DE3608274A1

DE3608274A1 - Sensor

Info

Publication number: DE3608274A1
Application number: DE19863608274
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Higashimatsuyama Saitama Hiyama
Original assignee: Diesel Kiki Co Ltd
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1985-03-18
Filing date: 1986-03-12
Publication date: 1986-09-18
Also published as: AU565514B2; US4707927A; AU5477386A; JPS61212713A; KR890005281B1; KR860007535A; DE3608274C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung der Neigung oder der Beschleunigung eines Gegenstandes.

I / Ein solcher Sensor unter Verwendung von Quecksilber ist bereits in der japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift 50-31954 bekannt. Dieser vorbekannte Sensor hat jedoch die folgenden Nachteile:

Da die Neigung anhand des Gegebenseins oder des Fehlens eines Kontaktes zwischen einer Kontaktelektrode und dem Quecksilber festgestellt wird, ist der feststellbare Neigungswinkel auf einen bestimmten Winkel festgelegt,

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PSchA Hamburg

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bei dem eine Kontaktelektrode und das Quecksilber einander berühren. Für andere Neigungswinkel kann der vorbekannte Sensor nicht verwendet werden.

Auch ist die Richtung der feststellbaren Neigung begrenzt, da die Anzahl von Kontaktelektroden beschränkt ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der vorbekannten Beschleunigungsmeßgerate zu überwinden und einen neuen, verbesserten Sensor zu schaffen.

Dabei soll ein Sensor geschaffen werden, der den Neigungswinkel kontinuierlich in allen Richtungen einer Fläche feststellen kann. Der Sensor soll weiter dazu in der Lage sein, Beschleunigungen des Gegenstandes zu messen. "-

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine **

kugelförmige Zentralelektrode, eine Vielzahl von elektrisch voneinander unabhängigen Meßelektroden, die der Zentralelektrode gegenüber so angeordnet sind, daß ein Raum in Form eines Kugelmantelabschnitts ausgebildet wird, ein in den Raum eingebrachtes, in diesem freibewegliches, viskoses Fluid, und eine Meßeinrichtung zum Messen der Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen der Zentralelektrode und jeder der Meßelektroden aufgrund einer Verlagerung des viskosen Fluids.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Beschreibung, in der ein Ausfuhrungsbespiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert wird. Dabei zeigt:

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Fig. 1 eine vertikale Querschnittsansicht des vorbekannten Neigungsmessers,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A des in Fig. 1 gezeigten Neigungsmessers,

Fig. 3 eine vertikale Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors,

Fig. 4 ein elektrisches Blockschaltbild des in Fig. 3 gezeigten Sensors,

Fig. 5 und Fig. 6 erläuternde Darstellungen, die die Arbeitsweise des in Fig. 3 gezeigten Sensors verdeutlichen,

Fig. 7 ein System zum Verarbeiten des Ausgangssignals der Meßeinheit für die elektrostatische Kapazität, und

Fig. 8 eine Zeichnung, die ein anderes System zur Berechnung des Ausgangssignals der elektrostatischen Kapazitätsmeßeinheit wiedergibt.

Fig. 1 zeigt ein Neigungsmeßgerät nach dem Stand der Technik (japanische Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift 50-31954).

Ein kugelförmiger Behälter ist auf einer Platte 2 befestigt. Der Behälter 1 nimmt Quecksilber 3 auf. Dieses Quecksilber 3 ist ständig in Berührung mit einer Elektrode 4. Der Behälter 1 ist an seiner Innenwand mit

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vier Kontaktelektroden 5a, 5b, 5c, 5d wie dies in Fig. 4 deutlich *** wird. Die Kontaktelektroden 5a, 5b, 5c, 5d sind so ausgebildet, daß bei einer horizontalen Ausrichtung der Platte 2 keine mit dem Quecksilber 3 in Berührung steht und das bei einer bestimmten Neigung der Platte 2 eine Kontaktelektrode in Neigungsrichtung mit dem Quecksilber 3 in Berührung kommt. Auf der Oberfläche des Quecksilbers 3 liegt eine Scheibe 6 auf. Wenn die Platte 2 um ein bestimmtes Ausmaß nach vorne oder nach hinten, nach links oder nach rechts geneigt ist, kommt eine in Neigungsrichtung angeordnete Kontaktelektrode mit dem Quecksilber 3 in Berührung. Die Kontaktelektrode, die mit dem Quecksilber 3 in Berührung kommt, ist damit mit der Elektrode 4 verbunden, die immer mit dem Quecksilber 3 in Berührung steht. Durch Einschalten einer (zeichnerisch nicht dargestellten), jeder der Kontaktelektroden zugeordneten Lampe bei Vorhandensein einer Verbindung mit der Elektrode 4, wird die Neigungsrichtung des Gegenstandes, auf den das Meßgerät aufgebracht ist, feststellbar.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausgestaltung wird im folgenden anhand der Fig. 3 bis 8 erläutert. Dabei zeigt Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensors und Fig. 4 eine Einrichtung zur elektrostatischen Kapazitätsmessung des in Fig. 3 gezeigten Sensors.

Ein Sensorgehäuse 10 besteht aus einer ebenen Platte 11 und einer Abdeckung 12. Die Abdeckung 12 hat eine geschlossene obere Fläche und sitzt unten auf der Platte 1 1 auf. Das Sensorgehäuse 10 nimmt eine Meßeinrichtung 13 und eine elektrostatische Kapazitätsmeßeinrichtung 1 4 auf.

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Die Meßeinrichtung 13 besteht aus einer Zentralelektrode 15_r vier Meßelektroden 16a_f 16b_r 16c und 16d_f die der gemeinsamen Elektrode 15 gegenüberliegend angeordnet sind, einem zwischen der Zentralelektrode 15 und den Meßelektroden 16a_f 16b_f 16c und 16d angeordneten magnetischen Fluid 17 und einem Isolationselement 18 zum Halten der gemeinsamen Elektrode 15 und der Meßelektrode 16a, 16b, 16c und 16d und zum Aufnehmen des magnetischen Fluids 17 ***auf. Die gemeinsame Elektrode 15 ist kugelförmig ausgebildet, sein Segment ist kreisbogenförmig. Das Isolationselement 18 hat einen kugelförmigen Abschnitt 18a, dessen Krümmungsradius größer ist als der der Zentralelektrode 15, wobei das Segment einen Kreisbogen darstellt und ein ringförmig vorstehender Abschnitt 1 8b von dem kugelförmigen Abschnitt 18a nach innen ragt. Ein Flanschabschnitt 18c ragt von dem kugelförmigen Abschnitt 18a nach außen. Das Isolationselement 18, das mit seiner konkaven Fläche nach oben weist, ist horizontal in der Abdeckung 12 angeordnet. An seinem Flanschabschnitt 18c ist das Isolationselement an der Innenwand des Behälters 1 2 befestigt. Die gemeinsame Elektrode 15, deren konkave Fläche nach oben weist, ist an dem vorstehenden Abschnitt 18b des Isolationselements 18 befestigt, so daß ein geschlossener kugelförmiger Raum 19 zwischen der gemeinsamen Elektrode 1 5 und dem kugelförmigen Abschnitt 1 8a des Isolationselements 18 ausgebildet wird. Die Meßelektroden 16a, 16b, 16c, 16d sind auf der Oberfläche der konvexen Seite des Isolationselements 18 angeordnet, so daß sie der gemeinsamen Elektrode 15 gegenüberliegen. Die Meßelektroden 16a, 16b, 16c und 1 6d sind, wie Fig. 4 zeigt, radial in vier Sektoren aufgeteilt und elektrisch jeweils voneinander unabhängig. Jede der Meß-

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elektroden 16a, 16b_r 16c und 16d ist so ausgeformt, daß sie der konvexen Fläche des Isolationselements 18 entspricht. Die Meßelektroden 16a, 16b, 16c und 1 6d sind in Form und Große übereinstimmend. Die Meßelektroden 16a, 16b, 16c, 16d und die gemeinsame Elektrode 15 sind so aufgebaut, daß die elektrostatische Kapazität zwischen benachbarten Elektroden 16a, 16b, 16c, 16d und der gemeinsamen Elektrode 15 gleich ist, wenn die Meßeinrichtung 13 horizontal ausgerichtet ist. Das magnetische Fluid 17 ist in den sphärischen Raum 19 eingebracht. Das magnetische Fluid 17 bewegt sich in den kugelmantelförmigen Raum 19, wenn die Meßeinrichtung 13 geneigt wird. Bei horizontaler Ausrichtung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, verbleibt das magnetische Fluid in dem Mittelpunkt des kugelmantelförmigen Raums 19. Die elektrostatische Kapazität zwischen jeder der Meßelektroden 16a, 16b, 16c und 16d und der gemeinsamen Elektrode 15 wird gleich. Das magnetische Fluid 17 ist ein kolluides Fluid, in dem in einer Losung magnetische Partikel verteilt sind. Das magnetische Fluid 17 ist inherent und verhält sich so, als wenn das Fluid selbst magnetisch wäre, die Viskosität ist so gewählt, daß das Fluid sich entsprechend der Neigung bewegt. *** Die tralelektrode 15 und jeder der Meßelektroden 16a, 16b, 16c und 16d wird durch die elektrostatische Kapazitätsmeßeinrichtung 14 gemessen. Diese elektrostatische Kapazitätsmeßeinrichtung 14 ist innerhalb des Sensorgehäuses 10 angeordnet unter Verwendung von Schaltelementen 21 auf einer innerhalb des Sensorgehäuses 10 befestigten gedruckten Schaltung 20. Ober eine Leitung 22 der elektrostatischen Kapazxtatsmeßeinrichtung 14 werden jeder der Meßelektroden 16a, 16b, 16c und 16d zugehoroge Signale ausgegeben.

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In Fig. 4 wird die Zentralelektrode 1 5 mit einer gestrichelten Linie wiedergegeben, die Meßelektroden 16a_r 16b, 16c und 16d sind voll ausgezogen dargestellt. Die Zentralelektrode 15 ist mit einem Signalgenerator 23 verbunden. Der Signalgenerator 23 beaufschlagt die Zentralelektrode 15 mit einem vorgegebenen Wechselspannungssignal. Jede der Meßelektroden 16a, 16b, 16c und 16d ist mit Meßwiderständen Ra, Rb, Rc und Rd, die jeweils einseitig geerdet sind, verbunden. Die der elektrostatischen Kapazität zwischen jeder der Meßelektroden 16a, 16b, 16c und 1 6d und der Zentralelektrode 15 entsprechende Wechselspannung wird als Spannung über den Meßwiderständen Ra, Rb, Rc bzw. Rd gemessen. Die Meßwiderstände Ra, Rb, Rc und Rd sind über AC/DC-Wandler 25a, 25b, 25c und 25d über Verstärker 24a, 24b, 24c bzw. 24d verbunden. Gleichstromsignale Va, Vb, Vc und Vd, die der elektrostatischen Kapazität der Meßelektroden 16a, 16b, 16c und 16d entsprechen, liegen daher an den Ausgangsanschlüssen 26a, 26b, 26c, 26d der AC-DC-Wandler 25a, 25b, 25c bzw. 25d an. Die Ausgangsanschlüsse 26a, 26b, 26c und 26d sind mit der Leitung 22 verbunden.

Wenn die Meßeinrichtung 13 horizontal ausgerichtet ist, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, verbleibt das magnetische Fluid 1 7 in dem Zentrum des kugelförmigen Raums 19. In diesem Zustand bedeckt das magnetische Fluid 17 gleichmäßig die Meßelektroden 16a, 16b, 16c und 16d, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Die Werte der elektrostatischen Kapazität zwischen der Zentralelektrode 15 und jeder der Meßelektroden 16a, 16b, 16c bzw. 16d werden gleich, die Spannungssignale Va, Vb, Vc und Vd stimmen überein.

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Wenn die Meßeinrichtung 1 3 dagegen bei einer Neigung des Sensorgehäuses 10 geneigt wird, bewegt sich das magnetische Fluid 17 in eine geneigte Stellung, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Dies führt zu einer Änderung des Bedeckungsverhältnisses des magnetischen Fluids 17 bezüglich jeder Meßelektrode 16a_r 16b, 16c bzw. 16d. Entsprechend verändert sich die elektrostatische Kapazität zwischen der Zentralelektrode 15 und jeder der Meßelektroden 16a, 16b, 16c und 16d entsprechend dem Bedeckungsverhältnis des magnetischen Fluids 17, die Werte der Spannungssignale Va, Vb, Vc und Vd verändern sich entsprechend. Anhand der Änderung der Spannungssignale Va, Vb, Vc und Vd können die Neigungsrichtungen sowie der Neigungswinkel kontinuierlich festgestellt werden.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Systems zum Verrechnen der Ausgangssignale der elektrostatischen Kapazitätsmeßeinrichtungen. Die Ausgangsspannungen Va, Vb, Vc und Vd der elektrostatischen Kapaizätsmeßeinrichtung 14 werden über Multiplexer 27 und einen Analog/Digital-Wandler 28 einem Mikrocomputer 29 zugeführt. Der Mikrocomputer 29 berechnet basierend auf den eingegebenen Spannungssignalen die Neigungsrichtung und den Neigungswinkel. Entsprechend der errechneten Neigungsrichtung und des Neigungswinkels wird die Neigung des Objekts auf einer Anzeigeeinrichtung 30 dargestellt.

Fig. 8 zeigt ein anders Ausführungsbeispiel zum Berechnen der Ausgangssginale der elektrostatischen Kapazitätsmeßeinrichtung. Diese zeigt den Betrag der Neigung in einer ersten Richtung und einer dazu rechtwinkligen Richtung getrennt an. Die erste Anzeigeeinheit 31 zeigt

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den Betrag der Neigung zur horizontalen und eine zweite Anzeigeeinheit 33 den Betrag der Neigung zur Vertikalen an. Die Anzeigeeinheit 31 wird von einem Verstärker 32, die Anzeigeeinheit 33 von einem Verstärker 34 gesteuert, wobei die Verstärker 32 und 34 als Differenzverstärker ausgebildet sind, an denen die Spannungen Va und Vc bzw. Vd und Vd angelegt sind.

Die Meßelektrode muß nicht unbedingt in vier gleiche Teile aufgeteilt sein. Wenn beispielsweise lediglich die Neigung zur Vertikalen oder zur Horizontalen festzustellen ist, brauchen lediglich zwei Elektroden verwendet zu werden.

In den leeren Bereich des kugelförmigen Raums 19 kann ein anderes Fluid 35 eingefüllt werden, das sich nicht mit dem magntischen Fluid 17 mischt. Dieses Fluid 35 wirkt dämpfend auf das magnetische Fluid 1 7 ein. Auch bei Fahrzeugen, in denen der Sensor unter Vibration eingesetzt wird, ist es möglich, das magnetische Fluid 17 von Fehlbewegungen freizuhalten, wodurch eine bessere Messung ermöglicht wird.

Das in dem kugelmantelformigen Raum 19 eingefüllte Fluid 17 muß nicht notwendigerweise ein magnetisches Fluid sein. Jedes Fluid, dessen Viskosität so gewählt ist, daß es eine Bewegung entsprechend der Neigung durchgeführt, und das zu einer Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen den Elektroden führt, kann an Stelle des magnetischen Fluids verwendet werden.

Der in Fig. 3 gezeigte Sensor kann auch zur Beschleunigungsmessung verwendet werden. In dem in Fig. 3 gezeig-

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ten Zustand ist der Sensor keiner Beschleunigung unterworfen, das magnetische Fluid 17 liegt daher im Mittelbereich des kugelmantelformigen Raumes 19. Die elektrostatische Kapazität zwischen der Zentralelektrode 15 und jeder der Meßelektroden 16a_f 16b, 16c und 1 6d ist daher gleich. Bei Vorliegen einer Beschleunigung bewegt sich das magnetische Fluid 17 in die der Beschleunigung entgegengesetzten Richtung, wobei das Ausmaß der Verlagerung dem Ausmaß der Beschleunigung entspricht. Die elektrostatische Kapazität zwischen der gemeinsamen Elektrode 15 und jeder der Meßelektroden 16a, 16b, 16c und 16d verändert sich daher entsprechend der Richtung und dem Ausmaß der Beschleunigung. Basierend auf den Spannungssignalen Va, Vb, Vc und Vd der elektrostatischen Kapazitätsmeßeinrichtung 14 können daher Richtung und Ausmaß der Beschleunigung bestimmt werden.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Sensor geschaffen, der sowohl kontinuierlich den Neigungswinkel eines Gewgenstandes sowohl gegenüber der Horizontalen als auch gegenüber der Vertikalen festgestellen kann. Er kann weiter auch Richtung und Ausmaß einer Beschleunigung feststellen.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

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BEZUGSZEICHENLISTE

1	Behälter
2	Platte
3	Quecksilber
4	Elektrode
5a	Kontaktelektrode
5b	Kontaktelektrode
5c	Kontaktelektrode
5d	Kontaktelektrode
6	Scheibe
10	Sensorgehäuse
11	Platte
12	Abdeckung
13	Meßeinrichtung
14	Kapazitatsmeßeinrichtung
15	Zentralelektrode
16a	Meßelektrode
16b	Me ß e1ektrode
16c	Meßelektrode
16d	Meßelektrode
17	Fluid
18	Isolationselement
18a	Abschnitt (von 18)
18b	Abschnitt (von 18)
18c	Abschnitt (von 18)

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	• IiS.	Raum
19	gedruckte Schaltung
20	Schaltelemente
21	Leitung
22	Signalgenerator
23	Verstärker
24a	Verstärker
24b	Verstärker
24c	Verstärker
24d	AC/DC-Wandler
25a	AC/DC-Wandler
25b	AC/DC-Wandler
25c	AC/DC-Wandler
25d	Ausgangsanschluß
26a	Ausgangsanschluß
26b	Ausgangsanschluß
26c	Ausgangsanschluß
26d	Multiplexer
27	A/D-Wandler
28	Mikrocomputer
29	Anzeigeeinheit
30	Anzeigeeinheit
31	Verstärker
32	Anzeigeeinheit
33	Verstärker
34	Fluid
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Claims

ANSPRUCHE

1. Sensor, gekennzeichnet durch

eine kugelförmige Zentralelektrode (15), /

eine Vielzahl von elektrisch voneinander unabhängigen Meßelektroden (16a, 16b, 16c, 16d), die der Zentralelektrode (15) gegenüber so angeordnet sind, daß ein Raum (19) in Form eines Kugelmantelabschnitts ausgebildet wird,

ein in den Raum (19) eingebrachtes, in diesem frei bewegliches, viskoses Fluid (17), und

eine Meßeinrichtung (14) zum Messen der Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen der Zentralelektrode (15) und jeder der Meßelektroden (16a, 16b, 16c, 16d) aufgrund einer Verlagerung des viskosen Fluids (17).

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2. Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden (16a, 16b, 16c, 1 6d) durch vier gleichartige Elemente gebildet werden, die radial um den Mittelpunkt der Zentralelektrode (15) angeordnet sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der das Fluid (17) aufnehmende Raum (19) von einem Isolationselement (18) begrenzt wird, das zusammen mit der Zentralelektrode (15) den kugelmantelabschnittformigen geschlossenen Raum (19) bildet.

4. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vier gleichartige Meßelektroden (16a, 16b, 16c, 16d) vorgesehen sind, die auf der äußeren Fläche des Isolationselements (18) derart befestigt sind, angeordnet sind, daß sie radial gegenüber dem Mittelpunkt der Zentralelektrode (15) angeordnet sind.

5. Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das viskose Fluid (17) ein magnetisches Fluid ist.

6. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein weiteres, sich nicht mit dem viskosen Fluid (17) vermischendes Fluid (35), das in den leeren Bereich des kugelmantelabschnittformigen Raums (19) eingefüllt ist.

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7. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Messen der elektrostatischen Kapazität einen ein Wechselspannungssignal auf die Zentralelektrode (15) aufprägenden Signalgenerator (23), Mittel zum Erkennen der der jeweiligen elektrostatischen Kapazität zwischen der Zentralelektrode (15) und den Meßelektroden (16a, 16b, 16c, 16d) entsprechenden Wechselspannung und Mittel zum Umwandeln der Wechselspannung in ein Gleichspannungssignal aufweist.

8. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralelektrode (15), die Meßelektroden (16a, 16b, 16c, 16d), die Mittel zum Aufnehmen des viskosen Fluids (17) und die Mittel zum Messen der elektrostatischen Kapazität von einem Gehäuse aufgenommen werden.