DE102008008082B4

DE102008008082B4 - Deformations-Kollisionssensor und Verfahren zur Überprüfung von dessen Funktion

Info

Publication number: DE102008008082B4
Application number: DE200810008082
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. Sondergeld
Original assignee: SCHMIDT FEINMECH; Gebrueder Schmidt Fabrik fuer Feinmechanik GmbH and Co KG
Current assignee: SCHMIDT FEINMECH; Gebrueder Schmidt Fabrik fuer Feinmechanik GmbH and Co KG
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-01-30
Also published as: EP2247471A2; WO2009095165A2; DE102008008082A1; WO2009095165A3

Abstract

Deformations-Kollisionssensor mit einem deformierbaren Hohlraum (12), mit mindestens einem an den Hohlraum (12) angeschlossenen akustischen Sensorelement (22), mit einer an das Sensorelement (22) angeschlossenen Auswerteeinheit (26), und mit einem an den Hohlraum (12) angeschlossenen akustischen Aktor (24) zum Einkoppeln von vorzugsweise stehenden Schallwellen (25) in dem Hohlraum (12), wobei die Auswerteeinheit (26) zum Auswerten von Signalen (23) ausgebildet ist, die von den Schallwellen (25) in dem Sensorelement (22) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Aktor (24) Schallwellen (25) im Frequenzbereich zwischen 5 und 500 Hz aussendet, dass der akustische Aktor (24) ein Heizelement (46) enthält und dass das Heizelement (46) aus einer Stromquelle (50) mit einem einstellbaren Strom gespeist wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Deformations-Kollisionssensor mit einem deformierbaren Hohlraum, mit mindestens einem an den Hohlraum angeschlossenen akustischen Sensorelement, mit einer an das Sensorelement angeschlossenen Auswerteeinheit, und mit einem an den Hohlraum angeschlossenen akustischen Aktor zum Einkoppeln von vorzugsweise stehenden Schallwellen in dem Hohlraum, wobei die Auswerteeinheit zum Auswerten von Signalen ausgebildet ist, die von den Schallwellen in dem Sensorelement erzeugt werden.
Die Erfindung betrifft ferner Kollisionssensoren in einem Kraftfahrzeug, insbesondere mit einem deformierbaren Hohlraum, mit mindestens einem an den Hohlraum angeschlossenen Sensorelement, mit einer an das Sensorelement angeschlossenen Auswerteeinheit, und mit einem an den Hohlraum angeschlossenen Aktor zum Erzeugen von vorzugsweise stehenden Wellen in dem Hohlraum, wobei die Auswerteeinheit zum Auswerten von Signalen ausgebildet ist, die von den Wellen in dem Sensorelement erzeugt werden und der Kollisionssensor bei vorbestimmten Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs hinsichtlich seiner Funktion überwachbar, insbesondere der Aktor für eine vorbestimmte Zeitdauer betätigbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner Verfahren zum Überprüfen der Funktion eines Deformations-Kollisionssensors, der einen deformierbaren Hohlraum aufweist.
Ein Deformations-Kollisionssensor der eingangs genannten Art ist aus der DE 10 2004 034 877 A1 , und Kollisionssensoren sowie Verfahren der oben genannten Art sind aus der DE 10 2004 003 199 A1 bekannt.
Es ist bekannt, Kraftfahrzeuge mit so genannten Kollisionssensoren auszurüsten, die erkennen, wenn das Kraftfahrzeug mit einem Hindernis zusammenstößt. Das Hindernis kann ein anderes bewegtes Fahrzeug sein, ein bewegtes Objekt, ein raumfestes Hindernis oder ein Fußgänger. Je nach Art der Kollision sind unterschiedliche Vorrichtungen bekannt, insbesondere für eine Frontalkollision, einen Seitenaufprall, einen Heckaufprall, einen Überschlag und einen Personenanprall.
Kollisionssensoren nutzen je nach Bauart unterschiedliche physikalische Effekte aus. Bei einer im Rahmen der vorliegenden Erfindung interessierenden Bauart wird im Fahrzeug ein gasgefüllter Hohlraum angeordnet, der bei einem Kollisionsereignis deformiert wird. Um diese Deformation zu erkennen, ist es bekannt, den Druckanstieg im Hohlraum ( DE 1 944 289 A , DE 43 22 488 A1 , DE 195 04 353 A1 ), die vom deformierten Hohlraum ausgehende Luftströmung ( DE 102 44 730 A1 , DE 102 44 732 A1 ) oder den Temperaturanstieg ( DE 100 57 258 C1 , DE 101 03 047 C1 ) zu erfassen und bei Überschreiten bestimmter Grenzwerte ein Signal auszulösen. Das Signal aktiviert seinerseits ein Insassen-Sicherheitssystem, beispielsweise einen Airbag, einen Gurtstraffer, einen Überrollbügel, eine Fußgänger-Schutzeinrichtung und dgl. mehr.
Bei einer weiteren Bauart von Kollisionssensoren wird ein bei der Kollision auftretendes Schallereignis erfasst und ausgewertet.
Aus der EP 0 305 654 B1 ist eine Vorrichtung zum Auslösen einer Sicherheitseinrichtung bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind Körperschallsensoren, beispielsweise Mikrofone, an einem Kraftfahrzeug angebracht. Die Körperschallsensoren erzeugen im Falle einer Kollision des Kraftfahrzeugs ein elektrisches Körperschallsignal. Dieses Signal wird einem Spektrums-Analysator zugeführt, der aus dem Körperschallsignal ein akustisches Leistungsspektrum erzeugt. Der Ausgang des Spektrums-Analysators steuert einen Auslöseprozessor für eine Insassen-Sicherheitseinrichtung.
Aus der US 4 842 301 A ist es bekannt, die im Falle einer Fahrzeugkollision auftretenden Körperschallsignale mittels piezoelektrischer Sensoren zu erfassen. Dabei wird ein Frequenzband zwischen 100 kHz und 1 MHz ausgewertet, indem ein entsprechendes Bandpassfilter eingesetzt wird.
In der US 4 346 914 A ist eine Kollisionssensorvorrichtung beschrieben, bei der ein akustischer Wellenleiter schleifenförmig an der Fahrzeug-Tragstruktur entlang geführt und an bestimmten Punkten mit dieser verschweißt ist. An den freien Enden des Wellenleiters befinden sich piezoelektrische Sensoren, die ebenfalls im Bereich zwischen 100 kHz und 1 MHz arbeiten. Im Falle einer Kollision des Fahrzeugs wird über die Schweißpunkte eine akustische Welle in dem Wellenleiter angeregt und demzufolge ein entsprechendes Signal in den Sensoren erzeugt. Eine Deformation des Wellenleiters ist bei dieser Vorrichtung nicht vorgesehen.
Die oben genannten bekannten Vorrichtungen, die ein Schallsignal auswerten, haben den Nachteil, dass auch Körperschallsignale erfasst werden, die nicht durch eine Kollision des Fahrzeugs verursacht wurden, beispielsweise bei einem heftigen Zuschlagen einer Fahrzeugtür. Dies kann zu Fehlauslösungen der Insassen-Sicherheitseinrichtung führen.
In der EP 0 445 907 A2 ist eine Kollisionssensor-Vorrichtung für Kraftfahrzeuge beschrieben. Bei dieser Vorrichtung ist ebenfalls ein akustischer Wellenleiter in dem Fahrzeug angeordnet, jedoch von dessen Tragstruktur akustisch isoliert. Im Kollisionsfall wird der Wellenleiter verformt. Die Verformung regt eine akustische Welle im Wellenleiter an, und diese Welle wird wiederum mittels Sensoren erfasst. Die Sensorsignale werden einem Prozessor zugeführt, der aus den Sensorsignalen ein Auslösesignal für eine Insassen-Sicherheitseinrichtung erzeugt, wenn bestimmte Grenzwerte überschritten wurden. Durch die akustische Entkopplung des Wellenleiters von der Fahrzeugstruktur ist sichergestellt, dass nur Kollisionsereignisse erfasst werden, bei denen eine Verformung des Wellenleiters auftritt.
Die DE 100 34 524 A1 offenbart ein Verfahren zur Erkennung einer unfallbedingten Verformung eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs. Dabei wird ein Bauteil des Kraftfahrzeugs wiederholt mit einem definierten Frequenzimpuls angeregt und das aus der Anregung resultierende Körperschallfrequenzspektrum analysiert.
In der DE 102 59 527 A1 ist ein Aufprallsensor beschrieben, bei dem eine Deformation einer Befestigungsschraube einer Stoßstange mittels Ultraschall erfasst wird. Zu diesem Zweck ist die Schraube mit einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger versehen. Das Ultraschallsignal breitet sich vom Sender in Längsrichtung der Schraube aus, wird an deren Ende reflektiert und läuft zum Empfänger zurück. Bei einer durch eine Kollision verursachten Längenänderung ändert sich die Laufzeit des Ultraschallsignals, die damit als Kriterium für das Auftreten einer Kollision ausgewertet werden kann.
Die DE 10 2004 034 877 A1 offenbart einen Aufprallsensor, bei dem ein Piezokristall-Schallsender Ultraschallsignale mit einer Frequenz von mehr als 10 kHz in einen verformbaren zylindrischen Hohlraum von 1,50 m Länge einkoppelt, derart, dass in dem Hohlraum eine stehende Welle entsteht. Der Schallsender ist dabei an einer Stirnseite und ein Schallempfänger an der gegenüberliegenden Stirnseite angebracht. Bei einer Kollision des Fahrzeugs wird der Hohlraum verformt, und damit ändert sich das von dem Schallempfänger empfangene Signal. Zur Verifikation, ob tatsächlich eine Kollision stattgefunden hat, kann der Schallsender nochmals einen Testimpuls aussenden, und das vom Schallempfänger empfangene Signal wird dann bewertet.
Dieser bekannte Kollisionssensor hat den Nachteil, dass eine stehende Welle im Hohlraum nur schwierig aufrecht zu erhalten ist, wenn bei einer Länge des Hohlraums von 1,50 m die Wellenlänge bei 10 kHz nur 3,3 cm beträgt, also 45 Perioden des Schallsignals im Hohlleiter stehen. Dann ändert sich die für das Einkoppeln des Schallsignals des Schallsenders ebenso wie die für das Auskoppeln des Schallsignals am Schallempfänger wichtige Position der Schwingungsknoten bzw. Schwingungsbäuche bereits bei geringster Änderung der Resonanzfrequenz des Hohlraums, insbesondere infolge Temperaturänderung, so stark, dass im Hinblick auf eine Güte des Hohlraums von beispielsweise zwischen 100 und 1.000 ein Signalabfall entsteht, der als Kollision fehlinterpretiert werden könnte. Für den bekannten Sensor wird daher bereits in der Druckschrift selber eine Frequenzstabilisierung durch Wobbeln der Schallfrequenz am Schallsender vorgeschlagen, was jedoch aufwendig und störanfällig ist. Die Verwendung von Schallsignalen im Ultraschallbereich hat ferner den Nachteil, dass es zu Interferenzen mit den Schallereignissen kommen kann, die als so genannter „Materialschrei” bei einer Kollision auftreten.
Die vorstehend geschilderten Kollisionssensoren beschränken sich sämtlich darauf, ein Kollisionsereignis zu erkennen. Sie setzen damit einen Kollisionssensor voraus, der sich im Augenblick unmittelbar vor der Kollision in einwandfreiem Zustand befindet.
Bei den bekannten Deformations-Kollisionssensoren besteht jedoch das Problem, dass im Langzeitgebrauch des Kraftfahrzeugs der Hohlraum durch andere Ursachen verformt wird oder sich Löcher oder Risse im Hohlraum ausbilden. Damit ändert sich die akustische Charakteristik des Sensors, und ein zuverlässiges Auslösen der Insas sen-Sicherheitseinrichtung ist nicht mehr gewährleistet. Dadurch können bei einer schweren Kollision lebensgefährliche Situationen entstehen.
Besonders kritisch ist dabei eine Rissbildung in der Hohlraumwand, die eine Leckage der Kompressionsluft zur Folge hat und den zu detektierenden Druckanstieg bzw. die zu detektierende Luftströmung verfälscht oder sogar unterbindet. Ebenso kann eine durch äußere Krafteinwirkung verursachte bleibende Verengung des Hohlraumquerschnitts oder ein komplettes lokales Abklemmen eines Hohlraumbereichs dazu führen, dass die zu detektierende Luftverdrängung über die Engstelle hinaus nicht mehr zu dem Sensorelement weitergeleitet werden kann, das den Druckanstieg bzw. die Luftströmung erfasst. Dies ist der Fall wenn die durch die Kollision verursachte Deformation jenseits der Engstelle in einem vom Sensorelement abgewandten Volumenabschnitt des Hohlraums stattfindet.
Aus der eingangs genannten DE 10 2004 003 199 A1 ist eine Vorrichtung zur Aufpralldetektion bekannt. Die Vorrichtung weist einen Hohlleiter auf, in den mittels eines Senders ein Mikrowellensignal von 2,4–2,5 oder 5,72–5,875 GHz eingekoppelt wird. Die Vorrichtung misst die Laufzeit des Mikrowellensignals zwischen dem Sender und einem am gegenüberliegenden oder demselben Ende des Hohlleiters befindlichen Empfänger. Wenn der Hohlleiter nicht deformiert ist, ergibt sich eine vorbestimmte Laufzeit. Wird der Hohlleiter durch einen Aufprall verformt, ändert sich die Laufzeit, und diese Laufzeitänderung wird als Aufprall detektiert. Die bekannte Vorrichtung ermöglicht auch einen Funktionstest, indem die gemessene Laufzeit vor oder während des Betriebs der Vorrichtung mit abgespeicherten Daten verglichen wird.
Die bekannte Vorrichtung hat damit den Nachteil, dass eine aufwendige Mikrowellenapparatur benötigt wird. Ferner ist die Laufzeitmessung eine relativ ungenaue Messmethode, weil die Laufzeit einer Welle in einem länglichen Hohlleiters erheblich mehr von Änderungen der Länge als der Querschnittsform beeinflusst wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Deformations-Kollisionssensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die oben genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll der erfindungsgemäße Sensor temperaturunempfindlich sein und eine sofortige Erkennung der geschilderten Störfälle, insbesondere einer Verformung oder einer Leckstelle (Loch oder Riss) des Hohlraums, gewährleisten, so dass eine solche Störung sogleich durch Austausch des Hohlraums behoben werden kann. Diese Erkennung soll unabhängig davon geschehen, nach welchem physikalischen Prinzip (Luftdruck, Luftströmung, Temperatur, Schall usw.) die kollisionsbedingte Deformation des Hohlraums erfasst wird.
Schließlich soll gewährleistet sein, dass es zu keiner störenden Wechselwirkung der erfindungsgemäßen Überprüfung der Funktion und der eigentlichen Funktion des Kollisionssensors kommt.
Bei einem Deformations-Kollisionssensor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der akustische Aktor Schallwellen im Frequenzbereich zwischen 5 und 500 Hz aussendet, dass der akustische Aktor ein Heizelement enthält und dass das Heizelement aus einer Stromquelle mit einem einstellbaren Strom gespeist wird.
Bei einem Kollisionssensor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gemäß einer ersten Variante erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Aktor ein akustischer Aktor und das Sensorelement ein akustisches Sensorelement ist, wobei der akustische Aktor eine stehende Schallwelle in den Hohlraum einkoppelt und das sich in dem Hohlraum ausbreitende Schallereignis erfasst und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, und dass der quadratische Mittelwert des Ausgangssignals des das Schallereignis erfassenden Sensorelementes bestimmt und der quadratischen Mittelwert mit dem Sollwert verglichen wird.
Bei einem Kollisionssensor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gemäß einer zweiten Variante erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Aktor ein akusti scher Aktor und das Sensorelement ein akustisches Sensorelement ist, wobei der akustische Aktor eine stehende Schallwelle in den Hohlraum einkoppelt und das sich in dem Hohlraum ausbreitende Schallereignis erfasst und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, und dass der Quotient aus Scheitelwert und Effektivwert des Ausgangssignals des das Schallereignis erfassenden Sensorelementes bestimmt und der Quotient mit dem Sollwert verglichen wird.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gemäß einer ersten Variante erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine vorzugsweise stehende Schallwelle in den Hohlraum eingekoppelt, und das sich in dem Hohlraum ausbreitende Schallereignis erfasst und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, und dass der quadratische Mittelwert des Ausgangssignals eines das Schallereignis erfassenden Sensorelementes bestimmt und der quadratische Mittelwert mit dem Sollwert verglichen wird.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gemäß einer zweiten Variante erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine vorzugsweise stehende Schallwelle in den Hohlraum eingekoppelt und das sich in dem Hohlraum ausbreitende Schallereignis erfasst und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, und dass der Quotient aus Scheitelwert und Effektivwert des Ausgangssignals eines das Schallereignis erfassenden Sensorelementes bestimmt und der Quotient mit dem Sollwert verglichen wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Die Erfindung gestattet es nämlich erstmals, einen Kollisionssensor in einem Kraftfahrzeug hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit zu überwachen, insbesondere die gesamte Messkette, bestehend aus Hohlraum und Sensorelement automatisch zu überwachen, so dass eine Störung der oben geschilderten Art unverzüglich angezeigt wird und sogleich in einer Fachwerkstatt behoben werden kann.
Damit es nicht zu unerwünschten Wechselwirkungen mit der eigentlichen Kollisionserkennung kommt, wird die Überprüfung der Funktionsfähigkeit einerseits nur kurzzeitig und vorzugsweise nur dann vorgenommen, wenn eine Kollisionserkennung nicht erforderlich ist.
Die Verwendung einer sehr niedrigen Frequenz hat den Vorteil, dass die Ein- und Auskopplung der Schallwelle in den bzw. aus dem Hohlraum unkritisch hinsichtlich Schwankungen der Umgebungstemperatur ist.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass in Gestalt des Heizelements ein effektiver akustischer Aktor mit einfachen und handelsüblichen Elementen zur Verfügung gestellt werden kann, der eine ausreichende Bandbreite hat und ohne bewegte Elemente eine Schallwelle zu erzeugen vermag.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Sensorelement ferner zur Aufnahme eines Kollisionssignals ausgebildet, das durch ein auf den Kollisionssensor einwirkendes Kollisionsereignis im Hohlraum erzeugt wurde.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass dann, wenn zum Erkennen des Kollisionsereignisses ein Schallsignal ausgewertet wird, das Sensorelement und die Auswerteeinheit nicht nur in der beschriebenen Weise zur Überwachung der Funktion des Kollisionssensors eingesetzt werden. Vielmehr dient das Sensorelement dann auch für die eigentliche Funktion, nämlich das Erkennen eines Kollisionsereignisses. Durch diese Doppelfunktion von Sensorelement und Auswerteeinheit werden der benötigte Einbauraum im Kraftfahrzeug sowie die Herstellkosten reduziert.
Alternativ kann aber auch, insbesondere für den Fall, dass andere physikalische Effekte als der Schall für die Erkennung eines Kollisionsereignisses ausgewertet werden sollen, ein weiteres Sensorelement an den Hohlraum angeschlossen werden, das zur Aufnahme eines Kollisionssignals ausgebildet ist, das durch ein auf den Kollisionssensor einwirkendes Kollisionsereignis im Hohlraum erzeugt wurde.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass man in der Auswahl des physikalischen Effektes frei ist.
Vorzugsweise ist der Hohlraum mit einem Fluid, insbesondere mit Luft, befüllt, und das Sensorelement und/oder das weitere Sensorelement erfasst einen physikalischen Parameter aus der Gruppe: Fluiddruck, Fluidströmung, Fluidtemperatur.
Besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung eines thermischen Strömungs-Sensorelements, weil dieses eine optimale Empfindlichkeit für den vorliegenden Anwendungsfall aufweist.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung koppelt der akustische Aktor eine periodische Schallwelle fester Frequenz in den Hohlraum ein.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass durch die Dauerstrich-Anregung eine stabile Schallwelle im Hohlraum erzeugt wird, die ein ebenso stabiles Signal des Sensorelementes zur Folge hat. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Frequenz der Resonanzfrequenz des Hohlraums entspricht.
Alternativ kann der akustische Aktor aber auch eine Schallwelle in Form eines einmaligen Drucksprungs in den Hohlraum einkoppeln.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass bei bestimmten Aktoren die Ansprechzeit vermindert werden kann, wenn der Aktor mit einem hohen Sprungsignal beaufschlagt wird. Der Aktor muss dann hinsichtlich seiner Ansprechcharakteristik bei Erregung keine besonderen Anforderungen erfüllen. Dann wird eine einmalige Stoßwelle in dem Hohlraum erzeugt, die wiederum Echos erzeugt, wobei dann der Abstand der Echos ein Maß für die Resonanzfrequenz des Hohlraums ist.
Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der akustische Aktor nacheinander Schallwellen unterschiedlicher Frequenz in den Hohlraum einkoppeln.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass mit einer Einkopplung von Schallwellen unterschiedlicher Frequenz eine bessere Differenzierung der Art der Störung möglich ist.
Aus den bereits erwähnten Gründen ist auch hier bevorzugt, wenn der Strom ein periodisch getasteter Gleichstrom ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Schallwelle im Hohlraum besonders effektiv angeregt werden kann.
Vorzugsweise wird der Gleichstrom dabei mit einem Tastverhältnis von 50% und weiter vorzugsweise mit einer Tastfrequenz zwischen etwa 10 und 300 Hz getastet.
Alternativ kann der Gleichstrom, wie bereits erwähnt, auch einmalig stufenförmig getastet sein.
Weiter alternativ kann der Strom auch ein Wechselstrom sein.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Ausführungsbeispiels mit einem Heizelement ist das Heizelement flächig, insbesondere als Trägermembran mit darauf strukturierten Heizleiterbahnen, ausgebildet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die thermische Zeitkonstante sehr gering ist, beispielsweise kleiner als 1 ms, und dadurch eine entsprechend große Temperaturmodulation erreicht wird, mit der effektiv eine Schallwelle in dem Hohlraum angeregt werden kann.
Eine besonders gute Wirkung wird erzielt, wenn das Heizelement in einer Kammer angeordnet ist, und die Kammer bis auf eine Austrittsöffnung geschlossen ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass innerhalb der Kammer ein pulsierender Druck erzeugt wird, der über die Austrittsöffnung besonders gut an den Hohlraum angekoppelt werden kann.
Es ist weiter bevorzugt, wenn die Kammer langgestreckt, insbesondere zylindrisch ist, und das Heizelement entlang einer Längsachse der Kammer angeordnet ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine Bauform vorliegt, bei der in dem Hohlraum in besonders effektiver Weise ein möglichst hoher Schalldruck entsteht und dadurch eine intensive Schallwelle angeregt werden kann.
Dabei wird eine gute Wirkung dadurch erzielt, dass das Heizelement einen radialen Abstand von einer Innenwand der Kammer aufweist, wobei der Abstand ungefähr gleich groß wie, aber nicht kleiner als die Dicke der Temperaturgrenzschicht um das Heizelement herum ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Austrittsöffnung im Bereich eines Schwingungsknotens einer durch den akustischen Aktor im Hohlraum angeregten, stehenden Schallwelle angeordnet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Schallwelle in dem Hohlraum mit besonders hohem Wirkungsgrad angeregt wird.
Dies gilt insbesondere, wenn die Austrittsöffnung an einem geschlossenen Ende des Hohlraums angeordnet ist.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn das Sensorelement und der akustische Aktor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine geringe Baugröße entsteht und dass eine Vorfertigung dieser Baugruppe möglich ist, was die spätere Montage in dem Kraftfahrzeug erleichtert.
Bei einer ersten bevorzugten Form der Signalauswertung in dem erfindungsgemäßen Kollisionssensor bestimmt die Auswerteeinheit den quadratischen Mittelwert des Ausgangssignals des Sensorelementes und vergleicht den quadratischen Mittelwert mit einem vorgegebenen Sollwert.
Bei einer zweiten bevorzugten Form der Signalauswertung in dem erfindungsgemäßen Kollisionssensor bestimmt die Auswerteeinheit den Quotienten aus Scheitelwert und Effektivwert des Ausgangssignals des Sensorelementes und vergleicht den Quotienten mit einem vorgegebenen Sollwert.
Bei einer dritten bevorzugten Form der Signalauswertung wird nacheinander eine Schallwelle einer ersten Frequenz und danach eine Schallwelle doppelter Frequenz in den Hohlraum eingekoppelt.
Diese alternativen Auswertmöglichkeiten gestatten es, bei den verschiedenen Störfällen (Deformation, Leckage) individuell mit höchstmöglicher Genauigkeit den jeweiligen Störfall zu erkennen.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kollisionssensors ist der vorbestimmte Betriebszustand die Betätigung eines Anlassers des Kraftfahrzeugs.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Kollisionssensors vor Antritt der Fahrt stattfindet, also zu einem Zeitpunkt, an dem nicht mit einer Kollision zu rechnen ist.
Alternativ oder zusätzlich kann der vorbestimmte Betriebszustand aber auch ein Stillstand des Kraftfahrzeugs sein.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Überprüfung in kürzeren Zeitabständen stattfindet.
Weiter ist bei Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt, wenn der akustische Aktor eine periodische Schallwelle in den Hohlraum einkoppelt und dass die vorbestimmte Zeitdauer kürzer als etwa 20 Perioden der Schallwelle ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Überprüfung in einer minimalen Zeitdauer abgeschlossen ist. Wenn der akustische Aktor beispielsweise Schallwellen im Frequenzbereich zwischen 5 und 500 Hz aussendet, dann beträgt die Zeitdauer nur wenige Millisekunden oder Sekunden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine äußerst schematisierte Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Deformations-Kollisionssensors;
2 eine Darstellung, ähnlich 1, jedoch für ein geringfügig abgewandeltes Ausführungsbeispiel;
3 eine weitere Darstellung, ähnlich 1, jedoch für ein anderes, geringfügig abgewandeltes Ausführungsbeispiel;
4 eine Detaildarstellung eines akustischen Aktors, so wie er bei dem Deformations-Kollisionssensor der 1 bis 3 verwendet werden kann;
5 ein Signal/Zeitdiagramm zur Veranschaulichung eines Dauerstrich-Verfahrens, wie es bei dem erfindungsgemäßen Deformations-Kollisionssensor verwendet werden kann;
6 ein Signal/Zeitdiagramm, ähnlich 5, jedoch zur Veranschaulichung eines Impuls-Verfahrens;
7 ein Signal/Frequenzdiagramm;
8 ein Diagramm, darstellend den Verlauf des Signals und eines Crest-Wertes in Abhängigkeit von der Axialkoordinate eines länglichen Hohlraums in dem erfindungsgemäßen Deformations-Kollisionssensor, für den Fall einer Verformung des Hohlraums;
9 ein Diagramm, darstellend den Verlauf des Signals und eines Crest-Wertes in Abhängigkeit von der Axialkoordinate eines länglichen Hohlraums in dem erfindungsgemäßen Deformations-Kollisionssensor, für den Fall einer Leckage im Hohlraum; und
10 eine Entscheidungsmatrix für unterschiedliche erfindungsgemäße Signal-Auswerteverfahren bei unterschiedlichen Störfällen.
Die vorliegende Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass sich in einem Gasvolumen bei entsprechender Anregung Schallwellen ausbreiten können. Im Folgenden wird vereinfachend von „Luft” gesprochen, es versteht sich jedoch, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung, insbesondere bei geschlossenen Hohlräumen, auch andere Gase verwendet werden können.
Die Eigenschaften der Schallwellen werden durch die Form und Abmessungen des die Luftsäule einschließenden Hohlraums bestimmt. Der Hohlraum kann dabei in an sich bekannter Weise ein separates Bauteil oder ein struktureller Hohlraum des Fahrzeugs sein, beispielsweise der Innenraum einer Tür des Kraftfahrzeugs. Der Hohlraum ist vorzugsweise geschlossen, er kann aber auch teilweise offen sein, beispielsweise einseitig offen oder er kann gezielt vorgesehene Abströmöffnungen aufweisen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Schallwelle in dem Hohlraum erzeugt und mittels eines Sensorelements erfasst, ob das aktuelle Ausbreitungsmuster der Schallwelle dem Ausbreitungsmuster des ungestörten Hohlraums entspricht, wozu spezielle Auswerteverfahren vorgesehen sind. Wenn der Zustand des Hohlraums gestört ist, beispielsweise durch eine Deformation (Klemmung, Engstelle) oder durch eine Leckage (Loch, Riss), dann wird dies erfindungsgemäß individuell erkannt und angezeigt.
Um den Zustand eines resonanzfähigen Hohlraums zu überprüfen, wird erfindungsgemäß mittels eines akustischen Aktors ein Schallimpuls in die in dem Hohlraum befindliche Luftsäule eingekoppelt. Der Aktor ist dabei vorzugsweise als thermo-pneumatischer Aktor ausgebildet. In dem Hohlraum wird dann eine Schallwelle erzeugt, für die gilt: C = νλ [1]wobei c die Schallgeschwindigkeit in Luft, ν die Schwingungsfrequenz und λ die Wellenlänge in dem Hohlraum ist. Die Schallwelle kann sich als stehende Welle ausbilden, wenn zusätzlich die Modenbedingung λn = 2L/n (n = 1, 2, 3 ...) [2] erfüllt ist, in der L die wirksame Länge des Hohlraums ist. Eine stehende Welle bildet sich daher nur dann im Hohlraum aus, wenn die Anregungsfrequenz ν entsprechend [1] und [2] mit der Resonanzfrequenz νn = nc/2L (n = 1, 2, 3 ...) [3]zusammenfällt. Wenn der Hohlraum einen gestörten Zustand hat, wenn er also beispielsweise an einer bestimmten Stelle deformiert, insbesondere abgeklemmt, ist oder sich an einer bestimmten Stelle eine Leckage in Form eines Lochs oder eines Risses befindet, dann ändert sich die wirksame Resonanzlänge L entsprechend. Die Resonanzfrequenz ν_n aus [3] ändert sich dann ebenfalls. Eine Verschiebung der Resonanzfrequenz signalisiert somit einen gestörten Zustand. Diese Verschiebung kann mittels eines schallempfindlichen Sensorelements erfasst und in einer Auswerteschaltung erkannt werden.
Auf ähnliche Weise lassen sich die Bedingungen für einen nicht-geschlossenen, beispielsweise einseitig offenen Hohlraum ableiten, indem die Gleichungen [2] und [3] auf offene Resonatoren angepasst werden.
Das Sensorelement kann als Drucksensor oder als Strömungssensor ausgebildet sein, wobei thermische Strömungssensoren bevorzugt sind. Ferner ist bevorzugt, wenn das Sensorelement zugleich als Prallsensorelement für die eigentliche Funktion des Kollisionssensors dient, nämlich das Erkennen eines Kollisionsereignisses.
In 1 bezeichnet 10 als ganzes ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Deformations-Kollisionssensors. Der Kollisionssensor 10 weist einen Hohlraum 12 auf, der im dargestellten Beispiel langgestreckt-zylindrisch ausgebildet ist. Der Hohlraum 12 ist ein resonanzfähiges Gebilde, das im Frequenzbereich von 5 bis 500, vorzugsweise von 10 bis 300 Hz resonanzfähig ist. Der Hohlraum 12 hat eine Güte, die in der Praxis zwischen 100 und 1.000 liegen kann.
Ein in 1 linkes, hinteres Ende 14 des Hohlraums 12 ist geschlossen. An ein in 1 rechtes, vorderes Ende 16 ist eine Y-förmige Verzweigung mit einem ersten schallführenden Kanal 18 und einem zweiten schallführenden Kanal 20 angeschlossen.
Der erste Kanal 18 führt zu einem Sensorelement 22 und leitet diesem ein akustisches Signal 23 zu. Das Sensorelement 22 dient in erster Linie dazu, die Funktionsfähigkeit des Kollisionssensors 10 in der weiter unten ausführlich beschriebenen Weise zu überwachen. Er kann zusätzlich aber auch Signale erfassen, die zum Erkennen eines Kollisionsereignisses dienen, sofern dafür nicht ein separates Sensorelement vorgesehen ist. Der zweite Kanal 20 führt zu einem akustischen Aktor 24, der eine Schallwelle 25 erzeugen und in diesen abgeben kann.
Eine Auswerteeinheit 26 ist mit einer Leitung 27 an das Sensorelement 22 und mit einer Leitung 28 an den Aktor 24 angeschlossen. Ein Ausgang 29 der Auswerteeinheit 26 führt zu einer nicht dargestellten Auslöseeinheit für ein Insassen-Sicherheitssystem, das beispielsweise Airbags, Gurtstraffer, einen Überrollbügel oder dergleichen enthält.
Das Sensorelement 22, der Aktor 24 und die Auswerteeinheit 26 sowie ggf. auch die Y-förmige Verzweigung können in einem gemeinsamen Gehäuse 30 angeordnet sein, das in 2 dargestellt ist. Das Gehäuse 30 ist dort an dem vorderen Ende 16 angeordnet. Alternativ kann das Gehäuse 30' auch an eine Mittenposition 31 des Hohlraums 12' angeschlossen werden, wie in 3 gezeigt. Bevorzugt ist in jedem Falle, dass der Aktor 24 an einen Schwingungsknoten der Schallwelle im Hohlraum 12 angeschlossen ist, weil dann eine optimale Ankopplung vorliegt.
In 1 ist mit 32 ein optionales, weiteres Sensorelement angedeutet, das ebenfalls an den Hohlraum 12 angeschlossen ist. Das weitere Sensorelement 32 erfasst ein für ein Kollisionsereignis charakteristisches Signal. Wenn diese Funktion bereits von dem Sensorelement 22 ausgeführt wird, wie oben geschildert, ist kein weiteres Sensorelement 32 erforderlich. Das weitere Sensorelement kann selbstverständlich auch anderweitig angeordnet sein und nach beliebigen anderen, geeigneten physikalischen Wirkprinzipen arbeiten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Störungen von Interesse, die den Zustand des Hohlraums 12 betreffen. Im ungestörten Zustand hat der Hohlraum 12 eine vorgegebene, beispielsweise zylindrische Form. Infolge von äußeren Einflüssen kann nun der Hohlraum deformiert werden, wie in 1 mit 34 und 36 angedeutet. Es kann sich dabei um eine Beule handeln oder aber um einen Klemmdefekt 34, bei dem der Hohlraum 12 über einen wesentlichen Teil seines Querschnitts verengt ist, wie in 1 angedeutet. Eine weitere Störung wird durch eine Leckage gebildet, die in 1 als Lochdefekt 36 angedeutet ist, die aber auch ein Riss oder eine poröse Stelle sein kann. Die Defekte 34, 36 befinden sich im dargestellten Beispiel an einer Position z, wobei z = 0 am vorderen Ende 16 liegt.
4 zeigt Einzelheiten des akustischen Aktors 24. Der Aktor 24 weist ein Gehäuse 40 auf, in dem sich eine Kammer 42 befindet. Das Gehäuse 40 und die Kammer 42 sind mit Ausnahme einer gemeinsamen Austrittsöffnung 43 geschlossen. Die Kammer 42 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mindestens näherungsweise zylindrisch.
In einem Innenraum 44 der Kammer 42 befindet sich entlang der Längsachse der Kammer 42 ein Heizelement 46. Das Heizelement 46 ist zum Beispiel ein Filament, bei dem ein dünner Hitzdraht, beispielsweise ein Platindraht von 20 μm Durchmesser, mäanderartig oder gestreckt in einer Ebene oder als Wendel um eine Längsachse herum angeordnet ist. Bevorzugt ist eine so genannte Hotplate. Diese besteht aus einem ebenen Membran-Chip aus Silizium mit entsprechender Heizstruktur. Derartige Filament-Heizelemente haben eine sehr kurze Ansprechzeit und sind in einem großen Frequenzbereich betreibbar. Daher werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung derartige Heizelemente als thermisch-pneumatische akustische Aktoren eingesetzt anstelle von herkömmlichen mechanischen akustischen Aktoren, beispielsweise piezoelektrischen Elementen, die üblicherweise nur bei einer festen Frequenz und in einem sehr viel höheren Frequenzbereich, insbesondere im Ultraschallbereich, betreibbar sind.
Das Heizelement 46 ist unmittelbar oder induktiv an eine Stromquelle 50 angeschlossen, der über einen ersten Eingang 52 eine Heizspannung U_H und über einen zweiten Eingang 54 eine Steuerspannung U_C zugeführt wird. Der von der Stromquelle 50 an das Heizelement 46 gelieferte Strom kann ein Wechselstrom sein. Bevorzugt ist jedoch ein getasteter Gleichstrom, d. h. ein rechteckförmiger Zeitverlauf, bei dem mittels der Steuerspannung U_C der Heizstrom mit einem Tastverhältnis von 50% und einer Tastfrequenz im Bereich zwischen ca. 5 bis 500 Hz, vorzugsweise von etwa 10 und 300 Hz, einstellbar ist. Der an das Heizelement 46 gelieferte Strom hat dann ebenfalls einen rechteckförmigen zeitlichen Verlauf, der zwischen dem Wert 0 und einem vorbestimmten Stromwert hin- und herschaltet.
In der Kammer 42 befindet sich im dargestellten Beispiel atmosphärische Luft. Diese wird bei eingeschaltetem Heizelement 46 um das Heizfilament herum erwärmt. Aufgrund der periodischen Erwärmung findet eine Bewegung der Luft statt, die einen Luftaustausch an der Oberfläche der Filamente bewirkt. Aufgrund dessen wird periodisch nicht-erwärmte Luft an die Heizfilamente transportiert, so dass die Temperaturdifferenz zwischen den Heizfilamenten und der Luft hoch ist und die Ansprechzeit niedrig. Mit a ist in 4 die Dicke der so genannten Temperaturgrenzschicht bezeichnet. Unter der Dicke der Temperaturgrenzschicht ist der Abstand vom Heizelement 46 zu verstehen, bei dem in ruhender Umgebungsluft die Temperatur auf den 1/100-fachen Betrag abgesunken ist.
Der Abstand der Heizfilamente zur Innenwand der Kammer 42 beträgt vorzugsweise etwa a. Damit werden ein thermisches Übersprechen und damit verbundene Wärmeverluste in der Wand der Kammer 42 vermieden.
Aufgrund der getasteten Wärmeerzeugung dehnt sich die Luft im Innenraum 44 der Kammer 42 periodisch und ebenfalls getastet aus. Weil die Wärmeerzeugung proportional zum Quadrat der Stromstärke ist, beträgt die Frequenz der Luftstöße das Doppelte der Tastfrequenz des Heizstroms bzw. der Steuerspannung U_C. Die Luftstöße werden durch die Austrittsöffnung 43 nach außen in den Hohlraum 12 geblasen, wodurch in dem Hohlraum 12 eine Schwingung der darin befindlichen Luftsäule und bei geeigneter Tastfrequenz eine stehende Schallwelle angeregt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt, wenn die Luftstöße als Dauerstrich-Signal konstanter Frequenz, vorzugsweise bei der Resonanzfreqeunz des Hohlraums 12, in den Hohlraum 12 eingekoppelt werden. Dann hat das vom Sensorelement 22 erfasste Schallsignal S einen in 5 in einem ersten Diagramm 60 dargestellten Verlauf 62 in Abhängigkeit von der Zeit t. Wie noch erläutert werden wird, ist es auch möglich, den Hohlraum 12 zeitlich nacheinander mit einer ersten Frequenz und mit einer zweiten, vorzugsweise der doppelten Frequenz anzuregen.
Alternativ ist es auch möglich, die Schallwelle im Hohlraum 12 mit einer Sprungfunktion anzuregen, bei der der an das Heizelement 46 gelieferte Strom zu einem bestimmten Zeitpunkt von 0 auf einen endlichen Wert springt und dort verbleibt. Dies hat zur Folge, dass eine impulsförmige Schallwelle in dem Hohlraum erzeugt wird, die Echos erzeugt und je nach der Güte des Hohlraums langsam abklingt.
Dann hat das vom Sensorelement 22 erfasste Schallsignal den in 6 in einem zweiten Diagramm 66 gezeigten Verlauf 68, der in der Schallamplitude abklingende Echos zeigt. Die Einhüllende der Echos gibt dabei die Güte des Hohlraums 12 und der Abstand der Echos die Resonanzfrequenz wieder.
Im bevorzugten Fall der 5 wird das Heizelement 46 jedoch in der oben beschriebenen Weise mit einer festen Frequenz des Heizstroms angesteuert, die so bemessen ist, dass die vom Aktor 24 abgegebenen Luftstöße in dem resonanzfähigen Hohlraum 12 eine stehende Schallwelle anregen, die der Grundschwingung des Hohlraums 12 entspricht (n = 1, ν = ν₁). Das Sensorelement 22 erzeugt dann ein Signal S mit der Frequenz ν₁ und maximaler Amplitude. Dieses Signal S zeigt dann an, dass der Hohlraum 12 unverändert und die Funktion des Kollisionssensors 10 insofern nicht beeinträchtigt ist. Diese Form der Überwachung kann kontinuierlich oder in vorgegebenen zeitlichen Überwachungsintervallen erfolgen.
Falls nun in einem Störfall die Grundfrequenz ν₁ des Hohlraums 12, beispielsweise durch einen Klemmdefekt 34 und/oder einen Lochdefekt 36, verändert wird, dann entspricht die Frequenz ν₁ der Luftimpulse nicht mehr der Grundschwingung des veränderten Hohlraums 12. Das Signal S des Sensorelements 22 ändert sich dann. Je größer die Güte, d. h. die Flankensteilheit der Durchlasskurve des Hohlraums 12 ist, desto größer ist auch die Signaländerung.
Im Falle einer sprungartigen Anregung ist die Frequenzänderung das Maß für eine vorliegende Störung.
Wenn der akustische Aktor 24 in der bevorzugten Dauerstrich-Betriebsart mit einer festen Frequenz angesteuert wird, dann ist eine frequenzselektive Signalverarbeitung an sich nicht erforderlich. Wenn der Aktor 24 hingegen mit einer Sprungfunktion betrieben wird, dann ist es zweckmäßig, dem Sensorelement 22 ein schmales Bandpassfilter nachzuschalten, bei dem die Frequenz ν₁ im Durchlassbereich, vorzugsweise in dessen Mitte, liegt.
Man kann nun in der Auswerteeinheit 26 einen Grenzwert definieren, der einer zulässigen Abweichung vom Sollwert (ungestörter Zustand des Hohlraums 12) entspricht. Wenn das Signal S nun den Grenzwert unter- bzw. überschreitet, wird dies als Störung angezeigt. Dies wird weiter unten anhand der 8 bis 10 noch näher erläutert.
Um vor dem praktischen Einsatz des Kollisionssensors 10 für einen bestimmten Kollisionssensor 10 die Grundfrequenz ν₁ des Hohlraums 12 zu ermitteln, wird beim Hersteller einmalig der Hohlraum 12 durch den Aktor 24 mit Schallwellen 25 angeregt, deren Frequenz dann in einem breiten Frequenzband durchgestimmt wird.
7 zeigt als Ergebnis ein drittes Diagramm 70 mit einem Verlauf 72 des Signals S am Sensorelement 22 in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz ν der Schallwellen 25 für ein Ausführungsbeispiel eines Hohlraums 12 mit 150 cm akustischer Länge. Der Verlauf 72 zeigt ein erstes Maximum 74 bei der Grundfrequenz ν₁ von etwa 100 Hz und ein zweites Maximum 76 bei der zweiten Harmonischen ν₂ von etwa 200 Hz Das Signal S wird dabei als quadratischer Mittelwert RMS über mehrere Schwingungsperioden ermittelt.
Nachfolgend soll nun noch erläutert werden, wie man aus dem Sensorsignal ermitteln kann, welche Art von Störung (Klemmdefekt 34 oder Lochdefekt 36) vorliegt.
8 zeigt ein viertes Diagramm 80 für unterschiedliche axiale Positionen eines Klemmdefekts 34 in einem 150 cm langen Hohlraum 12. Das Diagramm 80 enthält einen ersten Verlauf 82, der den RMS-Wert des Signals S in Abhängigkeit vom Abstand z darstellt. Der zugehörige Grenzwert RS₀ ist bei 84 eingezeichnet. Ein zweiter Verlauf 86 stellt den so genannten Crest-Wert CR dar. Darunter versteht man in der Fachwelt den Quotienten aus dem Scheitelwert und dem Effektivwert des Signals S. Der zugehörige Grenzwert CR₀ ist bei 88 eingezeichnet.
Am Anfang des Hohlraums 12 (z ≈ 0), also in unmittelbarer Nähe des Aktors 24, kann der RMS-Wert 82 den Sollwert 84 erreichen und sogar überschreiten, so dass hier eine eindeutige Diagnose nicht möglich ist. Am Ende des Hohlraums (z = 150 cm) hingegen ist der RMS-Wert 82 gleich dem Sollwert 84, weil der Hohlraum 12 dort ohnehin geschlossen ist. Mit Ausnahme des Anfangsbereiches kann daher ein Klemmdefekt 34 dadurch erkannt werden, dass der RMS-Wert 82 des Signals S unterhalb des bei 84 eingezeichneten Grenzwertes RMS₀ liegt.
Erfindungsgemäß wird daher als zweites Kriterium auf den CR-Wert 86 abgestellt. Der zweite Verlauf 86 zeigt, dass ein Klemmdefekt 34 über die gesamte Länge z des Hohlraums 12 dazu führt, dass der CR-Wert 86 oberhalb des bei 88 eingezeichneten Grenzwertes CR₀ liegt.
9 zeigt in ähnlicher Form wie 8 ein fünftes Diagramm 90 für den Fall eines Lochdefekts 36. Ein erster Verlauf 92 stellt wiederum den RMS-Wert und 94 dessen Grenzwert RMS₀ dar. Ein zweiter Verlauf 96 zeigt den CR-Wert und 98 dessen Grenzwert CR₀.
Wie man leicht sieht, wird ein Lochdefekt 36 erkannt, wenn der RMS-Wert 94 unterhalb des Grenzwerts 94 liegt. Lediglich in der Mitte des Hohlraums 12 ist eine eindeutige Diagnose nicht möglich, weil dort der RMS-Wert 94 den Grenzwert 96 teilweise deutlich überschreitet. Ein ähnliches Problem ergibt sich für den CR-Wert 96, der nur außerhalb der Mitte des Hohlraums 12 deutlich über dem Grenzwert 98 liegt, in der Mitte aber den Betrag des Grenzwertes annehmen kann.
Hier muß auf ein drittes Kriterium abgestellt werden, nämlich auf die zweite Harmonische ν₂ (vgl. 7). Ein Lochdefekt 36 auf halber Länge des Hohlraums 12 entspricht einem einseitig offenen Resonator. In einem solchen können sich aber nur ungeradzahlige Harmonische (ν₃, ν₅, ν₇ ...) im Sinne von Gleichung [2] ausbilden. Wenn man daher den Hohlraum 12 mit der zweiten Harmonischen ν₂ anregt und es tritt kein erhöhtes Signal S im Sinne des Maximums 76 von 7 auf, dann liegt ein Lochdefekt 36 vor.
10 zeigt in Form einer Entscheidungsmatrix nochmals die Kriterien für die Fälle „keine Störung”, „Klemmdefekt” und „Lochdefekt”.
Die Überprüfung des Kollisionssensors 10 wird zweckmäßigerweise außerhalb des normalen Fahrbetriebs durchgeführt, weil ansonsten die vom Aktor 24 erzeugten Schallwellen 25 mit der Erkennung eines Kollisionsereignisses interferieren könnten. Erfindungsgemäß wird daher die Überprüfung beim Anlassen des Fahrzeugs vorgenommen, ggf. alternativ oder zusätzlich dann, wenn das Fahrzeug steht.
Der Überprüfungsvorgang kann dabei sehr schnell ablaufen. Unter „Dauerstrichbetrieb” im oben verwendeten Sinne ist dabei zu verstehen, dass der Aktor 24 die Schallwelle 25 lediglich für eine sehr begrenzte Zahl von Perioden aussendet, beispielsweise für weniger als 50, vorzugsweise weniger als 20 Perioden.

Claims

Deformations-Kollisionssensor mit einem deformierbaren Hohlraum (12), mit mindestens einem an den Hohlraum (12) angeschlossenen akustischen Sensorelement (22), mit einer an das Sensorelement (22) angeschlossenen Auswerteeinheit (26), und mit einem an den Hohlraum (12) angeschlossenen akustischen Aktor (24) zum Einkoppeln von vorzugsweise stehenden Schallwellen (25) in dem Hohlraum (12), wobei die Auswerteeinheit (26) zum Auswerten von Signalen (23) ausgebildet ist, die von den Schallwellen (25) in dem Sensorelement (22) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Aktor (24) Schallwellen (25) im Frequenzbereich zwischen 5 und 500 Hz aussendet, dass der akustische Aktor (24) ein Heizelement (46) enthält und dass das Heizelement (46) aus einer Stromquelle (50) mit einem einstellbaren Strom gespeist wird.
Deformations-Kollisionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (22) ferner zur Aufnahme eines Kollisionssignals ausgebildet ist, das durch ein auf den Kollisionssensor (10) einwirkendes Kollisionsereignis im Hohlraum (12) erzeugt wurde.
Deformations-Kollisionssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass noch ein weiteres Sensorelement (32) an den Hohlraum (12) angeschlossen ist, das zur Aufnahme eines Kollisionssignals ausgebildet ist, das durch ein auf den Kollisionssensor (10) einwirkendes Kollisionsereignis im Hohlraum (12) erzeugt wurde.
Deformations-Kollisionssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (12) mit einem Fluid befüllt ist und dass das Sensorelement (22) und/oder das weitere Sensorelement (32) einen physikalischen Parameter aus der Gruppe: Fluiddruck, Fluidströmung, Fluidtemperatur erfasst.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Aktor (24) eine periodische Schallwelle (25) fester Frequenz (ν₁) in den Hohlraum (12) einkoppelt.
Deformations-Kollisionssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom ein periodisch getasteter Gleichstrom ist.
Deformations-Kollisionssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom mit einem Tastverhältnis von 50% getastet ist.
Deformations-Kollisionssensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom mit einer Tastfrequenz zwischen 10 und 300 Hz in das Heizelement (46) gespeist wird.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Aktor (24) eine Schallwelle (25) in Form eines einmaligen Drucksprungs in den Hohlraum (12) einkoppelt.
Deformations-Kollisionssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom ein einmalig stufenförmig getasteter Gleichstrom ist.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Aktor (24) nacheinander Schallwellen (25) unterschiedlicher Frequenz (ν₁, ν₂) in den Hohlraum (12) einkoppelt.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom ein Wechselstrom ist.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (46) im Wesentlichen gestreckt oder um eine Längsachse einer Kammer (42) gewendelt, insbesondere als Hitzdraht ausgebildet ist.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (46) flächig, insbesondere als Trägermembran mit darauf strukturierten Heizleiterbahnen, ausgebildet ist.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (46) in einer Kammer (42) angeordnet ist, und dass die Kammer (42) bis auf eine Austrittsöffnung (43) geschlossen ist.
Deformations-Kollisionssensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (42) langgestreckt, insbesondere zylindrisch ist, und dass das Heizelement (46) entlang einer Längsachse der Kammer (42) angeordnet ist.
Deformations-Kollisionssensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (42) einen radialen Abstand (a) von einer Innenwand der Kammer (42) aufweist, wobei der Abstand (a) gleich groß wie, aber nicht kleiner als die Dicke der Temperaturgrenzschicht um das Heizelement (42) herum ist.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (43) im Bereich eines Schwingungsknotens einer durch den akustischen Aktor (24) im Hohlraum (12) angeregten, stehenden Schallwelle angeordnet ist.
Deformations-Kollisionssensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (42) an einem geschlossenen Ende des Hohlraums (12) angeordnet ist.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (22) und der akustische Aktor (24) in einem gemeinsamen Gehäuse (30) angeordnet sind.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (26) den quadratischen Mittelwert (RMS) des Ausgangssignals des Sensorelementes (22) bestimmt und den quadratischen Mittelwert (RMS) mit einem vorgegebenen Sollwert (RMS₀) vergleicht.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (26) den Quotienten aus Scheitelwert und Effektivwert (CR) des Ausgangssignals des Sensorelementes (22) bestimmt und den Quotienten (CR) mit einem vorgegebenen Sollwert (CR₀) vergleicht.
Kollisionssensor in einem Kraftfahrzeug, insbesondere mit einem deformierbaren Hohlraum (12), mit mindestens einem an den Hohlraum (12) angeschlossenen Sensorelement (22), mit einer an das Sensorelement (22) angeschlossenen Auswerteeinheit (26), und mit einem an den Hohlraum (12) angeschlossenen Aktor (24) zum Erzeugen von vorzugsweise stehenden Wellen in dem Hohlraum (12), wobei die Auswerteeinheit (26) zum Auswerten von Signalen (23) ausgebildet ist, die von den Wellen in dem Sensorelement (22) erzeugt werden, und der Kollisionssensor (10) bei vorbestimmten Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs hinsichtlich seiner Funktion überwachbar, insbesondere der Aktor (24) für eine vorbestimmte Zeitdauer betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (24) ein akustischer Aktor (24) und das Sensorelement (22) ein akustisches Sensorelement (22) ist, wobei der akustische Aktor (24) eine stehende Schallwelle (25) in den Hohlraum (12) einkoppelt und das sich in dem Hohlraum (12) ausbreitende Schallereignis erfasst und mit einem vorgegebenen Sollwert (RMS₀; CR₀) verglichen wird, und dass der quadratische Mittelwert (RMS) des Ausgangssignals des das Schallereignis erfassenden Sensorelementes (22) bestimmt und der quadratischen Mittelwert (RMS) mit dem Sollwert (RMS₀) verglichen wird.
Kollisionssensor in einem Kraftfahrzeug, insbesondere mit einem deformierbaren Hohlraum (12), mit mindestens einem an den Hohlraum (12) angeschlossenen Sensorelement (22), mit einer an das Sensorelement (22) angeschlossenen Auswerteeinheit (26), und mit einem an den Hohlraum (12) angeschlossenen Aktor (24) zum Erzeugen von vorzugsweise stehenden Wellen in dem Hohlraum (12), wobei die Auswerteeinheit (26) zum Auswerten von Signalen (23) ausgebildet ist, die von den Wellen in dem Sensorelement (22) erzeugt werden, und der Kollisionssensor (10) bei vorbestimmten Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs hinsichtlich seiner Funktion überwachbar, insbesondere der Aktor (24) für eine vorbestimmte Zeitdauer betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (24) ein akustischer Aktor (24) und das Sensorelement (22) ein akustisches Sensorelement (22) ist, wobei der akustische Aktor (24) eine stehende Schallwelle (25) in den Hohlraum (12) einkoppelt und das sich in dem Hohlraum (12) ausbreitende Schallereignis erfasst und mit einem vorgegebenen Sollwert (RMS₀; CR₀) verglichen wird, und dass der Quotient aus Scheitelwert und Effektivwert (CR) des Ausgangssignals des das Schallereignis erfassenden Sensorelementes (22) bestimmt und der Quotient (CR) mit dem Sollwert (CR₀) verglichen wird.
Deformations-Kollisionssensor nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Betriebszustand die Betätigung eines Anlassers des Kraftfahrzeugs ist.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Betriebszustand ein Stillstand des Kraftfahrzeugs ist.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Aktor (24) eine periodische Schallwelle (25) in den Hohlraum (12) einkoppelt und dass die vorbestimmte Zeitdauer kürzer als 20 Perioden der Schallwelle (25) ist.
Deformations-Kollisionssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Aktor (24) Schallwellen im Frequenzbereich zwischen 5 und 500 Hz aussendet.
Verfahren zum Überprüfen der Funktion eines Deformations-Kollisionssensors (10), der einen deformierbaren Hohlraum (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorzugsweise stehende Schallwelle (25) in den Hohlraum (12) eingekoppelt wird, und das sich in dem Hohlraum (12) ausbreitende Schallereignis erfasst und mit einem vorgegebenen Sollwert (RMS₀; CR₀) verglichen wird, und dass der quadratische Mittelwert (RMS) des Ausgangssignals eines das Schallereignis erfassenden Sensorelementes (22) bestimmt und der quadratische Mittelwert (RMS) mit dem Sollwert (RMS₀) verglichen wird.
Verfahren zum Überprüfen der Funktion eines Deformations-Kollisionssensors (10), der einen deformierbaren Hohlraum (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorzugsweise stehende Schallwelle (25) in den Hohlraum (12) eingekoppelt wird, und das sich in dem Hohlraum (12) ausbreitende Schallereignis erfasst und mit einem vorgegebenen Sollwert (RMS₀; CR₀) verglichen wird, und dass der Quotient aus Scheitelwert und Effektivwert (CR) des Ausgangssignals eines das Schallereignis erfassenden Sensorelementes (22) bestimmt und der Quotient (CR) mit dem Sollwert (CR₀) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander eine Schallwelle (25) einer ersten Frequenz (ν₁) und danach eine Schallwelle (25) doppelter Frequenz (ν₂) in den Hohlraum (12) eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwelle (25) mit einer Frequenz im Bereich zwischen 5 und 500 Hz in den Hohlraum (12) eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwelle (25) bei vorbestimmten Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs für eine vorbestimmte Zeitdauer in den Hohlraum (12) eingekoppelt wird.