DE3542397A1 - Arrangement for functional testing of piezoelectric acceleration pick-ups - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Funktionsprüfung von piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern, die mehrere mit Elektroden versehene piezoelektrische Elemente aufweisen, von denen mindestens eines als Meßsensor bei Beaufschlagung durch eine von der aufzunehmenden Beschleunigung verursachte Kraft eine elektrische Reaktionsspannung erzeugt.The invention relates to an arrangement for Functional test of piezoelectric accelerometers, the multiple electrode-provided piezoelectric Have elements, at least one of which as a measuring sensor when applied by one of the force to be absorbed caused an electrical force Reaction voltage generated.
Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer mit einem als Ringscheibe ausgebildeten piezoelektrischen Element sind z. B. aus der DE-OS 30 29 847 und der DE-PS 30 37 835 bekannt. Ein aus dem Buch "Sensor and Analyzer Handbook" Prentice-Hall, Inc., 1982 bekannter piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer besitzt zwei aufeinander liegende ringförmige Scheiben aus Quarzkristall als piezoelektrisches Element. Die beiden Quarzkristallscheiben sind am Rande mit einer Metallisierung versehen. Als Bimorph- Biegeelement ausgebildete piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer sind in dem Valvo Datenbuch über "Piezoxide (PXE)" 1985 beschrieben.Piezoelectric accelerometers with an as Are annular piezoelectric element e.g. B. from DE-OS 30 29 847 and DE-PS 30 37 835 known. One from the book "Sensor and Analyzer Handbook" Prentice-Hall, Inc., 1982 known piezoelectric Accelerometer has two superimposed ones circular disks made of quartz crystal as piezoelectric Element. The two quartz crystal disks are on Metallize the edges. As a bimorph Bending element designed piezoelectric accelerometers are in the Valvo data book about "Piezoxid (PXE) "1985.
Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer werden zunehmend für Aufgaben mit hohen Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit eingesetzt. In Kraftfahrzeugen werden piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer als Aufprallsensoren verwendet, z. B. zur Auslösung von Gurtstraffer-Systemen oder zur Auslösung einer Luftsackfüllautomatik, wobei sich bei einem Aufprall die Gurte straffen bzw. vor dem Fahrer ein Luftsack aufbläst. Ferner benutzt man piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer in Kraftfahrzeugen als Klopfsensoren, um beim Auftreten von Klopferscheinungen die Zündelektronik des Motors entsprechend nachzuregeln. Bei derartigen Einsätzen von piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern ist eine periodische Überprüfung deren Funktion erforderlich. Diese Prüfung darf sich nicht auf die Elektronik beschränken. Zur Prüfung von piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern könnte man deren Kapazität messen, wobei man jedoch nur die Anwesenheit der piezoelektrischen Elemente und nicht die Funktion dieser Elemente sowie der gesamten Anordnung, in der diese Elemente aufgenommen sind, prüft.Piezoelectric accelerometers are becoming increasingly popular for tasks with high demands on their reliability used. In automobiles, piezoelectric Accelerometers as impact sensors used, e.g. B. for triggering belt tensioner systems or to trigger an automatic airbag filling, whereby in the event of an impact, tighten the seat belts or in front of the driver inflates an airbag. Piezoelectric is also used Accelerometers in motor vehicles as Knock sensors to detect knocking readjust the ignition electronics of the engine accordingly. In such applications of piezoelectric accelerometers is a periodic review of their Function required. This exam must not be based on limit the electronics. For testing piezoelectric Accelerometers could be used Measure capacity, but only the presence of the piezoelectric elements and not the function of these Elements as well as the overall arrangement in which these Items are included, checks.
Aus den DE-OS 31 03 061 und 32 41 601 sind piezoelektrische Stellglieder bekannt mit mehreren scheibenförmigen Piezoelementen, von denen eines zeitweise als Meßsensor verwendet wird. Zu diesem Zweck werden die Elektroden dieses Elementes gesondert aus dem Paket der Piezoelemente herausgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, die Arbeit des Stellgliedes oder das Verhalten des Stellmediums zu überwachen. Derartige piezoelektrische Stellglieder bewirken eine mechanische Verschiebung und können z. B. in Kraftstoffeinspritzventilen eingesetzt werden. Sie erzeugen keine elektrische Reaktionsspannung.DE-OS 31 03 061 and 32 41 601 are piezoelectric Actuators known with several disc-shaped Piezo elements, one of which is used temporarily as a measuring sensor is used. For this purpose the electrodes this element separately from the package of piezo elements led out. This way it is possible to do the job of the actuator or the behavior of the actuating medium monitor. Such piezoelectric actuators cause a mechanical shift and can e.g. B. in Fuel injectors are used. they do not generate an electrical reaction voltage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Funktionsprüfung von piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern mit mehreren piezoelektrischen Elementen zu schaffen, von denen mindestens eines ständig als Meßsensor dient.The invention has for its object an arrangement for functional testing of piezoelectric accelerometers with several piezoelectric elements to create, of which at least one is constantly used as a measuring sensor.
Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß wenigstens eines der piezoelektrischen Elemente zeitweise als Aktuator für das (die) andere(n) Piezoelement(e) dient, indem den Elektroden des Aktuatorelementes eine elektrische Prüfspannung zugeführt wird. This task is mentioned in an arrangement at the beginning Kind solved according to the invention in that at least one of the piezoelectric elements temporarily as an actuator for the other piezo element (s) by the electrodes of the actuator element are electrical Test voltage is supplied.
Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur das als Meßsensor wirkende piezoelektrische Element in seiner Funktion zu prüfen, sondern die gesamte Schaltungsanordnung, in welche dieses Element aufgenommen ist. Bei Einsatz in Kraftfahrzeugen kann die Funktionsprüfung des piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers z. B. jeweils bei Betätigung des Zündschlüssels erfolgen.In this way it is possible not only as a measuring sensor acting piezoelectric element in its Check function, but the entire circuit arrangement, in which this element is included. At Use in motor vehicles can test the functionality of the piezoelectric accelerometer z. B. each when the ignition key is pressed.
Um an die Elektroden des Aktuatorelements die elektrische Prüfspannung anlegen zu können, besitzt der Beschleunigungsaufnehmer vorzugsweise zwei aufeinander liegende piezoelektrische Scheiben bzw. Platten, deren Mittel- und Außenelektroden mit Kontaktanschlüssen versehen sind.To the electrical of the electrodes of the actuator element The accelerometer has the ability to apply test voltage preferably two superimposed piezoelectric disks or plates, their middle and External electrodes are provided with contact connections.
Die piezoelektrischen Elemente können Platten eines einseitig an einem Grundkörper befestigten Bimorph- Biegelementes sein (vgl. Valvo Datenbuch über "Piezoxide (PXE)" 1985).The piezoelectric elements can be a plate Bimorph fixed on one side to a base body Be a bending element (cf. Valvo data book on "Piezoxid (PXE) "1985).
Bei einem anderen für die Zwecke der Erfindung geeigneten piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer sind die piezoelektrischen Elemente axial polarisierte Ringscheiben, die unter Zwischenfügung von Kontaktscheiben zusammen mit einer seismischen Masse unter Vorspannung an einem Grundkörper befestigt sind. Hierbei dient eine der Ringscheiben als Meßsensor und die andere als Aktuatorelement zum Prüfen des Beschleunigungsaufnehmers.Another suitable one for the purposes of the invention piezoelectric accelerometers are the piezoelectric elements axially polarized washers, with the interposition of contact washers together with a seismic mass under prestress are attached to a base body. Here one of the Ring disks as a measuring sensor and the other as an actuator element for testing the accelerometer.
Zweckmäßigerweise ist an die Elektroden bzw. Kontaktscheiben des Aktuatorelementes ein Prüfimpuls-Generator und an die Elektroden bzw. Kontaktscheiben des als Meßsensor wirkenden piezoelektrischen Elementes eine Auswerteschaltung mit einer Funktionsanzeige angeschlossen. Hierbei kann in die Versorgungsleitung des Prüfimpuls-Generators ein Ein/Aus-Schalter und zwischen Auswerteschaltung und Funktionsanzeige ein Umschalter eingefügt sein, der mit dem Ein/Aus-Schalter gekoppelt ist und in der Aus-Stellung dieses Schalters die Auswerteschaltung mit einer Funktionseinheit verbindet.It is expedient to attach the electrodes or contact disks of the actuator element, a test pulse generator and to the electrodes or contact disks as a measuring sensor acting piezoelectric element Evaluation circuit connected with a function display. Here, the supply line of the Test pulse generator an on / off switch and between Evaluation circuit and function display a switch be inserted, which is coupled to the on / off switch and in the off position of this switch the evaluation circuit connects with a functional unit.
Wenn zur Erzeugung der Prüfspannung nur eine möglicherweise nicht ausreichende Niedervoltspannungsquelle zur Verfügung steht, wie es z. B. in Kraftfahrzeugen mit einer Autobatterie von 12 V der Fall ist, enthält gemäß einer Weiterbildung der Anordnung nach der Erfindung der Prüfimpuls- Generator eine Induktivität, die mit dem Aktuatorelement in Reihe schaltbar ist und dessen Prüfspannung erzeugt.If only one could be used to generate the test voltage not sufficient low voltage source for Is available as z. B. in motor vehicles with a Car battery of 12 V contains the case according to one Development of the arrangement according to the invention of the test pulse Generator an inductance that with the actuator element can be connected in series and its test voltage generated.
Einige Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigenSome embodiments according to the invention now explained in more detail with reference to the drawing. Show it
Fig. 1 eine Anordnung zur Funktionsprüfung eines als Bimorph-Biegeelement ausgebildeten piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers, Fig. 1 shows an arrangement for testing the function of a formed as a bimorph bending element piezoelectric accelerometer,
Fig. 2 die Schaltung eines bei der Anordnung nach Fig. 1 verwendeten Prüfimpuls-Generators, Fig. 2, the circuit of the arrangement of FIG. 1 used test pulse generator,
Fig. 3 einen mit zwei axial polarisierten Ringscheiben versehenen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer mit einer Prüfanordnung nach der Erfindung. Fig. 3 is a provided with two axially polarized annular discs piezoelectric accelerometer with a test arrangement according to the invention.
Der piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer nach Fig. 1 ist als Bimorph-Biegeelement 1 ausgebildet. Er besteht aus zwei streifenförmigen Platten 2 und 3 aus piezoelektrischem Material, z. B. aus Blei-Titanat/Zirkonat- Keramik. Die beiden Platten 2 und 3 sind in ihrer Dickenrichtung polarisiert. Ihre gemeinsame Mittelelektrode 4 war während des Polarisiervorganges mit einer positiven Spannung verbunden, während die Außenelektrode 5 der Platte 2 und die Außenelektrode 6 der Platte 3 mit einer negativen Spannung verbunden waren. Die beiden Platten 2 und 3 sind durch Kleben miteinander verbunden. Das gesamte Biegeelement 1 ist z. B. durch Klebung auf einem massiven Grundkörper 7 aus Messing befestigt, der sich im Motorraum eines Kraftfahrzeuges befinden kann. Die Platte 2 ist etwas kürzer als die Platte 3, so daß die gemeinsame Mittelelektrode 4 von außen zugängig ist. Dieser Teil der Mittelelektrode 4, die Außenelektrode 5 selbst sowie der metallene Grundkörper 7 dienen als Kontaktanschlüsse für die Elektroden.The piezoelectric accelerometer according to FIG. 1 is designed as a bimorph bending element 1 . It consists of two strip-shaped plates 2 and 3 made of piezoelectric material, for. B. made of lead titanate / zirconate ceramic. The two plates 2 and 3 are polarized in their thickness direction. Their common center electrode 4 was connected to a positive voltage during the polarization process, while the outer electrode 5 of plate 2 and the outer electrode 6 of plate 3 were connected to a negative voltage. The two plates 2 and 3 are connected to each other by gluing. The entire bending element 1 is, for. B. attached by gluing to a solid body 7 made of brass, which can be located in the engine compartment of a motor vehicle. The plate 2 is somewhat shorter than the plate 3 , so that the common center electrode 4 is accessible from the outside. This part of the center electrode 4 , the outer electrode 5 itself and the metal base body 7 serve as contact connections for the electrodes.
Die Platte 2 dient als Meßsensor für eine aufzunehmende Beschleunigung. An die Elektroden 4 und 5 dieser Meßsensorplatte 2 ist eine Auswerteschaltung 8 angeschlossen, welche die durch eine von der aufzunehmenden Beschleunigung verursachte Kraft erzeugte elektrische Reaktionsspannung auswertet, gegebenenfalls verstärkt und dann über einen Umschalter 9 an eine Funktionseinheit 10 weitergibt, welche z. B. einen Gurtstraffer oder Luftsackfüller in einem Kraftfahrzeug auslöst.The plate 2 serves as a measuring sensor for an acceleration to be recorded. An evaluation circuit 8 is connected to the electrodes 4 and 5 of this measuring sensor plate 2 , which evaluates the electrical reaction voltage generated by a force caused by the acceleration to be recorded, amplifies it if necessary and then passes it on via a changeover switch 9 to a functional unit 10 which, for. B. triggers a belt tensioner or airbag filler in a motor vehicle.
An die Elektroden 4 und 6 der als Aktuatorelement dienenden Platte 3 ist ein Prüfimpuls-Generator 11 angeschlossen, der über einen Ein/Aus-Schalter 12 an eine Spannungsquelle U B , z. B. eine 12 V-Autobatterie anschließbar ist. Die beiden Schalter 9 und 12 sind miteinander gekoppelt. In der Schalterstellung a ist der Prüfimpuls-Generator 11 von der Spannungsquelle U B getrennt und die Auswerteschaltung 8 mit der Funktionseinheit 10 verbunden. In dieser Schalterstellung wirkt das Biegeelement 1 als Beschleunigungsaufnehmer. A test pulse generator 11 is connected to the electrodes 4 and 6 of the plate 3 serving as an actuator element. The test pulse generator 11 is connected via an on / off switch 12 to a voltage source U B , for. B. a 12 V car battery can be connected. The two switches 9 and 12 are coupled to one another. In switch position a , the test pulse generator 11 is disconnected from the voltage source U B and the evaluation circuit 8 is connected to the functional unit 10 . In this switch position, the bending element 1 acts as an accelerometer.
Zur Funktionsprüfung werden die beiden Schalter 9 und 12 in die Stellung b umgeschaltet. Hierbei wird der Prüfimpuls- Generator 11 an die Spannungsquelle U B angeschlossen, so daß er einen oder mehrere Prüfimpulse auf die Elektroden 4 und 6 der piezoelektrischen Platte 3 gibt. Durch Anlegen der Prüfspannung an die piezoelektrischen Platte 3 verformt sich diese und übt auf die Meßsensor- Platte 2 eine mechanische Kraft aus, welche wiederum in der Platte 2 eine elektrische Reaktionsspannung hervorruft. Diese Reaktionsspannung wird auf die Auswerteschaltung 8 und von dort über den Umschalter 9 auf eine Funktionsanzeige 13 gegeben, welche z. B. bei Funktionieren der Anordnung ein entsprechendes Zeichen gibt oder bei Nichtfunktionieren der Anordnung ein Warnsignal auslöst.For the functional test, the two switches 9 and 12 are switched to position b . Here, the test pulse generator 11 is connected to the voltage source U B , so that it gives one or more test pulses to the electrodes 4 and 6 of the piezoelectric plate 3 . By applying the test voltage to the piezoelectric plate 3 , the latter deforms and exerts a mechanical force on the measuring sensor plate 2 , which in turn causes an electrical reaction voltage in the plate 2 . This reaction voltage is given to the evaluation circuit 8 and from there via the switch 9 to a function display 13 , which, for. B. gives a corresponding sign when the arrangement is functioning or triggers a warning signal when the arrangement is not functioning.
Fig. 2 zeigt Schaltungseinzelheiten des zur Funktionsprüfung des Biegeelementes 1 verwendeten Prüfimpuls- Generators 11. Diese Schaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn für das Aktuatorelement eine hohe Steuerspannung erforderlich ist, aber nur eine relativ kleine Betriebsspannung U B , z. B. aus einer 12 V-Autobatterie, zur Verfügung steht. An die Spannungsquelle U B ist über den Ein/Aus-Schalter 12 eine Induktivität 14 in Reihe mit einem Transistor 15 geschaltet. Zwischen Induktivität 14 und Transistor 15 ist eine Diode 16 angeschlossen, welche mit der Elektrode 6 der als Meßsensor dienenden piezoelektrischen Platte 3 des Biegeelementes 1 verbunden ist. Parallel zur Meßsensor-Platte 3 ist die Reihenschaltung eines Widerstandes 17 und eines weiteren Transistors 18 geschaltet. Die Basen der beiden Transistoren 15 und 18 sind an eine Steuereinrichtung 19 angeschlossen, welche diese beiden Transistoren steuert. Fig. 2 shows details of the circuit Prüfimpuls- generator 11 used for testing the function of the bending element 1. This circuit is particularly advantageous when a high control voltage is required for the actuator element, but only a relatively low operating voltage U B , e.g. B. from a 12 V car battery, is available. An inductance 14 is connected in series with a transistor 15 to the voltage source U B via the on / off switch 12 . A diode 16 is connected between the inductor 14 and the transistor 15 and is connected to the electrode 6 of the piezoelectric plate 3 of the bending element 1 serving as a measuring sensor. The series circuit of a resistor 17 and a further transistor 18 is connected in parallel with the measuring sensor plate 3 . The bases of the two transistors 15 and 18 are connected to a control device 19 which controls these two transistors.
Für die Funktionsprüfung des Biegeelementes 1 wird über die Steuereinrichtung 19 der Transistor 15 zunächst leitend geschaltet. Die als Induktivität dienende Spule 14 nimmt dann eine Energie 1/2 LI 2 auf, wobei I von der Einschaltdauer und der Zeitkonstanten der Spule 14 abhängt und somit steuerbar ist. Anschließend wird der Transistor 15 wieder ausgeschaltet. Die Energie der Spule 14 wird dann über die Diode 16 auf das Aktuatorelement 3, das eine Kapazität C besitzt, übertragen und ergibt dort eine Spannung U = I√L/C. Gegebenenfalls kann durch wiederholtes Ein- und Ausschalten des Transistors 15 die Spannung am Aktuatorelement 3 soweit erhöht bzw. im zeitlichen Verlauf beeinflußt werden, daß an der Außenelektrode 5 des Meßsensor-Elementes 2 eine anwendungstypische Reaktionsspannung abgenommen werden kann. Nach Durchführung des Prüfprogrammes wird der Transistor 18 eingeschaltet, worauf über den Strombegrenzungswiderstand 17 eine definierte, durch mehrfaches Schalten auch im zeitlichen Verlauf beeinflußbare Entladung des Aktuatorelementes 3 erfolgt.For the functional test of the bending element 1 , the transistor 15 is first turned on via the control device 19 . The coil 14 serving as an inductor then absorbs an energy 1/2 LI 2 , where I depends on the duty cycle and the time constant of the coil 14 and is therefore controllable. The transistor 15 is then switched off again. The energy of the coil 14 is then transferred via the diode 16 to the actuator element 3 , which has a capacitance C , and there results in a voltage U = I √ L / C. If necessary, by repeatedly switching the transistor 15 on and off, the voltage at the actuator element 3 can be increased or influenced over time so that a reaction voltage typical of the application can be removed from the outer electrode 5 of the measuring sensor element 2 . After the test program has been carried out, the transistor 18 is switched on, whereupon a defined discharge of the actuator element 3 takes place via the current limiting resistor 17 , which discharge can also be influenced over a number of times.
Der in Fig. 3 dargestellte piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer besitzt zwei axial polarisierte Ringscheiben 22und 23, von denen die Ringscheibe 22 als Meßsensor und die Ringscheibe 23 als Aktuator dient. Die beiden Ringscheiben 22 und 23 sind unter Zwischenfügung einer mittleren Kontaktscheibe 24 und zweier äußerer Kontaktscheiben 25 und 26 auf einem rohrförmigen Isolierkörper 27 angeordnet. Auf dieses Paket ist ein Isolierring 28 aufgesetzt und darauf eine schwere seismische Masse 29, z. B. aus Messing. Die seismische Masse 29 ist mit einer Mittelbohrung versehen, durch die ein Schraubbolzen 30 hindurchgeführt ist, mit dessen Hilfe das Ganze an einem Grundkörper 31 befestigt ist. Zwischen den Kopf des Schraubbolzens 30 und der seismischen Masse 29 ist eine tellerförmige Federscheibe 32 angeordnet, welche die Ringscheiben 22 und 23 unter Vorspannung hält. Der Grundkörper 31 mit dem auf ihm montierten Beschleunigungsaufnehmer kann z. B. im Motorraum eines Kraftfahrzeuges untergebracht werden. An die Kontaktanschlüsse 24 a und 26 a der Kontaktscheiben 24 und 26 der als Aktuatorelement dienenden Ringscheibe 23 ist wiederum ein Prüfimpuls- Generator 11 angeschlossen, während die Kontaktanschlüsse 24 a und 25 a der Kontaktscheiben 24 und 25 der als Meßsensor wirkenden Ringscheibe 22 mit einer Auswerteschaltung 8 verbunden ist. Die weiteren Anschlüsse des Prüfimpuls-Generators 11 und der Auswerteschaltung 8 entsprechen der in Fig. 1 dargestellten Schaltunganordnung.The piezoelectric accelerometer shown in Fig. 3 has two axially polarized washers 22 and 23 , of which the washer 22 serves as a measuring sensor and the washer 23 as an actuator. The two annular disks 22 and 23 are arranged on a tubular insulating body 27 with the interposition of a middle contact disk 24 and two outer contact disks 25 and 26 . An insulating ring 28 is placed on this package and a heavy seismic mass 29 , e.g. B. made of brass. The seismic mass 29 is provided with a central bore through which a screw bolt 30 is guided, with the aid of which the whole is fastened to a base body 31 . Between the head of the bolt 30 and the seismic mass 29 , a plate-shaped spring washer 32 is arranged, which holds the washers 22 and 23 under tension. The base body 31 with the accelerometer mounted on it can e.g. B. in the engine compartment of a motor vehicle. A test pulse generator 11 is in turn connected to the contact connections 24 a and 26 a of the contact disks 24 and 26 of the ring disk 23 serving as the actuator element, while the contact connections 24 a and 25 a of the contact disks 24 and 25 of the ring disk 22 acting as a measuring sensor have an evaluation circuit 8 is connected. The further connections of the test pulse generator 11 and the evaluation circuit 8 correspond to the circuit arrangement shown in FIG. 1.
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