DE4025184C2

DE4025184C2 -

Info

Publication number: DE4025184C2
Application number: DE19904025184
Authority: DE
Inventors: Volker 6307 Linden De Geisel
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1990-08-09
Filing date: 1990-08-09
Publication date: 1992-07-30
Also published as: DE4025184A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Erfassung der Beschleunigung bzw. der Neigung, ins besondere für Kraftfahrzeuge mit mindestens einer Elek trode, die in einer in einem geschlossenen Behälter vorgesehenen Flüssigkeit als gravitationsempfindliches Element aufgenommen ist, wobei die Elektrode mit einer Schutzschicht überzogen ist.

Es ist bereits ein kapazitiver Neigungssensor bekannt (DE 37 44 411 C2), der mit einer Flüssigkeit als gravi tationsempfindliches Element in einer geschlossenen Kammer arbeitet. Die Kondensatorplatten sind mit einer hochisolierenden, festen Passivierungsschicht gleich mäßiger Dicke versehen, wobei die in der Kammer vorge sehene Flüssigkeit elektrisch leitend ist, und die Kammer die Gegenelektrode des Differentialkondensators bildet. Wird bei einem derartigen Neigungssensor beispielsweise einmal die Passivierungsschicht beschä digt, so ist eine Reparatur sehr aufwendig und meistens wirtschaftlich nicht mehr vertretbar.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Sensor derart auszubilden, daß er auf einfache Weise hergestellt und im Bedarfsfall kostengünstig repariert werden kann. Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die auf der Elektrode gebildete Isolierschicht als Oxydschicht ausgebildet ist. Eine derartige Schicht läßt sich auf sehr einfache, kostengünstige Weise herstellen, indem die Elektrode in eine entsprechende Flüssigkeit getaucht wird, so daß sich auf der Elektrode eine Oxydschicht mit Halbleitereigenschaft bilden kann. Wird eine derartige Schicht aus irgendeinem Grund einmal zerstört, so läßt sich diese jederzeit durch Nachformieren wieder herstellen. Auf diese Weise läßt sich die Elektrode jederzeit auch in montiertem Zustand reparieren. Hierzu ist es vorteilhaft, daß die Elektrode (Anode) mit der Oxydschicht überzogen ist. Außerdem ist es vorteilhaft, daß der Sensor einen als Kathode ausgebildeten Behälter aufweist, in dem mindestens eine Anode in einem Elektrolyt aufgenommen ist, mittels dessen auf der Anode eine Oxydschicht gebildet werden kann.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbil dung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die Anode aus einem Metall, insbesondere aus Al oder Ta besteht und vorzugsweise mit einer Al₂O₃ oder einer Ta₂O₅ Schicht überzogen ist. Gemäß einem besonderen Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vor gesehen, daß zwei oder mehrere identische Anoden in dem Behälter aufgenommen sind. Ferner ist es vorteilhaft als Elektrolyt ein Lösungmittel, insbesondere N, Ni- Dimethylformamid, Butyrolacton, Dimethylsulfid eine Flüssigkeit auf Glykolbasis, oder eine Mischung dieser Flüssigkeiten oder verdünnte Schwefelsäure einzusetzen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil haft, daß die Anoden einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Ferner ist es möglich, daß die Anoden einen rechteckförmigen Querschnitt und mindestens eine Anschlagfläche aufweisen. Die Elektroden können auch als Spiralen ausgebildet sein oder eine U-Form aufweisen. Hierdurch lassen sich die Anoden sehr leicht im Behälter positionieren. Hierzu ist es ferner vorteilhaft, daß die Anoden oberhalb der Bodenplatte mittels einer Halterung zusätzlich fixiert sind. Auf diese Weise erhält man einen einwandfreien Sitz für die Anoden. Vorteilhaft ist es auch, daß die Anoden oberhalb der Bodenplatte im Bereich ihrer oberen Enden in der im Behälter vorgesehenen Halterung abgestützt sind. Es ist zweckmäßig, daß die Bodenplatte als Isolierkörper ausgebildet ist, der an seinem Außenumfang eine rillenförmige Vertiefung zur Einbördelung der Außenwand des Behälters aufweist, wobei zwischen der Innenseite der Außenwand und der Vertiefung ein Dichtungselement vorgesehen ist.

Weiterhin ist es von Vorteil, daß durch Änderung des Halters vorzugsweise in ein gekreuztes Gitter oder U-Rohr eine zusätzliche Dämpfung des Systems erreicht wird.

Eine weitere Möglichkeit der Dämpfung wird realisiert, indem man auf die Oberfläche der leitenden Flüssigkeit ein dämpfendes Element auflegt.

Zur Ausgestaltung dieser Dämpfungsmöglichkeit werden vorzugsweise eine Platte, ein Gitter, ein Netz oder eine geeignete Flüssigkeit verwendet.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiter bildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die Elektroden mit dem Dielektrikum überzogen sind, so daß eine hohe Dielektrizitätszahl erreicht wird. Ferner wird die Oberfläche mittels der Oxydschicht gegenüber der Flüssigkeit sehr dicht und besonders gleichmäßig verschlossen.

Gemäß einem besonderen Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung ist es vorteilhaft, daß zwei monostabile Kipp stufen vorgesehen sind, und die Kapazitätswerte des Sensors die Zeitkonstanten der monostabilen Kippstufen bestimmen. Ferner ist jeweils ein Ausgang einer monostabilen Kippstufe mit einem Setzeingang (Trigger- Eingang) der anderen monostabilen Kippstufe derart verbunden, daß durch einen Übergang jeweils einer monostabilen Kippstufe in den stabilen Zustand die jeweils andere monostabile Kippstufe in den instabilen Zustand gesetzt wird.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiter bildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die Aus gänge der monostabilen Kippstufen mit den Setzeingängen über Differenzierglieder verbunden sind und daß das Ausgangssignal mindestens einer monostabilen Kippstufe einem Integrator zuführbar ist. Ferner ist es vorteil haft, daß die Ausgangssignale der monostabilen Kippstu fen je einem Integrator zuführbar sind und daß die Aus gänge der Integratoren mit Eingängen einer Subtrahier schaltung verbunden sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat unter anderem den Vorteil, daß das Ausgangssignal einer monostabilen Kippstufe direkt einem ersten Integrator und invertiert einem zweiten Integrator zuführbar ist und daß die Aus gänge der Integratoren mit Eingängen einer Subtrahier schaltung verbunden sind. Ferner ist es vorteilhaft, daß die Schwingung mindestens einer monostabilen Kippstufe überwacht wird, und beim Ausbleiben der Schwingung mindestens eine monostabile Kippstufe über den jeweiligen Setzeingang wieder in den stabilen Zustand gesetzt und durch eine logische Oder Verknüpfung der beiden Ausgangssignale der monostabilen Kippstufen das Schwingen der Schaltung überwacht wird.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiter bildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die Dif ferenzierglieder aus je einem Kondensator und je einem an einem Anschluß für die Betriebsspannung angeschlos senen Widerstand bestehen und daß beide Anschlüsse der zu den Differenziergliedern gehörenden Kondensatoren über je eine Diode mit einem Widerstand verbunden sind, dessen von den Dioden abgewandter Anschluß mit Massepotential beaufschlagt ist. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Sensors sind der symmetrische Aufbau, eine hohe Kapazitätsänderung, die eine einfache Auswertschaltung ermöglicht, ein großer Temperaturbe reich, eine lineare Kennlinie, sehr geringe Temper aturabhängigkeit und eine gute elektromagnetische Verträglichkeit.

Die genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Sensors ermöglichen insbesondere eine Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Die Anwendung ist jedoch nicht auf diesen Zweck beschränkt, sondern kann beispielsweise auch in Luft- und Wasserfahrzeugen erfolgen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, daß zwei Elektroden parallel zueinander verlaufen und etwa zur Hälfte ihrer Länge mit Flüssigkeit bedeckt sind. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß das Gehäuse die Form eines Bechers auf weist. Diese Ausführung ermöglicht ein besonders kom paktes Bauteil, das insbesondere dann preiswert ist, wenn das Gehäuse ein handelsüblicher Kondensatorbecher ist.

Vorteilhaft ist es ferner, daß die unbehandelten Elektroden als Standardbauteile aus der Kondensator fertigung genommen werden können und somit in der Herstellung und Beschaffung besonders preiswert sind.

Besonders vorteilhaft ist es, daß das Sensorelement vorzugsweise durch Löten auf die Platine der Auswerteelektronik aufgebracht werden kann und somit ein kompakter und kostengünstiger Aufbau des Sensors erreicht wird.

Zur Messung von Beschleunigung oder Neigung in mehreren Richtungen können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung mehrere Anoden im gleichen Gehäuse vorgesehen werden. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, zur Messung der Beschleunigung in mehreren Richtungen jeweils für eine Richtung einen Sensor mit zwei Elektroden vorzusehen.

Die Flüssigkeit für die erfindungsgemäße Anordnung muß leitfähig sein, geringe Adhäsionskräfte aufweisen und eine geringe Viskositätsänderung und Volumenausdehnung über Temperatur haben. Ferner ist es wichtig, daß die Flüssigkeit einen niedrigen Schmelzpunkt und einen hohen Siedepunkt besitzt und nicht aggressiv gegenüber den verwendeten Materialien ist. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit gering ist.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die Oxydschicht sehr gleichmäßig und dünn ca. 1 µm und weniger ist, so daß sich sehr hohe Kapazitätswerte ergeben. Durch die hohen Dielektrizitätskonstanten von Al₂O₃ und Ta₂O₅ werden hohe Grundkapazitäten erreicht. Hieraus ergibt sich ein großer Signalhub und durch die Gleichmäßigkeit der Schicht eine besonders gute Linearität des Sensors.

Das Dielektrikum bzw. die Oxydschicht mit Halbleiterei genschaft wirkt nur in eine Richtung isolierend und wird auf einfache Weise durch Formieren erzeugt. Sollte beim Zusammenbau des Sensors die Oxydschicht zerstört werden, so kann diese jederzeit durch Nachformieren wieder hergestellt werden.

Die Auswerteeinheit zeichnet sich durch einen geringen Aufwand aus und erzeugt ein binäres Ausgangssignal, das in einfacher Weise sowohl von einem Mikroprozessor als auch mit Hilfe einer einfachen Analogschaltung weiter verarbeitet werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß auf einer Signalleitung Informationen über beide Sensorgrößen ausgegeben werden. Es kann jedoch auch ein symmetrischer Ausgang der Auswerteschaltung genutzt werden, was eine gute elektromagnetische Ver träglichkeit zur Folge hat.

Schaltungen aus zwei sich gegenseitig in den instabilen Zustand setzenden monostabilen Kippstufen schwingen nach einer Störung, z. B. durch einen Kurzschluß eines der Ausgangssignale, möglicherweise nicht wieder an. Um auch bei einem solchen Fall ein sicheres Wiederanschwingen zu ermöglichen, kann die Auswerteschaltung dadurch weitergebildet werden, daß die Differenzierglieder je einem Kondensator und je einem an einem Anschluß für die Betriebsspannung angeschlossenen Widerstand bestehen um damit beide Anschlüsse der zu den Differenziergliedern gehörenden Kondensatoren über je eine Diode mit einem Widerstand verbunden sind, dessen von den Dioden abgewandter Anschluß mit Massepotential beaufschlagt ist.

In den Figuren ist die Erfindung an einer Ausführungs form beispielsweise dargestellt, ohne auf diese Aus führungsform beschränkt zu sein.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Wir kungsweise eines Sensors zur Erfassung der Beschleunigung bzw. der Neigung,

Fig. 2 den Sensor mit zwei Elektroden (Anoden), die mit einer Oxydschicht überzogen sind, die als Dielektrikum wirkt,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensors,

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Sensors mit Halter zum Fixieren der Elektroden,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer Elektrode entlang der Linie 5-5 gemäß Fig. 9,

Fig. 6 eine Ansicht des Sensors von unten, gemäß Fig. 3,

Fig. 7 die Ausgangssignale der monostabilen Kippstufen,

Fig. 8 ein Ersatzschaltbild des Ausführungs beispiels,

Fig. 9 verschiedene Ausführungsbeispiele einer Anode,

Fig. 10 einen Stromlaufplan einer ersten Aus führungsform,

Fig. 11 einen Stromlaufplan einer weiteren Aus führungsform der Auswerteschaltung nach Fig. 12,

Fig. 12 ein Blockschaltbild einer Auswerte schaltung für den erfindungsgemäßen Sensor,

Fig. 13a bis 13d verschiedene Möglichkeiten, die Aus gangssignale einer Auswerteschaltung, die sich in unmittelbarer Nähe eines Sensors befindet, zu einer Verarbei tungsschaltung zu übertragen,

Fig. 14 ein viertes Ausführungsbeispiel mit modifiziertem Halter zur Dämpfung des Systems,

Fig. 15 Schnittdarstellung A-B gemäß Fig. 14,

Fig. 16 ein fünftes Ausführungsbeispiel mit einer weiteren Möglichkeit der Dämpfung durch Änderung des Halters,

Fig. 17 Schnittdarstellung A-B gemäß Fig. 16,

Fig. 18 ein sechstes Ausführungsbeispiel mit aufgelegter Platte zur Dämpfung,

Fig. 19 Schnittdarstellung A-B gemäß Fig. 18 und einer von Fig. 18 abweichenden Platte,

Fig. 20 Schnittdarstellung A-B gemäß Fig. 18 mit weiterer Ausgestaltung einer Platte.

Bei der schematischen Darstellung nach Fig. 1 sind zwei runde, längliche Elektroden 1, 2, die mit einem in Fig. 5 dargestellten Dielektrikum 2a beschichtet sind, in eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit 7 getaucht. Eine auf einem Behälter 4 in Pfeilrichtung wirkende Beschleu nigung a bewirkt eine Schrägstellung des Flüssigkeits pegels um den Winkel α. Dadurch ist die Elektrode 1 lediglich bis zur Höhe h₁ mit Flüssigkeit 3 bedeckt, während die Flüssigkeit 3 bei der Elektrode 2 auf h₂ steigt. Der mittlere Flüssigkeitspegel beträgt (h₁ +h₂)/2. Wie aus dem in Fig. 1 ebenfalls dargestellten Kräftedreieck ersichtlich ist, ergibt sich für den Winkel α tan α = F_m/F_g, wobei F_m die der Beschleuni gungskraft F_a entgegenwirkende Trägheitskraft und F_g die Gewichtskraft ist.

Das Dielektrikum auf der Elektrodenoberfläche bildet zwischen den Elektroden 1, 2 und der leitfähigen Flüs sigkeit jeweils einen Kondensator, der in Fig. 2 sche matisch dargestellt ist. Die Kapazität eines derartigen Koaxialkondensators ergibt sich aus:

C = [2πε₀ε_r/(ln (D/d))] · h

Dabei ist D der äußere Durchmesser des Dielektrikums, d der Durchmesser der Elektrode und h die von der Flüs sigkeit 3 bedeckte Höhe der jeweiligen Elektrode.

Für die Differenz der Kapazitäten ergibt sich dann:

C₂ - C₁ = [2πε₀ε_r/(ln (D/d))] · (h₂ - h₁)

Wie sich leicht aus dem in Fig. 1 dargestellten Kräfte dreieck ableiten läßt, ist h₂-h₁=s·(a/g), wobei a die Beschleunigung quer zur Erdbeschleunigung g und s der Abstand der Elektroden 1, 2 ist. Insgesamt ergibt sich dann für die normierte Beschleunigung die Gleichung:

a/g = (C₂ - C₁) · (ln (D/d))/(2πε₀ε_rs)

Dabei ist erkennbar, daß der durch die Messung der Ka pazitätsdifferenz gewonnene Wert a unabhängig von der Füllhöhe (h₁+h₂)/2, jedoch abhängig von ε ist. Bei der Auswertung besteht jedoch die Möglichkeit, gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Differenz durch die Summe der Kapazitätswerte zu dividieren. Dann ergibt sich für die normierte Beschleunigung

a/g = (C₂ - C₁) · (C₂ + C₁) · (h₁ + h₂)/s.

Dabei ist das Meßergebnis unabhängig von ε, jedoch ab hängig von der Füllhöhe. Dieses hat beispielsweise den Vorteil, daß eine Temperaturabhängigkeit von ε nicht in das Meßergebnis eingeht.

Der Sensor basiert auf einem Elektrolytkondensator. Auf dem Unterteil bzw. dem Boden 5 befindet sich mindestens eine Anode 1. Es können auch zwei, drei vier oder mehrere Anoden auf dem Boden angeordnet sein. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Elektroden 1, 2 von dem Boden 5 eines für Kondensatoren erhältlichen Gehäuses 6 gehalten. Das Metallgehäuse 6 bildet die Kathode, während die Elektroden 1, 2 in den Ausführungsbeispielen die Anoden darstellen. Das Metallgehäuse, das die Kathode 6 darstellt, kann mit einer Isolierung 8 versehen sein.

Um eine Isolierung der Elektroden zum Gehäuse zu erhalten, ist der Boden 5 vollständig aus Teflon oder aus einem anderen Isolierstoff gebildet.

Das Gehäuse bzw. der Behälter 4 ist im Bereich des Bodens 5 mit einer ringförmigen Vertiefung 11 zu versehen, in die der untere Wandteil des Behälters 4 eingebördelt wird und die zur Aufnahme eines Dichtungs elements bzw. einer Ringdichtung 11a dient. Die Ring dichtung 11a kann in einer Ringnut 11b aufgenommen sein. Ferner sind die oberen Enden der Anoden 1, 2 in den Bohrungen einer Halterung 10 zusätzlich abgestützt und fixiert. Damit die Einbauhöhen der Anoden 1, 2 stets gleich sind, weisen sie am unteren Ende einen Anschlag 26 auf, der auf der Oberfläche des Bodens 5 anliegt. Ferner ist es möglich, durch entsprechende Umgestaltung des Bodens 5 das Gehäuse durch Löten hermetisch abzudichten.

Die Flüssigkeit bzw. das Elektrolyt 7 bedeckt etwa die Hälfte der Elektroden bzw. Anoden 1, 2. Die Verlänger ungen der Elektroden 1, 2, die sich durch den Boden 5 erstrecken dienen gleichzeitig als Lötstifte 12. Ein dritter Lötstift 13 ist unmittelbar auf dem Gehäusebo den 5 angeordnet und gemäß Fig. 6 über eine Lasche 13a mit dem Gehäuse 6 verbunden. Der Lötstift 13 bildet die gemeinsame Gegenelektrode. Die Lasche 13b kann gemäß Fig. 2 auch direkt an der Oberseite des Gehäuses 6 angeschlossen sein.

Die Anoden 1, 2 sind beispielsweise aus einem Metall, insbesondere aus Al oder Ta gebildet und vorzugsweise mit einer Al₂O₃ oder einer Ta₂O₅ Schutzschicht bzw. einer Oxydschicht 2a überzogen. Das Dielektrikum mit Halbleitereigenschaften wirkt nur in einer Richtung isolierend und wird durch Formieren erzeugt. Die Schichtdicke kann je nach Anforderung kleiner als 1 µm sein und ist sehr gleichmäßig auf die Oberfläche der Anoden 1, 2 aufgetragen. Durch Schichtdicken unter 1 µm des Dielektrikums und durch die hohe Dielektrizi tätskonstanten von Al₂O₃ und Ta₂O₅, werden hohe Grund kapazitäten erreicht. Hieraus ergibt sich wiederum ein großer Signalhub des Gebers bei auftretender Beschleu nigung oder Neigung. Wird beim Zusammenbau des Sensors die Oberfläche der Anode beschädigt, so kann jederzeit die beschädigte Oberfläche durch Nachformieren wieder hergestellt werden.

Die verwendete Flüssigkeit 7 sollte geringe Ashäsions kräfte aufweisen, eine geringe Viskosität und Volumen ausdehnung aufweisen. Darüber hinaus ist es notwendig, daß die Flüssigkeit einen niedrigen Schmelz- und hohen Siedepunkt besitzt und nicht aggressiv gegenüber den verwendeten Materialien ist. Ferner sollte die Tem peraturabhängigkeit der Leitfähigkeit gering sein.

Als Flüssigkeit im Geber können Lösungsmittel wie N, N- Dimethylformamid, Butyrolacton, Dimethylsulfid, eine Flüssigkeit auf Glykolbasis, eine Mischung davon oder verdünnte Schwefelsäure eingesetzt werden.

Die Lötstifte 11 bis 13 sind in einem genormten Raster maß angeordnet, so daß der Sensor unmittelbar auf eine Leiterplatte montiert werden kann. Gegebenenfalls kann der in Fig. 1 dargestellte Sensor mit den Anschlüs sen 11 bis 13 nach oben gerichtet verwendet werden. Dadurch wird der Bereich der Durchführung der Elektroden 1, 2 durch den Gehäuseboden 5 nicht mit der Flüssigkeit 3 bedeckt, so daß die Dichtstellen und der Gehäuseboden 5 nicht ständig von der Flüssigkeit 3 belastet werden.

Fig. 8 zeigt ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Sensors, das aus zwei Kondensatoren mit den Kapazitäten C₁ und C₂ besteht, welche entsprechend den obigen Ableitungen von der auf den Sensor wirkenden Be schleunigung abhängen.

Bei der in Fig. 12 dargestellten Schaltung sind zwei monostabile Kippstufen 14, 15 vorgesehen, die derart ausgelegt sind, daß die Dauer des instabilen Zustands proportional einer als Widerstands- oder Kapazitätswert vorliegenden Größe X₁ bzw. X₂ ist, die im vorliegenden Fall den Kapazitätswerten C₁ und C₂ entsprechen. Über je ein Differenzierglied 16, 17 bzw. 18, 19 sind die Aus gänge der monostabilen Kippstufen 14, 15 jeweils mit einem invertierenden Setzeingang (im folgenden Trigger- Eingang genannt) der anderen monostabilen Kippstufe verbunden. Dadurch wird jeweils eine monostabile Kipp stufe in den instabilen Zustand versetzt, wenn die andere in den stabilen Zustand zurückkehrt.

An den Ausgängen 20, 21 der monostabilen Kippstu fen 14, 15 ergeben sich dann Rechtecksignale, deren Verlauf in Fig. 7 dargestellt ist. Dabei sind die beiden Zeitabschnitte t₁ und t₂ jeweils proportional zu den Eingangsgrößen X₁ und X₂.

Wird die Differenz der Größen X₁ und X₂ ausgewertet, so erhält man eine Verminderung der Temperaturempfindlich keit für den Fall, daß beide Größen den gleichen Tem peraturgang aufweisen. Dies gilt jedoch nur für die Nullpunkt-Stabilität. Für eine Verminderung des Tem peraturgangs der Steilheit muß noch durch die tempera turabhängigen Größen dividiert werden. Ein derartiges Signal wird bei der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung in einfacher Weise durch Subtraktion der Mittelwerte wie folgt erhalten:

U_A1-U_A2=U_B(X₁-X₂)/(X₁+X₂).

Bei den meisten Sensoren, insbesondere solchen, bei denen hohe Widerstandswerte oder kleine Kapazitätswerte (wie bei dem erfindungsgemäßen Sensor) ausgewertet werden, befindet sich die Auswerteschaltung unmittelbar bei den Widerständen bzw. Kondensatoren, während ein Gerät, welches die Ausgangssignale der Auswerte schaltung weiterverarbeitet, über eine oder mehrere Leitungen mit der Auswerteschaltung verbunden ist. Die Ausgangssignale der Auswerteschaltung gemäß Fig. 12 bilden eine gute Grundlage zur Übertragung an die weiterverarbeitende Schaltung beispielsweise ein Steuergerät in einem Kraftfahrzeug. Je nach Erforder nissen im einzelnen kann die Übertragung von der Auswerteschaltung zum Steuergerät in Form eines Binärsignals oder in Form eines Analogsignals erfolgen.

Fig. 13 veranschaulicht dazu mehrere Schaltungsan ordnungen. In Fig. 13a wird eines der Ausgangssignale U_A1 von einer Auswerteschaltung 37 in unveränderter Form, das heißt binär, übertragen. Empfängerseitig ist ein Digital-Rechner 28 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Zeiten t₁ und t₂ gemessen werden, wodurch die Werte X₁ und X₂ wiedergewonnen werden. Im Digital-Rechner 28 kann in einfacher Weise dann eine Differenz-, Summen- und Quotientenbildung erfolgen, so daß eine Größe (X₁- X₂)/(X₁+X₂) entsteht, welche bei Sensoren, deren Ausgangsgröße zwar von der Differenz der beiden Größen X₁ und X₂ gebildet wird, wobei jedoch X₁ und X₂ einem Störeinfluß - beispielsweise einer Temperaturabhängig keit - unterworfen sind.

Bei der in Fig. 13b dargestellten Schaltung wird eben falls das binäre Signal U_A1 übertragen. Die weitere Auswertung erfolgt jedoch mit Hilfe einer Analogschal tung, welche aus einem Eingangsverstärker 29, einem Invertierer 30, zwei Integrationsgliedern 31 und 32 bzw. 33 und 34 und einem Differenzverstärker 35 besteht. Durch die Integration mit Hilfe des Integra tionsgliedes 31, 32 wird der Mittelwert des Signals U_A1 gebildet, der zu X₁/(X₁+X₂) proportional ist. Der Mit telwert des invertierten Signals wird durch das Inte grationsglied 33, 34 gebildet und entspricht X₂/(X₁+X₂) . Durch den Differenzverstärker 35 wird dann das er wünschte Ergebnis gebildet, das am Ausgang 36 als Ana logsignal vorliegt.

Während die in Fig. 13b dargestellte Schaltung zwischen dem Ausgang der Auswerteschaltung 37 und dem Eingang des Steuergeräts eine asymmetrische binäre Schnitt stelle darstellt, weist die in Fig. 13c dargestellte Schaltung eine symmetrische binäre Schnittstelle auf. Dazu werden beide Ausgänge der Auswerteschaltung 37 über je eine Leitung mit Eingangsverstärkern 29, 38 des Steuergeräts verbunden. Über Integrationsglieder 31, 32 bzw. 33, 34 und einen Differenzverstärker 35 erfolgt wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 13b die Bildung des Analogsignals. Der Vorteil liegt in der Stör sicherheit bei der Übertragung über lange Leitungen.

Schließlich ist anhand von Fig. 13d eine weitere Mög lichkeit der Signalübertragung zwischen einer Auswerte schaltung und einem Steuergerät dargestellt, bei welcher ein Analogsignal übertragen wird. Dazu befinden sich Integrationsglieder 22, 23 bzw. 24, 25 und ein Dif ferenzverstärker 39 im Bereich der Auswerteschal tung 37. Die Verbindung zum Steuergerät erfolgt dann über eine Leitung 40.

Bei der in Fig. 10 dargestellten Schaltungsanordnung werden die beiden monostabilen Kippstufen 14, 15 von einem integrierten Baustein aus der Typenserie 556 (zweifache Zeitgeberschaltung) gebildet. Wie bei dem Blockschaltbild nach Fig. 12 sind die Ausgänge über je ein Differenzierglied 16, 17 bzw. 18, 19 mit dem inver tierenden Trigger-Eingang der jeweils anderen monosta bilen Kippstufe verbunden. Widerstände 41 und 42 sind zwischen dem Anschluß 43 der Betriebsspannung U_B und dem jeweiligen Ausgang geschaltet und dienen als Ar beitswiderstände. Die invertierenden Trigger-Eingänge sind über je eine Diode 44, 45 ebenfalls mit dem An schluß 43 verbunden, um die Spannung an den Trigger- Eingängen zu begrenzen.

Die Eingänge Dis und Thr der monostabilen Kippstu fen 14, 15 sind an je ein Zeitkonstantenglied ange schlossen, das jeweils aus einem Widerstand 46, 47 und einem Kondensator 48, 49 mit veränderbarer Kapazität besteht. Die Kondensatoren 48, 49 gehören zum Sensor, bei welchem in Abhängigkeit von der zu messenden Größe die Kapazitäten gegenläufig verändert werden. Wie im Zusammenhang mit Fig. 12 bereits erläutert, ist die Dauer des jeweils instabilen Zustandes proportional zur Kapazität, wodurch an den Ausgängen der monostabilen Kippstufen 14, 15 die Ausgangssignale U_A1 und U_A2 entsprechend dem in Fig. 7 dargestellten Diagramm entstehen.

Die in Fig. 10 dargestellte Schaltungsanordnung schwingt nur an, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der Betriebs spannung beim Einschalten einen vorgegebenen Wert über schreitet. Bei einer kurzzeitigen Unterbrechung der Schwingung, beispielsweise durch einen Kurzschluß oder durch Einwirkung eines Störimpulses, schwingt die Schaltung nicht wieder an. Um ein sicheres Anschwingen zu ermöglichen, ist die in Fig. 11 dargestellte Schal tungsanordnung gegenüber der Schaltungsanordnung nach Fig. 10 in vorteilhafter Weise weitergebildet.

Dazu sind die Ausgänge der monostabilen Kippstu fen 14, 15 über je eine Diode 51, 52 und über einen ge meinsamen Widerstand 53 mit Massepotential verbunden.

Die Dioden 51, 52 wirken als Oder-Verknüpfung der Signale U_A1 und U_A2. Aufgrund der Tatsache, daß U_A1 und U_A2 invertiert zueinander sind, beträgt beim Schwingen der Schaltung zu jedem Zeitpunkt die Spannung U₅₃ am Widerstand 53 U_B -0,7 V. Ein Kondensator 54 glättet etwaige Spitzen, die während der Flanken von U_A1 und U_A2 entstehen.

Bleibt das Schwingen aus, so liegen die Ausgangsspan nungen U_A1 und U_A2 auf Massepotential und beide Di oden 51, 52 sperren. Die Spannung U₅₃ und die Spannungen an den Trigger-Eingängen werden dann durch die Wider stände 17, 19, die dann leitend werdenden Dioden 55, 56 und den Widerstand 53 bestimmt. Die Spannungen an den Trigger-Eingängen fallen somit auf den Wert

U_tr = (U_B - 0,7 V)/(1 + R₁₇/R₅₃) + 0,7 V.

Durch die Wahl der Werte R₁₇ und R₅₃ der Widerstände 17 und 53 wird U_tr unter den im Datenblatt der monostabilen Kippstufe spezifizierten Wert gelegt. Damit gehen beide Ausgangssignale wieder in den instabilen Zustand, und die mit den Dioden durch geführte Starthilfe wird beendet.

Die Dioden 55, 56 dienen neben ihrer Funktion als Start hilfe noch zur Begrenzung der den Trigger-Eingängen zu geführten Spannungen, damit diese nicht über die Be triebsspannung U_B ansteigen. Die Dimensionierung der Widerstände 17 bzw. 19 und 53 erfolgt nach der Glei chung:

R₁₇₍₁₉₎/R₅₃ (U_B - 0,7 V)/(U_tr - 0,7 V) - 1,

mit U_B=5 V und U_tr1,26 V. Bei Verwendung des Bausteins 556.

Daraus ergibt sich R₁₇₍₁₉₎/R₅₃6,68. Bei einer praktisch ausgeführten Schaltungsanordnung wurde R₁₇=R₁₉=47 kOhm und R₅₃=6,8 kOhm gewählt.

Die Differenzierglieder 16, 17 und 18, 19 haben die Auf gabe, einen kurzen Impuls, der die fallende Flanke des jeweiligen Ausgangssignals kennzeichnet, abzuleiten.

Dazu ist eine Zeitkonstante erforderlich, die wesentlich geringer als die Dauer der instabilen Zustände der monostabilen Kippstufen ist. Es ergibt sich daher folgende Bedingung:

R₁₇ · C₃ « R₄₆ · C₄₈,

die sinngemäß auch für die Elemente 18, 19, 47 und 49 gilt.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 14, 15 kann zur Dämpfung des Systems der Halter 10a in Form eines gekreuzten Gitters ausgebildet sein. Ferner ist es möglich (Fig. 16, 17) zur Dämpfung des Systems den Halter in Form eines U-Rohres 10b auszugestalten.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 16, 17 wird zur Dämpfung des Systems eine Platte 57a, 57b ein Gitter bzw. ein Netz oder eine Flüssigkeit eingesetzt.

Claims

1. Sensor zur Erfassung der Beschleunigung bzw. Neigung, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit min destens einer Elektrode (1, 2), die in einer als gravitationsempfindliches Element vorgesehenen Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter (4) aufgenommen ist, wobei die Elektrode (4) mit einer Schutzschicht überzogen ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die auf der Elektrode (1, 2) gebildete Schicht (2a) als Oxydschicht ausge bildet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (Anoden 1, 2) mit einer gleich mäßigen und sehr dünnen Oxydschicht (2a) über zogen sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Sensor einen als Kathode (6) ausgebildeten Behälter (4) aufweist, in dem min destens eine Anode (1, 2) in einem Elektrolyt (7) aufgenommen ist, mittels dessen auf der Ano de (1, 2) eine Oxydschicht gebildet wird.

4. Sensor nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (1, 2) aus einem Metall, insbesondere aus Al oder Ta besteht und vorzugsweise mit einer Al₂O₃ oder einer Ta₂O₅ Schicht überzogen ist.

5. Sensor nach einem oder mehreren der vorhergeh enden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere annähernd identische Anoden (1, 2) in dem Behälter (4) aufgenommen sind.

6. Sensor nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt (7) ein Lösungsmittel, insbesondere N, N-Dimethylformamid, Butyrolacton, Dimethylsul fid, einer Flüssigkeit auf Glykolbasis, eine Mischung dieser Flüssigkeiten oder verdünnte Schwefelsäure ist.

7. Sensor nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (1, 2) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

8. Sensor nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (1, 2) einen Querschnitt mit mindestens einer Anschlagfläche aufweisen.

9. Sensor nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (1, 2) mittels eines Isolierele ments (8) in einer im Behälter (4) vorgesehenen Bodenplatte (5) aufgenommen ist.

10. Sensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (1, 2) oberhalb der Bodenplatte (5) mittels einer Halterung (10) zusätzlich abge stützt und fixiert sind.

11. Sensor nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (1, 2) oberhalb der Bodenplatte (5) im Bereich ihrer oberen Enden in der im Behälter (4) vorgesehenen Halterung abgestützt sind.

12. Sensor nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (5) als Isolierkörper ausgebildet ist, der an seinem Außenumfang eine rillenförmige Vertiefung (11) zur Einbördelung der Außenwand des Behälters (4) aufweist, wobei zwischen der Innenseite der Außenwand und der Vertiefung ein Dichtungselement (11a) vorgesehen ist.

13. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (1, 2) mit einem Dielektrikum derart beschichtet ist, daß eine hohe Dielektrizitätszahl erreicht wird und die Oberfläche mittels der Oxydschicht gegenüber der Flüssigkeit sehr dicht und gleichmäßig verschlossen ist.

14. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung des Systems der Halter (10) in Form eines gekreuzten Gitters (10a) ausgestaltet ist.

15. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung des Systems der Halter (10) in Form eines U-Rohres (10b) ausgestaltet ist.

16. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung des Sy stems eine Platte (57a, 57b), ein Gitter, ein Netz oder eine geeignete Flüssigkeit verwendet wird.

17. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei monostabile Kippstufen (14, 15) vorgesehen sind, daß die Kapazitätswerte des Sensors die Zeitkonstanten der monostabilen Kippstufen (14, 15) bestimmen und daß jeweils ein Ausgang einer monostabilen Kippstufe mit einem Setzeingang (Trigger-Eingang) der anderen monostabilen Kippstufe derart ver bunden ist, daß durch einen Übergang jeweils einer monostabilen Kippstufe (14, 15) in den sta bilen Zustand die jeweils andere monostabile Kippstufe (15, 14) in den instabilen Zustand gesetzt wird.

18. Sensor nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der monostabilen Kippstufen (14, 15) mit den Setzeingängen über Differenzierglie der (16, 17; 18, 19) verbunden sind.

19. Sensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal mindestens einer mono stabilen Kippstufe (14, 15) einem Integra tor (22, 23; 24, 25) zuführbar ist.

20. Sensor nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der monostabilen Kippstu fen (14, 15) je einem Integrator (22, 23; 24, 25; 33, 34) zuführbar sind und daß die Ausgänge der Integratoren mit Eingängen einer Subtrahier schaltung (35, 39) verbunden sind.

21. Sensor nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal einer monostabilen Kipp stufe (14) direkt einem ersten Integrator (31, 32) und invertiert einem zweiten Integrator (33, 34) zuführbar ist und daß die Ausgänge der Integratoren mit Eingängen einer Subtrahier schaltung (35) verbunden sind.

22. Sensor nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung mindestens einer monostabilen Kippstufe (14, 15) überwacht wird und beim Ausbleiben der Schwingung mindestens eine monostabile Kippstufe (14, 15) über den jeweiligen Setzeingang wieder in den stabilen Zustand gesetzt wird.

23. Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine logische Oder-Verknüpfung der beiden Ausgangssignale der monostabilen Kipp stufen (14, 15) das Schwingen der Schaltung überwacht wird.

24. Sensor nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzierglieder aus je einem Kondensa tor (16, 18) und je einem Anschluß (43) für die Betriebsspannung angeschlossenen Widerstand (17, 18) bestehen und daß beide Anschlüsse der zu den Differenziergliedern gehörenden Kondensator en (16, 18) über je eine Diode (51, 52, 55, 56) mit einem Widerstand (53) verbunden sind, dessen von den Dioden abgewandter Anschluß mit Masse potential beaufschlagt ist.