DE102006051295B4

DE102006051295B4 - Sensorelement für einen Kollisionssensor

Info

Publication number: DE102006051295B4
Application number: DE102006051295A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. Sondergeld
Original assignee: SCHMIDT FEINMECH; Gebrueder Schmidt Fabrik fuer Feinmechanik GmbH and Co KG
Current assignee: SCHMIDT FEINMECH; Gebrueder Schmidt Fabrik fuer Feinmechanik GmbH and Co KG
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2026-10-25
Also published as: DE102006051295A1; WO2008046525A1

Abstract

Sensorelement für einen Kollisionssensor (12), mit einem Strömungsmesser (46) zum Erfassen einer durch ein Kollisionsereignis in einem durch das Kollisionsereignis deformierten Hohlraum (14) erzeugten Luftverschiebung (20), dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Hohlraum (14) ein für die Luftverschiebung (20) einseitig offenes Rohr (30) mit in Richtung (x) der Luftverschiebung (20) vorgegebenem und während der Kollision unverändertem Querschnittsverlauf (F_(x)) befindet und dass der Strömungsmesser (46) in dem Rohr (30) zwischen einem offenen Ende und einem im Wesentlichen geschlossenen Ende des Rohrs (30) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für einen Kollisionssensor, mit einem Strömungsmesser zum Erfassen einer durch ein Kollisionsereignis in einem durch das Kollisionsereignis deformierten Hohlraum erzeugten Luftverschiebung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen eines Auslösezeitpunktes eines Kollisions-Sicherheitssystems eines Fahrzeugs, bei dem ein Sensorsignal eines Sensorelements der vorstehend genannten Art verwendet wird.
Ein Sensorelement der eingangs genannten Art ist aus der DE 102 44 730 A1 und der DE 102 44 732 A1 bekannt.
Die bei einer Kollision eines Kraftfahrzeugs mit einem stehenden oder einem bewegten Objekt auftretenden Kräfte werden mit Hilfe von Kollisionssensoren erfasst. Die von den Sensoren erzeugten Signale werden ausgewertet, und bei Erkennung eines Kollisionsereignisses wird ein Kollisions-Sicherheitssystem ausgelöst, beispielsweise ein Airbag, ein Gurtstraffer, ein Überrollbügel, eine Fußgänger-Schutzeinrichtung oder dergleichen.
Die Sensoren sind je nach zu erfassendem Kollisionsereignis an unterschiedlichen Stellen des Kraftfahrzeugs angeordnet, beispielsweise im Bereich der vorderen oder der hinteren Stoßfänger zum Erfassen eines Frontalaufpralls oder im Bereich der Türen oder der Säulen zum Erkennen eines Seitenaufpralls. Es ist in diesem Zusammenhang auch bekannt, so genannte Satellitensensoren zu verwenden, d. h. eine zusammen wirkende Gruppe mehrerer Sensoren, die eine Differenzierung des Kollisionsereignisses ermöglicht, also beispielsweise erkennt, ob eine Kollision mit einem feststehenden Objekt (Fahrzeug oder Fußgänger) oder mit einem bewegten Objekt stattgefunden hat, oder ob ein Überschlag des Kraftfahrzeugs droht.
Herkömmliche Kollisionssensoren beruhen überwiegend auf der Erfassung einer Beschleunigung oder Verzögerung. Diese Sensoren sprechen jedoch erst an, wenn die sie tragenden Karosserieteile beschleunigt bzw. verzögert werden, was in der Praxis wegen der vorhergehenden Verformung der Karosserie zu einer nicht unerheblichen Verzögerung führen kann. Es sind daher als alternative Lösungen Sensoren entwickelt worden, die unmittelbar auf die Zustandsänderung, beispielsweise einer Tür bei einem Seitenaufprall, ansprechen. Diese Sensoren erfassen z. B. den Druckanstieg in einem bei einer Kollision verformten Hohlraum eines Hohlkörpers der Karosserie.
In der DE 19 44 289 A ein derartiger Sensor beschrieben. Dieser bekannte Sensor weist ein abgeschlossenes rohrförmiges Gebilde auf, das entlang von Kanten der Fahrzeugkarosserie verlegt ist. Im Falle einer Kollision wird das Gebilde an der Kollisionsstelle zusammengedrückt und die in dem geschlossenen Gebilde enthaltene Luft komprimiert. Der Druckanstieg wird über einen Membranschalter detektiert, der einen entsprechenden Stromkreis schließt.
Aus der EP 0 667 822 B1 ist ein weiterer derartiger Sensor bekannt. Dieser erfasst den adiabatischen Druckanstieg in einem Hohlkörper eines Kraftfahrzeugs, der bei einer Kollision deformiert wird. Allerdings handelt es sich dabei nicht um einen speziell für diesen Zweck vorgesehenen Hohlkörper, wie bei dem Sensor der DE 19 44 289 , sondern um ein ohnehin vorgesehenes strukturelles Element der Fahrzeugkarosserie, beispielsweise den Innenraum einer Fahrzeugtür.
Die DE 101 18 780 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen einer Deformation eines Bauelementes in einem Kraftfahrzeug. Bei der Vorrichtung befindet sich ein Luftmassen- oder Luftgeschwindigkeitssensor im Öffnungsbereich einer Hohlkörperanordnung, die beispielsweise eine zweischalige Kraftfahrzeugtür oder ein verformbarer Kunststoffbehälter ist. Im Falle einer Kollision des Kraftfahrzeugs wird die Hohlkörperanordnung zusammengedrückt und die in ihr enthaltene Luft strömt an dem Sensor vorbei. Diese bekannte Vorrichtung setzt daher voraus, dass bei einer Kollision die gesamte in der Hohlkörperanordnung enthaltene Luft an dem Sensor vorbeiströmt. Dies ist jedoch durchaus nicht gewährleistet, weil gerade bei einem schweren Unfallgeschehen eine sofortige Zerstörung der Hohlkörperanordnung eintreten kann, beispielsweise der Kraftfahrzeugtür bei einem Seitenaufprall, so dass die in der Hohlkörperanordnung enthaltene Luft unkontrolliert abströmt und nur zu einem geringen Teil an dem Sensor vorbeiströmt.
Aus den eingangs genannten, weitgehend inhaltsgleichen DE 102 44 730 A1 und DE 102 44 732 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Seitenaufprallerkennung bzw. zur Personenaufprallerkennung bekannt. Dabei wird ebenfalls ein Sensor in einem bei einer Kollision verformten Hohlraum eines Kraftfahrzeugs verwendet, allerdings erfasst der Sensor die bei einer Verformung des Hohlraums auftretende Luftströmung im Hohlraum. Der Sensor ist ein handelsüblicher Luftströmungssensor, der ohne spezielle Maßnahmen in einem Hohlraum in einer Tür des Fahrzeugs angeordnet ist.
Wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung herausgefunden wurde, haben Kollisionssensoren, die als Drucksensoren ausgebildet sind, den bauartbedingten Nachteil, dass sie langsamer als Luftströmungssensoren ansprechen, und zwar beispielsweise um den Faktor zwei. Die in der DE 102 44 730 A1 und der DE 102 44 732 A1 offenbarten Sensoren vermeiden zwar diesen Nachteil, sie sind aber für einen praktischen Einsatz nicht geeignet, weil ein zufrieden stellendes System nicht dadurch erreicht werden kann, dass man einfach einen handelsüblichen Luftströmungssensor in einen Hohlraum eines Kraftfahrzeugs einsetzt. Die dabei erwartbaren Signale sind nämlich sehr schwach und erschweren bzw. verhindern eine zuverlässige Sinalauswertung und damit eine zuverlässige Funktion des Kollisions-Sicherheitssystems. Die Funktion dieses bekannten Sensors hängt darüber hinaus stark von der Einbaulage im Kraftfahrzeug und ferner von den physikalischen Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) ab.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein Sensorelement zur Verfügung gestellt werden, das schneller als auf Druck ansprechende Sensorelemente anspricht und das zugleich hohe Signalamplituden für eine zuverlässige Erkennung von Kollisionsereignissen liefert. Weiterhin sollen das Sensorelement und das Verfahren unabhängig von Einflüssen des bei einer Kollision auftretenden Körperschalls arbeiten. Die Charakteristik des Sensorsignals soll ferner unabhängig von der Einbaulage des Sensorelements sein. Weiterhin soll die Signalauswertung von im Hohlraum herrschenden physikalischen Bedingungen, insbesondere von der Luftdichte und der Lufttemperatur unabhängig sein. Schließlich soll die Erfindung einen elektrischen Selbsttest sowie eine Fehlerdiagnose ermöglichen.
Bei einem Sensorelement der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich in dem Hohlraum ein für die Luftverschiebung einseitig offenes Rohr mit in Richtung der Luftverschiebung vorgegebenem und während der Kollision unverändertem Querschnittsverlauf befindet und dass der Strömungsmesser in dem Rohr zwischen einem offenen Ende und einem im Wesentlichen geschlossenen Ende des Rohrs angeordnet ist.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die folgenden Schritte gelöst:

a) Bestimmen eines zeitlichen Nullpunktes (t = 0) eines Kollisionsereignisses;
b) Prüfen, ob ein von dem Sensorelement erzeugtes Sensorsignal S größer als eine Signalschwelle S₀ ist;
c) Falls das Sensorsignal S größer als die Signalschwelle S₀ ist, Berechnen einer Kollisionskennzahl cK nach der Formel: cK = 〈S〉t/S mit
wobei 〈S〉_t der zeitlich gleitende Mittelwert des Sensorsignals S zum Zeitpunkt t ist;
d) Prüfen, ob die in Schritt c) berechnete Kollisionskennzahl cK größer als eine vorgegebene Reaktionsschwelle cK₀ ist;
e) Sobald die in Schritt d) berechnete Kollisionskennzahl cK größer als eine vorgegebene Reaktionsschwelle cK₀ ist, Erzeugen eines Triggerimpulses zum Auslösen des Kollisions-Sicherheitssystems.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Das erfindungsgemäße Sensorelement und das erfindungsgemäße Verfahren arbeiten weitgehend unabhängig von der Druckdichtigkeit des bei einer Kollision deformierten Hohlraums und unabhängig von der Art der thermodynamischen Zustandsänderung der Luft im Hohlraum. Das Sensorelement weist durch den verwendeten zeitintegrierenden Signalalgorithmus ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis und eine extrem kurze Reaktionszeit auf. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine zeitgenaue Auslösung von Fahrzeugsicherheitseinrichtungen unabhängig von äußeren atmosphärischen Einflüssen.
Der Nutzen der Erfindung besteht darin, dass die Charakteristik des Sensorelements von der Einbauumgebung praktisch nicht beeinflusst wird, und dass Fahrzeugsicherheitseinrichtungen durch einen großen Dynamikbereich und einen hohen Störabstand des Sensorelements rechtzeitig und zuverlässig ausgelöst werden. Außerdem wird mit dem störunanfälligen, einfachen Signalauswertverfahren erreicht, dass das Auslösekriterium für den Kollisionsfall von der im Hohlraum vorherrschenden Luftdichte unabhängig ist.
Die Vorteile der Erfindung bestehen somit darin, dass die Signalcharakteristik des Sensorelements durch die Formgebung der Messkammer volumetrisch optimiert ist und daher ein direktes Maß für die kollisionsbedingte Luftverschiebung ist. Dadurch ergibt sich auch ein extrem schnelles Ansprechverhalten des Sensorelements durch eine direkte Messung der Geschwindigkeit der Verschiebung des Luftvolumens.
Das Ausgangssignal des Sensorelements ist, wie bereits erwähnt, unabhängig von der Art der thermodynamischen Zustandsänderung der Luft im Hohlraum. Diese Zustandsänderung kann adiabatisch, quasiadiabatisch oder isotherm sein. Weiterhin ist die Empfindlichkeit des Sensorelements auf den bei einer Kollision erzeugten Körperschall minimal, wenn die Resonanzfrequenz des aktiven Hohlraums des Sensorelements unterhalb der unteren Grenze des Körperschall-Frequenzbereichs gewählt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine präzise Bestimmung des Auslösezeitpunktes, indem eine Kollisionskennzahl definiert und ein selbstnormierendes Signalauswerteverfahren verwendet wird. Die Reaktionszeit kann dabei in vorteilhafter Weise durch eine variable Kollisionsschwelle festgelegt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Rohr an seinem offenen Ende eine erste Querschnittsfläche und am Ort des Strömungsmessers eine zweite Querschnittsfläche auf, wobei die erste Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine Art Staurohr entsteht, so dass das Sensorelement mit einer schnell ablaufenden Luftverschiebung beaufschlagt wird.
In entsprechender Weise ist bevorzugt, wenn das Rohr an seinem geschlossenen Ende eine dritte Querschnittsfläche und am Ort des Strömungsmessers eine zweite Querschnittsfläche aufweist, wobei die dritte Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass im Kompressionsbereich hinter dem Sensorelement bei kurzer Baulänge ein größeres Volumen realisiert werden kann.
Eine gute Wirkung wird dabei dann erzielt, wenn der Strömungsmesser in einem zylindrischen Abschnitt des Rohrs angeordnet ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Strömungsmesser in einem Bereich laminarer Luftströmung angeordnet ist.
Bei Ausführungsformen der Erfindung weist das Rohr einen kreisförmigen Querschnitt auf.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass für den Bau des Sensorelements einfache zylindrische und konische Rohrstücke verwendet werden können.
Eine gute Wirkung wird erzielt, wenn das Rohr an seinem offenen Ende mit einer Membran verschlossen ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass kein Schmutz in den Innenraum des Sensorelements eindringen kann und dass der Strömungsmesser gegen Berührung von außen geschützt ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist besonders bevorzugt, wenn die Membran eine Rollmembran ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass ein einheitlicher Hub der Membran über die gesamte Membranfläche gewährleistet ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche Arten von Strömungsmessern verwendet werden. Bevorzugt ist, wenn der Strömungsmesser ein thermisch arbeitendes Anemometer ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1: eine äußerst schematisierte Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorelements in einem Kollisionssensor;
2: ein erstes Diagramm, darstellend Signalverläufe für einen Drucksensor nach dem Stand der Technik und für ein Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung;
3: ein zweites Diagramm, darstellend Verläufe einer Kollisionskennzahl und einer Kollisionserwartung in Abhängigkeit von der Echtzeit;
4: ein drittes Diagramm, darstellend Verläufe einer Reaktionszeit und einer Kollisionserwartung in Abhängigkeit von einer Reaktionsschwelle; und
5: ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Erfindung.
In 1 bezeichnet 10 als Ganzes ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelementes, wie es in einem Kollisionssensor 12 verwendet wird. Der Kollisionssensor 12 ist in einem Fahrzeug verbaut, wobei die Einbauposition davon abhängt, welche Art von Kollisionsereignis erfasst werden soll. Für den Fall der Erkennung eines Seitenaufpralls ist der Kollisionssensor 12 beispielsweise in einer Fahrzeugtür eingebaut. Soll eine Kollision des Fahrzeugs mit einer Person oder ein Frontalaufprall mit einem festen Hindernis oder einem anderen Fahrzeug erkannt werden, ist der Kollisionssensor 12 beispielsweise in einen Stoßfänger des Fahrzeugs eingebaut.
Der Kollisionssensor 12 steht mit einer Auswertelektronik 13 in Verbindung, die in Abhängigkeit von den vom Sensorelement 10 erzeugten Signalen ein Kollisionsereignis erkennt und dann für den jeweiligen Kollisionsfall geeignete Sicherungseinrichtungen auslöst.
Das Sensorelement 10 befindet sich in einem Hohlraum 14 eines Verformungskörpers 15. Der Hohlraum 14 muss nicht abgeschlossen sein. Es reicht aus, wenn der Hohlraum 14 an einer Seite bei einer Kollision deformiert wird und diese Deformation eine Luftverdrängung im Hohlraum 14 zur Folge hat. Für die nachstehende Betrachtung ist angenommen, dass der Hohlraum 14 mit Luft gefüllt ist. Das schließt jedoch die Verwendung anderer Gase oder anderer fluider Medien nicht aus. Der Verformungskörper 15 kann ein eigens für den Kollisionssensor 12 vorgesehenes Element oder auch ein ohnehin vorhandenes, strukturelles Element der Fahrzeugkarosserie, beispielsweise eine Fahrzeugtür oder ein Stoßfänger sein.
Der Verformungskörper 15 mit dem Hohlraum 14 werden im Kollisionsfall mit Kräften 16 beaufschlagt, die in der Darstellung der 1 auf eine obere Seitenwand 18 des Verformungskörpers 15 einwirken und diese nach 18' eindrücken. Dadurch verändert sich das Volumen des Hohlraums 14 von V auf V'. Diese Volumenveränderung hat eine Luftverschiebung im Hohlraum 14 zur Folge. Bei 20 ist eine impulsförmige Luftverschiebung oder Luftimpuls eingezeichnet, die entlang einer gedachten Achse 22 gerichtet ist.
Das Sensorelement 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen als ein für die Luftverschiebung 20 einseitig offenes, im Radialschnitt kreis- oder rechteckförmiges Rohr 30 ausgebildet, das sich längs der Achse 22 erstreckt und eine Messkammer bildet. Unter „Rohr" ist dabei ein längliches, hohles Gebilde von im Übrigen nahezu beliebiger Formgebung zu verstehen. Die Achse 22 kann dabei beispielsweise auch gekröpft verlaufen, um eine kompakte Bauweise zu ermöglichen. Wichtig ist, dass sich in dem Rohr eine Luftsäule befindet und dass das Rohr einseitig für eine Luftverschiebung offen ist. Der Hohlraum 14 muss, wie bereits erwähnt, nicht notwendig weitgehend abgeschlossen sein, um die kollisionsbedingte Luftverschiebung 20 im Inneren des Rohrs 30 zu erreichen. Vielmehr reicht es aus, wenn die Begrenzung des Hohlraums 14 eine Zwangsführung des aktiven Luftvolumens bedingt.
Das Rohr 30 hat an seiner in 1 linken Seite eine Öffnung 32, die mit einer dünnen Membran 34, vorzugsweise einer Rollmembran, verschlossen sein kann. Die Membran 34 ist in diesem Falle nur deswegen vorgesehen, um einen Eintritt von Schmutz in das Innere des Rohrs 30 zu verhindern. Für die hier interessierende Funktion des Sensorelements 10 ist sie ohne Belang.
Das Rohr 30 ist, in 1 von links nach rechts gesehen, in einen vorderen Abschnitt 36, einen mittleren Abschnitt 38, sowie einen hinteren Abschnitt 40 unterteilt. Der vordere Abschnitt 36 beginnt bei der Öffnung 32 mit einer Querschnittsfläche F₀ und verjüngt sich dann konisch zum mittleren, zylindrischen Abschnitt, dessen Querschnittsfläche die Messfläche F_m bildet. Unter „zylindrisch" ist dabei nicht nur eine kreiszylindrische, sondern eine allgemeine Zylinderform, also beispielsweise auch eine im Radialschnitt flach-rechteckige Querschnittsform zu verstehen. Vom mittleren Abschnitt 38 weitet sich das Rohr 30 im hinteren Abschnitt 40 wieder konisch auf und ist am hinteren Ende von einer starren Wand 42 abgeschlossen.
Etwa auf halber Länge des Rohrs 30 befindet sich eine gedachte radiale Mittelebene 44. Das links von der Mittelebene 44 gelegene Teilvolumen des Rohrs 30 wird im Folgenden als Hubvolumen V_h und das rechts von der Mittelebene 44 gelegene Teilvolumen als Kompressionsvolumen V_c bezeichnet. Das Gesamtvolumen V₀ = V_h + V_c, insbesondere das Kompressionsvolumen V_c, ist vorzugsweise wesentlich kleiner als das Volumen des umgebenden Hohlraums 14.
Im mittleren Abschnitt 38 befindet sich ein Strömungsmesser 46. Der Strömungsmesser 46 kann von unterschiedlicher Bauart sein, beispielsweise kann er als Ultraschall-Messgerät, als Hitzedraht- oder als Flügelrad-Anemometer ausgebildet sein. Wenn der Strömungsmesser 46 als flacher Chip ausgebildet ist, dann hat der mittlere Abschnitt 38 vorzugsweise die bereits oben erwähnte flach-rechteckige Querschnittsform. Der Strömungsmesser 46 ist über einen Anschluss 48 mit der nur schematisch angedeuteten Auswertelektronik 13 verbunden. In der Auswertelektronik 13 werden die Signale des Strömungsmessers 46 verarbeitet, ausgewertet und, falls ein Kollisionsereignis erkannt wird, die entsprechenden Sicherheitseinrichtungen aktiviert.
Im Kollisionsfall entsteht die impulsförmige Luftverschiebung 20, die in 1 von links auf die dort ggf. vorhandene Membran 34 einwirkt. Infolge ihrer hohen Elastizität reicht die Membran 34 diese Luftverschiebung 20 nach rechts weiter, wodurch eine Luftverschiebung im Hubvolumen V_h an dem Strömungsmesser 46 vorbei in das Kompressionsvolumen V_c bewirkt wird. Die Geschwindigkeit der an dem Strömungsmesser 46 vorbei strömenden Luft wird erfasst und als Sensorsignal S der Auswertelektronik zugeleitet.
Dabei wird das folgende physikalische Modell herangezogen:
Mit Hilfe der so genannten volumetrischen Zustandsänderungsvariablen
kann die volumetrische Luftverschiebung an einem beliebigen Ort x entlang der durch das Rohr 30 gebildeten Messkammer stehenden Luftsäule angegeben werden, und zwar in der Form:
Die Größe ΔV = V₀ – V' bezeichnet dabei die Volumenabnahme des Hohlraums 14 im Kollisionsfall. Die Variable φ hat die physikalische Bedeutung einer Volumenverdrängung. Die Koordinate x markiert eine beliebige Stelle entlang der Verschiebungsachse im Rohr 30, wobei x = 0 den Ort der Wand 42, also des geschlossenen Endes, bezeichnet. V_(x) ist das an der Stelle x von der Wand 32 aus gemessene Wirkvolumen und F_(x) die an der Stelle x befindliche Querschnittsfläche des Rohrs 30. Offensichtlich gilt V₍₀₎ = 0 für beliebige Werte von φ, d. h. die Luftverschiebung ist am geschlossenen Ende des Rohrs 30 immer Null.
Arbeitet der Strömungsmesser 46 nach dem Ultraschallmessprinzip, dann wird am Messort mit der Messfläche F_m und dem dort wirkenden Kompressionsvolumen V_c die volumetrische Verschiebungsgeschwindigkeit gemessen, die sich unmittelbar aus der zeitlichen Ableitung von [2] ergibt:
Der Ausdruck (1/V₀)d(ΔV)/dt ist die zeitliche Ableitung der relativen Änderung des Hohlraumvolumens und steht für die Deformationsgeschwindigkeit der beim Aufprall sich verformenden Außenhaut, im dargestellten Beispiel also der Seitenwand 18 des Hohlraums 14.
Arbeitet der Strömungsmesser 46 hingegen nach dem thermischen Messprinzip, dann wird der volumetrische Luftmassenverschiebungsstrom gemessen, der sich mit der volumetrischen Luftdichte ρ = ρ0(1 + φ) [4]durch zeitliche Ableitung der Luftmassenverschiebung unter Verwendung von [2] am Messort ergibt zu:
dφ/dt bedeutet die Volumenverdrängungsgeschwindigkeit und ρ₀ die Luftdichte vor der Kompression unter atmosphärischen Bedingungen.
Für einen typischen Kompressionsverlauf ist in 2 ein erstes Diagramm 50 für den zeitlichen Signalverlauf S_(t) für zwei Sensorelemente dargestellt. Ein erster Verlauf 52 steht für einen Drucksensor nach dem Stand der Technik und ein zweiter Verlauf 54 für das Sensorelement 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie man leicht erkennt, ist wegen einer steileren Anstiegsflanke 56 das Zeitintervall Δ₁t des Sensorelements 10 vom Zeitpunkt t = 0 bis zum Erreichen eines Signal-Schwellwertes S1 nur etwa halb so lang wie das Zeitintervall Δ₂t für einen herkömmlichen Drucksensor. Dies ermöglicht eine doppelt so schnelle Kollisionserkennung. Grund dafür ist die Tatsache, dass die Volumenverdrängungsgeschwindigkeit zeitlich schneller ansteigt als die entsprechende Druckänderung im Hohlraum 14.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Körperschallempfindlichkeit der durch das Rohr 30 gebildeten Messkammer. Der Körperschall wird bei einer Kollision durch die sich verformenden Karosserieteile erzeugt und stellt im vorliegenden Zusammenhang ein Störsignal dar, das sich dem durch die Luftverdrängung erzeugten Nutzsignal überlagert. Das Gesamtvolumen V₀ der Messkammer wirkt wie ein Hohlraumresonator, der bei falscher Dimensionierung den störenden Körperschallanteil des gesamten Messsignals resonant verstärkt. Die Nutzfrequenzen sind in der Praxis größer als 400 Hz und kleiner als 1.000 Hz. Die Körperschallfrequenzen hingegen sind in der Praxis größer als 1.000 Hz. Zur Minimierung der Körperschallempfindlichkeit sollte daher die Resonanzfrequenz der Messkammer oberhalb des Nutzfrequenzbereichs liegen und unterhalb der unteren Grenzfrequenz des Körperschall-Frequenzbereichs, also beispielsweise bei 1.000 Hz.
Die Kompression der Luftsäule in der Messkammer folgt, insbesondere bei kleinen Verschiebungen der Luft, in guter Näherung dem Hook'schen Gesetz. Unter der Annahme einer longitudinal-akustischen Anregung der Luftsäule und bei Betrachtung von [2] am Ort der Öffnung 32, d. h. am Ort der ggf. vorhandenen Membran 34, lässt sich die Eigenfrequenz f_LA der Messkammer angeben. Sie hängt von der Formgebung des Resonanzvolumens V₀ ab und genügt der Beziehung:
mit der bereits erwähnten Beziehung V0 = Vc + Vh [7]
Die Eigenfrequenz f_LA des Resonanzvolumens V₀ der Messkammer soll, wie bereits erwähnt, gemäß [6] auf einen solchen Wert eingestellt werden, dass der niedrigerfrequente Kompressionsanteil des Messsignals, also das Nutzsignal vom Strömungsmesser 46, unverzerrt detektiert und der höherfrequente Körperschallanteil weit gehend unterdrückt wird. Die Eigenfrequenz f_LA stellt daher anschaulich die obere Grenzfrequenz eines pneumatischen Tiefpassfilters dar, das durch die Messkammer gebildet wird.
Soll die Resonanzfrequenz f_LA etwas größer sein als die höchste Nutzfrequenz, typischerweise also im Bereich zwischen 400 und 1.000 Hz liegen, und soll das Nutzsignal möglichst groß sein, dann sind unter Berücksichtigung von [3], [5], [6] und [7] erfindungsgemäß die folgenden Optimierungskriterien zur Formgebung der Messkammer zu beachten:

a) zum einen soll der Quotient V_c/F_m möglichst groß, insbesondere F_m möglichst klein sein.
b) zum anderen soll der Quotient V₀/F₀ möglichst klein, insbesondere F₀ möglichst groß und V_h möglichst klein sein

Wird wegen seiner Einfachheit ein Strömungsmesser 46 mit thermischem Messprinzip verwendet, dann ist das Sensorsignal S nach [5] von der atmosphärischen Luftdichte ρ₀ abhängig, die je nach Wetterlage und barometrischer Höhenposition des Fahrzeugs, in dem das erfindungsgemäße Sensorelement 10 verbaut ist, variieren kann.
Um diese äußeren atmosphärischen Einflüsse auf das Sensorsignal S ~ d(ρε)/dt gemäß [5] zu eliminieren, wird erfindungsgemäß ein selbstnormierendes Signalauswertungsverfahren verwendet. Der dazu gehörige Signalalgorithmus stützt sich auf das Rechenkalkül cK = 〈S〉t/S [8] wobei (S)t das zeitabhängige Sensorsignal und 〈S〉_t den zeitlich gleitenden Mittelwert zum Zeitpunkt t darstellen. Letzterer ist gegeben durch:
cK ist dabei die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung so bezeichnete Kollisionskennzahl, die vom Beginn der Kollision zeitsynchron berechnet wird und dazu dient, einen Auslösezeitpunkt TTF („Time to Fire") der Fahrzeugsicherheitseinrichtung festzulegen. Zur Veranschaulichung dieses Zusammenhanges ist es sinnvoll, eine im Rahmen der vorliegenden Anmeldung so bezeichnete Kollisionserwartung tK tK = t·cK [10]zu betrachten. Im Falle cK < 1 (tK < t) ist die Echtzeit t der Kollisionserwartung tK vorauseilend, d. h. der Auslösezeitpunkt t = TTF liegt noch in der Zukunft. Im Falle cK > 1 (tK > t) hingegen ist die Echtzeit t der Kollisionserwartung tK hinterhereilend, d. h. der Auslösezeitpunkt t = TTF liegt bereits in der Vergangenheit. Im Falle cK = 1 (tK = t) ist die Echtzeit t mit der Kollisionserwartung tK zeitgleich, d. h. der Auslösezeitpunkt t = TTF liegt in der Gegenwart.
Das Auslösekriterium ergibt sich also aus der Synchronbedingung cK(t) = 1 für t = TTF [11]
Um die Sicherheitseinrichtung zum Zeitpunkt TTF sicher auslösen zu können (Aktivierung), muss das Sensorelement 10 einen zeitlich vorgelagerten Triggerpunkt indizieren (Reaktion), der dem System noch genügend Zeit lässt zur Auslösung und Entfaltung seiner Sicherheitsfunktion. Diese Reaktionszeit TTR („Time to React") wird bestimmt durch Überschreiten einer fest voreingestellten Reaktionsschwelle cK₀ < 1, die den Systemanforderungen entsprechend im vorgesehenen Wertebereich frei wählbar ist. Die Reaktionszeit ist umso kürzer, je kleiner der cK₀-Wert eingestellt ist.
Damit lassen sich die Reaktionsbedingungen für den Signalalgorithmus wie folgt zusammenfassen: S(t) = S0 für t = 0 Startbedingung [12a] S(t ) > S0 wenn Kollision Aktivbedingung [12b] cK( t ) = cK0 für t = TTR Reaktionsbedingung [12c]
Die Signalschwelle So wird hierbei so niedrig gelegt, dass alle Pflichtauslösungen erkannt werden. Sie wird gerade so hoch gelegt, dass alle Fehlauslösungen unterdrückt werden.
Der Zusammenhang zwischen den oben beschriebenen Ereignisparametern ist in 3 in einem zweiten Diagramm 58 für einen Verlauf 60 der Kollisionskennzahl cK und für einen Verlauf 62 der Kollisionserwartung tK zusammengestellt.
4 zeigt in einem dritten Diagramm 70 mit einem Verlauf 72 für die Reaktionszeit TTR und einem Verlauf 74 für die Kollisionserwartung tK den Zusammenhang zwischen der Reaktionszeit TTR und vorwählbarer Reaktionsschwelle cK₀ am Beispiel eines angenommenen halbsinusförmigen Signalverlaufs S₍ _t ₎ in Einheiten der Impulsdauer T.
Nach Überschreiten der Signalschwelle So wird der Signalalgorithmus gemäß [12] in Gang gesetzt. Das Signalauswertverfahren folgt dabei dem in 5 schematisch dargestellten Flussdiagramm 80.
Das Programm wird bei 82 gestartet. In einem Block 84 wird geprüft, ob das Sensorsignal S die Signalschwelle S₀ überschritten hat. Falls nein, kehrt das Programm zum Start 82 zurück. Falls ja, wird im Block 86 der Zeitnullpunkt t = 0 nach [12a] eingestellt und im Block 88 überprüft, ob das Sensorsignal S größer als die Signalschwelle So ist. Falls nein, kehrt das Programm zum Start 82 zurück. Falls ja, wird im Block 90 die Kollisionskennzahl cK_(t) nach [8] und [9] numerisch berechnet.
Im nachfolgenden Block 92 wird geprüft, ob die Kollisionskennzahl cK die vorgegebene Kollisionsschwelle cK₀ überschritten hat. Falls nein, kehrt das Programm zur Berechnung von cK_(t) in Block 90 zurück. Falls ja, wird der Reaktionszeitpunkt t = TTR nach [12c] gesetzt und ein Triggerimpuls 95 zum Auslösen der Sicherheitseinrichtung erzeugt. Das Programm prüft nun im Block 96, ob das Sensorsignal S wieder kleiner als die Signalschwelle So ist. Sobald dies der Fall ist, kehrt es zum Start 82 zurück.

Claims

Sensorelement für einen Kollisionssensor (12), mit einem Strömungsmesser (46) zum Erfassen einer durch ein Kollisionsereignis in einem durch das Kollisionsereignis deformierten Hohlraum (14) erzeugten Luftverschiebung (20), dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Hohlraum (14) ein für die Luftverschiebung (20) einseitig offenes Rohr (30) mit in Richtung (x) der Luftverschiebung (20) vorgegebenem und während der Kollision unverändertem Querschnittsverlauf (F_(x)) befindet und dass der Strömungsmesser (46) in dem Rohr (30) zwischen einem offenen Ende und einem im Wesentlichen geschlossenen Ende des Rohrs (30) angeordnet ist.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (30) an seinem offenen Ende eine erste Querschnittsfläche (F₀) und am Ort des Strömungsmessers (46) eine zweite Querschnittsfläche (F_m) aufweist, wobei die erste Querschnittsfläche (F₀) größer als die zweite Querschnittsfläche (F_m) ist.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (30) an seinem geschlossenen Ende eine dritte Querschnittsfläche und am Ort des Strömungsmessers (46) eine zweite Querschnittsfläche (F_m) aufweist, wobei die dritte Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche (F_m) ist.
Sensorelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsmesser (46) in einem zylindrischen Abschnitt (38) des Rohrs (30) angeordnet ist.
Sensorelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Sensorelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (30) an seinem offenen Ende mit einer Membran (34) verschlossen ist.
Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (34) eine Rollmembran ist.
Sensorelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsmesser (46) ein thermisch arbeitendes Anemometer ist.
Verfahren zum Bestimmen eines Auslösezeitpunktes (TTF) eines Kollisions-Sicherheitssystems eines Fahrzeugs, bei dem ein Sensorsignal (S) eines Sensorelements (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 verwendet wird, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Bestimmen (86) eines zeitlichen Nullpunktes (t = 0) eines Kollisionsereignisses; b) Prüfen, ob ein von dem Sensorelement (10) erzeugtes Sensorsignal (S) größer als eine Signalschwelle (S₀) ist; c) Falls das Sensorsignal (S) größer als die Signalschwelle (S₀) ist, Berechnen einer Kollisionskennzahl (cK) nach der Formel: cK = 〈S〉t/Smit
wobei 〈S〉_t der zeitlich gleitende Mittelwert des Sensorsignals S zum Zeitpunkt t ist; d) Prüfen, ob die in Schritt c) berechnete Kollisionskennzahl (cK) größer als eine vorgegebene Reaktionsschwelle (cK₀) ist; e) Sobald die in Schritt c) berechnete Kollisionskennzahl (cK) größer als eine vorgegebene Reaktionsschwelle (cK₀) ist, Erzeugen eines Triggerimpulses (95) zum Auslösen des Kollisions-Sicherheitssystems.