NO169094B - Fremgangsmaate og anordning til kompensasjon av en lineaer akselerasjonskomponent i et sensorsignal - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte i henhold til innledningen av krav 1 samt en anordning i henhold til innledningen av krav 4.

US patentskrift 4 197 737 av 15. april 1980, som inne-haes av den foreliggende oppfinner, vedrører en sensoranordning for avføling av slike parametre som magnetfelt, elektrisk felt. gasstrømning, lineær akselerasjon og vinkelakselerasjon. Den patenterte anordning er spesielt rettet på luftfartøyer. Kort sagt innbefatter den patenterte anordning av en rekke individuelle sensorenheter montert for dreining på en felles aksel og kommutatororganer er tilkoblet for å muliggjøre kob-ling av den avfølte spenning fra sensoranordningen. De individuelle enheter er innrettet til å fremskaffe vekselspen-ningssignaler, idet de øyeblikkelige maksimale amplituder av signalene svarer hovedsakelig til vektoren av den målte fysikalske karakteristikk i et gitt plan, f.eks. et plan vinkelrett på rotasjonsaksen. Som et resultat kan man fremskaffe hovedsakelig komplette data vedrørende de fysikalske karak-teristikker ved utnyttelse av sensorenhetene.

Vinkelhastighet om akser som er vinkelrett på akselen, blirdetektert ved hjelp av et par av krystaller som strekker seg radialt fra akselen og har bøyeakser vinkelrett på akselen. Med hensyn til den tidligere kjente anordning er det funnet at lineær akselerasjon fremskaffer uønskede virkninger på opptaksenheten ("pick-up unit") for vinkelhastigheten.

En løsning på å kvitte seg med uønskede virkninger på utgangs-signalene krevde et antall av sleperinger og isolasjonsfor-sterkere for å bringe signalene til signalbehandlingsenheter for miksing. Dessuten var det tidligere nødvendig å fremskaffe et tofase-opptakssett for riktig deteksjon av lineær akselerasjon. Følgelig har det tidligere vært nødvendig å skaffe kompensasjon for lineær akselerasjon ved et systemnivå som blir kostbart og tilføyer en pålitelighetsfaktor til enheten.

Fordelen med den foreliggende oppfinnelse i forhold

til det ovenfor nevnte kompensasjonsskjema er å innføre kompensasjon på følernivået istedenfor på systemnivået. Dette oppnås med en fremgangsmåte og en anordning som er kjennetegnet ved trekk som fremgår av karakteristikken til henholdsvis krav 1 og 4. Ytterligere trekk og fordeler ved fremgangsmåten og

anordningen fremgår av henholdsvis de uselvstendige krav 2 og 3 samt 5 og 6.

De ovenfor angitte hensikter og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil bli tydeligere forstått når de betrak-tes i forbindelse med den vedføyde tegning, hvor: fig. 1 er en forenklet illustrasjon av en tidligere kjent vinkelhastighet-føleranordning;

fig. 2A-2D er riss som viser i forenklet form fire etter-følgende posisjoner av sensorrotoren i anordningen vist på fig. 1;

fig. 3A-3D er skisser som i rekkefølge viser siderissene svarende til rissene på fig. 2A-2D;

fig. 4 anskueliggjør utsignalene fra de to krystaller

i anordningen vist på fig. 2A-2D og 3A-3D;

fig. 5 viser summen av de spenninger som fremskaffes

som vist på fig. 4;

fig. 6 er et utspilt riss av en kompenserende vinkelhastighet-sensoranordning i henhold til den foreligende oppfinnelse."

En tidligere kjent vinkelhastighetssensor er vist, idet denne er omtalt i søkerens tidligere omtalte patentskrift.

På fig. 1 er der også montert to krystaller 16 på motsatte sider av akselen 11, idet de kan bøyes om bøyeakser normalt på aksen av akselen 11. Eventuelt kan en reaksjonsmasse, f.eks. en ringformet masse 17, være anordnet symmetrisk ved de radialt ytre ender av krystallene. Arrangementet utgjør en vinkelhastighetssensor basert på gyroskopdrift av et elastisk fast-holdt legeme som roterer ved høy hastighet. De to bøyekrys-taller er anordnet på dipolmåte for felles modusforkastning og inertibalanse. Vinkelmomentet for massene som reagerer som et resultat av en påført vinkelhastighet under rett vinkel på spinnaksen av akselen 11, resulterer i fremskaffelsen av en spenning ved krystallene som er sinusformet hva angår for-deling og oppviser en frekvens som er lik akselens rotasjons-hastighet .

Driften av hastighetsgyroskopet på fig. 1 vil forståes lettere under henvisning til fig. 2A-2D, som representerer fire etterfølgende posisjoner av krystallene i omdreining mot urviserne, slik det vil ses fra enden av akselen 11. Det antaes at akselen roterer kontinuerlig. Slik det fremgår av fig. 3A-3D, er det her anskueliggjort sideriss av anordningen vist ved tilsvarende figurer 2A-2D, og det antaes at aksen for akselen 11 er blitt forskjøvet en vinkel a. Akselen 11 og navet på akselen, hvor krystallene 16 er montert, er passende stive, slik at de begge kan hovedsakelig øyeblikkelig oppvise deres nye posisjon uten deformasjon. De radiale ytre ender av krystallene vil imidlertid på grunn av gyroskopvirk-ning i noen tid forbli orientert som om vinkelforskyvningen av akselen 11 ikke hadde funnet sted. Det er selvsagt spesielt tilfelle dersom en reaksjonsmasse er forbundet med de radialt ytre ender av krystallene. Som en konsekvens av gyroskopvirk-ningen vil krystallene bøye seg om sine mekaniske akser slik det fremgår av fig. 3A-3D, hvilket resulterer i utspenninger som vist på fig. 4. Det vil således sees at de øyeblikkelige topper av den resulterende vekselspenning finner sted når krystallene strekker seg normalt på aksen for rotasjon om vinkelen a. Fordi utsignalene fra krystallene har forskjellig polaritet, er krystallene innbyrdes forbundet på motsatte måter for å fremskaffe den resulterende utspenning som vist på fig. 5.

Ved arrangementet ifølge fig. 1-5, er det åpenbart at krystallene blir benyttet som gyroskopiske elementer med eller uten tilsatsen av en reaksjonsmasse, og at belastningen på krystallene er proporsjonal med inn-vinkelhastigheten. Amplituden av utsignalet er proporsjonalt med inn-vinkelhastigheten og fasen av utsignalet er relatert til retningen av inn-vinkelhastigheten for vinkelforskyvningen av dreieakselen i en retning normalt på akselens akse. Med andre ord, dersom akselen 11 blir vinkelforskjøvet om en akse i X/Y-planet,

vil utsignalet fra gyroskophastighet- eller vinkelhastighet-føleren på fig. 1 være proporsjonal med rotasjonshastigheten om aksen i X/Y-planet og fasen av utspenningen er da relatert til orienteringen av dreieaksen i X/Y-planet, idet man også her antar at akselen 11 strekker seg i Z-retningen.

Fig. 6 anskueliggjør den forbedrede vinkelhastighet-sensoranordning med organer til å kompensere for virkningene for lineær akselerasjon.

Den grunnleggende vinkelhastighet-sensoranordning som generelt er betegnet med henvisningstall 20, er meget lik vinkelhastighet-sensoranordningen som nettopp er omtalt i forbindelse med fig. 1, 2A-2D og 3A-3D. Et sentralt nav 22 for anordningen har en sentral boring 24 uttatt deri og anordnet koaksialt med spinnaksen 25. To bøyelige piezoelektriske krystaller 26 og 28 strekker seg radialt ut fra navet 22 og tjener samme funksjon som de bøyelige krystaller 16, i forbindelse med de tidligere omtalte figurer hva angår kjent teknikk.

De bøyelige krystaller 2 6 er sammensatt av piezoelektriske krystallelementer 30 og 32, mens krystallet 28 er sammensatt av piezoelektriske krystallelementer 34 og 36. Som vist ved retningspilen vil de bøyelige krystaller 26 og 28 bli avbøyet i et plan som faller sammen med spinnaksen 25. Forbedringen i henhold til den foreliggende oppfinnelse, nemlig anordningen 38 for kompensasjon for lineær akselerasjon, reduserer den uønskede virkning av lineær akselerasjon på utsignalet fra vinkelhastighet-føleranordningen 20, som er elektrisk forbundet med de bøyelige krystaller i anordningen 38, for derved å utelukke virkningene av lineær akselerasjon, slik det vil bli omtalt i det følgende.

Kompensasjonsanordningen 38 innbefatter en hoveddel

40 tildannet av et passende materiale, f .eks. keramikk, med en boring 42 uttatt deri koaksialt med spinnaksen 25. Et bøye-lig piezoelektrisk krystall 44 omfattende krystallelementer 46 og 48 strekker seg i en retning vinkelrett på spinnaksen

25. Som vist ved retningspilene, vil de bøyelige krystaller

44 i kompensasjonsanordningen 38 bøye seg i et plan vinkelrett på spinnaksen 25. En aksel 52 er passende anordnet inne i boringene 24 og 42 av henholdsvis sensoranordningen 20 og kompensasjonsanordningen 38, for montering av anordningen på en felles spinnakse.

På grunn av orienteringen av kompensasjonsanordningen som utgjøres av den bøyelige krystall 44, vil denne ikke i betydelig grad reagere på vinkelhastighet, men er fullstendig reaksjonsdyktig med hensyn til lineær akselerasjon. Ved riktig posisjonering av kompensasjonsanordningen 38 på akselen 52 oppnår man en enestående vinkelforskyvning for fremskaffelse av et signal som reaksjon på lineær akselerasjon, hvilket signal har samme fase som vinkelakselerasjonssignalet frem-skaffet ved vinkelhastighet-sensoranordningen 20. Den egentlige orientering av det bøyelige krystall 44 i forhold til de bøye-lige krystaller 26 og 28, er et spørsmål om prøving og feiling på grunn av de bittesmå uperfektheter i det piezoelektriske krystallmateriale sammenlignet med ideelt tildannede krystall-konstruksjoner. Et justerbart vektorgan 50 strekker seg ved den ytre ende av det bøyelige krystall 44, slik at der kan oppnåes en utlukningsamplitude som passer til virkningen av den lineære akselerasjon. Vektorganet 50 kan være tildannet fra loddemetall og ved tilføyning eller fjerning av loddemateriale fra enden av det bøyelige krystall 44, kan der fremskaffes en nøyaktig utlukningsamplitude fra kompen-sas j onsanordningen 38.

I den hensikt at kompensasjonsanordningen 38 skal kunne operere i en kompenserende utlukningsmodus, må den være elektrisk forbundet med de piezoelektriske, bøyelige krystaller 1 vinkelhastighet-sensoranordningen 20. Således er en ledning

54 forbundet mellom krystallelementet 34 av sensoranordningen

2 0 og krystallelementet 4 6 i kompensasjonsanordningen 38.

På lignende måte er en ledning 56 forbundet mellom krystallelementet 32 i sensoranordningen 20 og krystallelementet 48

i kompensasjonsanordningen 38. En omkoblingsledning 58 er forbundet mellom krystallelementene 36 og 30 i vinkelhastighet-sensoranordningen 20.

Ved montering av den kompenserte konstruksjon ifølge

fig. 6, blir kompensasjonsanordningen 38 dreiet om akselen 52 inntil man oppnår en nøyaktig utlukningsfase. Deretter vil den sentrale blokk 40 bli fastgjort til navet 22 i føler-anordningen 20 ved hjelp av passende klebemiddelepoksid. Alter-nativ fastholdelse kan oppnåes dersom akselen 52 er gjenge-forsynt, slik at anordningen 38 kan dreie seg fritt i for-

hold til spinnaksen og deretter bli festet til vinkelhastighet-sensoranordningen 20 når festeorganet skrus fast.

Følgelig skaffer den foreliggende oppfinnelse en for-bedret hastighetssensor som kompenserer for virkningene som

den utsettes for på grunn av lineær akselerasjon. Kompensasjonsanordningen 38, slik den er nettopp omtalt, fremskaffer

et signal som er skalert og fasetilpasset og tilføyet signalet fra vinkelhastighet-sensoranordningen 20, for derved å luke ut eller motsette seg den uønskede reaksjon på lineær akselerasjon. Følgelig vil den foreliggende kompensasjon bli utøvet

på sensornivå istedenfor at man stoler på ytre signalbehandling for oppnåelse av kompensasjon.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte til kompensasjon av den lineære akselerasjon i et signal som genereres av en sensoranordning (20) for vinkelhastighet, hvor sensoranordningen har et nav (22) som roterer omkring en spinnakse (25) og er forsynt med første og andre piezoelektriske, bevegelige krystallelementer (26,28) som strekker seg radielt ut fra navet, karakterisert ved at et tredje, bøyelig piezoelektrisk krystallelement (44) som er anordnet i koaksialt forbundet avstandsforbindelse til navet (22) genererer et signal som indikerer effekten av lineær akselerasjon, idet signalet er koblet for å utjevne den lineære akselerasjonskom-ponent til det signal som genereres av første og andre bøyelige piezoelektriske krystallelementer (26,28), samt av at en vekt (50) på det tredje bøyelige krystallelement (44) med hensyn til sin størrelse tilpasses inntil amplituden for de lineære akselerasjonssignaler som fås fra nevnte krystallelement (44) antar en verdi som er tilstrekkelig til å utjevne det ikke ønskede lineære akselerasjonssignal fra de første og andre krystallelementer.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at det tredje, bøyelige krystallelements (44) vinkelorientering reguleres relativt til den for de første og andre krystallelementer (26,28) inntil fasen for de lineære akselerasjonssignaler fra det tredje bøyelige krystallelement hovedsakelig motsvarer fasen for signaler fra de første og andre krystallelementer.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at reguleringen av det tredje bøyelige krystallelements (44) vinkelorientering skjer periodisk.

4. Anordning til kompensasjon av den lineære akselera-sjons komponent i et signal som genereres av en sensoranordning for vinkelhastighet, omfattende en første seksjon (20) med et nav (22) som er koaksialt med en spinnakse (25) samt minst et par av piezoelektriske, bøyelige krystallelementer (26,28) som strekker seg radielt utad fra navet for å generere et sammensatt signal som omfatter en ønsket komponent som motsvarer vinkelhastigheten omkring spinnaksen og en ikke ønsket komponent som er relatert til lineær akselerasjon, karakterisert ved at en annen seksjon (38) omfatter et hovedlegeme (40) som er koaksialt med spinnaksen (25), et tredje piezoelektrisk, bøyelig krystallelement (44) som strekker seg utad fra hoveddelen for å generere et signal som motsvarer den lineære akselerasjon, idet ledere (54,55,56) er innrettet til å sammenkoble de tre bøyelige krystallelementer (26,28,44) for å utjevne virkningen av den lineære akselerasjon og at det er anordnet organer for å holde de første og andre seksjoner (20,38) montert på avstand fra hverandre og med det tredje krystallorgans vinkelorientering regulerbar relativt til både de første og andre krystallelementer for å regulere fasen hos signalene fra den annen seksjon, idet regulerbare vektorganer (50) er anordnet på den ytre ende av det tredje bøyelige krystallelement (44) for bestemmelse av amplituden til det signal som fås fra det tredje bøyelige krystallelement.

5. Anordning i henhold til krav 4, karakterisert ved at monteringsorganet omfatter et festeorgan som er festet i sentrale åpninger (24,42) i navet (22) og i hoveddelen (40), hvilket tillater vinkelmessig justering av seksjonene (20,38) ved monteringen samt et fiksert forhold mellom dem etter monteringen.

6. Anordning i henhold til krav 5, karakterisert ved at festeorganet er gjenget.