DE10114889A1

DE10114889A1 - Sensor device for measuring acceleration determines position of inertial body on boundary surface

Info

Publication number: DE10114889A1
Application number: DE2001114889
Authority: DE
Inventors: Ruediger Angermeier; Ernst Schraud
Original assignee: GEOMETRIE CONCERN VERWALTUNGS
Current assignee: GEOMETRIE CONCERN VERWALTUNGS
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2002-10-17

Abstract

An inertial body (6) is moved along a boundary surface (5) formed so that when the sensor device is in a gravitational field, the restoring force acting on the body increases with increasing acceleration. The acceleration acting on the sensor device is measured by a position detector (10) which determines the position or change in position of the inertial body on the boundary surface.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Messung von Be schleunigungen nach Anspruch 1.The invention relates to a sensor device for measuring Be accelerations according to claim 1.

Zur Messung von Beschleunigungen werden in der Regel Sensorvorrich tungen verwendet, welche die durch eine Translationsbeschleunigung hervorgerufene Kraftwirkung auf einen Trägheitskörper definierter Masse bestimmen. Üblicherweise werden zur Kraftmessung die Längenänderun gen elastisch deformierbarer Federn gemessen oder Dehnungsmessstreifen eingesetzt, die die Längenänderung des Dehnungsmessstreifens und damit die Kraft direkt in ein elektrisches Signal umwandeln. Nachteilig bei diesen Bauformen ist die relativ große Bauausführung sowie das Problem, dass Drehungen um eine Achse von solchen Sensoren bekannter Bauart nicht oder nur sehr problematisch gemessen werden können. Daher werden bekannte Trägheitssensoren üblicherweise mit speziellen Senso ren kombiniert, welche Drehbewegungen um eine Achse (Rotationsbewe gungen) messen.Sensor devices are usually used to measure accelerations tion used by translational acceleration force effect on an inertial body of defined mass determine. The lengths are usually changed for force measurement measured against elastically deformable springs or strain gauges used the change in length of the strain gauge and thus convert the force directly into an electrical signal. A disadvantage of these designs is the relatively large construction and the problem that rotations about an axis from such sensors of known design cannot be measured or can only be measured with great difficulty. Therefore are known inertial sensors usually with special Senso ren combines which rotary movements around an axis (rotational movement measurements).

Bekannte Drehbewegungssensoren arbeiten üblicherweise mit Kreiseln, wie beispielsweise der Kreiselkompass oder der sogenannte "künstliche Horizont" eines Flugzeugs. Nachteilig bei solchen Systemen ist insbesondere die Anlaufdauer, die unvermeidliche Drift dieser Geräte, die relativ große Bauweise, die mechanische Empfindlichkeit sowie der relativ hohe Stromverbrauch. Von daher sind solche auf Kreiseln beruhenden Sensoren speziell für den batteriegestützten Betrieb weitgehend ungeeignet.Known rotary motion sensors usually work with gyroscopes, such as the gyrocompass or the so-called "artificial Horizon "of an aircraft. A disadvantage of such systems is in particular the startup time, the inevitable drift of these devices, the relative large design, the mechanical sensitivity and the relatively high Power consumption. That is why such sensors are based on gyros largely unsuitable especially for battery-assisted operation.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst kom pakte, unempfindliche, sofort einsatzfähige Sensorvorrichtung zur Mes sung von Beschleunigungen vorzuschlagen, die darüber hinaus einen niedrigen Stromverbrauch aufweist.The invention is therefore based on the object, the most possible compact, insensitive, immediately usable sensor device for measurement propose accelerations that also have a has low power consumption.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a sensor device according to claim 1 solved. Advantageous developments of the invention are the subject of Dependent claims.

Bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zur Messung von Be schleunigungen bewegt sich ein Trägheitskörper entlang einer begrenzen den Fläche, wobei die begrenzende Fläche so geformt ist, dass, wenn sich die Sensorvorrichtung in einem Gravitationsfeld befindet, die auf den Trägheitskörper einwirkende Rückstellkraft mit steigender Beschleuni gung zunimmt und die Größe der auf die Sensorvorrichtung einwirkenden Beschleunigung zumindest zum Teil durch eine Positionsbestimmungsein richtung, die die Position oder die Veränderung der Position des Träg heitskörpers auf der begrenzenden Fläche bestimmt, gemessen wird.In the sensor device according to the invention for measuring Be accelerations an inertial body moves along a limit the area, the limiting area being shaped such that when the sensor device is located in a gravitational field, which on the Restoring force acting on the inertial body with increasing acceleration supply increases and the size of those acting on the sensor device Acceleration at least in part by a position determination direction, the position or the change in position of the wearer unit on the limiting surface is determined, measured.

Je nach Anwendung ist zu entscheiden, ob es erforderlich ist, dass die Position des Trägheitskörpers direkt bekannt ist. Dies ist insbesondere bei Anwendungen erforderlich, bei denen die Messung nicht in einem definierten Ausgangszustand beginnt. Dies ist beispielsweise bei nur kurzzeitig, in periodischen Abständen betriebenen Geräten der Fall, die üblicherweise besonders stromsparend ausgeführt werden können und somit für einen batteriebetriebenen, portablen Einsatz besonders geeignet sind. Depending on the application, it must be decided whether it is necessary that the Position of the inertial body is known directly. This is particularly so required for applications where the measurement is not in one defined initial state begins. This is for example with only short-term, periodically operated devices the case that can usually be carried out in a particularly energy-saving manner therefore particularly suitable for battery-operated, portable use are.

In anderen Anwendungsfällen kann es sinnvoller erscheinen, dass nur die Änderung der Position des Trägheitskörpers erfasst wird. Dies ist insbe sondere bei einem länger andauernden Betrieb der Fall, der darüber hinaus von einem definierten Ausgangszustand ausgeht. Der Vorteil einer Messung nur der Änderung der Position des Trägheitskörpers gegenüber einer Messung der Position selbst besteht darin, dass bei der Messung einer Positionsänderung mehr und gegebenenfalls genauere Messprinzi pien eingesetzt werden können, als dies bei einer Positionsbestimmung der Fall ist. Hier sind insbesondere Messprinzipien, die auf Interferenzer scheinungen beruhen, zu nennen.In other applications, it may make more sense that only the Change in the position of the inertial body is detected. This is especially true especially in the case of a longer operation, the case above assumes a defined initial state. The advantage of one Measurement only compared to the change in the position of the inertial body A measurement of the position itself is that when measuring a change in position more and possibly more precise measuring principle pien can be used as this when determining a position the case is. Here are particular measurement principles that are based on interferers appearances are based.

Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass zwei oder mehr Messprinzi pien gleichzeitig verwendet werden, so dass einerseits die Position, andererseits die Positionsänderung des Trägheitskörpers mit einer höhe ren Genauigkeit gemessen werden kann.Of course, it is also conceivable that two or more measuring princes pien can be used simultaneously, so that on the one hand the position, on the other hand, the change in position of the inertial body with a height accuracy can be measured.

Die beschriebene Sensorvorrichtung kann einen äußerst einfachen Aufbau aufweisen und somit auch besonders langlebig und unempfindlich gegen Belastungen wie Temperaturschwankungen, Stöße und Ähnliches ausge führt werden. Da keine mechanischen Teile angetrieben werden müssen (wie beispielsweise bei einem Kreisel), kann der Stromverbrauch der Sensorvorrichtung sehr gering ausfallen. Wie die Führung des Trägheits körpers entlang der begrenzenden Fläche erfolgt ist erfindungsgemäß beliebig. Im einfachsten Fall kann der Trägheitskörper auf der begren zenden Fläche rollen beziehungsweise gleiten. Ebenso ist die Form der begrenzenden Fläche beliebig, solange die Bedingung gewahrt bleibt, dass die Rückstellkraft mit steigender Beschleunigung zunimmt. Somit sind beispielsweise Rotationsparaboloiden, Rotationsellipsoloide oder auch asymmetrische Flächenformen denkbar. Asymmetrische Flächenfor men sind beispielsweise dann sinnvoll, wenn in einer Vorzugsrichtung große Beschleunigungen auftreten, während in einer dazu senkrecht stehenden Richtung nur kleine Beschleunigungen zu erwarten sind, die mit einer höheren Auflösung gemessen werden sollen. Im übrigen muss der Trägheitskörper nicht notwendigerweise aus einem Festkörper beste hen. So ist ein Trägheitskörper beispielsweise aus Quecksilber durchaus denkbar.The sensor device described can have an extremely simple structure have and thus also particularly durable and insensitive to Loads such as temperature fluctuations, shocks and the like leads. Since no mechanical parts have to be driven (such as a gyro), the power consumption of the Sensor device turn out very small. Like leading inertia body along the delimiting surface is done according to the invention any. In the simplest case, the inertial body can be limited to the rolling or sliding surface. Likewise, the shape of the delimiting area as long as the condition is met, that the restoring force increases with increasing acceleration. Consequently are, for example, rotational paraboloids, rotational ellipsoloids or asymmetrical surface shapes are also conceivable. Asymmetrical surface Men are useful, for example, if in a preferred direction Large accelerations occur while perpendicular to it only small accelerations are to be expected in the standing direction should be measured with a higher resolution. For the rest, must the inertial body does not necessarily consist of a solid hen. For example, an inertial body made of mercury is quite conceivable.

Vorteilhafterweise ist jedoch die begrenzende Fläche so ausgeführt, dass der Trägheitskörper von der begrenzenden Fläche eingeschlossen ist. In diesem Fall kann der Trägheitskörper nicht verloren werden, außerdem können Beschleunigungen in allen Raumrichtungen gemessen werden. Insbesondere kann auch eine nach unten gerichtete Beschleunigung, welche größer als die Erdbeschleunigung ist, mit einer solchen Sensor vorrichtung gemessen werden. Auch für den Einsatz bei Anwendungen, in denen die Sensorvorrichtung in beliebige Richtungen geneigt wird, beziehungsweise bei einem Einsatz in der Schwerelosigkeit ist die ge nannte Ausführungsweise der Sensorvorrichtung sinnvoll.However, the delimiting surface is advantageously designed such that the inertial body is enclosed by the delimiting surface. In in this case the inertial body cannot be lost, furthermore accelerations can be measured in all spatial directions. In particular, a downward acceleration, which is greater than gravitational acceleration with such a sensor device can be measured. Also for use in applications in which the sensor device is inclined in any direction, or when used in zero gravity is the ge mentioned embodiment of the sensor device makes sense.

Besonders vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn der Trägheitskörper kugelförmig ausgebildet ist. In diesem Fall kann der Trägheitskörper einfach entlang der begrenzenden Fläche rollen, so dass ein besonders einfacher Aufbau der Sensorvorrichtung möglich wird. Insbesondere kann ein ansonsten gegebenenfalls notwendiger Einsatz von Schmiermitteln verringert oder sogar ganz vermieden werden.It is also particularly advantageous if the inertial body is spherical. In this case, the inertial body just roll along the delimiting surface, making a special one simple construction of the sensor device is possible. In particular, can an otherwise possibly necessary use of lubricants be reduced or even avoided altogether.

Ebenso kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die begrenzende Fläche sphärisch geformt ist, also beispielsweise als Hohlkugel ausgebil det ist. Eine solche Sensorvorrichtung weist keine Vorzugsrichtung für die Messung von Beschleunigungen auf. Je nach Anwendungsgebiet können die Größenverhältnisse eines kugelförmigen Trägheitskörpers und der ihn umgebenden sphärischen geformten, begrenzenden Fläche sowie die Materialeigenschaften und die Massen aufeinander abgestimmt werden, so dass sich eine auf den jeweiligen Anwendungsfall optimierte Messgenauigkeit beziehungsweise Auflösungsgenauigkeit hinsichtlich Beschleunigungsänderungen ergibt. Eine solche gegenseitige Anpassung von begrenzender Fläche und Trägheitskörper ist selbstverständlich auch bei anderen Formen denkbar.It can also prove advantageous if the limiting Surface is spherically shaped, for example, as a hollow ball det. Such a sensor device has no preferred direction for the measurement of accelerations. Depending on the area of application can the proportions of a spherical inertial body and the surrounding spherical shaped, delimiting surface and the material properties and the masses are coordinated so that it is optimized for the respective application Measuring accuracy or resolution accuracy with regard to Changes in acceleration result. Such mutual adjustment of bounding area and inertial body is of course also conceivable with other shapes.

Es kann sich auch als vorteilhaft erweisen, dass der zwischen Trägheits körper und begrenzender Fläche verbleibende Raum zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Diese Flüssigkeit kann hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie Viskosität, Dichte, Adhäsionsvermögen, Schmierei genschaften und Befüllungsgrad auf den jeweiligen Anwendungsfall hin optimiert werden. Somit kann beispielsweise eine definierte Dämpfung der Sensorvorrichtung erzielt werden, so dass diese auf besonders kurz zeitige Beschleunigungsspitzen, wie diese beispielsweise durch Stöße hervorgerufen werden können, unempfindlich reagiert. Somit kann beispielsweise auch die nachfolgende Auswerteelektronik langsamer und somit einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden.It can also prove advantageous that the between inertia body and delimiting area, at least partially remaining space is filled with a liquid. This liquid can with respect to their Properties such as viscosity, density, adhesiveness, lubrication properties and degree of filling to the respective application be optimized. Thus, for example, a defined damping the sensor device can be achieved, so that this is particularly short early acceleration peaks, such as those caused by impacts can be caused to react insensitively. So can for example, the subsequent evaluation electronics are slower and can thus be carried out more easily and cost-effectively.

Ebenso kann es vorteilhaft sein, dass der Trägheitskörper mit einem Hohlraum versehen ist. Dadurch kann beispielsweise eine Gewichtsanpas sung des Trägheitskörpers erfolgen und somit eine nochmals weiterge hende Anpassung der Sensorvorrichtung auf den Einsatzzweck erfolgen.It can also be advantageous that the inertial body with a Cavity is provided. This can be used, for example, to adjust the weight Solution of the inertial body take place and thus a further adapting the sensor device to the intended purpose.

Dabei kann es sich als besonders vorteilhaft erweisen, wenn der im Trägheitskörper ausgebildete Hohlraum zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Bei einer entsprechenden Wahl der Flüssigkeit hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie Viskosität, Dichte, Adhäsionsvermö gen und Befüllungsgrads kann eine nochmals weitergehende Anpassung der Sensorvorrichtung auf den jeweiligen Einsatzzweck erfolgen. Insbe sondere ist durch eine aufeinander angepasste Wahl der Befüllung des Hohlraums zwischen Trägheitskörper und begrenzender Fläche sowie der Befüllung des im Trägheitskörper ausgebildeten Hohlraums eine nochma lige Anpassung der Sensorvorrichtung auf den Einsatzzweck möglich.It can prove to be particularly advantageous if the im Inertial body-formed cavity at least partially with a Liquid is filled. With an appropriate choice of liquid with regard to their properties such as viscosity, density, adhesion and level of filling can be a further adjustment the sensor device to the respective application. in particular special is through a matched choice of filling the Cavity between the inertial body and the delimiting surface and the Filling the cavity formed in the inertial body a second time Adaptation of the sensor device to the intended use possible.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich eine Lagebestimmungsein richtung zur Bestimmung der Lage oder der Veränderung der Lage des Trägheitskörpers gegenüber der begrenzenden Fläche vorhanden ist. Das bereits bezüglich der Positionsbestimmung beziehungsweise Bestimmung der Veränderung der Position des Trägheitskörpers Gesagte gilt in analo ger Weise für die Bestimmung der Lage beziehungsweise der Verände rung der Lage des Trägheitskörpers. Insbesondere ist auch eine Kombi nation von Lagebestimmung und Bestimmung einer Lageänderung denk bar. Durch die Messung der Lage beziehungsweise der Lageänderung des Trägheitskörpers gegenüber der begrenzenden Fläche wird es möglich, auch Rotationsbewegungen, also Drehungen um eine Achse der Sensor vorrichtung aufzunehmen und schlussendlich die Rotationsbeschleuni gung zu messen. Im Falle einer Sensorvorrichtung die aus einer Kugel als Trägheitskörper sowie einer Hohlkugel als begrenzender Fläche besteht, bleibt der Trägheitskörper bei einer Drehbewegung der Hohlkugel in Bezug auf ein unbeschleunigtes Referenzsystem in Ruhe, so dass sich der Trägheitskörper gegenüber der begrenzenden Fläche dreht, und so die Drehbewegung gemessen werden kann. Um die gewünschte Messgenauig keit zu erzielen, sind die Materialien, Formen und die Oberflächenbe schaffenheit von Trägheitskörper und begrenzender Fläche, beispielswei se durch Polieren, aufeinander abzustimmen. Auch der Einsatz von Schmiermitteln, wie beispielsweise Graphitpulver, Ölen und ähnlichen Schmiermitteln ist denkbar. Diese Aufgabe kann selbstverständlich auch von der im Hohlraum zwischen Trägheitskörper und begrenzender Fläche eingefüllten Flüssigkeit, die auch Dämpfungszwecken dienen kann, übernommen werden.It is particularly advantageous if an additional position determination is carried out Direction for determining the position or changing the position of the Inertial body is present relative to the delimiting surface. The already with regard to position determination or determination what has been said about the change in the position of the inertial body applies analogously way for determining the situation or the changes tion of the position of the inertial body. In particular is also a station wagon nation of position determination and determination of a change of position think bar. By measuring the position or the change in position of the Inertial body towards the delimiting surface it becomes possible also rotational movements, i.e. rotations around an axis of the sensor device and finally the rotational acceleration measure. In the case of a sensor device which is made of a ball Inertial body and a hollow sphere as a limiting surface, the inertial body remains in when the hollow ball rotates Regarding an unaccelerated reference system at rest, so that the Inertial body rotates relative to the delimiting surface, and so does the Rotational movement can be measured. Accurate to the desired measurement materials, shapes and surface finishes The inertia body and the delimiting surface, for example se by polishing to match each other. The use of Lubricants such as graphite powder, oils and the like Lubricants are conceivable. This task can of course also be done of that in the cavity between the inertial body and the delimiting surface filled liquid, which can also serve damping purposes, be taken over.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Positionsbestimmungseinrichtung, die Lagebestimmungseinrichtung oder beide zumindest teilweise als optische Messeinrichtung ausgebildet sind. Optische Messeinrichtungen haben den Vorteil, dass sie im Prinzip verschleißfrei sind und je nach Ausführung eine unter Umständen extreme Genauigkeit aufweisen. Als optische Messeinrichtung sind beliebige optische Messeinrichtungen verwendbar, wie beispielsweise Kameras, Fotozellenanordnungen beziehungsweise CCD-Anordnungen bis hin zu Interferometrieverfahren. Es ist unerheblich ob die optischen Komponenten außerhalb der begrenzenden Fläche angeordnet sind und die begrenzende Fläche selbst durchsichtig gehalten ist, oder ob die opti schen Komponenten einen Teil der begrenzenden Fläche darstellen.A preferred embodiment of the invention is that the Position determining device, the position determining device or both are at least partially designed as an optical measuring device. Optical measuring devices have the advantage that, in principle are wear-free and, depending on the version, may be extreme Show accuracy. Any are as optical measuring device optical measuring devices can be used, such as cameras, Photocell arrangements or CCD arrangements up to Interferometry. It is irrelevant whether the optical components are arranged outside the delimiting area and the delimiting surface itself is kept transparent, or whether the opti components form part of the delimiting surface.

Eine zu bevorzugende Möglichkeit insbesondere zur Lagebestimmung beziehungsweise Bestimmung der Lageänderung des Trägheitskörpers besteht darin, dass der Trägheitskörper eine Oberflächenkennzeichnung aufweist. Anhand dieser Oberflächenkennzeichnung kann beispielsweise durch optische Messeinrichtungen wie eine Kamera eine Drehung des Trägheitskörpers gegenüber der begrenzenden Fläche aufgenommen werden. Die Form der Oberflächenkennzeichnung ist dabei beliebig. Sie kann so ausgeführt werden, dass durch eine entsprechende Oberflächen codierung die Lage des Trägheitskörpers selbst gemessen werden kann. Es kann aber auch beispielsweise ein einfaches Schachbrettmuster vorge sehen sein, so dass nur eine Lageänderung durch die optische Messein richtung messbar ist, diese jedoch mit einer unter Umständen erhöhten Genauigkeit.A preferred option, especially for determining the position or determining the change in position of the inertial body is that the inertial body has a surface marking having. Using this surface identification, for example through optical measuring devices like a camera a rotation of the Inertial body added to the delimiting surface become. The shape of the surface marking is arbitrary. she can be carried out by a suitable surface coding the position of the inertial body itself can be measured. However, a simple checkerboard pattern can also be used, for example be seen, so that only a change of position by the optical measurement direction is measurable, but this can be increased under certain circumstances Accuracy.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, dass die Positionsbestimmungseinrichtung, die Lagebestimmungs einrichtung oder beide zumindest teilweise als mechanische Messein richtung ausgebildet sind. Dabei ist als mechanische Messeinrichtung jegliches auf einem mechanischen Kontakt beruhende Messprinzip zu verstehen. So ist beispielsweise auch eine Kontaktmesseinrichtung, die einen mechanischen Kontakt durch Überbrückung elektrischer Leiter registriert, als eine solche mechanische Messeinrichtung zu verstehen. Unabhängig vom genauen Messprinzip könnte beispielsweise eine Positi onsbestimmung des Trägheitskörpers dadurch erzielt werden, dass die begrenzende Fläche berührungsempfindlich ausgeführt ist, so dass anhand des Ortes, an dem der Trägheitskörper die begrenzende Fläche berührt, die Position des Trägheitskörpers bestimmt wird. Another advantageous embodiment of the invention exists in that the position determining device, the position determining device or both at least partially as mechanical measurement direction are trained. It is used as a mechanical measuring device any measuring principle based on mechanical contact understand. For example, there is also a contact measuring device that mechanical contact by bridging electrical conductors registered to understand such a mechanical measuring device. For example, regardless of the exact measuring principle, a positi determination of the inertial body can be achieved in that the delimiting surface is designed to be touch-sensitive, so that based on the place where the inertial body touches the delimiting surface, the position of the inertial body is determined.

Vorteilhaft ist es dabei, wenn die mechanische Messeinrichtung zumin dest teilweise als Drucksensoreinrichtung ausgebildet ist. In diesem Fall wird nicht nur die Position des Trägheitskörpers übermittelt, sondern auch die Kraft mit der der Trägheitskörper auf die begrenzende Fläche drückt. Somit stünde ein zusätzlicher Messwert neben der Position beziehungsweise der Positionsänderung des Trägheitskörpers zur Aus wertung zur Verfügung, so dass eine höhere Messgenauigkeit resultieren kann.It is advantageous if the mechanical measuring device at least is at least partially designed as a pressure sensor device. In this case not only the position of the inertial body is transmitted, but also the force with which the inertial body acts on the limiting surface suppressed. So there would be an additional measured value next to the position or the change in position of the inertial body to the off evaluation available, so that a higher measurement accuracy results can.

Möglich ist es auch, dass der Trägheitskörper, die begrenzende Fläche oder beide zumindest teilweise elastisch deformierbar sind. Somit wäre es möglich, dass durch Bestimmung der Größe der Kontaktfläche zwischen Trägheitskörper und begrenzender Fläche auf die auf die Sensorvorrich tung einwirkende Beschleunigung geschlossen werden kann. Außerdem kann die Sensorvorrichtung auf diese Weise beispielsweise für einen abrupten Wechsel der Beschleunigungsrichtung oder für ähnliche Mess aufgaben optimiert werden.It is also possible that the inertial body, the delimiting surface or both are at least partially elastically deformable. So it would be possible that by determining the size of the contact area between Inertial body and delimiting surface on the sensor device acceleration can be closed. Moreover can the sensor device in this way for example for a abrupt change in the direction of acceleration or for similar measurements tasks are optimized.

Die Sensorvorrichtung kann selbstverständlich auch mit beliebigen anderen Sensoren kombiniert werden, um beispielsweise eine höhere Messgenauigkeit zu erzielen.The sensor device can of course also be used with any other sensors can be combined, for example a higher one Achieve measurement accuracy.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:An exemplary embodiment of a sensor device is described below Reference to the drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Sensorvorrichtung in einer ersten Bauart im Quer schnitt; Figure 1 shows a sensor device in a first type in cross section.

Fig. 2 eine zweite Bauart einer Sensorvorrichtung im Querschnitt; Fig. 2 shows a second design of a sensor device in cross section;

Fig. 3 eine dritte Bauart einer Sensorvorrichtung im Querschnitt; Fig. 3 shows a third type of a sensor device in cross section;

Fig. 4 ein mögliches Oberflächenmuster eines Trägheitskörpers. Fig. 4 shows a possible surface pattern of an inertial body.

Fig. 1 zeigt eine Sensorvorrichtung 1, bei der die begrenzende Fläche als Becher 2 in der Form eines Rotationsparaboloiden ausgeformt ist. Im Becher 2 befindet sich eine Kugel 3. Auf den in Fig. 1 dargestellten Sensor 1 wirkt eine Translationsbeschleunigung in Richtung des Pfeils A ein. Mit steigender Translationsbeschleunigung A wird die Kugel 3 immer weiter aus ihrer Neutrallage 23 wegbewegt. Bedingt durch die Form des Bechers 2 erhöht sich mit steigender Entfernung der Kugel 3 von der Neutrallage 23 die die Kugel 3 zurücktreibende Hangabtriebskraft B. Befindet sich die Kugel 3 in einer von der Translationsbeschleunigung A abhängigen Gleichgewichtslage, so ist die Position der Kontaktfläche 4 zwischen Becher 2 und Kugel 3 ein direktes Maß für die auf den Sensor 1 einwirkende Beschleunigung. Im dargestellten Beispiel ist die Kugel 3 zusätzlich elastisch deformierbar ausgebildet. Mit steigender Translati onsbeschleunigung verformt sich deshalb die Kugel 3, so dass sich die Kontaktfläche 4 zwischen Kugel 3 und Becher 2 entsprechend erhöht. Somit liefert die Größe der Kontaktfläche 4 neben der Position der Kontaktfläche 4 eine Information über die auf den Sensor 1 einwirkende Translationsbeschleunigung A. Position und Größe der Kontaktfläche 4 werden durch einen Kontaktsensor 9, der flächig auf der Innenseite des Bechers 2 angebracht ist über eine Messleitung 24 zu einer hier nicht dargestellten Auswerteelektronik gesendet. Die Auswerteelektronik ist dabei so aufgebaut, dass sie aus der dynamischen Bewegung der Kugel 3 im Becher 2 zu jedem Zeitpunkt eine Information über die auf den Sensor 1 einwirkende Translationsbeschleunigung A errechnet. Somit liefert die Messelektronik auch dann einen Messwert der Translationsbeschleuni gung A, wenn sich noch kein Gleichgewichtszustand der Kugel 3 einge stellt hat, sondern sich diese noch auf den Gleichgewichtszustand hinbe wegt. Fig. 1 shows a sensor device 1, wherein the limiting surface is formed as a cup 2 in the form of a paraboloid of revolution. There is a ball 3 in cup 2 . In the illustrated in Fig. 1 Sensor 1 is a translational acceleration acts in the arrow A direction. With increasing translational acceleration A, the ball 3 is moved ever further away from its neutral position 23 . Due to the shape of the cup 2 , as the distance of the ball 3 from the neutral position 23 increases, the downward force B driving the ball 3 increases . If the ball 3 is in an equilibrium position dependent on the translational acceleration A, the position of the contact surface 4 between the cup is 2 and ball 3 are a direct measure of the acceleration acting on sensor 1 . In the example shown, the ball 3 is additionally designed to be elastically deformable. With increasing translational acceleration, the ball 3 is deformed, so that the contact area 4 between the ball 3 and the cup 2 increases accordingly. Thus, the size of the contact surface 4, in addition to the position of the contact surface 4, provides information about the translational acceleration A acting on the sensor 1. The position and size of the contact surface 4 are determined by a contact sensor 9 , which is attached flatly on the inside of the cup 2 via a measuring line 24 sent to evaluation electronics, not shown here. The evaluation electronics is constructed in such a way that it calculates information about the translational acceleration A acting on the sensor 1 at any time from the dynamic movement of the ball 3 in the cup 2 . Thus, the measuring electronics also provide a measured value of the translational acceleration A when the ball 3 has not yet reached an equilibrium state, but is still moving towards the equilibrium state.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform eines Sensors 20 im Quer schnitt dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel eines Beschleuni gungssensors ist die begrenzende Fläche sphärisch in Form einer Hohlku gel 5 ausgebildet. In der Hohlkugel 5 ist eine Trägheitskugel 6 aufge nommen, die ebenfalls einen Hohlraum 12 aufweist. Der Hohlraum 12 der Trägheitskugel 6 ist im vorliegenden Beispiel teilweise mit Silikonöl 7 gefüllt. Der restliche Hohlraum 12 ist mit einer Luftblase 11 gefüllt. Der zwischen Trägheitskugel 6 und Hohlkugel 5 verbleibende Raum ist mit einem Schmieröl 8 gefüllt. An der Innenseite der Hohlkugel 5 ist zusätz lich ein flächig ausgebildeter Kraftsensor 10 angeordnet. Dieser misst einerseits die Position der Hohlkugel 5, andererseits auch die Kraft mit der die Trägheitskugel 6 auf die Innenseite der Hohlkugel 5 drückt. Die so gewonnenen Messwerte werden über eine Messleitung 13 an eine hier nicht dargestellte Auswerteelektronik übertragen. Analog zum in Fig. 1 dargestellten Sensor gilt auch beim vorliegend in Fig. 2 dargestellten Sensor, dass eine Erhöhung der auf den Sensor 20 einwirkenden Transla tionsbeschleunigung eine Positionsänderung der Trägheitskugel 6 be wirkt, wobei die resultierende Position der Trägheitskugel 6 mit der Größe der auf den Sensor 20 einwirkenden Beschleunigung korreliert.In Fig. 2, a second embodiment of a sensor 20 is shown in cross section. In this embodiment of an acceleration sensor, the delimiting surface is spherical in the form of a hollow ball 5 . In the hollow ball 5 , an inertial ball 6 is taken up, which also has a cavity 12 . The cavity 12 of the inertia ball 6 is partially filled with silicone oil 7 in the present example. The remaining cavity 12 is filled with an air bubble 11 . The space remaining between the inertial ball 6 and the hollow ball 5 is filled with a lubricating oil 8 . On the inside of the hollow sphere 5 , a flat force sensor 10 is additionally arranged. On the one hand, this measures the position of the hollow ball 5 , and on the other hand also the force with which the inertial ball 6 presses on the inside of the hollow ball 5 . The measurement values obtained in this way are transmitted via a measurement line 13 to evaluation electronics, not shown here. Analogously to the sensor shown in FIG. 1, it also applies to the sensor shown in FIG. 2 that an increase in the translational acceleration acting on the sensor 20 causes a change in position of the inertial ball 6 , the resulting position of the inertial ball 6 having the size of the the acceleration 20 acting on the sensor correlates.

Bedingt durch das Silikonöl 7 sowie das Schmieröl 8 ist die Trägheitsku gel 6 des Sensors 20 im Gegensatz zur Kugel 3 des Sensors 1 gedämpft, so dass der Gleichgewichtszustand relativ schnell erreicht wird. Insbe sondere kommt es kaum oder gar nicht zu Einschwingbewegungen um den Gleichgewichtszustand herum, so dass die Auswerteelektronik weniger aufwendig und langsamer ausgelegt werden kann.Due to the silicone oil 7 and the lubricating oil 8 , the inertia gel 6 of the sensor 20, in contrast to the ball 3 of the sensor 1, is damped, so that the equilibrium state is reached relatively quickly. In particular, there is little or no settling movement around the equilibrium state, so that the evaluation electronics can be designed to be less complex and slower.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Beschleunigungssen sors. Bei dem hier dargestellten Sensor 21 befindet sich erneut eine Trägheitskugel 14 in einer Hohlkugel 15. Die Hohlkugel 15 ist durch sichtig ausgeführt, so dass die Position der Trägheitskugel 14 in der Hohlkugel 1 S durch eine entsprechende Anzahl an CCD-Kamerachips 16 optisch registriert werden kann. Zusätzlich ist auf der Oberfläche der Trägheitskugel 14 eine strukturierte Oberfläche 17 aufgebracht. Anhand der Bewegung dieser strukturierten Oberfläche kann eine an den CCD- Kamerachips 16 angeschlossene, hier nicht dargestellte Auswerteelektro nik nicht nur die Position, sondern auch die Lage der Trägheitskugel 14 gegenüber der Hohlkugel 15 bestimmen. Auf diese Weise kann der Sensor 21 nicht nur einfache Translationsbeschleunigungen, sondern auch Rotationsbeschleunigungen messen. Fig. 3 shows a third embodiment of an acceleration sensor. In the sensor 21 shown here, an inertial ball 14 is again in a hollow ball 15 . The hollow sphere 15 is made visible, so that the position of the inertial sphere 14 in the hollow sphere 1 S can be optically registered by a corresponding number of CCD camera chips 16 . In addition, a structured surface 17 is applied to the surface of the inertial ball 14 . On the basis of the movement of this structured surface, an evaluation electronics connected to the CCD camera chips 16 , not shown here, can determine not only the position but also the position of the inertial ball 14 relative to the hollow ball 15 . In this way, the sensor 21 can measure not only simple translational accelerations, but also rotational accelerations.

In Fig. 4 ist ein Ausschnitt 22 der strukturierten Oberfläche 17 der in Fig. 3 gezeigten Kugel 14 skizziert. Die Projektionslinien 18 sind Kon struktionslinien der Kugelflächenprojektion. Auf der Kugeloberfläche ist ein Linienmuster 19 aufgebracht, das so gestaltet ist, dass anhand des Sichtfensters eines CCD-Kamerachips 16 die Lage der Kugel einwandfrei feststellbar ist. Es ist selbstverständlich ebenso möglich, dass zur ein deutigen Bestimmung der Lage auch zwei oder mehr CCD-Kamerachips erforderlich sind. Ebenso ist es denkbar, dass die Auswertung der Lage der Trägheitskugel durch zusätzliche Messverfahren unterstützt wird, wie beispielsweise durch Einbau eines Dauermagneten in die Trägheitskugel sowie Einbau eines Magnetfelddetektors.In FIG. 4, a section 22 is sketched of the structured surface of the ball 14 shown in Fig. 3 17. The projection lines 18 are construction lines of the spherical surface projection. A line pattern 19 is applied to the surface of the sphere, which is designed in such a way that the position of the sphere can be ascertained perfectly on the basis of the viewing window of a CCD camera chip 16 . It is of course also possible that two or more CCD camera chips are also required for a clear determination of the position. It is also conceivable that the evaluation of the position of the inertial ball is supported by additional measuring methods, such as, for example, by installing a permanent magnet in the inertial ball and installing a magnetic field detector.

Zusätzlich kann bei dem in Fig. 3 dargestellten Sensor 21 ein dort nicht dargestelltes Schmiermittel vorgesehen sein, dass den Reibungswider stand zwischen Trägheitskugel 14 und Hohlkugel 15 vermindert. Ebenso ist es denkbar, dass der gesamte zwischen Trägheitskugel 14 und Hohlku gel 15 verbleibende Hohlraum mit einem durchsichtigen Öl gefüllt ist.In addition, in the sensor 21 shown in FIG. 3, a lubricant, not shown there, can be provided that reduces the frictional resistance between the inertial ball 14 and the hollow ball 15 . It is also conceivable that the entire cavity remaining between the inertia ball 14 and hollow ball 15 is filled with a transparent oil.

Claims

1. Sensor device ( 1 , 20 , 21 ) for measuring accelerations, in which an inertial body ( 3 , 6 , 14 ) moves along a delimiting surface, the delimiting surface ( 2 , 5 , 15 ) being shaped such that , If the sensor device is in a gravitational field, the restoring force (B) acting on the inertial body increases with increasing acceleration, and the magnitude of the acceleration acting on the sensor device is at least partially determined by a position determining device ( 9 , 10 , 16 ) the position and / or the change in the position of the inertial body on the delimiting surface is determined, measured.

2. Sensor device according to claim 1, characterized in that the inertial body ( 6 , 14 ) is enclosed by the delimiting surface ( 5 , 15 ).

3. Sensor device according to claim 1 or 2, characterized in that the inertial body ( 3 , 6 , 14 ) is spherical.

4. Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the delimiting surface ( 5 , 15 ) is spherically shaped.

5. Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that between the inertial body ( 6 ) and delimiting surface ( 5 ) remaining space is at least partially filled with a liquid ( 8 ) ge.

6. Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the inertial body ( 6 ) has a cavity ( 12 ).

7. Sensor device according to claim 6, characterized in that the cavity ( 12 ) formed in the inertial body ( 6 ) is at least partially filled with a liquid ( 7 ).

8. Sensor device according to one of the preceding claims, characterized, that a location determining device for determining the location and / or the change in the position of the inertial body relative to the limiting area is present.

9. Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the position determining device and / or position determining device is at least partially formed as an optical measuring device ( 16 ).

10. Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the inertial body has a surface identification ( 19 ).

11. Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the position determining device and / or position determining device is at least partially designed as a mechanical measuring device ( 9 , 10 ).

12. Sensor device according to claim 11, characterized in that the mechanical measuring device is at least partially designed as a pressure sensor device ( 10 ).

13. Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the inertial body ( 3 ) and / or the delimiting surface are at least partially elastically deformable.