ES2715992T3 - Compensación de aceleración de transductor usando un retardo para hacer coincidir características de fase - Google Patents

Abstract

Sistema que comprende: un transductor (10) configurado para proporcionar una señal de salida de transductor (10A); un sensor 12 acoplado operativamente al transductor, estando configurado el sensor (12) para proporcionar una señal de salida de sensor (12A) que está relacionada directa o indirectamente con la aceleración; estando el sistema caracterizado por un compensador (20) conectado para recibir una señal de avance de al menos una de la señal de salida de transductor (10A) y la señal de salida de sensor (12A), en el que el compensador (20) está configurado para calcular un retardo a partir de una pendiente de una fase de al menos una de la señal de salida de transductor (10A) y la señal de salida de sensor (12A) en un intervalo de frecuencia seleccionado, e incluyendo el compensador (20) un módulo de retardo (21) configurado para retardar la señal de avance según el retardo calculado con el fin de minimizar la diferencia de fase entre la señal de salida de transductor (10A) y la señal de salida de sensor (12A), en el que el retardo está configurado para frecuencias menores que una primera frecuencia modal.

Description

DESCRIPCIÓN

Compensación de aceleración de transductor usando un retardo para hacer coincidir características de fase Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere en general a transductores tales como transductores de fuerza o de presión. Más particularmente, la presente invención se refiere a la compensación de aceleración mejorada para transductores. La compensación de aceleración es una técnica que se usa a menudo en transductores tales como transductores de fuerza o de presión. Cuando se aceleran tales transductores, este movimiento puede provocar un error (error de inercia) en la medición. El transductor se compone de un elemento de detección y una masa adicional unida al elemento de detección. Esta masa adicional puede ser masa de soporte o masa debida a la estructura del transductor. La masa adicional (que no forma parte de la unidad sometida a prueba), que está unida a lo que se conoce como el lado activo del transductor, inducirá una fuerza sobre el elemento de detección cuando se acelera la masa. Sin embargo, esta fuerza de inercia se considera errónea, ya que la fuerza no es el resultado de la fuerza aplicada al transductor desde la unidad sometida a prueba si no que más bien es el resultado de la fuerza requerida para acelerar la masa del soporte y/o partes del propio transductor.

De manera tradicional, las mediciones dinámicas de fuerza o presión se corrigen para errores inducidos por inercia con un acelerómetro acoplado a o colocado en las proximidades del transductor de tal manera que el acelerómetro detecta la aceleración en la(s) dirección/direcciones de movimiento en la(s) que hay error de transductor. Dado que el error de fuerza es proporcional a la aceleración, un valor escalar multiplicado por la aceleración medida produce una señal de compensación para el error de inercia. El valor escalar representa la masa del soporte o partes del transductor en el lado activo del elemento de detección.

Aunque la técnica de compensación descrita anteriormente proporciona una señal de compensación que puede mejorar significativamente la precisión del transductor, en algunas situaciones se desea más precisión.

El documento US 2006/0070424 A1 (D1) da a conocer un sistema que comprende un transductor; un acelerómetro que puede moverse con el transductor y un compensador adaptado para recibir al menos una señal basada en al menos una de las señales de salida del transductor y el acelerómetro, proporcionando el compensador al menos una de compensación de fase y ganancia basándose en la frecuencia de movimiento del transductor a la al menos una señal.

El documento WO 2009/101566 A1 (D2) da a conocer un método para determinar un valor de corrección para una medición mediante un sensor de presión, compensando el valor de corrección cambios en la orientación del sensor de presión y/o la aceleración del sensor de presión; comprendiendo el método: medir la aceleración que actúa sobre el sensor de presión y calcular el valor de corrección en función de la aceleración medida.

El documento JP59018429A (D3) da a conocer el ajuste de la amplitud y la fase de un sensor de aceleración, que se proporciona en un cuerpo al que están unidos convertidores de presión de semiconductor, y la anulación de las componentes de aceleración incluidas en las señales de salida de dichos convertidores.

Sumario de la invención

Este sumario se proporciona para presentar algunos conceptos de manera simplificada que se describen adicionalmente a continuación en la descripción detallada. Este sumario no pretende identificar rasgos clave o rasgos esenciales del contenido reivindicado, ni tampoco pretende que se use como ayuda al determinar el alcance del contenido reivindicado.

Se proporciona un método según la reivindicación 8 y un sistema según la reivindicación 1 para corregir el error de inercia de un transductor en función de la frecuencia para un acoplamiento de masa eficaz. Como un aspecto de la invención, un sistema incluye un transductor y un sensor acoplado operativamente al transductor, proporcionando el sensor una señal que está relacionada directa o indirectamente con la aceleración.

En este caso y en la duración de esta descripción y las figuras, un sensor que proporciona una señal que está relacionada directa o indirectamente con la aceleración puede significar un acelerómetro en el sentido más puro o puede sustituirse por un sensor de movimiento alternativo (por ejemplo transductor de desplazamiento, sensor de velocidad) del que se deriva la aceleración a través de computación y/o manipulación.

Un compensador está configurado para recibir al menos una señal basada en las señales de salida del transductor o el sensor. El compensador compensa la señal proporcionando compensación de fase mediante la aplicación de un retardo.

Como otro aspecto de la invención, un método de generación de información de compensación incluye aplicar un movimiento de excitación a un transductor y un sensor obteniéndose señales de respuesta a partir del mismo. El sensor está acoplado operativamente al transductor para proporcionar una señal que está relacionada directa o indirectamente con la aceleración. Se genera información de compensación basándose en las señales de respuesta.

La información de compensación está configurada para proporcionar compensación de fase usando un módulo de retardo, cuyo periodo de tiempo está basado en la fase frente a la frecuencia de movimiento del transductor. En particular, una técnica descrita en el presente documento es un método de corrección de fase entre las señales de fuerza y aceleración con el fin del lograr una compensación eficaz. En una realización, más que intentar hacer coincidir la característica de fase a través de todas las frecuencias, este método intenta aproximar la característica de fase a frecuencias por debajo de la dinámica del sistema, por ejemplo modos resonantes mecánicos o frecuencias de filtrado. Esta dinámica del sistema ha de denominarse de manera genérica frecuencias modales. En muchos casos, basta con lograr una compensación de aceleración eficaz con propósitos de control en bucle cerrado y recopilación de datos.

A frecuencias por debajo de la primera frecuencia modal, la característica de fase entre la fuerza y la aceleración es relativamente lineal cuando se observa en una escala de fase lineal frente a frecuencia lineal. Se ha hallado que una diferencia de fase frente frecuencia lineal entre dos señales puede eliminarse fácilmente introduciendo un retardo en la señal de avance. Un retardo no cambiará la magnitud de una señal pero cambiará la pendiente de fase frente a la frecuencia. Seleccionando las frecuencias de inicio y fin para medir la pendiente de las características de fase del sistema no compensado, puede optimizarse la compensación de aceleración en un intervalo de frecuencia deseado. Aunque las frecuencias modales de frecuencia observadas en las señales de transductor pueden estar muy por encima del intervalo de frecuencia de interés para datos y control, estos modos crean diferencias de fase menores entre las señales de fuerza y aceleración muy por debajo de las frecuencias modales. Sin corrección de fase, las diferencias de fase menores limitan la eficacia de la compensación de aceleración incluso a menores frecuencias. Una ventaja del método y el aparato de compensación proporcionados en el presente documento es que la compensación de retardo es una técnica sencilla de implementar aunque mejora enormemente la eficacia de la compensación de aceleración a menores frecuencias.

Uno o más de los siguientes rasgos o aspectos pueden combinarse con o usarse en el sistema y el método anteriores, si se desea.

El transductor puede comprender un transductor de fuerza, un transductor de presión y/o un transductor de par. El compensador puede proporcionar tanto compensación de fase como ganancia. La compensación de fase proporcionada por el compensador puede basarse en otro factor además de la frecuencia. Por ejemplo, el otro factor puede basarse en una carga externa aplicada.

El retardo puede estar configurado para un intervalo de frecuencia seleccionado, por ejemplo particularmente en una realización de uso, para frecuencias menores que una primera frecuencia modal.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es un diagrama de bloques esquemático de un sistema de transductor que tiene un compensador para proporcionar compensación de fase añadiendo un retardo.

La figura 2 es un diagrama de bloques esquemático de un segundo sistema de transductor que tiene un compensador para proporcionar compensación de fase añadiendo un retardo.

La figura 3 es un diagrama de flujo de un método para determinar cantidades de compensación.

La figura 4 es una representación gráfica de la fase frente a la frecuencia para el sistema y una aproximación.

La figura 5 es una representación gráfica de la fase frente a la frecuencia para el sistema y una aproximación de la figura 4 en un intervalo de frecuencia más estrecho.

La figura 6 es un diagrama de bloques de procesamiento de señales.

Descripción detallada de las realizaciones ilustrativas

Esta descripción presenta una técnica para corregir el error de inercia de un transductor en función no sólo de una representación escalar para la masa (compensación de aceleración tradicional) sino también en función de la frecuencia que se aproxima mediante el uso de un retardo. En particular, como un aspecto de la presente invención, una señal de compensación generada a partir de técnicas de la presente invención proporciona compensación de fase en función de la frecuencia aplicando un retardo.

Como otro aspecto, esta técnica también difiere de los enfoques conocidos debido a esta forma de corrección de fase. La figura 1 ilustra esquemáticamente un transductor 10 (por ejemplo, de fuerza, de par o de presión), que proporciona una señal de salida 10A, y un sensor 12 que puede proporcionar una señal 12A que puede usarse directa o indirectamente para determinar la aceleración. En la realización ilustrada, el sensor es un acelerómetro que proporciona la señal de aceleración directamente; sin embargo, esto no es sino una realización. Si se desea, el sensor 12 puede ser un sensor tal como un sensor de desplazamiento que proporciona una señal de salida indicativa de posición absoluta o relativa, o si no de distancia recorrida. Dado también el tiempo que ha tardado el transductor 10 en cambiar de posición desde un temporizador no mostrado o si no parte del compensador 20 comentado a continuación, puede procesarse la señal de salida del sensor de desplazamiento para proporcionar la señal indicativa de aceleración, es decir en esta situación, una aceleración derivada.

Debe indicarse que, en la siguiente descripción, el término “fuerza” puede implicar “fuerza,” “par” o “presión”.

Puede existir un desplazamiento de fase y/o a atenuación o amplificación de magnitud entre las señales 10A y 12A en función de la frecuencia. Además, el desplazamiento de fase y/o una atenuación o amplificación de magnitud, o al menos una parte de los mismos, también puede deberse a circuitos de procesamiento 14 y 16 que reciben y procesan las señales de salida 10A y 12A, respectivamente. Por ejemplo, puede producirse cierto desplazamiento de fase y/o una atenuación o amplificación de magnitud debido a diferentes acondicionadores, filtros, aparatos de muestreo, etc. que pueden introducir retardos, o retardos diferentes, que pueden variar de nuevo en función de la frecuencia.

Un aspecto de la presente invención descrito en el presente documento es un método de corrección de fase entre las señales de fuerza y aceleración con el fin de lograr una forma de compensación. Más que intentar hacer coincidir la característica de fase a través de todas las frecuencias, este método aproxima la característica de fase a frecuencias seleccionadas tales como un intervalo de frecuencia, por ejemplo y en una realización ventajosa, por debajo de las frecuencias modales, preferiblemente por debajo de una primera frecuencia modal. En algunas aplicaciones, basta con esto para alcanzar una compensación de aceleración eficaz con propósitos de control en bucle cerrado y recopilación de datos.

Se ha hallado que a frecuencias por debajo de la primera frecuencia modal, la característica de fase entre la fuerza y la aceleración es relativamente lineal cuando se observa en una escala de fase lineal frente a frecuencia lineal. En particular, se ha hallado que una diferencia de fase frente a frecuencia lineal entre dos señales puede eliminarse fácilmente introduciendo un retardo en la señal de avance. Un retardo no cambiará la magnitud de una señal pero cambiará la pendiente de la fase frente a la frecuencia. Seleccionando las frecuencias de inicio y fin para medir la pendiente de las características de fase del sistema no compensado, puede optimizarse la compensación de aceleración en un intervalo de frecuencia deseado.

En un aspecto de la presente invención, un dispositivo de compensador 20 (por ejemplo, un retardo digital) está adaptado para recibir una o ambas (ejemplificado en el presente documento como la recepción de ambas) de las señales de salida 10A, 12A (en función de las mismas 10A', 12A' si se procesaron anteriormente mediante los circuitos 14, 16, tal como se ilustra en la figura 2) y proporcionar compensación de fase en función de la frecuencia a una de las señales de salida 10A, 12A mediante la aplicación de o la introducción de un periodo de retardo, ilustrado en el presente documento esquemáticamente como el módulo de retardo 21 con el fin de proporcionar una señal de salida compensada final 18. En la figura 1, el módulo de retardo 21 se ilustra con líneas discontinuas para indicar que se aplicaría a una de las señales 12A' o 10A'.

Tal como apreciarán los expertos en la técnica, el dispositivo de compensador 20 podría recibir las señales de salida 10A y/o 12A antes que los circuitos 14 y/o 16 tal como se ilustra en la figura 2. Normalmente, si el dispositivo de compensador 20 recibe ambas señales de salida 10A, 12A antes que los circuitos 14, 16, entonces el dispositivo de compensador 20 proporcionaría dos señales de salida. En tal caso, normalmente cada uno de los circuitos 14, 16 no contribuiría por sí mismo con una diferencia de fase apreciable entre las señales 10A' y 12A'. Dicho de otro modo, la ubicación del dispositivo de compensador 20 proporciona la compensación de fase necesaria a una de las señales 10A o 12A, mientras que cada uno de los circuitos 14, 16 contribuye con errores de fase despreciables.

El dispositivo de compensador 20 con módulo de retardo 21 puede realizarse en hardware (conjuntos de circuitos analógicos y/o digitales) y/o en software que puede hacerse funcionar en un dispositivo de computación adecuado, tal como un procesador de señales digitales, que también es un conjunto de circuitos. Los conjuntos de circuitos pueden incluir además sin limitación matrices lógicas y un sistema en una implementación de chip que integra, si no todos, algunos de los conjuntos de circuitos y componentes de un ordenador u otro sistema electrónico que procesa señales digitales, señales analógicas, y/o señales digitales y analógicas mixtas en un único sustrato de chip. Las señales de salida 10A, 12A pueden resultar de un entorno de pruebas, en el que se compensan las señales con el dispositivo de compensación 20 sin conexión durante el análisis, y/o pueden funcionar en un bucle de control en tiempo real en el que puede usarse la señal de salida 18 ( figura 1) para controlar un dispositivo.

La figura 3 ilustra un método 40 para lograr una compensación de aceleración eficaz usando compensación de fase mediante la aplicación de un retardo a la señal de avance calculada a través de frecuencias seleccionadas. En la etapa 42, tanto el transductor como el acelerómetro se hacen vibrar o se aceleran, por ejemplo, mediante una mesa vibratoria, indicada esquemáticamente en la figura 1 mediante la doble flecha 44. La característica del desplazamiento/movimiento dinámico 44 es que está en o a través de una pluralidad de frecuencias cambiadas de manera o bien continua o bien discreta y en dirección/direcciones que genera(n) el error de inercia. Por ejemplo, la característica de movimiento 44 puede ser, pero no se limita a, ruido blanco, ruido rosa, impulso, escalón o barrido sinusoidal. Durante la aplicación de la excitación por movimiento 44, se obtienen las señales de salida 10A, 12A antes y/o después del procesamiento mediante los circuitos 14, 16.

Debe indicarse que se realiza normalmente la etapa 42 con o a una carga de calibración externa conocida. Por ejemplo, si el transductor 10 es un transductor de fuerza, puede realizarse la etapa 42 con una carga de calibración externa de cero, es decir no se aplica ninguna fuerza. Del mismo modo, la carga de calibración externa conocida puede ser a cierta carga positiva o negativa, o tal como se comentará a continuación, puede realizarse la etapa 42 a una pluralidad de cargas de calibración externas conocidas.

En la etapa 46, se calculan cantidades de compensación o si no se generan de manera adecuada para su uso por un dispositivo de compensación 20. Por ejemplo, se obtiene la función de respuesta de frecuencia de la señal de salida de transductor 10A con respecto a la señal de salida de acelerómetro 12A. La figura 4 ilustra datos de fase frente a de frecuencia del transductor y el acelerómetro en forma de una representación gráfica a modo de ejemplo en 50, mientras que se indica una cantidad de compensación propuesta en 52. La figura 5 ilustra la misma representación gráfica que la figura 4 en un intervalo de frecuencia más estrecho en el que las líneas 50 y 52 son efectivamente las mismas e indican que la cantidad de compensación propuesta 52 es un buen ajuste. Volviendo a hacer referencia a la figura 3, generalmente, se elige un intervalo de frecuencia en el que va a optimizarse la compensación de aceleración. El intervalo de frecuencia debe estar normalmente por debajo de la menor frecuencia modal del sistema.

El valor de retardo se calcula en 48. El retardo de compensación de aceleración puede calcularse a partir de la pendiente de la fase en el intervalo de frecuencia seleccionado. Por ejemplo, si la frecuencia está en hercios (Hz) y la fase está en unidades de grados, entonces el valor para el retardo relativo de compensación (en segundos) es la pendiente/360. Se usan datos del intervalo de frecuencia elegido mostrados como representaciones gráficas en las figuras 4 y 5 para determinar el valor del retardo. La señal de avance (fuerza o aceleración) se retarda entonces usando el módulo de retardo 21 mediante el valor absoluto del retardo relativo.

Además, se calcularía comúnmente una corrección de ganancia en 49. Por ejemplo, la corrección de ganancia puede ser el valor de CC de la función de transferencia, o el valor promedio en el intervalo de frecuencia. Debe indicarse que la corrección de ganancia puede depender de la frecuencia, si se desea.

La figura 6 ilustra una aplicación de diagrama de bloques de las cantidades de compensación aplicadas a un procesador de señales digitales, en el que las señales 10A y 12A se originan desde convertidores analógico-digital 54 y 56. La señal de compensación 58 se calcula multiplicando la señal de aceleración (o señal de aceleración retardada tal como se determina en la etapa 48) por la corrección de ganancia calculada en la etapa 49. La señal de fuerza compensada se obtiene añadiendo (sumador 60) la señal de compensación 58 a la señal de fuerza (o señal de fuerza retardada tal como se determina en la etapa 48).

Generalmente, la corrección de fase puede aplicarse a la salida de fuerza medida durante el funcionamiento normal. Esta corrección puede aplicarse a la señal de aceleración, luego modificarse a escala y después añadirse a la señal de fuerza no compensada, o alternativamente la corrección puede aplicarse a la señal de fuerza, luego añadirse a la señal de aceleración modificada a escala, o una combinación de ambas. La variación del primer método propuesto puede ser deseable si el retraso de fase de la señal de fuerza se retrasó detrás del de la señal de aceleración en el intervalo de frecuencia de interés.

En aún una realización adicional tal como se mencionó anteriormente, puede realizarse la etapa 42 a una pluralidad de cargas de calibración externas conocidas. Por consiguiente, pueden calcularse cantidades de compensación o generarse para basarse también en una carga externa aplicada al transductor 12 además de basarse en una función de frecuencia. De esta manera, las cantidades de compensación pueden ser multidimensionales, en las que la compensación de la señal de salida de transductor 10A y/o la señal de salida de acelerómetro 12A puede estar basada en uno o más intervalos de frecuencia y uno o más de otros factores tales como carga externa aplicada, desplazamiento del transductor o dispositivo conectado al mismo, factores del entorno tales como temperatura, etc. En aún otra realización, la(s) carga(s) de calibración externa(s) conocida(s) puede(n) tener cierto contenido de frecuencia, y en la(s) que la(s) carga(s) puede(n) medirse mediante un transductor fiable (es decir, preciso), cuya salida se usa adicionalmente para generar o ajustar con precisión las cantidades de compensación.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Sistema que comprende:

un transductor (10) configurado para proporcionar una señal de salida de transductor (10A);

un sensor 12 acoplado operativamente al transductor, estando configurado el sensor (12) para proporcionar una señal de salida de sensor (12A) que está relacionada directa o indirectamente con la aceleración; estando el sistema caracterizado por

un compensador (20) conectado para recibir una señal de avance de al menos una de la señal de salida de transductor (10A) y la señal de salida de sensor (12A), en el que

el compensador (20) está configurado para calcular un retardo a partir de una pendiente de una fase de al menos una de la señal de salida de transductor (10A) y la señal de salida de sensor (12A) en un intervalo de frecuencia seleccionado, e

incluyendo el compensador (20) un módulo de retardo (21) configurado para retardar la señal de avance según el retardo calculado con el fin de minimizar la diferencia de fase entre la señal de salida de transductor (10A) y la señal de salida de sensor (12A), en el que el retardo está configurado para frecuencias menores que una primera frecuencia modal.

2. Sistema según la reivindicación 1, en el que el transductor (10) comprende un transductor de fuerza, un sensor de presión o un transductor de par.

3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el compensador (20) está configurado para proporcionar tanto compensación de fase como ganancia.

4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el compensador (20) está configurado para proporcionar compensación de fase basándose en otro factor además de la frecuencia.

5. Sistema según la reivindicación 4, en el que el otro factor es carga externa aplicada.

6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el retardo está configurado para un intervalo de frecuencia seleccionado.

7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el sensor (12) comprende un acelerómetro, un sensor de desplazamiento o un sensor de velocidad.

8. Método de provisión de compensación de aceleración a un transductor, que comprende:

aplicar movimiento de excitación (44) a un transductor (10) y a un sensor (12) en un sistema y obtener una señal de salida de transductor (10A) y una señal de salida de sensor (12A), en el que el sensor (12) está acoplado operativamente al transductor (10), y en el que la señal de salida de sensor (12A) está relacionada directa o indirectamente con la aceleración; estando el método caracterizado por

recibir una señal de avance de al menos una de la señal de salida de transductor (10A) y la señal de salida de sensor (12A);

usar un conjunto de circuitos para calcular un retardo a partir de una pendiente de una fase de al menos una de la señal de salida de transductor (10A) y la señal de salida de sensor (12A) en un intervalo de frecuencia seleccionado; y

usar un conjunto de circuitos para retardar la señal de avance según el retardo calculado con el fin de minimizar la diferencia de fase entre la señal de salida de transductor (10A) y la señal de salida de sensor (12A), en el que el retardo está configurado para frecuencias menores que una primera frecuencia modal.

9. Método según la reivindicación 8, y que comprende además aplicar una carga externa al transductor.

10. Método según la reivindicación 9, en el que la carga de calibración externa al transductor es cero.

11. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8-10, en el que aplicar un movimiento de excitación (44) al transductor (10) y al sensor (12) y obtener las señales de salida de transductor (10A) y de sensor (12A) a partir del mismo incluye aplicar una pluralidad de cargas de calibración externas al transductor (10).

12. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8-11, en el que aplicar movimiento de excitación (44) comprende aplicar un movimiento de excitación con una o más frecuencias menores que la primera frecuencia modal.

13. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8-12, en el que el sensor (12) comprende uno de un acelerómetro, un sensor de velocidad o un sensor de desplazamiento.

14. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8-13, en el que calcular el valor de retardo comprende procesar las señales de salida de transductor (10A) y de sensor (12A) para obtener una señal de aceleración derivada.