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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen einer Kollision
mit einem induktiven ersten Sensorteil, dessen magnetischer Fluss
von der relativen Lage zu einem den magnetischen Fluss durch das
erste Sensorteil beeinflussenden zweiten Sensorteils abhängt.
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Derartige
Vorrichtungen sind allgemein bekannt. Die bekannten Vorrichtungen
weisen beispielsweise eine Spule auf, in der ein weichmagnetischer
Kern bewegt wird. Dadurch ändert
sich der magnetische Fluss in der Spule. Die Änderung des magnetischen Flusses
geht mit einer Änderung
der induktiven Eigenschaften der Spule einher, die sich durch eine
Messvorrichtung erfassen lassen. Aus der gemessenen Änderung
der induktiven Eigenschaften kann dann auf die Lage des weichmagnetischen Kerns
geschlossen werden. Insbesondere ist es möglich, eine vom weichmagnetischen
Kern zurückgelegte
Wegstrecke zu erfassen.
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Derzeit
sind intelligente Systeme in Entwicklung, die der Minimierung des
Schadens bei Kollisionen von Fahrzeugen mit Personen oder anderen
Objekten dienen. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass die
Art der Kollision schnell erkannt wird, damit automatisch geeignete
Gegenmaßnahmen
eingeleitet werden können.
Um die Art der Kollision feststellen zu können, sind unter anderem ortsauflösende Aufprallsensoren
erforderlich.
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Insbesondere
beim so genannten IPPS (= intelligent pedestrian protection system)
ist ein Aufprallsensor erforderlich, der entlang einer Stoßstange
an etwa 20 Orten den Aufprall erfasst. Aus den von den Aufprallsensoren
gelieferten Werten kann dann ein Aufprallmuster erstellt werden,
auf dessen Grundlage eine Entscheidung über die Art der Kollision ge troffen
werden kann. Beispielsweise wird unterschieden, ob es sich um einen
Fußgänger oder
ein flächenhaft
verteiltes Objekt, zum Beispiel eine Wand, handelt. Im Falle der
Kollision mit einem Fußgänger wird
dann automatisch die Motorhaube angehoben, um dadurch den Aufprall
zu mindern.
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Eine
Vorrichtung, die zum Einsatz in einem IPPS geeignet ist, muss auch
unter rauen Umgebungsbedingungen sicher funktionieren. Insbesondere
darf die Funktion der Vorrichtung weder durch Schmutz noch durch
Feuchtigkeit oder hohe und niedrige Temperaturen beeinträchtigt werden.
Daneben muss die Vorrichtung dem Kostendruck der Automobilindustrie
gerecht werden. Die Vorrichtung muss daher einfach und kostengünstig herstellbar sein
und auf einfache Weise montierbar sein.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 43 00 653 A1 offenbart einen Kollisionssensor
zur Auslösung
einer Insassenschutzvorrichtung in einem Kraftfahrzeug. Es wird
ein statisches Magnetfeld erzeugt, wobei ein elektrischer Leiter
in diesem Magnetfeld angeordnet ist. Infolge einer Kollision und
einer Relativbewegung zwischen diesem Leiter und dem Magnetfeld
wird eine entsprechende Spannung induziert, die als Messsignal dient.
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Weiterhin
gehört
zum Stand der Technik entsprechend der Patentschrift
DE 44 06 897 C1 eine Vorrichtung
zur Erkennung der Sitzbelegung für
ein Kraftfahrzeug. Dies dient insbesondere zur Sperrung einer Airbag-Auslösung bei
nicht belegtem Sitz.
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Weiterhin
ist aus der europäischen
Patentanmeldung
EP
0 305 655 A2 eine Auslösevorrichtung für ein Sicherheitssystem
bekannt, welche in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird und mit einem
Auslösesensor
für die
Aktivierung des Sicherheitssystems ausgerüstet ist.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 196 25 730 A1 offenbart einen matrixartig
aufgebauten Sensor zur Erfassung von Berüh rungen in Kraftfahrzeugen.
Dabei werden in Fahrzeugen arbeitende Einrichtungen teilweise flächig überwacht,
wobei in der Fläche
eine Ortsauflösung
möglich
ist.
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Eine
ebenfalls matrixartig aufgebaute Anordnung ist aus der deutschen
Offenlegungsschrift
DE 199
10 194 A1 zu entnehmen. Dabei ist mit hoher Genauigkeit
und relativ geringem Schaltungsaufwand die Belegung beispielsweise
von Sitzen durch entsprechende drucksensitive Elemente erkennbar.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung zum Erfassen von Kollisionen zu schaffen, die für den Einsatz
in der Automobilindustrie geeignet ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon
abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Die
Vorrichtung zur induktiven Messung eines Abstands umfasst ein induktives
erstes Sensorteil, das eine auf einem flachen Trägerkörper angeordnete Windung aufweist.
Ferner verfügt
die Vorrichtung über
ein zweites Sensorteil, das ein im Abstand zu der Windung angeordneter
elektrischer Leiter ist, von dessen relativer Lage zum induktiven
ersten Sensorteil der magnetische Fluss durch das erste Sensorteil
abhängt.
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Wenn
sich der Abstand zwischen dem ersten Sensorteil und dem zweiten
Sensorteil verändert, ändert sich
der magnetische Fluss durch das erste Sensorteil, da im zweiten
Sensorteil entweder Wirbelströme
fließen,
die dem vom ersten Sensorteil erzeugten magnetischen Fluss entgegenwirken,
oder da der in das zweite Sensorteil eingespeiste elektrische Strom einen
magnetischen Fluss erzeugt, der das erste Sensorteil durchsetzt.
Von besonderem Vorteil ist, dass sowohl das erste als auch das zweite
Sensorteil flach ausgebildet sind. Dadurch lässt sich die Vorrichtung in
einen flächenmäßig ausgedehnten
flexiblen Träger
integrieren, der sich auf einfache Weise in vorhandene Stoßstangen
oder Karosserieteile integrieren lässt. Ferner kann die Vorrichtung
kostengünstig hergestellt
werden, da sich zur Herstellung des ersten und zweiten Sensorteils
Verfahren verwenden lassen, die beispielsweise zur Strukturierung
von Leiterbahnzügen
auf Leiterplatten verwendet werden. Diese Verfahren sind bewährt und
können
mit geringem Kostenaufwand durchgeführt werden. Schließlich ist
es auch auf einfache Weise möglich,
das flache erste und zweite Sensorteil so zu kapseln, dass es vor
den Einflüssen
der Umgebung geschützt
ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Trägerkörper eine
flexible Leiterplatte. Derartige flexible Leiterplatten sind leicht
erhältlich
und können mit
bewährten
Verfahren strukturiert werden.
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Je
nach Anforderung kann die räumliche Struktur
des ersten induktiven Sensorteils unterschiedlich gewählt sein.
Das erste Sensorteil kann eine einzelne Planarspule umfassen. Das
erste Sensorteil kann aber auch in mehreren Lagen angeordnete Planarspulen
aufweisen. Letzteres erhöht
den Aufwand bei der Herstellung des ersten Sensorteils, führt aber
unter Umständen
zu einer größeren Sensitivität der Vorrichtung.
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Die
Planarspule des ersten Sensorteils weist vorzugsweise spiralförmig verlaufende
Windungen auf. In diesem Fall ist die gegenseitige Isolierung der einzelnen
Windungen auch dann unproblematisch, wenn die Windungen in einer
Ebene verlaufen.
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Damit
beim Einsatz als Aufprallsensor ein Kollisionsmuster erstellt werden
kann, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Vielzahl von
induktiven ersten Sensorteilen in Reihe nebeneinander angeordnet.
Dabei kann das eine Ende der Windungen des induktiven ersten Sensorteils
an eine gemeinsame Sammelleitung und das andere Ende an einen Multiplexer
angeschlossen sein. Eine derartige Anordnung ermöglicht es, ein Aufprallmuster
einer Kollision zu erstellen um daraus auf die Art der Kollision
zu schließen.
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Weiterhin
ist es möglich,
mehrere Reihen von induktiven ersten Sensorteilen nebeneinander
in einer Fläche
anzuordnen. Mit einer derartigen Anordnung können Druckverteilungen in einer
Fläche,
insbesondere einer Sitzfläche
oder Auflagefläche
erfasst werden.
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Das
zweite Sensorteil, das von einem elektrischen Leiter gebildet ist,
kann unterschiedlich ausgebildet sein.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
ist das zweite Sensorteil eine Schicht aus einem leitenden Material,
die sich entlang dem induktiven ersten Sensorteil erstreckt. Die
sich in der Schicht ausbildenden Wirbelströme wirken einer Flussänderung
in dem induktiven ersten Sensorteil entgegen. Der Einfluss der Wirbelströme ist dabei
umso größer, je
näher sich
die leitende Schicht an dem induktiven ersten Sensorteil befindet.
Durch eine Messung einer Messgröße, die mit
den induktiven Eigenschaften des induktiven ersten Sensorteils in
Zusammenhang steht, kann auf den Abstand zwischen der Fläche und
dem jeweiligen induktiven ersten Sensorteil geschlossen werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist jeweils einem induktiven ersten Sensorelement eine kurzgeschlossene
Planarspule zugeordnet. Bei einer Änderung des magnetischen Flusses
durch das induktive erste Sensorteil werden in den zugeordneten Planarspulen
Ströme
hervorgerufen, die der Änderung
des Mag netflusses entgegenwirken. Der Einfluss der Planarspule ist
umso größer, je
kleiner der Abstand zwischen dem jeweiligen induktiven ersten Sensorteil
und der zugeordneten Planarspule ist. Durch Erfassen einer Messgröße, die
im Zusammenhang mit den induktiven Eigenschaften des induktiven
ersten Sensorteil steht, kann daher der Abstand zwischen dem induktiven
ersten Sensorteil und der zugehörigen
Planarspule erfasst werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
weist das zweite Sensorteil eine mit Strom aus einer Stromquelle
beaufschlagte Stromschleife auf. In diesem Fall kann durch Messung
der im ersten induktiven Sensorteil induzierten Spannung der Abstand zwischen
dem ersten und dem zweiten Sensorteil bestimmt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine Vielzahl von induktiven ersten Sensorteilen in eine Hülle aus
einem komprimierbaren Kunststoff eingebettet. Diese Maßnahme schützt die
Sensorelemente vor den Einflüssen
der Umgebung. Gleichzeitig lässt
es eine derartige Hülle
zu, dass sich der Abstand zwischen den induktiven ersten Sensorteilen und
dem jeweiligen zugeordneten zweiten Sensorteil bei einer Kollision,
die die Kunststoffhülle
komprimiert, verringert.
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Vorteilhafterweise
lässt sich
die bandförmig ausgebildete
Hülle entlang
einer Stoßstange
eines Kraftfahrzeugs verlegen. Auf diese Weise kann eine einfache
und kostengünstige
Vorrichtung zur Detektion von Kollisionen eingerichtet werden.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden.
Es zeigen:
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht des leitenden Bestandteils eines Aufprallsensors;
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2 einen
Querschnitt durch den Aufprallsensor aus 1;
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3 ein
Diagramm, in dem eine normierte Impedanz gegen den Abstand zu einer
leitenden Fläche
aufgetragen ist;
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4 eine
perspektivische Ansicht der leitenden Bestandteile eines weiteren
Aufprallsensors;
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5 eine
perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Aufprallsensors;
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6 ein
Diagramm, in dem eine normierte induzierte Spannung gegen den Abstand
zwischen einer Planarspule und einer Stromschleife aufgetragen ist;
und
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7 eine
Aufsicht auf einen in Tritt- oder Sitzmatten integrierbaren Drucksensor.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht der elektrisch leitenden Strukturen
eines Aufprallsensors 1, der eine Vielzahl von in einer
Reihe nebeneinander angeordneten Planarspulen 2 aufweist.
Die Planarspulen 2 sind mit einem Ende an eine gemeinsame Sammelleitung 3 und
mit dem entgegengesetzten Ende an Einzelleitungen 4 angeschlossen,
die jeweils zu einem Multiplexer 5 führen. Über die Sammelleitung 3 werden
die einzelnen Planarspulen aus einer nicht dargestellten Stromquelle
mit Strom beaufschlagt.
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Die
Leiterbahnen der Planarspulen 2 weisen einen spiralförmigen Verlauf
auf und sind auf einer flexiblen Leiterplatte 6 angeordnet,
die in 1 in Umrissen angedeutet ist. Im Abstand d zur
Leiterplatte 6 befindet sich eine leitende Schicht 7.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die leitende Schicht 7 eine zusammenhängende metal lische
Schicht. Wenn sich der von den Planarspulen 2 erzeugte
magnetische Fluss ändert,
entstehen in der leitenden Schicht 7 Wirbelströme, die
einer Änderung des
magnetischen Flusses entgegenwirken. Der Einfluss der leitenden
Schicht 7 auf den magnetischen Fluss durch die Planarspulen 2 ist
dabei umso größer, je
kleiner der Abstand d zwischen der leitenden Schicht 7 und
den Planarspulen ist. Durch eine Messung der Induktivität der Planarspulen 2 kann
daher auf den Abstand d zwischen den Planarspulen 2 und der
leitenden Schicht 7 geschlossen werden.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch den Aufprallsensor 1. Bei dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist die leitende Schicht 7 von einem Metallband gebildet,
das ebenso wie die flexible Leiterplatte 6 von einem Verformungskörper 8 umschlossen
ist. Der Verformungskörper 8 ist
vorzugsweise aus einem komprimierbaren Kunststoff hergestellt, der
außerdem
dazu in der Lage ist, die flexible Leiterplatte 6 und die
leitende Schicht 7 vor schädlichen Umwelteinflüssen zu
schützen.
Der Verformungskörper 8 ist
ferner so ausgebildet, dass er an einer Stoßstange 9 eines Kraftfahrzeugs
montierbar ist. Der Verformungskörper 8 ist
vorzugsweise bandförmig
ausgebildet und weist eine Länge
auf, die der Länge
der Stoßstange 9 entspricht.
Die Breite b des Verformungskörpers 8 beträgt etwa
1,5 Zentimeter. Die Höhe
des Verformungskörpers 8 kann
im Bereich von etwa 0,5 Zentimeter liegen. Um einen elektrischen
Anschluss der Sammelleitung 3 und der Einzelleitungen 4 an
Komponenten zu ermöglichen,
die sich im Inneren des Kraftfahrzeugs befinden, sind die Sammelleitung 3 und
die Einzelleitungen 4 an einer geeigneten Stelle aus dem
Verformungskörper 8 herausgeführt. Gegebenenfalls
kann der Multiplexer auch auf der flexiblen Leiterplatte angeordnet
sein, was die Zahl der aus dem Verformungskörper herauszuführenden
Leitungen verringert.
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Wenn
auf den Verformungskörper 8 eine Druckkraft 10 einwirkt,
wird der Verformungskörper 8 komprimiert.
Dadurch verringert sich der Abstand d zwischen der flexiblen Leiterplatte 6 und
der leitenden Schicht 7. Dadurch wird die Impedanz der
Planarspulen 2 deutlich verringert. Bei einer zyklischen Messung
der Impedanz der Planarspulen 2 mit Hilfe des Multiplexers 5 kann
die Impedanz der Planarspulen 2 innerhalb kurzer Zeit gemessen
werden. Wenn nur bei wenigen Planarspulen 2 die Impedanz
verringert ist, kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei
dem auf die Stoßstange 9 einwirkenden
Objekt nicht um ein flächenmäßig ausgedehntes
Objekt handelt.
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Es
sei angemerkt, dass anstelle der leitenden Schicht 7 die
metallische Oberfläche
der Stoßstange 9 die
Funktion der leitenden Schicht 7 übernehmen kann. In diesem Fall
kann auf die leitende Schicht 7 verzichtet werden. Zu diesem
Zweck muss die Stoßstange 9 nicht
vollständig
aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein. Vielmehr genügt es, wenn
die Stoßstange 9 teilweise
metallisiert ist. Daneben ist es möglich, die leitende Schicht 7 mit
Hilfe einer metallisch kaschierten Folie, zum Beispiel mit Hilfe
einer kupferkaschierten Folie zu bewerkstelligen.
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3 zeigt
ein Diagramm, in dem die normierte Impedanz Z/Zn einer einzelnen
Planarspule 2 als Funktion des Abstandes d zu der leitenden Schicht 7 aufgetragen
ist. Die Bezugsimpedanz Zn ist diejenige Impedanz, die die Planarspule 2 ohne
die leitende Schicht 7 aufweisen würde. Bei dem in 3 dargestellten
Fall sind 60 Windungen in einer Spulenfläche von 30 × 30 Millimeter angeordnet.
Die Resonanzfrequenz der Planarspule 2 liegt bei 17 MHz.
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Der
Zusammenhang zwischen der normierten Impedanz Z/Zn und dem Abstand
d ist in 3 durch eine Kurve 11 dargestellt.
Bei einem Abstand d = 25 Millimeter beträgt die Impedanz Z der Planarspule 2 noch
mehr als 90 Prozent der Bezugsimpedanz Zn. Bei einem Abstand von
d = 5 Millimeter ist die Impedanz der Planarspule 2 entsprechend
der Kurve 11 auf etwa 30 Prozent der Bezugsimpedanz Zn
gefallen.
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In 4 ist
eine weitere perspektivische Ansicht eines Aufprallsensors 12 dargestellt,
bei dem jeder Planarspule 2 jeweils eine planare Kurzschlussspule 13 zugeordnet
ist. Die Kurzschlussspulen 13 haben die gleiche Wirkung
wie die leitende Schicht 7. Bei einer Änderung des magnetischen Flusses
in den Planarspulen 2 werden in den Kurzschlussspulen 13 Ströme induziert,
die der Änderung
des magnetischen Flusses entgegenwirken. Der Einfluss der Kurzschlussspulen 13 ist
dabei umso größer, je
kleiner der Abstand zwischen den Kurzschlussspulen 13 und
den zugehörigen
Planarspulen 2 ist. Der in 3 dargestellt
Zusammenhang zwischen der Impedanz der Planarspulen 2 und
dem Abstand d gilt auch in entsprechender Weise für den Aufprallsensor 12.
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5 zeigt
eine perspektivische Ansicht der wesentlichen leitenden Komponenten
eines weiteren Aufprallsensors 14, bei dem den Planarspulen 2 jeweils
eine einwindige planare Stromschleife 15 zugeordnet ist.
Die Stromschleifen 15 sind bei dem in 5 dargestellten
Aufprallsensor 14 in Reihe geschaltet und werden aus einer
nicht dargestellten Stromquelle mit Strom I beaufschlagt. Von dem
durch die Stromschleifen 15 fließenden Strom I wird in den Stromschleifen 15 jeweils
ein magnetischer Fluss erzeugt, der die Planarspulen 2 durchdringt.
In den Planarspulen 2 wird dadurch eine Spannung U induziert, die
zwischen der Sammelleitung 3 und den Einzelleitungen 4 abgegriffen
werden kann. Die in den Planarspulen 2 induzierte Spannung
U ist umso größer, je geringer
der Abstand d zwischen den Stromschleifen 15 und den Planarspulen 2 ist.
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In 6 ist
ein Diagramm dargestellt, in dem die normierte Induktionsspannung
U/Un in einer der Planarspulen 2 als Funktion des Abstands
d zwischen der jeweiligen Planarspule 2 und der zugeordneten
Stromschleife 15 aufgetragen ist. Die Bezugsspannung Un
ist dabei diejenige induzierte Spannung, die bei einem Abstand d
= 40 Millimeter induziert wird. Die ver messene Planarspule 2 weist
auf einer Fläche
von 30 × 30
Millimeter 60 Windungen auf. Durch die zugehörige Stromschleife 15 wurde
ein Strom mit einer Stärke
von 10 mA und einer Frequenz von 3,5 MHz geschickt. Gemäß einer
Kurve 16 beträgt
die induzierte Spannung U bei einem Abstand von d = 5 Millimeter
nahezu das Achtfache der induzierten Spannung bei einem Abstand
von 40 Millimeter. Die Änderung
des Abstands d ist daher auch dann messbar, wenn die Änderung
des Abstands d wesentlich kleiner ausfällt.
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Ein
Vorteil des Aufprallsensors 14 ist, dass dieser auf wirksame
Weise gegen elektromagnetische Störungen abgesichert werden kann.
Zu diesem Zweck werden die Stromschleifen 15 wie in 5 dargestellt
mit einem gemeinsamen Stromsignal versorgt. Auf das Stromsignal
werden Codierverfahren im Frequenz- und Zeitbereich angewandt, die zusammen
mit korrespondierenden Filterverfahren im Zusammenhang mit der Messung
der in den Planarspulen 2 induzierten Spannung zu einer
hohen elektromagnetischen Störsicherheit
führen.
Das anhand der 1 bis 6 beschriebene
Prinzip kann auch für
die Konstruktion von Drucksensoren 17 von der in 7 dargestellten
Art verwendet werden. Bei dem in 7 dargestellten
Drucksensor 17, der beispielsweise in eine Sitzmatte oder
Trittmatte integrierbar ist, sind mehrere Reihen 18 von
Planarspulen 2 nebeneinander angeordnet. Innerhalb einer Reihe 18 sind
die Planarspulen 2 mit Hilfe einer Zeilenleitung 19 in
Reihe geschaltet. Im Abstand zu den Planarspulen 2 befinden
sich Reihen 20 von Stromschleifen 15, die durch
Spaltenleitungen 21 in Reihe geschaltet sind. Dadurch wird
der Drucksensor 17 matrixadressierbar, denn wenn eine Spaltenleitung 21 mit
Strom beaufschlagt wird, kann die in den Planarspulen 2 der
Spalte induzierte Spannung an den Zeilenleitungen 19 ausgelesen
werden.
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Die
anhand der 1 bis 6 beschriebenen
Aufprallsensoren 1, 12 und 14 sowie der
Drucksensor 17 bieten eine Reihe von Vorteilen. Zum einen können die
hier beschriebenen Sensoren einfach und kostengünstig hergestellt werden, da
zur Aufnahme der Planarspulen 2, sowie der Stromschleifen 15 flexible
Leiterplatten vorgesehen sind, die kostengünstig herstellbar sind. Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Funktion des Aufprallsensors 1, 12 und 14 sowie die
Funktion des Drucksensors 17 nicht von Temperatur, Feuchtigkeit
oder Alterung beeinträchtigt
sind. Die Montage des Aufprallsensors 1 kann darüber hinaus
auf einfache Weise durch Einklemmen in eine Stoßstange 9 vorgenommen
werden. Ferner ist die hohe elektromagnetische Störsicherheit
des Aufprallsensors 14 hervorzuheben.
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Es
sei angemerkt, dass die Planarspulen 2 nicht notwendigerweise
einlagig ausgeführt
werden müssen.
Falls erforderlich kann die Sensitivität der Planarspulen 2 erhöht werden,
indem die Anzahl der Windungen vergrößert wird. Die Anzahl der Windungen
lässt sich
insbesondere bei einer mehrlagigen Ausführung der Planarspulen 2 vergrößern. Beispielsweise
ist es denkbar, die flexible Leiterplatte 6 auf beiden
Seiten mit Windungen zu versehen. In diesem Fall ist es von Vorteil
die Windungen auf beiden Seiten um eine Strecke entlang der Ebene
der Planarspule versetzt anzuordnen, um die Kapazität der Planarspule
niedrig zu halten.