CN101589292A - 利用振动传感器测量旋转速率的装置 - Google Patents

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Abstract

一种利用振动传感器测量旋转速率的装置，借助多个电容性驱动元件激发和测量该传感器的振动，并借助科里奥利力通过在另一轴线上的旋转激发该传感器在一条轴线上的旋转，且借助电容性测量元件来测量该旋转，其中可将激励电压输送至驱动元件的固定电极，该电压的频率与振动传感器的谐振频率或谐振频率的分谐波相对应，将具有高于激励频率的第一测量频率的交流电压输送至用于测量被激发的振动的电容性元件和将具有不同于第一测量频率且高于激励频率的第二测量频率的交流电压输送至测量元件的固定电极，和/或将激励电压输送至在一个方向上基于该激励电压引起振动激励的驱动元件，该激励电压与可输送至其它驱动元件在其它方向引起激励的激励电压逆相。

Description

利用振动传感器测量旋转速率的装置
技术领域
本发明涉及一种利用振动传感器测量旋转速率的装置，借助于电容性驱动元件来激发和测量振动传感器的垂直于第一轴线的振动，以及借助于多个电容性测量元件来测量振动传感器的在第二轴线上的旋转，该旋转由在科里奥利力作用在第三轴线上的旋转而激发，其中这些电容性元件分别由多个固定电极和可与振动传感器一起移动的电极构成，以及可移动的电极一起与固定接头连接。
背景技术
例如旋转速率传感器应用在用于机动车的安全***中。例如US 5 955 668公开了设计为陀螺仪的振动传感器。其中借助于静电式的驱动器来激发旋转振动。同样以静电的方式，也就是说通过电容测量借助于所输送的交流电压来获得输出信号以及用于调节驱动器的信号。在此，用于驱动器的所输送的交流电压的振幅明显大于通过改变电容所获得的信号的振幅，因此特别是用于确定旋转速率而需要继续处理的输出信号受到了巨大的干扰。这样损害了测量的精度。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种用于测量旋转速率的装置，该装置的精度满足很高的要求并且该装置具有很大的动态范围(Dynamikbereich)，也就是说，仍然应该以足够的精度来测量最小的旋转速率，同时在很大的旋转速率的情况下不会出现过度驱动
Figure A20078003647800061
在根据本发明的装置中该目的由此实现，即可将激励电压输送至电容性驱动元件的固定电极，激励电压的频率与振动传感器的谐振频率或振动传感器的谐振频率的分谐波相对应(entspricht)；可将具有高于激励电压的频率的第一测量频率的交流电压输送至用于测量被激发的振动的电容性元件；以及将具有不同于第一测量频率且高于激励电压的频率的第二测量频率的交流电压输送至电容性测量元件的固定电极。
根据本发明的装置可以这样来设计：设置有多个其它电容性测量元件用于测量被激发了的振动；或者是电容性驱动元件用于测量被激发了的振动。
在根据本发明的装置中，能够有利地且无干扰地获得描述旋转速率的输出信号的一种方案是通过设备或者说技术措施(Mittel)实现，该设备在使用具有第二测量频率的交流电压的情况下对由固定接头分接的信号进行解调以用于形成描述旋转速率的信号，并随后利用激励电压进行同步解调。
本发明的另一个设计方案中设置了设备或者说技术措施(Mittel)，该设备进一步利用第一测量频率对由固定接头分接的信号进行解调并将被解调的信号应用于调节激励电压。
通过本发明能够利用巨大的交流电压来运行该装置以用于驱动，以及还允许了，用于调节驱动而从第二电容性元件中抽取出的信号和用于形成旋转速率信号而从第三电容性元件中抽取出的信号非常微小。然而由于很少的干扰分量，通过驱动电流可良好地评估这些信号，特别是在应用现有技术中可供使用的技术，例如低噪声的放大器的情况下。此外特别设计了：在固定接头上连接有电荷放大器，该电荷放大器的输出端与带通滤波器连接。由此很少的剩余驱动电流还进一步被衰减。
为了使固定接头上出现的驱动电流从开始就保持为很少，在另一个改进方案中设置有至少四组电容性驱动元件，在该四组电容性驱动元件中利用逆相的交流电压分量和相同的偏压分别加载两组电容性驱动元件。
例如这可以如下面所述地进行：
U1＝U10+U11sinωt
U2＝U10-U11sinωt
U3＝-U1
U4＝-U2
由此，在固定接头处的充电电流得到了补偿，同时所产生的驱动转矩得到了增强，这是因为驱动转矩与U2成比例。在不采用前述权利要求的措施的情况下，这种措施也可成功地应用，并且显著地减少了由激励电压所引起的干扰。
技术人员可以在仔细考虑每次面对的具体情况后来做出对这些频率的选择或者说对这些频率彼此之间的比例的选择。然而如果第一测量频率和第二测量频率处于激励电压的频率的10倍直至500倍的范围内，这已经被证明是有利的。
本发明适用于不同类型的振动传感器，然而优选地是将振动传感器设置为振动陀螺仪(Vibrationskreisel)。然而根据本发明，例如也可以设计成线性振动的振动传感器。
附图说明
本发明允许有大量的实施例。在图中根据多个附图示意性地示出其中一个实施例并在下面加以描述。图中示出：
图1示意性地示出振动陀螺仪(Vibrationskreisel)的俯视图，该振动陀螺仪具有用于驱动和用于调节驱动所必需的元件和所输送的交流电压；
图2示意性地示出振动陀螺仪的侧视图，该振动陀螺仪具有用于去除信号所必需的组件；
图3示出施加于振动陀螺仪的固定接头上的信号的频谱；
图4是根据本发明的装置的框图；以及
图5是在根据图4的装置中出现的不同信号的电压时间图。
具体实施方式
在图1中所示出的振动陀螺仪由圆盘1构成，该圆盘可翻转地(kippbar)，然而不可旋转地支撑在2处。圆环3通过有弹性簧片4与圆盘1这样地连接，即使该圆环可以相对于圆盘1处于旋转振动状态。
在圆环3的周边设有多个支撑臂5至10，这些支撑臂支撑了电容性元件11至16。在根据图1的示意性的图示中，相对于一个已实施的实施例来说延长地示出支撑臂5至10。电容性元件11至16分别由设置在支撑臂处并因此与圆环3一起移动的电极17和固定电极18，18′构成。
固定电极18，18′绝缘地安装在未示出的基板上，该基板也整体地支撑部件1至17。用于对该基板结构化的方法在现有技术中是已知的并且联系本发明不需要详细说明。
将同样频率的、然而是不同相位的交流电压输送至电容性元件11至14的电极18，18′用于激发旋转振动，在下文中将该交流电压称为激励电压。此外如在小图中所示，将直流电压分别叠加于激励电压，从而使电极18和电极18′具有同样的直流电压分量和逆相(gegenphasige)的交流电压分量。这样做是为了产生周期性的合成转矩，这是因为例如在电极18上所产生的转矩与在那里所施加的电压的平方成比例并因此始终是正的。只有由电极18和18′所产生的两个转矩的总和才包含所期望的交流分量。
为了产生足够大的驱动力，电极17与电极18，18′成梳形嵌套(kammartig verschachtelt)，其中为了清楚仅分别示出两个单独的电极，然而在实际应用中数量明显更多。
频率控制振荡器(VCO：)19具有两个逆相的输出端20，21，该振荡器用于产生逆相的激励电压，该激励电压具有相应的偏压并被输送至电容性元件11至13。接头2用作未示出的、由激励电压所产生的电流的回流(Rückführung)，在后文中还会联系旋转速率信号的获得来对该接头加以说明。电容性测量元件15，16用于调节旋转振动，其中利用交流电压来加载这些测量元件，该交流电压在振荡器22中产生并具有第一测量频率f1。同样地，如在后文中所说明的，该交流电压的输送是用于测量电容性元件15，16的电容量并因此用于获得描述旋转振动的信号。
图2在侧视图中示出圆盘1和该圆盘的具有共同的接头23的支承部2。由双箭头示出的移动是由科里奥利力引起，并描述了需要测量的旋转速率。翻转移动由电容测量来确定，为此利用逆相的交流电压来加载两个电极24，25，该交流电压由振荡器26产生并具有第二测量频率f2。固定接头23与放大器27的输入端连接，该放大器通过电阻28和电容器29负回授(gegengekoppelt)并且为电荷放大器的形式。
在接头23处的信号具有在图3中示出的频谱，也就是说具有下列分量：具有激励频率(在所示出的例子中用fres表示谐振频率)；具有双倍的激励频率，其由于电容振荡和激励电压的混合而产生并表现为很大的值；具有第一测量频率f1和第二测量频率f2。测量频率具有边带，该边带包含测量信息。具有频率fres和2×ffes的分量会引起显著的过度驱动
Figure A20078003647800101
和干扰，并由在四个驱动组中的符号变换控制来尽可能地压制。
在根据图4的框图中，电容性元件11至14和15，16与图1相比独立于其机械构造地示出，从而使电极18或者说18′分别与电极17一起显示为电容器对，其中为了清晰，在四个电容器对11至14中仅示出其中两个以及在两个电容器对15，16中仅示出其中一个。已联系图2和3对在输出端23上的电荷放大器27以及随后的带通滤波器30进行了描述。
在滤波器30的输出端A上连接有两个倍增器31，32，在这些倍增器中利用测量频率f1和f2进行同步解调。用B和C来表示解调了的信号。在33处进行低通滤波之后，在34处存在一个信号，其描述了振动陀螺仪的旋转振动。将该信号输送至另一个倍增器35，该倍增器与振荡器19和具有工作特性F(p)的调整器36一起构成了调整回路。由此对振荡器19的输出电压的频率和相位都来控制使得其产生稳定的振荡。为了控制振荡的振幅，将位于34处的信号通过加法器37与基准电压Uref相比较并通过具有工作特性G(p)的另一个调整器38输送至振荡器19的控制输入端，在该振荡器的输出端20，21上存在着具有直流电压分量的激励电压。
为了产生旋转速率信号，将倍增器32的输出信号C输送至低通滤波器39。该信号从那里到达另一个倍增器40，此外还将具有频率fres的信号输送至该倍增器，由此该倍增器作为同步解调器工作。被解调的信号D显示为旋转速率信号，将该信号通过放大器41输送至输出端42。
图5示出不同的时间图，也就是：图A，其描述了滤波器30的输出信号A；图B，其描述了同步解调器31的输出信号B；图C，其具有同步解调器32的输出信号C；以及图D，其具有同步解调器40的输出信号D，其中为了对在图B，C和D中的解调加以说明，除了包络线(Einhüllenden)、也就是解调的结果之外还显示了载波。

Claims (10)

1.一种利用振动传感器(1，2，3)测量旋转速率的装置，借助于多个电容性驱动元件(11至14)来激发和测量所述振动传感器的垂直于第一轴线的振动，以及借助于多个电容性测量元件(24，25)来测量所述振动传感器的在第二轴线上的旋转，所述在第二轴线上的旋转由在科里奥利力的作用下在第三轴线上的旋转而激发，其中所述这些电容性元件分别由多个固定电极(18，18′；24，25)和可与所述振动传感器一起移动的电极(17；1)构成，以及所述这些可移动的电极(17；1)一起与固定接头(2；23)连接，其特征在于，可将激励电压输送至所述电容性驱动元件(11至14)的所述固定电极(18，18′)，所述激励电压的频率与所述振动传感器(1，2，3)的谐振频率或与谐振频率的分谐波相对应；可将具有高于所述激励电压的频率的第一测量频率的交流电压输送至用于测量被激发了的振动的电容性元件(15，16)；以及将具有不同于所述第一测量频率且高于所述激励电压的频率的第二测量频率的交流电压输送至所述电容性测量元件的所述固定电极(24，25)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设置有多个其它电容性测量元件(15，16)用于测量被激发了的振动。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电容性驱动元件用于测量被激发了的振动。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设置有设备，所述设备在使用具有所述第二测量频率的交流电压的情况下对由所述固定接头(23)分接的信号进行解调以用于形成描述所述旋转速率的信号，并随后利用所述激励电压进行同步解调。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，设置有设备，所述设备进一步利用所述第一测量频率对由所述固定接头(23)分接的所述信号进行解调并将被解调的所述信号应用于调节所述激励电压。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在所述固定接头(23)上连接有电荷放大器(27)，所述电荷放大器的输出端与带通滤波器(30)连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置有至少四组电容性驱动元件，其中利用逆相的交流电压分量和相同的偏压分别加载两组所述电容性驱动元件。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一测量频率和所述第二测量频率处于所述激励电压的频率的10倍直至500倍的范围内。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述振动传感器是振动陀螺仪(1至18′)。
10.一种利用振动传感器(1，2，3)测量旋转速率的装置，借助于多个电容性驱动元件(11至14)来激发和测量所述振动传感器的垂直于第一轴线的振动，以及借助于多个电容性测量元件(24，25)来测量所述振动传感器的在第二轴线上的旋转，所述在第二轴线上的旋转由在科里奥利力的作用下在第三轴线上的旋转激发，其中所述电容性元件分别由多个固定电极(18，18′；24，25)和可与所述振动传感器一起移动的电极(17；1)构成，以及所述可移动的电极(17；1)一起与固定接头(2；23)连接，其特征在于，设置有至少四组电容性驱动元件，其中利用逆相的交流电压分量和相同的偏压分别加载两组所述电容性驱动元件。
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