DE102015205211A1

DE102015205211A1 - Verfahren zum Betrieb eines kapazitiven Belastungssensors

Info

Publication number: DE102015205211A1
Application number: DE102015205211.7A
Authority: DE
Inventors: Tobias Tyroller
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2016-09-29

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines kapazitiven Belastungssensors beschrieben, wobei der Belastungssensor aus zumindest zwei Elektroden besteht, welche durch zumindest eine deformierbare dielektrische Schicht voneinander getrennt sind, und durch Erfassung einer Änderung der Kapazität innerhalb eines Zeitfensters ein Aufprall erkannt wird. Neben der Kapazität wird zudem der ohmsche Widerstand erfasst und mit jeweils zumindest einem Schwellwert oder Vorgabewertebereich verglichen und bei Abweichung der Belastungssensor als defekt erkannt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines kapazitiven Belastungssensors gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Seit vielen Jahren werden verschiedenste Arten von Belastungssensoren diskutiert und eingesetzt, bspw. als Aufprallsensoren für die frühzeitige Erkennung eines Aufpralls eines Objekts, insbesondere auch eines Fußgängers, auf ein Kraftfahrzeug oder als Sitzbelegungssensoren. So beschreibt beispielsweise die EP 937 612 A2 neben vielen anderen Aufprallsensoren auch einen kapazitiven Aufprallsensor, wie dieser beispielsweise aber auch aus der DE 42 42 230 A1 oder der WO 2013 095 223 A1 zu entnehmen ist.
Ein solcher kapazitiver Belastungssensor besteht aus zumindest zwei Elektroden, welche durch zumindest eine dielektrische Schicht voneinander räumlich als auch elektrisch getrennt sind. Die dielektrische Schicht wird dabei deformierbar, also beispielsweise aus einem verformbare im Gummi- oder Kunststoffmaterial, als ein Dämpfungsschaum oder dergleichen ausgebildet, um im Aufprall nicht sofort zerstört zu werden und eine entsprechende Änderung der Kapazität aufzuweisen. Vorzugsweise wird zudem zumindest eine der Elektroden ebenfalls entsprechend deformierbar ausgestaltet, um die Funktionsweise des Aufprallsensors auch über den Aufprall hinweg sicherzustellen.
Neben einer Ausgestaltung als parallel zueinander angeordnete Platten oder Schichten sind auch bereits koaxiale Anordnungen bekannt.
Durch Erfassung einer Änderung der Kapazität innerhalb eines Zeitfensters, beispielsweise Anlegen einer entsprechenden Wechselspannung, wird ein Aufprall erkannt und teils auch die Art des Aufpralls abgeleitet. Der ohmsche Widerstand solcher kapazitiven Aufprallsensoren ist jedoch sehr hoch.
Während bei kapazitiven Aufprallsensoren die Änderung der Kapazität betrachtet wird, sind darüber hinaus resistive Aufprallsensoren bekannt, welche aus komplett anderen Materialien bestehen, anders aufgebaut sind und bei welchen sich ausschließlich der ohmsche Widerstand des Aufprallsensors beim Aufprall maßgeblich ändert. Ähnliches gilt für Belastungssensoren als Sitzbelegungssensoren, wobei dort die primär statische Änderung der Kapazität ausgewertet und der Wertebereich dieser Änderungen abweichend zu den doch eher lokal belasteten Aufprallsensoren ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein geeignetes Verfahren zum Betrieb eines kapazitiven Belastungssensors vorzustellen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass für eine Funktionsprüfung auch der ohmsche (Parallel-)Widerstand der Anordnung erfasst wird, wenngleich dieser bei einem kapazitiven Belastungssensor sehr groß und nicht hinreichend von der eigentlichen Belastung, also einem Aufprall oder Sitzbelegung beeinflusst, aber eben jedoch geeignet ist, um einen Defekt des Belastungssensors zu erkennen.
So ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Kapazität des Belastungssensors nicht nur mit den für die Erkennung erforderlichen Schwellen verglichen wird, sondern auch zur Funktionsprüfung herangezogen, also zusätzlich mit einer unteren und einer oberen Schwelle verglichen und bei einer Unterschreitung der unteren Schwelle sowie dem Überschreiten der oberen Schwelle als defekt erkannt wird. Die beiden Schwellen sind dabei deutlich abweichend von denjenigen Schwellen, welche für die Aufprallerkennung verwendet werden.
Überschreitet die Kapazität die obere Schwelle, ist davon auszugehen, dass die deformierbare dielektrische Schicht irreversibel soweit gequetscht wurde, dass die beiden Elektroden einander fast berühren. Selbst wenn die Quetschung lokal begrenzt ist und das verpresste Dielektrikum an den versetzten Bereichen dann sogar zu einer Verdickung und damit Vergrößerung des Abstands führt, bleibt der Einfluss des gequetschten Bereichs doch dominierend.
Unterschreitet die Kapazität die untere Schwelle, ist davon auszugehen, dass beispielsweise eine der Elektroden unterbrochen und somit die wirksame Fläche deutlich reduziert ist.
Zudem wird vorzugsweise der ohmsche Widerstand die mit einer unteren Schwelle verglichen und bei einer Unterschreitung der unteren Schwelle der kapazitive Aufprallsensor als defekt erkannt. Ursache für ein solches Absinken des ohmschen Widerstandes kann beispielsweise das Eindringen von Feuchtigkeit in die dielektrische Schicht oder ein zumindest weitgehender Kurzschluss der beiden Elektroden sein.
Die Erfindung wird nachfolgend noch anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
1 Skizze eines Koaxialkabels
2 Koaxialkabel in der Aufprallbelastung
3 skizzenhaftes elektrisches Ersatzschaltbild
4 geplantes Flussdiagramm
1 zeigt ein Koaxialkabel bestehend aus einer äußeren Elektrode 11, üblicherweise auf Massepotential, dem Dielektrikum 12 und einer inneren Elektrode 13 sowie optional einem äußeren nichtleitenden Schutzmantel 14. Dielektrikum 12 als auch Elektrode 11 sind deformierbar gestaltet. Beim Dielektrikum 12 kommen bspw. Gummi- oder Kunststoffmischungen in Frage. Bei der Elektrode 11 kann dies bspw. durch ein elastisches Netzgewebe aus Metallfäden realisiert werden. 2 skizziert die Quetschung durch die Kraft des Aufpralls.
3 zeigt dabei ein elektrisches Ersatzschaltbild eines solchen kapazitiven Aufprallsensors, wobei hier skizzenhaft ergänzten ohmschen Anteile R und G, als auch die induktiven Anteile L und der eigentlich maßgebliche und vom Aufprall zu beeinflussende kapazitive Anteil C natürlich im verwendeten Material selbst und zunächst nicht als separate elektrische Bauelemente zu verstehen sind, für eine entsprechend starke Unterscheidbarkeit und Lokalisierung eines Aufpralls aber durchaus auch separate Bauelemente zur Verstärkung der entsprechenden Wirkung vorstellbar sind.
Handelsübliche Koaxialkabel besitzen dabei typischerweise eine Kapazität von ca. 100 pF pro Meter. Bei einem Anprall verändert sich dieser Wert um ca 3 pF pro Meter. Bei Abweichungen um mehr als 10pF, vorzugsweise mehr als 20 oder gar 30 pF ist ein Aufprallsensor als defekt zu betrachten. Für eine Sitzbelegung können jedoch großflächigere Belastungen und größere Änderungen erwartet werden. Dort die Änderungen durch Sitzbelegung in den Bereich von 20–30 pF je Meter kommen und die Schwellen für eine ausfallerkennung entsprechend höher liegen.
Der ohmsche Parallel-Widerstand G eines Koaxialkabels liegt hingegen üblicherweise bei 10¹³ Ohm pro Meter, ist der Wert jedoch kleiner als 10⁸ Ohm pro Meter kann das Kabel als defekt betrachtet werden. Insofern ist insbesondere die In 2 wird dabei skizzenhaft der Sensor als Koaxialkabel dargestellt, wobei die konkreten Parameter, verwendeten Materialien für das Dielektrikum als auch die Elektroden oder die Form und Anordnung der Elektroden und des Dielektrikums an die Bedürfnisse des Einzelfalls im Kraftfahrzeug angepasst werden können.
Es erfolgt also eine Messung sowohl der Kapazität als auch des ohmschen Widerstands der Anordnung und neben der eigentlichen Bewertung der Kapazität bzw. Änderung der Kapazität hinsichtlich der Belastung auch ein Selbsttest und zwar sowohl hinsichtlich der Kapazität der Anordnung als auch des ohmschen Widerstands. Der Selbsttest kann dabei zeitlich parallel oder versetzt zur Aufprallerkennung erfolgen und die Ausgabe eines Signals des Aufprallsensors über einen Aufprall abhängig vom Ergebnis des Selbsttests gemacht werden.
In der Praxis wird also ein Kraftfahrzeug mit einem solchen kapazitiven Aufprallsensor sowie einer Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens ausgestattet werden, wobei der Selbsttest des kapazitiven Sensors funktional in die elektronische Einheit des Aufprallsensors integriert sein kann und dann neben oder anstelle dem eigentlichen Signalwert bereits ein Signal über die Funktionsfähigkeit an eine zentrale Steuereinheit abliefert oder aber der Selbsttest in diese zentrale Steuereinheit mit integriert wird.
4 skizziert dies nochmal, indem der kapazitive Aufprallsensor mit einer Auswertung der Kapazität 2 verbunden ist, welche bspw. einen Wechselspannungsgenerator und eine Messschaltung zur Erfassung der Kapazität enthält. Der erfasste C-Wert geht jedoch nicht nur in die weitere Algo-Auswertung 4 zur Erzeugung des Signals S, sondern in eine Selbsttestfunktion 5, hier als separate Einheit dargestellt. Die Selbsttestfunktion 5 erfasst zudem den Widerstandswert R in 3, erfolgen die Vergleiche mit den jeweiligen Schwellwerten Thresh 1–3 und wird bei Eintritt einer entsprechenden Abweichung ein Fehlersignal F gesetzt, welches an die weitere Auswertung gesendet werden kann, oder auch ergänzend oder alternativ die Algo-Auswertung 4 oder die Weiterleitung des Signals S stoppt, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet wird. Die Schwellwerte Thresh 1–3 hängen dabei von der Verwendung des Belastungssensors, der Dimensionierung und Materialien natürlich ab.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 937612 A2 [0002]
DE 4242230 A1 [0002]
WO 2013095223 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines kapazitiven Belastungssensors, wobei der Belastungssensor aus zumindest zwei Elektroden besteht, welche durch zumindest eine deformierbare dielektrische Schicht voneinander getrennt sind, dessen Kapazität erfasst und daraus ein Signal für die Belastung abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zudem der ohmsche Widerstand (R) erfasst und mit jeweils zumindest einem Schwellwert oder Vorgabewertebereich verglichen und bei Abweichung der Belastungssensor als defekt erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand die mit einer unteren Schwelle verglichen und bei einer Unterschreitung der unteren Schwelle als defekt erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zudem die Kapazität mit einer unteren und einer oberen Schwelle verglichen und bei einer Unterschreitung der unteren Schwelle sowie dem Überschreiten der oberen Schwelle als defekt erkannt wird.
Kraftfahrzeug mit einem kapazitiven Aufprallsensor sowie einer Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug mit einem kapazitiven Belastungssensor in der Sitzmatte eines Sitzes zur Sitzbelegungserkennung sowie einer Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.