TWI427272B - 以振動感測器測量轉速的設備 - Google Patents

Description

以振動感測器測量轉速的設備

本發明涉及一種以振動感測器來測量轉速的裝置，該感測器垂直於第一軸之振動是藉助於電容式驅動元件來激發且予以測量，且該感測器在第二軸中的旋轉是藉助於電容式測量元件來測得，第二軸藉由在第三軸中的旋轉而在柯里(coriolis)力的作用下受到驅動。各電容元件分別由固定的電極和以該振動感測器來移動的電極所形成，且各移動式電極共同地與一固定終端相連接。

轉速感測器例如已用於車用的安全系統中。一種形成迴轉儀之振動感測器例如由US 5955 668中已為人所知。於此，旋轉式振動之激發可藉助於靜電驅動器來達成。一輸出信號的獲得以及驅動器之調整用的信號之獲得同樣以靜電方式(即，藉由測量電容)藉助於所傳送的交流電壓來達成。於此，傳送至該驅動器之交流電壓之振幅較藉由電容變化所獲得的信號之振幅大很多，使特別是測定該轉速用的待處理之輸出信號會受到很大的干擾。這會影響該測量的準確性。

本發明之目的是提供一種測量轉速用的設備，其準確性可滿足高的需求且具有一種大的動態範圍，即，最小的轉速仍應以足夠的準確性來測得，在大的轉速時不會發生過載。

在本發明的設備中，上述目的藉由各激發電壓可傳送至各電容式驅動元件之固定電極來達成，各激發電壓的頻率等於振動感測器之共振頻率或該共振頻率之次(sub)諧波頻率。各電容元件用來測量該已激發的振動，一種具有第一測量頻率之交流電壓可傳送至各電容元件，該第一測量頻率大於各激發電壓的頻率，且具有第二測量頻率之交流電壓可傳送至各電容式測量元件之固定電極。第二測量頻率不同於第一測量頻率且較各激發電壓之頻率還高。

可形成本發明的設備，以便設有其它的電容式測量元件來測量已激發的振動，或上述之各電容式驅動元件用來測量該已激發的振動。

本發明的設備中，一種獲得一轉速描述用的輸出信號時所用的有利之可能方式是藉由一種元件來達成，此種元件在使用一具有第二測量頻率之交流電壓時對一由固定終端所測得的信號進行解調以形成一種顯示該轉速用的信號，且隨後與該激發電壓同步的方式來進行解調。

本發明的另一形式中設有一種元件，其對由該固定終端所測得的信號另外以第一測量頻率來解調且使用該已解調的信號來調整各個激發電壓。

藉由本發明，則可以很大的交流電壓來驅動該設備且亦須考慮：該驅動器調整用的採用第二電容元件的信號以及形成該轉速信號用的採用第三電容元件的信號都特別小。然而，由於各驅動電流所造成的小的干擾成份，則可良好地對上述這些信號進行評估，特別是在使用先前技術中可使用的技術(例如，無雜訊的放大器)時更是如此。於是 ，特別是可在上述之固定終端上連接一種電荷放大器，其輸出端是與一帶通濾波器相連接。因此，各驅動電流之更小的殘餘量可進一步被衰減。

為了使上述之固定終端上所產生的驅動電流一開始就保持成較小，則另一種形式的設置方式是，須設有至少四組電容式驅動元件，其中有二組施加相反相位之交流電壓成份，且另二組施加相同的預偏壓。

這例如可藉由下述方式來進行： U1＝U10+U11sinωt U2＝U10－U11sinωt U3＝－U1 U4＝－U2

於是，該固定終端上的充電電流可被補償，而所產生的驅動動量可放大，此乃因各驅動動量是與U2成比例。此種措施不需先前已主張的措施亦可成功地被使用且可大大地使各激發電壓所造成的干擾下降。

在考慮目前的情況下，在細節上可由此行的專家來選取各種頻率或各頻率之間的比例。然而，當第一和第二測量頻率位於該激發電壓之10倍至500倍之頻率的範圍內時已顯示是有利的。

本發明適用於各種形式的振動感測器。然而，各振動感測器較佳是一種振動迴轉器。但亦可依據本發明來形成各種線性振動的振動感測器。

本發明可具有很多種實施形式，其中一種顯示在多個圖式中且將說明於下。

第1圖所示的振動迴轉器由一圓盤1所構成，該圓盤1可處於二種可傾斜但不能旋轉的情況中。環3經由彈性之舌片4而與該圓盤1相連接，使該舌片4可相對於該圓盤4而在旋轉式振動中偏移。

在該環3之周圍存在著多個臂5至10，其承載著多個電容元件11至16。在第1圖中，各臂5至10以較一實施例中者還長的方式而顯示出來。各電容元件11至16分別由配置在臂上且因此能以該環3來移動的電極17以及其它的固定電極18，18＇所構成。

各固定電極18，18＇以絕緣方式施加在一未顯示的基板上。該基板以單件方式承載著零件1至17。使基板結構化的方法是已知的技術且因此不需與本發明一起來說明。

頻率相同但相位不同的交流電壓(以下稱為激發電壓)施加至各電容元件11至14之固定電極18，18＇。於此，如圖中較小的圖所示，一種直流電壓分別重疊至各激發電壓，使電極18和電極18＇具有相同的直流電壓成份和相位相反的交流電壓成份。這樣可產生一種周期性的總動量，此乃因該電極18上所產生的動量是與該處所施加的電壓之平方成比例且因此總是正的。由電極18，18＇所產生的一種動量之和(sum)包含所期望的交流成份。

為了產生足夠高的驅動力，電極17須與電極18，18＇以梳形方式而重疊地形成，此時為了清楚之故只分別顯示二個單一電極，但實際上的電極數目大很多。

具有二個相位相反的輸出端20，21之振盪器(VCO)19之頻率用來產生相位相反的激發電壓，各激發電壓設有相對應的偏壓而傳送至各電容元件11至13。終端2作為各種由激發電壓所產生的電流之回送(未顯示)之用，此終端2將與稍後之轉速信號的獲得一起描述。各電容式測量元件15，16用來調整該旋轉式振動，此時各電容式測量元件15，16施加以交流電壓，其產生於一振盪器22中且具有第一測量頻率f1。就像稍後將詳述者一樣，交流電壓的傳送是用來測量各電容元件15，16之電容且因此可獲得一種可造成旋轉式振動的信號。

第2圖顯示該圓盤1及其軸承2，其在側視圖中具有共同的終端23。由雙箭頭所示的移動是由柯里力所造成且表示該待測量的轉速。傾斜式移動是藉由一種電容測量來測得，此時須以相位相反的交流電壓施加至二個電極24，25，各交流電壓由振盪器26所產生且具有第二測量頻率f2。該固定終端23是與一放大器27之輸入端相連接，該放大器27經由電阻28和電容器29而形成負回授且形成一種電荷放大器的形式。

該終端23上的信號具有第3圖所示的光譜，此光譜所具有的成份包括：激發頻率(本例子中是共振頻率fres)；二倍之激發頻率，其是由電容振盪和激發電壓之混合作用所產生且具有大很多的值；第一測量頻率f1；以及第二測量頻率f2。各測量頻率具有側頻帶，其含有各種測量資訊。具有頻率fres和2×fres之成份可造成巨大的過載和干擾， 且可藉由四個驅動組中符號(sign)交替地受到控制的方式而廣泛地受到抑制。

在第4圖的方塊圖中，各電容元件11至14以及15，16相對於第1圖而顯示出且與各電容元件的機械形式無關，使各電極18或18，分別與電極17形成一種電容對(pair)，此時為了清楚之故，只顯示二個電容而未顯示四對電容11至14，以及只顯示一對電容而未顯示二對電容15，16。輸出端23上的電荷放大器27以及隨後的帶通濾波器30已在第2，3圖中有說明。

二個乘法器31，32連接至該濾波器30之輸出端A，在乘法器中以測量頻率f1和f2來進行一種同步解調。已解調的信號以B和C來表示。在33中進行一種低通濾波之後，一種信號存在於34中，此信號又使該振動迴轉器形成一種轉動式振動。此信號傳送至下一個乘法器35，其與一調整器36(其具有特性F(p))和該振盪器19一起形成一調整回路。於是，可使該振盪器19之輸出電壓之頻率和相位受到控制，以形成一種穩定的振動。為了控制此種振動的振幅，則位於34處的信號須經由一種加法器37來與一參考電壓Uref相比較且經由另一調整器38(其具有特性G(p))而傳送至該振盪器19之一控制輸入端，在該振盪器19之輸出端20，21上形成一種設有直流電壓成份的激發電壓。

為了產生該轉速信號，該乘法器32之輸出信號C須傳送至一低通濾波器39，再由該處到達另一乘法器40，一種具有頻率fres之信號另外傳送至該乘法器40，於是此乘法 器40可操作成同步解調器。已解調的信號D是上述的轉速信號，其經由一放大器41而傳送至一輸出端42。

第5圖顯示不同的時間圖，即，一種顯示該濾波器30之輸出信號A之圖解A，一種顯示該同步解調器31之輸出信號B之圖解B，一種具有該同步解調器32之輸出信號C之圖解C，以及一種具有該同步解調器40之輸出信號D之圖解D，此處為了說明各圖解B，C和D中的解調，除了包絡線(envelope)之外，亦顯示各載波，該包絡線是解調所造成的結果。

1‧‧‧圓盤

2‧‧‧軸承

3‧‧‧環

4‧‧‧舌片

5~10‧‧‧臂

11~16‧‧‧電容元件

17、18‧‧‧電極

19、22‧‧‧振盪器

20、21‧‧‧輸出端

23‧‧‧終端

24、25‧‧‧電極

26‧‧‧振盪器

27‧‧‧電荷放大器

28‧‧‧電阻

29‧‧‧電容器

30‧‧‧濾波器

31、32‧‧‧同步解調器

35‧‧‧乘法器

36、38‧‧‧調整器

37‧‧‧加法器

39‧‧‧低通濾波器

40‧‧‧乘法器

41‧‧‧放大器

42‧‧‧輸出端

第1圖 一種振動迴轉器之俯視圖，其顯示出多個驅動－和調整一驅動器所需的元件和交流電壓。

第2圖 該振動迴轉器之側視圖，其具有使信號下降所需的組件。

第3圖 該振動迴轉器之一固定終端上所施加的信號之光譜。

第4圖 本發明的設備之方塊圖。

第5圖 在第4圖之設備中所產生的不同信號之電壓時間關係圖。

1‧‧‧圓盤

2‧‧‧軸承

4‧‧‧舌片

5~10‧‧‧臂

11~16‧‧‧電容元件

17、18‧‧‧電極

19‧‧‧振盪器

20、21‧‧‧輸出端

Claims (10)

1. 一種以振動感測器(1，2，3)來測量轉速的設備，各感測器垂直於第一軸的振動是藉助於電容式驅動元件(11至14)來激發且予以測量，且該感測器在第二軸中的旋轉是藉助於電容式測量元件(24，25)來測得，第二軸藉由在第三軸中的旋轉而在柯里(coriolis)力的作用下受到驅動，各電容元件分別由固定電極(18，18’；24，25)和以該振動感測器來移動的電極(17；1)所形成，且各移動式電極(17；1)共同地與一固定終端(2；23)相連接，其特徵在於：多種激發電壓可傳送至各電容式驅動元件(11至14)之固定電極(18，18’)，各激發電壓的頻率等於振動感測器(1，2，3)之共振頻率或該共振頻率之次諧波頻率，使一具有第一測量頻率之交流電壓可傳送至各電容元件(15，16)，其用來測量該已激發的振動，第一測量頻率較各激發電壓之頻率還高，具有第二測量頻率之交流電壓傳送至各電容式測量元件之固定電極(24，25)，第二測量頻率不同於第一測量頻率且較各激發電壓之頻率還高。
2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中設有其它的電容式測量元件(15，16)以測量該已激發的振動。
3. 如申請專利範圍第1項之設備，其中多個電容式驅動元件用來測量該已激發的振動。
4. 如申請專利範圍第1項之設備，其中設有元件，其在使用該具有第二測量頻率之交流電壓之下對一由該固定終 端(23)所獲得的信號進行解調，以形成一種可表示該轉速的信號且隨後與該激發電壓同步地進行解調。
5. 如申請專利範圍第4項之設備，其中設有元件，其另外以第一測量頻率來對該由固定終端(23)所獲得的信號進行解調，且使用該已解調的信號來調整各激發電壓。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之設備，其中在該固定終端(23)上連接著一電荷放大器(27)，其輸出是與一帶通濾波器(30)相連接。
7. 如申請專利範圍第1項之設備，其中設有至少四組電容式驅動元件，其中二組各別地施加相位相反的交流電壓成份以及相同的偏壓。
8. 如申請專利範圍第1項之設備，其中第一和第二測量頻率位於該激發電壓之頻率之10倍至500倍之範圍中。
9. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該振動感測器是一種振動迴轉器(1至18’)。
10. 一種以振動感測器(1，2，3)來測量轉速的設備，各感測器垂直於第一軸的振動是藉助於電容式驅動元件(11至14)來激發且予以測量，且各感測器在第二軸中的旋轉是藉助於電容式測量元件(24，25)來測得，第二軸藉由在第三軸中的旋轉而在柯里(coriolis)力的作用下受到驅動，各電容元件分別由固定電極(18，18’；24，25)和以各振動感測器來移動的電極(17；1)所形成，且各移動式電極(17；1)共同地與一固定終端(2；23)相連接，其特徵在於： 設有至少四組電容式驅動元件，其中二組各別地施加相位相反的交流電壓成份以及相同的偏壓。