DE4142698A1

DE4142698A1 - DEVICE FOR MEASURING A VARIABLE

Info

Publication number: DE4142698A1
Application number: DE4142698A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Mattes; Michael Dipl Ing Henne
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-12-21
Filing date: 1991-12-21
Publication date: 1993-07-01
Also published as: SE9203826L; SE9203826D0; JPH05264288A; GB2262609A; GB9224580D0

Abstract

A device for measuring a variable, for example the deceleration/acceleration of a motor vehicle, has at least one sensor and an amplifier of variable signal gain, the gain being varied in such a way that in a specific, particularly critical range of the variable an increased measurement sensitivity is obtained. For this purpose, gain is varied as a function of the variable to be measured. The gain may be a quadratic or logarithmic function of the value of the variable, so as to provide maximum sensitivity at low signal levels, and the device may be used to trigger a seatbelt tensioner or airbag.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Messung einer Variablen nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention relates to a device for measuring a Variables according to the genus of the main claim.

Zur Messung beliebiger Variabler wird üblicherweise ein Sensor ver wendet, dessen Ausgangssignal in einer nachfolgenden Auswerteschal tung weiterverarbeitet und beispielsweise verstärkt wird.A sensor is usually used to measure any variable uses its output signal in a subsequent evaluation scarf processing and, for example, strengthened.

Als Beispiel einer solchen Meßeinrichtung mit einer Verstärkeranord nung sei ein aus der DE-OS 33 34 603 bekannter Beschleunigungsauf nehmer genannt, der Beschleunigungen im Kraftfahrzeug erfaßt, insbesondere die Beschleunigungen, die bei Verzögerungen des Fahrzeuges infolge eines Aufpralls auftreten und die zu einer Auslösung für sogenannte Airbags oder Gurtstraffer benötigt werden. Die bekannte Einrichtung hat jedoch den Nachteil, daß zwar Offsetdriften infolge von Temperatureinflüssen kompensiert werden, eine Anpassung der Empfindlichkeit ist jedoch nicht vorgesehen.As an example of such a measuring device with an amplifier arrangement voltage is a known from DE-OS 33 34 603 acceleration called user who detects accelerations in the motor vehicle, in particular the accelerations that occur when the Vehicle occur as a result of an impact and lead to a Triggering for so-called airbags or belt tensioners are required. However, the known device has the disadvantage that Offset drifts due to temperature influences are compensated, however, there is no provision for adjusting the sensitivity.

Aus der DE-OS 27 20 484 ist eine beschleunigungsempfindliche Ein richtung bekannt, bei der das Ausgangssignal eines Beschleunigungs sensors in einem Verstärker mit veränderbarer Verstärkung verstärkt wird, wodurch die Gesamtempfindlichkeit der Detektorschaltung verändert werden kann. Diese Veränderung der Empfindlichkeit wird bei spielsweise in Abhängigkeit von Umgebungseinflüssen vorgenommen, beispielsweise wird bei eingeschaltetem Scheinwerfer die Beschleuni gungserkenneinrichtung empfindlicher eingestellt, da bei Nacht eine vorsichtigere Fahrweise zu erwarten ist. Ein Nachteil dieser Ein richtung ist, daß die Empfindlichkeit nur einheitlich über den ge samten zu erfassenden Bereich verändert werden kann.From DE-OS 27 20 484 is an acceleration sensitive one direction known in which the output signal of an acceleration sensors amplified in a variable gain amplifier which changes the overall sensitivity of the detector circuit can be. This change in sensitivity will for example, depending on environmental influences, for example, when the headlights are on, the acceleration Detection device set more sensitive, since at night more careful driving style is to be expected. One disadvantage of this one Direction is that the sensitivity is only uniform across the ge entire area to be recorded can be changed.

Advantages of the invention

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung einer Variablen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die unterschiedliche Verstärkung in Abhängigkeit von der zu messenden Variablen, beispielsweise der Beschleunigung, eine hohe Empfindlichkeit bei kleiner Beschleunigung und eine klei nere Empfindlichkeit bei großer Beschleunigung erhalten wird, so daß gerade im besonders kritischen Bereich relativ kleiner Beschleunigungen, besonders zuverlässige und genaue Messungen möglich sind.The inventive device for measuring a variable with the In contrast, characteristic features of the main claim Advantage that depending on the different gain of the variable to be measured, for example the acceleration, a high sensitivity at low acceleration and a small nere sensitivity is obtained at high acceleration, so that relatively smaller, especially in the particularly critical area Accelerations, particularly reliable and accurate measurements possible are.

Im Zusammenhang mit einer Unfallerkennung ist gerade bei solchen kritischen Beschleunigungen von wenigen g eine zuverlässige und genaue Auswertung möglich.In connection with an accident detection is especially with such critical accelerations of a few g a reliable and accurate evaluation possible.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß der verfügbare Spannungshub, der beim Einsatz herkömmlicher Sensoren vorliegt, besser ausgenutzt wird als bei bekannten Systemen mit konstanter Empfindlichkeit.It is also advantageous that the available voltage swing that the Use of conventional sensors is available, is better exploited than in known systems with constant sensitivity.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung möglich.The measures listed in the subclaims provide for partial training and improvements in the main claim specified facility possible.

Bei Verwendung von zwei identischen Sensoren ist ein Vergleich der beiden Ausgangssignale zur Fehlererkennung auch dann möglich, wenn die zu messende Variable klein ist, da gerade in diesem Fall eine besonders große Empfindlichkeit vorliegt.When using two identical sensors, a comparison is made Both output signals for error detection are also possible if the variable to be measured is small, because in this case a sensitivity is particularly high.

drawing

Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 die Ausgangsspannung eines Beschleunigungssensors über der Beschleuni gung, wobei die durchgezogene Kurve für eine zulässige Verstärkung und die gestrichelte Kurve für eine unzulässige Verstärkung gilt. In Fig. 2 ist die Ausgangsspannung eines Sensors über der Beschleu nigung bei umschaltbarer Verstärkung aufgetragen. Die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch zwei mögliche Sensor- bzw. Auswerteanordnungen.The invention is illustrated in the drawings and is explained in more detail in the description below. Here, FIG. 1 shows the output voltage of an acceleration sensor on the Accelerati supply, wherein the solid curve for a permissible gain and the dotted curve is for an invalid gain. In FIG. 2, the output voltage of a sensor to the Accelerat nigung applied at switchable gain. FIGS. 3 and 4 schematically show two possible sensor or Auswerteanordnungen.

In Fig. 1 ist die verstärkte Ausgangsspannung U (in Volt) eines Beschleunigungssensors über der Beschleunigung a (in g) auftragen, wobei sich der angegebene Bereich etwa von -40 g bis +40 g erstreckt. Der üblicherweise ausgewertete Übertragungsbereich Ü erstreckt sich von -35 g bis +35 g.In Fig. 1, the amplified output voltage U (in volts) is an acceleration sensor on the acceleration a (in g) Apply, with the specified range of about -40 g extends g to +40. The usually evaluated transmission range Ü extends from -35 g to +35 g.

Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, schwankt die verstärkte Ausgangsspan nung eines Beschleunigungssensors in Abhängigkeit von der Beschleu nigung a etwa zwischen 0 und 5 Volt. Die beiden Sensorkennlinien 10 und 11 der Fig. 1 geben zwei Spannungsverläufe für unterschiedliche Verstärkungen wieder, wobei beide Kurven parabelförmig verlaufen.As can be seen in FIG. 1, the amplified output voltage of an acceleration sensor fluctuates depending on the acceleration a between approximately 0 and 5 volts. The two sensor characteristic curves 10 and 11 of FIG. 1 show two voltage curves for different amplifications, both curves being parabolic.

Der mit 10 bezeichnete Spannungsverlauf U(a) weist ein Maximum S1 auf, das außerhalb des relevanten Übertragungsbereiches Ü liegt, eine Auswertung innerhalb dieses Übertragungsbereiches liefert daher eindeutige Zusammenhänge zwischen der verstärkten Ausgangsspannung U des Sensors und der Beschleunigung a.The voltage curve U (a), designated 10 , has a maximum S1, which lies outside the relevant transmission range U, and an evaluation within this transmission range therefore provides clear relationships between the amplified output voltage U of the sensor and the acceleration a.

Der Spannungsverlauf nach 11 weist dagegen ein Maximum S2 innerhalb des Übertragungsbereiches Ü auf und ist daher nicht eindeutig auszuwerten, solche Kennlinien sind durch geeignete Einstellung der Verstärkung zu vermeiden. The voltage curve according to FIG. 11 , on the other hand, has a maximum S2 within the transmission range U and is therefore not to be clearly evaluated; such characteristic curves are to be avoided by suitably setting the gain.

Für die erreichbare Empfindlichkeit E gilt:
E=U/a=K1·a+K2.The following applies to the achievable sensitivity E:
E = U / a = K1a + K2.

Der Verlauf der verstärkten Ausgangsspannung des Sensors ist demnach eine Parabel, für die gilt:
U(a)=K1·a²+K2·a+K3,
wobei K1, K2 und K3 Konstanten sind.The course of the amplified output voltage of the sensor is therefore a parabola, for which the following applies:
U (a) = K1a ² + K2a + K3,
where K1, K2 and K3 are constants.

Anstelle einer parabelförmigen Verstärkungsfunktion kann auch eine logarithmische Verstärkungsfunktion gewählt werden, für die verstärkte Sensorausgangsspannung gilt dann:
U(a)=K4·LOG(a-a0)+K5,
dabei ist a0 eine weitere Konstante.Instead of a parabolic amplification function, a logarithmic amplification function can also be selected, for which the amplified sensor output voltage then applies:
U (a) = K4LOG (a-a0) + K5,
where a0 is another constant.

Solche logarithmischen Verstärkungsfunktionen lassen sich mit inte grierten Verstärkern darstellen.Such logarithmic gain functions can be done with inte represent amplifiers.

Die beschriebenen parabelförmigen oder logarithmischen Spannungsverläufe weisen jeweils in dem Bereich, in dem die Beschleunigung a etwa 0 ist, besonders starke Steigungen auf, es ist daher gerade in diesem Bereich eine besonders große Empfindlichkeit E=U/a gegeben.The parabolic or logarithmic described Voltage curves each point in the area in which the Acceleration a is about 0, particularly steep slopes on it is therefore particularly sensitive in this area E = U / a given.

Beide angesprochenen Möglichkeiten stellen fest vorgegebene, das heißt von außen nicht beeinflußbare Verstärkungsfunktionen dar, es sind auch andere Verstärkungsfunktionen denkbar, die jeweils im Bereich kleiner Beschleunigungswerte eine größere Steigung und damit eine höhere Empfindlichkeit aufweisen als bei großen Beschleunigungswerten. Both of the possibilities mentioned are fixed, that means gain functions that cannot be influenced from the outside, it other gain functions are also conceivable, each in Range of small acceleration values a larger gradient and thus have a higher sensitivity than large ones Acceleration values.

Neben den fest vorgegebenen Verstärkungsfunktionen kann auch eine von außen umschaltbare Verstärkungsfunktion gewählt werden, ein Bei spiel für eine solche Funktion ist in Fig. 2 abgebildet, dabei gel ten folgende Zusammenhänge:
E1(a)=K6 für |a| < a1
E2(a)=K7 für |a| < a1.In addition to the predefined amplification functions, an externally switchable amplification function can also be selected, an example of such a function is shown in FIG. 2, the following relationships apply:
E1 (a) = K6 for | a | <a1
E2 (a) = K7 for | a | <a1.

Dabei ist die Konstante K6 größer als die Konstante K7. Für die zugehörigen Spannungen gilt:
U1(a)=K6·a+U0 für |a| < a1
U2(a)=K7(a-a1)+K6 a1+U0 für |a| < a1.The constant K6 is larger than the constant K7. The following applies to the associated voltages:
U1 (a) = K6 · a + U0 for | a | <a1
U2 (a) = K7 (a-a1) + K6 a1 + U0 for | a | <a1.

Die genannten Funktionen ergeben den in Fig. 2 dargestellten Span nungsverlauf über der Beschleunigung mit zwei Knicken innerhalb des Übertragungsbereiches Ü. Die Knicke liegen bei den Beschleunigungen -a1 und +a1. Die Empfindlichkeit E ist dabei im Bereich zwischen -a1 und +a1 größer als in den übrigen Bereichen.The functions mentioned result in the voltage curve shown in FIG. 2 over the acceleration with two kinks within the transmission range Ü. The kinks are at accelerations -a1 and + a1. The sensitivity E is greater in the range between -a1 and + a1 than in the other ranges.

Ein Spannungsverlauf mit mehreren geraden Abschnitten und einer entsprechenden Anzahl von Knicken kann anstelle des in Fig. 2 aufgetragenen Spannungsverlaufs bei Bedarf vorgesehen werden.A stress curve with several straight sections and a corresponding number of kinks can be provided instead of the stress curve shown in FIG. 2 if required.

Elektronische Einrichtungen, mit denen die in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten Verstärkungsfunktionen realisiert werden können, sind in den Fig. 3 und 4 als vereinfachte Blockschaltbilder dargestellt. Dabei bezeichnet 13 einen Sensor, beispielsweise einen Beschleunigungssensor, der eine beschleunigungsabhängige Ausgangsspannung U1(a) liefert.Electronic devices with which the gain functions shown in FIG. 1 or FIG. 2 can be implemented are shown in Figs. 3 and 4 as simplified block diagrams. 13 denotes a sensor, for example an acceleration sensor, which supplies an acceleration-dependent output voltage U1 (a).

Diese Spannung U1(a) wird einem Filter 14, beispielsweise einem Bandpaß zugeführt und gefiltert. Die gefilterte Spannung wird im Normierungsverstärker 15 gefiltert und in einem nachfolgenden Verstärker mit veränderbarer Verstärkung 16 in geeigneter Weise weiter verstärkt. Am Ausgang dieses Verstärkers 16 entsteht das auszuwertende Signal mit einem Spannungsverlauf U(a). Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist weiterhin ein Diskriminator 17 vorgesehen, der mit einem Testeingang des Rechners 18 verbunden ist und von diesem mit Hilfe einer Testspannung UT angesteuert wird. Der Diskriminator 17 selbst wirkt auf den Sensorausgang und auf den regelbaren Verstärker 16 und bewirkt dort die Verstärkungsbeeinflussung bzw. die Verstärkungsumschaltung.This voltage U1 (a) is fed to a filter 14 , for example a bandpass filter, and filtered. The filtered voltage is filtered in the standardization amplifier 15 and further amplified in a suitable manner in a subsequent amplifier with variable gain 16 . The signal to be evaluated is produced at the output of this amplifier 16 with a voltage profile U (a). In the exemplary embodiment according to FIG. 3, a discriminator 17 is also provided, which is connected to a test input of the computer 18 and is controlled by the latter with the aid of a test voltage UT. The discriminator 17 itself acts on the sensor output and on the controllable amplifier 16 and effects the gain or the gain switching there.

Der Testeingang T des Rechners 18 wird angesteuert von einem Tri-State-Port des Rechners, wobei im einzelnen gilt:The test input T of the computer 18 is controlled by a tri-state port of the computer, the following applies in particular:

Bei UT = low wird ein Testsignal eingekoppelt, wobei die Empfindlichkeit klein ist und etwa 30 Millivolt pro g beträgt. Bei UT = high ist die Empfindlichkeit auf einen hohen Wert, beispielsweise 200 Millivolt pro g umgeschaltet und bei UT = hochohmig hat der Sensor die Empfindlichkeit von 30 Millivolt pro g.With UT = low a test signal is injected, whereby the Sensitivity is small and is about 30 millivolts per g. With UT = high, the sensitivity is high, for example, switched to 200 millivolts per g and at UT = high impedance, the sensor has a sensitivity of 30 Millivolts per g.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 entfällt der Diskriminator, dafür wird in einem Komparator 19 das vom Normierungsverstärker 15 gelieferte Ausgangssignal mit einem Schwellwert verglichen und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis erfolgt eine Beeinflussung der Verstärkung des Verstärkers 16. Der Rechner 18 wirkt bei diesem Ausführungsbeispiel direkt auf den Ausgang des Sensors 13.In the exemplary embodiment according to FIG. 4, the discriminator is omitted, for this purpose the comparator 19 compares the output signal supplied by the standardization amplifier 15 with a threshold value, and the amplification of the amplifier 16 is influenced as a function of the comparison result. In this exemplary embodiment, the computer 18 acts directly on the output of the sensor 13 .

Zur Realisierung von Kennlinien mit Knicken, wie sie vorstehend beschrieben wurden, sind folgende Anforderungen zu erfüllen:For the realization of characteristic curves with kinks as described above the following requirements must be met:

1. Die Verstärkerumschaltung muß verzögerungsfrei erfolgen können, d. h. es wird eine Einschwingzeit von weniger als 10 us verlangt.1. It must be possible to switch the amplifier without delay, d. H. a settling time of less than 10 us is required.

2. Die Umschaltung kann entweder sensorintern, z. B. beschleunigungs- oder zeitabhängig erfolgen oder sie kann von außen zwangsgesteuert erfolgen. 2. The switchover can either be internal to the sensor, eg. B. acceleration or time-dependent or it can be positively controlled from the outside respectively.

Eine zwangsgesteuerte Umschaltung von außen ist bei Rechnersystemen mit rein digitaler Signalverarbeitung einmal in jedem Abtastintervall möglich. Der Rechner steuert dabei den Verstärkungsfaktor des Sensors und kennt daher die Empfindlichkeit des Beschleunigungssignales und kann es auswerten. Wandlungsfehler im Bereich des Kurvenknickes werden dadurch vermieden.Forced control switching from the outside is in computer systems with purely digital signal processing once in each Sampling interval possible. The computer controls the Gain factor of the sensor and therefore knows the sensitivity of the acceleration signal and can evaluate it. Conversion error in the area of the curve bend are avoided.

Bei der von außen gesteuerten Umschaltung kann die Empfindlichkeitsumschaltung auch in einem separaten Baustein außerhalb des Sensors gemacht werden.When switching from the outside, the Sensitivity switching also in a separate module be made outside the sensor.

Bei einem redundanten Beschleunigungssensor sind die Schaltungs blöcke zweimal in einem Gehäuse vorhanden, bei Verwendung von zwei gleichen Beschleunigungssensoren kann eine laufende Kontrolle der Funktionsfähigkeit dieser Sensoren durch Vergleich der Signale mit einander erfolgen, wobei eine maximal mögliche Abweichung zwischen den beiden Signalen festgelegt wird und bei Überschreiten dieser Abweichung auf einen Fehler erkannt wird.In the case of a redundant acceleration sensor, the circuits are blocks exist twice in one housing, when using two The same acceleration sensors can be used to continuously monitor the Functionality of these sensors by comparing the signals with occur with each other, with a maximum possible deviation between the two signals is set and when this is exceeded Deviation from an error is detected.

Die am Beispiel eines Beschleunigungssensors erläuterte Erfindung soll nicht auf Beschleunigungssensoren beschränkt sein, sie kann bei allen Sensoren eingesetzt werden, wenn ein bestimmter Meßbereich be sonders empfindlich sein soll.The invention explained using the example of an acceleration sensor should not be limited to acceleration sensors, it can be used for all sensors are used when a certain measuring range be should be particularly sensitive.

Werden die Beschleunigungssensoren mit den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen im Zusammenhang mit einer Unfallerkennung eingesetzt, ist eine besonders zuverlässige und sichere Auslösung eines oder mehrerer Airbags oder Gurtstraffer möglich, da die Auswertung der Sensorsignale im relevanten Beschleunigungsbereich besonders genau ist.If the acceleration sensors with the invention Refinements in connection with accident detection used, is a particularly reliable and safe triggering one or more airbags or belt tensioners possible because the Evaluation of the sensor signals in the relevant acceleration range is particularly accurate.

Claims

1. Device for measuring a variable, with at least one sensor and an evaluation circuit for the output signal of the sensor, which has at least one amplifier with variable gain, characterized in that the gain is dependent on the size of the variable and is chosen so that there is high sensitivity in the range of small values of the variables and low sensitivity in the range of large values of the variables.

2. Device according to claim 1, characterized in that the Variable an acceleration and the sensor an acceleration sen sor is.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the quadratic gain depends on the variable to be measured.

4. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the gain depends logarithmically on the variable to be measured.

5. Device according to claim 1 or 2, characterized in that a computing device ( 18 ) is provided which changes the gain depending on predetermined conditions.

6. Device according to claim 5, characterized in that the computing device ( 18 ) is arranged outside of the sensor.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a further sensor is provided, the Output signal is amplified in the same way that a comparison of the two output signals from the sensors and at larger ones If the two output signals differ from one another, an error is detected becomes.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that depending on at least one of the Output signals from the sensors an accident detection takes place.

9. Device according to claim 8, characterized in that at Accident detection triggers one or more airbags or a belt tensioner.