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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung eines
leitenden Körpers
mit wenigstens zwei Sendeelektroden und einer Empfangselektrode.
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Das
ständige
Wachstum der Anzahl Airbaganlagen in den Fahrzeugen hat eine große Anzahl
Informationen über
die Arbeitsweise von Airbags zusammengebracht, was wesentlich zu
ihren Verbesserungen und Erweiterungsmöglichkeiten der Sicherheit
beigetragen hat. Eine hiervon besteht darin den Betrieb des Airbags
einer intelligenten Steuereinheit zu unterwerfen, welche von verschiedenen
Sensoren besorgt wird um das Entfalten des Airbags den herrschenden
Bedingungen anzupassen.
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Es
wurde insbesondere festgestellt, dass das Aufblasen eines Airbags
sehr gefährlich
für einen Insassen
sein kann, wenn dieser eine andere als eine sogenannte normale Position
einnimmt. Man muss nämlich
bedeuten, dass der Airbag sich pilzartig entfaltet mit einem plötzlichen
axialen Ausschießen
gefolgt von einer seitlichen Ausdehnung. Wenn aber, zum Beispiel,
ein Insassenkopf sich zu nahe am Airbaggehäuse befindet also im Entfaltungsbereich
des Airbags, insbesondere in der Bahn der Anfangsauslösung, dann
kann die Wirkung des Airbags mehr gefährlich als schützend sein.
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Andererseits
wurden neue Gasgeneratoren vorgeschlagen, welche in Untersuchung
sind um in Zukunft einen mehrstufigen Betrieb mit einer modulierten
und abgestuften Entfaltung als das Alles oder Nichts insbesondere
um der Massenträgheit
oder der Position des Insassen Rechnung zu tragen. Um von diesen
neuen Möglichkeiten
Vorteil schöpfen
zu können,
ist es aber wichtig, dass die augenblickliche Position des Insassen
so genau und so schnell wie möglich
ermittelt werden kann, damit die Auslösung des Airbags den herrschenden
Bedingungen angepasst werden kann. Die Position und die Überwachung
der Bewegung eines Insassen sind demgemäß wesentliche Parameter zur
Steuerung der Auslösung
eines Airbags.
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Die
Dokumente GB-A-2 286 247 und
JP
57 194370 beschreiben eine Detektionsvorrichtung eines
leitenden Körpers
mit einer Sendeelektrode und einer Empfangselektrode, welche mit
kapazitiver Kopplung arbeiten insbesondere mit dem leitenden Körper. Die Empfangselektrode
ist mit einem Empfangskreis gekoppelt, der es erlaubt durch Vergleich der
Signale die kapazitive Kopplung des Körpers mit den besagten Elektroden
einzuschätzen.
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Das
Dokument US-A-4 532 501 beschreibt eine Sicherheitsvorrichtung für ein Werkzeug
mit einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne, die es erlauben
irgendwelche Änderung
der Impedance zwischen den beiden Einheiten einzuschätzen, dank einem
Analysenkreis, der es erlaubt eine Änderung des Signals empfangen
durch Vergleich des jenen mit einem Bezugssignal zu analysieren.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer
Detektionsvorrichtung eines leitenden Körpers, welche in der Lage ist
seine Stellung in zuverlässiger
Weise zu ermitteln und in der Anwendung einer zuverlässigen Überwachung der
Position eines Fahrzeuginsassen um den Zeitpunkt und die Kraft des
Auslösens
des Airbags der genauen Stellung des Insassen anzupassen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe schlägt
die vorliegende Erfindung eine Detektionsvorrichtung gemäß Patentanspruch
1 vor.
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Die
Vorrichtung kann unabhängig
kapazitiv arbeiten um den auf dem Beifahrersitz sitzenden Insassen
abzutasten, zum Beispiel, die Erfassung seiner Größe, seiner
Stellung, seiner Bewegung, usw. um gegebenenfalls das Entfalten
des' Airbags in
Abhängigkeit
dieser Parameter zu modulieren.
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Es
kann vorkommen, dass in einer solchen Vorrichtung sich beim Empfang
das Problem stellt, der Unterscheidung zwischen den eines Senders vom
System erzeugten elektromagnetischen Felder gegenüber:
- a)
anderen Sendern desselben Systems
- b) Sendern eines zweiten in der Nähe aufgestellten Systems
- c) dem Geräusch
und Störungen
der Umwelt.
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Um
dieses Problem zu lösen
sieht die Erfindung gemäß einer
vorzugsweisen Ausführung
eine Modulation mit pseudozufälligen
Binärsequenzen
der ausgestrahlten elektromagnetischen Felder vor.
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Die
Unterscheidungen gegenüber
a) und b) werden normalerweise mit einer Zeit- oder Frequenzverschiebung
der Signale der verschiedenen Sender durchgeführt.
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Ein
vorteilhaftes Verfahren besteht darin, eine Sequenz zyklisch oder
wiederholt auf dem erzeugten elektromagnetischen Feld zu modulieren, wobei
die Sequenz für
jeden der Sender einzigartig ist. Diese Sequenz ist lang genug,
damit sie sich von den anderen Sendern und externen Parasiten unterscheidet.
In diesem Fall ist es möglich
für die
verschiedenen Sender dieselbe Trägerfrequenz
und denselben zeitlichen Zyklus zu verwenden.
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Die
Sequenz kann binär
sein um die elektronischen Schaltungen zu vereinfachen. Die Wahl
für jeden
Sender einer binären
orthogonalen Sequenz gegenüber
derjenigen anderer Sender ermöglicht
die Trennung der Signale der einzelnen Sender, wenn sie gleichzeitig
von demselben Empfänger
eingefangen werden.
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Es
gibt pseudozufällige
binäre
Sequenzen, welche die Orthogonalitätsbedingung erfüllen und demgemäß in der
Lage sind, die Signale zu unterscheiden, welche von einer großen Anzahl
von mit diesen Sequnezen modulierten Sender stammen.
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Solche
Sequenzen können
von Verschiebungsregister erzeugt werden, welche vom Rückfluss
mehrerer Bits der Sequenz durch ein exklusives Oder-Tor gespeist
werden. Eine Variante besteht in der Programmübung der Sequenzen in numerischen Speicher
und sie zyklisch abzulesen.
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Dieses
Verfahren ermöglicht
es ausserdem die spektrale Dichte der Aussendung wesentlich zu verringern
und die Trennschärfe
der Empfänger
gegenüber
Parasiten zu verbessern. Dies gilt auch im Fall der Verwendung eines
einzigen Senders und einer einzigen Sequenz Modulation.
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Obschon
die oben beschriebene Detektionsvorrichtung, welche eigentlich eine
statische Vorrichtung ist, die statische Position eines Insassen
mit verhältnismäßig guter
Genauigkeit ermitteln kann, kann es vorkommen, dass sie nicht schnell
genug ist, um die Stellung des Insassen zum Crashzeitpunkt zu ermitteln,
weil sehr oft die Position des Insassen sich kurzzeitig vor dem
Aufprall ändert,
zum Beispiel wegen eines plötzlichen
Bremsens des Fahrzeuges oder einer Reflexbewegung des Insassen.
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Um
diese Lücke
zu schließen,
sieht die Erfindung in einer vorteilhaften Ausführung vor, die oben beschriebene
statische Detektionsvorrichtung mit einem Detektor dynamischer Bewegungen
des Insassen vor.
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Der
Detektor der dynamischen Bewegungen kann die Frequenzbeschreibung
einer durch den sich bewegenden Körper des Insassen reflektierten
Welle benutzen.
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Eine
reflektierte Welle kann tatsächlich
durch Interferenz mit der ausgestrahlten Welle niedrige Frequenzen
erzeugen, welche proportional sind zur Bewegungsgeschwindigkeit
des reflektierenden Körpers
in Bezug zum Empfänger-Sender
dieser Welle. Dieselbe Erscheinung kann durch die Dopplerverschiebung
der Frequenz der durch den Körper
in Bewegung reflektierten Welle beschrieben werden. Der Empfänger erzeugt
die Differenz zwischen der ausgestrahlten Frequenz und der Frequenz
der empfangenen Welle welche vom Reflektor kommt.
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Dieses
Prinzip erzeugt nur ein schwaches Signal für eine langsame Bewegung aber
ein starkes Signal für
eine verhältnismäßig schnelle
Bewegung. Dieses Prinzip ist demgemäß ideal um schnelle Bewegungen
zu überwachen,
d.h. diejenigen welche zu schnell sind für die Messung der statischen
Position. Man kann die ausgestrahlte Frequenz wählen damit, sogar bei schnelleren
Frequenzen schwach genug bleiben um in einem wenig teueren Mikroprozessor behandelt
zu werden.
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Durch
Integration dieses durch das Prinzip der dynamischen Messung erzeugte
Niederfrequenzsignal erhält
man die Bewegung seit der letzten mit dem Prinzip der statischen
Messung ermittelten Position. Diese Ausführung der vorliegenden Erfindung
schlägt
demgemäß die Kombination
zweier Prinzipien vor, um in reeller Zeit die dynamische Änderung
des Insassen zu überwachen
und auf diese Weise genaue und schnelle Informationen über die Position
des Insassen zu liefern, was eine sichere Entfaltung des Airbags
ermöglicht.
Die Kombination dieser beiden Techniken ist billiger als eine schnellere
Technik um die Position des Insassen in reeller Zeit zu überwachen.
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Für das Prinzip
der dynamischen Messung kann man Mikrowellen benutzen, welche von
einem sehr schwachen Sender erzeugt werden. Sogar während stärkeren Beschleunigungen
der Bewegung des Insassen, ist die im Empfänger erzeugte Frequenz in der
Größenordnung
vom kHz und leicht mit einem Mikroprozessor zu behandeln. Die einfachste
Behandlung besteht darin die Zahl der vom Empfänger erzeugten Wellenzyklen
Niederfrequenz zu zählen,
da diese Anzahl proportional zur Bewegung von 15 mm entsprechen.
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Andererseits
ist es möglich
Signale einzufangen welche der Bewegungsgeschwindigkeit des Insassen
gegenüber
dem Mittelpunkt der Entfaltung des Airbags entsprechen, was einen
anderen wichtigen Parameter für
den Computer zur Steuerung des Airbags ergibt.
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Es
ist ebenfalls möglich
den oder die Detektoren) für
die dynamische Überwachung
der Bewegung des Insassen nur im Fall einer Notwendigkeit zu betätigen..
Dies kann entweder mit Beschleunigungsmessern erfolgen, welche das Überschreiten einer
minimalen Beschleunigung feststellen oder mit Näherungssensoren im Rücken des
Sitzes, welche feststellen, dass der Insasse seine Ruhestellung
verlassen hat.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Einzelbeschreibung einiger
bevorzugter Ausführungsbeispiele
welche nachfolgend illustrationshalber mit Bezug auf die beigefügten Figuren
vorgestellt werden in welchen:
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1 ein Blockschema zeigt
das die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
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2 ein Blockschema einer
erfindungsgemäßen Sendeschaltung
zeigt;
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3 ein Blockschema einer
erfindungsgemäßen Empfangsschaltung
zeigt;
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4 ein Blockschema einer
Variante eines Generators elektromagnetischer Felder zeigt;
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5 ein Blockschema einer
Variante eines Empfängers
elektromagnetischer Felder zeigt und
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6 ein Prinzipschema eines
dynamischen Detektors zeigt, welcher mit einer statischen Detektionsvorrichtung
kombiniert werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung in der Durchführung einer kapazitiven Detektion
gemäß dem Schema
von 1. Die Bezugszahl 10 zeigt
schematisch einen anzutastenden leitenden Körper, zum Beispiel, zur Ermittlung
seiner Stellung und/oder seiner Größe. Das Prinzip der Detektion
oder der Abtastung beruht auf der kapazitiven Kopplung mehrerer
Sendeelektroden 11, 12 mit dem Körper 10 und
der Kopplung dieses mit einer oder mehreren Empfangselektroden 14, 15 und 16.
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Das
erzeugte Signal, zum Beispiel, von der Elektrode 11 wird
von den Elektroden 14, 15, 16 mit einer
Intensität
empfangen welche abhängig
ist von der Distanz zwischen dem Körper 10 und der Elektrode 11 einerseits
und den Elektroden 14, 15, 16 andererseits.
Desweiteren kann durch eine Änderung
der Abmessungen der Elektroden, die Karakteristik der Intensität des Signals
in Abhängigkeit
der Distanz zwischen dem Körper
und der Elektrode geändert werden.
Zum Beispiel bei Benutzung einer Elektrode 11 mit einer
großen
Oberfläche
im Vergleich zur Oberfläche
der Elektrode 16 ändert
die Intensität
viel mit der Distanz zwischen dieser Elektrode 16 und dem
Körper 10 und ändert wenig
mit der Distanz zwischen der großen Elektrode 11 und
dem Körper 10.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Sendeschaltung
zur Durchführung
einer kapazitiven Detektion gemäß 1. Eine Trägerwelle
fc speist eine Sendeelektrode TX mit sinusförmigem Strom durch einen sinusförmigen Konverter 19 und
einen Verstärker.
Dieselbe Trägerwelle
fc steuert die Synchrondemodulatoren PD zweier Empfangsschaltungen 17 und 18 (siehe 3).
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Nach
Teilung durch die Faktoren Na und Nb in den Frequenzteiler 1/Na
und 1/Nb steuert die Trägerwelle
eine zweite Reihe Synchrondemodulatoren PDA und PDB in den beiden
Empfangsschaltungen 17 und 18 (siehe 3).
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Zusätzlich zur
im Modulator 48 durch die Hilfsträger fc/Nb phasenmodulierten
Spannung für die
Sendeantenne erzeugt der Sender ebenfalls ein Bezugssignal RX-ref
das im Modulator 50 von der Hilfsträgerin fc/Na phasenmoduliert
ist.
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Die 3 zeigt eine erfindungsgemäße Empfangsschaltung
zur Durchführung
einer kapazitiven Detektion gemäß 1. Es gibt n Empfangsschaltungen 17 bis 18 mit
jeweils einem von der Trägerwelle
fc gesteuerten ersten Synchrondemodulator und zweite Synchrondemodulatoren
PDA und PDB welche von den Hilfträgerinnen fc/Na und fc/Nb gesteuert
werden.
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Die
Eingänge
der Empfänger 17 und 18 sind gemäß 3 mit den kapazitiven Elektroden
RLS1 bis RLSn verbunden.
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Die
Eingänge
der Empfänger 17 und 18 sind ebenfalls
mit dem Referemzsignal RX-ref verbunden, das vom Sender der 2 erzeugt wird. Dieses Referenzsignal
kann entweder dem Differenzialeingang des Empfängers (siehe Empfänger 17)
RLS1 beigefügt
werden oder einen Kapazitivteiler (siehe Empfänger 18) speisen welcher
die Empfangselektrode RLSn enthält.
Um die kapazitive Kopplung mit dem abzutastenden leitenden Körper abzuschätzen, vergleicht
man die Amplitude der Phasenmodulation PA1 bis PB1 und allgemein
PAn bis PBn. Dieses Verhältnis
hängt von
der Distanz der Elektroden TX und RLSn zum abzutastenden Körper und
seiner Größe ab.
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Im
Fall von zwei Sendeelektroden kann die Unterscheidung erleichtert
werden indem elektrische Wechselfelder erzeugt werden, welche entweder zeitverschoben
sein können
oder verschiedene Frequenzen haben oder mit verschiedenen Hilfsträgern moduliert
sind.
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Es
ist desweiteren möglich
ein System vorzusehen, zur Überwachung
der Unversehrtheit der Elektroden zum Beispiel Feststellung des
Bruchs einer Leitung mittels Gleichstrom.
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Die Überwachung
der Unversehrheit der Empfangselektroden kann ebenfalls durch kapazitive Kopplung
eines Referenzsignals, das vor dem Erreichen des Empfängers die
Elektrode durchqueren muss, ausgeführt werden.
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Es
ist möglich
auf einer gleichen Elektrode der 1 zu
senden und zu empfangen. Dies kann gleichzeitig geschehen dank der
Modulation der Sendesignale mit orthogonalen Sequenzen.
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4 zeigt einen Generator 120 der
eine Trägerfrequenz 121 erzeugt
welche gegebenenfalls dazu benutzt werden kann um mehrere Sensorgruppen
zu synchronisieren welche sich in zu kleinen Abständen befinden
um ohne Synchronisation nicht zu interferieren. Eine Gruppe von
zum Beispiel vier Sequenzgeneratoren 131, 132, 133, 134 wird
von einer Uhrsequenz 125 gespeist, welche mit der Trägerin 121 synchronisiert
ist.
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Diese
Synchronisation kann durch einen einfachen numerischen Teiler 124 erfolgen,
welcher von der Trägerin 121 gespeist
wird.
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Die
Sequenzgeneratoren 131, 132, 133 und 134 erzeugen
verschiedene Sequenzen für
jeden der Modulatoren 135, 136, 137 und 138 welche
demgemäß Sendesignale 141, 142, 143 und 144 erzeugen welche
sich durch ihre jeweiligen Modulatoren auf der Grundlage der Trägerin 121 unterscheiden.
Eine Reihe Verstärker 145, 146, 147 und 148 stellt
diese Signale 151, 152, 153 und 154 den
Elektroden 11, 12 usw zur Verfügung mit einem ausreichend
kleinen Ausgangswiderstand um Kapazitäten speisen zu können.
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Die 5 zeigt einen Teil eines
einzigen Empfängers
unter den zahlreichen Empfängern
von elektromagnetischen Feldern. Das von einer Elektrode 30 empfangene
Signal wird parallel auf eine Gruppe Synchrondemodulatoren 171, 172, 173 und 174 aufgeteilt.
Jeder Synchrondemodulator wird desweiteren mit dem Signal eines
Senders 141, 142 gespeist oder mit diesem um 90
Grad versetzten Signal 175, 176. Die Elemente 190 und 191 symbolisieren diese
Phasenverschiebung. Die demodulierten Signale werden in den Tiefpassfiltern 181, 182, 183 und 184 gefiltert
und die sich ergebende
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Spannung
ist proportional zur Amplitude des Teils des empfangenen Signals
welcher dem jeweiligen Sender 151, 152, 153 und 154 zugeordnet
ist.
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Die
auf diese Weise erhaltenen Spannungen 195, 196, 197 und 198 werden
von einem Mikrocomputer digitalisiert und abgeschätztm welcher
demgemäß über die
numerischen Werte der Amplituden der Signale der N Sender von elektromagnetischen
Feldern welche von M Empfängern
empfangen werden verfügt.
Die Amplitude des Signals in Phase mit einem spezifischen Sender
zusammen mit der Amplitude des um 90° phasenverschobenen Signals
ermöglicht
eine vektorielle Analyse des empfangenen Signals. Der Mikrocomputer
verfügt
demgemäß über M mal
N, bzw M mal 2N Werte zur Abschätzung
des leitenden Gegenstandes.
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Am
Eingang des Empfängers
kann die Elektrode 30 Bestandteil eines kapazitiven Spannungsteilers
sein mit der festen und bekannten Referenzkapazität 170 welche
von einem Sendesignal 151 gespeist ist das wie oben beschrieben
mit einer Sequenz moduliert ist. Der Vergleich der Amplitude der empfangenen
Signale im Vergleich zu dieser Kapazität ermöglicht es die empfangenen Signale
im Vergleich zu dieser Referenzkapazität abzuschätzen und sogar mit Hilfe des
Mikrokomputers die Effekte der Änderungen
der Kapazität
der Empfangelektrode zu berücksichtigen.
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Die
beiliegende 6 zeigt
illustrationshalber ein Prinzipschema eines dynamischen Detektors welcher
der oben beschriebenen Detektionsvorrichtung zugefügt werden
kann. Im Airbaggehäuse
oder in der Nähe
davon sind ein oder mehrere Mikrowellendetektoren und Mikrowellensender
angeordnet welche einen divergenten Strahl in Richtung Körper des
Insassen 22 austrahlen und die von diesem zurüchgeworfene
Welle empfangen. Sender-Empfänger
können
ebenfalls im Sitzrücken 24 oder
in der Kopfstütze 26 angeordnet
sein und allein oder zusammen mit den im Airbaggehäuse 20 angeordneten Sender-Empfänger arbeiten.
Wenn mehrere Sender-Empfänger
zusammen arbeiten, können
sie vorteilhaft kombiniert werden um eine gegenseitige Kontrolle
der Messungen durchführen,
was die Zuverlässigkeit
und die Sicherheit steigert.
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Die
im Sitzrücken 24 oder
in der Kopfstüutze 26 angeordneten
Detektoren benutzen den Rücken und/oder
Kopf des Insassen als Reflektor und können den Vorteil bieten, dass
diese Teile des Insassen allgemein nicht von den Händen oder
anderen sich bewegenden Gegenständen
versteckt sind.