DE102005052892A1

DE102005052892A1 - Auf Beschleunigungsmessern basierender Neigungssensor und Verfahren zu dessen Einsatz

Info

Publication number: DE102005052892A1
Application number: DE102005052892A
Authority: DE
Inventors: Lincoln Davidson
Original assignee: Sauer Danfoss Inc
Current assignee: Danfoss Power Solutions Inc
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2006-05-24
Also published as: JP5046509B2; US20060100820A1; JP2006133230A; CN102607521B; US7231825B2; CN1773216A; CN102607521A; CN1773216B

Abstract

Ein Neigungssensor und ein Verfahren zum Einsatz des Neigungssensors zum Berechnen des Grads der Neigung, wobei der Neigungssensor mindestens drei auf einer Basis montierte Beschleunigungsmesser aufweist, die Beschleunigungsmesser in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und vorzugsweise jeweils in einem gleichen Winkel voneinander beabstandet sind.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Neigungsmesser bzw. Neigungssensoren und insbesondere auf einen auf Beschleunigungsmessern basierenden Neigungssensor und ein Verfahren zu dessen Einsatz.

Beschleunigungsmesser sind oft auf verschiedenen Vorrichtungen angebracht und werden zum Messen des Grads der Neigung der Vorrichtung bezüglich einer waagrechten Achse verwendet. Beschleunigungsmesser arbeiten aufgrund der Beschleunigung durch die Schwerkraft und erfassen Abweichungen im Gravitationsfeld. Insbesondere ändert sich bei Neigung eines Beschleunigungsmessers in einem Winkel zur Horizontalen die senkrechte Komponente der auf den Beschleunigungsmesser wirkenden Schwerkraft, was dazu führt, dass die elektronischen Bauteile im Beschleunigungsmesser anders reagieren und den vom Beschleunigungsmesser ausgegebenen Messwert ändern. Manche Beschleunigungsmesser verwenden einen piezoelektrischen Kristall und eine Masse, wodurch der sich ändernde Neigungswinkel verursacht, dass die Masse einen sich ändernden Druck auf den piezoelektrischen Kristall ausübt, der das Ausgangssignal erzeugt. In anderen Beschleunigungsmessern wird ein Kondensator und ein Widerstand verwendet, um im Endeffekt ein Masse-Feder-System zu schaffen, bei dem sich aufgrund der Schwerkraft das Ausgangssignal mit dem Neigungswinkel ändert.

Herkömmliche auf Beschleunigungsmessern basierende Neigungssensoren verwenden für jede Rotationsachse einen eigenen Beschleunigungsmesser. Zum Beispiel verwendet ein typischer Zwei-Achsen-Neigungssensor zwei Beschleunigungsmesser. Zu Zwecken der Fehlerkorrektur wird typischerweise für jede Rotationsachse ein zusätzlicher Beschleunigungsmesser verwendet.

Mit anderen Worten sind zum Erreichen einer Redundanz bei einem Zwei-Achsen-Neigungssensor vier Beschleunigungsmesser nötig.

Ein Nachteil bei herkömmlichen auf Beschleunigungsmessern basierenden Neigungssensoren besteht darin, dass es oft schwierig ist festzustellen, ob die Vorrichtung richtig funktioniert. Viele auf Beschleunigungsmessern basierende Neigungssensoren haben eingebaute Selbsttestbetriebsarten, welche die richtige Funktionsweise des Beschleunigungsmessers überprüfen können. Die Schwäche dieser Selbsttestbetriebsarten liegt darin, dass der Beschleunigungsmesser nicht gleichzeitig auf eine Neigung reagieren kann, wenn er in der Testbetriebsart ist.

Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Neigungssensoren besteht darin, dass es während der Installation oft schwierig ist, das Koordinatensystem der Beschleunigungsmesser genau auf das Koordinatensystem der gewünschten Messungen auszurichten. Oft erfordert eine derartige Präzision aufwendige Herstellungsverfahren. Die herstellenden Firmen erhalten oft eine präzise Steuerung über die Richtung der Achsen der Beschleunigungsmesser bezüglich dem fertig montierten Endprodukt aufrecht. Es ist jedoch schwierig, das gleiche Niveau der Präzision zwischen dem Beschleunigungsmesser und den Montagepunkten des Endprodukts aufrecht zu erhalten. Eine Fehlausrichtung der Messachse des Beschleunigungsmessers verringert seine Empfindlichkeit in der gewünschten Richtung und erhöht die Querachsenempfindlichkeit, welche die Empfindlichkeit hinsichtlich einer Beschleunigung in einer Richtung im rechten Winkel zur gewünschten Messachse ist.

Noch ein weiterer Nachteil bei herkömmlichen Neigungssensoren besteht darin, dass es schwierig wenn nicht sogar unmöglich ist, das Koordinatensystem des montierten Endprodukts zu ändern, ohne dabei die physische Konstruktion zu ändern, so dass es in verschiedenen Anwendungen mit unterschiedlichen Koordinatensystemen einsetzbar ist. Das Endprodukt, das die Neigung misst, kann in vielen verschiedenen Produkten nützlich sein, von denen jedes sein eigenes Koordinatensystem hat. Zusätzlich kann es sein, dass während der Konzeptionsphase eines Produkts der erforderliche Montageort und die Ausrichtung des Neigungssensors geändert werden müssen. Aufgrund dieser Möglichkeiten ist es oft notwendig, die Koordinatensysteme zu ändern, ohne dass der Neigungssensor selbst verändert wird.

Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen auf Beschleunigungsmessern basierenden Neigungssensor vorzusehen, der eine Fehlererfassung während des normalen Betriebs ermöglicht.

Eine weitere Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Neigungssensor vorzusehen, der leicht auf eine Vorrichtung ausgerichtet und auf ihr montiert werden kann, ohne dass dafür aufwendige Herstellungsverfahren oder Einstellungen der Neigungssensorkomponenten nötig sind.

Diese und andere Aufgaben werden dem Fachmann ersichtlich sein.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Neigungssensor vorgesehen, bei dem der Neigungssensor mindestens drei Beschleunigungsmesser hat, die auf einer Basis montiert und in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Beschleunigungsmesser in einem Winkel von ungefähr 120° zueinander um den Ursprung der gemeinsamen Ebene herum beabstandet. Außerdem ist der erste Beschleunigungsmesser vorzugsweise in einem Winkel von 45° zu einer der Achsen der gemeinsamen Ebene angeordnet.

Außerdem ist auch ein Verfahren zum Einsatz des Neigungssensors zum Bestimmen des Neigungswinkels auf der Grundlage der Beschleunigungsmesser-Messwerte vorgesehen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen auf Beschleunigungsmessern basierenden Neigungssensor.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Gemäß 1 ist ein Neigungssensor 10 vorgesehen, der eine Basis 12 zur Fixierung an einem montierten Endprodukt, wie zum Beispiel einer schweren Maschine oder, in einer vereinfachten Anwendung, an einer Wasserwaage aufweist. Die Basis 12 kann ein (nicht gezeigtes) Gehäuse haben und ist aus einem beliebigen herkömmlichen Werkstoff, der auf diesem Gebiet der Technik bekannt ist.
Mindestens drei Beschleunigungsmesser 14, 16 und 18 sind, wie in 1 zu sehen, auf der Basis 12 angebracht. Bei der vorliegenden Erfindung wird in Betracht gezogen, dass aus Redundanzgründen oder zum Erfassen einer Neigung in mehr als zwei Richtungen noch zusätzliche Beschleunigungsmesser verwendet werden können. Außerdem können als Beschleunigungsmesser 14 bis 18 beliebige kraftbasierter Beschleunigungsmesser verwendet werden, die Abweichungen der Schwerkraft in Abhängigkeit vom Grad der Neigung erfassen.
Die Beschleunigungsmesser 14 bis 18 sind in einer gemeinsamen Ebene, wie zum Beispiel einer x-y-Ebene angeordnet. Zwar sind die x- und die y-Achse typischerweise denjenigen Achsen zugeordnet, die parallel zur Horizontalen sind, doch wird bei der vorliegenden Erfindung eine beliebige Ausrichtung der Achsen, einschließlich einer z-Achse bzw. senkrechten Achse, in Betracht gezogen. Vorzugsweise sind die Beschleunigungsmesser 14 bis 18, wie in 1 gezeigt, um den Ursprung der gemeinsamen Ebene herum gleichmäßig beabstandet, so dass die Beschleunigungsmesser 14 bis 18 einen Abstand von ungefähr 120° voneinander haben. Außerdem sind die Beschleunigungsmesser 14 bis 18 vorzugsweise so angeordnet, dass der erste Beschleunigungsmesser 14 in einem Winkel von ungefähr 45° zur x-Achse ist, wie das in 1 durch den Winkel Θ angegeben ist. Die Beschleunigungsmesser 14 bis 18 sind starr zueinander angeordnet, so dass alle drei der gleichen Gravitationsbeschleunigung unterliegen.
Zwei Beschleunigungsmesser, wie zum Beispiel die Beschleunigungsmesser 14 und 16 sind zum Messen einer Neigung um die x- und die y-Achse ausreichend. Das Hinzufügen des dritten Beschleunigungsmessers 18 ergibt eine Redundanz in zwei Richtungen, die zur Fehlererfassung in den Beschleunigungsmesser-Messwerten verwendet werden kann. Bei den Beschleunigungsmessern 14 bis 18 ist dann die algebraische Summe der drei Beschleunigungsmesser-Messwerte immer null. Eine Summe, die nicht null ist, zeigt einen Fehler oder einen Fehlerausdruck in einer oder mehr der drei Messungen und kann auf einen fehlerhaften Beschleunigungsmesser hinweisen.
Es kann sein, dass es nicht immer möglich ist, die Beschleunigungsmesser 14 bis 18 genau so anzuordnen, wie sie in 1 gezeigt sind, und es kann aufgrund normaler Herstellungstoleranzen sein, dass die Empfindlichkeit eines jeden Beschleunigungsmessers nicht immer so wie erwartet ist. Daher muss jede Messung mit einem konstanten Multiplikator skaliert werden, bevor die Summe berechnet wird. Außerdem kann es sein, dass die Beschleunigungsmesser 14 bis 18 einen bestimmten Grad der Empfindlichkeit gegenüber einer Beschleunigung entlang der z-Achse bzw. der senkrechten Achse aufweisen. Für Neigungswinkel von weniger als 25° hat sich herausgestellt, dass die Komponente der Schwerkraft entlang der z-Achse um nicht mehr als zehn Prozent variiert und als eine Konstante behandelt werden kann. Demnach ist die Summe der Beschleunigungsmesser-Messwerte plus eine Konstante über einen weiten Bereich von Neigungswinkeln fast gleich null. Wenn die Summe einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, kann es sein, dass bei einem oder mehreren der Beschleunigungsmesser ein Fehler besteht.
In der Praxis erfassen die Beschleunigungsmesser 14 bis 18 Abweichungen von der Schwerkraft bei einer Neigung des Neigungssensors 10 bezüglich der Horizontalen. Hierbei variieren die Messungen der Beschleunigungsmesser 14 bis 18 mit dem Neigungswinkel des Neigungssensors 10. Aus diesen Messungen können die x- und y-Komponenten der Beschleunigung berechnet werden, die dann zum Herleiten des Neigungswinkels verwendet werden. Spezifisch ergibt sich die x-Komponente der Beschleunigung A_x aus der gewichteten Summe der drei Beschleunigungsmesser-Messwerte plus einer Konstante C_x oder: Ax = Cx + A1 Cx1 + A2 Cx2 + A3 Cx3 wobei A₁ der Messwert des Beschleunigungsmessers 14, A₂ der Messwert des Beschleunigungsmessers 16, A₃ der Messwert des Beschleunigungsmessers 18, C_x1 der gewichtete Koeffizient für den Beschleunigungsmesser 14, C_x2 der gewichtete Koeffizient für den Beschleunigungsmesser 16 und C_x3 der gewichtete Koeffizient für den Beschleunigungsmesser 18 ist. Ein Fachmann versteht hierbei, dass die Multiplikation von A₁ mit C_x1 einen gewichteten Beschleunigungswert ergibt. Die y-Komponente der Beschleunigung A_y ergibt sich aus einer anderen gewichteten Summe der Messwerte, addiert zu einer anderen Konstante C_y oder: Ay = Cy + A1 Cy1 + A2 Cy2 + A3 Cy3
Aufgrund einer Fehlausrichtung während der Herstellung ist es schwierig, die tatsächlichen Ausrichtungen der Beschleunigungsmesser zu ermitteln, so dass die gewichteten Koeffizienten für jeden Beschleunigungsmesser und die Konstanten zur maximalen Genauigkeit experimentell festzustellen sind. Spezifisch ergibt ein Experimentieren nach der Herstellung des Sensors 10 die besten Ergebnisse. Nach der Berechnung der Beschleunigungen A_x und A_y wird dann eine inverse Sinusfunktion verwendet, um die Beschleunigungen in Neigungswinkel bezüglich der x- und der y-Achse umzurechnen.
Diese Vorgehensweise der Verwendung einer gewichteten Summe mehrerer Beschleunigungsmesser-Messwerte zum Berechnen der Beschleunigung entlang einer einzelnen Achse kann auch leicht erweitert werden, um eine beliebige Anzahl zusätzlicher Beschleunigungsmesser zu berücksichtigen.
Die Verwendung von vier Beschleunigungsmessern bietet alle Vorteile der Verwendung von dreien, liefert jedoch auch genug Information, um zu bestimmen, welcher Beschleunigungsmesser fehlerhaft ist, wenn ein einzelner Beschleunigungsmesser versagt. Wenn die vier Beschleunigungsmesser alle 45° bei 0°, 45°, 90° und 135° angebracht sind, könnten beliebige zwei davon verwendet werden, um einen Neigungswinkel in der x- und der y-Richtung zu berechnen, und es könnten beliebige drei dazu verwendet werden, die Neigung zu berechnen und Fehler zu erfassen. Vier Beschleunigungsmesser ergeben vier unverwechselbare Mengen mit jeweils drei Beschleunigungsmessern. Wenn ein einzelner Beschleunigungsmesser versagt, enthält eine der vier Mengen den fehlerhaften Messwert nicht und kann daher zum Erhalten der korrekten Beschleunigungswerte für die x- und die y-Achse verwendet werden. Die anderen drei Mengen enthalten jeweils den falsche Messwert, weisen auf Fehler hin und sollten ignoriert werden. Die Verwendung von vier Beschleunigungsmessern auf diese Art und Weise ermöglicht eine Fehlererfassung und eine Korrektur im Fall des Versagens eines einzelnen Beschleunigungsmessers. Und auch bei einem einzelnen versagenden Beschleunigungsmesser ist immer noch eine Fehlererfassung vorgesehen, die überprüft, dass die verbleibenden drei Beschleunigungsmesser richtig funktionieren.
Eine Veränderung der Ausrichtung der x- und der y-Achse kann durch Einstellen der zum Berechnen der Beschleunigungen in der x- und in der y-Richtung verwendeten Koeffizienten und Konstanten bewerkstelligt werden. Hierbei braucht keiner der Beschleunigungsmesser 14 bis 18 verändert oder verstellt zu werden. Die einzige Einschränkung besteht darin, dass die neue x-y-Ebene parallel zur Ebene bleiben muss, in der die Beschleunigungsmesser 14 bis 18 montiert sind.
Es ist daher ersichtlich, dass durch die Verwendung von drei Beschleunigungsmessern, die in einer gemeinsamen Ebene ausgerichtet sind, die vorliegende Erfindung während des normalen Betriebs eine Redundanz in zwei Richtungen bietet, wodurch die Anzahl verwendeter Komponenten verringert wird und auf komplizierte Herstellungsverfahren verzichtet werden kann.

Claims

Neigungssensor mit einer Basis, umfassend: mindestens drei auf der Basis montierte und in einer gemeinsamen Ebene angeordnete Beschleunigungsmesser.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Beschleunigungsmesser in Winkeln von 120° zueinander angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ebene zwei sich schneidende Achsen aufweist, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei einer der Beschleunigungsmesser in einem Winkel von 45° bezüglich einer der Achsen angeordnet ist.
Verfahren zum Messen des Neigungswinkels, mit den folgenden Schritten: – Vorsehen mindestens drei auf einer Basis in einer gemeinsamen Ebene angebrachter Beschleunigungsmesser; – Erfassen der Gravitationsbeschleunigung an jedem Beschleunigungsmesser; – Berechnen des Grads der Neigung auf der Grundlage der erfassten Beschleunigungen.
Verfahren nach Anspruch 5, weiter mit dem folgenden Schritt: Bestimmen eines Fehlerausdrucks.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Fehlerausdruck durch Berechnen einer gewichteten Summe der von den Beschleunigungsmessern erfassten Beschleunigungen und Addieren einer Konstante berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die gewichtete Summe und die Konstante durch Experimentieren mit den Beschleunigungsmessern nach der Herstellung der Vorrichtung bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Berechnens des Grads der Neigung auf der Grundlage der erfassten Beschleunigungen weiter die folgenden Schritte aufweist: – Bestimmen eines gewichteten Beschleunigungswerts für jeden Beschleunigungsmesser durch Multiplizieren der von jedem Beschleunigungsmesser erfassten Beschleunigung mit einem Gewichtungskoeffizienten, der für jeden Beschleunigungsmesser spezifisch ist; und – Berechnen der Summe der gewichteten Beschleunigungswerte und Addieren einer Konstante.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die gewichteten Koeffizienten und Konstanten durch Experimentieren mit den Beschleunigungsmessern nach der Herstellung der Vorrichtung bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Berechnens des Grads der Neigung auf der Grundlage der erfassten Beschleunigung weiter den Schritt des Umwandelns der erfassten Beschleunigung in einen Grad der Neigung unter der Verwendung einer inversen Sinusfunktion umfasst.