DE2748173B2 - Beschleunigungsmesser - Google Patents
BeschleunigungsmesserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsmesser mit einer tragen Masse und einer Einrichtung zur
Messung der auf die träge Masse wirkenden Kraft.
Nach Patentanmeldung P 26 24 884.0 weist die Einrichtung zur Messung der Kraft zwei gegenüberliegende
reflektierende Flächen, welche einen Spalt bilden, >o
auf. Im Bereich des Spaltes ist mindestens ein.; Austrittsöffnung einer Lichtquelle und mindestens eine
Lichteintrittsöffnung angeordnet. Die Lichteintrittsöffnung ist mit einer Einrichtung verbunden, mit welcher
die ein Maß für die Beschleunigung darstellende v, Intensität des an den Flächen mehrfach reflektierten
Lichtes der Lichtquelle zur Bildung eines Meßsignals meßbar ist.
Gemäß der obengenannten Patentanmeldung P 26 24 884.0 bilden die reflektierenden Flächen der bo
Einrichtung zur Messung der Kraft einen Spalt, dessen eingeschlossener Winkel durch eine auf die träge Masse
wirkende Kraft veränderbar ist. Durch 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 der vorliegenden Erfindung, der
Abstand der reflektierenden Flächen veränderbar ist Unter eine Abstandsänderung zweier Flächen kann jede
Veränderung fallen, die zwei gedachte Festpunkte auf den Flächen relativ zueinander durchführen. Dadurch
wird die der älteren Erfindung gemäß P 26 24 884.0 zugrunde liegende Aufgabe, nämlich einen kostengünstigen
Beschleunigungsmesser zu schaffen, dessen Verhalten von der Temperatur und von Alterungseinflüssen
weitgehend unberührt bleibt, ebenfalls gelöst Die reflektierenden Flächen können entweder planparallel sein oder es kann zumindest eine der Flächen
sphärisch sein.
Eine über einen weiten Bereich kontinuierliche Beschleunigungsmessung wird in vorteilhafter Weise
dadurch erreicht daß eine der reflektierenden Flächen durch ein Federeiemeni abgestützt ist und mit der
trägen 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 vier Lichtquellen mit unterschiedlicher Modulation oder
Frequenz angeordnet sind.
Die Erfindung wird im weiteren anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert
Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Beschleunigungsmesser mit zylindrischer träger Masse,
F i g. 2a, b die mathematischen Beziehungen für einen in einem Spalt mehrfach reflektierten Lichtstrahl,
F i g. 3a, b die mathematischen Beziehungen für ein von einem Lichtleiter ausgesanritss und in einem Spalt
mehrfach reflektiertes Lichtstrahlen;Andel,
Fig.4a, b einen Querschnitt durch einen Beschleunigungsmesser
mit kugelförmiger träger Masse und die zugehörige Empfindlichkeitscharakteristik,
Fig. 5a, b einen Querschnitt durch ein weiteres Ausfühlungsbeispiel 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 Bedampfung 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 3.1 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 ( + ty die Masse 1 gegen die
Feder 2 drückt und einen Weg zurücklegt, durch den der Abstand (/vergrößert wird. Bei linearer Federkennlinie
ist der Zuwachs von d proportional der wirkenden Beschleunigung b. Sobald der Abstand (Zum den Wert Δ
zugenommen hat, tritt durch Wirksamwerden der
Dämpfung 8 an der Deckelinnenfläche eine Begrenzungs-
und Dämpfungswirkung ein, welche ein Aufschaukeln von hochfrequenten Schwingungen verhindert
Der Wert von Δ 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 wir Λ die Bewertung negativer, zur Richtung
+ b entgegengesetzter Beschleunigungen verhindert ι ο
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 1.1 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
Reflexionskoeffizienten ρ haben, ist dem Lieh:, 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 ρ der Flächen 1.1, 3.1 ist über
einen Bereich von-i-von 0 bis 70% eine rechnerisch
ο
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. r,
Für den in Fig. 2a dargestellten Spalt der Breite d
und der Länge 5 zwischen zwei reflektierenden Flächen ist die Zahl der Reflexionen für einen seitlich in den
Spalt eintretenden Lichtstrahl:
7TgT
(I)
Für einen Lichtstrahl mit der Intensität J1 im Punkt A
und /2 im Punkt ßgilt in guter Näherung:
= J1
= J1
wobei ρ der Reflexionshoeffizicnt und y =
ist. Ein
hinreichend großer Linearitätsbereich zwischen der Spaltbreitt c/und der Intensität des reflektierten Lichtes
/2 wird beispielsweise bei folgender Dimensionierung erreicht: Spaltlänge 5= 10 mm, Lichteintrittswinkel
λ = 45° und Reflexionskoeffizient ρ = 0,8. Wird die y,
Intensität des einfallenden Lichtes /1 = 1 gesetzt, so reicht der Linearitätsbereich für den Abstand d etwa
von 0,9bis 1,1 mm, was in der Fig. 2bdargestellt ist.
Bei dem in Fig. I dargestellten Ausführungsbeispiel verläßt jedoch nicht nur ein Lichtstrahl, sondern ein ho
Lichtstrahlenbündel den Wellenleiter 10. Der Einfluß eines derartigen Strahlenbündels auf die Linearität des
Beschleunigungsmessers wird anhand der F i g. 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 L 1 die Absh.idskoordinaten W\ und w2 hat
und unter einem Winke! ψ gegen die Horizontale geneigt ist Die Eintrittsöffnung des Lichtleiters L1 hat
einen Durchmesser ai. Der minimale, mittlere und maximale Eintrittswinkel des von der Lichtquelle L
ausgehenden Lichtbündels läßt sich über die Geometrie der Anordnung leicht berechnen. Für ψ = 45°,
W\ = W2 = 5 mm, a\ = i/2"mm, aa = 2 mm ergibt sich
für den minimalen Eintrittswinkel:
<xmi„ = 32,47°
für den mittleren Eintrittswinkel:
für den mittleren Eintrittswinkel:
und für den maximalen Eintrittswinkel:
Aus dem Lichtleiter tritt dann das Licht in einem Ringbereich aus, welcher durch die Kxeiskegel mit den
Öffnungswinkeln <xm,>, und «mir begrenzt ist
Mit Hilfe der Formel (2) läßt sich nun die Intensität
eines solchen zwischen zwei Flächen mehrfach reflektierten Lichtbündeis in Abhängigkeit vo-n Abstand der
reflektierenden Flächen berechnen. Für das Zahlenbeispiel aus den F i g. 2a und b, jedoch mit einem höheren
Reflexionskoeffizienten von ρ = 0,85 ist die Abhängigkeit de- Intensität /2 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 «mm bis amal
durch Geraden wiedergegeben werden (s. F i g. 3b). 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-Empfindlichkeitscharakteristik. Eine als Kugel ausgebildete träge Masse 21 wird über eine Teilerfeder
22 gegen eine kegelförmig ausgebildete Auflage 25.1 des Gehäuses 24 definiert angedrückt. Eine reflektierende
Scheibe 23 wird über eine Spiralfeder 24 gegen die Kugil 21 gedruckt, 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 und
28, die z. B. aus Silikongummi bestehen können, haben die Aufgabe, bei extremen Beschleunigungen die
Auslenkungen der Kugel zu begrenzen und Schwingungen zu dämpfen.
Wird bei normalen Betriebszuständen die träge MassF ?.\ relativ zum Gehäuse. 25 seitlich oder nach
oben beschleunigt, so bewegt sie sich zusammen mit der reflektierenden Sc! eibe 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 jei seitlicher Beschleunigung sowohl
eine narh oben gelichtete als auch eine seitliche Bewegung durchführt, führt dies zu geringen Wirkelneigungen
der reflektierenden Scheibe 23, was zu einer Signalverfälschung führen würde. Zur Kompensation
dieses Fehlers sind am unteren Boden 29 des Gehäuses 25 vier quadrantenwdse atigeordnete 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 (φ, ö) in Fi g. 4b wiedergegeben,
wobei φ und ■& 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 Kügeiüuemäine und einer reflektierenden
Scheibe 43 mehrfach reflektiert wird, empfangen.
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 47
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
to 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 fviuuulaiiuiieii U£w. "A'eiieiiiäiigen, die am Ausgang lies
Empfangslichtleiters 50 leicht getrennt werden können.
ist dann zusätzlich zur Höhe der Beschleunigung über die in Fig. 5a dargestellte Empfindlichkeitscharakteristik,
welche aus der Summe der Intensitäten der vier Modulationen bzw. Wellenlängen abgeleitet werden
kann, auch eine Aussage über den Horizontalwinkel i9
2-5 der einwirkenden Beschleunigung ableitbar. Dies ist
besonders für die Verwendung des Beschleunigungsmesser . als Aufprallsensor in Kraftfahrzeugen von
Vorteil, da das Verhalten von Rückhaltesystemen hierdurch den verschiedenen Aufprallsituationen besser
jo angepaßt werden kann.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Beschleunigungsmesser mit einer tragen Masse und einer Einrichtung zur Messung der auf die träge
Masse wirkenden Kraft bei der nach Patentanmeldung P 26 24 883.0 die Einrichtung zwei gegenüberliegende
reflektierende Flächen, welche einen Spalt bilden, und mindestens eine im Bereich des Spaltes
angeordnete Austrittsöffnung einer Lichtquelle ι ο 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 mehrfach reflektierten Lichtes der Lichtquelle zur Bildung
eines Meßsignals meßbar ist, aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstand der reflektierenden Flächen veränderbar ist
2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden
Flächen (i.1,3.1; 23,29) planparallei sind.
3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der
reflektierenden Flächen (21,41) sphärisch ist
4. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüehe
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der reflektierenden Flächen (1.1,23) durch ein Federelement
abgestützt ist und mit der trägen Masse (1, 21) in Wirkverbindung steht.
5. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprü- jo
ehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der reflektierenden Flächen (41) Hnrch eine Dämpfungsmasse (48) abgestützt ist.
6. Beschleunigungsmesser nac^ einem der Ansprüche
I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich J5
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.
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ID=6022402
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