DE4407763B4 - Sensor - Google Patents
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- G01D5/3537—Optical fibre sensor using a particular arrangement of the optical fibre itself
- G01D5/35377—Means for amplifying or modifying the measured quantity
Abstract
Sensor
bestehend aus einem Strahlungsübertragungsmedium,
sowie einem Strahlungssender und Strahlungsempfänger, die mit je einer Koppelfläche des
Strahlungsübertragungsmediums
koppelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsübertragungsmedium
aus einer Mehrzahl von Lichtleitfasern (10a) besteht, die im Bereich
ihrer Endstücke
(10b, 10c) derart zusammengefasst sind, dass sie ein im wesentlichen
kreiszylinderförmig
ausgestaltetes Anschlußstück bilden,
wobei die Querschnittsflächen
der Lichtleitfasern (10a) zur Bildung einer gemeinsamen Koppelfläche (10d,
10e) in einer Ebene liegend ausgerichtet sind, und die mit ihren
zwischen den Endstücken
(10b, 10c) liegenden Abschnitten (10f) im wesentlichen parallel
zueinander verlaufend in einer Ebene liegend bandförmig zusammengefasst
sind.
Description
- Zahlreiche Fahrzeugtypen werden heute bereits serienmäßig mit passiven Rückhaltemitteln, wie beispielsweise Gurtstraffer und/oder Airbag ausgerüstet, die die Fahrzeuginsassen bei Kollisionen im Frontbereich der Fahrzeuge schützen. Die Fahrzeugkonstrukteure befassen sich daher verstärkt mit einer Verbesserung des Seitenschutzes der Fahrzeuginsassen, der insbesondere bei Seitenkollisionen eine große Rolle spielt. Besonders große Probleme stellen sich hierbei dadurch, daß die zur Verfügung stehende Knautschzone außerordentlich kurz ist und daß extrem schnell reagierende Sensoren vorhanden sein müssen, um einen wirkungsvollen Schutz gewährleisten zu können.
- Aus
GB 22 43 933 A - Aus
DE 41 15 561 A1 ist weiter ein im Bereich der Außenhaut eines Fahrzeugs angeordneter Sensor bekannt, der eine Deformierung der Fahrzeughaut erfaßt. Der Sensor umfaßt ein Gewicht, das sich infolge Trägheit gegen die Kraft einer Feder bewegt, um einen Schaltkreis zu schließen, wenn ein Gehäuse des Sensors bewegt wird. Wenn das Gehäuse um mehr als eine vorbestimmte Distanz bewegt wird, kommt ein Teil des Gewichts mit einem festen Teil des Fahrzeugs in Eingriff, wodurch Druck auf das Gewicht ausgeübt wird, so daß der Schaltkreis geschlossen wird. - Aus
DE 37 16 168 A1 ist weiter ein Sensor für eine Sicherheitseinrichtung von Kraftfahrzeugen bekannt, der in oder unmittelbar hinter der Außenhaut des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Der Sensor umfaßt zwei in geringem Abstand hintereinander angeordnete Deformationssignalelemente, die bei einer Deformation in vorgegebener Stärke ein Signal liefern. Die Deformationselemente sind beispielsweise lichtleitend ausgebildet und übertragen das Licht einer lichtemittierenden Sendediode, das über ein Lichtwellenleiterkoppelstück in die Deformationselemente eingespeist wird, auf getrennte Fotoempfänger. Durch Deformation der Deformationselemente wird die Lichtübertragung von der Sendediode zu den Fotoempfängern beeinflußt, wodurch eine Deformation erfaßbar ist. - Aus der
DE 42 20 270 A1 der Anmelderin ist schließlich eine Schutzeinrichtung für Fahrzeuginsassen bekannt, die mindestens einen verformungsempfindlichen Sensor in Gestalt einer zylinderförmig ausgebildeten Lichtleitfaser umfaßt, auf deren Außenmantelfläche ein Abstandshalterelement angeordnet ist. Bei Druckbeaufschlagung des Abstandshalterelements wird die Lichtleitfaser mechanisch derart deformiert, daß sich ihre Lichtübertragungseigenschaften ändern. - Aus der gattungsbildenden
EP 0420 494 A2 ist bereits ein optischer Aufprallsensor bekannt, bei dem durch Trennung einer Lichtverbindung insbesondere durch das Brechen einer Lichtfaser ein Aufprall erkannt wird. - Vorteile der Erfindung
- Der vorgeschlagene Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich durch leichte Herstellbarkeit und Montagefreundlichkeit aus, so daß sich äußerst günstige Herstellungs- und Montagekosten ergeben. Obwohl der Sensor über eine vergleichsweise große druckempfindliche Fläche verfügt, baut er doch relativ flach, so daß er auch dann noch einsetzbar ist, wenn nur eine vergleichsweise geringe Einbautiefe, wie beispielsweise in Fahrzeugtüren, zur Verfügung steht. Die Bündelung der Endstücke des druckempfindlichen Teil des Drucksensors zu im wesentlichen zylindrisch geformten Anschlußstücken stellt große Ankopplungsflächen für den Strahlungseintritt und Strahlungsaustritt zur Verfügung, so daß eine vergleichsweise einfache Ankopplung an Strahlungssender und -empfänger ermöglicht wird. Die raumsparende Zusammenfassung von Strahlungssender, Strahlungsempfänger und Auswerteelektronik in einer im wesentlichen einstückigen Baugruppe ermöglicht die kostensparende Montage dieser Baugruppe an einer geschützten Stelle im Fahrzeug. Besonders vorteilhaft sind die druckempfindlichen Bestandteile des Drucksensors steckbar ausgebildet, so daß sie bei einer notwendigen Ersatzreparatur im Rahmen einer kostengünstigen Montage leicht austauschbar sind.
- Zeichnung
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Drucksensors,2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Teil des Drucksensors zur Erläuterung des dem Drucksensor zugrundeliegenden physikalischen Prinzips,3 eine Fahrzeugtür mit einem darin angeordneten Drucksensor4 eine schematische Schnittdarstellung durch die Fahrzeugtür mit dem darin angeordneten Drucksensor und5 ein zweites Ausführungsbeispiel des Drucksensors. - Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt eine Gesamtansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Drucksensors10 . Der Drucksensor10 besteht aus einem Strahlungsübertragungsmedium, das aus einer Vielzahl von Lichtleitfasern10a zusammengesetzt ist. Lichtleitfasern sind dem Fachmann an sich bekannt. Sie werden vorzugsweise aus Glas oder aber auch aus Kunststoff hergestellt. Je nach Art ihres physikalischen Aufbaus und ihrer Signalübertragungseigenschaften unterscheidet man Monomode-, Multimode- und Gradientenfasern. Für die Anwendung in diesem Drucksensor sind Multimodefasern aus Kunststoff besonders gut geeignet. Im Bereich ihrer Endstücke10b ,10c sind die Lichtleitfasern10a derart zusammengefaßt, daß sie ein im wesentlichen kreiszylinderförmig ausgestaltetes Anschlußstück bilden, wobei die Querschnittsflächen der Lichtleitfasern10a zur Bildung einer gemeinsamen Koppelfläche10d ,10e in einer Ebene liegend ausgerichtet sind. Dabei ist zumindest ein Teilabschnitt jedes der Endstücke10b ,10c von einer Hülse11 umschlossen. Die Hülse11 besteht aus Metall, Kunststoff oder Schrumpfschlauch und wird zweckmäßig mit den kreiszylinderförmig zusammengefaßten Lichtleitfasern10a verklebt. Die zwischen den Endstücken10b ,10c liegenden Abschnitte10f der Lichtleitfasern sind im wesentlichen parallel zueinander verlaufend in einer Ebene liegend bandförmig zusammengefaßt. Die zuvor beschriebene Ausgestaltung der Endstücke der Lichtleitfasern sowie ihrer zwischen den Endstücken liegenden Abschnitte10f ermöglicht zunächst eine mechanisch einfach gestaltete Steckverbindung zwischen den Endstücken10b ,10c und entsprechend gestalteten Buchsen12a in einem weiter unten noch beschriebenen Gehäuse12 , wobei die aus den einzelnen Querschnittsflächen der Lichtleitfasern10a gebildete Koppelfläche eine hervorragende Anpassung an einen Strahlungsempfänger bzw. -sender ermöglicht. Als Sender oder Empfänger sind Standard-Bauleiter ohne besondere Fokussiereinrichtungen vrewendbar. Als Sender eignen sich Hochleistungs-LED's, wie sie für Anzeigezwecke verwendet werden. Auf diese Weise ist eine montagefreundliche Herstellung einer geschlossenen optischen Verbindung auf einfache Weise erzielbar. Andererseits baut die bandartig ausgestaltete Struktur der Lichtleitfasern10a im Bereich10f , also im Abschnitt zwischen den Endstücken10b ,10c besonders flach, so daß sie ohne Montageprobleme auch in räumlich beengten Abschnitten eines Fahrzeugs, insbesondere auch innerhalb von Fahrzeugtüren, angeordnet werden kann. Zumindest ein Teilstück des zwischen den Endstücken10b ,10c liegenden Abschnittes10f des Strahlungsübertragungsmediums ist zwischen Druckübertragungsmitteln17 verlaufend angeordnet. Die Druckübertragungsmittel sind zweckmäßig plattenförmig ausgebildet, einander gegenüberliegend angeordnet und schließen die bandförmig zusammengefaßten Lichtleitfasern10a zwischen sich ein. Zweckmäßig ist dabei eine der plattenförmig ausgebildeten Druckübertragungsmittel17 ortsfest angeordnet, also im wesentlichen unnachgiebig mit der Fahrzeugstruktur bzw. dem Türaufbau verbunden, so daß sie bei einer Druckeinwirkung als Widerlager dient. Bei Druckbeaufschlagung durch eine Kraft in Richtung des mit Bezugsziffer18 gekennzeichneten Pfeils wird das zweite, nicht als Widerlager dienende Druckübertragungsmittel17 in Richtung auf die bandförmig zusammengefaßten Lichtleitfasern10a zubewegt und übt einen Druck auf diese aus. Vorzugsweise werden dazu die den Lichtleitfasern10a zugewandten Hauptflächen17a der Druckübertragungsmittel17 reliefartig strukturiert. Besonders vorteilhaft besteht diese reliefartige Struktur aus Halbzylindermantelflächen, die sich, innerhalb jeder Hauptfläche17a der Druckübertragungsmittel17 parallel verlaufend, senkrecht zu der Längsachsenrichtung der Lichtleitfasern10a erstrecken. Vorzugsweise sind die sich gegenüberliegenden Hauptflächen17a der Druckübertragungsmittel17 in Längsachsenrichtung der Lichtleitfasern dabei derart versetzt angeordnet, daß eine Ausnehmung in der ersten Hauptfläche17a einer Erhöhung in der zweiten Hauptfläche10a gegenüberliegt. Werden die Druckübertragungsmittel17 bei Druckeinwirkung aufeinander zubewegt, ergibt sich dadurch eine besonders gute Druckübertragung auf die von den Druckübertragungsmitteln17 eingeschlossenen Lichtleitfasern10a , wie später anhand von2 noch erläutert wird. Ein Strahlungssender13 , ein Strahlungsempfänger14 , sowie eine Steuer- und Auswerteeinrichtung15 sind zweckmäßig derart in einem gemeinsamen Gehäuse12 zusammengefaßt, daß sie eine im wesentlichen einstückige Baueinheit bilden. Zusätzlich sind an dem Gehäuse noch elektrische Verbindungsmittel16 , insbesondere eine Steckverbindung angeordnet, die die elektrische Verbindung zu Stromversorgungsmitteln und Signalübertragungsmitteln herstellt. Weiter sind in dem Gehäuse12 Buchsen12a zur Aufnahme der mit den Hülsen11 umfaßten Endstücke10b ,10c vorgesehen. Diese Konstruktion ermöglicht die Anordnung des Gehäuses12 an einem vergleichsweise sicheren, insbesondere vor Stoßbelastungen geschützten Ort im Fahrzeug bzw. in der Tür des Fahrzeugs. Der Abschnitt10f der Lichtleitfasern10a , insbesondere der von den Druckübertragungsmitteln17 eingeschlossene Teilbereich, ist dagegen in einer Zone der Fahrzeughaut bzw. der Fahrzeugtür anzuordnen, die voraussichtlich bei einem Unfall Stoßbelastungen ausgesetzt sein wird. Die Endstücke10b ,10c der für die Funktion als Drucksensor optimal verlegten Lichtleitfasern10a können dann auf einfache Weise in die Buchsen12a des stoßsicher angeordneten Gehäuses12 eingesteckt werden, wodurch gleichzeitig eine gute optische Ankopplung der Lichtleitfasern10a über die Kopplungsflächen10d ,10e an den Strahlungssender13 bzw. Strahlungsempfänger14 sichergestellt ist. Als Strahlungssender13 wird zweckmäßig ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement, wie beispielsweise eine lichtemittierende Diode eingesetzt, während als Lichtempfänger zewckmäßig eine Fotodiode, ein Fototransistor oder eines dieser Bauelemente zusammen mit einem nachgeschalteten integrierten Schaltkreis zur Signalaufbereitung eingesetzt wird. Die auch in dem Gehäuse12 angeordnete Steuer- und Auswerteeinrichtung15 dient der Ansteuerung des Strahlungssenders13 und der Weiterverarbeitung der von dem Strahlungsempfänger14 gelieferten Signale. -
2 verdeutlicht in einer schematischen Schnittdarstellung durch einen Teil des Drucksensors10 , das der Funktion des Drucksensors zugrundeliegende physikalische Prinzip. Dargestellt ist jeweils ein Teilstück einer Lichtleitfaser10a zwischen Teilstücken der Druckübertragungsmittel17 , die die Lichtleitfaser10a zwischen sich einschließen. Im unbelasteten Zustand, der in2a dargestellt ist, wird kein Druck auf die Druckübertragungsmittel17 und demzufolge auf die Faser10a ausgeübt. In die Lichtleitfaser10a eingekoppelte Strahlung kann sich, ähnlich wie in1 symbolisch durch Pfeile19 dargestellt, im wesentlichen ungestört ausbreiten.2b erläuterte die Situation bei Druckbeaufschlagung der Druckübertragungsmittel17 durch eine in Richtung des Pfeils18 angreifende Kraft. Die Druckübertragungsmittel17 werden aufeinander zubewegt, so daß sich ihr Abstand verringert und die zwischen ihnen angeordnete Lichtleitfaser10a gezwungen wird, sich dem Oberflächenrelief der ihr zugewandten Hauptflächen der Druckübertragungsmittel17 anzupassen. Dies führt zu mechanischen Verkrümmungen (Microbending) der Lichtleitfaser10a , die wiederum eine Störung der Strahlungsausbreitung in der Faser10a nach sich ziehen. Dies wird in2b durch die irregulär verlaufenden Pfeile19 angedeutet. -
3 verdeutlicht die Anordnung des Drucksensors in der Tür eines Fahrzeugs. Dabei ist, wie schon oben erwähnt, das Gehäuse12 an einer vor nachteiligen Druckeinwirkungen besonders geschützten Stelle der Tür, beispielsweise in einem Türholm, angeordnet, während insbesondere der Bereich10f der Lichtleitfasern10a zusammen mit den Druckübertragungsmitteln17 in einem Türbereich angeordnet ist, der bei einem Unfall Stoßbelastungen erwarten läßt. Alternativ kann selbstverständlich das Gehäuse12 auch an der Karosserie des Fahrzeugs selbst befestigt sein. -
4 zeigt nochmals in einer schematischen Querschnittdarstellung einen Teilbereich der in3 dargestellten Tür30 zusammen mit dem Sensor10 . Der Sensor10 ist hierbei noch von einer Hülle41 eingeschlossen, die ihrerseits wiederum auf einem türfest angeordneten Widerlager40 ruht. Dargestellt ist in4 auch die Einbeulung der Tür30 infolge Krafteinwirkung aus Richtung des Pfeils18 . - In
5 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem zumindest eine Lichtleitfaser10g im Bereich des zwischen den Endstücken10b ,10c liegenden Abschnittes10f außerhalb der Druckübertragungsmittel17 liegend angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich eine zusätzliche Funktionskontrollmöglichkeit, da auch ein von Druckeinwirkung ungestörter Signalpegel auswertbar ist. Die Funktionskontrolle kann über einen zweiten Strahlungsempfänger durchgeführt werden oder dadurch, wie in5 dargestellt, daß die streckenweise getrennt geführte Lichtleitfaser10g empfängerseitig mit den druckbeaufschlagten Lichtleitfasern10a wieder zusammengeführt wird. Es stehen insgesamt3 Signalpegel für eine Auswertung zur Verfügung. Die Summe aus Nutz- und Referenzsignal, die das Ruhesignal des intakten Drucksensors darstellt. Andererseits ein Pegel zwischen Voll- und Referenzsignal, der dem Arbeitssignal des druckbeaufschlagten Sensors entspricht. Und schließlich ein Pegel unterhalb des Referenzsignals, der auf eine Störung des Sensors durch Bruch von Lichtleitfasern10a oder Ausfall des Strahlungssenders hindeutet Zwar können die Endstücke10b und10c sowie die jeweils zugeordneten Buchsen12a des Gehäuses12 auch unterschiedlich und beispielsweise codiert ausgebildet werden, um eine unverwechselbare Steckverbindung sicherzustellen. Für Montagezwecke und aus Kostengründen ist es jedoch einfacher, beide Endstücke10b ,10c identisch auszubilden, da es auf die Steckrichtung praktisch nicht ankommt. Für die Funktion wesentlich ist jeweils nur, daß eine geschlossene optische Strecke besteht. - Im folgenden wird kurz die Funktion des Drucksensors
10 beschrieben. Die Endstücke10b ,10c des an kritischen Stellen eines Fahrzeugs, insbesondere in der Tür des Fahrzeugs angeordneten Drucksensors10 sind in die Buchsen12a des Gehäuses12 eingeführt. Die elektrischen Verbindungsmittel16 sind mit einer nicht dargestellten Stromversorgungseinrichtung verbunden, so daß der Strahlungssender13 angesteuert wird und Strahlung emittiert, die über die Koppelfläche10d in das Endstück10b der Lichtleitfasern10a eingekoppelt wird. Die Strahlung breitet sich in den Lichtleitfasern10a aus, wird über die Koppelfläche10e ausgekoppelt und trifft auf den Strahlungsempfänger14 , der die auftreffende Strahlung in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandelt, das in der Steuer- und Auswerteeinrichtung15 auswertbar ist. Bei unbelastetem Drucksensor wird ein bestimmter Strahlungspegel erfaßt. Im Falle einer Druckbelastung infolge Krafteinwirkung auf die Druckübertragungsmittel, beispielsweise durch Einwirkung einer Kraft aus Richtung des in1 mit18 gekennzeichneten Pfeils, werden die Lichtleitfasern10a im Bereich der Druckübertragungsmittel17 mechanisch deformiert, was zu einer Beeinflussung der Strahlungsübertragungseigenschaften der Lichtleitfasern10a führt. Üblicherweise ist eine Verschlechterung der Strahlungsübertragungseigenschaften der Lichtleitfasern10a zu erwarten, so daß sich an der Koppelfläche10b ein geringerer Pegel der austretenden Strahlung einstellt. Die geringere Strahlungsleistung wird vom Strahlungsempfänger14 erfaßt und von der Steuer- und Auswerteeinrichtung15 ausgewertet. Eine geringere Strahlungsleistung wird als Druckbelastung der Lichtleitfasern10a im Bereich der Druckübertragungsmittel17 interpretiert. Die Druckbelastung wiederum läßt Rückschlüsse auf die Deformation der Fahrzeughaut, insbesondere der Türaußenwandung infolge eines Unfallereignisses schließen.
Claims (11)
- Sensor bestehend aus einem Strahlungsübertragungsmedium, sowie einem Strahlungssender und Strahlungsempfänger, die mit je einer Koppelfläche des Strahlungsübertragungsmediums koppelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsübertragungsmedium aus einer Mehrzahl von Lichtleitfasern (
10a ) besteht, die im Bereich ihrer Endstücke (10b ,10c ) derart zusammengefasst sind, dass sie ein im wesentlichen kreiszylinderförmig ausgestaltetes Anschlußstück bilden, wobei die Querschnittsflächen der Lichtleitfasern (10a ) zur Bildung einer gemeinsamen Koppelfläche (10d ,10e ) in einer Ebene liegend ausgerichtet sind, und die mit ihren zwischen den Endstücken (10b ,10c ) liegenden Abschnitten (10f ) im wesentlichen parallel zueinander verlaufend in einer Ebene liegend bandförmig zusammengefasst sind. - Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilabschnitt jedes der Endstücke (
10b ,10c ) von einer Hülse (11 ) umschlossen ist. - Sensor nach einem der Ansprüche 1, 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstück des zwischen den Endstücken (
10b ,10c ) liegenden Abschnittes (10f ) des Strahlungsübertragungsmediums zwischen Druckübertragungsmitteln (17 ) verlaufend angeordnet ist. - Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckübertragungsmittel (
17 ) plattenförmig ausgebildet sind. - Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die den Lichtleitfasern (
10a ) zugewandten Hauptflächen (17a ) der Druckübertragungsmittel (17 ) reliefartig strukturiert sind. - Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die reliefartige Struktur von Halbzylindermantelflächen gebildet wird, die sich, innerhalb jeder Hauptfläche (
17a ) parallel verlaufend, senkrecht zu der Längsachsenrichtung der Lichtleitfasern (10a ) erstrecken. - Sensor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sich gegenüberliegenden Hauptflächen (
17a ) der Druckübertragungsmittel (17 ) in Längsachsenrichtung der Lichtleitfasern (10a ) derart versetzt angeordnet sind, dass eine Ausnehmung in der ersten Hauptfläche (17a ) einer Erhöhung in der zweiten Haupt fläche (17a ) gegenüberliegt. - Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungssender (
13 ), der Strahlungsempfänger (14 ), sowie eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (15 ) derart in einem gemeinsamen Gehäuse (12 ) zusammengefasst sind, dass sie eine im wesentlichen einstückige Baueinheit bilden. - Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (
12 ) elektrische Verbindungsmittel (16 ), insbesondere eine Steckverbindung umfasst. - Sensor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet dass in dem Gehäuse (
12 ) Buchsen (12a ) zur Aufnahme der Endstücke (10b ,10c ) vorgesehen sind. - Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lichtleitfaser (
10g ) im Bereich des zwischen den Endstücken (10b ,10c ) liegenden Abschnittes (10f ) außerhalb der Druckübertragungsmittel (17 ) liegend angeordnet ist.
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