DE1283008B - Winkelgeschwindigkeitsmesser - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIp

GOIc

Deutsche Kl.: 42 ο -13/03

Nummer: 1 283 008

Aktenzeichen: P 12 83 008.9-52 (J 30275)

Anmeldetag: 9. März 1966

Auslegetag: 1.4. November 1968

Die Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitsmesser mit Schwingungsgeber.

Bei den bekannten Winkelgeschwindigkeitsmessern wird zumindest ein oszillierendes oder schwingendes Organ benutzt, statt umlaufender Organe, wie es bei klassischen Kreisel-Winkelgeschwindigkeitsmessern der Fall ist.

Gemäß der Erfindung wird ein Winkelgeschwindigkeitsmesser mit einem Schwingungsgeber vorgeschlagen, der von zwei stabförmigen Torsionsgliedern ge- ίο bildet wird, die in einer axialen Verlängerung zueinander angeordnet und die in der Ebene des Schwingungsgebers derart miteinander verbunden sind, daß sie einen einzigen Stab bilden, der an seinen Enden zwei in entgegengesetzten Phasen schwingende Massen trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingenden Massen durch zwei Paare in Form eines H schwingender Lamellen gebildet werden und das zweite Lamellenpaar in der Verbmdungsebene der beiden Torsionsglieder angeordnet ist und daß die ao genannte Ebene senkrecht zur Achse der Torsionsglieder steht und die Lamellen Aufnehmer zur Dehnungsmessung tragen.

Die Konstruktion des Winkelgeschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung besitzt eine charakterische Mittelachse, die als Torsionsstange ausgebildet ist. Diese Achse ist im Verlauf der Herstellung durch zwei Mittelpunkte ausgezeichnet. Man muß in allen Herstellungsstufen sicherstellen, daß an den verwendeten Werkzeugmaschinen diese Achse wiedergefunden wird. Sämtliche anderen geometrischen Körper des Winkelgeschwindigkeitsmessers liegen in Ebenen, die senkrecht zu der genannten Achse stehen. Die zusätzlichen Körper sind gegenüber der genannten Achse symmetrisch ausgebildet. Aus diesem Grunde stellt die Fertigung des Winkelgeschwindigkeitsmessers durch Arbeitsstufen des Abdrehens und der Winkelaufteilung um die Achse am Fertigerzeugnis die besten Abmessungsmerkmale sicher, die erwünscht sind, um die besten Leistungen des Winkelgeschwindigkeitsmessers zu erhalten.

In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht des Winkelgeschwmdigkeitsmessers,

F i g. 2 einen Längsschnitt, der die Verstellung der Lamellen zeigt,

F i g. 3 einen Querschnitt der Torsionsachse,

F i g. 4 einen Querschnitt der Torsionsachse zu einer anderen Ausführungsform,

F i g. 5 eine Draufsicht auf eine Schwinglamelle,

Winkelgeschwindigkeitsmesser

Anmelder:

Societe Jaz S. A., Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. W. Cohausz

Dipl.-Ing. W. Florack, Patentanwälte,

4000 Düsseldorf, Schumannstr. 97

Als Erfinder benannt:

Rene Fillod,

Gerard Lallement,

Claude Oudet, Besancon (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 10. März 1965 (8577)

F i g. 6 eine Draufsicht auf eine Schwinglamelle anderer Ausführung,

F i g. 7 einen Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels.

Der in Fig. 1 dargestellte, erfindungsgemäße Winkelgeschwindigkeitsmesser besteht aus einer Torsions-Schwingungseinrichtung, die zwei Torsionsglieder in Stabförmig la enthält, welche die Torsionsfedern bilden und deren besondere Querschnitte im folgenden beschrieben sind:

Die Torsionsstäbe 1, la sind an ihren Enden in einer Torsions-Schwingungsebene, die durch die Achsen OX, OY bestimmt ist, miteinander verbunden, um einen einzigen Stab zu bilden, an welchem einerseits die Vibrationslamellen 3, 3 a, andererseits eine Masse 4 befestigt ist, die die Masse der Torsions-Schwingungseinrichtung bildet und gegenphasig schwingt.

Die Achse OZ der Torsionsstäbe 1, la, die die geometrische Drehachse ist, bildet mit den Achsen OX, OY einen rechtwinkligen Dreiflächner.

Die Vibrationslamellen 5, 5 a, die an den Drehstäben 1, la in ihrer Verbindungsebene 2 sitzen, sind parallel zu den vibrierenden Lamellen 3, 3 a angeordnet.

Die Lamellen 3, 3 a und 5, 5 a vibrieren in der Ebene OX, OZ, begrenzt von der Ebene OY, OZ.

809 6B7/945

3 4

Da ihre Grundfrequenzen mit dem Torsionsstab 1 Elemente 8, 8 α als Erreger. Diese Art der Aufrechtübereinstimmen, bilden sie eine Schwingungseinrich- erhaltung der Torsionsschwingungen besitzt den Vortung in Η-Form von gleicher Frequenz wie die Tor- teil, die Erregung unabhängig von den Schwingunsions-Schwingungseinrichtung. gen des Trägers zu gestalten.

Diese Ausführung ist mehr oder weniger fest auf 5 Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beeinem (nicht dargestellten) Träger an den Stielen 6, sitzt der Torsionsstab 1 einen kreuzförmigen Quer- 6a befestigt, die an der Ebene 2 vorgesehen sind und schnitt (Fig. 3), um große Festigkeit bei der Biesich beiderseits der Lamellen 5, 5 a in Richtung der gung in der Ebene der OX-, 0Y-Achsen aufzuwei-Achse OY erstrecken. sen, so daß dieser Stab die Lamellen 3, 3 a mit den

Es ist klar, daß die Torsionsschwingungen keine io Lamellen 5, Sa, ohne diese selbst zu deformieren, wesentlichen Transversalschwingungen der Lamel- koppeln kann.

Ien3, 3 a und 5, 5 a hervorrufen und umgekehrt die Um zu vermeiden, daß eine Restdeformation einer

Transversalschwingungen dieser Lamellen keine Tor- Biegung des Stabes 1 eine transversale Bewegung der sionsschwingung auslösen. Masse 4 nach sich zieht, ist nach einem Ausführungs-

Es ist darauf hinzuweisen, daß die Verkürzung der 15 beispiel (Fig. 4) der Querschnitt des Stabes la recht-Torsionsstäbe 1, la bei einer Frequenz 2 F, die durch eckig ausgeführt, um im Gegensatz zum Stab 1 ein die Torsion hervorgerufen wird, kein oberes Teil- geringes Trägheitsmoment der Biegung in der Ebene chen der Lamellen 3, 3 α erregt. gemäß den Achsen OX₁ OZ aufzuweisen.

Die Transversalschwingung der Lamellen 3, 3 a Ein anderer Vorteil der erfindungsgemäßen Bauart

lösen automatisch eine gekoppelte Schwingung der 20 des Winkelgeschwindigkeitsmessers besteht darin, daß Lamellen 5, 5 a aus. Wird eine Torsionsschwingung die Herstellung der Lamellen 3, 3 a, 5, 5 a durch ausgelöst, erscheint die Transversalschwingung der Drehen des Stückes um die Torsionsachse OZ unter Lamellen 3,3 a unter der Wirkung einer Torsion um Zuhilfenahme der Mittelpunkte 10,10 α erfolgen kann, die Achse OX, gemäß der in Fig. 2 gestrichelt dar- Die Ebene der Laraellen 3 und 3α soll völlig senkgestellten Deformation. Die Lamellen 5, 5 a beginnen 25 recht zur Achse OZ sein. Gleicherweise können die also mit derselben Amplitude zu vibrieren wie die Querschnitte der Torsionsstäbe gemäß den Fig. 3 Lamellen 3,3 a bzw. mit entgegengesetzter Phase. und 4 zur genauen Herstellung durch Drehen um die

Auf den Lamellen 5, 5a sind Aufnehmer 7, Ta für gleichen Mittelpunkte erhalten werden. Das ganze die Drehung aufgeklebt. So wird die Drehung von Gerät kann aus einem einzigen Materialblock herge-Organen aufgenommen, die sich bei Abwesenheit 30 stellt werden, was bekannte Vorteile ergibt, einer Drehung völlig in Ruhe befinden, da sie in der Nach einem anderen Ausführungsbeispiel kann

Verbindungsebene der erregten Torsionsschwingung eine Wirbelstrom-Dämpfungsvorrichtung auf den liegen. Lamellen 5,5 a vorgesehen werden.

Die Aufnehmer 7, Ta sind vorteilhafterweise Deh- In Fig. 5 ist ein Ausfuhrungsbeispiel des Tornungsmesser, die die Verlängerung der Oberflächen- 35 sionsstabes 1 dargestellt, der aus vier parallelen Stäfasern unter der transversalen Deformationswirkung ben 11 a, Ub, lic, Hd gefertigt ist, die kreuzförmig messen, und werden aus geklebten piezoelektrischen angeordnet sind.

Kristallen gebildet oder aus Draht-Dehnungsmeß- In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 ist der

streifen oder Halbleitern. Torsionsstab 1 aus zwei parallelen Stäben 12 und 12 a

Die Verwendung von aufgeklebten und empfind- 40 hergestellt. Diese Ausführungsform besitzt den Vorlichen Dehnungsmessern über die ganze Länge der teil der in F i g. 3 und 4 dargestellten Formen; ferner Lamellen 5,5 a gestattet alle Signale der oberen Teile ist die Form der Stäbe eine solche, daß die Federn der Lamelle oder, allgemeiner, alle Komponenten der Torsionsschwingung fast ausschließlich Zwangshöherer Frequenz der Geräusche, die durch den Trä- biegungen unterworfen sind.

ger des Torsionsmessers übertragen werden, zu inte- 45 Die Vorzüge und die Merkmale des Winkelgrieren; diese Vorteile sind bei den gebräuchlichen geschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung wer-Einrichtungen punktförmiger Deformationsaufneh- den ohne Rücksicht auf Änderungen der Temperatur mer, die am Ende der Lamellen sitzen, nicht zu aufrechterhalten, da die Eigenfrequenz des zweiten erreichen. Schwingungserregers und diejenige des ersten Schwin-

Bei Verwendung von Dehnungsmeßstreifen werden 50 gungserregers gleichbleibt. Es wird durch eine untervorteilhaft vier Streifen auf jede Lamelle 5, 5 a auf- schiedliche Abstimmung zwischen den beiden Schwingeklebt. Sie werden so aneinandergereiht, daß jedes gungserregern die Tatsache beabsichtigt, daß die Signal, das von einer entgegengesetzten als der von Differenz der Eigenfrequenz zwischen den beiden der Drehung auferlegten Deformation stammt, aus- Schwingungserregern Null ist. Die Erfahrung hat geschaltet wird, was sich hauptsächlich für die 55 entgegen der allgemeinen Theorie gezeigt, daß die Schwingungen oder Stöße in ÖZ-Richtung ergibt. Gesetze der Änderung der Eigenfrequenz eines

Die Erregung der Torsionsbewegung wird mittels mechanischen Oszillators als Funktion eines Parader piezoelektrischen Lamellen oder Doppellamel- meters (beispielsweise der Temperatur) verschieden Ien8, 8 a erhalten, die wie Beschleunigungsmesser sind, zufolge, daß die deformierbaren Bauteile des gemäß einer bekannten Einrichtung funktionieren und 60 Oszillators Änderungen durch Kürzung oder Strekauf die Masse 4, die unempfindlich gegen die Tor- kung unterworfen sind.

sion ist, angeordnet sind. Eines der Elemente 8 und Hierbei ist zu beachten, daß die thermischen Koef-

a funktioniert als Abnehmer, das andere als Er- fizienten des Coulomb-Moduls (Torsionsmodul) und reger: erstes ist an das letztere über einen Verstär- des Young-Moduls (Biegungsmodul) verschieden sind, ker 9 angeschlossen. 65 Infolgedessen sind die Änderungen der Eigenfrequenz

Der Abnehmer kann auch aus einem Halbleiter- als Funktion der Temperatur verschieden in Abhan-Dehnungsmesser gebildet sein, der auf die Torsions- gigkeit davon, ob es sich um einen Torsions- oder stäbe 1, 1 α geklebt ist. Solchenfalls funktionieren die Biegungsoszillator handelt.

Bei der vorliegenden Konstruktion werden die durch Torsion deformierbaren Bauteile des ersten Schwingungserregers im wesentlichen durch Biegungsänderung erregt. Infolgedessen sind die Gesetze der Änderung der Eigenfrequenz der beiden Schwingungserreger gleich, und ihre Differenz ist somit gleich Null.

Ein weiteres, in F i g. 7 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Winkelgeschwindigkeitsmessers mit Schwingungsgeber besitzt eine regelbare Dämpfung, die aus einem auf der Schwingungseinrichtung in Η-Form angeordneten elektronischen Kreis besteht.

Die Aufnehmer?, la sind über einen Verstärker

13 an die vorzugsweise piezoelektrischen Erreger 14,

14 a angeschlossen, die an den Enden der Lamellen 5, Sa angeordnet sind. Die Organe 14,14 a liegen in der Verbindungsebene des Torsionsschwingungserregers.

Das von den Aufnehmern 7,7 a abgegebene Signal wird von dem Verstärker 13 verstärkt und an die Erreger 14, 14 a übertragen. Der Verstärker 13 gibt ein Signal, dessen Gesetzmäßigkeit die der Geschwindigkeit der Bewegung der Schwingungseinrichtung in Η-Form ist.

Die Konstante des Winkelgeschwindigkeitsmessers ist durch die Zeitkonstante des zweiten Schwingungserregers gegeben. Diese Zeitkonstante τ wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:

τ =

2-e

CO

wobei Q die wirkliche Überspannung beim Betrieb des Winkelgeschwindigkeitsmessers und ω seine Eigenpulsation ist.

Übrigens ist die Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitsmessers direkt proportional der wirklichen Überspannung des zweiten H-förmigen Schwingungserregers.

Der Koeffizient der Überspannung Q des zweiten Schwingungserregers ist mindestens aus zwei Gründen einer Fluktuation unterworfen, das sind die Änderungen der Temperatur und des Materials.

Um den Koeffizienten der Überspannung des H-förmigen Schwingungserregers wesentlich zu beherrschen, legt man an diesen Dämpfungs- oder Aufrechterhaltungsmomente an. Diese Momente müssen nach der mathematischen Theorie der Aufrechterhaltung des Schwingungserzeugers entweder entgegen der Phase oder mit der Phase mit der Eigenfrequenz des Schwingungserregers angelegt werden.

Bei dem vorliegenden Winkelgeschwindigkeitsmesser liefert der Verstärker 13 neben den Signalen, die von den Aufnehmern stammen, eine Spannung, die an die Erreger angelegt wird und die gut dem sinusförmigen Gesetz der Geschwindigkeit entspricht. Die Momente, die durch die Erreger erzeugt werden, sind somit die Momente der Dämpfung oder des Aufrechterhaltens.

Daraus folgt, daß der Koeffizient der Überspannung des Biegungserregers direkt von der Verstärkung des Verstärkers 13 abhängig ist und daß die Änderungen der Überspannung des Erregers gegenüber dem Hauptteil der Überspannung des Verstärkers sind.

Nach einem anderen Ausführungsbeispiel können flexible Lamellen 5, Sa kleinere Abmessungen als die Lamellen 3, 3 a besitzen, mit welcher sie die H-Form bilden. Sie verbleiben, wohlgemerkt, bei der gleichen Frequenz. Diese kleineren Lamellen vibrieren mit einer größeren Amplitude, denn für eine gegebene Torsion bleibt ihre Energie konstant. Auf diese Weise wird das durch den Torsionsempfänger gelieferte Signal (piezoelektrische oder piezoresistive Mittel) größer und die Empfindlichkeit des Meßgerätes erhöht.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Winkelgeschwindigkeitsmesser mit einem Schwingungsgeber, der von zwei stabförmigen Torsionsgliedern gebildet wird, die in einer axialen Verlängerung zueinander angeordnet und die in der Ebene des Schwingungsgebers derart miteinander verbunden sind, daß sie einen einzigen Stab bilden, der an seinen Enden zwei in entgegengesetzten Phasen schwingende Massen trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingenden Massen durch zwei Paare in Form eines H schwingender Lamellen (3, 3 α und 5, 5 ä) gebildet werden und das zweite Lamellenpaar (5, 5 a) in der Verbindungsebene der beiden Torsionsglieder (1, 1 a) angeordnet ist und daß die genannte Ebene senkrecht zur Achse der Torsionsglieder (1,1 α) steht und die Lamellen (5, 5 a) Aufnehmer (7, 7 a) zur Dehnungsmessung tragen.

2. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er auf einem Träger mittels Stielen (6, 6 a) befestigbar ist, die in der Verbindungsebene angeordnet sind und die sich beiderseits der vibrierenden Lamellen (5, 5 a) in einer senkrecht zur Lamellenachse verlaufenden Achse erstrecken.

3. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine zwischen den beiden Lamellengruppen (3, 3 a, 5, 5 a) angeordnete Torsionsglied (1) durch einen Stab kreuzförmigen Querschnitts gebildet wird, das andere Torsionsglied (la) aber einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist.

4. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der beiden zwischen den Lamellengruppen (3, 3 a, 5, 5 a) angeordnete Torsionsglied (1) aus vier parallelliegenden, kreuzförmig angeordneten Stäben (lla, lift, lic, lld) gebildet wird, deren Achsen parallel um die gleiche Achse liegen.

5. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer (7, 7 a), die auf den Lamellen (5, 5 a) aufgeklebt sind, aus piezoelektrischen Kristallen gebildet sind.

6. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer (7, 7 a) aus Dehnungsmeßstreifen oder Halbleitern bestehen, die an jeder Seite der vibrierenden Lamellen (5, 5 α) aufgeklebt sind.

7. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerorgane (8, 8 a) der Torsionsschwingungseinrichtung aus piezoelektrischen Lamellen oder Doppellamellen gebildet sind und auf der oszillierenden Masse (4) angeordnet sind.

8. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf-

nehmer aus wenigstens einem Halbleiter bestehen, der zumindest auf einem der Torsionsglieder (1, la) aufgeklebt ist.

9. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingenden Lamellen des Schwingungsgebers, die in Η-Form in der Verbindungsebene angeordnet sind, Wirbelstrom-Dämpfungseinrichtungen aufweisen.

10. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach An-Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer (7, 7 a), die auf den schwingenden Lamellen^, 5 a) aufgeklebt sind, über einen Ver-

stärker (13) mit Erregerorganen (14, 14 a), vorzugsweise piezoelektrischer Art, verbunden sind.

11. Winkelgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingenden Lamellen (5, 5 a), die in der Verbindungsebene angeordnet sind, kleinere Ausmaße aufweisen als die beiden anderen Lamellen (3, 3 a) des H-förmigen Schwingungsgebers.

In Beträcht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1328 297,
046;
britische Patentschriften Nr. 611011, 947 310.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

S09 637/945 11.68 Q Bundcsdruckerei Berlin