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Die
Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, insbesondere zur Erfassung
von Druckschwankungen, mit mindestens einem Sensorelement, das mindestens
eine Membran aufweist, und mit Mitteln zum Erfassen und Auswerten
der Membrandeformationen.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Funktionsprüfung von
Sensoren mit einer Membran.
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Es
sind verschiedene Möglichkeiten
zum Erfassen der Membrandeformationen und damit des auf das Sensorelement
wirkenden Drucks bekannt. Dazu werden in der Praxis häufig Dehnmessstreifen oder
piezoelektrische Schichtsysteme verwendet, die auf der Membran angeordnet
sind. Die Erfassung kann aber auch kapazitiv oder mit Hilfe von
magnetoelektrischen Schichtsystemen im Bereich der Membran erfolgen.
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Ein
Anwendungsgebiet für
die hier in Rede stehenden Sensoranordnungen sind Kfz-Sicherheitssysteme
zur Crasherkennung. Bei Verwendung in einem Kfz-Sicherheitssystem wird in der Regel
ein initialer Selbsttest durchgeführt, bei dem mit Hilfe von elektronisch
generierten Testsignalen die gesamte Signalverarbeitungskette in
der Signalerfassungs- und -auswerteelektronik geprüft wird.
Tritt dabei ein Fehler auf, so wird beim Einschalten des Systems
ein Fehlercode an das dazugehörige
Steuergerät
gesendet und der entsprechende Drucksensor wird deaktiviert. Nur
bei korrekter Funktionsweise der Signalverarbeitungskette geht das
System in den normalen Betriebsmodus über.
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Als
problematisch in diesem Zusammenhang erweist sich, dass die mechanischen
Eigenschaften des Sensorelements selbst und insbesondere das Deformationsverhalten
der Membran nicht überprüft werden.
Ein diesbezüglicher
Fehler, beispielsweise ein Knick oder Riss in der Membran oder eine
veränderte
Kennlinie des Sensorelements bedingt durch Alterung, Membranverschmutzungen oder Ähnliches,
kann mit dieser Art des Selbsttests nicht erkannt werden. Tritt
kein Fehler bei der Überprüfung der
Signalverarbeitungskette auf, dann geht das System auch mit defektem
Sensorelement in den normalen Betriebsmodus über. Auf diese Weise kann es
zu einem gefährlichen
Fehlverhalten des Sicherheitssystems kommen, da beispielsweise das
Signal eines Membranrisses nicht zu trennen ist von einem sehr schweren
Crashsignal.
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Vorteile der
Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung werden eine Sensoranordnung der eingangs
genannten Art und ein Verfahren zur Funktionsprüfung von Sensoren mit einer
Membran vorgeschlagen, womit sich auch das Deformationsverhalten
der Membran, also die zur Signalerfassung wesentlichen mechanischen
Eigenschaften der Membran, im Selbsttest überprüfen lassen.
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Dazu
ist die Sensoranordnung erfindungsgemäß mit Diagnosemitteln zum Überprüfen des
Deformationsverhaltens der Membran ausgestattet. Diese Diagnosemittel
umfassen Mittel zum Erzeugen einer definierten auf die Membranwirkenden
Kraft, die einem definierten Soll-Signal des funktionsfähigen Sensors
entspricht. Das durch die definierte Kraft verursachte Ist-Signal
des Sensors wird dann ausgewertet, wobei das Ist-Signal mit dem
Soll-Signal verglichen wird.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass neben der Signalverarbeitung
zur Auswertung des erfassten Sensorsignals auch die Komponente der
Sensoranordnung überprüft werden
sollte, mit der die eigentliche Signalerfassung erfolgt. Dazu soll die
Membran erfindungsgemäß mit einer
definierten Kraft deformiert werden. Diese „Testdeformation" soll – wie im
normalen Sensorbetrieb – erfasst
und ausgewertet werden und kann dann mit der Deformation bzw, dem
daraus resultierenden Signal verglichen werden, die aufgrund der
einwirkenden Kraft im Fall einer funktionsfähigen Membran zu erwarten waren. Auf
diese Weise lassen sich Abweichungen im Deformationsverhalten der
Membran einfach feststellen. Verwendet man verschiedene Testpulse,
so lässt sich
ein etwaiges Fehlverhalten häufig
auch näher spezifizieren,
so dass entsprechende Fehlermeldungen generiert und weitergeleitet
werden können
und auch weiterreichende Maßnahmen
getroffen werden können.
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Grundsätzlich gibt
es verschiedene Möglichkeiten
für die
Realisierung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
und insbesondere zum Erzeugen einer definierten auf die Membran
des Sensorelements einwirkenden Kraft.
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In
einer vorteilhaften Variante des Erfindung umfasst die Sensoranordnung
mindestens einen akustischen Geber zum Erzeugen von Testpulsen. Dabei
kann es sich beispielsweise um einen Lautsprecher oder einen Ultraschallgeber
handeln, der in das Gehäuse
des Drucksensors integriert ist.
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Je
nach Anwendung kann der akustische Geber aber auch sensorunabhängige Funktionen
haben. So befindet sich der Drucksensor zur Erkennung eines Seitenaufpralls üblicherweise
in der entsprechenden Seitentür
des Fahrzeugs, wo er im Falle eines Crashs den quasi adiabatischen
Druckanstieg detektieren soll, der durch die schnelle Verformung des
Türinnenvolumens
verursacht wird. In diesem Fall kann beispielsweise ein in die Fahrzeugtür eingebauter
Lautsprecher der HiFi-Anlage des Fahrzeugs in die erfindungsgemäße Sensoranordnung
integriert werden.
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Wenn
das Sensorelement in einer Kavität angeordnet
ist, in der der Druck gemessen werden soll, erweist es sich als
besonders vorteilhaft den akustischen Geber so anzuordnen, dass
die Testpulse in die Kavität
ausgesandt werden. Dann können mit
dem akustischen Geber gezielt akustische Eigenmoden der Kavität angeregt
werden und Resonanzüberhöhungseffekte
der erzwungenen Schwingungen ausgenutzt werden. Auf diese Weise
können
mit geringer Anregung große
Signalamplituden erzielt werden, die der Drucksensor leicht detektieren
kann.
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Wie
bereits erwähnt,
ist es bekannt, die Membrandeformationen mit Hilfe eines piezoelektrischen
oder auch magnetoelektrischen Schichtsystems zu erfassen. Umgekehrt
können
derartige Schichtsysteme auch dazu verwendet werden, die Membran
des Sensorelements gezielt zu deformieren. Dieser Effekt kann im
Rahmen der Erfindung ausgenutzt werden. So sind in einer vorteilhaften
Variante der Erfindung, bei der die Membran des Sensorelements mit
einem piezoelektrischen Schichtsystem ausgestattet ist, Mittel zum
Erzeugen eines definierten auf die Membran wirkenden, sich zeitlich ändernden
elektrischen Feldes vorgesehen. Ein derartiges elektrisches Feld
kann beispielsweise mit Hilfe einer Kondensatoranordnung erzeugt
werden. Entsprechend sind Mittel zum Erzeugen eines definierten
auf die Membran wirkenden, sich zeitlich ändernden Magnetfeldes in einer
anderen Ausführungsvariante
der Erfindung vorgesehen, bei der die Membran des Sensorelements
mit einem magnetoelektrischen Schichtsystem ausgestattet ist. Ein
derartiges Magnetfeld kann beispielsweise mit Hilfe einer Spulenanordnung
erzeugt werden.
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Wie
voranstehend beschrieben, kann die Membran des Sensorelements bei
entsprechender Ausstattung der Sensoranordnung auch aktiv deformiert
werden, so dass der Sensor nicht nur als Detektor von Druckschwankungen
sondern auch als akustischer Geber betrieben werden kann. Dies ausnutzend,
ist die Sensoranordnung in einer vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung mit einem Sensorelement ausgestattet, das mindestens zwei
unabhängig voneinander
deformierbare Teilmembranen umfasst, wobei mindestens eine der Teilmembranen
sowohl aktiv als auch passiv betreibbar ist. Auf diese Weise können mit
Hilfe dieser Teilmembranen Testpulse zur Überprüfung des Deformationsverhaltens
der anderen Teilmembran generiert werden. Besonders vorteilhaft
ist es, wenn alle Teilmembranen sowohl aktiv als auch passiv betreibbar
sind. In diesem Fall kann der Selbsttest symmetrisch durchgeführt werden.
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Das
Betreiben des Sensorelements als Ultraschall-Sender erweist sich
auch unabhängig
von den voranstehend beschriebenen Diagnosemöglichkeiten als vorteilhaft.
Wird die erfindungsgemäße Sensoranordnung
im Kfz-Bereich eingesetzt, so kann sie beispielsweise Ultraschallsignale
in regelmäßigen Abständen erzeugen,
wenn sich das Fahrzeug im Parkzustand befindet, um Marder und andere
Tiere, wie Hunde und Katzen, fernzuhalten.
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Zeichnungen
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Wie
bereits voranstehend ausführlich
erörtert,
gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten
Patentansprüche
und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Sensoranordnung
in einem Sensorgehäuse,
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Sensoranordnung
zur Detektion eines Seitenaufpralls bei einem Kraftfahrzeug,
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Sensoranordnung
zur Überwachung
der Dichtigkeit eines Druckschlauchs,
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4 zeigt
die Draufsicht auf die Membran eines Sensorelements mit einem magnetoelektrischen
Schichtsystem und einer Spulenanordnung und
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5a bis 5d zeigt
eine erfindungsgemäße Sensoranordnung
mit zwei unabhängig
voneinander betreibbaren Teilmembranen in verschiedenen Betriebsmodi.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die
in 1 dargestellte Sensoranordnung ist in einem Gehäuse 10 angeordnet.
Sie umfasst ein Sensorelement 1 mit mindestens einer hier
nicht im einzelnen dargestellten Membran und Mittel zum Erfassen
und Auswerten der Membrandeformationen. Diese Erfassungs- und Auswertemittel
sind ebenfalls nicht näher
bezeichnet. Das Gehäuse 10 weist
eine Öffnung 11 auf,
die einen Druckanschluss bildet, so dass die hier dargestellte Sensoranordnung
zur Erfassung von Druckschwankungen verwendet werden kann. Erfindungsgemäß ist die
Sensoranordnung mit Diagnosemitteln zum Überprüfen des Deformationsverhaltens
der Membran ausgestattet, die Mittel zum Erzeugen einer definierten
auf die Membran wirkenden Kraft umfassen. Im hier dargestellten
Ausführungsbeispiel
handelt es sich dabei um einen akustischen Geber 2, beispielsweise
in Form eines Lautsprechers oder eines Ultraschallgebers, der ebenfalls
im Gehäuse 10 angeordnet
ist.
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Mit
Hilfe dieses akustischen Gebers 2 können Testpulse erzeugt werden,
um das Deformationsverhalten der Membran im Rahmen eines physikalischen
Selbsttests zu überprüfen. Diese
akustischen Testpulse werden so gewählt, dass sie bei einer funktionsfähigen Membran
definierte Deformationen hervorrufen, die definierten Soll-Signalen
der Sensoranordnung entsprechen. Im Rahmen des Selbsttests werden
die Ist-Signale der Sensoranordnung, die durch die Testpulse verursacht
worden sind, ausgewertet, wobei die Ist-Signale mit den entsprechenden
Soll-Signalen verglichen
werden. Auf diese Weise lassen sich membranbedingte Funktionsstörungen einfach
erkennen, so dass für
die jeweilige Anwendung geeignete Maßnahmen getroffen werden können. Benutzt
man unterschiedliche Testpulse, so können oftmals auch die Ursachen
für ein Fehlverhalten
näher bestimmt
oder sogar identifiziert werden, so dass dann auch entsprechende
Fehlermeldungen weitergeleitet werden können.
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Die
in 2 dargestellte Sensoranordnung umfasst ebenfalls
ein Sensorelement 1 mit mindestens einer Membran, Mittel
zum Erfassen und Auswerten der Membrandeformationen und Diagnosemittel
zum Überprüfen des
Deformationsverhaltens der Membran. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Sensoranordnung Teil eines Kfz-Sicherheitssystems und dient
der Erkennung eines Seitenaufpralls. Dazu ist das Sensorelement 1 im
Hohlraum 21 einer Fahrzeugtür 20 angeordnet und
soll die in diesem Hohlraum 21 auftretenden Druckschwankungen
erfassen, insbesondere den quasi adiabatischen Druckanstieg, der
durch die schnelle Verformung des Türinnenvolumens im Falle eines
Crashs verursacht wird. Als Mittel zum Erzeugen einer definierten
auf die Membran des Sensorelements 1 wirkenden Kraft dient
hier ein Lautsprecher 2, der als Teil der HiFi-Anlage des
Fahrzeugs ebenfalls im Hohlraum 21 der Fahrzeugtür 20 angeordnet
ist und als Diagnosemittel in die Sensoranordnung integriert ist.
Genau wie in Verbindung mit 1 beschrieben,
können
mit Hilfe des Lautsprechers 2 akustische Testpulse erzeugt werden,
um die resultierenden Sensorsignale im Rahmen eines Selbsttests
auszuwerten. Membranbedingte Funktionsstörungen können so einfach erkannt und
gegebenenfalls identifiziert werden, um dann qualifizierte Fehlermeldungen
an das Airbagsteuergerät
weiterzuleiten.
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Der
voranstehend beschriebene aktive Selbsttest sollte initial beim
Aktivieren des Sicherheitssystems, also bei jedem Fahrtantritt,
durchgeführt
werden. Es erweist sich als vorteilhaft, wenn dieser Selbsttest
von Zeit zu Zeit auch während
des Normalbetriebs automatisch wiederholt wird, da die Membran des
Sensorelements auch während
der Fahrt beschädigt
werden kann. So kann die Durchführung
des Selbsttests an die CAN-Geschwindigkeit (v=0 für länger als
beispielsweise 5s) gekoppelt werden, so dass immer dann ein Selbsttest
durchgeführt wird,
wenn das Fahrzeug längere
Zeit steht.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine erfindungsgemäße Sensoranordnung
zum Überwachen
der Dichtigkeit eines Druckschlauchs 30 eingesetzt, der
ebenfalls Teil eines Kfz-Sicherheitssystems ist und zur Erkennung
von Fußgängern dient.
Das Sensorelement 1 der Sensoranordnung ist in einem Endbereich
des Druckschlauchs 30 angeordnet, an dessen anderem Ende ein
akustischer Geber 2, wie z.B. ein Lautsprecher oder Ultraschallgeber,
angeordnet ist. Mit diesem akustischen Geber 2 können gezielt
akustische Eigenmoden des Druckschlauchs 30 bzw. der durch den
Druckschlauch 30 gebildeten Kavität angeregt werden, um so Resonanzüberhöhungseffekte
der erzwungenen Schwingungen als Testpulse auszunutzen.
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In
Verbindung mit 4 wird nachfolgend ein Sensorelement
näher beschrieben,
dessen Verwendung im Rahmen einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung sich in
mehrerlei Hinsicht als vorteilhaft erweist. Die Erfassung der Membrandeformationen
erfolgt hier mit Hilfe eines magnetoelektrischen Schichtsystems
im Bereich der Membran.
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Aufgrund
von magnetomechanischen Effekten, wie z.B. dem Villari-Effekt, können die
durch eine Membrandeformation hervorgerufenen mechanischen Spannungen
in der magnetoelektrischen Schichtstruktur in. eine Widerstandsänderung
konvertiert werden. Dazu kann beispielsweise eine weichmagnetische
Schicht der magnetoelektrischen Schichtstruktur durch ein magnetostriktives
Material, wie Nickel, Kobalt, Eisen oder Legierungen dieser Materialien,
ersetzt werden. Aufgrund der inversen Magnetostriktion, dem Villari-Effekt,
bewirkt eine auf die magnetostriktive Schicht wirkende mechanische Spannung
eine Drehung der Schichtmagnetisierung, die ihrerseits dann eine
elektrische Widerstandsänderung
hervorruft. Durch entsprechende Brückenschaltungen lässt sich
eine Kompensation der Querempfindlichkeit erreichen.
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Im
Vergleich zur Verwendung von klassischen Dehnmessstreifen zur Erfassung
der Membrandeformationen lässt
sich bei Verwendung einer magnetoelektrischen Schichtstruktur eine
Miniaturisierung bei gleichzeitiger Empfindlichkeitssteigerung um
mindestens zwei Größenordnungen
erreichen. Als vorteilhaft gegenüber
piezoelektrischen Materialien sei besonders die große Substratauswahl
in Kombination mit einer höheren
Sensitivität
genannt.
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Wie
bereits erwähnt,
zeigt 4 die Draufsicht auf die Membran 3 eines
derartigen Sensorelements mit einem magnetoelektrischen Schichtsystem 4.
Dieses Schichtsystem 4 umfasst im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
drei Schichten, eine magnetoresistive Schicht 41, über der
eine dünne Trennschicht 42 und
darüber
eine magnetostriktive Schicht 43 angeordnet sind. Die magnetostriktive Schicht 43 wandelt
mechanische Spannungen in B-Feld-Änderungen,
während
die magnetoresistive Schicht 41 ein B-Feld in einen Widerstand
umwandelt. Die magnetoresistive Schicht 41 hat als unterste Schicht
des Schichtsystems 4 keinen direkten Kontakt nach außen und
muss dementsprechend auch nicht gegen Umgebungseinflüsse des
Sensors, wie z.B. Verunreinigungen oder Feuchtigkeit, geschützt werden.
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An
dieser Stelle sei angemerkt, dass die Sensormembran insgesamt in
Form eines derartigen magnetoelektrischen Schichtsystems realisiert
sein kann. Alternativ kann dass Schichtsystem auch auf einer Trägerschicht
ausgebildet sein, indem es beispielsweise direkt auf die Trägerschicht
aufgewachsen oder auch gefused ist. In diesem Fall lassen sich auch
Arrays aus mehreren magnetostriktiven Membransegmenten realisieren.
Die Trägerschicht
kann außerdem
in vorteilhafter Weise als Schutzschicht gegen äußere Einflüsse fungieren, wenn die Trägerschicht
die äußerste Schicht
bildet und die magnetoelektrischen Schichten darunter, also im Innern
des Sensors angeordnet sind. Auch die erforderlichen Bonddrähte können dann
unterhalb der Trägerschicht
angeordnet werden, so dass sie ohne Schutzvergelung oder Ähnliches
gegen äußere Einflüsse geschützt sind.
Dadurch reduzieren sich nicht nur die Herstellungskosten, auch die
Beschleunigungsempfindlichkeit des Sensors wird reduziert.
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Das
in 4 zumindest teilweise dargestellte Sensorelement
ist mit einer das Schichtsystem 4 umgebenden Spulenanordnung 5 ausgestattet,
mit der ein definiertes auf das Schichtsystem 4 wirkendes,
sich zeitlich änderndes
Magnetfeld erzeugt werden kann. Dazu kann die Spulenanordnung 5 beispielsweise
mit einer Wechselspannung betrieben werden. Dadurch entsteht im
Innern der Spule ein schwingendes Magnetfeld, das eine Deformation
der Membran hervorruft und deshalb zum Überprüfen des Deformationsverhaltens
der Membran verwendet werden kann.
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Bei
der in den 5a bis 5d dargestellten Variante
einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
ist das Sensorelement 6 in einem Gehäuse 10 mit einer Öffnung 11 angeordnet
und umfasst zwei unabhängig
voneinander deformierbare Teilmembranen 7 und 8.
Die beiden Teilmembranen 7 und 8 fungieren jeweils
nicht nur als passive Sensierelemente sondern auch als aktive Elemente,
mit denen Ultraschallpulse erzeugt werden können. Dazu können die
Teilmembranen 7 und 8 beispielsweise wie in Verbindung
mit 4 näher
erläutert
realisiert sein. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, die Teilmembranen 7 und 8 mit piezoelektrischen
Schichtsystemen auszustatten, um sie mit Hilfe von entsprechenden
Kondensatoranordnungen aktiv zu deformieren.
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Zum Überprüfen des
Deformationsverhaltens der beiden Teilmembranen 7 und 8 erzeugt
zunächst
die Teilmembran 7 einen Ultraschall-Testpuls, während die
Teilmembran 8 den Testpuls detektiert. Diese Situation
ist in 5a dargestellt. Anschließend fungieren
die Teilmembran 8 als Sender und die Teilmembran 7 als
Empfänger,
was in 5b dargestellt ist. Auf diese
Weise kann ein symmetrischer Selbsttest durchgeführt werden.
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Benutzen
die beiden Teilmembranen 7 und 8 unterschiedliche,
für das
jeweilige Sendeelement charakteristische Sendepulse, so kann die
Teilmembran, die ein Fehlverhalten zeigt, einfach identifiziert werden.
Die Teilmembranen 7 und 8 können aber auch aufgrund konstruktiver
Unterschiede unterschiedliche Eigenschaften besitzen. In diesem
Fall kann man nach dem Empfang des Testpulses eindeutig feststellen,
ob die Sendemembran den Testpuls fehlerhaft erzeugt hat oder ob
die Empfangsmembran defekt ist. Umfasst das Sensorelement mehr als
zwei Teilmembranen, vereinfacht sich die Identifizierung einer defekten
Teilmembran, weil dann verschiedene Permutationen von Sendern und Empfängern getestet
werden können.
Schon bei drei gleichartigen Teilmembranen ist eine defekte Teilmembran
eindeutig bestimmbar.
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Im
Rahmen von Kfz-Sicherheitssystemen werden häufig Sensoranordnungen mit
mehreren Membranelementen oder Sensorelemente mit mehreren Teilmembranen
eingesetzt. Mit Hilfe eines Selbsttests, wie er voranstehend beschrieben
worden ist, kann auch bestimmt werden, welche oder zumindest wie
viele Membranelemente funktionsfähig bzw.
defekt sind. Um die Gesamtfunktionalität einer derartigen Sensoranordnung
bei einer defekten Teilmembran zu erhalten, könnte das Signal der als defekt
identifizierten Teilmembran im nachfolgenden Betrieb einfach nicht
mehr berücksichtigt
werden. Ist über
die Hälfte
der Membranelemente bzw. Teilmembranen defekt, kann das Sicherheitssystem
beispielsweise automatisch abgeschaltet werden und eine Warnlampe
aktiviert werden, um dem Fahrer zum einen den Defekt und zum anderen
das Abschalten des Sicherheitssystems anzuzeigen.
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5c zeigt eine Situation, in der beide
Teilmembranen 7 und 8 als Ultraschall-Sender fungieren.
Im Kfz-Bereich kann eine derartige Sensoranordnung also auch als
Marderschutz eingesetzt werden.
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5d stellt den Normalbetrieb dar, in dem beide
Teilmembranen 7 und 8 als Empfänger fungieren, d.h. auf die
Teilmembranen wirkende Druckänderungen
erfassen.
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Abschließend sei
noch darauf hingewiesen, dass sich die Erfindung nicht auf Drucksensoren
zur Crasherkennung beschränkt
ist sondern auch im Rahmen anderer Anwendungen im Kfz-Bereich in vorteilhafter
Weise eingesetzt werden kann. Beispielhaft seien hier die Motorsteuerung,
Reifendrucksensoren und die Regelung der Airbagentfaltung genannt.
Aber auch außerhalb
des Kfz-Bereichs gibt es zahlreiche Anwendungen für die erfindungsgemäße Sensoranordnung
und das erfindungsgemäße Verfahren
zur Funktionsprüfung
von Sensoren mit Membran.