifølge opfindelsen, fig. 3 i perspektiv og delvis i snit vinkelaccelerome-tret anvendt i føleren vist i fig. 2, fig. 4 et billede ovenfra af accelerometret anvendt i en anden udførelsesform for en vinkelhastighedsføler ifølge opfindelsen og fig. 5 et snit efter linien 5-5 i fig. 4.For a further explanation of the function of angular velocity meters according to the invention, reference should be made in the following to the drawing, in which fig. 1A-1E in idealized form show the various accelerometer output signals obtained from angular velocity and angular acceleration sensitive accelerometers, FIG. 2 is a cross-sectional view of an embodiment of an angular velocity sensor according to the invention, FIG. 3 in perspective and partly in section the angular accelerometer used in the sensor shown in fig. 2, fig. 4 is a top view of the accelerometer used in another embodiment of an angular velocity sensor according to the invention, and FIG. 5 is a sectional view taken along line 5-5 of FIG. 4.

Der henvises først til fig. 1A, hvor accelerometret er betegnet med 7 og monteret således, at det kan rotere kontinuert omkring en akse lo. Accelerometret har en føleakse 11 vinkelret på omdrejningsaksen lo. Vinkelhastighedsføleren, hvori det anvendes, antages at have på hinanden vinkelrette måleakser 1 og 2, der begge er vinkelrette på omdrejningsaksen lo.Referring first to FIG. 1A, where the accelerometer is denoted by 7 and mounted so that it can rotate continuously about an axis lo. The accelerometer has a sensing axis 11 perpendicular to the axis of rotation lo. The angular velocity sensor in which it is used is assumed to have perpendicular measuring axes 1 and 2, each of which is perpendicular to the axis of rotation lo.

Det antages først, at føleren drejes rundt omkring måleaksen 1 med en konstant hastighed medens accelerometret 7 drejes rundt med en konstant hastighed (ύ omkring aksen lo. Vektorkomposan- 7 143046 ten af(i>m, der virker omkring accelerometrets føleakse 11, er repræsenteret ved ligningen UJ = GJ sin tø t, hvor (d = (j) til tidspunk- s m r s m ter t^ og t^ og (Us = 0 til tidspunkter 12 og t^. Afhængigt af om accelerometret virker i afhængighed af vinkelhastigheden alene eller ligeledes af omdrejningshastigheden frembringer det et udgangssignalid,, eller (i) med de i fic. 1E viste former.It is first assumed that the sensor is rotated about the measuring axis 1 at a constant speed while the accelerometer 7 is rotated at a constant speed (ύ about the axis lo. The vector component of (i> m acting about the sensing axis 11 of the accelerometer is represented) for the equation UJ = GJ sin tø t, where (d = (j) to time smrsm ter t ^ and t ^ and (Us = 0 to times 12 and t ^. Depending on whether the accelerometer operates depending on the angular velocity alone or also of the rotational speed, it produces an output signal, or (i) with the shapes shown in Fig. 1E.

I det førstnævnte tilfælde er det klart, at amplituden af accelerometerudgangssignalet (jl»s er uafhængig af omdrejningshastighe-denCdr som allerede forklaret, selv om frekvensen af udgangssignalet Cd s naturligvis afhænger af (χ)^.In the former case, it is clear that the amplitude of the accelerometer output signal (j1 »s is independent of the rotational speed Cdr as already explained, although the frequency of the output signal Cd s naturally depends on (χ) ^.

I det sidstnævnte tilfælde er accelerometerudgangssignalet proportionalt med den afledede af Cd med hensyn til tiden, som er s , (jJr0)m cosidrt. Her er amplituden af accelerometerudgangssignalet tdg afhængigt af omdrejningshastighedenCd og har igen en frekvens, der også afhænger af(dr. Dette fremgår tydeligere ved betragtning af fig. 1A-1D, idet vinkelhastigheden af accelerometret 7 omkring dets føleakse 11 er lig med følerens vinkelhastighed omkring sin måleakse 1 til tidspunkterne t^ og t^. Følgelig må vinkelaccelerationen omkring føleaksen 11 være nul som vist i fig. 1E.In the latter case, the accelerometer output signal is proportional to the derivative of Cd with respect to the time which is s, (jJr0) m cosidrt. Here, the amplitude of the accelerometer output signal tdg is dependent on the rotational speed Cd and again has a frequency which also depends on (dr. This becomes clearer when looking at Figs. 1A-1D, the angular velocity of the accelerometer 7 about its sensing axis 11 therefore, the angular acceleration about the sensing axis 11 must be zero as shown in Fig. 1E.

Fig. 1A-1D viser føleren med en anden måleakse 2 vinkelret på måleaksen 1 og på omdrejningsaksen lo. Hvis føleren udsættes for rotation omkring denne akse 2, medens den drejes rundt omkring omdrejningsaksen lo, vil accelerometerudgangssignalet være identisk med et af dem, der er vist i fig. 1E, afhængigt af om accelerometret virker i afhængighed af vinkelhastigheden alene eller også i afhængighed af omdrejningshastigheden U) , bortset fra at der vil være en faseforskydning på 9o°. Dette kan ses i fig. 1A, da vinkelhastigheden omkring accelerometrets føleakse som følge af omdrejningen omkring måleaksen 2 er nul til det i figuren viste øjeblik i modsætning til vinkelhastigheden, som frembringes ved rotation omkring måleaksen 1, hvor den er C0 .FIG. 1A-1D show the sensor with a second measuring axis 2 perpendicular to the measuring axis 1 and to the axis of rotation lo. If the sensor is subjected to rotation about this axis 2 while rotating about the axis of rotation 10o, the accelerometer output signal will be identical to one of those shown in FIG. 1E, depending on whether the accelerometer operates in dependence on the angular velocity alone or also in dependence on the rotational speed U), except that there will be a phase shift of 9o °. This can be seen in fig. 1A, since the angular velocity about the sensing axis of the accelerometer due to the rotation about the measuring axis 2 is zero at the moment shown in the figure, in contrast to the angular velocity which is produced by rotation about the measuring axis 1, where it is C0.

mm

Der skal nu henvises til fig. 2 og 3, hvor der er vist en vinkelhastighedsføler, som er indrettet til at fungere på den ene eller den anden af de to netop beskrevne forskellige måder. De allerede anvendte henvisninger anvendes igen for at angive tilsvarende komponenter. Føleren er således indrettet til at måle vinkelhastighed omkring to på hinanden vinkelrette måleakser 1 og 2, hvor måleaksen 1 strækker sig lodret i papirets plan, og måleaksen 2 strækker sig vinkelret på papirets plan. Som forklaret nedenfor angives den målte vinkelhastighed omkring måleaksen 1 på et kalibreret instrument 3, 8 143046 dg vinkelhastigheden omkring måleaksen 2 på et kalibreret instrument 4.Referring now to FIG. 2 and 3, there is shown an angular velocity sensor which is arranged to operate in one or the other of the two different ways just described. The references already used are used again to indicate corresponding components. The sensor is thus arranged to measure angular velocity about two mutually perpendicular measuring axes 1 and 2, the measuring axis 1 extending vertically in the plane of the paper and the measuring axis 2 extending perpendicular to the plane of the paper. As explained below, the measured angular velocity about the measuring axis 1 of a calibrated instrument 3, 8 143046 dg the angular velocity about the measuring axis 2 of a calibrated instrument 4 is indicated.

Føleren består af et hus 5 fremstillet af et materiale, der virker som en afskærmning for magnetiske spredningsfelter, og monteret på det legeme, hvis vinkelhastighed skal måles, idet orienteringen af føleren er en sådan, at de to måleakser 1 og 2 falder sammen med de akser, omkring hvilke legemet roterer. Huset 5 omslutter et kammer 6, hvori vinkelaccelerometret 7 er understøttet ved hjasip af lejer 8 og 9, således at det kan dreje rundt omkring en akse lo, der er vinkelret på begge måleakserne 1 og 2. Accelerometret er følsomt for vinkelacceleration omkring en akse 11, der med accelerometret orienteret som vist i fig. 2 ligger på linie med måleaksen 1.The sensor consists of a housing 5 made of a material which acts as a shield for magnetic scattering fields, and mounted on the body whose angular velocity is to be measured, the orientation of the sensor being such that the two measuring axes 1 and 2 coincide with the axes around which the body rotates. The housing 5 encloses a chamber 6, in which the angular accelerometer 7 is supported by the abutment of bearings 8 and 9, so that it can rotate about an axis lo which is perpendicular to both measuring axes 1 and 2. The accelerometer is sensitive to angular acceleration about an axis 11 , which with the accelerometer oriented as shown in fig. 2 is in line with the measuring axis 1.

Som det fremgår af fig. 3, har vinkelaccelerometret 7 et i hovedsagen cylindrisk hus 12, der kan være fremstillet af det samme materiale som huset 5, og hvis indre afgrænser et cylindrisk kammer 13. Et spoleformet organ 14, som har to kraver 15, adskilt af et nav 16 med mindre diameter, og som er fremstillet af elektrisk ledende materiale, er monteret i kammeret 13. Et lag elektrisk isolation 17, som forer det indre af kammeret 13, adskiller det spoleformede organ 14 fra huset 12. En ringformet kerne 18, der bærer en ringspole 19, omgiver navet 16. Magnetisk ledende stykker 2o er ensartet fordelt omkring det spoleformede organ 14. Hvert stykke 2o er monteret ved hver ende i huset 12 og strækker sig gennem isolationen 17 og de to rande 15. Elektrisk isolation 21 adskiller hvert stykke 2o fra randene 15. En ringformet permanent magnet 22 omgiver stykkerne 2o og dermed kernen 18 og spolen 19 og er magnetiseret i en radial retning, dvs. med den ene pol på ydersiden og med den anden pol på indersiden af ringen. De ydre og radiale overflader af magneten 22 bærer et lag elektrisk isolation 23. Denne isolation sammen med isolationen 17 afgrænser et ringformet kammer 24, som er fyldt med kviksølv 25.As can be seen from FIG. 3, the angular accelerometer 7 has a substantially cylindrical housing 12, which may be made of the same material as the housing 5, the interior of which defines a cylindrical chamber 13. A coil-shaped member 14 having two collars 15 separated by a hub 16 with smaller diameter, and made of electrically conductive material, is mounted in the chamber 13. A layer of electrical insulation 17 lining the interior of the chamber 13 separates the coil-shaped member 14 from the housing 12. An annular core 18 carrying an annular coil 19, surrounds the hub 16. Magnetically conductive pieces 2o are uniformly distributed around the coil-shaped member 14. Each piece 2o is mounted at each end of the housing 12 and extends through the insulation 17 and the two edges 15. Electrical insulation 21 separates each piece 2o from the edges 15. An annular permanent magnet 22 surrounds the pieces 20 and thus the core 18 and the coil 19 and is magnetized in a radial direction, i.e. with one pole on the outside and with the other pole on the inside of the ring. The outer and radial surfaces of the magnet 22 carry a layer of electrical insulation 23. This insulation together with the insulation 17 defines an annular chamber 24 which is filled with mercury 25.

Kviksølvet 25 tilvejebringer en vej for den magnetiske flux, som frembringes af magneten 22. Denne flux kan betragtes som om den passerer radialt udad gennem kviksølvet 25 ind i huset 12, hvori den derpå vender om og går radialt indad tilbage til magneten 22 gennem de med afstand anbragte stykker 2o.The mercury 25 provides a path for the magnetic flux produced by the magnet 22. This flux can be considered as it passes radially outwards through the mercury 25 into the housing 12, in which it then turns and goes radially inwards back to the magnet 22 through the spaced pieces 2o.

Det antages, at accelerometret accelereres med en konstant vinkelacceleration omkring sin føleakse 11. Når dette sker, kan kviksølvet 25 ikke følge med. Følgelig optræder der relative bevægelser mellem magnetfeltet, som frembringes af magneten 22, og kviksølvet 25. En spænding, som er direkte proportional med denne relative bevægelse, der selv kan være direkte proportional med accelerationen, frem- 9 143046 bringes i en lodret retning i kviksølvet. Dette giver anledning til en elektrisk strøm, som passerer gennem de to rande 15 og navet 16 på det spoleformede organ 14. Ved elektromagnetisk Induktion induceres en tilsvarende strøm i spolen 19, og denne kan, som det klart fremgår, være proportional med den øjeblikkelige vinkelacceleration, som accelerometret udsættes for.It is assumed that the accelerometer is accelerated by a constant angular acceleration about its sensing axis 11. When this happens, the mercury 25 cannot keep up. Consequently, relative motions occur between the magnetic field generated by the magnet 22 and the mercury 25. A voltage which is directly proportional to this relative motion, which itself may be directly proportional to the acceleration, is produced in a vertical direction in the mercury. . This gives rise to an electric current which passes through the two edges 15 and the hub 16 of the coil-shaped member 14. By electromagnetic induction a corresponding current is induced in the coil 19 and this can, as is clear, be proportional to the instantaneous angular acceleration , to which the accelerometer is subjected.

Foruden kammeret 6, som indeholder accelerometret 7, afgrænser huset 5 kamre 26,27 og 28.In addition to the chamber 6, which contains the accelerometer 7, the housing 5 delimits chambers 26, 27 and 28.

I kammeret 26 er monteret en stator 29 i en induktionsmotor. Statoren samvirker med induktionsmotorens rotor 3o, der er fastgjort til en aksellignende forlængelse 31 af accelerometrets hus 12. Som forklaret nedenfor drejer induktionsmotoren accelerometret rundt omkring aksen lo med en konstant hastighed.In the chamber 26 a stator 29 is mounted in an induction motor. The stator cooperates with the rotor 30 of the induction motor attached to a shaft-like extension 31 of the housing 12 of the accelerometer. As explained below, the induction motor rotates the accelerometer about the axis 10o at a constant speed.

Ind i kammeret 27 strækker sig fire "poler" 32, hvoraf kun to er synlige, som er ensartet fordelt med 9o°'s mellemrum omkring aksen lo. Den fælles akse for de to synlige poler 32 er parallel med måleaksen 1, medens den fælles akse for de to andre poler 32 er parallel med måleaksen 2. Hver pol bærer en spole 33. Hvert par diametralt modstående spoler er forbundet i serie over et tilsvarende par udgangsledninger 34 og 35. Den aksellignende forlængelse 31 bærer en permanent magnet 36. Når accelerometret drejes rundt, inducerer den deraf følgende rotation af magneten 36 en sinusformet spænding over hvert par diametralt modstående spoler 33 og følgelig over udgangsledningerne 34 og 35. Frekvensen af disse to sinusformede spændinger er naturligvis proportional med accelerometrets omdrejningshastighed.Extending into the chamber 27 are four "poles" 32, of which only two are visible, which are evenly distributed at 90 ° intervals about the axis lo. The common axis of the two visible poles 32 is parallel to the measuring axis 1, while the common axis of the other two poles 32 is parallel to the measuring axis 2. Each pole carries a coil 33. Each pair of diametrically opposed coils is connected in series over a corresponding pair of output leads 34 and 35. The shaft-like extension 31 carries a permanent magnet 36. When the accelerometer is rotated, the resulting rotation of the magnet 36 induces a sinusoidal voltage across each pair of diametrically opposed coils 33 and consequently across the output leads 34 and 35. The frequency of these two sinusoidal voltages are, of course, proportional to the rotational speed of the accelerometer.

På grund af afstanden mellem spolerne 33 er de to spændinger 9o° ude af fase.Due to the distance between the coils 33, the two voltages are 90 ° out of phase.

Kammeret 28 indeholder to børster 37, som berører hver deres slæberinge 38, som ligger rundt om en aksellignende forlængelse 39 af accelerometrets hus 12. Slæberingene 38 er forbundet over spolen 19 ved hjælp af et par ledninger 4o. På denne måde udtages spændingen, som frembringes over spolen 19, fra accelerometret.The chamber 28 contains two brushes 37, each of which touches their slip rings 38, which lie around a shaft-like extension 39 of the housing of the accelerometer 12. The slip rings 38 are connected across the coil 19 by means of a pair of wires 40. In this way, the voltage generated across the coil 19 is extracted from the accelerometer.

To demodulatorer 41 og 42 er forbundet med de to børster 37 som vist. Til demodulatoren 41 er også forbundet de to ledninger 34, medens der til demodulatoren 42 også er forbundet de to ledninger 35. Udgangen fra demodulatoren 41 styrer det kalibrerede instrument 4, medens udgangen fra demodulatoren 42 styrer det kalibrerede instrument 3.Two demodulators 41 and 42 are connected to the two brushes 37 as shown. The two wires 34 are also connected to the demodulator 41, while the two wires 35 are also connected to the demodulator 42. The output of the demodulator 41 controls the calibrated instrument 4, while the output of the demodulator 42 controls the calibrated instrument 3.

Med den ovenfor beskrevne føler afhænger formen af accelero-meterudgangssignalet, dvs. spændingen, som frembringes over spolen lo 143046 19, af, om hastigheden af induktionsmotoren er over eller under ca. looo omdrejninger pr. minut. Over denne hastighed forbliver kviksølvet 25 i det væsentlige i ro. Følgelig repræsenterer amplituden af spændingen, som frembringes over spolen 19, i det pågældende øjeblik den samme hastighed af føleren omkring måleaksen 1 eller 2. Betragtes kun rotation omkring måleaksen 1, har spændingen med andre ord i hovedsagen form som.COg vist i fig. 1E. For at sikre at afvigelser i motorhastigheden har en minimal virkning, foretrækkes det, at motorhastigheden er betydeligt over looo omdrejninger pr. minut. F.eks. har en værdi på 8ooo omdrejninger pr. minut givet tilfredsstillende resultater. Under looo omdrejninger pr. minut frembringer kviksølvet 25 betydlig bevægelse, og følgelig har spændingen over spolen 19 tendens til at antage formen ώ vist i fig. 1E. Under disse omstændig-heder skal motoren drives ved en konstant hastighed, eller også skal der være mulighed for at bestemme dens øjeblikkelige hastighed.With the sensor described above, the shape of the accelerometer output signal depends, i.e. the voltage generated across the coil lo 143046 19 of whether the speed of the induction motor is above or below approx. looo revolutions per. minute. Above this rate, the mercury 25 remains substantially at rest. Accordingly, the amplitude of the voltage generated across the coil 19 at that moment represents the same velocity of the sensor about the measuring axis 1 or 2. Considering only rotation about the measuring axis 1, in other words, the voltage has substantially the same shape as COg shown in FIG. 1E. To ensure that deviations in engine speed have a minimal effect, it is preferred that the engine speed be significantly above looo rpm. minute. For example. has a value of 8ooo revolutions per. minute given satisfactory results. During looo revolutions per. minute, the mercury 25 produces considerable movement, and consequently the voltage across the coil 19 tends to assume the shape ώ shown in FIG. 1E. Under these circumstances, the motor must be driven at a constant speed, or it must be possible to determine its instantaneous speed.

Uanset arbejdsmåden virker de to demodulatorer 41 og 42 på den måde, at de sammenligner deres respektive indgangssignaler for af spændingen, som frembringes over spolen 19, at uddrage de to kom-posanter, som repræsenterer rotation omkring måleakserne henholdsvis 1 og 2.Regardless of the mode of operation, the two demodulators 41 and 42 operate in such a way that they compare their respective input signals in order to extract from the voltage generated across the coil 19 the two components which represent rotation about the measuring axes 1 and 2, respectively.

Der henvises herefter til fig. 4 og 5. Heri er forskellige dele af accelerometret, såsom elektrisk isolation og bærende konstruktionselementer, ikke vist. Der anvendes igen en kviksølvring 6o. Denne bevæger sig i en kanal umiddelbart indenfor en magnetisk ledende ring 62. En firepolet magnet 64 er anbragt i kviksølvringen og har to nordpoler og to sydpoler. Magneten 64 kan være udført af fire stangmagneter eller to over kors anbragte stangmagneter. Et radialt felt strækker sig igen fra hver pol i magneten 64 ud gennem kviksølvet til returvejsringen 62 og tilbage gennem kviksølvet 6o til en modsat pol. Vinkelacceleration bevirker, at det magnetiske felt bevæger sig i forhold til kviksølvet 6o. Følgelig induceres en strøm i kviksølvet 6o, og denne inducerer et magnetfelt i fire transformatorer 66, som er fordelt omkring omkredsen af kviksølvet 6o. Fig. 5 viser en af disse transformatorer 66 set fra siden. Transformatoren har en kerne, som strækker sig gennem et hul i et ringformet organ 69, som passerer gennem kviksølvet 6o og den magnetiske returring 62. Følgelig frembringer magnetfeltet i transformatoren 66 en udgangsspænding over en sekundærvikling 72. De fire transformatorer 66 er forbundet i serie over udgangsklemmer 74. Spændingen over disse klemmer vil være proportional med den relative bevægelse af magneten 64 i forhold til kviksølvet 6o. Hvis accelerometret drejes tilstrækkeligt hurtigt rundt, 11 1Λ 3 0 A 6 er denne relative bevægelse proportional med vinkelhastigheden omkring måleaksen, som allerede forklaret, og spændingen over klemmerne 74 er derfor proportional med denne vinkelhastighed.Referring now to FIG. 4 and 5. Herein, various parts of the accelerometer, such as electrical insulation and load-bearing structural members, are not shown. A mercury ring 6o is used again. This moves in a channel immediately inside a magnetically conductive ring 62. A four-pole magnet 64 is located in the mercury ring and has two north poles and two south poles. The magnet 64 may be made of four bar magnets or two crossover bar magnets. A radial field again extends from each pole of the magnet 64 out through the mercury to the return path ring 62 and back through the mercury 60 to an opposite pole. Angular acceleration causes the magnetic field to move relative to the mercury 6o. Accordingly, a current is induced in the mercury 60, and this induces a magnetic field in four transformers 66, which are distributed around the circumference of the mercury 60. FIG. 5 is a side view of one of these transformers 66. The transformer has a core which extends through a hole in an annular member 69 which passes through the mercury 60 and the magnetic return 62. Consequently, the magnetic field in the transformer 66 produces an output voltage across a secondary winding 72. The four transformers 66 are connected in series across output terminals 74. The voltage across these terminals will be proportional to the relative motion of the magnet 64 relative to the mercury 6o. If the accelerometer is rotated fast enough, 11 1Λ 3 0 A 6, this relative movement is proportional to the angular velocity about the measuring axis, as already explained, and the voltage across the clamps 74 is therefore proportional to this angular velocity.