专利名称：用于确定振动结构频率和幅度的,尤其是用于测量加速度或旋转速率的装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于确定振动结构频率和幅度的，尤其是用于测量加速度或旋转速率的一种装置和一种方法。
振动结构在技术上有多种多样的应用可能性。例如采用它们作为加速度和/或旋转速率传感器，在此从振动特性中可以求出运动量。
在US专利4,598,585中说明了在其上主体绕两个互相垂直轴线(x轴线，y轴线)可振动地支承的一种旋转速率传感器。为了确定围绕垂直于x和y轴线延伸的z轴线的旋转速率，激励元件绕y轴线周期性振动。由于在旋转期间的科利奥力实现元件的绕x轴线的一种其它振动，振幅在此是旋转速率的一个尺度。图3中展示了具有双万向铰悬挂的一种这样的旋转速率传感器。
此外，实施振动运动的加速度传感器是已知的，频率在此是在某个方向上作用的加速度的一个尺度。
已知的振动结构却具有这种缺点，不能在振幅的变化和振动元件的平行位移之间作区分。因此例如可能出现使测量值失真的可运动元件的悬挂的间距变化。在量取具有电容器振动元件的位置或偏转时，电容器板间距的极小变化可能如此叠加实际的振幅，以至于准确的测量结果不再是可能的。当干扰或平行位移如激振那样位于相同的频段中时，则尤其适用这一点。
所以本发明的任务在于，创立用于确定振动结构频率和/或幅度的一种装置，和说明用其可以以高精度确定振幅的一种方法，在此有效地抑制例如由于结构的平行位移或变形引起的干扰。
通过按权利要求1的装置和按权利要求8的方法解决此任务。从从属权利要求、说明书和图中得出本发明的其它有利的特征、特点和细节。
用于确定振动结构频率和/或幅度的按本发明的装置尤其是适用于测量加速度和旋转速率，并且拥有可激励其振动的一个可活动的元件，用于确定可活动元件偏转的一副位置传感器，这些位置传感器是如此布置的，使得在振动的半波期间位置传感器的测量值相互超越和/或低出，用于为了从中确定振动半波的阈值而比较两个位置传感器测量值的电路，和用于确定在其中两个位置传感器之一的测量值超越和/或低出阈值的持续时间的装置。
通过位置传感器的特别的布置和测量值与振动半波中的阈值确定的比较来实现，即使在由于振动元件平行位移引起的测量干扰的情况下可以准确求出振幅。避免幅度确定中的差错。
装置有利地包括用于确定振动第二半波的第二阈值的一个其它副间距传感器。间距传感器在此是优先如此布置的，使得正半波中的和负半波中的阈值有相同的绝对值。尤其是在绕规定轴线振动的机械结构上，垂直于振动轴线A作用的加速度不再有幅度测量中的差错的后果。
位置传感器有利地是电容，由此产生成本有利的结构方式。但是也可以通过光学元件，或用于位置或间距测量的对于专业人员已知的类似传感器形成这些位置传感器。
位置传感器副的一个元件优先是超高地布置的，使得阈值在可活动元件规定的偏转时调定。例如通过机械的级，或通过可振动元件上的，或与元件相对面上的电极的级状的布置可以激起阈值。位置传感器在此是优先以离可活动元件转轴的不同间距布置的。
用于确定振动结构频率和/或幅度的按本发明的方法包括这些步骤确定振动的正和/或负半波中的阈值，确定在其中在振动期间超越和/或低出阈值的持续时间，和从超越和/或低出阈值的持续时间中求出频率和/或幅度。因此可以与可振动元件和固定元件之间的间距无关地确定振幅和求出振动频率。
有利地对于振动的正半波和对于负半波分别确定阈值，并且从超越和/或低出两个阈值的持续时间中求出频率和/或幅度。正半波中的和负半波中的阈值在此可能有相同的绝对值。尤其是通过机械的级可以形成这些阈值。
以下借助于优先的实施例说明本发明。在图中
图1以示意性剖视图展示按本发明装置的优先实施形式；图2展示用于阐述振动和特征量的图表，按本发明方法采用这些量用于幅度和频率确定；和图3展示具有能振动结构的已知的旋转速率传感器。
图1展示具有绕轴线A可振动支承的可活动元件2或摆板的按本发明装置。摆板2例如可以以横梁或板式结构存在，并且通过激励使摆板2进入周期性振动。板式的固定元件1是布置在摆板2对面的。一个第一副位置传感器10、11用于确定可活动元件2和固定元件1之间的间距，和因此用于确定在元件2绕轴线A振动期间的各自的偏转。位置传感器10、11在此是如此布置的，它们的测量值在振动的半波期间相互超越和/或低出。这意味着，在达角度￡p的某个偏转时两个位置传感器10、11的测量值是同等大的，而在超越角度￡p时传感器10比传感器11显示较大的测量值，并且在低出角度￡p传感器10比传感器11显示较小的测量值。
位置传感器10、11是与比较两个位置传感器10、11测量值的和确定阈值Us的比较器连接的，在此阈值上对于两个位置传感器10、11产生相同的测量值。借助于用于时间测量的装置可以从传感器的阈值Us和信号中求出振幅As和振动的频率fs，正如以后还详述的那样。
在这里所展示的实施形式中通过电容形成位置传感器10、11。一副位置传感器10、11和20、21或电容在此以优先的实施形式位于摆板2旋转轴线A的每一侧。在摆板2上凸起地分别安置了电容副10、11或20、21的电极11a、21a。从此得出，凸起布置的电极11a、21a在摆板的静止位置上，即在偏转角￡p0时，比另外的两个电极10a、20a更靠近它们的相对电极。在本情况下如此来实现这一点，在其上布置了电极10a、11a、20a、21a的摆板2的表面8是级状构成的。但是为了实现按本发明的装置也可能的是，配备具有不同水平上的电极的相对的板1来代替摆板2。与位置传感器10、11或20、21的各自实施形式或具体构成无关地，重要的在于，在摆板2的达角度￡p的规定偏转时两个位置传感器10、11显示相同的测量值，而在另外的角度时它们的值互相区别。
通过第二副20、21位置传感器或电容实现，在每个方向上的某个偏转时每次一副位置传感器显示相同的测量值。此值定义振动的各自半波的阈值Us，在进一步超越+ω或-ω时，由测量信号中的一个超越此阈值。
电容副10、11或20、21的各自一个电极11a、21a的凸起高度或超高决定阈值Us。因此按要求不同可以不一样地调节阈值Us。
借助于图2阐述，如何与摆板2和板1之间间距无关地从位置传感器10、11、20、21或电容的测量信号中求出振幅。例如用布置在图1中摆板2的右边部分上的摆板外部范围中的位置传感器10接收信号幅度。在从零位的偏转达角度￡p时，摆板2的右边部分接近对面的板1，在此在规定的角度￡p时，两个位置传感器10、11显示由比较器作为阈值+Us求出的相同值。在正方向上的持续偏转时，位置传感器10的测量信号超越正阈值，或阈电压+Us，随后达到它的最大值，并且然后在摆板2的在反方向运动时重新低于阈电压+Us。测量在超越和低出阈电压+Us之间的持续时间Tp。随后摆板2穿过它的零位，并且进行在反方向上的偏转，使得在负偏转达角度-￡p时，在摆板2的左边部分中的两个位置传感器20,21显示相同的值，从此值中形成第二半波的或负半波的阈值-Us。在此方向上的进一步偏转时，测量信号超越在时间区间Tn期间的这个阈值。
现在可以从阈电压Us，频率fs和超越阈值+Us的持续时间Tp中按公式As=Uscos(Tp*π*fs)-----(1)]]>求出振幅。在此可以从一个方向上的相继的阈值超越中求出频率fs，因此在此情况下为了求出一个半波的阈值是只需要一副位置传感器的。
在两副位置传感器10、11和20、21的情况下，从其中的每一副是布置在旋转轴线A的一侧上的，可以从持续时间Tfp或Tfn中按公式fs=1/2*Tfp(2)或fs4=1/2*Tfn(3)求出频率fs或fs’π。在此Tfp是超越正半波阈值和超越负半波阈值之间的持续时间。Tfn是低出正半波阈值和低出负半波阈值之间的持续时间。
从在其中幅度位于阈电压+Us之上的持续时间Tp中，和从在其中幅度位于负阈电压-Us之下的持续时间Tn中形成和处理级状的信号Sp或Sn，以便以此与摆板2和板1之间的间距无关地计算振幅和/或振动的频率。
结构或装置是微机械地制作的，由此使得在小结构方式时的成本有利的批量制造成为可能。通过本发明实现，在可活动元件2的，例如通过在垂直于旋转轴线A方向作用到结构上的加速度可以实现的平行位移时，不产生幅度测量中的差错。
例如在与图3中所展示的已知旋转速率传感器的关联中，采用按本发明的装置。在那里绕x轴线可回转的一个内元件31是支承在绕y轴线可旋转的框架30中的。用按本发明的装置可以求出内元件31或框架30的偏转，框架30或元件31的平行位移和各个位置传感器测量值的与此相连的变化，没有幅度测量干扰的后果。为了实施，将位置传感器副布置在框架30和/或元件31上，以便测量偏转和确定阈值。然后可以如上面所述那样从测量值中求出幅度和频率，通过位移引起的干扰不影响幅度或频率的所求出值。
除此实例以外，但是在其中采用可旋转或可振动元件偏转用于物理量测量的许多另外的应用也是可能的。与各自应用无关地起决定性作用的事实在于，避免在确定频率或幅度时的，通过平行位移或变形产生的干扰。
权利要求
1．用于用可激励振动的可活动元件(2)确定振动结构频率和/或幅度的，尤其是用于测量加速度或旋转速率的装置，其特征在于用于确定可活动元件(2)偏转的如此布置的一副位置传感器(10,11)，使得位置传感器的测量值在振动的半波期间互相超越和/或低出，用于比较两个位置传感器(10,11)测量值的比较器，以便从中确定振动半波的阈值(Us)，和用于确定在其中两个位置传感器(10,11)之一的测量值超越和/或低出阈值(Us)的持续时间的装置。
2．按权利要求1的装置，其特征在于，用于确定振动第二半波的一个第二阈值的一副其它的位置传感器(20,21)。
3．按权利要求2的装置，其特征在于，两副位置传感器(10,11,20,21)是如此布置的，使得正半波中的和负半波中的阈值(Us)有相同的绝对值。
4．按以上权利要求中的一个的或多个的装置，其特征在于，位置传感器(10,11,20,21)是通过电容或光学元件形成的。
5．按以上权利要求之一的装置，其特征在于，位置传感器(10,11,20,21)的至少一个元件(11a,21a)是超高布置的，使得阈值(Us)在可活动元件(2)的规定偏转￡p时调定。
6．按以上权利要求中的一个的或多个的装置，其特征在于，电极(10a,11a,20a,21a)是布置在可活动元件(2)的表面(8)上的，其它的电极(10b,20b,21b,21b)位于固定元件(3)的表面(9)的对面，表面(8,9)中的至少一个在此是级状形成的。
7．按以上权利要求中的一个的或多个的装置，其特征在于，这个或这些阈值是通过机械的级形成的。
8．按以上权利要求中的一个的或多个的装置，其特征在于，两个位置传感器(10,11)是以离可活动元件(2)旋转轴线A的不同间距布置的。
9．用于确定振动结构频率和/或幅度的，尤其是用于测量加速度或旋转速率的方法，其特征在于，这些步骤确定振动的正半波中的和/或负半波中的阈值(Us)，确定在其中超越和/或低出振动期间阈值(Us)的持续时间(Tp)，和从超越和/或低出阈值(Us)的持续时间中求出频率和/或幅度。
10．按权利要求9的方法，其特征在于，分别对于振动的正半波和/或对于负半波确定阈值(+Us,-Us)，并且从超越和/或低出两个阈值的各自持续时间中求出频率和/或幅度。
11．按权利要求9或10的方法，其特征在于，按公式As=Uscos(Tp*π*fs)]]>计算幅度，在此Tp是在半波中超越和/或低出阈值(Us)的持续时间，而fs是振动频率。
12．按权利要求8至10中的一个的或多个的方法，其特征在于，正半波中的和/或负半波中的阈值(Us)有相同的绝对值。
13．按以上权利要求中的一个的或多个的方法，其特征在于，这个或这些阈值(Us)是通过机械的级形成的。
全文摘要
用于确定振动结构频率和/或幅度的,尤其是用于测量加速度或旋转速率的装置有可激励振动的可活动元件(2)。一副位置传感器(10,11)用于确定可活动元件(2)的偏转,位置传感器(10,11)在此是如此布置的,使得振动半波期间的它们的测量值互相超越或低出。比较器用于比较两个位置传感器(10,11)的测量值,以便从中确定振动半波的阈值(Us)。时间测量装置用于确定在其中两个位置传感器(10,11)之一的测量值超越或低出阈值(Us)的持续时间。位置传感器(10,11)可以例如是其电极级状布置的电容。与可活动元件(2)的可能平行位移无关地,如此来实现振动的幅度确定,以至于不再发生测量结果的干扰。
文档编号G01P9/04GK1319187SQ00801060
公开日2001年10月24日 申请日期2000年6月6日 优先权日1999年6月8日
发明者J·沙尔克, S·萨森, W·菲克尔, K·伦特纳 申请人:伊兹德国股份有限公司