NO844439L - Multisensor - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår treghetsinstrumentering for styring. Nærmere bestemt angår foreliggende oppfinnelse multisensorer for måling av både lineær akselerasjon og rotasjonshastigheten til et seg bevegende legeme.

Et utall forsøk har blitt gjort for å anvende en treghetsmasse for å detektere rotasjonshastigheten til et legeme. Generelt har slike forsøk blitt basert på coriolis-akselerasjonen utøvd av et vibrerende eller roterende legeme festet til et andre legeme hvis rotasjon skal bli avfølt. Coriolis-akselerasjonen er beskrevet ved hjelp av følgende ligning: A = 2 co x v;

hvor: A = coriolis-akselerasjonen;

vinkelhastigheten til rotasjonskoordinatsys-temet (andre legeme) som skal bli målt; og

v = hastighetskomponenten perpendikulær på rotasjonsaksen.

Ovenfor nevnte uttrykker basisprinsippet, som alle vibra-torgyroer så vel som roterende hjulgyroer baserer seg på, nemlig en coriolis-akselerasjonskraft, utøves når en seg bevegende masse har en hastighetskomponent perpendikulær på rotasjonsaksen til et tilknyttet roterende koordinat-system. Disse prinsippene tillater ved anvendelse avføling av vinkelhastigheten med en oscillerende pendel, som først blir demonstrert av Leon Foucault i begynnelsen av 1850-årene. Etter den tid har et utall forsøk blitt gjort for å anvende coriolis-akselerasjonsprinsippene for å konstruere hastighetsgyroer og hastighetsintegrerende gyroer.

De mest kjente forsøkene på å utvikle en hastighetsavfø-lende gyro i samsvar med ovenfor nevnte prinsipp har ført til følgende treghetssensorer (alle henvist til med han-delsbenevnelsene); "Gyrotron" til Sperry Gyroscope Corporation (1940); "A5 Gyro" til Royal Aircraft Establish- ment; "Vibrating String Gyro" til North American Rockwell Corporation (Autonetics Division, Anaheim, California); "Viro" til General Electric Corporation og "Sonic Bell Gyro" til General Motors Corporation (Delco Division). Alle ovenfor nevnte med unntak av "Gyrotron" startet ut-viklingen i de tidlige 1960-årene.

Ovenfor nevnte system bygger generelt på enten et roterende legeme eller utvunget vibrerende legeme for å tilføre hastighetskomponenten v perpendikulært på rotasjonsaksen til det andre legemet. Akselerasjonskraften utøvd av et slikt roterende eller vibrerende legeme blir så målt på en aller annen måte for å tilveiebringe coriolis-akselerasjonen A. Med kjennskap til coriolis-akselerasjonen og hastigheten til et kraftavfølende element kan man på enkel måte bestemme rotasjonshastigheten til legemet.

Vibrasjonslegemer gir klare fordeler i forhold til roterende enheter med hensyn til den mekaniske enkelheten. For å anordne et roterbart treghetsinstrument som har følsom-het mot coriolis-akselerasjon må det anordnesf.eks. et akselerometer, kulelager, glideringer, rotasjonsmotorer o.l. En rotasjonsanordning må dessuten bli henvist til i fase med huset i hvilket den er montert for å løse inngangsvinkelhastigheten i ortogonale følsomhetsakser, som ytterligere kompliserer slike anordninger.

Et potensielt problem iboende ved enhver multisensor innbefattet av en eller flere vibrerte sensorer av treghetsmasse typen kommer fra det faktum at akselerasjonsinfor-mas jonen langs inngangsaksen til sensoren hhv. sensorene er innbefattet i sensorens utgang. For mange anvendelser og omgivelser er frekvensen til akselerasjonen forutsig-bart og ligger utenfor den angjeldende båndbredden hvorfor forvirring vil oppstå når frekvensen til den lineære akselerasjonen langs inngangsaksen er tett opptil vibrasjons-frekvensen for sensoren.

Ovenfor nevnte og andre problemer ved tidligere kjente anordninger blir løst ved foreliggende oppfinnelse som tilveiebringer en forbedret multisensor. Slike multisensorer innbefatter innretning som reagerer på akselerasjonen langs en første akse og innretninger som reagerer på akselerasjonen langs en andre akse. Innretningene er anordnet for å montere en slik sistnevnte innretning slik at første aksen er kollineær med den andre aksen. Dessuten er innretninger anordnet for vibrering av hver slik akselera-sjonsreagerende innretning ute av fase langs parallelle akser, idet hver slik akse er ortogonal til den første og andre akse.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor:

Fig. 1 viser et toppriss av en multisensor i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Et antall trekk ved utførelses-formen har blitt fjernet fra fig. 1 for å lettere forklare denne. Ved de videre illustrasjonene vil slike trekk bli påpekt og nærmere forklart senere.

Multisensoren ifølge oppfinnelsen innbefatter et høyere akselerometer 10 og et venstre akselerometer 12 anordnet i et hus 14, hvis topp er fjernet på fig. 1 for å gi et inn-syn i huset. Et av akselerometerne kan i det minste være av en type som har en treghetsmasse for å motvirke og der-ved tilveiebringe en indikasjon på akselerasjonskrefter langs en forutbestemt retning. Den kan dessuten være av den tvundne massetypen. Akelerometerne av den åpne sløyfe-typen eller en kombinasjon av åpen og lukket sløyfesensor-type kan alternativt bli anvendt ved multisensoren. Foreliggende oppfinnelse kan dessuten bli utøvd ved hjelp av akselerometeret som innbefatter elementer hvis optiske egenskaper blir endret i løpet av akselerasjonen.

Akselerometeret er anbrakt inne i et hulrom 16 dannet i det indre av huset 14. Hvert akselerometer er festet til en tredels brakett, idet høyere akselerometer er festet til braketten som innbefatter en finger 18 og bjelke 19 og det venstre akselerometeret 12 er festet til braketten som innbefatter en finger 20 og en bjelke 21. Sidebjelken er ikke vist på fig. 1 for å vise klarere hvert akselerometer og brakettenhet, som imidlertid blir vist i de påfølgende figurene er hver kombinert brakett-og-akselerometerenhet lagvis anbrakt mellom et par med avstand anbrakte fleksi-ble sidebjelker som innbefatter piezoelektriske elementer bundet dertil for å bevirke den forutbestemte vibrasjons-sensorbevegelsen.

Akselerometerene 10 og 12 er anordnet i hulrommet 16 på en slik måte at når de er i ro er deres inngangsakser 22 og 24 hhv. hovedsakelig kollineære. Dette er vist nærmere på fig. 2, som viser et tverrsnitt tatt langs linjen 2-2 på fig. 1 og innbefatter noen av elementene som ikke er vist på fig. 1. På fig. 2 er vist høyre og venstre parallelle bjelkeopphengning som innbefatter med avstand anbrakte sidebjelker i par hhv. 25, 26 og 27, 28 som lagvis bringer sammen høyre og venstre akselerometer-og-brakettenheter.

(Det skal bemerkes at den høyre brakettenheten er fullstendiggjort ved hjelp av en nedre finger 30 og den venstre braketten er fullstendiggjort med en nedre finger 32).

Massene til høyre og venstre enhet med akselerometer, brakett og sidebjelkepar er hovedsakelig den samme for å minimalisere belastningen ved husmonteringene 34, 36, 38 og 40. Slike par med masser har en tendens i første å kom-pensere lineære (rene translasjons) vibrasjonskrefter. Identiske huller 42 og 44 er anordnet i bjelkene 19 og 21, idet hullet 42 i hovedsaken tjener kun til å utgjevne massen mens hullet 44 opptar en magnet 46 som korresponde-rer med magneten 48 festet til det høyre akselerometeret 10.

Hver av magnetene 46 og 48 samvirker med et par med spoler festet til huset som sammen virker som multisensorens has-tighetsopptager. Magnetens 48 vibrasjon med høyre aksele-rometert 10 induserer strøm i hastighetsopptaksspolene 50 og 52 som er fastgjort til en brakett 54 festet til huset.

(Braketten 54 tilveiebringer dessuten anbringelsesstedet for den høyre akselerasjonsgjenopprettingsforesterkeren 56). Vibrasjonen til det ventre akselerometeret 12 og magneten 56 innbefatter strømmen i hastighetsopptagerspolene 58 og 60 som er forbundet med braketten 62. Den venstre akselerasjonsgjenopprettingsforsterkeren 64 er fastgjort til braketten 62 som er festet til huset.

Fig. 3 viser et forstørret delsnitt langs linjen 3-3 på fig. 1 for å vise innretningene anvendt for å bevirke vibrasjonen av akselerometrene 10 og 12. Det høyre akselerometeret 10 er opprettholdt i et fast forhold mellom side-veggen 25 og 26 til den høyre parallelle stangopphengnin- gen ved hjelp av med avstand anbrakte fingre 18 og 30 til fastholdelsesbraketten. Sidebjelkene 25 og 26 strekker seg i hulrommets 16 lengde og er fastgjort ved dens ender med bøyelige bærere 66 og 68 motstående bjelken. Sidebjelkene er hver av generelt W-formet tverrsnitt med utover venden-de forsterkningsdeler i ett med tynne stofflignende elementer .

Piezoelektriske elementer 70, 72, 74, 76 er fastgjort til de stofflignende delene til sidebjelkene ved adhesive midler slik som epoksy eller lignende. Metalliserte kon-takter er vist plateanlagt mot de piezoelektriske elementene parvis. Som kjent er slike piezoelektriske materialer underlagt forutsigbare og reproduserbare deformasjoner som reaksjon på positive og negative elektriske potensialer. Ved påføring av negative og positive elektriske potensialer til riktig polariserte elementer i samsvar med kombinasjonen angitt på fig. 3 vil nettokreftene påført sidebjelkene ha en tendens til å tvinge hver av dem oppover ved dets midtpunkt f.eks. Ved reversering av fortegnet til de angitte potensialer vil kombinasjonen av sidevegg, brakett og akselerometer bli tvunget nedover. Ved egnet sekvensering av polaritetene til de elektriske signalene tilført sideveggene kan akselerometerene 10 (og akselerometeret 12) bli bevirket til å vibrere opp og ned ved en forutvalgt frekvens og amplitude.

Med henvisning til fig. 2 blir vibrasjonene i akselerometerene 10 og 12 indusert med en 180° faseforskjell slik at det forekommer langs parallelle akser 78 og 80. Som resul-tat av ovenfor beskrevne coriolis-akselerasjonskrefter som er indusert i et vibrerende system vil vibrasjonene til akselerometerene 10 og 12 langs de angitte akser indusere målbare akselerasjonskrefter proporsjonale med rotasjonshastigheten til multisensoren i retningen av inngangsaksen til hvert akselerometer. Utgangssignalene til akselerometerene 10 og 12 vil således inneholde et mål på rotasjons-

hastigheten til systemet om aksen 82, vist på fig. 1.

Fig. 4 viser et skjematisk diagram av en elektrisk krets for å bestemme både lineær akselerasjon langs inngangs-aksene til akselerometerene 10 og 12 og rotasjon om aksen 82 med stor nøyaktighet ved å anvende utgangssignalet generert av en multisensor i samsvar med ovenfor nevnte beskrivelse. Ved å behandle signalene som vist, tilveie-bringes målenøyaktighet som ellers ville gå tapt ved en multisensor av coriolistypen når akselerasjonene langs akselerometerinngangsaksen blir utøvd ved frekvenser til-nærmet modulasjonsfrekvensen til akselerometerets vibra-s jon.

Signaler som danner vibrasjonen til akselerometerene blir tilført langs lederne 88 og 90 ved hjelp av en driverkrets 86. Strømmene indusert ved høyre og venstre opptaksspole-par påvirker driveren 86 ved en selvresonerende krets-anordning. Den avfølte vibrasjonen til venstre akselerometer 12, omformet til en korresponderende sinusformet strøm proporsjonal med hastigheten gjennom samvirkning mellom magneten 46 og de venstre opptaksspolene 58, 60, er f. eks. vist på figuren som tilført til en inngang til driverkretsen 86. Signalene indusert i opptaksspolene tjener dessuten som et demodulasjonsreferansesignal ved tilførsel til en demodulator 92. (Det skal bemerkes at coriolis-akselerasjonssignalet, et kryssprodukt, er oscil-lasjonsmessig med frekvensen lik den til vibrasjonsfrek-vensen for avfølingsakselerometeret og amplituden er proporsjonal med inngangsvinkelhastigheten. Uttrekningen av vinkelhastigheten eller hastighetsinformasjonen krever dessuten demodulasjon av et sinussignal).

Utgangene til høyre og venstre akselerometer er koplet parallelt med både en dif f erensialf orsterker 94 og en adderingsforsterker 96. Når akselerometerene blir vibrert 180° ut av fase er komponentdelene til deres signalutgan- ger som angår målingen av coriolis-akselerasjonen av motsatt fortegn mens delene som angår lineær akselerasjon ikke er så påvirket og ikke av likt fortegn. Utgangssignalet til differensialforsterkeren 94, et mål på forskjel-len mellom akselerometerutgangssignalene, er således kun et mål på coriolis-akselerasjonen og følgelig rotasjonen siden deler av utgangssignalene som reagerer på lineær akselerasjon blir slettet uten hensyn til forholdet mellom frekvenser til disse to individuelle komponentdelene til akselerometerutgangssignalet. Som en ytterligere konsekvens av lik og motsatt avføling av coriolis- eller has-tighetskomponentene til sensorutgangene gir utgangen til differensialforsterkeren 94 dobbelt så følsomt mål for rotasjon som utgangen til et enkelt komponentakselerometer for multisensoren.

Hastighetsutgangssignalet blir så tilført demodulatoren 92, som beskrevet ovenfor, anvender den induserte sinus-formede strømmen til hastighetsopptaksspolene som dets demodulasjonsreferanse. Det demodulerte hastighetsutgangssignalet blir så tilført et filter 98 for endelig utled-ning av hastighetssignalet.

Som en ytterligere konsekvens av avsatt avføling av corio-liskomponentene til utgangene til høyre og venstre akselerometer inneholder utgangen til adderingsforsterkeren 96, til hvilken akselerometerutgangssignalene er tilført, ingen hastighetsinformas jon og er dobbelt så følsomt et mål for den lineære akselerasjonen langs den koinsidente akselerometerinngangsaksen som er utgangen til en enkel av akselerometerene 10 eller 12. Dette utgangssignalet blir ikke demodulert (ulikt hastighetssignalet) siden det er et direkte mål på akselerasjonen enten eller ikke slik akselerasjonen er i sin vibrasjon. Signalet blir så tilført filteret 100 for uttrekning av akselerasjonsinformasjon av dette signalet.

Som det fremgår har det blitt tilveiebrakt en forbedret multisensor av vibrasjonstypen som tilveiebringer øket følsomhet for både akselerasjon og rotasjon og som ikke er følsom for feil som ellers kan bli indusert når frekvensen for akselerasjonen sammenfaller med eller er svært tett opptil den modulerte frekvensen for den vibrerte sensoren.

Claims (5)

1. Multisensor, karakterisert ved at den innbefatter i kombinasjon: a) innretning som reagerer på akselerasjon langs en første akse, b) innretning som reagerer på akselerasjon langs en andre aske, c) innretning for å montere sistnevnte innretning slik at den første aksen er hovedsakelig kollineær med den andre aksen, og d) innretning for å vibrere hver av reaksjonsinnretnin-gene ut av fase langs parallelle akser, idet hver av aksene er ortogonale på den første og andre akse.

2. Multisensor ifølge krav 1, karakterisert ved at i det minste en av nevnte innretninger som reagerer på akselerasjonen er et akselerometer.

3. Multisensor ifølge krav 1, karakterisert ved at minst en av nevnte innretning som reagerer på akselerasjonen er treghetsmasse.

4. Multisensor ifølge krav 1, karakterisert ved at innretninger for montering innbefatter en parallell bjelkeopphengning.

5. Multisensor ifølge krav 4, karakterisert ved at innretninger for vibrering innbefatter flere piezoelektriske elementer.