SE457189B - Foerfarande och anordning foer att avkaenna rotationshastighet och acceleration hos en kropp - Google Patents

Description

457 189 10 15 20 25 30 2 General Motors Corporation (Delco Division). Alla de ovan nämnda, med undantag av Gyrotron, började utvecklas i början av 1960-talet.

I huvudsak användes i de ovan nämnda systemen an- tingen en roterande kropp eller en fri vibrerande kropp för att avge hastighetskomponenten V vinkelrätt mot den andra kroppens rotationsaxel. Acceleratíonskraften av en sådan roterande eller vibrerande kropp mätes därefter på något sätt för att erhålla coriolisacceleratíonen Ã. När man känner till coriolisaccelerationen och hastigheten hos ett kraftavkän- nande element kan man därefter på ett enkelt sätt bestämma kroppens rotationshastighet.

Vibrerande kroppar uppvisar tydliga fördelar fram- för roterande anordningar vad gäller mekanisk enkelhet. För att anordna ett roterande tröghetsinstrument, som är känsligt för coriolisacceleration, såsom en accelerometer, måste kul- lager, släpringar, spinnmotorer och liknande anordnas. Dess- utom måste ett roterande arrangemang ligga i fas med det hölje i vilket det är monterat för att uppdela inputvinkel- hastigheten i två rätvinkliga känsliga axlar.

Försök som görs idag för att mäta rotation genom användning av en vibrerande tröghetssensor har utförts medelst vibrerande mekaniska system med öppen slinga, i vilka förskjutningen av en fri vibrerande tröghetsmassa vid coriolisacceleratíonen alstrar en elektrisk signal, som är proportionell mot coriolískraften. Sådana system arbetar som stämgafflar, vars skänklar vibrerar vid frekvensen V och böjes i ett vinkelrätt plan en sträcka som är proportio- nell mot Ä. Sådana system, trots att de är mindre komplexa mekaniskt än roterande system, har visat sig bli utsatta för felaktigheter, som beror på de rätvinkliga rörelser som er- fordras för vibrerande kraftavkänningsmekanismer med öppen slinga av "vibratíonssträng"-typ. ir» 10 15 20 25 30 457 189 3 Redogörelse för uppfinningen Ovan nämnda och andra nackdelar vid kända förfaranden och anordningar undanröjes genom de särdrag som karakteriserar den föreliggande uppfinningen enligt de efterföljande själv- ständiga patentkravens 1 resp. 3 kännetecknande delar.

Uppfinningen kommer att förklaras närmare i den efterföljande, detaljerade beskrivningen. Denna beskrivning åtföljes av en uppsättning ritningsfigurer innefattande hän- visningsbeteckningar, varvid samma beteckningar på figurerna motsvarar samma beteckningar i beskrivningen och samma sär- drag hos uppfinningen.

Figurbeskrivning Fig. 1 är en delvy, i esprängt perspektiv, som visar det relativa anordnandet av accelerometrar i enlighet med uppfinningen och fig. 2 är en sidovy i snitt av en multisensor enligt uppfinningen.

Föredragen utföríngsform På figurerna är fig. 1 en sprängd perspektivvy av en väsentlig del av uppfinningen nämligen den som hänför sig till den föredragna relativa orienteringen avtröghetskraftavkän- nande organ, som utgör hjärtat i multisensorn. De kraftavkän- nande organen innefattar ett rätvinkligt arrangemang av övre och undre accelerometrar 10 och 12. Varje accelerometer är före- trädesvis av kraftbalanseringstyp, i vilken en massa, såsom en pendelmassa, är orienterad för'att reagera för en accelerations- kraft, som verkar längs en förutbestämd axel, känd som dess inputaxel. Till skillnad från en kraftupptäckande mekanism av öppen slingtyp är en sådan massa bunden av verkan av reaktiva "forcers", så att, hellre än att åstadkomma en mätbar förskjut- ning, den kraft som verkar på massan är en mätbar funktion av 457 189 a ^ 10 15 20 25 30 35 4 den energi som erfordras för att möjliggöra att "the forcers“ upprätthåller massans nolläge när den utsättes för accelera- tionskrafter. Pickoff-sensorerna, någon av ett antal konventio- nella elektromekaniska transduktorer, alstrar resulterande elektriska signaler, som är proportionella mot den kraft (acce- leration) som avkännes av den reaktiva tröghetsmassan i acce- lerometern. Även om ett stort antal tröghetsaccelerationsavkännande instrument kan användas och fungera inom uppfinningens ram utnyttjas i apparaten enligt fig 1 tvâ A4 MOD IV accelerometrar av pendlande kraftbalanseringstyp. såäflfi acceleromeüæm pro- duceras och tillhandahålles av Littoh Systems, Inc., Beverly Hills, Kalifornien. Var och en av de övre och undre accelero- metrarna 10 och 12 visas förbunden med en övre resp undre hållare 14, ren 16) ett centralt bärelement 18 infört mellan två sido- 16 innefattande (när det gäller den undre hålla- orienterade flänsar 20 och 22. Hela hállareanordningens höjd är större än höjden av den accelerometer som är fastsatt vid densamma och varje anordning är monterad så att den sträcker sig såväl under som över accelerometern. Som torde framgå tillåter ett sådant arrangemang att accelerometrarna kan monteras inuti multisensorns hölje på sådant sätt att en upphängning åstadkommas, som minimerar möjligheten av skadlig mekanisk återkoppling mellan accelerometer och hölje. Hål 24, 26, 28, 30, 32 och 34 är anordnade inuti hâllareanordningens element för bultar som förbinder hållare med accelerometer och »med ett ankare/membran, som visas i den följande figuren. Även om de konventionella inre detaljerna hos accelero- metrarna 10 och 12 icke visas definierar inputaxlarna 36 och 38 orienteringarna för accelerationskrafternas känslighet. Dubbel- pilar 40 och 42 visar accelerometrarnas kolinjära vibrations- riktningar medan rotation av kroppen, vid vilken multisensor- höljet är fastsatt, mätes runt de visade rätvinkliga rota- tionsavkänningsaxlarna 44 och 46. Under hänvisning bakåt till ekvationen för coriolisacceleration synes systemet omfattande en multisensor i enlighet med uppfinningen påtvinga en förutbe- stämd vibrationshastighet v på de kraftavkännande acceleromet- rarna 10 och 12 längs kolinjära axlar 40 och 42, avkänner 10 15 20 25 30 35 457 189 5 rätvinkliga rotationer Ü runt accelerometeraxlarna 44 och 46 och ges coriolisaccelerationskflfiïerà längs inputaxlarna 36 och 38. Multisensorsystemet kommer dessutom naturligtvis att upp- täcka icke-coriolisinducerade linjära accelerationskrafter längs inputaxlarna 36 och 38. Sådana accelerationer kan skiljas från de hastighetsmätande corioliskrafterna genom lämpligt val av vibrationsfrekvens hos accelerometrarna sammankopplade med konventionella demoduleringsanordningar, som beskrives nedan.

Systemets funktion såsom visats och beskrivits ovan visas fullständigt i fig 2 utvisande etttvärsnitt av höljet 48 till en multisensor innefattande uppfinningens särdrag och in- kluderande en anordning inuti den som visas i föregående figur.

Instrumenteringen inuti det cylindriska höljet 48 är i huvudsak rätvinkligt-symmetriskt runt en horisontell axel 50. Detta be- tyder att motsvarande element hos instrumenteringen ovanför axeln 50 roteras 900 från de som är belägna under axeln. Detta visas naturligtvis klart i föregående figur.

Höljena 52 och 54 utgör tätning för multisensorn. Som framgår av fig 2 innefattar hållaren 14, som fixerar den övre accelerometern 10, ett centralt bärelement 56 förbundet med sidoorienterade flänsar 58 och 60.

Varje anordning bestående av accelerometer och hållare är vid topp och botten fastbultad vid ett i huvudsak skivformat membran/ankare med förstärkt centrum och kantdelar åtskilda av ett relativt tunt, ringformigt membran för att bilda av varandra oberoende dubbla membranupphängningar såväl över som under den horisontella axeln 50. Ankare/membran 62 och 64 är fastbultade vid och utgör det enda stödet för den övre anordningen bestå- ende av hållare och accelerometer medan ankare/membran 66 och 68 bildar det enda stödet för den undre anordningen bestående av hållare och accelerometer.

Cylindriska avståndselement 70 och 72 skiljer kanterna på ankare/membran åt och fullständigar ett par av varandra obe- roende vibratorenheter inuti höljet 48. Den övre vibratorenheten innefattar en övre anordning bestående av accelerometern 10 och hållaren införd mellan ankare/membran 62 och 64 och är omgiven av det cylindriska avståndselementet 70, och den undre vibrator- bestående av enheten innefattar men undre anordning 457 189 10 15 20 25 30 35 6 accelerometer 12 och hållare är införd mellan ankare/membran 66 och 68 samt omges av det cylindriska avstândselementet 72.

En elektromagnet 74 är fastsatt i höljets 48 centrum medelst en inåt sig sträckande radiell fläns 76 och en hylsa 78 utformad på denna. En konventionell accelerationsåterställande förstärkare 80, som är monterad på flänsen 76, mottager pickoff- signaler alstrade inuti accelerometrarna och åstadkommer till svar styrsignaler till "forcers“ inuti accelerometrarna som verkar på pendelmassan. De erforderliga ledarna för nämnda organ visas inte i fig. 2. Elektrisk kommunikation åstadkommes emeller- tid utifrån till multisensorn medelst övre och undre ledare 82 och 84, som är elektriskt förbundna med avkänningsapparaten för de övre och undre accelerometrarna 10 och 12 via lödda kontakt- don 86 och 88. Varje ledare inkluderar sex individuella ledare.

Ett ledarepar användes för exciteringen av den ljusemitterande dioddelen av pickoff-sensorn, ett annat par är tillordnat pickoff-sensorns fotodioddels output och ett tredje par leder ström till accelerometerns "forcer"-mekanism.

Elektromagneten 74 driver de övre och undre dubbelmembran- vibratorenheterna, som beskrivits ovan, genom att aktivera och inaktivera elektromagnetiska fält, som omväxlande attraherar och frisläpper membranen 64 och 66. Som ett resultat av membranens drivning kommer vibratorenheterna, innefattande tillhörande accelerometrar, att oscillera i vertikalplanet. Dessutom, i en- lighet med elektromagnetens 74 inställning mellan membranen 64 och 66, kommer de båda enheterna, och tillhörande accelerometrar, att vibrera 180° ur fas. Genom att vibrera ur fas utövar enheter- na, som var och en har samma resonansfrekvenser, lika stora och motriktade vibrationskrafter, varigenom vibrationsenergin, som är kopplad till höljet 48, minskar för att undvika monterings- känslighet.

Varje accelerometers output utgöres av en signal som innehåller information beträffande hastighet och linjär acce- leration (längs varje accelerometers input-axel). Den indi- viduella demoduleringen av de båda typerna information är rela- tivt rak som en konsekvens av de varierande frekvenserna hos rotationshastighet och accelerationssignaler. Hastighets- outputinformationen moduleras vid accelerometervibrationens 10 15 20 25 457 189 7 förutbestämda frekvens, medan linjär acceleration av intresse kan förväntas vara antingen konstant eller ligga inom ett rela- tivt lågt och förutsägbart frekvensområde. Vibrationsfrekvensen hos de dubbla membranupphängningarna väljes hög relativt syste- mets bandbreddbehov för att tillåta filtrering av den modulerade hastighetssignalen från accelerometerns output. Vinkelhastig- hetsinformation erhålles genom att kapacitivt koppla accelero- meterns output till en bandpassförstärkare centrerad runt modu- lationsfrekvensen. Bandpassförstärkarens output påföres demodula- torns input, varvid referenssignalen för demodulatorn väljes så att den är i fas med vibratorenhetens hastighet. Demodula- torns output filtreras därefter för att åstadkomma en lik- strömsspänning vars amplitud är proportionell mot vinkelhastig- heten som pàföres en polaritet som är känslig för riktningen av påförd vinkelhastighet.

Det torde förstås att tröghetsinstrumenteringen har tillförts en ny och förbättrad apparat, som kan mäta rotation i tvâ rätvinkliga plan och acceleration i två rätvinkliga rikt- ningar. Genom att anordna en multisensor i enlighet med uppfin- ningen erhâlles fördelar med en vibrerande apparat som består i mindre komplexitet än vad som erhålles med ett roterande oscilla- tionsarrangemang samtidigt som nackdelarna med tidigare vibra- tionsarrangemang undvikes. Även om uppfinningen har beskrivits i samband med en utföringsform är inte uppfinningen begränsaditill denna. Upp- finningen begränsas endast av det i patentkraven angivna.

Claims (8)

457 189 g 10 15 20 25 30 35 PATENTKRAV

1. Förfarande för att avkänna rotationshastighèt och aCce_ leration hos en kropp, varvid första och andra ofria mass- tröghetssensorer (12, 14) svarar på linjära accelerations- krafter och vibreras med en förutbestämd frekvens, k ä n n e- t e c k n a t av att vibreringen sker längs kolinjära axlar (40, 42) medan var och en av sensorerna (12, 14) svarar på linjära accelerationskrafter hos kroppen längs inbördes rät- vinklíga axlar (44 resp. 44), varvid mätning sker av linjära och coríolisaccelerationskrafter som verkar på var och en av sensorerna.

2. Förfarande enligt patenfkrav 1, k ä n n e t e c k- “n a_t av att vibreringen av de första och andra sensorerna (12, 14) sker ur fas.

3. Anordning avsedd för att avkänna rotationshastíghet och acceleration hos en kropp och innefattande en första ofri masströghetssensor (12) som svarar på linjär acceleration längs en första förutbestämd axel (46) och en andra ofrí masströghetssensor (14) som svarar på linjär acceleration längs en andra förutbestämd axel (44), vilka båda sensorer (12, 14) är anordnade att vibreras av ett vibrationsorgan (74) med en förutbestämd frekvens, k ä n n e t e c k- n a d av att sensorerna (12, 14) är vibrerade längs kolin- jära axlar (42, 40) och är monterade så att den första förut- bestämda axeln (46) är vinkelrät mot den andra förutbestämda axeln (44), varvid mätorgan är anordnade att påverkas av lin- jära och coriolísaccelerationskrafter som verkar på var och en av sensorerna.

4. Anordning enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k- n a d av att vardera masströghetssensorn (12, 14) inne- fattar en accelerometer och av att denna är monterad i an- ordnifigen medelst ett par dubbelmembranupphängningar (62-64 resp. 66-68).

5. Anorduing enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k- n a d av att vibratíonsorganet (74) är anordnat att akti- vera sensorerna (12, 14) till att Vibrera ur fas. nr 10 457 189

6. Anordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k- n a d av att víbrationsorganet innefattar en elektromagnet (74), som är anordnad mellan det nämnda paret dubbelmembran- upphängníngar (62-óä, 66-68).

7. Anordning enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k- n a d av att dubbelmembranupphängningarnas (62-64, 66-68) frekvens är hög i Förhållande till systemets bandbredd.

8. Anordning enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k- n a d av att vardera accelerometern (12, 14) utgörs av A4 MOD IV-accelerometrar.