EP1102996A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung von frequenz und amplitude einer schwingenden struktur, insbesondere zur messung von beschleunigungen oder drehraten - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung von frequenz und amplitude einer schwingenden struktur, insbesondere zur messung von beschleunigungen oder drehraten

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EP1102996A1
EP1102996A1 EP00947781A EP00947781A EP1102996A1 EP 1102996 A1 EP1102996 A1 EP 1102996A1 EP 00947781 A EP00947781 A EP 00947781A EP 00947781 A EP00947781 A EP 00947781A EP 1102996 A1 EP1102996 A1 EP 1102996A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
threshold value
position sensors
oscillation
amplitude
wave
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00947781A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Josef Schalk
Stefan Sassen
Wilhelm Ficker
Konrad Lentner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EADS Deutschland GmbH filed Critical EADS Deutschland GmbH
Publication of EP1102996A1 publication Critical patent/EP1102996A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P1/00—Details of instruments
    • G01P1/04—Special adaptations of driving means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P1/00—Details of instruments
    • 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

  • Device and method for determining the frequency and amplitude of a vibrating structure in particular for measuring accelerations or
  • the present invention relates to a device and a method for determining the frequency and / or amplitude of a vibrating structure, in particular for measuring accelerations or rotation rates.
  • Vibrating structures have a variety of applications in technology. They are used, for example, as acceleration and / or rotation rate sensors, it being possible to determine movement variables from the vibration characteristics.
  • a rotation rate sensor is described in US Pat. No. 4,598,585, in which a mass is mounted so as to be oscillatable about two mutually perpendicular axes (x-axis, y-axis).
  • the element In order to determine a rate of rotation about the z axis, which is perpendicular to the x and y axes, the element is excited to periodically oscillate about the y axis. Due to the Coriolis force during the rotation, the element oscillates further about the x-axis, the amplitude being a measure of the rotation rate.
  • Such a rotation rate sensor with double cardanic suspension is shown in FIG. 3.
  • Acceleration sensors are also known which perform an oscillating movement, the frequency being a measure of the acceleration acting in a specific direction.
  • the known vibrating structures have the disadvantage that a distinction cannot be made between a change in the vibration amplitude and a parallel displacement of the vibrating element. For example, changes in the distance of the suspension of the movable element can occur, which falsify the measured variables.
  • the position or deflection of the vibrating element is tapped off with a capacitor, the smallest changes in the spacing of the capacitor plates can overlay the actual vibration amplitude in such a way that accurate measurement results are no longer possible possible are. This applies in particular if the disturbance or parallel shift lies in the same frequency range as the excited oscillation.
  • the device according to the invention for determining the frequency and / or amplitude of a vibrating structure is particularly suitable for measuring accelerations or rotation rates and has a movable element which can be excited to oscillate, a pair of position sensors for determining the deflection of the movable element, which is so are arranged so that their measured values exceed and / or fall below one another during a half-wave of the oscillation, a circuit for comparing the measured values of the two position sensors in order to determine a threshold value for the half-wave of the oscillation therefrom, and a device for determining the time period in which the measured value of one of the two position sensors exceeds and / or falls below the threshold value.
  • the special arrangement of the position sensors and the comparison of the measured values with threshold value determination in a half-wave of the oscillation means that the oscillation amplitude can be precisely determined even if the measurement is disturbed by parallel displacement of the oscillating element. Errors in the determination of the amplitude are avoided.
  • the device advantageously comprises a further pair of distance sensors for determining a second threshold value for the second half-wave of the oscillation.
  • the distance sensors are preferably arranged so that the threshold values in the positive and in the negative half-wave have the same amount.
  • an acceleration acting perpendicular to the oscillation axis A no longer results in errors in the amplitude measurement.
  • the position sensors are advantageously capacitors, which results in an inexpensive design. However, they can also be formed by optical elements or similar sensors for position or distance measurement known to the person skilled in the art.
  • An element of a pair of position sensors is preferably arranged at an elevated level, so that the threshold value is set when the movable element is deflected in a defined manner.
  • the threshold values can e.g. are caused by mechanical steps, or by the step-like arrangement of electrodes on a vibratable element or on a surface opposite the element.
  • the position sensors are preferably arranged at different distances from the axis of rotation of the movable element.
  • the method according to the invention for determining the frequency and / or amplitude of an oscillating structure comprises the steps: determining a threshold value in the positive and / or negative half-wave of an oscillation, determining the time period in which the threshold value is exceeded and / or undershot during the oscillation, and determining the frequency and / or the amplitude from the time duration of the exceeding and / or falling below the threshold value.
  • the oscillation amplitude can be determined independently of the distance between the oscillatable element and a fixed element and the frequency of the oscillation can be determined.
  • a threshold value is advantageously determined in each case for the positive and for the negative half-wave of the oscillation and from the respective duration of the over and / or If both threshold values are undershot, the frequency and / or the amplitude is determined.
  • the threshold values in the positive and in the negative half-wave can have the same amount. In particular, they can be formed by mechanical steps.
  • Figure 1 shows a preferred embodiment of the device according to the invention in a schematic sectional view
  • FIG. 2 shows a diagram to explain the oscillation and the characteristic quantities which are used according to the method according to the invention for determining the amplitude and frequency
  • Figure 3 shows a known yaw rate sensor with a vibratable structure.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention with a movable element 2 or a rocker which is mounted so as to be oscillatable about an axis A.
  • the rocker 2 can be in the form of a bar or a plate-like structure, for example, and is caused to oscillate periodically by excitation.
  • a fixed element 1 in the form of a plate is arranged opposite the rocker 2.
  • a first pair of position sensors 10, 11 serves to determine the distance between the movable element 2 and the fixed element 1 and thus to determine the respective deflection during the vibration of the element 2 about the axis A.
  • Position sensors 10, 1 1 arranged so that their measured values exceed and / or fall below one another during a half-wave of the oscillation. That is, with a certain deflection by the angle ⁇ , the measured values of the two position sensors 10, 1 1 are of the same size, while when the angle ⁇ is exceeded, the sensor 10 displays a larger measured value than the sensor 1 1, and when the angle ⁇ is undershot, the sensor 10 shows a smaller measured value than sensor 1 1.
  • the position sensors 10, 1 1 are connected to a comparator which compares the measured values of both sensors 10, 1 1 and determines a threshold value U s at which the same measured value results for both sensors 10, 1 1.
  • the oscillation amplitude A s and the frequency f s of the oscillation can be determined from the threshold value U s and the signal from a sensor, as will be explained in detail later.
  • the position sensors 10, 11 are formed by capacitors.
  • the second pair 20, 21 of position sensors or capacitors ensures that a pair of position sensors displays the same measured value in each direction with a certain deflection. This value defines the threshold value U s of the respective one
  • the height of the elevation or the elevation of an electrode 11a, 21a of a pair of capacitors 10, 11 or 20, 21 determines the threshold value U s .
  • the threshold value U s can thus be set differently depending on the requirement.
  • the vibration amplitude is determined independently of the distance d between the rocker 2 and the plate 1 from the measurement signals of the position sensors 10, 11, 20, 21 or capacitances.
  • the signal amplitude A s is recorded, for example, with the position sensor 10, which is arranged in FIG. 1 on the right part of the rocker 2 in its outer area. With a deflection from the zero position by the angle ⁇ , the right-hand part of the rocker 2 approaches the opposite plate 1, with the two position sensors 10 and 11 displaying the same value at a defined angle ⁇ -, which the comparator uses as a threshold value + U S is determined.
  • the measuring signal exceeds the position sensor 10 to the positive threshold value or the threshold voltage + U S, then reaches a maximum and then falls with the movement of the rocker 2 in the opposite direction again the threshold + U S.
  • the time period T p between the exceeding and falling below the threshold voltage + U S is measured.
  • the rocker 2 passes through its zero position and there is a deflection in the opposite direction, so that in the event of a negative deflection by the angle - ⁇ the two position sensors 20, 21 in the left part of the rocker 2 display the same value from which the threshold value -U s is formed for the second or negative half-wave.
  • the measurement signal exceeds this threshold value during the period T n .
  • the oscillation amplitude can now be calculated from the threshold voltage U s , the frequency f s and the period T p of exceeding the threshold value + U S according to the formula
  • the frequency f s can be determined from the successive threshold value violations in one direction, which is why in this case only a pair of position sensors is necessary to determine the threshold value of a half-wave.
  • the frequency f s or f s ⁇ ⁇ can be calculated from the time period T fp or T fn according to the formula
  • T fp is the time between the threshold value of the positive half-wave being exceeded and the threshold value of the negative half-wave being exceeded.
  • Tfn is the time between falling below the threshold of the positive half-wave and falling below the threshold of the negative half-wave.
  • Step-shaped signals S p and S n are formed and processed from the time period T p in which the amplitude is above the threshold voltage + U S and from the time period T n in which the amplitude is below the negative threshold voltage -U s to calculate the amplitude and / or frequency of the vibration regardless of the distance d between the rocker 2 and the plate 1.
  • the structure or device is produced micromechanically, which enables inexpensive series production with a small design. It is achieved by the invention that with a parallel displacement of the movable element 2, which can take place, for example, by an acceleration acting on the structure in a direction perpendicular to the axis of rotation A, there are no errors in the amplitude measurement.
  • the device according to the invention can be used, for example, in connection with the known yaw rate sensor shown in FIG. There, an inner element 31 is pivotally mounted about the x-axis in a frame 30 rotatable about the y-axis.
  • the deflection of the inner element 31 or the frame 30 can be determined without a parallel displacement of the frame 30 or the element 31 and the associated change in measured values of individual position sensors having a disturbance in the amplitude measurement.
  • pairs of position sensors are arranged on the frame 30 and / or on the inner element 31 in order to measure the deflection and to determine the threshold value. The amplitude and frequency can then be as described above
  • Measured values are determined without interference from displacements influencing the determined values for amplitude or frequency.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Bestimmung von Frequenz und/oder Amplitude einer schwingenden Struktur, die insbesondere zur Messung von Beschleunigungen bzw. Drehraten dient, hat ein bewegliches Element (2), das zu einer Schwingung anregbar ist. Ein Paar von Positionssensoren (10, 11) dient zur Bestimmung der Auslenkung des beweglichen Elements (2), wobei die Positionssensoren (10, 11) derart angeordnet sind, dass sich ihre Messwerte während einer Halbwelle der Schwingung gegenseitig über- bzw. unterschreiten. Ein Komparator dient zum Vergleich der Messwerte beider Positionssensoren (10, 11) um daraus einen Schwellwert (Us) für die Halbwelle der Schwingung zu bestimmen. Eine Zeitmesseinrichtung dient zur Bestimmung der Zeitdauer, in welcher der Messwert einer der beiden Positionssensoren (10, 11) den Schwellwert (Us) überschreitet bzw. unterschreitet. Die Positionssensoren (10, 11) können z.B. Kapazitäten sein, deren Elektroden stufenartig angeordnet sind. Die Amplitudenbestimmung der Schwingung erfolgt dadurch unabhängig von einer möglichen Parallelverschiebung des beweglichen Elements (2), so dass keine Störung der Messergebnisse mehr erfolgt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Frequenz und Amplitude einer schwingenden Struktur, insbesondere zur Messung von Beschleunigungen oder
Drehraten
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Frequenz und/oder Amplitude einer schwingenden Struktur, insbesondere zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten.
Schwingende Strukturen haben in der Technik vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Sie werden beispielsweise als Beschleunigungs- und/oder Drehratensensoren eingesetzt, wobei sich aus den Schwingungscharakteristika Bewegungsgrößen ermitteln lassen.
In der US Patentschrift 4,598,585 ist ein Drehratensensor beschrieben, bei dem eine Masse schwingbar um zwei senkrecht zueinanderstehende Achsen (x-Achse, y-Achse) gelagert ist. Um eine Drehrate um die z-Achse zu bestimmen, die senkrecht zur x- und y- Achse verläuft, wird das Element zu einer periodischen Schwingung um die y-Achse angeregt. Aufgrund der Corioliskraft während der Drehung erfolgt eine weitere Schwingung des Elements um die x-Achse, wobei die Amplitude ein Maß für die Drehrate ist. Ein derartiger Drehratensensor mit doppelt-kardanischer Aufhängung ist in Figur 3 gezeigt.
Weiterhin sind Beschleunigungssensoren bekannt, die eine oszillierende Bewegung ausführen, wobei die Frequenz ein Maß für die in einer bestimmten Richtung wirkende Beschleunigung ist.
Die bekannten schwingenden Strukturen haben jedoch den Nachteil, daß nicht zwischen einer Änderung der Schwingungsamplitude und einer Parallelverschiebung des schwingenden Elements unterschieden werden kann. So können z.B. Abstandsänderungen der Aufhängung des beweglichen Elements auftreten, die die Meßgrößen verfälschen. Bei einem Abgriff der Position bzw. Auslenkung des schwingenden Elements mit einem Kondensator können kleinste Änderungen des Abstands der Kondensatorplatten die tatsächliche Schwingungsamplitude so überlagern, daß genaue Meßergebnisse nicht mehr möglich sind. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Störung bzw. Parallelverschiebung im gleichen Frequenzbereich liegt wie die angeregte Schwingung.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung von Frequenz und/oder Amplitude einer schwingenden Struktur zu schaffen und ein Verfahren anzugeben, mit dem die Schwingungsamplitude mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann, wobei Störungen, z.B. durch eine Parallelverschiebung oder Verzug der Struktur, wirksam unterdrückt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und das
Verfahren gemäß Patentanspruch 8. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Frequenz und/oder Amplitude einer schwingenden Struktur ist insbesondere zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten geeignet und hat ein bewegliches Element, das zu einer Schwingung anregbar ist, ein Paar von Positionssensoren zur Bestimmung der Auslenkung des beweglichen Elements, die derart angeordnet sind, daß sich ihre Meßwerte während einer Halbwelle der Schwingung gegenseitig über- und/oder unterschreiten, eine Schaltung zum Vergleich der Meßwerte beider Positionssensoren um daraus einen Schwellwert für die Halbwelle der Schwingung zu bestimmen, und eine Einrichtung zur Bestimmung der Zeitdauer, in welcher der Meßwert einer der beiden Positionssensoren den Schwellwert überschreitet und/oder unterschreitet.
Durch die besondere Anordnung der Positionssensoren und den Vergleich der Meßwerte mit Schwellwertbestimmung in einer Halbwelle der Schwingung wird erreicht, daß sich die Schwingungsamplitude selbst bei einer Störung der Messung durch Parallelverschiebung des schwingenden Elements genau ermitteln läßt. Fehler in der Amplitudenbestimmung werden vermieden. Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung ein weiteres Paar von Abstandssensoren zur Bestimmung eines zweiten Schwellwerts für die zweite Halbwelle der Schwingung. Dabei sind die Abstandssensoren bevorzugt so angeordnet, daß die Schwellwerte in der positiven und in der negativen Halbwelle den gleichen Betrag haben. Insbesondere bei einer mechanischen Struktur, die um eine definierte Achse schwingt, hat eine senkrecht zur Schwingungsachse A wirkende Beschleunigung keine Fehler in der Amplitudenmessung mehr zur Folge.
Die Positionssensoren sind vorteilhafterweise Kapazitäten, wodurch sich eine kostengünstige Bauart ergibt. Sie können aber auch durch optische Elemente oder ähnliche dem Fachmann bekannte Sensoren zur Positions- bzw. Abstandsmessung gebildet werden.
Bevorzugt ist ein Element eines Paars von Positionssensoren überhöht angeordnet, so daß sich der Schwellwert bei einer definierten Auslenkung des beweglichen Elements einstellt. Die Schwellwerte können z.B. durch mechanische Stufen hervorgerufen werden, bzw. durch die stufenartige Anordnung von Elektroden an einem schwingbaren Element oder an einer dem Element gegenüberliegenden Fläche. Dabei sind die Positionssensoren bevorzugt in unterschiedlichem Abstand von der Drehachse des beweglichen Elements angeordnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Frequenz und/oder Amplitude einer schwingenden Struktur umfaßt die Schritte: Bestimmen eines Schwellwertes in der positiven und/oder negativen Halbwelle einer Schwingung, Bestimmen der Zeitdauer, in welcher der Schwellwert während der Schwingung überschritten und/oder unterschritten wird, und Ermitteln der Frequenz und/oder der Amplitude aus der Zeitdauer des Überschreitens und/oder Unterschreitens des Schwellwertes. Dadurch kann die Schwingungsamplitude unabhängig vom Abstand zwischen dem schwingbaren Element und einem fixen Element bestimmt und die Frequenz der Schwingung ermittelt werden.
Vorteilhafterweise wird für die positive und für die negative Halbwelle der Schwingung jeweils ein Schwellwert bestimmt und aus der jeweiligen Zeitdauer des Über- und/oder Unterschreitens beider Schwellwerte wird die Frequenz und/oder die Amplitude ermittelt. Dabei können die Schwellwerte in der positiven und in der negativen Halbwelle den gleichen Betrag haben. Insbesondere können sie durch mechanische Stufen gebildet werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. In den Figuren zeigt
Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Schnittansicht;
Figur 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Schwingung und der charakteristischen Größen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Amplituden- und Frequenzbestimmung verwendet werden; und
Figur 3 einen bekannten Drehratensensor mit einer schwingungsfähigen Struktur.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem beweglichen Element 2 bzw. einer Wippe, die um eine Achse A schwingbar gelagert ist. Die Wippe 2 kann beispielsweise in Form eines Balkens oder einer plattenartigen Struktur vorliegen und wird durch Anregung in eine periodische Schwingung versetzt. Der Wippe 2 gegenüberliegend ist ein fixiertes Element 1 in Form einer Platte angeordnet. Ein erstes Paar von Positionssensoren 10, 1 1 dient zur Bestimmung des Abstands zwischen dem beweglichen Element 2 und dem fixierten Element 1 und somit zur Bestimmung der jeweiligen Auslenkung während der Schwingung des Elements 2 um die Achse A. Dabei sind die
Positionssensoren 10, 1 1 so angeordnet, daß sich ihre Meßwerte während einer Halbwelle der Schwingung gegenseitig überschreiten und/oder unterschreiten. D.h., bei einer bestimmten Auslenkung um den Winkel φ sind die Meßwerte der beiden Positionssensoren 10, 1 1 gleich groß, während beim Überschreiten des Winkels φ der Sensor 10 einen größeren Meßwert anzeigt als der Sensor 1 1 , und beim Unterschreiten des Winkels φ der Sensor 10 einen kleineren Meßwert anzeigt als der Sensor 1 1. Die Positionssensoren 10, 1 1 sind mit einem Komparator verbunden, welcher die Meßwerte beider Sensoren 10, 1 1 vergleicht und einen Schwellwert Us bestimmt, bei dem sich für beide Sensoren 10, 1 1 der gleiche Meßwert ergibt. Mittels einer Einrichtung zur Zeitmessung kann aus dem Schwellwert Us und dem Signal eines Sensors die Schwingungsamplitude As und die Frequenz fs der Schwingung ermittelt werden, wie es später noch im Detail erläutert wird.
In der hier gezeigten Ausführungsform sind die Positionssensoren 10, 1 1 durch Kapazitäten gebildet. Dabei befindet sich in der bevorzugten Ausführungsform auf jeder Seite der Drehachse A der Wippe 2 ein Paar von Positionssensoren 10, 1 1 und 20, 21 bzw. Kapazitäten. Jeweils eine Elektrode 1 1 a, 21a eines Kapazitätenpaars 10, 1 1 bzw. 20, 21 ist erhaben auf der Wippe 2 aufgebracht. Daraus ergibt sich, daß die erhaben angeordneten Elektroden 1 1a, 21a in Ruhestellung der Wippe, d.h. bei einem Auslenkungswinkel φ = 0, näher an ihren Gegenelektroden liegen als die beiden anderen Elektroden 10a, 20a. Dies ist im vorliegenden Fall dadurch realisiert, daß die Oberfläche 8 der Wippe 2, auf der die Elektroden 10a, 1 1a, 20a, 21a angeordnet sind, stufenförmig ausgestaltet ist. Zur Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es aber auch möglich, anstelle der Wippe 2 die gegenüberliegende Platte 1 mit Elektroden auf unterschiedlichen Niveaus zu versehen. Unabhängig von der jeweiligen Ausführungsform bzw. der konkreten Ausgestaltung der Positionssensoren 10, 1 1 bzw. 20, 21 kommt es darauf an, daß bei einer definierten Auslenkung der Wippe 2 um den Winkel φ zwei Positionssensoren 10, 1 1 den gleichen Meßwert anzeigen, während sich ihre Werte bei anderen Winkeln unterscheiden.
Durch das zweite Paar 20, 21 von Positionssensoren bzw. Kapazitäten wird erreicht, daß bei einer bestimmten Auslenkung in jeder Richtung jeweils ein Paar von Positionssensoren den gleichen Meßwert anzeigt. Dieser Wert definiert den Schwellwert Us der jeweiligen
Halbwelle der Schwingung, der bei einer weiteren Auslenkung über den Winkel +φ bzw. -φ hinaus von einem der Meßsignale überschritten wird. Die Höhe der Erhebung bzw. die Überhöhung jeweils einer Elektrode 1 1a, 21a eines Kapazitätenpaars 10, 1 1 bzw. 20, 21 bestimmt den Schwellwert Us. Somit kann der Schwellwert Us je nach Anforderung unterschiedlich eingestellt werden.
Anhand von Figur 2 wird erläutert, wie aus den Meßsignalen der Positionssensoren 10, 1 1 , 20, 21 bzw. Kapazitäten die Schwingungsamplitude unabhängig vom Abstand d zwischen der Wippe 2 und der Platte 1 ermittelt wird. Die Signalamplitude As wird beispielsweise mit dem Positionssensor 10 aufgenommen, der in Figur 1 am rechten Teil der Wippe 2 in ihrem äußeren Bereich angeordnet ist. Bei einer Auslenkung aus der Nullage um den Winkel φ nähert sich der rechte Teil der Wippe 2 der gegenüberliegenden Platte 1 , wobei bei einem definierten Winkel φ- die beiden Positionssensoren 10 und 1 1 den gleichen Wert anzeigen, der vom Komparator als Schwellwert +US ermittelt wird. Bei fortschreitender Auslenkung in positiver Richtung überschreitet das Meßsignal des Positionssensors 10 den positiven Schwellwert bzw. die Schwellspannung +US, erreicht anschließend ihr Maximum und unterschreitet dann bei der Bewegung der Wippe 2 in Gegenrichtung wieder die Schwellspannung +US. Die Zeitdauer Tp zwischen dem Über- und Unterschreiten der Schwellspannung +US wird gemessen. Anschließend durchschreitet die Wippe 2 ihre Nullage und es erfolgt eine Auslenkung in der Gegenrichtung, so daß bei einer negativen Auslenkung um den Winkel -φ die beiden Positionssensoren 20, 21 im linken Teil der Wippe 2 den gleichen Wert anzeigen, aus dem der Schwellwert -Us für die zweite bzw. negative Halbwelle gebildet wird. Bei einer weiteren Auslenkung in dieser Richtung überschreitet das Meßsignal diesen Schwellwert während des Zeitraumes Tn.
Die Schwingungsamplitude läßt sich nun aus der Schwellspannung Us, der Frequenz fs und der Zeitdauer Tp des Überschreitens des Schwellwertes +US nach der Formel
Us
As (1)
COS(Tp*π*fs)
ermitteln. Die Frequenz fs kann dabei aus den aufeinanderfolgenden Schwellwertüberschreitungen in einer Richtung ermittelt werden, weshalb in diesem Fall nur ein Paar von Positionssensoren zur Ermittlung des Schwellwertes einer Halbwelle notwendig ist.
Bei zwei Paaren von Positionssensoren 10X 1 und 20, 21 , von denen jedes auf einer Seite der Drehachse A angeordnet ist, läßt sich die Frequenz fs bzw. fs<π aus der Zeitdauer Tfp bzw. Tfn nach der Formel
f Q = Vz Tfp (2)
bzw.
= 1 2 * Tfn (3)
ermitteln. Dabei ist Tfp die Zeitdauer zwischen dem Überschreiten des Schwellwertes der positiven Halbwelle und dem Überschreiten des Schwellwertes der negativen Halbwelle. Tfn ist die Zeitdauer zwischen dem Unterschreiten des Schwellwertes der positiven Halbwelle und dem Unterschreiten des Schwellwertes der negativen Halbwelle.
Aus der Zeitdauer Tp, in der die Amplitude über der Schwellspannung +US liegt und aus der Zeitdauer Tn, in der die Amplitude unter der negativen Schwellspannung -Us, liegt, werden stufenförmige Signale Sp bzw. Sn gebildet und verarbeitet um damit die Amplitude und/oder Frequenz der Schwingung unabhängig vom Abstand d zwischen der Wippe 2 und der Platte 1 zu berechnen.
Die Struktur bzw. Vorrichtung ist mikromechanisch hergestellt, wodurch eine kostengünstige Serienfertigung bei kleiner Bauweise ermöglicht wird. Durch die Erfindung wird erreicht, daß bei einer Parallelverschiebung des beweglichen Elements 2, die beispielsweise durch eine auf die Struktur wirkende Beschleunigung in einer Richtung senkrecht zur Drehachse A erfolgen kann, keine Fehler in der Amplitudenmessung enstehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise im Zusammenhang mit dem in Figur 3 gezeigten, bekannten Drehratensensor verwendet werden. Dort ist in einem um die y-Achse drehbaren Rahmen 30 ein inneres Element 31 schwenkbar um die x-Achse gelagert. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Auslenkung des inneren Elements 31 bzw. des Rahmens 30 ermittelt werden, ohne daß eine Parallelverschiebung des Rahmens 30 bzw. des Elements 31 und die damit verbundene Änderung von Meßwerten einzelner Positionssensoren eine Störung der Amplitudenmessung zur Folge hat. Zur Realisierung werden Paare von Positionssensoren am Rahmen 30 und/oder am inneren Element 31 angeordnet, um die Auslenkung zu messen und den Schwellwert zu bestimmen. Amplitude und Frequenz können dann wie oben beschrieben aus den
Meßwerten ermittelt werden, ohne daß Störungen durch Verschiebungen die ermittelten Werte für Amplitude bzw. Frequenz beeinflussen.
Neben diesem Beispiel sind aber auch zahlreiche andere Anwendungen möglich, bei denen eine Auslenkung drehbar bzw. schwingbar gelagerter Elemente zur Messung physikalischer Größen verwendet wird. Unabhängig von der jeweiligen Anwendung ist die Tatsache entscheidend, daß Störungen bei der Bestimmung von Frequenz bzw. Amplitude, die durch Parallelverschiebung bzw. Verzug entstehen, vermieden werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung von Frequenz und/oder Amplitude einer schwingenden Struktur, insbesondere zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten, mit einem beweglichen Element (2), das zu einer Schwingung anregbar ist, gekennzeichnet durch ein Paar von Positionssensoren ( 10, 1 1) zur Bestimmung der Auslenkung des beweglichen Elements (2), die derart angeordnet sind, daß sich ihre Meßwerte während einer Halbwelle der Schwingung gegenseitig über- und/oder unterschreiten, einen Komparator zum Vergleich der Meßwerte beider Positionssensoren ( 10, 1 1 ) um daraus einen Schwellwert (Us) für die Halbwelle der Schwingung zu bestimmen, und eine Einrichtung zur Bestimmung der Zeitdauer, in welcher der Meßwert einer der beiden Positionssensoren ( 10, 1 1) den Schwellwert (Us) überschreitet und/oder unterschreitet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein weiteres Paar von Positionssensoren (20, 21) zur Bestimmung eines zweiten Schwellwerts für die zweite Halbwelle der Schwingung.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Paare von Positionssensoren ( 10, 1 1 , 20, 21 ) so angeordnet sind, daß die Schwellwerte (Us) in der positiven und in der negativen Halbwelle den gleichen Betrag haben.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionssensoren ( 10, 1 1 , 20, 21 ) durch Kapazitäten oder optische Elemente gebildet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Element (1 1a, 21a) eines Positionssensors ( 10, 1 1 , 20, 21 ) überhöht angeordnet, so daß sich der Schwellwert (Us) bei einer definierten Auslenkung φ des beweglichen Elements (2) einstellt.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberfläche (8) des beweglichen Elements (2) Elektroden ( 10a, 1 1 a, 20a, 21a) angeordnet sind, die weiteren Elektroden (10b,
1 1 b 20b, 21 b) auf einer Oberfläche (9) eines fixierten Elements (3) gegenüberliegen, wobei mindestens eine der Oberflächen (8, 9) stufenförmig gestaltet ist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schwellwerte durch mechanische Stufen gebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Positionssensoren (10, 1 1) in unterschiedlichem Abstand von der Drehachse A des beweglichen Elements (2) angeordnet sind.
9. Verfahren zur Bestimmung von Frequenz und/oder Amplitude einer schwingenden Struktur, insbesondere zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten, gekennzeichnet durch die Schritte:
Bestimmen eines Schwellwertes (Us) in der positiven und/oder negativen Halbwelle einer Schwingung,
Bestimmen der Zeitdauer (Tp), in welcher der Schwellwert (Us)während der Schwingung überschritten und/oder unterschritten wird, und
Ermitteln der Frequenz und/oder der Amplitude aus der Zeitdauer des Über- und/oder Unterschreitens des Schwellwerts (Us).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die positive und für die negative Halbwelle der Schwingung jeweils ein Schwellwert (+US, -Us) bestimmt wird und aus der jeweiligen Zeitdauer des Über- und/oder Unterschreitens beider Schwellwerte die Frequenz und/oder die Amplitude ermittelt wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude nach der Formel
As
COS(Tp*π*fs) berechnet wird, wobei Tp die Zeitdauer des Über- oder Unterschrschreitens des Schwellwerts (Us in einer Halbwelle und fs die Frequenz der Schwingung ist.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwerte (Us) in der positiven und in der negativen Halbwelle den gleichen Betrag haben.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schwellwerte (Us) durch mechanische Stufen gebildet werden.
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