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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 des 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 werden. 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 versehener 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 eine 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 Festigkeitsproblemen. 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 hinsichtlich 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 das 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 Kraftfahrzeug. 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:
- 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sicherheitssystems 1;
- 2: eine Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug, das auf einer Hälfte mit erfindungsgemäßen Systemen ausgestattet ist;
- 3: eine schematische Darstellung zweier Systeme gemäß 1 zur Überwachung von zwei verschiedenen Überwachungsbereichen;
- 4: eine schematische Darstellung zweier Systeme analog der Darstellung von 3 in einer zweiten Ausführungsform;
- 5: eine schematische Darstellung zweier Systeme analog der Darstellung der 3 und 4 in einer weiteren Ausführungsform;
- 6a: eine skizzenhafte Darstellung einer Fußgängerschutzvorrichtung und
- 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 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.
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Damit sind die jeweiligen Anregungssignale 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 störungsfreiem 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 Aufprallhärte 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 ist 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 Gruppe 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 Teilsysteme 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 erfindungsgemäß 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. Erfindungsgemäß kann zusätzlich aber auch eine Auslösung diverser Sicherheitssysteme 12 durch eine zentrale Systemeinheit 5 erfolgen, die vorausgewerteten 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 Folie16 als Träger einer Gruppe 13 von keramischen Sensoren 2 gezeigt. Die flexible Folie16 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 Folie16 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 Folie16 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 Folie16 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 besonders 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 Folie16 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.
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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Bezugszeichenliste
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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
