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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
Sensors in einem Sicherheitssystem sowie ein Sicherheitssystem.
Es ist bekannt, dass Sensoren als Signalgeber in Sicherheitssystemen
eingesetzt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrachtete
Sensoren dienen einer Sensierung mindestens einer Form von Materialbeanspruchung,
wie sie durch Zug- und/oder Druckkräfte bei der Verformung von
Material, aber auch bei der Übertragung
von Körperschall
auftreten. Verwendung finden derartige Sensoren und zugehörige Sicherheitssysteme
unter Anderem in der Luft- und Raumfahrt, jedoch auch in der Kraftfahrzeugindustrie als
Unfallmelder.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit
verbessertes Verfahren zum Betreiben mindestens eines Sensors in
einem Sicherheitssystem sowie ein dementsprechendes Sicherheitssystem
zu schaffen.
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Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche gelöst. Dementsprechend
zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Sicherheitssystem
dadurch aus, dass es mit mindestens einem Sensor versehen ist, der
neben seiner Sensoreigenschaft auch die Eigenschaft eines Aktuators
besitzt. Eine derartige Eigenschaft einer reziproken Wirkungsweise
ist bei einer Vielzahl von Wandlern und unter Anderem als Piezoelektrizität bekannt.
Hierunter versteht man die Eigenschaft einiger Kristallstrukturen, dass
sie unter Einwirkung von Zug und Druck an ihren Oberflächen eine
Ladungstrennung mit der Folge hervorrufen, dass eine außen über Elektroden
elektrischen Spannung abgreifbar ist. Umgekehrt ist es jedoch auch
möglich,
durch eine außen
angelegte elektrische Spannung einen piezoelektrischen Kristall
zu deformieren. Damit können
bei angepasster Materialauswahl und entsprechender Formgebung der
piezoelektrischen Kristalle über
einen weiteren Frequenzbereich hinweg Oberflächenverformung und Körperschalleffekte über die
damit verbundenen mechanischen Verformungen eins Piezo-Sensorelementes
in elektrische Signale umgewandelt wer den. So können durch elektrische Signale
umgekehrt auch Oberflächen
durch den gleichen Piezo-Sensor aufgrund seiner Eignung als Aktuator
mechanisch in Schwingung gesetzt werden.
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Neben
der Verwendung piezoelektrischer Kristalle auf Quarzbasis, die auch
auf Bariumtitanat- bzw. BaTiO
3- oder Blei-Zirkonium-Titanat
bzw. PZT- Basis als Keramik-Elemente ausgeführt sein können, ist der Einsatz piezoelektrischer
Kunststoff-Folien oder
-Filme bekannt geworden. Eine Überführung von
BaTiO
3-Pulver unter fester Formgebung über ein formgepresstes
Pulver zu einem keramischen Körper mit
Bauteil- bzw. Sensor-Abmessungen erfolgt durch Sintern. Piezoelektrische
Kunststoff-Folien sind dagegen dauerhaft flexibel, nur ca. 5 bis
500 μm dick, leicht
und können
zudem durch einfaches Schneiden fast beliebig in jede flächige Form
gebracht werden. Bei den verwendeten Kunststoffen handelt es sich
in der Regel um stark polare Substanzen, die bei der Herstellung
einer Folie im erwärmten
Zustand einem starken statischen elektrischen Feld zur einheitlichen Ausrichtung
der Moleküle
unterworfen werden. Im Zuge der Abkühlung ist diese erzwungene
Ausrichtung der Moleküle
in dem Folienkörper
quasi fest eingefroren. So ist beispielsweise aus der
DE 40 25 564 C1 die Verwendung
von Polyvinylidenfluorid PVDF oder anderen aus polaren Molekülen bestehenden Polymeren
bekannt. In jedem Fall besitzen die genannten Substanzen, als passive
Bauelemente betrachtet, also bereits selber ein Ladungspotential
und zeigen bei Druckeinwirkung eine messbare kapazitive Ladungsänderung.
Damit ist eine Fremdspeisung durch eine externe Spannungsquelle
nicht erforderlich.
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Den
vorstehend genannten Materialien ist gemein, dass die Eigenschaften
von Sensor und Aktuator damit in einem System vereint werden können, so
dass in einfacher Weise unter Ansteuerung und nachfolgender Auswertung
durch eine zentrale Systemeinheit ein Selbsttest möglich ist.
Hierzu wird das Sensor-Element erst als Aktuator angesteuert, wobei die
so angeregte mechanische Schwingung wiederum als elektrisches Signal
sensiert werden kann, sofern das Element störungsfrei arbeitet. Durch diese Möglichkeit
kann ein Sensor also ohne zusätzlichen apparativen
Aufwand an Signalgebern etc. jederzeit überprüft und hinsichtlich seiner
Betriebseigenschaften überwacht
werden.
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Neben
den Selbsttests kann jedoch durch den Aktuatorbetrieb einem zu sichernden
System auch eine mechanische Schwingung aufgezwungen werden, wobei
durch das gleiche Element nachfolgend eine Analyse der angeregten
Schwingung mit Untersuchung der Eigenschaften dieser Systemantwort
in einer Auswerteeinheit des eigentlichen Sicherheitssystems versorgt
werden kann. Neben Verformungen des Materials können so auch Risse und weitere
Störungen,
insbesondere durch ein abweichendes Frequenzmuster dieser Systemantwort
detektiert werden. Somit bildet ein vorgeschlagenes Verfahren zum
Betreiben eines Sensors mit reziprokem Wirkungsmechanismus in einem
Sicherheitssystem die Vorteile eines zuverlässigen Selbsttestes sowie den
Vorteil einer mit geringem Aufwand und vernachlässigbarem Störungseinfluss
versehenen Sicherheitsüberprüfung und
Systemanalyse in einem zu überwachenden
mechanischen Gesamtsystem mit der Möglichkeit einer Diagnose zum
Abschluss einer jeden Überprüfung.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst ein Sicherheitssystem
eine Vielzahl von Sensoren, die über
eine zu sichernde Struktur als Beobachtungs- bzw. Überwachungsbereich verteilt angeordnet
sind. Die zu beobachtende mechanische Struktur wird in gewissem
Sinne also mit einem Netz von Sensoren überzogen, das einer jeweiligen
Eigenart der mechanischen Struktur durch die Verteilungsart und
Verteilungsdichte der Sensoren Rechnung trägt. Auch in dieser Anordnung
ist für
jeden einzelnen der Sensoren weiterhin ein Selbsttest über eines
Auswertung eines jeweiligen Ausschwingverhaltens nach aktiver Test-Anregung
mittels eines vordefinierten Testsignals und eines aufgenommenen Messsignals
in der vorstehend dargestellten Weise möglich. Zudem existiert nun
auch die Möglichkeit, durch
das aktive Anregen über
einen Sensor und die Auswertung der von allen Sensoren eingehenden Messsignale
eine flächendeckende
Auswertung zur Fehler- und/oder
Störungsanalyse
vorzunehmen. Alle Sensoren können
gleichartig aufgebaut und fixiert sein, also einer Sensor-Baureihe
bzw. einem Typ angehören.
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Weiterhin
treten bei modernen Fahrzeugen in erheblichem Umfang Resonanzerscheinungen auf,
die sich auch in einem Fahrzeuginnenraum als Lärm deutlich bemerkbar macht.
In der Form von mechanischen Dauerschwingungen und stehenden Wellen
führen
derartige Resonanzerscheinungen zudem an tragenden Teilen über erhöhte Beanspruchung
zu verstärkten
Verschleißerscheinungen
und Festig keitsproblemen. Ein Beispiel für diese aktuell gehäuft auftretenden
Probleme sind Fahrgastzellen oder Kabinen, die unter Verwendung
neuer Verbundwerkstoffe auf der Basis von Kohlefasern bzw. CFK-Verbundwerkstoffen
aufgebaut worden sind. Diese leichten und extrem harten Werkstoffe
finden besonders in der Raumfahrt, im Flugzeugbau und fortschreitend
auch im Kraftfahrzeugbau Einsatz. Da CFK-Werkstoffe Schwingungen aufgrund ihrer
hohen eigenen Steifigkeit nur unwesentlich dämpfen, werden Vibrationen innerhalb
der bewegten Systeme von einem jeweiligen Entstehungsort fortgeleitet, also
beispielsweise von einer Radaufhängung,
einem Motor oder einer Turbine hin in eine Kabine oder Fahrgastzelle.
Bei dem besonderen Anwendungsfall eines Verkehrsflugzeuges wird
ein Geräuschpegel von
einer Heckturbine über
die Fahrgastzelle als starre Röhre
auch noch akustisch dadurch verstärkt, dass tragende Partien
des Bodens und der Decke zusätzlich
als Resonanzboden fungieren.
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Derartige
Lärmereignisse
können
auf Dauer gesundheitsschädlich
sein, sie senken aber auch auf jeden Fall das Konzentrationsvermögen und
beeinträchtigen
das Wohlbefinden von Fahrzeugführern und
Fahrgästen.
Damit ist das beschriebene Phänomen
gleich in zweifacher Hinsicht sicherheitsrelevant. Die in dem vorstehend
exemplarisch skizzierten Beispielfall auftretenden Schwingungen
können
nun durch die Verwendung einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Sensoren
selektiv detektiert werden. Somit können über eine Fläche oder eine sonstige Strukturform
verteilt Maxima und Minima eines jeweiligen Resonanzgeschehens durch
eine Auswertung der eingehenden Signale ermittelt werden. Durch
eine aktive Ansteuerung der Aktuator-Eigenschaften der erfindungsgemäßen Sensoren
können
die auftretenden Schwingungen nun durch Ansteuerung und gegenphasige
Anregung gedämpft
werden. Idealer Weise werden Resonanzen hierdurch sogar eliminiert.
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Als
weiteres Problem tritt u.a. im Zusammenhang mit der Verwendung von
CFK-Werkstoffen
die Frage einer dauerhaften Verbindung zwischen den unterschiedlichen
Bestandteilen tragender und/oder sicherheitsrelevanter Strukturen
auf. Schon im Bereich metallischer Werkstoffe ist bekannt, dass
sich Stähle
und Aluminium nicht durch Verschweißen verbinden lassen. Aber
auch untereinander sind verschiedene Stähle nicht oder nur sehr eingeschränkt verschweißbar. Dazu
gibt es mit den sogenannten Vielphasen- oder Multiphasenstählen Baustoffe,
die hinsicht lich ihrer besonderen Eigenschaften durch den Wärmeintrag
während
des Schweißvorganges erheblichen
Schaden nehmen würden.
In den vorstehend beispielhaft aufgeführten Bereichens sind neuerdings
neben Anwendungen in der Luftfahrt auch im Kraftfahrzeugbau fortschreitend
die unterschiedlichsten Klebeverbindungen anzutreffen. Und auch
zur Überwachung
der Haltbarkeit und Zuverlässigkeit derartiger
Verklebungen sind Sensoren auf einem Folienträger und gerade Sensoren in
der Bauform piezoelektrischer Kunststoff-Folien besonders vorteilhaft
einsetzbar. In einer Applikationsform überspannen und/oder überdecken
piezoelektrische Sensoren als Folie eine Verklebung. Hierbei erstreckt
sich die Folie vorzugsweise von einem zu dem oder den anderen Bauteilen,
die durch die Klebeverbindung miteinander verbunden sind. Nach einer
Eingangs- oder Startkalibrierung der von den Sensoren der Folie
bei normalen Bedingungen abgegebenen Signale sind Änderungen
der Klebeverbindung durch Zug- oder Druckbelastungen einzelner Sensoren
der Folie elektrisch messbar. Ein kontinuierliches Lösen der
Klebeverbindung ist damit genauso feststellbar, wie ein z.B. unfallbedingtes
Ein- oder sogar Abreißen.
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Ungeachtet
dieses Anwendungszwecks ist es im Fall des Auftretens nicht harmonischer
Schwingungen, wie sie beispielsweise durch Störungen, Crashs oder Fremdberührung sowie
Fußgängererkennung
etc. auftreten können,
möglich,
eine präzise Erkennung
eines jeweiligen Ereignisses sowie eine Ortung über die jeweiligen Sensorelemente
vorzunehmen. Geeignete Gegenmaßnahmen
können dann
gezielt durch dem Sicherheitssystem als Gesamtheit nachgeschaltete
Subsysteme ausgelöst werden,
insbesondere das zielgerichtete und genau definierte Auslösen von
Gurtstraffern, verschiedenen Airbag-Systemen oder sonstigen aktiven
Sicherheitskomponenten.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zeichnet sich also auch in den genannten Weiterbildungen dadurch
aus, dass robuste und überlastungsfeste, preisgünstige und
zudem selbstdiagnosefähige
Sensoren eingesetzt werden. Eine Platzierung mit dauerhaft zuverlässiger Befestigung
kann dabei jederzeit auch nachträglich
durch Einbettung, Aufkleben, Anschrauben o.ä. an bestimmten Stellen vorgenommen werden.
Zum Aufbau eines reinen Unfall-Frühwarnsystems eignen sich hierzu
besonders Stoßstangen, Türen, Dachbereiche
und eine Motorhaube an einem Kraft fahrzeug. Vorteilhafterweise kann
ein bereits für eine
Park-Distanz-Kontrolleinheit, kurz PDC, vorgesehener Sensor mit
reversibler Eigenschaft in Form eines Piezo-Elements zusätzlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzt werden, so dass Synergieeffekte genutzt werden können.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sicherheitssystems 1;
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2:
eine Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug, das auf einer Hälfte mit
erfindungsgemäßen Systemen
ausgestattet ist;
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3:
eine schematische Darstellung zweier Systeme gemäß 1 zur Überwachung
von zwei verschiedenen Überwachungsbereichen;
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4:
eine schematische Darstellung zweier Systeme analog der Darstellung
von 3 in einer zweiten Ausführungsform;
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5:
eine schematische Darstellung zweier Systeme analog der Darstellung
der 3 und 4 in einer weiteren Ausführungsform;
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6a:
eine skizzenhafte Darstellung einer Fußgängerschutzvorrichtung und
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6b:
eine vergrößere Schnittdarstellung in
der Ebene A-A von 6a.
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Nachfolgend
werden in den Abbildungen der Figuren einheitlich gleiche Bezugszeichen
für gleiche Elemente
verwendet.
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Das
Sicherheitssystem 1 umfasst eine Vielzahl von Sensoren 2,
die an einem ausschnittsweise dargestellten Kraftfahrzeug angeordnet
sind. In dem vorliegenden Fall sind die Sensoren 2 fahrzeuginnenseitig
an dem Blech eines linken Vorderkotflügels 3 durch Verklebung
und/oder Verschweißung
fixiert. Jeder Sensor 2 ist über eine Signalleitung 4 mit
einer zentralen Systemeinheit 5 verbunden. Die Signalleitung 4 dient
als Zuleitung für
ein Diagnosesignal und/oder ein Anregungssignal 6, das
durch den jeweiligen Sensor 2 in ein mechanisches Signal
gewandelt wird. Hierzu ist der Sensor 2 als reziprok wirkender
Wandler ausgebildet, im vorliegenden Fall als piezoelektrischer
Wandler. So kann auf die Einleitung eines Anregungssignals 6 als
Signal 6i an einem bestimmten Sensor 2i hin ein
Reaktionssignal 7i über eine
Rückleitung 8i dieses
Sensors 2i an die zentrale Systemeinheit 5 rückgemeldet
werden. Das Reaktionssignal 7i jedes angesteuerten Sensors 2i zeigt, dass
der betreffende Sensor 2i elektrisch angesprochen werden
konnte und mechanisch reagierte, wobei diese Reaktion wieder rückgewandelt
werden konnte. Damit die in dieses Reaktionssignal 7i als einfacher
Selbsttest und einer Auswertung des Reaktionssignals 7i gibt
weiteren Ausschluss über
die Funktionsfähigkeit
des betreffenden Sensors 2i. Damit ist jeder der Sensoren 2 nach
gleichem Test-Schema ohne zusätzliche
Vorrichtungen selbst-diagnosefähig.
Die zentrale Systemeinheit 5 ist zu einer routinemäßigen Durchführung derartiger Selbsttests
für alle
Sensoren 2 des Sicherheitssystems 1 sowie zu einer
Auswertung der jeweilig erhaltenen Reaktionssignale 7 der
jeweils angesteuerten Sensoren 2 ausgebildet.
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Die
mechanische Systemantwort des Sensors 2 auf das Anregungssignal 6 der
zentralen Systemeinheit 5 hin pflanzt sich durch die starre
Kopplung des Sensors 2 mit dem Blech in Form einer mechanischen
Welle in dem im vorliegenden Fall betrachteten Kotflügel 3 fort.
Aufgrund der Signalfortpflanzung über den Kotflügel 3 hinweg
werden auch weitere Reaktionssignale 7 der übrigen Sensoren 2 über die
jeweiligen Rückleitungen 8 an
die zentrale Systemeinheit 5 gemeldet.
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Durch
die Verteilung einer Vielzahl von Sensoren 2 über den
hier nur exemplarisch dargestellten Bereich eines Kotflügels 3 verfügt das dargestellte
Sicherheitssystem 1 jedoch noch über erweiterte Detektions-
und Analysefähigkeiten:
Jeder der Sensoren 2 verfügt über eine eigene Signalleitung 4 sowie eine
eigene Rückleitung 8.
Damit sind die jeweiligen Andrehungssignale 6 gezielt einsetzbar
und die Reaktionssignale 7 sind einem jeweiligen Sensor 2 und damit
verbunden einer bestimmten Position an dem Kotflügel 3 eindeutig zuordenbar.
Jeder Piezo-Sensor 2 ist für sich betrachtet Selbstdiagnose-fähig, so dass
auch das Sicherheitssystem 1 als ganzes Selbstdiagnose-fähig ist,
da es flexibel erweiterbar als Netzwerk auf den robusten und preiswerten
Piezo-Sensor-Elementen 2 als Basisbausteinen aufgebaut
ist.
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Auf
die Aussendung eines Anregungssignals 6 durch die zentrale
Systemeinheit 5 an einen Sensor 2i versenden alle
Sensoren 2 jeweilig eigene Reaktionssignale 7 über die
zugeordneten Rückleitungen 8 an
die zentrale Systemeinheit 5. Damit ist neben einer Überwachung
einer Einsatzbereitschaft der piezoelektrischen Sensoren 2 als
Fehlanalyse auch eine generelle Überwachung
der mechanischen Eigenschaften des Kotflügels 3 sowie einer
Schadenskontrolle durch eine Auswertung der Reaktionssignale 7 in
der zentralen Systemeinheit 5 möglich. Hierzu ist die zentrale
Systemeinheit 5 mit einer Datenbank 9 sowie einem
Modell 10 eines jeweiligen Überwachungsbereiches 11,
hier also des Kotflügels 3,
verbunden. In der Datenbank 10 sind hier die bei störungsfreien
Betrieb und intaktem Zustand aufgenommenen Charakteristika von Reaktionssignalen 7 der jeweiligen
Sensoren 2 in Abhängigkeit
eines jeden Sensors 2 als anregendem Aktuator aufgeführt. In dem
Modell sind die Verteilungen der jeweiligen Sensoren über den
Kotflügel 3 als Überwachungsbereich 11 hinterlegt.
Unter Zusammenschaltung der zentralen Systemeinheit 5 mit
der Datenbank 9 sowie dem Modell 10 können nun
Abweichungen von einem Regelverhalten für jeden der Sensoren 2 festgestellt
und auf der Basis des Modells 10 einem oder mehreren Abschnitten
des Überwachungsbereiches 11 zugeordnet
werden.
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Eine
Anhaftung, aber erst recht eine kleinere Beule, verändern die
mechanischen Schwingungseigenschaften eines Kotflügels 3 bereits
signifikant. Damit können
diese Veränderungen
nun durch Vergleiche mit einer störungsfreien Systemantwort verglichen
werden, so dass im Ergebnis Bereich mit Anhaftungen oder gar Beschädigungen
gezielt erkannt und angezeigt werden können. Das ist von Bedeutung,
da Anhaftungen von Eis, Schnee oder Schlammanbackungen etc. Betriebsstörungen verursachen können. Untersuchungen
der genannten Art werden selbstverständlich auch auf weitere mechanisch
tragende Elemente und Verbindungen des Chassis ausgeweitet.
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Die
vorstehend beschriebenen Verfahren zum Betreiben eines oder mehrerer
Sensoren in einem Sicherheitssystem bauen auf einer gezielten mechanischen
Anregung auf, die systemintern durch die zentrale Systemeinheit 5 ausgelöst werden.
Hierdurch werden statische Störungen
im Sinne einer Sicherheitsüberprüfung detektiert.
Dazu ist es also insbesondere nicht erforderlich, dass eine Funktionsbeeinträchtigung
oder sonstige Störung
selber Schall-emittierend ablaufen. Auch zur Erkennung und Analyse
bei dynamischer und/oder nicht harmonischer äußerer Anregungen kann das vorstehend beschriebene
System 1 Verwendung finden. Derartige externe Schwingungserregungen
werden u.a. durch Verformungen von Teilen verursacht und strahlen
in einen Überwachungsbereich 11 hinein,
falls sie nicht innerhalb des Überwachungsbereichs 11 ablaufen.
Sie liefern durch die Art ihrer Ausbreitung sowie ein jeweiliges
Frequenzmuster starke Indizien für Störungen,
die durch Fremdberührung
hervorgerufen werden. Beispiele für solche Fremdberührungen
sind unfallbedingte Kontakte mit einem Fußgänger oder Fahrradfahrer oder
Crashs im Zusammenhang mit ein Fahrzeugzusammenstoß.
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Die
Verteilung der Sensoren 2 über einen Überwachungsbereich 11 hinweg
erlaubt dem Sicherheitssystem 1 unter Vermittlung der zentralen Systemeinheit 5 eine
sehr schnelle Registrierung von beginnenden Verformungen, deren
Lokalisierung innerhalb des Überwachungsbereiches 11,
oder außerhalb
mit einer Ortung. Weiter ist es möglich, über den Verlauf und das Fortschreiten
der Verformungen auch eine Schwere des jeweiligen Unfalls zu diagnostizieren.
Hierbei wird wiederum auf Daten der Datenbank 9 sowie zur
Lokalisation auf ein Modell 10 zurückgegriffen. Auf diese detaillierte
Datenbasis aufbauend kann durch die zentrale Systemeinheit 5 eine
Sicherheitseinrichtung 12 mit zugeordneten Subsystemen
mit zuverlässigen
Informationen versorgt werden. Von der Sicherheitseinrichtung 12 ausgehend
können
dann verschiedene Airbag- und Gurtstraffersysteme sowie weitere
bekannte Sicherheitsmaßnahmen
nach einer abgestimmten Schutzstrategie ergriffen werden, die von
Art und Schwere einer jeweiligen Störung oder eines Unfalls abhängen. Die Regelung
wird auf der Grundlage einer Datenbank 9 und/oder eines
Modells 10 vorgenommen, die zur Berücksichtigung der jeweiligen
mechanischen Besonderheiten des vorliegenden Überwachungsbereichs (11)
abgeglichen sind. Bei Unfällen
mit Fußgänger- oder
Zweiradfahrerbeteiligung wird als Sicherheitsmaßnahme vorzugsweise eine sog.
aktive Motorhaube angesteuert, die zur Minderung einer Auf prallhärte oder
zur Vergrößerung einer
Knautschzone im Bereich über
dem Motorraum angehoben oder unter einem Winkel angestellt wird.
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Schließlich ist
durch ein Sicherheitssystem 1 der vorstehend beschriebenen
Art auch eine verteilte Vorrichtung zur Erzeugung von Anti-Schall
etc. darstellbar. Ein Kraftfahrzeug besteht in großer Zahl
aus Teilsystemen, die jedes für
sich, aber auch gemeinsam schwingungsfähig sind. Auftretende Resonanzen
reichen von einem niederfrequenten Bereich, über den fühl- und insbesondere hörbaren Frequenzbereich
bis in den Ultraschallbereich hinein. Im niederfrequenten Bereich
können
beispielsweise Fahreigenschaften stark in negativer Weise betroffen sein,
insbesondere durch ein Aufschaukeln. Im hörbaren Bereich sind das Wohlbefinden,
oder sogar die Konzentration von Fahrgästen betroffen. Alle Arten von
Resonanzen beeinträchtigen
jedoch die mechanische Festigkeit und damit die Betriebssicherheit und
Haltbarkeit eines Fahrzeuges nachhaltig. So ist es sehr vorteilhaft,
das Sicherheitssystem 1 mit den verteilten Sensoren 2 als
Diagnosenetz zum Aufspüren
der Schallquellen zu nutzen. Als Schallquellen sind dabei nicht
ein Motor oder Räder
mit Radaufhängungen
alleine zu betrachten. Vielmehr entstehen durch die Weiterleitung
mechanischer Schallwellen in Entfernung dieser Schwingungserzeuger
Resonanzzonen, die dann ihrerseits verstärkt durch Schwingungen auch
Schall abgeben. Bei genauerer Ortung derartiger Resonanzzonen durch
die Sensoren 2 und Kenntnis der strukturellen Gegebenheiten,
wie sie in dem Modell 10 abgelegt sind, können durch
die Aktuator-Eigenschaften der Sensoren 2 gezielte Gegenschwingungen
eingeleitet werden, die in dem Resonanzzonen durch destruktive Interferenz
zu einer Schwingungsauslöschung
führen.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug, in dem aus Gründen der Übersichtlichkeit
nur auf einer Hälfte
nur etwas mehr als fünfzehn
erfindungsgemäße Sensoren 2 vorgesehen
sind. Schon anhand dieser noch relativ niedrigen Zahl von Sensoren 2 wird
deutlich, wie wenig praktikabel ein Einbau derartig vieler Einzelteile
in einer Serienfertigung sein muss. Um die Einbauzeit drastisch
zu senken wird die Anzahl der Einzelteile, aber auch deren Form
und Größe angepasst.
Die Sensoren 2 werden jeweils primären Überwachungsbereichen 11 zugeordnet
und hierzu in Gruppen 13 zusammengefasst. Diese Gruppen 13 bilden
einen selbstklebenden Folienträger,
der einen jeweiligen Überwachungsbereich 11 abdeckt.
In einer Grup pe 13 wird auch eine Vorverarbeitung der nun
nicht weiter eingezeichneten Sensor-Reaktionssignale 7 vorgenommen,
insbesondere eine Verstärkung
und Codierung unter eindeutiger Zuordnung eines Rück- oder
Reaktionssignals 7i zu einem jeweiligen Sensor 2i.
So ergeben sich Gruppen 13 von Sensoren 2 für den linken
Teil der Motorhaube, den linken vorderen Kotflügel, die Fahrertür, die linke
Hintertür
bis in einen Teil des Dachraumes hinein, den linken hinteren Kotflügel und
den linken Teil von Stoßstange
und Kofferraum. Damit werden besonders unfallbehaftete Bereiche
einerseits und mechanisch stark beanspruchte Bereiche andererseits
von jeweiligen Überwachungsbereichen 11 erfasst,
insbesondere die A-, B- und C-Säulen
der Karosserie des Fahrzeugs. Analog ist in zeichnerisch nicht weiter
dargestellter Weise auch die rechte Fahrzeughälfte im Wesentlichen spiegelsymmetrisch
mit Sensoren 2 ausgestattet.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung zweier Teilsysteme 14 gemäß 1 unter
einer Gruppenbildung nach 2 zur Überwachung
von zwei verschiedenen Überwachungsbereichen 11 an einem
Kraftfahrzeug. Hierin ist eine gruppenweise Vorverarbeitung der
Sensorsignale vorgesehen, wobei die Gruppen 14 als Baugruppen
auf dem selbstklebenden Folienträger
mit einer Vorelektronik 5a, 5b und elektrischen
Signal- sowie Versorgungsanschlüssen
ausgestattet sind. Die flexiblen selbstklebenden Folien sind bei
einer Länge
von ca. 50 bis 60 cm und etwa 10 cm Breite mit mindestens zwei Sensoren 2 ausgerüstet, im
vorliegenden Fall mit drei Sensoren 2. In nicht weiter
dargestellter Art und Weise sind je zwei derartige Folien je Tür, und bei
ca. 1 m Länge
und 2 cm Breite für
mindestens zehn Sensoren 2 je eine Folie je Stoßstange
in der Anordnung von 2 vorgesehen. Für Flächen, wie
Motorhaube, Kofferraumklappe oder Fahrzeugdach werden ovale oder
Sternförmige
Strukturen für
derartige Trägerfolien
bei dementsprechender Anordnung der Sensoren 2 eingesetzt.
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Weiter
ist in der Abbildung von 3 angedeutet, dass eine Auslösung mindestens
eines Sicherheitssystems 12 durch eine zugeordnete Vorelektronik 5a, 5b direkt
erfolgen kann. Hierzu werden die von den über einen Beobachtungs- bzw. Überwachungsbereich 11 verteilt
angeordneten Sensoren 2 einer Gruppe 13 ermittelten
Signale 7 über
separate Leitungen 8 einer jeweiligen Vorelektronik 5a, 5b über kurze
Distanz zugeführt
und dort für
jedes Teilsystem separat unter Rückgriff
auf zugeordnete Datenbanken 9 und ein dem jeweiligen Überwachungsbereich 11 entsprechend
abgeglichenes Modell 10a, 10b ausgewertet. Alternativ
oder zusätzlich
kann aber auch eine Auslösung
diverser Sicherheitssysteme 12 durch eine zentrale Systemeinheit 5 erfolgen, die
vorausgewertete Signale diverser Teilsysteme 14 gemeinsam
auswertet. Auf dieser Basis besteht dann die Möglichkeit, zu einer den jeweiligen
Erfordernissen eines Unfalls entsprechend angepassten Auslösestrategie
in Form einer Gesamtantwort verschiedener Sicherheitssysteme 12 zu
kommen.
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Analog
der Darstellung von 3 zeigt 4 eine schematische
Darstellung zweier Teilsysteme 14 in einer zweiten Ausführungsform.
Hierin sind die Signalleitungen 4 zwischen den Vorelektroniken 5a, 5b und
der zentralen Systemeinheit 5 durch Busleitungen 15 ersetzt
worden. Entsprechend sind nun die Gruppen 14 als Baugruppen
auf dem selbstklebenden Folienträger
mit je einer Vorelektronik 5a, 5b und elektrischen
Signalanschlüssen
zur Einbindung in ein Bussystem vorgesehen. Jede der Vorelektroniken 5a, 5b dient
hierbei einer Signalaufbereitung mit Eichung, Abgleich und Initialisierung
sowie als Protokolleinheit für
den nachfolgenden Datenaustausch über den Bus mit der zentralen
Systemeinheit 5. Diese Lösung zeichnet sich neben der
hohen Zuverlässigkeit
auch durch sehr schnelle Reaktionszeiten bei stark reduziertem Verdrahtungsaufwand
insbesondere im elektromagnetisch stark belasteten Motorraum eines
Fahrzeugs aus.
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5 zeigt
schließlich
eine schematische Darstellung zweier Systeme analog der Darstellung der 3 und 4 in
einer weiteren Ausführungsform.
Als weitere Vereinfachung sind nun gegenüber der Ausführungsform
von 4 jeweils auch die Blöcke der Vorelektronik 5a, 5b weggefallen.
Die Sensoren 2 der Gruppen 13 sind nun als aktive
Elemente mit eigener Intelligenz so ausgebildet, dass sie direkt an
Busleitungen 15 eines einheitlichen Bussystems angeschlossen
werden können.
Dadurch wird der interne Verdrahtungsaufwand in jeder Gruppe 13 noch weiter
reduziert, wobei die Systemarchitektur noch besser überschaubar
wird.
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In 6a ist
eine skizzenhafte Darstellung einer Schutzvorrichtung 1 in
Form einer Fußgängerschutzvorrichtung
gezeigt. Die Gruppe 13 von keramischen Sensoren 2 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
an einer flexiblen Folie 16 als Träger angeordnet. An einem Ende
ist dieser Träger
mit einer Vorelektronik 5a verbunden, in die von den jeweiligen Sensoren 2 herkommende,
gegeneinander isolierte Signalleitungen 17 zur Übertragung
der einzelnen analogen Signale hinein münden, die in der Vorelektronik 5a vorverarbeitet
werden. Bis zu der Vorelektronik 5a als Front end hin ist
diese Vorrichtung rein passiv, wobei ein Stoß, Schlag, eine Schwingung oder
ein sonstiger Impakt im Bereich der flexiblen Folie 16 entsprechende
elektrische Signale durch Ladungsverschiebungen in den betroffenen
Sensoren 2 auslöst.
Die aus den einzelnen analogen Signalen gewonnenen Daten werden
anschließend
von der Vorelektronik 5a zur Verbesserung der Datensicherheit über einen
Bus 15 durch einen i.d.R. EMV-belasteten Motorraum 18 des
Fahrzeugs hindurch in einen Innenraum 19 an die zentrale
Systemeinheit 5 weitergeleitet. Dort findet dann unter
Benutzung eines Modells 10 zusammen mit Daten aus der Datenbank 9 eine
Verarbeitung der Daten statt, die im Fall der Erkennung eines Fußgänger-Unfalls
das Auslösen
mindestens eines geeigneten Sicherheitssystems 12 bewirkt.
Insoweit entspricht die unter Bezug auf die Abbildung von 6a dargestellte
Fußgängerschutzvorrichtung 1 von
der inneren Struktur her einem der in 4 beschriebenen
beiden Systeme. Hierbei sind nun die paarweise für jeden Sensor 2 vorgesehenen
Signalleitungen 4 und Rückleitungen 8 in
der flexiblen Folie als Signalleitungen 17 eingebettet
ausgeführt,
die auch die Sensoren 2 trägt. Hierdurch wird eine Montagezeit
bei gleichzeitiger Verbesserung der Lagegenauigkeiten der einzelnen
Sensoren 2 wesentlich verkürzt. Auch kann ein Teilsystem
bereits vor dem Einbau durch die Vorelektronik 5a auf Fehlerfreiheit
getestet werden.
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Eine
vergrößere Schnittdarstellung
der Ebene A-A von 6a ist in 6b zur
Verdeutlichung eines inneren Aufbaus einer flexiblen Folie 16 als Träger einer
Gruppe 13 von keramischen Sensoren 2 gezeigt.
Die flexible Folie 16 erfüllt verschiedene Aufgaben:
Eine Aufgabe besteht in einer mechanischen Fixierung jedes Sensors 2 der
Gruppe 13 an einer Oberfläche eines Körpers 19, der im vorliegenden Fall
einer Fußgängerschutzvorrichtung 1 ein
mechanisch starrer Teil einer Stoßstange ist. Diese Fixierung
wird über
eine an der Folie 16 außenseitlich vorgesehenen Selbstkleberschicht 20 bewirkt.
Eine weitere Aufgabe der flexiblen Folie 16 besteht in
einer elektrischen Kontaktierung der an der Folie fixierten Sensoren.
Hierzu ist die Folie 16 mehrschichtig aufgebaut. Im vorliegenden
Beispielfall sind zwei Folienschicht 21 mit elektrischen
Leitbahnen vorgesehen, die jeweils separat mit Außenkontakten
leitend verbunden sind. Diese Außenkontakte werden an dem Sensorkörper 23 durch
metallisierte runde Außenflächen 24, 25 jedes
der Sensoren 2 gebildet. Durch eine unfallbedingte Stauchung
des keramischen Sensors 2 in Richtung des eingezeichneten
Pfeils ist dann über
die mit den metallisierten Außenflächen 24, 25 verbundenen
elektrischen Leitbahnen der Signalleitungen 17 eine Ladungsänderung
messbar.
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Schließlich muss
die Folie 16 auch Schutz gegen Umwelteinflüsse und
insbesondere signalverfälschende
elektromagnetische Einstreuungen etc. bieten. Zu diesem Zweck weist
die Folie 16 an einer der Selbstkleberschicht 20 gegenüberliegenden
Außenseite
eine Metallisierungsschicht bzw. metallische Schutzschicht 26 zur
EMV-Abschirmung
auf. Durch diese durchgehende und geerdete Schutzschicht 26 wird
ein über
das gesamte relevante Spektrum hinweg wirksamer Schutz der Reaktionssignale 7 der
Sensoren 2 gewährleistet.
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Neben
der in 6b auch zeichnerisch dargestellten
Bauform eines keramischen Sensors 2 gibt es u.a. auch eine
Bauform, bei der die Kontaktflächen beide
an der selben Außenfläche angeordnet
sind, z.B. durch die Einarbeitung einer Durchmetallisierung in den
keramischen Körper 23 des
Sensors 2 hinein. Dementsprechend wird beim Einsatz einer
derartigen Sensor-Bauform in der flexiblen Folie 16 nur eine
Folienschicht 21 mit entsprechenden gegeneinander isolierte
Signalleitungen 17 zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen
Sensoren 2 vorgesehen. Die metallische Schutzschicht 26 kann
in diesem Fall durch Laminieren um die jeweiligen Sensoren 2 herum
mit der Folienschicht 21 sogar abdichtend verbunden werden.
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Die
in den 6a und 6b dargestellte Vorrichtung 1 ist über die
vorstehend beschriebene und auf einer Druckbelastung der Sensoren 2 beruhenden
Funktion hinaus auch für
weitere Anwendungen einsetzbar. Bei einem schwereren Unfall werden durch
starke Verformungen von äußeren Verkleidungselementen,
aber auch tragender Elemente des Chassis auch starke Biege- und
Zugkräfte
ausgeübt. Aufgrund
der i.d.R. geringen Außenabmessungen der
Körper
keramischer Sensoren 2 ist deren Empfindlichkeit gegenüber Biegebeanspruchungen
relativ gering. Die in der flexiblen Folie 16 und insbesondere
in der Folienschicht 21 enthaltenen Signalleitungen 17 dagegen
weisen gegenüber
derartigen Zugkräften
jedoch nur eine geringe Haltbarkeit auf. Während eines Unfalls werden
also einzelne beson ders betroffene Sensoren oder aber deren Signalleitungen 17 durch
Unterbrechung den elektrischen Kontakt zu der Vorelektronik 5a verlieren.
Diese Fehlfunktion wird umgehend erkannt und kann im Sinne einer Fehlerortung
verwendet werden. Ein in 6a durch den
Pfeil R angedeuteter Riss würde
schlagartig alle bis auf einen Sensor 2 von der Vorelektronik 5a trennen.
Gleichzeitig wäre
eine massive Störung
zwischen dem letzten noch ansprechbaren und dem ersten nicht mehr
elektrisch erreichbaren Sensor 2 feststellbar. Über mechanische
Oberflächenschwingungen
würde der
noch intakte Sensor während
eines Unfalls auch charakteristische Signale aufnehmen und weiterleiten,
die eine Unfalldiagnose und Lokalisierung zusätzlich bestätigen.
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In
einem nicht weiter graphisch dargestellten Anwendungsfall überspannt
die flexible Folie 16 von 6a jedoch
eine durch Verklebung verbundene Kontaktstelle zwischen einem metallischen
Verstrebungselement und einem Kohlefaser- bzw. CFK-Verstärkungselement
einer Karosserie. Aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften
sowie des vergleichsweise geringen Eigengewichts werden auch im
Automobilbau fortschreitend mehr Elemente aus Kohlefaser bzw. CFK
hergestellt. Da Schraub- und/oder Nietverbindungen aufwändig und
Schweißverbindungen
zwischen derartig unterschiedlichen Materialien ausgeschlossen sind,
werden neuerdings zunehmend Klebeverbindungen eingesetzt. Eine Langzeitstabilität derartiger
i.d.R. auch dynamisch belasteten Klebeverbindungen ist schon aus
Sicherheitsgründen
zu überwachen.
Aus dem Stand der Technik sind auch hierzu verschiedene Ansätze bekannt,
die jedoch erhebliche zusätzliche
Kosten verursachen. Anders jedoch bei Überbrückung einer Klebeverbindung
mit einem flexiblen Folienträger 16 einer
erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung 1: Auch
wenn sich eine derartige Verklebung nicht im Zusammenhang mit einem
Unfall, sondern außerhalb
des Betriebes des betreffenden Fahrzeugs und insbesondere sehr langsam
löst, so
wird diese Schwächung
dennoch durch den Riss R der Signalleitungen 17 spätestens
sofort beim Start des Fahrzeugs detektiert und über die Vorelektronik 5a entsprechend
gemeldet. Und diese sicherheitsrelevante Überwachungsfunktion ergibt
sich bei entsprechender Anordnung eines flexiblen Folienträgers 16 neben
der Realisierung der Aktuator-Sensor-Eigenschaften mit Überwachung
automatisch und ohne Zusatzkosten bei Installation und Betrieb.
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Eine
weitergehende Vorwarnung ist insbesondere bei der Überwachung
sensibler und sicherheitsrelevanter Verbindungen unter Verwendung
piezoelektrischer Kunststoff-Folien als Sensoren 2 möglich. Diese
leichten, dauerhaft flexiblen und bei einer Größe von i.d.R. unter 10 cm2 nur ca. 5 bis 500 μm dicken Körper 23 der Sensoren 2 tragen
aufgrund ihrer gerichteten Bipolarität bereits selber ein Ladungspotential
in sich und zeigen bei Druckeinwirkung, aber auch bei Zugeinwirkung
eine messbare kapazitive Ladungsänderung.
Somit können
bei Verwendung piezoelektrischer Kunststoff-Folien für einen Sensor 2 neben
den in 6b dargestellten Druckkräften auch
entgegengesetzt wirkende Kräfte
sowie in der Ebene des jeweiligen flächig ausgebildeten Sensors 2 liegende
Schubkräfte
etc. erfasst werden.
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Vorstehend
ist damit ein Sicherheitssystem 1 in verschiedenen Ausführungsbeispielen
vorgestellt worden, das unter Verwendung kostengünstiger, robuster, zuverlässiger und
einfach anzubringender Sensorelemente 2 zu einem flächendeckendes
Sensornetzwerk ausgebaut werden kann. Aufgrund einer insgesamt beherrschbaren
erforderlichen Rechnerleistung ist neben einem Selbsttest an Einzelelementen
und der Systemgesamtheit eine schnelle Ortung von Störungen und
Ermittlung von Daten zu Ort, Art und Schwere einer Beschädigung,
aber auch eine aktive Bedämpfung
von Schwingungen und Resonanzerscheinungen zur Minderung von Verschleiß und Geräuschen möglich.
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- 1
- Sicherheitssystem
- 2
- Sensor
- 3
- linker
Vorderkotflügel
- 4
- Signalleitung
- 5
- zentrale
Systemeinheit
- 6
- Anregungssignal
- 7
- Reaktionssignal
- 8
- Rückleitung
- 9
- Datenbank
- 10
- Modell
- 11
- Überwachungsbereich
der Sensoren 2
- 12
- Sicherheitseinrichtung
- 13
- Gruppe
von Sensoren 2
- 14
- Teilsystem
- 15
- Busleitung
- 16
- Folienträger
- 17
- Signalleitung
- 18
- Motorraum
- 19
- Innenraum
- 20
- Karosserie
- 21
- Selbstkleber
- 22
- Folienschicht
mit elektrischen Leitbahnen
- 23
- Keramischer
Sensorkörper
- 24
- metallisierte
runde Außenfläche des
keramischen Sensors 2
- 25
- metallisierte
runde Außenkontaktfläche des keramischen
Sensors 2
- 26
- metallische
Schutzschicht
- 27
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