專利名稱：利用振動(dòng)傳感器測(cè)量旋轉(zhuǎn)速率的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用振動(dòng)傳感器測(cè)量旋轉(zhuǎn)速率的裝置，借助于 電容性驅(qū)動(dòng)元件來激發(fā)和測(cè)量振動(dòng)傳感器的垂直于第一軸線的振 動(dòng)，以及借助于多個(gè)電容性測(cè)量元件來測(cè)量振動(dòng)傳感器的在第二軸 線上的旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)由在科里奧利力作用在第三軸線上的旋轉(zhuǎn)而激 發(fā)，其中這些電容性元件分別由多個(gè)固定電極和可與振動(dòng)傳感器一 起移動(dòng)的電極構(gòu)成，以及可移動(dòng)的電極一起與固定接頭連接。
背景技術(shù)：
例如旋轉(zhuǎn)速率傳感器應(yīng)用在用于4幾動(dòng)車的安全系統(tǒng)中。例如
US 5 955 668/>開了^殳計(jì)為陀螺儀的4展動(dòng)傳感器。其中4昔助于靜電 式的驅(qū)動(dòng)器來激發(fā)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。同樣以靜電的方式，也就是說通過電 容測(cè)量借助于所輸送的交流電壓來獲得輸出信號(hào)以及用于調(diào)節(jié)驅(qū) 動(dòng)器的信號(hào)。在此，用于驅(qū)動(dòng)器的所輸送的交流電壓的振幅明顯大 于通過改變電容所獲得的信號(hào)的振幅，因此特別是用于確定旋轉(zhuǎn)速 率而需要繼續(xù)處理的輸出信號(hào)受到了巨大的干擾。這樣損害了測(cè)量 的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)速率的裝置，該裝 置的精度滿足很高的要求并且該裝置具有很大的動(dòng)態(tài)范圍 (Dynamikbereich )，也就是說，仍然應(yīng)該以足夠的精度來測(cè)量最小的旋轉(zhuǎn)速率，同時(shí)在很大的旋轉(zhuǎn)速率的情況下不會(huì)出現(xiàn)過度驅(qū)動(dòng)
(tjbersteuerung )。
在根據(jù)本發(fā)明的裝置中該目的由此實(shí)現(xiàn)，即可將激勵(lì)電壓輸送 至電容性驅(qū)動(dòng)元件的固定電極，激勵(lì)電壓的頻率與振動(dòng)傳感器的諧 振頻率或振動(dòng)傳感器的諧振頻率的分諧波相對(duì)應(yīng)(entspricht);可 將具有高于激勵(lì)電壓的頻率的第 一 測(cè)量頻率的交流電壓#T送至用 于測(cè)量被激發(fā)的振動(dòng)的電容性元件；以及將具有不同于第 一測(cè)量頻 率且高于激勵(lì)電壓的頻率的第二測(cè)量頻率的交流電壓輸送至電容 性測(cè)量元件的固定電^ l。
根據(jù)本發(fā)明的裝置可以這樣來設(shè)計(jì)設(shè)置有多個(gè)其它電容性測(cè) 量元件用于測(cè)量被激發(fā)了的振動(dòng)；或者是電容性驅(qū)動(dòng)元件用于測(cè)量 -故激發(fā)了的振動(dòng)。
在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，能夠有利地且無干擾地獲得描述旋轉(zhuǎn) 速率的輸出信號(hào)的一種方案是通過設(shè)備或者說4支術(shù)措施(Mittel) 實(shí)現(xiàn)，該i殳備在4吏用具有第二測(cè)量頻率的交流電壓的情況下對(duì)由固 定接頭分接的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以用于形成描述旋轉(zhuǎn)速率的信號(hào)，并隨 后利用激勵(lì)電壓進(jìn)4亍同步解調(diào)。
本發(fā)明的另 一個(gè)設(shè)計(jì)方案中設(shè)置了設(shè)備或者說技術(shù)措施 (Mittel )，該i殳備進(jìn)一步利用第一測(cè)量頻率對(duì)由固定接頭分4妄的信 號(hào)進(jìn)行解調(diào)并將被解調(diào)的信號(hào)應(yīng)用于調(diào)節(jié)激勵(lì)電壓。
通過本發(fā)明能夠利用巨大的交流電壓來運(yùn)4亍該裝置以用于驅(qū) 動(dòng)，以及還允許了，用于調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)而從第二電容性元件中抽取出的 信號(hào)和用于形成旋轉(zhuǎn)速率信號(hào)而從第三電容性元件中抽取出的信 號(hào)非常微小。然而由于很少的干擾分量，通過驅(qū)動(dòng)電流可良好地評(píng) 估這些信號(hào)，特別是在應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)中可供使用的技術(shù)，例如低噪
6聲的放大器的情況下。此外特別設(shè)計(jì)了在固定接頭上連接有電荷 放大器，該電荷放大器的輸出端與帶通濾波器連接。由此很少的剩 余驅(qū)動(dòng)電流還進(jìn)一 步被衰減。
為了使固定接頭上出現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)電流從開始就保持為很少，在另 一個(gè)改進(jìn)方案中設(shè)置有至少四組電容性驅(qū)動(dòng)元件，在該四組電容性 驅(qū)動(dòng)元件中利用逆相的交流電壓分量和相同的偏壓分別力口載兩組 電容性驅(qū)動(dòng)元件。
例^口這可以^口下面戶斤述i也進(jìn)4亍
Ul=U10+Ullsinwt
U2=U10-Ullsincot
U3=-U1
T T/l— T TO --U厶
由此，在固定接頭處的充電電流得到了補(bǔ)償，同時(shí)所產(chǎn)生的驅(qū) 動(dòng)轉(zhuǎn)矩得到了增強(qiáng)，這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與LP成比例。在不采用前 述權(quán)利要求的措施的情況下，這種措施也可成功地應(yīng)用，并且顯著 地減少了由激勵(lì)電壓所引起的干擾。
技術(shù)人員可以在仔細(xì)考慮每次面對(duì)的具體情況后來做出對(duì)這
第一測(cè)量頻率和第二測(cè)量頻率處于激勵(lì)電壓的頻率的1(H咅直至500 倍的范圍內(nèi)，這已經(jīng)凈皮i正明是有利的。
本發(fā)明適用于不同類型的振動(dòng)傳感器，然而優(yōu)選地是將振動(dòng)傳 感器設(shè)置為振動(dòng)陀螺儀(Vibrationskreisel)。然而才艮據(jù)本發(fā)明，例如 也可以設(shè)計(jì)成線性振動(dòng)的4展動(dòng)傳感器。


本發(fā)明允許有大量的實(shí)施例。在圖中根據(jù)多個(gè)附圖示意性地示
出其中一個(gè)實(shí)施例并在下面加以描述。圖中示出
圖1示意性地示出振動(dòng)陀螺儀(Vibrationskreisel)的俯一見圖， 該振動(dòng)陀螺儀具有用于驅(qū)動(dòng)和用于調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)所必需的元件和所輸 送的交流電壓；
圖2示意性地示出振動(dòng)陀螺儀的側(cè)視圖，該振動(dòng)陀螺儀具有用 于去除信號(hào)所必需的組件；
圖3示出施加于振動(dòng)陀螺儀的固定接頭上的信號(hào)的頻譜；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的裝置的框圖；以及
圖5是在根據(jù)圖4的裝置中出現(xiàn)的不同信號(hào)的電壓時(shí)間圖。
具體實(shí)施例方式
在圖1中所示出的l展動(dòng)陀螺儀由圓盤1構(gòu)成，該圓盤可翻轉(zhuǎn)地 (kippbar),然而不可旋轉(zhuǎn)地支撐在2處。圓環(huán)3通過有彈性簧片4 與圓盤1這樣地連接，即使該圓環(huán)可以相對(duì)于圓盤1處于旋轉(zhuǎn)振動(dòng)狀態(tài)。
在圓環(huán)3的周邊設(shè)有多個(gè)支撐臂5至10，這些支撐臂支撐了電 容性元件11至16。在才艮據(jù)圖l的示意性的圖示中，相對(duì)于一個(gè)已 實(shí)施的實(shí)施例來i兌延長(zhǎng)地示出支撐臂5至10。電容性元件11至16 分別由設(shè)置在支撐臂處并因此與圓環(huán)3 —起移動(dòng)的電極17和固定 電極18, 18，構(gòu)成。固定電極18， 18，絕緣地安裝在未示出的基板上，該基板也整 體地支撐部件1至17。用于對(duì)該基板結(jié)構(gòu)化的方法在現(xiàn)有技術(shù)中是 已知的并且耳關(guān)系本發(fā)明不需要詳細(xì)說明。
4尋同才羊步頁率的、然而是不同相4立的叉i^ 電壓輸送至電容性元件 11至14的電極18， 18，用于激發(fā)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，在下文中將該交流電壓 稱為激勵(lì)電壓。此外如在小圖中所示，將直流電壓分別疊加于激勵(lì) 電壓，/人而^吏電4及18和電才及18'具有同樣的直流電壓分量和逆相 (gege叩hasige )的交流電壓分量。這樣做是為了產(chǎn)生周期性的合 成轉(zhuǎn)矩，這是因?yàn)槔缭陔姌O18上所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與在那里所施加 的電壓的平方成比例并因jt匕始終是正的。只有由電4及18和18'所產(chǎn) 生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩的總和才包含所期望的交流分量。
為了產(chǎn)生足《多大的馬區(qū)動(dòng)力，電才及i7與電才及i8， is;成才危形嵌套
(kammartig verschachtelt),其中為了清楚^f義分別示出兩個(gè)單獨(dú)的電 才及，然而在實(shí)際應(yīng)用中凄t量明顯更多。
頻率控制振蕩器(VCO: ) 19具有兩個(gè)逆相的輸出端20， 21, 該振蕩器用于產(chǎn)生逆相的激勵(lì)電壓，該激勵(lì)電壓具有相應(yīng)的偏壓并 被輸送至電容性元件11至13。接頭2用作未示出的、由激勵(lì)電壓 所產(chǎn)生的電流的回流(Riickfiihrung )，在后文中還會(huì)聯(lián)系i走轉(zhuǎn)速率 信號(hào)的獲得來對(duì)該4妄頭加以i兌明。電容性測(cè)量元件15, 16用于調(diào) 節(jié)旋轉(zhuǎn)纟展動(dòng)，其中利用交流電壓來加載這些測(cè)量元件，該交流電壓 在振蕩器22中產(chǎn)生并具有第一測(cè)量頻率fl。同樣地，如在后文中 所說明的，該交流電壓的輸送是用于測(cè)量電容性元件15, 16的電 容量并因此用于獲得描述旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的信號(hào)。
圖2在側(cè)一見圖中示出圓盤1和該圓盤的具有共同的4妄頭23的 支承部2。由雙箭頭示出的移動(dòng)是由科里奧利力引起，并描述了需 要測(cè)量的S走轉(zhuǎn)速率。翻轉(zhuǎn)移動(dòng)由電容測(cè)量來確定，為此利用逆相的交流電壓來加載兩個(gè)電極24， 25，該交流電壓由振蕩器26產(chǎn)生并 具有第二測(cè)量頻率f2。固定接頭23與放大器27的輸入端連接，該 放大器通過電阻28和電容器29負(fù)回授(gegengekoppelt)并且為電
荷放大器的形式。
在接頭23處的信號(hào)具有在圖3中示出的頻譜，也就是說具有 下列分量具有激勵(lì)頻率(在所示出的例子中用fres表示諧振頻率)； 具有雙〗咅的激勵(lì)頻率，其由于電容4展蕩和激勵(lì)電壓的混合而產(chǎn)生并 表現(xiàn)為4艮大的值；具有第一測(cè)量頻率fl和第二測(cè)量頻率f2。測(cè)量 頻率具有邊帶，該邊帶包含測(cè)量信息。具有頻率fres和2xfres的分 量會(huì)引起顯著的過度驅(qū)動(dòng)(tJbersteuerung )和干4尤，并由在四個(gè)驅(qū) 動(dòng)組中的符號(hào)變換控制來盡可能地壓制。
在根據(jù)圖4的框圖中，電容性元件11至14和15, 16與圖1 相比獨(dú)立于其枳4成構(gòu)造地示出，/人而^f吏電才及18或者說18'分別與電 極17—起顯示為電容器對(duì)，其中為了清晰，在四個(gè)電容器對(duì)ll至 14中僅示出其中兩個(gè)以及在兩個(gè)電容器對(duì)15， 16中僅示出其中一 個(gè)。已聯(lián)系圖2和3對(duì)在輸出端23上的電荷放大器27以及隨后的 帶通濾波器30進(jìn)行了描述。
在濾波器30的輸出端A上連接有兩個(gè)倍增器31， 32，在這些 倍增器中利用測(cè)量頻率fl和O進(jìn)行同步解調(diào)。用B和C來表示解 調(diào)了的信號(hào)。在33處進(jìn)行低通濾波之后，在34處存在一個(gè)信號(hào)， 其描述了振動(dòng)陀螺儀的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。將該信號(hào)輸送至另一個(gè)倍增器 35,該倍增器與振蕩器19和具有工作特性F (p)的調(diào)整器36 — 起構(gòu)成了調(diào)整回^各。由此對(duì)振蕩器19的^r出電壓的頻率和相位都 來控制使得其產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩。為了控制振蕩的振幅，將位于34 處的信號(hào)通過加法器37與基準(zhǔn)電壓Uref相比4交并通過具有工作特 性G (p)的另一個(gè)調(diào)整器38輸送至振蕩器19的控制輸入端，在 該振蕩器的輸出端20, 21上存在著具有直流電壓分量的激勵(lì)電壓。
10為了產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)速率信號(hào)，將倍增器32的輸出信號(hào)C輸送至低 通濾波器39。該信號(hào)從那里到達(dá)另一個(gè)倍增器40，此外還將具有 頻率fres的信號(hào)輸送至該倍增器，由此該倍增器作為同步解調(diào)器工 作。被解調(diào)的信號(hào)D顯示為旋轉(zhuǎn)速率信號(hào)，將該信號(hào)通過放大器
4i豐lr送至車lr出端42。
圖5示出不同的時(shí)間圖，也就是圖A，其描述了濾波器30 的輸出信號(hào)A;圖B，其描述了同步解調(diào)器31的輸出信號(hào)B;圖C, 其具有同步解調(diào)器32的輸出信號(hào)C;以及圖D，其具有同步解調(diào) 器40的輸出信號(hào)D，其中為了對(duì)在圖B， C和D中的解調(diào)加以"i兌 明，除了包絡(luò)線(Einhiillenden)、也就是解調(diào)的結(jié)果之外還顯示了 載波。
權(quán)利要求
1.一種利用振動(dòng)傳感器(1，2，3)測(cè)量旋轉(zhuǎn)速率的裝置，借助于多個(gè)電容性驅(qū)動(dòng)元件(11至14)來激發(fā)和測(cè)量所述振動(dòng)傳感器的垂直于第一軸線的振動(dòng)，以及借助于多個(gè)電容性測(cè)量元件(24，25)來測(cè)量所述振動(dòng)傳感器的在第二軸線上的旋轉(zhuǎn)，所述在第二軸線上的旋轉(zhuǎn)由在科里奧利力的作用下在第三軸線上的旋轉(zhuǎn)而激發(fā)，其中所述這些電容性元件分別由多個(gè)固定電極(18，18′；24，25)和可與所述振動(dòng)傳感器一起移動(dòng)的電極(17；1)構(gòu)成，以及所述這些可移動(dòng)的電極(17；1)一起與固定接頭(2；23)連接，其特征在于，可將激勵(lì)電壓輸送至所述電容性驅(qū)動(dòng)元件(11至14)的所述固定電極(18，18′)，所述激勵(lì)電壓的頻率與所述振動(dòng)傳感器(1，2，3)的諧振頻率或與諧振頻率的分諧波相對(duì)應(yīng)；可將具有高于所述激勵(lì)電壓的頻率的第一測(cè)量頻率的交流電壓輸送至用于測(cè)量被激發(fā)了的振動(dòng)的電容性元件(15，16)；以及將具有不同于所述第一測(cè)量頻率且高于所述激勵(lì)電壓的頻率的第二測(cè)量頻率的交流電壓輸送至所述電容性測(cè)量元件的所述固定電極(24，25)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，設(shè)置有多個(gè)其它電 容性測(cè)量元件(15， 16)用于測(cè)量纟皮激發(fā)了的振動(dòng)。
3. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電容性驅(qū)動(dòng)元 件用于測(cè)量被激發(fā)了的振動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，設(shè)置有設(shè)備，所述 i殳備在^f吏用具有所述第二測(cè)量頻率的交流電壓的情況下對(duì)由所述固定接頭(23 )分接的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以用于形成描述所述 旋轉(zhuǎn)速率的信號(hào)，并隨后利用所述激勵(lì)電壓進(jìn)行同步解調(diào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，設(shè)置有設(shè)備，所述 設(shè)備進(jìn)一步利用所述第一測(cè)量頻率對(duì)由所述固定接頭(23 )分 接的所述信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并將被解調(diào)的所述信號(hào)應(yīng)用于調(diào)節(jié)所 述激勵(lì)電壓。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，在所述固定接頭(23)上連接有電荷放大器(27),所述電荷放大器 的輸出端與帶通濾波器(30)連接。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，設(shè)置有 至少四組電容性驅(qū)動(dòng)元件，其中利用逆相的交流電壓分量和相 同的偏壓分別加載兩組所述電容性驅(qū)動(dòng)元件。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第 一測(cè)量頻率和所述第二測(cè)量頻率處于所述激勵(lì)電壓的頻率的 l(H咅直至50(H咅的范圍內(nèi)。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述振 動(dòng)傳感器是振動(dòng)陀螺儀(1至18')。
10. —種利用振動(dòng)傳感器(1, 2, 3)測(cè)量旋轉(zhuǎn)速率的裝置，借助 于多個(gè)電容性驅(qū)動(dòng)元件(11至14)來激發(fā)和測(cè)量所述振動(dòng)傳 感器的垂直于第 一軸線的振動(dòng)，以及借助于多個(gè)電容性測(cè)量元 件(24， 25)來測(cè)量所述振動(dòng)傳感器的在第二軸線上的旋轉(zhuǎn)， 所述在第二軸線上的旋轉(zhuǎn)由在科里奧利力的作用下在第三軸 線上的4t轉(zhuǎn)激發(fā)，其中所述電容性元件分別由多個(gè)固定電^L(18, 18'; 24， 25 )和可與所述振動(dòng)傳感器一起移動(dòng)的電極(17; l)構(gòu)成，以及所述可移動(dòng)的電才及(17; l)—起與固定 接頭(2; 23)連接，其特征在于，設(shè)置有至少四組電容性驅(qū) 動(dòng)元〗牛，其中利用逆相的交流電壓分量和相同的偏壓分別加載 兩纟且所述電容性驅(qū)動(dòng)元<牛。
全文摘要
一種利用振動(dòng)傳感器測(cè)量旋轉(zhuǎn)速率的裝置，借助多個(gè)電容性驅(qū)動(dòng)元件激發(fā)和測(cè)量該傳感器的振動(dòng)，并借助科里奧利力通過在另一軸線上的旋轉(zhuǎn)激發(fā)該傳感器在一條軸線上的旋轉(zhuǎn)，且借助電容性測(cè)量元件來測(cè)量該旋轉(zhuǎn)，其中可將激勵(lì)電壓輸送至驅(qū)動(dòng)元件的固定電極，該電壓的頻率與振動(dòng)傳感器的諧振頻率或諧振頻率的分諧波相對(duì)應(yīng)，將具有高于激勵(lì)頻率的第一測(cè)量頻率的交流電壓輸送至用于測(cè)量被激發(fā)的振動(dòng)的電容性元件和將具有不同于第一測(cè)量頻率且高于激勵(lì)頻率的第二測(cè)量頻率的交流電壓輸送至測(cè)量元件的固定電極，和/或?qū)⒓?lì)電壓輸送至在一個(gè)方向上基于該激勵(lì)電壓引起振動(dòng)激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)元件，該激勵(lì)電壓與可輸送至其它驅(qū)動(dòng)元件在其它方向引起激勵(lì)的激勵(lì)電壓逆相。
文檔編號(hào)G01C19/56GK101589292SQ200780036478
公開日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2007年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者德拉戈·施特勒, 洛塔爾·吉爾, 福爾克爾·肯佩 申請(qǐng)人:大陸汽車有限責(zé)任公司;感應(yīng)動(dòng)力股份公司