DE2748173A1 - Analoger beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

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

Nach Patent . * (Patentanmeldung P 26 24 884.0) weist

die Einrichtung zur Messung der Kraft zwei reflektierende Flächen, welche einen Spalt bilden, auf. Im Bereich des Spaltes ist mindestens eine Austrittsöffnung einer Lichtquelle und mindestens eine Lichteintrittsöffnung angeordnet. Die Lichteintrittsöffnung ist mit einer Einrichtung verbunden, mit welcher die ein Maß für die Beschleunigung darstellende Intensität des an den Flächen mehrfach reflektierten Lichtes der Lichtquelle zur Bildung eines Meßsignales meßbar ist.

Gemäß dem obengenannten Patent ..... (Patentanmeldung P 26 24 884.0) bilden die reflektierenden Flächen der Einrichtung zur Messung der Kraft einen Spalt, dessen eingeschlossener Winkel durch eine auf die träge Masse wirkende Kraft veränderbar ist. Purch eine Veränderung des Spaltwinkels ändert sich die Anzahl der Reflexionen sowie der zur reflektierenden Fläche hin gemessene Reflexionswinkel eines unter einem bestimmten Winkel von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahles und damit die Intensität des in die Lichteintrittsöffnung einfallenden Lichtes.

Dieser Beschleunigungsmesser kann in vorteilhafter Weise dahingehend geändert werden, daß nicht nur der von den reflektierenden Flächen eingeschlossene Winkel, sondern gemäß

/4

909818/0228

der vorliegenden Erfindung der Spalt durch eine auf die träge Masse wirkende Kraft veränderbar ist. Dadurch wird die der älteren Erfindung gemäß P 26 24 884.0 zugrundeliegende Aufgabe, nämlich einen kostengünstigen Beschleunigungsmesser zu schaffen, dessen Verhalten von der Temperatur und von Alterungseinflüssen weitgehend unberührt bleibt, ebenfalls gelöst.

In praktisch einfach durchzuführender und theoretisch leicht zu erfassender Weise kann die Änderung des Spaltes in der Weise geschehen, daß der Abstand der reflektierenden Flächen durch eine auf die träge Masse wirkende Kraft veränderbar ist.

Die reflektierenden Flächen können entweder planparallel sein oder es kann zumindest eine der Flächen sphärisch sein.

Eine analoge Beschleunigungsmessung wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, daß eine der reflektierenden Flächen durch ein FedeieLement abgestützt ist und mit der tragen Masse in Wirkverbindung steht.

Sowohl die Größe als auch die Richtung der auf die Meßeinrichtung einwirkenden Beschleunigung kann dadurch ermittelt werden, wenn im Bereich des durch die reflektierenden Flächen gebildeten Spaltes die Austrittsöffnungen von mindestens drei, vorzugsweise viermit unterschiedlicher Modulation oder Frequenz angeordnet sind.

Die Erfindung wird im weiteren anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Beschleunigungsmesser mit zylindrischer träger Masse;

+) Lichtquellen /5

909818/0228

Fig. 2a,b die mathematischen Beziehungen für einen in einem Spalt mehrfach reflektierten Lichtstrahl;

Fig. 3a,b die mathematischen Beziehungen für ein von einem Lichtleiter ausgesandtes und in einem Spalt mehrfach reflektiertes Lichtstrahlenbündel;

Fig. 4a,b einen Querschnitt durch einen Beschleunigungsmesser mit kugelförmiger träger Masse und die zugehörige Empfindlichkeitscharakteristik;

Fig. 5a,b einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Beschleunigungsmessers mit kugelförmiger träger Masse und die zugehörige Empfindlichkeitscharakteristik.

Fig. 1 zeigt einen Beschleunigungsmesser, dessen zylindrische träge Masse 1, die an einer ebenen Stirnfläche 1.1 z.B. durch metallische Bedampf ung verspiegelt ist, mittels einer Schraubenfeder 2 sowie einem Schraubdeckel 7 gegen eine definierte Auflage 5.1 des Gehäuses 5 gedrückt wird. Hierdurch wird erreicht, daß die verspiegelte Stirnfläche 1.1 in einem definierten Abstand d von der ebenfalls verspiegelten Stirnfläche einer in das Gehäuse 5 eingeklebten Scheibe 3 gehalten wird. In die träge Masse 1 ist ein Zylinder 8 aus Dämpfungsmaterial, z.B. aus Silikongummi, eingelassen, welcher einen definierten Abstand Δ zur Innenfläche des Schraubdeckels 7 einhält. Dazu hat der Schraubdeckel 7 auf dem Gehäuse 5 eine definierte Auflage 7.1. Mit dieser Anordnung wird erreicht, daß bei einer Beschleunigung der Einrichtung in der durch den Pfeil angezeigten Richtung (+b) die Masse 1 gegen die Feder drückt und einen Weg zurücklegt, durch den der Abstand d vergrößert wird. Bei linearer Federkennlinie ist der Zuwachs von d proportional der wirkenden Beschleunigung b. Sobald der Abstand d um den Wert Δ zugenommen hat, tritt durch Wirksamwerden der Dämpfung 8 an der Deckelinnenfläche eine Begren-

909818/0228

zungs- und Dämpfungswirkung ein, welche ein Aufschaukeln von hochfrequenten Schwingungen verhindert. Der Wert von 4 ist im Zusammenhang mit der Größe der Masse 1 und der Federkonstante der Feder 2 so bemessen, daß er den zu messenden Beschleunigungsbereich voll abdeckt.

Durch den Anschlag 5.1 der tragen Masse 1 am Gehäuse 5 wird die Bewertung negativer, zur Richtung +b entgegengesetzter Beschleunigungen verhindert.

Durch Bohrungen im Boden des Gehäuses 5 und in der Scheibe 3 sind zwei Lichtleiter 10 und 11 eingeführt und befestigt, deren optische Stirnflächen eben mit der verspiegelten Fläche 3.1 sind. Wird nun Licht (in modulierter oder unmodulierter Form) in den Lichtleiter 10 unter Winkeln um etwa 45 , etwa im Bereich zwischen 32 und 55 , zur Normalen der Eintrittsfläche des Lichtleiters eingestrahlt, so tritt es auch etwa unter diesen Winkeln in den Spalt zwischen den Flächen und 3.1 aus dem Lichtleiter 10 aus. Durch eine zum Abstand d umgekehrt proportionale Anzahl η von Reflexionen an den Flächen 1.1 und 3.1, die einen Reflex^ionskoeffizienten O haben, ist dem Licht, welches in den Lichtleiter 11 eintritt, intensitätsmäßig die Zunahme der Spaltbreite d und damit die einwirkende Beschleunigung b aufmoduliert. Die durch geeignete Wahl der Spaltbreite d und der Spaltlänge s sowie des Reflexionskoeffizienten Q der Flächen 1.1, 3.1 ist über einen Bereich von -r von 0 bis 70 % eine rechnerisch nachweisbar gute Linearität zwischen der Spaltbreite d und der Intensität des reflektierten Lichtes erreichbar. Dies soll anhand eines konkreten Rechenbeispiels mit Hilfe der folgenden Darstellungen und Diagramme bewiesen werden.

Für den in Fig. 2a dargestellten Spalt der Breite d und der Länge s zwischen zwei reflektierenden Flächen ist die Zahl der Reflexionen für einen seitlich in den Spalt eintretenden

/7

909818/0228

Lichtstrahl:

s(1)

Für einen Lichtstrahl mit der Intensität J* im Punkt A und Jp im Punkt B gilt in guter Näherung:

^j2~^ji-yⁿ-j«**⁵ =^ja-r'- ⁽²⁾

S

wobei Q der Reflexionskoeffizient und y- =t ^" ist. Ein hinreichend großer Linearitätsbereich zwischen der Spaltbreite d und der Intensität des reflektierten Lichtes J₂ wird beispielsweise bei folgender Dimensionierung erreicht: Spaltlänge s = 10 mm, Lichteintrittswinkel OC = 45 und Reflexionskoeffizient Q =0,8. Wird die Intensität des einfallenden Lichtes J^r = 1 gesetzt, so reicht der Linearitätsbereich für den Abstand d etwa von 0,9 bis 1,1 mm, was in der Fig. 2b dargestellt ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verläßt jedoch nicht nur ein Lichtstrahl, sondern ein Lichtstrahlenbündel den Wellenleiter 10. Der Einfluß eines derartigen Strahlenbündels auf die Linearität des Beschleunigungsmessers wird anhand der Fig. 3a und b untersucht. Fig. 3a zeigt in schematischer Weise eine Lichtquelle L mit einem Durchmesser a^, deren Mittelpunkt von der Mitte der Eintrittsöffnung eines Lichtleiters Ll die Abstandskoordinaten w. und w_? hat und unter einem Winkelt" gegen die Horizontale geneigt ist. Die Eintrittsöffnung des Lichtleiters Ll hat einen Durchmesser a₂- Der minimale, mittlere und maximale Eintrittswinkel des von der Lichtquelle L ausgehenden Lichtbündels läßt sich über die Geometrie der Anordnung leicht berechnen. Für y = 45°, w^ = Wp = 5 mm, a. = "j^mm, a« = 2mm ergibt sich für den minimalen Eintrittswinkel:

^ min - ³²»⁴⁷° für den mittleren Eintrittswinkel:

909818/0228 ^/8

und für den maximalen Eintrittswinkel:

OC = 55,3°.
max '

Aus dem Lichtleiter tritt dann das Licht in einem Ringbereich aus, welcher durch die Kreiskegel mit den Öffnungswinkeln

oc . und 'X begrenzt ist«,
mxn max ^

Mit Hilfe der Formel (2) läßt sich nun die Intensität eines solchen zwischen zwei Flächen mehrfach reflektierten Lichtbündels in Abhängigkeit vom Abstand der reflektierenden Flächen berechnen. Für das Zahlenbeispiel aus den Fig. 2a und b, jedoch mit einem höheren Reflexionskoeffizienten von^ = 0,85 ist die Abhängigkeit der Intensität J^ des reflektierten Lichts vom Abstand d der reflektierenden Flächen für den minimalen, mittleren und maximalen Lichteintrittswinkel in Fig. 3b wiedergegeben. Für einen Spaltbreitebereich von 0,7 mm bis 1,2 mm können die Kurven mit nur geringem Fehler in dem Winkelbereich von oc . bis ⁰^- durch Geraden wiedergegeben \ mxn max

werden. Daraus folgt, daß auch die empfangene Gesamtintensität des Lichtes ebenfalls proportional zum Abstand d und somit zur Beschleunigung b ist.

Fig. 4 zeigt einen Beschleunigungsmesser mit einer Rundum-Empfxndlxchkeitscharakterxstik. Eine als Kugel ausgebildete träge Masse 21 wird über eine Tellerfeder 22 gegen eine kegelförmig ausgebildete Auflage 25.1 des Gehäuses 25 definiert angedrückt. Eine reflektierende Scheibe 23 wird über eine Spiralfeder 24 gegen die Kugel 21 gedrückt, so daß die Scheibe 23 einen definierten Abstand von einem eingeklebten Ring 26 aus Dämpfungsmaterial besitzt. Durch eine weitere definierte Auflage eines Schraubdeckels 27 auf dem Gehäuse 25 wird ein definierter Abstand der Kugel 21 von einer in den Deckel 27 eingeklebten Scheibe 28 aus Dämpfungsmaterial erreicht. Beide Dämpfungen 26 und28, die z.B. aus Silikongummi bestehen können, haben die Aufgabe, bei extremen Beschleunigungen die Aus-

+) (sh. Fig. 3b) ^/9

909818/0228

lenkungen der Kugel zu begrenzen und Schwingungen zu dämpfen.

Wird bei normalen Betriebszuständen die träge Masse 21 relativ zum Gehäuse 25 seitlich oder nach oben beschleunigt, so bewegt sie sich zusammen mit der reflektierenden Scheibe 23 gegen die Tellerfeder 22 nach oben, wodurch der Spalt zwischen der Scheibe 23 und dem unteren Boden 29 des Gehäuses 25 vergrößert wird.

Da die Kugel 21 bei seitlicher Beschleunigung sowohl eine nach oben gerichtete als auch eine seitliche Bewegung durchführt, führt dies zu geringen Winkelneigungen der reflektierenden Scheibe 23, was zu einer SignalVerfälschung führen würde. Zur Kompensation dieses Fehlers sind am unteren Boden 29 des Gehäuses 25 vier quadrantenweise angeordnete Sendelichtleiter 30, 31 eingefügt - in der Querschnittsdarstellung sind nur zwei Sendelichtleiter sichtbar -. Das von einem zentralen Empfangslichtleiter 32 empfangene Licht wird auf ein Photoelement geführt. Durch Mittelwertbildung aus den empfangenen Lichtintensitäten erfolgt somit die Fehlerkompensation.

Für dieses Ausführungsbeispiel ist die Empfindlichkeitscharakteristik E (&,■&) in Fig. 4b wiedergegeben, wobei u> und -P* die Winkelkoordinaten des Beschleunigungsvektors sind. Der Winkel des Sperrbereichs, in welchem der Beschleunigungsmesser nicht anspricht, entspricht dem Winkel, welchen die Berührungspunkte der Kugel 21 mit der kegligen Auflage 25.1 zusammen mit dem Kugelmittelpunkt einschließen.

Bei dem in Fig. 5a dargestellten Beschleunigungsmesser wird die Oberfläche einer gehärteten und polierten Kugel 41 als reflektierende Fläche benutzt. Durch einen zentralen Empfangslichtleiter 50 wird das von vier quadrantenweise angeordneten Sendelichtleitern (49.1, 49.2) ausgesandte Licht, welches in dem Spalt zwischen der Kugeloberfläche und einer reflektierenden Scheibe 43 mehrfach reflektiert wird, empfangen.

909818/0228

Da sich die Lichtintensität bei diesem Beschleunigungsmesser nicht linear mit dem Abstand der Kugeloberfläche von der Scheibe 43 ändert, sondern in dem interessierenden, aus der Figur zu entnehmenden Abstandsbereich mehr als linear ansteigt, wird die Kugel 41 zum Ausgleich dieser Verzerrungen über einen definiert auf das Gehäuse 45 aufgeschraubten Deckel gegen eine federnde und dämpfende Scheibe 48 mit nichtlinearer Charakteristik, z.B. aus Silikongummi, gedrückt. In Zusammenwirkung mit der linearen Kennlinie einer geeigneten dimensionierten Spiralfeder 42 sorgt die Scheibe 48 für den definierten Andruck der Kugel 41 an die keglige Auflagefläche 45.1 des Gehäuses 45.

Werden die vier Sendelichtleiter (49.1, 49.2) aus derselben Lichtquelle gespeist, so mitteln sich, wie bereits unter Fig.4a beschrieben, durch seitliche Kugelverlagerungen hervorgerufene Verzerrungen heraus. Wird das Sendelicht der vier Sendelichtleiter jedoch verschieden moduliert, oder werden verschiedene Wellenlängen benutzt, so kann eine selektive Bestimmung des Horizontalwinkels ^der Beschleunigung erfolgen. Dies ist möglich, da bei horizontaler Beschleunigungseinwirkung die Kugel 41 nicht nur nach oben, sondern auch seitlich auf der Kegelfläche 45.1 auswandert. Bewegt sich die Kugel z.B. auf den Lichtleiter 49.2 zu, so empfängt der Lichtleiter 50 von diesem weniger Licht als von dem Lichtleiter 49.1. Aus der daraus folgenden Intensitätsverteilung der vier Modulationen bzw. Wellenlängen, die am Ausgang des Empfangslichtleiters leicht getrennt werden können, ist dann zusätzlich zur Höhe der Beschleunigung über die in Fig, 5a dargestellte Empfindlichtkeitscharakteristik, welche aus der Summe der Intensitäten der vier Modulationen bzw. Wellenlängen abgeleitet werden kann, auch eine Aussage über den Horizontalwinkel ~ der einwirkenden Beschleunigung ableitbar. Dies ist besonders für

/11

909818/0228

die Verwendung des Beschleunigungsmessers als Aufprallsensor in Kraftfahrzeugen von Vorteil, da das Verhalten von Rückhaltesystemen hierdurch den verschiedenen AufprallSituationen besser angepaßt werden kann.

909818/6228

Claims (7)

1. Patentansprüche

   Analoger Beschleunigungsmesser mit einer tragen Masse und einer Einrichtung zur Messung einer auf die träge Masse wirkenden Kraft bei der nach Patentanmeldung P 26 24 884.0 die Einrichtung zwei reflektierende Flächen, welche einen Spalt bilden, und mindestens eine im Bereich des Spaltes angeordnete Austrittsöffnung einer Lichtquelle sowie mindestens eine im Bereich des Spaltes angeordnete Lichteintrittsöffnung für eine Einrichtung, mit welcher die ein Maß für die Beschleunigung darstellende Intensität des an den Flächen reflektierten

   /2

   909818/0228

   Lichtes der Lichtquelle zur Bildung eines Meßsignals meßbar ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß der Spalt durch eine auf die träge Masse (1,21,41) wirkende Kraft veränderbar ist.
2. 2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand (d) der reflektierenden Flächen durch eine auf die träge Masse wirkende Kraft veränderbar ist.
3. 3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die reflektierenden Flächen (1.1, 3.1; 23,29) planparallel sind.
4. 4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest eine der reflektierenden Flächen (21,41) sphärisch ist.
5. 5. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß eine der reflektierenden Flächen (1.1, 23) durch ein Federelement abgestützt ist und mit der tragen Masse (1,21) in Wirkverbindung steht.
6. 6. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß eine der reflektierenden Flächen (41) durch eine Dämpfungsmasse (48) abgestützt ist.
7. 7. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß im Bereich des durch die reflektierenden Flächen (41,43) gebildeten Spaltes die Austrittsöffnungen von mindestens drei, vorzugsweise vier Lichtquellen (49.1, 49.2) mit unterschiedlicher Modulation oder Frequenz angeordnet sind.

   909818/0228