DE19832585A1

DE19832585A1 - Vorrichtung zum Bestimmen einer Beschleunigung und einer Winkellage von bewegten Objekten

Info

Publication number: DE19832585A1
Application number: DE1998132585
Authority: DE
Inventors: Jens Hansen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2000-01-20

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Beschleunigung und einer Winkellage von bewegten Objekten vorgeschlagen, die mindestens einen Beschleunigungs- und/oder Lagesensor sowie eine Meß- und Auswertevorrichtung enthält. Eine Erfassungseinheit (1) weist einen ersten elastischen Streifen (2a) zum Erfassen einer Beschleunigung des Objekts in einer vorgegebenen Richtung (4) und einen zweiten elastischen Streifen (2b) zum Erfassen einer Winkellage (6) des Objekts bezüglich einer vorgegebenen Nullwinkelebene auf. Die elastischen Streifen (2a, 2b) sind im wesentlichen blattförmig ausgeführt, einseitig eingespannt und mit jeweils mindestens einer Masse (8a, 8b) bestückt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Beschleunigung und einer Winkel lage von bewegten Objekten nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Solche Vorrichtungen können in vielen Bereichen der Technik Anwendung finden. Sie haben zum Beispiel gro ße technische Bedeutung für Sicherheitssysteme in Kraftfahrzeugen (zum Beispiel als Signalgeber zum Auslösen von Gurtstrammern und Airbags). Ein weiterer Anwendungsbereich sind Navigationssysteme in Flugzeu gen oder Land- und Wasserfahrzeugen. Hierbei kann mit Neigungssensoren die Bestimmung der Lage von Objekten im Schwerefeld der Erde bestimmt werden.

Zur Messung von kinematischen Größen wie Beschleuni gung, Schwinggeschwindigkeit und Schwingweg können mechanische Resonatoren verwendet werden. Dabei wird die bei einer beschleunigten Bewegung auf die Träge masse des Resonators wirkende Trägheitskraft genutzt. Der Resonator zur Bestimmung von kinematischen Größen eines Objektes kann zum Beispiel als fest in einem Objekt aufgehängter (gedämpfter) Ein-Massen-Schwinger ausgeführt sein. Zur Bestimmung translatorischer ki nematischer Größen kann hierbei eine an einer Zugfe der befestigte Punktmasse zur Anwendung kommen, bei der Messung rotatorischer kinematischer Größen sind zum Beispiel massebehaftete, gegen die Kraft einer (Dreh-)Feder verdrehbare Pendel anwendbar.

Beschleunigungs- und Lagesensoren nach dem Stand der Technik weisen den Nachteil auf, daß sie aufgrund von Führungsvorrichtungen, welche zur Führung einer trä gen Masse in einer bestimmten Richtung vorgesehen sind, bei der Anwendung in Objekten, welche in kurzer Folge beliebige Beschleunigungszustände und Lagen annehmen, häufig verklemmen und daher fehlerhafte Größen anzeigen. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß eine völlig entkoppelte Erfassung von Beschleuni gung und Lage mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht möglich ist, da sowohl auf Beschleuni gungs- wie auch auf Lagesensoren stets ein kombinier ter Einfluß von Beschleunigung und Lage einwirkt und die Isolation der einzelnen Einflüsse ungenügend ist.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in jeder beliebigen Lage eines Objektes zuverlässig den Beschleunigungszustand und die Winkellage getrennt zu erfassen.

Dadurch, daß
mindestens eine Erfassungseinheit mit einem er sten, im wesentlichen durch die Beschleunigung des Objekts in einer vorgegebenen Richtung aus lenkbarem elastischen Streifen und einem zwei ten, im wesentlichen durch die Winkellage des Objekts bezüglich einer vorgegebenen Nullwinkel ebene auslenkbarem elastischen Streifen vorgese hen ist, und
die elastischen Streifen jeweils mindestens ein seitig eingespannt und mit jeweils mindestens einer Masse bestückt sind, wobei
ein Abschnitt des ersten elastischen Streifens mit der Flachseite im wesentlichen senkrecht zu der Richtung der zu erfassenden Beschleunigung angeordnet ist und die Auslenkung des ersten elastischen Streifens von der Meß- und Auswerte vorrichtung erfaßt wird und
der zweite elastische Streifen zur Erfassung der Winkellage bei Winkellagenänderungen infolge der Gewichtskraft der Masse auslenkbar ist und diese Auslenkung von der Meß- und Auswertevorrichtung erfaßt wird,
ist die Erfassung des Beschleunigungszustandes sowie der Winkellage eines Objektes möglich. Dabei wird die Messung der Beschleunigung im wesentlich von dem er sten elastischen Streifen und die Messung der Winkel lage im wesentlichen von dem zweiten elastischen Streifen vorgenommen. Hierbei ist bereits durch die Anordnung der einzelnen elastischen Streifen eine weitgehende Trennung von Beschleunigungs- und Lage einfluß möglich. Außerdem sind aufgrund der erfin dungsgemäßen Blattform der elastischen Streifen keine das Meßergebnis beeinträchtigende Führungen notwen dig. Mit der erfindungsgemäßen mechanischen Entkopp lung, welche durch eine elektronische Meßwertaufbe reitung mit einfachen Mitteln noch deutlich verbes sert werden kann, wird eine zuverlässige Anzeige von Beschleunigung und Winkellagenänderung unabhängig voneinander erreicht. Bei der Anzeige von Meßwerten kann somit sichergestellt werden, daß bei langsamen Winkeländerungen des Objekts keine Beschleunigungen angezeigt werden und daß eine Beschleunigung auf ho rizontaler Strecke keine Anzeige von Winkeländerungen hervorruft.

Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht, un abhängig von der realisierten Ausführungsform, darin, auf einer einzigen Erfassungseinheit zwei, jeweils aus elastischen Streifen bestehende Sensoren anzuord nen, welche bereits aufgrund ihrer Ausführung bzw. Anordnung eine optimale Entkoppelbarkeit von Be schleunigungs- und Winkellageninformationen ermögli chen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfin dung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Es ist besonders vorteilhaft, daß die Erfassung der Streifenauslenkungen mittels einer Lichtschranke ge schieht, wobei zwischen einer Lichtquelle und einer Lichterfassungseinrichtung sich ein von der Licht quelle abgestrahltes Lichtbündel erstreckt. Ein sich bei Auslenkung des elastischen Streifens bewegender Eintauchabschnitt des elastischen Streifens schneidet das Lichtbündel, wobei die Schnittfläche ein Maß für die Auslenkung des elastischen Streifens ist. Auf diese Weise ist eine berührungslose Erfassung der Streifenauslenkung möglich, so daß selbst bei einem Verwinden des elastischen Streifens die Erfassung der Auslenkung weiterhin möglich und ein Verklemmen des elastischen Streifens ausgeschlossen ist. Da das Lichtbündel in der Regel eine nur geringe Quer schnittsfläche aufweist, ist es vorteilhaft, daß der Eintauchabschnitt in einer das Lichtbündel kreuzenden Ebene einen sich zumindest abschnittweise verjüngen den Querschnitt, zum Beispiel einen Dreiecksquer schnitt, aufweist. Hierdurch wird gewährleistet, daß zwischen einer minimalen Bedeckung und der völligen Bedeckung des Lichtbündels durch den Eintauchab schnitt ein längerer Weg (d. h. eine größere Balken auslenkung) gegeben ist, dies trägt außerdem zur Li nearisierung des von der lichtstromerfassenden Licht erfassungseinrichtung abgegebenen Signals bei.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die Federhärte des ersten elastischen Streifens höher ist als die Federhärte des zweiten elastischen Streifens. Hiermit wird erreicht, daß der im wesent lichen zur Erfassung der Beschleunigung benötigte erste elastische Streifen hoch abgestimmt ist (das Quadrat der Eigenfrequenz ω₀, das sich aus der Feder härte geteilt durch die an dem elastischen Streifen angebrachte Masse ergibt, ist somit hoch). Außerdem wird hierbei auf eine einfache Weise die Lösung der Bewegungsdifferentialgleichung der an dem elastischen Streifen befestigten Masse mit kleinem Fehler ab schätzbar.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Meß- und Auswertevorrichtung einen Hoch- oder Tiefpaßfilter zur Isolation der Grund- bzw. einer Oberschwingung einer Masse an einem elastischen Streifen enthält. Hierdurch wird es möglich, eine durch Fahrzeugvibrationen erzeugte Oberschwingung zu isolieren und somit die Vibration eines Objektes, vorzugsweise eines Fahrzeugs oder Flugzeugs, isoliert zu erfassen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß Auslenkungssignale der einzelnen elastischen Streifen, welche teilweise noch überlagerte Fremdein flüsse aufweisen (zum Beispiel kann der erste elast ische Streifen leicht von der Lage beeinflußt sein und der zweite elastische Streifen von der Beschleu nigung) einer Kompensationsschaltung zugeführt wer den. Ausgangsgrößen der Kompensationsschaltung sind dann ein reines Beschleunigungsausgangssignal und ein reines Winkellagenausgangssignal.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß zwei Erfassungseinrichtungen sowie ein zu sätzlicher Beschleunigungssensor (etwa in der Weise ausgeführt wie ein erster elastischer Streifen) in einem beweglichen Objekt, etwa einem Geländewagen, untergebracht sind. Bei einem solchen "Off-road-Sen sor" können, je nach Ausrichtung der einzelnen Bal ken, die Beschleunigung des Fahrzeugs in Fahrzeug richtung, die Querbeschleunigung des Fahrzeugs, die Neigung des Fahrzeugs in Fahrzeugrichtung, die Sei tenneigung des Fahrzeugs sowie die Vibration des Fahrzeugs parallel erfaßt werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen angege ben.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Kräftegleichgewicht an einem am Ende eines elastischen Streifens befe stigten Massepunkt,

Fig. 2a und 2b Ansichten eines erfindungsgemäßen ela stischen Streifens,

Fig. 3a und 3b Ansichten einer erfindungsgemäßen Er fassungseinrichtung,

Fig. 4a bis 4c Ansichten einer weiteren Ausführungs form eines erfindungsgemäßen elasti schen Streifens,

Fig. 4d ein Prinzipbild eines ausgelenkten elastischen Streifens aus Fig. 4a bis 4c,

Fig. 5a bis 5c Ansichten noch einer weiteren erfin dungsgemäßen Art von elastischen Streifen,

Fig. 5d Kräfteverhältnisse an eine elastischen Streifen nach Fig. 5a bis 5c,

Fig. 5e Gegenüberstellung eines unausgelenkten und eines ausgelenkten Eintauchab schnittes eines elastischen Streifens nach Fig. 5a bis 5c,

Fig. 5f eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Erfassungseinrich tung,

Fig. 6 ein Prinzipschaltbild einer erfin dungsgemäßen Kompensationsschaltung,

Fig. 7 ein aus einem nieder- und einem hoch frequenten Signal zusammengesetztes Auslenkungssignal eines erfindungsge mäßen elastischen Streifens, und

Fig. 8 ein Anwendungsbeispiel zweier Erfas sungseinrichtungen und eines zusätzli chen Beschleunigungssensors in einem Kraftfahrzeug.

Fig. 1 zeigt in schematischer Weise das Kräftegleich gewicht eines an einem freien Ende eines elastischen Streifens befestigten Massepunktes (der Massenträg heitssensor dieser Masse sei ungefähr null). Die an der Punktmasse angreifenden Kräfte sind eine durch die elastische Verformung des elastischen Streifens 2 erzeugte Federkraft F sowie eine in Achsrichtung des elastischen Streifens 2 verlaufende Schnittkraft S, die Gewichtskraft m g sowie die an der Masse angrei fenden Trägheitskräfte m a_x sowie m a_y. Der elastisc he Streifen 2 ist einseitig in einer Einspannungsebe ne 18 eingespannt. Diese Einspannungsebene 18 ist gegenüber der Nullwinkelebene 19 um den Winkel γ ge neigt. Die Auslenkung des elastischen Streifens 2 an seinem freien Ende (bzw. die entsprechende Neigung α des freien Endes des elastischen Streifens gegenüber der Vertikalen) wird durch den Winkel γ, Länge und Federhärte des elastischen Streifens 2 sowie die Mas se der Punktmasse (und deren Beschleunigungszustand) bestimmt. Das Kräftegleichgewicht in der angenommenen x- bzw. y-Richtung lautet wie folgt:

m a_x = S sin α + F cos α (1)

m a_y = -S cos α + F sin α - mg (2).

Es wird angenommen, daß in der Ausgangsstellung für γ=0 der elastische Streifen 2 senkrecht aus der Einspannebene herausragt und der Winkel α somit auch gleich null ist. Für diesen Fall ergibt sich bei ei ner Beschleunigung aus der Ausgangsstellung aus Gleichung (1) m a_x=F, das heißt, daß die elastische Federkraft F der Trägheitskomponente m a_x genau ent gegengesetzt ist und die Gewichtskraft keinen Einfluß auf die Verformung des elastischen Streifens senk recht zur Längsrichtung des elastischen Streifens hat.

Mit größer werdendem α nimmt jedoch der Einfluß der Massenträgheitskraft in x-Richtung auf die Durchbie gung des elastischen Streifens ab.

Für einen beschleunigungsfreien Zustand a_x=0 und a_y=0 und α=0 ergibt sich keine Auslenkung des ela stischen Streifens 2. Mit wachsendem α (dies ist im beschleunigungsfreien Falle nur dann gegeben, wenn γ größer wird), wächst der Einfluß der Gewichtskraft auf die Federkraft F, dieser Einfluß wird bei α=90° maximal.

Die oben geschilderten physikalischen Verhältnisse sind auf den in Fig. 2a und 2b gezeigten elastischen Streifen 2 anwendbar. Die Fig. 2b zeigt hierbei einen Schnitt A-A der Vorrichtung aus Fig. 2a. An einem freien Ende des einseitig eingespannten elastischen Streifens 2 ist eine Masse 8 angebracht. Eine Licht quelle 11 und eine Lichterfassungseinrichtung 12 mit rechteckförmiger Lichteintrittsöffnung zur Feststel lung des Lichtstroms eines von der Lichtquelle 11 ausgesandten Lichtbündels 13 bilden eine Lichtschran ke zur Erfassung der Auslenkung des elastischen Streifens 2. Im Bereich des freien Endes des elasti schen Streifens 2 ist ein Eintauchabschnitt 14 ange ordnet. Der Eintauchabschnitt steht senkrecht auf der Blattebene des elastischen Streifens 2 und ist als flaches Plättchen ausgeführt. Das Plättchen 14 schneidet ein Lichtbündel 13 (in Fig. 2a sind schema tisch zwei Lichtstrahlen, ein unterbrochener und ein nicht unterbrochener, dargestellt). Je nach Auslen kungslage des elastischen Streifens 2 (der in den Fig. 2a und 2b gezeigte elastische Streifen läßt im wesentlichen nur eine Verformung nach oben oder nach unten zu), wird ein unterschiedlich großer Anteil des Lichtbündels durch das Plättchen 14 unterbrochen. Die Lichterfassungseinrichtung 12 erfaßt den restlichen, nicht durch das Plättchen 14 abgedeckten Teil des Lichtbündels 13 und sendet ein Auslenkungssignal an eine Schaltung der Meß- und Auswertevorrichtung, zum Beispiel an eine in Fig. 6 gezeigte Kompensations schaltung. Die Höhe des Signals richtet sich dabei nach dem auf die Lichterfassungseinrichtung eingefal lenen Anteil des Lichtbündels 13.

In der das Lichtbündel 13 schneidenden Ebene weist das Plättchen 14 einen sich zumindest abschnittsweise verjüngenden Querschnitt auf. Dieser ist dreieckför mig ausgestaltet. Mit dem sich so verjüngenden Quer schnitt des Plättchens 14 kann die Auslenkung des elastischen Streifens 2 in weiteren Grenzen gemessen werden als dies etwa mit einem rechteckförmigen Plättchen der Fall wäre. Der Auslenkungsweg des ela stischen Streifens 2 zwischen der Position des Plätt chens 14, die das Lichtbündel 13 minimal kreuzt und der Stellung des Plättchens 14, die das Lichtbündel 13 völlig bedeckt, ist bei dem sich verjüngenden Dreiecksquerschnitt deutlich länger als bei einem rechteckförmig ausgebildeten Plättchen. Der längere Weg trägt auch zu einer Linearisierung des Auslen kungssignals bei, das von der Lichterfassungseinrich tung infolge des empfangenen Lichtstroms ausgegeben wird.

Es ist selbstverständlich möglich, neben der oben geschilderten Messung von Auslenkungen mittels Licht schranken auch andere Wegaufnehmer nach dem Stand der Technik vorzusehen, etwa kapazitive, induktive oder resistive Wegaufnehmer. Des weiteren kann die Form sowie der Anbringungsort der Masse 8 sowie des Ein tauchabschnittes 14 je nach Anwendungsfall variiert werden.

Fig. 3a zeigt eine Erfassungseinheit 1 mit einem er sten elastischen Streifen 2a zum Erfassen einer Be schleunigung eines Objektes 3 in einer vorgegebenen Richtung 4. Außerdem ist ein zweiter elastischer Streifen 2b zum Erfassen einer Winkellage 6 des Ob jekts 3 bezüglich einer vorgegebenen Nullwinkelebene vorgesehen. Beide elastischen Streifen sind auf einer Grundplatte 15 der Erfassungseinrichtung 1 einge spannt.

Der erste elastische Streifen 2a steht hierbei senk recht auf der Grundplatte 15. Ein aus der Grundplatte 15 herausragendes Einspannelement 21 spannt den ela stischen Streifen 2a verdrehungssicher ein, so daß er auf die in Fig. 3a gezeigte Weise (siehe Doppelpfeil 4) infolge der Beschleunigung der Masse 8a bewegt wird. Bei Bewegung des ersten elastischen Streifens 2a kommt es nicht zur Reibung mit der Grundplatten ebene, da der erste elastische Streifen 2a bezüglich der Grundplattenebene erhöht angeordnet ist. Die Be festigung (und damit der einzige Kontakt) des ersten elastischen Streifens 2a zu der Grundplatte 15 er folgt über das oben beschriebene Einspannelement 21.

In Bewegungsrichtung 4 wirkende Massenträgheitskräfte einer Masse 8a, die an dem freien Ende des Balkens 2a befestigt ist, bewirken eine Biegung des ersten ela stischen Streifens 2a in Richtung 4. Die Verschiebung des freien Streifenendes wird auf die in Fig. 2a und 2b dargestellte Weise (d. h. mit Hilfe einer Licht schranke und eines Eintauchabschnittes 14a) von einer Lichterfassungseinrichtung 12a festgestellt und das Auslenkungssignal S_a an die in Fig. 6 gezeigte Kom pensationsschaltung weitergeleitet.

Es ist anzumerken, daß die Auslenkung des ersten ela stischen Streifens 2a nicht allein durch die Be schleunigung des Objektes 3, in dem die Erfassungs einheit 1 untergebracht ist, erfolgt, sondern auch durch Änderungen in der Winkellage des Objektes 3 mit beeinflußt wird. Ein Kippen bzw. eine Achsendrehung der Erfassungseinrichtung 1 in der in Fig. 3a mit Bezugszeichen 6 bezeichneten Richtung führt (wenn auch nur begrenzt) zu einer Bewegung des ersten ela stischen Streifens 2a in Richtung 4.

Der in Fig. 3a in der Draufsicht gezeigte zweite ela stische Streifen 2b ist in Fig. 3b in der Ansicht B-B gezeigt. Der zweite elastische Streifen 2b ist an einem Ende mit der flachen Seite auf der Grundplatte 15 fest eingespannt und steht, wie in Fig. 3b ge zeigt, winklig von der Grundplatte 15 ab. Die Auslen kung des freien Endes des zweiten elastischen Strei fens 2b wird, analog zu der Vorrichtung aus Fig. 2a und 2b, mittels einer Lichtschranke, die aus einer Lichtquelle 11b und einer Lichterfassungseinrichtung 12b aufgebaut ist, erfaßt. Eine durch Kippen der Er fassungseinrichtung 1 in Drehrichtung 6 erzeugte Durchbiegung des zweiten elastischen Streifens 2b führt zu einem Auf- bzw. Abbewegen des Eintauchab schnittes 14b in Richtung 10 (die Lichterfassungsein richtung 12b gibt, analog zu der oben beschriebenen Lichterfassungseinrichtung 12a, ein Auslenkungssignal S_b an die in Fig. 6 gezeigte Kompensationsschaltung). Ein Kippen der Grundplatte 15 in Richtung 6 bewirkt aufgrund der veränderten geometrischen Verhältnisse (und somit eines geänderten Einflusses der Gewichts kraft) die Auf- bzw. Abbewegung des Eintauchabschnit tes 14b. Zur genauen Erläuterung der auftretenden Kräfte wird auf die in Fig. 1 gezeigte Prinzipdar stellung hingewiesen. Im vorliegenden Falle ent spricht die Grundplatte 15 der in Fig. 1 gezeigten Einspannebene 18, die gegenüber einer Nullwinkelebene gekippt wird. Der Winkel β, welchen der zweite ela stische Streifen 2b mit der Grundplatte 15 ein schließt, ist vorzugsweise möglichst flach zu wählen, um die in Fig. 1 erklärte Dominanz des Lageeinflusses möglichst gut auszunutzen. Es ist jedoch darauf zu achten, daß auch für die stärkste Neigung der Grund platte 15 bezüglich der Nullwinkelebene der Eintauch abschnitt 14b immer noch oberhalb der Grundplatte 15 sich befindet. Bei flacheren Abstehwinkeln β kann durch eine Verkleinerung der Masse 8b, eine Verkür zung des zweiten elastischen Streifens 2b bzw. durch eine Erhöhung der Federhärte des zweiten elastischen Streifens 2b eine geringere Durchbiegung am freien Ende erreicht werden, hierdurch wird jedoch auch der Auslenkungsbereich des Eintauchabschnittes 14b in Richtung 10 verringert.

Analog zu dem oben beschriebenen ersten elastischen Streifen 2a kommt es bei dem Auslenkungssignal S_b auch zu überlagerten Einflüssen, das heißt neben der Neigungslage der Grundplatte 15 hat auch eine Be schleunigung des Objekts 3 in Richtung 4 eine Auswir kung auf die Bewegung des Eintauchabschnittes 14b in Richtung 10. Die Federhärten des ersten sowie des zweiten elastischen Streifens sind im vorliegenden Falle gleich hoch. Es ist jedoch auch möglich, die Federhärte des ersten elastischen Streifens höher auszulegen als die Federhärte des zweiten elastischen Streifens bzw. die Masse 8a am ersten elastischen Streifen geringer auszulegen als die Masse 8b am zweiten elastischen Streifen. Mit diesen Maßnahmen wird jeweils die Eigenfrequenz ω₀ des ersten ela stischen Streifens 2a erhöht (d. h. "hoch abgestimmt").

Die elastischen Streifen aus Fig. 3a sind so angeord net, daß die Projektionslinien der Längsachsen beider elastischer Streifen auf die Grundplatte 15 recht winklig zueinander sind. Diese Anordnung erlaubt eine spätere (siehe Fig. 6) völlige Isolierung eines Be schleunigungsausgangssignals für die Richtung 4 sowie eines Winkellagenausgangssignals in Drehrichtung 6.

Fig. 4a bis 4c zeigen eine verzweigte Ausführungs form eines erfindungsgemäßen elastischen Streifens. Der elastische Streifen 30a verfügt über eine Ein spannung 35a an einem Objekt 3. Diese ist an einem freien Ende eines Schenkels 30a'' des U-förmigen ela stischen Streifens 30a befestigt. Der U-förmige ela stische Streifen 30a verfügt weiter über eine Basis 30a*, an welche sich ein weiterer Schenkel 30a' an schließt. Am freien Ende des Schenkels 30a' befindet sich eine Masse 31a, welche im wesentlichen punktför mig ausgeführt ist. Beide Schenkel des U haben in etwa dieselbe Länge. Außerdem befinden sich die Flachseiten der Schenkel 30a' und 30a'' sowie der Ba sis 30a* in einer Ebene. Dies führt dazu, daß der elastische Streifen 30a, bezogen auf den Ort der Mas se 31a als Kraftangriffspunkt, senkrecht zur Blatt ebene die geringste Federsteifigkeit aufweist.

Fig. 4b zeigt eine Ansicht X der Vorrichtung aus Fig. 4a. In entsprechender Weise zeigt Fig. 4c einen Schnitt Y-Y der Vorrichtung aus Fig. 4a. In den Fig. 4b und 4c ist der als Plättchen 33a ausgeführte Ein tauchabschnitt besonders gut zu erkennen. Dieser ist im Bereich der Basis 30a* des elastischen Streifens 30a angebracht und steht bezüglich der Flachseiten der Schenkel 30a' und 30a'' senkrecht. Das Plättchen 33a ist im wesentlichen rechteckförmig, das heißt mit einem über seine Länge gleichförmigen Querschnitt, ausgebildet. Analog zu den Vorrichtungen aus Abb. 2a bis 3b greift das Plättchen 33a in eine Lichtschranke ein, welche aus einer Lichtquelle 11 und einer Lichterfassungseinrichtung 12 mit einer im wesentlichen rechteckförmigen Lichteintrittsöffnung, gebildet ist.

Die in Fig. 4a bis 4c gezeigte Vorrichtung dient im wesentlichen der Erfassung von translatorischen Be schleunigungen. Die Funktionsweise wird in Fig. 4d gezeigt. Fig. 4d zeigt hierbei, gesehen in Schnitt richtung Y-Y, die Auslenkung des elastischen Strei fens 30a bei einer Beschleunigung a in Richtung 4. Bei einer Beschleunigung a eines Objektes 3, welches über die Einspannung 35a mit dem elastischen Streifen 30a verbunden ist, verbleibt die Masse 31a aufgrund ihrer Trägheit rechts der Einspannung 35a. Hierbei kommt es zu einem Aufspreizen des U-förmigen elasti schen Streifens 30a. Die ursprünglich in derselben Ebene befindlichen Schenkel 30a' und 30a'' werden aus eben dieser Ebene herausgebogen. Aufgrund dieses seitlichen Herausführens der Masse 31a kommt es zu einer weiteren Verformung des elastischen Streifens 30a. Infolge der Gewichtskraft der Masse 31a kommt es zu einer weiteren Verwindung des U-förmigen elasti schen Streifens 30a (d. h. zu einer Torsion der Schen kel bzw. im Bereich der Basis 30a* zu einer Biegung um eine parallel zu der Ausgangslage der Längsachsen der Schenkel 30a' und 30a'' befindlichen Biegeachse). Infolge dieser Biegung tritt das Plättchen 33a aus der Lichtschranke 11, 12 heraus, so daß die Bedeckung der rechteckförmigen Lichterfassungseinrichtung 12 verringert und ein entsprechendes Auslenkungssignal an die Meß- und Auswertevorrichtung geliefert wird.

Diese Abstimmung hat außerdem zum Vorteil, daß der Lageeinfluß auf die Vorrichtung in Fig. 4d minimal ist. Dies liegt daran, daß der zum Anheben des Plätt chens 33a (d. h. zum Verändern des Überdeckungsberei ches der Lichtschranke) führende Anteil der Gewichts kraft mit dem Cosinus des Lagewinkels abnimmt (siehe hierzu Fig. 5d: der Anteil T der Gewichtskraft nimmt bei größer werdendem α' bis hin zu α'=90° stetig zu). Da die zur Einspannebene orthogonale Kraft T besonders bei größeren Winkeln klein ist, kommt es somit nicht zu einem "Hochbiegen" des Plättchens 33a. Da das Plättchen 33a jedoch einen gleichförmigen, rechteckigen Querschnitt besitzt, führt eine Bewegung des Plättchens 33a horizontal zur Einspannebene 36 nicht zu einer veränderten Überdeckung der Licht schranke 11, 12. Somit ist, besonders bei großen Nei gungswinkeln, der Lageeinfluß auf den in Fig. 4d ge zeigten Sensor relativ klein.

Fig. 5a bis 5c zeigen Ansichten einer weiteren Aus führungsform eines elastischen Streifens. Der elasti sche Streifen 30b aus Fig. 5a ist weitgehend mit der Vorrichtung aus Fig. 4a identisch. Der Schenkel 30b'' eines elastischen Streifens 30b ist an seinem freien Ende an einer Einspannung 35b befestigt. Im Bereich der Basis 30b* ist eine Zusatzmasse 32 angebracht. An dem freien Ende des Schenkels 30b' ist eine weitere Masse 31b angebracht. Analog zu der Vorrichtung aus Fig. 4a befindet sich im Bereich der Basis 30b* senk recht zu den Flachseiten der Schenkel 30b' und 30b'' ein Plättchen 33b. Dieses ist jedoch dreieckförmig ausgeführt (siehe etwa Fig. 5c, welche einen Schnitt Z-Z der Vorrichtung aus Fig. 5a zeigt).

Die in Fig. 5a bis 5c gezeigte Vorrichtung zeigt im wesentlichen Winkellagenänderungen an, der Beschleu nigungseinfluß ist eher gering. Die Wirkungsweise der Vorrichtung wird nun anhand der Fig. 5d und 5e er läutert.

In Fig. 5d bewirkt die Kraftkomponente A, welche parallel zu der Einspannebene 36 gerichtet ist, eine Spreizung der Schenkel 30b' und 30b''. Hierbei wird das Plättchen 33b parallel zur Einspannebene 36 aus der Lichtschranke 11, 12 herausgeführt.

Im folgenden soll anhand von Fig. 5e gezeigt werden, auf welche Weise der Beschleunigungseinfluß auf den in Fig. 5a bis 5d gezeigten Sensor minimiert wird. Fig. 5e zeigt ein rechteckiges Lichteintrittsfenster einer Lichterfassungseinrichtung 12 mit einem davor liegenden dreieckförmigen Plättchen 33b, wie bereits in Fig. 5a bis 5d gezeigt. Aus Gründen der Über sichtlichkeit wird in Fig. 5e auf die Darstellung weiterer Komponenten verzichtet. Das Dreieck mit den durchgehenden Strichen zeigt das Plättchen 33b in der Ausgangslage. Das Dreieck mit den gestrichelten Um rissen zeigt ein infolge horizontal wirkender Be schleunigung a ausgelenktes Plättchen 33b. Mit der erfindungsgemäßen Dreiecksform des Plättchens 33b wird eine Kompensation des Beschleunigungseinflusses auf das von dem Sensor gelieferte Meßsignal erreicht. Eine nach links gerichtete Beschleunigung a führt zwar infolge der Trägheit der Massen 32 und 31b (aus Übersichtsgründen nicht eingezeichnet) zu einem Ver bleiben des gestrichelten Plättchens 33b rechts von der Ausgangsposition, wie die gestrichelten Umrisse zeigen. Aufgrund der mit Hebelarm angreifenden Ge wichtskraft des Gewichtes 31b kommt es jedoch zu ei ner Biegung im Bereich der Basis 30b* bzw. zu einer Torsion der Schenkel 30b' und 30b'' des elastischen Streifens 30b, so daß eine Drehung des Plättchens 33b bewirkt wird. In Fig. 5e ist klar zu sehen, daß das Plättchen 33b in der Ausgangslage (siehe durchgezoge ne Linien) und das Plättchen 33b in der nach rechts ausgelenkten und gedrehten Lage (siehe gestrichelte Linien) denselben Überdeckungsbereich der Lichterfas sungseinrichtung 12 aufweisen.

Zusammenfassend läßt sich also sagen, daß die infolge Beschleunigung auftretenden Verschiebungen bzw. Ver drehungen nicht zu einer Verfälschung des Meßergeb nisses des Winkellagensensors führen.

Fig. 5f zeigt eine weitere Ausführungsform einer Er fassungseinrichtung 1, wie sie bereits in Fig. 3a dargestellt ist. In Fig. 5f wird jedoch ein Beschleu nigungssensor nach Fig. 4a bis 4d mit einem elasti schen Streifen 30a und ein Winkellagensensor nach Fig. 5a bis 5e mit einem elastischen Streifen 30b verwendet, die Projektionslinien der Längsachsen bei der elastischer Streifen 30a, 30b auf die Grundplatte 15 sind parallel bzw. zueinander fluchtend angeord net. Sowohl der Beschleunigungssensor als auch der Winkellagensensor sind auf einer Grundplatte 15 befe stigt. Der Beschleunigungssensor erfaßt hierbei translatorische Beschleunigungen in Richtung 4 und gibt ein Auslenkungssignal S_a ab, der Winkellagensen sor ermittelt Drehungen in Richtung 6 und gibt ein entsprechendes Auslenkungssignal S_b ab.

Bei mehreren Ausführungsformen von Winkellagensenso ren hat sich die Zusatzmasse 32 als besonders positiv für die Güte der Meßergebnisse des Winkellagensensors erwiesen. Dies liegt unter anderem daran, daß auf grund der zusätzlichen Masse das Gesamtsystem tiefer abgestimmt werden kann als mit nur einer Masse 31b. Des weiteren ist mit der Variation der Masse auch eine Feinabstimmung bzw. Regulierung der Biegestei figkeit des U-förmigen elastischen Streifens im Be reich der Basis 30b* möglich.

Fig. 6 zeigt eine Kompensationsschaltung mit zwei Eingangsgrößen S_a und S_b. Die Eingangsgröße S_a wird dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsver stärkers OP1 und über eine Pegelanpaßschaltung A₁ dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP2 zugeführt. In entsprechender Weise wird die Ein gangsgröße S_b dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP2 und über eine Pegelanpaß schaltung A₂ dem invertierenden Eingang des Opera tionsverstärkers OP1 zugeführt. Die Ausgangssignale des Beschleunigungssensors und des Winkellagensensors werden also über die Pegelanpaßschaltungen in dem Maße von dem Ausgangssignal des jeweils anderen Sen sors abgezogen, wie diese als Störgröße vorliegen. S_a stellt die Auslenkungssignale eines ersten elasti schen Streifens 2a bzw. 30a und S_b die Auslenkungs signale eines zweiten elastischen Streifens 2b bzw. 30b dar. Wie bereits oben ausgeführt, erfaßt der er ste elastische Streifen neben einem dominierenden Be schleunigungszustand auch Lageeinflüsse. Der zweite elastische Streifen 2b bzw. 30b unterliegt neben La geeinflüssen auch dem Einfluß von Beschleunigungen. Ausgangsgrößen der Kompensationsschaltung sind für den Operationsverstärker OP1 ein Beschleunigungsaus gangssignal B (dieses gibt isoliert den Betrag und die Vorzeichenrichtung der Beschleunigung in der Orientierungsrichtung des ersten elastischen Strei fens, das heißt zum Beispiel Richtung 4 in Fig. 3a oder Fig. 5f, an) und für den Operationsverstärker OP2 ein Winkellagenausgangssignal W (dieses gibt in ent sprechender Weise den Betrag und Vorzeichenrichtung der Neigung in der Orientierungsrichtung des zweiten elastischen Streifens 2b bzw. 30b, also Richtung 6, an).

Fig. 7 zeigt ein Auslenkungssignal eines ersten ela stischen Streifens 2a oder eines zweiten elastischen Streifens 2b. Hierbei gibt die in Fig. 7 gezeigte Grundschwingung G Informationen über die Auslenkung des elastischen Streifens infolge des überlagerten Einflusses von Beschleunigung und Winkellage wieder. Die überlagerte, höherfrequente Schwingung O gibt die Auslenkungen des elastischen Streifens infolge von Vibrationen des Objekts 3 wieder, welche über die Grundplatte 15 auf den elastischen Streifen übertra gen werden. Die Meß- und Auswertevorrichtung enthält einen Hochpaßfilter, welcher die hochfrequente Schwingung O isoliert. Aus der Amplitude und der Fre quenz der hochfrequenten Schwingung kann auf den Vi brationszustand des Fahrzeugs geschlossen werden. Es ist selbstverständlich möglich, statt des beschriebe nen Hochpaßfilters in analoger Weise einen Tiefpaß filter zur Isolation der Grundschwingung G vorzuse hen.

Fig. 8 zeigt ein Einbaubeispiel für die in Fig. 3a gezeigte Erfassungseinrichtung 1. Das Objekt 3 ist als Kraftfahrzeug, vorzugsweise Geländefahrzeug ("Off-road-Fahrzeug") ausgeführt. Im vorliegenden Falle steht das Fahrzeug still. Das Fahrzeug ist au ßerdem nicht geneigt (die Grundplatten 15a und 15b beider Erfassungseinrichtungen sind parallel zu der x-y-Ebene des in Fig. 8 gezeigten raumfesten Koordi natensystems angeordnet). Der erste elastische Strei fen 2aa der Erfassungseinrichtung 1a erfaßt im we sentlich Querbeschleunigungen des Fahrzeugs, also in y-Richtung. Der zweite elastische Streifen 2ba erfaßt im wesentlichen die Seitenneigung des Geländefahr zeugs 3. Der erste elastische Streifen 2ab der zwei ten Erfassungseinrichtung 1b erfaßt im wesentlichen eine Beschleunigung in Fahrzeuglängsrichtung (x-Rich tung), der zweite elastische Streifen 2bb ein Kippen des Fahrzeugs um die y-Achse.

Außerdem ist ein weiterer Beschleunigungssensor 16 vorgesehen, der analog zu einem ersten elastischen Streifen ausgeführt ist und eine Beschleunigung in Vertikalrichtung (z-Richtung) erfaßt.

Das Auslenkungssignal des Beschleunigungssensors in z-Richtung, das wie in Fig. 7 gezeigt aufgebaut ist, durchläuft auch einen Hochpaßfilter, der als Aus gangsgröße ein Vibrationssignal hat.

Die Beschleunigungsausgangssignale, Winkellagenaus gangssignale (je eines pro Erfassungseinheit) sowie das Beschleunigungsausgangssignal und das Vibrations signal des Sensors 16 werden mit Hilfe von im Innen raum des Fahrzeugs angeordneten, zu der Meß- und Aus wertevorrichtung gehörenden, optischen und akustisch en Anzeigevorrichtungen (Zahlenwertanzeigen, Bild schirmen, Lautsprechern) dargestellt.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen einer Beschleunigung und einer Winkellage von bewegten Objekten, mit mindestens einem Beschleunigungs- und/oder einem Lagesensor sowie einer Meß- und Auswertevorrich tung,
dadurch gekennzeichnet,
daß
mindestens eine Erfassungseinheit (1) mit einem ersten, im wesentlichen durch die Beschleunigung des Objekts (3) in einer vorgegebenen Richtung (4) auslenkbarem elastischen Streifen (2a, 30a) und einem zweiten, im wesentlichen durch die Winkel lage (6) des Objekts (3) bezüglich einer vorgegebenen Nullwinkelebene (19) auslenk barem elastischen Streifen (2b, 30b) vorge sehen ist, und
die elastischen Streifen (2a, 2b, 30a, 30b) jeweils mindestens einseitig eingespannt und mit jeweils mindestens einer Masse (8a, 8b, 31a, 31b) bestückt sind, wobei
ein Abschnitt des ersten elastischen Strei fens (2a, 30a) mit der Flachseite im wesent lichen senkrecht zu der Richtung (4) der zu erfassenden Beschleunigung angeordnet ist und die Auslenkung des ersten elastischen Streifens von der Meß- und Auswertevorrich tung erfaßt wird und
der zweite elastische Streifen (2b, 30b) zur Erfassung der Winkellage (6) bei Winkella genänderungen infolge der Gewichtskraft der Masse (8b, 31b) auslenkbar ist und diese Auslenkung von der Meß- und Auswertevor richtung erfaßt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß
der erste elastische Streifen (2a) mit der Flachseite im wesentlichen senkrecht zu der Richtung (4) der zu erfassenden Beschleuni gung angeordnet ist und
der zweite elastische Streifen (2b) zur Erfassung der Winkellage (6) mit der Flach seite im wesentlichen senkrecht zu einer senkrecht zu der vorgegebenen Nullwinkel ebene (19) befindlichen Ebene angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ela stischen Streifen (30a, 30b) verzweigt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die elastischen Streifen (30a, 30b) U-förmig verzweigt sind, wobei der eine Schenkel (30a'', 30b'') des "U" fest eingespannt und der andere Schenkel (30a', 30b') des "U" mit einer Masse (31a, 31b) belegt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Flachseiten der die Schenkel (30a', 30a'') des "U" bildenden elastischen Strei fen (30a) in der unausgelenkten Stellung in zu einander parallelen Ebenen angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den elastischen Streifen (2a, 2b, 30a, 30b) zugeordneten Massen (8a, 8b, 31a, 31b) jeweils an freien Enden derselben angebracht sind.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Be reich der Basis (30b*) des "U" mit einer Zusatz masse (32) belegt ist.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Auswertevorrichtung kapazitive, induktive oder resistive Wegaufnehmer oder eine Lichtschranke zur Erfassung der Auslenkung (4, 10) der elastischen Streifen (2a, 2b, 30a, 30b) und zur Erzeugung von Auslenkungssignalen ent hält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 in Verbindung mit einem der Ansprüche 4, 5 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Erfassung der Auslenkung der elastischen Streifen (30a, 30b) im Bereich der Basis (30a*, 30b*) des "U" erfolgt.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht schranke eine Lichtquelle (11) sowie eine Licht erfassungseinrichtung (12) zur Feststellung des Lichtstroms eines von der Lichtquelle (11) aus gesandten Lichtbündels (13) enthält und ein sich bei einer Auslenkung bewegender Eintauchab schnitt (14, 33a, 33b) eines der elastischer Streifen (2, 30a, 30b) das Lichtbündel (13) zumin dest teilweise schneidet, wobei die Schnittflä che ein Maß für die Auslenkung des elastischen Streifens ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß der Eintauchabschnitt als im we sentlichen senkrecht zur Blattebene eines der elastischen Streifen (2) angeordnetes Plättchen (14) ausgeführt ist.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 oder 11 in Verbindung mit Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintauchabschnitt (33a, 33b) im Bereich der Basis (30a*, 30b*) des "U" angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintauchabschnitt (14, 33a, 33b) in einer das Lichtbündel (13) kreuzenden Ebene einen gleich förmigen (33a) oder einen sich zumindest ab schnittweise verjüngenden (14, 33b) Querschnitt aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß der Eintauchabschnitt einen recht eckigen (33a) oder dreieckigen (33b) Querschnitt aufweist.

15. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federhärte des ersten elastischen Streifens (2a) höher ist als die Federhärte des zweiten elastischen Streifens (2b) oder eine an dem er sten elastischen Streifen (2a) angebrachte erste Masse kleiner ist als die an dem zweiten elast ischen Streifen (2b) angebrachte zweite Masse.

16. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinheit (1) eine Grundplatte (15) aufweist, auf der der erste elastische Streifen (2a, 30a) und der zweite elastische Streifen (2b, 30b) befestigt sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste elastische Streifen (2a) mit der Flachseite im wesentlichen senkrecht zur Grundplatte (15) angeordnet ist und der zweite elastische Streifen (2b) an einem Ende mit der Flachseite auf der Grundplatte (15) befestigt ist und winklig von der Grundplatte absteht.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet, daß die Projektionslinien der Längs achsen beider elastischer Streifen (2a, 2b, 30a, 30b) auf die Grundplatte rechtwinklig oder parallel zueinander sind.

19. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Meß- und Auswertevorrichtung eine Kompensa tionsschaltung mit zwei Eingangsgrößen und zwei Ausgangsgrößen enthält, wobei
die eine Eingangsgröße die Auslenkungssi gnale (S_a) des ersten elastischen Streifens (2a), welche überlagerte, von der Beschleu nigung dominierte Signale der Beschleuni gung und der Winkellage sind, darstellt und
die andere Eingangsgröße die Auslenkungs signale (S_b) des zweiten elastischen Strei fens (2b), welche überlagerte, von der Win kellage dominierte Signale der Beschleuni gung und der Winkellage sind, darstellt, und
ein Beschleunigungsausgangssignal (B) des ersten elastischen Streifens (2a) und ein Winkellagenausgangssignal (W) des zweiten elastischen Streifens (2b) jeweils die Aus gangsgrößen sind.

20. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Auswertevorrichtung einen Hoch- oder Tiefpaßfilter zur Isolation eines hoch- (O) oder niederfrequenten Anteils (G) der Auslen kungssignale eines der elastischen Streifen (2a, 2b) enthält.

21. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Erfassungseinrichtungen (1a, 1b) und ein zusätzlicher Beschleunigungssensor (16) vorgese hen sind, wobei die ersten elastischen Streifen (2aa, 2ab) der beiden Erfassungseinrichtungen sowie der zusätzliche Beschleunigungssensor (16) jeweils in unterschiedliche, nicht in einer Ebe ne liegende, Richtungen orientiert sind und die zweiten elastischen Streifen (2ba, 2bb) der bei den Erfassungseinrichtungen jeweils in unter schiedlichen Ebenen orientiert sind.

22. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 21 zur Verwendung als "Off-road-Sensor" für Kraftfahrzeuge (3).