DE3804032A1

DE3804032A1 - Method and device for measuring acceleration

Info

Publication number: DE3804032A1
Application number: DE19883804032
Authority: DE
Inventors: Edmund Zottnik
Original assignee: KOLLEY KLAUS F
Current assignee: KOLLEY KLAUS F
Priority date: 1988-02-10
Filing date: 1988-02-10
Publication date: 1989-08-24

Abstract

In order to carry out measurements of acceleration, in particular in order to record acceleration values when controlling/regulating motor vehicle functions, including accident data recorders, anti-spin control (ASC), controlling anti-skid systems (ASS), and in order to control seat-belt tightening systems (belt tensioners), airbag functioning and the like, it is proposed to construct as a piston-type magnet a seismic mass element which is subjected to the effect of acceleration and is guided such that it can move in the direction of the acting acceleration, and to detect the change in the magnetic field lines which is caused by the movement of the piston-type magnet, by means of at least one sensor sensitive to magnetic fields, e.g. a magnetoresistor, and to shape it into an output signal corresponding to the acceleration.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Beschleunigungsmessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.The invention is based on a method for acceleration measurement according to the preamble of claim 1 or a device for performing the method according to Preamble of claim 4.

Bei einem bekannten Beschleunigungsaufnehmer dieser Art (DE-OS 33 06 813), der sich insbesondere zum Einsatz bei einem Kurzzeit-Unfalldatenschreiber eignet, ist mindestens ein einseitig in einem Einspannkörper befestigter Biegebalken vorgesehen. Das andere Ende des Biegebalkens bildet mit einer stationären Gegenplatte einen Kapazitätssensor. Dieser aus einer aufgrund von Trägheitskräften bei einwirkenden Beschleunigungen beweglichen Platte (als seismische Masse) und einer feststehenden Platte bestehende Kondensator ist Teil eines Schwingkreises, der seine Frequenz je nach einwirkender positiver oder negativer Beschleunigung nach oben oder unten auswertbar ändert.In a known accelerometer of this type (DE-OS 33 06 813), which is particularly suitable for use in a short-term accident data recorder is at least a bending beam fixed on one side in a clamping body intended. The other end of the bending beam forms with a stationary counter plate a capacitance sensor. This one from an acting due to inertial forces Accelerations moving plate (as seismic Ground) and a fixed plate existing capacitor is part of a resonant circuit that varies in frequency after positive or negative acceleration changes evaluable up or down.

Weitere bekannte Beschleunigungsaufnehmer sind sogenannte Schock- oder Vibrationsmesser, Ballistik-Aufnehmer oder Miniatur-Aufnehmer; ein als sogenannter "low impedance" ausgebildeter Quarz-Beschleunigungsaufnehmer umfaßt einen Kristall, auf den ein der Beschleunigung entsprechender Druck ausübbar ist, wodurch sich eine direkte Spannungsänderung einer am Quarz anliegenden Versorgungsspannung ergibt, bzw. ohne Versorgungsspannung eine Ladungsverschiebung im Quarz (piezoelektrischer Effekt; piezoresistiver Effekt).Other known accelerometers are so-called Shock or vibration meter, ballistic sensor or Miniature pickups; a so-called "low impedance" trained quartz accelerometer includes one Crystal on which one corresponding to the acceleration Pressure can be exerted, resulting in a direct change in tension results in a supply voltage applied to the quartz, or without supply voltage a charge shift in the quartz (piezoelectric effect; piezoresistive effect).

Es ist auch bekannt, für Beschleunigungsdrehgeber insbesondere unter rauhen Betriebsbedingungen mit dem sogenannten Wiegand-Effekt arbeitende Rotorsysteme einzusetzen, wobei in den Rotor eingebettete Wiegand-Drähte von einem Geberkopf berührungslos abgetastet werden. Hierdurch lassen sich auch Beschleunigungen erfassen.It is also known for acceleration encoders in particular under harsh operating conditions with the so-called Wiegand effect using rotor systems, where Wiegand wires from an encoder head embedded in the rotor can be scanned without contact. This can also Record accelerations.

Grundsätzlich gilt, daß Beschleunigungen nur indirekt an ihren Wirkungen etwa auf eine seismische Masse erfaßt werden können, wobei die Kraft, welche eine der Beschleunigung ausgesetzte bekannte Masse auf eine feste Unterlage ausübt, entweder direkt (Piezoelement) oder mittelbar (Federweg) gemessen werden kann. Problematisch bei im Bereich von Kraftfahrzeugen, etwa Unfalldatenschreibern, aber auch bei Sicherheitsausrüstungen im Kraftfahrzeugbereich einzusetzenden Beschleunigungssensoren ist der Umstand, daß diese bei der erforderlichen relativ hohen Genauigkeit sehr hohe Anforderungen erfüllen müssen, andererseits aber für einen umfassenden Einsatz besonders kostengünstig sein müssen, eine Eichgenauigkeit über eine bestimmte Zeitdauer, beispielsweise mindestens zwei Jahre, aufweisen müssen, über ein busfähiges Ausgangssignal verfügen müssen und bei hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit, wie erwähnt, natürlich auch den Kfz-Einsatzspezifikationen genügen müssen.Basically, accelerations only apply indirectly their effects on a seismic mass are recorded can, the force being one of the acceleration exposing the known mass to a solid surface, measured either directly (piezo element) or indirectly (travel) can be. Problematic in the field of motor vehicles, such as accident data recorders, but also for safety equipment to be used in the automotive field Accelerometers is the fact that these at the required relatively high accuracy very high Must meet requirements, but on the other hand for one extensive use must be particularly cost-effective, a calibration accuracy over a certain period of time, for example at least two years must have a bus-capable output signal and at high Sensitivity and accuracy, as mentioned, of course must meet the vehicle application specifications.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschleunigungsmessung anzugeben, durch welche sichergestellt ist, daß bei kostengünstigem Aufbau eine hohe Funktionssicherheit mit hoher Meßgenauigkeit verknüpft ist und eine problemlose Auswertung des gewonnenen Signals erfolgen kann.The invention is therefore based on the object of a method and to provide a device for accelerometer measurement, which ensures that at low cost Build a high level of functional reliability with high Measurement accuracy is linked and a problem-free evaluation of the signal obtained can take place.

Advantages of the invention

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Unteranspruchs 4 und hat den entscheidenden Vorteil, daß sich aufgrund der neuartigen Konzeption eine überraschende Kostengünstigkeit kombiniert mit besonders hoher Genauigkeit und breit gefächerten Einsatzmöglichkeiten ergibt.The invention solves this problem with the characterizing Features of claim 1 and subclaim 4 and has the decisive advantage that due to the new Conception a surprising cost-effectiveness combined with particularly high accuracy and a wide range Possible uses.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel benötigt ein erfindungsgemäßer Beschleunigungssensor lediglich ein Führungsrohr, drei Magnete, einen auf die Veränderung von magnetischen Feldlinien ansprechenden Geber, üblicherweise eine Feldplatte sowie ein diese Teile aufnehmendes Gehäuse. Dabei haben Erprobungen in der Praxis und Berechnungen gezeigt, daß je nach Abmessungen und Auslegung der Magnete Beschleunigungswerte bis 30 g und weit darüber hinaus sicher erfaßt und einwandfrei diskriminiert werden können. Alterungserscheinungen sowie auf einen entsprechend starken Temperaturgang zurückgehende Probleme treten praktisch nicht auf; desgleichen bleiben Querbeschleunigungseinflüsse, Reibungseinflüsse, Losbrechmoment/Startbedingungen extrem gering und bleiben vernachlässigbar. Soweit Temperaturprobleme auftreten, gilt, daß der Temperaturgang absolut reversibel und reproduzierbar ist und im Kennlinienfeld berücksichtigt werden kann.In the preferred embodiment, an inventive one is required Acceleration sensor just a guide tube, three magnets, one on the change of magnetic Field line responsive encoder, usually a field plate and a housing accommodating these parts. Here have shown practical tests and calculations, that depending on the dimensions and design of the magnets acceleration values up to 30 g and far beyond and can be properly discriminated against. Signs of aging as well as a correspondingly strong temperature response there are practically no problems going back; Likewise, lateral acceleration influences, friction influences, Breakaway torque / starting conditions extremely low and remain negligible. As far as temperature problems arise, applies that the temperature response is absolutely reversible and is reproducible and taken into account in the characteristic field can.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet keine Federn, die eventuellen Alterungserscheinungen, auch Korrosionseinflüssen unterworfen sein können und benutzt, soweit erforderlich, eine Luftdämpfung, die stets verfügbar ist.The preferred embodiment does not use springs, the possible signs of aging, including the effects of corrosion may be subject and used where necessary air cushioning that is always available.

Vorteilhaft ist ferner, daß die für Lagerung, Antrieb und Bereitstellung des Meßsignals verwendeten Magnete eine "Federkraft" aufbauen, die mit wachsender Auslenkung progressiv anwächst, also ein Verhalten zeigt, welches die Anwendung eines solchen Beschleunigungssensors in großen Meßbereichen gestattet. Die Grenze der meßbaren Beschleunigung ist dabei von der Masse eines der als Kolben wirkenden Magneten sowie von der verfügbaren magnetischen Kraft bestimmt. Durch Wahl geeigneter geometrischer Abmessungen und Materialien kann das Einsatzgebiet in einem weiten Bereich eingestellt und vorgegeben werden.It is also advantageous that the storage, drive and Provision of the measurement signal used a magnet Build up "spring force" with increasing deflection grows progressively, i.e. shows a behavior which the application of such an acceleration sensor in large measuring ranges allowed. The limit of measurable Acceleration is one of the masses as a piston acting magnets as well as from the available magnetic Power determined. By choosing suitable geometric dimensions and materials can be used in a wide range Range can be set and specified.

Da sich in der Endposition, also bei maximal einwirkender Beschleunigung eine großflächige Kontaktanlage des mittleren Kolbenmagneten an einen der Endmagnete ergibt, ermöglicht die erfindungsgemäße Konzeption auch extrem hohe Überlastungen des Beschleunigungssensors, ohne daß hierdurch irreversible Schäden oder auch nur Beeinflussungen auftreten.Because in the end position, i.e. at maximum Acceleration of a large-area contact system of the middle Piston magnet to one of the end magnets results the concept according to the invention also extremely high overloads of the acceleration sensor without this irreversible damage or even interference occurs.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Umsetzung der in der Feldplatte bei einer Beschleunigungsänderung sich ergebenden Widerstandsänderungen in ein busfähiges Ausgangssignal dann, wenn der Feldplattenwiderstand als frequenzbestimmendes Element in einen Schwingkreis hinreichender Güte eingebaut wird. Werden bei einer solchen Ausführungsform die Perioden der jeweiligen Meßfrequenz in einem systemabhängig festgelegten Integrationsintervall aufsummiert, dann ergibt sich in jedem Intervall ein Zählerstand, der bereits den aktuellen Meßwert darstellt.By the measures listed in the subclaims are advantageous developments and improvements to Invention possible. The implementation is particularly advantageous that in the field plate when there is a change in acceleration resulting changes in resistance in a bus-compatible Output signal when the field plate resistance as sufficient frequency determining element in a resonant circuit Goodness is incorporated. In such an embodiment the periods of the respective measuring frequency in a system-dependent integration interval added up, there is a counter reading in every interval, which already represents the current measured value.

Der im Ruhezustand bei Beschleunigungseinwirkung Null gewonnene Meßwert (Null-Wert) wird dabei vom System als aktueller Eichwert abgespeichert und den nachfolgenden Signalwertbildungen zugrundegelegt. Der Eichwert enthält daher auch alle während der Betriebszeit durch Alterung, Temperaturdrift u. dgl. aufgelaufene Fehler, so daß die Messung zu jedem beliebigen Zeitpunkt praktisch fehlerfrei durchgeführt werden kann.The one obtained in the idle state with zero acceleration The measured value (zero value) is updated by the system Calibration value and the subsequent signal value formation based on. The calibration value therefore also contains all during operation due to aging, temperature drift u. Accumulated errors, so that the measurement for each practically error-free at any time can be.

Sämtliche Meßwerte werden dabei auf die Frequenz des Null- Werts durch einfache Differenzbildung bezogen, so daß sich hierdurch gleichzeitig die Stellenzahl reduziert und das jeweilige Vorzeichen der einwirkenden Beschleunigung ergibt.All measured values are based on the frequency of the zero Value based on simple difference formation, so that thereby simultaneously reducing the number of digits and that gives the respective sign of the acting acceleration.

Die Differenzbildung sorgt in vorteilhafter Weise ferner dafür, daß das gewonnene Signal auf die eigentliche Signalgröße reduziert wird, mit der dann weitergearbeitet werden kann.The difference formation also advantageously ensures that the signal obtained is based on the actual signal size is reduced, with which work will then continue can.

drawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigtAn embodiment of the invention is in the drawing shown and is in the description below explained in more detail. It shows

Fig. 1 einen Schnitt längs der Linie I-I der in Fig. 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beschleunigungsmessung; Fig. 1 shows a section along the line II in Fig preferred embodiment of a device for measuring acceleration shown in Figure 2.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt längs der Linie II-II der Fig. 1; in Fig. 2 shows the cross section along the line II-II of Fig. 1; in

Fig. 3 ist schematisiert bei zwei verschiedenen Positionen des beweglichen Kolbenmagneten die sich hierdurch ergebende Veränderung der Magnetlinien dargestellt, einschließlich deren Einwirkungen auf das Geberelement (Feldplatte) und Fig. 3 is shown schematically in two different positions of the movable piston magnet, the resulting change in the magnetic lines, including their effects on the transmitter element (field plate) and

Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Schwingkreises, durch welchen der sich verändernde Widerstand des Gebers in Fig. 3 in eine sich entsprechend ändernde Meßfrequenz umgesetzt werden kann. FIG. 4 shows a possible embodiment of an oscillating circuit, by means of which the changing resistance of the sensor in FIG. 3 can be converted into a correspondingly changing measuring frequency.

Description of the embodiments

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, als seismische Masse, die der Beschleunigungseinwirkung unterworfen wird, einen innerhalb eines Führungsrohrs verschieblich gelagerten Kolbenmagneten zu verwenden und dem System einen auf eine Variation magnetischer Feldlinien empfindlich reagierenden Geber zuzuordnen.The basic idea of the present invention is as seismic mass which is subjected to the action of acceleration becomes displaceable within a guide tube stored piston magnets to use and the system one sensitive to a variation in magnetic field lines assign responding donors.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dieses Grundgedankens besteht dann darin, den Kolbenmagneten durch magnetische Kraftaufhängung innerhalb von zwei beidseitig zu diesem angeordneten weiteren stationären Magneten magnetisch, also durch die Wirkung der von allen drei Magneten ausgehenden Feldlinien, in seiner Mittenposition vorzuspannen und gleichzeitig hierdurch "magnetische Federelemente" zu realisieren, die ihrerseits wieder zwei Aufgaben gleichzeitig erfüllt, nämlich einmal die "magnetische Federwegbildung" und zum anderen durch ihre durch eine Bewegung des Kolbenmagneten sich ändernden Feldlinienverläufe gleichzeitig den Geber analog zum vom Kolbenmagneten zurückgelegten Weg (Auslenkung) und damit zur einwirkenden Beschleunigung zu beeinflussen.A particularly advantageous embodiment of this basic idea then consists of the piston magnet by magnetic Force suspension within two on both sides this arranged further stationary magnet magnetically, through the effect of all three magnets Field lines to bias in its center position and to realize "magnetic spring elements" at the same time, which in turn has two tasks at the same time fulfilled, namely the "magnetic spring travel formation" and secondly by moving the piston magnet changing field lines at the same time the encoder analogous to the distance covered by the piston magnet (Deflection) and thus to the acting acceleration influence.

In Fig. 1 ist der Beschleunigungssensor mit 10 bezeichnet; er umfaßt ein inneres Führungsrohr 11, beispielsweise aus Messing oder einem sonstwie geeigneten, nichtmagnetischen Material. Das Führungsrohr 11 ist in der vorteilhaften Ausgestaltung vorliegender Erfindung von kreisrundem Querschnitt und allgemein zylindrischer Form und dient als Lagerhülse für einen in beide Richtungen entsprechend den Pfeilen A und B im Inneren des Führungsrohrs verschieblich gelagerten Kolbenmagneten 12. Um eine leichte Beweglichkeit des Kolbenmagneten 12 ohne größeren Reibungseinfluß, aber auch ohne allzu große Toleranzen in den Durchmesserabmessungen (Außendurchmesser des Kolbenmagneten 12 mit Bezug auf den Führungsrohr-Innendurchmesser) sicherzustellen, kann das Führungsrohr (bzw. der Kolben) mit einem geeigneten, besonders gleitfähigen Material wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen (PTFE) beschichtet oder insgesamt aus einem entsprechend gleitfähigen Material mit niedrigem Reibungsbeiwert gebildet sein. Das Führungsrohr kann z. B. aus Messing, mit Vorteil aber auch aus nichtmagnetischem, unter Umständen sogar aus magnetisch leitfähigem Material bestehen. Auch in diesem Fall treten durch den Rückschluß im magnetischen Kreis keine Adhäsionskräfte zwischen Führungsrohr und Kolbenmagneten auf. Ein bevorzugtes nichtmagnetisches Material ist hochlegierter (austenitischer) V2A-Stahl, der gut polierfähig ist und äußere magnetische Einflüsse gut abschirmt.In Fig. 1, the acceleration sensor is designated 10 ; it comprises an inner guide tube 11 , for example made of brass or some other suitable non-magnetic material. In the advantageous embodiment of the present invention, the guide tube 11 has a circular cross section and a generally cylindrical shape and serves as a bearing sleeve for a piston magnet 12 which is displaceably mounted in the interior of the guide tube in both directions according to arrows A and B. In order to ensure easy movement of the piston magnet 12 without greater friction, but also without too large tolerances in the diameter dimensions (outer diameter of the piston magnet 12 with respect to the inner diameter of the guide tube), the guide tube (or the piston) can be fitted with a suitable, particularly slidable one Material such as, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE) coated or altogether made of a correspondingly lubricious material with a low coefficient of friction. The guide tube can, for. B. made of brass, but advantageously also made of non-magnetic, possibly even made of magnetically conductive material. In this case too, the magnetic circuit does not give rise to any adhesive forces between the guide tube and the piston magnet. A preferred non-magnetic material is high-alloy (austenitic) V2A steel, which is easy to polish and shields external magnetic influences well.

Jedenfalls ist der Kolbenmagnet 12 im Inneren des Führungsrohrs 11 frei nach beiden Seiten beweglich, wobei er sich durch die Wirkung der von ihm und von zwei endseitig des Führungsrohrs angeordneten stationären Magneten ausgehenden magnetischen Feldlinien "federnd" abstützt. Die beiden äußeren, das Führungsrohr abschließenden Endmagnete sind mit 13 a und 13 b bezeichnet; die Polarität der Magnete ist, wie es sich versteht, so gewählt, daß sich an den jeweils einander zugewandten Flächen jedes stationären Endmagneten 13 a, 13 b und des Kolbenmagneten 12 gleichnamige, also sich abstoßende Pole befinden; die Polarisierung kann daher wie in Fig. 1 bezeichnet, ausgebildet sein (N = Nordpol; S = Südpol).In any case, the piston magnet 12 is freely movable in both directions on the inside of the guide tube 11 , wherein it is supported by the action of the magnetic field lines emanating from it and from two stationary magnets arranged at the end of the guide tube. The two outer end magnets that close the guide tube are designated 13 a and 13 b ; The polarity of the magnets, as is understood, is chosen such that there are poles of the same name, ie repelling poles, on the surfaces of each stationary end magnet 13 a , 13 b and the piston magnet 12 facing each other; the polarization can therefore be designed as shown in FIG. 1 (N = north pole; S = south pole).

Der weitere Aufbau vervollständigt sich durch beidseitige kappenförmige Deckel 14 a, 14 b, die die Endmagnete 13 a, 13 b bündig aufnehmen, so daß diese in ihnen sitzen, beispielsweise auch eingeklebt sind. Das ganze bildet dann mit einem mittleren länglichen, im Querschnitt beispielsweise viereckigen Gehäuseteil 15 ein geschlossenes Ganzes, wobei das Führungsrohr 11 in einer Bohrung 15 a des zentralen Gehäuseteils 15 sitzt und die beidseitigen Deckel 14 a, 14 b, die ebenfalls im Querschnitt rechteckförmig oder viereckig sein können, beidseitig mittels abgesetzter innerer Ringbunde 16 a, 16 b ebenfalls in die Bohrung 15 a des mittleren Gehäuseteils 15 eingreifen und so auch das Führungsrohr 11 in seiner Position beispielsweise sichern können. The further structure is completed by bilateral cap-shaped covers 14 a , 14 b , which receive the end magnets 13 a , 13 b flush, so that they sit in them, for example, are also glued. The whole then forms a closed whole with a medium elongated, in cross-section, for example, square housing part 15 , wherein the guide tube 11 sits in a bore 15 a of the central housing part 15 and the covers 14 a , 14 b on both sides, which are also rectangular or square in cross section can be, on both sides by means of stepped inner ring collars 16 a , 16 b also engage in the bore 15 a of the central housing part 15 and thus can also secure the guide tube 11 in its position, for example.

Die beidseitigen Deckel 14 a, 14 b und das mittlere Gehäuseteil 15 bilden zusammen das Gehäuse des Beschleunigungssensors und gleichzeitig sowohl den magnetisch geschlossenen Kreis (Rückschluß für die im Gehäuseinneren angeordneten Komponenten) als auch eine wirksame Abschirmung gegenüber von außen einwirkenden magnetischen Einflüssen, auf die ein elektrisches Geberelement anspricht. Dieses Geberelement ist in Fig. 1 als randseitig auf den einen der Endmagnete 13 b aufgesetzte und beispielsweise aufgeklebte oder sonstwie befestigte Feldplatte 17 ausgebildet. Unter Umständen kann das Führungsrohr auch ganz entfallen und seine Aufgabe wird vom Gehäuse, nämlich vom mittleren Gehäuseteil 15 übernommen.The two-sided cover 14 a , 14 b and the middle housing part 15 together form the housing of the acceleration sensor and at the same time both the magnetically closed circuit (inference for the components arranged inside the housing) and an effective shield against external influences acting on the one electrical sensor element responds. This donor element is patched as the edge on the one of the end magnets 13 b in Fig. 1 and, for example, glued or otherwise attached field plate 17 is formed. Under certain circumstances, the guide tube can also be omitted entirely and its task is performed by the housing, namely by the central housing part 15 .

Die Grundfunktion vorliegender Erfindung ist dann wie folgt. Ergibt sich auf den in Fig. 1 gezeigten Beschleunigungssensor eine Beschleunigungseinwirkung aus der Richtung des Pfeils C bzw. C′, also axial, wobei durch den vorliegenden Aufbau des Beschleunigungssensors dieser nur auf in seiner axialen Richtung verlaufende Beschleunigungen bzw. Beschleunigungsanteile reagiert und reagieren kann, dann wird der Kolbenmagnet als Meßkolben gegen die "Federkraft" der sich gegenseitig abstoßenden beidseitigen Magnetfelder ausgelenkt, er verlagert sich also in der Zeichenebene der Fig. 1 entweder nach links oder nach rechts je nach einwirkender Beschleunigung, wodurch sich gleichzeitig eine Verformung des magnetischen Feldlinienverlaufs ergibt, die sich in besonderer Weise auch auf der Oberfläche der dem Kolbenmagneten gegenüberliegenden stationären Endmagnete 13 a, 13 b abspielt.The basic function of the present invention is then as follows. If the acceleration sensor shown in FIG. 1 has an acceleration effect from the direction of the arrow C or C ' , that is to say axially, the acceleration sensor being constructed and reacting only to accelerations or acceleration components running in its axial direction, then the piston magnet is deflected as a measuring piston against the "spring force" of the mutually repelling magnetic fields on both sides, so it shifts in the plane of FIG. 1 either to the left or to the right depending on the acting acceleration, which at the same time results in a deformation of the magnetic field line , which also plays out in a special way on the surface of the stationary end magnets 13 a , 13 b opposite the piston magnet.

Die beiden hier jeweils in Betracht kommenden Magnetfelder weisen sich ab, deshalb steigt bei Annäherung des Kolbenmagneten an einen der stationären Endmagnete 13 a, 13 b die Krümmung der Feldlinien insbesondere auch an der Oberfläche des jeweiligen Endmagneten an und damit auch die Felddichte in der hier gewählten Meßebene, die der Oberfläche des Endmagneten entspricht und auf der sich der Geber in seiner Ausbildung als Feldplatte befindet. Diese Änderungen können mit der Feldplatte 17 als Widerstandsänderungen erfaßt und ausgewertet werden.The two magnetic fields that come into consideration here reject each other, which is why when the piston magnet approaches one of the stationary end magnets 13 a , 13 b, the curvature of the field lines in particular also increases on the surface of the respective end magnet and thus also the field density in the one selected here Measuring plane that corresponds to the surface of the end magnet and on which the encoder is in its training as a field plate. These changes can be detected and evaluated as changes in resistance with the field plate 17 .

In diesem Zusammenhang ist auf folgendes hinzuweisen; die Erfindung verwendet in der bevorzugten Ausgestaltung lediglich eine Feldplatte 17 an der in der Darstellung der Fig. 1 bevorzugten Stelle, also randseitig eines der Endmagneten, da sich hier eine besonders starke Feldlinienveränderung ergibt, worauf weiter unten anhand der Darstellung der Fig. 3 noch einzugehen versucht wird. Es versteht sich aber und liegt innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens, auch mehrere Geber, beispielsweise in gleichmäßiger Anordnung peripher über eine der Endplatten randseitig verteilt zu verwenden oder auch auf der anderen Endplatte Geber in entsprechender Anzahl und Verteilung wie auf der einen vorzusehen und dann in beliebiger Verschaltung die sich durch die Veränderung der Feldlinien ergebende Widerstandsänderung auszuwerten. Die Widerstandsänderung tritt natürlich auch dort auf, wo sich die beiden Magnete (Endmagnet und Kolbenmagnet) voneinander entfernen - in diesem Fall wird die Dichte der Feldlinien geringer. Es ist daher auch möglich, die Feldplatten in ihrer Widerstandskonfiguration gegeneinander zu schalten oder in Form von Brückenschaltungen auszubilden.In this context, the following should be noted; In the preferred embodiment, the invention only uses a field plate 17 at the location preferred in the illustration in FIG. 1, that is to say one of the end magnets at the edge, since this results in a particularly strong change in the field lines, which will be discussed further below with reference to the illustration in FIG. 3 is tried. However, it goes without saying and is within the scope of the invention to use several sensors, for example in a uniform arrangement peripherally distributed over one of the end plates, or to provide sensors on the other end plate in a corresponding number and distribution as on one and then in any connection evaluate the change in resistance resulting from the change in the field lines. The change in resistance naturally also occurs where the two magnets (end magnet and piston magnet) move apart - in this case the density of the field lines becomes lower. It is therefore also possible to connect the field plates in their resistance configuration to one another or to form them in the form of bridge circuits.

Es hat sich aber anhand von empirischen Untersuchungen als ausreichend erwiesen, mit einem Feldplattengeber zu arbeiten in der in Fig. 1und Fig. 2 angedeuteten Anordnung, wobei sich bei einer Beschleunigungsänderung von ±10 m/s² eine Widerstandsänderung von 5% bzw. 3% je nach Richtung ergeben hat.It has, however, based on empirical studies found to be sufficient to work with a field plate encoder as shown in Fig. 1 and Fig. 2 indicated arrangement, wherein a resistance change of 5% or 3% s² at an accelerating change of ± 10 m / je direction.

Diese Änderungen sind völlig hinreichend, wobei die stärkere Änderung auftritt, wenn der Kolbenmagnet sich dem mit der Feldplatte versehenen Endmagneten annähert, da durch die Komprimierung der magnetischen Feldlinien eine größere Dichtenänderung entsteht als durch die "Verdünnung" der Feldlinien bei einer relativen Entfernung der jeweiligen Magnete voneinander.These changes are perfectly adequate, with the stronger ones Change occurs when the piston magnet moves with it the end plate provided end magnet approximates because the compression of the magnetic field lines a larger one Density change occurs as a result of the "thinning" of the field lines with a relative distance of the respective magnets from each other.

Diese Variation der Feldlinien bei einer Positionsänderung oder Auslenkung des Kolbenmagneten kann man sich so vorstellen, wie dies in Fig. 3 anhand von zwei diskreten Positionen des Kolbenmagneten 12, einmal in der Position 12 A (durchgezogene Linienführung) und in der Position 12 B (gestrichelte Linienführung) gezeigt ist.This variation of the field lines in the event of a change in position or deflection of the piston magnet can be imagined as shown in FIG. 3 on the basis of two discrete positions of the piston magnet 12 , once in position 12 A (solid lines) and in position 12 B (dashed lines) Lines) is shown.

Befinden sich die beiden Magnete in größerer Entfernung zueinander, dann verlaufen die sich abstoßenden Feldlinien etwa so, wie bei 18 gezeigt; nähert sich der Kolbenmagnet bis zur Position 12 B an den gegenüberliegenden Endmagneten mit der Feldplatte 17 an, dann drängen sich die in ihrer Anzahl ja konstanten Feldlinien wesentlich stärker zusammen und durchsetzen daher auch in größerer Bündelung und mit stärkerer Krümmung, also auf einem längeren Weg, wie gestrichelt bei 18′ angedeutet, die Feldplatte 17. Hieraus resultieren die Widerstandsänderungen, die dann noch in ein auswertbares Ausgangssignal umzusetzen sind.If the two magnets are at a greater distance from one another, then the repelling field lines run approximately as shown at 18 ; If the piston magnet approaches the opposite end magnet with the field plate 17 up to position 12 B , then the field lines, which are constant in number, will crowd together much more and therefore also prevail in larger bundling and with greater curvature, i.e. on a longer path, as indicated by dashed lines at 18 ' , the field plate 17th This results in changes in resistance, which then have to be converted into an evaluable output signal.

Die folgende Tabelle zeigt zunächst einen an einem Ausführungsbeispiel gemessenen "Federkraftverlauf", also die Zuordnung des Abstands des mittleren, beweglichen Kolbenmagneten 12 zu einem der Endmagneten, die für die Bildung dieses Abstands jeweils einwirkenden Kräfte in Gramm und die sich aus der jeweiligen Kraft rechnerisch ergebende Beschleunigung. The following table first shows a "spring force curve" measured using an exemplary embodiment, that is to say the assignment of the distance of the middle, movable piston magnet 12 to one of the end magnets, the forces in grams that act in each case for the formation of this distance, and the arithmetically resulting from the respective force Acceleration.

Da sich bei einem praktischen Ausführungsbeispiel die folgenden numerischen Werte hinsichtlich Abmessung oder Gewicht ergeben hatten, die hier nur der Vollständigkeit halber mitgeteilt werden und die die Erfindung hierauf nicht einschränken, läßt sich auch der Einsatzbereich auf der Basis dieser Werte grob skizzieren.Because in a practical embodiment, the following numerical values in terms of size or weight surrendered, which are only given here for the sake of completeness and which do not limit the invention to this, can also be used on the basis roughly outline these values.

So weist der Kolbenmagnet bei einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 15 mm ein Gewicht von 5,9 g auf; setzt man diese 5,9 g mit den 180 g der Tabelle ins Verhältnis, dann ergibt sich ein Einsatzbereich von etwa der 30fachen Erdbeschleunigung, was einer Beschleunigung von rund 300 mm/s² entspricht.The piston magnet has a diameter of 10 mm and a length of 15 mm has a weight of 5.9 g; puts this 5.9 g in relation to the 180 g of the table, then there is an application range of about 30 times Gravitational acceleration, which is an acceleration of around 300 mm / s² corresponds.

Andere Abmessungen erbringen hier, wie es sich versteht, andere Werte.Other dimensions here, as is understood, other values.

Zur Umsetzung der in der Feldplatte bei einwirkenden Beschleunigungen auftretenden Widerstandsänderungen in ein busfähiges Ausgangssignal wird der Feldplattenwiderstand am besten als frequenzbestimmendes Element in einem Schwingkreis ausreichender Güte eingebaut.To implement the accelerations in the field plate occurring resistance changes in a The field plate resistance becomes the bus-capable output signal ideally as a frequency-determining element in a resonant circuit sufficient quality installed.

Vorgeschlagen wird entsprechend der Darstellung der Fig. 4 eine rückgekoppelte Schwingschaltung 20, bestehend aus einem Inverter 21 mit Hysterese, der vom Ausgang des Inverters 21 auf dessen Eingang rückgekoppelten Feldplatte 17′ und einem gegen Masse geschalteten Kondensator 18. Eine solche Schwingschaltung mit einer Schmitt-Trigger-Charakteristik sowie mit einem nachgeschalteten zweiten Pufferelement 22 zur Entkopplung ist bevorzugt als temperaturkompensierter und daher sehr stabiler CMOS-Baustein aufgebaut und erzeugt eine Rechteckausgangsspannung hoher Frequenz, wobei die einfach zu verstehende Grundfunktion so ist, daß der Kondensator 18 über die Feldplatte 17′ aufgeladen wird, bis die Ansprechschwelle des "Schmitt-Triggers" erreicht ist; dann wird umgeschaltet, der Kondensator wird entladen, bis wieder die untere Triggerschwelle erreicht ist. FIG it is proposed according to the representation. 4 is a feedback oscillating circuit 20 consisting of an inverter 21 with hysteresis, the feedback from the output of the inverter 21 to its input field plate 17 'and a capacitor 18 connected to ground. Such an oscillation circuit with a Schmitt trigger characteristic and with a downstream second buffer element 22 for decoupling is preferably constructed as a temperature-compensated and therefore very stable CMOS module and generates a square-wave output voltage of high frequency, the basic function being easy to understand such that the capacitor 18 is charged via the field plate 17 ' until the response threshold of the "Schmitt trigger" is reached; then it is switched over, the capacitor is discharged until the lower trigger threshold is reached again.

Am ausgangsseitigen Pufferbaustein 22 ergibt sich dann eine Null- oder Mittenfrequenz (bei Auslenkung Null des Kolbenmagneten) von beispielsweise 50 MHz, also sehr hochfrequent, wobei sich bei der hervorragenden Integrationsfähigkeit einer solchen Schaltung auch eine besonders hohe Auflösung realisieren läßt, wenn man für die Extremwerte der einwirkenden Beschleunigung mit Frequenzänderungen von etwa 3% nach der einen und 5% nach der anderen Seite rechnet.At the output-side buffer module 22 there is then a zero or center frequency (with zero deflection of the piston magnet) of, for example, 50 MHz, that is to say a very high frequency, and with the excellent integration capability of such a circuit a particularly high resolution can also be achieved if one takes the extreme values into account Expected acceleration with frequency changes of about 3% on one side and 5% on the other.

Die Charakteristik ist nichtlinear, die sich ergebende "Federkraft" wirkt progressiv bis zum Anschlag, so daß auch maximale Auslenkungen einwandfrei erfaßt und in ein entsprechendes Meßsignal umgesetzt werden können. Auch im Bereich des Schwingkreises und seiner Ansteuerung ergeben sich kaum Fehlereinflüsse, da die Wirkung der Alterung und Temperaturgang auf die Feldplatte vernachlässigbar ist, das gleiche trifft auf die magnetischen Feldkräfte sowie auf die Reibung zu. Für die Temperaturbeständigkeit der eingesetzten Magnete spielt lediglich die sehr hohe, im Normalfall also nie erreichbare Curie-Temperatur eine Rolle; die Feldplatte ist mindestens einsetzbar zwischen -30° bis etwa +100°.The characteristic is non-linear, the resulting one "Spring force" acts progressively up to the stop, so that also maximum deflections perfectly recorded and in one corresponding measurement signal can be implemented. Also in Area of the resonant circuit and its control there are hardly any errors due to the effects of aging and Temperature response to the field plate is negligible, the same applies to the magnetic field forces as well towards the friction. For the temperature resistance of the used magnets only plays the very high, in Normally, never reachable Curie temperature matter; the field plate can be used at least between -30 ° up to about + 100 °.

Die weitere Verarbeitung des hochfrequenten Ausgangssignals der Schwingschaltung entsprechend Fig. 4 kann dann so erfolgen, daß die Frequenz des Schwingkreises ausgezählt wird, wobei die innerhalb eines Zählintervalls auftretenden Impulsänderungen hinzugezählt werden, so daß sich eine deutliche Signalintegration ergibt; die Zählerstände werden beispielsweise alle 100 ms erfaßt und durch Differenzbildung verarbeitet, wobei ein im System abgespeicherter aktueller Eichwert als Nullwert verwendet wird.The further processing of the high-frequency output signal of the oscillating circuit according to FIG. 4 can then be carried out in such a way that the frequency of the oscillating circuit is counted, the pulse changes occurring within a counting interval being added, so that there is a clear signal integration; the counter readings are recorded every 100 ms, for example, and processed by forming a difference, a current calibration value stored in the system being used as the zero value.

Dieser Nullwert ergibt sich im Ruhezustand bei einwirkender Beschleunigung b = 0 und wird allen nachfolgenden Wertbildungen zugrundegelegt. Der Eichwert erhält auch alle während der Betriebszeit durch Alterung u. dgl. aufgelaufene Fehler bzw. kompensiert diese, so daß auch von diesem Gesichtspunkt her eine sehr hohe Genauigkeit der ermittelten Meßwerte gesichert ist.This zero value is obtained in the idle state with acceleration b = 0 and is used as a basis for all subsequent value calculations. The calibration value also receives all during the operating time due to aging and. Accumulated errors or compensated for them, so that from this point of view, a very high accuracy of the measured values determined is ensured.

Alle Meßwerte werden auf die Nullfrequenz des Eichwertes bezogen, und zwar durch einfache Differenzbildung, wodurch sich die Stellenzahl der jeweils ermittelten Meßwerte, mit denen gearbeitet wird, drastisch reduziert; diese Reduzierung ergibt die eigentliche Signalgröße. Gleichzeitig gewinnt man durch die Differenzbildung das gültige Vorzeichen der einwirkenden Beschleunigung und erzielt durch die ständige Nachjustierung über den jeweils aktuellen Eichwert der Nullwertmessung (die wiederholt beim Betrieb durchgeführt wird) eine Kalibrierung im Sinne einer automatischen Eichung. Dabei ist der Feldplattenwiderstand ebenso wie die Koerzitivfeldstärke der Magnete temperaturabhängig, so daß eine Aufnahme der Kennlinienfelder der Sensoren sinnvoll sein kann. Dabei wird die aktuelle Temperatur der Systeme mit aufgezeichnet bzw. bei der Meßwertbildung bewertet. Hierzu kann man so vorgehen, daß ein identischer Schwingkreis, bei dem ein PTC oder NTC als frequenzbestimmendes Element ein Signal liefert, das z. B. der UDS (Unfalldatenschreiber) mit abspeichert (nach jeder Aufzeichnung). Damit ist der Elementtemperaturgang zur Zeit der Aufzeichnung bekannt und die Lage der Kennlinie im Kennfeld gegeben. Die Kenntnis der Systemtemperatur ist auch wegen der übrigen Bauteile des UDS erwünscht.All measured values are at the zero frequency of the calibration value related, by simple difference formation, whereby the number of digits of the respectively determined measured values, with who are working, drastically reduced; this reduction gives the actual signal size. At the same time wins the valid sign is obtained by forming the difference the acting acceleration and achieved by the constant Readjustment using the current calibration value of the Zero value measurement (which is carried out repeatedly during operation calibration) in the sense of an automatic Calibration. The field plate resistance is just like that Coercive force of the magnets depends on the temperature, so that a recording of the characteristic curve fields of the sensors may be useful can. The current temperature of the systems is also recorded or evaluated in the formation of measured values. This can one proceed in such a way that an identical resonant circuit in which a PTC or NTC as a frequency-determining element a signal delivers the z. B. saves the UDS (accident data recorder) (after each recording). This is the element temperature response known at the time of recording and the Position of the characteristic curve in the map. Knowing the System temperature is also due to the other components of the UDS desired.

Ein solcher Beschleunigungssensor ist durch seine Alterungsbeständigkeit und die hohe Genauigkeit der von ihm gelieferten Werte mit besonderem Vorteil einsetzbar im Bereich von Kraftfahrzeugen, beispielsweise zur Signalvermittlung für Unfalldatenschreiber, Fahrtschreiber oder sonstige Aufzeichnungsgeräte, wobei der Beschleunigungssensor in seiner Signalgabe dann ausgewertet wird, wenn ebenfalls vorhandene Weggeber aufgrund eines auftretenden Unfallgeschehens nicht mehr auswertbar sind. Verwendet werden kann der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor auch für beliebige Sicherheitsvorrichtungen im Kraftfahrzeugbereich, beispielsweise für die Bestimmung des Einsetzens einer Antischlupfregelung, für die Steuerung des Verhaltens von Antiblockiersystemen (ABS), für die Ansteuerung von Gurtstrammern, Airbags u. dgl.Such an acceleration sensor is due to its aging resistance and the high accuracy of it delivered values can be used with particular advantage in the area of motor vehicles, for example for signal transmission for accident data recorders, tachographs or other recording devices, the acceleration sensor is evaluated in its signaling if also existing signposts due to an occurring accident are no longer evaluable. Can be used the acceleration sensor according to the invention also for any Safety devices in the automotive field, for example for the determination of the application of an anti-slip control, for controlling the behavior of anti-lock braking systems (ABS), for the control of belt tensioners, airbags u. the like

Untersuchungen haben ergeben, daß durch Reibungseinflüsse des Kolbenmagneten an den inneren Führungswänden des Führungsrohrs keine merkbaren Fehler auftreten, da die Reibung als Gleitreibung im wesentlichen konstant und in der Kennlinie enthalten ist, während die Ansprechschwelle für die Haftreibung in einem Beschleunigungseinwirkungsbereich von unter 1 m/s² liegt und daher vernachlässigbar ist. Bei solchen geringen Beschleunigungen kann ohnehin der von beispielsweise üblichen Weggebern gelieferte Wert verwendet werden, da hier noch kein Schlupf auftritt, der den Einsatz von Beschleunigungssensoren entsprechend vorliegender Erfindung erforderlich macht.Studies have shown that due to friction of the piston magnet on the inner guide walls of the guide tube No noticeable errors occur because of the friction as sliding friction essentially constant and in the characteristic is included, while the response threshold for the Stiction in an acceleration area of is less than 1 m / s² and is therefore negligible. In such low accelerations can anyway of for example value supplied to usual wayfinders are used, since there is still no slippage, which the use of Acceleration sensors according to the present invention makes necessary.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the following claims and The features shown in the drawing can be both individually as well as essential to the invention in any combination with one another be.

Claims

1. Method for acceleration measurement, in particular for recording acceleration values, for controlling / regulating vehicle functions including anti-slip control (ASR), controlling anti-lock braking systems (ABS), for controlling belt tensioners, airbag functions and the like. Like., With a subjected to the acceleration action seismic, movably guided in the direction of the acting acceleration mass element, characterized in that a magnetic field line change caused by the resulting movement of the piston magnet ( 12 ) formed by at least one magnetic field-sensitive sensor detected and into one output signal corresponding to the acceleration is transformed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the magnetic field-sensitive sensor is a field plate resistor ( 17 ).

3. The method according to claim 1, characterized in that the magnetic field sensitive sensor is a Hall generator.

4. The method according to claim 1, characterized in that the piston magnet resiliently on both sides through the repulsive effect held by magnetic poles of the same name becomes.

5. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the resulting compression and the resulting movement of the piston magnet compression of the repelling magnetic field lines for resistance change in the field plate resistor ( 17 ) is used and that the change in resistance to control a resonant circuit ( 20 ), whose output frequency is evaluated as a measure of the acceleration acting.

6. Device for measuring acceleration, in particular for recording acceleration values, for controlling / regulating motor vehicle functions including anti-slip control (ASR), controlling anti-lock braking systems (ABS), for controlling belt tensioners, airbag functions and the like. Like., With a seismic mass element subjected to the acceleration effect, movably guided in the direction of the acting acceleration, for carrying out the method according to one of claims 1 to 5, characterized in that a slidingly mounted piston magnet ( 12 ) on both sides by the repulsive effect of magnetic poles of the same name terminal magnets ( 13 a , 13 b) is freely movable in the manner of a spring-loaded state and that the magnetic field-sensitive sensor (field plate resistance) changes in the range of its density when the piston magnet ( 12 ) is deflected by an acceleration effect 17 ; Hall generator) is arranged.

7. The device according to claim 6, characterized in that the piston magnet ( 12 ) in a (non-magnetic) guide tube ( 11 ) is slidably mounted that end of the guide tube end magnets ( 13 a , 13 b) with the facing side of the piston magnet ( 12 ) the same and therefore a repulsion force generating magnetic poles are arranged, and that the (13 b 13 a) is arranged at least one field plate resistor (17) on the edge side on the side facing the piston magnet facing one of the end magnets.

8. Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that the end magnets ( 13 a , 13 b) in cap-shaped housing covers ( 14 a , 14 b) are received, which close on both sides a central housing part ( 15 ), which in a bore ( 15 a) contains the guide tube ( 11 ) for the piston magnet ( 12 ).

9. Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the bilateral cap-shaped cover ( 14 a , 14 b) and the middle housing part ( 15 ) consist of a magnetically permeable material and at the same time a magnetically closed return circuit and a shield against external magnetic fields.

10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the inner wall of the guide tube ( 11 ) is coated with a sliding layer (PTFE) or consists of such.

11. The device according to one of claims 6 to 10, characterized in that the at least one field plate resistor ( 17 ) controls a resonant circuit ( 20 ) as a frequency-determining element.

12. The apparatus according to claim 11, characterized in that an inverter / amplifier ( 21 ) is provided with hysteresis and the field plate resistor ( 17 ) is arranged in its feedback branch, with a capacitor connected to ground ( 18 ) and a further, downstream amplifier element ( 22 ) for buffering.

13. Device according to one of claims 6 to 12, characterized characterized in that the guide tube made of brass or non-magnetic high-alloy austenitic and therefore there is polishable steel.