DE202012011243U1

DE202012011243U1 - Sensor oder Sensor-Messeinheit mit einem mechanisch-elektrischen Wandler

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Publication number: DE202012011243U1
Application number: DE201220011243
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Konux Inc Wilmington Us
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-03-08
Anticipated expiration: 2022-11-24

Abstract

Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) zur Erfassung einer mechanischen, durch eine Auslenkung oder Relativauslenkung eines Messkörpers (4, 5) gegenüber einem Chassis (3) oder einem anderen internen Element darstellbaren Größe, mit wenigstens einem mechanisch-elektrischen Wandler zur Erzeugung eines von der Auslenkung oder Relativauslenkung des Messkörpers (4, 5) abhängigen Meßsignals, wobei der Messkörper (4, 5) aus einem ganz oder teilweise lichtdurchlässigen Material scheibenförmig ausgebildet und zwischen einer Lichtquelle (15) und einem lichtempfindlichen Bauelement (16) derart beweglich gelagert und/oder geführt ist, dass ein von der Lichtquelle (15) ausgehender und von dem lichtempfindlichen Bauelement (16) aufgefangener Lichtstrahl das lichtdurchlässige Material des scheibenförmigen Messkörpers (4, 5) bei verschiedenen Positionen desselben vorzugsweise etwa lotrecht durchsetzt und bei einer Relativbewegung des scheibenförmigen Messkörpers (4, 5) eine Bahn auf diesem beschreibt, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der von dem Lichtstrahl auf dem scheibenförmigen Messkörper beschriebenen Bahn eine keilförmige Spur (13) aus einem undurchsichtigen...

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Sensor oder eine Sensor-Messeinheit, insbesondere einen Inertial-, Beschleunigungs-, Bewegungs-, Richtungs-, Drehrichtungs-, Kraft- oder Drucksensor oder eine solche Messeinheit, mit wenigstens einem mechanisch-elektrischen Wandler zur Erzeugung eines von einer Auslenkung, insbesondere einer Relativauslenkung eines internen Elements, abhängigen Meßsignals, wobei zwischen einer Lichtquelle und einem lichtempfindlichen Bauelement ein scheibenförmiger Körper aus einem ganz oder teilweise lichtdurchlässigen Material derart beweglich gelagert und/oder geführt ist, dass ein von der Lichtquelle ausgehender und von dem lichtempfindlichen Bauelement aufgefangener Lichtstrahl das lichtdurchlässige Material des scheibenförmigen Körpers bei verschiedenen Positionen desselben vorzugsweise etwa lotrecht durchsetzt und bei einer Bewegung des scheibenförmigen Körpers eine Bahn auf diesem beschreibt.
Bekannte Sensortechnologien, insbesondere bei inertialen Sensoren wie z. B. bei Beschleunigungssensoren, Gyroskopen bzw. Drehratesensoren (ein-, zwei- oder dreidimensional bzw. 1D, 2D oder 3D), Neigungssensoren (1D, 2D und 3D) haben viele Probleme, insbesondere hinsichtlich der Genauigkeit des Ausgangsignals, Linearität, Wiederholbarkeit, Stabilität, usw.
Daneben haben derartige inertale Sensoren auch Probleme hinsichtlich des geographischen Ortes, weil die Gravitation in Abhängigkeit vom geographischen Ort variiert.
Die Nachteile von Trägheits- oder Inertialsensoren resultieren aus dem jeweiligen Prinzip und der Funktionsweise des Wandlers, insbesondere des mechanischelektrischen Wandlers.
Die Störungen, die auf inertiale Sensoren einwirken, kann man in drei Kategorien einteilen:

1. Erwünschte Messstörsignale (meist mechanische Signale wie die Beschleunigung), die gemessen werden sollen, bzw. für die ein Sensor entwickelt wird.
2. Rauschen (wegen Temperaturschwankungen, Weißlichtstörungen, EMV-Problemen usw.), die mit einem Filter teilweise gefiltert werden können. EMV-Probleme können nicht immer gelöst werden.
3. Unerwünschte Messstörsignale (meist mechanische Signale wie die Beschleunigung), die nicht gemessen werden sollen, bzw. für die ein Sensor nicht entwickelt wird. Sie treten bzw. koppeln mit den erwünschten Messstörsignalen gleichzeitig ein und können mit einem Filter in den meisten Fällen nicht gefiltert werden, weil die Konvertertechnologien der aktuellen Sensoren nicht in die Lage bzw. nicht intelligent genug sind, um mit diesen Störarten umzugehen. Das heißt, dass die aktuell zur Verfügung stehenden Konvertern nicht entscheiden können, ob es sich um die erwünschten, zu messenden Signale handelt oder um unerwünschte, möglichst nicht zu messende Signale.

Heutzutage werden die oben erwähnten Probleme bei inertialen Sensoren sehr bedingt und nur zu einem Teil durch sehr komplizierte Software/Algorithmen und komplizierte Hardware, bspw. in Form von mechatronischen Komponenten, Elektronik, Mechanik und Konstruktion gelöst. Diese Komplikation hat sehr bedeutende Nachteile: Sehr teuere Herstellkosten, sehr komplizierte Konstruktion, sehr teuere Instandhaltung sowie eine vergleichsese kurze Betriebsdauer. Bspw. werden in einem Flugzeug bis zu sechs Gyroskope eingesetzt, um die Gesamt-Ausfall-Wahrscheinlichkeit dieser Sensoren zu minimieren, indem für eine hohe Redundanz gesorgt wird; dies bringt jedoch hohe Kosten mit sich.
Aus den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, einen gattungsgemäßen Sensor oder eine gattungsgemäße Sensor-Messeinheit mit einem mechanisch-elektischen Wandler derart weiterzubilden, dass dessen (deren) Präzision verbessert wird, insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung von störenden Signalen. Darüber hinaus sollen Verluste so weit als möglich vermieden werden.
Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass entlang der von dem Lichtstrahl auf dem scheibenförmigen Körper beschriebenen Bahn eine Linie aus einem undurchsichtigen Material appliziert ist, deren Breite sich von einem ersten Punkt der Bahn bis zu einem weiteren Punkt der Bahn kontinuierlich vergrößert, so dass die undurchsichtige Linie je nach Bahnpunkt einen mehr oder weniger großen Teil des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts auffängt.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird die relative Auslenkung eines internen Messkörpers optisch und damit berührungslos abgetastet, also unter Vermeidung von Reibungsverlusten. Dennoch ist jeder denkbaren Auslenkung ein eindeutiger Messwert zugeordnet, so dass die Präzision maximiert ist. Das Ausgangssignal kann bspw. digitalisiert werden und bspw. – je nach der interessierenden Größe wahlweise direkt verwendet werden, oder einer Differentiation oder Integration unterzogen werden. Damit ist die vorliegende Erfindung anwendbar im Bereich der Sensorik im Fahrzeug- und/oder Flugzeugbereich, bei der Robotik sowie im allgemein Maschinenbau, insbesondere im Rahmen der Automatisierung, wobei es sich im Kern der Erfindung um einen neuen mechanisch-elektrischen Wandler handelt, insbesondere für Anwendungen im Bereich der Sensoren für 3D-Positionierung und/oder 3D-Ausrichtung ähnlich wie bei einem digitalen Gyroskop- oder Messwinkelsensor, einem Drehratesensor oder Schwimmwinkelsensor (für ASR, ASC, DTC, TCSS, PSM, TRC, TRACS, TCS, ggf. in Verbindung mit einem Elektronischen Stabilitäts-Programm ESP oder einer Elektronischen Stabilitäts-Kontrolle ESC), mit oder ohne Erkennung der geographischen Richtung, und/oder einem Beschleunigungssensor (1D, 2D und 3D). Es handelt sich um ein Messsystem, das die meisten wichtigen dynamischen Parameter eines Fahrzeugs misst bzw. direkt berechnet, wie einen Winkelsensor für verschiedene Einsatzgebiete mit achsenloser Verbindung, bspw. für den Schwimmwinkel, die Gier, Nick- und/oder Wankwinkelgeschwindigkeit, die Geschwindigkeiten der Vorder- und Hinterräder oder den Schräglaufwinkel des Vorderrads oder den Schräglaufwinkel des Hinterrads; und/oder einen linearen Sensor, bspw. für die Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Schwerpunkts des Fahrzeugs, ferner dessen Querbeschleunigung, sowie Seitenkräfte bzw. Corioliskraft, und das Eigenlenkverhalten.
Mit der vorliegenden Erfindung, insbesondere dem mechanisch-elektrischen Wandler, können auch verschiedene andere Produkte wie verschleissfreie oder verschleissbehaftete und justierbare Komponenten für Instrumentensysteme, andere verschiedene Geräte mit hoher Genauigkeit und bei niedrigen Kosten sowie weitere Sensoren entwickelt werden: Neben den oben erwähnten Winkelsensoren und linearen Sensoren für Geschwindigkeit und Beschleunigung können auch Wegsensoren realisiert werden, ferner Kraftsensoren, Drehmomentsensoren, Drucksensoren, ein 3D/2D Koordinatensensor, z. B. als Joystick für ein Fahrzeug, die Robotik, PC-Anwendungen, darüber hinaus bspw. auch ein Luftmassemesser, ein Durchflussmesser, etc.
Bevorzugt ist ein lichtempfindliches Bauteil eines mechanisch-elektrischen Wandlers als Photodiode ausgebildet. Die lichtempfindliche Fläche des lichtempfindlichen Teils sollte eine gewisse Größe aufweisen, damit die Beschattung durch die keilförmige Spur zu einem möglichst linearen Ausgangssignal führt. Durch eine Breite b_Diode des lichtempfindlichen Elements, welche in der Größenordnung der maximalen Spurbreite b_max liegt: 0,8·b_max ≤ b_Diode ≤ 1,2·b_max, ist eine integrale Auswertung der belichteten Fläche möglich, wobei durch eine Parallelschaltung von miniaturisierten, lichtempfindlichen Zellen der durch den Lichteinfall verursachte Strom etwa proportional zu der belichteten Fläche ist und zur Auswertung herangezogen werden kann. Im Fall einer Serienschaltung von lichtempfindlichen Zellen ist dagegen die vom Lichteinfall herrührende Gesamtspannung etwa proportional zu der belichteten Fläche und könnte daher ausgewertet werden. Natürlich sollte in diesem Fall die Lichtquelle derart ausgebildet sein, dass sie einen ausreichend großen Lichtkegel mit annähernd konstanter Helligkeit erzeugt und also ggf. die gesamte lichtempfindliche Fläche des lichtempfindlichen Teils beleuchten kann.
Es hat sich bewährt, ein lichtempfindliches Bauteil eines mechanisch-elektrischen Wandlers zwischen den invertierenden und den nicht-invertierenden Eingang eines Verstärkers oder Operationsverstärkers zu schalten. Dies kann entweder direkt geschehen oder über ein in Serie geschaltetes Bauteil mit einer definierten Strom-Spannungs-Kennlinie, bspw. einen Serienwiderstand. Letzterer erlaubt es dem Operationsverstärker, die Differenzspannung zwischen beiden Eingängen auf nahezu Null auszuregeln; die Folge ist ein srenges Proportionalverhalten zwischen der Ausgangsspanung des Operationsverstärkers und der zugeführten Ausgangsgröße des lichtempfindlichen Bauteils.
In diesem Zusammenhang ist eine Weiterbildung dahingehend vorteilhaft, dass der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers zu dessen (invertierendem) Eingang zurückgekoppelt ist, insbesondere mit einem ohmschen Widerstand und/oder mit einem Bauteil mit frequenzabhängiger Kennlinie wie einer Kapazität. Durch diese Rückkopplung entsteht ein Regelkreis, wobei die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers zurückgekoppelt und also auf ein Vielfaches der Eingangsspannung geregelt wird, wobei der Verstärkungsfaktor einstellbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass Streulicht von dem lichtempfindlichen Bauteil eines mechanisch-elektrischen Wandlers ferngehalten oder begrenzt wird. Zu diesem Zweck kann das lichtempfindliche Bauteil bspw. in einem Gehäuse eingebaut werden, welches einen Lichteinfall nur aus Richtung der Lichtquelle erlaubt. Damit können Verfälschungen des Messsignals vermieden werden.
Die Erfindung emfpiehlt, dass der scheibenförmige Körper eines mechanischelektrischen Wandlers aus einem durchsichtigen Glas oder einem durchsichtigen Kunststoff besteht. Diesem obliegt es vor allem, für eine ausreichende mechanische Stabilität und eine präzise Führung bzw. Lagerung der keilförmigen Spur Sorge zu tragen. Dabei soll gleichzeitig der störende Einfluss dynamischer Effekte wie bspw. Unwuchten od. dgl. so gering als möglich sein. Als besonders stabiles Material hat sich insbesonder gehärtetes Glas bewährt.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass der scheibenförmige Körper eines mechanisch-elektrischen Wandlers – ggf. abgesehen von zu seiner Lagerung oder Führung benötigter Öffnungen – keine Durchbrechung aufweist. Dadurch ist seine Stabilität maximal. Gleichzeitig sollte der scheibenförmige Körper eine möglichst konstante Dicke aufweisen sowie einen möglichst regelmäßigen Außenumfang, vorzugsweise einen symmetrischen Umfang und Aufbau.
Die erfindungsgemäße, keilförmige Bahn kann auf den scheibenförmigen Körper eines mechanisch-elektrischen Wandlers aufgedruckt sein, bspw. unter Verwendung von dunkler Farbe. Bewährt hat sich auch das sog. Diadur-Verfahren zur Herstellung äußerst widerstandsfähiger Strukturen auf einer (Glas-)Oberfläche. Dabei wird die gewünschte (keilförmige) Struktur mittels Fotolithographie auf die betreffende Fläche übertragen und dort anschließend durch Einätzen dauerhaft fixiert. Damit lässt sich ein Höchstmaß an Präzision erreichen, bei gleichzeitig minimaler Massenasymmetrie trotz der Keilform. Die Stärke der Schicht sollte gleich oder dünner sein als 1 mm, beispielsweise gleich oder dünner als 0,5 mm, vorzugsweise gleich oder dünner als 0,2 mm, insbesondere gleich oder dünner als 0,1 mm.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die keilförmige Spur direkt auf der Bahn des Lichtstrahls von der Lichtquelle zu dem lichtempfindlichen Bauelement eines mechanisch-elektrischen Wandlers angeordnet ist, so dass an keinem Bahnpunkt ein Lichtstrahl von dem Zentrum der Lichtquelle auf direktem Weg zu dem Zentrum des lichtempfindlichen Bauelements gelangen kann. Durch eine derartige, zur Bahnmitte symmetrische Anordnung kann die gesamte Breite des lichtempfindlichen Elements ausgenutzt werden.
Das Verhältnis aus maximaler Breite b_max der keilförmigen Spur zu minimaler Breite b_min der keilförmigen Spur eines mechanisch-elektrischen Wandlers sollte gleich oder größer sein als 2: b_max/b_min ≥ 2, beispielsweise gleich oder größer als 5: b_max/b_min ≥ 5, vorzugsweise gleich oder größer als 10: b_max/b_min ≥ 10, insbesondere gleich oder größer als 20: b_max/b_min ≥ 20. Je größer das Verhältnis b_max/b_min ist, um so besser ist die Auflösung des jeweiligen Messsignals.
Andererseits sollte das Verhältnis l/b_max zwischen der Länge l der keilförmigen Struktur und deren maximaler Breite b_max möglichst nicht größer sein als 100: b_max ≤ 100, beispielsweise gleich oder kleiner als 50: l/b_max ≤ 50, vorzugsweise gleich oder kleiner als 20: l/b_max ≤ 20, insbesondere gleich oder kleiner als 10: l/b_max ≤ 10. Auch diese Maßnahme zielt darauf ab, die Ablesegenauigkeit zu maximieren.
Damit sich die Breite der keilförmigen Struktur möglichst scharf auf dem lichtempfindlichen Bauteil abzeichnet und sich demzufolge eine möglichst hohe Messpräzision ergibt, sollte die keilförmige Struktur möglichst nahe an dem lichtempfindlichen Element angeordnet sein, bspw. an der jenem zugewandten Oberfläche des scheibenförmigen Messkörpers. Wenn dies erfüllt oder anderweitig sichergestellt ist, dass der Abstand d_P der keilförmige Struktur von dem lichtempfindlichen Element gleich oder kleiner ist als ihr Abstand d_L zu der Lichtquelle: d_P ≤ d_L, insbesondere d_P < d_L, wobei d = d_P + d_L dem Abstand zwischen der Lichtquelle und dem lichtempfindlichen Element entspricht, so muss die Lichtquelle nicht unbedingt punktförmig sein, sondern könnte ggf. auch eine zu dem lichtempfindlichen Element vergleichbare Breite b_Quell ihres aktiven Bereichs aufweisen, also bspw.: 0,8·b_Quell ≤ b_Diode ≤ 1,2·b_Quell.
Zu empfehlen ist darüber hinaus eine Weiterbildung dahingehend, dass bei einem mechanisch-elektrischen Wandler zwei antiparallele Bahnspuren vorgesehen sind mit je einem zugeordneten lichtempfindlichen Element. Obzwar dies nicht erwünscht ist, kann dennoch die teilweise Abschattung der Lichtquelle durch die erfindungsgemäße Keilstruktur mit einer gewissen Nichtlinearität behaftet sein, insbesondere wegen der nichtlinearen Kennlinien der Lichtquelle einerseits und des lichtempfindlichen Elements andererseits. Um daraus resultierende Messungenauigkeiten möglichst vollständig zu unterdrücken, können zwei anitparallele Messanordnungen verwendet und aus diesen bspw. der Mittelwert gebildet werden.
Einer weiteren Konstruktionsvorschrift entsprechend ist auf dem scheibenförmigen Körper eines mechanisch-elektrischen Wandlers zusätzlich wenigstens eine Inkrementalspur angeordnet, und/oder eine Spur mit wenigstens einer Referenzmarke. Auch diese Anordnung dient der Verbesserung der Genauigkeit sowie der exakten Einstellung eines Null- oder Ausgangspunktes.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist der scheibenförmige Körper eines mechanisch-elektrischen Wandlers drehbar gelagert, insbesondere um eine zu seiner Ebene lotrechte Achse drehbar. Hierbei handelt es sich um die Urform aller Winkel- oder Drehratesensoren, wie bspw. Roll-, Nick- oder Gierwinkelsensoren, ferner Schwimmwinkelsensoren, ggf. auch Drehmomentsensoren. Bei einer derartigen Ausführungsform sollte die keilförmige Bahnspur entlang einer Kreislinie um die Drehachse angeordnet sein.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der scheibenförmige Körper eines mechanisch-elektrischen Wandlers verschiebbar geführt, insbesondere in einer Richtung innerhalb seiner Ebene. Diese Ausführungsform kann als Urtyp und Vorbild für alle Arten von Kraft- oder Beschleunigungssensoren angesehen werden, bspw. zur Messung von Druckkräften, Fliehkräften, Beschleunigungs- und Verzögerungskräften.
Die Erfindung lässt sich dahingehend weiterbilden, dass der scheibenförmige Körper eines mechanisch-elektrischen Wandlers entgegen der rückstellenden Kraft wenigstens einer Feder dreh- oder verschiebbar gelagert oder geführt ist, mittels wenigstens eines federnden Elements, welches mit dem scheibenförmigen Körper gekoppelt ist. Auf diese Weise lassen sich Kraft- oder Drehmomentsensoren realisieren, je nachdem, ob der scheibenförmige Körper drehgelagert oder verschiebbar geführt ist.
Die Erfindung zeichnet sich weiterhin aus durch wenigstens eine mit dem scheibenförmigen Körper eines mechanisch-elektrischen Wandlers gekoppelte Membran zur Sensierung eines Druckunterschieds zwischen den beiden Oberflächen der Membran. Hierbei handelt es sich meist um einen linearen Sensor. Derartige Drucksensoren können dazu verwendet werden, um den aktuellen Luftdruck zu bestimmen und daraus bspw. die Flughöhe eines Flugzeugs zu bestimmen, oder durch Bestimmung des aktuellen Wasserdrucks bspw. die Tauchtiefe eines U-Bootes.
Zur Sensierung eines Magnetfeldes kann ein erfindungsgemäßer Sensor über wenigstens einen mit dem scheibenförmigen Körper eines mechanisch-elektrischen Wandlers gekoppelten Magnet verfügen, bspw. in Form eines Stabmagneten, insbesondere in Form einer Kompassnadel. Damit kann einerseits die Orientierung bzw. Ausrichtung und/oder die Bewegungsrichtung eines Luft-, Land- oder Wasserfahrzeugs ermittelt werden; andererseits lässt sich nach diesem Prinzip auch ein Gierwinkelsensor konstruieren, der Aufschluss über den aktuellen Gierwinkel bzw. die Gierwinkeldrehrate geben kann.
Weiterhin ist es möglich, dass an dem scheibenförmigen Körper eines mechanischelektrischen Wandlers oder dessen Lagerung oder Führung ein oder mehrere Pendel od. dgl. Gewicht(e) angeordnet ist (sind). Durch exzentrische Anordnung eines solchen Gewichts an einem Winkelsensor ergibt sich ein Ungleichgewicht, welches aufgrund der Gewichtskraft bestrebt ist, den scheibenförmigen Körper in eine definierte Drehstellung zu bewegen, in welcher sich das Gewicht am tiefstmöglichen Punkt befindet. Man erhält daraus eine Referenzlage im Raum und kann damit einen Roll- oder Nickwinkelsensor erschaffen, der Aufschluss über den Roll- oder Nickwinkel bei Schiffen oder Flugzeugen liefert, bzw. über den Wankwinkel und den Neigungswinkel eines damit ausgerüsteten Landfahrzeugs.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass an dem scheibenförmigen Körper eines mechanisch-elektrischen Wandlers oder an dessen Lagerung oder Führung zwei oder mehrere gegen eine Federkraft auslenkbare Pendel od. dgl. Gewichte angeordnet sind. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von dem vorangehend beschriebenen Kraft- oder Beschleunigungssensor, wo die Auslenkung dieser Feder gemesen wurde, bspw. dadurch, dass hier zunächst gar keine direkte Messung der betreffenden Auslenkung erfolgt oder zumindest erfolgen muss, sondern die betreffende Auslenkung zur Erzeugung einer asymmetrisschen Masseverteilung herangezogen wird, in deren Folge sich ein drehbar gelagerter Winkelsensor in eine Drehstellung bewegt, bei welcher die beweglichen Massen maximal nach außen verschoben sind. Sodann ist bspw. der Richtungsvektor einer Fliehkraft ermittelt bzw. eine Sensoranordnung entsprechend optimal ausgerichtet, so dass sich ein Fliehkraftsensor oder ein Schwimmwinkelsensor realisieren lässt.
An dem scheibenförmigen Körper eines mechanisch-elektrischen Wandlers lässt sich eine exzentrische Masse anordnen, bspw. in Form eines (Halb-)Kreisbogens. Damit ist es bspw. bei einem Winkelsensor möglich, eine bestimmte dynamische Reaktion auf äußere Einflüsse hervorzurufen, um diese zumindest in einem bestimmten Frequenzbereich passiv zu egalisieren.
Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass an dem scheibenförmigen Körper eines mechanisch-elektrischen Wandlers oder an dessen Lagerung oder Führung ein oder mehrere Aktuator(en) angeordnet ist (sind). Durch eine geeignete, insbesondere durch einen implementierten Regelalgorithmus gesteuerte Betätigung dieser Aktuatoren können bestimmte, unerwünschte Störeinflüsse aktiv kompensiert werden, insbesondere über einen weitaus größeren Frequenzbereich als dies mit einer passiven Kompensation möglich ist.
Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
1a einen erfindungsgemäßen Winkelsensor in einem Schnitt entlang der Drehachse;
1b den Winkelsensors aus 1a in einem Schnitt quer durch die Drehachse;
1c einen vergrößerten Ausschnitt aus der 1b;
2a einen erfindungsgemäßen Linearsensor in einem ersten Schnitt quer zu dessen Längsachse;
2b den Linearsensor aus 2a in einem zweiten Schnitt quer zu dessen Längsachse;
2c den Linearsensor aus 2a und 2b in einem Schnitt entlang dessen Längsachse;
3 eine schematische Prinzipschaltung zur Weiterverarbeitung des Messsignals eines erfindungsgemäßen Sensors;
4a den Eingangsverstärker der Prinzipschaltung nach 3;
4b die Eingangsbeschaltung zur Auswertung der Signale weiterer Photodioden;
4c Signalverläufe der Signale A, B und NI der Schaltung nach 4b;
4d eine der 4c entsprechende Darstellung der Signalverläufe der Signale A, B und NI der Schaltung nach 4b in einer leicht abgewandelten Ausführungsform;
4e die gesamte Auswerteschaltung gemäß der Prinzipschaltung nach 3 in detaillierter Darstellung;
5a einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor im Querschnitt;
5b den Beschleunigungssensor aus 5a im Längsschnitt;
6a einen erfindungsgemäßen Drucksensor im Querschnitt;
6b den Drucksensor aus 6a im Längsschnitt;
7a eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksensors im Querschnitt;
7b den Drucksensor aus 7a im Längsschnitt, von der Seite her gesehen;
7c den Drucksensor aus 7a im Längsschnitt, von oben gesehen;
8a einen erfindungsgemäßen Roll- oder Nickwinkelsensor, von vorne gesehen;
8b einen Längsschnitt durch den Roll- oder Nickwinkelsensor nach 8a;
9a eine andere Ausführungsform eines kardanisch gelagerten Roll- oder Nickwinkelsensors in einem Vertikalschnitt quer zu der Sensor-Hauptdrehachse, wobei das Prinzip der passiven Kompensation von Störungen dargestellt ist;
9b den Roll- oder Nickwinkelsensor nach 9a in einem Vertikalschnitt entlang der Sensor-Hauptdrehachse;
9c den isolierten Aufnehmer des Winkelsensors nach den 9a, 9b;
9d ein einfaches, mechanisches Ersatzschaltbild für den Aufnehmer des Winkelsensors nach 9c;
10a einen erfindungsgemäßen Gierwinkelsensor in einem Vertikalschnitt durch das Abtastsystem sowie entlang der Drehachse;
10b eine Draufsicht auf den Gierwinkelsensor nach 10a;
10c einen Vertikalschnitt durch den Gierwinkelsensor nach 10a, jedoch in einer zu dem Abtastsystem versetzten Ebene;
10d eine Draufsicht auf den Gierwinkelsensor nach 10a, jedoch um 90° gedreht, entsprechend einer Draufsicht auf die 10c;
11a eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gierwinkelsensors mit kardanischer Aufhängung in einem Vertikalschnitt durch das Abtastsystem sowie entlang der Hauptdrehachse der Messeinheit, wobei die Montagefläche des Sensorgehäuses horizontal ausgerichtet ist;
11b den Gierwinkelsensor aus 11a in derselben Schnittansicht, wobei jedoch die Montagefläche des Sensorgehäuses gegenüber der Horizontalen geneigt ist;
12a einen erfindungsgemäßen Schwimmwinkelsensor in der Draufsicht;
12b den Schwimmwinkelsensor nach 12a, in einem in ein Fahrzeug eingebauten Zustand, jedoch bei Geradeausfahrt des Fahrzeugs;
12c die Anordnung nach 12b, jedoch bei Kurvenfahrt des Fahrzeugs;
12d ein Detail des Gierratesensors aus den 12a bis 12c in einem Horizontalschnitt;
12e einen vertikalen Schnitt durch die 12d;
13a einen erfindungsgemäßen Roll- und/oder Nickwinkelsensor in einem Horizontalschnitt;
13b den Roll- und Nickwinkelsensor aus 13a in der Draufsicht;
13c einen Schnitt durch die 13b entlang der Linie XIIIc-XIIIc;
13d ein mechanisches Ersatzschaltbild für einen kardanisch aufgehängten Winkelsensors als Beispiel für das Prinzip der aktiven Kompensation von Störungen;
14a eine wiederum abgewandelte Ausführungsform der Erfindung in Form eines Winkel- oder Drehmomentsensors, von der Mantelseite her gesehen;
14b eine Ansicht auf die Stirnseite des Winkel- oder Drehmomentsensors aus 14a;
14c eine Ansicht auf die Stirnseite des Winkel- oder Drehmomentsensors nach 14a in teilweise abgewickelter Form;
15 eine Seitenansicht eines Drehmomentsensors mit zwei mechanischelektrischen Wandlern nach 14 auf einer gemeinsamen Achse;
16 ein elektronisches Schaltbild eines Phasen-/Amplituden-Detektors;
17a die auf ein Fahrzeug einwirkenden Trägheitskräfte in einer schematischen Darstellung;
17b die auf den in ein Fahrzeug eingebauten Sensor einwirkenden Trägheitskräfte;
17c die auf den Sensor nach 17b einwirkenden Trägheitskräfte;
18a einen erfindungsgemäßen Gierratesensor in einem vertikalen Schnitt entlang der Linie A-A in 18c;
18b den Gierratesensor aus 18a mit einer eingezeichneten Schnittlinie B-B;
18c eine Draufsicht auf die Meßdrehscheibe des Gierratesensors nach 18a;
18d einen Schnitt durch die 18b entlang der Linie B-B unter entsprechender Darstellung der Meßdrehscheibe des Gierratesensors mit einem eingezeichneten maximalen Messwinkel;
19 den Verlauf der Amplitude des Drehwinkels des Gierratesensors nach 18a–18d, gegenüber der Zeit aufgetragen;
20a einen abgewandelten Gierratesensor in einem horizontalen Schnitt mit der Meßscheibe in der Draufsicht;
20b einen Schnitt durch die 20a entlang der Linie XXB-XXB;
20c einen Schnitt durch die 20a entlang der Linie XXC-XXC;
21a einen wiederum abgewandelten Gierratesensor in einem horizontalen Schnitt mit der Meßscheibe in der Draufsicht;
21b einen Schnitt durch die 21a entlang der Linie XXIB-XXIB;
21c einen Schnitt durch die 21a entlang der Linie XXIB-XXIB; sowie
22 den Verlauf der Amplitude des Drehwinkels des Gierratesensors nach 21, aufgtragen gegenüber der Zeitachse.
1. Grundprinzip des erfindungsgemäßen Sensors
Die grundlegende Anordnung eines erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Wandlers ist in 1 anhand eines Winkelsensors 1 und in 2 anhand eines Linearsensors 2 dargestellt. Beide Anordnungen sind Ausprägungen des selben Grundprinzips:
Es gibt jeweils zwei gegeneinander bewegliche Teile, nämlich einen Stator 3 einerseits sowie – im Falle eines Winkelsensors 1 – einem Rotor 4 bzw. – im Falle eines Linearsensors 2 – einem Translator 5 andererseits.
Der Rotor 4 bzw. der Translator 5 hat jeweils eine im Wesentlichen scheibenförmige Gestalt und ist von dem Stator 3 nach Art eines Gehäuses umgeben.
Der Rotor 4 des Winkelsensors 1 ist mittels einer oder mehreren Drehlagerungen 6 an dem Stator 3 um eine Drehachse 7 verdrehbar gelagert, wobei die Drehachse 7 den scheibenförmigen Rotor 4 lotrecht zu dessen Scheibenebene durchsetzt. Sowohl der scheibenförmige Rotor 4 als auch der diesen umgebende Stator 3 hat jeweils einen etwa kreisförmigen Umfang, mithin eine etwa kreisscheibenförmige Gestalt, wobei sich die Drehlagerung(en) 6 und die Drehachse 7 im Zentrum des jeweiligen Kreises befinden.
Gemäß 1a kann der Rotor 4 mit einer zu seiner Drehachse 7 konzentrischen Welle 8 drehfest verbunden sein, worüber er mit einer zu messenden Drehbewegung oder -moment gekoppelt werden kann.
Der Translator 5 des Linearsensors 2 hat eine längliche Form mit zwei zueinander parallelen Längskanten 9, welche in je einer von zwei zueinander parallelen Führungsnuten 10 verschiebbar geführt sind, derart, dass der Translator 5 eine geführte Translationsbewegung in seiner Längsrichtung 11 ausführen kann, jedoch keine andere Bewegung, derart, dass die Translationsrichtung 11 in der Ebene des Translators 5 liegt.
Gemäß 2c kann der Translator 5 mit einer zu seiner Translationsrichtung 11 koaxialen oder parallelen Stange 12 fest verbunden sein, worüber er mit einer zu messenden Linearbewegung oder -kraft gekoppelt werden kann.
Die bewegliche Komponente – also der Rotor 4 oder Translator 5 – besteht aus einem durchsichtigen Material, bspw. Glas oder einem durchsichtigen Kunststoff, und kann gehärtet sein, um eine ausreichende mechanische Festigkeit zu erhalten.
Nach der Herstellung des Rotors 4 oder Translators 5 wird ein dunkler Bereich 13 aus einem dunklen Lack aufgebracht, bspw. aufgedruckt und/oder eingeätzt.
Der dunkle Bereich 13 auf dem durchsichtigen Rotor 4 oder Translator 5 hat eine keilförmige Struktur. Diese kann wahlweise – insbesondere im Falle eines Linearsensors 2 – gerade gestreckt sein, oder sie kann einen gebogenen, insbesondere kreisförmigen Bahnverlauf haben – insbesondere im Falle eines Winkelsensors 1. In besonderen, allerdings für die Praxis nur selten relevanten Fällen kann die keilförmige Struktur 13 auch einen anderen Bahnverlauf haben, eben der zu messenden Auslenkung bzw. Bewegung folgend, bspw. einen Verlauf entsprechend einer archimedischen Spirale, einer Welle od. dgl. In einem solchen Falle von einander überlagerten Bewegungskomponenten mit rotatorischem und translatorischem Anteil soll deshalb von einem Rotor-Translator gesprochen werden, während der im Folgenden verwendete Begriff Rotor/Translator 4, 5 alle Varianten umfassen soll, also einen reinen Rotor 4 genauso wie einen reinen Translator 5, aber auch einen kombinierten Rotor-Translator.
Der Bahnverlauf der dunklen, keilförmigen Struktur 13 ist auf die Führung/Lagerung des Rotors/Translators 4, 5 derart abgestellt, dass die Bahn der keilförmigen Struktur 13 stets über einen ortsfesten Punkt an dem Stator 3 hinweg oder entlang führt.
Genau an diesem Punkt ist an dem Stator 3 ein optisches Abtastsystem 14 ortsfest angeordnet. Dieses umfasst ein Paar von optischen Elementen, nämlich eine Lichtquelle 15 einerseits, bspw. in Form einer Leuchtdiode (LED), sowie ein lichtempfindliches Bauteil 16 andererseits, bspw. eine Photodiode (PD).
Diese beiden optischen Elemente 15, 16 sind an unterschiedlichen Seiten des Rotors/Translators 4, 5 angeordnet, derart, dass ein ihre optisch aktiven Zentren verbindende Linie die Scheibenebene des Rotors/Translators 4, 5 (etwa) lotrecht durchsetzt. Wenn also ein Lichtstrahl entlang dieser optischen Achse von der Lichtquelle 15 zu dem lichtempfindlichen Bauteil 16 fällt, so durchsetzt er den Rotor/Translator 4, 5 und insbesondere den gerade an dieser Stelle befindlichen, dunkleren Bereich 13. Dieser dunklere Bereich 13 wirft dabei einen Schatten auf das lichtempfindliche Bauteil 16, der um so breiter ist, je breiter der aktuell abgetastete Abschnitt des keilförmigen, dunklen Bereichs 13 ist. Diese Breite hängt wiederum davon ab, um welches Maß der Rotor/Translator 3, 4 gegenüber dem Stator 3 jeweils ausgelenkt ist, und auf diesem Wege wird das Maß dieser Auslenkung sensiert.
Die keilförmige Struktur 13 hat eine Länge l und beginnt an ihrem einen Ende in Form eines breiten Streifens mit einer Breite b_max von bspw. etwa 4 mm – in der 1 bspw. der Anfang des Kreises oben bei 0°– und endet mit einer sehr kleinen Abmessung bzw. Breite b_min von bspw. nur etwa 0,05 mm an einem weiteren Punkt bzw. Endpunkt, der allerdings – insbesondere bei einem Winkelsensor 1 – mit dem Anfangspunkt zusammenfallen kann, also in 1b und 1c oben bei 360°. Dazwischen hat die dunkle keilförmige Spur 13 bspw. eine Bereite von 3 mm bei 90°, bei 180° eine Breite von etwa 2 mm, und bei 270° nur noch etwa 1 mm.
Die Breite variiert dabei also kontinuierlich, insbesondere gemäß der Funktion b(ξ) = (b_max – b_min)·ξ/l + b_min.
Dabei soll ξ/l als „verallgemeinerte Längenkoordinate” betrachtet werden, die an den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen ist, und jeweils von 0 bis 1 läuft, d. h., ξ läuft von 0 bis l, wobei ξ in diesem Falle am schmäleren Ende mit null beginnend gezählt wird bis zu dem Wert l am dickeren Ende.
Bei einem linearen Wegsensor 2, der die Auslenkung in x-Richtung misst, wäre also anstelle von ξ der Koordinatenwert x einzusetzen, bzw. anstelle von ξ/i wäre x/l zu setzen.
Bei einem Winkelsensor 1, der eine Auslenkung des Winkels α um seine Drehachse 7 in einem Bereich zwischen 0° und 360° misst, d. h., die keilförmige Struktur 13 umwindet die Drehachse 7 genau einmal vollständig, dann wäre anstelle von ξ/l der Wert α/360° zu verwenden, oder anstelle von ξ der Umfangswert 2π·r·α/360° einzusetzen, wobei jeweils α in Grad einzusetzen ist und r den mittleren Radius der keilförmigen Struktur 13, bezogen auf die Drehachse 7, meint.
Ist dagegen die keilförmige Struktur 13 kürzer oder länger als 360°, sondern überstreicht einen Winkel von 0° bis γ ≠ 360°, so wäre anstelle von ξ/l der Wert α/γ zu verwenden, oder anstelle von ξ der Umfangswert 2π·r·α/γ einzusetzen. Dabei kann γ kleiner als 360° sein, wobei die keilförmige Struktur 13 die Drehachse 7 nicht vollständig umrundet.
Für γ wäre sogar ein Wert größer als 360° möglich, wenn die keilförmige Struktur 13 einen leicht spiraligen Verlauf aufweist, so dass eine zweite Windung seitlich versetzt neben der ersten verläuft. Allerdings müsste dann das lichtempfindliche Element 16 ggf. in radialer Richtung nachgestellt werden.
Noch andere Koordinaten wie bspw. krummlinige Koordinaten sind denkbar. Die verallgemeinerte Längenkoordinate ist dann entsprechend anzupassen.
Eine Leuchtdiode 15, „LED1” dient als Lichtquelle und beleuchtet die keilförmige Struktur 13 von einer Seite der durchsichtigen Scheibe des Rotors/Translators 4, 5, und eine Photodiode 16, „PD1” als lichtempfindliches Element bzw. als optischer Empfänger befindet sich auf der anderen Seite der durchsichtigen Scheibe 4, 5 und bewertet diejenige empfangene Lichtmenge, welche die Photodiode 16 durch den nicht verdunkelten Bereich 17 erreicht. Die Verbindungslinie zwischen den beiden optischen Elementen, nämlich der Lichtquelle 15 einerseits und dem lichtempfindlichen Element 16 andererseits, durchsetzt die Fläche bzw. Ebene der dazwischen befindlichen Scheibe 4, 5 etwa lotrecht. Der Verlauf der keilförmigen Struktur 13 ist an die Lagerung bzw. Führung der Scheibe 4, 5 angepasst, insbesondere derart, dass bei der zulässigen Bewegung der Scheibe 4, 5 die Verbindungslinie zwischen den optischen Elementen 15, 16 entlang der keilförmigen Struktur 13 wandert, so dass jene die Lichtmenge kontinuierlich und mit sehr hoher Auflösung variieren kann.
So wird bei der Ausführungsform nach 1 die Bereite b der dunklen, keilförmigen Struktur 13 im Bereich der Photodiode 16 bei einer Bewegung bzw. Auslenkung der durchsichtigen Scheibe 4, 5 im Uhrzeigersinn größer, und dementsprechend nimmt das Ausgangsignal der Photodiode 16, „PD1” ab. Umgekehrt wird bei einer Drehung der Achse 7 der durchsichtigen Scheibe 4, 5 aus 1 entgegen dem Uhrzeigersinn die Breite b der keilförmigen Struktur 13 am Ort der Photodiode 16 kleiner, und demzufolge nimmt das elektrische Ausgangsignal der Photodiode 16 zu.
Ein erfindungsgemäßer Sensor hat folgende Eigenschaften:

1. digitales Ausgangsignal
2. hohe Linearität
3. hohe Auflösung des Ausgangssignals,
4. hohe Genauigkeit,
5. hohe Empfindlichkeit (nur in gewünschter Richtung wird gemessen, sonst nicht)
6. hohe Wiederholbarkeit,
7. niedriger Temperatureinfluss bzw. geringe Umwelteinflüsse
8. geeignet für dynamische und statische Systeme,
9. kein Einfluss der beweglichen Bauelemente des Sensors auf das Ausgangsignal (wegen Trägheitskräften und -momenten des Ausgangsignals),
10. keine notwendigen hohe Toleranzen für die mechatronischen Komponenten,
11. sehr große Messbandbereite bzw. Messbereich,
12. Ausgangsignal der Sensoren ist unabhängig von dem Zustand und der Position des Systems (Fahrzeugs) wie Neigung,
13. das Messergebnis bleibt mechanisch gespeichert, wenn der elektrische Strom gestört ist oder ausfällt,
14. keine Verschleißprobleme der mechatronischen Komponenten, die das Messergebnisse beeinflussen,
15. sehr kurze Zeitreaktion, weil es keine lange Verzögerungselemente gibt,
16. adaptive Anpaßbarkeit an unterschiedlichste Anwendungsfälle
17. das Messsignal bleibt lange Zeit stabil,
18. sehr einfach zu kalibrieren,
19. der Wandler kann in Mikro- und Makrobereich mit verschiedenen bekannten Prinzipen, wie Hall- und MR-Effekt, Induktive, Kapazitiv-, und Optik-Prinzip hergestellt werden.
20. einfache Hard- und Software für die Signalauswertung,
21. relativ kleines Bauvolumen und Gewicht,
22. niedrige Herstellungskosten,
23. Einsatz in verschiedenen Transportmitteln (in insbesondere Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen, etc., sowie bei Robortern und anderen Maschinen,
24. neue Methoden für die Messung von verschiedenen und wichtigen physikalischen Messgrößen,
25. direkte Winkelmessungen an bewegten Objekten mit sehr hoher Auflösung möglich im Gegensatz zu bisher verfolgten Strategien, derartige Winkel in Abhängigkeit von verschiedenen physikalischen Messgrößen zu schätzen, wie bspw. bei aktuellen Antriebsschlupfregelungssystemen (ESP, ASR/ASC), was zu Messfehlern führt,
26. Erkennung der Drehrichtung und der Drehrate und gleichzeitig des Neigungswinkels bezüglich des Rotationsträgheitsmoments eines Fahrzeugs um die Hochachse (J_Gier), Längsachse (J_Wank) und Querachse (J_Nick), sowie der (geographischen) Fahrtrichtung,
27. Messung der Neigungswinkel um die X-, Y- und Z-Achsen mit Erkennung der Drehrichtung,
28. Messung der Fliehkraft, sowie der Quer- oder Seitenkräfte und der seitlichen Beschleunigung des Fahrzeugs,
29. direkte Messung der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Fahrzeugschwerpunkts mit einem neuen Prinzip für einen Beschleunigungssensor, der nur einen Freiheitsgrad hat.

Dieses neue Verfahren einer auf eine Rotor- und/oder Translatorscheibe 4, 5 aufgebrachten, dunklen keilförmigen Struktur 13 für die Ermittlung einer Auslenkung sowie deren Richtung und deren Dynamik hat folgende Vorteile:

– Einfaches Herstellungsverfahren – niedrige Kosten;
– Messung der physikalischen Größen bzw. der daraus resultierenden Auslenkung auf reibungs- und verschleißfreiem Weg;
– einfache Funktionsweise – zuverlässig;
– einfache Elektronik (Hardware) und Software für Signalaufbereitung und -verarbeitung;
– sehr hohe Auflösung;
– gleichzeitige Messung einer Bewegung und deren Geschwindigkeit;
– kleine Fehler;
– Signalauswertung für die Bewegung, Geschwindigkeit und Erkennung der Drehrichtung mit nur einer Photodiode bzw. nur einer Signalleitung;
– nach dem Abbruch der Versorgungsspannung kann die letzte Information erhalten bleiben.

Die Signalauswertung für diese neue Verfahren, d. h., sowohl für einen Winkelsensor als auch für einen Linearsensor, ist einfach. Die elektronische Schaltung besteht bevorzugt aus drei Stufen. Nach der Photodiode 2 sind drei Stufen für eine Weg- oder Winkelmessung und fünf Stufen für einen Geschwindigkeits- oder Drehratesensor erforderlich.
Die Auswertung des Ausgnagssignals der Photodiode 16 erfolgt mittels einer elektronischen Schaltung 18, die folgende Bauelemente bzw. Teile aufweisen kann: Einen Eingangsverstärker 19, insbesondere in Form eines nichtinvertiertenden Transimpedanzverstärker; einem Tiefpassfilter 20, ggf. einem weiteren, bspw. invertierenden Verstärker 21, sowie ggf. einem Spannungs-/Frequenzwandler 22, und/oder einem Mikroprozessor oder -rechner 23.
Insbesondere können die folgenden Ausgänge der elektronischen Schaltung 18 mit dem Mikrorechner (μC) 23 verbunden werden: Ein Signal betreffend die Auslenkung in Form einer Weg- oder Winkelgröße; und/oder ein Signal für die Ableitung der Auslenkung bzw. die Drehrate der Winkelgröße.
Für einen erfindungsgemäßen Sensor 1, 2 gibt es bereits im Bereich der Navigation von Flug- und Fahrzeugen eine Vielzahl von Anwendungen:
Ein Drehratesensor um die Z-Achse misst den Gierwinkel ψ bzw. die Gierdrehrate.
Ein Drehratesensor um die X-Achse misst den Rollwinkel φ bzw. die Wankdrehrate.
Ein Drehratesensor um die Y-Achse misst den Nickwinkel γ bzw. die Nickdrehrate.
Ein Drehratesensor misst den Schwimmwinkel β bzw. die Schwimmwinkel-Drehrate.
Die folgenden Berechnungen und Gleichungen gelten für alle Sensorarten.
Eine Photodiode 16 wandelt das auftreffende Licht zunächst in eine elektrische Ladung um, die ein Ladungsverstärker 19 in eine einfach messbare Spannung verwandelt.
Die gesamte, lichtempfindliche Beleuchtungsfläche der Photodiode 16 beträgt A. Bei einer etwa quadratischen Beleuchtungsfläche mit der Breite B und der Länge L gilt: A = B·L. Davon wird jedoch ein Teil durch die keilförmige Struktur der Breite b abgedeckt; diese hinterlässt sozusagen einen Schatten der Breite b' auf der lichtempfindlichen Fläche A. Deshalb verbleibt nur noch die tatsächlich beleuchtete Fläche A_PD = (B – b)·L = A·(B – b')/B = A·(1 – b'/B).
Sofern der von der keilförmigen Struktur 13 auf der lichtempfindlichen Fläche A hervorgerufene Schatten etwa die selbe Breite b' hat wie die Breite b der keilförmigen Struktur 13 selbst, könnte in die obige Formel statt b' unmittelbar die Breite b der keilförmigen Struktur 13 eingesetzt werden. Dies trifft aber nur dann zu, wenn die Lichtstrahlen etwa parallel von der Lichtquelle 15 zu dem lichtempfindlichen Element 16 verlaufen, und/oder wenn sich die keilförmige Struktur 13 erheblich näher an dem lichtempfindliche Element 16 befindet als an der Lichtquelle 15.
Im Fall einer punktförmigen Lichtquelle dürfte aber zumeist die Fläche A des lichtempfindlichen Elements 16 erheblich größer sein als die Abmessung des eigentlich leuchtenden Bereichs der Lichtquelle 15, insbesondere wenn diese als Leuchtdiode ausgebildet ist. Die Lichtstrahlen laufen dann nicht parallel zueinander, sondern divergieren von der Lichtquelle 15 ausgehend voneinander, insbesondere unter einem Öffnungswinkel ε, welcher von der Breite B der lichtempfindlichen Fläche A des lichtempfindlichen Elements 16 einerseits und von dem Abstand d zwischen Lichtquelle 15 und lichtempfindlicher Fläche 16 abhängt, etwa gemäß folgender Formel: ε/2 = tan(B/2d) bzw. ε = 2·arctan(B/2d).
Nimmt man bspw. an, dass die keilförmige Struktur 13 sich etwa mittig zwischen der Lichtquelle 15 einerseits und dem lichtempfindlichen Element 16 andererseits befindet, so vergrößert sich der Schatten, den sie auf das lichtempfindliche Element 16 wirft, etwa um den Faktor 2, also auf das Doppelte. In diesem Fall muss man in den obigen Formeln die Breite b dieses Schattens als „virtuelle Breite” einsetzen, während die tatsächliche Breite der keilförmigen Struktur kleiner anzusetzen ist, nämlich nur halb so groß. In diesem Fall wäre als b' = 2·b zu setzen. Bei einer punktförmigen Lichtquelle gilt b' ≥ b; allgemein kann man setzen: b'/b = c, wobei aufgrund des Strahlensatzes gilt: c = d/d_L = 1 + d_P/d_L, mit d_L = Abstand der keilförmigen Struktur zu der Lichtquelle, und d_P = Abstand der keilförmigen Struktur zu der Photodiode, also d = d_P + d_L.
Mit b'(ξ) = c·b(ξ) = c·[(b_max – b_min)·ξ/l + b_min] folgt aus der obigen Gleichung: A_PD = A·{1 – c·[(b_max– b_min)·ξ/l + b_min]/B}
Nimmt man an, dass b'_max = c·b_max ≈ B, und b_min ≈ 0, so vereinfacht sich diese Formel zu: A_PD≈ A·[1 – (B·ξ/l)/B] = A·(1 – ξ/l).
Substituiert man (l – ξ) durch ξ = (l – ξ), was einer Umkehr der Zählrichtung von ξ entspricht, d. h., bei ξ = 0 wird ζ = l, und bei ξ = l wird ζ = 0, so ergibt sich: A_PD = A·ζ/l, also ein linearer Zusammenhang. Mit dem Proportionalitätsfaktor K_PD = A/l wird daraus: A_PD = K_PD*ζ.
Die aktuelle bzw. effektive Beleuchtungsfläche A_PD der Photodiode 16 ist proportional zu der Auslenkung ζ der durchsichtigen Scheibe 4, 5, also bei einem Linearsensor 2 proportional zu x bzw. –x, bei einem Winkelmesser 1 proportional zu dem Drehwinkel α bzw. –α.
Auf diese Fläche A_PD fällt Licht, welches von der Helligkeit der Lichtquelle 15 und deren Abstand abhängt. Sofern als Lichtquelle 15 eine Leuchtdiode oder eine andere, monochromatische Lichtquelle 15 verwendet wird, also eine Lichtquelle 15 mit nur einer einzigen Wellenlänge λ oder einem engen Wellenlängenspektrum um eine mittlere Wellenlänge λ, so beträgt die Energie eines Photons E = h·c/λ, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum und c die Lichtgeschwindigkeit ist.
Diese Energie muss ausreichend groß sein, um ein Elektron aus dem Valenzband herauszuschlagen und in das Leitungsband anzuheben. Der energetische Abstand zwischen diesen beiden Bändern ist W_D. Daraus folgt: h·C/λ > W_D bzw. < λ_g= h·c/W_D.
Die Absorption kann also in Abhängigkeit des Bandabstands W_D nur bis zur Grenzwellenlänge λ_g erfolgen.
Aus Gründen der Energieersparnis kann man als Lichtquelle 15 eine Leuchtdiode verwenden; in diesem Falle ist nur auf die obige Bedingung für die Grenzwellenlänge zu achten; die gesamte Strahlungsleistung einer Leuchtdiode Φ_e,L wird in einem sehr engen Frequenzband um eine mittige Wellenlänge λ abgestrahlt, so dass sich in diesem Falle weitergehende Spektralbetrachtungen erübrigen.
Die Lichtquelle 15 hat eine Strahlungsleistung Φ_e,L, deren Strahlen-Öffnungswinkel im Idealfall derart ausgewählt ist, dass davon gerade die lichtempfindliche Fläche A des lichtempfindlichen Elements beleuchtet wird. In diesem Fall gilt für die Bestrahlungsstärke E_e am Ort des lichtempfindlichen Elements 16: E_e = Φ_e,L/A.
Wird von dem lichtempfindlichen Element 16 nicht die gesamte Strahlungsleistung der Lichtquelle 15 aufgefangen, so ist im folgenden für Φ_e,L nur der effektiv auf die Fläche A gerichtete Anteil des Lichtstroms bzw. der Lichtquellen-Strahlungsleistung einzusetzen.
Im Weiteren kann ferner angenommen werden, dass die Bestrahlungsstärke E_e über der gesamten Fläche näherungsweise etwa konstant ist. Dann kann man für die von dem lichtempfindlichen Element effektiv aufgefangene Strahlungsleistung Φ_e,P setzen: Φ_e,P = A_PD·E_e;
Daraus folgt: Φ_e,P/Φ_e,L = (A_PD·E_e)/(A·E_e) = A_PD/A = ζ/l; bzw.: Φ_e,P = Φ_e,L·ζ/l.
Für die Energie E_phot eines Photons bei der Wellenlänge λ = c/v gilt: E_phot = h·v = h·c/λ, also für einen Strom Φ_e,P von n_p Photonen pro Zeiteinheit Δt: Φ_e,P = n_p·E_phot/Δt = n_P·h·c/(λ·Δt).
Der Quantenwirkungsgrad η, auch Quantenausbeute genannt, gibt an, mit welcher Wahrscheinlichkeit eines dieser einfallenden Photonen ein Ladungsträgerpaar, also ein Elektronen-Loch-Paar, generiert: = n_e/n_p.
Nach dem vereinfachten, analytischen Modell von Gärtner gilt
Neben der Schichtdicke d_i hängt η vom Intensitätsabsorptionskoeffizienten α ab.
Da jedes erzeugte Elektron die Ladung q = e trägt, folgt daraus für die pro Zeiteinheit Δt erzeugte Ladung ΔQ: ΔQ = n_e·e = η·n_p·e = η·e·Φ_e,P·λ·Δt/(h·c).
Für den Photostrom I_Photo der Photodiode gilt: I_Photo= ΔQ/Δt = Φ_e,P·η·e·λ/(h·c).
Als Empfindlichkeit S der Photodiode soll das Verhältnis zwischen Photostrom I_Photo und der effektiv aufgefangenen Strahlungsleistung Φ_e,P bezeichnet werden: S = I_Photo/Φ_e,P = λ·η·e/(h·c).
Wie 3 und 4a zeigt, wird dieser Photostrom I_Photo von einem Transimpedanzverstärker 19 in eine dazu proportionale Ausgangsspannung U_A, umgewandelt. Dazu kann die Photodiode 16 beispielsweise zwischen die beiden Eingangsanschlüsse eines Operationsverstärkers 24 geschaltet werden, in einer derartigen Polung, dass der Strom I_Photo von dessen invertierenden Eingang „–” zu dessen nicht invertierenden Eingang „+” fließt. Der Ausgang 25 des Operationsverstärkers 24 wird über einen ohmschen Widerstand R4 zu dem invertierenden Eingang „–” zurückgekoppelt. Falls nun der nicht invertierende Eingang „+” auf Masse gelegt wird, so gilt für die Ausgangsspannung U_A: U_A = R4·I_Photo = K_R·I_Photo, da aufgrund der großen Verstärkung des Operationsverstärkers 24 die Spannung an beiden Eingängen „–”,„+” gleich sowie gleich der Spannungsmasse ist.
Bei einem anderen Aufbau des Transimpedanzverstärkers 19 kann sich ggf. ein abweichender Verstärkungsfaktor KR ergeben. Wird bspw. der nicht invertierende Eingang „+” nicht direkt auf Masse gelegt, sondern über einen Widerstand R2, und gleichzeitig der invertierende Eingang „–” über einen Widerstand R3 an eine positive Versorgungsspannung, so ergibt sich K_R zu K_R = R2·(1 + R4/R3).
Zur Optimierung der Dynamik ist eine direkte Bedämpfung des Transimpedanzverstärkers 19 denkbar, wie auch die Nachschaltung eines Filters, insbesondere eines Tiefpaßfilters 20. Da ein solcher jedoch keinen Einfluss auf das stationäre Verhalten des Sensors 1, 2 aufweist, ergibt sich dessen stationärer Wert der Ausgangsspannung U_A(ζ) zu U_A(ζ) = K_R·I_Photo= K_R·S·Φ_e,P = K_R·S·Φ_e,L·ζ/l = K_R·S·E_e·A·ζ/l = = S·E_e·K_R·K_PD·ζ,
Und daraus lässt sich die zu messende Größe ζ wie folgt ermitteln: = U_A/(S·E_e·K_R·K_PD).
Ferner kann neben, insbesondere parallel zu der keilförmigen Struktur 13 wenigstens eine Inkerementalstruktur 26, 27 vorgesehen sein, wie in 4b zu sehen. Darüber hinaus können auch ein oder mehrere Referenzmarkierungen 28 vorgesehen sein. Vorzugsweise werden diese Strukturen 26, 27 bzw. Markierungen 28 mittels eigener Sensoren bzw. Photodioden 29, 30, 31 abgetastet.
Insbesondere bei inkrementalen Strukturen 26, 27 wird die Signalbildung mit Hilfe des Durchlichtverfahrens realisiert. Beim Durchlichtverfahren handelt es sich um das Prinzip der photoelektrischen Abtastung feiner Strichgitter. Dieses Abtastungsprinzip ist vergleichbar mit einer miniaturisierten optoelektronischen Einweglichtschranke.
Neben wenigstens einer Inkrementalspur 26, 27 befindet sich auf einer weiteren zusätzlichen Spur eine Referenzmarke 28, die mittels einer Photodiode „PD4” 31 ermittelt werden kann. Durch sie wird auf einem separaten Kanal einmal pro Umdrehung ein einziger, definierter Impuls ausgegeben, der so genannte Nullindex.
Standardmäßig werden von einem inkrementellen Drehgeber drei Signalausgänge zur Verfügung gestellt: Kanal A, Kanal B und Kanal 0 (Nullindex, „PD4”), welche in den 4c und 4d beispielhaft dargestellt sind. Das Impuls-Pause-Verhältnis der beiden Ausgangssignale von Kanal A und Kanal B ist zu jeder Zeit 1:1. Die Spannungspegel der Ausgangskanäle eines inkrementellen Drehgebers laufen folgendermaßen ab:

1. LOW-Pegel (Spannungswert Null).
2. Spannungsanstieg von LOW- nach HIGH-Pegel (positiver Flankenwechsel).
3. HIGH-Pegel (Spannungswert der Betriebsspannung).
4. Spannungsabfall von HIGH nach LOW-Pegel (negativer Flankenwechsel).

Wird der inkrementelle Drehgeber an Spannung gelegt, gibt er für jeden Kanal den jeweiligen Pegelwert aus, der sich durch die Stellung der Teilscheibe ergibt. Durch einen eventuellen Spannungswechsel eines Kanals von 'keine Spannung' auf Betriebsspannung erfolgt kein Zählvorgang in der nachgeschalteten Auswerteelektronik.
Die Drehrichtungserkennung der Messscheibe 4, 5 wird über D-FF ermittelt, und die Impulsvervielfachung des inkrementellen Sensors wird über zwei XOR IC ermittelt.
Die folgenden Ausgänge der elektronischen Schaltung sind mit dem Mikrorechner μC verbunden:
Dreh-Rar-Ink-X = Drehrate der Messdrehscheibe
Drehrichtung-Ink-X = Drehrichtung der Messdrehscheibe
Posi-Erkenn-Ink-X = Zur Erkennung der Position der Messdrehscheibe bzw. Anzahl der Umdrehungen der Messdrehscheibe
Anmerkung: Die gesamten elektronischen Schaltungen der Messdrehscheibe um die X-Achse sind identisch den elektronischen Schaltungen der Messdrehscheibe um die Y-Achse.
Die zeitliche Dauer eines einzelnen Impulses (Ein/Aus) hängt von der (Dreh-) Geschwindigkeit der Teilscheibe ab. Eine Zeitangabe über die Impulslänge ist daher nicht möglich.
Die zeitliche Gesamtlänge eines einzelnen Impulses wird deshalb mit dem Wert elektrisch 360 Grad festgelegt. Für die Dauer von (elektrisch) 180 Grad liegt der Ein-Impuls vor, für die restlichen 180 Grad hat der Impuls den Wert Null. Der Abstand zwischen den Kanälen A und B beträgt elektrisch 90 Grad und ist unabhängig von Geschwindigkeit und Drehrichtung der Teilscheibe.
Der Messschritt ist der Winkelwert, der sich aus dem Abstand zwischen zwei Flanken der beiden Rechteck-Impulsfolgen von Ausgang A und Ausgang B ergibt.
Ohne vorherige Interpolation der Messsignale entspricht der Messschritt dem vierten Teil der Teilungsperiode (90 Grad) der Radialgitterteilung.
Der Nullindex, auch Nullimpuls oder Referenzmarke genannt, wird nur einmal pro Umdrehung der Teilscheibe erzeugt. Auf dem gesamten Umfang der Indexspur ist nur ein Segment vorhanden. Die Position der Referenzmarke auf der Teilscheibe ist ebenfalls mechanisch festgelegt. Die relative Dauer des HIGH-Pegels vom Nullindex ist nur halb so lang wie die der Kanäle A und B. Eine Folgeelektronik muss also für die Auswertung des Nullindexes eine vierfach höhere Eingangsfrequenz haben, als für die Auswertung der Kanäle A und B.
Der elektrische 90-Grad-Versatz zwischen den Kanälen A und B in Verbindung mit den dynamischen Signalwechseln wird von nachgeschalteten Auswerteelektroniken elektronischen Vor- Rückwärtszählern zur Bestimmung der Zählrichtung benutzt. Entscheidend für die Dreh- oder Zählrichtungserkennung sind die Signalwechsel und Signalzustände der Kanäle A und B des Drehgebers. Bei Stillstand des Drehgebers findet kein Signalwechsel statt. Eine Nachfolgeelektronik kann (noch) nicht entscheiden, welche Zählrichtung vorliegt. Werden Drehgeber und Auswerte-/Anzeigeelektronik an Spannung gelegt, kann je nach Stellung der Teilscheibe im Drehgeber ein Signalwechsel auf einem oder mehreren Ausgangskanälen stattfinden. Dieser Signalwechsel wird aber als Zählimpuls von der Auswerteelektronik unterdrückt, da er ja vor dem Ausschalter der Versorgungsspannung für den Zählvorgang gewertet wurde. Dadurch ist sichergestellt, dass nach dem Einschalten der Messeinrichtung die Zählrichtung richtig ermittelt werden kann, wenn sich die Teilscheibe in Bewegung setzt. Ist die Teilscheibe in Bewegung, erfolgt je nach mechanischer Drehrichtung der positive Signalwechsel von Kanal A vor dem positiven Signalwechsel von Kanal B und umgekehrt.
Mit Hilfe eines D-FF in einer Auswerteelektronik lässt sich die Drehrichtungserkennung durch Auswertung der Phasenlage von Signal A zu Signal B leicht durchführen.
Die folgenden Ausgänge der elektronischen Schaltung sind mit dem Mikrorechner μC verbunden:
Dreh-Rar-Ink-X = Drehrate der Messdrehscheibe
Drehrichtung-Ink-X = Drehrichtung der Messdrehscheibe
Posi-Erkenn-Ink-X = Zur Erkennung der Position der Messdrehscheibe bzw. Anzahl der Umdrehungen der Messdrehscheibe
Mit Hilfe von logischen Schaltelementen, bspw. mit XOR-Gattern, können die steigenden und fallenden Rechtecksignale der Kanäle A und B so verschaltet werden, dass sich bei den Ausgangssignalen eine höhere Auflösung ergibt, als sie durch die mechanische Aufteilung der Teilscheibe gegeben ist. Durch die elektrischen Laufzeiten der erforderlichen Logik-Gatter ist bei dieser Vorgehensweise keine beliebige Erhöhung der Impulsanzahl möglich.

– EXOR-Verknüpfung: Verdoppelung der Auflösung
– EXOR-Verknüpfung und RC-Glied: Vervierfachung der Impulszahl

Durch die Impulsvervielfachung mit Logikgattern geht der elektrische 90-Grad-Versatz der Kanäle A und B verloren. Wird der 90-Grad-Versatz dennoch benötigt, bietet sich die Verwendung eines Drehgebers mit Sinus-Ausgangssignalen an.
Mit einer entsprechenden Elektronik lässt sich eine weitere Impulsvervielfachung durchführen.
Je nachdem, welche Flanke eines Kanals ausgewertet wird, lassen sich die Impulsfolgen und die damit verbundene Impulsvervielfachung realisieren.
Bei einer Einfachauswertung wird bspw. auf die fallende Flanke von Kanal A reagiert. Die Anzahl der Impulse ist nicht erhöht.
Wenn sowohl auf die steigende als auch auf die fallende Flanke von Kanal A reagiert wird, ergibt sich eine Zweifachauswertung mit doppelter symmetrischer Impulsanzahl.
Für eine Dreifachauswertung wird zusätzlich zu der steigenden und fallenden Flanke von Kanal A auch noch die steigende Flanke von Kanal B ausgewertet; die Impulsauswertung ist damit dreifach, aber unsymmetrisch.
Schließlich werden im Rahmen einer Vierfachauswertung die steigenden und die fallenden Flanken beider Kanäle ausgewertet; dementsprechend ist die Anzahl der Impulse vervierfacht und ist symmetrisch.
In Grenzbereichen kann es zu Fehlimpulsen kommen. Die Phasenlage der Kanäle muss exakt eingehalten werden. Die Impulslänge nach der Vervielfachung ist so einzustellen, dass bei maximaler Drehzahl die neu gebildeten Impulse etwa halb so lang sind wie die Ursprungsimpulse der Ausgangskanäle. Die sich dadurch ergebende kurze Signaldauer stellt erhöhte Anforderungen an die Elektronik der Auswerteeinheit (SPS oder Zähler).
Das Schaltbild aus 4e zeigt die gesamte Auswertung aller Signale von allen (vier) Photodioden PD1 bis PD4. Die daraus erzeugten Ausgangssignale können von einem Mikroprozessor 23 eingelesen werden, um daraus – bspw. anhand mathematischer Modelle – die für den jeweiligen Anwendungsfall jeweils interessierenden Parameter zu berechnen.
2. Winkelsensor
Weitere Details des Winkelsensors 1 sind den 1a bis 1c zu entnehmen.
Der erfindungsgemäße Messwinkelsensor 1 umfasst eine Messdrehscheibe oder einen Rotor 4 mit einer Drehachse 7. Diese Messdrehscheibe ist in einem als Gehäuse ausgebildeten Stator 3 untergebracht, welches den optisch arbeitenden mechanischen-elektrischen Wandler vor Umwelteinflusse schützt. Ein O-Ring 32 verhindert das Eindringen von Schmutz in das zweiteilige Gehäuse 33, 34. Eine Scheibe 35 eignet sich für die Lagerung der Drehachse 7.
Die als Rotor 4 dienende Messdrehscheibe ist aus einem durchsichtigen Glas oder aus einem durchsichtigen Kunststoff hergestellt, und danach wird die keilförmige Struktur 13 aus einem dunklen Lack gefertigt. Diese umgibt die Drehachse 7 ringförmig, vorzugsweise in einem Abstand. Ihre Breite variiert kontinuierlich.
Bei der dargestellten Ausführungsform nimmt die Breite der dunklen keilförmigen Struktur 13 an einem beliebigen ortsfesten Punkt bei einer Drehung der durchsichtigen Messdrehscheibe 4 im Uhrzeigersinn zu, und demzufolge wird das Ausgangsignal einer Photodiode 16, „PD1” bei einer Drehung im Uhrzeigersinn kleiner. Bei einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn nimmt die Breite der dunklen keilförmigen Struktur 13 an einem ortsfesten Punkt bei dagegen ab, und demzufolge wird das Ausgangsignal der Photodiode 16,„PD1” größer.
Durch Blenden 36 kann die von der Leuchtdiode 15 ausgesandte Lichtmenge eingegrenzt und dadurch die von dem lichtempfindlichen Element 16 empfangene Lichtmenge begrenzt werden.
Dieses neue Verfahren einer auf die rotierende Messdrehscheibe 4 aufgebrachten, spiraligen, keilförmigen Struktur 13 für die Winkelmessung bzw. für die Ermittlung der Drehrate, bzw. der Winkelgeschwindigkeit, hat folgende Vorteile:

– Einfaches Herstellungsverfahren – niedrige Kosten;
– Messung der physikalischen Größen bzw. der Winkelgröße auf reibungs- und verschleißfreiem Weg;
– einfache Funktionsweise – zuverlässig;
– einfache Elektronik (Hardware) und Software für Signalaufbereitung und -verarbeitung;
– sehr hohe Auflösung;
– gleichzeitige Messung Drehwinkel und Drehrate bzw. Winkelgeschwindigkeit;
– kleine Fehler;
– Signalauswertung für die Winkel- und Drehratemessung sowie Erkennung der Drehrichtung mit nur einer Photodiode bzw. nur einer Signalleitung;
– nach dem Abbruch der Versorgungsspannung bleibt die letzte Winkelposition erhalten.

3. Linearsensor
Details eines linearen Wegaufnehmers 2 sind den 2a bis 2c zu entnehmen.
Die keilförmige Struktur, nämlich in Form der dunklen Bereiche 13, beginnt mit einem breiten Streifen mit einer Breite von ca. 5 mm am Anfang des Translators 5 rechts bei dem Punkt „0” und endet mit einer sehr kleinen Abmessung mit einer Breite von ca. 0,05 mm am anderen Ende an der linken Seite.
Der Wegsensor 2 mit seinem Messsystem, womit die lineare Bewegung eines externen Elements, z. B. eines hydraulischen Zylinders, oder auch eines internen Elements gemessen werden soll, wird im Verbindungspunkt der bewegten Achse 12 montiert. Der scheibenförmige Messstab 5 ist aus einem durchsichtigen Glas oder aus einem durchsichtigen Kunststoff hergestellt, und auf dem fertiggestellten Messstab 5 ist sodann die keilförmige Struktur 13 aus einem dunklen Lack gefertigt. Dabei wird die Breite der dunklen keilförmigen Struktur 13 bei der linearen Bewegung Xs zur rechten Seite hin kleiner und der durchsichtige Bereich 11 größer, und dementsprechend wird das Ausgangsignal der Photodiode „PD1” größer.
Weiterhin umfasst der Linearsensor 2 noch die folgenden Bauelemente:
Ein Gehäuse 37 des Wegsensors 2 mit einem Deckel 38, ferner wenigstens eine Feder 39, einen O-Ring 40 und ein Loch 41 zur Verbindung der Stange 12 mit einem System
Der dunkle Bereich 13 hat eine keilförmige Struktur, die auf dem durchsichtigen Messstab 5 aufgebracht ist, und die lineare Bewegung des Wegsensors 2 nachvollzieht, deren Auswertung über eine Photodiode 16 erfolgt.
Die Leuchtdiode „LED1” als Lichtquelle 15 beleuchtet die keilförmige Struktur 13 von einer Seite, und die Photodiode PD1 als optischer Empfänger 16 bewertet diejenige empfangene Lichtmenge, welche die Photodiode PD1 durch den nicht verdunkelten Bereich 17 hindurch tatsächlich erreicht. Bei der variablen Auslenkung des scheibenförmigen Körpers variiert die keilförmige Struktur 13 diese Lichtmenge entsprechend ihrer Auslenkung kontinuierlich und mit sehr hoher Auflösung.
Die Aufgabe der Feder 39 besteht darin, unerwünschte Vibrationen zu dämpfen. Der O-Ring 40 dient als Schutz gegen Schmutz und Staub. Der Wegsensor 2 wird über vier Montagepunkte 42 mit dem zu messenden System verbunden.
Die elektronische Auswerteschaltung kann ähnlich oder identisch sein zu der elektronischen Schaltung 18 gemäß 3 und 4.
Diese Methode einer auf den Messstab 4 aufgebrachten, keilförmigen Struktur 13 für die Wegmessung bzw. für die Ermittlung der linearen Bewegungsrate, d. h., der Geschwindigkeit, hat folgende Vorteile:

– Einfaches Herstellungsverfahren – niedrige Kosten; Messung der physikalischen Größen bzw. der linearen Größe auf reibungs- und verschleißfreiem Weg;
– einfache Funktionsweise – zuverlässig;
– einfache Elektronik (Hardware) und Software für Signalaufbereitung und -verarbeitung;
– sehr hohe Auflösung;
– gleichzeitige Messung der linearen Bewegung und Geschwindigkeit;
– kleine Fehler;
– Signalauswertung für die lineare Bewegung, Geschwindigkeit und Richtungserkennung mit nur einer Photodiode bzw. nur einer Signalleitung;
– nach dem Abbruch der Versorgungsspannung bleibt die letzte Wegposition erhalten.

4. Kraftsensor
Die 2a bis 2c zeigen die Anwendung der Erfindung auf einen Kraftsensor 43.
Die keilförmige Struktur (dunkle Bereiche 13) beginnt mit einem breiten Streifen (5 mm) am Anfang des Messschiebers 3 rechts bei dem Punkt „0” und endet mit einer sehr kleinen Abmessung (0,05 mm) am anderen Ende an der linken Seite.
Der Kraftsensor 43 wird mit einem Messsystem, womit die Kraft (z. B. eines hydraulischen Zylinders) gemessen werden soll, im Verbindungspunkt 41 auf der bewegten Achse 12 montiert. Der Translator-Messstab 5 ist aus einem durchsichtigen Glas oder aus einem durchsichtigen Kunststoff hergestellt, und danach wird die keilförmige Struktur 13 aus einem dunklen Lack gefertigt. Dabei wird die Breite der dunklen keilförmigen Struktur 13 bei der linearen Bewegung wegen der ausgeübten Kraft Fs zur rechten Seite hin kleiner und der durchsichtige Bereich 17 größer, und dementsprechend wird das Ausgangsignal der Photodiode „PD1” größer.
Der dunkle Bereich 13 hat eine keilförmige Struktur, die auf dem durchsichtigen Messstab 5 aufgebracht ist, und die lineare Bewegung des Kraftsensors 43 nachvollzieht, deren Auswertung über die Photodiode 16 erfolgt.
Die Leuchtdiode „LED1” als Lichtquelle 15 beleuchtet die keilförmige Struktur 13 von einer Seite, und die Photodiode PD1 als optischer Empfänger 16 bewertet die empfangene Lichtmenge, welche die Photodiode 16 durch den nicht vergedunkelten Bereich 17 erreicht. Auf diesem Wege variiert die keilförmige Struktur 13 diese Lichtmenge entsprechend der Auslenkung des scheibenförmigen Körpers kontinuierlich und mit sehr hoher Auflösung.
Die Aufgabe der Feder 39 besteht darin, eine Gegenkraft gegen die extern durch ein System, z. B. einen hydraulischen Zylinder einwirkende Kraft zu erzeugen, und auch die unerwünschten Vibrationen zu dämpfen. Der O-Ring 40 dient als Schutz gegen den Schmutz und Staub. Der Kraftsensor 43 wird über vier Montagepunkte 42 mit dem System verbunden.
Die elektronische Auswerteschaltung 18 kann ähnlich oder identisch sein zu der elektronischen Schaltung 18 gemäß 3 und 4.
Diese Methode einer auf den Messstab 5 aufgebrachten keilförmigen Struktur 13 für die Kraftmessung bzw. für die Ermittlung der von dieser geleisteten Arbeit hat eine Vielzahl von Vorteilen, neben den weiter oben erwähnten insbesondere auch:

– gleichzeitige Messung der Kraft bzw. der von dieser geleisteten Arbeit;
– nach dem Abbruch der Versorgungsspannung bleibt der aktuelle Kraftwert erhalten.

5. Beschleunigungssensor
Ein erfindungsgemäßer Beschleunigungssensor kann hinsichtlich seiner aktiven Komponenten und deren Zusammenwirken baugleich zu dem Kraftsensor 2 gemäß 2a bis 2c ausgestaltet sein. Der einzige, wesentliche Unterschied besteht darin, dass mit dem linear beweglich gelagerten Translator 5 eine Masse m fest verbunden oder fest angekoppelt ist. Aufgrund ihres Beharrungsvermögens versucht diese Masse m, sich einer von außen auf den Beschleunigungssensor aufgezwungenen Beschleunigung a zu widersetzen; um sie zu ebenfalls zu beschleunigen, ist eine Kraft F_a erforderlich, gemäß der Formel F_a = m·a. Diese Kraft F_a wird wird von einer entgegen wirkenden Feder 39 aufgebracht, welche zu diesem Zweck jedoch eine Auslenkung aus ihrer Nullstellung erfährt gemäß dem Hook'schen Gesetz F_f = D·x, wobei D die Federkonstante der Feder 39 ist. Dabei stellt sich ein Gleichgewicht ein, wobei F_f = F_a. Betragsmäßig gilt dann: D·x = F_f = F_a = m·a, bzw. x = a·m/D.
Wenn m und D bekannt sind, kann also aus der mit dem erfindungsgemäßen Linearsensor 2 ermittelten Verschiebewert x die Beschleunigung a gemessen werden. Bei genauer Beachtung der Vorzeichen kann damit auch die Richtung der Beschleunigung ermittelt werden. Im Allgemeinen gilt, dass die Beschleunigung des Sensorgehäuses der Richtung der Auslenkung x entgegen gestzt gerichtet ist.
Eine abgewandelte Ausführungsform eines Linearsensors, insbesondere eines als Beschleunigungssensor verwendbaren Kraftsensors zeigen die 5a und 5b:
Hierbei sind auf einem gerade gestreckten, profilförmigen Translator nebeneinander zwei in Längsrichtung des Translators weisende, jedoch antiparallel orientierte, keilförmige Strukturen vorgesehen, vgl. 5a, denen jeweils ein eigenes Abtastsystem, bestehend aus einer Lichtquelle, inbesondere einer Leuchtdiode, und einem Lichtsensor, insbesondere einer Photodiode, zugeordnet ist, vgl. 5b. Man erkennt im Schnitt nach 5b auch gut die gehäuseseitigen Führungsschienen, welche den Translator zwischen sich führend aufnehmen und zu diesem Zweck in den einander zugewandten Seiten je eine querschnittlich etwa V-förmige Einkerbung aufweisen, worin ein querschnittlich etwa V-förmiger Rand an den Längskanten des Translators eingreift und somit geführt ist. Der Translator wird an seinen beiden Enden durch je eine Feder am Gehäuse abgestützt und dadurch etwa mittig zentriert.
Durch die antiparallele Anordnung zweier keilförmiger Strukturen auf einem einzigen, starren Translator ist eine differentielle Auswertung möglich, indem die beiden Messsignale – ggf. nach Zwischenschaltung eines Verstärkers – möglichst eines Präzisionsverstärkers in Form eines gegengekoppelten Operationsverstärkers – den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers zugeleitet werden. Dabei ist ein Operationsverstärker als inverierender Transimpedanzverstärker beschalten, der andere als nicht-invertierender Transimpedanzverstärker.
Bei dieser Anordnung kann eine weitere Besonderheit darin bestehen, dass die keilförmigen Strukturen in ihrer Längsrichtung gegeneinander versetzt sind, insbesondere etwa um die Länge ihrer keilförmigen Struktur oder etwas mehr. Wenn solchenfalls ein „Halb”-Sensor in die Begrenzung geht, weil die Keilstruktur ihre maximale Breite erreicht hat, beginnt der Messbereich der anderen Keilstruktur, also des anderen „Halb”-Sensors. Das bedeutet, dass dadurch die messbare Länge etwa verdoppelt wird.
6. Drucksensor
Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksensors 44 ist in den 6a und 6b wiedergegeben.
Die keilförmige Struktur (dunkle Bereiche 13) beginnt mit einem breiten Streifen (5 mm) am Anfang des Messschiebers 3 links bei dem Punkt „0” und endet mit einer sehr kleinen Abmessung (0,05 mm) am anderen Ende an der rechten Seite.
Der Drucksensor 44 wird zusammen mit einem Messsystem, womit ein Druck bzw. eine Druckkraft gemessen werden soll, über ein Gewinde mit der Druckkammer 45 verbunden. Der Translations-Messschieber 5 wird aus einem durchsichtigen Glas oder aus einem durchsichtigen Kunststoff hergestellt, und danach wird die keilförmige Struktur 13 aus einem dunklen Lack gefertigt. Dabei wird die Breite der dunklen keilförmigen Struktur 13 bei der linearen Bewegung wegen der ausgeübten Kraft Fs zur rechten Seite hin kleiner und der durchsichtige Bereich 17 größer, und dementsprechend wird das Ausgangsignal der Photodiode 16, „PD1” größer.
Der Translations-Messschieber 5 ist zusammen mit einer Feder 39 in dem Gehäuse montiert. Eine Druckmembran 46 aus Stahl wird mit dem Gehäuse einer Druckkammer 47 verbunden, und danach werden beide mit dem Gehäuse 48 des Drucksensors 44 durch ein Gewinde oder mittels einer Verschweißung verbunden. Wenn ein bestimmter Druck „P” eines Systems oder Mediums, bspw. einer Hydraulikflüssigkeit, in dem Raum der Druckkammer 47 zu steigen beginnt, dann beginnt die Membran 46 sich auszudehnen. Deswegen beginnt der Messschieber 5, sich nach links zu bewegen. So wird die Breite der dunklen keilförmigen Struktur 13 bei der linearen Bewegung nach links wegen des ausgeübten Drucks „P” kleiner und der durchsichtige Bereich 17 größer, und demzufolge nimmt das Ausgangsignal der Photodiode 16, „PD1” zu.
Der dunkle Bereich 13 hat eine keilförmige Struktur, die auf dem durchsichtigen Messstab 5 aufgebracht ist, und die lineare Bewegung des Kraftsensors 43 nachvollzieht, deren Auswertung über die Photodiode 16 erfolgt.
Die Leuchtdiode „LED1” als Lichtquelle 15 beleuchtet die keilförmige Struktur 13 von einer Seite, und die Photodiode PD1 als optischer Empfänger 16 bewertet die empfangene Lichtmenge, welche die Photodiode PD1 durch den nicht vergedunkelten Bereich 17 erreicht. Auf diesem Wege variiert die keilförmige Struktur 13 diese Lichtmenge entsprechend der Auslenkung des scheibenförmigen Körpers kontinuierlich und mit sehr hoher Auflösung.
Die Aufgabe der Feder 39 besteht darin, eine Gegenkraft gegen die von einem Druckunterschied zwischen beiden Seiten der Membran 46 hervorgerufene Druckkraft zu erzeugen, sowie ggf. auch unerwünschte Vibrationen zu dämpfen. Der O-Ring 40 dient als Schutz gegen Schmutz und Staub. Der Sensor wird über vier Montagepunkte mit dem System verbunden.
Die elektronische Auswerteschaltung kann ähnlich oder identisch sein zu der elektronischen Schaltung 18 gemäß 3 und 4.
Diese Methode einer auf den Messstab 5 aufgebrachten keilförmigen Struktur 13 für die Druckmessung bzw. daraus resultierenden Auslenkung hat eine Vielzahl von Vorteilen, neben den weiter oben erwähnten insbesondere auch:

– gleichzeitige Messung der Kraft bzw. der von dieser geleisteten Arbeit;
– nach dem Abbruch der Versorgungsspannung kann der letzte Druckwert gespeichert bleiben; der scheibenförmige Körper folgt dem aktuellen Druckwert.

Für einen erfindungsgemäßen Drucksensor sind weitere Ausführungsformen möglich, wie bspw. aus den 7a bis 7c ersichtlich:
Der Unterschied zwischen dem oben zuerst beschriebenen Konzept und einem zweiten, beispielhaften Drucksensor 49 liegt in der Druckkammer.
Während bei dem ersten Konzept der Druck in einer Druckkammer 47 über eine Druckmembran 46 in die Messapparatur eingeleitet wird, umfasst die Druckkammer gemäß dem zweiten Konzept ein flexibles Rohr 50 aus Stahl oder aus einem anderen (Bunt-)Metall, und hat demzufolge (nur) eine Flexibilität in axialer Richtung.
Die Biege- oder Wende-Steifigkeit des flexiblen Rohrs 50 kann durch Stahlringe 51 verstärkt werden, um die seitliche Ausdehnung des Rohrs 50 zu minimieren.
Die elektronische Schaltung kann bei allen Drucksensor-Ausführungsformen 44, 49 ähnlich oder identisch zu der elektronischen Schaltung 18 nach 3 und 4 sein.
7. Neigungs- oder Roll- oder Nickwinkelsensor
Das Funktionsprinzip und der Aufbau eines Neigungssensors 52 bzw. eines Winkel- oder Drehratesensors zur Messung des Rollwinkels (um die X-Achse eines Fahrzeugs bzw. dessen Längsachse oder Fahrtrichtung) oder des Nickwinkels (um die Y-Achse eines Fahrzeugs bzw. dessen Querachse) sind identisch und soll anhand der 8a und 8b beschrieben werden.
Bei Einsätzen, wo keine sehr hohen Anforderungen an die Messung der Drehrate oder des Winkels für die Rollbewegung (um die X-Achse) oder die Nickbewegung (um Y- Achse) eines Fahr- oder Flugzeugs gestellt werden, kann die Drehachse 7 der Rotor-Drehscheibe 4 parallel zu der betreffenden Achse eines Fahrzeugs gelagert werden, also bspw. parallel zu dessen Längs- oder Querachse.
Das Kernelement des Drehgebers 52 ist eine drehbar gelagerte Rotor-Scheibe 4, im Folgenden auch als Drehscheibe bezeichnet. Die in der Zeichnung dargestellte Drehscheibe 4 besteht aus gehärtetem und/oder speziell oberflächenbehandeltem Glas, insbesondere nach dem DIADUR-Verfahren. Sie dient als Träger für ein oder vorzugsweise mehrere Messwinkelstrukturen, welche in der Zeichnung als dunkle Bereiche 13 wiedergegeben sind. Dabei ist die bekannte Keilform kreisförmig oder spiralig gewunden, bei einem anderen Bereich anderen handelt es sich um eine Kreisteilung in Form eines Strichgitters 26. Durch die Verwendung des speziellen Glases ist es möglich, den Drehgeber auch bei hohen Temperaturen zu betreiben, ohne dass sich gravierende Änderungen der Signalgüte einstellen.
Eine exzentrische Masse 53, die vorzugsweise an beiden Seiten der Drehmessscheibe 4 vorhanden ist, sorgt dafür, dass im stationären Zustand der exzentrische Schwerpunkt der Messdrehscheibe 4 aufgrund der Gravitation immer den tiefsten Punkt innerhalb der Ebene der Messdrehscheibe 4 einnimmt, also die Verbindungslinie zwischen Lagerpunkt 6 und exzentrischem Schwerpunkt immer in einer vertikalen Ebene ausgerichtet ist.
Um die Schwingungen der Messdrehscheibe 4 mit ihrer Masse 53 als Pendel zu minimieren, sollten die Reibungskonstanten zwischen den beweglichen Bauelementen, also bspw. die Reibungskonstanten zwischen der Kugel und den zwei Gehäusehälften 54, 55 angepasst werden. Das heißt, dass der Dämpfungsgrad angepasst werden soll. Für dieses Konzept braucht man keine Beschleunigungssensoren für die Schwingungskompensation und die dazugehörige Elektronik.
Die bspw. keilförmige Messwinkelstruktur 13 kann auch mittels einer Magnetfolie oder einer Folie aus Eisen für Hall-Aufnehmer oder einer Isolierungsfolie für kapazitive Aufnehmer ausgebildet sein.
Für bestimmte Anwendungen, wo eine erhöhte Genauigkeit gefordert ist, kann eine Anordnung nach den 9a bis 9d gewählt werden.
Dabei kann das Gehäuse 56 des Winkel- oder Drehratesensors 57 seinerseits an einem Viereckeprofil, insbesondere einem Rahmen 58 gelagert werden, vorzugsweise mittels zweier Federn 59. Zwischen dem Rahmen 58 und dem Gehäuse 56 werden zwei Lager 60, 61 eingesetzt. Das führt dazu, dass das Gehäuse 56 sich um seine Achse 62 – bei dem Roll-Drehratesensor 57 um Y-Achse bzw. bei dem Nick-Drehratesensor um X-Achse – drehen kann. Diese (eindimensionale) kardanische Aufhängung des Gehäuses 56 ermöglicht, dass die Ebene der Messdrehscheibe 4 sich immer vertikal ausrichten kann, also der exzentrische Schwerpunkt der Drehscheibe 4 sich im stationären Zustand vertikal unterhalb ihres Mittel- bzw. Lagerpunktes 6 befindet, selbst wenn sich ein Fahr- oder Flugzeug gleichzeitig um seine Roll- und Nickachse neigt. Da demzufolge im stationären Zustand die Messdrehscheibe 4 stets vertikal ausgerichtet bleibt, können auf diesem Weg die Messergebnisse genau und ohne Fehler ermittelt werden.
Die Massen 63, welche an beiden Seiten der Drehmessscheibe 4 befestigt sind, sorgen dafür, dass der Schwerpunkt der Messdrehscheibe 4 immer nach unten in der Richtung der Gravitation zeigt. Die Messdrehscheibe 4 dreht sich in ihrem kardanischen Gehäuse 56 frei um ihre Achse (bei einem Roll-Drehratesensor um X-Achse des Fahrzeugs bzw. bei einem Nick-Drehratesensor um Y-Achse des Fahrzeugs).
In der Zeichnung ist ein Drehratesensor 57 dargestellt, der den Neigungswinkel bzw. die Drehrate um X-Achse (Längsachse eines Fahrzeugs) misst. Wenn der Rahmen 58 beispielsweise an dem Chassis des Fahrzeugs befestigt ist und sich das Chassis um die X-Achse dreht, dann dreht sich die Messdrehscheibe um ihre Drehachse 7. Damit in dieser Situation (Messung der Drehrate um die X-Achse) die Masse(n) 63 der Messdrehscheibe 4 sich immer senkrecht zur Schwerkraft der Erde orientiert (en), muss das Gehäuse 56 sich frei um seine Achse 62 drehen können.
Die vier Photodioden 16 (PD1, PD2, PD3, PD4) werden gegenüber vier Leuchtdioden 15 (LED1, LED2, LED3, LED4) in dem Gehäuse 56 befestigt, damit die Drehrate der Scheibe 4 (bzw. des Fahrzeugs), die sich zwischen diesen vier Photodioden 16 und vier LEDs 15 um ihre Achse 7 dreht, ermittelt werden kann.
Um die Leuchtdioden 15 durch eine Spannungsquelle mit Energie zu versorgen, und die Ausgangsignale der Photodioden 16 auszuwerten, ohne dass die Funktionsweise des Drehratesensors 57 gestört wird, sollte ein Kabel in Form einer flachen Spirale oder in einer anderen Form wie feinen umgedrehten, bspw. verdrillten oder mäandrierenden Leitungen verlaufen. Um den Drehratesensor 57 mit einem genauen Messergebnis zu entwerfen, sollte man das Gehäuse zwischen zwei Federn 59 mit einem linearen Kugellager (oder Feder-Dämpfer) und mit Führungsbuchsen schwingen lassen.
Auf der Rotor-Drehscheibe 4 befindet sich am äußeren Rand ein Inkrementalmuster in Form eines Radialgitters, bestehend aus Lücken und Strichen (Hell-Dunkelfelder). Diese Striche und Lücken werden als Inkremente bezeichnet und bilden die sogenannte Inkrementalspur. Diese Inkrementalspur stellt die Maßverkörperung des Drehgebers dar. Bei einer kompletten Umdrehung der Teilscheibe werden so viele elektrische Signale ausgegeben, wie Inkremente auf der Teilscheibe vorhanden sind. Die Teilscheibe ist fest mit einer nach außen geführten Welle gekoppelt. Die dunklen Bereiche, welche auf der Drehscheibe aufgebracht sind, stellen einen inkrementellen Sensor zur Messung der Drehrate mit zwei inkrementellen Kanälen dar, deren Auswertung über Photodioden erfolgt.
Ähnliche Anordnungen von Roll- und/oder Nickwinkelsensoren 80 zeigen die 13a 13c stärker im Detail. Dabei kann eine erfindungsgemäße Messdrehscheibe innerhalb eines inneren Rahmens 81 zwischen zwei Aktoren 82, 83 aufgehängt sein, welche Störschwingungen der Messdrehscheibe 81 kompensieren sollen. Hierzu können die Aktoren 82, 83 auch durch Spiralfedern ausgebildet oder ersetzt sein, welche sich um eine gemeinsame Längsachse winden. Diese verbinden den äußeren Rahmen bzw. das Gehäuse 80 mit einem inneren Rahmen 81, der um eben diese Längsachse rotierbar ist und seinerseits wenigstens eine Lagerung für die eigentliche Messdrehscheibe aufweist, deren Drehachse radial zu der Längsachse des inneren Rahmens verläuft.
8. Gierwinkelwinksensor
Die Aufgabe des Gierwinkelsensors besteht darin, einen etwa horizontalen Drehwinkel, eben den Gierwinkel „ψ” bzw. die Gierwinkelgeschwindigkeit „dψ/dt” um die Z-Achse zu messen.
Ein grundlegendes Messprinzip für den Gierwinkelsensor beruht auf dem Nadelkompass. Ein solcher Gierwinkelsensor 64 ist in den 10a bis 10d wiedergegeben.
Man erkennt eine Rotor-Messdrehscheibe 4, worauf eine Kompassnadel 65 angebracht ist.
Das Gehäuse 66 der Rotor-Messdrehscheibe 4 kann direkt an dem Chassis des Fahrzeugs starr befestigt werden; diese Lösung hat Vor- und Nachteile: Vorteile sind vor allem eine einfache Konstruktion und ein geringer Platzbedarf, d. h., diese Konstruktion ist kostengünstig und raumsparend. Ein Nachteil ist ein erhöhter Messfehler bei einer Neigung des Fahr- oder Flugzeugs, also beim Wanken, Rollen oder Nicken.
Eine verbesserte Variante besteht darin, das Gehäuse 67 der Rotor-Messdrehscheibe 4 um die X- und/oder Y-Achse des Fahrzeugs drehbar zu lagern, insbesondere mittels einer (ein- oder zweidimensionalen) kardanischen Aufhängung 68.
Der Vorteil ist vor allem ein sehr kleiner Messfehler bei einer Neigung des Fahr- oder Flugzeugs. Ein Nachteil resultiert vor allem aus der relativ komplexen Konstruktion, insbesondere höhere Kosten und ein größeres Bauvolumen.
Weil eine Konstruktion mit einem eindimensional kardanisch aufgehängten Gehäuse 67 der Rotor-Messdrehscheibe 4 um die Querachse eines Fahrzeugs selbst bei einer Fahrt desselben in hügeligem Gelände sehr kleine Messfehler zeigt, ist dafür eine derartige Variante zu bevorzugen.
Eine zweidimensionale kardanische Aufhängung 68 eignet sich besonders für Flugzeuge, weil dort eine hohe Messgenauigkeit gefordert wird. Eine solche Anordnung eines Gierwinkelsensors 69 ist in den 11a und 11b wiedergegeben.
Der Magnetkompass besteht aus einer drehbaren Nadel (Zeiger) 71 aus magnetischem Material sowie aus einem Gehäuse 67, worin dieser Zeiger 71 zuammen mit der Rotor-Messdrehscheibe 4 möglichst reibungsarm gelagert ist. Der Zeiger 71 selbst ist die traditionelle Form einer Nadel, die an der kompletten Rotor-Messdrehscheibe 4 angebracht ist.
Der Zeiger 71 richtet sich, wenn er nach allen Richtungen frei beweglich ist, tangential zu den Feldlinien des Magnetfelds der Erde aus. Da die Feldlinien in weiten Bereichen auf der Erde und insbesondere in Mitteleuropa etwa in geographischer Nord-Süd-Richtung verlaufen, kann man aus der Richtung des Zeigers auf die Nordrichtung schließen.
Wenn ein Fahrzeug z. B. nach Norden fährt, dann zeigt die Nadel des Kompasses nach Nord, und in dieser Situation ist der Drehwinkel bzw. die Gierrate Null. Wenn der Fahrer eine Kurve mit 45° in Richtung nach Nord-West fährt, dann sei der Drehwinkel in dieser Situation 45°, und so kann der Drehwinkel bzw. die Gierrate des Fahrzeugs gemessen werden.
Das Gehäuse 70 dieses Gierratesensors 69 bildet mit seinem Deckel 72 zusammen von Innen eine Kugelform, die zwei Kugelführungen 73 an dem Umfang ihrer inneren Kugeloberfläche, insbesondere in Form von vier Kugeln 74, 75, aufweist. Die zwei Kugelführungen sind um 90° versetzt und bilden eine Kreuzung bei den beiden Polen der inneren Kugel. Die zwei Kugelführungen 73 bilden zusammen mit den vier Kugeln 74, 75 und dem Gehäuse 67 der Rotor-Messdrehscheibe 4 eine zweidimensionale kardanische Aufhängung 68.
Dabei wird der Messfehler des Gierratesensors 69 bei einer Steigfahrt mit einem Nickwinkel „γ” um die Y-Achse oder bei einer Neigung mit einem Wankwinkel „φ” um die X-Achse dadurch optimiert, dass er sich in seinen beiden Gehäusebauelementen 67, 72 mit Hilfe einer kardanischen Aufhängung mittels vier Kugeln 74, 75 in einer dreidimensionalen Bewegungsform bewegen kann; so bleibt der Drehratesensor 69 in seinem Gehäuse 67 gerade bzw. horizontal ausgerichtet, und der Messfehler ist minimal.
Eine Masse 76 unterhalb der Rotorscheibe 4 sollte aus einem Mu-Metall bestehen, bspw. gegossen sein, um einerseits den Schwerpunkt der (Guss-)Masse bei einer Neigung von „γ” immer in Richtung der Erdanziehungskraft auszurichten und dadurch den Kompass gegenüber der vertikalen Komponente des Erdmagnetfeldes abzuschirmen, welche ansonsten eine Unstabilität und danach auch einen Messfehler verursachen könnte, und um andererseits die Kompass-Nadel 71 nicht zu beeinflussen.
Die Funktionsweise ist vergleichbar mit der Funktionsweise eines konventionellen Nadelkompasses. Der Unterschied dazwischen besteht darin, dass das Signal des Drehwinkels (ψ) bzw. der Drehrate durch die Messdrehscheibe 4 gemessen wird.
Um den Messfehler im Hinblick auf Trägheitskräfte zu minimieren, sollte die Messdrehscheibe 4 durch die folgenden Maßnahmen homogen konstruiert werden: Dieser Messfehler kann durch eine um 90° zur Kompassnadel 71 versetzte Nadel 77 aus Kupfer an der unteren Seite der Drehscheibe minimiert werden, wobei die beiden Nadeln 71, 77 gleiche Form und gleichen Schwerpunkt haben müssen.
Eine kreis- oder spiralförmig gewunden aufgebrachte Keilform 13 – wie oben allgemein für Winkelmessung beschrieben – ist vorzugsweise an der unteren Seite der Drehscheibe angeordnet. Sie sollte allerdings radial außerhalb der Nadel 71, 77 liegen, damit durch jene die Messung nicht verfälscht wird.
Ein anderer Gierratesensor beruht auf dem Fliehkraftprinzip. Ein solcher Gierratesensor ist einfacher als der oben entwickelte Gierratesensor nach dem Kompassprinzip mit der der geografischen Richtungserkennung, und daher auch kostengünstiger als jener.
Dieses zweite Funktionsprinzip für einen Gierratesensor beruht auf dem Trägheitsmoment gegenüber einer Rotation und/oder auf der Fliehkraft bei einer Kurvenfahrt sowie auf daraus resultierenden Drehmomenten, welche auf die Masse der Messdrehscheibe einwirken.
Die Messdrehscheibe dreht sich wegen der einwirkenden Fliehkraft „Fc” um ihre Achse S gegen das Moment „Mk” einer Spiralfeder, und so wird die Drehrate um die Z-Achse, also die Gierrate, ermittelt.
Wenn das Fahrzeug in einer Kurve mit einem Radios „p” fährt, dann wirkt auf eine Masse der Messdrehscheibe ein Moment der Fliehkraft „MtCos(ψt)”.
Anhand des mechanisch-elektrischen Wandlers, der aus Photodiode, einer Leuchtdiode und der bekannten Keil-Struktur besteht, wird das mechanische Signal in ein elektrisches Signal konvertiert. Wegen dieses Drehens der Messdrehscheibe um ihre Achse (S) aufgrund des extern erzeugten mechanischen Drehmoments wird am Ausgang der Photodiode (bzw. durch den mechanisch-elektrischen Wandler) ein dazu proportionales elektrisches Signal erzeugt.
Damit die Messdrehscheibe nach dem Abklingen des Drehmoments bzw. der Störung in einen Ruhezustand gelangt, muss die Bewegung der Messdrehscheibe gedämpft werden. Dies kann durch die Reibung zwischen der Messdrehachse S der Messdrehscheibe und ihrem Gehäuses sowie durch N- und S-Permanentmagnete erreicht werden, von denen einer an der Drehscheibe und einer an dem Gehäuse angebracht sein können. Eine weitere Aufgabe solcher N- und S-Permanentmagnete besteht darin, die N- und S-Permanentmagnete der Messdrehscheibe nach dem Abklingen des Drehmoments bzw. der Störung immer in einem Null-Punkt zu positionieren.
Die elektronische Auswertung der Sensorsignale ist analog zu der weiter oben beschriebenen Methode.
9. Schwimm- oder Schiebewinkelsensor
Im Folgenden wird auf die 12a bis 12e Bezug genommen.
Als Schwimmwinkel β wird der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung eines Fahrzeugs in dessen Schwerpunkt und der Fahrzeuglängsachse bezeichnet.
Der querdynamische Bewegungszustand eines Fahrzeugs wird durch die Zustandsgrößen Giergeschwindigkeit und Schwimmwinkel β bestimmt, wobei die Kombination dieser beiden Bewegungsgrößen – beispielsweise in Form der Reifenschräglaufwinkel – über die Fahrstabilität und damit die Sicherheit des aktuellen Fahrzustands entscheidet. Für die Präzision von Fahrwerkregelsystemen sowie Fahrerassistenzsystemen ist insbesondere die genaue und vor allem verlässliche Kenntnis des Schwimmwinkels β notwendig.
Der Schwimmwinkel β gilt als Schlüsselgröße zur Beurteilung der Kraftfahrzeugquerdynamik. Er ermöglicht eine direkte Beurteilung der Fahrsituation. Ein großer Absolutwert oder schnelle Änderungen deuten auf kritische Fahrsituationen hin. Gelingt es, den Schwimmwinkel zuverlässig zu ermitteln, wird es möglich, kritische Fahrsituationen zu erkennen und aktiv in das Fahrverhalten einzugreifen.
Bis jetzt gibt es keinen Sensor, der den Schwimmwinkel in einem Landfahrzeug bzw. den dazu analogen Schiebewinkel in einem Luftfahrzeug direkt messen kann. Daher muss er auf Basis von Modellen ermittelt werden.
Da mit Hilfe der heutigen Sensorik von Serienfahrzeugen nur die Giergeschwindigkeit gemessen werden kann, wird ausgehend von der zusätzlich gemessenen Querbeschleunigung über indirekte Verfahren der Schwimmwinkel abgeschätzt. Es wird hierzu an einem Fahrzustandsbeobachter gearbeitet, der die genaue und robuste Ermittlung des Schwimmwinkels unter Variation aller Randbedingungen ermöglicht. Die Schätzung des aktuellen Reibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn sowie die kontinuierliche Bestimmung der Fahrbahnquerneigung als wesentliche Störgrößen stehen hierbei im Zentrum der Betrachtung.
Um die quer- und längsdynamischen Bewegungszustände eines Fahrzeugs ermitteln zu können, sind die folgenden wichtigen Parameter anhand eines Einspurmodells zu definieren:

– Schwimmwinkel β
– Gierwinkelgeschwindigkeit dψ/dt
– Geschwindigkeit des Schwerpunktes des Fahrzeugs u_s = u
– Seitenkräfte F_y
– Seitenbeschleunigung a_y
– Schräglaufwinkel α
– Eigenlenkgradienten EG
– Lenkwinkel des Vorderrads δv
– Ackermann-Winkel δA.

Das Einspurmodell ist ein vereinfachtes Modell zur Beschreibung des Lenkverhaltens, es beschreibt die Reaktionen von Fahrzeugen auf Lenkbewegungen. Für das Einspurmodell werden folgende vereinfachende Annahmen gemacht:
Die Fahrgeschwindigkeit v = const (keine Beschleunigung in Fahrzeuglängsrichtung).
Es gibt zwei Freiheitsgrade: Gierbewegung und Schwimmbewegung.
Es gibt keine Wankbewegung, keine Radlastdifferenz zwischen kurveninnerem und kurvenäußerem Rad einer Achse.
Es gibt keine Hub- und Nickbewegung, konstante Radlasten an Vorder- und Hinterachse.
Die Radaufstandspunkte, an denen die zur Kurshaltung erforderlichen Seitenkräfte der Reifen angreifen, werden achsweise in der Fahrzeugmitte zusammengefasst.
Es gibt kleine Lenk- und Schräglaufwinkel, linearisierte Seitenkraftkennlinien an den Reifen.
Die Reifennachläufe und Rückstellmomente infolge der Schräglaufwinkel werden vernachlässigt.
Es gibt keine Umfangskräfte an den Reifen. (Die Bedingung v = const erfordert Längskräfte, die jedoch bei kleinen Lenkwinkeln vernachlässigt werden können).
Die Gültigkeit der Einspurmodelle gilt nur für trockene Fahrbahnen und einwirkende Querbeschleunigungen unter 0,4 g ≈ 4 m/s². (Etwa bis zu dieser Grenze kann das Verhältnis zwischen Reifenseitenkraft und -schräglauf als linear betrachtet werden.) Das einfachste Grundmodell für die Beschreibung des Fahrzeugverhaltens bei Kurvenfahrt ist das lineare Einspurmodell. Dieses stark vereinfachte Modell gibt einen Einblick in grundsätzliche Zusammenhänge der Fahrdynamik und liefert Abschätzungen für den Einfluss einzelner Fahrzeugparameter (Radstand, Schwerpunktlage, Masse, Schräglaufsteifigkeiten der Reifen). Es ist geeignet für die Modellierung der Kurvenfahrt mit Querbeschleunigungen.
Anhand des oben erwähnten Einspurmodells wird der Schwimmwinkel β dargestellt. Den Drehwinkel der Bewegungsrichtung, den das gesamte Fahrzeug dadurch einnimmt, nennt man Schwimmwinkel β. Als Schwimmwinkel β wird der Winkel zwischen Fahrzeuglängsachse x und der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges v_x bezeichnet. Dieser entsteht bei schlagartig eingeleiteten Lenkbewegungen oder bei hohen Lenkwinkeln und sollte so minimal wie möglich gehalten werden. Er kann kleiner als der Schräglaufwinkel der Hinterräder sein, weil eine gute Hinterachse ein bisschen mitlenkt (hervorgerufen durch das Ein-/Ausfedern der Räder des in der Kurve schräg liegenden Fahrzeugs) und so das Heck z. B. in Wechselkurven stabilisiert.
Zum Verständnis der Fahrdynamikregelung schauen wir uns die Fahrzeugbewegung während einer Kurvenfahrt an. Man könnte meinen, dass die Längsausrichtung der Fahrzeugkarosserie zwangsläufig identisch mit ihrer Fortbewegungsrichtung sein muss. Die auch als Schwimmen bezeichnete unerwünschte Eigenschaft des Fahrzeuges gilt als Maß für das Fahrzeugansprechverhalten bei Lenkbewegungen. Sie ist bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten oder Querkräften eine wichtige Größe für das Fahrverhalten eines Kraftfahrzeuges.
Beim Übersteuern dreht sich die Fahrzeugkarosserie zu stark in die Kurve, beim Untersteuern zu wenig. Der Winkel zwischen der Fortbewegungsrichtung und der Fahrzeugausrichtung ist der sog. Schwimmwinkel β.
Der Fahrer kann diesen Winkel nur über den Lenkeinschlag beeinflussen, was in kritischen Situationen nicht immer ausreicht. Der zusätzlich zum Fahrer wirkende Fahrdynamikregler bremst bei zu starkem Über- oder Untersteuern das jeweils richtige Rad kurzzeitig ab, und korrigiert damit die Fahrzeugausrichtung und den Schwimmwinkel. Für einen derartigen Korrektureingriff muss der Regler die genauen Positionen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen des Fahrzeugs in Längs- und Drehrichtung kennen. Nicht alle dieser Größen sind aber direkt messbar. Die Fahrzeuggeschwindigkeit wird in unseren normalen Autos z. B. mit einem unzulässig großen Fehler (Tachoabweichung) angezeigt. Der Schwimmwinkel β kann überhaupt nicht gemessen werden. Für die Sicherheitsreserven bei Kurvenfahrt ist bekanntlich die aktuelle Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche (Reibungskoeffizient) an allen vier Rändern von großer Bedeutung.
Der erfindungsgemäße Schwimmwinkelsensor 78 ist in den 12a bis 12e wiedergegeben. Er umfasst mehrere Wandler:

a) einen Winkelsensor als eigentlichen Schwimmwinkelsensor, umfassend einen um eine vertikale Dehachse 7 drehbar gelagerten, kreisscheibenförmigen Rotor 4 mit einer kreisförmig gewundenen Keilstruktur 13 darauf;
b) einen ersten, auf dem kreisscheibenförmigen Rotor 4 exzentrisch angeordneten, linearen Beschleunigungssensor „BS1” mit einem federnd gelagerten und zentrierten Translator und einer darauf angeordneten, radial von der Drehachse weg strebenden, linearen Keilstruktur 13;
c) einen zweiten, auf dem kreisscheibenförmigen Rotor 4 exzentrisch angeordneten, linearen Beschleunigungssensor „BS2” mit einem federnd gelagerten und zentrierten Translator und einer darauf angeordneten, radial von der Drehachse weg strebenden, linearen Keilstruktur 13, welche mit der Keilstruktur 13 des ersten Beschleunigungssensors BS1 fluchtet, allerdings jender bezüglich der Drehachse 7 dieametral gegenüber liegt; sowie
d) einen dritten, auf dem kreisscheibenförmigen Rotor 4 konzentrisch angeordneten, linearen Beschleunigungssensor „BS3” mit einem federnd gelagerten und zentrierten Translator und einer darauf angeordneten, beidseits von der Drehachse weg strebenden, linearen Keilstruktur 13, deren Längsachse gegenüber der gemeinsamen Fluchtlinie der ersten beiden Beschleunigungssensoren BS1, BS2 um 90° versetzt ist.

Im Gehäuse der Messdrehscheibe des Schwimmwinkelsensors 78 sind somit drei lineare Beschleunigungssensoren BS1, BS2, BS3 eingesetzt, mit deren Hilfe und mit der Hilfe des eigentlichen Schwimmwinkelsensors die folgenden Parameter des Fahrzeugs gemessen bzw. gerechnet werden können:

– Gierwinkelgeschwindigkeit dψ/dt Geschwindigkeit des Schwerpunkt des Fahrzeugs u_s = u
– Seitenkräfte F_y
– Seitenbeschleunigung a_y
– Schräglaufwinkel α
– Eigenlenkgradienten EG
– Lenkwinkel des Vorderrads δv
– Ackermann-Winkel δA

Die Anordnung der Beschleunigungssensoren BS1 bis BS3 ist in den 12d und 12e deutlich zu erkennen. Es handelt sich hierbei um drei voneinander völlig entkoppelte Messsysteme, welche jeweils als Beschleunigungssensoren entsprechend der Anordnung nach 5a, 5b ausgebildet sein können, im Gegensatz zur dortigen Anordnung jedoch jeweils mit nur einer keilförmigen Struktur.
Da andererseits die keilförmigen Strukturen der beiden miteinander fluchtenden Beschleunigungssensoren BS1 und BS2 antiparallel ausgerichtet sind, tritt hier ein ähnlicher Effekt auf wie bei der einteiligen Anordnung nach 5a und 5b, d. h., bei Kurvenfahrt nach links liefert der linke Beschleunigssensor BS1 ein zu der Flieh- oder Seitenkraft proportionales Ausgangssignal, bei Kurvenfahrt nach rechts liefert der rechte Beschleunigssensor BS1 ein zu der Flieh- oder Seitenkraft proportionales Ausgangssignal. Auch hier ist bei einer differentiellen Auswertung in der Tat eine Zusammenfassung der beiden Messsignale zu einem einzigen, bipolaren Ausgangssignal möglich, wobei z. B. ein positiver Messwert auf eine Kurvenfahrt nach links hindeutet, ein negativer Messwert dagegen auf eine Kurvenfahrt nach rechts.
Der Schwimmwinkelsensor 78 wird im Schwerpunkt des Fahrzeugs angebaut.
Die Funktionsweise der Beschleunigungssensoren BS1, BS2, BS3 entspricht der im Kapitel 5 – Beschleunigungssensor erläuterten Struktur, wobei eine Masse m linear beweglich gelaget ist und mit der Kraft wenigstens einer Feder mit der Federkonstante D im Kräftegleichgewicht gehalten wird. Bei der in den 12a bis 12e dargestellten Ausführungsform ist die Masse m mitsamt eines damit verbundenen Translator-Messtabs 5 samt keilförmiger Struktur mit dunklen Bereichen 13 zwischen zwei Federn f₁, f₂ eingespannt. In von äußeren Beschleunigungen freiem Zustand, also wenn a = 0 und damit auch F_a = m·a = 0, gilt betragsmäßig F_f1 = F_f2, und daher erfahren diese Federn f₁, f₂ jeweils gleiche Auslenkungen, insbesondere dann, wenn sie etwa gleiche Federkonstanten D₁ = D₂ = D aufweisen. Sie werden daher in einer mittigen Nullposition zentriert. Die Federn f₁, f₂ können beide auf Druck belastet sein; vorzugsweise sind sie jedoch beide auf Zug beansprucht. Vorzugsweise sind in dieser mittigen Position beide Messignale gleich Null, also auch deren Differenz.
Bei a ≠ 0 und damit auch F_a = m·a ≠ 0, was sowohl durch Beschleunigungs- als auch durch Fliehkräfte hervorgerufen werden kann, gilt F_a + F_f1 + F_f2 = 0, und wegen F_a ≠ 0 folgt: F_f1 ≠ –F_f2, und damit für die Federauslenkungen: x_f1 ≠ –x_f2, somit stellt sich eine Verschiebung x = x_f1 + x_f2 ein, welche von dem betreffenden Sensor gemessen wird.
Die Massen m₁, m₂ der Beschleunigungssensoren BS1 und BS2 vollführen aufgrund ihrer Feder-Zentrierung keine radiale bzw. seitliche Bewegung, wenn das Fahrzeug geradeaus fährt und auf das Fahrzeug keine seitlichen Kräfte einwirken.
Die Massen m₁, m₂ der Beschleunigungssensoren spielen eine große Rolle bei direkter Messung des Schwimmwinkels „β”. Bei Kurvenfahrt bzw. bei den auf das Fahrzeug einwirkenden seitlichen Kräften wird das Fahrzeug wegen der Fliehkraft in der Kurve nach außen geschoben. Das trifft auch auf die Massen m₁, m₂ der Beschleunigungssensoren zu. Die Massen der Beschleunigungssensoren BS1 und BS2 werden auch bei der Kurvenfahrt bzw. bei den auf das Fahrzeug einwirkenden seitlichen Kräften wegen der Fliehkraft Fc in der Kurve nach außen verschoben; die Masse m₃ des Beschleunigungssensors BS3 wird beim Beschleunigen des Fahrzeugs wegen der Trägheitskräfte nach hinten entgegen die Fahrtrichtung ausgelenkt. Da sich die Masse m₃ in von äußeren Beschleunigungskräften freiem Zustand im Mittelpunkt der Rotor-Scheibe 4 – unnd vorzugsweie auch im Schwerpunkt des Fahrzeugs – befindet, erfährt sie keine Verschiebung aufgrund der Fliehkraft Fc (bzw. der Zentripetalbeschleunigung a_c), sondern erfasst nur die Beschleunigung oder Verzögerung in der jeweils aktuellen Fahrtrichtung V.
In einer Kurvenfahrt dreht sich aufgrund der unter dem Einfluss der Fliehkraft nach außen ausweichenden Massen m₁, m₂ die Rotor-Scheibe 4 immer derart, dass die durch die Sensoren BS1, BS2 definierten Richtung radial zu dem Mittelpunkt M der gerade durchfahrenen Kurvenbahn einstellt. Der Zwischenwinkel zwischen dem Gehäuse des Sensors, welches in Richtung X ausgerichtet bleibt, und der Rotors-Scheibe 4, die sich in V_x-Richtung einstellt, entspricht damit dem Schwimmwinkel β und kann mit dem Winkelsensor auf der Scheibe 4 ermittelt werden. Damit sind alle für das Fahrzeug relevanten Daten bekannt.
Somit liefert der Sensor BS3 die Verzögerung oder Beschleunigung in Fahrtrichtung V_x, die Differenz der Messsignale BS1–BS2 liefert die Querbeschleunigung a_y, bezogen auf die Fahrtrichtung V.
Der Aufbau der Messdrehscheibe 4 des Schwimmwinkelsensors 78 ist ähnlich wie der Aufbau der Messdrehscheiben 4 der weiter oben beschriebenen Drehratesensoren 52 um die X- und Y-Achse. Die Größe des Schwimmwinkels „β” wird optisch durch eine Photodiode (PD) und eine zugeordnete Leuchtdiode (LED) ermittelt, die im Gehäuse des Schwimmwinkelsensors 78 fest eingebaut sind.
Bei einer Kurvenfahrt oder bei seitlich auf das Fahrzeug einwirkenden Kräften F_c werden zwei 90°-Winkel gebildet: Der erste liegt zwischen dem Fliehkraftvektor F_c und der linearen Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs; der zweite liegt zwischen der linearen Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs und der Line des Kurvenradius (ρ).
Die Fliehkraft F_c wirkt auch auf die Massen der Beschleunigungssensoren BS1, BS2 ein und verscheibt bzw. verdreht diese, so dass die Längsachse dieser Massen so gerade mit deren Einwirkungsrichtung F_c fluchtet. Um diese Bewegung zu realisieren, muss die Messdrehscheibe einen Winkel „β” umdrehen, welcher der so genannte Schwimmwinkel ist. Weil das Gehäuse des Schwimmwinkelsensors 78 fest im Schwerpunkt des Fahrzeugs verbunden ist, und die Messdrehscheibe 4 des Schwimmwinkelsensors 78 um die Z-Achse frei dreht, so kann man den Schwimmwinkel „β” direkt messen.
Um die physikalischen Größen bzw. die Störschwingungen in X- und Y-Achse des Fahrzeugs zu ermitteln, braucht man mindesten zwei Beschleunigungssensoren.
Zur korrekten Funktion benötigt das Messsystem Kalibrierdaten des eingesetzten mikromechanischen Elements. Dabei handelt es sich um die Abstimmcharakteristiken der Sensorzellen, also den Zusammenhang zwischen angelegter Abstimmspannung und Resonanzfrequenz. Diese Information ist notwendig, um einer gewünschten Messfrequenz den zugehörigen Beschleunigungssensor sowie die Abstimmspannung zu zuordnen. Weiterhin wird für den Beschleunigungssensor ein Übertragungsfaktor zur Umrechnung der Signalamplitude in die auf den Sensor einwirkende Anregungsbeschleunigung benötigt.
Die seitliche Beschleunigung a_y des Fahrzeugs wird durch die Beschleunigungssensoren BS1, BS2 ermittelt.
Die elektronische Schaltung für die Signalverarbeitung der Beschleunigungssensoren BS1 und BS2 besteht aus jeweils mehreren Baugruppen, welche pro Mess-Zweig der weiter oben erläuterten Auswerteschaltung 18 entsprechen können; insbesondere kann die Schaltung zur differentiellen Auswertung der oben beschriebenen Auswertesschaltung für den Beschleunigungssensor nach den 5a und 5b entsprechen.
Jeder Beschleunigungssensor (z. B. BS2) umfasst eine Feder, eine Masse, einen mechanisch-elektrischen Wandler sowie einen Dämpfer, bspw. Magnetdämpfer.
Die Permanentmagneten haben zwei Aufgaben:
Einerseits führen sie als magnetischer Dämpfer des Beschleunigungssensors dessen Masse (nur in einem Freiheitsgrad); andererseits dämpfen sie dessen Bewegung.
Die Längs- bzw. Quer-Beschleunigung eines Fahrzeugs (a_x, a_y) verursacht eine mechanische Schwingung bei dem Feder-Masse-Dämpfer-System des Beschleunigungssensors. Diese mechanischen Schwingung der Masse wird in ein optisches Signal durch den optischen Wandler, der als eine dunkle Lackschicht auf der Oberfläche der durchsichtigen Masse realisiert ist, umgewandelt, dann wird dieses optische Signal durch LED und eine Photodiode in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Die Aufgabe einer der LED zugeordneten Blende, und einer der Photodiode PD zugeordneten Blende besteht darin, die von der LED zur Photodiode gesendete Lichtmenge zu begrenzen.
Die Ausgangssignale der Photodioden PD1, PD2 des ersten und zweiten Beschleunigungssensors BS1, BS2 werden über Transimpedanzverstärker verstärkt.
Die Funktionsweise des Beschleunigungssensors BS3 ist ähnlich der Funktionsweise der anderen Beschleunigungssensoren, aber der Unterschied besteht darin, dass der Ausgang der elektrischen Schaltung eine Halbwelle liefert. Es ist auch möglich, eine volle Sinuswelle zu liefern.
Die Signalauswertung für diese neue Methode, nämlich die Verwendung einer Drehmessscheibe mit einer keilförmig oder spiralförmig gewundenen Struktur für die Winkelmessung bzw. für die Drehratemessung ist einfach. Die Schaltung besteht aus drei Stufen nach der Photodiode für eine Winkelmessung bzw. aus fünf Stufen für eine Drehratemessung.
Neben dem obigen Prinzip eines Schwimmwinkelsensors 78, der im Fahrzeug befestigt ist, gibt es auch noch die Möglichkeit, diesen in dem Fahrzeug in einer ein- oder zweidimensionalen kardanischen Aufhängung anzuordnen, ähnlich wie bei dem Giersensor weiter oben beschrieben.
Das erfindungsgemäße System misst direkt gleichzeitig mit dem Schwimmwinkel β auch die Längs- und Querbeschleunigungen des Fahrzeugs (a_x, a_y) mit sehr hoher Genauigkeit, und so können alle anderen statischen und dynamischen Größen in der Fahrzeugtechnik berechnet werden, (wie: Gierwinkelgeschwindigkeit dψ/dt, Geschwindigkeit des Schwerpunkt des Fahrzeugs u_s = u, Seitenkräfte F_y, Schräglaufwinkel α, Eigenlenkgradienten EG, Lenkwinkel des Vorderrads δ_v, Ackermann-Winkel δA).
Das System ist einfach herzustellen und damit kostengünstig, und hat eine hohe Genauigkeit.
Komplizierte Software, Hardware und Algorithmen wie bei aktuellen Messsystemen oder Sensoren ist nicht erforderlich.
Anwendungsgebiete sind ASR/ASC, das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP), sowie andere Fahrerassistenzysteme.
Nach dem obigen Prinzip des Schwimmwinkelsensors kann man auch andere wichtige Winkel bestimmen:
Unter dem Driftwinkel versteht man den Winkel zwischen der Längsachse bzw. dem Kurswinkel und der Bewegungsrichtung.
Als Schiebewinkel (engl. sideslip angle, crab angle) bezeichnet man den Driftwinkel zwischen der Längsachse eines Flugzeugs oder Schiffs und seinem Kurs gegenüber Grund. Bei Fahrzeugen auf dem Boden heißt er Rutschwinkel (engl. slip angle). Bei Windstille ist der Schiebewinkel bei normalem Flug 0°. Der Seitengleitflug vergrößert den Abtrieb, ohne die Geschwindigkeit zu vergrößern. Er ist eine Möglichkeit, die Landung zu unterstützen, wenn keine anderen Verzögerungshilfen wie z. B. Umkehrschub zur Verfügung stehen. Wie bei der Seitenwindlandung (engl. crosswind landing) muss beim Aufsetzen des Flugzeugs auf der Landebahn die Bewegungsrichtung mit der Ausrichtung der Räder entlang der Längsachse des Flugzeugs übereinstimmen. Der Vorhalte- oder Luvwinkel (engl. wind correction angle (WCA) ist der Winkel zwischen Längsachse eines Flugzeugs oder Schiffs und dem relativen Wind als Summe aus wahrem Wind und Fahrtwind. Ist nur der wahre Wind für die Abdrift verantwortlich, sind Vorhalte- und Schiebewinkel gleich.
Weitere Winkelbezeichnungen sind:
Kurs über Grund (Track Angle): Winkel zwischen Nord und Flugrichtung über Grund Rechtweisender Steuerkurs (True Heading): Winkel zwischen Nord und Flugfahrzeugachse)
Wenn man die Bewegungsrichtung relativ zum Medium (Fahrt durchs Wasser) zugrundelegt, also den Driftwinkelbeitrag einer stationären Strömung außer Acht lässt, bedingt der Driftwinkel eine Schräganströmung, und diese ruft eine Liftkraft hervor, also im Prinzip dasselbe wie dynamischer Auftrieb, nur in der Horizontalen. Diese hydrodynamische Querkraft steht im Gleichgewicht mit der Zentrifugalkraft bei Kreisfahrt oder mit Windkräften oder mit beiden.
Die Abdrift bei Flugzeugen bzw. bei der Luftfahrt wird durch Seitenwind und Böen verursacht. Bei Segelflugzeugen und langsamen Motorflugzeugen kann die Abdrift bei starker Seitenwind 30° und mehr betragen. Wegen der Deutlichkeit des Effekts kann man den Kurs aber freiäugig – auch ohne Navigationsinstrumente – durch „Vorhalten” gut korrigieren. Die kurzfristige Wirkung von Böen kann mit dem Wendezeiger „ausgependelt” werden. Die Abdrift bei Schiffen wird durch Seitenwind und Seegang verursacht. Der Einfluss von Strömung (beispielsweise Meeresströmung oder Tidenstrom) ist in der Abdrift nicht enthalten und wird als Stromversetzung getrennt berücksichtigt.
Bei Schiffen wirkt eine große Lateralfläche und die Form des Unterwasserschiffes der Abdrift entgegen. Bei Segelschiffen tritt die größte Abdrift bei Kurs am Wind auf. Bei Kurs halber Wind ist die Abdrift schon deutlich geringer, bei Kurs raumer Wind kaum mehr vorhanden.
Bei größeren Flugzeugen und Schiffen wird die Abdrift im allgemeinen aus Wetterdaten vorausberechnet und bei der Wahl des Steuerkurses im voraus berücksichtigt (Vorhaltewinkel). Damit ist gewährleistet, dass der Kurs über Grund annähernd zum gewünschten Ziel führt. Bei Schiffen ist hierbei auch die Strömung zu berücksichtigen.
Kritisch kann die Abdrift bei der Landung kleiner und großer Flugzeuge sein: um eine Beschädigung des Fahrwerks zu vermeiden, wird der Steuerkurs, bei starker Seitenwind oder Böen, knapp vor dem Aufsetzen parallel zur Landebahn ausgerichtet.
10. Passive Störkompensation
Im Allgemein wir die Qualität von Messungen von verschiedenen Störungen beeinflusst. Insbesondere in der Fahrzeugtechnik können Störschwingungen aus verschiedenen Quellen erzeugt werden und das gewünschte Messsignal negativ beeinflussen. Um diese Störschwingungen von den mechanischen Messsensoren fernzuhalten, bieten sich im Rahmen einer passiven Kompensation einfache Lösungen an.
Dazu wird eine physikalisch-mechanische Analyse beispielsweise des gesamten Drehratesensors um die X- bzw. Y-Achse vorgenommen und ein Konzeptentwurf für die Isolierung des gesamten Drehratesensors gegen externe Schwingungen erstellt, wobei insbesondere auf die Masse der Messdrehscheibe eingewirkt werden soll.
Als vorteilhafter Weg zur Kompensation von Störkräften hat sich der Einsatz eines Tilgers bewährt. Ein solcher Tilger ist stets ein schwingungsfähiges System, das aus Masse, Feder und Dämpfer besteht. Damit kann eine Schwingung mit einer bestimmten Frequenz gedämpft werden.
Das Funktionsprinzip beruht auf der Verwendung einer sogenannten „Gegenschwingmasse”, wobei sich der Tilger immer gegenphasig zur Erregungsschwingung bewegt.
Eine Störschwingung wird z. B. in zwei Einzelschwingungen zerlegt. Diese werden gleichzeitig gedämpft, so dass nur zwei Ausschläge mit kleiner Auslenkung verbleiben.
Die einfachste Ausführungsform diese Prinzips basiert auf der Verwendung nur eines Pendels, wobei die Messdrehscheibe des Drehratensensors als Pendel agieren soll. Die Masse „m_s” auf der Drehmessscheibe stellt zusammen mit der Scheibe selbst ein physikalisches Pendel dar. Unter einem physikalischen Pendel versteht man einen starren Körper, welcher um eine Achse rotieren kann, die nicht durch seinen Schwerpunkt verläuft. Eine solche Anordnung ist in 9a bis 9d wiedergegeben.
Man erkennt einen Winkelsensor 57 in einer kardanischen Aufhängung 58–61, schwenkbar um eine Achse 62.
Eine an der Rotorscheibe 4 exzentrisch angebrachte Tilgermasse 63 bildet zusammen mit einer Tilgerfeder ein Pendel, dessen Eigenfrequenz auf die zu eliminierende Frequenz (bspw. auf die Eigenfrequenz des Gehäuses der Messdrehscheibe) eingestellt wird. Bei dieser Frequenz kann der Tilger große Auslenkungen ausführen – die Kräfte am Federansatzpunkt (= Befestigungspunkt mit der zu beruhigenden Struktur) werden daher ebenfalls groß. Der Schwingungstilger entzieht bei dieser Frequenz der Struktur Schwingungsenergie, die durch Reibung in Wärme umgewandelt wird.
Die Berechnungen dieses Schwingungstilgers beruhen auf der vereinfachten Annahme des gedämpften Zweimassenschwingers und zeichnen sich daher durch relativ einfache Berechnungsformeln aus. Das Ziel ist es, dass die Bewegungsamplituden der Hauptmasse beim Durchfahren der Resonanzzonen einen Minimalwert erreichen.
Durch die Kopplung der beiden schwingungsfähigen Gebilde entstehen unter- und oberhalb der Tilger-Eigenfrequenz neue Eigenfrequenzen, die aus der Kombination von Struktur mit Tilger entstehen. Bei diesen beiden Frequenzen ergibt sich für die Struktur prinzipbedingt eine Verschlechterung der Situation (stärkere Schwingungen).
In wenigen einfachen Fällen lassen sich Tilger mittels einfacher Überschlagsformeln dimensionieren. Sobald jedoch die Anregung nicht monofrequent (also breitbandig) und nicht harmonisch (also z. B, transient) einwirkt, werden genauere Untersuchungen erforderlich, um das Optimum für die Dämpfung zu ermitteln.
Diese ist oft adaptiv, d. h. sie kann sich automatisch an die Bedingungen anpassen. Bauwerke werden beispielsweise dann in große Schwingungen versetzt, wenn eine wesentliche Eigenfrequenz des Bauteils bzw. Systems angeregt wird und wenn gleichzeitig die Dämpfung dieser Eigenfrequenz gering ist.
Um die Resonanzspitzen zu verringern, kann in vielen Fällen die Resonanzfrequenz in einen unkritischen Bereich verschoben werden. Dies erfolgt bei Bauwerken z. B. durch Einbau von zusätzlichen Stützen oder durch Versteifungen. Zur Verringerung der Resonanzspitzen ist es am wirkungsvollsten, wenn die Dämpfung im Resonanzpunkt deutlich verstärkt wird.
Besondere Vorteile bei der Verwendung des oben beschriebenen Tilgers aus nur einem Pendel liegen in dessen einfachen Konzept, der kompakten Lösung und den niedrigen Kosten aufgrund der einfachen Konstruktion.
Nachteilig für einen solchen Tilger ist allerdings, dass er die Messfehler durch bspw. Störschwingungen nur anteilsweise dämpfen kann und man viel Erfahrung für die Dimensionierung der Tilgerparameter benötigt.
Als Verbesserung des beschriebenen Tilgers bietet es sich nun an, anstelle des fehlenden Festpunktes dann eine Schwingmasse einzusetzen. Die Relativbewegungen zwischen dieser Schwingmasse und dem schwingenden Bauteil werden ausgenutzt, um die Wirkung des Dämpfers zu aktivieren.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass sich über komplexe mathematische Zusammenhänge der Bewegungsgleichungen des Sensors sowie des Gehäuses zeigen lässt, dass sich durch diese Zwei-Tilger-Variante eine Verbesserung der Störkompensation ergibt.
11. Aktive Störkompensation
Im Folgenden wird auf die 13a–13d Bezug genommen, welche einen in einem Gehäuse 80 kardanisch gelagerten Roll- oder Nickwinkelsensor 81 zeigen.
Wie bereits oben erwähnt, können Störschwingungen das Messsignal von Sensoren verfälschen. Neben der sogenannten passiven Kompensation der Störsignale durch direkte mechanische Maßnahmen am Sensor, kann man sich auch die sogenannte aktive Störkompensation oder gar -unterdrückung zunutze machen, um somit Messergebnisse mit sehr hoher Genauigkeit zu liefern.
Das Funktionsprinzip der aktiven Störunterdrückung bzw. Isolierung lässt sich damit beschreiben, dass zwei Beschleunigungssensoren, die in der X- und Y-Achse des Gehäuses der Messdrehratewinkel bzw. Messdrehrate angebaut werden, welche die einwirkenden Störungen in der X- und Y-Achse für die aktive Schwingungskompensation des Gehäuses ermitteln, in dem eine Messdrehscheibe 4 sich frei dreht. Wenn Störungen bzw. Störkräfte auf das Gehäuse des Messdrehratesensors „GStr” einwirken, werden sie anhand eines Beschleunigungssensors „GSen” detektiert. Der Beschleunigungssensor liefert die ermittelten Störsignale weiter zu elektronischen Schaltungen für die Signalverarbeitung „GEle”. Die ermittelten Störsignale werden zum Regler „GR” mit umgekehrter Polung und danach an Aktoren „GAk” weitergeleitet. Die Aktoren sind mit dem Gehäuse der Messdrehscheibe verbunden. Die Störsignale werden durch die Beschleunigungssensoren kopiert, gespiegelt und danach zu den Aktoren geliefert. In dieser Situation schwingen die Aktoren mit einer umgekehrten Schwingung zur Schwingung des Störsignals, und so werden die durch die Beschleunigungssensoren ermittelten, kopierten und gespiegelten Signale zum Gehäuse (Strecke) geliefert. So schwingt das Gehäuse gegenphasig zu einwirkenden Störsignalen, und die im Gehäuse befindliche Messdrehscheibe wird von der äußeren Umgebung isoliert und befindet sich in einem ruhigen Zustand.
Diese Störisolierung bzw. Störkompensation kann am Anfang anhand eines physikalischen mathematischen Moduls beschrieben werden.
Das heißt, dass die Summe der Kräfte (Störkräfte und Aktorkräfte), welche auf das Gehäuse einwirken, Null ist.
in dieser Situation wird die Masse „m_s” der Messdrehscheibe, (Masse „MG”), welche ohne Einwirkung von Störkräften nur um ihre Achse dreht, mit einem Ausgangsignal gekoppelt und reagiert zur Messung der Drehrate bzw. des Drehwinkels nur auf eine Drehbewegung des Fahrzeugs. Mit Hilfe der Massen „m_s, die an beiden Seiten der Drehmessscheibe befestigt werden, erreicht man, dass immer der Schwerpunkt „s” der Messdrehscheibe gerade nach unten parallel gegenüber der Richtung der Gravitation bzw. der Erdziehkraft „g” zeigt. Dieser Mechanismus wird nicht mehr durch Störsignale beeinflusst.
Das Grundprinzip der aktiven Störkompensation ist im Wesentlichen, dass die Störsignale über Elektronik (Schaltungen) verarbeitet werden, und an Aktoren 82, 83 gesendet werden. So schwingen die Aktoren 82, 83 mit einer umgekehrten Phase zu den mechanischen Störungen und bewirken eine Kompensation.
Ein besonders vorteilhaftes Konzept für eine aktive Störkompensation des Drehratesensors mit weiteren Drehscheibe(n) als Ersatz für die oben erwähnten Beschleunigungssensoren mit zwei Aktoren ist beispielsweise Folgendes:
Bei diesem Konzept werden die mechanischen und dynamischen Störungen nicht durch einen oder zwei Beschleunigungssensor(en) reduziert. Vielmehr ist das Prinzip ähnlich den oben erwähnten Messdrehscheiben, die für die Messung des Drehratewinkels bzw. des Neigungswinkels geeignet sind. Der Unterschied liegt darin, dass die oben erwähnten Messdrehscheiben einzelne Keilstrukturen 13 (mechanisch-elektrische Wandler) mit einer Leuchtdiode LED und einer Photodiode PD haben, dieses nun Konzept aber zwei Messdrehscheiben aufweist:

– Eine erste Messdrehscheibe 4a zur Messung des Drehratewinkels bzw. des Neigungswinkels, ähnlich zu den oben erwähnten Messdrehscheiben, sowie
– eine zweite Messdrehscheibe 4b für die Störkompensation als Ersatz für Beschleunigungssensoren.

Die zweite Messdrehscheibe 4b hat zwei Keilstrukturen 13a, 13b (mechanischelektrische Wandler) mit zwei Photodioden PD als lichtempfindlichen Elementen 16 und zwei Leuchtdioden LED als Lichtquellen 15, sowie eine Feder.
Die Messdrehscheibe 4b ist mit einer Masse versehen und mit einer Feder gekoppelt und verhält sich daher ähnlich wie ein (gedämpftes) Pendel.
Wenn bspw. eine mechanische Störung von der rechten Seite kommt, wird die Messdrehscheibe 4b um ihre Drehachse 7 nach rechts bewegt, und daraufhin gibt die rechte Photodiode PD ein Signal proportional zur Störung aus. Wenn andererseits eine mechanische Störung von der linken Seite vorkommt, wird die Messdrehscheibe 4b um die Drehachse 7 nach links bewegt, und die linke Photodiode PD gibt ein Signal proportional zur Störung aus.
Die elektronischen Auswerte-Schaltungen können ähnlich zu den oben erwähnten Elektronik-Schaltungen 18 sein.
Permanentmagnete garantieren eine reibungslose Bewegung des Gehäuses infolge der Aktoren 82, 83 (jeweils mit Magnetstator, Magnet, Feder, Rotor und Spule) nach rechts und links. Die Messdrehscheibe 4a, 4b kann sich frei um ihre Drehachse 7 zwischen dem inneren Gehäuse und ihrem Deckel drehen, worin die LEDs befestigt sind. Die drei Photodioden für die beiden Messdrehscheiben sind in dem inneren Gehäuse befestigt. Die Photodioden und die LEDs werden durch das Kabel mit dessen Stecker an die externe elektronische Schaltung angeschlossen. Die beiden Teile des äußeren Gehäuses schützen die anderen Bauelemente und insbesondere die optischen Bauelemente vor Umwelteinflussen.
Ein weiteres Konzept liegt darin, dass ein inneres Gehäuse des Drehrate- bzw. Neigungssensors sich frei um die Langachse der beiden Aktoren in einem äußeren Gehäuse drehen kann (ähnlich wie beim ersten Konzept), wobei die Funktionsweise des Drehrate- bzw. Neigungssensors (insbesondere relativ zum inneren Gehäuse) identisch mit dem dritten Konzept ist.
In Analogie zu einem Proportionalmagneten hat ein Tauchspulenaktor die Aufgabe, eine dem Strom proportionale, hubunabhängige Kraft zu generieren.
12. Weitere Ausführungsformen
Eine weitere logisch konsequente Weiterführung des Erfindungsgedanken liegt darin, die erfindungsgemäße Keilstruktur nicht nur optisch abgreifen zu können, sondern vielmehr sich andere physikalische Phänomene als Messoption zu Nutze zu machen.
Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Keilstruktur auch in Form magnetischer oder magnetisierbarer Substanzen aufgebracht werden. In diesem Falle müsste das Messsignal beispielsweise mit Hilfe eines Hall-Aufnehmers aufgenommen werden. Die magnetischen Substanzen können z. B. Magnetfolie oder Eisenfolie sein, auch ein Aufdrucken oder Sprühen von magnetischer bzw. magnetisierbarer Farbe/Lack ist denkbar.
Dieses Konzept ist ebenso wie die ursprüngliche Keilstruktur für alle erwähnten Sensoren verwendbar (bevorzugt jedoch mit Ausnahme des Magnetkompassunterstützten Gierratesensors).
In einer besonderen Ausführungsform der magnetischen bzw. magnetisierbaren Keilstruktur wird die besagte Keilstruktur 84 auf einen Zylinder 85 oder auf ein Rohr aufgebracht. Dieses Konzept bietet sich insbesondere bei Drehmomentsensoren an. Eine betreffende Anordnung ist in den 14a, 14b und 14c zu sehen.
Der Aufnehmer 86 kann hier ebenso ein Hall-Element, ein induktive Sensor oder andere Technologien sein, der bspw. die Änderung des Luftblatts zwischen dem Aufnehmer 86 und der Keilstruktur 84 misst. Das Ausgangsignal des Aufnehmers 86 hängt hier von der (Dreh-)Position des Zylinders 85 für Winkelsensoren bzw. Stabes für Wegsensoren ab.
Für die Anwendung der magnetischen bzw. magnetisierbaren Keilstruktur 84 bei dem Drehmomentsensor hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zwei Keilstrukturen 84 zu verwenden. Diese werden für den Drehmomentsensor auf zwei separate Ringe aufgebracht, die umfänglich das Rohr umfassen und an diesem mit Abstand voneinander parallel angeordnet sind, wie beispielsweise in 15 erkennbar.
Jede Keilstruktur 84 hat ihre separaten Aufnehmer 86, die sogar von verschiedenen Herstellern stammen können. Jeder Aufnehmer 86 kann als Hall-Element, induktiver Sensor oder mittels anderer Technologien ausgeführt sein, welche beispielsweise die Änderung des Luftspalts zwischen dem Aufnehmer 86 und der Keilstruktur 84 messen. Die beiden Baugruppen (Keilstruktur, Ring und Aufnehmer) werden auf die Achse, an welcher eine Winkelgröße, bspw. ein Drehmoment, gemessen werden soll, mit einem bestimmten Abstand gebracht bzw. befestigt.
Wenn die Drehachse nicht belastet wird, liefern die beiden Aufnehmer an ihren Ausgängen A und B gleiche Ausgangsignale ohne Phasenunterschied (ΔΦ = 0).
Unter Belastung allerdings, liefern die beiden Aufnehmer 86 an ihren Ausgängen A und B Ausgangsignale mit einem bestimmten Phasenunterschied (ΔΦ > 0). Dieser Phasenunterschied (ΔΦ > 0) ist proportional zu einer zu messenden Winkelgröße, bspw. einem Drehmoment, mit dem die besagte Achse belastet wird.
In 17a bis 17c sind die auf ein Kraftfahrzeug einwirkenden Kräfte schematisch dargestellt. Zu sehen ist auch ein etwa im Mittelpunkt oder Schwerpunkt des Fahrzeugs angeordneter Sensor mit einer Messdrehscheibe.
Wenn das Fahrzeug in einer Kurve mit einem Radios „ρ” fährt, dann wirkt auf die Masse der Messdrehscheibe ein Moment der Fliehkraft „MtCos(ψt)”.
Anhand des mechanisch-elektrischen Wandlers, der aus PD, LED und der Keil-Struktur besteht, wird das mechanische Signal in ein elektrisches Signal konvertiert. Wegen dieses Umdrehens der Messdrehscheibe (wegen des externen erzeugten mechanischen Drehmoments) um ihre Achse wird am Ausgang der PD (bzw. durch den mechanisch-elektrischen Wandler) ein elektrisches Signal proportional dazu erzeugt.
Eine erste Ausführungform für einen Gierratesenor ist im Rahmen der 17a bis 17c gezeigt, eine weitere ist in den 18a bis 18d dargestellt.
In den 18a bis 18d werden folgende Bezugszeichen verwendet: Die Leuchtdiode 91 dient zur Rückmeldung des Messdrehwinkels, Blende 92, dunkle Lackschicht 93 für die Winkelmessung, Deckel 94 des Drehratesensors, Gehäuse 95 des Gierwinkelsensors, Blende 96, Photodiode 97 des Winkelsensors, Messdrehscheibe 98, Spiralfeder 99, Leitungen 100 (jeweils 2 für die Leuchtdiode 91 und für die Photodiode 97, N-(Nord) und S-(Süd)Permanentmagneten 101 als Dämpfer und zur Nullpunkteinstellung der Messdrehscheibe 98, Masse 102 der Messdrehscheibe 98, sowie die Drehachse 103.
Um die Messdrehscheibe des Sensors nach den 18a bis 18d nach dem Abklingen des Drehmoments bzw. einer Störung in den Ruhezustand zu versetzen, muss die Bewegung der Messdrehscheibe gedämpft werden. Diese Aufgabe kann man durch eine Reibung zwischen der Messdrehachse der Messdrehscheibe und ihrem Gehäuse und der N- und S-Permanentmagneten erreichen. Die zweite Aufgabe der N- und S-Permanentmagneten besteht darin, die N- und 5-Permanentmagneten der Messdrehscheibe nach dem Abklingen eines Drehmoments bzw. einer Störung immer in dem Nullpunkt zu positionieren.
Die folgenden Gleichungen stellen den Zusammenhang zwischen den folgenden Parametern des Gierratesensors dar:
hierbei bedeuten:

MtCos(ψt): = Drehmoment aufgrund externer Trägheitskräfte
MFed: = Drehmoment der Feder
FFed: = Kraft der Feder
J: = Massenträgheitsmoment
ψ: = Winkel der Gierrate
φ: = Drehwinkel des Messdrehscheibe (sie ist proportional zu ψ
α: = Winkelbeschleunigung des Messdrehscheibe
CT: = Torsionssteifigkeit der Feder
Is: = Abstand zwischen der Drehachse und der Schwerpunkt des Messdrehscheibe mit der Masse
R: = Radius des Messdrehscheibe
r: = Radius der Masse des Messdrehscheibe
ρ: = Radius der gefahrenen Kurve
m1: = Masse der Messdrehscheibe
m2: = Masse

Mit den obigen Gleichungen für das Momentgleichgewicht kann der Gierratewinkel „ψ” („ψ” ist proportional zu φ) des Fahrzeugs direkt über die Elektronik durch den Mikrocontroller ermittelt werden, und der Gierrategeschwindigkeitswinkel (dψ/dt =) direkt durch den Mikrocontroller berechnet werden. Gierratewinkel „ψ” des Fahrzeugs ist proportional zum Drehwinkel des Gierratesensors „φ”. Die Amplitude „φ” des Drehwinkels des Gierratesensors wird durch den Mikrocontroller direkt gemessen, und anhand der folgenden Gleichungen werden die anderen Größen berechnet:
Bei dieser Anordnung wird der Signalverlauf von φ(t) entsprechend 19 abgebildet.
Eine weitere Ausführungsform eines nach dem Fliehkraftprinzip arbeitenden Gierratesensors zeigen die 20a bis 20c.
In den 20a bis 20c werden folgende Bezugszeichen verwendet: Durchsichtiger Teil 104 der Messdrehscheibe, Masse 105 der Drehscheibe, Drehachse 106, Bohrung 107, zwei Blenden 108, zwei Photodioden 109, Leuchtdioden 110, mechanisch-elektrischer Wandler 111, Feder 112, Federkante 113, dunkler Teil 114 der Messdrehscheibe, Gehäuse 115, Schrauben 116, Gehäusedeckel 117, Schrauben 118, elektronische Platine 119, Stecker 120, elektrische Pins 121 zur Verbindung der Photodioden 109 und der Leuchtdioden 110 mit der Platine 119, elektrische Pins 122 zur Verbindung der Leuchtdioden 110 mit den Pins 121.
Das Funktionsprinzip des weiteren Gierratesensors nach den 21a bis 21c beruht auf der Fliehkraft, und dieses ist identisch dem oben beschriebenen Prinzip. Es gibt nur kleine Unterschiede bei der Konstruktion der Bauelemente.
Das Funktionsprinzip des Gierratesensor beruht insbesondere auf der Fliehkraft „Fz, c” und den darus entstehenden Drehmomenten, die auf die Masse der Messdrehscheibe einwirken. Die Messdrehscheibe dreht sich wegen der einwirkenden Flehkraft „Fc” um ihre Achse gegen das Moment „Mk” der Spiralfeder, und so wird die Drehrate um die Z-Achse (Gierrate) ermittelt.
Anhand des Mechanisch/Elektrisch-Wandlers, der aus PDs, LED und die Keil-Struktur besteht, wird das mechanische Signal in ein elektrisches Signal konvertiert. Wegen dieses Umdrehens der Messdrehscheibe (wegen des externen erzeugten mechanischen Drehmoments) um ihre Achse wird am Ausgang der PD (bzw. durch den Mechanisch/Elektrisch-Wandler) ein elektrisches Signal proportional dazu erzeugt. Die folgenden Gleichungen stellen den Zusammenhang zwischen den folgenden Parameter des Gierratesensors dar: Jφ .. + dφ . + Cτφ = M_tCos(ωt) 2D = d/J, ω 2 / o = Cτ/J and N = Mt/J φ .. + 2Dφ . + ω 2 / oφ = NCos(ωt) hierbei bedeuten:

MtCos(ψt): = Drehmoment aufgrund externer Trägheitskräfte
MFed: = Drehmoment der Feder
FFed: = Kraft der Feder
J: = Massenträgheitsmoment
ψ: = Winkel der Gierrate
φ: = Drehwinkel des Messdrehscheibe (sie ist proportional zu ψ
α: = Winkelbeschleunigung des Messdrehscheibe
CT: = Torsionssteifigkeit der Feder
Is: = Abstand zwischen der Drehachse und der Schwerpunkt des Messdrehscheibe mit der Masse
R: = Radius des Messdrehscheibe
r: = Radius der Masse des Messdrehscheibe
ρ: = Radius der gefahrenen Kurve
m₁: = Masse der Messdrehscheibe
m₂: = Masse

Damit kann der Gierratewinkel „ψ” („ψ” ist proportional zu φ) des Fahrzeugs direkt über die Elektronik durch den Mikrocontroller gemessen werden, und die der Gierrategeschwindigkeitswinkel (dψ/dt = ψ) direkt durch den Mikrocontroller berechnet werden.
Der Gierratewinkel „ψ” des Fahrzeugs ist proportional zum Drehwinkel des Gierratesensors „φ”. Die Amplitude „φ” des Drehwinkels des Gierratesensors wird durch Mikrocontroller direkt gemessen, und anhand der folgenden Gleichungen die andere Größen berechnet: J = J_m1+ J_m2 J = 1/2 (m₁ R²) + m₂ (Is)² J = 1/2 (m₁ R²) + m₂ (4r/3π)²
Bei dieser Anordnung ergibt sich ein Signalverlauf gemäß 22.
Bezugszeichenliste

1: Winkelsensor
2: Linearsensor
3: Stator
4: Rotor
5: Translator
6: Drehlagerung
7: Drehachse
8: Welle
9: Längskante
10: Führungsnut
11: Längsrichtung
12: Stange
13: Bereich
14: Abtastsystem
15: Lichtquelle
16: Lichtempfindlichtes Bauteil
17: Nicht verdunkelter Bereich
18: Schaltung
19: Eingangsverstärker
20: Tiefpassfilter
21: Verstärker
22: Spannungs/Frequenzwandler
23: Mikroprozessor
24: Operationsverstärker
25: Ausgang
26: Inkrementalspur
27: Inkrementalspur
28: Referenzmarkierung
29: Photodiode
30: Photodiode
31: Photodiode
32: O-Ring
33: Gehäuse
34: Gehäuse
35: Scheibe
36: Blende
37: Gehäuse
38: Deckel
39: Feder
40: O-Ring
41: Loch
42: Montagepunkt
43: Kraftsensor
44: Drucksensor
45: Gewinde
46: Druckmembran
47: Druckkammer
48: Gehäuse
49: Drucksensor
50: Rohr
51: Stahlring
52: Neigungssensor
53: Exzentrische Masse
54: Gehäusehälfte
55: Gehäusehälfte
56: Gehäuse
57: Winkelsensor
58: Rahmen
59: Feder
60: Lager
61: Lager
62: Achse
63: Masse
64: Gierwinkelsensor
65: Kompassnadel
66: Gehäuse
67: Gehäuse
68: Kardanische Aufhängung
69: Gierwinkelsensor
70: Gehäuse
71: Nadel
72: Deckel
73: Kugelführung
74: Kugel
75: Kugel
76: Masse
77: Nadel
78: Schwimmwinkelsensor
79: Winkelsensor
80: Kardanische Aufhängung
81: Tilgermasse
82: Aktor
83: Aktor
84: Keilstruktur
85: Zylinder
86: Aufnehmer
91: Leuchtdiode
92: Blende
93: Lackschicht
94: Deckel
95: Gehäuse
96: Blende
97: Photodiode
98: Messdrehscheibe
99: Spiralfeder
100: Leitungen
101: Permanentmagneten
102: Masse
103: Drehachse
104: durchsichtiger Teil
105: Masse
106: Drehachse
107: Bohrung
108: Blende
109: Photodiode
110: Leuchtdiode
111: mech.-el. Wandler
112: Feder
113: Federkante
114: dunkler Teil
115: Gehäuse
116: Schrauben
117: Gehäusedeckel
118: Schrauben
119: elektronische Platine
120: Stecker
121: elektrische Pins
122: elektrische Pins

Claims

Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) zur Erfassung einer mechanischen, durch eine Auslenkung oder Relativauslenkung eines Messkörpers (4, 5) gegenüber einem Chassis (3) oder einem anderen internen Element darstellbaren Größe, mit wenigstens einem mechanisch-elektrischen Wandler zur Erzeugung eines von der Auslenkung oder Relativauslenkung des Messkörpers (4, 5) abhängigen Meßsignals, wobei der Messkörper (4, 5) aus einem ganz oder teilweise lichtdurchlässigen Material scheibenförmig ausgebildet und zwischen einer Lichtquelle (15) und einem lichtempfindlichen Bauelement (16) derart beweglich gelagert und/oder geführt ist, dass ein von der Lichtquelle (15) ausgehender und von dem lichtempfindlichen Bauelement (16) aufgefangener Lichtstrahl das lichtdurchlässige Material des scheibenförmigen Messkörpers (4, 5) bei verschiedenen Positionen desselben vorzugsweise etwa lotrecht durchsetzt und bei einer Relativbewegung des scheibenförmigen Messkörpers (4, 5) eine Bahn auf diesem beschreibt, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der von dem Lichtstrahl auf dem scheibenförmigen Messkörper beschriebenen Bahn eine keilförmige Spur (13) aus einem undurchsichtigen Material appliziert ist, deren Breite sich von einem ersten Punkt der Bahn bis zu einem weiteren Punkt der Bahn kontinuierlich vergrößert, so dass die undurchsichtige Spur (13) je nach Bahnpunkt einen mehr oder weniger großen Teil des von der Lichtquelle (15) ausgesandten Lichts auffängt.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein lichtempfindliches Bauteil (16) eines mechanisch-elektrischen Wandlers als Photodiode (PD) ausgebildet ist.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein lichtempfindliches Bauteil (16) eines mechanisch-elektrischen Wandlers zwischen dem invertierenden Eingang (–) und dem nicht-invertierenden Eingang (+) eines Operationsverstärkers (24) geschaltet ist.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (25) des Operationsverstärkers (24) zu dessen (invertierendem) Eingang (–) zurückgekoppelt ist, insbesondere mit einem ohmschen Widerstand (R4) und/oder mit einem Bauteil mit frequenzabhängiger Kennlinie wie einer Kapazität (C2).
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Streulicht von dem lichtempfindlichen Bauteil (16) eines mechanisch-elektrischen Wandlers ferngehalten oder begrenzt wird.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Messkörper (4, 5) eines mechanisch-elektrischen Wandlers aus einem durchsichtigen Glas oder einem durchsichtigen Kunststoff besteht.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Messkörper (4,5) eines mechanisch-elektrischen Wandlers – ggf. abgesehen von zu seiner Lagerung oder Führung von Lagerungs- oder Führungsmitteln durchgriffenen Öffnungen – keine Durchbrechung aufweist.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keilförmige Spur (13) auf den scheibenförmigen Messkörper (4, 5) eines mechanischelektrischen Wandlers aufgedruckt ist, bspw. unter Verwendung von dunkler Farbe.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keilförmige Spur (13) eines mechanisch-elektrischen Wandlers direkt auf der Bahn des Lichtstrahls von der Lichtquelle (15) zu dem lichtempfindlichen Bauelement (16) angeordnet ist, so dass an keinem Bahnpunkt ein Lichtstrahl von dem Zentrum der Lichtquelle (15) auf direktem Weg zu dem Zentrum des lichtempfindlichen Bauelements (16) gelangen kann.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus maximaler Breite b_max der keilförmigen Spur (13) zu minimaler Breite b_min der keilförmigen Spur eines mechanisch-elektrischen Wandlers gleich oder größer ist als 2: b_max/b_min ≥ 2, beispielsweise gleich oder größer als 5: b_max/b_min ≥ 5, vorzugsweise gleich oder größer als 10: b_max/b_min ≥ 10, insbesondere gleich oder größer als 20: b_max/b_min ≥ 20.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mechanisch-elektrischen Wandler zwei nebeneinander verlaufende Spuren (13) mit antiparalleler Keilgeometrie vorgesehen sind, sowie je ein zugeordnetes lichtempfindliches Element (16).
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem scheibenförmigen Messkörper (4, 5) eines mechanisch-elektrischen Wandlers zusätzlich wenigstens eine Inkrementalspur (26, 27) angeordnet ist, und/oder wenigstens eine Referenzmarkierung (28).
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Messkörper (4, 5) eines mechanisch-elektrischen Wandlers drehbar gelagert ist, insbesondere um eine zu seiner Ebene lotrechte Achse (7) drehbar.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Messkörper (4, 5) eines mechanisch-elektrischen Wandlers verschiebbar geführt ist, insbesondere entlang einer Richtung (11) innerhalb seiner Ebene.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Messkörper (4,5) eines mechanisch-elektrischen Wandlers entgegen der rückstellenden Kraft wenigstens einer Feder (39) dreh- oder verschiebbar gelagert oder geführt ist, mittels wenigstens eines federnden Elements (39), welches mit dem scheibenförmigen Messkörper (4,5) gekoppelt ist.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64 69; 79) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an dem scheibenförmigen Messkörper (4, 5) eines mechanisch-elektrischen Wandlers oder an dessen Lagerung oder Führung eine oder mehrere Massen (m₁, m₂, m₃) angeordnet ist (sind), so dass die auf jene einwirkende Beschleunigung a im Kräftegleichgewicht (F_a = F_f) eine messbare Auslenkung x erzeugt.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine mit dem scheibenförmigen Messkörper (4, 5) eines mechanisch-elektrischen Wandlers gekoppelte Membran (46, 50) zur Sensierung eines Druckunterschieds zwischen den beiden Oberflächen der Membran (46, 50).
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen mit dem scheibenförmigen Messkörper (4, 5) eines mechanisch-elektrischen Wandlers gekoppelten Magnet zur Sensierung eines Magnetfeldes, bspw. in Form eines Stabmagneten, insbesondere in Form einer Kompassnadel (65).
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem scheibenförmigen Messkörper (4,5) eines mechanisch-elektrischen Wandlers oder an dessen Lagerung oder Führung ein oder mehrere Pendel (53, 63, 81) od. dgl. Gewicht(e) (76) angeordnet ist (sind).
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem scheibenförmigen Messkörper (4, 5) eines mechanisch-elektrischen Wandlers oder an dessen Lagerung oder Führung zwei oder mehrere gegen eine Federkraft auslenkbare Pendel od. dgl. Gewichte angeordnet sind.
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem scheibenförmigen Messkörper (4,5) eines mechanisch-elektrischen Wandlers eine exzentrische Masse angeordnet ist, bspw. in Form eines (Halb-)Kreisbogens (53, 63, 81).
Sensor oder Sensor-Messeinheit (1; 2; 43; 44; 49; 64; 69; 79) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem scheibenförmigen Messkörper (4,5) eines mechanisch-elektrischen Wandlers oder dessen Lagerung oder Führung ein oder mehrere Aktuator(en) (82, 83) angeordnet ist (sind).
Sensor oder Sensor-Messeinheit zur Erfassung einer mechanischen, durch eine Auslenkung oder Relativauslenkung eines Messkörpers gegenüber einem Chassis oder einem anderen internen Element darstellbaren Größe, mit wenigstens einem mechanisch-elektrischen Wandler zur Erzeugung eines von der Auslenkung oder Relativauslenkung des Messkörpers abhängigen Meßsignals, wobei der Messkörper rohr- oder zylinderförmig ausgebildet und derart beweglich gelagert und/oder geführt ist, dass dieser von einem Aufnehmer (86) in Form eines Hall-Elements oder induktiven Aufnehmers abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der von dem Aufnehmer auf dem scheibenförmigen Messkörper abgetasteten Bahn eine keilförmige Spur (84) aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material appliziert ist, deren Breite sich von einem ersten Punkt der Bahn bis zu einem weiteren Punkt der Bahn kontinuierlich vergrößert, so dass das von der magnetischen oder magnetisierbaren Spur (84) hervorgerufene Ausgangssignal des Aufnehmers je nach Bahnpunkt mehr oder weniger groß ist.
Sensor oder Sensor-Messeinheit nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Luftspalt zwischen dem Aufnehmer (86) und der keilförmigen Struktur (84) ändert.
Sensor oder Sensor-Messeinheit nach Anspruch 23 oder 24, gekennzeichnet durch zwei keilförmige Strukturen (84), welche an einer Achse, an welcher eine Winkelgröße, bspw. ein Drehmoment, gemessen werden soll, in einem Abstand zueinander angebracht bzw. befestigt sind.