DE19920968C2 - Arrangement and measuring method for detecting at least one movement-characteristic quantity of a moving measuring device body - Google Patents
Arrangement and measuring method for detecting at least one movement-characteristic quantity of a moving measuring device bodyInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Meßverfahren gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 15.The invention relates to an arrangement and a measuring method according to the features of Preamble of claims 1 and 15.
Aus dem Europäischen Patent 0 192 719 B1 und aus dem US-Patent 4,821,218 sind Anordnungen zur Bestimmung von zumindest einem charakteristischen Wert einer Bewegung, wie Beschleunigung, Geschwindigkeit, zurückgelegter Weg eines sich im Wesentlichen linear und horizontal bewegenden Körpers bekannt.From European patent 0 192 719 B1 and from US patent 4,821,218 Arrangements for determining at least one characteristic value of a movement, such as acceleration, speed, distance traveled and essentially linear horizontally moving body known.
Nachteile der bekannten Anordnungen sind unter anderem:
Disadvantages of the known arrangements include:
- - Eingeschränkte Erfassung von rotierender Bewegung und eingeschränkter Rotationsbereich des Meßgerätegrundkörpers,- Limited detection of rotating movement and restricted range of rotation of the Meßgerätegrundkörpers,
- - ungenaue Erfassung der Bewegungskomponenten des Meßgerätegrundkörpers,- Inaccurate detection of the movement components of the basic body of the measuring device,
- - ungenaue Signalverarbeitung,- imprecise signal processing,
- - keine Kalibrierung.- no calibration.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art in der Weise zu verbessern, daß eine Vielzahl der für einen bewegten Körper charakteristischen Bewegungsmerkmale möglichst exakt ermittelt und ausgewertet werden kann.It is the object of the invention a circuit arrangement and a method in the preamble of claim 1 to improve the way that a variety of for one moving body characteristic movement characteristics as accurately as possible and can be evaluated.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.This object is achieved by an arrangement according to claim 1 and by a Method according to claim 15 solved. Advantageous further developments of the invention are in the Subclaims specified. Exemplary embodiments of the invention are described below the drawing explained in more detail.
Dabei zeigenShow
Fig. 1 und 2 das Prinzip einer Meßanordnung gemäß der Erfindung; Fig. 1 and 2, the principle of a measuring arrangement according to the invention;
Fig. 3.1 bis 3.4 den mechanischen Aufbau einer Meßanordnung gemäß der Erfindung; Fig. 3.1 to 3.4 the mechanical structure of a measurement arrangement according to the invention;
Fig. 4 das Prinzip der Signalverarbeitung in einer Meßanordnung nach den Fig. 3.1 bis 3.4; Fig. 4 shows the principle of the signal processing in a measuring arrangement of Figures 3.1 to 3.4.
Fig. 5 bis 8 verschiedene Ausführungsbeispiele für die Signalverarbeitung. Fig. 5 to 8 show various embodiments for the signal processing.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Meßanordnungen zeigen einen rotierend, bzw. linear bewegbaren Meßgerätegrundkörper 81, 81', bei dem wenigstens eine horizontale az und/oder ax und/oder eine vertikale Beschleunigungskomponente ay und/oder wenigstens eine Neigungswinkel-Komponente psi und/oder phi innerhalb eines Bezugssystems x; y und z mit signifikantem Gravitationsvektor 201, z. B. Erde 200 erfaßt werden.The measuring arrangements shown in FIGS . 1 and 2 show a rotating or linearly movable basic body 81 , 81 ', in which at least one horizontal az and / or ax and / or one vertical acceleration component ay and / or at least one inclination angle component psi and / or phi within a reference system x; y and z with significant gravitational vector 201 , z. B. Earth 200 can be detected.
Das Bezugssystem aus den Vektoren x, y, z und den Neigungswinkeln phi und psi wird als starr mit dem Inertialsystem 200 mit signifikantem Graviatationsvektor 201 verbunden betrachtet. Der Neigungswinkel phi dreht um den Vektor z. Der Neigungswinkel psi dreht um den Vektor x.The reference system consisting of the vectors x, y, z and the inclination angles phi and psi is considered to be rigidly connected to the inertial system 200 with a significant gravitational vector 201 . The angle of inclination phi rotates around the vector z. The angle of inclination psi rotates around the vector x.
Die Vektoren 21 und 31 geben die Richtungen der Erfassung der Linearbewegungskomponenten des Meßgerätegrundkörpers 81 bzw. 81' innerhalb der Ebene, die durch x und y des Bezugssystemes aufgespannt ist, an. Die Vektoren 21' und 31' geben die Richtungen der Erfassung der Linearbewegungskomponenten des Meßgerätegrundkörpers 81' innerhalb der Ebene, die durch z und y des Bezugssystemes aufgespannt ist, an.The vectors 21 and 31 indicate the directions of the detection of the linear motion components of the measuring device main body 81 and 81 'within the plane spanned by x and y of the reference system. The vectors 21 'and 31 ' indicate the directions of the detection of the linear motion components of the measuring device main body 81 'within the plane spanned by z and y of the reference system.
Der Neigungswinkel 14 ist der Winkel, um den der Meßgerätegrundkörper 81 bzw. 81' gegenüber der Richtung des Gravitationsvektors 201, um den Rotationsvektor 15 und innerhalb der Ebene, die durch x und y des Bezugssystemes aufgespannt ist, verdreht wird. Der Rotationsvektor 15 steht senkrecht auf der Ebene, die durch die Vektoren 21 und 31 aufgespannt ist. Entsprechend ist der Neigungswinkel 25 der Winkel, um den der Meßgerätegrundkörper 81 bzw. 81' gegenüber der Richtung des Gravitationsvektors 201, um den Rotationsvektor 15' innerhalb der Ebene, die durch z und y des Bezugssystemes aufgespannt ist, verdreht wird. Der Rotationsvektor 15' steht senkrecht auf der Ebene, die durch die Vektoren 21' und 31' aufgespannt ist.The angle of inclination 14 is the angle through which the measuring device main body 81 or 81 'is rotated relative to the direction of the gravitational vector 201 , around the rotation vector 15 and within the plane which is defined by x and y of the reference system. The rotation vector 15 is perpendicular to the plane spanned by the vectors 21 and 31 . Correspondingly, the angle of inclination 25 is the angle by which the measuring device main body 81 or 81 'is rotated relative to the direction of the gravitational vector 201 , by the rotation vector 15 ' within the plane which is defined by z and y of the reference system. The rotation vector 15 'is perpendicular to the plane spanned by the vectors 21 ' and 31 '.
Bei den in den Fig. 3.1 bis 3.4 dargestellten Ausführungsbeispielen ist aus Gründen der einfacheren Darstellung ein System mit einem Pendelsystem 1, 12, 13 und zwei zugeordneten Beschleunigungssensoren 2 und 3 beschrieben. Das System kann auch auf ein Zweipendelsystem erweitert werden, wobei dann vorteilhaft einer der Beschleunigungssensoren 3 oder 3' mit seiner zugeordneten Signalaufbereitung entfallen kann. In der Praxis wird vorteilhaft ein vorkonfektioniertes und vorjustiertes Zwei- bzw. Dreiachsen-Beschleunigungssensorsystem, das die Sensoren 2, 3 und ggf. 2' enthält, zum Einsatz kommen.In the exemplary embodiments shown in FIGS. 3.1 to 3.4, a system with a pendulum system 1 , 12 , 13 and two associated acceleration sensors 2 and 3 is described for reasons of simpler illustration. The system can also be expanded to a two-pendulum system, in which case one of the acceleration sensors 3 or 3 'with its associated signal processing can advantageously be omitted. In practice, a pre-assembled and pre-adjusted two- or three-axis acceleration sensor system, which contains sensors 2 , 3 and possibly 2 ', will advantageously be used.
Das Pendelsystem besteht aus einer exzentrischen Masse 13, die auf einer Scheibe 1 angebracht ist. Die Scheibe ist auf einer Achse 12 befestigt, die über Lager 51 und 52 frei drehbar um einen Rotationsvektor 15 bezüglich des Meßgerätegrundkörpers 81 gelagert ist. Das Pendelsystem kann ohne Anschlag Bewegungen von größer 360 Grad relativ zum Meßgerätegrundkörper 81 ausführen.The pendulum system consists of an eccentric mass 13 which is attached to a disc 1 . The disc is fastened on an axis 12 which is mounted in a freely rotatable manner about a rotation vector 15 with respect to the measuring device main body 81 via bearings 51 and 52 . The pendulum system can perform movements of greater than 360 degrees relative to the measuring device body 81 without a stop.
Die Scheibe 1 besteht vorteilhaft aus elektrisch leitendem Material oder ist mit leitendem Material beschichtet. Die Scheibe 1 wird im Luftspalt zwischen den Polschuhen 63 und 64 bzw. 73 und 74 wenigstens eines magnetischen Kreises, bestehend aus einem Permanentmagnet 61 bzw. 71, Joch 62 und 65 bzw. 72 und 75 und den Polschuhen 63 und 64 bzw. 73 und 74, so angeordnet, daß die Scheibe bei der Bewegung des Pendelsystems den wenigstens einen Luftspalt in tangentialer Richtung durchfährt. Ein der Winkelgeschwindigkeit der Scheibe proportionaler Wirbelstrom, der dabei in der elektrisch leitenden Scheibe induziert wird, erzeugt ein geschwindigkeitsproportionales, der Bewegung entgegengerichtetes Drehmoment, wodurch das Pendelsystem geschwindigkeitsproportional gedämpft wird, ohne daß dabei eine Verbindung zwischen Pendelsystem 1; 12; 13 und Meßgerätegrundkörper 81 zusätzlich zur Lagerung 51 und 52 erforderlich wäre. Die wirksame Fläche des Luftspaltes kann auf einen kleinen Bereich konzentriert werden. Da die magnetische Induktion im Luftspalt konstant bleibt, ist die Toleranz der Dämpfung dabei praktisch nur von der Leitfähigkeit und der Schichtdicke des leitenden Materials der Scheibe 1 abhängig.The disc 1 is advantageously made of electrically conductive material or is coated with conductive material. The disc 1 is in the air gap between the pole pieces 63 and 64 or 73 and 74 of at least one magnetic circuit consisting of a permanent magnet 61 or 71 , yoke 62 and 65 or 72 and 75 and the pole pieces 63 and 64 or 73 and 74 , arranged so that the disc moves through the at least one air gap in the tangential direction during the movement of the pendulum system. An eddy current which is proportional to the angular velocity of the disk and which is thereby induced in the electrically conductive disk generates a speed-proportional torque which is opposite to the movement, as a result of which the pendulum system is damped in proportion to the speed without any connection between pendulum system 1 ; 12 ; 13 and measuring device body 81 would be required in addition to the bearings 51 and 52 . The effective area of the air gap can be concentrated in a small area. Since the magnetic induction in the air gap remains constant, the tolerance of the damping is practically only dependent on the conductivity and the layer thickness of the conductive material of the disk 1 .
Die Rotationsbewegung des Pendelsystems 1; 12 und 13 bezüglich des Meßgerätegrundkörpers 81 um der Rotationsvektor 15 wird vom Meßwandlersystem des Pendelsystems, bestehend aus der auf der Scheibe 1 aufgebrachten optischen Rasterteilung 11, bzw. optischen Winkelcodierung 11 und den Sensoren 41 und 42 berührungslos erfaßt und in ein winkelproportionales elektrisches Signal 10 umgewandelt.The rotational movement of the pendulum system 1 ; 12 and 13 with respect to the Meßgerätegrundkörpers 81 around the rotation vector 15 consisting of the coating applied to the disc 1 optical grid division 11, or optical angle encoder 11 and the sensors from Meßwandlersystem of the pendulum system, 41 and 42 detected contact and converted into an angle-proportional electrical signal 10 ,
Die Translationsbewegung des Meßgerätegrundkörpers 81 entlang des Richtungsvektors 21 wird vom Beschleunigungssensor 2 und die Translationsbewegung des Meßgerätegrundkörpers 81 entlang des Richtungsvektors 31 vom Beschleunigungssensor 3 erfaßt.The translational movement of the measuring device body 81 along the direction vector 21 is detected by the acceleration sensor 2 and the translational movement of the measuring device body 81 along the direction vector 31 by the acceleration sensor 3 .
Die Beschleunigungssensoren 2 und 3 sind so angeordnet, daß ihre Richtungsvektoren senkrecht aufeinander stehen und daß beide Richtungsvektoren rechtwinklig zum Rotationsvektor 15 des Pendelsystems 1; 12 und 13 stehen. Das elektrische Ausgangssignal 20 des Beschleunigungssensors 2 repräsentiert die Beschleunigungskomponente des entlang des Richtungsvektors 21 bewegten Meßgerätegrundkörpers 81 und das elektrische Ausgangssignal 30 des Beschleunigungssensors 3 repräsentiert die Beschleunigungskomponente des entlang des Richtungsvektors 31 bewegten Meßgerätegrundkörpers 81.The acceleration sensors 2 and 3 are arranged so that their direction vectors are perpendicular to each other and that both direction vectors are perpendicular to the rotation vector 15 of the pendulum system 1 ; 12 and 13 stand. The electrical output signal 20 of the acceleration sensor 2 represents the acceleration component of the measuring device body 81 moving along the direction vector 21 and the electrical output signal 30 of the acceleration sensor 3 represents the acceleration component of the measuring device body 81 moving along the direction vector 31 .
Das elektrische Signal 10 repräsentiert den Winkel, um den sich das Pendelsystem 1; 12 und 13 um seinen Rotationsvektor 15 relativ bezüglich dem Meßgerätegrundkörper 81 bewegt. The electrical signal 10 represents the angle through which the pendulum system 1 ; 12 and 13 moved relative to the measuring device main body 81 about its rotation vector 15 .
Fig. 4 und Fig. 5 zeigen, prinzipiell wie die Signale 10, 20 und 30 bzw. 10', 20' und 30' über die Schaltungsanordnung 90 zu den Ausgangswerten ax, ay und phi, bzw. az, ay und psi verarbeitet werden. . 5, Figs. 4 and, in principle, how the signals 10, 20 and 30 or 10 ', 20' and 30 'ax through the circuit assembly 90 to the initial values, ay and phi, and az, ay and psi processed ,
Um Fehler, verursacht durch hohe Frequenzanteile in den Meßsignalen 10; 20 und 30, bei der Signalaufbereitung in 130; 230 und 330 zu minimieren, ist in jedem Signalzweig jeweils eine Filteranordnung 110; 210; 310 vorgesehen.For errors caused by high frequency components in the measurement signals 10 ; 20 and 30 , in signal conditioning in 130 ; To minimize 230 and 330 , a filter arrangement 110 ; 210 ; 310 provided.
Der Meßwerterechner 160, 260, 360 berechnet die Ergebniswerte phi, ax und ay. Signalaufbereitung und Meßwerterechner können in einem Ausführungsbeispiel als Signalprozessor 95 zusammengefaßt werden. Der Signalprozessor 95 verarbeitet sowohl analoge Signale 120, 220 und 320 als auch digitale Werte 150, 250, 350, phi, ax, ay. Für ein Zweipendelsystem gelten die Betrachtungen entsprechend.The measured value calculator 160 , 260 , 360 calculates the result values phi, ax and ay. Signal processing and measured value computer can be combined in one embodiment as signal processor 95 . The signal processor 95 processes both analog signals 120 , 220 and 320 and digital values 150 , 250 , 350 , phi, ax, ay. The considerations apply accordingly to a two-pendulum system.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Filterstufen 110, 210 und 310. Jede der Filterstufen 110, 210 und 310 enthält ein Antialiasingfilter 111; 211 und 311 mit definiertem Frequenz- und Phasenverhalten. Das Filter weist vorteilhaft eine Tiefpaßcharakteristik und weiterhin vorteilhaft von höherer Ordnung auf. Fig. 6 shows an exemplary embodiment of the filter stages 110, 210 and 310. Each of the filter stages 110 , 210 and 310 contains an anti-aliasing filter 111 ; 211 and 311 with defined frequency and phase behavior. The filter advantageously has a low-pass characteristic and furthermore advantageously of a higher order.
Vorteilhaft weist wenigstens eines der Antialiasingfilter, z. B. 111 und/oder 211 und/oder 311 eine Einstellmöglichkeit für die Grenzfrequenz und/oder eine weitere Filterstufe 115 und/oder 215 und/oder 315 mit Allpaßcharakteristik und definiert einstellbarer Amplitude und/oder Gruppenlaufzeit auf, um Toleranzen im Amplitudengang und/oder Phasengang der parallel liegenden Filter, z. B. 210 und 310 so auszugleichen, daß die Ausgangssignale 120; 220 und 320 zueinander die im Wesentlichen gleiche Amplituden- und Phasenlage aufweisen wie die unterhalb der Filtergrenzfrequenz liegenden Anteile der Eingangssignale 10; 20 und 30 zueinander. Die Realisierung von Tiefpaß-Filtern und von Allpaß-Filteranordnungen mit einstellbarer Gruppenlaufzeit ist z. B. beschrieben in Tietze/Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, Springer- Verlag Berlin, Kapitel 13.Advantageously, at least one of the anti-aliasing filters, e.g. B. 111 and / or 211 and / or 311 a setting option for the cut-off frequency and / or a further filter stage 115 and / or 215 and / or 315 with all-pass characteristics and defines adjustable amplitude and / or group delay to tolerances in the amplitude response and / or Phase response of the parallel filter, e.g. B. 210 and 310 so that the output signals 120 ; 220 and 320 to one another have essentially the same amplitude and phase position as the portions of the input signals 10 below the filter cut-off frequency; 20 and 30 to each other. The implementation of low-pass filters and all-pass filter arrangements with adjustable group delay is z. B. described in Tietze / Schenk, semiconductor circuit technology, Springer-Verlag Berlin, chapter 13.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Signalprozessors 95, bei dem die analogen Signale 120, 220 und 320 im Multiplexer 96 zunächst nacheinander abgetastet und im A/D-Wandler 97 in digitale Werte 121, 221 und 321 umgewandelt werden. Die Signale 120; 220; 320 bzw. 120'; 220', 320' werden dabei nicht zeitgleich parallel verarbeitet. Die beim zeitlich versetzten Abtasten entstehenden Phasenverschiebungen der Signale werden anschließend bei der Phasenkorrektur in den Stufen 130; 230 und 330 so korrigiert, daß die Ausgangssignale 150; 151; 152 und 250; 251; 252 und 350; 351; 352 zueinander keinen zeitlichen Versatz aufweisen. Fig. 7 shows an embodiment of the signal processor 95 in which the analog signals 120, 220 and 320 are first successively scanned in the multiplexer 96 and the A / D converter 97 into digital values 121, 221 and 321 are converted. The signals 120 ; 220 ; 320 or 120 '; 220 ', 320 ' are not processed in parallel at the same time. The phase shifts of the signals which occur during the time-shifted sampling are subsequently carried out during the phase correction in stages 130 ; 230 and 330 corrected so that the output signals 150 ; 151 ; 152 and 250 ; 251 ; 252 and 350 ; 351 ; 352 have no temporal offset from one another.
Mit den im Festwertspeicher 410 abgelegten Korrekturparametern 403 wird in der Signalaufbereitung 130, 230, 330 eine Korrektur der fehlerbehafteten Werte 121, 221, 321 vorgenommen.With the correction parameters 403 stored in the read-only memory 410 , the error-prone values 121 , 221 , 321 are corrected in the signal preparation 130 , 230 , 330 .
Die physikalischen Parameter des Sensorsystems und die entsprechenden Sensor-Kennlinien können entweder werkseitig bestimmt und über eine Schnittstelle 402 in den Festwertspeicher 410 eingegeben werden, oder sie werden durch eine geeignete Eichprozedur bei der ersten Inbetriebnahme bestimmt und über die Schnittstelle 400 programmgesteuert im Festwertspeicher 410 gespeichert.The physical parameters of the sensor system and the corresponding sensor characteristic curves can either be determined in the factory and entered into the read-only memory 410 via an interface 402 , or they are determined by a suitable calibration procedure during the first start-up and stored programmatically in the read-only memory 410 via the interface 400 .
Das Verfahren zum Eichen umfaßt z. B. folgende Schritte:
Der Meßgerätegrundkörper 81 wird mit einer geeigneten Anordnung in definierten Schritten um
der Rotationsvektor 15 bewegt. Dabei werden für jeden Schritt die Werte 150, 250 und 350 im
statischen Zustand erfaßt. Danach werden folgende Arbeitsschritte durchgeführt:
Ermitteln der Kennlinie und/oder des Kennlinienpolynoms des Sensors 2 (Beschleunigung).
Die Kennlinie und/oder das Kennlinienpolynom liefert nach dem Eichvorgang die um
Nichtlinearität, Offset- und Spannenfehler bereinigten Werte 250 zum Beschleunigungssensor 2.The method for oak includes z. B. Do the following:
The measuring device main body 81 is moved with a suitable arrangement in defined steps around the rotation vector 15 . The values 150 , 250 and 350 are recorded in the static state for each step. The following steps are then carried out:
Determining the characteristic and / or the characteristic polynomial of sensor 2 (acceleration). The characteristic curve and / or the Kennlinienpolynom delivers to verification the adjustment for non-linearity, offset and span error values 250 to the acceleration sensor. 2
- - Speichern der Kennlinienwerte und/oder des Kennlinien-Polynoms des Sensors 2 als Tabelle oder durch Speichern der Polynom-Koeffizienten im Festwertspeicher 410.Storing the characteristic curve values and / or the characteristic curve polynomial of the sensor 2 as a table or by storing the polynomial coefficients in the read-only memory 410 .
Erfassung der Kennlinie und/oder des Kennlinienpolynoms des Sensors 3 (Beschleunigung). Die Kennlinie und/oder das Kennlinienpolynom liefert nach dem Eichvorgang die um Nichtlinearität, Offset- und Spannenfehler bereinigten Werte 350 des Beschleunigungssensors 3.Acquisition of the characteristic and / or the characteristic polynomial of sensor 3 (acceleration). The characteristic curve and / or the Kennlinienpolynom delivers to verification the adjustment for non-linearity, offset and span error values 350 of the acceleration sensor. 3
- - Speichern der Kennlinienwerte und/oder des Kennlinien-Polynoms des Sensors 2 als Tabelle oder durch Speichern der Polynom-Koeffizienten im Festwertspeicher 410.Storing the characteristic curve values and / or the characteristic curve polynomial of the sensor 2 as a table or by storing the polynomial coefficients in the read-only memory 410 .
Erfassung des Montagefehlerwinkels zwischen den Sensoren 2 und 3. Der Montagewinkel-Fehler ist der Winkel, um den die beiden Richtungsvektoren der 21 und 31 der Sensoren 2 und 3 vom Sollwinkel 90 Grad abweichen. Dabei werden die auf der Basis der Kennlinien korrigierten Sensorsignale über eine volle Drehung des Meßgerätegrundkörpers um den Rotationsvektor 15 aufgenommen und in ihrer Phasenlage in Abhängigkeit vom Drehwinkel 14 miteinander verglichen. Bei einer vollen Drehung des Meßgerätegrundkörpers um den Rotationsvektor 15 entsteht jeweils eine Sinus- bzw. eine Kosinus-Funktion der Sensorsignale 20 und 30. Zweckmäßig werden signifikante Punkte der beiden Funktionen, z. B. die Nulldurchgänge, miteinander verglichen. Die Abweichung der so ermittelten Phasenlage von der bei korrekter 90 Grad-Montage der beiden Vektoren 21 und 31 sich ergebenden Phasenlage gibt den Montagefehlerwinkel an.Detection of the mounting error angle between sensors 2 and 3 . The mounting angle error is the angle by which the two direction vectors of 21 and 31 of sensors 2 and 3 deviate from the nominal angle 90 degrees. The sensor signals corrected on the basis of the characteristic curves are recorded over a full rotation of the measuring device base around the rotation vector 15 and their phase position is compared with one another as a function of the angle of rotation 14 . With a full rotation of the measuring device main body about the rotation vector 15 , a sine or a cosine function of the sensor signals 20 and 30 arises. Significant points of the two functions, e.g. B. the zero crossings, compared. The deviation of the phase position determined in this way from the phase position which results when the two vectors 21 and 31 are correctly installed indicates the mounting error angle.
- - Speichern des Montagefehlerwinkels und/oder des Korrekturwertes im Festwertspeicher 410.Storing the assembly error angle and / or the correction value in the read-only memory 410 .
Erfassung der Kennlinie des Pendelwinkelsignals 10: Als Referenzwert dient der sich in Ruhelage
durch Berechnung aus den korrigierten, von der Erdbeschleunigung verursachten
Beschleunigungswerten der Sensoren 2 und 3 ergebende Neigungswinkel:
Acquisition of the characteristic of the pendulum angle signal 10 : The reference value is the angle of inclination resulting in the rest position by calculation from the corrected acceleration values of sensors 2 and 3 caused by gravitational acceleration:
phi_0 = arctan (Wert 250/Wert 350).
phi_0 = arctan (value 250 / value 350 ).
- - Speichern der Kennlinienwerte und/oder des Kennlinien-Polynoms des Pendelwinkelsignals 10 als Tabelle oder durch Speichern der Polynom-Koeffizienten im Festwertspeicher 410.Storing the characteristic curve values and / or the characteristic curve polynomial of the pendulum angle signal 10 as a table or by storing the polynomial coefficients in the read-only memory 410 .
Erfassung der Pendel-Periodendauer und der Dämpfung: Durch kurzzeitige stoßartige lineare Beschleunigung des Systems mit anschließender linearer Ruhelage wird das Pendel zum freien gedämpften Ausschwingen angeregt. Die Periodendauer und die Dämpfung werden aus dem Zeitlichen Verlauf der abklingenden Pendelschwingung ermittelt und als Parameter 400 entweder automatisch, oder über die Schnittstelle 402 manuell im Festwertspeicher 410 abgelegt.Acquisition of the pendulum period and damping: The pendulum is stimulated to free damped swing-out by brief, sudden linear acceleration of the system with subsequent linear rest position. The period and the damping are determined from the time course of the decaying pendulum oscillation and are stored as parameters 400 either automatically or manually via the interface 402 in the read-only memory 410 .
Zusätzlich zur werkseitigen Ersterfassung der physikalischen Parameter des Sensorsystems kann sich die Anordnung in geeigneten Betriebszuständen, in denen die physikalischen Umgebungsbedingungen wenigstens teilweise bekannt sind, wie z. B. in Phasen der Ruhe selbst überprüfen und ggf eine Korrektur der gespeicherten physikalischen Sensorparameter vornehmen. Diese Prozedur ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Anordnung eine signifikante Temperaturdrift aufweist und/oder hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.In addition to the initial recording of the physical parameters of the sensor system at the factory the arrangement in suitable operating states in which the physical Ambient conditions are at least partially known, such as. B. in phases of rest itself check and if necessary a correction of the stored physical sensor parameters make. This procedure is particularly advantageous if the arrangement is significant Has temperature drift and / or is exposed to high temperature fluctuations.
Bei Verwendung beispielsweise eines inkrementalen Winkelmeßverfahrens bei der Erfassung des
relativen Winkelsignals 10, das den relativen Winkel zwischen Pendelsystem 1 und
Meßgerätegehäuse 81 repräsentiert, wird vorteilhaft bei jeder Inbetriebnahme der
Schaltungsanordnung im Rahmen einer Initialisierungsroutine der initiale Neigungswinkel 14 der
Anordnung wie folgt bestimmt:
Das System wird beim Einschalten in eine Ruhelage mit Neigungswinkel ungleich 90 Grad
versetzt. Wenn die Werte 150, 250 und 350 keine Veränderung mehr aufweisen, wird aus den in
diesem Fall statischen, aufgrund der Erdbeschleunigung verursachten Komponentenwerte der
Beschleunigungssignale 250 und 350 der statische Neigungswinkel der Anordnung berechnet:
If, for example, an incremental angle measuring method is used to detect the relative angle signal 10 , which represents the relative angle between the pendulum system 1 and the measuring device housing 81 , the initial inclination angle 14 of the arrangement is advantageously determined as follows each time the circuit arrangement is started up as part of an initialization routine:
When switched on, the system is put into a rest position with an inclination angle not equal to 90 degrees. If the values 150 , 250 and 350 no longer show any change, the static component angle of the arrangement, which is caused by acceleration due to gravity, of the acceleration signals 250 and 350 is calculated in this case:
phi_0 = arctan (Wert 250/Wert 350).phi_0 = arctan (value 250 / value 350 ).
Der Wert phi_0 bildet den Anfangswert für die inkrementale Winkelmeßanordnung, auf den jede weitere Veränderung des Winkelwertes 150 bezogen wird.The value phi_0 forms the initial value for the incremental angle measuring arrangement, to which any further change in the angle value 150 is related.
Im Meßwerte-Rechner 160, 260, 360 wird aus den digitalen Werten der Ausgangssignale 150; 151; 152 und 250; 251; 252 und 350; 351; 352 zusammen mit den im Festwertspeicher 410 abgelegten physikalischen Parametern 401 wie Periodendauer und Dämpfung des Pendelsystems 1; 12; 13 auf der Basis der Schwingungsdifferentialgleichung des Pendelsystems 1; 12; 13 die Werte phi und ax und ay berechnet. Details zur Berechnung sind im zitierten Stand der Technik beschrieben.In the measured value computer 160 , 260 , 360 , the digital values of the output signals 150 ; 151 ; 152 and 250 ; 251 ; 252 and 350 ; 351 ; 352 together with the physical parameters 401 stored in the read-only memory 410 , such as period duration and damping of the pendulum system 1 ; 12 ; 13 on the basis of the oscillation differential equation of the pendulum system 1 ; 12 ; 13 calculated the values phi and ax and ay. Details of the calculation are described in the cited prior art.
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Signalaufbereitung in den Stufen 130; 230 und 330. In den Stufen 136; 236; 336 erfolgt eine Korrektur der Werte 121; 221; 321 nach den Kriterien Signallaufzeit, Nichtlinearität und/oder Offset und/oder Verstärkungsfehler. Die entsprechenden Korrekturwerte 403 sind im Festwertspeicher 410 gespeichert. Zur Korrektur können z. B. Kennlinien-Korrekturtabellen oder Korrekturpolynome verwendet werden. Zum Ausgleich von Schwankungen der Umgebungstemperatur können z. B. die Temperaturcharakteristika der einzelnen Sensoren 1, 2 und 3 gespeichert sein. Fig. 8 shows an embodiment for the signal processing in the steps 130; 230 and 330 . In stages 136 ; 236 ; 336 the values 121 are corrected; 221 ; 321 according to the criteria signal runtime, non-linearity and / or offset and / or gain error. The corresponding correction values 403 are stored in the read-only memory 410 . For correction, e.g. B. characteristic curve tables or correction polynomials can be used. To compensate for fluctuations in the ambient temperature, for. B. the temperature characteristics of the individual sensors 1 , 2 and 3 can be stored.
Außerdem werden in den Stufen 136; 236; 336 die beim zeitlich versetzten Abtasten im Multiplexer 96 entstehenden Phasenverschiebungen der Signale 121, 221 und 321 durch entsprechende Phasenkorrekturen wieder kompensiert. Die Signale 122, 222 und 322 weisen nach dieser Korrektur wieder relativ zueinander die gleiche Phasenlage auf, wie die ursprünglichen Sensorensignale 10, 20 und 30 zueinander.In addition, in stages 136 ; 236 ; 336 the phase shifts of the signals 121 , 221 and 321 which occur during the time-shifted sampling in the multiplexer 96 are compensated for again by appropriate phase corrections. After this correction, the signals 122 , 222 and 322 again have the same phase position relative to one another as the original sensor signals 10 , 20 and 30 to one another.
Die Stufen 130; 230 und 330 sind in diesem Beispiel identisch aufgebaut. Deshalb wird in der
Folge repräsentativ nur eine Stufe 130 beschrieben:
Das korrigierte Signal 122 wird einer ersten Differenzierstufe 132 zur Bildung der ersten Ableitung
des Signals 122 nach der Zeit zugeführt und anschließend einer zweiten Differenzierstufe 133 zur
Bildung der zweiten Ableitung des Signals 122 nach der Zeit zugeführt.Levels 130 ; 230 and 330 are constructed identically in this example. For this reason, only one level 130 is described below in a representative manner:
The corrected signal 122 is fed to a first differentiation stage 132 to form the first derivative of the signal 122 after the time and then to a second differentiation stage 133 to form the second derivative of the signal 122 after the time.
Das Signal 122 wird in einer Phasenkorrekturstufe 131 zugeführt, in der das Signal 122 in seiner Phasenlage so korrigiert wird, daß das Ausgangssignal 150 die korrekte Phasenlage aufweist, wie sie zeitlich zu den parallel erzeugten Signalen der ersten Ableitung 151 und der zweiten Ableitung 152 paßt.The signal 122 is supplied in a phase correction stage 131 , in which the signal 122 is corrected in its phase position in such a way that the output signal 150 has the correct phase position as it fits in time with the signals of the first derivative 151 and the second derivative 152 generated in parallel.
Das Ausgangssignal der ersten Differenzierstufe 132 wird in einer Phasenkorrekturstufe 134 zugeführt, in der das Ausgangssignal der ersten Differenzierstufe 132 in seiner Phasenlage so korrigiert wird, daß das Ausgangssignal 151 die korrekte Phasenlage aufweist, wie zu den parallel erzeugten Signalen 150 und zweiter Ableitung 152 paßt.The output signal of the first differentiation stage 132 is supplied in a phase correction stage 134 , in which the output signal of the first differentiation stage 132 is corrected in its phase position in such a way that the output signal 151 has the correct phase position, as matches the signals 150 and second derivative 152 generated in parallel.
Es sind auch andere Anordnungen der einzelnen Differenzierstufen und Phasenkorrekturstufen möglich. So können z. B. zur Bildung der ersten und der zweiten Ableitung zwei eigenständige Stufen parallel zueinander, statt wie oben beschrieben in Serie zueinander Arbeiten. In jedem Falle sind Korrekturen in den parallel zueinander laufenden Signalzweigen innerhalb der Stufen 130; 230 und 330 vorgesehen, die Phasenverschiebungen, die bei der Bildung der Ableitungen entstehen so ausgleichen, daß die Ausgangssignale 150; 151; 152 und 250; 251; 252 und 350; 351; 352 zeitlich korrelieren.Other arrangements of the individual differentiation stages and phase correction stages are also possible. So z. B. to form the first and the second derivative two independent stages parallel to each other, instead of working in series with each other as described above. In any case, corrections in the signal branches running parallel to one another are within the stages 130 ; 230 and 330 provided to compensate for the phase shifts that arise during the formation of the derivatives so that the output signals 150 ; 151 ; 152 and 250 ; 251 ; 252 and 350 ; 351 ; 352 correlate in time.
Zur Differenzierung können numerische Differenzierverfahren, oder bei weitgehend analoger Signalverarbeitung z. B. auch analoge Differenzierer verwendet werden. Je nach verwendetem Differenzierungsverfahren und auftretenden Toleranzen weisen die Phasenkorrekturstufen voreilende oder nacheilende Charakteristik auf.Numerical differentiation methods can be used for differentiation, or a largely analog one Signal processing z. B. also analog differentiators can be used. Depending on the used Differentiation methods and occurring tolerances have the phase correction levels leading or lagging characteristics.
Claims (20)
einem Meßgerätegrundkörper, an dem wenigstens ein bezüglich des Meßgerätegrundkörpers um einen definierten Rotationsvektor bewegliches Pendel angebracht ist, wobei
jedem Pendel jeweils wenigstens ein Wandler zur Umwandlung der Relativbewegung des Pendels bezüglich des Meßgerätegrundkörpers zugeordnet ist,
und jedem Pendel jeweils wenigstens zwei Beschleunigungssensoren mit jeweilig zugeordnetem Wandler zur Erfassung von Beschleunigungskomponenten des Meßgerätegrundkörpers zugeordnet sind,
und einer Signalaufbereitungs-, Programmspeicher-, Datenspeicher-, Ein/ Ausgabeeinheiteinheiten sowie einem Verarbeitungsrechner zur Berechnung der Ergebniswerte der Linearbeschleunigung des Meßgerätegrundkörpers bezüglich des Inertialsystemes Erde und/oder wenigstens eines Neigungswinkels des Meßgerätegrundkörpers bezüglich des Inertialsystemes Erde aus der Pendel- Differentialgleichung aus den Sensorsignalen, nämlich dem Sensorsignal der Relativbewegung des Pendels bezüglich des Meßgerätegrundkörpers und den Sensorsignalen der wenigstens zwei Beschleunigungssensoren zur Erfassung der Beschleunigungskomponenten des Meßgerätegrundkörpers und zur Ausgabe von Ergebniswerten der Linearbeschleunigung des Meßgerätegrundkörpers bezüglich des Inertialsystemes Erde und /oder wenigstens eines Neigungswinkels des Meßgerätegrundkörpers bezüglich des Inertialsystemes Erde,
bei der die jedem Pendel zugeordneten jeweils zwei Beschleunigungssensoren derart angeordnet sind, daß zwei geometrisch linear unabhängig zueinander angeordnete Beschleunigungsvektoren erfaßt werden, deren Richtungsorientierungen beide innerhalb der Ebene des Pendels verlaufen, die von dem Rotationsvektor des Pendels im rechten Winkel durchdrungen wird,
bei der zwischen dem Meßgerätegrundkörper und dem wenigstens einen vorhandenen Pendel außer der Lagerung keine mechanische Verbindung besteht, so daß das Pendel unabhängig von der Rotationsposition des Meßgerätegrundkörpers um den Pendelrotationsvektor eine gedämpfte Pendelschwingung um seinen Rotationsvektor vollführen kann,
bei der zwischen dem Wandler eines jeden Pendels und wenigstens einem Eingang des Verarbeitungsrechners zur Lösung der Pendel-Differentialgleichung eine Anordnung zur Signalaufbereitung der die Winkelbewegung des Pendels relativ zum Meßgerätegrundkörper und/oder der Frequenz und/oder Phase und/oder Amplitude repräsentierenden Signale angeordnet ist,
bei der zwischen dem Wandler eines jeden Beschleunigungssensors und wenigstens einem Eingang des Verarbeitungsrechners zur Lösung der Pendel-Differentialgleichung eine Anordnung zur Signalaufbereitung der eine Beschleunigungskomponente des Meßgerätegrundkörpers und/oder der Frequenz und/oder Phase und/oder Amplitude repräsentierenden Signale angeordnet ist
und im Verarbeitungsrechner eine Speicheranordnung zum Speichern von Signallaufzeiten der Anordnung zur Signalaufbereitung eines ersten und wenigstens eines zweiten, die Beschleunigungskomponenten des Meßgerätegrundkörpers repräsentierenden Signales und wenigstens eines dritten, die Winkelbewegung des Pendels relativ zum Meßgerätegrundkörper repräsentierenden Signales und/oder zum Speichern der Kennlinienparameter und der physikalischen Konstanten der Meßanordnung enthalten ist, deren Werte beim Ausschalten der Anordnung erhalten bleiben. 1. Arrangement for detecting at least one movement-characteristic quantity, ie inclination angle and / or acceleration and / or speed and / or distance of a moving measuring device body, consisting of
a measuring device main body, on which at least one pendulum which is movable with respect to the measuring device main body about a defined rotation vector is attached, wherein
each pendulum is assigned at least one transducer for converting the relative movement of the pendulum with respect to the main body of the measuring device,
and each pendulum is assigned at least two acceleration sensors with a respectively assigned transducer for detecting acceleration components of the main body of the measuring device,
and a signal processing, program memory, data storage, input / output unit units and a processing computer for calculating the result values of the linear acceleration of the measuring device body with respect to the inertial system earth and / or at least one angle of inclination of the measuring device body with respect to the inertial system earth from the pendulum differential equation from the sensor signals, namely the sensor signal of the relative movement of the pendulum with respect to the main body of the measuring device and the sensor signals of the at least two acceleration sensors for detecting the acceleration components of the main body of the measuring device and for outputting result values of the linear acceleration of the main body of the measuring device with respect to the inertial system earth and / or at least one angle of inclination of the main body of the measuring device with respect to the inertial system earth,
in which the two acceleration sensors assigned to each pendulum are arranged in such a way that two geometrically linearly arranged acceleration vectors are detected, the directional orientations of which both run within the plane of the pendulum, which is penetrated by the rotation vector of the pendulum at right angles,
in which there is no mechanical connection between the measuring device main body and the at least one existing pendulum apart from the bearing, so that the pendulum can perform a damped pendulum oscillation around its rotation vector regardless of the rotational position of the measuring device main body around the pendulum rotation vector,
in which an arrangement for signal processing is arranged between the transducer of each pendulum and at least one input of the processing computer to solve the pendulum differential equation, the signals representing the angular movement of the pendulum relative to the basic body of the measuring device and / or the frequency and / or phase and / or amplitude,
in which an arrangement for signal processing of the signals representing an acceleration component of the basic body of the measuring device and / or the frequency and / or phase and / or amplitude is arranged between the converter of each acceleration sensor and at least one input of the processing computer to solve the pendulum differential equation
and in the processing computer a memory arrangement for storing signal propagation times of the arrangement for signal processing of a first and at least a second signal representing the acceleration components of the basic body of the measuring device and at least a third signal representing the angular movement of the pendulum relative to the basic body of the measuring device and / or for storing the characteristic parameters and the physical ones Constants of the measuring arrangement are contained, the values of which are retained when the arrangement is switched off.
- - Erfassung der Relativbewegung wenigstens eines Pendels bezüglich des Meßgerätegrundkörpers mithilfe eines jedem Pendel zugeordneten Winkelsensors,
- - Erfassung der Beschleunigungssignale von wenigstens zwei Beschleunigungssensoren, die jedem Pendel zugeordnet sind,
- - Signalaufbereitung eines ersten und wenigstens eines zweiten, die Beschleunigungskomponenten des Meßgerätegrundkörpers repräsentierenden Signales und wenigstens eines dritten, die Winkelbewegung des Pendels relativ zum Meßgerätegrundkörper repräsentierenden Signales,
- - Datenspeicherung wenigstens eines der Werte
der Resonanzfrequenz, und der Dämpfung von wenigstens einem ersten vorhandenen Pendel,
der Sensorkennlinie des Winkelsensors von wenigstens einem ersten vorhandenen Pendel,
der Sensorkennlinie von wenigstens einem ersten der vorhandenen Beschleunigungssensoren, - - Berechnung der Linearbeschleunigungswerte des Meßgerätegrundkörpers bezüglich des Inertialsystemes Erde und/oder wenigstens eines Neigungswinkelwertes des Meßgerätegrunkörpers bezüglich des Inertialsystemes Erde auf der Basis eines ersten und wenigstens eines zweiten, die Beschleunigungskomponenten des Meßgerätegrundkörpers repräsentierenden Signales und wenigstens eines dritten, die Winkelbewegung des Pendels relativ zum Meßgerätegrundkörper repräsentierenden Signales auf der Basis der Schwingungs differentialgleichung des Pendelsystems und von ermittelten und gespeicherten Pendelparametern und Sensorkennlinien,
- - Eingabe von Steuerungsbefehlen und/oder
- - Ausgabe der berechneten Ergebniswerte der Linearbeschleunigung des Meßgerätegrundkörpers bezüglich des Inertialsystemes Erde und/oder wenigstens eines Neigungswinkels des Meßgerätegrunkörpers bezüglich des Inertialsystemes Erde.
- Detection of the relative movement of at least one pendulum with respect to the measuring device main body with the aid of an angle sensor assigned to each pendulum,
- Detection of the acceleration signals from at least two acceleration sensors which are assigned to each pendulum,
- Signal processing of a first and at least a second signal representing the acceleration components of the basic measuring device body and at least a third signal representing the angular movement of the pendulum relative to the basic measuring device body,
- - Data storage of at least one of the values
the resonance frequency, and the damping of at least one first pendulum,
the sensor characteristic of the angle sensor of at least one first pendulum,
the sensor characteristic of at least one of the first acceleration sensors, - - Calculation of the linear acceleration values of the measuring device body with respect to the inertial system earth and / or at least one inclination angle value of the measuring device trunk body with respect to the inertial system earth on the basis of a first and at least a second signal representing the acceleration components of the measuring device body and at least a third, the angular movement of the pendulum relative to the measuring device body representative signals based on the oscillation differential equation of the pendulum system and determined and stored pendulum parameters and sensor characteristics,
- - Enter control commands and / or
- - Output of the calculated result values of the linear acceleration of the measuring device body with respect to the inertial system earth and / or at least one angle of inclination of the measuring device body with respect to the inertial system earth.
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