WO2000008416A1 - Vorrichtung zur ermittlung einer drehrate - Google Patents

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WO2000008416A1
WO2000008416A1 PCT/DE1999/002116 DE9902116W WO0008416A1 WO 2000008416 A1 WO2000008416 A1 WO 2000008416A1 DE 9902116 W DE9902116 W DE 9902116W WO 0008416 A1 WO0008416 A1 WO 0008416A1
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WO
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signal
circuit arrangement
circuit
damping
transducer
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Application number
PCT/DE1999/002116
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Miekley
Manfred Abendroth
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/567—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode
    • G01C19/5691—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially three-dimensional vibrators, e.g. wine glass-type vibrators

Definitions

  • the invention relates to a device for determining a rotation rate according to the preamble of claim 1, with an oscillatable body, on which a plurality of electromechanical transducers are attached, of which at least a first transducer by means of an electrical driver signal generated in a first circuit arrangement and at least a second Converter is set into mechanical vibrations by means of an electrical damping signal generated in a second circuit arrangement, and at least one third transducer emits an electrical sensor damping signal which corresponds to the vibration of the body at the point at which the at least third transducer is attached, the sensor damping signal being fed back to the input of the second circuit arrangement.
  • Such a device which works regularly on the principle of a vibrating gyrometer, is known for example from DE-44 47 005 AI.
  • the electromechanical transducers present in the device which are regularly piezoelectric elements, evaluate the effect the Coriolis acceleration, which serves as a measure of a rotation rate at which the vibrating body rotates.
  • the known device is therefore very good to use in conjunction with systems for vehicle dynamics control in motor vehicles, since the detected
  • Coriolis acceleration can be used as a measure of the current yaw rate of the vehicle.
  • the vibratable body is designed as a thin-walled hollow cylinder made of an elastic material.
  • Eight piezo elements are spaced 45 degrees apart on the cylinder wall.
  • the piezo elements arranged for example in the positions 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees and 270 degrees work together with an oscillator stage.
  • the piezo elements arranged in the positions 45 degrees, 135 degrees, 225 degrees and 315 degrees work together with a damping stage.
  • the piezo elements arranged in the 0 and 180 degree positions are set in mechanical oscillations by an oscillator driver stage.
  • the piezo elements arranged in positions 90 and 270 degrees emit a signal which corresponds to the oscillation of the hollow cylinder at the point at which the piezo elements are attached.
  • the signal emitted by the piezo elements arranged in the positions 90 degrees and 270 degrees is fed back to the input of the circuit arrangement for generating the electrical oscillator driver signal in such a way that an oscillator results which oscillates at its resonance frequency.
  • the hollow elements are set in vibration by the piezo elements arranged in the 0 and 180 degree positions, which are set in mechanical vibrations by the oscillator driver stage.
  • the hollow cylinder swings in such a way that in the steady state, nodes form 45 degrees, 135 degrees, 225 degrees and 315 degrees. If a rotation rate acts on the hollow cylinder from the outside, the steady state of the hollow cylinder is disturbed due to the Coriolis acceleration. The system is detuned in such a way that the position of the nodes shifts. As a result, the hollow cylinder vibrates at the previous locations of the nodes.
  • the piezo elements arranged in the 45 degree and 225 degree positions can be set into mechanical vibrations by means of a damping driver stage.
  • the piezo elements arranged in the positions 135 degrees and 315 degrees emit a signal which corresponds to the vibration of the hollow cylinder at the point at which they are attached.
  • the signal emitted by the piezo elements arranged in the positions 135 degrees and 315 degrees is thus provided to the input of the excitation of the piezo elements arranged in the positions 45 degrees and 225 degrees
  • the voltage fed back to the input of the circuit arrangement for excitation of the piezo elements arranged in the positions 45 degrees and 225 degrees represents a measure of the detuning of the hollow cylinder caused by the action of a rotation rate on the oscillating hollow cylinder.
  • This signal can thus be a measure of the rotation rate be used.
  • the known device To adapt to a circuit arrangement which processes the signal further, in the known device there is a Adjustable gain amplifier provided. Although the output signal of the known device can also be set by the amplifier, the known device has the disadvantage that there is no possibility of adjusting the circuit with regard
  • the signal emitted by the piezo elements arranged in positions 90 degrees and 270 degrees and fed back to the input of the oscillator driver stage is fed to an amplifier and, via a switch, to the input to excite the signals in positions 45 Degrees and 225 degrees arranged piezo elements provided damping driver stage.
  • the system is detuned in the same way as when a rotation rate is applied. Since the size of the self-test signal is determined, the output signal must reach a certain size due to the detuning when the device is operating correctly. If this is not the case, this indicates that the device is not working correctly.
  • the gain of the amplifier for generating the self-test signal can also be adjusted.
  • the independence of the output signal from the adjustment made by the output amplifier achieved in that the inputs of the amplifier are coupled to each other for adjusting the gain and operate in opposite directions ".
  • a voltage divider is provided, by means of which the signal generated in the second circuit arrangement can be reduced. It has been shown that the transmission behavior of the piezo elements of the damping stage is always greater than that of the piezo elements of the oscillator stage.
  • the signal decoupled from the oscillator stage for generating the self-test signal must therefore be compensated for by a typically smaller output signal from the damping driver stage.
  • the output signal of the circuit arrangement obtained on the basis of the self-test signal therefore always deviates downward from the true value.
  • the circuit arrangement provided for generating the signal required to excite the piezo elements arranged in the 45 degree and 225 degree positions must supply a greater output voltage than it does this would have to be done if the signal was not reduced. As a result, the output signal of the invention
  • circuit elements are provided, by means of which an interference signal is conducted to the input of the second circuit arrangement.
  • the interference signal can advantageously be used to carry out a self-test of the device according to the invention. It is particularly advantageous in the circuit according to the invention that the output signal generated on the basis of the interference signal can be adjusted in a simple manner by means of the voltage divider.
  • At least a fourth electromechanical transducer is provided, which emits a sensor driver signal which corresponds to the vibration of the body at the point at which the at least fourth transducer is attached, the sensor driver signal is fed back to the input of the first circuit arrangement and the interference signal to a part or a large number of the sensor driver driver which is attributed to the input of the first circuit arrangement Signal corresponds. Since the interference signal is obtained from the oscillator circuit, its frequency always matches the frequency at which the vibrating body vibrates. It can therefore be optimally adapted to the input of the second circuit arrangement in a simple manner.
  • Figure 1 is a block diagram of a device according to the invention.
  • Figure 2 shows the arrangement shown in Figure 1 broken down block diagram.
  • Hollow cylinder 11 of the sensor 10 carries the individual measuring elements A, A ', B, B', C, C 'and D, D'.
  • the deformations that the hollow cylinder 11 can assume due to vibrations are shown in dashed lines.
  • the piezo elements A, B, C, D are connected to the blocks 12, 13, 14 of the electronics, 12 denotes the oscillator loop (drive circuit), which sets the associated piezo element in a constant mechanical drive oscillation.
  • the oscillator loop drive circuit
  • Damping circuit designated and 14 represents the detector circuit at the output of the measurement signal U M , which is still filtered in the filter 15 in a suitable manner, so that the actual output signal Uout is obtained.
  • the signal output from the damping circuit 13 is divided down by means of a potentiometer 31. Piezo elements A ', B', C, D 'are internally connected to elements A, B, C, D, respectively.
  • the yaw rate or yaw rate of a vehicle can be determined with the sensor arrangement shown in FIG. 1, including the electronics of a yaw rate sensor, which works on the principle of a vibration gyrometer.
  • the Coriolis effect together with a rotational speed coupled in perpendicular to the drive vibration, brings about a Coriolis acceleration, which results in deflection of the drive vibration in the Coriolis direction. This deflection is ultimately a measure of the coupled yaw rate and should be measured.
  • the evaluation circuit of a device according to the invention is shown in FIG. With this arrangement, the sensor and the associated electronics are coupled to one another.
  • the arrangement shown comprises essentially four blocks.
  • the first block 16 is the so-called BITE block, the oscillator loop is designated 17, the damping loop is 18 and the output stage bears the reference number 19.
  • the blocks 16 to 19 contained in FIG. 2 are in turn divided into further blocks.
  • the interactions between the individual blocks are indicated by corresponding connecting lines, if necessary by indicating the direction of action by corresponding arrows.
  • the BITE block 16 includes a variable gain amplifier 20 in which the BITE function is generated. This function is symbolized by the expression k BITE / v s . It is forwarded to point 22 via BITE switch 21 as BITE disturbance variable U BITE when a test BITE test is triggered.
  • Block 23 designates the mechanical coupling (of the cylinder and the measuring elements, for example the piezo elements).
  • the transfer function of the sensor element is designated k Z / D.
  • Block 24 represents an electronic damping loop with phase control from the AFC and constant gain.
  • the associated transfer function of the electronic damping loop is denoted by k e / D.
  • the electrical zero point adjustment takes place in point 22.
  • the voltage at point 22 is designated U S / D.
  • Block 25 denotes the mechanical coupling between the cylinder and the piezo elements.
  • the transfer function of the sensor element is k Z ⁇ 0 .
  • the voltage is denoted by U s , 0 . This is the voltage of the oscillator loop, i.e. the voltage of the excitation of the system.
  • Block 26 denotes the electronic excitation loop with phase controller (AFC) and amplitude controller (AGC).
  • AFC phase controller
  • AGC amplitude controller
  • the associated transfer function of the oscillator loop is designated k e , 0 .
  • the drive voltage or force or drive voltage is located at the connection point between blocks 25 and 26 U F # 0 which is supplied to block 27 for phase rectification and constant amplification of output stage 19.
  • Block 27 also receives the voltage U FD from the damping loop 18.
  • the transfer function of block 27 is designated k BM * k 0 .
  • a point 28 is entered at the output of block 27, at which the offset adjustment takes place.
  • the yaw rate output voltage U rate which is a measure of the yaw rate actually present, can be tapped off at the output of the amplifier 29.
  • the voltage supplied to the block 23 for exciting the piezo elements is divided down by means of a potentiometer 31. Since blocks 23 and 24 form a control loop, block 24 must therefore output a greater output voltage U S, D than it would have to do with a signal which is not divided down. The higher transfer function k Z # D of block 23 can therefore be compensated for by the potentiometer 31.
  • the yaw rate sensor can be evaluated and, at the same time, the proper functioning of the sensor and the evaluation circuit itself can be checked.
  • Compensation loop used, for example a servo loop, then the resulting manipulated variable is a measure of the rotation rate to be measured. If this compensation loop is detuned with an offset signal that is coupled in with the correct phase, the output of the sensor will indicate the superposition of the yaw rate and offset. This offset is generated in the BITE block.
  • the offset can be activated, for example, by actuating the BITE switch 21, since the sensor can be tested if the detuning is known. Since the test function by the loop arrangement both the
  • Both the evaluation electronics and the sensor element can be tested for malfunction.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Drehrate weist einen schwingungsfähigen Körper (11) auf, auf welchem mehrere elektromechanische Wandler (A, A', B, B', C, C', D, D') angebracht sind. Wenigstens ein erster Wandler (A, A') wird mittels eines in einer ersten Schaltungsanordnung (12) erzeugten elektrischen Treiber-Signals (UF,O) in mechanische Schwingungen versetzt. Des weiteren wird wenigstens ein zweiter Wandler (D, D') mittels eines in einer zweiten Schaltungsanordnung (13) erzeugten elektrischen Dämpfungs-Signals (UF,D) in mechanische Schwingungen versetzt. Wenigstens ein dritter Wandler (C, C') gibt ein elektrisches Sensor-Dämpfungssignal (US,D) ab, welches der Schwingung des Körpers (11) an der Stelle entspricht, an der der wenigstens dritte Wandler (D, D') angebracht ist. Das Dämpfungs-Sensorsignal (US,D) wird auf den Eingang der zweiten Schaltungsanordnung (13) zurückgeführt. Ein Spannungsteiler (31) ist vorgesehen, mittels dem das in der zweiten Schaltungsanordnung (13) erzeugte Signal (UF,D) verringerbar ist.

Description

Vorrichtung zur Ermittlung einer Drehrate
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Drehrate nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einem schwingungsfähigen Körper, auf welchem mehrere elektromechanische Wandler angebracht sind, von denen wenigstens ein erster Wandler mittels eines in einer ersten Schaltungsanordnung erzeugten elektrischen Treiber-Signals und wenigstens ein zweiter Wandler mittels eines in einer zweiten Schaltungsanordnung erzeugten elektrischen Dampfungs-Signals in mechanische Schwingungen versetzt wird sowie wenigstens ein dritter Wandler ein elektrisches Sensor-Dämpfungs-Signal abgibt, welches der Schwingung des Körpers an der Stelle entspricht, an der der wenigstens dritte Wandler angebracht ist, wobei das Sensor-Dämpfungs- Signal auf den Eingang der zweiten Schaltungsanordnung zurückgeführt wird.
Eine derartige Vorrichtung, welche regelmäßig nach dem Prinzip eines Vibrationsgyrometers arbeitet, ist beispielsweise aus der DE-44 47 005 AI bekannt. Die in der Vorrichtung vorhandenen elektromechanischen Wandler, welche regelmäßig piezoelektrische Elemente sind, werten den Effekt der Coriolisbeschleunigung aus, die als Maß für eine Drehrate dient, mit welcher der schwingungsfähige Körper sich dreht .' Die bekannte Vorrichtung ist daher sehr gut im Zusammenhang mit Systemen zur Fahrdynamikregelung bei Kraftfahrzeugen zu verwenden, da die erfaßte
Coriolisbeschleunigung als Maß für die aktuelle Giergeschwindigkeit des Fahrzeuges verwendet werden kann.
Bei der bekannten Vorrichtung ist der schwingungsfähige Körper als dünnwandiger Hohlzylinder aus einem elastischen Material ausgebildet. Auf der Zylinderwand sind acht Piezoelemente im gleichmäßigen Abstand von 45 Grad zueinander angeordnet. Die beispielsweise in den Positionen 0 Grad, 90 Grad, 180 Grad und 270 Grad angeordneten Piezoelemente arbeiten mit einer Oszillatorstufe zusammen. Die in den Positionen 45 Grad, 135 Grad, 225 Grad und 315 Grad angeordneten Piezoelemente arbeiten mit einer Dampfungsstufe zusammen. Die in den Positionen 0 und 180 Grad angeordneten Piezoelemente werden von einer Oszillator- Treiber-Stufe in mechanische Schwingungen versetzt. Die in den Positionen 90 und 270 Grad angeordneten Piezoelemente geben ein Signal ab, welches der Schwingung des Hohlzylinders an der Stelle entspricht, an der die Piezoelemente angebracht sind. Das von den in den Positionen 90 Grad und 270 Grad angeordneten Piezoelementen abgegebene Signal wird auf den Eingang der Schaltungsanordnung zur Erzeugung des elektrischen Oszillator-Treiber-Signals in der Weise zurückgekoppelt, daß sich ein Oszillator ergibt, welcher auf seiner Resonanzfrequenz schwingt .
Durch die in den Positionen 0 und 180 Grad angeordneten Piezoelemente, welche von der Oszillator-Treiber-Stufe in mechanische Schwingungen versetzt werden, wird der Hohlzylinder in Schwingungen versetzt. Der Hohlzylinder schwingt derart, daß sich im eingeschwungenen Zustand an den Positionen 45 Grad, 135 Grad, 225 Grad und 315 Grad Knoten ausbilden. Wirkt auf den Hohlzylinder von außen eine Drehrate ein, wird der eingeschwungene Zustand des Hohlzylinders aufgrund der Coriolisbeschleunigung gestört. Es erfolgt eine Verstimmung des Systems derart, daß sich die Position der Knoten verschiebt. Hierdurch übt der Hohlzylinder an den bisherigen Stellen der Knoten Schwingungen aus .
Die in den Positionen 45 Grad und 225 Grad angeordneten Piezoelemente sind mittels einer Dämpfungs-Treiber-Stufe in mechanische Schwingungen versetzbar. Die in den Positionen 135 Grad und 315 Grad angeordneten Piezoelemente geben ein Signal ab, welches der Schwingung des Hohlzylinders an der Stelle entspricht, an der sie angebracht sind. Das von den in den Positionen 135 Grad und 315 Grad angeordneten Piezoelementen abgegebene Signal wird in der Weise auf den Eingang der zur Erregung der in den Positionen 45 Grad und 225 Grad angeordneten Piezoelementen vorgesehenen
Schaltungsanordnung zurückgekoppelt, daß die Schwingungen an den Positionen 135 Grad und 315 Grad etwa zu null kompensiert werden.
Die auf den Eingang der Schaltungsanordnung zur Erregung der in den Positionen 45 Grad und 225 Grad angeordneten Piezoelementen rückgekoppelte Spannung stellt ein Maß für die durch das Einwirken einer Drehrate auf den schwingenden Hohlzylinder erfolgte Verstimmung des Hohlzylinders dar. Dieses Signal kann somit als Maß für die Drehrate verwendet werden.
Zur Anpassung an eine Schaltungsanordnung, welche das Signal weiterverarbeitet, ist bei der bekannten Vorrichtung ein Verstärker mit einstellbarer Verstärkung vorgesehen. Wenngleich durch den Verstärker das Ausgangssignal der bekannten Vorrichtung auch einstellbar ist, so hat die bekannte Vorrichtung doch den Nachteil, daß keine Möglichkeit zum Abgleich der Schaltung im Hinblick
Toleranzen der Bauelemente vorgesehen ist . Dies wirkt sich besonders dann nachteilig aus, wenn, wie in der bekannten Schaltungsanordnung vorgesehen, eine Möglichkeit zur AufSchaltung eines Störsignals vorgesehen ist, mittels welchem als sogenannter Eigentest die einwandfreie Funktion der Schaltungsanordnung überprüft wird.
Zur Durchführung des Eigentests wird das von den in den Positionen 90 Grad und 270 Grad angeordneten Piezoelementen abgegebene und auf den Eingang der Oszillator-Treiber-Stufe zurückgekoppelte Signal auf einen Verstärker geführt und über einen Schalter auf den Eingang der zur Erregung der in den Positionen 45 Grad und 225 Grad angeordneten Piezoelementen vorgesehene Dämpfungs-Treiber-Stufe geführt. Hierdurch erfolgt eine Verstimmung des Systems in der Weise, wie sie beim Einwirken einer Drehrate erfolgt. Da die Größe des Eigentestsignals bestimmt ist, muß bei korrekt arbeitender Vorrichtung das Ausgangssignal aufgrund der Verstimmung eine bestimmte Größe erreichen. Ist dies nicht der Fall, deutet dies darauf hin, daß die Vorrichtung nicht korrekt arbeitet .
Da das aufgrund des Störsignals erzeugte Ausgangssignal einer vorbestimmten Drehrate entsprechen soll und unabhängig von der durch den Ausgangsverstärker vorgenommenen Anpassung sein soll, ist der Verstärker zur Erzeugung des Eigentestsignals ebenfalls in seiner Verstärkung einstellbar. Die Unabhängigkeit des Ausgangssignals von der durch den Ausgangsverstärker erfolgten Anpassung wird dadurch erreicht, daß die Eingänge der Verstärker zur Einstellung der Verstärkung miteinander gekoppelt sind und gegenläufig" arbeiten.
Durch die Anpassung des Eigentestsignals durch den in der Verstärkung einstellbaren Verstärker lassen sich jedoch Bauteile-Toleranzen nicht ausgleichen. Insbesondere lassen sich durch die Einstellung des Eigentestsignals Unterschiede zwischen den Übertragungsverhalten der Piezoelemente der Dämpfungsstufe und den Piezoelementen der Oszillatorstufe nicht ausgleichen.
Eine einwandfreie Funktion der bekannten Schaltungsanordnung im Hinblick auf den Eigentest ist jedoch nur dann gewährleistet ist, wenn die Übertragungsverhalten gleich sind, so daß sie sich gegeneinander aufheben. Da dies in der Praxis nicht gegeben ist, erhält man einen nicht korrekten Eigentest-Wert. Um dies zu beheben muß ein entsprechend großer schaltungstechnischer Aufwand betrieben werden. Eine Anpassung der Übertragungsverhalten auf einer integrierten Schaltung, als welche die bekannte Schaltungsanordnung regelmäßig ausgebildet ist, ist von den Prozeßparametern bei der Halbleiterherstellung überlagert und daher nur schwer in der gewünschten Genauigkeit durchführbar. Es erfolgt daher bei der bekannten Schaltungsanordnung eine systematische Korrektur durch zwei unterschiedlich dimensionierte kapazitive Spannungsteiler auf der der Schaltungsanordnung folgenden Hybridschaltung. Dies ist jedoch nachteilig, da diese Maßnahme einen Temperaturgang hat, welcher aus dem Übertragungsverhalten und dem kapazitiven Spannungsteiler besteht . Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine eingangs genannte Vorrichtung derart auszubilden, daß sie auf einfache Weise abgleichbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .
Gemäß der Erfindung ist ein Spannungsteiler vorgesehen, mittels dem das in der zweiten Schaltungsanordnung erzeugte Signal verringerbar ist. Es hat sich gezeigt, daß das Übertragungsverhalten der Piezoelemente der Dämpfungsstufe stets größer ist als das der Piezoelemente der Oszillatorstufe. Das aus der Oszillatorstufe ausgekoppelte Signal zur Erzeugung des Eigentestsignals muß somit von einem typisch kleineren Ausgangssignal der Dämpfungs- Treiber-Stufe kompensiert werden. Das aufgrund des Eigentestsignals erhaltene Ausgangssignal der Schaltungsanordnung weicht vom wahren Wert daher stets nach unten ab.
Wird nun das auf die in den Positionen 45 Grad und 225 Grad angeordneten Piezoelementen der Dämpfungsstufe gegebene Signal verringert, muß die zur Erzeugung des zur Erregung der in den Positionen 45 Grad und 225 Grad angeordneten Piezoelementen erforderlichen Signals vorgesehene Schaltungsanordnung eine größere Ausgangsspannung liefern, als sie dies bei nicht verringertem Signal tun müßte. Hierdurch wird das Ausgangssignal der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung angehoben, so daß sein Wert dem eingekoppelten Eigentestsignal entspricht . Es ist somit möglich, durch Verändern des zur Erregung der Dämpfungsstufe vorgesehenen Signals das Ausgangssignal der Vorrichtung zur Ermittlung einer Drehrate an das Eigentestsignal anzupassen. Besonders günstig ist es, daß die Anpassung mittels eines ohmschen Spannungsteilers erfolgen kann. Dies wirkt sich sehr günstig auf den Temperaturgang der Vorrichtung aus. Des weiteren ist es sehr vorteilhaft, daß der Spannungsteiler im niederohmigen Treiberkreis und nicht im hochohmigen Sensierkreis liegt. Da die Anpassung über die gesamte Schaltungsanordnung erfolgt, können hierdurch sämtliche sich auf das Eigentestsignal auswirkenden Toleranzen ausgeglichen werden. In besonders vorteilhafter Weise erfolgt die Spannungsteilung mittels eines Potentiometers.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind Schaltungselemente vorgesehen, mittels derer ein Störsignal auf den Eingang der zweiten Schaltungsanordnung geführt wird. Durch das Störsignal läßt sich in vorteilhafter Weise ein Eigentest der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführen. Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Schaltung ist, daß das aufgrund des Störsignals erzeugte Ausgangssignal mittels des Spannungsteilers auf einfache Weise abgleichbar ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wenigstens ein vierter elektromechanischer Wandler vorgesehen, welcher ein Sensor-Treiber-Signal abgibt, welches der Schwingung des Körpers an der Stelle entspricht, an der der wenigstens vierte Wandler angebracht ist, wobei das Sensor-Treiber-Signal auf den Eingang der ersten Schaltungsanordnung zurückgeführt wird und das Störsignal einem Teil oder Vielzahl des auf den Eingang der ersten Schaltungsanordnung zurückgeführten Sensor-Treiber- Signals entspricht. Da das Störsignal aus dem Oszillatorkreis gewonnen wird, stimmt es in seiner Frequenz jederzeit exakt mit der Frequenz überein, auf der der schwingungsfähige Körper schwingt. Es läßt sich daher in einfacher Weise optimal an den Eingang der zweiten Schaltungsanordnung anpassen.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt :
Figur 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Figur 2 die in Figur 1 dargestellte Anordnung in aufgegliederter Blockdarstellung .
In Figur 1 ist der Sensor mit 10 bezeichnet. Der
Hohlzylinder 11 des Sensors 10 trägt die einzelnen Meßelemente A, A' , B, B' , C, C' und D, D' . Gestrichelt sind die Verformungen eingezeichnet, die der Hohlzylinder 11 aufgrund von Schwingungen einnehmen kann.
Die Piezoelemente A, B, C, D sind mit den Blöcken 12, 13, 14 der Elektronik verbunden, dabei bezeichnet 12 die Oszillatorschleife (Drivekreis) , die das zugehörige Piezoelement in eine konstante mechanische Antriebsschwingung versetzt. Mit 13 ist eine
Dämpfungsschaltung bezeichnet und 14 stellt den Detektorschaltkreis dar, an dessen Ausgang das Meßsignal UM entsteht, das im Filter 15 noch in geeigneter Weise gefiltert wird, so daß das eigentliche Ausgangssignal Uout erhalten wird. Das aus der Dämpfungsschaltung 13 ausgegebene Signal wird mittels eines Potentiometers 31 heruntergeteilt. Die Piezoelemente A' , B' , C , D' sind intern jeweils mit den Elementen A, B, C, D verbunden.
Mit der in Figur 1 dargestellten Sensoranordnung samt Elektronik eines Drehratensensors, der nach dem Prinzip eines Vibrationsgyrometers arbeitet, kann die Giergeschwindigkeit beziehungsweise die Gierrate eines Fahrzeuges ermittelt werden. Dabei bewirkt der Corioliseffekt zusammen mit einer senkrecht zur Antriebsschwingung eingekoppelten Drehgeschwindigkeit eine Coriolisbeschleunigung, die eine Auslenkung der Antriebsschwingung in Coriolisrichtung zur Folge hat. Diese Auslenkung ist letztendlich ein Maß für die eingekoppelte Drehrate und soll gemessen werden.
In Figur 2 ist die Auswerteschaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Bei dieser Anordnung sind der Sensor sowie die zugehörige Elektronik miteinander verkoppelt . Im wesentlichen umfaßt die dargestellte Anordnung vier Blöcke. Der erste Block 16 ist der sogenannte BITE-Block, die Oszillatorschleife ist mit 17 bezeichnet, die Dämpfungsschleife mit 18 und die Ausgangsstufe trägt das Bezugszeichen 19.
Die in der Figur 2 enthaltenen Blöcke 16 bis 19 sind ihrerseits in weitere Blöcke unterteilt. Die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Blöcken sind durch entsprechende Verbindungslinien, gegebenenfalls unter Angabe der Wirkungsrichtung durch entsprechende Pfeile gekennzeichnet. Im einzelnen umfaßt der BITE-Block 16 einen Verstärker 20 mit variabler Verstärkung, in dem die BITE- Funktion generiert wird. Diese Funktion wird symbolisiert durch den Ausdruck kBITE/vs. Sie wird über den BITE-Schalter 21 als BITE-Störgröße UBITE bei Auslösen eines Tests BITE- Test an den Punkt 22 weitergegeben.
Dieser Punkt 22 steht mit den Blöcken 23, 24 der
Dampfungsschleife 18 in Verbindung. Der Block 23 bezeichnet die mechanische Kopplung (des Zylinders und der Meßelemente, also beispielsweise der Piezoelemente) . Die Übertragungsfunktion des Sensorelements ist mit k Z/D bezeichnet.
Der Block 24 stellt eine elektronische Dämpfungsschleife mit Phasensteuerung aus der AFC und konstanter Verstärkung dar. Die zugehörige Übertragungsfunktion der elektronischen Dämpfungsschleife ist mit k e/D bezeichnet. Im Punkt 22 findet im übrigen die elektrische Nullpunkteinstellung statt . Die am Punkt 22 anstehende Spannung ist mit US/D bezeichnet .
Von der Oszillatorschleife 17 sind zwei Blöcke 25, 26 dargestellt, die miteinander wechselwirken. Der Block 25 bezeichnet wiederum die mechanische Kopplung zwischen Zylinder und Piezoelementen. Die Übertragungsfunktion des Sensorelements ist kZι0 . Die Spannung ist mit Us,0 bezeichnet. Es ist dies die Spannung der Oszillatorschleife, also die Spannung der Anregung des Systems .
Block 26 bezeichnet die elektronische Anregungsschleife mit Phasenregler (AFC) und Amplitudenregler (AGC) . Die zugehörige Übertragungsfunktion der Oszillatorschleife ist mit ke,0 bezeichnet.
Am Verbindungspunkt zwischen den Blöcken 25 und 26 liegt die Antriebsspannung beziehungsweise Force- oder Drivespannung UF#0 die dem Block 27 zur Phasengleichrichtung und konstanten Verstärkung der Ausgangsstufe 19 zugeführt wird. Block 27 erhält weiterhin die Spannung UF D aus der Dampfungsschleife 18. Die Übertragungsfunktion des Blocks 27 ist mit kBM * k0 bezeichnet. Am Ausgang des Blocks 27 ist ein Punkt 28 eingetragen, an dem der Offsetabgleich stattfindet. An den Punkt 28 schließt sich ein Verstärker 29 mit variabler Verstärkung an, die Verstärkung ist mit vs bezeichnet. Am Ausgang des Verstärkers 29 ist die Drehratenausgangsspannung Urate abgreifbar, die ein Maß für die tatsächlich vorhandene Drehrate ist.
Die mechanische Nullpunkteinstellung erfolgt an Punkt 30. Zu dieser Nullpunkteinstellung wird eine Spannung Ucor als elektrisches Äquivalent des Corioliseffektes eingespeist.
Mittels eines Potentiometers 31 wird die dem Block 23 zur Erregung der Piezoelemente zugeführte Spannung heruntergeteilt. Da die Blöcke 23 und 24 einen Regelkreis bilden muß daher der Block 24 eine größere AusgangsSpannung US,D abgeben, als er es bei einem nicht -heruntergeteilten Signal machen müßte. Durch das Potentiometer 31 kann daher die höhere Übertragungsfunktion k Z#D des Blockes 23 kompensiert werden.
Mit der in Figur 2 als Blockschaltbild angegebenen Anordnung läßt sich der Drehratensensor auswerten und gleichzeitig eine Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktionsfähigkeit des Sensors und der Auswerteschaltung selbst realisieren.
Wird durch die amplitudengeregelte Oszillatorschleife ein geeignetes Sensorelement in eine konstante mechanische Antriebsschwingung versetzt, dann bewirkt der Corioliseffekt zusammen mit einer senkrecht zur Antriebsschwingung eingekoppelten Drehschwingung eine Coriolisbeschleunigung, die eine Auslenkung der Antriebsschwingung in Coriolisrichtung zur Folge hat. Es wird durch diese Effekte der Hohlzylinder, auf dem die als Meßelemente dienenden Piezoelemente angeordnet sind, zusätzlich in Schwingungen versetzt. Der Hohlzylinder schwankt daher zwischen den in Figur 1 gestrichelt eingezeichneten Grenzen.
Wird zur Auswertung der Auslenkung, die wie bereits erwähnt ein Maß für die eingekoppelte Drehrate ist, eine
Kompensationsschleife verwendet., beispielsweise eine Servo- Loop, dann ist die resultierende Stellgröße ein Maß für die zu messende Drehrate. Wird diese Kompensationsschleife mit einem phasenrichtig eingekoppelten Offsetsignal verstimmt, wird der Ausgang des Sensors die Überlagerung von Drehrate und Offset anzeigen. Erzeugt wird dieser Offset im BITE- Block. Die AufSchaltung des Offsets kann beispielsweise über die Betätigung des BITE-Schalters 21 erfolgen, es wird denn der Sensor bei bekannter Verstimmung testbar. Da die Testfunktion durch die Schleifenanordnung sowohl die
Auswerteelektronik als auch das Sensorelement betrifft, können beide auf Fehlfunktion getestet werden.
Die Ableitung der am Ausgang des Sensors entstehende Spannung Urate bei aktivierter BITE-Funktion entspricht der in der DE-44 47 005 AI beschriebenen Ableitung. Auf die DE- 44 47 005 AI wird daher ausdrücklich Bezug genommen; sie wird im gesamten Umfang in die vorliegende Erfindung einbezogen.
Die in der DE 44 47 005 AI gemachte Annahme, daß die Übertragungsfunktion kz,D genauso groß ist wie die Übertragungsfunktion kZ 0 des Blocks 25, wird in der vorliegenden Erfindung dadurch realisiert, daß die dem Block 23 zugeführte Spannung mittels des Potentiometers 31 verringert wird. Durch das Potentiometer 31 wird somit die Voraussetzung der in der DE 44 47 005 AI vorgenommenen Ableitung geschaffen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Vorrichtung zur Ermittlung einer Drehrate, mit einem schwingungsfähigen Körper (11), auf welchem mehrere elektromechanische Wandler (A, A' , B, B' , C, C , D, D' ) angebracht sind, von denen wenigstens ein erster Wandler (A, A' ) mittels eines in einer ersten Schaltungsanordnung (12, 26) erzeugten elektrischen Treiber-Signals (UF;0) und wenigstens ein zweiter Wandler (D, D' ) mittels eines in einer zweiten Schaltungsanordnung (13, 24) erzeugten elektrischen Dampfungs-Signals (UF D) in mechanische
Schwingungen versetzt wird sowie wenigstens ein dritter Wandler (C, C ) ein elektrisches Sensor-Dämpfungs-Signal (US,D) abgibt, welches der Schwingung des Körpers (11) an der Stelle entspricht, an der der wenigstens dritte Wandler (D, D' ) angebracht ist, wobei das Dämpfungs-Sensor-Signal (US/D) auf den Eingang der zweiten Schaltungsanordnung (13, 24) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsteiler (31) vorgesehen ist, mittels dem das in der zweiten Schaltungsanordnung (13, 24) erzeugte Signal (UF(D) verringerbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (31) ein Potentiometer ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltungselemente (16) vorgesehen sind, mittels derer ein Störsignal (UBITE) auf den Eingang der zweiten Schaltungsanordnung (13, 24) geführt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein vierter elektromechanischer Wandler (B,
B' ) vorgesehen ist, welcher ein Sensor-Treiber-Signal (Us,0) abgibt, welches der Schwingung des Körpers (11) an der
Stelle entspricht, an der der wenigstens vierte Wandler (B, B' ) angebracht ist, wobei das Sensor-Treiber-Signal (US/0) auf den Eingang der ersten Schaltungsanordnung (12, 26) zurückgeführt wird und das Störsignal (UBITE) einem Teil oder Vielfachen des auf den Eingang der ersten
Schaltungsanordnung (12, 26) zurückgeführten Sensor-Treiber- Signals (Us,0) entspricht.
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