NO834820L - Fremgangsmaate for aa bestemme akselerasjon - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for å bestemme akselerasjon ved bruk av et akselerometer med to prøvemasser, som hver bilr hemmet av en kraft-transduser basert på bjelke-resonans.

Det har vært foreslått et akselerometer med to prøve-masser. Hver av prøvemassene blir hemmet mot bevegelse av en kraft-transduser basert på bjelke-resonans. Akselerasjonen blir bestemt ved forholdet a = A{ f^- f^), hvor a er akselerasjonen, A er skalafaktoren for instruksjonen, og f-^ og f»er frekvensene for de to kraft-transduserne.

Skalafaktorene for kraft-transduser-systemene med to prøve-masser må være nært tilpasset for å oppnå god lineæritet og for å minimalisere feil på grunn av vibrasjons-likeretting. Dette blir vanligvis gjort ved å trimme prøvemassene, dvs. fysisk å fjerne masse fra den ene eller den andre prøvemassen til skalafaktoren for transduser-systemet med to prøvemasser er tilpasset. Dette er en tidskrevende prosess, som krever gjentatt, suksessiv trimming og testing av den ene eller begge prøvemassene.

Oppfinnelsen frembringer en forbedret fremgangsmåte for

å bestemme akselerasjonen fra frekvensene for de to kraft-transduserne basert på bjelkeresonans, som ikke krever til-pasning av skalafaktorene for kraft-transduser-systemene med to prøvemasser. Et trekk ved oppfinnelsen er at akselerasjonen blir bestemt i henhold til forholdet

hvor A^, A2 og Aq er kalibrerings-koeffisienter.

Et annet trekk ved oppfinnelsen er at akselerasjonen blir bestemt i henhold til forholdet

Et ytterligere trekk ved oppfinnelsen er at kalibrerings-koef f isientene blir bestemt ved testing over et område av temperaturer og akselerasjoner for en ønsket drifts-situasjon, dvs. for lineær tilnærming av akselerasjonen.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå

av den følgende spesifikasjon og fra tegningene.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 er et lengdesnitt gjennom en foretrukken utform-ing av et akselerometer med to prøvemasser ifølge oppfinnelsen; Figur 2 er et eksplosjons-riss i perspektiv av en prøve-masse og kraft-transduser-system av akselerometeret på figur 1; og Figur 3 er et blokk-diagram av en signalprosessor for å bestemme akselerasjonen fra frekvensene av de to kraft-transduser-signalene. Figurene 1 og 2 illustrerer den foretrukne utførelse av akselerometeret med to prøvemasser 30 og 31, følsomme for akselerasjon langs den samme akse, montert med sine respektive bøyeområder motsatt hverandre, og med resonans-kraft-transduser-bjelkene 32 og 33 forbundet slik, at når en transduser er under strekk, er den andre under trykk. Akselerasjonen blir målt som en funksjon av forskjellen mellom resonans-frekvensene for de to kraft-transduser-bjelkene. Transduser-enhetene med to prøve-masser er identiske, og bare én er vist på figur 2, og skal beskrives i detalj.

En sylindrisk b$rer 35 har motsatt rettede sete-overflater 36, 37. Basen for hver prøvemasse omfatter et monteringselement som blir mottatt i en av sete-overflåtene. Bæreren 35 har en utadgående ribbe 38 plassert på et sylinderformet avstands-stykke 39, som understøtter de to prøvemasse-enhetene inne i huset 40. Dekselet 41 har et elektronikk-kammer 42.

Det øvre akselerometer på figur 1, illustrert i eksplo-sjonsform på figur 2, har en hoved-del 45 som omfatter en monteringsring 46. Prøvemassen 30 er.forbundet med overdelen ved bøynings-seksjonen 47. Monteringsringen 46 blir mottatt på sete-overflaten 36 på bæreren 35.

Prøvemassen 30 er generelt rektangulær i form, og har den samme tykkelse som monteringsringen 46. En oval åpning 48 er plassert i sentrum av prøvemassen.

Resonanskraft-transduserbjelken 32 har en ende 50 festet til veggen i åpningen 48, og den andre enden 51 forbundet med endeflaten 52 av en kravebjelke 53 som stikker ut fra hoved-delen 45 og gir en ettergivende montering.

Platene 56 og 57 er festet til den øvre og nedre overflate av monteringsringen 47, og blir holdt på plass av feste-anordningene 58. Mellomleggsplatene 59 er plassert mellom platene 56, 57 og overflatene på monteringsringen 46, og skiller dermed overflatene av platene 56, 57 fra den øvre og den nedre overflate av prøvemassen 30. Adskillelsen er over-drevet på figur 1. Platene 56, 57 tjener som en kombinert dempeflate og som stopp for prøvemassen 30, som diskutert i mer detalj i den nevnte søknad.

Et kretskort 62 er montert på den øvre overflate av platen 56, og bærer elektronikken forbundet med resonansbjelke-kraft-transduseren 32. Et deksel 63 inneslutter komponentene på kretskortet.

Som man best kan se på figur 2, har veggen i åpningen 4 8

i prøvemassen 3 0 et trinn 6 5 i overflaten nærmest bøyeområdet 47. Enden 50 av transduseren 32 er forbundet med overflaten 66 lengst bort fra kravebjelken 53. Overflaten 66 er valgt til å omfatte slagsenteret av prøvemassen 30. Slagsenteret er det punkt på prøvemassen hvor denne kan bli slått uten å ryste dreieaksen som frembringes av bøyeområdet 47. Dette geometriske forhold minimaliserer prøvemassens følsomhet overfor vibra-sjoner i akselerometeret.

Det er et antall fordeler som blir oppnådd med konstruk-sjonen med to prøvemasser, som illustrert på figur 2. Feil-kilder som genererer fellesmodus-effekter på begge prøvemasse-kraft-transduser-systemene blir redusert. F.eks., hvis begge transduserne har lignende temperatur-koeffisienter, blir tempe-raturfølsomheten av kombinasjonen betydelig redusert.

Et annet eksempel er driften i den tidsbase mot hvilken transdusernes utgangs-frekvenser blir målt. Forspenning av akselerometere er meget følsomt for endringer i tidsbasen i en sensor med en enkelt prøvemasse. Hvis prøvemasse-transduser-enhetene er omtrentlig tilpasset, slik at Aq er mindre enn full skala, blir driften i tidsbasen primært et fellemodus-signal, og forspenningsfølsomheten er meget redusert.

Plasseringen av de to prøvemassene 30, 31 med deres bøye-områder motsatt hverandre, bevirker en kansellering av de to prøvemassenes følsomhet for akselerasjon på tvers av aksen. Feil på grunn av vibrasjons-likeretting forekommer når akselerometeret blir utsatt for et oscillerende inngangs-signal med en periode som er kortere enn perioden for måling av transduser-frekvensene. Ikke-lineær respons av transduserne forårsaker likeretting av slike oscillerende inngangs-signaler, noe som resulterer i skifting av aksellerometerets utgangs-signal. I enhetene med to prøvemasser, som har transduserne montert slik at den ene er under strekk når den andre er under trykk, har feil på grunn av vibrasjons-likeretting en tendens til å oppheve hverandre.

Figur 3 viser et diagram av en akselerasjons-sensor 75 med to prøvemasser, sammen med dens tilhørende elektronikk og en signal-prosessorenhet 76, omfattende en programmert mikro-prosessor for å bestemme fra kraft-transduser-frekvensene og andre relevante inngangs-signaler, såsom temperatur, den akselerasjon som instrumentet er utsatt for.

Sensoren 75 omfatter det mekaniske system 78 av kraft-transduseren med to prøvemasser, og sensor-elektronikken 79

som genererer frekvensene f^ og f^, som representerer resonans-frekvensene for hver kraft-transduser, og dermed den kraft som utøves på kraft-transduseren som følge av den akselerasjon som prøvemassene blir utsatt for. Temperatur-sensoren 80 måler temperaturen av det mekaniske systemet 78, og frembringer et signal f , hvis frekvens er en funksjon av temperatur.

Signal-prosessorenheten 76 omfatter en frekvens-pulsteller 81, mikroprosessoren 82 og en PROM 83. Klokkekretsen 84 frembringer tidskontroll-inngangs-signaler til mikroprosessoren og til frekvens-pulstelleren. Data/adresse, adresse- og styre-linjer med de indikerte antall buss-linjer, forbinder sekvens-pulstelleren 81, mikroprosessoren 82 og PROM 83.

Kraf t-transduser-f rekvens-signalene f-^ og t^, og temperatur-signalet f er forbundet med frekvens-pulstelleren 81 som genererer digitale signaler som representerer hver frekvens for bruk i mikroprosessoren 82. Den beregnede akselerasjon blir frembragt ved utgangen av mikroprosessoren 82, enten i åtte-bit parallell-form ved 85 eller i serieform ved 86.

I henhold til oppfinnelsen blir avveiningsfaktorer eller koeffisienter etablert for frekvensene av kraft-transduserne for hver prøvemasse. F.eks. kan akselerasjonen bli bestemt som

hvor A, er avveiningsfaktoren eller koeffisienten for en kraft-transduser, A ? er avveiningsfaktoren eller koeffisienten for den andre transduseren, og Aq er et uttrykk for forspennings-korreksjon.

Imidlertid blir akselerasjonen fortrinnsvis bestemt som en funksjon av kvadratene av kraft-transduserfrekvensene i henhold til den følgende ligning:

Forholdene som benytter kvadratet av frekvensen gir bedre lineæritet og mindre sensitivitet for endringer i følsomheten av en kraft-transduser i forhold til den andre. Spesielt blir vibrasjon-likerettingsfeil på grunn av små endringer i relativ skalering av de to transduserne, f.eks. som funksjon av frekvens, tilnærmet en størrelsesorden mindre når kvadratet av frekvensen blir brukt.

Kalibrerings-koeffisientene A^, A^ og AQ er modellert for valgte driftsforhold av akselerometere, som f.eks. temperatur. Mer spesielt, er koeffisientene fortrinnsvis bestemt slik at algoritmen i den beste tilnærmelse av inngangs-akselerasjonen over hele inngangsområdet. Settet av koeffisienter blir bestemt fra kalibreringen av instrumentet.ved flere diskrete temperaturer T_. i driftsområdet for akselerometeret. Koeffisientene kan bli representert som en matrise

Hver koeffisient A^blir så modelert ved en minste-kvadrat polynom-funksjon i forhold til temperaturen

Andre sett av kalibrerings-koeffisienter kan bli brukt, basert på en annen egenskap enn lineæritet. F.eks. kan koeffi-cl cl

sienten bli valgt til å minimalisere det deriverte ^ av akselerasjonen i forhold til temperaturen.

Akselerasjons-modellen basert på den beste tilnærmelse av den virkelige akselerasjon over hele inngangsområdet minimaliserer feil fra vibrasjons-likeretting, og blir foretrukket.

Modellering blir fortrinnsvis utført ved å gjøre målinger av akselerasjonen i området fra -lg, gjennom Og til +lg for temperaturer gjennom hele driftstemperatur-området for instrumentet. En typisk inngangs-akselerasjon er tyngdekraften, og akselerometeret blir plassert med sin følsomme akse suksessivt i 24 forskjellige stillinger i forhold til en vertikal linje. Denne fremgangsmåten blir gjentatt ved forskjellige temperaturer, gjennom hele driftsområdet.

Kalibrerings-koeffisientene blir bestemt som indikert oven-for, og denne informasjon blir lagret i PROM 83, og kan bli kalt ut av mikroprosessoren når nødvendig. Antallet av temperaturer ved hvilke målinger blir tatt, og antallet av ledd i temperatur-polynomen er faktorer i bestemmelsen av akselerasjons-målingenes presisjon.

Under styring av mikroprosessoren 82 blir det tatt perio-diske stikkprøver av de digitale frekvenser f^, f _ og temperaturen, ved utgangen av frekvens-pulstelleren 81. Kalibrerings-koef f isientene A<j>., og Aq blir hentet ut fra PROM 83 og akselerasjonen blir beregnet.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av akselerasjon ved hjelp av et akselerometer som har to prøvemasser, følsomme for den samme akselerasjon, med et par kraft-transdusere basert på bjelkeresonans, én forbundet med hver prøvemasse for å føle kraften som induseres i prøvemassen ved akselerasjon, hvor transduserne har resonansfrekvenser f^ og f_ som varierer motsatt med en endring i akselerasjon, karakterisert ved at akselerasjonen bestemmes fra transduser-frekvensene i henhold til ligningen

hvor A^ , A2 og Aq er kalibrerings-koef f isienteri.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert v ed at den forbedrede fremgangsmåte for bestemmelse av akselerasjon fra transduser-frekvensene er i henhold til ligningen

hvor A^, A2 og A^ er kalibrerings-koeffisienter.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at kalibrerings-koeffisientene blir bestemt for den beste tilnærming av akselerasjonen over hele inngangs-området, og over driftstemperatur-området for akselerometeret.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at akselerometeret blir kalibrert ved diskrét temperatur Tj og at kalibrerings-koeffisientene blir representert som en matrise av koeffisientene

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at hver koeffisient A. er modellert med en minste 1 kvadrat-polynomfunksjon i forhold til temperaturen, representert ved

6. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at kalibrerings-koeffisientene blir bestemt for en minimumsverdi av derivertetav akselerasjon i forhold til temperatur, -^ , hvor T er temperaturen.