DE4008644C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehr-Komponenten Beschleunigungs­ sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist bereits ein gattungsgemäßer Beschleunigungssensor be­ kannt (US-PS 37 86 674), der aus mehreren die Komponenten bil­ denden Einzelaufnehmern besteht, die alle so angebracht sind, daß eine Beschleunigung in einer bestimmten Richtung zu einer gleichsinnigen Änderung der Ausgangssignale der Einzelaufnehmer führt. Dabei ist bei den die einzelnen Komponenten bildenden Einzelaufnehmern um einen magnetostriktiven Eisenkern eine Spule gewickelt, so daß eine aufgrund einer Beschleunigung re­ sultierende Verformung des Eisenkerns, die aufgrund der Magne­ tostriktion zu einer Änderung der Permeabilität µ_r dieses Ei­ senkerns führt, eine Änderung der Induktivität der Spule be­ wirkt. Aus dieser Änderung der Induktivität der Spule wird in einer Auswertungselektronik auf die Beschleunigung geschlossen. Die Beschleunigung wird dabei mittels Elementen, mit denen der Beschleunigungssensor auf dem zu sensierenden Objekt abgestützt wird und die als seismische Massen wirken, auf den Eisenkern übertragen. Weiters sind in dieser Schrift Maßnahmen be­ schrieben, mittels denen eine Abschirmung der Spule gegen Ein­ koppeln von äußeren Störungen möglich ist. Außerdem wird be­ schrieben, wie bei einer Reihenschaltung der Einzelaufnehmer eine Anpassung der Impedanz erfolgen kann, so daß die Reihen­ schaltung aller Einzelaufnehmer mit nur einer Auswertungselek­ tronik ausgewertet werden kann.

Nachteilig wirkt sich bei diesem Gegenstand aus, daß Beschleu­ nigungen in einer Richtung, die von einer für die zu sensierende Beschleunigung definierten Richtung abweicht, ebenfalls zu einer Änderung der Induktivitäten der Spulen der Einzelaufnehmer führt, da auch diese Beschleunigungen aufgrund von mechanischen Verspannungen zu Verformungen der Eisenkerne führen können. Somit kann es zu einer falschen Sensierung von Beschleunigungen kommen.

Außerdem ist es bekannt (DE 24 32 225 A1), mehrere Sensoren zur Bestimmung von Beschleunigungen in verschiedenen Raumrichtung so anzuordnen, daß die Richtungen der von den einzelnen Sen­ soren zu bestimmenden Beschleunigungen linear unabhängig sind.

Auch dabei kann es zu einer falschen Sensierung von Beschleu­ nigungen kommen, wenn magnetostriktive Beschleunigungssensoren eingesetzt werden, bei denen eine Beschleunigung, die von der Richtung des durch den Beschleunigungssensor zu sensierenden Beschleunigung führt, mechanische Spannungen derart bewirken, daß von diesem Beschleunigungssensor ebenfalls eine Beschleu­ nigung sensiert wird.

Weiters ist ein Mehr-Komponenten Beschleunigungssensor bekannt (Symposium "Sensoren, Meßaufnehmer 1989" der Technischen Aka­ demie Esslingen (Bundesrepublik Deutschland) vom 30. 05. 1989 bis 01. 06. 1989; Herausgeber: K.W. Bonfig; Kapitel 2.4, 3, 4; Seiten 10.6-10.20), wonach ein als "Piezo Beam" bezeichneter Beschleunigungssensor als aktives Sensorelement aus bimorphen Piezo-Keramik-Biegebalken aufgebaut ist. Wird dabei der mit einem zu sensierenden Körper in Verbindung stehende Beschleu­ nigungssensor in einer Richtung beschleunigt, die nicht mit der axialen Richtung eines der Piezo-Keramik-Biegebalken überein­ stimmt, tritt wegen der trägen Masse des Piezo-Keramik- Biegebalkens eine Durchbiegung auf. Diese Durchbiegung führt zu unterschiedlichen Ladungen auf der (bezogen auf die Beschleu­ nigungsrichtung) Vorder- und Rückseite des Piezo-Keramik- Biegebalkens. Dieser Ladungsunterschied kann dabei mit einem Ladungsverstärker erfaßt werden, der in den Beschleunigungs­ sensor integriert sein kann. Als Resonanzfrequenz des Be­ schleunigungssensors ist dabei 9 kHz angegeben.

Nachteile dieses bekannten Mehr-Komponenten Beschleunigungs­ sensors sind dadurch gegeben, daß ab einer Fallhöhe von ca. 1 m eine Zerstörung des Beschleunigungssensors durch einen Bruch der Piezo-Keramik-Biegebalken auftritt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Mehr-Komponenten Beschleuni­ gungssensor so weiterzubilden, daß er unempfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung wird und gleichzeitig eine möglichst einfach zu realisierende fehlerfreie Erkennung der zu sensierenden Beschleunigung sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Mehr-Komponenten Beschleunigungssensor erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Un­ teransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kennzeich­ nen.

Weitere Vorteile der Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik bestehen darin, daß aufgrund der geringeren seis­ mischen Masse eine einfachere Bauform des Beschleunigungssen­ sors möglich ist sowohl bezüglich des Gewichtes als auch be­ züglich der Abmessungen des Beschleunigungssensors.

Bei der vorliegenden Erfindung soll eine Beschleunigung sensiert werden, indem auf eine Hülse eine weichmagnetische und hochmagnetoelastische Schicht aufgebracht wird, deren Änderung der Permeabilität µ_r beispielsweise mit einer Sensorspule festgestellt werden kann. Die Änderung der Permeabilität µ_r ergibt sich dabei bei einer Einwirkung der Trägheitskraft einer seismischen Masse infolge einer Beschleunigung. Es werden meh­ rere dieser Einzelaufnehmer so zusammengeschaltet, daß sich ein Mehr-Komponenten Beschleunigungssensor ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Darstellung eines Ausführungsbeispieles eines Einzelaufnehmers,

Fig. 2 die Darstellung der Kombination mehrerer Einzelauf­ nehmer zu einem Mehr-Komponenten-Beschleunigungssensor und

Fig. 3 die Darstellung einer Anordnung von Sensorspulen der Einzelaufnehmer zur Auswertung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht ein Einzelaufnehmer aus einer dünnwandigen Hülse 1.1 aus einem nichtmagnetischen Feder- oder Edelstahl, die in einem Grundkörper 1.2 befestigt ist und gleichzeitig eine feste Verbindung mit einem Spulenkörper 1.3 aufweist. Dieser Spulenkörper 1.3 kann dabei aus einem glasfaserverstärkten, hochtemperaturfesten Kunststoff oder aber auch aus einer den elektrischen Strom sehr schlecht leitenden Metallegierung bestehen. Mit diesem Spulenkörper 1.3 ist eine seismische Masse 1.4 kraftschlüssig verbunden. Diese kraft­ schlüssige Verbindung kann dabei beispielsweise realisiert sein, indem sich in dem Spulenkörper 1.3 ein Gewinde oder ein Gewindeeinsatz befindet. Außerdem enthält der Spulenkörper 1.3 in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 eine Nut 1.3.1 zur Auf­ nahme der Sensorspule 1.5, bei der Versuche zeigten, daß eine Windungszahl von ca. 100 bis 150 für eine hinreichend genaue Auflösung ausreichend ist. Auf der dünnwandigen Hülse 1.1 be­ findet sich eine magnetoelastische Meßschicht 1.6, die aus ei­ ner amorphen oder nanokristallinen weichmagnetischen mit Über­ gangselementen dotierten magnetoelastischen Nickel-Phosphor- Schicht besteht. Dabei kann der Nickelanteil bis zu 8% betra­ gen, als Übergangselement kann Cobalt mit einem Anteil von ca. 10% verwendet werden. Dabei wird die Meßschicht 1.6 zweckmäßi­ gerweise so auf die dünnwandige Hülse 1.1 aufgebracht, daß eine molekulare Verzahnung zwischen der Meßschicht 1.6 und der dünnwandigen Hülse 1.1 auftritt. Diese Meßschicht hat sich als sehr empfindlich bezüglich des Signalpegels erwiesen. Deswegen ist es beispielsweise möglich, nur sehr kleine seismische Massen 1.4 zu verwenden und/oder die Sensorspule 1.5 mit der oben genannten geringen Windungszahl auszubilden. Dabei kann die seismische Masse 1.4 auswechselbar sein, so daß unter­ schiedliche Meßbereiche erfaßt werden können. Außerdem kann die in Fig. 1 beschriebene Anordnung noch mit einer Abdeckung 1.7 versehen sein.

Ein erfindungsgemäßer Mehr-Komponenten-Beschleunigungssensor kann nun entsprechend der Darstellung der Fig. 2 als 3-Kompo­ nenten-Beschleunigungssensor aus den in Fig. 1 beschriebenen Einzelaufnehmern zusammengesetzt sein. Dabei sind 6 der Grund­ körper 1.2 der Fig. 1 zu einem Gesamtgrundkörper 2.7 derart zusammengefaßt, daß sechs der Einzelaufnehmer der Fig. 1 als Einzelaufnehmer 2.1-2.6 jeweils rechtwinklig zueinander ange­ ordnet sind. Dadurch liegen in jeder der 3 Raumrichtungen zwei Sensorspulen von zwei Einzelaufnehmern koaxial hintereinander. Dabei kann je nach den entsprechenden Anforderungen an den Be­ schleunigungssensor bezüglich des Gewichtes und der Abmessungen noch die Auswertungselektronik in den Gesamtgrundkörper 2.7 integriert sein. In einem Beispiel sollen nun die Verhältnisse beschrieben werden, wenn eine Beschleunigung des 3-Komponenten- Beschleunigungssensors in z-Richtung erfolgt. Durch die seis­ mische Masse des Einzelaufnehmers 2.1 wird die zugehörige Hülse sowie die sich auf dieser befindende Meßschicht gestaucht. Da­ durch erhöht sich deren Permeabilität und damit auch die In­ duktivität der zugehörigen Sensorspule. Gleichzeitig wird die Meßschicht des Einzelaufnehmers 2.2 durch die diesem zugehörige Hülse sowie die seismische Masse gedehnt. Dadurch verringert sich deren Permeabilität sowie die Induktivität der zugehörigen Sensorspule. Die Meßschichten der Einzelaufnehmer 2.3-2.6 wer­ den dabei aufgrund der Biegung der entsprechenden Hülsen eben­ falls unter eine entsprechende mechanische Spannung gesetzt.

Entsprechend der Darstellung der Fig. 3 werden die den ein­ zelnen Einzelaufnehmern 2.1-2.6 zugeordneten Sensorspu­ len 3.1-3.6 in den Auswerteelektroniken 3.7, 3.8 und 3.9 zu­ sammengefaßt. Beispielsweise ist es nun möglich, jeweils zwei Sensorspulen (3.1, 3.2), (3.3, 3.4), (3.5, 3.6) in einer Dif­ ferenzanordnung zu betreiben und paarweise in den Auswerteelektroniken 3.7, 3.8 und 3.9 auszuwerten. Durch diese Differenzanordnung können aufgrund thermischer Effekte auftre­ tende Impedanzänderungen sowie elektromagnetische Störungen weitgehend eliminiert werden. Durch dieses Differenzverfahren werden die Verbiegungen der Einzelaufnehmer ebenfalls elimi­ niert - vorausgesetzt, daß die Einzelaufnehmer 2.3-2.6 so an­ gebracht sind, daß sie bei der Beschleunigung in z-Richtung dieselbe Änderung der Induktivität aufweisen -, so daß ent­ sprechend dem Beispiel der Beschleunigung in z-Richtung nur von der den Sensorspulen 3.1 und 3.2 zugeordneten Auswerteelektro­ nik 3.7 eine Beschleunigung festgestellt wird, weil nur deren Hülsen 1.1 und Meßschichten 1.6 gegensinnig verformt werden.

Dabei können diese Sensorspulen 3.1-3.6 ale induktive Halb­ brücken mit einer Trägerfrequenzelektronik betrieben werden. Dabei werden die Spannungsabfälle an den Impedanzen der Sen­ sorspulen 3.1-3.6 jeweils paarweise in den entsprechenden Auswerteelektroniken 3.7, 3.8 und 3.9 subtrahiert. Die sich einstellende Differenzspannung ist direkt proportional dem Be­ schleunigungssignal. Grundsätzlich ist es dabei möglich, die Trägerfrequenz mit einem Gleichstrom zu überlagern, so daß be­ stimmte Arbeitspunkte der Induktivitäten eingestellt werden können.

Alternativ dazu kann das Differenzverfahren mittels der Be­ stimmung von Frequenzen realisiert werden. Dabei werden die Sensorspulen 3.1-3.6 nacheinander in einen Oszillatorkreis ge­ schaltet. Ebenso ist es jedoch auch möglich, jede der Sensorspulen 3.1-3.6 in einen eigenen Oszillatorkreis einzu­ bringen. Eine in einer der Auswertungselektroniken 3.7, 3.8 oder 3.9 festgestellte Differenz der Frequenz ist dann ein Maß für die Beschleunigung.

Eine weitere Möglichkeit der Realisierung des Differenzverfah­ rens besteht darin, den Beschleunigungssensor als aktiven Sen­ sor auszubilden. Dazu müssen die seismischen Massen der Ein­ zelaufnehmer 2.1-2.6 einen permanentmagnetischen Anteil ent­ halten. Dies kann realisiert werden, indem als seismische Masse ein Permanentmagnet verwendet wird oder indem mit der seis­ mischen Masse ein Permanentmagnet verbunden wird. Der Arbeits­ punkt des Einzelaufnehmers wird dabei in vorteilhafter Weise so eingestellt, daß die Remanenz der Meßschicht bei ca. 70% bis 75% der Sättigungsinduktion liegt. Alternativ dazu läßt sich dieser Effekt auch erzielen, indem durch jede der Sensor­ spulen 3.1-3.6 ein entsprechend eingestellter Gleichstrom fließt. Erfolgt nun eine Änderung der Beschleunigung des Be­ schleunigungssensors, wird in der entsprechenden Sensorspu­ le 3.1-3.6 ein analoger Spannungsimpuls induziert, der wiederum mittels des Differenzverfahrens ausgewertet werden kann.

Wie oben bereits beschrieben, können die seismischen Massen auswechselbar gestaltet sein. Somit ist es auch möglich, in verschiedenen Raumrichtungen unterschiedliche Ansprechempfind­ lichkeiten des Beschleunigungssensors zu realisieren.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die aufgrund einer Biegung auftretenden mechanischen Spannungen in den jeweiligen Meß­ schichten 1.6 der Einzelaufnehmer 2.1-2.6 auszuwerten, wobei sich dann allerdings ein größerer Aufwand dahin gehend ergibt, daß die Induktivität jeder einzelnen Sensorspule 3.1-3.6 erfaßt werden muß.

Claims (8)

1. Mehr-Komponenten Beschleunigungssensor,

• - wobei die Einwirkung der Trägheitskraft einer Masse die Än­ derung einer elektromagnetischen Größe bewirkt,
• - wobei mehrere Einzelaufnehmer vorhanden sind,
• - wobei mehrere Einzelaufnehmer und damit auch deren Sensor­ spulen hintereinander liegend angeordnet sind,
• - wobei in jedem Einzelaufnehmer bei einem Beschleunigungsvor­ gang eine seismische Masse auf eine magnetoelastische Meß­ schicht einwirkt,
• - wobei die Permeabilität µ_r dieser Meßschicht Einfluß auf die Induktivität einer Sensorspule nimmt,
• - wobei in wenigstens einer Auswertungselektronik aus den In­ duktivitäten der Sensorspulen ein den Beschleunigungszustand repräsentierendes Signal gewonnen wird,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß mehrere Einzelaufnehmer (2.1-2.6) für die Bestimmung der Beschleunigung in mehreren Raumrichtungen vorhanden sind,
• - daß für jede Raumrichtung, in die die Beschleunigung zu be­ stimmen ist, zwei Einzelaufnehmer (2.1-2.2, 2.3-2.4, 2.5-2.6) derart angebracht sind, daß deren Sensorspulen (1.5, 3.1-3.6) koaxial hintereinander liegen, wobei die Anbringung der Ein­ zelaufnehmer (2.1-2.2, 2.3-2.4, 2.5-2.6) an einem Grundkör­ per (2.7) derart erfolgt, daß sich bei einer Beschleuni­ gungskomponente des Beschleunigungssensors senkrecht zu der axialen Richtung der Sensorspulen (1.5, 3.1-3.6) der beiden Einzelaufnehmer (2.1-2.2, 2.3-2.4, 2.5-2.6) eine gleichsinnige Änderung der Induktivitäten der Sensorspu­ len (1.5, 3.1-3.6) der beiden Einzelaufnehmer (2.1-2.2, 2.3-2.4, 2.5-2.6) sowie bei einer Beschleunigungskomponente des Beschleunigungssensors in axialer Richtung der Sensor­ spulen (1.5, 3.1-3.6) der beiden Einzelaufnehmer (2.1-2.2, 2.3-2.4, 2.5-2.6) eine gegensinnige Änderung der Induktivi­ täten der Sensorspulen (1.5, 3.1-3.6) der beiden Einzelauf­ nehmer (2.1-2.2, 2.3-2.4, 2.5-2.6) ergibt.

2. Mehr-Komponenten Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschicht (1.6) aus Nickel, Phosphor und einem che­ mischen Übergangselement - insbesondere Cobalt - besteht,

• - wobei der Anteil von Nickel insbesondere bis zu 8% beträgt und
• - wobei der Anteil von Cobalt insbesondere 10% beträgt.

3. Mehr-Komponenten Beschleunigungssensor nach einem der An­ sprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einzelaufnehmer (2.1-2.6) derart aufgebaut ist,

• - daß die Meßschicht (1.6) auf einer Hülse (1.1) angebracht ist,
• - daß die seismische Masse (1.4) während eines Beschleuni­ gungsvorganges auf diese Hülse (1.1) derart einwirkt, daß sich bei einer Beschleunigung in axialer Richtung der Hül­ se (1.1) eine Stauchung bzw. Dehnung der Meßschicht (1.6) ergibt und daß bei einer Beschleunigung senkrecht zur axialen Richtung der Hülse (1.1) eine Biegung der Hülse (1.1) auf­ tritt,
• - daß eine molekulare Verzahnung der Meßschicht (1.6) mit der Hülse (1.1) besteht und
• - daß um die Hülse (1.1) eine Sensorspule (1.5, 3.1-3.6) derart angebracht ist, daß die Hülse (1.1) koaxial in der Sensor­ spule (1.5, 3.1-3.6) liegt.

4. Mehr-Komponenten Beschleunigungssensor nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspulen (1.5, 3.1-3.6) zweier Einzelaufneh­ mer (2.1-2.2, 2.3-2.4, 2.5-2.6) zur Bestimmung der Beschleuni­ gung in einer Raumrichtung zu einer induktiven Halbbrücke ver­ schaltet sind.

5. Mehr-Komponenten Beschleunigungssensor nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Aufschaltung einer Trägerfrequenz die Impedanz der Sensorspulen (1.5, 3.1-3.6) bestimmt wird.

6. Mehr-Komponenten Beschleunigungssensor nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz der Sensorspulen (1.5, 3.1-3.6) durch Ein­ schaltung in einen Oszillatorkreis bestimmt wird.

7. Mehr-Komponenten Beschleunigungssynsor nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (1.4) zumindest teilweise als Perma­ nentmagnet ausgebildet ist.