NO822008L

NO822008L - INFORMATION PROCESSING DEVICE.

Info

Publication number: NO822008L
Application number: NO822008A
Authority: NO
Inventors: Ernest Carl Wittke
Original assignee: Singer Co
Priority date: 1981-06-26
Filing date: 1982-06-17
Publication date: 1982-12-27
Also published as: IL65442A0; DE3218351A1; JPS5860213A; SE8203948D0; AU8512782A; GB2102576A; IT8222011A0; SE8203948L; FR2508647A1

Description

Oppfinnelsen vedrører en anordning for avkjenning av fysikalske karakteristika. Nærmere bestemt vedrører den en slik anordning som kan avkjenne slike parametre som vinkelhastighet, lineær aksellerasjon, magnetfeltretning, elektrisk feltretning og luftstrømningsdata. Det er kjent en anordning for avkjenning av flere slike data, eller multisenstor, som har evne til å måle disse parametrene. Et slikt apparat er beskrevet i US-PS 4.197.737. The invention relates to a device for detecting physical characteristics. More specifically, it relates to such a device which can detect such parameters as angular velocity, linear acceleration, magnetic field direction, electric field direction and air flow data. A device for detecting several such data, or multisensor, is known, which has the ability to measure these parameters. Such an apparatus is described in US-PS 4,197,737.

I fig. 1 er det illustrert et apparat 10 og en passende demodulator-innretning 12. Prinsippielt består den av en roterbar aksel 14 med to armer av piezoelektrisk materiale, som strekker seg i radiell retning og danner en enkel dipol 16. Når en fysikalsk forstyrrelse opptrer, bøyes armene, noe som forårsaker en piezoelektrisk spenning som er proporsjo-nal med bøyningsgraden. Utsignalet tas fra multisensoren ov-er et sleperingsarrangement (ikke vist). In fig. 1, an apparatus 10 and a suitable demodulator device 12 are illustrated. In principle, it consists of a rotatable shaft 14 with two arms of piezoelectric material, which extend in the radial direction and form a simple dipole 16. When a physical disturbance occurs, the the arms, which causes a piezoelectric voltage proportional to the degree of bending. The output signal is taken from the multisensor ov-er a towing arrangement (not shown).

Den beskrevne multisensoren avkjenner hastigheter og lineære aksellerasjoner ved å rotere det piezoelektriske elementet om en motorrotasjons- eller -spinnaksel. Ved å forbinde de piezoelektriske anordninger hensiktsmessig med hverandre, kan deres svar maksimeres for de ønskede innsignal og minimeres for de uønskede innsignal. Når aksen roterer multipliseres hver påtrykt aksellerasjon, enten lineær aksellerasjon med en aksellerasjonssensor eller coriolis-aksellerasjon med en rotasjonshastighet-sensor som befinner seg i dipolens plan, med cos(wst) der wser rotasjons-vinkelhastigheten, noe som skaper et signal med rotasjonsfrekvensen, som i størrelse er proporsjonalt med den påtryk-te aksellerasjon. Dersom en innsignal-forstyrrelse, som opptrer ved dobbelt rotasjonsfrekvens (2w ) påtrykkes, så danner den også et utsignal med rotasjonsfrekvensen, som dermed blir umulig å skille fra det ønskete signalet. Uregelmessig-heter og ufullstendigheter i lagringen kan også innføre i prinsippet aksellerasjoner og vinkelhastigheter som module-res av den roterende mekanismen og resulterer i en betydelig feil i utsignalet.Hvor multisensoren består av en enkel dipol, fins det i praksis ingen måte for å kompensere for disse "falske" signal. The multisensor described detects velocities and linear accelerations by rotating the piezoelectric element about a motor rotation or spin axis. By connecting the piezoelectric devices appropriately with each other, their response can be maximized for the desired inputs and minimized for the unwanted inputs. As the axis rotates, each applied acceleration, either linear acceleration with an acceleration sensor or coriolis acceleration with a rotation rate sensor located in the plane of the dipole, is multiplied by cos(wst) where ws is the rotation angular velocity, creating a signal with the rotation frequency, which in size is proportional to the applied acceleration. If an input signal disturbance, which occurs at twice the rotation frequency (2w ), is applied, it also forms an output signal with the rotation frequency, which thus becomes impossible to distinguish from the desired signal. Irregularities and imperfections in the storage can also in principle introduce accelerations and angular velocities that are modulated by the rotating mechanism and result in a significant error in the output signal. Where the multisensor consists of a simple dipole, there is in practice no way to compensate for these "false" signal.

På grunn av apparatet i fig. 1 sin manglende evne tilBecause of the apparatus in fig. 1's inability to

å skille mellom forstyrrelser ved'to ganger rotasjonsfrekvensen og et ekte innsignal, har denne multisensoren ikke fått noen utbredt utnyttelse. Et hovedformål med oppfinnelsen er derfor å utnytte det grunnleggende multisensor-prinsipp i en konstruksjon som er ufølsom for lagerforstyrrelser og an-nen sviktende presisjon som kan resultere i feilaktige ut-signaler. to distinguish between disturbances at twice the rotation frequency and a real input signal, this multisensor has not been widely used. A main purpose of the invention is therefore to utilize the basic multi-sensor principle in a construction which is insensitive to bearing disturbances and other failing precision which can result in erroneous output signals.

Oppfinnelsen overvinner svakhetene med den kjente multisensor som er beskrevet i US-PS 4.197.737 ved å innføre en ytterligere eller andre dipol som er anordnet i rett vinkel på den første. For å forenkle beskrivelsen kalles den første dipolen for den "reelle" dipolen og den andre for den "imaginære" dipolen, hvilket angir et roterende koordinatsystem. Den tilføyde eller imaginære dipolen danner en ytterligere informasjonskilde, som ved demodulering tillater en nøyaktig rekonstruksjon av den informasjon som opprinnelig ble til-ført miltisensoren. The invention overcomes the weaknesses of the known multisensor described in US-PS 4,197,737 by introducing a further or second dipole which is arranged at right angles to the first. To simplify the description, the first dipole is called the "real" dipole and the second the "imaginary" dipole, indicating a rotating coordinate system. The added or imaginary dipole forms a further source of information, which by demodulation allows an accurate reconstruction of the information that was originally supplied to the milti sensor.

For å lette forståelsen av den foreliggende oppfinnelse sammen med andre og ytterligere formål, skal det henvises til den etterfølgende beskrivelse hvor det er vist til tegningene, der: fig. 1 illustrerer den multisensor som er beskrevet i US-PS 4.197.737 og en hensiktsmessig demodulatorkrets, og In order to facilitate the understanding of the present invention together with other and further purposes, reference shall be made to the following description where it is shown to the drawings, where: fig. 1 illustrates the multisensor described in US-PS 4,197,737 and a suitable demodulator circuit, and

fig. 2 illustrerer en forbedret multisensor i samsvar med oppfinnelsen og dens motsvarende demodulatorkrets. fig. 2 illustrates an improved multisensor in accordance with the invention and its corresponding demodulator circuit.

Oppfinnelsen og dens tilkoblede demodulatorkrets illu-streres i fig. 2. Dets forbedrete multisensoraggregat 20 er nesen identisk med det kjente aggregat 10 som vises i fig. 1. Det har to dipoler 22 og 24 av piezoelektrisk materiale, The invention and its connected demodulator circuit are illustrated in fig. 2. Its improved multi-sensor unit 20 is nose identical to the known unit 10 shown in fig. 1. It has two dipoles 22 and 24 of piezoelectric material,

som er anordnet på en aksel 26. De mekaniske ved multisensor- which is arranged on a shaft 26. The mechanical by multi-sensor

en kan være likeartet de som finnes ved en multisensor med enkel dipol. Siden disse er beskrevet utførlig i US-PS 4.197.737, skal de ikke gjentas her. one can be similar to those found in a multisensor with a single dipole. Since these are described in detail in US-PS 4,197,737, they shall not be repeated here.

Fig. 2 illustrerer også, i blokkskjemaform, en krets som kan brukes for å demodulere signalene. Framgangsmåten likner den som brukes for en multisensor med enkeldipol, med visse ubetydelige variasjoner. Disse skal diskuteres nærmere nedenfor. Fig. 2 also illustrates, in block diagram form, a circuit that can be used to demodulate the signals. The procedure is similar to that used for a single dipole multisensor, with some minor variations. These will be discussed in more detail below.

Følgende analyse er nødvendig, for å forstå virkemåten for multisensorene med to dipoler. The following analysis is necessary to understand the operation of the multisensors with two dipoles.

En går ut fra en sinusformet forstyrrelse med vinkelhastigheten tøp i multisensorens X-Y-plan med amplituden A som har en fasevinkel <j> ved tiden t=0. Forstyrrelsens ampli-tude gis av: One assumes a sinusoidal disturbance with the angular velocity töp in the multisensor's X-Y plane with amplitude A which has a phase angle <j> at time t=0. The amplitude of the disturbance is given by:

Dersom man antar at forstyrrelsen befinner seg langs en linje med en vinkel 6 til sensorens X-akse, blir forstyrrelsen langs X-aksen: og langs Y-aksen: If one assumes that the disturbance is located along a line with an angle 6 to the sensor's X-axis, the disturbance along the X-axis becomes: and along the Y-axis:

Kombinasjonen av likningene 1 og 2 for forstyrrelsens X-aksekomponenter og likningene 1 og 3 for forstyrrelsens Y-aksekomponenter og utvikling gir: The combination of equations 1 and 2 for the disturbance's X-axis components and equations 1 and 3 for the disturbance's Y-axis components and development gives:

Dersom man betrakter sensoren som bestående av to dipoler (vilkårlig betegnet som reell og imaginær) anordnet vinkelrett på rotasjonsaksen og vinkelrett på hverandre og define-rer den reelle dipolen til å være rettet på linje med instrumentets X-akse ved tiden t=0 og den imaginære dipolen til å være innrettet på linje med instrumentets Y-akse ved t =TT/(2o)g), hvor tog ■ vinkelhastigheten for aksens rotasjon, får en for det reelle signalet: og for det imaginære signalet: If one considers the sensor as consisting of two dipoles (arbitrarily designated as real and imaginary) arranged perpendicular to the axis of rotation and perpendicular to each other and defines the real dipole to be aligned with the X-axis of the instrument at time t=0 and the imaginary dipole to be aligned with the Y-axis of the instrument at t =TT/(2o)g), where train ■ the angular velocity of the rotation of the axis, gives a for the real signal: and for the imaginary signal:

Utvikling gir: Development provides:

For å gjenvinne den opprinnelige inngangsinformasjonen for X- og Y-aksene, må en multiplisere den reelle og imaginære informasjonen med sin(wst) og cos(o)st), for å få fire produkter og kombinere par av disse produktene: To recover the original input information for the X and Y axes, one must multiply the real and imaginary information by sin(wst) and cos(o)st), to obtain four products and combine pairs of these products:

Utvikling og kombinasjon gir for begge signalkomponentene: Development and combination gives for both signal components:

Disse uttrykk kan omskrives som: These expressions can be rewritten as:

Betegnelsen A cos(a)jjt +<}>) er den forstyrrelse som påtrekkes sensoren, mens cosØ og sin8 representerer forstyrrelsens orientering i forhold til instrumentaksene. Likningene 14 og 15 viser, under forutsetning av at reelle og imaginære dipoler brukes i instrumentet og under forutsetning at sig-naldemoduleringen oppnås gjennom sinus- og cosinusmultipli-kasjon, at utsignalet vil representere innsignalet til instrumentet. Maskering av lagerforstyrrelse ved to ganger rotasjonsfrekvensen til en statisk forspenning, vil ikke opptre. The designation A cos(a)jjt +<}>) is the disturbance that is applied to the sensor, while cosØ and sin8 represent the orientation of the disturbance in relation to the instrument axes. Equations 14 and 15 show, on the assumption that real and imaginary dipoles are used in the instrument and on the assumption that the signal modulation is achieved through sine and cosine multiplication, that the output signal will represent the input signal to the instrument. Masking of bearing disturbance at twice the rotational frequency of a static bias will not occur.

I den eksisterende multisensoren kodes informasjonen In the existing multisensor, the information is coded

ved hjelp av en enkeldipol-detektor i stedet for ved bruk av reelle og imaginære sensorer. Effektene av den foreliggende anordning kan bestemmes ved at man setter det imaginære signalet i.likning 10 og 11 lik null. using a single dipole detector instead of using real and imaginary sensors. The effects of the present device can be determined by setting the imaginary signal in equations 10 and 11 equal to zero.

Den første termen i likningene 18 og 19 er identisk med hal-ve det signal som defineres av likningene 14 og 15 og representerer det korrekte utsignal for anordningen. Dette utsignalet forvrenges imidlertid av de andre og tredje termene. Den tredje termen er ikke altfor betydningsfull, siden dens lavest mulige frekvens opptrer når w D = 0, ved den doble ro-tas j onsfrekvens for anordningen. Den representerer en høy-frekvensforstyrrelse som normalt ikke påvirker systemet. Den andre termen i likningene 18 og 19 påviser vanskelighet-er. Den viser at forstyrrelsene ved den doble rotasjonsfrekvensen gir opphav til en statisk forspenning i utsignalet ved en følsomhet (sammenliknet med instrumentets statiske følsomhet) på 501. Siden effekten av lagerforstyrrelsen er høy ved den doble rotasjonsfrekvensén, medfører konstruk-sjonen av instrumentet uten bruk av både reelle og imaginære dipoler en betydelig begrensning av dets forspenningsstabi-litet. The first term in equations 18 and 19 is identical to half the signal defined by equations 14 and 15 and represents the correct output signal for the device. However, this output signal is distorted by the second and third terms. The third term is not too significant, since its lowest possible frequency occurs when w D = 0, at the double rotational frequency of the device. It represents a high-frequency disturbance that normally does not affect the system. The second term in equations 18 and 19 indicates difficulty-s. It shows that the disturbances at the double rotation frequency give rise to a static bias in the output signal at a sensitivity (compared to the static sensitivity of the instrument) of 501. Since the effect of the bearing disturbance is high at the double rotation frequency, the construction of the instrument without the use of both real and imaginary dipoles a significant limitation of its bias stability.

Multisensoren er hovedsakelig en koder eller modula-tor. For å oppnå en utnyttbar informasjon fra multisensoren, uttar man utsignal fra dipolene over et sleperingsarrangement (ikke vist) og behandler den i en demodulatorkrets. De- modulasjonsprosessen er helt enkelt det motsatte av modula-sjonen og. reguleres som sådan av den sammenheng som er gitt i likningene 1 til 15. Signalene fra hver dipol mates til separate kanaler over ledninger 30 hhv. 32. I starten for-sterkes og filtreres signalene i kretser 34 og 36. Deretter inntes hvert signal samtidig til to demodulatorer, idet den or v o Co r ort. tii null gratior og den andre til nitti grader. Mil I imiwi I hik or doMo I. i kovord itf: mod ;'i multiplisere hvert .'iigiia l. moi.l co:i (w s l) og siii(<o t) . l<;>or a fullføre prosessen adderes utsignalene fra demodulatoren 38 og demodulatoren 42 (utsignalene fra demodulatoren 42 er i realiteten inver-tert) ved et summeringspunkt 46, og utsignalene fra demodulatoren 40 og demodulatoren 44 adderes ved et summeringspunkt 48. Utsignalforsterkere og -filter er anordnet ved 50 og 52. Utsignalene fra disse kretser er x-akse- og y-akse-indikatorene, slik det er skjematisk vist i likningene 14 og 15. Det bør noteres, at for et stasjonært innsvinget innsignal, o)p er null og at disse signaler ikke er tidsvarier-ende funksjoner, men i stedet konstante likespenninger. The multisensor is mainly an encoder or modulator. In order to obtain usable information from the multisensor, one takes the output signal from the dipoles over a towing arrangement (not shown) and processes it in a demodulator circuit. The demodulation process is simply the opposite of the modulation and. is regulated as such by the relationship given in equations 1 to 15. The signals from each dipole are fed to separate channels via wires 30 or 32. At the start, the signals are amplified and filtered in circuits 34 and 36. Then, each signal is received simultaneously to two demodulators, as it or v o Co r ort. tii zero gratior and the other to ninety degrees. Mil I imiwi I hik or doMo I. i kovord itf: mod ;'i multiply every .'iigiia l. moi.l co:i (w s l) and siii(<o t) . To complete the process, the output signals from the demodulator 38 and the demodulator 42 are added (the output signals from the demodulator 42 are in fact inverted) at a summation point 46, and the output signals from the demodulator 40 and the demodulator 44 are added at a summation point 48. Output amplifiers and - filter is provided at 50 and 52. The outputs from these circuits are the x-axis and y-axis indicators, as shown schematically in equations 14 and 15. It should be noted that for a stationary swing-in input signal, o)p is zero and that these signals are not time-varying functions, but instead constant DC voltages.

Todipols-multisensoren er bare en mulig konstruksjon som overvinner den svakhet som ligger i enkeltdipol-multisensoren. Teoretisk vil hvert system som avføler lineær aksellerasjon og vinkelhastighet med bruk av et todimensjonalt system gi det ønskete resultat. Eksempelvis vil en sensor med tre radielt forløpende armer anordnet med 120° mellomrom i forhold til hverandre diskriminere mot 2u) s-termen. På liknende måte er fem armer med 7 2 mellomrom også mulig. En tilsvarende demodulator ville kreve formålstjenlige referan-sefrekvenser for å kunne avkode utsignalet fra sensoren. The two-dipole multisensor is only one possible construction that overcomes the weakness inherent in the single-dipole multisensor. Theoretically, any system that senses linear acceleration and angular velocity using a two-dimensional system will produce the desired result. For example, a sensor with three radially extending arms arranged at 120° intervals in relation to each other will discriminate against the 2u) s-term. In a similar way, five arms with 7 2 spaces are also possible. A corresponding demodulator would require suitable reference frequencies to be able to decode the output signal from the sensor.

Det er ovenfor antatt at signalet fra instrumentet skulle multipliseres med en sinus- eller cosinus-funksjon. for å utføre demoduleringsprosessen. Prinsippielt skulle man kunne oppnå dette ved å avføle signalene ved høy hastighet, etter et hensiktsmessig avmaskeringsfilter ("anti-aliasing filter"), utføre en A/D-omvandling og multiplisere det resulterende signalet med en passende sinus- eller cosinusfunksjon lagret i et lager (ROM) og adressert av en teller på en faselåst synkroniseringssløyfe. Enkel digital lavpassfiltrering av de resulterende data skulle gi informasjon ferdig for bruk i en datamaskin. For å gjennomføre dette effektivt i praksis, kreves en A/D-omformer med en nøyak-tighet på 16 til 18 bit og oppløsning som er istand til å arbeide ved bortimot 100 kHz hastighet, for å tillate iniilti-pleksering av A/D-anordningen. Foreløpig ser en slik anordning ikke ut til å være særlig realiserbar. (Nøyaktigheten til tilgjengelige analoge multiplikatorer er også beklage-lig utilfredsstillende for formålet). It has been assumed above that the signal from the instrument should be multiplied by a sine or cosine function. to perform the demodulation process. In principle, this could be achieved by sensing the signals at high speed, after an appropriate anti-aliasing filter, performing an A/D conversion and multiplying the resulting signal with a suitable sine or cosine function stored in a storage (ROM) and addressed by a counter on a phase-locked synchronization loop. Simple digital low-pass filtering of the resulting data should provide information ready for use in a computer. To carry this out effectively in practice, an A/D converter with an accuracy of 16 to 18 bits and a resolution capable of operating at close to 100 kHz speed is required to allow multiplexing of the A/D the device. Currently, such a device does not appear to be particularly feasible. (The accuracy of available analogue multipliers is also woefully unsatisfactory for the purpose).

Foreløpig er den eneste anordning for demodulerings-funksjonen som synes hensiktsmessig koblingsdemodulatoren. Currently, the only device for the demodulation function that seems appropriate is the link demodulator.

(Switchingdemodulator). En slik demodulator arbeider ved å multiplisere signalet med ili stedet for med sin(tost) eller cos(u>st). Dersom en slik koblingsdemodulator brukes, vil odde overtoner, som er karakteristiske for en firkantbølge, innføres i utsignalet og kreve filtrering. (Switching demodulator). Such a demodulator works by multiplying the signal by ili instead of by sin(tost) or cos(u>st). If such a coupling demodulator is used, odd harmonics, which are characteristic of a square wave, will be introduced into the output signal and require filtering.

Claims

1. Sensing device with a rotatable shaft (26) carrying a dipole (22) comprising two piezoelectric crystalline arms attached at its midpoint to the shaft and having a signal output; characterized in that it comprises a further, second dipole (24) which also comprises two piezoelectric crystalline arms attached at its midpoint to the shaft and which has a signal output, the second dipole being angularly displaced in relation to the first, and that there are demodulation means (38, 40, 42, 44).

2. Device in accordance with claim 1, characterized in that the two dipoles (22,24) are oriented in a plane that is perpendicular to the axis of the shaft (26).

3. Device in accordance with claim 1 or 2, characterized in that the second dipole (24) is oriented perpendicular to the first dipole (22).

4. Device in accordance with one of claims 1-3, characterized in that the two dipoles (22,24) lie in the same plane.

5. Device in accordance with one of claims 1-4, characterized in that it comprises a towing device connected to the two dipoles (22,24), to provide an output signal.

6. Device in accordance with one of claims 1-5, characterized in that the demodulation means comprise synchronous demodulator means.

7. Device in accordance with one of claims 1-5, characterized in that the demodulation means comprises: a first, second, third and fourth synchronous demodulator (38,40,42,44), each of which has a signal input, a reference input and a signal output, a first signal generator phase-referenced to 0°, a second signal generator phase-referenced to 90°, a first summation point (46) with a non-inverting input, an inverting input and an output, a second summation point (48) with two non-inverting inputs and an output, the output of the first dipole (22) being connected to the signal input of the first and the second synchronous demodulator (38,40), the output of the second dipole (24) being connected to the signal input of the third and the fourth demodulator (42,44), the output of the first signal generator is connected to the reference inputs of the first and the fourth demodulator (38,44), the output of the second signal generator is connected to the reference inputs of the second and the third the second demodulator (40,42), the output of the first demodulator (38) is connected to the non-inverting input of the first summing point (46), the output of the second demodulator (40) is connected to the first non-inverting input of the second summing point (48), the output of the third demodulator (42) is connected to the inverting input of the first summing point (46), while the output of the fourth demodulator (44) is connected to the second non-inverting input of the second the summation point (48).

8. Device in accordance with claim 1, characterized in that it comprises three radial arms of piezoelectric material attached to the rotatable shaft (26) with a mutual displacement of 120°.

9. Method for sensing linear acceleration and angular velocity, characterized in that it comprises rotation of a first and a second dipole (22, 24) of piezoelectric crystalline material about a rotation axis (26) which is perpendicular to each of the dipoles and where an output signal is formed from each of the dipoles which is demodulated.

10. Method in accordance with claim 9, characterized in that the demodulation comprises synchronous demodulation of the output signals from the first dipole (22) at 0° and 90° phase reference to form a first and a second demodulated signal respectively, synchronous demodulation of the output signal from the second the dipole (24) at 0° and 90° phase reference to form a third and a fourth demodulated signal, inverting the third demodulated signal, summing the first and the inverted third demodulated signal to form an X output signal and summing the second and fourth demodulated signals to form a Y output signal.

11. Method for measuring acceleration and angular velocity of a body with an axis of rotation on at least two non-parallel axes that rotate around the axis of rotation, and are mainly perpendicular to it.