DE102012022702A1

DE102012022702A1 - Sensoranordnung und Verfahren mit Kerbfilter in Signalverarbeitung

Info

Publication number: DE102012022702A1
Application number: DE102012022702.7A
Authority: DE
Inventors: Marcus Reul; Frank Bonarens
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2014-05-22
Also published as: US20140180640A1; CN103837696A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (10) mit mindestens einem Zustandsgrößensensor (14), einer Sensoranbindungsstruktur (12) zur Anbindung des mindestens einen Zustandsgrößensensors (14) an einem Strukturbauteil (12) sowie einer mit dem mindestens einen Zustandsgrößensensor (14) gekoppelten Signalverarbeitungseinrichtung (18), die einen Frequenzeliminationsfilter (20) für eine Mittelwertbildung der Signale des mindestens einen Zustandsgrößensensors (14) über die Periodendauer der ersten Eigenfrequenz der Sensoranordnung (10) umfasst. Dies ermöglicht die Ausbildung eines Kerbfilters mit einer Kerbfrequenz, die der ersten Eigenfrequenz der Beschleunigungssensoranordnung (10) entspricht und eine hohe Filtergüte aufweist. Dadurch werden die Kerbfrequenz und ganzzahlige Vielfache davon vollständig eliminiert und damit Störungen durch die Eigenfrequenzen der Sensoranordnung (10) vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit mindestens einem Zustandsgrößensensor, einer Sensoranbindungsstruktur zur Anbindung des mindestens einen Zustandsgrößensensors an einem Strukturbauteil sowie einer mit dem mindestens einen Zustandsgrößensensor gekoppelten Signalverarbeitungseinrichtung, die eine Filtereinheit für die Signale des mindestens einen Zustandsgrößensensors umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur digitalen Signalfilterung des Signals mindestens eines Zustandsgrößensensors in einer Sensoranordnung mit einer Sensoranbindungsstruktur zur Fixierung des mindestens einen Zustandsgrößensensors an einem Strukturbauteil, mittels einer Filtereinheit.
Bisher wird bei der Befestigung von Zustandsgrößensensoren, insbesondere von Beschleunigungssensoren über Sensoranbindungsstrukturen an Strukturbauteilen, insbesondere von Kraft- und Luftfahrzeugen, eine möglichst steife Anbindung gefordert, damit die erste Eigenfrequenz der aus Sensoren, einer Sensorhalterung und Gehäuseelementen bestehenden Sensoranordnung oberhalb der größten Eigenfrequenz der Sensorelemente selber liegt. Dies ist typischerweise oberhalb von ca. 150 Hz der Fall. Eigenschwingungen des Sensorsystems erscheinen damit nicht als Störungen in den mittels der Sensorelemente gewonnenen Signalen. Eine steife Sensoranbindung erfordert allerdings steife und damit schwere Haltestrukturen bzw. Fixiereinrichtungen, was zunehmend im Widerspruch zu Gewichtsreduzierungs- und Package-Anforderungen steht.
Es wäre wünschenswert, eine Sensoranordnung bereitzustellen, deren erste Eigenfrequenz unterhalb der größten Eigenfrequenz der Sensorelemente liegt und somit Sensoranbindungsstrukturen einer geringer Steifigkeit und eines geringen Gewichtes verwendbar wären.
Aus der DE 10 2007 011 816 A1 ist es an sich bekannt, in der mit den Sensorelementen verbundenen Signalverarbeitungseinrichtung eine Filtereinrichtung vorzusehen, die auch als Kerbfilter ausgebildet sein kann, wodurch eine Dämpfung kritischer Frequenzen, also insbesondere der ersten Eigenfrequenz der Beschleunigungssensoranordnung möglich erscheint. Die herkömmlichen Kerbfilter weisen zwar möglicherweise signifikante Dämpfungen auf, aber eine vollständige Elimination der Kerbfrequenz ist entweder nicht möglich oder baulich aufwändig oder führt zu großen Verzugszeiten bzw. Gruppenlaufzeiten.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung mit mindestens einem Zustandsgrößensensor bzw. ein Verfahren zur digitalen Signalfilterung des Signals mindestens eines Zustandsgrößensensors bereitzustellen, die eine weitestgehend ungestörte Funktion bzw. Messung auch dann ermöglichen, wenn die Fixierung der Sensoranordnung am Strukturbauteil nur eine geringe Steifigkeit bzw. ein geringes Gewicht aufweist oder wenn aus anderen Gründen die erste Eigenfrequenz der Sensoranordnung unterhalb der ersten Eigenfrequenz der Sensorelemente liegt.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1 und 10. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Insbesondere wird die Aufgabe vorrichtungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Sensoranordnung mit mindestens einem Zustandsgrößensensor, einer Sensoranbindungsstruktur zur Anbindung des mindestens einen Zustandsgrößensensors an einem Strukturbauteil sowie einer mit dem mindestens einen Zustandsgrößensensor gekoppelten Signalverarbeitungseinrichtung, die eine Filtereinheit für die Signale des mindestens einen Zustandsgrößensensors umfasst, die Filtereinheit als Frequenzeliminationsfilter ausgebildet ist für eine Mittelwertbildung der Signale des mindestens einen Zustandsgrößensensors über die Periodendauer der ersten Eigenfrequenz der Sensoranordnung.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur digitalen Signalfilterung des Signals mindestens eines Zustandsgrößensensors in einer Sensoranordnung mit einer Sensoranbindungsstruktur zur Fixierung des mindestens einen Zustandsgrößensensors an einem Strukturbauteil, bei dem eine Mittelwertbildung der Signale des mindestens einen Zustandsgrößensensors über die Periodendauer der ersten Eigenfrequenz der Sensoranordnung erfolgt.
Diese erfindungsgemäßen Merkmale ermöglichen die Ausbildung eines Kerbfilters mit einer Kerbfrequenz, die der ersten Eigenfrequenz der Beschleunigungssensoranordnung entspricht und eine hohe Filtergüte aufweist. Dadurch werden die Kerbfrequenz und ganzzahlige Vielfache davon vollständig eliminiert und damit Störungen durch die Eigenfrequenzen der Sensoranordnung aus dem Sensorfrequenzgang und damit den Sensorsignalen vermieden. Somit wird eine flexible und kostengünstige Anbindung von Sensorsystemen selbst bei Anbindungen geringer Steifigkeit möglich. Dies wiederum führt zu Gewichts- und Kosteneinsparungen. Es entsteht dabei ferner, verglichen mit herkömmlichen Filtertechniken, ein minimaler Signalverzug, also eine minimale Gruppenlaufzeit. Auch in der Umgebung der Kerbfrequenz ist noch eine erhebliche Signalabschwächung erzielbar, was zu einer hohen Robustheit in Bezug auf Eigenfrequenzänderungen führt.
Unter einem Zustandsgrößensensor wird jeder Sensor verstanden, der Zustandsgrößen erfasst, die schwingungsbedingten Störungen ausgesetzt sind. Insbesondere handelt es sich um Beschleunigungssensoren, aber es werden auch andere Sensoren wie Temperatur- oder Drucksensoren darunter verstanden.
Unter einer Sensoranbindungsstruktur wird beispielsweise eine Sensorhalterung verstanden oder auch Strukturbauteile, die aufgrund geringer Steifigkeit schwingungsempfindlich sind, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen dünne Seitenwände.
Unter Eigenfrequenz wird sowohl die ungedämpfte Eigenfrequenz eines Schwingungssystems wie auch die gedämpfte Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) verstanden.
Unter Mittelwertbildung wird sowohl eine periodische als auch eine nicht-periodisch (stochastisch) durchgeführte Mittelwertbildung verstanden.
Unter Frequenzeliminationsfilter wird vorzugsweise ein Kerbfilter verstanden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Sensoranordnung mehrere, in verschiedenen Achsrichtungen sensitive, Beschleunigungssensoren für die Erfassung von mehraxialen Beschleunigungen. Somit lassen sich auch mehrachsige Sensoranordnungen entsprechend ausrüsten. Dabei ist für jeden Beschleunigungssensor ein eigener Frequenzeliminationsfilter vorgehen, damit die einzelnen Beschleunigungssignale in den Achsrichtungen individuell verwendet werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Anzahl der Mittelwertbildungs-Messwerte veränderbar. Alternativ oder zusätzlich ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Meßwertaktualisierungsrate veränderbar. So ist eine schnelle bzw. unkomplizierte Anpassung an veränderte Gegebenheiten oder Umstände möglich, z. B. eine durch äußere Umstände veränderte Eigenfrequenz. Ferner kann der erfindungsgemäße Kerbfilter mit geringem Aufwand, beispielsweise softwaremäßig, an unterschiedliche Sensoranordnungen mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen angepasst werden.
Eine bevorzugte Anwendung der Sensoranordnung ist in einem Kraftfahrzeug, wo eine immer umfangreichere Mehraxialsensorik für moderne Fahrzeugsteuerungssystems notwendig ist. Als Kraftfahrzeug wird jedes ein- oder mehrspurige Fahrzeug verstanden unabhängig von der Antriebsart. Die Erfindung kann in gleicher Weise bei einem Luftfahrzeug oder einem Seefahrzeug eingesetzt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1: eine schematische Blockdarstellung eine Beschleunigungssensoranordnung;
2: eine Frequenzgangdarstellung des Kerbfilters.
1 zeigt eine Beschleunigungssensoranordnung 10, umfassend eine Sensorhalterung 12 zur Fixierung einer Sensorbaugruppe 14, die mindestens einen, aber vorzugsweise mehrere, für mehre Achsen sensitive Beschleunigungssensoren umfasst, an einem Strukturbauteil 16. Bei dem Strukturbauteil 16 kann es sich vorzugsweise um die Karosserie eines Kraftfahrzeuges oder den Rumpf eines Luftfahrzeugs handeln. Die Sensorbaugruppe 14 ist mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 18 gekoppelt, die zur Energieversorgung der Beschleunigungssensoren (soweit erforderlich) sowie zur digitalen Verarbeitung der von den Beschleunigungssensoren kommenden Beschleunigungssignale dient. Bestandteil der Signalverarbeitungseinrichtung 18 ist ein Kerbfilter 20, der von dem Signal eines Beschleunigungssensors durchlaufen wird, wobei der Kerbfilter 20 die in 2 dargestellte Charakteristik aufweist, also die Kerbfrequenz – im dargestellten Ausführungsbeispiel von 35 Hz – sowie ganzzahlige Vielfache der Kerbfrequenz eliminiert. Aus dem Ausgangssignal 22 der Beschleunigungssensoranordnung 10 sind also die Eigenfrequenzen der Beschleunigungssensoranordnung 10 vollständig entfernt. Sofern die Sensorbaugruppe 14 mehrere Beschleunigungssensoren umfasst, deren Signale natürlich einzeln der Signalverarbeitungseinrichtung 18 zugeführt werden, ist für jeden Signalpfad ein eigener, vorzugsweise identisch aufgebauter Kerbfilter 20 vorgesehen.
Der Kerbfilter 20 funktioniert bei dieser Ausführungsform folgendermaßen: es erfolgt eine gleitende Mittelwertbildung der Signale der Beschleunigungssensoren über die Periodendauer der ersten Eigenfrequenz der Beschleunigungssensoranordnung. Angenommen die erste Eigenfrequenz der Beschleunigungssensoranordnung sei 35 Hz, d. h. die Periodendauer beträgt 29 ms (= 1/35 Hz). Angenommen sei ferner eine Aktualisierungsrate der Signalerfassung von 1 ms (diese kann frei konfiguriert werden, es muss lediglich ein Pufferspeicher in der Signalverarbeitungseinrichtung 18 zur Speicherung aller gespeicherten Werte entsprechend dimensioniert werden). Es erfolgt also bei diesem Ausführungsbeispiel eine gleitende Mittelwertbildung über die letzten 29 Messwerte. Das Ergebnis ist der in 2 dargestellte Frequenzgang, bei dem die Eigenfrequenzen der Beschleunigungssensoranordnung angefangen bei der ersten Eigenfrequenz von 35 Hz herausgefiltert sind. Ferner ist bedeutsam, dass eine Gruppenlaufzeit von 29 ms/2, also ca. 15 ms erzielbar ist, die darüber hinaus über der Frequenz konstant ist. Die Einhüllende des Kerbfilter-Frequenzgangs ist ein PT₁-Verhalten.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
Bezugszeichenliste

10: Beschleunigungssensoranordnung
12: Sensorhalterung
14: Sensorbaugruppe
16: Strukturbauteil
18: Signalverarbeitungseinrichtung
20: Kerbfilter
22: Ausgangssignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007011816 A1 [0004]

Claims

Sensoranordnung (10) mit mindestens einem Zustandsgrößensensor (14), einer Sensoranbindungsstruktur (12) zur Anbindung des mindestens einen Zustandsgrößensensors (14) an einem Strukturbauteil (16) sowie einer mit dem mindestens einen Zustandsgrößensensor (14) gekoppelten Signalverarbeitungseinrichtung (18), die eine Filtereinheit (20) für die Signale des mindestens einen Zustandsgrößensensors (14) umfasst, wobei die Filtereinheit (20) als Frequenzeliminationsfilter ausgebildet ist für eine Mittelwertbildung der Signale des mindestens einen Zustandsgrößensensors (14) über die Periodendauer der ersten Eigenfrequenz der Sensoranordnung.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zustandsgrößensensor (14) ein Beschleunigungssensor, ein Temperatursensor oder ein Drucksensor ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese mehrere, in verschiedenen Achsrichtungen sensitive Beschleunigungssensoren (14) für die Erfassung von mehraxialen Beschleunigungen umfasst.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwertbildung eine gleitende Mittelwertbildung ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der gleitenden Mittelwertbildung die Anzahl der bei der Mittelwertbildung berücksichtigten Mittelwertbildungs-Messwerte bestimmt ist durch die Periodendauer multipliziert mit einer Messwertaktualisierungsrate.
Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Mittelwertbildungs-Messwerte veränderbar ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertaktualisierungsrate veränderbar ist.
Verwendung der Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche in einem Kraftfahrzeug.
Verwendung der Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche in einem Luftfahrzeug oder einem Seefahrzeug.
Verfahren zur digitalen Signalfilterung des Signals mindestens eines Zustandsgrößensensors (14) in einer Sensoranordnung (10) mit einer Sensoranbindungsstruktur (12) zur Fixierung des mindestens einen Zustandsgrößensensors (14) an einem Strukturbauteil (12), mittels einer Filtereinheit, wobei eine Mittelwertbildung der Signale des mindestens einen Zustandsgrößensensors (14) über die Periodendauer der ersten Eigenfrequenz der Sensoranordnung (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwertbildung als eine gleitende Mittelwertbildung ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der gleitenden Mittelwertbildung die Anzahl der bei der Mittelwertbildung berücksichtigten Mittelwertbildungs-Messwerte bestimmt ist durch die Periodendauer multipliziert mit einer Messwertaktualisierungsrate.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Mittelwertbildungs-Messwerte veränderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertaktualisierungsrate veränderbar ist.