EP0786073A1 - Vorrichtung und verfahren zur gleichzeitigen messung einer drehrate und einer transversalen beschleunigung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur gleichzeitigen messung einer drehrate und einer transversalen beschleunigung

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EP0786073A1
EP0786073A1 EP95930398A EP95930398A EP0786073A1 EP 0786073 A1 EP0786073 A1 EP 0786073A1 EP 95930398 A EP95930398 A EP 95930398A EP 95930398 A EP95930398 A EP 95930398A EP 0786073 A1 EP0786073 A1 EP 0786073A1
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EP
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acceleration
rotation
axis
rate
transverse
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EP95930398A
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Manfred Rothley
Erich Zabler
Jörg WOLF
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5607—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks
    • G—PHYSICS
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    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/14—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of gyroscopes

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the simultaneous measurement of a rotation rate and a transverse acceleration perpendicular to the associated rotation axis.
  • a tuning fork is attached to a rotatable object, the rotational speed of which is to be determined, the axis of symmetry of the tuning fork coinciding with the axis of rotation about which the object rotates.
  • the tuning fork then rotates at the rotation rate to be determined.
  • the tuning fork is set into a resonance oscillation with a constant speed amplitude by a suitable drive.
  • the above-mentioned Coriolis acceleration then occurs at the ends of the prongs of this tuning fork. This Coriolis acceleration at the swinging ends of the tines can be detected by acceleration sensors fitted in this area. If the speed vector v is known, the rotation rate W can then be determined by suitable measurements by measuring a c .
  • a quartz tuning fork rotation rate sensor which can be used to measure both rotation rate and acceleration, was developed by Systron Donner as a so-called university sensor.
  • one of the prongs of the tuning fork is designed as an acceleration sensor by suitable shaping, and additional electrodes are required on the tuning fork, the space requirement of which has a disadvantageous effect.
  • Combined sensors are also known, in which a rotation rate sensor and, in addition to the transverse acceleration measurement, a separate acceleration sensor are accommodated in a common housing.
  • a rotation rate sensor and, in addition to the transverse acceleration measurement, a separate acceleration sensor are accommodated in a common housing.
  • these combined sensors are complex and also require additional space.
  • the device according to the invention with the characterizing features of the main claim and the method according to the invention with the characterizing features of claim 10 have the advantage that in addition to the yaw rate, an acceleration transverse to the axis of rotation can be measured simultaneously without an additional acceleration sensor. All that is required for this is additional electronics, and in addition to the measuring output for the yaw rate, another measuring output is used for the transverse acceleration.
  • the transverse acceleration signal can be obtained with a single-axis as well as with a multi-axis rotation rate sensor.
  • the number of measuring axes for the acceleration corresponds to the number of axes of the rotation rate sensor.
  • the device for measuring the rate of rotation and the acceleration transverse to it is advantageously of axially symmetrical design, the axis of symmetry of the device coinciding with the axis of rotation.
  • the device is expediently set into vibration during the measurement such that the two sections of the device, on which the acceleration sensors are mounted, oscillate in phase opposition to one another. This simplifies the evaluation of the measurement.
  • the device for measuring the rotation rate and the acceleration transverse thereto is in the form of a tuning fork, the first section being the first prong and the symmetrical second section being the second prong of the tuning fork.
  • This makes use of the tried and tested, well-defined vibration properties of tuning forks. This is important because precise knowledge of the speed vector v of the vibration is necessary for determining the rotation rate W.
  • a particularly simple detection of the rotation rate W and the transverse acceleration a tr is made possible by the fact that the acceleration sensors mounted both on the first section and on the second section are identical to one another.
  • the acceleration sensors are expediently mounted on one side of the tuning fork so that their sensitive axes are aligned parallel to one another and in the same orientation perpendicular to this surface of the tuning fork.
  • one of the two identical acceleration sensors is mounted on one side and the second of the two acceleration sensors on the opposite side, the sensitive axis of which is oriented opposite to that of the first acceleration sensor.
  • the signs of the measurement signals output by the second acceleration sensor are reversed.
  • the device has a natural frequency w that is significantly greater than the rotation rate W.
  • a measurement signal a- j is measured by the first acceleration sensor and a measurement signal a2 by the second acceleration sensor, wherein
  • k ⁇ and k 2 are known calibration factors of the two acceleration sensors and v- j and the speeds of the vibration of the respective sections on which the acceleration sensors are mounted.
  • the two unknowns W and a tr to be determined can be determined from these two equations (1) and (2).
  • the yaw rate is now obtained from this by summing the measurement signals a-i and a2
  • the signal obtained by forming the difference or adding the sum, depending on the attachment of the acceleration sensors, is expediently processed further in a lock-in amplifier to determine the rotation rate W.
  • the signal obtained for determining the transverse acceleration a tr by forming the sum or difference is used to remove an interference component which is based on the fundamental oscillation frequency of the tuning fork due to the cross sensitivity of the acceleration sensors given a low pass filter.
  • the interference component is a periodic signal with the oscillation frequency w of the resonance oscillation of the tuning fork. In almost all applications, this is greater than the rotation rate W, which enables their removal by the low-pass filter.
  • either the rotation rate component or the transverse acceleration component is made possible by simple summation or difference formation of the two measurement signals of the acceleration sensors.
  • the measuring sensitivity is doubled both for the yaw rate and for the transverse acceleration.
  • Fig. 1 shows a device with acceleration sensors for measuring yaw rate and transverse acceleration
  • FIG. 2 shows a block diagram of a circuit for evaluating the quantities measured in FIG. 1.
  • a device for simultaneously measuring yaw rate W and transverse acceleration a tr which is designed as a steel tuning fork, in which a first Si acceleration sensor 1 on its first prong 3 and a second one on its second prong 4 Si acceleration sensor 2 is mounted.
  • this tuning fork is converted into a resonance oscillation of frequency w with constant speed amplitude excited while rotating at the rotation rate W to be determined.
  • v denotes the speed vector of a vibrating tine and W the rotation rate vector
  • the Coriolis acceleration a c 2v x W occurs on the tine. This Coriolis acceleration occurring on the tines 3 and 4 extends perpendicular to the plane spanned by the speed vector v and the rotation rate vector W.
  • the two prongs 3, 4 When the tuning fork resonates with its fundamental frequency or an upper frequency, the two prongs 3, 4 always oscillate in opposite directions to one another, ie in opposite phases.
  • the sensitive axes Z- j , Z2 of which are perpendicular to their planar extent measured values a- j and a-
  • this component a tr can also be detected by the two Si acceleration sensors 1, 2.
  • the two Si acceleration sensors 1, 2 thus each measure a signal a1 or a2 composed of Coriolis acceleration and transverse acceleration, whereby
  • the yaw rate W is now obtained from this by forming the difference between the two signals a 1 and a 2 . and you get
  • the rotation rate W and the transverse acceleration a tr can be determined in a simple manner.
  • the use of zeier acceleration sensors doubles the measurement sensitivity both for the rotation rate W. and for the transverse acceleration a tr .
  • the measurement signals a- j of the acceleration sensor 1 and a2 of the acceleration sensor 2, which are composed of the rotation rate component and the transverse acceleration component, are either subtracted from one another or added to one another.
  • the difference signal that occurs is fed to a lock-in amplifier 5 for further processing, while the sum signal is fed to a low-pass filter 6.
  • the low-pass filter 6 is necessary in order to eliminate a noise component in the transverse acceleration signal a tr .
  • This interference component is a periodic signal, the frequency of which is equal to the tuning fork resonance frequency w used in the measurement, and it results from the cross sensitivity of the acceleration sensors 1 and 2 used.
  • the transver ⁇ sale acceleration signal a tr is also a periodic signal with rotational frequency W, since when measuring the transverse acceleration a tr only the projection of the acceleration vector on the sensitive axes Z- j , 2 are effective at any moment.
  • the tuning fork frequency w is much greater than the rotation rate W to be determined, so that only the high-frequency interference signal is blocked by a suitable low-pass filter 6, while the periodic signal relevant to the measurement of the transverse acceleration a tr is passed at the rotation frequency W. becomes.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum gleichzeitigen Bestimmen von Drehrate W und einer zur Drehachse transversalen Beschleunigung atr vorgeschlagen. Diese Vorrichtung weist an mindestens zwei Abschnitten (3, 4) jeweils mindestens einen Beschleunigungssensor (1, 2) derart montiert auf, daß seine für auftretende Beschleunigungen (ac1, ac2, atr) empfindliche Achse (Z1, Z2) nicht in der durch die Drehachse (D) und die Geschwindigkeitskomponente (v) der Schwingung gebildeten Ebene liegt. Bei der Durchführung des Verfahrens wird die Vorrichtung mit einer der zu bestimmenden Drehrate W entsprechenden Drehrate um die Drehachse (D) gedreht, wobei die Vorrichtung gleichzeitig an mindestens zwei Abschnitten (3, 4) der Vorrichtung mit jeweils einer Geschwindigkeitskomponente (v1, v2) senkrecht zur Drehachse (D) in Schwingung versetzt wird. Durch symmetrische Anbringung identischer Beschleunigungssensoren (1, 2) an der Vorrichtung können die Drehrate W und die transversale Beschleunigung atr auf einfache Weise durch Summenbildung oder Differenzbildung der in den Beschleunigungssensoren (1, 2) erfaßten Meßsignale erhalten werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur gleichzeitigen Messung einer Drehrate und einer transversalen Beschleunigung
STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur gleichzeitigen Messung einer Drehrate und einer zu der dazugehörenden Drehachse senk¬ rechten, transversalen Beschleunigung.
In den letzten Jahren stieg der Bedarf an kostengünstigen Sensoren zur Messung von Drehrate und linearer Beschleunigung. Diese Sensoren zur Messung von Drehrate und Beschleunigung werden z.B. in elektronischen Navigationssystemen, Systemen zur Richtungserfassung und Stabilisator¬ vorrichtungen für Roboter benötigt. Die vorliegende Erfindung ist insbeson¬ dere als eine kostengünstige Lösung für die Fahrdynamikregelung von In¬ teresse.
Es ist z.B. aus EP-B-0 161 049 bekannt, ein schwingendes Element zu verwenden, um die Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehrate einer Struktur zu bestimmen, an der das schwingende Element befestigt ist. Das zugrunde¬ liegende Meßprinzip beruht auf der Erfassung der sogenannten Coriolis- kraft. Bewegt sich in einem mit der Drehrate W rotierenden Bezugssystem ein Element mit einer Geschwindigkeit v, so tritt eine in dem rotierenden Bezugssystem meßbare Coriolis-Beschleunigung ac = 2v x W auf. Diese Coriolis-Beschleunigung ist senkrecht zu der aus dem Geschwindigkeitsvek¬ tor v und dem Drehratenvektor W aufgespannten Ebene. Dieses Prinzip wird z.B. in einem Stimmgabel-Drehratensensor ausgenutzt. Hier wird eine Stimmgabel an einem rotierbaren Gegenstand, dessen Drehgeschwindigkeit bestimmt werden soll, befestigt, wobei die Symmetrieachse der Stimmga¬ bel mit der Drehachse, um welche der Gegenstand rotiert, zusammenfällt. Die Stimmgabel rotiert dann mit der zu bestimmenden Drehrate. Zusätzlich wird die Stimmgabel durch einen geeigneten Antrieb in eine Resonanz¬ schwingung mit konstanter Geschwindigkeitsamplitude versetzt. Es tritt dann an den Enden der Zinken dieser Stimmgabel die oben erwähnte Corio¬ lis-Beschleunigung auf. Diese Coriolis-Beschleunigung an den schwingen¬ den Enden der Zinken kann durch in diesem Bereich angebrachte Beschleu¬ nigungssensoren erfaßt werden. Bei Kenntnis des Geschwindigkeitsvektors v läßt sich dann durch Messung von ac die Drehrate W durch geeignete Messungen bestimmen.
Ein Quarz-Stimmgabel-Drehratensensor, mit dem man sowohl Drehrate als auch Beschleunigung messen kann, wurde von der Firma Systron Donner als sogenannter Uni-Sensor entwickelt. Bei diesem ist einer der Zinken der Stimmgabel durch geeignete Formgebung als Beschleunigungssensor aus¬ gebildet, und es sind zusätzliche Elektroden auf der Stimmgabel erforder¬ lich, deren Platzbedarf sich nachteilig auswirkt.
Ferner sind kombinierte Sensoren bekannt, bei denen in einem gemeinsa¬ men Gehäuse ein Drehratensensor und zusätzlich zur transversalen Be¬ schleunigungsmessung ein gesonderter Beschleunigungssensor unterge¬ bracht sind. Diese kombinierten Sensoren sind jedoch aufwendig und benö¬ tigen ebenfalls zusätzlichen Platz.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs sowie das erfindungsgemäße Verfahren mit den kenn¬ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10 haben den Vorteil, daß neben der Drehrate auch eine zu der Drehachse transversale Beschleunigung ohne zusätzlichen Beschleunigungssensor gleichzeitig gemessen werden kann. Hierfür ist lediglich eine zusätzliche Elektronik erforderlich, wobei neben dem Meßausgang für die Drehrate ein weiterer Meßausgang für die trans¬ versale Beschleunigung eingesetzt wird. Das transversale Beschleunigungs¬ signal läßt sich sowohl bei einem einachsigen wie auch bei einem mehrachsigen Drehratensensor gewinnen. Die Anzahl der Meßachsen für die Beschleunigung entspricht dabei der Achsenzahl des Drehratensensors.
Die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ermöglichen vorteil¬ hafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angege¬ benen Vorrichtung bzw. des im Anspruch 10 angeben Verfahrens.
Die Vorrichtung zur Messung der Drehrate und der zu ihr transversalen Be¬ schleunigung ist vorteilhafterweise achsensymmetrisch ausgebildet, wobei die Symmetrieachse der Vorrichtung mit der Drehachse zusammenfällt. Die Vorrichtung wird bei der Messung dabei zweckmäßigerweise derart in Schwingung versetzt, daß die beiden Abschnitte der Vorrichtung, an denen die Beschleunigungssensoren montiert sind, gegenphasig zueinander schwingen. Dies vereinfacht die Auswertung der Messung.
Um ein Signal maximaler Stärke von den jeweils an den beiden Abschnitten montierten Beschleunigungssensoren zu erhalten, sind diese zweckmäßi¬ gerweise derart montiert, daß ihre empfindliche Achse senkrecht zu der durch die Drehachse und die Geschwindigkeitskomponente der Schwin¬ gung aufgespannte Ebene verläuft. Hierdurch wird zu jedem Zeitpunkt der gesamte Betrag der senkrecht zu dieser aufgespannten Ebene wirkenden Coriolis-Beschleunigung erfaßt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat die Vorrich¬ tung zur Messung der Drehrate und der dazu transversalen Beschleunigung die Form einer Stimmgabel, wobei der erste Abschnitt der erste Zinken und der dazu symmetrische zweite Abschnitt der zweite Zinken der Stimmgabel ist. Dadurch macht man sich die erprobten und wohldefinierten Schwin¬ gungseigenschaften von Stimmgabeln zunutze. Dies ist deshalb wichtig, weil für die Bestimmung der Drehrate W eine genaue Kenntnis des Ge¬ schwindigkeitsvektors v der Schwingung nötig ist. Eine besonders einfache Erfassung der Drehrate W und der transversalen Beschleunigung atr wird dadurch ermöglicht, daß die sowohl an dem ersten Abschnitt als auch an dem zweiten Abschnitt montierten Beschleunigungs¬ sensoren zueinander identisch sind. Dabei werden die Beschleunigungssen¬ soren zweckmäßigerweise auf einer Seite der Stimmgabel montiert, so daß ihre empfindlichen Achsen zueinander parallel und in gleicher Orientierung senkrecht zu dieser Fläche der Stimmgabel ausgerichtet sind. Alternativ ist es möglich, daß einer der beiden identischen Beschleunigungssensoren auf der einen Seite und der zweite der beiden Beschleunigungssensoren auf der dazu gegenüberliegenden Seite montiert ist, wobei dessen empfindliche Achse zu derjenigen des ersten Beschleunigungssensors entgegengesetzt orientiert ist. Dadurch kehren sich die Vorzeichen der von dem zweiten Be¬ schleunigungssensor ausgegebenen Meßsignale um.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine Eigenfrequenz w hat, die deutlich größer als die Drehrate W ist.
Bei dem Verfahren zur gleichzeitigen Bestimmung der Drehrate W und der zu ihr senkrechten transversalen Beschleunigung atr wird von dem ersten Beschleunigungssensor ein Meßsignal a-j und von dem zweiten Beschleuni¬ gungssensor ein Meßsignal a2 gemessen, wobei
a-, = k-, (ac 1 +atr) = k1 (2v1W + atr) (1 ) und a2 = k2 ac2 + atr' = 2(2v2W + atr) (2).
Hierbei sind k^ und k2 bekannte Eichfaktoren der beiden Beschleunigungs¬ sensoren und v-j sowie die Geschwindigkeiten der Schwingung der je¬ weiligen Abschnitte, auf denen die Beschleunigungssensoren montiert sind. Aus diesen beiden Gleichungen (1 ) und (2) lassen sich prinzipiell die beiden zu bestimmenden Unbekannten W und atr bestimmen.
Diese Bestimmung gestaltet sich besonders einfach, wenn man bei einer symmetrischen Vorrichtung, wie z.B. einer Stimmgabel zwei identische Be- schleunigungssensoren auf der gleichen Seite der Stimmgabel anordnet, wodurch -1 = v = -V2 und k-i = k2 = 1 wird, woraus sich eine Vereinfachung von Gleichung (1 ) und (2) ergibt, nämlich
a-, = 2vW + atr (V) und a2 = -2vW + atr (2').
Nun läßt sich die Drehrate W einfach durch Differenzbildung der Meßsi¬ gnale a ^ und a2 bestimmen zu W = (a-j ^l v. Auf ähnliche Weise erhält man durch Summenbildung der Meßsignale a-i und a2 die transversale Be¬ schleunigung atr = (a ^ + a2)/2.
Ordnet man den zweiten der beiden identischen Beschleunigungssensoren auf der dem ersten Beschleunigungssensor gegenüberliegenden Seite der Stimmgabel an, so ist dessen empfindliche Achse zu der des ersten Be¬ schleunigungssensors entgegengesetzt orientiert. Auch hier ergibt sich aus Symmetriegründen der Stimmgabel v-j = v = - 2 sowie k-j = -k2 = 1 , wodurch man zwei ähnliche vereinfachte Gleichungen wie zuvor erhält, und zwar a, = 2vW + atr (1 ") und a2 = 2vW - atr (2").
Hieraus erhält man nun durch Summenbildung der Meßsignale a-i und a2 die Drehrate
W = (a-| + a2)/4v und die transversale Beschleunigung atr durch Diffe¬ renzbildung der Meßsignale a<j und a zu atr = (a-ι -a2«/2.
Zweckmäßigerweise wird das je nach Anbringung der Beschleunigungssen¬ soren durch Differenzbildung bzw. Summenbildung erhaltene Signal zur Be¬ stimmung der Drehrate W in einem Lock-in-Verstärker weiterverarbeitet. Das zur Bestimmung der transversalen Beschleunigung atr durch Summen¬ bildung bzw. Differenzbildung erhaltene Signal wird zur Entfernung eines Störanteils, der auf der Grundschwingungsfrequenz der Stimmgabel auf Grund der Querempfindlichkeit der Beschleunigungssensoren beruht, auf ein Tiefpaßfilter gegeben. Der Störanteil ist dabei ein periodisches Signal mit der Schwingungsfrequenz w der Resonanzschwingung der Stimmgabel. Diese ist bei fast allen Anwendungen größer als die Drehrate W, wodurch ihre Entfernung durch das Tiefpaßfilter ermöglicht wird.
Man erkennt, daß je nach Anordnung der Beschleunigungssensoren entwe¬ der der Drehratenanteil oder der Transversal-Beschleunigungsanteil durch einfache Summenbildung oder Differenzbildung der beiden Meßsignale der Beschleunigungssensoren ermöglicht wird. Durch den Einsatz von zwei Meßsensoren wird auch die Meßempfindlichkeit sowohl für die Drehrate als auch für die transversale Beschleunigung verdoppelt.
ZEICHNUNG
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegen¬ den Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines be¬ vorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Es zei¬ gen:
Fig. 1 eine Vorrichtung mit Beschleunigungssensoren zur Messung von Drehrate und transversaler Beschleunigung, und
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Schaltung zum Auswerten der in Fig. 1 gemessenen Größen.
BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen von Drehrate W und transversaler Beschleunigung atr, die als eine Stahlstimmgabel ausge¬ bildet ist, bei der an ihrem ersten Zinken 3 ein erster Si-Beschleunigungs- sensor 1 und an deren zweiten Zinken 4 ein zweiter Si-Beschleunigungs- sensor 2 montiert ist. Diese Stimmgabel wird durch einen geeigneten An¬ trieb zu einer Resonanzschwingung derFrequenz w mit konstanter Ge- schwindigkeitsamplitude angeregt, während sie mit der zu bestimmenden Drehrate W rotiert. Bezeichnet man mit v den Geschwindigkeitsvektor eines schwingenden Zinkens und mit W den Drehratenvektor, so tritt an dem Zinken die Coriolis-Beschleunigung ac = 2v x W auf. Diese an dem Zinken 3 und 4 auftetende Coriolis-Beschleunigung erstreckt sich senkrecht zu der durch den Geschwindigkeitsvektor v und den Drehratenvektor W aufgespannten Ebene. Bei einer Resonanzschwingung der Stimmgabel mit ihrer Grundfrequenz oder einer Oberfrequenz schwingen die beiden Zinken 3, 4 immer entgegengesetzt zueinander, d.h. gegenphasig. Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung der Si-Beschleunigungssensoren 1 , 2, deren empfindliche Achsen Z-j , Z2 jeweils senkrecht zu ihrer flächigen Ausdehnung ist, kommt es somit zu Meßwerten a-j und a-| an den Si- Beschleunigungssensoren, die in jedem Zeitpunkt ein zueinander entgegengesetztes Vorzeichen haben. Handelt es sich bei den beiden Si- Beschleunigungssensoren 1 , 2 um zwei identische Sensoren, dann sind die beiden gemessenen Signale ac und aC2 ständig betragsgleich, aber in ihren Vorzeichen entgegengesetzt.
Wird nun die Stahlstimmgabel zusätzlich einer linearen Beschleunigung ausgesetzt, die eine Komponente aufweist, die sich senkrecht zu der Drehachse erstreckt, so kann diese Komponente atr durch die beiden Si- Beschleunigungssensoren 1 , 2 ebenfalls erfaßt werden. Diese transversalen Beschleunigungen atr-| und atr2 an den Si-Beschleunigungssensoren 1 bzw. 2 wirken dabei stets gleichphasig auf die beiden Sensoren ein und er¬ zeugen auch in jedem Augenblick ein betrags- und vorzeichengleiches Meßsignal atr-j = atr2 = atr, vorausgesetzt daß es sich um identische Si- Beschleunigungssensoren 1 und 2 handelt. Die beiden Si-Beschleunigungs¬ sensoren 1 , 2 messen somit jeweils ein aus Coriolis-Beschleunigung und transversaler Beschleunigung zusammengesetztes Signal a1 bzw. a2, wo¬ bei
a-j = 2vW + atr und a2 = -2vW +atr ist. Hieraus erhält man nun die Drehrate W durch Differenzbildung der beiden Signale a1 und a2. und man bekommt
W = (ara2)/4v.
Durch die Differenzbildung werden hierbei die Anteile der transversalen Be¬ schleunigungen atr, die gleichphasig auf beide Beschleunigungssensoren 1 und 2 einwirken, eliminiert.
Führt man hingegen anstelle der Differenzbildung eine Summenbildung der beiden Signale a-j und a2 durch, so heben sich die Anteile vW und -vW auf und man erhält die transversale Beschleunigung atr = (a1 + a2)/2.
Durch die symmetrische Anordnung und den Einsatz identischer Beschleu¬ nigungssensoren 1 und 2 lassen sich somit die Drehrate W und die trans¬ versale Beschleunigung atr auf einfache Weise bestimmen. Außerdem wird durch den Einsatz zeier Beschleunigungssensoren die Meßempfindlichkeit sowohl für die Drehrate W. wie auch für die transversale Beschleunigung atr verdoppelt.
Fig. 2 veranschaulicht in einem Blockdiagramm das soeben geschilderte Auswerteprinzip zur Bestimmung der Drehrate W und der transversalen Be¬ schleunigung atr. Die aus Drehratenanteil und transversalem Beschleuni- gungsanteii zusammengesetzten Meßsignale a-j des Beschleunigungssen¬ sors 1 und a2 des Beschleunigungssensors 2 werden entweder voneinan¬ der subtrahiert oder zueinander addiert. Das dabei auftretende Differenzsi¬ gnal wird zur weiteren Verarbeitung einem Lock-in-Verstärker 5 zugeführt, während das Summensignal einem Tiefpaß-Filter 6 zugeführt wird. Das Tiefpaß-Filter 6 ist notwendig, um einen Störanteil in dem transversalen Beschleunigungssignal atr zu eliminieren. Dieser Störanteil ist ein periodi¬ sches Signal, dessen Frequenz gleich der bei der Messung verwendeten Stimmgabelresonanzfrequenz w ist, und es rührt von der Querempfindlich¬ keit der verwendeten Beschleunigungssensoren 1 und 2 her. Das transver¬ sale Beschleunigungssignal atr ist ebenfalls ein periodisches Signal mit Drehfrequenz W, da bei der Messung der transversalen Beschleunigung atr lediglich die Projektion des Beschleunigungsvektors auf die empfindlichen Achsen Z-j , 2 in jedem Augenblick wirksam sind. In der Regel ist jedoch die Stimmgabelfrequenz w viel größer als die zu bestimmende Drehrate W, so daß durch ein geeignetes Tiefpaß-Filter 6 lediglich das hochfrequente Störsignal abgeblockt wird, während das für die Messung der transversalen Beschleunigung atr relevante periodische Signal mit Drehfrequenz W durchgelassen wird.
Bezugszeichenliste
Beschleunigungssensor 1 , 2
Drehachse D
Drehrate W transversale Beschleunigung atr
Abschnitt 3, 4
Geschwindigkeitskomponente V empfindliche Achse z z2
Symmetrieachse S
Seiten A, B, C, D, E, F
Lock-in-Verstsärker 5
Tiefpaß-Filter 6

Claims

Vorrichtuno und Verfahren zur gleichzeitigen Messung einer Drehrate und einer transversalen BeschleunigungAnsprüche
1 . Vorrichtung mit Beschleunigungssensoren ( 1 , 2) zur Messung einer Drehrate W um eine bestimmte Drehachse (D) sowie einer zu der Drehachse transversalen Beschleunigung atr durch Drehung der Vorrich¬ tung mit einer der zu bestimmenden Drehrate (W) entsprechenden Drehrate um die Drehachse (D) bei gleichzeitiger Erzeugung einer Schwingung an mindestens zwei Abschnitten (3, 4) der Vorrichtung mit jeweils einer Ge- schwiπdigkeitskomponente (v-j , V2> senkrecht zur Drechachse (D), dadurch gekennzeichnet, daß an den mindestens zwei Abschnitten (3, 4) jeweils mindestens ein Beschleunigungssensor (1 , 2) derart montiert ist, daß seine für auftretende Beschleunigungen (ac-j , ac2, atr) empfindliche Achse (Z-j , Z2) nicht in der durch die Drehachse (D) und die Geschwindigkeitskompo¬ nente (v-j , V2) der Schwingung gebildeten Ebene liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Vor¬ richtung achsensymmetrisch ist, wobei die Symmetrieachse (S) mit der Drehachse (D) zusammenfällt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor¬ richtung zwei Abschnitte (3, 4) hat, die gegenphasig zueinander in Schwingung versetzt werden können. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der jeweils mindestens eine Beschleunigungssensor (1 , 2) an den mindestens zwei Abschnitten (3,
4) derart montiert ist, daß seine empfindliche Achse (Z-j , Z2) senkrecht zu der durch die Drehachse (D) und die Geschwindigkeitskomponente (v-j , V2) der Schwingung aufgespannte Ebene verläuft.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß sie als Schwingungsgyrometer ausgebildet ist, wobei der erste Abschnitt (3) ein erstes Schwingungselement und der zweite Ab¬ schnitt (4) ein damit gekoppeltes zweites Schwingungselement ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Form einer Stimmgabel hat, wobei der erste Abschnitt (3) der ersten Zinken und der zweite Abschnitt (4) der zweite Zinken der Stimmgabel ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sowohl an dem ersten Abschnitt (3) als auch an dem zweiten Abschnitt (4) montierten Beschleunigungssensoren (1 , 2) zueinander identisch sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden identischen Beschleunigungssensoren (1 , 2) auf einer Seite (A) der Stimm¬ gabel montiert sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste der beiden identischen Beschleunigungssensoren (1 ) auf der einen Seite (A) und der zweite der beiden Beschleunigungssensoren (2) auf der dazu ge¬ genüberliegenden Seite (B) montiert ist, wobei die empfindliche Achse (Z2) des zweiten Beschleunigungssensors (2) zu derjenigen (Z^ ) des ersten Be¬ schleunigungssensors (1 ) entgegengesetzt orientiert ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Schwingung der Vorrichtung eine mit einer Eigenfre¬ quenz w der Vorrichtung angeregte Resonanzschwingung ist, wobei w > W.
1 1 . Verfahren zum gleichzeitigen Bestimmen von Drehrate W um eine be¬ stimmte Drehachse (D) und einer zur Drehachse (D) senkrechten, transver¬ salen Beschleunigung atr mit der Vorrichtung von Anspruch 1 , deren Ab¬ schnitte (3, 4) in Schwingung mit konstanter Amplitude versetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Beschleunigungssensoren (1 , 2) jeweils eine Beschleunigung a-j bzw. a2 messen, die sich aus einem Coriolis-Beschleunigungsanteil ac-| bzw. aC2 und einem Transversal-Be- schleunigungsanteil atr1 bzw. atr2 zusammensetzen, wobei atr1 = atr2 = atr
und a-j = k^ ac-| + k^ atr = 2k1 v-|W + k^ a^ (1 ) bzw. a2 = ^2ac2 + 'c2atr = 2k2 2W + k2atr (2), wobei k^ und k2 von der Orientierung der Beschleunigungssensoren ( 1 , 2) an der Vorrichtung und deren Empfindlichkeit abhängige, bekannte Eichfak¬ toren sind und v-j bzw. V2 der Betrag des jeweiligen, ebenfalls bekannten Geschwindigkeitsvektors der Schwingung der jeweiligen Abschnitte (3, 4) mit den Beschleunigungssensoren (1 , 2) ist, und daß aus (1 ) und (2) die Drehrate W und die transversale Beschleunigung atr berechnet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 und mit der Vorrichtung gemäß An¬ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß v1 = v = -v2 sowie k-i = k = 1 und somit a-| = 2vW + atr (V) bzw. a2 = -2vW + atr (2'), und daß aus (V) und (2') die Drehrate W im wesentlichen durch Differenz¬ bildung der Meßsignale a-j und a2 gemäß W = (a-j - a2)/4v hervorgeht, während die transversale Beschleunigung atr jm wesentlichen durch Sum¬ menbildung der Meßssignale a^ und a2 gemäß atr = (a-j + a2>/2 her¬ vorgeht.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 und mit der Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß v1 = v = - V2 sowie k-j = - k-2 = 1 und somit a-] = 2vW + atr (1 ") bzw. a2 = 2vW - atr (2"), und daß aus (1 ") und (2") die Drehrate W im wesentlichen durch Sum¬ menbildung der Meßsignale a1 und a2 gemäß W = (a1 + a2> 4v her¬ vorgeht, während die transversale Beschleunigung a*r im wesentlichen durch Diffe¬ renzbildung der Meßsignale a-j und a2 gemäß atr = (a-j - θ2> 2 hervor¬ geht.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffe¬ renzsignal a-j - a zur Bestimmung der Drehrate W in einem Lock-in-Ver- stärker (5) weiter verarbeitet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das
Summensignal a^ + a2 zur Bestimmung der transversalen Beschleunigung atr auf ein Tiefpaßfilter (6) gegeben wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Summensignal a^ + a2 zur Bestimmung der Drehrate W in einem Lock-in- Verstärker (5) weiter verarbeitet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffe¬ renzsignal a-j - a zur Bestimmung der transversalen Beschleunigung atr auf ein Tiefpaßfilter (6) gegeben wird.
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