NO822008L - Anordning for informasjonsbehandling. - Google Patents

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.

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).

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.

På grunn av apparatet i fig. 1 sin manglende evne til

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.

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.

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

fig. 2 illustrerer en forbedret multisensor i samsvar med oppfinnelsen og dens motsvarende demodulatorkrets.

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,

som er anordnet på en aksel 26. De mekaniske ved multisensor-

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.

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.

Følgende analyse er nødvendig, for å forstå virkemåten for multisensorene med to dipoler.

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:

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:

Kombinasjonen av likningene 1 og 2 for forstyrrelsens X-aksekomponenter og likningene 1 og 3 for forstyrrelsens Y-aksekomponenter og utvikling gir:

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:

Utvikling gir:

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:

Utvikling og kombinasjon gir for begge signalkomponentene:

Disse uttrykk kan omskrives som:

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.

I den eksisterende multisensoren kodes informasjonen

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.

Utvikling og kombinasjon gir for begge signalkomponentene:

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.

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.

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.

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).

Foreløpig er den eneste anordning for demodulerings-funksjonen som synes hensiktsmessig koblingsdemodulatoren.

(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.

Claims (11)

1. Avfølingsanordning med en roterbar aksel (26), som bærer en dipol (22) som omfatter to piezoelektriske krystallinske armer festet ved sitt midtpunkt til akselen og som har en signalutgang; karakterisert ved at den omfatter en ytterligere, andre dipol (24) som også omfatter to piezoelektriske krystallinske armer festet ved sitt midtpunkt til akselen og som har en signalutgang, idet den andre dipolen er vinkelmessig forskjøvet i forhold til den første, og at det finnes demoduleringsorganer (38, 40,42,44).

2. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at de to dipoler (22,24) er orientert i plan som er vinkelrett på akselens (26) akse.

3. Anordning i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at den andre dipolen (24) er orientert vinkelrett i forhold til den første dipolen (22).

4. Anordning i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at de to dipolene (22,24) ligger i samme plan.

5. Anordning i samsvar med ét av kravene 1-4, karakterisert ved at den omfatter sleperings- organ koblet til de to dipoler (22,24), for å gi et utsignal.

6. Anordning i samsvar med et av kravene 1-5, karakterisert ved at demoduleringsorganene omfatter synkrone demodulatororgan.

7. Anordning i samsvar med et av kravene 1-5, karakterisert ved at demoduleringsorganet omfatter: en første, andre, tredje og fjerde synkron demodulator (38,40,42,44), som hver enkelt har en signalinngang, en referanseinngang og en signalutgang, en første signalgenerator fasereferert til 0°, en andre signalgenerator fasereferert til 90°, et første summeringspunkt (46) med en ikke-inverterende inngang, en inverterende inngang og en utgang, et andre summeringspunkt (48) med to ikke-inverterende innganger og en utgang, idet utgangen fra den første dipolen (22) er koblet til signalinngangen til den første og den andre synkrone demodulatoren (38,40), utgangen fra den andre dipolen (24) er koblet til signalinngangene til det tredje og den fjerde demodulatoren (42,44), utgangen fra den første signalgeneratoren er koblet til referanseinngangene til den første og den fjerde demodulatoren (38,44), utgangen fra den andre signalgeneratoren er koblet til referanseinngangene til den andre og den tredje demodulatoren (40,42), utgangen fra den første demodulatoren (38) er koblet til den ikke-inverterende inngangen til det første summeringspunktet (46), utgangen fra den andre demodulatoren (40) er koblet til den første ikke-inverterende inngangen til det andre summeringspunktet (48), utgangen fra den tredje demodulatoren (42) er koblet til den inverterende inngangen til det første summeringspunktet (46), mens utgangen fra den fjerde demodulatoren (44) er koblet til den andre ikke-inverterende inngangen til det andre summeringspunktet (48).

8. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den omfatter tre radiale armer av piezoelektrisk materiale festet til den roterbare aksel (26) med innbyrdes forskyvning på 120°.

9. Framgangsmåte for å avføle lineær aksellerasjon og vinkelhastighet, karakterisert ved at den omfatter rotasjon av en første og en andre dipol (22, 24) av piezoelektrisk krystallinsk materiale om en rotasjonsakse (26) som står vinkelrett på hver av dipolene og hvor det dannes et utgangssignal fra hver av dipolene som demoduleres.

10. Framgangsmåte i samsvar med krav 9, karakterisert ved at demoduleringen omfatter synkron demodulering av utsignalene fra den første dipolen (22) ved 0° og 90° fasereferanse for å danne et første henholdsvis et andre demodulert signal, synkron demodulering av utsignalet fra den andre dipolen (24) ved 0° og 90° fasereferanse for å danne et tredje og et fjerde demodulert signal, invertering av det tredje demodulerte signal, summering av det første og det inverterte tredje demodulerte signal slik at det dannes et X-utsignal og summering av det andre og det fjerde demodulerte signal for å danne et Y-utsignal.

11. Framgangsmåte for å måle aksellerasjon og vinkelhastighet til et legeme med en rotasjonsakse på minst to ikke-parallelle akser som roterer rundt rotasjonsaksen, og står hovedsakelig vinkelrett på denne.