DE102016007057A1 - Device for detecting movement and gravitational acceleration and a sensor used thereby - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Sensor (1) mit einer Grundplatte (3) und mit einem Masseelement (4), das auf der Grundplatte (3) durch ein mindestens zwei Abschnitte (6.1, 6.2) aufweisendes Abstützelement (6) abgestützt ist, wobei der erste Abschnitt (6.1) des Abstützelementes (6) in der Grundplatte (3) eingespannt und elastisch verformbar ist und das Abstützelement (6) einen Messpunkt (8) aufweist, wobei der zweite Abschnitt (6.2) starr ausgebildet ist, unter einem Winkel (β) mit dem ersten Abschnitt (6.1) starr verbunden ist und Träger des Masseelementes (4) ist.The invention relates to a sensor (1) with a base plate (3) and with a mass element (4) which is supported on the base plate (3) by a supporting element (6) having at least two sections (6.1, 6.2), the first one Section (6.1) of the support element (6) in the base plate (3) is clamped and elastically deformable and the support element (6) has a measuring point (8), wherein the second portion (6.2) is rigid, at an angle (β) is rigidly connected to the first section (6.1) and carrier of the mass element (4).
Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor, dessen Reaktionscharakteristik bei Gravitationskräften deutlich von der Sinusform abweicht und eine Vorrichtung zur getrennten Erfassung von statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten unter Nutzung des Sensors.The invention relates to a sensor whose reaction characteristic deviates significantly from the sinusoidal shape in the case of gravitational forces, and to a device for the separate detection of static and dynamic acceleration components using the sensor.
Bei einem konventionellen Sensor ist die Auslenkung eines federnd gelagerten Masseelementes, z. B. an einem elastischen Streifen, ein Maß für die auf die Masse einwirkende Kraft. Ob diese Kraft einer dynamischen Beschleunigung – Längs- und Querbeschleunigung – oder einer statischen Beschleunigung – einem Gravitationseinfluss – oder einer Überlagerung von beiden Einflüssen zuzuordnen ist, kann jedoch nicht erkannt werden.In a conventional sensor, the deflection of a spring-mounted mass element, for. B. on an elastic strip, a measure of the force acting on the mass. Whether this force can be assigned to a dynamic acceleration - longitudinal and lateral acceleration - or a static acceleration - a gravitational influence - or a superposition of both influences can not be recognized.
Auch wenn mehrere konventionelle Sensoren in unterschiedlicher Winkelstellung verwendet werden, lassen sich durch Verrechnung der Ausgangssignale die Komponenten der dynamischen Beschleunigung und der Gravitationsbeschleunigung nicht isolieren, da aufgrund der Kennliniengleichheit mit sinusförmiger Charakteristik keine neue Information hinzukommt. Würden die Ausgangsignale der Sensoren auf gleiche Beschleunigungsreaktionen kalibriert und voneinander subtrahiert, würden sich nicht nur die dynamischen Beschleunigungsanteile, sondern auch die statischen, die Gravitationsanteile, kompensieren.Even if several conventional sensors are used in different angular positions, the components of the dynamic acceleration and the gravitational acceleration can not be isolated by offsetting the output signals, since no new information is added due to the characteristic equality with sinusoidal characteristic. If the output signals of the sensors were calibrated for the same acceleration reactions and subtracted from each other, not only the dynamic acceleration components but also the static components, the gravitational components, would be compensated.
Eine Vorrichtung zur getrennten Erfassung von dynamischen und statischen Beschleunigungskomponenten ist aus der
Die hier eingesetzten Sensoren, die der Bedingung genügen, für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufzuweisen, bestehen aus einem elastischen Stab oder Streifen und einem abgewinkelten oder abgebogenen elastischen Stab oder Streifen, jeweils mit einem Messelement am Ende und in einem Winkel zur Grundebene aufgestellt, wobei diese Stäbe oder Streifen jeweils paarweise und spielgelbildlich angeordnet sind.The sensors used here, which satisfy the condition for one of the acceleration forms dynamically or statically same and for the other form of acceleration have a different reaction characteristics, consist of an elastic rod or strip and an angled or bent elastic rod or strip, each with a measuring element on End and placed at an angle to the ground plane, these bars or strips are arranged in pairs and gel-like gel.
Es hat sich nun gezeigt, dass die konkret in der
Um die Differenzwerte in den Reaktionscharakteristiken zu erhöhen, was zu einer höheren Auflösung und damit zu verbesserten Messwertgenauigkeit führt, wird in der
Charakteristisch für die vorgenannten Sensoren der Vorrichtung ist, dass sie eine im Wesentlichen sinusförmige Kennlinie beibehalten, allerdings mit seitlichen Abflachungen, aus deren Differenz dann der Messwert für die Gravitationsbeschleunigung generierbar ist. Die seitlichen Abflachungen sind dabei das Resultat von umgelenkten Kräften. Weitere elastische Streifen zur Masseabstützung führen nur zu unwesentlich größeren Verformungen. Diese Art der Beeinflussung der Gravitationskraft durch abgewinkelte elastische Streifen kann deshalb als passive Maßnahme charakterisiert werden.Characteristic of the aforementioned sensors of the device is that they maintain a substantially sinusoidal characteristic, but with lateral flattening, from whose difference then the measured value for the gravitational acceleration can be generated. The lateral flattening is the result of deflected forces. Other elastic strips for mass support only lead to slightly larger deformations. This type of influence of the gravitational force by angled elastic strips can therefore be characterized as a passive measure.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor und ein Sensorsystem vorzuschlagen, der bzw. von dem mindestens ein Sensor eine erheblich höhere von der Sinusform abweichende Gravitationskennlinie aufweist als dies mit den o. a. passiven Maßnahmen möglich ist, um so die Auflösung der dynamischen Größen einer Bewegung, nämlich Bewegungsbeschleunigung in Längs-, Querrichtung (auf den Sensor bezogen) und Gravitationsbeschleunigung, zu verbessern. The object of the invention is to propose a sensor and a sensor system which has or at least one sensor has a considerably higher gravitational characteristic deviating from the sinusoid than is possible with the above-mentioned passive measures, so as to enable the resolution of the dynamic quantities of a movement. namely acceleration of motion in the longitudinal, transverse (relative to the sensor) and gravitational acceleration to improve.
Die Maßnahmen lassen sich – wie nachstehend gezeigt wird – als eine aktive Beeinflussung bezeichnen.The measures can be described as an active influence, as shown below.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruches 1 und einer Vorrichtung in Form einer Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruches 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a sensor with the features of claim 1 and a device in the form of a sensor arrangement with the features of
Der erfindungsgemäße Sensor mit einer Grundplatte und mit einem Masseelement, das auf der Grundplatte durch ein mindestens zwei Abschnitte aufweisendes Abstützelement abgestützt ist, wobei der erste Abschnitt des Abstützelementes in der Grundplatte eingespannt und elastisch verformbar ist und das Abstützelement einen Messpunkt aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt starr ausgebildet, unter einem Winkel (β) mit dem ersten Abschnitt starr verbunden und Träger des Masseelementes ist.The sensor according to the invention with a base plate and with a mass element, which is supported on the base plate by a support member having at least two sections, wherein the first portion of the support element is clamped in the base plate and elastically deformable and the support element has a measuring point, characterized in that the second section is rigidly formed, rigidly connected to the first section at an angle (β) and carries the mass element.
Die Abschnitte des Abstützelementes sind in mechanischer oder mikromechanischer Ausführung bevorzugt Stäbe oder Streifen.The sections of the support element are in mechanical or micromechanical design preferably rods or strips.
Der erfindungsgemäße Sensor besteht somit in dieser bevorzugten Ausführung aus einem auf einer Grundplatte abgestützten zweiteiligen Streifengebilde, an dessen Ende sich das Masseelement befindet, wobei der mit der Grundplatte verbundene Streifenteil elastisch und der mit diesem Streifenteil starr verbundene zweite Streifenteil starr ausgeführt ist und sich der Messpunkt an einer beliebigen Stelle der Streifenteile befinden kann, wie auch an einem weiteren an der Verbindungsstelle angebrachten starren Streifen.The sensor according to the invention thus consists in this preferred embodiment of a supported on a base plate two-piece strip structure, at the end of which the mass element is, wherein the strip part connected to the base plate is elastic and rigidly connected to this strip part second strip portion is designed and the measuring point can be located at any point of the strip parts, as well as at a further attached at the junction rigid strip.
Bevorzugt befindet sich der Messpunkt dort, wo die Verformung, d. h. die Abweichung der Streifenteile von der Ruheposition am deutlichsten erkennbar ist.Preferably, the measuring point is where the deformation, i. H. the deviation of the strip parts from the rest position is most clearly recognizable.
Der Winkel (β) zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt des Abstützelementes ist in einer vorteilhaften Ausführung ein spitzer Winkel, vorzugsweise im Bereich 5 ≤ β ≤ 60°.The angle (β) between the first and the second section of the support element is in an advantageous embodiment an acute angle, preferably in the
Bei einem Anwinkeln des Sensors werden über den starren Abschnitt zwei entgegengesetzt gerichtete Krafteinflüsse als Resultat der wirksamen Gravitationskraftkomponenete auf den elastisch verformbaren Abschnitt übertragen:
- – Ein Krafteinfluss, welcher den elastisch verformbaren Abschnitt verschiebt analog wie bei einem konventionellen Sensor, auf den eine Kraft wirkt (Versatzkomponente VK) und
- – ein Krafteinfluss, der infolge der Starrheit des starren Abschnittes als Moment eine Biegung des elastischen Abschnittes bewirkt (Richtungskomponente RK).
- - A force influence, which shifts the elastically deformable portion analogous as in a conventional sensor on which a force acts (offset component VK) and
- - A force influence, which causes due to the rigidity of the rigid portion as a moment bending of the elastic portion (directional component RK).
Da die Kennlinie dieses Richtungseinflusses, des von ihm erzeugten Messauslenkungsverlaufs, unterschiedlich ist zu dem des sinusförmigen Verlaufs der Versatzkomponente, weist auch die Summe beider Kennlinien, die Gravitationskennlinie, einen nichtsinusförmigen Verlauf auf.Since the characteristic curve of this directional influence, the measurement deflection curve generated by it, is different from that of the sinusoidal profile of the offset component, the sum of the two characteristic curves, the gravitational characteristic curve, also has a non-sinusoidal profile.
Durch eine Veränderung des Winkels (β) zwischen den beiden Abschnitten lässt sich die Größe beider Krafteinflüsse und damit deren Kennlinien verändern. Um eine möglichst hohe Abweichung von einer Sinusform zu erreichen, werden die Verläufe derart dimensioniert, dass in einem Quadranten eine möglichst hohe und in den benachbarten Quadranten eine möglichst geringe Kompensation entsteht.By changing the angle (β) between the two sections, the size of both force influences and thus their characteristics can be changed. In order to achieve the greatest possible deviation from a sinusoidal shape, the courses are dimensioned such that the highest possible compensation occurs in one quadrant and the lowest possible compensation in the adjacent quadrants.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der starre zweite Abschnitt des Abstützelementes eine größere Länge aufweist als der elastische erste Abschnitt.A further advantageous embodiment provides that the rigid second portion of the support element has a greater length than the elastic first portion.
Durch die feste Verbindung vom elastischen und starren Abschnitt wird die Richtung des starren Abschnitts am Übergangspunkt vom elastischen Abschnitt übernommen, wodurch, wie im Folgenden dargestellt wird, der Gravitationskennlinienverlauf insbesondere am Ende des starren Abschnitts beeinflusst wird.Due to the fixed connection of the elastic and rigid section, the direction of the rigid section at the transition point is taken over by the elastic section, as a result of which, as will be explained below, the gravitational characteristic curve is influenced, in particular at the end of the rigid section.
Bei flexibler Verbindung von Hebel und elastischem Abschnitt würde der Winkel zwischen ihnen proportional zur einwirkenden Kraft ansteigen. Bei der erfindungsgemäßen starren Verbindung jedoch bleibt dieser Winkel konstant, wodurch bei Krafteinwirkung neben dem Versatz des Verbindungsbereichs eine Drehung dieses Bereichs erfolgt. Mit steigender Verformungskraft nimmt die durch diese Drehung verursachte Gegenkraft aufgrund des geringer werdenden Krümmungsradius beim elastischen Abschnitt überproportional zu. Dies hat zur Folge, dass die Messauslenkungen unterproportional zur Kraft ansteigen, wodurch Kennlinienabflachungen entstehen, also eine nichtsinusförmige Gravitationskennlinie hervorgerufen wird. Der durch die Verdrehung hervorgerufene Einfluss ist direkt am Abschnittsübergangspunkt kaum erkennbar, hier liegt eine nahezu sinusförmige Gravitationskennlinie vor.With flexible connection of lever and elastic section, the angle between them would increase in proportion to the applied force. In the case of the rigid connection according to the invention, however, this angle remains constant, as a result of which, in addition to the displacement of the connection region, a rotation of this region takes place when force is applied. With increasing deformation force caused by this rotation counterforce increases disproportionately due to the decreasing radius of curvature elastic section. As a result, the measurement deflections increase less than proportional to the force, as a result of which characteristic curves are flattened, that is to say a non-sinusoidal gravitational characteristic is produced. The influence caused by the twist is directly on the Section transition point hardly recognizable, here is a nearly sinusoidal gravitational characteristic.
Wird ein weiteres Masseelement am elastischen verformbaren ersten Abschnitt angeordnet, lassen sich Längsbeschleunigungskomponenten in vorteilhafter Weise unterdrücken, was die messtechnischen Aufwendungen zusätzlich reduziert.If a further mass element is arranged on the elastically deformable first section, longitudinal acceleration components can be advantageously suppressed, which additionally reduces the metrological expenditure.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Erfassung von statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten vorgeschlagen, die mindestens aufweist:
In einer Messebene oder in parallelen Messebenen spiegelbildlich angeordnete Sensoren wie vorab beschrieben und einen Sensor aus einer Grundplatte, einem elastischen Abstützelement mit Masseelement und einem Messpunkt, wobei dessen Gravitationskennlinie eine symmetrische sinusförmige Charakteristik aufweist, sowie eine Auswerteeinheit.According to the invention, a device for detecting static and dynamic acceleration components is proposed which has at least:
In a measuring plane or in parallel measuring planes mirror-image arranged sensors as described above and a sensor of a base plate, an elastic support element with mass element and a measuring point, wherein the gravitational characteristic has a symmetrical sinusoidal characteristic, and an evaluation unit.
Durch eine mathematische Eliminierung der in den Messpunkten gewonnenen Messwerte für die dynamischen als auch statischen Beschleunigungskomponenten, z. B. derart, dass zunächst durch paarweise mathematische Verknüpfung von zwei Sensoren die Beschleunigungskräfte in Längsrichtung eliminiert werden und anschließend durch mathematische Verknüpfung der aus diesen Beschleunigungspaaren gewonnenen Werte die Vertikalbeschleunigung eliminiert wird, verbleibt als isolierte Größe die Gravitationsbeschleunigung, in deren Kenntnis die Vertikalbeschleunigung und anschließend die Längsbeschleunigung rückermittelt werden. Dadurch, dass zwei Sensoren eine deutlich von der Sinusform abweichende Gravitationskennlinie aufweisen, wird eine deutlich höhere Auflösung erreicht.By a mathematical elimination of the measured values obtained in the measuring points for the dynamic as well as static acceleration components, eg. B. in such a way that the acceleration forces in the longitudinal direction are first eliminated by pairwise mathematical combination of two sensors and then the mathematical combination of the values obtained from these acceleration pairs, the vertical acceleration is eliminated, remains as an isolated size, the gravitational acceleration, in their knowledge, the vertical acceleration and then the Longitudinal acceleration be reckoned. The fact that two sensors have a significantly different from the sinusoid gravity curve, a significantly higher resolution is achieved.
Soll die Vorrichtung der Sensoranordnung mikromechanisch ausgeführt werden, wird die dreidimensionale Mikrostruktur der Sensoren in einer Wand eines Trägermaterials ausgebildet und Wannenwände bilden die Grundplatte oder die Mikrostruktur der Sensoren erfolgt in einem Rahmen des Trägermaterials oder in einem Rahmen für jeden Sensor, wobei eine oder zwei parallele Rahmenseiten jeweils die Grundplatte bilden.If the device of the sensor arrangement is to be micromechanically embodied, the three-dimensional microstructure of the sensors is formed in a wall of a carrier material and well walls form the base plate or the microstructure of the sensors takes place in a frame of the carrier material or in a frame for each sensor, one or two parallel Frame sides respectively form the base plate.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained with reference to the drawings. Show it:
Der Winkel (β) zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt
Weiter wird gezeigt, dass der starre zweite Abschnitt
Durch eine Strichlinie wird ein weiteres Masseelement
Bei einem Anwinkeln des Sensors werden über den starren Abschnitt
- – Ein Krafteinfluss, welcher den elastisch verformbaren Abschnitt
6.1 verschiebt analog wie bei einem konventionellen Sensor, auf den eine Kraft wirkt, hier als Versatzkomponente VK bezeichnet und - – ein Krafteinfluss, der infolge der Starrheit des starren Abschnittes
6.2 als Moment eine Biegung des elastischen Abschnittes6.1 bewirkt, hier als Richtungskomponente RK bezeichnet.
- - A force influence, which the elastically deformable section
6.1 shifts analogously as in a conventional sensor, acts on a force, here referred to as offset component VK and - - A force influence, due to the rigidity of the rigid section
6.2 as a moment a bend of the elastic section6.1 causes, here referred to as directional component RK.
Da die Kennlinie dieses Richtungseinflusses, des von ihm erzeugten Messauslenkungsverlaufs, unterschiedlich ist zu dem des sinusförmigen Verlaufs der Versatzkomponente, weist auch die Summe beider Kennlinien, die Gravitationskennlinie, einen nichtsinusförmigen Verlauf auf (untere Darstellung).Since the characteristic curve of this directional influence, the measurement deflection curve generated by it, is different from that of the sinusoidal profile of the offset component, the sum of both characteristic curves, the gravitational characteristic curve, also has a non-sinusoidal profile (lower illustration).
In einer Messebene sind spiegelbildlich zwei Sensoren
Bei einem Anwinkeln der Sensoranordnung, also einer dynamischen und einer statischen Bewegung, wirken auf die Sensoren
Durch die Auswerteeinheit
Dadurch, dass die beiden Sensoren
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- neuer Sensornew sensor
- 22
- herkömmlicher Sensorconventional sensor
- 33
- Grundplattebaseplate
- 44
- Masseelementmass element
- 55
- Masseelementmass element
- 66
- Abstützelementsupporting
- 6.16.1
- elastisch verformbarer Abschnittelastically deformable section
- 6.26.2
- starrer Abschnittrigid section
- 77
- elastisches Abstützelement eines herkömmlichen Sensorselastic support element of a conventional sensor
- 88th
- Messpunktmeasuring point
- 99
- Auswerteeinheitevaluation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102014009003 A1 [0007] DE 102014009003 A1 [0007]
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2016
- 2016-06-03 DE DE102016007057.9A patent/DE102016007057A1/en not_active Withdrawn
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |