專利名稱：用于確定振動結構頻率和幅度的,尤其是用于測量加速度或旋轉速率的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及用于確定振動結構頻率和幅度的，尤其是用于測量加速度或旋轉速率的一種裝置和一種方法。
振動結構在技術上有多種多樣的應用可能性。例如采用它們作為加速度和/或旋轉速率傳感器，在此從振動特性中可以求出運動量。
在US專利4,598,585中說明了在其上主體繞兩個互相垂直軸線(x軸線，y軸線)可振動地支承的一種旋轉速率傳感器。為了確定圍繞垂直于x和y軸線延伸的z軸線的旋轉速率，激勵元件繞y軸線周期性振動。由于在旋轉期間的科利奧力實現元件的繞x軸線的一種其它振動，振幅在此是旋轉速率的一個尺度。圖3中展示了具有雙萬向鉸懸掛的一種這樣的旋轉速率傳感器。
此外，實施振動運動的加速度傳感器是已知的，頻率在此是在某個方向上作用的加速度的一個尺度。
已知的振動結構卻具有這種缺點，不能在振幅的變化和振動元件的平行位移之間作區分。因此例如可能出現使測量值失真的可運動元件的懸掛的間距變化。在量取具有電容器振動元件的位置或偏轉時，電容器板間距的極小變化可能如此疊加實際的振幅，以至于準確的測量結果不再是可能的。當干擾或平行位移如激振那樣位于相同的頻段中時，則尤其適用這一點。
所以本發明的任務在于，創立用于確定振動結構頻率和/或幅度的一種裝置，和說明用其可以以高精度確定振幅的一種方法，在此有效地抑制例如由于結構的平行位移或變形引起的干擾。
通過按權利要求1的裝置和按權利要求8的方法解決此任務。從從屬權利要求、說明書和圖中得出本發明的其它有利的特征、特點和細節。
用于確定振動結構頻率和/或幅度的按本發明的裝置尤其是適用于測量加速度和旋轉速率，并且擁有可激勵其振動的一個可活動的元件，用于確定可活動元件偏轉的一副位置傳感器，這些位置傳感器是如此布置的，使得在振動的半波期間位置傳感器的測量值相互超越和/或低出，用于為了從中確定振動半波的閾值而比較兩個位置傳感器測量值的電路，和用于確定在其中兩個位置傳感器之一的測量值超越和/或低出閾值的持續時間的裝置。
通過位置傳感器的特別的布置和測量值與振動半波中的閾值確定的比較來實現，即使在由于振動元件平行位移引起的測量干擾的情況下可以準確求出振幅。避免幅度確定中的差錯。
裝置有利地包括用于確定振動第二半波的第二閾值的一個其它副間距傳感器。間距傳感器在此是優先如此布置的，使得正半波中的和負半波中的閾值有相同的絕對值。尤其是在繞規定軸線振動的機械結構上，垂直于振動軸線A作用的加速度不再有幅度測量中的差錯的后果。
位置傳感器有利地是電容，由此產生成本有利的結構方式。但是也可以通過光學元件，或用于位置或間距測量的對于專業人員已知的類似傳感器形成這些位置傳感器。
位置傳感器副的一個元件優先是超高地布置的，使得閾值在可活動元件規定的偏轉時調定。例如通過機械的級，或通過可振動元件上的，或與元件相對面上的電極的級狀的布置可以激起閾值。位置傳感器在此是優先以離可活動元件轉軸的不同間距布置的。
用于確定振動結構頻率和/或幅度的按本發明的方法包括這些步驟確定振動的正和/或負半波中的閾值，確定在其中在振動期間超越和/或低出閾值的持續時間，和從超越和/或低出閾值的持續時間中求出頻率和/或幅度。因此可以與可振動元件和固定元件之間的間距無關地確定振幅和求出振動頻率。
有利地對于振動的正半波和對于負半波分別確定閾值，并且從超越和/或低出兩個閾值的持續時間中求出頻率和/或幅度。正半波中的和負半波中的閾值在此可能有相同的絕對值。尤其是通過機械的級可以形成這些閾值。
以下借助于優先的實施例說明本發明。在圖中
圖1以示意性剖視圖展示按本發明裝置的優先實施形式；圖2展示用于闡述振動和特征量的圖表，按本發明方法采用這些量用于幅度和頻率確定；和圖3展示具有能振動結構的已知的旋轉速率傳感器。
圖1展示具有繞軸線A可振動支承的可活動元件2或擺板的按本發明裝置。擺板2例如可以以橫梁或板式結構存在，并且通過激勵使擺板2進入周期性振動。板式的固定元件1是布置在擺板2對面的。一個第一副位置傳感器10、11用于確定可活動元件2和固定元件1之間的間距，和因此用于確定在元件2繞軸線A振動期間的各自的偏轉。位置傳感器10、11在此是如此布置的，它們的測量值在振動的半波期間相互超越和/或低出。這意味著，在達角度￡p的某個偏轉時兩個位置傳感器10、11的測量值是同等大的，而在超越角度￡p時傳感器10比傳感器11顯示較大的測量值，并且在低出角度￡p傳感器10比傳感器11顯示較小的測量值。
位置傳感器10、11是與比較兩個位置傳感器10、11測量值的和確定閾值Us的比較器連接的，在此閾值上對于兩個位置傳感器10、11產生相同的測量值。借助于用于時間測量的裝置可以從傳感器的閾值Us和信號中求出振幅As和振動的頻率fs，正如以后還詳述的那樣。
在這里所展示的實施形式中通過電容形成位置傳感器10、11。一副位置傳感器10、11和20、21或電容在此以優先的實施形式位于擺板2旋轉軸線A的每一側。在擺板2上凸起地分別安置了電容副10、11或20、21的電極11a、21a。從此得出，凸起布置的電極11a、21a在擺板的靜止位置上，即在偏轉角￡p0時，比另外的兩個電極10a、20a更靠近它們的相對電極。在本情況下如此來實現這一點，在其上布置了電極10a、11a、20a、21a的擺板2的表面8是級狀構成的。但是為了實現按本發明的裝置也可能的是，配備具有不同水平上的電極的相對的板1來代替擺板2。與位置傳感器10、11或20、21的各自實施形式或具體構成無關地，重要的在于，在擺板2的達角度￡p的規定偏轉時兩個位置傳感器10、11顯示相同的測量值，而在另外的角度時它們的值互相區別。
通過第二副20、21位置傳感器或電容實現，在每個方向上的某個偏轉時每次一副位置傳感器顯示相同的測量值。此值定義振動的各自半波的閾值Us，在進一步超越+ω或-ω時，由測量信號中的一個超越此閾值。
電容副10、11或20、21的各自一個電極11a、21a的凸起高度或超高決定閾值Us。因此按要求不同可以不一樣地調節閾值Us。
借助于圖2闡述，如何與擺板2和板1之間間距無關地從位置傳感器10、11、20、21或電容的測量信號中求出振幅。例如用布置在圖1中擺板2的右邊部分上的擺板外部范圍中的位置傳感器10接收信號幅度。在從零位的偏轉達角度￡p時，擺板2的右邊部分接近對面的板1，在此在規定的角度￡p時，兩個位置傳感器10、11顯示由比較器作為閾值+Us求出的相同值。在正方向上的持續偏轉時，位置傳感器10的測量信號超越正閾值，或閾電壓+Us，隨后達到它的最大值，并且然后在擺板2的在反方向運動時重新低于閾電壓+Us。測量在超越和低出閾電壓+Us之間的持續時間Tp。隨后擺板2穿過它的零位，并且進行在反方向上的偏轉，使得在負偏轉達角度-￡p時，在擺板2的左邊部分中的兩個位置傳感器20,21顯示相同的值，從此值中形成第二半波的或負半波的閾值-Us。在此方向上的進一步偏轉時，測量信號超越在時間區間Tn期間的這個閾值。
現在可以從閾電壓Us，頻率fs和超越閾值+Us的持續時間Tp中按公式As=Uscos(Tp*π*fs)-----(1)]]>求出振幅。在此可以從一個方向上的相繼的閾值超越中求出頻率fs，因此在此情況下為了求出一個半波的閾值是只需要一副位置傳感器的。
在兩副位置傳感器10、11和20、21的情況下，從其中的每一副是布置在旋轉軸線A的一側上的，可以從持續時間Tfp或Tfn中按公式fs=1/2*Tfp(2)或fs4=1/2*Tfn(3)求出頻率fs或fs’π。在此Tfp是超越正半波閾值和超越負半波閾值之間的持續時間。Tfn是低出正半波閾值和低出負半波閾值之間的持續時間。
從在其中幅度位于閾電壓+Us之上的持續時間Tp中，和從在其中幅度位于負閾電壓-Us之下的持續時間Tn中形成和處理級狀的信號Sp或Sn，以便以此與擺板2和板1之間的間距無關地計算振幅和/或振動的頻率。
結構或裝置是微機械地制作的，由此使得在小結構方式時的成本有利的批量制造成為可能。通過本發明實現，在可活動元件2的，例如通過在垂直于旋轉軸線A方向作用到結構上的加速度可以實現的平行位移時，不產生幅度測量中的差錯。
例如在與圖3中所展示的已知旋轉速率傳感器的關聯中，采用按本發明的裝置。在那里繞x軸線可回轉的一個內元件31是支承在繞y軸線可旋轉的框架30中的。用按本發明的裝置可以求出內元件31或框架30的偏轉，框架30或元件31的平行位移和各個位置傳感器測量值的與此相連的變化，沒有幅度測量干擾的后果。為了實施，將位置傳感器副布置在框架30和/或元件31上，以便測量偏轉和確定閾值。然后可以如上面所述那樣從測量值中求出幅度和頻率，通過位移引起的干擾不影響幅度或頻率的所求出值。
除此實例以外，但是在其中采用可旋轉或可振動元件偏轉用于物理量測量的許多另外的應用也是可能的。與各自應用無關地起決定性作用的事實在于，避免在確定頻率或幅度時的，通過平行位移或變形產生的干擾。
權利要求
1．用于用可激勵振動的可活動元件(2)確定振動結構頻率和/或幅度的，尤其是用于測量加速度或旋轉速率的裝置，其特征在于用于確定可活動元件(2)偏轉的如此布置的一副位置傳感器(10,11)，使得位置傳感器的測量值在振動的半波期間互相超越和/或低出，用于比較兩個位置傳感器(10,11)測量值的比較器，以便從中確定振動半波的閾值(Us)，和用于確定在其中兩個位置傳感器(10,11)之一的測量值超越和/或低出閾值(Us)的持續時間的裝置。
2．按權利要求1的裝置，其特征在于，用于確定振動第二半波的一個第二閾值的一副其它的位置傳感器(20,21)。
3．按權利要求2的裝置，其特征在于，兩副位置傳感器(10,11,20,21)是如此布置的，使得正半波中的和負半波中的閾值(Us)有相同的絕對值。
4．按以上權利要求中的一個的或多個的裝置，其特征在于，位置傳感器(10,11,20,21)是通過電容或光學元件形成的。
5．按以上權利要求之一的裝置，其特征在于，位置傳感器(10,11,20,21)的至少一個元件(11a,21a)是超高布置的，使得閾值(Us)在可活動元件(2)的規定偏轉￡p時調定。
6．按以上權利要求中的一個的或多個的裝置，其特征在于，電極(10a,11a,20a,21a)是布置在可活動元件(2)的表面(8)上的，其它的電極(10b,20b,21b,21b)位于固定元件(3)的表面(9)的對面，表面(8,9)中的至少一個在此是級狀形成的。
7．按以上權利要求中的一個的或多個的裝置，其特征在于，這個或這些閾值是通過機械的級形成的。
8．按以上權利要求中的一個的或多個的裝置，其特征在于，兩個位置傳感器(10,11)是以離可活動元件(2)旋轉軸線A的不同間距布置的。
9．用于確定振動結構頻率和/或幅度的，尤其是用于測量加速度或旋轉速率的方法，其特征在于，這些步驟確定振動的正半波中的和/或負半波中的閾值(Us)，確定在其中超越和/或低出振動期間閾值(Us)的持續時間(Tp)，和從超越和/或低出閾值(Us)的持續時間中求出頻率和/或幅度。
10．按權利要求9的方法，其特征在于，分別對于振動的正半波和/或對于負半波確定閾值(+Us,-Us)，并且從超越和/或低出兩個閾值的各自持續時間中求出頻率和/或幅度。
11．按權利要求9或10的方法，其特征在于，按公式As=Uscos(Tp*π*fs)]]>計算幅度，在此Tp是在半波中超越和/或低出閾值(Us)的持續時間，而fs是振動頻率。
12．按權利要求8至10中的一個的或多個的方法，其特征在于，正半波中的和/或負半波中的閾值(Us)有相同的絕對值。
13．按以上權利要求中的一個的或多個的方法，其特征在于，這個或這些閾值(Us)是通過機械的級形成的。
全文摘要
用于確定振動結構頻率和/或幅度的,尤其是用于測量加速度或旋轉速率的裝置有可激勵振動的可活動元件(2)。一副位置傳感器(10,11)用于確定可活動元件(2)的偏轉,位置傳感器(10,11)在此是如此布置的,使得振動半波期間的它們的測量值互相超越或低出。比較器用于比較兩個位置傳感器(10,11)的測量值,以便從中確定振動半波的閾值(Us)。時間測量裝置用于確定在其中兩個位置傳感器(10,11)之一的測量值超越或低出閾值(Us)的持續時間。位置傳感器(10,11)可以例如是其電極級狀布置的電容。與可活動元件(2)的可能平行位移無關地,如此來實現振動的幅度確定,以至于不再發生測量結果的干擾。
文檔編號G01P9/04GK1319187SQ00801060
公開日2001年10月24日 申請日期2000年6月6日 優先權日1999年6月8日
發明者J·沙爾克, S·薩森, W·菲克爾, K·倫特納 申請人:伊茲德國股份有限公司