DE69310805T2

DE69310805T2 - Abstimmen eines Vibrator-Drehmessaufnehmers

Info

Publication number: DE69310805T2
Application number: DE69310805T
Authority: DE
Inventors: James Mcinnes; Malcolm P Varnham
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1992-04-24
Filing date: 1993-04-22
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2013-04-23
Also published as: JPH0627129A; JP3269699B2; US5445007A; GB2266588B; GB2266588A; EP0567340B1; GB9208953D0; DE69310805D1; US5629472A; EP0567340A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abstimmung eines Vibrator-Drehmeßaufnehmers und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf ein Verfahren zum Abstimmen eines Vibrationsteils eines solchen Vibrator- Drehmeßaufnehmers.
Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht schematisch einen herkömmlichen Einachsen-Drehgeschwindigkeitssensor der Bauart, wie sie in den GB-A-2 061 502 und EP-A-0 153 189 beschrieben ist. Der Zylinder des Vibrator-Drehmeßaufnehmers wird in Resonanz dadurch angetrieben, daß ein oszillierendes elektronisches Signal an die Treiberwandler angelegt wird. Das Vibrationsmuster des Resonanzmodus, von oben betrachtet, ist in Fig. 2 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß Schwingungsbäuche maximaler radialer Vibration und Knoten minimaler radialer Vibration vorhanden sind. Die Primärschleife hält diese Resonanz aufrecht, indem eine 90º-Phasenverschiebung zwischen dem primären Treiberwandler und dem primären Aufnahmewandler aufrechterhalten wird.
Wenn der oben erwähnte Drehzahlsensor gedreht wird, dann dreht sich der Resonanzmodus gegenüber dem Zylinder, und es kann ein Signal vom sekundären Aufnahmewandler abgenommen werden. Dieses Signal wird verstärkt und dem sekundären Treiberwandler zurückgeführt, um das Signal auf Null zu bringen. Die Größe dieses zur Nullbildung benutzten Signals ist proportional zur Drehgeschwindigkeit. Das Signal wird demoduliert und als Gleichstrom-Drehzahlsignal ausgegeben. Dabei ist zu bemerken, daß das Vibrationsmuster eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Form haben kann. Das Vibrationsmuster muß jedoch Knoten und Schwingungsbäuche aufweisen, die zylindrisch um den Umfang des Zylinders herum auftreten. Der Zylinder muß nicht exakt unter Resonanz angetrieben werden, aber in der Praxis ist es erwünscht, daß dies geschieht. Der Resonanzkörper muß weder kreisförmig noch zylindrisch sein. Halbkugeln und Ringe können dabei benutzt werden. Es ist jedoch erwünscht, daß die oszillierenden Moden, die von den elektronischen Primär- und Sekundärkreisen erkannt werden (die als Primärresonanz und Sekundärresonanz bezeichnet werden), immer die gleiche oder fast die gleiche Resonanzfrequenz besitzen.
Die EP-A-0 171 378 beschreibt einen Winkelgeschwindigkeitssensor, bei dem der vibrierende Teil eine Stimmgabel ist, die zwei vibrierende Zinken aufweist, die in komplementärer Resonanzvibration durch zwei Spulen angetrieben werden, die um die freien Enden der Zinken herumgelegt sind.
Die GB-A-2 061 502 beschreibt einen Metallzylinder, der an einem Ende geschlossen ist und der von einem Schaft getragen wird, der in Resonanz unter Benutzung piezo-elektrischer Elemente angetrieben wird, die auf dem Metallzylinder angebracht sind, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. Piezo-elektrische Elemente werden auch benutzt, um die Bewegung aufzunehmen.
Die EP-A-0 153 189 beschreibt eine ähnliche Vorrichtung einheitlicher Konstruktion, die aus piezo-elektrischem Material hergestellt ist, wobei Treiberteile und Abnahmeteile dadurch gebildet werden, daß das Material zwischen Elektrodenbereichen polarisiert wird, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist.
Die GB-A-2 061 502 veranschaulicht, daß es wegen der Schwierigkeit der Montage eines Sekundäraufnahmewandlers exakt an einer Knotenstelle zweckmäßiger ist, zwei Sekundäraufnahmewandler vorzusehen, deren zwei Ausgänge miteinander in der Weise kombiniert werden, daß ein Null- Ausgang beim Fehlen der Drehung erzeugt wird. Die beiden Sekundärtreiberwandler müssen entgegengesetzt zu den zwei Sekundäraufnahmewandlern angeordnet werden. Die Ausgänge der Sekundäraufnahmewandler werden so eingestellt, daß eine maximale Unterdrückung der aufgebrachten radialen Vibration erhalten wird. Dann werden die Signale, die an die Sekundärtreiberwandler angelegt werden, eingestellt.
Die EP-A-0 153 189 veranschaulicht, daß die Vorrichtung gemäß der GB-A-2 061 502 vollständig aus einem einheitlichen Stück aus piezo-elektrischem Materiall hergestellt werden kann und daß die Wandlerwirkung des elektrischen Eingangs nach dem mechanischen Ausgang durchgeführt werden kann, damit diese vollständig innerhalb des Resonators selbst stattfinden kann.
Eines der Probleme, die den oben beschriebenen beiden Sensoren eigen sind, besteht darin, daß es schwierig ist, piezo-elektrische Zylinder derart spanabhebend zu bearbeiten, daß die Primärvibrationsmoden und die Sekundärvibrationsmoden identische Resonanzfrequenzen besitzen. Wenn die tatsächlichen Vibrationsmoden nicht auf die idealen Stellungen von Treiberwandler und Abnahmewandler ausgerichtet sind, führt dies dazu, daß Vorspannungssignale vorhanden sind. Demgemäß werden die Sekundärabnahmewandler im allgemeinen einen Ausgang selbst dann erkennen, wenn keine Drehgeschwindigkeit vorhanden ist. Dies ist sogar dann der Fall, wenn der Wandler genau positioniert ist. Die in der GB-A-2 061 502 beschriebene Anordnung macht es schwierig, die gewünschten Durchführungsziele zu erreichen.
Ein weiterer Nachteil der Anordnung gemäß GB-A-2 061 502 besteht darin, daß die Anordnung nicht effizient ist in bezug auf die Zahl von Bindungsdrähten und/oder Wandlerelementen. Demgemäß ist ein Bindungsdraht oder sind mehrere Bindungsdrähte im Sekundärabnahmewandler erforderlich, und ein weiterer in dem Sekundärtreiberwandler.
Einer der Nachteile der Anordnung gemäß EP-A-0 153 189 besteht darin, daß es schwierig ist, die Zylinder genau genug spanabhebend zu bearbeiten, und daß es nicht möglich ist, die Elektroden genau genug zu positionieren, um die Arbeitsweise zu erreichen, die für zahlreiche praktische Anwendungen erforderlich ist.
Aus diesem Grund besteht daher das Bedürfnis nach einem Verfahren zur Erhöhung der Arbeitsmöglichkeiten eines Vibrations-Drehgeschwindigkeitssensors.
Die vorliegende Erfindung sucht die Probleme, die den vorgenannten bekannten Sensoren eigen sind, dadurch zu überwinden, daß ein Verfahren geschaffen wird, mit dem mechanisch der Zylinder durch Abnahme von Material mechanisch abgeglichen wird, wobei dann die wirksamen Wandlerpositionen so getrimmt werden, daß die Vorspannung minimiert wird.
Die vorliegende Erfindung ist anwendbar sowohl für die in den oben erwähnten Patenten beschriebenen Vorrichtungen, zusammen mit anderen ähnlichen Drehgeschwindigkeitssensoren, die auf in Resonanz wirkenden Halbkugeln, Zylindern und Ringen basieren.
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur mechanischen Abgleichung eines halbkugelförmigen, eines zylindrischen oder eines ringartigen Vibrationsteils eines Vibrations-Drehgeschwindigkeitssensors jener Bauart, die Primär- und Sekundärtreiberwandler und Primär- und Sekundärabnahmewandler besitzt, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die folgenden Schritte:
(a) Es wird ein sinusförmiges Signal den Primärtreiberwandlern zugeführt,
(b) es wird die Frequenz des Signals eingestellt, bis ein gewünschter Vibrationsmodus erregt ist und bis die Phase der Primärabnahmewandler um 90 º gegenüber den primären Treiberwandlern liegt,
(c) es wird die Frequenz (fnp) des Primärvibrationsmodus gemessen,
(d) es werden die Schritte (a) und (b) für die Sekundärtreiberwandler wiederholt,
(e) es wird die Frequenz (fns) des Sekundärvibrationsmodus gemessen,
(f) es wird eine geringe Materialmenge von einem Teil des Vibrationsabschnitts, benachbart entweder zum Treiberwandler oder zum Abnahmewandler, abgenommen, was dem Modus entspricht, der die niedrigste Resonanzfrequenz besitzt, so daß die Frequenzdifferenz innerhalb eines gewünschten Betrages mechanisch vermindert wird, um den Vibrationsteil abzugleichen.
Dadurch, daß der Vibrationsteil abgeglichen wird, nachdem er spanabhebend bearbeitet wurde und nachdem die Wandler darauf festgelegt wurden, wird es möglich, den Vibrationsteil abzugleichen, ohne daß eine genaue spanabhebende Bearbeitung oder eine genaue Positionierung der Wandler darauf notwendig wäre.
Vorzugsweise werden gemäß dem Verfahren die Schritte (a) bis (f) iterativ wiederholt, bis die Frequenzdifferenz innerhalb eines gewünschten Bereichs liegt.
Das Verfahren kann auf einen Vibrations-Drehgeschwindigkeitssensor angewendet werden, dessen Primärtreiberwandler asymmetrisch auf einer Seite des Vibrationsbereichs hiervon aufgespalten und auf einer anderen Seite hiervon ergänzt sind.
Statt dessen können die Primärtreiberwandler symmetrisch auf einer Seite des Vibrationsbereichs hiervon aufgespalten und auf einer anderen Seite hiervon ergänzt werden.
Gemäß einer weiteren Alternative können die Primärtreiberwandler auf beiden Seiten des Vibrationsbereichs geschlossen, aber im Winkel derart versetzt sein, daß eine Schwingbewegung der wirksamen Wandlerposition auf beiden Seiten einer Mittelstellung möglich wird.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Einachs-Drehgeschwindigkeitssensors der Bauart, wie sie in der GB 2 061 502 und der GB 2 154 739 beschrieben ist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Vibrationsmusters, das im Vibrationszylinder eines Einachs-Drehgeschwindigkeitssensors erzeugt wird,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Vibrationszylinderaufbaus, welcher in einem typischen Vibrations- Drehgeschwindigkeitssensor Anwendung finden kann,
Fig. 4 eine herkömmliche Vorrichtung, ähnlich jener gemäß Fig. 1, aber in einheitlicher Bauform, hergestellt aus piezo-elektrischem Material, wobei Treiberwandler und Abnahmewandler dadurch erzeugt werden, daß das Material zwischen den Elektrodenbereichen polarisiert wird,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Vibrations- Drehgeschwindigkeitssensors, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgestimmt werden kann,
Fig. 6 bis 8 im einzelnen die Wandlerposition auf dem Zylinder gemäß Fig. 5
Nunmehr wird auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 5 Bezug genommen, wo ein Vibrations-Drehgeschwindigkeitssensor der Bauart gemäß Fig. 1 veranschaulicht ist, wie er oben beschrieben wurde. Dieser besitzt jedoch zusätzliche Merkmale, wobei Primär- und Sekundärabnahmewandler 18, 20 an Ladeverstärker 22, 24 angeschlossen sind und ein innerer Wandler 26 und der Sekundärtreiberwandler 28 geerdet sind. Wie bei der Anordnung gemäß EP-A-0 153 189 sind die Primärabnahmewandler 18 miteinander verbunden und ebenso die Sekundärabnahmewandler 20. Die Primärtreiberwandler 30, 32 sind nur auf einer Seite des zylindrischen Vibrationsbereichs 34 aufgespalten und miteinander über eine Widerstandsschaltung 36, 38 verbunden. Obgleich gemäß vorstehender Beschreibung der Vibrationsbereich 34 zylindrisch ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in Verbindung mit halbkugelförmigen oder ringartigen Vibrationsbereichen benutzt werden. Die Fig. 6 bis 8 veranschaulichen eine Zahl von anderen aufgespalteten Treiberwandlerstellungen.
Um mechanisch den Vibrationsbereich 34 des Vibrations- Drehgeschwindigkeitssensors 10 abzugleichen bzw. auszubalancieren, werden die folgenden Schritte durchgeführt:
(Schritt A) Es wird ein sinusförmiges Signal den Treiberwandlern 30, 32 angelegt;
(Schritt B) die Frequenz des Signals wird eingestellt, bis ein gewünschter Vibrationsmodus erregt wird und die Phase der Primärabnahmewandler 18 um 90 º gegenüber der Phase der Primärtreiberwandler 30, 32 versetzt ist;
(Schritt C) die Frequenz (fnp) des Primärvibrationsmodus wird gemessen;
(Schritt D) die Schritte A und B werden für die Sekundärtreiberwandler 28 wiederholt;
(Schritt E) es wird die Frequenz (fns) des Sekundärvibrationsmodus gemessen;
(Schritt F) eine geringe Materialmenge wird von einem Abschnitt des Vibrationsbereichs 34, benachbart zu einem der Treiberwandler oder zu einem der Abnahmewandler, entfernt, je nachdem, welcher dem Modus entspricht, der die niedrigste Resonanzfrequenz besitzt, so daß die Frequenzdifferenz mechanisch auf einen gewünschten Bereich vermindert wird, um den Vibrationsbereich abzugleichen.
Die Schritte A bis F werden iterativ wiederholt, bis die Frequenzdifferenz innerhalb eines bestimmten gewünschten Bereichs liegt.
In der Praxis ist es schwierig oder sehr zeitraubend, die Komponente des Sekundärabnahmesignals, das um 90 º gegenüber dem Primärabnahmesignal versetzt ist, durch eine Materialabtragung auf Null zu vermindern.
Die Fig. 6 bis 8 zeigen verschiedene Anordnungen für die Wandlerkonfiguration auf dem zylindrischen Vibrationsbereich 34. Fig. 6 veranschaulicht, daß die Primärtreiberwandler 30, 32 asymmetrisch auf einer Seite des zylindrischen Bereichs 34 aufgespalten sind, aber auf der anderen Seite geschlossen sind. Fig. 7 veranschaulicht, daß die Primärtreiberwandler 30, 32 symmetrisch auf einer Seite des Bereichs 34 aufgespalten, aber auf der anderen Seite geschlossen sind. Fig. 8 veranschaulicht die Primärtreiberwandler 30, 32, die auf beiden Seiten des Bereichs 34 geschlossen sind. Diese Wandler sind jedoch winkelmäßig derart versetzt, daß durch Veränderung der Treiber auf den Wandlern die Möglichkeit geschaffen wird, die wirksame Wandlerposition auf jeder Seite des Mittelabschnitts zu schwingen.
Unabhängig davon, welche Anordnung benutzt wird, kann die Quadraturkomponente, d. h. die 90º-Komponente der sekundären Abnahmewandler 20 gegenüber dem primären Abnahmesignal auf Null vermindert werden. Die Spaltmuster der Wandler, wie sie in den Fig. 6 bis 8 dargestellt sind, sind wirksamer im Hinblick auf Bindedrähte und Elektroden als das äquivalente Schema, welches in der EP-A-0 153 189 beschrieben ist.

Claims

1. Verfahren zum mechanischen Abgleichen eines halbkugelförmigen, eines zylindrischen oder eines ringartigen Vibrationsbereichs (34) eines Vibrations-Drehgeschwindigkeitssensors (10) jener Bauart, bei der Primärtreiberwandler (30, 32), Sekundärtreiberwandler (28) und Primär- und Sekundärabnahmewandler (18, 20) vorhanden sind, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(a) es wird ein sinusförmiges Signal den Primärtreiberwandlern (30, 32) angelegt,

(b) es wird die Frequenz des Signals eingestellt, bis ein gewünschter Vibrationsmodus erregt ist und bis die Phase der Primärabnahmewandler (18) bei 90 º gegenüber den Primärtreiberwandlern (30, 32) liegt,

(c) es wird die Primärvibrationsmodenfrequenz (fnp) gemessen,

(d) es werden die Schritte (a) und (b) für die Sekundärtreiberwandler (28) wiederholt,

(e) es wird die Frequenz des Sekundärvibrationsmodus (fns) gemessen,

(f) es wird eine geringe Materialmenge von einem Abschnitt eines Vibrationsbereichs (34), benachbart zu einer Seite des Treiberwandlers oder des Abnahmewandlers, entfernt, was dem Modus entspricht, der die niedrigste Resonanzfrequenz besitzt, so daß die Frequenzdifferenzen mechanisch auf einen gewünschten Bereich vermindert werden, um den Vibrationsbereich abzugleichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schritte (a) bis (f) iterativ wiederholt werden, bis die Frequenzdifferenz innerhalb eines gewünschten Bereichs liegt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem bei dem Vibrations-Drehgeschwindigkeitssensor (10), dessen Vibrationsbereich (34) abgeglichen ist, die Primärtreiberwandler (30, 32) asymmetrisch auf einer Seite des Vibrationsbereichs (34) aufgespalten und auf der anderen Seite hiervon geschlossen sind.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem bei dem Vibrations-Drehgeschwindigkeitssensor (10), dessen Vibrationsbereich (34) abgeglichen ist, die Primärtreiberwandler (30, 32) symmetrisch auf einer Seite des Vibrationsbereichs (34) aufgespalten und auf der anderen Seite hiervon geschlossen sind.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem bei dem Vibrations-Drehgeschwindigkeitssensor (10), dessen Vibrationsbereich (34) abgeglichen ist, die Primärtreiberwandler (30, 32) auf beiden Seiten des Vibrationsbereichs (34) geschlossen, aber im Winkel derart versetzt sind, daß ein Schwingen der wirksamen Wandlerposition auf beiden Seiten einer Mittelstellung ermöglicht wird.