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Beschle unibrungsaufnehr-rle r
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungsaufnehmer
nach der Gattung des llauptanspruchs. Beschleunigungsaufnehmer, etwa in der Form
sogenannter Schock- oder Vibrationsmesser, aber auch al Ballistik-Aufnehmer oder
Miniaturaufnchmer ausgebildet, sind bekannt; sie sind als "low impedance" Quarz-Beschleunigungsaufneiinier
ausgebildet und verfügen über einen Kristall, auf den ein der Beschleunigung entsprechender
Druck ausübbar ist, wodurch sich eine direkte Spannungsänderung einer am Quarz anliegenden
Versorgungsspannung ergibt.
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Es ist auch bekannl, für Drehgeber, iiisbesondere unter rauhen Betriebsbedingungen,
mit dem sogenannten Wiegand-Effekt arbeitende Rotorsysteme einzusetzen, wobei in
den Rotor eingebettete Wieganddrähte von einen, Geberkopf berührungslos abgetastet
werdeii. hierdurch lassen sich auch Beschleunigungen erfassen.
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Der Erfindung lie t die Aufgabe zugruiide, einen Beschleunigungs aufnehmer
zu schaffen, der bei möglichst einfachem Aufbau eine ge ringe Temperaturabhängigkeit
bei L.angzeiteinhaltung der Eichgenauigkeit sicherstellt und darüber hinaus kostengünstig
aufgebaut und, soweit überhaupt erforderlich, justiert werden kann.
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Diese Aufgabe löst der erfindungsgemäß Beschleunigungsaufnehmer mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat gegenüber deni bekannten
Stand der Technik den Vorteil, daß Systemfehler von vornherein ini wesentlichen
ausgeschlossen sind, ein absolut linearer Zusammenhang zwischen der Beschleunigung
und der auswertbaren Oszillatorfrequenz besteht und irgendwelche sonst erforderlichen
Ladungsverstärker oder Analog/Digitalumsetzer überflüssig sind, daher eine besondere
Kostengünstigkeit erzielt werden kann.
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Vorteilhaft ist ferner, daß der erfindungsgemäße Beschleunigungsaufnchmer
seine Eichgenauigkeit über mindestens zwei Betriegsjahre aufrechterhält, einen äußerst
günstigen, da einfachen Aufbau bei preiswerter Konstruktion aufweist und kaunj temperaturabhängig
ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aulgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Beschleunigungsaufnchmers
möglich, Besonders vorteilhaft ist hier die Anordnung von jeweils einander gegenüberliegenden
Zungen in jeder der drei Koordinatenrichtungen x, y und z, wobei diese Zungen als
einseitig eingespanrlte Platten ausgebildet sind und
jeweils mit
gegenüberliegenden statienüren l'latten Kondensateden bilden, deren Kapazitätsünderungen
Beschleunigungseinwirkuogen aus und in beliebige ichtungen sowie Drehbewegungen
anzeigen und durch Umsetzung in entsprechend lineare Frequenzänderungen sicher diskriminieren
lassen.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sitid in der Zeichnung
dargestellt und werden in der hachfolgenden Beschreibung näher erlägtert, Es zeigen:
Fig. 1 in stark schengtisierter Darstellung ein erstos Austührungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Beschleunigungssensers in bevorzugter Aiiwendung für Kraftfahrzeuge
und Fig. 2 die Möglichkeit, auch Drehheschleunigungen und die Richtung ihrer Einwirkung
mit dem gegenüberliegenden Sensorpaar des Beschteanigungsaufnehmers der Fig. 1 zu
erfassen, Fig. 3 ein mögliches Montage beispiel des in Fig. 1 schematisiert dargestellten
Beschleunigungsaufnehmers und Fig. 4 als Ausschnitt eine Befestigungsmöglichkeit
jeweils für die stationäre Gegenplatte jedes kapazitiven Sensors und Fig. 5 in perspektivischer
Darstellung ein Allrichtungssensor, mit welchein belichige lineare und Drehbeschleunigungen
nach Einwirkung der Stärke und Richtung erfaßt werden können.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der Grundgedanke vorliegender
Erfindung besteht darin, jeweils eine Fläche eines Kondensators als Biegebalken
auszuführen und so anzuordnen, daß einwirkende Trägheitskräfte in der jeweils selektierten
Achse senkrecht zur Balkenachse einwirken, wobei der Kondensator als Teil eines
elektronischse Oszllators - von im übrigen durchaus beliebigen Schaltungsaufbau
- so in die Konzeption des Oszillators einbezogen ist, daß er miadestens mitbestimmend
für dessen Schwingfrequenz ist. In Abhängigkeit zu den Biegekräften ergibt sich
dann jeweils für unterschiedliche Durchbiegungen ein linearer Zusammenhang zur Kapazität
und bei entsprechender Ausbildung des Oszillators ein linearer Zusammenhang der
Kapazitätsänderung mit der Änderung der Schwingfrequenz.
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Entsprechend dem vercinfachten Ausfügrungsbeispiel der Fig. 1 ist
ein zentraler Einspannkörper 10 vorgesehen, der Biegebalken in Form-von flachen
Zungen 11, 12 und 13 einseihg eülgespannt lagert und vorzugsweise gleichzeitig elektrisch
Illit den Zungen so verbundeii ist, daß sich am Block des Einspannkörpers 10 das
gemeinsame Nullpotential der Schaltung ergibt, in weiche der Beschleunigungsaufneliirier
eingeordnet ist.
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Die Zungen sind bei dem in Fig. 1 gezeigten vereinfachten Ausführungsheispiel
eines Beschleunigungsanfnehmers, wie er insbesondere zur Anwendung bei Kraftfahrzeugen
im Bereich von in dies eingebaute Kurzzeit-Unfalldatenschreiber vorgeschen ist,
um jeweils 90° zueinander
versetzt in einer Ebene, wobei ein in
Falirtrichtung weisender kapazitiver Sensor entbehrlich ist. Es ergeben sich so
drei kapazitive Sensoren F1, F2, F3, jeweils gebildet aus den Zungen 11, 12, 13
die stationären Gegenplatten 11', 12' und 13' gegenüberstehen, in vorgegebeneni
Abstand, so daß sich im Ruhezustand Kondensatoren mit vorgegebenen Kapazitätswerten
ergeben.
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Sobald auf einen solchen, aus einzelneji kapazitiven Sensoren bestehenden
Beschleunigungsaufnchmer Beschleunigungskräfte einwirken, kommt es zu einer. Verbiegung
der einzelnen Zungen aufgrund der Trägheitskräfte der Zungen und zu einer entsprechenden
Annäherung an die stationären Gegenplatten oder Entfernung von diesen, was- zu entsprechenden
Kapazitätsänderungen an den einzelnen Beschleunigungssensoren aufgrund der sich
ändernden Plattenabstände führt.
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Dabei wird bei negativen Beschleunigungsänderungen, die als eine Annäherung
der Platten jedes gebildeten Kondensators definiert sei, eine Kapazitätserhöhung
und bei positiver Beschleanigungseinwirkung eine Kapazitätserniedrigung erfolgen.
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Entsprechend einem praktischen Ausführungsbeispiel können die Zungen,
die von durchgehend gleichförmigem Querschnitt vorzugsweise sind, eine Breite von
1, 4 bei einer Länge von 2 cm und einer Dicke von 0> 03 cm aufweisen und aus
einem geeigneten Werhstoff wie beispielsweise Berylliumbronze oder auch zur Erzielung
einer noch geringeren Temperaturabhängigkeit aus einem Werkstoff bestehen, der aligemein
unter der Bexeichaung Nivarox bekannt ist.
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Beträgt bei einem soichen Ausführungsbeispiel der Normalabstand
zwischen
den Platten jedes Kapazitäts-Sensers F1, F2, F3 0,01 cm bei einer überdeckten Länge
von 0, 8 em, dann ergeben sich die, aus der folgenden Tabelle entnchmbaren Werte
bei vorausgesetzten, einwirkenden Beschleunigungen zwischen -20 g bis +20 g: b A
außen A mittl C f b mm mm pF Hz -20.0 0.0600 0.0838 11.84 422084 -10.0 0.0800 0.0919
10.79 463005 -1.0 0.0980 0.0992 10.00 499834 -0.5 0.0990 0.0996 9.96 501880 -0.2
0.0996 0.0998 9.93 503108 -0.1 0.0998 0.0999 9.93 503517 +0.0 0.1000 0.1000 9.92
503926 +0.1 0.1002 0.1001 9.91 504335 +0.2 0.1004 0.1002 9.90 504745 +0.5 0.1010
0.1004 9.88 505972 +1.0 0.1020 0.1008 9.84 508018 +10.0 0.1200 0.1081 9.17 544847
+20.0 0.1400 0. 1162 8.53 585768 Aus der Tabelle läß sich entnehmen, daß eine Grundfrequenz
des Oszillators beim Normalabstand (einwirkende Beschleunigung 0) von ca. 503, 926
Kllz zugrundegelegt werden kann, mit entsprechend linearer und gut auswertbarer
Frequenzänderung zwischen 422, 084 KHz bei g = -20 his 585, 768 KIIz bei g +20 die
Kapazitätsänderung in
pF schwankt dann zwischen 11, 84 und 3,53
pF.
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Eine Torsionseinwirkung auf die einzelnen Zungen oder Biegebalken
durch Winkelbeschleunigung, im Falle des Beschleunigungsaufnehniers der Fig. 1 also
eine Drehbewegung uni eine elwa von oben nach unten in der Zeichenebene liegende
Achse wirkt sich auf-den mittleren Abstand der Kondensatorflächen nicht aus, da
eine Verdrehung der Zungen 11 und 12 in diesem Fall eine syrnmetrische Abstandsänderung
um die neutrale Achse bewirkt, die sich selbst kompensiert.
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Schwingungen oder Vibrationen wirken sich auf die mittlere Kapazität
ebenfalls nicht aus, da zwar überlagerte Kapazitätsänderungen nlit der jeweiligen
Schwing- oder Vibrationsfrequenz entstehen können, die sich aber über eine vorgesehene
Integrationszeit bei der Auswertung der Schwingfrequenz von mindestens 5() nis nicht
auswirken können. Mögliche Resonanzfrequenzen der Zungen selbst liegen wcgen ihrer
Ahme ssungen in einen erlie Iilicli höheren Frequenzbereich und kommen bei den dargestellten
Ausführungsbeispiel nicht zur Auswirkung.
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Die schematische Darstellung der Fig 2 dient zur Beurteilung von einwirkenden
Drehbeschleunigungen, wie sie sich auf den in Fig. 1 dargestellten Beschleunigungssensor
im Sinne des dort gezeigten Doppelpfeils A durchaus ergeben können. Unter der Voraussetzung
einer in Fahrtrichtung einwirkenden, vorhandenen Längsbeschleunigung bl führt eine
Drehbeschleunigung in einer gegebenen Richtung dazu, daß sich bei dern einen Kapazitätssensor,
beini Ausführungsbeispiel
Fl, die einwirkende Drehbeschleungigung
bD vom Wert der Längsbeschleunigung bL substrahtert, im anderen Fall des Sensors
F3 hinzuaddiert. Die beiden Sensoren F1 und F3 liefern daher Angaben über umgesetzto
rcsultierende Beschleunigungswerte von bl für ['1 und b2 für F3. IIieraus läßt sich
die Drehbeschleunigung nach folgender Formel ermitteln: bD = (b2 - b1)/2.
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Die gleichfalls vorliegende Längsbeschleunigung ergibt sich aus der
folgenden Formel b2 =(b2 + bl)/2.
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I'erxier lassen sich aufgrund dtr resultierenden Beschleunigungen
bezüglich der Richtung der einwirkenden Beschleunigungen die folgende Feststellung
treffen: Ist das Ergebnis der ersten, die Drehbeschleunigung betreffenden Formel
positiv, dann war die Drehbeschleunigungseinwirkung linksdrehend, im anderen Falle
rechtsdrehend.
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Aus der zweiten Formel für die Längs beschleunigung ergibt sich bei
positivem Ergebnis eine Angabe der Beschleunigung in Fahrtrichtung, bei negativein
Ergebnis eine Brenisbeschleunigung gegen die Fahrtrichtung.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kapazitätssensor
F2 in Fahrtrichtung liegend angeordnet; daher führen an ihm gemessene Kapazitätsänderungen
zu der Feststellung, daß beispielsweise
bei einer Beschleunigungseinwirkung
in Fahrtrichtung gesehen nach rechts, also in der Zeichenebene nach unten die Beschleunigungsanzeige
des Kapazitätssensers F2 positiv, im anderen Falle negativ ist. Natürlich reagiert
der Senser F2 auch auf Drchbeschleunigungen des Fahrzeugs, dann aber gemeinsam mit
den Sensoren F1 und F3 in der weiter vern schon beschriebenen Weise, so daß dann,
wenn die Sensoren F1 und F3 keine Drchbeschleunigung anzeigen, eine ani Sensor F2
festgestellte l3eschleunigung in Fahrtrichtung gesehen nach rechts oder links erfolgt
ist.
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Die mechanische Fertigung der durch diese Trägheitskräfte die Kapazifätsänderungen
an F1, F2 und F3 hervorrufenden Zungen kann mit so hoher Genauigkeit erfolgell,
daß ein Abgleich lediglich wegen möglicher Montage fehler vorgesehen werden sollte,
dabei ist die Materialkonstante E im geforderten Bereich temperaturunabhängig und
einer Alterung nicht unterworfen. I)ie Dielektrizitätskonstante ist ebenfalls tempe
raturunabhängig, da die gesamte Aufnehineranord -nung vorzugsweise innerhalb eines
uf Vakuumbedingungen gebrachte Gehäuses angeordnet ist.
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Es empfiehlt sich im übrigen, den jedem Kapazitätssensor zugeordneten
Schwingkreis eines Oszillators mit Schmitt-Triggern auf der Basis der Verwendung
vorn C-MOS-Halideiterelementen aufzubauen, wodurch sich eine noch geringers Temperaturabhängigkeit
ergibt außerdem ist es empfehlepswert, mit der Betriebsspannung, die an den Kondensatoren
anliegt, nicht zu hoch zu gehen, Beispielsweise eine Gleichspannung von 5 V zu versenden,
wodurch der durch die
Kräfte des elektrischen Feldes zwischen den
Platten verursachte Fehler in einer Größenordnung von 0, 1 % gehalten werden kann
und daher insgesamt nicht störend ist.
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Ein praktisches Ansführungsbeispiel für den Aufhau eines erfindungsgemäßen
Beschleunigungsaufnchmers in einem Gehäuse ist in Fig. 3 durgestellt; der blockförmige
Einspannkörper 10 lagert die Zungen 11, 12 und 13, denen gegenüberliegend die stntionüren
Gegenplatten 11', 12', und 13' angeordnet sind. Die die Gegenelektroden bildenden
stationüren Platten können an über Langlöcher 14 an der Bodenplatte 15 des Gehäuses
16 Befestigte Führungen gehalten sein, so daß eine Verschiebung in Richtung auf
die beweglichen Zungen möglich ist, zur anfänglichen Kapazitätscinstellung. Die
Gegenplatten 11', 12', 13' sind dabei jeweils isoliert befestigt und ihre Anschlüsse
sind über kapazitätsarme Vollkabel 17 zu stationären Anschlußpunkten I, II und III
der Platte geführt, wobei der gemeinsame Anschlußpunkt 1 V von dem Einspannkörper
10 gebildet ist.
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In der Darstellung tler Fig. 4 ist das Gehäuse in realistischer Ausführung
nochmals gezeigt, bestchend aus einem schachtelförmeigen Bodenteil 16a und einem
mit diesem fest verbundenen Deckelteil 16b wobei im Detail die Befestigung der Gegenplatten
mit @solierung 17, Befestigungsschraube 18 und horizontulem Grundkörper 19 gezeigt
ist, von welchem ausgehend die Gegenelektrode 11' sich nach oben erstreckt.
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ISei delll Ausführungsbeispiel der teig. 5 ist ein auf Beschleunigungen
in allen Richtungen und in allen Drehrichtungen empfindlicher Beschleunigungsaufnehmer
bei 20 dargestellt, mit einem zentralten, die einzelden Zungen längernden Einspannkörper
21 und insgesamgsechs, jeweils um 90° zueinander um den würfelförmigen Einspannkörper
herum angeordneten und in diesen einguspansten Zungen, die mit entsprechenden Gegenplatten
Kapazitätssensoren X1, X2; Y1, Y2 und Z1, Z2 bilden. Jeder dieser Kapazitütssensoren
ist Teil eines Schwingkreises und daher in der Lage, die auf ihn einwirkende, aus
Drehung (Torskon) oder linearer Beschleunigung in positiver und no gativer Richtung
sich ergebenden Einwirkungen festzustellen, zunächst die Kapazifätsänderungen umzuwandeln
und dann in Form einer Frequenzänderung auswertbar zu machen. Durch entsprechtende
Dirrerenzbildungen lassen sich dann, wie weiter vorn anhand der Darsteillung der
Fig. 2 gezeigt, die einzelnen Werte der einwirkenden Beschleunigungen ermittein.
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- L e e r s e i t e -