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Dokumentenidentifikation DE10002138B4 31.05.2007
Titel Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung und Verfahren zur Exzentrizitätsfehler-Korrektur bei einem Beschleunigungssensor in einer Beschleunigungserzeugungsvorrichtung
Anmelder Akebono Brake Industry Co., Ltd., Tokio/Tokyo, JP;
Akebono Research and Development Centre Ltd., Hanyu, Saitama, JP
Erfinder Kunimi, Takashi, Hanyu, Saitama, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Anmeldedatum 19.01.2000
DE-Aktenzeichen 10002138
Offenlegungstag 31.08.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse G01P 21/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01P 15/097(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung für eine Beschleunigungserzeugungsvorrichtung des Drehtyps und ein Verfahren zum Entfernen der Wirkung eines Exzentrizitätsfehlers bei einem Beschleunigungssensor, der an einer Beschleunigungserzeugungsvorrichtung des Drehtyps angebracht ist.

Es wird eine drehtellerartige Beschleunigungserzeugungsvorrichtung (drehförmige Beschleunigungserzeugungsvorrichtung) erläutert, die für die Untersuchung der Eigenschaften eines Beschleunigungssensors zur Erfassung einer Beschleunigung geeignet ist. Insbesondere wird eine Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung zum Korrigieren eines Exzentrizitätsfehlers bei einem Beschleunigungssensor in einer Drehbeschleunigungs-Erzeugungsvorrichtung erläutert, wobei die Vorrichtung die Exzentrizität zwischen dem Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors und dem Drehmittelpunkt des Drehtellers von kleinem Durchmesser sofort korrigieren kann, wenn ein Beschleunigungssensor auf dem Drehteller von kleinem Durchmesser (Drehteil von kleinem Durchmesser) plaziert wird, um die Sensoreigenschaften zu untersuchen, und wobei die Vorrichtung die Eigenschaften des Beschleunigungssensors unabhängig vom Maß der Exzentrizität einfach und genau messen kann, sowie ein Verfahren zur Entfernung eines Exzentrizitätsfehlers eines Beschleunigungssensors bei der Drehbeschleunigungserzeugungsvorrichtung.

Verschiedene Ausgestaltungen eines Doppel-Drehtisches sind beispielsweise in den Druckschriften US 3,372,572, US 5,353,642, US 4,188,816, DE 664 533 und EP 0 911 635 A1 erläutert.

Weiterhin offenbart die Druckschrift DE 37 17 677 C1 ein Verfahren zum Kalibrieren von Beschleunigungsaufnehmern sowie einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem eine Messeinrichtung dadurch kalibriert wird, daß die Position eines Beschleunigungssensors korrigiert wird, bis ein Signal, das repräsentativ ist für eine Exzentrizität der Anordnung Null wird; d.h. bis der Sensor konzentrisch positioniert ist. Hierzu ist es notwendig, den Beschleunigungssensor in eine spezielle Kalibrierposition (aufrechte Position) zu bringen und ein aufwendiges iteratives Kalibrierverfahren vorzunehmen. Nach erfolgreicher Kalibrierung des Beschleunigungsaufnehmers gemäß dem Stand der Technik kann eine präzise Messung durchgeführt werden, wobei das erhaltene Meßsignal frei von Fehleranteilen durch Exzentrizität ist.

Die Beschleunigung eines Objekts, das sich in einem dreidimensionalen Raum bewegt, beispielsweise Roboter und Flugzeuge, und anderer Objekte, die sich in einem zweidimensionalen Raum bewegen, beispielsweise Fahrzeuge, wird durch einen Beschleunigungssensor erfaßt. Die Bewegungen des Objekts oder verschiedener Vorrichtungen, die auf dem Objekt installiert sind, werden in Übereinstimmung mit den so gesammelten Daten für bestimmte Zwecke gesteuert. Für diese Art der Steuerung werden derzeit verschiedene Arten von Beschleunigungssensoren verwendet. Daher ist es notwendig, die Eigenschaften der Beschleunigungssensoren zu kennen, bevor die Sensoren in die Steuervorrichtungen eingebaut werden.

Derzeit wird ein Vibrationstester zur Untersuchung der Eigenschaften des Beschleunigungssensors verwendet. Das Untersuchungsverfahren, bei dem der Vibrationstester verwendet wird, weist jedoch die folgenden Probleme auf.

  • (1) Der Vibrationstester untersucht eine Beschleunigungscharakteristik eines zu untersuchenden Objekts so, daß das Objekt auf einem Testtisch angeordnet ist und einer hin- und hergehenden Beschleunigung unterworfen ist. In einigen Fällen neigt sich der Testtisch während des hin- und hergehenden Betriebs (senkrechte Vibration) des Testtisches etwas. Die Neigung des Tisches macht es schwer, eine exakt hin- und hergehende Bewegung sicherzustellen. Wenn sich der Tisch neigt, wirkt zusätzlich eine Kraftkomponente auf den zu testenden Beschleunigungssensor in Richtungen, die sich von denen der hin- und hergehenden Kräfte unterscheiden. Die Resultierende der Messung beinhaltet zusätzlich zu einer Beschleunigung des Sensors eine Wechselwirkungskomponente. Die im Meßergebnis enthaltene Wechselwirkungskomponente beeinträchtigt die Untersuchung der Eigenschaften des Beschleunigungssensors und die Untersuchungsgenauigkeit.
  • (2) Bei dem oben erwähnten Vibrationstester wird der Beschleunigungssensor tatsächlich durch einen Vibrationsgenerator vibriert. Daher ist der Tester selbst zwangsläufig groß gebaut. Des weiteren ist es notwendig, tatsächlich eine dynamische Vibrationsbeschleunigung auf den Beschleunigungssensor einwirken zu lassen. Dies ergibt einen komplexen Testvorgang.

Vor diesem Hintergrund wurde eine Lösung zu diesen Problemen vorgeschlagen. Die Lösung hat die Form eines neuartigen Zentrifugalbeschleunigungstesters (drehtellerförmige Beschleunigungserzeugungsvorrichtung), der in der Lage ist, die Testgenauigkeit bemerkenswert zu verbessern (ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. Hei. 7-110342). Bei dem Tester wird ein Beschleunigungssensor auf einen Testtisch plaziert und eine vorbestimmte Beschleunigung (d.h. eine Mittelwert-(DC)komponente der Beschleunigung) in eine vorbestimmte Richtung auf ihn aufgebracht, wodurch die Eigenschaften des Beschleunigungssensors mit hoher Genauigkeit untersucht werden.

Bei der Untersuchung des Beschleunigungssensors unter Verwendung der Drehteller-Beschleunigungserzeugungseinrichtung ist es in der Praxis beinahe unmöglich, den Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors als zu untersuchendes Objekt in Übereinstimmung mit dem Drehmittelpunkt des Drehtellers von kleinem Durchmesser zu bringen. Entsprechend führt eine Exzentrizität zwischen dem Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors und dem Drehmittelpunkt des Drehtellers von kleinen Durchmesser zwangsweise zu einem Fehler im Ausgangssignal des Beschleunigungssensors. Daher muß der im Ausgangssignal enthaltene Fehler mittels verschiedener Verfahren korrigiert werden.

Bei einer Untersuchung der Eigenschaften von kommerziell verfügbaren Beschleunigungssensoren ist es sehr wichtig, den Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors zu kennen. Bislang gibt es keine Technik, den Schwerpunkt auf der Meßachse genau zu bestimmen. Aus diesem Grund enthält der charakteristische Ausgangswert des Beschleunigungssensors unvermeidbar einen Fehler, der durch die Exzentrizität des Schwerpunkts auf der Meßachse verursacht wird, so daß man die Eigenschaften des Beschleunigungssensors nicht exakt kennen kann. Das Testen mittels des Eigenschaftstests des Beschleunigungssensors unter Verwendung der drehtellerartigen Beschleunigungserzeugungseinrichtung ist beträchtlich einfacher als der Testvorgang, der den herkömmlichen Beschleunigungssensor der Vibrations-Bauart verwendet. Jedoch kann der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors auf genaue Weise nicht sicher in Übereinstimmung mit dem Drehmittelpunkt des Drehtisches von kleinem Durchmesser gebracht werden. Daher ist der herkömmliche Test für die Sensorcharakteristik unzureichend, um genaue Kenntnis über die Eigenschaften des Beschleunigungssensors zu erlangen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung für eine Beschleunigungserzeugungsvorrichtung des Drehtyps und ein Verfahren zum Entfernen der Wirkung eines Exzentrizitätsfehlers bei einem Beschleunigungssensor, der an einer Beschleunigungserzeugungsvorrichtung des Drehtyps angebracht ist zu schaffen, wobei der Exzentrizitätsfehler in einfacher Weise korrigiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung für eine Beschleunigungserzeugungsvorrichtung des Drehtyps mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weiterhin wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Entfernen der Wirkung eines Exzentrizitätsfehlers bei einem Beschleunigungssensor, der an einer Beschleunigungserzeugungsvorrichtung des Drehtyps angebracht ist mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 3.

Eine niederfrequente Komponente, die die dem Beschleunigungssensor eigenen Eigenschaften darstellt, und eine Mittelwert-(DC)komponente (Exzentrizitätsfehler-Komponente), die durch eine Exzentrizität des Schwerpunkts auf der Meßachse erzeugt wird, übereinandergelagert im Ausgangssignal, das vom Beschleunigungssensor ausgegeben wird, wenn er unter Verwendung der drehtellerartigen Beschleunigungserzeugungsvorrichtung betrieben wird, enthalten sind.

Auf der Basis der oben erwähnten Erkenntnisse wird eine Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung und ein Verfahren zur Korrektur eines Exzentrizitätsfehlers des Schwerpunkts auf der Meßachse eines Beschleunigungssensors vorgesclagen, der auf eine drehtellerartige Beschleunigungserzeugungsvorrichtung gesetzt wird. Die Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung ist in der Lage, einen Exzentrizitätsfehler zu korrigieren, indem sie die Mittelwert-Komponente selbst dann entfernt, wenn sich der Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungssensors in einer beliebigen exzentrischen Lage relativ zum Drehmittelpunkt eines Drehtisches von kleinem Durchmesser befindet. Entsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Probleme zu lösen.

Dabei kann der Beschleunigungssensor selbst dann geeicht werden und die genauen Eigenschaften des Beschleunigungssensors bestimmt werden, wenn sich der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors in einer beliebigen exzentrischen Lage oder in einer unbekannten Lage befindet.

Um die obigen Probleme zu lösen, ist eine Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung zum Entfernen der Wirkung eines Exzentrizitätsfehlers bei einem Beschleunigungssensor vorgesehen, wobei die Vorrichtung in Kombination mit einer Drehbeschleunigungs-Erzeugungsvorrichtung mit einem Drehtisch von großem Durchmesser, der durch einen ersten Servomotor gedreht wird, und mit einem Drehtisch von kleinem Durchmesser verwendet wird, der an einer geeigneten Stelle am äußeren Umfangsabschnitt des Drehtisches von großem Durchmesser angebracht ist und durch einen zweiten Servomotor drehbar ist sowie die Anbringung eines Beschleunigungssensors daran ermöglicht. Die Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung umfaßt ein Mittel zum Entfernen der Mittelwertkomponente, die nur die Mittelwertkomponente von einem Ausgangssignal eines Beschleunigungssensors entfernt, der auf dem Drehtisch von kleinem Durchmesser angeordnet ist.

Bei der Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung kann das Mittel zum Entfernen der Mittelwert-(DC)komponente ein Hochpaßfilter sein.

Weiterhin wird auch ein Verfahren zum Entfernen der Wirkung eines Exzentrizitätsfehlers bei einem Beschleunigungssensor vorgeschlagen, wobei das Verfahren bei einer Drehbeschleunigungs-Erzeugungseinrichtung mit einem Drehtisch von großem Durchmesser, der durch einen ersten Servomotor gedreht wird, und einem Drehtisch mit kleinem Durchmesser verwendet wird, der an einer geeigneten Stelle am äußeren Umfangsabschnitt des Drehtisches von großem Durchmesser angebracht ist und durch einen zweiten Servomotor drehbar ist sowie eine Anbringung eines Beschleunigungssensors daran erlaubt. Das Verfahren beinhaltet die Schritte: Plazieren eines Beschleunigungssensors als zu untersuchendes Objekt auf dem Drehtisch von kleinem Durchmesser; und Entfernen einer niederfrequenten Komponente aus einem Ausgangssignal des Beschleunigungssensors, der auf dem Drehtisch von kleinem Durchmesser plaziert ist, wenn die Drehtische von kleinem und großem Durchmesser gedreht werden, um dadurch einen Fehler zu entfernen, der durch eine Exzentrizität des Schwerpunkts auf der Meßachse des Beschleunigungssensors bezüglich des Drehmittelpunkts des Drehtisches von kleinem Durchmesser erzeugt wird.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Seitenansicht, in der eine drehtellerartige Beschleunigungserzeugungsvorrichtung schematisch dargestellt ist, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden technischen Lehre darstellt;

2 ein Vektordiagramm, in dem eine Beschleunigung erläutert ist, wie sie durch die drehtellerartige Beschleunigungserzeugungsvorrichtung erzeugt ist;

3 ein Blockdiagramm, in dem ein Schema zur Entfernung nur einer Mittelwert-Komponente aus einem Ausgangssignal des Beschleunigungssensors dargestellt ist;

4A ein Diagramm, in dem ein Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungssensors dargestellt ist, wenn &thgr;0 = 0 (rad) gibt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht (wobei &thgr;0: der Winkel zwischen einer X-Achse und einem Vektor r darstellt);

4B und 4C Ausgangssignale des Sensors, wenn &thgr;0 = 0 (rad) beträgt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

5A ein Diagramm, in dem ein Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungssensor dargestellt ist, wenn 0 < &thgr;0 < &pgr;/2 (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

5B ein Ausgangssignal des Sensors, wenn 0 < &thgr;0 < &pgr;/2 (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

6A ein Diagramm, in dem ein Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungssensors dargestellt ist, wenn &thgr;0 = &pgr;/2 (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

6B ein Sensorausgangssignal, wenn &thgr;0 = &pgr;/2 (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

7A ein Diagramm, in dem ein Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungssensors dargestellt ist, wenn &pgr;/2 < &thgr;0 < &pgr; (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

7B ein Sensorausgangssignal, wenn &pgr;/2 < &thgr;0 < &pgr; (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

8A ein Diagramm, in dem ein Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungssensors dargestellt ist, wenn &thgr;0 = &pgr; (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht; und

8B ein Ausgangssignal des Sensors, wenn &thgr;0 = &pgr; (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden technischen Lehre wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt eine Seitenansicht, in der schematisch eine Drehtisch-Beschleunigungserzeugungsvorrichtung als bevorzugt aufgebaute Drehbeschleunigungsvorrichtung des Drehtyps dargestellt ist.

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird eine Anordnung der zu verwendenden Drehtisch-Beschleunigungserzeugungsvorrichtung der vorliegenden technischen Lehre beschrieben. In der Abbildung bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Drehtisch von großem Durchmesser als ein Drehteil von geeignetem Durchmesser, der aus einem nicht magnetischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, gefertigt ist. Am Drehtisch 1 von großem Durchmesser ist eine Drehwelle 2 befestigt. Die oberen und unteren Enden der Drehwelle 2 des Drehtisches von großem Durchmesser sind durch Lager gehalten, die an den Stützarmen (nicht gezeigt) des Drehtisches so vorgesehen sind, daß der Drehtisch 1 von großen Durchmesser um die Drehachse 2 drehbar ist.

Ein Servomotor 6 (der im folgenden als erster Servomotor 6 bezeichnet wird) ist an der Drehwelle 2 angebracht, weist einen Encoder auf und dient zum Antrieb des Drehtisches von großem Durchmesser. Der erste Servomotor 6 ist über eine Energieleitung 21 und eine Steuersignalleitung 22 mit einer Steuervorrichtung verbunden. Wenn somit der erste Servomotor 6 angetrieben wird, dreht sich der Drehtisch 1 von großem Durchmesser auch relativ zum Stützarm des Drehtisches.

An einer geeigneten Stelle auf dem Drehtisch von großem Durchmesser ist ein Drehtisch 9 von kleinem Durchmesser sowohl als ein Drehelement als auch als ein Sensortisch drehbar gehalten. Eine Ausgangswelle eines Servomotors 11 (im folgenden als zweiter Servomotor 11 bezeichnet) zum Antrieb des Drehtisches von kleinem Durchmesser ist mit einer Drehwelle 10 des Drehtisches 9 von kleinem Durchmesser so verbunden, daß der Drehtisch 9 von kleinem Durchmesser sich dreht, wenn der zweite Servomotor 11 angetrieben wird. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet einen dritten Schleifring 18.

An einer vorbestimmten Stelle auf dem Drehtisch 1 von großem Durchmesser ist eine Balanciereinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen. Die Balanciereinrichtung oder Unwuchteinrichtung ist mit dem Gewicht des Drehtisches 9 und des zweiten Servomotors 11 gut ausbalanciert, um dadurch eine ausgewuchtete Drehung zu gewährleisten. Durch die Verwendung der Unwuchteinrichtung kann der Drehtisch 1 von großem Durchmesser glatt gedreht werden. Wenn es nötig ist, kann eine weitere Unwuchteinrichtung am Drehtisch von kleinem Durchmesser angebracht werden, um dessen glatte Drehung zu gewährleisten.

Ein erster Schleifring 13 ist an einer geeigneten Stelle der Drehwelle 2 des Drehtisches 1 von großem Durchmesser angeordnet, die sich unterhalb des Drehtisches 1 von großem Durchmesser befindet. Mit dem ersten Schleifring 13 ist eine Energie-/Steuersignalleitung 14 zur Zufuhr von elektrischer Leistung an den zweiten Servomotor 11 und eine Erdungsleitung 15 des Drehtisches 1 von großem Durchmesser verbunden.

Ein zweiter Schleifring 16 ist an einer geeigneten Stelle der Drehwelle 2 oberhalb des Drehtisches 1 von großem Durchmesser angeordnet. Ein Ende der Signalleitung 17 zum Ableiten eines Signals von einem Beschleunigungssensor 20, der sich auf dem Drehtisch 9 von kleinem Durchmesser befindet, ist mit dem zweiten Schleifring 16 verbunden. Das andere Ende der Signalleitung 17 ist mit dem dritten Schleifring 18 verbunden, der auf der Drehwelle des Drehtisches 9 von kleinem Durchmesser vorgesehen ist.

Mit einer derartigen elektrischen Verbindung kann selbst dann ein Ausgangssignal vom Drehbeschleunigungssensor auf dem Drehtisch 9 von kleinem Durchmesser über den dritten Schleifring 18 und den zweiten Schleifring 16 mittels einer außerhalb der Vorrichtung angeordneten Meßvorrichtung gemessen werden, wenn sich sowohl der Drehtisch 9 von kleinem Durchmesser als auch der Drehtisch 1 von großem Durchmesser drehen.

Die auf diese Weise aufgebaute Drehtisch-Beschleunigungserzeugungsvorrichtung wird zum Testen eines Beschleunigungssensors für die Untersuchung seiner Eigenschaften auf die folgende Weise betrieben.

  • 1. Ein Beschleunigungssensor 20 wird auf den Drehtisch 9 von kleinem Durchmesser, der sich auf den Drehtisch 1 von großem befindet, befestigt.
  • 2. Der erste Servomotor 6 wird angetrieben, um den Drehtisch von großem Durchmesser zu drehen und so eine Zentrifugalkraft zu erzeugen. Gleichzeitig wird der zweite Servomotor 11 angetrieben, um den Drehtisch 9 von kleinem Durchmesser zu drehen und eine Beschleunigung mit einer vorgegebenen Größe und in eine vorbestimmte Richtung zu erzeugen. Unter diesen Bedingungen werden Signale vom Beschleunigungssensor ausgegeben und die Eigenschaften des Beschleunigungssensors werden gemessen.
  • 3. Über die Energieleitung und die Steuersignalleitung wird dem ersten Servomotor 6 elektrische Leistung von der Steuervorrichtung zugeführt. Über den ersten Schleifring 13 werden elektrische Leistung, Steuersignale und ähnliches von der Steuervorrichtung dem zweiten Servomotor 11 zugeführt und wirken auf diesen. Übrigens ist der Drehtisch von großem Durchmesser über den ersten Schleifring 13 geerdet.
  • 4. Die vom Beschleunigungssensor 20 abgeleiteten Signale werden über den dritten Schleifring 18, der an der Drehwelle des Drehtisches 9 von kleinem Durchmesser vorgesehen ist, die oberhalb des Drehtisches 1 von großem Durchmesser angeordnete Signalleitung 17 und den zweiten Schleifring 16 an die Meßvorrichtung übertragen, wodurch die notwendigen Daten gesammelt werden.

Wie oben beschrieben wurde, ist es beim Messen der Sensoreigenschaften schwierig, den Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors mit dem Drehmittelpunkt des Drehtisches von kleinem Durchmesser so auszurichten, daß diese zusammenfallen. Als Ergebnis enthält das Ausgangssignal des Beschleunigungssensors eine niederfrequente Komponente, die die dem Beschleunigungssensor eigenen Eigenschaften darstellt, sowie eine Rauschkomponente, die durch eine Exzentrizität des Schwerpunkts auf der Meßachse des Beschleunigungssensors verursacht wird. Das Vorliegen der Rauschkomponente macht es schwierig, die Eigenschaften des Beschleunigungssensors genau zu untersuchen.

Es wurden die Signalkomponenten des Ausgangssignals des Beschleunigungssensors auf dem Drehtisch analysiert und theoretisch untersucht und herausgefunden, daß eine Mittelwert-Komponente, die eine Exzentrizität des Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors darstellt, einer niederfrequenten Komponente, die die dem Sensor eigenen Eigenschaften darstellt, in der Wellenform des Ausgangssignals überlagert ist. Des weiteren wurde bestätigt, daß die Eigenschaften des Beschleunigungssensors genau vermessen werden konnten, wenn nur die Mittelwertkomponente entfernt wurde.

Das Auswerteverfahren der Ausgangssignalkomponenten des Beschleunigungssensors wird unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben.

In 2 bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Drehtisch von großem Durchmesser (im folgenden als Hauptdrehtisch bezeichnet); 9 bezeichnet einen Drehtisch von kleinem Durchmesser (im folgenden als Nebendrehtisch bezeichnet); und 20 bezeichnet einen Beschleunigungssensor als das zu untersuchende Objekt.

In einem in der Abbildung dargestellten Koordinatensystem XY ist ein Ursprung definiert, der eine Position darstellt, an der die Drehwelle des Hauptdrehtisches 1 aufrecht steht; eine X-Achse stellt die Richtung der Drehwelle des Nebendrehtisches 9 dar und die Y-Achse verläuft senkrecht zur X-Achse. In der Abbildung bezeichnet R einen Abstand vom Ursprung des Koordinatensystems zur Drehwelle des Nebendrehtisches 9. Der Hauptdrehtisch 1 und der Nebendrehtisch 9 drehen sich mit Winkelgeschwindigkeiten &ohgr;1 und &ohgr;2 im Uhrzeigersinn. Der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors 20 ist vom Drehmittelpunkt des Nebendrehtisches 9 um einen Abstand r beabstandet.

Bevor sich die Drehtische drehen, verläuft die Meßachse des Beschleunigungssensors parallel zur X-Achse. Wenn die Meßachse nicht perfekt mit der X-Achse zusammenfällt, wird angenommen, daß ein Exzenterwinkel &thgr;1 beträgt. Ein Winkel der X-Achse bezüglich des Vektors r bevor sich die beiden Drehtische drehen, wird zu &thgr;0 angenommen.

Im folgenden wird eine durch den sich drehenden Hauptdrehtisch 1 erzeugte Beschleunigung betrachtet. Ein Koordinatenvektor des Schwerpunkts auf der Meßachse des Beschleunigungssensors ist durch gegeben.

Ein Vektor &agr;rR der Zentripetalbeschleunigung, die durch die Winkelgeschwindigkeit &ohgr;1 des Hauptdrehtisches 1 erzeugt ist, wie sie auf den Vektor wirkt, ist durch gegeben.

Unter der Annahme, daß die Größen der Beschleunigungen, die auf den Vektor R und den Vektor r wirken, &agr;R und &agr;r betragen, sind diese Vektoren

[Formel 3]

  • &agr;R = &ohgr;12R
  • &agr;r = &ohgr;12r.

Wenn sich der Nebendrehtisch 9 mit &ohgr;2 dreht, sind die Komponenten &agr;R0 und &agr;r0, die in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors und auf den Vektor R und den Vektor r wirken,

[Formel 4]

  • &agr;R0 = &ohgr;12Rcos(&ohgr;2t – &thgr;1)
  • &agr;r0 = &ohgr;12rcos(&thgr;0 + &thgr;1) (konstanter Wert).

Die Komponente ar0 der Beschleunigung in Richtung der Meßachse, die auf den Vektor r wirkt, ist ein konstanter Wert und dies lehrt, daß eine Mittelwert-(DC)Komponente dem Ausgangssignal des Beschleunigungssensors dann hinzuaddiert wird, wenn keine Exzentrizität auftritt.

Aus der obigen Diskussion wird klar, daß die Gesamtbeschleunigungskomponente aTm, die in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors erzeugt wird, ist, wie unten beschrieben wird.

Bevor sich der Nebendrehtisch 9 dreht, wirkt eine Beschleunigung ar durch den Vektor r in positiver Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors, wenn der Schwerpunkt der Meßachse des Beschleunigungssensors in einer Position in einer Ebene auf der rechten Seite einer geraden Linie liegt, die durch die Drehwelle des Nebendrehtisches 9 und parallel zur X-Achse verläuft, und wird durch

[Formel 5]

  • aTm = aR0 + ar0 ausgedrückt.

Wenn der Beschleunigungssensor in einer Position in einer Ebene auf der linken Seite der geraden Linie plaziert wird, wirkt eine Beschleunigung aT durch den Vektor r in negativer Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors und wird ausgedrückt durch aTm = aR0 – ar0= &ohgr;12R cos(&ohgr;2t – &thgr;1) – ar0 (Mittelwert-Komponente)

<Durch Drehung des Nebendrehtisches 9 erzeugte Beschleunigung>

Wenn der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors exzentrisch liegt, wird eine Zentripetalbeschleunigung durch die Drehung des Nebendrehtisches 9 erzeugt und als eine Komponente in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors hinzuaddiert. Eine Zentripetalbeschleunigung a&ohgr;2, die durch die Drehung des Nebendrehtisches 9 erzeugt wird, ist durch gegeben.

Die Größe der Zentripetalbeschleunigung ist durch gegeben.

Eine Komponente a&ohgr;20 in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors wird durch gegeben.

Diese Beschleunigungskomponente kann wie ar0 behandelt werden. Mit anderen Worten wirkt die Beschleunigung in die positive Richtung der Meßachse, wenn sich der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors auf der rechten Seite in der Ebene befindet. Wenn andererseits der Schwerpunkt der Meßachse des Beschleunigungssensors sich auf der linken Seite in der Ebene befindet, wirkt die Beschleunigung in negativer Richtung der Meßachse.

<Gesamtbeschleunigung>

Aufgrund der obigen Erläuterung kann eine Gesamtbeschleunigungskomponente aT in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors wie folgt beschrieben werden.

  • a) Wenn sich der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors in einer Ebene auf der rechten Seite einer geraden Linie befindet, die durch die Drehwelle des Nebendrehtisches 9 hindurchgeht und parallel zur X-Achse verläuft, ist die Gesamtbeschleunigungskomponente aT durch gegeben.
  • b) Wenn er in einer Ebene auf der linken Seite einer geraden Linie angeordnet ist, die durch die Drehwelle des Nebendrehtisches 9 hindurchgeht und parallel zur Y-Achse verläuft, dann ist die Gesamtbeschleunigungskomponente aT durch gegeben.

Wie anhand der obigen Formeln zu erkennen ist, übt die Exzentrizität auf das Ausgangssignal des Beschleunigungssensors den Effekt aus, daß die Mittelwert-Komponente zusätzlich im Ausgangssignal des Beschleunigungssensors enthalten ist, selbst wenn der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors auf eine beliebige exzentrische Position gesetzt wird. Anhand dieser Tatsache ist sofort zu erkennen, daß die Auswirkungen der Exzentrizität vernachlässigbar gemacht werden können, indem die Mittelwert-Komponente des Ausgangssignals des Sensors entfernt wird. Die Phasencharakteristik des Beschleunigungssensors kann genau gemessen werden, wenn die Meßachse des Beschleunigungssensors parallel zur X-Achse verläuft, bevor sich der Nebendrehtisch 9 dreht. Wenn die Meßachse nicht perfekt mit der X-Achse zusammenfällt, wird eine Phasenverschiebung &thgr;1 erzeugt.

Vom Ausgangssignal des Beschleunigungssensors braucht nur die Mittelwert-Komponente entfernt werden, wie in Blockdarstellung in 3 gezeigt ist. Bei diesem Beispiel wird ein Hochpaßfilter (H.P.F) zum Entfernen der Mittelwert-Komponente verwendet.

Die obige Erläuterung beruht auf der Tatsache, daß die Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors im wesentlichen parallel zur X-Achse gesetzt werden kann, während der Vektor zur exzentrischen Position im allgemeinen unbekannt ist.

Die Beziehung zwischen einer Position, an der sich der Schwerpunkt der Meßachse des Beschleunigungssensors befindet, und dem Ausgangssignal des Sensors wurde auf Basis der oben erläuterten Analyse durchgeführt und die Ergebnisse der Simulation sind im folgenden angeführt: Drehradius R: 0,2 m Maß der Exzentrizität r: 0,0008 m Winkelgeschwindigkeit &ohgr;1 des Hauptdrehtisches 1: 7,00 rad/s Winkelgeschwindigkeit &ohgr;2 des Nebendrehtisches 9: 125,7 rad/s (20Hz)

Unter den obigen Bedingungen beträgt die durch Drehung des Hauptdrehtisches 1 erzeugte Beschleunigung 1G.

Das Maß der Exzentrizität ist eine der Größen der Exzentrizität eines Beschleunigungssensors der Bauart mit Momentenausgleich (dieser Wert ändert sich in Abhängigkeit von der Art des Beschleunigungssensors).

<Symbole in den Zeichnungen>

  • aR:
    Größe einer Beschleunigung, die auf den Vektor R durch Drehung des Hauptdrehtisches 1 wirkt;
    ar:
    Größe einer Beschleunigung, die auf den Vektor r durch Drehung des Hauptdrehtisches 1 wirkt;
    a&ohgr;2:
    Größe einer Beschleunigung, die auf den Vektor r durch Drehung des Nebendrehtisches 9 wirkt;
    aR0:
    Komponente von aR in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors;
    ar0:
    Komponente von ar in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors;
    a&ohgr;20:
    Komponente von a&ohgr;2 in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors;
    aT:
    Komponente der Gesamtbeschleunigung in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors.

Wie in den 4A bis 4C gezeigt ist, wird im Ausgangssignal des Beschleunigungssensors eine Phasenverschiebung erzeugt, die vom Exzenterwinkel &thgr;1 abhängt, wenn der Exzenterwinkel &thgr;1 zwischen der Meßachse und der X-Achse zunimmt. Des weiteren verringern sich die Komponenten ar und a&ohgr;2 in Richtung der Meßachse um einen Betrag des Exzenterwinkel &thgr;1. Ein Fehler in der Komponente ar beträgt ungefähr 1% und ein Fehler in der Komponente a&ohgr;2 erhöht sich proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit des Nebendrehtisches 9. Wenn die Winkelgeschwindigkeit 20Hz beträgt, resultiert dies in einem großen Fehlerfaktor (ungefähr 100% im Maximum, was von der ersten Exzenterposition abhängt). Diese Charakteristik wird selbst dann beibehalten, wenn sich die Meßachse des Beschleunigungssensors in einer beliebigen Position befindet.

Aus diesem Grund werden im Sensorausgang Wellenformen erzeugt, die in der 5B und folgenden dargestellt sind, die nachfolgenden werden erzeugt, wenn &thgr;1 = 0 ist.

Wie anhand der vorangegangen Diskussion zu erkennen ist, kann der Beschleunigungssensor selbst dann kalibriert werden, wenn sich der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors in einer beliebigen Position beabstandet vom Drehmittelpunkt des Drehtisches von kleinem Durchmesser befindet oder die Position des Schwerpunkts auf der Meßachse des Beschleunigungssensor unbekannt ist. Daher können die Eigenschaften des Beschleunigungssensors sehr exakt bestimmt werden.

Obwohl das oben beschriebene Ausführungsbeispiel als Drehelement den Drehtisch verwendet, ist es klar, daß das Drehelement eine beliebige andere Form als ein Drehtisch annehmen kann, wenn es stabil drehbar ist.

Wie anhand der obigen Beschreibung zu erkennen ist, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Charakteristiken von Beschleunigungssensoren selbst dann sehr exakt zu bestimmen, wenn der Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungssensors, der auf einem Nebendrehtisch einer drehtellerförmigen Beschleunigungserzeugungsvorrichtung gesetzt wird, sich in einer beliebigen Position beabstandet vom Drehmittelpunkt des Drehtisches von kleinem Durchmesser befindet oder wenn die Position des Schwerpunktes auf der Meßachse des Beschleunigungssensors unbekannt ist, da die Erfindung einen Exzentrizitätsfehler entfernen kann, der durch eine Exzentrizität des Schwerpunkts auf seiner Meßachse erzeugt wird.


Anspruch[de]
Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung für eine Beschleunigungserzeugungsvorrichtung des Drehtyps, umfassend einen Drehtisch (1) von großem Durchmesser, der durch einen ersten Servomotor (6) drehbar ist, und einen Drehtisch (9) von kleinem Durchmesser, der auf einem äußeren Umfangsabschnitt des Drehtisches (1) von großem Durchmesser angebracht und durch einen zweiten Servomotor (11) drehbar ist, wobei ein Beschleunigungssensor (20) am Drehtisch (9) von kleinem Durchmesser befestigbar ist und die Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung ein Mittel zur Entfernung einer Mittelwert-Komponente aufweist, die nur die Mittelwert-Komponente aus einem Ausgangssignal des am Drehtisch (9) von kleinem Durchmesser befestigten Beschleunigungssensors (20) entfernt. Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Entfernen der Mittelwert-Komponente ein Hochpaßfilter ist. Verfahren zum Entfernen der Wirkung eines Exzentrizitätsfehlers bei einem Beschleunigungssensor (20), der an einer Beschleunigungserzeugungsvorrichtung des Drehtyps angebracht ist, welche einen Drehtisch (1) von großem Durchmesser, der durch einen ersten Servomotor (6) gedreht wird, und einen Drehtisch (9) von kleinem Durchmesser umfaßt, der an einem äußeren Umfangsabschnitt des Drehtisches (1) von großem Durchmessers angebracht ist und von einem zweiten Servomotor (11) gedreht wird, wobei der Beschleunigungssensor (20) am Drehtisch (9) von kleinem Durchmesser angebracht wird, das die Schritte umfaßt:

Anordnen eines Beschleunigungssensors (20) als zu untersuchendes Objekt auf dem Drehtisch (9) von kleinem Durchmesser; und

Entfernen einer niederfrequenten Komponente aus einem Ausgangssignal des Beschleunigungssensors (20), der auf dem Drehtisch (9) von kleinem Durchmesser angebracht ist, wenn sich die Drehtische (1, 9) von großem und kleinem Durchmesser drehen.






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