DE3342186A1

DE3342186A1 - Beschleunigungsaufnehmer

Info

Publication number: DE3342186A1
Application number: DE19833342186
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. 7016 Gerlingen Dobler; Peter Dipl.-Phys. 7016 Gerlingen Egelhaaf; Hansjörg 7251 Weissach Hachtel; Eberhard Dipl.-Ing. 7140 Ludwigsburg Mausner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1983-11-23
Filing date: 1983-11-23
Publication date: 1985-05-30
Also published as: FR2557303A1; JPS60168055A

Description

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Firma Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1 Beschleunigungsaufnehmer

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungsaufnehmer nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine Zusammenstellung bekannter, insoweit auch kraftkompensierter Beschleunigungsaufnehmer läßt sich dem gleichnamigen Aufsatz aus der Zeitschrift "VFI - Der Versuchs- und Forschungsingenieur", Heft 6, 1981, von Siebert entnehmen. Demnach sind Beschleunigungsaufnehmer auf rein mechanischer sowie auf elektrisch-mechanischer Grundlage bekannt, die sämtlich darauf beruhen, daß aufgrund des Newton'sehen Gesetzes ein Zusammenhang zwischen der an einem Körper mit der Masse m wirksamen Kraft K und der in Richtung dieser Kraft für den Körper auftretenden Beschleunigung besteht. Einfache mechanische Beschleunigungsmesser können aus einer federnd aufgehängten Masse bestehen, wobei die Größe der Auslenkung bei einwirkender Kraft ein direktes

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Maß für die wirksame Beschleunigung ist.

Es ist ferner bekannt, in Verbindung mit einer unter einer Krafteinwirkung stehenden Masse Beschleunigungsaufnehmer auf piezoelektrischer Grundlage herzustellen, die von der Druckwirkung der Masse beaufschlagt sind, oder die Auslenkung dieser Masse mittels kapazitiver Positionsdetektoren zu erfassen.

Nachteilig bei den bekannten Beschleunigungsaufnehmern ist dabei der zum Teil erheblich komplizierte Aufbau, die erforderlichen Justierungsarbeiten und die Notwendigkeit, daß eine Kraftkompensation erforderlich ist, um eine Rückwirkung auf das Meßsystem durch die Signalentnahme zu vermeiden und um ferner den linearen Bereich zu vergrößern und eine überbelastung von empfindlichen "Ausführungsformen fernzuhalten. Andererseits muß bei stark überlastbaren Aufnehmern mit relativ schlechter Auflösung gerechnet werden.

Es besteht daher ein Bedarf an Beschleunigungsaufnehmern, die besonders einfach und insofern dann auch kostengünstig aufgebaut sind, die Überschreitung eines bestimmten Beschleunigungsgrenzwertes mit verläßlicher Sicherheit anzeigen und insbesondere auch weder durch langer andauernde Nichtbenutzung oder ständigen, unterhalbeines Grenzwerts liegenden Beschleunigungseinflüssen keine Änderungen bezüglich vorgegebener Werte sowie keine Alterungserscheinungen aufweisen. Verwendbar sind solche Beschleunigung sauf nehmer dann insbesondere im Bereich von Kraftfahrzeugen, beispielsweise für die Steuerung des Ansprechverhaltens sogenannter Air-bag-Sicherheitssysteme oder Gurtstrammersysteme.

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Bekannt ist zur Erfassung einwirkender Drücke eine dosenförmig aufgebaute Meßeinrichtung, bei der eine metallische Fläche im Abstand zu einer auf einer Gegenfläche angeordneten Spule gelagert ist, und die Abstandsbeziehung der metallischen Fläche, die sich durch die Druckeinwirkung ändert, nach dem Wirbelstromverfahren bestimmt wird (DE-OS 29 46 062).

Vorteile der Erfindung

Der.erfindungsgemäße Beschleunigungsaufnehmer mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß Beschleunigung und Verzögerung, insbesondere im Bereich des Kraftfahrzeugs, die bestimmte Grenzwerte überschreiten, sicher erfaßbar sind, wobei ein besonders einfacher und daher auch störungsfreier Aufbau gewährleistet ist. Die Erfindung arbeitet nach dem Wirbelstromverfahren und ist durch die Speisung der Meßspule mit einer Generatorspannung in Form eines Rechtecks in weiten Grenzen unabhängig von der Generatorfrequenz, wobei sich eine über einen weiten Bereich lineare Beziehung zwischen der einwirkenden Beschleunigung und der abgegebenen Meßspannung erzielen läßt. Die gewonnene Meßspannung ist eine in einfacher Form weiter verarbeitbare Gleichspannung.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Beschleunigungsaufnehmers möglich. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der Biegefeder aus einem nicht-ferromagnetischen Material, wodurch bei geringer Störempfindlichkeit ein hohes Meßsignal erzeugbar ist. Dabei kann die Eigenfrequenz der Biege· feder, die eine metallische Fläche, in welcher Wirbelströme induzier-

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bar sind, trägt, durch entsprechende Wahl

ihrer Dicke und Länge so eingestellt werden, daß sich ein hinreichender Abstand zur Meßfrequenz ergibt; ferner läßt sich durch Beschichten der Biegefeder insgesamt oder in bestimmten Bereichen mit einem elastischen Material eine gewünschte Eigendämpfung erzielen.

^ Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 im Querschnitt in schematisch-vereinfachter Darstellung eine Ausführungsform eines auf einem Träger angeordneten Beschleunigungsaufnehmers, Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Beschleunigungsaufnehmer und Fig. 3 die miniaturisierte Darstellung in Draufsicht der Meßspule mit zugeordneter Elektronik, während die Figuren 4 und 5 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Auswerteschaltung und anhand von Diagrammverläufen an einzelnenStufen der Auswerteschaltung entstehende Spannungen über der Zeit angeben.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

An einer Grundplatte 1 ist über eine geeignete Verbindung im Abstand zur Grundplatte eine Biegefeder 3 als einseitig eingespannter Biegeschwinger befestigt. Die Verbindung kann aus zwei das eine Ende der Biegefeder 3 zwischen sich aufnehmenden Abstands- oder Halteklötzchen 2a, 2b, aus Scheiben o. dgl. bestehen, wobei die Befestigung der Biegefeder 3 durch Schrauben, Kleben, Punktschweißen, Ein-

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gießen in Kunststoff ο. dgl. erfolgen kann. Es ist auch möglich, auf die gesonderten Klötzchen 2a, 2b ganz zu verzichten und an der Grundplatte 1 eine entsprechende Erhöhung oder einen Vorsprung, gleich bei ihrer Herstellung vorzusehen, an welchem dann in der erwähnten Weise die Biegefeder einseitig befestigt wird. Im vorgegebenen Abstand 1 - hier bezogen auf die jeweils äußeren Randkanten von Biegefeder 3 und einem Träger 12 - ist eine Meßspule 4 im Abstand a zum freien Endbereich der Biegefeder 3 angeordnet. Die Dicke der Biegefeder 3 ist dabei mit d bezeichnet.

Wird die Meßspule 4 mit einer Spannung hinreichend hoher Frequenz gespeist, dann läßt sich hierdurch über den für sich gesehen bekannten Wirbelstromeffekt der Abstand a zwischen der Spule 4 und der Biegefeder 3 erfassen. Dieser Abstand a ist aufgrund der Massenträgheit proportional zu der zu messenden, senkrecht zur Biegefeder 3 einwirkenden Beschleunigung, die durch den Doppelpfeil bei A dargestellt ist. Durch entsprechende Wahl der Dicke d und der Länge 1 der Biegefederabmessungen läßt sich deren Eigenfrequenz im weiten Abstand, vorzugsweise weit über die Meßfrequenz legen, mit welcher die zu erwartenden Beschleunigungen oder Verzögerungen auftreten.

Um ein hohes Meßsignal bei geringer Storempfindlichkeit zu erzielen, kann die Biegefeder 3 aus einem nicht-ferromagnetischen Material hergestellt werden, oder mindestens im Endbereich der Biegefeder (Zone der Abstandsmessung) bei 5 mit eine entsprechenden Beschichtung aus einem bevorzugt Wirbelströme hervorrufenden Material (Kupfer, Aluminium, Messing) versehen sein. Die Beschichtung 5 kann durch geeignete chemische Verfahren, durch Drucken, Kleben, Aufdampfen u. dgl. befestigt werden. Auch dann, wenn aufgrund bevorzugter elastischer Eigenschaften für die Biegefeder ein Federstahlblech

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verwendet wird, kann zur Erzielung kontrollierbarer Wirbelstromeffekte die Beschichtung 5 vorgenommen werden.

Eine weitere Beschichtung der Biegefeder 3 kann über ihren gesamten Bereich oder nur in ausgewählten Zonen mit einem elastischen Material erfolgen, wodurch eine gewünschte Eigendämpfung erzielbar ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung vorliegender Erfindung besteht darin, entsprechend der Darstellung der Fig. 3 die Meßspule, wie bei 4¹ dargestellt, als spiralförmige, elektrische Spule auszubilden, die über geeignete Verfahren wie Ätzen, chemisches Aufbauen, Aufdampfen oder Drucken auf einem Träger 8 angeordnet ist, der insoweit auch dem mit der Grundplatte 1 verbundenen Träger 12 entsprechen oder auf diesen Träger 12 selbst aufgebracht sein kann. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Meßspule 6 sofort durch gleiche oder entsprechende Maßnahmen,wie soeben erwähnt, also Ätzen, chemisches Aufbauen, Aufdampfen oder Drucken zusammen mit dem Netzwerk der Auswerteelektronik, welches insgesamt mit 7 in Fig. 3 bezeichnet ist, auf diesem Träger 8 hergestellt wird. Der Träger 8 kann dabei aus einem geeigneten isolierenden Material wie Kunststoff, Keramik o.dgl. bestehen. In der Darstellung der Fig. 3 ist das Netzwerk 7 der Auswerteelektronik lediglich schematisch mit den Komponenten Generator 9 für die hochfrequente Speisespannung der Meßspule 4¹, Gleichrichter 10 und Meßverstärker 11 dargestellt. Das Netzwerk 7 der Auswerteelektronik ist dabei selbstverständlich bevorzugt in integrierter Form aufgebaut und lediglich in Fig. 3 aus Gründen eines besseren Verständnisses in der stark vergrößerten Darstellung angegeben. Bei der Montage entsprechend Fig. 1 kommt dann die

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die WirbelStromeffekte bewirkende Beschichtung 5 der Biegefeder 3 über der Spule 4¹ zu liegen.

Anhand der Figuren 4 und 5 wird im folgenden noch eine besonders einfache und daher kostengünstige Auswerteschaltung in Aufbau und Funktion im Detail angegeben.

Die Spule 4, 4¹ besteht aus einer Vielzahl von spiralförmig verlaufenden Windungen, wobei der Durchmesser des Spulenleiters sehr klein gewählt werden kann. Bei. einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Spule 4_f 4' aus sehr schmalen, nur etwa 0,05 mm starken Leiterbahnen, die auf den Träger mit den erwähnten Techniken (Aufdampfen, Aufdrucken ...) aufgebracht ist. Wird die Spule 4, 4¹ von einem Wechselstrom genügend hoher Frequenz (beispielsweise 200 kHz) durchflossen, dann induziert das von der Spule erzeugte Magnetfeld in der durch die Beschichtung 5 gebildeten Gegenfläche Wirbelströme, die umso stärker sind, je mehr die Gegenfläche 5 gegen die Spule 4, 4¹ gedrückt ist. Diese Wirbelströme haben die Wirkung, daß die Spulenimpedanz eine Veränderung, und zwar mit stärker werdendem Wirbelstromeinfluß eine wesentliche Erniedrigung erfährt.

Zur Messung der Veränderung der Spulenimpedanz ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bevorzugt ein Rechteck-Generator (RC-Multivibrator 20) vorgesehen, wodurch, wie im folgenden noch erläutert, die gewonnene Meßspannung in weiten Grenzen unabhängig von der Generatorfrequenz wird, so daß auf eine Frequenzstabilisierung verzichtet werden kann. Der Multivibrator 20 liefert, wie bei 21 und bei a) in Fig. 5 angedeutet, eine rechteckförmige Schwingung, die über einen'Vorwiderstand R1 zur Spule 4¹ gelangt.

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Bei b) in Fig. 5 ist der Spannungsverlauf U1 dargestellt, der sich als Spannungsabfall aus der Rechteck-Generatorspannung an der Spule 4¹ ergibt. Dieser Spannungsabfall wird als Meßsignal verwendet, mittels der nachgeschalteten Diode D gleichgerichtet und von einem Kondensator C1 integriert, an dem sich die Kondensatorspannung U entsprechend c) in Fig. 5 ergibt. Die Größe des parallel zum Kondensator C1 liegenden Widerstandes R2 legt im wesentliehen die Entladegeschwindigkeit der im Kondensator C1 gespeicherten Ladungsmenge fest und bestimmt damit, zusammen mit dem nachgeschalteten Tiefpaß aus R3 und C2, die Grenzfrequenz der Auswerteschaltung. Es ergibt sich dann am Ausgang der Auswerteelektronik 7 der bei d) in Fig. 5 dargestellte Gleichspannungsverlauf Ua. Die entstehende Gleichspannung Ua ist dann umso größer, je größer der Abstand a des Biegefederendes zur Spule 4, 4¹ ist. Messungen haben ergeben, daß sich dabei die Ausgangsspannung Ua nahezu linear mit einer Änderung des Abstands a verändert.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzein als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

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Patentansprüche

( 1y Beschleunigungsaufnehmer, gekennzeichnet durch einen nach dem Wirbelstromverfahren arbeitenden Geber, der eine metallische Fläche (Beschichtung 5) im Abstand zu einer von einer Meßspule (4, 4¹) gebildeten Gegenfläche bildet, wobei die metallische Fläche am Ende einer einseitig eingespannten, als Biegeschwinger wirkenden Biegefeder (3) angeordnet ist.

2. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (3) mit ihrem einen Ende über, eine Verbindung (2) zu einer Grundplatte (1) bildende Abstandsklötzchen oder -scheiben (2a, 2b) befestigt ist.

3. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eingespannte Ende der Biegefeder (3) mit der Verbindung (2) verschraubt, geklebt, punktgeschweißt oder in Kunststoff eingegossen · ist.

4. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (3) aus nicht-ferromagnetischem Material besteht.

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5. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder ein schmales Federstahlblech ist.

6. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der der'Meßspule (4) gegenüberliegende Endbereich der Biegefeder eine bezüglich elektrischer Wirbelstrombildung besonders wirksame Beschichtung (5) (Kupfer, Aluminium, Messing) trägt.

7. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (5) durch chemische Verfahren, Drucken, Kleben oder Aufdampfen aufgebracht ist.

8. Beschleunigungsaufnehmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule (4, 4') auf einem Träger (12, 8) aufgebracht ist, vorzugsweise durch Ätzen, chemisches Aufbauen, Aufdampfen oder Drucken, und eine Spiralform aufweist.

9. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule (4, 4') zusammen mit der Auswerteelektronik (7) durch entsprechende Verfahren (Ätzen, chemisches Aufbauen, Aufdampfen, Drucken) auf dem gleichen Träger (8) aufgebracht ist.

10. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule (4¹) mit der Auswerteelektronik (7) in Form einer integrierten Schaltung auf dem Träger (8) angeordnet ist, der seinerseits mit der Grundplatte (1) verbunden bzw. auf

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einem Träger (12) der Grundplatte angeordnet ist.

11. Beschleunigungsaufnehmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Meßspule (4) ein Rechteck-Generator (RC-MuItivibrator 20) zur Erzeugung einer Oszillatorspannung zwischen etwa 100 KHz bis etwa 10 MHz, vorzugsweise von etwa 200 KHz, vorgesehen ist, daß die Spule (4¹) über einen Vorwiderstand (R1) an den Generator (20) angeschlossen ist und daß parallel zur Spule eine Auswerteschaltung zur Erfassung der an der Spule entstehenden, sich abstandsabhängig ändernden Restspannung (U1) angeschlossen ist.

12. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 11., dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung von einem an die Spule angeschlossenen Gleichrichter (D), einer Siebkette mit mindestens einem Speicherquerkondensator (C1) und einem parallelen Entladewiderstand (R2) gebildet ist.