DE10321962B4 - Method and apparatus for simulating a yaw rate and using simulated yaw rates for initial calibration of yaw rate sensors or for in-service recalibration of yaw rate sensors - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung
zum Simulieren einer Drehrate, die auf einen Drehratensensor wirkt,
wobei der Drehratensensor eine Schwingeinrichtung (100), eine Primäranregungseinrichtung
(106) zum Antreiben der Schwingeinrichtung (100) zu einer Primärbewegung
(102), eine Sekundärerfassungseinrichtung
(108) zum Ausgeben eines Ausgangssignals, das von einer Sekundärbewegung (104)
der Schwingeinrichtung und von einer Drehrate des Drehratensensors
um eine sensitive Achse desselben abhängt, aufweist, mit folgenden
Merkmalen:
einer Einrichtung (24) zum Bereitstellen eines Werts
eines ersten Kompensationssignals (12a) und eines Werts eines zweiten
Kompensationssignals (12b), wobei die Werte des ersten und des zweiten
Kompensationssignals so gewählt sind,
dass eine Auslenkung der Schwingeinrichtung aufgrund einer ersten
Beschleunigung in Richtung der Primärbewegung kompensiert ist,
und dass eine Auslenkung der Schwingeinrichtung aufgrund einer zweiten
Beschleunigung in Richtung der Sekundärbewegung (104) kompensiert
ist, und zum Bereitstellen von Frequenzganginformationen (22) der
Schwingeinrichtung (100) aufgrund einer Anregung durch die Primäranregungseinrichtung
(106); und
einer Einrichtung (20) zum Erzeugen und Anlegen
eines Simulationssignals (109) an...Apparatus for simulating a yaw rate acting on a yaw rate sensor, the yaw rate sensor comprising oscillation means (100), primary excitation means (106) for driving the oscillation means (100) to a primary movement (102), secondary detection means (108) for outputting an output signal, which depends on a secondary movement (104) of the oscillating device and on a rate of rotation of the rotation rate sensor about a sensitive axis thereof, having the following features:
a device (24) for providing a value of a first compensation signal (12a) and a value of a second compensation signal (12b), wherein the values of the first and second compensation signals are selected such that a deflection of the oscillation device due to a first acceleration in the direction of Primary motion is compensated for, and that a deflection of the vibrator is compensated for due to a second acceleration in the direction of the secondary movement (104), and for providing frequency response information (22) of the vibrator (100) due to excitation by the primary exciter (106); and
a device (20) for generating and applying a simulation signal (109) to ...
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Drehratensensoren und insbesondere auf die Kalibrierung von Drehratensensoren. Mikromechanische Coriolis-Kraft-Drehratensensoren besitzen vielfältige Anwendungsfelder, von denen beispielsweise die Positionsbestimmung eines Automobils oder eines Flugzeugs zu nennen ist. Allgemein besitzen solche Sensoren eine bewegliche mechanische Struktur, welche zu einer periodischen Schwingung angeregt wird. Diese periodische, durch Anregung erzeugte Schwingung wird auch als primäre Schwingung bezeichnet. Erfährt der Sensor eine Drehung um eine Achse senkrecht zu der Primärschwingung oder Primärbewegung, so führt die Bewegung der Primärschwingung zu einer Coriolis-Kraft, die proportional zur Messgröße, d. h. der Winkelgeschwindigkeit, ist. Durch die Coriolis-Kraft wird eine zweite, zur Primärschwingung orthogonale Schwingung angeregt. Diese zweite, zur Primärschwingung orthogonale Schwingung wird auch als Sekundärschwingung oder Sekundärbewegung bezeichnet. Die Sekundärschwingung, die auch als Detektionsschwingung bezeichnet wird, kann durch verschiedene Messverfahren erfasst werden, wobei die erfasste Größe als Maß für die auf den Drehratensensor wirkende Drehrate dient. Um die Primärschwingung zu erzeugen, werden unter anderem thermische, piezoelektrische, elektrostatische und induktive Verfahren verwendet, welche in der Technik bekannt sind. Zu der Erfassung der Sekundärschwingung sind piezoelektrische, piezoresistive oder kapazitive Prinzipien Stand der Technik.The The present invention relates to yaw rate sensors, and more particularly on the calibration of rotation rate sensors. Micromechanical Coriolis force gyroscopes own diverse Application fields, of which, for example, the position determination of an automobile or an airplane. Generally own such sensors have a movable mechanical structure, which too a periodic oscillation is excited. These periodic, excitation generated vibration is also called the primary vibration designated. learns the sensor rotates about an axis perpendicular to the primary vibration or primary movement, so leads the movement of the primary vibration to a Coriolis force proportional to the measurand, i. H. the angular velocity, is. The Coriolis force becomes one second, to the primary vibration orthogonal oscillation excited. This second, to the primary vibration Orthogonal vibration is also called secondary vibration or secondary motion designated. The secondary vibration, which is also referred to as a detection vibration, can by various Measurement method are recorded, with the detected size as a measure of the the yaw rate sensor acting yaw rate is used. To the primary vibration Among other things, thermal, piezoelectric, electrostatic and inductive methods used in the Technics are known. To the detection of the secondary vibration are piezoelectric, piezoresistive or capacitive principles of the technique.
Drehratensensoren können auf verschiedenartigste Arten und Weisen ausgeführt werden. Alle Drehratensensoren haben jedoch gemeinsam, dass sie eine Schwingeinrichtung umfassen, die durch eine Primäranregungseinrichtung in die Primärbewegung versetzbar ist und dass sie eine Sekundärerfassungseinrichtung haben, die eine Sekundärbewegung aufgrund einer auf den Drehratensensor wirkenden Drehrate messen kann. Bei nicht-entkoppelten Sensoren führt ein und dieselbe schwingende Masse sowohl die Primärbewegung als auch die Sekundärbewegung aus. Diese Schwingeinrichtung ist dann derart ausgestaltet, dass sie eine Masse umfaßt, die sowohl in der x-Richtung als auch in der y-Richtung bewegbar aufgehängt wird. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird angenommen, dass die x-Richtung die Richtung der Primärbewegung oder der Primärschwingung ist, und dass die y-Richtung die Richtung der Sekundärbewegung bzw. der Sekundärschwingung ist, und dass die Drehrate auf die Schwingeinrichtung in z-Richtung wirkt.Angular rate sensors can be carried out in a variety of ways. All rotation rate sensors but have in common that they comprise a vibrating device, by a primary excitation device in the primary movement is displaceable and that they have a secondary detection device, the one secondary movement can measure due to an acting on the rotation rate sensor yaw rate. When not decoupled Sensors leads one and the same vibrating mass both the primary movement as well as the secondary movement out. This oscillating device is then designed such that she includes a mass movable in both the x-direction and the y-direction suspended becomes. Without restriction In general, it is assumed that the x direction is the direction of the primary motion or the primary vibration is, and that the y-direction is the direction of the secondary movement or the secondary vibration is, and that the yaw rate on the vibrating device in z-direction acts.
Die WO 98/15799 offenbart Drehratensensoren mit entkoppelten Bewegungen der Schwingeinrichtung. Die Schwingeinrichtung ist in einen Primärschwinger und einen Sekundärschwinger aufgeteilt. Der Primärschwinger führt eine Schwingung in Primärrichtung durch und ist so mit dem Sekundärschwinger gekoppelt, dass die Primärschwingung auf den Sekundärschwinger übertragen wird. Der Primärschwinger ist jedoch derart an einem Substrat aufgehängt, dass er sich lediglich in Primärrichtung bewegen kann, nicht aber in Sekundärrichtung. Damit führt eine auf den Primärschwinger wirkende Coriolis-Kraft aufgrund einer Drehrate nicht dazu, dass der Primärschwinger in Sekundärrichtung ausgelenkt wird, da dieser Bewegungsfreiheitsgrad aufgrund seiner Aufhängung für den Primärschwinger nicht existiert. Dagegen ist der Sekundärschwinger derart aufgehängt, dass er sich sowohl in Primärrichtung als auch in Sekundärrichtung bewegen kann. Die Sekundärbewegung führt dazu, dass sich der Sekundärschwinger in Sekundärrichtung be wegt, wobei diese Sekundärbewegung durch die Sekundärerfassungseinrichtung erfassbar ist. Vorzugsweise ist die Sekundärerfassungseinrichtung dabei so ausgebildet, dass sie die Primärbewegung nicht erfasst, die der Sekundärschwinger ja nur deswegen ausführt, um auf die Coriolis-Kraft „sensitiv" zu sein. Die Verbindung zwischen den Primärschwinger und dem Sekundärschwinger ist ferner, um eine noch bessere Kopplung zu erreichen, derart ausgebildet, dass zwar die Primärschwingung von dem Primärschwinger auf den Sekundärschwinger übertragen wird, dass jedoch die Sekundärschwingung nicht auf den Primärschwinger zurück übertragen wird.The WO 98/15799 discloses rotation rate sensors with decoupled movements the vibrating device. The oscillating device is in a primary oscillator and a secondary oscillator divided up. The primary oscillator leads one Oscillation in the primary direction through and so is the secondary oscillator coupled that the primary vibration transferred to the secondary oscillator becomes. The primary oscillator However, it is suspended on a substrate such that it only in the primary direction can move, but not in the secondary direction. This leads to a on the primary oscillator acting Coriolis force due to a rate of turn not to that the primary oscillator in the secondary direction is deflected because this degree of freedom of movement due to his suspension for the primary oscillator Does not exist. In contrast, the secondary oscillator is suspended in such a way that he himself in both primary direction as well as in the secondary direction can move. The secondary movement leads to, that is the secondary oscillator in the secondary direction be moved, this secondary movement by the secondary detection device is detectable. Preferably, the secondary detection device is included designed so that it does not capture the primary movement that the secondary oscillator yes only because of that, to be "sensitive" to the Coriolis force. The connection between the primary vibrators and the secondary oscillator Furthermore, in order to achieve an even better coupling, it is designed such that that while the primary vibration from the primary oscillator transferred to the secondary oscillator but that is the secondary vibration not on the primary vibrator transferred back becomes.
Ein
solcher Drehratensensor, wie er aus der WO 98/15799 bekannt ist,
ist in
Ein
Sekundärschwinger
Wird
der Drehratensensor
Wird
der Drehratensensor
Die
Primärschwingeraufhängung stellt
sicher, dass der Primärschwinger
Die
WO 98/15799 offenbart ferner eine Vielzahl weiterer Drehratensensoren
mit unterschiedlichen Arten von Primär- und Sekundärschwingungen,
die darauf basieren, dass die Primärschwingung von der Sekundärschwingung
entkoppelt ist. Während
der in
Der Preis für mikromechanische Drehratensensoren wird im wesentlichen durch die Kosten für die Fertigung des Siliziumchips, die Aufbau- und Verbindungstechnik sowie das Testen und Kalibrieren der Sensoren bestimmt. Bei größeren Stückzahlen verteilen sich die Kosten näherungsweise gleichmäßig. Der Siliziumchip sowie die Aufbau- und Verbindungstechnik betragen zusammen zwei Drittel, während das zeitintensive Testen und Kalibrieren der Drehratensensoren bis zu einem Drittel der Gesamtkosten ausmacht. Der Grund für die sehr hohen Kosten des Tests und der Kalibrierungen ist die Tatsache, dass vollständig aufgebaute Drehratensensoren üblicherweise einzeln auf einem Drehtisch auf ihre Funktionalität hin getestet und kalibriert werden müssen. Besonders kostenintensiv sind dabei Messungen über den gesamten Temperaturbereich, in dem der Drehratensensor arbeiten soll. Insbesondere für automotive Anwendungen ist dieser Temperaturbereich beträchtlich, er wird sich von Minusgraden bis zu hohen Plusgraden erstrecken, um in dem gesamten Temperaturbereich, in dem ein Kraftfahrzeug arbeitet, für eine z. B. Navigation des Fahrzeugs verfügbar zu sein.Of the price for Micromechanical rotation rate sensors is essentially by the costs for the production of the silicon chip, the assembly and connection technology and testing and calibrating the sensors. For larger quantities The costs are distributed approximately evenly. Of the Silicon chip as well as the assembly and connection technology amount together two thirds while the time-consuming testing and calibration of the rotation rate sensors up to to one third of the total costs. The reason for the very high cost of the test and the calibrations is the fact that completely constructed yaw rate sensors usually individually tested on a turntable for functionality and have to be calibrated. Particularly cost-intensive are measurements over the entire temperature range, in which the rotation rate sensor should work. Especially for automotive Applications, this temperature range is considerable, it will be of minus degrees extend to high degrees of plus to allow for the entire temperature range, in which a motor vehicle works, for a z. B. Navigation of Vehicle available to be.
Im Kontext mit den stetig steigenden technischen Anforderungen, besonders an die Zuverlässigkeit sowie an die Leistungsparameter, sollen mikromechanische Drehratensensoren Spezifikationen mit sehr hohen Ansprüchen genügen, welche bisher ausschließlich von faseroptischen Gyroskopen erfüllt werden, die einer Preisklasse von mehreren tausend Euro zuzuordnen sind. Beispiele für Anwendungen mit Spezifikationen hoher Ansprüche sind die meisten militärischen Anwendungen und Navigationssysteme der Luft- sowie Raumfahrt.In the context of the constantly increasing technical requirements, in particular the reliability as well as the performance parameters, micromechanical rotation rate sensors are to meet specifications with very high demands, which until now have been fulfilled exclusively by fiber-optic gyroscopes ner price range of several thousand euros are attributable. Examples of high-specification applications include most aerospace military and aerospace applications.
Neben der zeitaufwendigen einzelnen Kalibrierung der Drehratensensoren auf einem Drehtisch, der eine Drehrate für den Drehratensensor erzeugt, und der möglicherweise in einem Labor bereitsteht, ist es auch erforderlich, die Funktionalität des Sensors im Betrieb zu überwachen. Insbesondere bei mikromechanischen Drehratensensoren existieren starke Temperatureinflüsse, und zwar insbesondere dann, wenn die Schwingeinrichtung im Hinblick auf die Primärbewegung in Resonanz betrieben wird, um einen Sensor mit hoher Empfindlichkeit zu erreichen, was nur dann möglich ist, wenn die Resonanzüberhöhung aufgrund der primärseitigen Resonanz ausgenutzt wird. Eine Nachkalibrierung aufgrund der Temperaturvariationen des Sensors im normalen Betrieb fand daher dadurch statt, dass die Temperatur des Sensors gemessen wurde und aufgrund der im Labor aufgenommenen Temperaturspezifikationen eine Nachregelung stattgefunden hat. Alternativ und zusätzlich sind auch primärseitige Amplituden- und Phasenregelungen bekannt, dahingehend, dass die Primäramplitude und Primärfrequenz des Primäranregungssignals immer derart geändert werden, dass ei nerseits der Drehratensensor immer in primärseitiger Resonanz betrieben wird und dass andererseits die Amplitude der Primärschwingung konstant ist oder zumindest einer nachgeschalteten Auswerteelektronik bekannt ist.Next the time-consuming individual calibration of the rotation rate sensors on a turntable that generates a rotation rate for the rotation rate sensor, and possibly in a laboratory, it is also required the functionality of the sensor to monitor during operation. Especially with micromechanical rotation rate sensors exist strong temperature influences, and in particular when the vibrating device in terms of on the primary movement operated in resonance to a sensor with high sensitivity to achieve what only possible is when the resonance cant due the primary side Resonance is exploited. A recalibration due to the temperature variations Therefore, the sensor in normal operation took place in that the Temperature of the sensor was measured and due to the laboratory recorded temperature specifications a readjustment took place Has. Alternative and additional are also primary-sided Amplitude and phase controls known, in that the primary amplitude and primary frequency the primary excitation signal always changed like that be that on the one hand, the rotation rate sensor always in the primary side Resonance is operated and that on the other hand, the amplitude of the primary oscillation is constant or at least one downstream evaluation is known.
Problematisch ist an diesen Maßnahmen, dass sie insbesondere im Hinblick auf die im Labor aufgenommenen Temperaturvariationen einen realen Fall lediglich annähern können, da Variationen zweiter Ordnung, wie beispielsweise ein Altern der mechanisch stark beanspruchten Struktur insgesamt nicht berück sichtigt wird. Aus diesem Grund ist es bekannt, Plausibilitätsüberprüfungen des Ausgangssignals vorzunehmen, indem die Ausleseelektronik ein Testsignal generiert, das über elektrostatische Kräfte dem Drehratensensor eine der Coriolis-Kraft entsprechende Kraft einprägt, die wiederum ein Ausgangssignal liefert. Das Testausgangssignal wird mit einem ermittelten initialen Ausgangssignal verglichen und bei zu starker Abweichung erfolgt eine Fehlermeldung. Dieser Selbsttest kann auch eine Funktionalität des Sensors durch Anlegen einer definierten Spannung an einem dafür vorgesehenen Pin umfassen.Problematic is in these measures, that they especially with regard to the laboratory recorded Temperature variations can only approximate a real case, since Second order variations, such as mechanical aging strongly stressed structure is not taken into account. For this Reason is known, plausibility checks of the output signal by the readout electronics generating a test signal, the above electrostatic forces the yaw rate sensor corresponding to the Coriolis force force imprints, which in turn provides an output signal. The test output signal is compared with a determined initial output signal and If there is too much deviation, an error message will be issued. This self-test can also have a functionality of the sensor by applying a defined voltage to a designated Pin include.
Im Stand der Technik findet die initiale Kalibrierung daher unter Verwendung eines Drehtisches zum Erzeugen einer realen Drehrate bzw. mehrerer Drehraten statt, wobei im Betrieb eine Nachkalibrierung lediglich auf der Basis von im Labor ermittelten Temperaturvariationen stattfindet. Ferner kann das Ausgangssignal des Sensors hinsichtlich seiner Plausibilität überprüft werden, um im Falle einer zu großen Abweichung eine Fehlfunktion des Sensors zu signalisieren, um den Sensor auszubauen, ins Labor zu bringen und nachzukalibrieren, oder gleich durch einen neuen (frisch kalibrierten) Sensor auszutauschen.in the The prior art therefore uses the initial calibration a turntable for generating a real rate of rotation or more Rotation rate instead, with a recalibration during operation only on the basis of temperature variations determined in the laboratory. Furthermore, the output signal of the sensor can be checked for plausibility, in case of too big Deviation to signal a malfunction of the sensor to the Remove sensor, bring it into the laboratory and recalibrate, or immediately replaced by a new (freshly calibrated) sensor.
Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist die Tatsache, dass zum einen, wie es ausgeführt worden ist, die Kalibrierung sehr zeit- und damit kostenintensiv ist, da ein Drehtisch benötigt wird, um den Sensor zu kalibrieren, und da ferner der gesamte Temperaturgang aufgezeichnet werden muß, um eine wenigstens annähernd gute Nachkalibrierung des Sensors im Betrieb zu erhalten.adversely At this proceeding is the fact that on the one hand, like it accomplished calibration has been very time-consuming and thus cost-intensive is needed because a turntable is to calibrate the sensor, and further because the overall temperature response must be recorded at least approximately to get good recalibration of the sensor during operation.
Weiterhin nachteilig ist die Tatsache, dass dann, wenn die Plausibilitätsüberprüfung anzeigt, dass der Sensor nicht mehr plausible Ausgangssignale liefert, ein kompletter Ausbau des Sensors verbunden mit einer Nachkalibrierung bzw. einem voll ständigen Ersatz nötig sein kann, was insbesondere bei automotiven Anwendungen oder auch bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt wenig tolerierbar bzw. nicht möglich ist.Farther disadvantageous is the fact that when the plausibility check indicates that the sensor no longer delivers plausible output signals, a complete removal of the sensor combined with a recalibration or a complete one Replacement needed can be, especially in automotive applications or too for applications in the air and air Space travel is little tolerable or not possible.
Die
Die
Die
Die
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Das US-Patent Nr. 6,205,838 B1 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Drehgeschwindigkeit, bei der Ausgangssignale eines Drehratensensors mittels einer digitalen Schaltung bewertet werden. Hierzu wird die Übertragungsfunktion von einer elektronisch erzeugten Anregungsspannung zum Ausgang der Beschleunigungselemente identifiziert, oder es wird eine Übertragungsfunktion von der elektronisch erzeugten Testspannung am Eingang in die Beschleunigungselemente zu ihrem Ausgang erzeugt, um systematische Fehler des Drehratensensors bei der digitalen Sensorsignalverarbeitung zu berücksichtigen.The U.S. Patent No. 6,205,838 B1 discloses an apparatus for determining a rotational speed at the output signals of a rotation rate sensor be evaluated by means of a digital circuit. This is the transfer function from an electronically generated excitation voltage to the output of the Accelerators identified or it becomes a transfer function from the electronically generated test voltage at the input to the accelerating elements generated to its output to systematic errors of the rotation rate sensor to be considered in digital sensor signal processing.
Die WO 98/15799 offenbart Drehratensensoren mit entkoppelten orthogonalen Primär- und Sekundärschwingungen.The WO 98/15799 discloses rotation rate sensors with decoupled orthogonal Primary- and secondary vibrations.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizienteres und fehlertoleranteres Konzept zum Kalibrieren von Drehratensensoren zu schaffen.The The object of the present invention is to provide a more efficient and more fault tolerant concept for calibrating gyroscopes to accomplish.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Simulieren einer Drehrate nach Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Simulieren einer Drehrate nach Patentanspruch 5, eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Drehratensensors nach Patentanspruch 6, ein Verfahren zum Kalibrieren eines Drehratensensors nach Patentanspruch 9, eine Vorrichtung zum Nachkalibrieren eines Drehratensensors nach Patentanspruch 10 oder ein Verfahren zum Nachkalibrieren eines Drehratensensors nach Patentanspruch 22 gelöst.These The object is achieved by a device for simulating a rate of rotation according to claim 1, a method for simulating a yaw rate according to claim 5, a device for calibrating a rotation rate sensor according to claim 6, a method for calibrating a rotation rate sensor according to claim 9, a device for recalibrating a Rotation rate sensor according to claim 10 or a method for recalibration a rotation rate sensor according to claim 22 solved.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sowohl die initiale Kalibrierung eines Drehratensensors als auch die In-Betrieb-Nachkalibrierung eines Drehratensensors entschieden vereinfacht werden können, wenn auf den Sensor keine bekannte Drehrate (z. B. durch einen Drehtisch) ausgeübt wird, sondern wenn die Schwingeinrichtung in Sekundärbewegung derart angeregt wird, dass eine genau quantifizierte Drehrate simuliert wird. Das Simulieren einer genau quantifizierten Drehrate durch ein Ansteuersignal an eine Sekundäranregungseinrichtung, die vorzugsweise mit der Sekundärerfassungseinrichtung identisch ist, ermöglicht es zum einen, eine initiale Kalibrierung des Drehratensensors unter Verwendung von zwei unterschiedlichen simulierten Drehraten vollständig ohne Verwendung eines Drehtisches durchzuführen.Of the The present invention is based on the finding that both the initial calibration of a rotation rate sensor as well as the in-operation recalibration a rotation rate sensor can be decidedly simplified when no known rate of rotation on the sensor (eg through a turntable) exercised but when the vibrating device in secondary motion is stimulated so that simulates a precisely quantized rotation rate becomes. Simulating a precisely quantized yaw rate by a drive signal to a secondary excitation device, the preferably with the secondary detection device is identical, allows on the one hand, an initial calibration of the rotation rate sensor under Use of two different simulated yaw rates completely without Use a turntable.
Weiterhin ermöglicht es die Simulierung einer genau quantifizierten Drehrate, dass eine In-Betrieb-Nachkalibrierung des Drehratensensors erfolgen kann, ohne dass der Drehratensensor ausgebaut werden muß, und ohne dass für den Drehratensensor beispielsweise gefordert werden muß, dass sich das Fahrzeug, in dem sich der Drehratensensor befindet, in einer definierten Situation befinden muß.Farther allows it is the simulation of an exactly quantified rate of turn that one In-operation recalibration of the rotation rate sensor can take place, without the rotation rate sensor must be removed, and without that for the rotation rate sensor, for example, must be required that the vehicle in which the yaw rate sensor is located in a defined situation.
Weiterhin ermöglicht es das erfindungsgemäße Simulieren einer genau quantifizierten Drehrate, dass auf die Aufzeichnung eines Temperaturgangs im Labor verzichtet werden kann, wenn eine primärseitige Regelung vorgesehen ist. Dann kann auf der Basis einer aufgrund der primärseitigen Regelung veränderten Antriebsfrequenz oder Antriebsamplitude die zu simulierende genau quantifizierte Drehrate nachgesteuert werden, dahingehend, dass bei der zu simulierenden Drehrate durch Auslenkung der Schwingeinrichtung in Sekundärrichtung die Ergebnisse der primärseitigen Regelung verwendet werden, um auch bei veränderten Temperaturbedingungen eine korrekte und definierte quantifizierte Drehrate zu simulieren und darauf aufbauend eine Kalibrierung des Drehratensensors vornehmen zu können.Farther allows it simulates the invention a precisely quantified rate of turn that on the record a temperature transition in the laboratory can be dispensed with, if one primary side Regulation is provided. Then, based on a due the primary side Regulation changed Drive frequency or drive amplitude to be simulated exactly nachgesteuert be quantified rotation rate, to the effect that at the rate of rotation to be simulated by deflection of the oscillating device in the secondary direction the results of the primary-side Control can be used even under changing temperature conditions to simulate a correct and defined quantified rate of turn and based on this, perform a calibration of the rotation rate sensor to be able to.
Zur Simulierung einer genau quantifizierten Drehrate des Drehratensensors wird der Drehratensensor erfindungsgemäß charakterisiert, indem auf die Schwingeinrichtung in Richtung der Primärbewegung eine erste Beschleunigung ausgeübt wird, und indem dann ein Kompensationssignal zum Kompensieren der Auslenkung aufgrund der ersten Beschleunigung ermittelt wird. Damit wird die Empfindlichkeit des Primärantriebs, also das Verhältnis der auf den Primärantrieb wirkenden Kraft, die gleich dem Produkt der Masse des Primärantriebs und der ersten Beschleunigung ist, zu dem an den Primärantrieb zu Kompensationszwecken anzulegenden elektrischen Signal ermittelt.To simulate a precisely quantized rate of rotation of the rotation rate sensor is the rotation rate sensor According to the invention characterized in that a first acceleration is exerted on the oscillating device in the direction of the primary movement, and then by a compensation signal for compensating the deflection due to the first acceleration is determined. Thus, the sensitivity of the prime mover, ie the ratio of the force acting on the primary drive force, which is equal to the product of the mass of the prime mover and the first acceleration, determined to be applied to the primary drive for compensation purposes electrical signal.
Entsprechend wird für die Sekundärerfassungseinrichtung bzw. den benötigten Sekundärantrieb vorgegangen, wobei der Sekundärantrieb typischerweise identisch zu der Sekundärerfassungseinrichtung sein wird, wobei dies insbesondere im elekt rostatischen Fall eines Kammantriebs als Sekundärerfassungseinrichtung so sein wird. Hierbei wird wiederum der Sekundärantrieb mit einer zweiten Beschleunigung in Richtung der Sekundärbewegung ausgelenkt, wobei diese Auslenkung dann durch Anlegen eines Signals an den Sekundärantrieb kompensiert wird, wobei das damit erhaltene Kompensationssignal wiederum dazu dient, um die Empfindlichkeit des Sekundärantriebs zu ermitteln. Die Empfindlichkeit des Sekundärantriebs ist wiederum das Verhältnis der Kraft, die auf den Sekundärantrieb wirkt und des Produkts aus der Masse des Sekundärschwingers und der zweiten Beschleunigung, wobei das an den Sekundärantrieb anzulegenden elektrische Signal zur Kompensation der erzeugten Auslenkung berücksichtigt wird.Corresponding is for the secondary detection device or the required secondary drive proceeded, the secondary drive will typically be identical to the secondary detection device, this being particularly the case in the electrostatic case of a comb drive as a secondary detection device will be like this. Here, in turn, the secondary drive with a second Acceleration deflected in the direction of the secondary movement, where this deflection then by applying a signal to the secondary drive is compensated, wherein the compensation signal thus obtained in turn serves to increase the sensitivity of the secondary drive to investigate. The sensitivity of the secondary drive is again relationship the force on the secondary drive acts and the product of the mass of the secondary oscillator and the second Acceleration, whereby the to be applied to the secondary drive electrical Signal taken into account to compensate for the generated deflection becomes.
Ferner wird der Drehratensensors dahingehend kalibriert, dass der Frequenzgang des Sekundärschwingers ermittelt wird, was ohne Einsatz eines Drehtisches dadurch geschieht, dass ein Antriebssignal mit verschiedenen Frequenzen angelegt wird und die Bewegung des Sekundärschwingers aufgrund des Antriebssignals vorzugsweise nach Betrag und Phase aufgezeichnet wird. Aus der Resonanzkurve ist dann ohne weiteres die Resonanzfrequenz der Schwingeinrichtung in Sekundärbewegung und vorzugsweise auch die Güte bzw. Dämpfung ermittelbar, welche als Frequenzganginformationen bereits genügen.Further the gyroscope sensor is calibrated so that the frequency response of the secondary vibrator determine what happens without using a turntable, that a drive signal with different frequencies is applied and the movement of the secondary oscillator due to the drive signal preferably in magnitude and phase is recorded. From the resonance curve is then easily the resonant frequency of the vibrating device in secondary motion and preferably also the quality or damping detectable, which already satisfy as frequency response information.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Schwingeinrichtung in Sekundärrichtung außerhalb der Resonanz betrieben, so dass in diesem Fall keine Frequenzganginformationen über die Schwingeinrichtung in Sekundärbewegungsrichtung benötigt werden. Wird die Schwingeinrichtung in Sekundärbewegungsrichtung jedoch ebenfalls in Resonanz oder sehr nah an der Resonanz betrieben, so wird vorzugsweise auch der Frequenzgang der Sekundäreinrichtung aufgezeichnet.at the preferred embodiment the oscillating device is outside in the secondary direction the resonance operated, so that in this case no frequency response information on the Oscillating device in the secondary movement direction needed become. If the oscillating device in the secondary movement direction, however, also operated in resonance or very close to the resonance, so is preferably also the frequency response of the secondary device recorded.
Auf der Basis der Kompensationssignale, der Frequenzganginformationen und des Zahlenwerts der zu simulierenden Drehrate ist dann erfindungsgemäß ein an die Sekundärantriebseinrichtung anzulegendes Amplitudensignal ermittelbar, das noch von der Amplitude des Anregungssignals und der Frequenz des Anregungssignals abhängt, und das, wenn es an die Sekundärantriebseinrichtung angelegt wird, zu einer Auslenkung der Schwingeinrichtung in Sekundärrichtung führt, die genau dieselbe ist, wie wenn kein Signal an die Sekundärerfassungseinrichtung angelegt werden würde, wenn jedoch statt der simulierten Drehrate eine echte Drehrate mit genau derselben Quantität vorhanden sein würde.On the basis of the compensation signals, the frequency response information and the numerical value of the rate of rotation to be simulated is then an according to the invention the secondary drive device to be applied amplitude signal determined, the still of the amplitude the excitation signal and the frequency of the excitation signal depends, and that when it comes to the secondary drive device is applied, to a deflection of the vibrating device in the secondary direction leads, which is exactly the same as when no signal to the secondary detector would be created if, however, instead of the simulated yaw rate a true yaw rate with exactly the same quantity would be available.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zur initialen Kalibrierung eines Drehratensensors kein Drehtisch mehr benötigt wird. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass aufgrund der möglichen In-Betrieb-Nachkalibrierung keine kompletten Temperaturgänge vorab im Labor aufgezeichnet werden müssen.One Advantage of the present invention is that the initial Calibration of a rotation rate sensor no turntable is required. Another advantage of the present invention is that due to the possible In-service recalibration no complete temperature changes must be recorded in advance in the laboratory.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Sensor im Betrieb nachkalibrierbar ist, so dass keine Plausibilitätsüberprüfung mehr erforderlich ist, und dass insbesondere Alterungssituationen individuell Rechnung getragen werden kann, was dazu führt, dass ein Sensor erst dann ausgetauscht werden muß, wenn er mechanisch zerstört ist, nicht jedoch, wenn er lediglich die Kalibrierung verloren hat.One Another advantage of the present invention is that the sensor can be recalibrated during operation, so that no more plausibility check is necessary, and that particular aging situations individually Can be taken into account, which causes a sensor only then must be exchanged, when he is mechanically destroyed is, but not if he just lost the calibration.
Erfindungsgemäß wird daher einerseits der Aufwand für die Endtests von aufgebauten Drehratensensoren durch die eigenständige Erst- bzw. initiale Kalibrierung ohne Einsatz eines Drehtisches reduziert. Andererseits wird durch die Realisierung einer vorzugsweise permanenten eigenständigen Kontrolle während des Sensorbetriebs und durch eine eigenständige Reka librierung ebenfalls während des Sensorbetriebs die Performance der Drehratensensoren, insbesondere die Drift der Sensorparameter Skalenfaktor und Nullpunkt, verbessert.Therefore, according to the invention on the one hand the effort for the final tests of built-up rotation rate sensors by the independent first or initial calibration reduced without using a turntable. On the other hand, the realization of a preferably permanent independent Control during the sensor operation and by a separate Reka librierung also while of the sensor operation, the performance of the rotation rate sensors, in particular the drift of the sensor parameters scale factor and zero point, improved.
Bei den Gesamtkosten der Drehratensensoren werden erfindungsgemäß die vergleichsweise hohen Kosten für das zeitintensive Testen sowie Kalibrieren reduziert. Insbesondere das sehr kostenintensive Testen der Sensoren über den gesamten Temperaturbereich wird in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Rekalibrierung hinfällig, die auf der Simulation einer genau quantifizierten Drehrate aufbaut. Ferner wird den stetig steigenden Anforderungen besonders an die Zuverlässigkeit sowie an die Leistungsparameter durch die Minimierung der größten Fehler bezüglich der Sensorstabilität bzw. Sensorgenauigkeit, welche durch das Driften des Skalenfaktors und des Nullpunkts entstehen, Rechnung getragen.In the total cost of rotation rate sensors, the comparatively high costs for the time-consuming testing and calibration are reduced according to the invention. In particular, the very costly testing of the sensors over the entire temperature range becomes obsolete in connection with the recalibration according to the invention, which builds on the simulation of a precisely quantized rotation rate. Furthermore, the steadily stei ing requirements for reliability and performance parameters by minimizing the largest errors in sensor stability or sensor accuracy caused by drifting of the scale factor and zero point.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der betrachtete Drehratensensor ein Drehratensensor mit orthogonal entkoppelten Schwingungen, also mit einer Primärschwingung, die von der Sekundärschwingung orthogonal entkoppelt ist, derart, dass die Schwingeinrichtung einen Primärschwinger und einen vom Primärschwinger getrennt und durch eine spezielle Kopplung verbundenen Sekundärschwinger umfaßt. Ferner wird es bevorzugt, den Primärschwinger linear anzuregen und eine lineare Sekundärbewegung zu erhalten, so dass die Charakterisierung des Drehratensensors und insbesondere der Primäranregungseinrichtung und der Sekundärerfassungseinrichtung mit linearen Beschleunigungen stattfinden kann. Insbesondere wird es dann bevorzugt, als lineare Beschleunigung sowohl zur Auslenkung des Primärantriebs als auch der Sekundärerfassung die Erdbeschleunigung zu verwenden, die überall vorhanden ist, und deren Wert insbesondere nahezu konstant ist. Damit muß zur Charakterisierung des Drehratensensors nicht einmal eine Beschleunigung erzeugt werden, sondern es kann die überall vorhandene Erdbeschleunigung als genau bekannte Referenz ausgenutzt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Drehratensensor derart im Gravitationsfeld angeordnet wird, dass in einem ersten Schritt die Erdbeschleunigung eine Auslenkung der Schwingeinrichtung in Primärbewegung bewirkt, und dass in einem zweiten Kalibrationsschritt der Drehratensensor so bezüglich des Gravitationsfelds angeordnet wird, dass die Erdbeschleunigung eine Auslenkung der Schwingeinrichtung in Richtung der Sekundärbewegung bewirkt. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass keine Beschleunigungen erzeugt werden müssen. Lediglich die Kontrolle der Ausrichtung des Drehratensensors im Gravitationsfeld also beispielsweise unter Verwendung einer einfachen Wasserwaageneinrichtung oder eines Pendels etc. ist erforderlich, um ein ausreichend genaues Kompensationssignal ermitteln zu können.at a preferred embodiment In the present invention, the rotational rate sensor under consideration is one Rotation rate sensor with orthogonal decoupled oscillations, ie with a primary vibration, that of the secondary vibration is orthogonally decoupled, such that the vibrating means a primary oscillator and one from the primary transducer separated and connected by a special coupling secondary oscillator includes. Furthermore, it is preferred to excite the primary oscillator linearly and a linear secondary movement to obtain, so that the characterization of the rotation rate sensor and in particular the primary excitation device and the secondary detection device can take place with linear accelerations. In particular, will it then prefers, as a linear acceleration both to the deflection of the prime mover as well as secondary education to use the gravitational acceleration that exists everywhere, and whose Value is in particular almost constant. This must be used to characterize the Rotation rate sensor does not even generate an acceleration, but it can be anywhere existing gravitational acceleration exploited as a well-known reference become. This is achieved in that the rotation rate sensor such arranged in the gravitational field that in a first step the gravitational acceleration a deflection of the vibrating device in primary movement causes, and that in a second calibration step of the rotation rate sensor so concerning of the gravitational field is arranged that the gravitational acceleration a deflection of the oscillating device in the direction of the secondary movement causes. It is particularly advantageous that no accelerations must be generated. Only the control of the orientation of the rotation rate sensor in Gravitational field so for example using a simple Spirit level device or a pendulum etc. is required to be able to determine a sufficiently accurate compensation signal.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will be described below with reference to FIG the accompanying drawings explained in detail. Show it:
Nachfolgend
wird Bezug nehmend auf
Der
Drehratensensor umfaßt
ferner eine Sekundäreinrichtung
Die
Sekundärerfassungseinrichtung
Der
in
An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass das Signal V, das von
der Sekundärerfassungseinrichtung
Zur
Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend das
Charakterisierungsprinzip allgemein erläutert, bevor dann auf
Das
physikalische Prinzip der einzuprägenden Kraft FE ist
beliebig. Nachfolgend wird jedoch Bezug nehmend auf den speziellen
entkoppelten Drehratensensor von
Die vorliegende Erfindung ist dahingehend vorteilhaft, dass eine Drehrate ohne Geometriedaten des Drehratensensors simuliert werden kann, da sämtliche Geometrieabhängigkeiten des Drehratensensors aufgrund der Kompensationssignale und des Frequenzgangs in meßbare Signale bzw. berechenbare Größen „transformiert" werden. Dies betrifft insbesondere lokal auf dem Wafer bzw. dem Chip variierende Geometrieparameter wie beispielsweise die sogenannte Trenchverbreiterung, die Variation der Höhe der Siliziumschicht und die Variation des Abstands zwischen Substrat und Sensorstruktur. Diese Größen haben direkten Einfluss auf die Leistungsparameter der einzelnen Sensoren bzw. Sensorchips. Erfindungsgemäß wird zur Optimierung der Genauigkeit der nachgebildeten Drehrate die Chip- bzw. Sensor-spezifische Nachbildung der definierten und genau quantifizierten Drehrate unabhängig von den technologischen Prozesstoleranzen durchgeführt, so dass einerseits eine eigenständige initiale Kalibrierung mittels Krafteinprägung und andererseits eine In-Betrieb-Nachkalibrierung ebenfalls mittels Krafteinprägung, also durch Simulation einer Drehrate erhalten wird.The The present invention is advantageous in that a rate of rotation can be simulated without geometry data of the rotation rate sensor, there all geometry dependencies the rotation rate sensor due to the compensation signals and the frequency response in measurable Signals or calculable quantities are "transformed." This concerns in particular locally on the wafer or the chip varying geometry parameters such as the so-called trench broadening, the variation the height the silicon layer and the variation of the distance between substrate and sensor structure. These sizes have direct influence on the performance parameters of the individual sensors or sensor chips. According to the invention is for Optimization of the accuracy of the simulated yaw rate of the chip or sensor-specific Replica of the defined and exactly quantized rate of turn independent of carried out the technological process tolerances, so that on the one hand a independent initial calibration by force impression and on the other hand a In-operation recalibration also by force impression, ie is obtained by simulating a rate of rotation.
Zur
Nachbildung der Drehrate unabhängig
von technologischen Toleranzen wird vorzugsweise eine elektrostatische
Kraft (das „Ausgangssignal" des Blocks
Allgemein
gilt mit der auf den Primärschwinger
eingeprägten
Geschwindigkeit ν und
der Drehrate Ω für die auf
die inertiale Masse ms (Masse des Sekundärschwingers)
wirkende Coriolis-Kraft FC folgender Zusammenhang:
Die
vorstehende Gleichung gilt für
senkrecht aufeinanderstehende Bewegungsachsen. Die eingeprägte Geschwindigkeit ν ent spricht
der zeitlichen Ableitung der sinusförmigen Antriebs- bzw. Primärbewegung
des Sensors und kann mit der Amplitude x0 sowie
der Phase φp der Primärschwingung und der Antriebsfrequenz ω durch folgende
Gleichung dargestellt werden:
In der vorstehenden Gleichung wird die Amplitude x0 der Primärschwingung folgendermaßen dargestellt, wobei ωp die Antriebsfrequenz ist: In the above equation, the amplitude x 0 of the primary vibration is represented as follows, where ω p is the driving frequency:
Die Phase φp der Primärschwingung lautet dabei folgendermaßen: The phase φ p of the primary vibration is as follows:
In den vorstehenden Gleichungen steht FCD0 für die Amplitude der sinusförmigen Antriebskraft auf den Primärschwinger. mp gibt die Masse des Primärschwingers an, während βp die Dämpfung der Primärbewegung darstellt.In the above equations, F CD0 stands for the amplitude of the sinusoidal driving force on the primary oscillator. m p indicates the mass of the primary oscillator, while β p represents the attenuation of the primary motion.
Erfindungsgemäß wird für die Primärschwingung
und, wenn es benötigt
wird, auch für
die Sekundärschwingung
der frequenzabhängige
Amplituden- sowie Phasenverlauf „messtechnisch" exakt ermittelt.
Daraus werden dann weitere, den Sensor charakterisierende Frequenzgangparameter,
wie die Dämpfung
bzw. Güte berechnet,
und insbesondere auch die Resonanzfrequenz der Schwingeinrichtung
in Primärbewegungsrichtung.
Hierzu ist eine Steuereinrichtung beispielsweise innerhalb eines
digitalen Signalprozessors, vorgesehen, um verschiedene Anregungsfrequenzen
durchzufahren und an der Primäranregungseinrichtung
Analog kann für den Sekundärschwinger vorgegangen werden, wenn auch die Resonanzüberhöhungskurve des Sekundärschwingers benötigt wird. Typischerweise wird es jedoch bevorzugt, Drehratensensoren mit entkoppelten Schwingungsmoden derart zu betreiben, dass sich die Resonanzfrequenz des Sekundärschwingers in der Sekundärbewegungsrichtung von der Resonanzfrequenz des Primärschwingers in Primärbewegungsrichtung unter scheidet. In diesem Fall wird der Frequenzgang des Sekundärschwingers nicht benötigt, da der Sekundärschwinger in Sekundärbewegungsrichtung außerhalb der Resonanz betrieben wird und somit keine Resonanzüberhöhung auftritt. Wird auch der Primärschwinger nicht in Resonanz betrieben, so sind die Frequenzganginformationen derart, dass angezeigt wird, dass der Primärschwinger außerhalb der Resonanz betrieben wird. Aufgrund der wesentlich erhöhten Empfindlichkeit wird es jedoch bevorzugt, den Primärschwinger in Resonanz zu betreiben und insbesondere den Punkt der maximalen Amplitude, also die Frequenz der Anregungsschwingung mit einer Phasenregelung derart nachzuführen, dass auch bei veränderten Temperaturbedingungen der Primärschwinger immer in Resonanz bzw. in einer definierten Bandbreite um die Resonanz herum betrieben wird.Analogous can for the secondary oscillator be proceeded, although the resonant overshoot curve of the secondary oscillator needed becomes. Typically, however, it is preferred to have yaw rate sensors operate with decoupled vibration modes such that the resonance frequency of the secondary oscillator in the secondary movement direction from the resonant frequency of the primary oscillator in the primary direction of motion differentiates. In this case, the frequency response of the secondary oscillator not required, since the secondary oscillator in secondary movement direction outside the resonance is operated and thus no resonance peak occurs. Will also be the primary vibrator not resonated, so are the frequency response information such that it indicates that the primary vibrator is outside the resonance is operated. Due to the significantly increased sensitivity However, it is preferred to operate the primary oscillator in resonance and in particular the point of maximum amplitude, that is the frequency nachzuführung the excitation oscillation with a phase control such that even with changed temperature conditions the primary oscillator always in resonance or in a defined bandwidth around the resonance is operated around.
Sowohl für den Primärschwinger als auch für den Sekundärschwinger werden die Informationen über Amplitude und Phase des Primär- bzw. Sekundärschwingers vorzugsweise mittels einer I/Q-Demodulation im digitalen Signalprozessor realisiert. Basierend auf den messtechnischen Bestimmungen des Amplituden- und Phasenverlaufs der Oszillatoren können dann die weiteren erforderlichen Parameter, wie Resonanzfrequenz, Güte und Dämpfung extrahiert werden.Either for the primary oscillator as well as for the secondary oscillator be the information about amplitude and phase of the primary or secondary vibrator preferably by means of an I / Q demodulation in the digital signal processor realized. Based on the metrological determinations of the amplitude and phase of the oscillators can then the other required Parameters such as resonance frequency, quality and attenuation are extracted.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Aufnahme der sogenannten Frequenzgänge, also die Erfassung der Frequenzinformationen für jeden Sensor einzeln erfolgt, somit Chip- und Sensorspezifisch ist und damit unabhängig von den technologischen Prozesstoleranzen ist. Dies ist der Fall, da sich die technologischen Prozesstoleranzen in dem Frequenzgang des Primärschwingers gewissermaßen niederschlagen und in den Informationen über Resonanzfrequenz, Güte bzw. Dämpfung, also in den Frequenzganginformationen enthalten sind. Unter Berücksichtigung der Resonanzparameter wird die Coriolis-Kraft folgendermaßen dargestellt: It should be noted that the inclusion of the so-called frequency responses, ie the detection of the frequency information for each sensor is done individually, thus chip and sensor specific and thus is independent of the technological process tolerances. This is the case, since the technological process tolerances in the frequency response of the primary oscillator reflected in a sense and are contained in the information about resonant frequency, quality or attenuation, ie in the frequency response information. Taking into account the resonance parameters, the Coriolis force is represented as follows:
Die vorstehende Gleichung enthält im Nenner die Resonanzinformationen im Hinblick auf die Resonanzfrequenz des Primärschwingers ωp sowie die Dämpfung des Primärschwingers βp. Die vorstehende Gleichung enthält jedoch noch geometrieabhängige Größen in Form der Massen mp sowie ms (Masse des Primärschwingers mp und Masse des Sekundärschwingers ms) und der Amplitude FCD0 der Antriebskraft des Primärschwingers.The above equation contains in the denominator the resonance information with regard to the resonant frequency of the primary oscillator ω p as well as the attenuation of the primary oscillator β p . The above equation, however, still contains geometry-dependent quantities in the form of the masses mp and m s (mass of the primary oscillator m p and mass of the secondary oscillator m s ) and the amplitude F CD0 of the driving force of the primary oscillator.
Die
Amplitude der Antriebskraft FCD0 wird gemäß folgender
Gleichung mit der Amplitude des Antriebssignals, also
Die
Konstante Kx repräsentiert die Geometrie beispielsweise
des Kammantriebs, wenn eine elektrostatische Anregung in Form eines
Comb-Drives eingesetzt wird. Die Konstante Kx berücksichtigt
also die wirkenden homogenen als auch inhomogenen elektrischen Felder
des Kammantriebs. So kann bei bekannten Kx die
reale Antriebskraft ermittelt und eingestellt werden. Es sei darauf
hingewiesen, dass eine ähnliche
Konstante Kx selbstverständlich für beliebige andere Anregungen,
also beispielsweise piezoelektrische, induktive etc. Anregungen
definiert werden kann, die allgemein einen Zusammenhang zwischen
der Antriebskraft FCD0 und der Anregungssignalamplitude
Ux angeben. In einem solchen Fall muß das Signal
Ux in dieser Gleichung nicht immer quadratisch
auftreten, sondern kann auch linear oder kubisch etc. auftreten.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass das Antriebssignal, obgleich
nachfolgend von Spannungen gesprochen wird, nicht unbedingt eine
Spannung sein muß,
sondern dass das Antriebssignal auch ein Strom oder eine andere
anlegbare Größe ist,
die durch eine Amplitude
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird die geometrieabhängige Konstante Kx unter
Verwendung der Erdbeschleunigung als Referenz bestimmt. Dies wird
dadurch erreicht, dass der Drehratensensor während der Charakterisierung
desselben so gekippt wird, dass auf den Primärschwinger, d. h. die gesamte
bewegliche Masse, die einfache Erdbeschleunigung wirkt. Bei dem
in
In der obigen Gleichung stellt g die Erdbeschleunigung dar, die einen Wert von 9,81 N/m2 hat. Wird die obige Gleichung in die Gleichung für die Coriolis-Kraft eingesetzt, so ergibt sich folgender Zusammenhang: In the above equation, g represents the gravitational acceleration which has a value of 9.81 N / m 2 . If the above equation is used in the equation for the Coriolis force, the following relationship results:
In der vorstehenden Gleichung ist lediglich die Masse des Sekundärschwingers ms vorhanden, die noch eine Geometrieabhängigkeit aufweist, also eine Größe ist, die nicht durch Messung bzw. Auswertung ohne weiteres bestimmbar ist.In the above equation, only the mass of the secondary oscillator m s is present, which still has a geometry dependency, that is to say a variable which can not be readily determined by measurement or evaluation.
Entsprechend
der realen Antriebskraft kann auch die reale elektrostatische Kraft
FE, also die auf die Detektionselektroden
des Sekundärschwingers
einzuprägende
Kraft zur Generierung der Sekundärschwingung
ohne Anwesenheit einer Drehrate allgemein als Funktion der Antriebsspannung
Uy und einer Chip- bzw. Sensor-spezifischen
Konstanten Ky dargestellt werden. Die einzuprägende Kraft
FE stellt sich folgendermaßen dar:
Die
Amplitude FE0 der vorstehenden Gleichung
ergibt sich unter Verwendung der Sensor-spezifischen Konstante Ky folgendermaßen:
Analog zu Kx repräsentiert Ky die Geometrie der Detektionselektroden und berücksichtigt sowohl wirkende homogene als auch inhomogene elektrische Felder. Entsprechend der beschriebenen Vorgehensweise zur Ermittlung von Kx erfolgt die Bestimmung von Ky folgendermaßen: Analogously to K x , K y represents the geometry of the detection electrodes and takes into account both acting homogeneous and inhomogeneous electric fields. According to the described procedure for determining K x , the determination of K y is carried out as follows:
Hierbei
ist Uy1g die Spannung äquivalent zur einfachen Erdbe
schleunigung der inertialen Masse des Sekundärschwingers in Richtung der
Sekundärschwingung.
Uy1g wird wieder durch Kippen des Drehratensensors
ermittelt, wobei der Drehratensensor nun jedoch orthogonal zu der
vorherigen Kipprichtung gekippt wird, nämlich so, dass die Sekundärbewegungsrichtung
Aus der Gleichwertigkeit der Coriolis-Kraft und der einzuprägenden Kraft unter Berücksichtigung der Gleichungen für die Konstante Ky ergibt sich folgender Zusammenhang für eine nachzubildende Drehrate Ω: From the equivalence of the Coriolis force and the force to be impressed, taking into account the equations for the constant K y , the following relationship results for a rate of rotation Ω to be simulated:
Wird ferner der Primärschwinger in Resonanz betrieben, was typischerweise bevorzugt wird, so vereinfacht sich die vorstehende Gleichung zu folgender Gleichung: Further, when the primary oscillator is operated in resonance, which is typically preferred, the above equation simplifies to the following equation:
Die
beiden vorstehenden Gleichungen liefern nunmehr den numerischen
Zusammenhang zwischen einer einzuprägenden bzw. zu simulierenden
Drehrate Ω und
der Amplitude des Anregungssignals Ux (
Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Konzept
zum Charakterisieren eines Drehratensensors mit einer Schwingeinrichtung
Im
einzelnen umfaßt
die Vorrichtung zum Charakterisieren eines Drehratensensors, wie
sie in
Die
durch die in
Zur
Anregung der Sekundärerfassungseinrichtung
in Richtung der Sekundärbewegung
ist somit eine auf den Sensor wirkende Drehrate simulierbar, wobei
eine Amplitude des Sekundäranregungssignals
In
Abweichung von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem die
Einrichtung zum Ausüben
einer ersten und einer zweiten Beschleunigung (Einrichtung
Ist
die Schwingeinrichtung
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die auf den Primärschwinger und den Sekundärschwinger ausgeübten Beschleunigungen nicht unbedingt identisch sein müssen. Sind sie identisch, so kürzen sie sich aus dem Ausdruck für die Drehrate Ω heraus. Sind sie nicht identisch, so bleiben sie in dem Ausdruck für Ω erhalten. In diesem Fall, wenn die Beschleunigungen nicht identisch sind, ist es vorteilhaft, die einzelnen Werte zu kennen. Die Gleichung für Ω ist jedoch auch berechenbar, wenn lediglich das Verhältnis der beiden Beschleunigungen bekannt ist, da die beiden „Referenzbeschleunigungen" lediglich in ihrem Verhältnis zueinander in der Gleichung auftreten.It It should also be noted that the on the primary oscillator and the secondary oscillator exerted Accelerations do not necessarily have to be identical. are they are identical, so cut short they are different from the expression for the yaw rate Ω out. If they are not identical, they remain in the expression for Ω. In this case, if the accelerations are not identical, it is advantageous to know the individual values. the equation for Ω is however also calculable, if only the ratio of the two accelerations is known, since the two "reference accelerations" only in their relationship to each other in the equation.
Erfindungsgemäß wird somit eine Drehrate eingeprägt bzw. nachgebildet oder anders ausgedrückt simuliert. Damit lassen sich technologische Prozesstoleranzen bzw. der Einfluss auf die Chip-spezifische Sensorgeometrie und damit auf die Sensorparameter eliminieren. Die nachgebildete Drehrate wird, wie es aus der vorstehenden Gleichung ersichtlich ist, als Funktion von Parametern dargestellt, die entweder „gemessen" (Resonanzfrequenz ωp), „berechnet" (Güte bzw. Dämpfung) oder „eingestellt" (Antriebsfrequenz ω, Spannungen Ux sowie Uy) bzw. „geregelt" (Spannungen Ux1g sowie Uy1g) werden. Durch Anlegen von Spannungen Uy unterschiedlichen Betrags an die Detektionselektroden des Sekundärschwingers können nunmehr von den Spannungsbeträgen abhängige Drehraten definiert nachgebildet bzw. eingeprägt werden.According to the invention, a rate of rotation is thus imprinted or simulated or in other words simulated. This eliminates technological process tolerances or the influence on the chip-specific sensor geometry and thus on the sensor parameters. The simulated yaw rate is, as can be seen in the above equation, represented as a function of parameters which are either "measured" (resonant frequency ω p ), "calculated" (goodness or damping) or "adjusted" (drive frequency ω, voltages U x and U y ) or "regulated" (voltages U x1g and U y1g ). By applying voltages U y of different magnitude to the detection electrodes of the secondary oscillator, rotation rates that depend on the voltage amounts can now be simulated or imprinted in a defined manner.
Nachfolgend
wird Bezug nehmend auf
Zur
Kalibrierung der Drehratensensoren werden typischerweise zwei Größen bestimmt,
nämlich
der Proportionalitätsfaktor
zwischen der zu messenden Drehrate Ω und dem Ausgangssignal V,
welcher auch als Skalenfaktor SF (der Skalenfaktor wandelt die Drehrate
in eine spannungsäquivalente
Größe um) bezeichnet wird,
und der sogenannten Nullpunkt NP0, der bei
bestimmten Ausführungsformen
auf einen spezifizierten Wert angepasst werden soll. Der Zusammenhang
zwischen dem Ausgangssignal V, dem Skalenfaktor SF0 und dem
Nullpunkt NP0 ist folgendermaßen gegeben:
Der lineare Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung V bzw. allgemein dem Ausgangssignal V und der anliegenden Drehrate Ω bzw. der eingeprägten oder „simulierten" Drehrate Ω ist inhärent aufgrund der vorstehend dargelegten Definitionsgleichung für die Coriolis-Kraft linear. Ein Nullpunkt NP0, also ein Ausgangssignal des Sensors, wenn keine Drehrate anliegt, wird für bestimmte Anwendungen benötigt. So sei beispielsweise der Fall betrachtet, bei dem das Ausgangssignal V aus äußeren Gegebenheiten heraus Werte zwischen 0 V und 5 V annehmen soll. Ferner wird es für diesen Fall beispielsweise gewünscht, dass der Drehratensensor Drehraten messen soll, die Werte zwischen –Ωmax und +Ωma x annehmen soll. In einem solchen Fall würde eine Drehrate von 0, also Ω = 0, einem Wert des Ausgangssignals V von 2,5 V entsprechen. Diese Nullpunktverschiebung wird künstlich erzeugt, so dass, wie ausgeführt abhängig von äußeren Gegebenheiten, ein das Ausgangssignal V empfangender Signalverarbeitungsblock weiß, dass eine Ausgangsspannung von 0 V dem Wert –Ωmax entspricht, das ein Ausgangssignal von 2,5 V einer Drehrate von 0 entspricht, und dass ein Ausgangssignal von +5 V einer Drehrate von +Ωmax entspricht. Würde die Nullpunktverschiebung nicht vorgenommen werden, so würde das Ausgangssignal zwischen –2,5 und +2,5 V liegen. Wird für einen nachfolgenden Signalverarbeitungsblock, der das Ausgangssignal zwischen –2,5 V und +2,5 V verarbeitet, dieses Signal als geeignet betrachtet, so muß keine Nullpunktverschiebung durchgeführt werden. Eine Nullpunktverschiebung wird lediglich dann benötigt, wenn der nachgeschaltete Signalverarbeitungsblock beispielsweise mit negativen Spannungen nicht arbeiten kann oder aus bestimmten Gründen nicht arbeiten soll.The linear relationship between the output voltage V or, in general, the output signal V and the applied rate of rotation Ω or the impressed or "simulated" rate of rotation Ω is inherently linear due to the definition equation for the Coriolis force set out above: A zero point NP 0 , ie an output signal If no rotation rate is applied to the sensor, it is required for certain applications, for example, consider the case where the output signal V is out of external conditions 0 V and 5 V. Furthermore, for this case, for example, it is desired that the yaw rate sensor should measure yaw rates which should assume values between -Ω max and + Ω ma x . In such a case, a rotation rate of 0, ie Ω = 0, would correspond to a value of the output signal V of 2.5V. This zero shift is artificially generated, so that, as stated depending on external conditions, a signal processing block receiving the output signal V knows that an output voltage of 0 V corresponds to the value -Ω max , which corresponds to an output signal of 2.5 V, a rotation rate of 0 , and that an output signal of +5 V corresponds to a rotation rate of + Ω max . If the zero shift were not carried out, the output signal would be between -2.5 and +2.5 V. If this signal is considered suitable for a subsequent signal processing block which processes the output signal between -2.5 V and +2.5 V, no zero shift must be performed. A zero shift is only required if the downstream signal processing block can not work with negative voltages, for example, or should not work for certain reasons.
Bevor auf die vorliegende Erfindung eingegangen wird, sei zunächst eine initiale Kalibrierung mit Drehtisch beschrieben. Zur Kalibrierung des Skalenfaktors SF0 unter Verwendung eines kalibrierten Drehtisches wird der Drehratensensor bei mindestens zwei unterschiedlichen Drehraten Ω1 und Ω2 betrieben, wobei üblicherweise die den Messbereich definierenden Drehra ten verwendet werden. Mit den zugehörigen, resultierenden Ausgangssignalen V1 und V2 ergibt sich der nicht-angepasste Skalenfaktor SF0 * aus folgender Gleichung: Before discussing the present invention, an initial calibration with a turntable will first be described. To calibrate the scale factor SF 0 using a calibrated turntable, the rotation rate sensor is operated at at least two different rotation rates Ω 1 and Ω 2 , whereby usually the rotation rates defining the measurement range are used. With the associated, resulting output signals V 1 and V 2 , the non-adjusted scale factor SF 0 * results from the following equation:
Der
Abgleich des ermittelten Skalenfaktors SF0 * auf den spezifizierten Wert SF0 erfolgt
durch Multiplikation (bzw. Division) der Ausgangssignale mit einem
geeigneten Multiplikator, der natürlich auch kleiner als 0 sein
kann und somit als Divisor wirkt, welcher aus dem Verhältnis von
Soll-Skalenfaktor SF0 zu Ist-Skalenfaktor SF0 * ermittelt wird.
Es ergibt sich folgende Gleichung die nach Auflösung nach
dem Skalenfaktor den Multiplikator kSF liefert.
Die Berechnung von kSF sowie die Multiplikation
der Ausgangssignale mit kSF erfolgt im digitalen
Signalprozessor, auf den später
noch Bezug nehmend auf
Die
Kalibrierung des Nullpunkts NP0 erfolgt
durch Messung des Ausgangssignals V0 ohne
Anwesenheit einer Drehrate. Es resultiert der nicht-angepasste Nullpunkt
NP0 *, der folgender
maßen
definiert ist:
Der
Abgleich des ermittelten Nullpunkts NP0 * auf den spezifizierten Wert NP0 erfolgt
durch Addition (bzw. Subtraktion) des Ausgangssignals V0 mit
einer geeigneten Konstanten kNP, die aus
der Differenz von Soll-Nullpunkt NP0 * und Ist-Nullpunkt
NP0 ermittelt wird. Es ergibt sich der angepasste
Nullpunkt NP0 aus folgender Gleichung:
Aus
der vorstehenden Gleichung ergibt sich unmittelbar die Nullpunktkonstante
kNP, indem die vorstehende Gleichung nach
kNP aufgelöst wird. Die Berechnung von
kNP sowie die Addition des Ausgangssignals
mit kNP erfolgt ebenso wie die Skalenfaktorkalibrierung
im digitalen Signalprozessor, wie er beispielhaft in
Für die vorstehend beschriebene initiale Kalibrierung unter Verwendung eines Drehtisches zur Erzeugung der Drehraten Ω1 und Ω2 wird, wie es ausgeführt worden ist, ein Drehtisch benötigt. Die initiale Kalibrierung muß daher bei Laborbedingungen, und zwar im wesentlichen bei definierten und vorzugsweise konstanten Umgebungsbedingungen stattfinden.For the above-described initial calibration using a turntable for generating the rotation rates Ω 1 and Ω 2 , as has been stated, a turntable is required. The initial calibration must therefore take place under laboratory conditions, essentially at defined and preferably constant environmental conditions.
Nachfolgend
wird Bezug nehmend auf
Die
in
Die
Einrichtung
Die Berechnung des Nullpunkt-Korrekturwerts kNP erfolgt analog zur Kalibrierung des Nullpunkts mit Einsatz eines Drehtisches. Der Nullpunkt-Korrekturwert kNP ist, wie es ausgeführt worden ist, ohne Anlegen einer Drehrate bestimmbar.The calculation of the zero point correction value k NP is analogous to the calibration of the zero point using a turntable. The zero point correction value k NP , as has been stated, can be determined without applying a rotation rate.
An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass es prinzipiell unerheblich
ist, welcher Natur das Ausgangssignal V ist, so lange das Ausgangssignal
V proportional zur Drehrate Ω ist,
derart, dass der Zusammenhang zwischen V und Ω durch die vorstehend genannte
Geradengleichung mit dem Skalenfaktor als Steigung und dem Nullpunkt
als Null-Verschiebung dargestellt werden kann. So kann das Signal
V tatsächlich
eine nach längerer
Signalverarbeitung bestimmte Gleichspannung sein, wie sie am Ausgang
des in
Nachfolgend
wird Bezug nehmend auf
Um den Sensorbetrieb bei der Rekalibrierung nicht zu beeinflussen, wird es bevorzugt, den Primärschwinger frequenzselektiv mit zwei Antriebsfrequenzen ω1 und ω2 anzuregen, so dass die simultane Messung zweier Ausgangssignale bei derselben Drehrate durchführbar ist. Die Primärschwingung der ersten Antriebsfrequenz (ω1) liefert bei Drehung des Sensors um seine sensitive Achse das zu beobachtende bzw. zu rekalibrierende Ausgangssignal V1, wobei der Index „1" hierbei den Zusammenhang zur Antriebsfrequenz ω1 (im Gegensatz zu ω2) darstellt, und wobei der Index „2" auf die Beobachtungs-Antriebsfrequenz hinweist.In order not to influence the sensor operation during the recalibration, it is preferable to frequency-selectively stimulate the primary oscillator with two drive frequencies ω 1 and ω 2 , so that the simultaneous measurement of two output signals at the same rotation rate is feasible. The primary oscillation of the first drive frequency (ω 1 ) delivers upon rotation of the sensor about its sensitive axis the observed or to be recalibrated output signal V 1 , wherein the index "1" in this case the relationship to the drive frequency ω 1 (im Opposite to ω 2 ), and where the index "2" indicates the observation drive frequency.
Ein Ausgangssignal V2 stellt daher den Beitrag im Ausgangssignal aufgrund der zweiten Antriebsfrequenz ω2 dar. Die jeweiligen Antriebsfrequenzen werden vorzugsweise so gewählt, dass die erste Antriebsfrequenz gleich der Resonanzfrequenz des Primärschwingers bzw. der Schwingeinrichtung in Primärbewegung ist, dass also gilt ω1 = ωp. Die zweite Antriebsfre quenz wird vorzugsweise so gewählt, dass sie nicht zu weit entfernt von der ersten Antriebsfrequenz ist, dass sie jedoch nicht zu nah an der ersten Antriebsfrequenz ist, dass sie noch einigermaßen gut frequenzselektiv bezüglich der ersten Antriebsfrequenz verarbeitbar ist. So wird es bevorzugt, die zweite Antriebsfrequenz bezüglich der ersten Antriebsfrequenz so zu wählen, dass sie kleiner als das 0,95-fache der ersten Antriebsfrequenz oder größer als das 1,05-fache der ersten Antriebsfrequenz ist. Ferner wird die zweite Antriebsfrequenz derart gewählt, dass sie größer als das 0,5-fache der ersten Antriebsfrequenz und kleiner als das 2-fache der ersten Antriebsfrequenz ist, derart, dass die Beobachtungsfrequenz ausreichend entfernt von der Antriebsfrequenz ist, um Komponenten aufgrund der beiden Frequenzen in dem Ausgangssignal selektiv bearbeiten zu können, wobei die Beobachtungsfrequenz jedoch nicht zu weit weg von der Antriebsfrequenz gewählt werden sollte, damit sie ihre Beobachtungsfunktion noch erfüllt. Dies ist dann der Fall, wenn eine ausreichend gute Korrelation der Verhältnisse bei der Antriebsfrequenz und der Verhältnisse bei der Beobachtungsfrequenz vorhanden ist.An output signal V 2 therefore represents the contribution in the output signal on the basis of the second drive frequency ω 2. The respective drive frequencies are preferably chosen so that the first drive frequency is equal to the resonance frequency of the primary oscillator or the oscillating device in primary motion, that is to say ω 1 = ω p . The second drive frequency is preferably chosen so that it is not too far away from the first drive frequency, but that it is not too close to the first drive frequency that it is reasonably well frequency-selectively processable with respect to the first drive frequency. Thus, it is preferable to select the second drive frequency with respect to the first drive frequency to be less than 0.95 times the first drive frequency or greater than 1.05 times the first drive frequency. Further, the second drive frequency is selected to be greater than 0.5 times the first drive frequency and less than 2 times the first drive frequency, such that the observation frequency is sufficiently remote from the drive frequency to provide components due to the two To be able to selectively process frequencies in the output signal, but the observation frequency should not be too far away from the drive frequency, so that they still fulfills their observation function. This is the case when there is a sufficiently good correlation of the ratios in the drive frequency and the conditions at the observation frequency.
Hierzu
ist, wie es in
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Nachkalibrieren eines voreingestellten Skalenfaktors eines Drehratensensors
umfaßt
ferner eine Einrichtung zum frequenzselektiven Erfassen, um eine
Ausgangssignalkomponente V1 zu ermitteln,
die auf die Antriebsfrequenz ω1 zurückgeht,
und um eine Ausgangssignalkomponente V2 zu
erfassen, die auf die Beobachterfrequenz ω2 zurückgeht.
Diese Einrichtung ist in
Die
Realisierung des Sensorbetriebs mit zwei unterschiedlichen Primäransteuerfrequenzen
und die Detektion der resultierenden Ausgangssignale erfolgt, wie
später
noch dargelegt werden wird, unter Verwendung der in
Das erfindungsgemäße Konzept zur Nachkalibrierung bzw. Rekalibrierung gliedert sich ähnlich wie bei der initialen Kalibrierung in zwei Teile. Zunächst wird im Rahmen eines ersten Messzyklus der aktuelle Skalenfaktor bzw. der dem aktuellen Skalenfaktor zugrundeliegende Kalibrierungsfaktor kSF ermittelt und angepasst. Anschließend erfolgt in einem zweiten Messzyklus (mit abgeglichenem Skalenfaktor) die Bestimmung und der Abgleich des Nullpunkts. Es wird hierbei wieder angenommen, dass zwischen den beiden Messzyklen keine weitere Drift bzw. Änderung der Sensorparameter auftritt. Diese Annahme ist üblicherweise ohne weiteres erfüllt, da die besonders problematischen Temperaturänderungen bzw. Änderungen aufgrund der Alterung der Sensoren eher langsam stattfinden, während die Messzyklen relativ schnell aufeinanderfolgend ausführbar sind.The recalibration or recalibration concept according to the invention is divided into two parts similar to the initial calibration. First, the current scale factor or the calibration factor k SF on which the current scale factor is based is determined and adapted as part of a first measurement cycle. Subsequently, in a second measuring cycle (with adjusted scale factor), the determination and adjustment of the zero point takes place. It is again assumed here that no further drift or change of the sensor parameters occurs between the two measuring cycles. This assumption is usually readily met, since the particularly problematic temperature changes or changes due to the aging of the sensors take place rather slowly, while the measurement cycles are relatively quickly successive executable.
Legt
man für
den Zusammenhang zwischen den jeweiligen Ausgangssignalen, Skalenfaktoren
und Nullpunkten bei Anwesenheit einer Drehrate Ω* den
vorstehend beschriebenen Zusammenhang zugrunde, so kann allgemein
das Ausgangssignal V1 folgendermaßen dargestellt
werden:
Für das Beobachtersignal
V2 gilt analog folgendes:
Hierbei stellen SF1 sowie SF2 die zu den mit den unterschiedlichen Antriebsfrequenzen verbundenen Primärschwingungen gehörigen Skalenfaktoren dar. NP1 sowie NP2 stellen die entsprechenden Nullpunkte dar. Der Skalenfaktor SF1 und der Nullpunkt NP1 werden entsprechend einer initialen Kalibrierung als bekannt bzw. festgelegt vorausgesetzt. Sie entsprechen den vorstehend beschriebenen Werten SF0 bzw. NP0. Die Kenntnis von SF2 und NP2 entsprechend einer initialen Kalibrierung ist dagegen für das nachfolgend beschriebene Rekalibrierungskonzept nicht erforderlich.In this case, SF 1 and SF 2 represent the scale factors associated with the primary oscillations associated with the different drive frequencies. NP 1 and NP 2 represent the corresponding zero points. The scale factor SF 1 and the zero point NP 1 are known or fixed according to an initial calibration provided. They correspond to the values SF 0 and NP 0 described above. The knowledge of SF 2 and NP 2 according to an initial calibration, however, is not required for the recalibration concept described below.
Wird
eine während
des Betriebs der Sensoren Temperatur- und Umwelt-bedingte Änderung
der Skalenfaktoren und Nullpunkte angenommen, resultieren bei identischer
Drehrate Ω* die Ausgangssignale V1'' und V2'' folgendermaßen:
Ziel ist nunmehr, den aktuellen geänderten Skalenfaktor SF1' unter Verwendung eines zu berechnenden Kalibrierungsfaktors kSF auf den Wert der initialen Kalibrierung SF1 bzw. auf den Soll-Skalierungsfaktor abzugleichen. Dagegen ist der Abgleich von SF2' auf einen Wert entsprechend einer initialen Kalibrierung aufgrund der Tatsache, dass das mit der Frequenz ω2 verknüpfte Ausgangssignal V2'' lediglich als „Beobachtersignal" verwendet wird, nicht erforderlich. Jedoch wird vorzugsweise SF2' ermittelt, um daraus SF1' zu bestimmen.The aim now is to match the current changed scale factor SF 1 'to the value of the initial calibration SF 1 or to the setpoint scaling factor using a calibration factor k SF to be calculated. On the other hand, the adjustment of SF 2 'to a value corresponding to an initial calibration due to the fact that the output signal V 2 ''associated with the frequency ω 2 is only used as the "observer signal" is not required, however, SF 2 ' is preferably determined to determine SF 1 '.
Die
in
Für die Ermittlung
des „aktuellen" Skalenfaktors SF1' ist
die Kenntnis mindestens einer Drehrate oder die Kenntnis der Differenz
zweier Drehraten erforderlich. Daher wird zum Zeitpunkt k bei Anwesenheit
der unbekannten Drehrate Ωk frequenzselektiv mit der Frequenz ω2 des zur Beobachtung dienenden Sensorsignals eine
definierte Drehrate ΩE durch die Einrichtung
Als
Amplitude Ux des Ansteuersignals ist die
Amplitude des Ansteuersignals bei der Beobachterfrequenz ω2 einzusetzen, so dass durch den Zusammenhang
im Block
Wie
erwähnt
worden ist, wird die Antriebsfrequenz ω1 identisch
zu der Resonanzfrequenz ωp des Primärschwingers bzw. der Schwingeinrichtung
in Primärrichtung
gewählt,
so dass mit der Voraussetzung ω1 ungleich ω2 für die einzuprägende Drehrate ΩE die Resonanzüberhöhungskurve, also die Frequenzganginformation,
des Primärschwingers
berücksichtigt
werden muß,
da ω2 außerhalb
der Resonanz liegt. In Verbindung mit dem nachfolgend Bezug nehmend
auf
Die
Einrichtung
Hierzu
wird nachfolgend auf das in
Die
Reihenfolge der Geraden Ωi, Ωj und Ωk auf der Ω-Achse ist prinzipiell beliebig.
Zur besseren Anschaulichkeit wurde jedoch die in
Aus den letztgenannten beiden Differenzgleichungen, also denen, wo der Index k vorkommt, und insbesondere aus den Differenzen der Signale mit dem Index „2" ist zu sehen, dass für bekannte Differenzen (Ωk – Ωi) bzw. (Ωk – Ωj) die Berechenbarkeit von SF2' folgt. Mit den folgenden Gleichungen folgt nach Einsetzen in die beiden letztgenannten Differenzgleichungen (mit dem Index „2") und nach einigen algebraischen Umformungen folgender Ausdruck: From the latter two difference equations, ie those where the index k occurs, and in particular from the differences of the signals with the index "2", it can be seen that for known differences (Ω k - Ω i ) or (Ω k - Ω j ) the predictability of SF 2 'follows with the following equations followed by insertion into the two last-mentioned difference equations (with the index "2") and after some algebraic transformations the following expression:
Das Gleichsetzen der Differenzen (Ωj – Ωi) in der vorstehenden Gleichung für die Differenz j – i liefert den Zusammenhang zwischen SF1' und SF2' wie folgt: Equating the differences (Ω j - Ω i ) in the above equation for the difference j - i gives the relationship between SF 1 'and SF 2 ' as follows:
Dies
bedeutet, dass für
den „aktuellen" Skalenfaktor SF1' ein
geschlossener Ausdruck angebbar ist. Die vorstehende Gleichung ist
auch unmittelbar aus einer geometrischen Betrachtung von
Im
Gegensatz zum Abgleich des Skalenfaktors bei der initialen Kalibrierung
werden zum Abgleich des Skalenfaktors SF1' auf den Wert SF1 nicht sämtliche
Gleichspannungssignale (Ausgangssignale nach der „zweiten" Demodulationsstufe,
auf die Bezug nehmend auf
Die Multiplikation mit kSF erfolgt phasenselektiv, damit die zum Nullpunkt NP1' proportionalen Signalanteile nicht multipliziert werden. Insgesamt ergibt sich damit der abgeglichene Skalenfaktor SF1 unter der Voraussetzung einer Verstärkung vom Wert „1" (entsprechend der Auswerteelektronik) der zweiten Demodulationsstufe zu: The multiplication with k SF is phase-selective so that the signal components proportional to the zero point NP 1 'are not multiplied. Overall, this results in the adjusted scale factor SF 1 under the condition of an amplification of the value "1" (corresponding to the evaluation electronics) of the second demodulation stage to:
Der
Kalibrierungsfaktor kSF ist nunmehr ohne
weiteres aus einer der beiden vorstehenden Gleichungen alternativ
ermittelbar, wenn eine der beiden vorstehenden Gleichungen nach
kSF aufgelöst wird. Es sei in Erinnerung
gerufen, dass SF1 der Soll-Skalenfaktor
ist, auf den Bezug nehmend auf
Erfindungsgemäß kann auch
die Temperaturabhängigkeit
der definiert eingeprägten
Drehrate ΩE durch Anpassung der zum Einprägen an die
Detektionselektroden angelegte Spannung UY in
Verbindung mit einer Phasen- und Amplitudenregelung der Primärschwingungen,
welche in
Hierbei ermöglicht die Phasenregelung der Antriebsschwingungen die Bestimmung der jeweiligen aktuellen Frequenz ωp' = ω1' sowie ω2' und der aktuellen Dämpfung βp' der Primärschwingung. Der Index „'" verdeutlicht dabei jeweils den beispielsweise aufgrund einer Temperatur- oder Umgebungs-Änderung geänderten Wert des entsprechenden Parameters. Die bei der Temperatur T an die Detektionselektroden anzulegende Spannung U'y, wobei die eingeprägte Drehrate ΩE als konstant vorausgesetzt wird, also ΩE = Ω'E, ergibt sich aus folgendem Ausdruck: Ux' stellt die zur Primärschwingung mit der Frequenz ω2' geregelte Antriebsspannung dar. Ux und Uy repräsentieren die bei einer Differenztemperatur T0 jeweils anzulegenden Spannungen, wobei es bevorzugt wird, als Referenztemperatur T0 die Temperatur zu nehmen, die bei der initialen Kalibrierung vorhanden war.Here, the phase control of the drive oscillations enables the determination of the respective actual frequency ω p '= ω 1 ' and ω 2 'and the current damping β p ' of the primary vibration. In each case, the index "'" clarifies the value of the corresponding parameter which has been changed, for example, due to a change in temperature or the environment. The voltage U' y to be applied to the detection electrodes at the temperature T, the impressed rotation rate Ω E being assumed to be constant, ie Ω E = Ω ' E , is given by the following expression: U x 'represents the ω to the primary vibration at the frequency 2' is controlled drive voltage. X U and U y representing 0 in each case to voltages applied at a differential temperature T, where it is preferable to take as a reference temperature T 0 is the temperature at the initial calibration was present.
An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die primärseitige
Phasen- und Amplitudenregelung
Bezüglich der aufgrund von Temperatur- oder Umgebungsänderungen oder Alterungsänderungen veränderten Dämpfung βp' existieren verschiedene Möglichkeiten zur Ermittlung dieses Wertes. Es könnte unter Verwendung der geänderten Resonanzfrequenz ein Tabellenzugriff durchgeführt werden, um auf der Basis von vorab bestimmten Resonanzfrequenz-Dämpfungs-Paaren eine zu einer geänderten Resonanzfrequenz geänderte Dämpfung zu bestimmen. Lediglich für hochgenaue Anwendungen wird es bevorzugt, z. B. im Rahmen einer initialen Kalibrierung für jeden einzelnen Sensor den Frequenzgang bei verschiedenen Temperaturwerten aufzunehmen, um gewissermaßen eine maßgeschneiderte Resonanzfrequenz-Dämpfungs-Korrespondenztabelle zu erhalten.With respect to the modified due to temperature or environmental changes or aging changes damping β p exist 'different possibilities for determining this value. A table access could be performed using the altered resonant frequency to determine attenuation changed to a changed resonant frequency based on previously determined resonant frequency-attenuation pairs. Only for highly accurate applications, it is preferred, for. For example, as part of an initial calibration for each individual sensor to record the frequency response at different temperature values to obtain a quasi a tailor-made resonance frequency attenuation table of correspondence.
Mit
der Bestimmung und dem Abgleich von SF1' auf SF1 unter
Verwendung des durch die Einrichtung
Ausgehend
von diesem Ansatz wird zum Zeitpunkt 1 bei einem 1 Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung eine erneute Messung durch die Einrichtung
Zur
Erläuterung
dieser Maßnahmen
wird auf
Zur
Bestimmung des aktuellen Nullpunkts NP1' werden somit neben
den vorstehend dargelegten Verhältnissen
zum Zeitpunkt 1 die Messsignale V1i'' sowie V2i'' zum Zeitpunkt i (oder zum Zeitpunkt
j) bei der Drehrate Ωi (oder bei der Drehrate Ωj)
verwendet, wobei wieder Änderungen
der Sensorparameter während
des Messzyklus (i bzw. j und l) vernachlässigt werden. Alternativ können auch
zwei simultane Signale V1'' sowie V2'' zu einem beliebigen Zeitpunkt verwendet
werden. Durch Differenzbildung der Ausgangssignale mit dem Index „2" in
Aus der Differenz der Ausgangssignale V1l' und V1i'' kann dann durch algebraische Umformungen für die Drehrate Ωi ein geschlossener Ausdruck von gemessenen bzw. berechenbaren Größen angegeben werden, der folgendermaßen lautet: From the difference of the output signals V 1l 'and V 1i ''can be given by algebraic transformations for the rotation rate Ω i a closed expression of measured or calculable quantities, which reads as follows:
Durch Einsetzen der vorstehenden Gleichung in eine Gleichung zum Zeitpunkt j oder zum Zeitpunkt i ergibt sich für den Nullpunkt NP1' folgender Ausdruck: By substituting the above equation into an equation at the time j or the time i, the following expression results for the zero point NP 1 ':
Mit
folgender Beziehung
Der Abgleich des ermittelten Nullpunkts NP1' auf den initialen bzw. Soll-Nullpunkt NP1 erfolgt entsprechend den Ausführungen zur initialen Kalibrierung durch Addition bzw. Subtraktion des aktuellen Nullpunkts NP1' bzw. der Ausgangssig nale mit dem Index „1" mit dem Nullpunkt-Kalibrierungsfaktor kNP, der wieder aus der Differenz zwischen dem Soll-Nullpunkt NP1 und dem Ist-Nullpunkt NP1' ermittelt wird. Für den angepassten Nullpunkt NP1 ergibt sich somit folgender Wert: The comparison of the determined zero point NP 1 'to the initial or nominal zero point NP 1 is carried out according to the comments on the initial calibration by adding or subtracting the current zero point NP 1 ' or the Ausgangssig signals with the index "1" with the zero point -Calibration factor k NP , which is again determined from the difference between the desired zero point NP 1 and the actual zero point NP 1 ', thus resulting in the following equation for the adjusted zero point NP 1 :
Der Nullpunktkorrekturfaktor kNP ergibt sich wieder durch Auflösen der vorstehenden Gleichung nach kNP unter Verwendung von NP1 als Soll-Nullpunkt.The zero point correction factor k NP is again obtained by solving the above equation for k NP using NP 1 as the target zero point.
Erfindungsgemäß ist es
durch das erfindungsgemäße In-Betrieb-Nachkalibrierungskonzept,
wie es in
Ferner
sei darauf hingewiesen, dass auf die Bestimmung des Nullpunkts prinzipiell
dann verzichtet werden kann, wenn bei der initialen Kalibrierung
eine ausführliche
Charakterisierung des Verhaltens der Sensorparameter Skalenfaktor
und Nullpunkt über
der Temperatur durchgeführt
worden ist. Aufgrund des Bezug nehmend auf
Nachfolgend
wird Bezug nehmend auf
Am
Ausgang des Signalgenerators
Ferner
wird Bezug nehmend auf
Ferner
sei darauf hingewiesen, dass der Signalgenerator
Die
vorliegende Erfindung zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:
Die
Erfindung stellt ein einfaches Verfahren zur initialen Kalibrierung
von mikromechanischen Drehratensensoren ohne Einsatz eines Drehtisches
dar und ist im Vergleich zur Kalibrierung mit Drehtischen aufgrund
des deutlich geringeren Aufwands entsprechend kostengünstiger.The present invention is characterized by the following advantages:
The invention provides a simple method for the initial calibration of micromechanical rotation rate sensors without the use of a turntable and is compared to the calibration with turntables due to the significantly lower cost correspondingly less expensive.
Des
weiteren entfallen bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung aufgrund der Rekalibrierung vorzugsweise in Verbindung
mit der Bezug nehmend auf
Das erfindungsgemäße Konzept insbesondere im Hinblick auf die In-Betrieb-Nachkalibrierung resultiert in einem deutlich besseren Driftverhalten der Sensorparameter Skalenfaktor und Nullpunkt, so dass auch eine Verbesserung der Genauigkeit und damit der allgemeinen Leistungsfähigkeit der Sensoren erreicht wird.The inventive concept especially with regard to the in-service recalibration results in a significantly better drift behavior of the sensor parameters scale factor and zero point, so also improve the accuracy and so that the general efficiency the sensors is reached.
Das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere im Hinblick auf die Nachkalibrierung ermöglicht die Bestimmung und den Abgleich der Sensorparameter Skalenfaktoren und Nullpunkt während des Sensorbetriebs und insbesondere ohne Beeinflussung des Sensorbetriebs.The inventive method especially with regard to recalibration allows the determination and the adjustment of the sensor parameters, scale factors and zero point while the sensor operation and in particular without affecting the sensor operation.
Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße Konzept zur Nachkalibrierung die permanente Überprüfung der Funktionalität der Drehratensensoren, was insbesondere in einer Erhöhung der Zuverlässigkeit aufgrund der Funktionsüberprüfung resultiert.Further allows the inventive concept for recalibration the permanent checking of the functionality of the rotation rate sensors, which in particular in an increase the reliability due to the functional verification results.
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