WO2005056346A2 - Verfahren zum betreiben eines sensors in einem sicherheitssystem - Google Patents

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WO2005056346A2
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Richard Baur
Yan Lu
Ralph Neuberger
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a sensor in a security system and a security system.
  • sensors are used as signal transmitters in security systems.
  • Sensors considered in the context of the present invention serve to sense at least one form of material stress, such as occurs due to tensile and / or compressive forces during the deformation of material, but also during the transmission of structure-borne noise.
  • Such sensors and associated safety systems are used, among other things, in the aerospace industry, but also in the motor vehicle industry as accident detectors.
  • a security system is characterized in that it is provided with at least one sensor which, in addition to its sensor property, also has the property of an actuator.
  • a property of a reciprocal mode of operation is known in a large number of transducers and, inter alia, as piezoelectricity. This is understood to mean the property of some crystal structures that they cause charge separation on their surfaces under the action of tension and pressure, with the result that an external electrical voltage can be tapped off. Conversely, however, it is also possible to deform a piezoelectric crystal by means of an external electrical voltage.
  • piezoelectric crystals based on quartz which can also be made of barium titanate or BaTiO 3 or lead zirconium titanate or PZT based as ceramic elements
  • the use of piezoelectric plastic films or films has become known.
  • BaTiO 3 powder is transferred to a ceramic body with component or sensor dimensions under solid shaping using a compression-molded powder by sintering.
  • Plastic foils are permanently flexible, only approx. 5 to 500 ⁇ m thick, light and can also be cut into almost any shape by simply cutting them.
  • the plastics used are generally highly polar substances that are subjected to a strong static electrical field for the uniform alignment of the molecules when a film is produced in the heated state. In the course of cooling, this forced alignment of the molecules in the film body is virtually frozen.
  • DE 40 25 564 C1 discloses the use of polyvinylidene fluoride PVDF or other polymers consisting of polar molecules.
  • the substances mentioned viewed as passive components, already have a charge potential themselves and show a measurable capacitive charge change when exposed to pressure. External power from an external voltage source is therefore not necessary,
  • the sensor and actuator can thus be combined in one system, so that a self-test is possible in a simple manner under control and subsequent evaluation by a central system unit.
  • the sensor element is first activated as an actuator, and the mechanical vibration excited in this way can in turn be sensed as an electrical signal, provided that the element operates without interference.
  • a sensor can be checked at any time without additional equipment on signal transmitters etc. and its operational properties monitored.
  • the actuator operation can also force a system to be secured to mechanical vibration, whereby the same element can subsequently be used to supply an analysis of the excited vibration with an examination of the properties of this system response in an evaluation unit of the actual security system.
  • a proposed method for operating a sensor with a reciprocal mechanism of action in a safety system forms the advantages of a reliable self-test as well as the advantage of a safety check and system analysis in a mechanical overall system to be monitored with little effort and negligible interference, with the possibility of a diagnosis to complete each check ,
  • a security system comprises a plurality of sensors, which can be secured as an observation or via a structure to be secured. Monitoring area are arranged distributed.
  • the mechanical structure to be observed is thus covered with a network of sensors which takes into account a particular peculiarity of the mechanical structure through the type of distribution and distribution density of the sensors.
  • a self-test is still possible for each of the sensors by evaluating a respective decay behavior after active test excitation by means of a predefined test signal and a recorded measurement signal in the manner described above.
  • piezoelectric sensors span and / or cover an adhesive bond as a film.
  • the film preferably extends from one to the other component or components which are connected to one another by the adhesive connection.
  • a method according to the invention is also characterized in the above-mentioned further developments in that robust and overload-resistant, inexpensive and also self-diagnosable sensors are used. Placement with permanently reliable fastening can be carried out at any time by embedding, gluing, screwing or the like at certain points.
  • a sensor with a reversible property in the form of a piezo element that is already provided for a parking distance control unit, or PDC for short can additionally be used according to a method according to the invention, so that synergy effects can be used.
  • Figure 1 is a schematic representation of a security system 1 according to the invention.
  • Figure 2 is a plan view of a motor vehicle, which is equipped on one half with systems according to the invention
  • Figure 3 is a schematic representation of two systems according to Figure 1 for monitoring two different monitoring areas
  • Figure 4 is a schematic representation of two systems analogous to the representation of Figure 3 in a second embodiment
  • Figure 5 is a schematic representation of two systems analogous to the representation of Figures 3 and 4 in a further embodiment
  • Figure 6a a sketchy representation of a pedestrian protection device
  • Figure 6b an enlarged sectional view in the plane A-A of Figure 6a.
  • the security system 1 comprises a multiplicity of sensors 2 which are arranged on a motor vehicle which is shown in sections.
  • the sensors 2 are fixed on the inside of the vehicle to the sheet metal of a left front fender 3 by gluing and / or welding.
  • Each sensor 2 is connected to a central system unit 5 via a signal line 4.
  • the signal line 4 serves as a supply line for a diagnostic signal and / or an excitation signal 6, which is converted into a mechanical signal by the respective sensor 2.
  • the sensor 2 is designed as a reciprocally acting transducer, in the present case as a piezoelectric transducer.
  • a reaction signal 7i can be reported back to the central system unit 5 via a return line 8i of this sensor 2i.
  • the reaction signal 7i of each activated sensor 2i shows that the relevant sensor 2i could be addressed electrically and reacted mechanically, it being possible to convert this reaction back again.
  • the reaction signal 7i as a simple self-test and an evaluation of the reaction signal 7i gives further exclusion about the functionality of the sensor 2i concerned.
  • Each of the sensors 2 is thus self-diagnosable according to the same test scheme without additional devices.
  • the central system unit 5 is designed to routinely carry out such self-tests for all sensors 2 of the security system 1 and to evaluate the response signals 7 respectively received from the respectively controlled sensors 2.
  • each of the sensors 2 has its own signal line 4 and its own return line 8 the respective start-up signals 6 can be used in a targeted manner and the reaction signals 7 can be clearly assigned to a respective sensor 2 and, in connection therewith, to a specific position on the fender 3.
  • Each piezo sensor 2 is for considers itself self-diagnosis-capable, so that the security system 1 is also capable of complete self-diagnosis, since it can be flexibly expanded as a network based on the robust and inexpensive piezo sensor elements 2 as basic components.
  • the distributions of the respective sensors via the fender 3 are stored in the model as the monitoring area 11.
  • deviations from a control behavior for each of the sensors 2 can now be ascertained and assigned to one or more sections of the monitoring area 11 on the basis of the model 10.
  • Adhesion but certainly a smaller dent, already significantly change the mechanical vibration properties of a fender 3.
  • These changes can now be compared by comparing them with a trouble-free system response, so that areas with buildup or even damage can be specifically identified and displayed in the result. This is important because the build-up of ice, snow or sludge caking etc. can cause malfunctions. Investigations of the type mentioned are of course also extended to other mechanically load-bearing elements and connections of the chassis.
  • the above-described methods for operating one or more sensors in a security system are based on targeted mechanical excitation, which are triggered internally by the central system unit 5. This detects static faults in the sense of a safety check.
  • the system 1 described above can also be used for the detection and analysis of dynamic and / or non-harmonic external excitations.
  • External vibration excitations of this type are caused, inter alia, by deformation of parts and radiate into a monitoring area 11 if they do not take place within the monitoring area 1. Due to the nature of their propagation and a respective frequency pattern, they provide strong evidence of interference caused by external contact. Examples of such external contact are accident-related contact with a pedestrian or cyclist or crashes in connection with a vehicle collision.
  • the distribution of the sensors 2 over a monitoring area 11 allows the security system 1, through the intermediary of the central system unit 5, a very quick registration of the beginning deformations, their localization within the monitoring area 11, or outside with a location. It is also possible to diagnose the severity of the respective accident as the deformations progress and progress. Data from database 9 and model 10 are used for localization. Building on this detailed database, the central system unit 5 can supply a safety device 12 with assigned subsystems with reliable information. Starting from the safety device 12, various airbag and belt tensioner systems and other known safety measures can then be taken according to a coordinated protection strategy, depending on the type and severity of each. Depend on malfunction or accident.
  • a so-called active bonnet is preferably activated as a safety measure, which is used to reduce the risk of hardness or to enlarge a crumple zone in the area above the engine compartment or is made at an angle.
  • a distributed device for generating anti-noise etc. can also be represented by a security system 1 of the type described above.
  • a motor vehicle consists in large numbers of subsystems, each of which can vibrate individually or together. Occurring resonances range from a low-frequency range, through the tactile and, in particular, audible frequency range to the ultrasonic range. In the low-frequency range, for example, driving properties can be badly affected, in particular by rocking. In the audible range, the well-being or even the concentration of passengers is affected. However, all types of resonance have a lasting effect on the mechanical strength and thus the operational safety and durability of a vehicle. It is therefore very advantageous to use the safety system 1 with the distributed sensors 2 as a diagnostic network to track down the sound sources.
  • a motor or wheels with wheel suspensions alone should not be considered as sound sources. Rather, the transmission of mechanical sound waves at a distance from these vibration generators creates resonance zones, which in turn then emit sound through vibration. With more precise location of such resonance zones by the sensors 2 and knowledge of the structural conditions as they are stored in the model 10, targeted counter-vibrations can be initiated by the actuator properties of the sensors 2, which lead to vibration cancellation in the resonance zone by destructive interference.
  • FIG. 2 shows a plan view of a motor vehicle in which, for reasons of clarity, only a little more than fifteen sensors 2 according to the invention are provided on only one half. Already on the basis of this still relatively low number of sensors 2, it becomes clear how little practical it is to install such a large number of individual parts in series production. In order to drastically reduce the installation time, the number of individual parts, but also their shape and size, are adjusted.
  • the sensors 2 are each assigned to primary monitoring areas 11 and are grouped together for this purpose in groups 13. These groups 13 form a self-adhesive film carrier, which covers a respective monitoring area 11.
  • preprocessing of the sensor reaction signals 7, which are now not shown in further detail, is carried out, in particular amplification and coding with a clear assignment of a return or reaction signal 7i to a respective sensor 2i.
  • Areas that are particularly subject to accidents on the one hand and areas that are subjected to high mechanical stress on the other hand are thus detected by respective monitoring areas 11, in particular the A, B and C pillars of the body of the vehicle.
  • the right half of the vehicle is also essentially mirror-symmetrically equipped with sensors 2.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of two subsystems 14 according to FIG. 1 forming a group according to FIG. 2 for monitoring two different monitoring areas 11 on a motor vehicle.
  • a preprocessing of the sensor signals is provided therein, the groups 14 being equipped as assemblies on the self-adhesive film carrier with pre-electronics 5a, 5b and electrical signal and supply connections.
  • the flexible self-adhesive films are equipped with a length of approximately 50 to 60 cm and a width of approximately 10 cm with at least two sensors 2, in the present case with three sensors 2.
  • oval or star-shaped structures are used for such carrier films with the sensors 2 being arranged accordingly.
  • At least one security system 12 can be triggered directly by an associated pre-electronics 5a, 5b.
  • the signals 7 ascertained by the sensors 2 of a group 13, which are distributed over an observation or monitoring area 11, are fed via separate lines 8 to respective pre-electronics 5a, 5b over a short distance and are used separately for each subsystem Assigned databases 9 and a model 10a, 10b, which is matched to the respective monitoring area 11, are evaluated.
  • various security systems 12 can also be triggered by a central system unit 5, which jointly evaluates pre-evaluated signals from various subsystems 14. On this basis, there is then the possibility of coming to a triggering strategy adapted to the respective requirements of an accident in the form of an overall response from various safety systems 12.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of two subsystems 14 in a second embodiment.
  • the signal lines 4 between the pre-electronics 5a, 5b and the central system unit 5 have been replaced by bus lines 15.
  • the groups 14 are now provided as assemblies on the self-adhesive film carrier, each with pre-electronics 5a, 5b and electrical signal connections for integration into a bus system.
  • Each of the pre-electronics 5a, 5b is used for signal processing with calibration, adjustment and initialization and as a protocol unit for the subsequent data exchange via the bus with the central system unit 5.
  • this solution is also characterized by very fast reaction times with a greatly reduced wiring effort in the electromagnetically heavily loaded engine compartment of a vehicle.
  • Figure 5 finally shows a schematic representation of two systems analogous to the representation of Figures 3 and 4 in a further embodiment.
  • the blocks of the pre-electronics 5a, 5b have also been omitted compared to the embodiment of FIG. 4.
  • the sensors 2 of the groups 13 are now designed as active elements with their own intelligence so that they can be connected directly to bus lines 15 of a uniform bus system. As a result, the internal wiring effort in each group 13 is reduced even further, the system architecture becoming even more manageable.
  • FIG. 6a shows a sketch of a protective device 1 in the form of a pedestrian protective device.
  • the group 13 of ceramic sensors 2 is arranged on a flexible film 16 as a carrier.
  • this carrier is connected to pre-electronics 5a, into which signal lines 17 coming from the respective sensors 2 and isolated from one another for transmitting the individual analog signals, which are preprocessed in the pre-electronics 5a.
  • this device is purely passive, whereby a shock, impact, a vibration or another impact in the area of the flexible film 16 triggers corresponding electrical signals through charge shifts in the sensors 2 concerned.
  • the data obtained from the individual analog signals are then forwarded by the pre-electronics 5a to improve the data security via a bus 15 through an engine compartment 18 of the vehicle, which is usually subject to EMC, into an interior 19 to the central system unit 5.
  • Processing of the data then takes place there using a model 10 together with data from the database 9, which, in the event of a pedestrian accident being detected, triggers at least one suitable safety system 12.
  • the pedestrian protection device 1 shown with reference to the illustration in FIG. 6a corresponds in terms of the inner structure to one of the two systems described in FIG.
  • the signal lines 4 and return lines 8 provided in pairs for each sensor 2 are embodied in the flexible film as signal lines 17, which also carries the sensors 2. This significantly shortens an assembly time while at the same time improving the positional accuracy of the individual sensors 2.
  • a subsystem can also be tested for errors before installation by the pre-electronics 5a.
  • FIG. 6b An enlarged sectional view of the plane AA of FIG. 6a is shown in FIG. 6b to illustrate an internal structure of a flexible film 16 as a carrier of a group 13 of ceramic sensors 2.
  • the flexible film ⁇ fulfills various tasks: one task is to mechanically fix each sensor 2 of group 13 to a surface of a body 19, which in the present case is a mechanically rigid part of a bumper of a pedestrian protection device 1. This fixation is brought about by a self-adhesive layer 20 provided on the outside of the film 16.
  • Another task of the flexible film ⁇ is to make electrical contact with the sensors fixed to the film.
  • the film 16 is constructed in several layers. In the present example, two film layers 21 are provided with electrical interconnects, each of which is separately conductively connected to external contacts.
  • the film 16 must also offer protection against environmental influences and, in particular, signal interference, electromagnetic interference, etc.
  • the film 16 has a metallization layer or metallic protective layer 26 for EMC shielding on an outer side opposite the self-adhesive layer 20. This continuous and grounded protective layer 26 ensures effective protection of the reaction signals 7 of the sensors 2 over the entire relevant spectrum.
  • the flexible film 16 of FIG. 6a spans a contact point connected by adhesive bonding between a metallic strut element and a carbon fiber or CFRP reinforcing element of a body. Due to their good mechanical properties and their comparatively low weight, more and more elements made of carbon fiber or CFRP are also being manufactured in automotive engineering. Since screwed and / or riveted connections are complex and welded connections between such different materials are excluded, adhesive connections are increasingly being used recently. Long-term stability of such dynamically stressed adhesive connections should be monitored for safety reasons alone. Various approaches to this end are also known from the prior art, but these involve considerable additional costs.
  • a security system 1 has thus been presented in various exemplary embodiments, which can be expanded to form a comprehensive sensor network using inexpensive, robust, reliable and easy-to-install sensor elements 2. Due to the fact that the required computing power is manageable overall, in addition to a self-test on individual elements and the system as a whole, rapid location of faults and determination of data on location, type and severity of damage, but also active damping of vibrations and resonance phenomena to reduce wear and tear and noises possible.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors in einem Sicherheitssystem sowie ein Sicherheitssystem. Um ein hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit verbessertes Verfahren zum Betreiben mindestens eines Sensors in einem Sicherheitssystem sowie ein dementsprechendes Sicherheitssystem zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass der Sensor ein elektrisches Reaktionssignal an eine zentrale Systemeinheit übersendet und von der zentralen Systemeinheit durch ein Diagnose- und/oder Anregungssignal als reversibles elektro-mechanisches System angeregt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Sensors in einem Sicherheitssystem
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors in einem Sicherheitssystem sowie ein Sicherheitssystem. Es ist bekannt, dass Sensoren als Signalgeber in Sicherheitssystemen eingesetzt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrachtete Sensoren dienen einer Sensierung mindestens einer Form von Materialbeanspruchung, wie sie durch Zug- und/oder Druckkräfte bei der Verformung von Material, aber auch bei der Übertragung von Körperschall auftreten. Verwendung finden derartige Sensoren und zugehörige Sicherheitssysteme unter Anderem in der Luft- und Raumfahrt, jedoch auch in der Kraftfahrzeugindustrie als Unfallmelder.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit verbessertes Verfahren zum Betreiben mindestens eines Sensors in einem Sicherheitssystem sowie ein dementsprechendes Sicherheitssystem zu schaffen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche gelöst. Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Sicherheitssystem dadurch aus, dass es mit mindestens einem Sensor versehen ist, der neben seiner Sensoreigenschaft auch die Eigenschaft eines Aktuators besitzt. Eine derartige Eigenschaft einer reziproken Wirkungsweise ist bei einer Vielzahl von Wandlern und unter Anderem als Piezoelektrizität bekannt. Hierunter versteht man die Eigenschaft einiger Kristallstrukturen, dass sie unter Einwirkung von Zug und Druck an ihren Oberflächen eine Ladungstrennung mit der Folge hervorrufen, dass eine außen über Elektroden elektrischen Spannung abgreifbar ist. Umgekehrt ist es jedoch auch möglich, durch eine außen angelegte elektrische Spannung einen piezoelektrischen Kristall zu deformieren. Damit können bei angepasster Materialauswahl und entsprechender Formgebung der piezoelektrischen Kristalle über einen weiteren Frequenzbereich hinweg Oberflächenverformung und Körperschalleffekte über die damit verbundenen mechanischen Verformungen eins Piezo-Sensorelementes in elektrische Signale umgewandelt wer- den. So können durch elektrische Signale umgekehrt auch Oberflächen durch den gleichen Piezo-Sensor aufgrund seiner Eignung als Aktuator mechanisch in Schwingung gesetzt werden.
Neben der Verwendung piezoelektrischer Kristalle auf Quarzbasis, die auch auf Bariumtitanat- bzw. BaTiO3- oder Blei-Zirkonium-Titanat bzw. PZT- Basis als Keramik-Elemente ausgeführt sein können, ist der Einsatz piezoelektrischer Kunststoff- Folien oder -Filme bekannt geworden. Eine Überführung von BaTiO3-Pulver unter fester Formgebung über ein formgepresstes Pulver zu einem keramischen Körper mit Bauteil- bzw. Sensor-Abmessungen erfolgt durch Sintern. Piezoelektrische
Kunststoff-Folien sind dagegen dauerhaft flexibel, nur ca. 5 bis 500 μm dick, leicht und können zudem durch einfaches Schneiden fast beliebig in jede flächige Form gebracht werden. Bei den verwendeten Kunststoffen handelt es sich in der Regel um stark polare Substanzen, die bei der Herstellung einer Folie im erwärmten Zu- stand einem starken statischen elektrischen Feld zur einheitlichen Ausrichtung der Moleküle unterworfen werden. Im Zuge der Abkühlung ist diese erzwungene Ausrichtung der Moleküle in dem Folienkörper quasi fest eingefroren. So ist beispielsweise aus der DE 40 25 564 C1 die Verwendung von Polyvinylidenfiuorid PVDF oder anderen aus polaren Molekülen bestehenden Polymeren bekannt. In jedem Fall besitzen die genannten Substanzen, als passive Bauelemente betrachtet, also bereits selber ein Ladungspotential und zeigen bei Druckeinwirkung eine messbare kapazitive Ladungsänderung. Damit ist eine Fremdspeisung durch eine externe Spannungsquelle nicht erforderlich,
Den vorstehend genannten Materialien ist gemein, dass die Eigenschaften von
Sensor und Aktuator damit in einem System vereint werden können, so dass in einfacher Weise unter Ansteuerung und nachfolgender Auswertung durch eine zentrale Systemeinheit ein Selbsttest möglich ist. Hierzu wird das Sensor-Element erst als Aktuator angesteuert, wobei die so angeregte mechanische Schwingung wiederum als elektrisches Signal sensiert werden kann, sofern das Element störungsfrei arbeitet. Durch diese Möglichkeit kann ein Sensor also ohne zusätzlichen apparativen Aufwand an Signalgebern etc. jederzeit überprüft und hinsichtlich seiner Betriebseigenschaften überwacht werden. Neben den Selbsttests kann jedoch durch den Aktuatorbetrieb einem zu sichernden System auch eine mechanische Schwingung aufgezwungen werden, wobei durch das gleiche Element nachfolgend eine Analyse der angeregten Schwingung mit Untersuchung der Eigenschaften dieser Systemantwort in einer Auswerteeinheit des eigentlichen Sicherheitssystems versorgt werden kann. Neben Verformungen des Materials können so auch Risse und weitere Störungen, insbesondere durch ein abweichendes Frequenzmuster dieser Systemantwort detektiert werden. Somit bildet ein vorgeschlagenes Verfahren zum Betreiben eines Sensors mit reziprokem Wirkungsmechanismus in einem Sicherheitssystem die Vorteile eines zuverlässigen Selbsttestes sowie den Vorteil einer mit geringem Aufwand und vernachlässigbarem Störungseinfluss versehenen Sicherheitsüberprüfung und Systemanalyse in einem zu überwachenden mechanischen Gesamtsystem mit der Möglichkeit einer Diagnose zum Abschluss einer jeden Überprüfung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst ein Sicherheitssystem eine Vielzahl von Sensoren, die über eine zu sichernde Struktur als Beobachtungsbzw. Überwachungsbereich verteilt angeordnet sind. Die zu beobachtende mechanische Struktur wird in gewissem Sinne also mit einem Netz von Sensoren überzogen, das einer jeweiligen Eigenart der mechanischen Struktur durch die Vertei- lungsart und Verteilungsdichte der Sensoren Rechnung trägt. Auch in dieser Anordnung ist für jeden einzelnen der Sensoren weiterhin ein Selbsttest über eines Auswertung eines jeweiligen Ausschwingverhaltens nach aktiver Test-Anregung mittels eines vordefinierten Testsignals und eines aufgenommenen Messsignals in der vorstehend dargestellten Weise möglich. Zudem existiert nun auch die Möglich- keit, durch das aktive Anregen über einen Sensor und die Auswertung der von allen Sensoren eingehenden Messsignale eine flächendeckende Auswertung zur Fehlerund/oder Störungsanalyse vorzunehmen. Alle Sensoren können gleichartig aufge- . baut und fixiert sein, also einer Sensor-Baureihe bzw. einem Typ angehören.
Weiterhin treten bei modernen Fahrzeugen in erheblichem Umfang Resonanzerscheinungen auf, die sich auch in einem Fahrzeuginnenraum als Lärm deutlich bemerkbar macht. In der Form von mechanischen Dauerschwingungen und stehenden Wellen führen derartige Resonanzerscheinungen zudem an tragenden Teilen über erhöhte Beanspruchung zu verstärkten Verschleißerscheinungen und Festig- keitsproblemen. Ein Beispiel für diese aktuell gehäuft auftretenden Probleme sind Fahrgastzellen oder Kabinen, die unter Verwendung neuer Verbundwerkstoffe auf der Basis von Kohlefasern bzw. CFK-Verbundwerkstoffen aufgebaut worden sind. Diese leichten und extrem harten Werkstoffe finden besonders in der Raumfahrt, im Flugzeugbau und fortschreitend auch im Kraftfahrzeugbau Einsatz. Da CFK- Werkstoffe Schwingungen aufgrund ihrer hohen eigenen Steifigkeit nur unwesentlich dämpfen, werden Vibrationen innerhalb der bewegten Systeme von einem jeweiligen Entstehungsort fortgeleitet, also beispielsweise von einer Radaufhängung, einem Motor oder einer Turbine hin in eine Kabine oder Fahrgastzelle. Bei dem be- sonderen Anwendungsfall eines Verkehrsflugzeuges wird ein Geräuschpegel von einer Heckturbine über die Fahrgastzelle als starre Röhre auch noch akustisch dadurch verstärkt, dass tragende Partien des Bodens und der Decke zusätzlich als Resonanzboden fungieren.
Derartige Lärmereignisse können auf Dauer gesundheitsschädlich sein, sie senken aber auch auf jeden Fall das Konzentrationsvermögen und beeinträchtigen das Wohlbefinden von Fahrzeugführern und Fahrgästen. Damit ist das beschriebene Phänomen gleich in zweifacher Hinsicht sicherheitsrelevant. Die in dem vorstehend exemplarisch skizzierten Beispielfall auftretenden Schwingungen können nun durch die Verwendung einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Sensoren selektiv detektiert werden. Somit können über eine Fläche oder eine sonstige Strukturform verteilt Maxima und Minima eines jeweiligen Resonanzgeschehens durch eine Auswertung der eingehenden Signale ermittelt werden. Durch eine aktive Ansteuerung der Ak- tuator-Eigenschaften der erfindungsgemäßen Sensoren können die auftretenden Schwingungen nun durch Ansteuerung und gegenphasige Anregung gedämpft werden. Idealer Weise werden Resonanzen hierdurch sogar eliminiert.
Als weiteres Problem tritt u.a. im Zusammenhang mit der Verwendung von CFK- Werkstoffen die Frage einer dauerhaften Verbindung zwischen den unterschiedli- chen Bestandteilen tragender und/oder sicherheitsrelevanter Strukturen auf. Schon im Bereich metallischer Werkstoffe ist bekannt, dass sich Stähle und Aluminium nicht durch Verschweißen verbinden lassen. Aber auch untereinander sind verschiedene Stähle nicht oder nur sehr eingeschränkt verschweißbar. Dazu gibt es mit den sogenannten Vielphasen- oder Multiphasenstählen Baustoffe, die hinsieht- lieh ihrer besonderen Eigenschaften durch den Wärmeintrag während des Schweißvorganges erheblichen Schaden nehmen würden. In den vorstehend beispielhaft aufgeführten Bereichens sind neuerdings neben Anwendungen in der Luftfahrt auch im Kraftfahrzeugbau fortschreitend die unterschiedlichsten Klebeverbin- düngen anzutreffen. Und auch zur Überwachung der Haltbarkeit und Zuverlässigkeit derartiger Verklebungen sind Sensoren auf einem Folienträger und gerade Sensoren in der Bauform piezoelektrischer Kunststoff-Folien besonders vorteilhaft einsetzbar. In einer Applikationsform überspannen und/oder überdecken piezoelektrische Sensoren als Folie eine Verklebung. Hierbei erstreckt sich die Folie vorzugs- weise von einem zu dem oder den anderen Bauteilen, die durch die Klebeverbindung miteinander verbunden sind. Nach einer Eingangs- oder Startkalibrierung der von den Sensoren der Folie bei normalen Bedingungen abgegebenen Signale sind Änderungen der Klebeverbindung durch Zug- oder Druckbeiastungen einzelner Sensoren der Folie elektrisch messbar. Ein kontinuierliches Lösen der Klebeverbin- düng ist damit genauso feststellbar, wie ein z.B. unfallbedingtes Ein- oder sogar Abreißen.
Ungeachtet dieses Anwendungszwecks ist es im Fall des Auftretens nicht harmonischer Schwingungen, wie sie beispielsweise durch Störungen, Crashs oder Fremd- berührung sowie Fußgängererkennung etc. auftreten können, möglich, eine präzise Erkennung eines jeweiligen Ereignisses sowie eine Ortung über die jeweiligen Sensorelemente vorzunehmen. Geeignete Gegenmaßnahmen können dann gezielt durch dem Sicherheitssystem als Gesamtheit nachgeschaltete Subsysteme ausgelöst werden, insbesondere das zielgerichtete und genau definierte Auslösen von Gurtstraffem, verschiedenen Airbag-Systemen oder sonstigen aktiven Sicherheitskomponenten.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich also auch in den genannten Weiterbildungen dadurch aus, dass robuste und überlastungsfeste, preisgünstige und zudem selbstdiagnosefähige Sensoren eingesetzt werden. Eine Platzierung mit dauerhaft zuverlässiger Befestigung kann dabei jederzeit auch nachträglich durch Einbettung, Aufkleben, Anschrauben o.a. an bestimmten Stellen vorgenommen werden. Zum Aufbau eines reinen Unfall-Frühwarnsystems eignen sich hierzu besonders Stoßstangen, Türen, Dachbereiche und eine Motorhaube an einem Kraft- fahrzeug. Vorteilhafterweise kann ein bereits für eine Park-Distanz-Kontrolleinheit, kurz PDC, vorgesehener Sensor mit reversibler Eigenschaft in Form eines Piezo- Elements zusätzlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden, so dass Synergieeffekte genutzt werden können.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sicherheitssystems 1;
Figur 2: eine Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug, das auf einer Hälfte mit erfindungsgemäßen Systemen ausgestattet ist;
Figur 3: eine schematische Darstellung zweier Systeme gemäß Figur 1 zur Überwachung von zwei verschiedenen Überwachungsbereichen;
Figur 4: eine schematische Darstellung zweier Systeme analog der Darstellung von Figur 3 in einer zweiten Ausführungsform;
Figur 5: eine schematische Darstellung zweier Systeme analog der Darstellung der Figuren 3 und 4 in einer weiteren Ausführungsform;
Figur 6a: eine skizzenhafte Darstellung einer Fußgängerschutzvorrichtung und
Figur 6b: eine vergrößere Schnittdarstellung in der Ebene A-A von Figur 6a.
Nachfolgend werden in den Abbildungen der Figuren einheitlich gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet.
Das Sicherheitssystem 1 umfasst eine Vielzahl von Sensoren 2, die an einem ausschnittsweise dargestellten Kraftfahrzeug angeordnet sind. In dem vorliegenden Fall sind die Sensoren 2 fahrzeuginnenseitig an dem Blech eines linken Vorderkotflügels 3 durch Verklebung und/oder Verschweißung fixiert. Jeder Sensor 2 ist über eine Signalleitung 4 mit einer zentralen Systemeinheit 5 verbunden. Die Signalleitung 4 dient als Zuleitung für ein Diagnosesignal und/oder ein Anregungssignal 6, das durch den jeweiligen Sensor 2 in ein mechanisches Signal gewandelt wird.
Hierzu ist der Sensor 2 als reziprok wirkender Wandler ausgebildet, im vorliegenden Fall als piezoelektrischer Wandler. So kann auf die Einleitung eines Anregungssignals 6 als Signal 6i an einem bestimmten Sensor 2i hin ein Reaktionssignal 7i über eine Rückleitung 8i dieses Sensors 2i an die zentrale Systemeinheit 5 rückgemeldet werden. Das Reaktionssignal 7i jedes angesteuerten Sensors 2i zeigt, dass der betreffende Sensor 2i elektrisch angesprochen werden konnte und mechanisch reagierte, wobei diese Reaktion wieder rückgewandelt werden konnte. Damit die in dieses Reaktionssignal 7i als einfacher Selbsttest und einer Auswertung des Reaktionssignals 7i gibt weiteren Ausschluss über die Funktionsfähigkeit des betreffen- den Sensors 2i. Damit ist jeder der Sensoren 2 nach gleichem Test-Schema ohne zusätzliche Vorrichtungen selbst-diagnosefähig. Die zentrale Systemeinheit 5 ist zu einer routinemäßigen Durchführung derartiger Selbsttests für alle Sensoren 2 des Sicherheitssystems 1 sowie zu einer Auswertung der jeweilig erhaltenen Reaktionssignale 7 der jeweils angesteuerten Sensoren 2 ausgebildet.
Die mechanische Systemantwort des Sensors 2 auf das Anregungssignal 6 der zentralen Systemeinheit 5 hin pflanzt sich durch die starre Kopplung des Sensors 2 mit dem Blech in Form einer mechanischen Welle in dem im vorliegenden Fall betrachteten Kotflügel 3 fort. Aufgrund der Signalfortpflanzung über den Kotflügel 3 hinweg werden auch weitere Reaktionssignale 7 der übrigen Sensoren 2 über die jeweiligen Rückleitungen 8 an die zentrale Systemeinheit 5 gemeldet.
Durch die Verteilung einer Vielzahl von Sensoren 2 über den hier nur exemplarisch dargestellten Bereich eines Kotflügels 3 verfügt das dargestellte Sicherheitssystem 1 jedoch noch über erweiterte Detektions- und Analysefähigkeiten: Jeder der Sensoren 2 verfügt über eine eigene Signalleitung 4 sowie eine eigene Rückleitung 8. Damit sind die jeweiligen Andrehungssignale 6 gezielt einsetzbar und die Reaktionssignale 7 sind einem jeweiligen Sensor 2 und damit verbunden einer bestimmten Position an dem Kotflügel 3 eindeutig zuordenbar. Jeder Piezo-Sensor 2 ist für sich betrachtet Selbstdiagnose-fähig, so dass auch das Sicherheitssystem 1 als ganzes Selbstdiagnose-fähig ist, da es flexibel erweiterbar als Netzwerk auf den robusten und preiswerten Piezo-Sensor-EIementen 2 als Basisbausteinen aufgebaut ist.
Auf die Aussendung eines Anregungssignals 6 durch die zentrale Systemeinheit 5 an einen Sensor 2i versenden alle Sensoren 2 jeweilig eigene Reaktionssignale 7 über die zugeordneten Rückleitungen 8 an die zentrale Systemeinheit 5. Damit ist neben einer Überwachung einer Einsatzbereitschaft der piezoelektrischen Sensoren 2 als Fehlanalyse auch eine generelle Überwachung der mechanischen Eigenschaften des Kotflügels 3 sowie einer Schadenskontrolle durch eine Auswertung der Reaktionssignale 7 in der zentralen Systemeinheit 5 möglich. Hierzu ist die zentrale Systemeinheit 5 mit einer Datenbank 9 sowie einem Modell 10 eines jeweiligen Ü- berwachungsbereiches 11 , hier also des Kotflügels 3, verbunden. In der Datenbank 10 sind hier die bei störungsfreien Betrieb und intaktem Zustand aufgenommenen Charakteristika von Reaktionssignalen 7 der jeweiligen Sensoren 2 in Abhängigkeit eines jeden Sensors 2 als anregendem Aktuator aufgeführt. In dem Modell sind die Verteilungen der jeweiligen Sensoren über den Kotflügel 3 als Überwachungsbereich 11 hinterlegt. Unter Zusammenschaltung der zentralen Systemeinheit 5 mit der Datenbank 9 sowie dem Modell 10 können nun Abweichungen von einem Regelverhalten für jeden der Sensoren 2 festgestellt und auf der Basis des Modells 10 einem oder mehreren Abschnitten des Überwachungsbereiches 11 zugeordnet werden.
Eine Anhaftung, aber erst recht eine kleinere Beule, verändern die mechanischen Schwingungseigenschaften eines Kotflügels 3 bereits signifikant. Damit können diese Veränderungen nun durch Vergleiche mit einer störungsfreien Systemantwort verglichen werden, so dass im Ergebnis Bereich mit Anhaftungen oder gar Beschädigungen gezielt erkannt und angezeigt werden können. Das ist von Bedeutung, da Anhaftungen von Eis, Schnee oder Schlammanbackungen etc. Betriebsstörungen verursachen können. Untersuchungen der genannten Art werden selbstverständlich auch auf weitere mechanisch tragende Elemente und Verbindungen des Chassis ausgeweitet. Die vorstehend beschriebenen Verfahren zum Betreiben eines oder mehrerer Sensoren in einem Sicherheitssystem bauen auf einer gezielten mechanischen Anregung auf, die systemintern durch die zentrale Systemeinheit 5 ausgelöst werden. Hierdurch werden statische Störungen im Sinne einer Sicherheitsüberprüfung de- tektiert. Dazu ist es also insbesondere nicht erforderlich, dass eine Funktionsbeeinträchtigung oder sonstige Störung selber Schall-emittierend ablaufen. Auch zur Erkennung und Analyse bei dynamischer und/oder nicht harmonischer äußerer Anregungen kann das vorstehend beschriebene System 1 Verwendung finden. Derartige externe Schwingungserregungen werden u.a. durch Verformungen von Teilen ver- ursacht und strahlen in einen Überwachungsbereich 11 hinein, falls sie nicht innerhalb des Überwachungsbereichs 1 ablaufen. Sie liefern durch die Art ihrer Ausbreitung sowie ein jeweiliges Frequenzmuster starke Indizien für Störungen, die durch Fremdberührung hervorgerufen werden. Beispiele für solche Fremdberührungen sind unfallbedingte Kontakte mit einem Fußgänger oder Fahrradfahrer oder Crashs im Zusammenhang mit ein Fahrzeugzusammenstoß.
Die Verteilung der Sensoren 2 über einen Überwachungsbereich 11 hinweg erlaubt dem Sicherheitssystem 1 unter Vermittlung der zentralen Systemeinheit 5 eine sehr schnelle Registrierung von beginnenden Verformungen, deren Lokalisierung inner- halb des Überwachungsbereiches 11 , oder außerhalb mit einer Ortung. Weiter ist es möglich, über den Verlauf und das Fortschreiten der Verformungen auch eine Schwere des jeweiligen Unfalls zu diagnostizieren. Hierbei wird wiederum auf Daten der Datenbank 9 sowie zur Lokalisation auf ein Modell 10 zurückgegriffen. Auf diese detaillierte Datenbasis aufbauend kann durch die zentrale Systemeinheit 5 eine Sicherheitseinrichtung 12 mit zugeordneten Subsystemen mit zuverlässigen Informationen versorgt werden. Von der Sicherheitseinrichtung 12 ausgehend können dann verschiedene Airbag- und Gurtstraffersysteme sowie weitere bekannte Sicherheitsmaßnahmen nach einer abgestimmten Schutzstrategie ergriffen werden, die von Art und Schwere einer jeweiligen. Störung oder eines Unfalls abhängen. Die Regelung wird auf der Grundlage einer Datenbank 9 und/oder eines Modells 10 vorgenommen, die zur Berücksichtigung der jeweiligen mechanischen Besonderheiten des vorliegenden Überwachungsbereichs (11) abgeglichen sind. Bei Unfällen mit Fußgänger- oder Zweiradfahrerbeteiligung wird als Sicherheitsmaßnahme vorzugsweise eine sog. aktive Motorhaube angesteuert, die zur Minderung einer Auf- prallhärte oder zur Vergrößerung einer Knautschzone im Bereich über dem Motorraum angehoben oder unter einem Winkel angestellt wird.
Schließlich ist durch ein Sicherheitssystem 1 der vorstehend beschriebenen Art auch eine verteilte Vorrichtung zur Erzeugung von Anti-Schall etc. darstellbar. Ein Kraftfahrzeug besteht in großer Zahl aus Teilsystemen, die jedes für sich, aber auch gemeinsam schwingungsfähig sind. Auftretende Resonanzen reichen von einem niederfrequenten Bereich, über den fühl- und insbesondere hörbaren Frequenzbereich bis in den Ultraschallbereich hinein. Im niederfrequenten Bereich können beispielsweise Fahreigenschaften stark in negativer Weise betroffen sein, insbesondere durch ein Aufschaukeln. Im hörbaren Bereich sind das Wohlbefinden, oder sogar die Konzentration von Fahrgästen betroffen. Alle Arten von Resonanzen beeinträchtigen jedoch die mechanische Festigkeit und damit die Betriebssicherheit und Haltbarkeit eines Fahrzeuges nachhaltig. So ist es sehr vorteilhaft, das Sicher- heitssystem 1 mit den verteilten Sensoren 2 als Diagnosenetz zum Aufspüren der Schallquellen zu nutzen. Als Schallquellen sind dabei nicht ein Motor oder Räder mit Radaufhängungen alleine zu betrachten. Vielmehr entstehen durch die Weiterleitung mechanischer Schallwellen in Entfernung dieser Schwingungserzeuger Resonanzzonen, die dann ihrerseits verstärkt durch Schwingungen auch Schall abgeben. Bei genauerer Ortung derartiger Resonanzzonen durch die Sensoren 2 und Kenntnis der strukturellen Gegebenheiten, wie sie in dem Modell 10 abgelegt sind, können durch die Aktuator-Eigenschaften der Sensoren 2 gezielte Gegenschwingungen eingeleitet werden, die in dem Resonanzzonen durch destruktive Interferenz zu einer Schwingungsauslöschung führen.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug, in dem aus Gründen der Übersichtlichkeit nur auf einer Hälfte nur etwas mehr als fünfzehn erfindungsgemäße Sensoren 2 vorgesehen sind. Schon anhand dieser noch relativ niedrigen Zahl von Sensoren 2 wird deutlich, wie wenig praktikabel ein Einbau derartig vieler Einzelteile in einer Serienfertigung sein muss. Um die Einbauzeit drastisch zu senken wird die Anzahl der Einzelteile, aber auch deren Form und Größe angepasst. Die Sensoren 2 werden jeweils primären Überwachungsbereichen 11 zugeordnet und hierzu in Gruppen 13 zusammengefasst. Diese Gruppen 13 bilden einen selbstklebenden Folienträger, der einen jeweiligen Überwachungsbereich 11 abdeckt. In einer Grup- pe 13 wird auch eine Vorverarbeitung der nun nicht weiter eingezeichneten Sensor- Reaktionssignale 7 vorgenommen, insbesondere eine Verstärkung und Codierung unter eindeutiger Zuordnung eines Rück- oder Reaktionssignals 7i zu einem jeweiligen Sensor 2i. So ergeben sich Gruppen 13 von Sensoren 2 für den linken Teil der Motorhaube, den linken vorderen Kotflügel, die Fahrertür, die linke Hintertür bis in einen Teil des Dachraumes hinein, den linken hinteren Kotflügel und den linken Teil von Stoßstange und Kofferraum. Damit werden besonders unfallbehaftete Bereiche einerseits und mechanisch stark beanspruchte Bereiche andererseits von jeweiligen Überwachungsbereichen 11 erfasst, insbesondere die A-, B- und C-Säulen der Ka- rosserie des Fahrzeugs. Analog ist in zeichnerisch nicht weiter dargestellter Weise auch die rechte Fahrzeughälfte im Wesentlichen spiegelsymmetrisch mit Sensoren 2 ausgestattet.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung zweier Teilsysteme 14 gemäß Figur 1 unter einer Gruppenbildung nach Figur 2 zur Überwachung von zwei verschiedenen Überwachungsbereichen 11 an einem Kraftfahrzeug. Hierin ist eine gruppenweise Vorverarbeitung der Sensorsignale vorgesehen, wobei die Gruppen 14 als Baugruppen auf dem selbstklebenden Folienträger mit einer Vorelektronik 5a, 5b und elektrischen Signal- sowie Versorgungsanschlüssen ausgestattet sind. Die flexiblen selbstklebenden Folien sind bei einer Länge von ca. 50 bis 60 cm und etwa 10 cm Breite mit mindestens zwei Sensoren 2 ausgerüstet, im vorliegenden Fall mit drei Sensoren 2. In nicht weiter dargestellter Art und Weise sind je zwei derartige Folien je Tür, und bei ca. 1 m Länge und 2 cm Breite für mindestens zehn Sensoren 2 je eine Folie je Stoßstange in der Anordnung von Figur 2 vorgesehen. Für Flächen, wie Motorhaube, Kofferraumklappe oder Fahrzeugdach werden ovale oder Sternförmige Strukturen für derartige Trägerfolien bei dementsprechender Anordnung der Sensoren 2 eingesetzt.
Weiter ist in der Abbildung von Figur 3 angedeutet, dass eine Auslösung mindes- tens eines Sicherheitssystems 12 durch eine zugeordnete Vorelektronik 5a, 5b direkt erfolgen kann. Hierzu werden die von den über einen Beobachtungs- bzw. Ü- berwachungsbereich 11 verteilt angeordneten Sensoren 2 einer Gruppe 13 ermittelten Signale 7 über separate Leitungen 8 einer jeweiligen Vorelektronik 5a, 5b über kurze Distanz zugeführt und dort für jedes Teilsystem separat unter Rückgriff auf zugeordnete Datenbanken 9 und ein dem jeweiligen Überwachungsbereich 1 1 entsprechend abgeglichenes Modell 10a, 10b ausgewertet. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch eine Auslösung diverser Sicherheitssysteme 12 durch eine zentrale Systemeinheit 5 erfolgen, die vorausgewertete Signale diverser Teilsysteme 14 gemeinsam auswertet. Auf dieser Basis besteht dann die Möglichkeit, zu einer den jeweiligen Erfordernissen eines Unfalls entsprechend angepassten Auslösestrategie in Form einer Gesamtantwort verschiedener Sicherheitssysteme 12 zu kommen.
Analog der Darstellung von Figur 3 zeigt Figur 4 eine schematische Darstellung zweier Teilsysteme 14 in einer zweiten Ausführungsform. Hierin sind die Signalleitungen 4 zwischen den Vorelektroniken 5a, 5b und der zentralen Systemeinheit 5 durch Busleitungen 15 ersetzt worden. Entsprechend sind nun die Gruppen 14 als Baugruppen auf dem selbstklebenden Folienträger mit je einer Vorelektronik 5a, 5b und elektrischen Signalanschlüssen zur Einbindung in ein Bussystem vorgesehen. Jede der Vorelektroniken 5a, 5b dient hierbei einer Signalaufbereitung mit Eichung, Abgleich und Initialisierung sowie als Protokolleinheit für den nachfolgenden Datenaustausch über den Bus mit der zentralen Systemeinheit 5. Diese Lösung zeichnet sich neben der hohen Zuverlässigkeit auch durch sehr schnelle Reaktionszeiten bei stark reduziertem Verdrahtungsaufwand insbesondere im elektromagnetisch stark belasteten Motorraum eines Fahrzeugs aus.
Figur 5 zeigt schließlich eine schematische Darstellung zweier Systeme analog der Darstellung der Figuren 3 und 4 in einer weiteren Ausführungsform. Als weitere Vereinfachung sind nun gegenüber der Ausführungsform von Figur 4 jeweils auch die Blöcke der Vorelektronik 5a, 5b weggefallen. Die Sensoren 2 der Gruppen 13 sind nun als aktive Elemente mit eigener Intelligenz so ausgebildet, dass sie direkt an Busleitungen 15 eines einheitlichen Bussystems angeschlossen werden können. Dadurch wird der interne Verdrahtungsaufwand in jeder Gruppe 13 noch weiter reduziert, wobei die Systemarchitektur noch besser überschaubar wird.
In Figur 6a ist eine skizzenhafte Darstellung einer Schutzvorrichtung 1 in Form einer Fußgängerschutzvorrichtung gezeigt. Die Gruppe 13 von keramischen Sensoren 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel an einer flexiblen Folie 16 als Träger angeordnet. An einem Ende ist dieser Träger mit einer Vorelektronik 5a verbunden, in die von den jeweiligen Sensoren 2 herkommende, gegeneinander isolierte Signalleitungen 17 zur Übertragung der einzelnen analogen Signale hinein münden, die in der Vorelektronik 5a vorverarbeitet werden. Bis zu der Vorelektronik 5a als Front end hin ist diese Vorrichtung rein passiv, wobei ein Stoß, Schlag, eine Schwingung oder ein sonstiger Impakt im Bereich der flexiblen Folie 16 entsprechende elektrische Signale durch Ladungsverschiebungen in den betroffenen Sensoren 2 auslöst. Die aus den einzelnen analogen Signalen gewonnenen Daten werden anschließend von der Vorelektronik 5a zur Verbesserung der Datensicherheit über einen Bus 15 durch einen i.d.R. EMV-belasteten Motorraum 18 des Fahrzeugs hindurch in einen Innen- räum 19 an die zentrale Systemeinheit 5 weitergeleitet. Dort findet dann unter Benutzung eines Modells 10 zusammen mit Daten aus der Datenbank 9 eine Verarbeitung der Daten statt, die im Fall der Erkennung eines Fußgänger-Unfalls das Auslösen mindestens eines geeigneten Sicherheitssystems 12 bewirkt. Insoweit entspricht die unter Bezug auf die Abbildung von Figur 6a dargestellte Fußgänger- Schutzvorrichtung 1 von der inneren Struktur her einem der in Figur 4 beschriebenen beiden Systeme. Hierbei sind nun die paarweise für jeden Sensor 2 vorgesehenen Signalleitungen 4 und Rückleitungen 8 in der flexiblen Folie als Signalleitungen 17 eingebettet ausgeführt, die auch die Sensoren 2 trägt. Hierdurch wird eine Montagezeit bei gleichzeitiger Verbesserung der Lagegenauigkeiten der einzelnen Sensoren 2 wesentlich verkürzt. Auch kann ein Teilsystem bereits vor dem Einbau durch die Vorelektronik 5a auf Fehlerfreiheit getestet werden.
Eine vergrößere Schnittdarstellung der Ebene A-A von Figur 6a ist in Figur 6b zur Verdeutlichung eines inneren Aufbaus einer flexiblen Folie16 als Träger einer Gruppe 13 von keramischen Sensoren 2 gezeigt. Die flexible Folielδ erfüllt verschiedene Aufgaben: Eine Aufgabe besteht in einer mechanischen Fixierung jedes Sensors 2 der Gruppe 13 an einer Oberfläche eines Körpers 19, der im vorliegenden Fall einer Fußgängerschutzvorrichtung 1 ein mechanisch starrer Teil einer Stoßstange ist. Diese Fixierung wird über eine an der Folie 16 außenseitlich vorge- sehenen Selbstkleberschicht 20 bewirkt. Eine weitere Aufgabe der flexiblen Folielδ besteht in einer elektrischen Kontaktierung der an der Folie fixierten Sensoren. Hierzu ist die Folie 16 mehrschichtig aufgebaut. Im vorliegenden Beispielfall sind zwei Folienschicht 21 mit elektrischen Leitbahnen vorgesehen, die jeweils separat mit Außenkontakten leitend verbunden sind. Diese Außenkontakte werden an dem Sensorkörper 23 durch metallisierte runde Außenflächen 24, 25 jedes der Sensoren 2 gebildet. Durch eine unfallbedingte Stauchung des keramischen Sensors 2 in Richtung des eingezeichneten Pfeils ist dann über die mit den metallisierten Außenflächen 24, 25 verbundenen elektrischen Leitbahnen der Signalleitungen 17 eine Ladungsänderung messbar.
Schließlich muss die Folie 16 auch Schutz gegen Umwelteinflüsse und insbesondere signalverfälschende elektromagnetische Einstreuungen etc. bieten. Zu diesem Zweck weist die Folie 16 an einer der Selbstkleberschicht 20 gegenüberliegenden Außenseite eine Metallisierungsschicht bzw. metallische Schutzschicht 26 zur EMV- Abschirmung auf. Durch diese durchgehende und geerdete Schutzschicht 26 wird ein über das gesamte relevante Spektrum hinweg wirksamer Schutz der Reaktionssignale 7 der Sensoren 2 gewährleistet.
Neben der in Figur 6b auch zeichnerisch dargestellten Bauform eines keramischen Sensors 2 gibt es u.a. auch eine Bauform, bei der die Kontaktflächen beide an der selben Außenfläche angeordnet sind, z.B. durch die Einarbeitung einer Durchmetallisierung in den keramischen Körper 23 des Sensors 2 hinein. Dementsprechend wird beim Einsatz einer derartigen Sensor-Bauform in der flexiblen Folielδ nur eine Folienschicht 21 mit entsprechenden gegeneinander isolierte Signalleitungen 17 zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen Sensoren 2 vorgesehen. Die metallische Schutzschicht 26 kann in diesem Fall durch Laminieren um die jeweiligen Sensoren 2 herum mit der Folienschicht 21 sogar abdichtend verbunden werden. Die in den Figuren 6a und 6b dargestellte Vorrichtung 1 ist über die vorstehend beschriebene und auf einer Druckbelastung der Sensoren 2 beruhenden Funktion hinaus auch für weitere Anwendungen einsetzbar. Bei einem schwereren Unfall werden durch starke Verformungen von äußeren Verkleidungselementen, aber auch tragender Elemente des Chassis auch starke Biege- und Zugkräfte ausgeübt. Aufgrund der i.d.R. geringen Außenabmessungen der Körper keramischer Sensoren 2 ist deren Empfindlichkeit gegenüber Biegebeanspruchungen relativ gering. Die in der flexiblen Folie16 und insbesondere in der Folienschicht 21 enthaltenen Signalleitungen 17 dagegen weisen gegenüber derartigen Zugkräften jedoch nur , eine geringe Haltbarkeit auf. Während eines Unfalls werden also einzelne beson- ders betroffene Sensoren oder aber deren Signalleitungen 17 durch Unterbrechung den elektrischen Kontakt zu der Vorelektronik 5a verlieren. Diese Fehlfunktion wird umgehend erkannt und kann im Sinne einer Fehlerortung verwendet werden. Ein in Figur 6a durch den Pfeil R angedeuteter Riss würde schlagartig alle bis auf einen Sensor 2 von der Vorelektronik 5a trennen. Gleichzeitig wäre eine massive Störung zwischen dem letzten noch ansprechbaren und dem ersten nicht mehr elektrisch erreichbaren Sensor 2 feststellbar. Über mechanische Oberflächenschwingungen würde der noch intakte Sensor während eines Unfalls auch charakteristische Signale aufnehmen und weiterleiten, die eine Unfalldiagnose und Lokalisierung zusätzlich bestätigen.
In einem nicht weiter graphisch dargestellten Anwendungsfall überspannt die flexible Folie16 von Figur 6a jedoch eine durch Verklebung verbundene Kontaktstelle zwischen einem metallischen Verstrebungselement und einem Kohlefaser- bzw. CFK-Verstärkungselement einer Karosserie. Aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften sowie des vergleichsweise geringen Eigengewichts werden auch im Automobilbau fortschreitend mehr Elemente aus Kohlefaser bzw. CFK hergestellt. Da Schraub- und/oder Nietverbindungen aufwändig und Schweißverbindungen zwischen derartig unterschiedlichen Materialien ausgeschlossen sind, werden neuer- dings zunehmend Klebeverbindungen eingesetzt. Eine Langzeitstabilität derartiger i.d.R. auch dynamisch belasteten Klebeverbindungen ist schon aus Sicherheitsgründen zu überwachen. Aus dem Stand der Technik sind auch hierzu verschiedene Ansätze bekannt, die jedoch erhebliche zusätzliche Kosten verursachen. Anders jedoch bei Überbrückung einer Klebeverbindung mit einem flexiblen Folienträger 16 einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung 1: Auch wenn sich eine derartige Verklebung nicht im Zusammenhang mit einem Unfall, sondern außerhalb des Betriebes des betreffenden Fahrzeugs und insbesondere sehr langsam löst, so wird diese Schwächung dennoch durch den Riss R der Signalleitungen 17 spätestens sofort beim Start des Fahrzeugs detektiert und über die Vorelektronik 5a entspre- chend gemeldet. Und diese sicherheitsrelevante Überwachungsfunktion ergibt sich bei entsprechender Anordnung eines flexiblen Folienträgers 16 neben der Realisierung der Aktuator-Sensor-Eigenschaften mit Überwachung automatisch und ohne Zusatzkosten bei Installation und Betrieb. Eine weitergehende Vorwarnung ist insbesondere bei der Überwachung sensibler und sicherheitsrelevanter Verbindungen unter Verwendung piezoelektrischer Kunststoff-Folien als Sensoren 2 möglich. Diese leichten, dauerhaft flexiblen und bei einer Größe von i.d.R. unter 10 cm2 nur ca. 5 bis 500 μm dicken Körper 23 der Sen- soren 2 tragen aufgrund ihrer gerichteten Bipolarität bereits selber ein Ladungspotential in sich und zeigen bei Druckeinwirkung, aber auch bei Zugeinwirkung eine messbare kapazitive Ladungsänderung. Somit können bei Verwendung piezoelektrischer Kunststoff-Folien für einen Sensor 2 neben den in Figur 6b dargestellten Druckkräften auch entgegengesetzt wirkende Kräfte sowie in der Ebene des jewei- ligen flächig ausgebildeten Sensors 2 liegende Schubkräfte etc. erfasst werden.
Vorstehend ist damit ein Sicherheitssystem 1 in verschiedenen Ausführungsbeispielen vorgestellt worden, das unter Verwendung kostengünstiger, robuster, zuverlässiger und einfach anzubringender Sensorelemente 2 zu einem flächendeckendes Sensornetzwerk ausgebaut werden kann. Aufgrund einer insgesamt beherrschbaren erforderlichen Rechnerleistung ist neben einem Selbsttest an Einzelelementen und der Systemgesamtheit eine schnelle Ortung von Störungen und Ermittlung von Daten zu Ort, Art und Schwere einer Beschädigung, aber auch eine aktive Bedämp- fung von Schwingungen und Resonanzerscheinungen zur Minderung von Ver- schleiß und Geräuschen möglich.
Bezugszeichenliste
Sicherheitssystem Sensor linker Vorderkotflügel
Signalleitung zentrale Systemeinheit
Anregungssignal
Reaktionssignal
Rückleitung
Datenbank
Modell
Überwachungsbereich der Sensoren 2
Sicherheitseinrichtung
Gruppe von Sensoren 2
Teilsystem
Busleitung
Folienträger
Signalleitung
Motorraum
Innenraum
Karosserie
Selbstkleber
Folienschicht mit elektrischen Leitbahnen
Keramischer Sensorkörper metallisierte runde Außenfläche des keramischen Sensors 2 metallisierte runde Außenkontaktfläche des keramischen Sensors 2 metallische Schutzschicht

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Sensors in einem Sicherheitssystem, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) ein elektrisches Reaktionssignal (7) an eine zentrale Systemeinheit (5) übersendet und von der zentralen Systemeinheit (5) durch ein Diagnose- und/oder Anregungssignal (6) als reversibles elektro-mechanisches System angeregt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) zur Erzeugung einer Testanregung zu Diagnosezwecken und/oder zum Zweck einer Funktionsprüfung des Sensors (2) selbst angeregt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (2i) innerhalb eines Netzwerkes von Sensoren (2) durch ein Diagnose- und/oder Anregungssignal (6, 6i) angeregt wird, wobei elektrische Reaktionssignale (7) aller Sensoren (2) an die zentrale Systemeinheit (5) übersandt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (2) zur Ortung einer Re- sonanzzone und zur Erzeugung einer geregelten Gegenschwingung verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung einer phasenversetzten Schwin- gung, die aktiv von mindestens einem Sensor (2) erzeugt wird, von Sensoren (2) innerhalb des Netzwerkes überwacht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auslösung von mindestens einem Diagno- se- und/oder Anregungssignal (6, 6i), eine Auswertung des mindestens einem Reaktionssignals (7) sowie eine Regelung einer aktiven Schwingung mindestens eines Sensors (2) durch die zentrale Systemeinheit (5) vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung auf der Grundlage einer Datenbank (9) und/oder eines Modells (10) vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Unfall ein Verlauf und ein Fortschreiten einer Verformungen und auch eine Art und Schwere des jeweiligen Unfalls unter Rückgriff auf Daten der Datenbank (9) sowie zur Lokalisation auf ein Modell (10) diagnostizieren werden.
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass von der zentralen Systemeinheit (5) aufbereitete Daten an Subsysteme weitergeleitet werden, insbesondere an eine Sicherheitseinrichtung (12) zum Einleiten abgestimmter Schutzstrategien unter Verwendung von Airbag- und Gurt- straffer-Systemen sowie weiteren bekannten Sicherheitsmaßnahmen, vorzugsweise eine aktive Motorhaube.
10. Sicherheitssystem zur Überwachung und/oder Schadensanalyse und Schadenprävention durch Schwingungsdämpfung, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, indem es mindestens einen Sensor (2) mit einer reziproken Materialeigenschaft aufweist, insbesondere einen Piezo-Sensor, der zur gezielten Anregung und/oder Signalanalyse und weiteren Auswertung mit einer zentralen Systemeinheit (5) verbunden ist.
11. Sicherheitssystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem (1) ein Netzwerk von Sensoren (2) um- fasst, die über einen Überwachungsbereich (11) verteilt angeordnet und jeweils über eigene getrennte Signalleitungen (4) und Rückleitungen (8) mit der zentralen Systemeinheit (5) verbunden sind.
12. Sicherheitssystem nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass eine zentralen Systemeinheit (5) mit einem abgeglichenen Modell (10) des Überwachungsbereichs (11) und/oder einer Datenbank (9) verbunden ist.
13. Sicherheitssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem (1 ) ein Netzwerk von Sensoren (2) umfasst, die in Gruppen (13) zusammengefasst sind.
14. Sicherheitssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Sensoren (2) in oder an einer flexiblen Folie (16) als Träger angeordnet sind.
15. Sicherheitssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass in oder auf der flexiblen Folie (16) als Träger der Sensoren (2) Signalleitungen (4) und Rückleitungen (8) als Signalleitungen (17) für jeden Sensor (2) angeordnet sind.
16. Sicherheitssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10-15, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Folienschicht (21) der flexiblen Folie (16) entsprechend gegeneinander isolierte Signalleitungen (17) zur elektrischen Kon- taktierung der jeweiligen Sensoren (2) vorgesehen sind.
17. Sicherheitssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10-16, dadurch gekennzeichnet, dass eine piezoelektrische Kunststoff-Folie als Sensor (2) vorgesehen ist.
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