DE2620914C3 - Analoger Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen analogen Beschleunigungsmesser mit einer tragen Masse und einer Einrichtung zur Messung einer auf die träge Masse wirkenden Kraft.

Bei bekannten Beschleunigungsmessern dieser Art wirkt bei Auftreffen einer Beschleunigungskraft die träge Masse auf ein Piezoelement. Die entstehende piezoelektrische Ladung wird gemessen und ist ein Maß für die aufgetretene Beschleunigungskraft. Derartige Beschleunigungsmesser werden z. B. in elektrischen Geschoßzündern oder in Auslöseschaltungen von Rückhaltesystemen in Kraftfahrzeugen, wie z. B. Luftsack oder Gurtstrammer, verwendet. Bei diesen Anwendungsgebieten kommt es wesentlich auf eine lange währende Zuverlässigkeit an. Es hat sich jedoch gezeigt, daß herkömmliche Piezokeramiken nach Temperatur- und Alterungseinflüssen ein unregelmäßiges und unkontrollierbares Verhalten aufweisen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen kostengünstigen Beschleunigungsmesser zu schaffen, dessen Verhalten von der Temperatur oder von Alterungseinflüssen weitgehend unberührt bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung ein das Licht einer Lichtquelle total reflektierendes Prisma, einen lichtleitenden oder -absorbierenden Körper, welcher in einem geringen Abstand von einer der reflektierenden Flächen des Prismas angeordnet ist, wobei der Abstand durch eine auf die träge Masse wirkende Kraft veränderbar ist, sowie eine Einrichtung zur Messung der ein Maß für die zu messende Beschleunigung darstellende Intensität des aus dem Prisma oder dem Körper austretenden Lichtes aufweist.

Dabei kann die träge Masse entweder mit dem Körper oder mit dem Prisma in Wirkverbindung stehen.

Ein Beschleunigungsgrenzwertgeber, in welchem die Intensität von Licht einer Lichtquelle bei Überschreiten einer durch die Kraft einer Feder vorbestimmte Beschleunigungskraft verändert wird, ist aus der SU-PS 4 20 935 bzw. aus der englischen Obersetzung Soviet Inventions Illustrated, Section II, Electrical, Vo!. W, Nr.4 ausgeg. 4. März 1975, Abschnitt S, S. 8/9, bekannt Das diesem Beschleunigungsgrenzwertgeber zugrundeliegende Funktionsprinzip unterscheidet sich jedoch vollständig von dem des erfindungsgemäßen analogen Beschleunigungsmessers.

ίο Die Erfindung macht sich den in der Optik bekannten Goos-Hähnchen-Effekt zunutze. Hiernach treten an den Randzonen eines endlich ausgedehnten Wellenfeldes bei Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen einem optisch dichteren und einem optisch dünneren Medium

Beugungseffekte auf, die einen Übergang von Energie ins optisch dünnere Medium bewirken. Diese Energie läuft dann innerhalb einiger Wellenlängen Abstand vom dichteren Medium als Überflächenwelle parallel zur Grenzfläche und tritt an der entgegengesetzten

M Randzone des Wellenfeldes wieder ins optisch dichtere Medium über, so daß insgesamt eine Totalreflexion der Energie entsteht

Nähert man vom optisch dünneren Medium her der Grenzfläche einen Körper, der in der Lage ist, die Oberflächenwelle umzuleiten oder zu absorbieren, so ist die Totalreflexion gestört und zwar um so mehr, je näher der Körper an die Grenzfläche gebracht wird. Somit ist eine Modulation des im dichteren Medium reflektierten Lichtes durch beispielsweise elastische Auslenkungen eines innerhalb einiger Wellenlängen von der Grenzfläche befindlichen Körpers möglich. Diese elastischen Auslenkungen können nun, wie bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesser, durch auftretende Trägheitskräfte einer entsprechend angeordneten Masse bewirkt werden.

Die bei der Erfindung zur Anwendung kommenden optischen und mechanischen Elemente des Beschleunigungsmessers sind wesentlich unempfindlicher gegen Alterung und Temperaturschwankungen als Piezoelemente. Dies kann noch durch spezielle Auswahl der Materialien verbessert werden, welche entweder eine Kompensation der Temperatur-Ausdehnungen bewirken oder einen temperaturkompensierten Elastizitätsmodul aufweisen.

Der bei der Erfindung angewandte Effekt kann dadurch verstärkt werden, daß das Prisma zwei gegenüberliegende, reflektierende Flächen aufweist

Auf den reflektierenden Flächen tritt dann Mehrfachreflexion auf und somit auch eine mehrfache Ableitung oder Absorbtion von Licht.

Zur Vermeidung von Meßfehlern durch Schwankungen in der Intensität der Lichtquelle ist es besonders vorteilhaft, wenn der Beschleunigungsmesser eine Einrichtung zur Messung der Intensität der Lichtquelle und Bildung eines Referenzsignals aufweist. Das auf dieses Referenzsignal bezogene Meßsignal ist dann unabhängig von der jeweiligen Intensität der Lichtquelle.
Im folgenden ist die Erfindung anhand mehrerer, in den Figuren teilweise schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Durchschnitt durch einen Beschleunigungsmesser mit einfacher Reflexion des Lichtes;
F i g. 2 in einer Teilansicht einen Schnitt durch einen Beschleunigungsmesser mit Mehrfachreflexion des Lichtes;

F i g. 3 einen Schnitt durch einen Beschleunigungsmesser mit Referenzmessung des Lichtes.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beschleunigungsmesser erzeugt eine Lichtquelle 8 mit elektrischem Anschluß 15, z.B. eine Lumineszenzdiode, Ober eine ünse 6 ein paralleles Strahlenbündel, das durch eine Scheibenblende 13 in ein Ringbündel verwsadelt wird. Das Strahlenbündel dringt senkrecht in ein Prisma 5 ein und wird an dessen Hypothenuse unter einem Winkel, der Totalreflexion ergibt, reflektiert. Der reflektierte Anteil tritt wiederum senkrecht aus dem Prisma aus und wird über eine linse 7 auf ein Fotoelement 9 gebündelt Der elektrische Ausgang 16 des Fotoelementes 9 liefert dann ein zur empfangenen Lichtleistung proportionales MeßsignaL

An den Randzonen des Strahles auf der reflektierenden Hypothenusenfläche des Prismas 5 tritt nun Energie in den parallelen, z. B. mit Luft oder Stickstoff gefüllten Spalt 4 mit kleinerem Brechungsindex über. Der Spalt 4 wird durch eine Platte 3, die z. B. aus Glas besteht, auf die ein Abstandsring 19 von einigen Mikrometern Dicke aufgedampft ist und die durch eine Klebeschicht 17 auf dem Prisma 5 fixiert ist, gebildet Auf die Platte 3 wirken über eine Übergangsplatte 2, die aus einem harten Material, z.B. aus Stahl besteht die Trägheitskräfte einer tragen Masse 1. Drücken nun die Trägheitskräfte der trägen Masse 1 auf diese Übergangsplatte 2, so drückt diese wiederum auf die Glasplatte 3 mit dem Effekt daß sich der Spalt 4 verengt und mehr Licht in die Glasplatte 3 übertritt Dieses Licht ist dann der Totalreflexion entzogen, was eine Abnahme der Fotospannung des Fotoelementes 9 bewirkt Wenn, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, die träge Masse 1 durch eine Feder 10 vorgespannt ist so weitet sich bei abnehmendem Druck durch umgekehrte Trägheitskräfte der Spalt 4 entsprechend aus, so daß weniger Energie der Totalreflexion entzogen wird und die Fotospannung steigt Zur Erzielung eines definierten Beschleunigungsnullpunktes ist es besonders vorteilhaft wenn die träge Masse 1 auf dem Boden U des Gehäuses 12 über die Tellerfeder 10 mit gegenüber den auftretenden Trägheitskräften hoher Spannkraft abgestützt wird, so daß die auftretenden Massenwege im Mikrometerbereich bleiben.

F i g. 2 zeigt die wesentlichsten Teile eines Beschleunigungsmessers, bei dem die träge Masse 1 über die Übergangsplatte 2 auf eine verspiegelte Fläche 5.1 eines relativ dünnen Prismas 5 drückt das über den aufgedampften Abstandsring 19 und durch Klebung 17 mit der Glasplatte 3 den Spalt 4 bildet Die Bündelung des Sendestrahles erfolgt hier über eine Eigenlinse einer Lumineszendiode 8 und eine aufgedampfte Lochblende 18. Durch den geringen Abstand der Prisnienflächen erfolgt mehrfache Reflexion im Innern, so daß mehr als eine Reflexionszone in den Bereich des Spaltes 4 fallea s Die in die Glasplatte 3 eingekoppelte Lichtleistung wird von den Trägheitskräften der trägen Masse 1 moduliert und durch ein aufgeklebtes Fotoelement 9 mit elektrischen Anschlüssen 16 gemessen.

Intensitätsschwankungen der Lichtquelle können

durch eine Referenzmessung eines festen Anteils der Sendeintensität ausgeschaltet werden, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist

In einem Gehäuse 12 ist mittels einer Tellerfeder 10 wiederum eine Masse 1 mit einer gegen die auftretenden Trägheitskräfte sehr hohen Kraft gegen eine im Gehäuse auf Passung gelagerte Metallplatte 2 gedrückt Diese Platte 2 drückt wiederum auf eine scheibenförmige Glasplatte 5 mit prismatischem Längsschnitt deren plane Flächen bis auf einen scheibenförmigen Bereich in der Mitte der unteren Planfläche verspiegelt sind. Dieser Bereich bildet durch eine Klebung 17 mittels eines ausgedampften Abstandsringes 19 einen Spalt 4 mit dem auf Passung in das Gehäuse eingebrachten Glaskörper 3, der eine Aussparung 26 mit verspiegelter Seite 20 besitzt Auf diesem Glaskörper 3 sitzt ein Deckel U aus Metall, der mittels Lotung oder Klebung 27 am Gehäuse 12 fixiert ist und in den zwei Lichtleiter 23 und 24 eingepaßt sind. In einem Flansch im Gehäuse ist der Sendelichtleiter 22 eingepaßt wobei eine enge Endbohrung 21 als Blende wirkt Der aus dem Lichtleiter austretende Strahl tritt zum Teil durch den schmalen Teil 25 des Glaskörpers 3 in das Prisma 5 ein und wird zwischen den Flächen mehrfach reflektiert Im Spaltbereich 4 tritt dann in Abhängigkeit von der Größe der Trägheitskraft ein mehr oder weniger großer Anteil der Intensität des eingestrahlten Lichtes in den Glaskörper 3 über und kann so zu einem Teil über eine Streuzone (23), die durch Aufrauhung des Glases erzeugt wird, in den Eingang des Empfangslichtleiters 24 gelangen. Der am schmalen Teil 25 des Glaskörpers 3 reflektierte Anteil der Sendeintensität gelangt zum Teil über die verspiegelte Fläche 20 und ein Streufenster 30 auf den Eingang des Referenz-Empfangslichtleiters 23.

Wird nun die Empfangsintensität Φ ε gegen die Refe-

renzintensität Φ« gemessen, d. h, wird ein Quotient *£

gebildet, so ist dieser Meßwert von der Intensität $sdes Sendelichtleiters bzw. der Lichtquelle unabhängig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Analoger Beschleunigungsmesser mit einer trägen Masse und einer Einrichtung zur Messung einer auf die träge Masse wirkenden Kraft, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein das Licht einer Lichtquelle (8, 22) total reflektierendes Prisma (5), einen lichtleitenden oder -absorbierenden Körper (3), welcher in einem geringen Abstand von einer der reflektierenden Flächen des Prismas (5) angeordnet ist, wobei der Abstand durch die auf die träge Masse (l) wirkende Kraft veränderbar ist, sowie eine Einrichtung (9,24) zur Messung der ein Maß für die zu messende Beschleunigung darstellenden Intensität des aus dem Prisma (5) oder dem Körper (3) austretenden Lichtes aufweist

2. Beschltunigungsmesser nach Anspruch ϊ, dadurch gekennzeichnet, daß die träge Masse (f) mit dem Körper (3) in Wirkverbindung steht

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die träge Masse (1) mit dem Prisma (5) in Wirkverbindung steht.

4. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (5) zwei gegenüberliegende, reflektierende Flächen (5.1,5.2) aufweist