DE102010032797A1 - Device for determining movement process with static and dynamic acceleration components, has resilient supports arranged on base plate, where deflections of supports is detected and computationally processed - Google Patents

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Abstract

The device has four sensors (1-4) arranged on a base plate (7) and provided with mass elements (5, 6). Resilient supports are arranged on the base plate. Planes are movably arranged parallel or perpendicular to the base plate by acceleration forces. The supports form different reaction characteristic for static and dynamic acceleration. The supports exhibits data points (10). The supports and the data points provide equivalent physical sizes, where deflections of the supports is detected and computationally processed. An independent claim is also included for a method for determining a movement process with static and dynamic acceleration components.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten.The invention relates to a device and a method for determining a movement process with static and dynamic acceleration components.

Dynamikrekorder werden in zunehmendem Maße eingesetzt, sei es als Fahrtenschreiber, zur Navigation, zur Steuerung von Maschinen, zur Erkennung von Bewegungen im Sport bis zur Steuerung von Computerspielen.Dynamic recorders are increasingly being used, whether as a tachograph, for navigation, for controlling machines, for detecting movements in sports or for controlling computer games.

Die Anwendungsbreite täuscht jedoch über die Tatsache hinweg, dass es sich bei den meisten zu erfassenden Bewegungen um dynamische Sonderfälle handelt, denn konventionelle Beschleunigungssensoren sind nicht in der Lage sogenannte statische Beschleunigung von dynamischer Beschleunigung zu trennen.However, the range of application is beyond the fact that most of the movements to be detected are dynamic special cases, because conventional acceleration sensors are not able to separate so-called static acceleration from dynamic acceleration.

Bei dem allgemeinen Fall eines dynamischen Vorgangs jedoch treten beide Beschleunigungsformen in Überlagerungen auf. Die Änderung der Position des zu erfassenden Gegenstandes gegenüber der horizontalen Ebene bestimmt in gleicher Weise den dynamischen Vorgang, wie seine Bewegung.In the general case of a dynamic process, however, both types of acceleration occur in overlays. The change of the position of the object to be detected relative to the horizontal plane determines in the same way the dynamic process, as its movement.

Sämtliche konventionelle Sensoren können daher nur mit Einschränkungen verwendet werden, etwa wenn eine Beschleunigungsform vernachlässigbar gering ist, ein Beschleunigungsverlauf bekannt ist oder wenn ihr Zeitverhalten derart unterschiedlich ist, dass eine elektronische Filterung möglich wird, etwa bei der Erfassung höher frequenter Vibrationen.All conventional sensors can therefore be used only with restrictions, such as when an acceleration form is negligibly small, an acceleration course is known or when its time behavior is so different that electronic filtering becomes possible, for example when detecting higher-frequency vibrations.

Das gemeinsame Prinzip sämtlicher konventioneller Beschleunigungssensoren ist die Messung der Kraft, die durch Einwirkung einer Beschleunigung auf ein federnd oder elastisch gelagertes Masseelement entsteht. Am Markt werden verschiedene Ausführungsformen in Anpassung an unterschiedliche Applikationen hinsichtlich Auflösung, Messbereich, Baugröße, Preis etc. angeboten. So gibt es Sensoren, bei welchen beispielsweise die auf das Masseelement einwirkende Kraft direkt – etwa über ein piezokeramisches Element – und andere, bei welchen diese indirekt über die durch die Kraft hervorgerufene Auslenkungen des elastischen Masseträgers kapazitiv, induktiv oder opto-elektronisch erfasst wird. Entsprechend existieren zahlreiche Varianten bei der Realisierung des Trägers des Masseelements. Stand der Technik sind auch verschiedene Realisierungsmöglichkeiten einer hohen Richtcharakteristik sowie orthogonale Positionierungen von Sensoren zur Erfassung der Raumkomponenten von Beschleunigungskräften aus beliebigen Richtungen.The common principle of all conventional acceleration sensors is the measurement of the force generated by the action of an acceleration on a spring or elastically mounted mass element. On the market different embodiments in adaptation to different applications in terms of resolution, measurement range, size, price, etc. are offered. Thus, there are sensors in which, for example, the force acting on the mass element force directly - such as a piezoceramic element - and others, in which this is detected capacitively, inductively or opto-electronically indirectly via the induced by the force deflections of the elastic mass carrier. Accordingly, there are numerous variants in the realization of the carrier of the mass element. State of the art are also different realization possibilities of a high directional characteristic and orthogonal positioning of sensors for detecting the spatial components of acceleration forces from arbitrary directions.

Das sämtlichen Ausführungsformen zugrundeliegende Prinzip lässt jedoch wie o. a. eine Unterscheidung von statischer und dynamischer Beschleunigung nicht zu. Es kann nicht gesagt werden, ob eine auf das Masseelement einwirkende Kraft durch Beschleunigung oder Gravitation hervorgerufen wird.The principle underlying all embodiments, however, like o. a distinction between static and dynamic acceleration not. It can not be said whether a force acting on the mass element is caused by acceleration or gravitation.

Hierdurch lassen sich selbst einfache dynamische Vorgänge, wie das Verrutschen eines Gegenstandes auf einer schiefen Ebene oder eine Handbewegung nicht erfassen.As a result, even simple dynamic processes, such as the slippage of an object on an inclined plane or a hand movement can not be detected.

Die einzige Möglichkeit, die beiden Beschleunigungsformen zu trennen, besteht in der Anwendung eines Kreiselsystems, da die Kreiselebene einen von der Auflageebene des Kreisels und von Beschleunigungen unabhängigen Bezug darstellt.The only way to separate the two types of acceleration is to use a gyroscope system, as the gyroscopic plane is independent of the gyro's support plane and accelerations.

Aufgrund der äußerst komplexen Mechanik, die zur Realisierung des rotierenden Systems erforderlich ist, sind Kreiselsysteme nur für eine begrenzte Zahl von Anwendungen geeignet. Auch über Gyratoren ist die Erkennung des Winkels des Sensors gegenüber der horizontalen Ebene nicht möglich, da diese nur kurzzeitige Winkeländerungen, nicht jedoch Absolutwerte erfassen.Due to the extremely complex mechanics required to realize the rotating system, gyro systems are only suitable for a limited number of applications. It is also not possible to detect the angle of the sensor with respect to the horizontal plane via gyrators since these only detect short-term angular changes, but not absolute values.

Die Realisierung eines Sensorsystems zur Trennung von statischer und dynamischer Beschleunigung mit ausschließlich ruhenden Elementen wird derzeit nicht für möglich gehalten.The realization of a sensor system for the separation of static and dynamic acceleration with exclusively stationary elements is currently not considered possible.

Zur Umgehung der Kreiseltechnologie werden gegenwärtig Verfahren untersucht, welche auf einer gepulsten Lichtleiterstrecke basieren. Die erforderliche Länge des Lichtleiters liegt jedoch zwischen 200 m und 2 km. Diese Untersuchungen belegen das große Interesse an Alternativlösungen zur Kreiseltechnologie, ohne jedoch bisher zu praktischen Lösungen gekommen zu sein.To circumvent gyro technology, methods based on a pulsed optical fiber path are currently being investigated. However, the required length of the light guide is between 200 m and 2 km. These studies demonstrate the great interest in alternative solutions to gyroscope technology without having come up with practical solutions.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, die eine Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten allgemeinster Art zulassen ohne Vernachlässigung von einzelnen Beschleunigungskomponenten.The object of the invention is to propose an apparatus and a method which allow a determination of a movement process with static and dynamic acceleration components of the most general kind without neglecting individual acceleration components.

Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Vorrichtungsanspruch 1. Messverfahren beschreiben die Ansprüche und Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved with the device claim 1. Measuring method describe the claims and Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten besteht aus mindestens zwei Sensoren mit Masseelementen, die auf einer Grundplatte jeweils mit einer elastischen Abstützung angeordnet sind und die in einer oder parallelen jeweils senkrecht zur Grundplatte befindlich Ebenen (Sensorebene) durch Beschleunigungskräfte auslenkbar sind, wobei die Abstützungen für eine der Beschleunigungsformen (dynamisch oder statisch) gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen und die Auslenkungen der Abstützungen oder äquivalente physikalische Größen an Messpunkten erfassbar und rechentechnisch verarbeitbar sind.The inventive device for determining a movement process with static and dynamic acceleration components consists of at least two sensors with mass elements, which are arranged on a base plate each with an elastic support and in one or parallel planes perpendicular to the base plate (sensor plane) are deflected by acceleration forces , where the Supports for one of the acceleration forms (dynamic or static) have the same and for the other form of acceleration a different reaction characteristic and the deflections of the supports or equivalent physical quantities can be detected at measuring points and computationally processed.

Statische Beschleunigungskomponenten im hier gebrauchten Sinne sind Gravitationsbeschleunigungen.Static acceleration components in the sense used here are gravitational accelerations.

Dynamische Beschleunigungskomponenten im hier gebrauchten Sinne sind horizontale und vertikale Beschleunigungen.Dynamic acceleration components as used herein are horizontal and vertical accelerations.

Die Ebene oder die Ebenen in denen die Auslenkung erfolgt bzw. in denen die Masseelemente schwingen, werden nachfolgend als Sensorebene bezeichnet. Quadrant ist ein Ausschnitt der Sensorebene.The plane or planes in which the deflection takes place or in which the mass elements oscillate are referred to below as the sensor plane. Quadrant is a section of the sensor plane.

Gemessene äquivalente physikalische Größen zur Auslenkung, die z. B. kapazitiv, optisch, opto-elektronisch oder induktiv messbar ist, können auch direkt gemessene Kräfte (z. B. piezoelektrisch erfasste Kräfte) oder Verformungen sein.Measured equivalent physical quantities for displacement, e.g. B. capacitive, optical, opto-electronically or inductively, can also be directly measured forces (eg., Piezoelectric detected forces) or deformations.

Für Messungen in einem Quadranten und bei vernachlässigbarer Vertikalbeschleunigung sind zwei Sensoren, deren Abstützungen für eine der Beschleunigungsformen (dynamisch oder statisch) gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen, auf der Grundplatte angeordnet.For measurements in one quadrant and with negligible vertical acceleration, two sensors whose supports are the same for one of the acceleration modes (dynamic or static) and different in response to the other form of acceleration are arranged on the baseplate.

Für allgemeine Beschleunigungsmessungen in zwei Quadranten sind in einer oder parallelen Ebenen (Sensorebenen) vier Sensoren mit Masseelementen jeweils auf Abstützungen angeordnet, wobei jeweils zwei Sensoren ein Paar bilden, deren Abstützungen für eine der Beschleunigungsformen (dynamisch oder statisch) gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen, und die Paare zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet sind.For general acceleration measurements in two quadrants, four sensors with mass elements are arranged on supports in one or parallel planes (sensor planes), whereby two sensors form a pair, whose supports are identical for one of the acceleration forms (dynamic or static) and one for the other acceleration form have different reaction characteristics, and the pairs are arranged mirror-symmetrically to each other.

Die Sensoren für die Messung in einem und/oder mehr Quadranten werden bevorzugt in Sensorblöcken angeordnet.The sensors for the measurement in one and / or more quadrants are preferably arranged in sensor blocks.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend in einer mechanischen Modellausführung und einer mikromechanischen Ausführung in Silizium beschrieben, wobei z. B. Aussagen zum Zusammenwirken und zur Optimierung etwa im Interesse einer möglichst einfachen rechentechnischen Auswertung nicht auf die jeweilige Ausführung beschränkt sind.The device according to the invention is described below in a mechanical model design and a micromechanical embodiment in silicon, wherein z. B. statements on interaction and optimization are not limited to the respective execution in the interest of the simplest possible computational evaluation.

Es zeigen:Show it:

1 einen Sensorblock aus 4 Sensoren in einer Sensorebene, 1 a sensor block of 4 sensors in a sensor plane,

2 die Kennlinien für die Beschleunigungen und 2 the characteristics for the accelerations and

3 die Ergebnisse der Differenzbildung. 3 the results of difference formation.

1 zeigt die Vorrichtung zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten auf einer zur Horizontalen 11 um den Winkel (α) geneigten Grundplatte 7 in einer mechanischen Ausführung mit vier Sensoren 1–4. 1 shows the device for determining a movement process with static and dynamic acceleration components on one to the horizontal 11 around the angle (α) inclined base plate 7 in a mechanical version with four sensors 1 - 4 ,

Die mittels des Sensorblocks mit den Sensoren 1–4 ermittelbaren Beschleunigungsgrößen sind

  • – der Winkel (α) als Neigung des Sensorblocks, oder genauer, der Grundplatte 7 gegenüber der Horizontalen 11 als Resultat der Gravitationskraft
  • – die parallele Beschleunigung (PB) zur Grundplatte 7, auch als Längsbeschleunigung bezeichenbar und
  • – die vertikale Beschleunigung (VB) zur Grundplatte 7.
The means of the sensor block with the sensors 1 - 4 can be determined acceleration variables
  • - The angle (α) as the inclination of the sensor block, or more precisely, the base plate 7 opposite the horizontal 11 as a result of gravitational force
  • - the parallel acceleration (PB) to the base plate 7 , also denoted as longitudinal acceleration and
  • - The vertical acceleration (VB) to the base plate 7 ,

Jeder der vier Sensoren 1–4 weist ein Masseelemente 5 oder 6 auf, die auf der Grundplatte 7 jeweils mit einer elastischen Abstützung 8, 9 angeordnet sind und die in einer senkrecht zur Grundplatte 7 befindlich Ebene, der Sensorebene, durch Beschleunigungskräfte auslenkbar sind, wobei die Abstützungen 8, 9 für die dynamische Beschleunigung gleiche und für die statische Beschleunigung eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen, wobei jeweils zwei Abstützungen gleich aber spiegelsymmetrisch angeordnet sind.Each of the four sensors 1 - 4 has a mass elements 5 or 6 on that on the base plate 7 each with an elastic support 8th . 9 are arranged and in a perpendicular to the base plate 7 located plane, the sensor plane, are deflected by acceleration forces, the supports 8th . 9 have the same dynamic response for the acceleration and a different reaction characteristic for the static acceleration, wherein two supports are arranged the same but mirror-symmetrical.

Eine Schlüsselstellung für die universelle Funktionsweise der vorgeschlagenen Vorrichtung kommt den Abstützungen 8, 9 der Massenelemente 5, 6 zu. Diese Abstützungen 8, 9 der jeweils ein Paar bildenden Sensoren 1, 2 und 3, 4 müssen der Bedingung genügen, für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufzuweisen.A key position for the universal operation of the proposed device comes the supports 8th . 9 the mass elements 5 . 6 to. These supports 8th . 9 each forming a pair of sensors 1 . 2 and 3 . 4 must satisfy the condition of having one or the same dynamically or statically the same for one of the acceleration forms and a different response characteristic for the other acceleration form.

Dies wird bei den Sensorpaaren dadurch erreicht, dass die Abstützung 8 ein Stab 8.1 oder ein Streifen 8.1 ist, wobei bei einem Streifen 8.1 dieser in der Streifenebene elastisch verformbar ist und die Abstützung 9 durch einen abgewinkelten oder gebogenen Stab oder Streifen gebildet ist mit den Abschnitten 9.1, 9.2.This is achieved in the sensor pairs in that the support 8th a staff 8.1 or a strip 8.1 is, taking a strip 8.1 this is elastically deformable in the strip plane and the support 9 formed by an angled or curved rod or strip with the sections 9.1 . 9.2 ,

Da das Messverfahren auf der Differenzbildung zwischen den zeitgleich gemessenen Messwerten für die Auslenkung oder einer anderen äquivalenten physikalischen Größe der Messpunkte 10 infolge der Wirkung von Beschleunigung beruht, ist es zweckmäßig, wo möglich, bauliche Übereinstimmung und optimierte Ausbildungen vorzusehen.Since the measurement method based on the difference between the measured at the same time Measured values for the deflection or another equivalent physical size of the measuring points 10 due to the effect of acceleration, it is appropriate, where possible, to provide structural conformity and optimized training.

In diesem Sinne ist in vorteilhaften Ausführungen vorgesehen, dass der Abschnitt 9.1 des Stabes oder Streifens der Abstützung 9 im Anfangsbereich von der Grundplatte 7 aus gesehen in der Form und der Verformbarkeit jeweils dem Stab oder Streifen 8.1 entspricht.In this sense, it is provided in advantageous embodiments that the section 9.1 the rod or strip of support 9 in the starting area of the base plate 7 seen in the form and the deformability in each case the rod or strip 8.1 equivalent.

Dazu gehört auch, dass der abgewinkelte Abschnitt 9.2 zum Abschnitt 9.1 einen Winkel von 90° einschließt. Ferner ist es vorteilhaft, wenn beide Abschnitte 9.1, 9.2 die gleich Länge aufweisen.This also includes that the angled section 9.2 to the section 9.1 an angle of 90 °. Furthermore, it is advantageous if both sections 9.1 . 9.2 have the same length.

Ebenso ist es von Vorteil, wenn der Winkel (β), den die Abstützung 8 und der Abschnitt 9.1 der Abstützung 9 jeweils mit der Grundplatte 7 einschließen, vorzugsweise β = 45° ist.Likewise, it is advantageous if the angle (β), the support 8th and the section 9.1 the support 9 each with the base plate 7 preferably β = 45 °.

Die Auswertung der Messergebnisse wird auch dadurch erleichtert, wenn die Masseelemente 5, 6 vorzugsweise die gleiche Größe aufweisen.The evaluation of the measurement results is also facilitated by the mass elements 5 . 6 preferably the same size.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand von 2 und 3 erläutert werden.The inventive method is based on 2 and 3 be explained.

2 zeigt einen halben Sensorblock mit den Kennlinien der Reaktionscharakteristiken der Sensoren 1 und 2, wobei die Kennlinien der Sensoren 3 und 4 spiegelgleich ausfallen, so dass auf eine gesonderte Darstellung verzichtet wurde. Oben sind die Sensoren 1 und 2 dargestellt und darunter die jeweiligen Kennlinien in Bezug auf das Ausgangssignal (AW), das pro Sensor 1–4 allerdings als ein Summenmesswert am Messpunkt 10 gemessen wird. 2 shows a half sensor block with the characteristics of the reaction characteristics of the sensors 1 and 2 , where the characteristics of the sensors 3 and 4 mirrored fail, so that was dispensed with a separate presentation. Above are the sensors 1 and 2 below and the respective characteristic curves with respect to the output signal (AW), the per sensor 1 - 4 however, as a sum reading at the measuring point 10 is measured.

Die Abstützungen 8, 9 der jeweils ein Paar bildenden Sensoren 1, 2 und 3, 4 müssen der Bedingung genügen, für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufzuweisen.The supports 8th . 9 each forming a pair of sensors 1 . 2 and 3 . 4 must satisfy the condition of having one or the same dynamically or statically the same for one of the acceleration forms and a different response characteristic for the other acceleration form.

Dies wird bei den Sensorpaaren dadurch erreicht, dass die Abstützung 8 ein Stab 8.1 und die Abstützung 9 durch einen abgewinkelten Stab gebildet ist mit den Abschnitten 9.1, 9.2.This is achieved in the sensor pairs in that the support 8th a staff 8.1 and the support 9 formed by an angled rod is with the sections 9.1 . 9.2 ,

Die Sensoren weisen folgende Kennliniencharakteristika auf:
Bei dynamischer Beschleunigung in Längs- und Vertikalrichtung auf den Sensorblock bezogen besteht Linearität zwischen den Sensorausgangssignalen und den Beschleunigungswerten bei beiden Sensortypen 1, 2 bzw. 3, 4.The sensors have the following characteristic curves:
With dynamic acceleration in the longitudinal and vertical direction relative to the sensor block, there is linearity between the sensor output signals and the acceleration values for both sensor types 1 . 2 respectively. 3 . 4 ,

Hervorzuheben ist, dass bei Längsbeschleunigungen die Kennlinien auch quantitativ bei beiden Sensortypen 1, 2 bzw. 3, 4 bei diesem Aufbau gleich ist.It should be emphasized that with longitudinal accelerations the characteristic curves are also quantitative for both sensor types 1 . 2 respectively. 3 . 4 is the same in this structure.

Der Kennlinienverlauf bei statischer Beschleunigung, also bei unterschiedlichen Positionswinkeln des Sensorblockes gegenüber der horizontalen Ebene, ist bei Sensor 1 bzw. 4 durch die Änderung der Gravitationskraft senkrecht zur Stabebene gegeben, wodurch sich der in 2 in der unteren Zeile dargestellte linke Kennlinienverlauf ergibt. Beim abgewinkelten Sensor 2 bzw. 3 ist dem Kennlinienverlauf von Sensor 1 bzw. 4 ein weiterer Anteil überlagert, welcher sich durch den als Hebel wirkenden abgewinkelten Abschnitt 9.2 ergibt. Dies zeigt der in der unteren Zeile der 2 rechts gezeigte Kennlinienverlauf.The characteristic curve for static acceleration, ie at different position angles of the sensor block with respect to the horizontal plane, is at sensor 1 respectively. 4 given by the change of the gravitational force perpendicular to the rod plane, whereby the in 2 in the lower line shown left characteristic curve results. With the angled sensor 2 respectively. 3 is the characteristic curve of sensor 1 respectively. 4 superimposed on another portion, which is characterized by acting as a lever angled section 9.2 results. This is shown in the bottom line of the 2 characteristic curve shown on the right.

Das Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten mit vier Sensoren 1–4 mit Masseelementen 5, 6, die auf einer Grundplatte 7 jeweils mit einer elastischen Abstützung 8, 9 angeordnet sind und die in einer oder parallelen jeweils senkrecht zur Grundplatte 7 befindlich Ebenen durch Beschleunigungskräfte auslenkbar sind, wobei die Abstützungen 8, 9 für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen, wobei jeweils zwei Abstützungen gleich aber spiegelsymmetrisch angeordnet sind und die Auslenkungen der Abstützungen oder äquivalente physikalische Größen an Messpunkten 10 erfassbar und rechentechnisch verarbeitbar sind, sieht vor, dass
die Auslenkung oder eine andere physikalische Größe mindestens eines Messpunktes 10 der jeweiligen Sensoren 1–4 unter Beschleunigungsbedingungen zeitgleich gemessen wird und die Messwerte einer Differenzbildung unterzogen werden, die mindestens umfasst:

  • – Die dynamische Beschleunigungskomponente, die parallel zur Grundplatte 7 gerichtet ist, wird kompensiert, indem eine Differenzbildung der gemessenen Auslenkungswerte oder der äquivalenten physikalische Größen der Sensoren 1 und 2 als einem Paar und der spiegelgleich angeordneten Sensoren 3 und 4 als weiterem Paar erfolgt. Dies wird anschaulich in der ersten Zeile der dargestellten Kennlinien (AW-PB). Bei einer paarweisen Differenzbildung heben sich die Kennlinien der parallelen dynamischen Beschleunigung (PB) zur Grundplatte gegenseitig auf. Dies gilt sowohl für das Sensorpaar 1, 2 als auch für das Sensorpaar 3, 4. Übrig bleibt eine Zwischenkennlinie mit den Meßsignalanteilen von vertikaler und Gravitationsbeschleunigung. Dieser Verlauf wird in 3 in den oberen beiden Kennlinien gezeigt. Die obere Kennlinie entspricht dabei der Differenzbildung zwischen den Sensoren 1 und 2 und die mittlere Kennlinie der Differenzbildung von den Sensoren 3, 4.
  • – Die vertikal zur Grundplatte 7 wirkende dynamische Beschleunigungskomponente wird kompensiert durch eine Differenzbildung zwischen den um die dynamische, parallel zur Grundplatte 7 gerichtete Beschleunigungskomponente bereinigten Werte der Sensorpaare 1, 2 und 3, 4.
The method for determining a movement process with static and dynamic acceleration components with four sensors 1 - 4 with mass elements 5 . 6 on a base plate 7 each with an elastic support 8th . 9 are arranged and in one or parallel each perpendicular to the base plate 7 planes are deflectable by acceleration forces, with the supports 8th . 9 for one of the acceleration forms have the same dynamic or static and for the other form of acceleration a different reaction characteristic, each two supports are arranged the same but mirror-symmetrical and the deflections of the supports or equivalent physical quantities at measuring points 10 detectable and computationally processable, provides that
the deflection or other physical quantity of at least one measuring point 10 the respective sensors 1 - 4 under acceleration conditions is measured at the same time and the measured values are subtracted, which comprises at least:
  • - The dynamic acceleration component, parallel to the base plate 7 is compensated by subtracting the measured deflection values or the equivalent physical quantities of the sensors 1 and 2 as a pair and the mirror-like arranged sensors 3 and 4 as a further pair. This is clearly shown in the first line of the characteristic curves (AW-PB). In a pairwise differentiation, the characteristics of the parallel dynamic acceleration (PB) to the base plate cancel each other out. This applies to both the sensor pair 1 . 2 as well as for the sensor pair 3 . 4 , What remains is an intermediate characteristic with the measured signal components of vertical and gravitational acceleration. This course will be in 3 shown in the upper two curves. The upper characteristic corresponds to the difference between the sensors 1 and 2 and the mean characteristic of the difference formation from the sensors 3 . 4 ,
  • - The vertical to the base plate 7 acting dynamic acceleration component is compensated by a difference between the around the dynamic, parallel to the base plate 7 directed acceleration component adjusted values of the sensor pairs 1 . 2 and 3 . 4 ,

Bei einer Differenzbildung zwischen den Paaren 1, 2 und 3, 4 heben sich die Kennlinien der vertikalen dynamischen Beschleunigung zur Grundplatte 7, dargestellt in 2 in Zeile 2, gegenseitig auf.At a difference between the pairs 1 . 2 and 3 . 4 the vertical dynamic acceleration characteristics rise to the base plate 7 represented in 2 in line 2 , each other.

In die vorgenannten Differenzbildungen sind als Bestandteil der Messwerte der einzelnen Sensoren 1–4 auch die Anteile der statischen Beschleunigung als bisher unbekannte Größe enthalten. Nach den vorgenannten Eliminierungen bleibt dieser Wert als Differenzwert, dem ein bestimmter Winkel (α) zuzuordnen ist, übrig. In 3 ist der vollständige Kennlinienverlauf der Differenzwerte dargestellt.In the aforementioned differences are part of the measured values of the individual sensors 1 - 4 also contain the proportions of static acceleration as previously unknown size. After the aforementioned eliminations, this value remains as the difference value to which a certain angle (α) is to be assigned. In 3 the complete characteristic curve of the difference values is shown.

Der so ermittelte Winkel (α) der Grundplatte 7 gegenüber der Horizontalen 11 wird zur Bestimmung der parallelen Beschleunigung (PB) zur Grundplatte 7 und der vertikalen Beschleunigung (VB) zur Grundplatte 7 genutzt.The thus determined angle (α) of the base plate 7 opposite the horizontal 11 is used to determine the parallel acceleration (PB) to the base plate 7 and the vertical acceleration (VB) to the base plate 7 used.

Ist die Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten vorgesehen, bei dem die vertikale Beschleunigung vernachlässigbar ist und wo nur ein Quadrant von Interesse ist, kann mit zwei Sensoren 1–2 gearbeitet werden, wobei die Sensoren 1, 2 wie vorab beschrieben angeordnet sind und die Abstützungen 8, 9 für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen.If the determination of a movement process with static and dynamic acceleration components is provided, where the vertical acceleration is negligible and where only one quadrant is of interest, two sensors can be used 1 - 2 be worked, with the sensors 1 . 2 arranged as described above and the supports 8th . 9 have dynamically or statically the same for one of the acceleration forms and a different reaction characteristic for the other acceleration form.

Die Auslenkung oder eine andere physikalische Größe mindestens eines Messpunktes 10 der Sensoren 1, 2 wird unter Beschleunigungsbedingungen, bei denen die Vertikalbeschleunigung vernachlässigbar ist, zeitgleich gemessen und die Messwerte werden einer Differenzbildung unterzogen die mindestens umfasst:
Die dynamische Beschleunigungskomponente, die parallel zur Grundplatte 7 gerichtet ist, wird kompensiert, indem eine Differenzbildung der gemessenen Auslenkungswerte oder der äquivalenten physikalische Größen der Sensoren 1 und 2 erfolgt.The deflection or other physical quantity of at least one measuring point 10 the sensors 1 . 2 is measured at the same time under acceleration conditions where the vertical acceleration is negligible, and the measured values are subtracted, which comprises at least:
The dynamic acceleration component, parallel to the base plate 7 is compensated by subtracting the measured deflection values or the equivalent physical quantities of the sensors 1 and 2 he follows.

Die Differenzbildung zur Eliminierung der vertikalen Beschleunigung entfällt.The subtraction to eliminate the vertical acceleration is eliminated.

Auch hier ist die vorgenannte Differenzbildung als Bestandteil der Messwerte der einzelnen Sensoren 1–2 der Anteil der statischen Beschleunigung als bisher unbekannte Größe enthalten. Nach den vorgenannten Eliminierungen bleibt dieser Wert als Differenzwert, dem ein bestimmter Winkel (α) zuzuordnen ist, übrig. Der so ermittelte Winkel (α) der Grundplatte 7 gegenüber der Horizontalen 11 wird zur Bestimmung der parallelen Beschleunigung (PB) zur Grundplatte 7 genutzt, was rechentechnisch erfolgt.Again, the aforementioned difference formation is part of the measured values of the individual sensors 1 - 2 the proportion of static acceleration as previously unknown size included. After the aforementioned eliminations, this value remains as the difference value to which a certain angle (α) is to be assigned. The thus determined angle (α) of the base plate 7 opposite the horizontal 11 is used to determine the parallel acceleration (PB) to the base plate 7 used, which is done computationally.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Verfahren und auch unter dem Gesichtspunkt von möglichst wenig Anpassungsberechnungen ist vorgesehen, dass mindestens ein Messpunkt 10 auf den Abstützungen 8, 9 bestimmt wird, der bei einer angenommenen Masse = 0 für die Masseelemente 5, 6 dieselben Koordinaten bezogen auf den jeweiligen Befestigungspunkt auf der Grundplatte 7 aufweist. Bevorzugt besitzt der mindestens eine Messpunkt 10 die Koordinaten des Masseelementes 5.In a further advantageous embodiment of the method and also with regard to the least possible adaptation calculations, it is provided that at least one measuring point 10 on the supports 8th . 9 is determined, with an assumed mass = 0 for the mass elements 5 . 6 the same coordinates based on the respective attachment point on the base plate 7 having. Preferably, the at least one measuring point has 10 the coordinates of the mass element 5 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Sensorsensor
22
Sensorsensor
33
Sensorsensor
44
Sensorsensor
55
Masseelementmass element
66
Masseelementmass element
77
Grundplattebaseplate
88th
Abstützungsupport
8.18.1
StababstützungStaff support
99
Abstützungsupport
9.19.1
Abschnitt der Abstützung 9 Section of the support 9
9.29.2
Abschnitt der Abstützung 9 Section of the support 9
1010
Messpunktmeasuring point
1111
Horizontalehorizontal
PBPB
parallel zur Grundplatte gerichtete Beschleunigungacceleration directed parallel to the base plate
VBVB
vertikal zur Grundplatte gerichtete Beschleunigungvertical acceleration towards the base plate

Claims (14)

Vorrichtung zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten mit mindestens zwei Sensoren (1, 2) mit Masseelementen (5, 6), die auf einer Grundplatte (7) jeweils mit einer elastischen Abstützung (8, 9) angeordnet sind und die in einer oder parallelen jeweils senkrecht zur Grundplatte (7) befindlich Ebenen durch Beschleunigungskräfte auslenkbar sind, wobei die Abstützungen (8, 9) für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen und die Auslenkungen der Abstützungen oder äquivalente physikalische Größen an Messpunkten (10) erfassbar und rechentechnisch verarbeitbar sind.Device for determining a movement process with static and dynamic acceleration components with at least two sensors ( 1 . 2 ) with mass elements ( 5 . 6 ), which are mounted on a base plate ( 7 ) each with an elastic support ( 8th . 9 ) are arranged and in one or parallel to each perpendicular to the base plate ( 7 ) planes are deflectable by acceleration forces, the supports ( 8th . 9 ) for one of the acceleration forms dynamically or statically have the same and for the other form of acceleration a different reaction characteristic and the deflections of the supports or equivalent physical quantities at measuring points ( 10 ) are detectable and computationally processable. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für Messungen in einem Quadranten und bei vernachlässigbarer Vertikalbeschleunigung zwei Sensoren (1, 2) auf der Grundplatte (7) angeordnet sind.Apparatus according to claim 1, characterized in that for measurements in one quadrant and negligible vertical acceleration two sensors ( 1 . 2 ) on the base plate ( 7 ) are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für allgemeine Beschleunigungsmessungen in zwei Quadranten in einer oder parallelen Ebenen vier Sensoren (1–4) mit Masseelementen (5, 6) jeweils auf Abstützungen (8, 9) angeordnet sind, wobei jeweils zwei Abstützungen gleich aber spiegelsymmetrisch angeordnet sind.Apparatus according to claim 1, characterized in that for general acceleration measurements in two quadrants in one or parallel planes four sensors ( 1 - 4 ) with mass elements ( 5 . 6 ) on supports ( 8th . 9 ) are arranged, with two supports are arranged the same but mirror symmetry. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelemente (5, 6) vorzugsweise die gleiche Größe aufweisen.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the mass elements ( 5 . 6 ) preferably have the same size. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung (8) in mechanischer Ausführung ein Stab (8.1) oder ein Streifen (8.1) ist, wobei bei einem Streifen (8.1) dieser in der Streifenebene elastisch verformbar ist und die Abstützung (9) durch einen abgewinkelten oder gebogenen Stab oder Streifen gebildet ist mit den Abschnitten (9.1, 9.2).Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the support ( 8th ) in mechanical execution a rod ( 8.1 ) or a strip ( 8.1 ), whereby in the case of a strip ( 8.1 ) is elastically deformable in the strip plane and the support ( 9 ) is formed by an angled or bent rod or strip with the sections ( 9.1 . 9.2 ). Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (9.1) des Stabes oder Streifens der Abstützung (9) im Anfangsbereich von der Grundplatte (7) aus gesehen in der Form und der Verformbarkeit jeweils dem Stab oder Streifen (8.1) entspricht.Device according to claim 5, characterized in that the section ( 9.1 ) of the bar or stripe of the support ( 9 ) in the initial area of the base plate ( 7 ) seen in the form and the deformability in each case the rod or strip ( 8.1 ) corresponds. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der abgewinkelte Abschnitt (9.2) zum Abschnitt (9.1) einen Winkel von 90° einschließt.Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the angled portion ( 9.2 ) to the section ( 9.1 ) includes an angle of 90 °. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Abschnitte (9.1, 9.2) die gleich Länge aufweisen.Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that both sections ( 9.1 . 9.2 ) which have the same length. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung (8) und der Abschnitt (9.1) der Abstützung (9) mit der Grundplatte (7) einen Winkel (β) einschließen, vorzugsweise einen Winkel β = 45°.Device according to one of claims 5 to 8, characterized in that the support ( 8th ) and the section ( 9.1 ) of support ( 9 ) with the base plate ( 7 ) include an angle (β), preferably an angle β = 45 °. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (1, 2) oder die Sensoren (1–4) für die Messung in einem und/oder mehr Quadranten in Sensorblöcken (11) angeordnet sind.Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the sensors ( 1 . 2 ) or the sensors ( 1 - 4 ) for measurement in one and / or more quadrants in sensor blocks ( 11 ) are arranged. Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten mit vier Sensoren (1–4) mit Masseelementen (5, 6), die auf einer Grundplatte (7) jeweils mit einer elastischen Abstützung (8, 9) angeordnet sind und die in einer oder parallelen jeweils senkrecht zur Grundplatte (7) befindlich Ebenen durch Beschleunigungskräfte auslenkbar sind, wobei die Abstützungen (8, 9) für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen, wobei jeweils zwei Abstützungen gleich aber spiegelsymmetrisch angeordnet sind und die Auslenkungen der Abstützungen oder äquivalente physikalische Größen an Messpunkten (10) erfassbar und rechentechnisch verarbeitbar sind, mit folgenden Verfahrensschritten:Method for determining a movement process with static and dynamic acceleration components with four sensors ( 1 - 4 ) with mass elements ( 5 . 6 ), which are mounted on a base plate ( 7 ) each with an elastic support ( 8th . 9 ) are arranged and in one or parallel to each perpendicular to the base plate ( 7 ) planes are deflectable by acceleration forces, the supports ( 8th . 9 ) for one of the acceleration forms dynamically or statically have the same and for the other form of acceleration a different reaction characteristic, each two supports are arranged equal but mirror-symmetrical and the deflections of the supports or equivalent physical quantities at measuring points ( 10 ) are detectable and computationally processable, with the following process steps: Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten mit zwei Sensoren (1–2) mit Masseelementen (5, 6), die auf einer Grundplatte (7) jeweils mit einer elastischen Abstützung (8, 9) angeordnet sind und die in einer oder parallelen jeweils senkrecht zur Grundplatte (7) befindlich Ebenen durch Beschleunigungskräfte auslenkbar sind, wobei die Abstützungen (8, 9) für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen, mit folgenden Verfahrensschritten: die Auslenkung oder eine andere physikalische Größe mindestens eines Messpunktes (10) der Sensoren (1, 2) wird unter Beschleunigungsbedingungen, bei denen die Vertikalbeschleunigung vernachlässigbar ist, zeitgleich gemessen und die Messwerte werden einer Differenzbildung unterzogen die mindestens umfasst – die dynamische Beschleunigungskomponente, die parallel zur Grundplatte (7) gerichtet ist, wird kompensiert, indem eine Differenzbildung der gemessenen Auslenkungswerte oder der äquivalenten physikalische Größen der Sensoren (1) und (2) erfolgt, und der so ermittelte Winkel (α) der Grundplatte (7) gegenüber der Horizontalen (11) wird zur Bestimmung der parallelen Beschleunigung (PB) zur Grundplatte (7) genutzt.Method for determining a movement process with static and dynamic acceleration components with two sensors ( 1 - 2 ) with mass elements ( 5 . 6 ), which are mounted on a base plate ( 7 ) each with an elastic support ( 8th . 9 ) are arranged and in one or parallel to each perpendicular to the base plate ( 7 ) planes are deflectable by acceleration forces, the supports ( 8th . 9 ) for one of the acceleration forms dynamically or statically have the same and for the other form of acceleration a different reaction characteristic, with the following method steps: the deflection or another physical quantity of at least one measuring point ( 10 ) of the sensors ( 1 . 2 ) is simultaneously measured under acceleration conditions in which the vertical acceleration is negligible, and the measured values are subjected to a subtraction which comprises at least - the dynamic acceleration component which is parallel to the base plate ( 7 ) is compensated by taking a subtraction of the measured deflection values or the equivalent physical quantities of the sensors ( 1 ) and ( 2 ), and the thus determined angle (α) of the base plate ( 7 ) in relation to the horizontal ( 11 ) is used to determine the parallel acceleration (PB) to the base plate ( 7 ) used. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Messpunkt (10) auf den Abstützungen (8, 9) bestimmt wird, der bei einer angenommenen Masse = 0 für die Masseelemente (5, 6) dieselben Koordinaten bezogen auf den jeweiligen Befestigungspunkt auf der Grundplatte (7) aufweist.Method according to claim 11 or 12, characterized in that at least one measuring point ( 10 ) on the supports ( 8th . 9 ) which, given an assumed mass = 0 for the mass elements ( 5 . 6 ) the same coordinates relative to the respective attachment point on the base plate ( 7 ) having. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Messpunkt (10) die Koordinaten des Masseelementes (5) aufweist.Method according to claim 13, characterized in that the at least one measuring point ( 10 ) the coordinates of the mass element ( 5 ) having.
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