WO2020079222A1

WO2020079222A1 - Sensor, sensoranordnung, sensorsystem und verfahren zur erfassung von bewegungs- und gravitationsbeschleunigung

Info

Publication number: WO2020079222A1
Application number: PCT/EP2019/078369
Authority: WO
Inventors: Jens Hansen
Original assignee: Sintom Ug
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2019-10-18
Publication date: 2020-04-23
Also published as: DE102018008467A1

Abstract

Es wird ein Sensor offenbart, der eine Grundplatte (3), ein Abstützelement (6), ein durch das Abstützelement (6) auf der Grundplatte abgestütztes Masseelement (4) und einen Messpunkt (8) aufweist. Das Abstützelement (6) weist zumindest einen ersten Abschnitt (6.1, 6.3) und einen zweiten Abschnitt (6.2) auf, wobei sich der erste Abschnitt (6.1, 6.3) von der Grundplatte (3) erstreckt und das Masseelement (4) an dem zweiten Abschnitt (6.2) angeordnet ist. Der erste Abschnitt (6.1, 6.3) ist senkrecht zur Grundplatte (3) angeordnet und elastisch verformbar und der zweite Abschnitt (6.2) ist starr ausgebildet ist, unter einem Winkel (ß) mit dem ersten Abschnitt starr verbunden und verläuft parallel zur Grundplatte (3). Es wird ferne eine Sensoranordnung mit zwei solchen spiegelbildlich angeordneten Sensoren und einem konventionellen Sensor offenbart.

Description

SENSOR, SENSORANORDNUNG, SENSORSYSTEM UND VERFAHREN ZUR ERFASSUNG VON BEWEGUNGS- UND GRAVITATIONSBESCHLEUNIGUNG

Die Erfindung betrifft einen Sensor, dessen Reaktionscharakteristik bei Gravitationskräften deutlich von der üblichen Sinusform abweicht und eine Vorrichtung zur getrennten Erfassung von statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten unter Nutzung des Sensors.

Bei einem konventionellen Beschleunigungssensor ist die Auslenkung eines federnd gela- gerten Masseelementes, z. B. an einem elastischen Streifen, ein Maß für die auf die Masse einwirkende Kraft. Ob diese Kraft einer dynamischen Beschleunigung - Längs- und Querbeschleunigung - oder einer statischen Beschleunigung - einem Gravitationseinfluss -oder einer Überlagerung von beiden Einflüssen zuzuordnen ist, kann jedoch nicht erkannt werden.

Im Folgenden wird unter einem„konventionellen“ Sensor ein Sensor verstanden, der eine Grundplatte, ein sich von der Grundplatte senkrecht erstreckendes und elastisch verformbares Abstützelement, ein Masseelement und einen Messpunkt aufweist, wobei das Masseelement und der Messpunkt an einem von der Grundplatte entfernten freien Ende des Abstützelements angeordnet sind. Das Abstützelement ist insbesondere ein gerades elastisches Element, wobei ein Ende mit der Grundplatte verbunden, d.h. fixiert ist, und das andere Ende frei ist. Der Messpunkt und das Masseelement liegen beide am freien Ende und fallen zusammen. Als Messpunkt wird dabei diejenige Stelle des Sensors bezeichnet, an welcher die Auslenkung (insbesondere relativ zur Ruhelage) gemessen wird, während der Sensor bewegt wird (dynamische Beschleunigung), und/oder welche durch seine Lage im Raum (statische Beschleunigung oder Gravitationsbeschleunigung) bewirkt wird.

Bei horizontal ausgerichteter Grundplatte ohne Bewegung, d.h. in Ruhelage, wirkt auf den konventionellen Sensor lediglich die Gravitationskraft entlang des Abstützelements, welche aufgrund der senkrechten Anordnung des Abstützelements jedoch keine Auslenkung bewirkt. Die Auslenkung des Messpunkts ist bei einer um 90 Grad gekippten Lage, d.h. bei vertikal ausgerichteter Grundplatte am größten und bei 180 Grad (auf dem Kopf stehend) wieder null. Das Sensorsignal eines konventionellen Sensors hat somit hinsichtlich der Gravitationsbeschleunigung eine sinusförmige Charakteristik.

Auch wenn mehrere konventionelle Sensoren in unterschiedlicher Winkelstellung verwendet werden, lassen sich durch Verrechnung der Ausgangssignale die Komponenten der dynamischen Beschleunigung und der Gravitationsbeschleunigung nicht isolieren, da aufgrund der Kennliniengleichheit mit sinusförmiger Charakteristik keine neue Information hinzukommt. Würden die Ausgangsignale der Sensoren auf gleiche Beschleunigungsreaktionen kalibriert und voneinander subtrahiert, würden sich nicht nur die dynamischen Beschleunigungsantei- le, sondern auch die statischen, die Gravitationsanteile, kompensieren.

Eine Vorrichtung zur getrennten Erfassung von dynamischen und statischen Beschleuni- gungskomponenten ist aus der WO 2012/013627 A1 bekannt. Diese Vorrichtung weist min- destens eine Grundplatte und mindestens zwei Masseelemente auf, wobei jedes Masseele- ment über ein elastisches Abstützelement mit der mindestens einen Grundplatte verbunden ist und die Abstützelemente jeweils zumindest einen Messpunkt aufweisen. Die Abstützele- mente mindestens eines ersten und mindestens eines zweiten Masseelements sind derart ausgelegt, dass das Abstützelement des mindestens einen ersten Masseelements und das Abstützelement des mindestens einen zweiten Masseelements in den Messpunkten bezüg- lich einer ersten, in einer ersten Richtung wirkenden Komponente einer Beschleunigung die- selbe Reaktionscharakteristik und in einer senkrecht zu der ersten Komponente wirkenden zweiten Komponente der Beschleunigung voneinander verschiedene Reaktionscharakteristi- ken aufweisen. Die Auslenkung der Messpunkte eines ersten und eines zweiten Abstützele- ments wird erfasst und ausgewertet, indem eine mathematische Eliminierung der in diesen Messwerten enthaltenen Beschleunigungskomponenten erfolgt, derart, dass zunächst durch paarweise mathematische Verknüpfung von zwei Sensoren die Beschleunigungskräfte in Längsrichtung eliminiert werden und anschließend durch mathematische Verknüpfung der aus diesen Beschleunigungspaaren gewonnenen Werte die Vertikalbeschleunigung elimi niert wird, so dass als isolierte Größe die Differenzbeträge der Gravitations- beschleunigungen verbleiben, in deren Kenntnis die Vertikalbeschleunigung und anschlie- ßend die Längsbeschleunigung rückermittelt werden.

Die hier eingesetzten Sensoren bestehen aus einem elastischen Stab oder Streifen und ei- nem abgewinkelten oder abgebogenen elastischen Stab oder Streifen, jeweils mit einem Messelement am Ende und in einem Winkel zur Grundebene aufgestellt, wobei diese Stäbe oder Streifen jeweils paarweise und spiegelbildlich angeordnet sind. Es hat sich nun gezeigt, dass die konkret in der WO 2012/013627 A1 benannten Sensoren eine vergleichsweise klei ne Auflösung aufweisen, da die Differenzwerte in den Reaktionscharakteristiken klein sind.

Um die Differenzwerte in den Reaktionscharakteristiken zu erhöhen, was zu einer höheren Auflösung und damit zu verbesserten Messwertgenauigkeit führt, wird in der DE 10 2014 009 003 A1 ein Sensorsystem vorgestellt, das eine Grundplatte und mindestens drei Masseele- mente aufweist, wobei jedes Masseelement über ein elastisches Abstützelement mit der Grundplatte verbunden und in der gemeinsamen Ebene oder den parallelen Ebenen aus- lenkbar ist, wobei mindestens das Abstützelement eines Masseelements ein Stab oder Strei- fen ist, der so angeordnet ist, dass die Gravitationskennlinie eine symmetrische sinusförmige Charakteristik aufweist und der einen Messpunkt besitzt und die Abstützelemente der ande- ren Masseelemente spiegelbildlich angeordnete gleiche mindestens zweifach abgewinkelte elastische Stäbe oder Streifen sind mit Messpunkten entfernt von den Masseelementen so- wie eine Auswerteschaltung der an den Messpunkten entstehenden Signale.

Charakteristisch für die vorgenannten Sensoren der Vorrichtung ist, dass sie eine im We- sentlichen sinusförmige Kennlinie beibehalten, allerdings mit seitlichen Abflachungen, aus deren Differenz dann der Messwert für die Gravitationsbeschleunigung generierbar ist. Die seitlichen Abflachungen sind dabei das Resultat von umgelenkten Kräften. Weitere elasti sche Streifen zur Masseabstützung führen nur zu unwesentlich größeren Verformungen.

Bei dem in der DE 10 2016 007 057 A1 vorgeschlagenen Sensor mit einer Grundplatte und mit einem Masseelement, das auf der Grundplatte durch ein mindestens zwei Abschnitte aufweisendes Abstützelement abgestützt ist, wobei der erste Abschnitt des Abstützelemen- tes in der Grundplatte eingespannt und elastisch verformbar ist und das Abstützelement ei- nen Messpunkt aufweist, wird vorgeschlagen, dass der zweite Abschnitt starr ausgebildet, unter einem Winkel (ß) mit dem ersten Abschnitt starr verbunden und Träger des Masseele- mentes ist. Durch die Anordnung des starren Abschnitts wird eine größere Abweichung vom Sinusverlauf erzielt. Aufgrund der Messpunktlage und der Undefinierten auf die Hebel ein- wirkenden Kräfte ist eine getrennte Erfassung von statischen und dynamischen Beschleuni- gungskomponenten auch bei einer Anordnung mit diesem Sensor nicht gegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Beschleunigungssensor bereitzustellen, der die Tren- nung von statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten erlaubt, insbesondere unter Nutzung von starren und elastischen Abstützelementen, welche eine Abweichung der Reaktionscharakteristik von der Sinusform derart aufweisen, dass in einer Sensoranordnung zusammen mit einem konventionellen Sensor diese Trennung erreicht wird. Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Sensor, eine Sensoranordnung und ein Sensorsys- tem sowie entsprechende Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vor- teilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einem Aspekt wird ein Sensor, insbesondere ein Sensor zur Erfassung von Be- schleunigungen (Beschleunigungssensor) vorgeschlagen, welcher eine Grundplatte, ein Ab- stützelement, ein Masseelement, das auf der Grundplatte durch das Abstützelement abge- stützt ist, und einen Messpunkt, aufweist. Das Abstützelement weist zumindest einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, wobei sich der erste Abschnitt von der Grundplat- te erstreckt und das Masseelement an dem zweiten Abschnitt angeordnet ist. Der erste Ab- schnitt ist senkrecht zur Grundplatte angeordnet und elastisch verformbar. Der zweite Ab- schnitt ist starr ausgebildet, unter einem Winkel mit dem ersten Abschnitt starr verbunden und verläuft parallel zur Grundplatte verläuft.

Vorzugsweise weist der erste Abschnitt des Abstützelements, also der elastische Abschnitt, einen ersten Teilabschnitt und einen zweiten Teilabschnitt auf, wobei der erste Teilabschnitt mit der Grundplatte verbunden ist, und der zweite Teilabschnitt relativ zum ersten Teilab- schnitt abgewinkelt und mit dem zweiten Abschnitt des Abstützelementes verbunden ist. Der erste Teilabschnitt ist senkrecht zur Grundplatte angeordnet. Der erste und zweite Teilab- schnitt schließen vorzugsweise einen Winkel g > 90° ein. Der Winkel g zwischen den beiden elastischen Teilabschnitten beträgt dabei bevorzugt zwischen 120° und 140°. Es versteht sich, dass sich alle angegebenen Winkel und Winkelbeziehungen auf eine Ruhelage bezie- hen, d.h. ohne Bewegung, insbesondere bei horizontal ausgerichteter Grundplatte.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird somit ein Sensor vorgeschlagen, mit einer Grundplatte und mit einem Masseelement, das auf der Grundplatte durch ein mindes- tens zwei Abschnitte aufweisendes Abstützelement abgestützt ist, wobei der erste Abschnitt des Abstützelementes in der Grundplatte unter einem Winkel eingespannt und elastisch ver- formbar ist und der zweite Abschnitt starr ausgebildet, unter einem Winkel (ß) mit dem ersten Abschnitt starr verbunden und Träger des Masseelementes ist, und mit einem Messpunkt, wobei der erste Abschnitt des Abstützelementes aus zwei Teilabschnitten besteht, die Teil- abschnitte einen Winkel g > 90° einschließen, in Ruhelage der erste Abschnitt senkrecht zur Grundplatte angeordnet ist und der starre zweite Abschnitt parallel zur Grundplatte mit seiner Längsachse verläuft. Bei einer bevorzugten Ausführung wird als Messpunkt am Abstützelement die starre Verbin- dungsstelle zwischen dem zweiten starren Abschnitt und dem ersten Abschnitt, insbesonde- re dem abgewinkelten elastischen Teilabschnitt gewählt. Der Messwert ist hier am größten wie noch gezeigt wird. Insbesondere ist dies vorteilhaft gegenüber einem Fall, in welchem der Messpunkt wie bei einem konventionellen Sensor am freien Ende angeordnet ist und insbesondere mit dem Masseelement zusammenfällt. Bevorzugt ist es daher, wenn der Messpunkt nicht mit dem Masseelement zusammenfällt, mit anderen Worten an einer ande- ren Stelle des Sensors, beabstandet zum Masseelement liegt.

Weiter sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass das Masseelement am freien Ende des starren zweiten Abschnittes angeordnet ist.

Entsprechend einem konventionellen Sensor weist der erfindungsgemäße Sensor ein elasti- sches Abstützelement, zum Beispiel einen Streifen auf, jedoch wird dieses nicht über das Masseelement direkt verformt, sondern unter Einbeziehung des zweiten, des starren Ab- schnitts, der durch die starre Anbindung an das elastische Abstützelement als Hebel wirkt.

Im Gegensatz zu einem kraftproportionalen Versatz des Endes eines elastischen Abstütze- lementes, welcher durch ein Masseelement hervorgerufen wird, bewirkt der Hebel eine Ver- drehung des Endbereiches des elastischen Abstützelementes. Insbesondere wird diese Ver- drehung dadurch bewirkt, dass sich der starre Abschnitt als ganzes verdreht, wobei an sei- nem freien Ende das Masseelement angeordnet ist. Das andere Ende des starren Abschnitts ist mit dem elastischen Abschnitt des Abstützelements starr verbunden. Durch diese starre, also unbewegliche Verbindung wird die Verdrehung auf den elastischen Abschnitt übertra- gen. An der starren Verbindungsstelle befindet sich der Messpunkt.

Dadurch, dass sich der Verdrehungsradius mit zunehmender Hebelkraft verengt, wird dieser Kraft eine überproportional ansteigende Kraft entgegengesetzt, wodurch die Messauslen- kungen am Messpunkt, d.h. an dem starren Verbindungspunkt zwischen den beiden Abstüt- zelementen, unterproportional ansteigen. Das hat zur Folge, dass es zu Abflachungen der Gravitationskennlinie gegenüber der eines konventionellen Sensors kommt. Hieraus wird deutlich, weshalb es vorteilhaft ist, dass der Messpunkt nicht am Masseelement liegt, da die Auslenkung am Masseelement linear zur Kraft ist und bei Messung der Auslenkung am Mas- seelement diese Abflachung nicht auftritt. Mit anderen Worten, der Hebeleffekt kann nicht ausgenutzt werden, wenn der Messpunkt am Masseelement liegt. Durch das Abwinkeln des elastischen Abschnitts in zwei Teilabschnitte wird der Hebeleffekt noch verstärkt. Das gilt ebenso für die Maßnahme, die Länge des starren zweiten Abschnit- tes größer als die des abgewinkelten Teilabschnitts zu wählen. Der Hebeleffekt wird durch die Abwinkelung des elastischen Abschnitts insbesondere dadurch verstärkt, dass die Ver- drehung vom zweiten Teilabschnitt auch auf den ersten Teilabschnitt übertragen wird, da die Auslenkung des starren Verbindungspunkts über den zweiten Teilabschnitt auch auf die Verbindungsstelle der beiden elastischen Teilabschnitte übertragen wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich in einer Sensoranordnung die Kompensation der Längsbeschleuni- gungssignalanteile auf höchstmögliche Amplitude des Signals nach Eliminierung der Be- schleunigungseinflüsse kalibrieren lässt.

Zur Trennung der Krafteinflüsse bezüglich der Längsbeschleunigung, Vertikalbeschleuni- gung und Gravitationsbeschleunigung wird für eine Betrachtung in einer Ebene eine Senso- ranordnung bereitgestellt, die zwei spiegelbildlich angeordnete erfindungsgemäße Sensoren und einen konventionellen Sensor umfasst, die jeweils senkrecht auf einer (gemeinsamen) Grundplatte oder parallelen Grundplatten (d.h. Grundplatten in derselben Ebene oder in pa- rallelen Ebenen) abgestützt sind. Das Abstützelement des konventionellen Sensors ist dabei bevorzugt jeweils senkrecht zum starren zweiten Abschnitt des Abstützelements der beiden anderen Sensoren.

Zur räumlichen Erfassung der dynamischen Größen ist ein Sensorsystem erforderlich, wel- ches zwei winklig zueinander versetzte, vorzugsweise um 90 Grad zueinander versetzt an- geordnete Sensoranordnungen aufweist. Die Messwerte oder Auswertungen der beiden Sensoranordnungen bezüglich der beiden entsprechenden Raumrichtungen werden dann kombiniert.

Zur Erfassung von Beschleunigungen und Trennung von Krafteinflüssen bezüglich einer Längsbeschleunigung, Vertikalbeschleunigung und Gravitationsbeschleunigung in einer Ebene mittels einer Sensoranordnung bzw. im Raum mittels eines Sensorsystems werden die Sensorsignale basierend auf Auslenkungen der Messpunkte der Sensoren erfasst. Es versteht sich, dass das Erfassen und Verarbeiten der Sensorsignale, Ausgangswerte usw. mittels einer entsprechenden Steuereinrichtung durchgeführt wird. Es können dann die Krafteinflüsse der Gravitationsbeschleunigung bestimmt werden. Dies erfolgtdurch Addieren der Sensorsignale eines der Sensoren zum Sensorsignal des konventionellen Sensors, Sub- trahieren der Sensorsignale des anderen der Sensoren vom Sensorsignal des konventionel- len Sensors und Addieren der Ergebnisse aus der Addition und der Subtraktion. Durch diese Eliminierung der Beschleunigungsanteile kann auch auf die anderen gewünschten Kompo- nenten der dynamischen und statischen Beschleunigung rückgeschlossen werden.

Die Eliminierung der Beschleunigungsanteile erfolgt in an sich bekannter Form und wird an- hand des Ausführungsbeispiels nochmals erläutert. Jedoch erst die oben beschriebene neue Geometrie des Sensors erlaubt eine Trennung der dynamischen und statsichen Beschleuni- gungsanteile. Entscheidend hierfür ist, dass die auf die Sensoranordnung bzw. das Sensor- system einwirkenden Vertikalkomponenten der Gravitations- und Beschleunigungskraft bei beiden Sensoren gleich sind. Dies wird durch die parallele Ausrichtung der starren Abschnit- te erreicht, mit anderen Worten, dass die Hebel bzgl. dieser Komponenten die gleiche Aus- richtung - nämlich eine senkrechte - aufweisen, wodurch deren Kompensation unabhängig von der Größe und Einfallsrichtung ihrer jeweiligen Gesamtkraft ist. Wären Hebel, also die starren Abschnitte nicht parallel zur Grundplatte angeordnet, würden sich bei Anwinkelung der Anordnung bzw. des Systems gegenüber der horizontalen Ebene unterschiedliche Win- kel der beiden Hebel gegenüber der horizontalen Ebene ergeben. Die auf die beiden Hebel der Sensoren bezogenen Längs- und Vertikalkomponenten der Gravitationskraft und der dieser überlagerten Beschleunigungskraft würden bei den Sensoren gegebenenfalls stark variieren, sodass ihr Messwertanteil nicht durch Differenzbildung der Messwerte eliminiert werden könnte.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zei- gen:

Fig. 1 einen Sensor,

Fig. 2 eine Sensoranordnung,

Fig. 3 Diagramme zur Eliminierung der Beschleunigungsanteile und

Fig. 4 eine Sensoranordnung mit Veranschaulichung der wirkenden Kräfte.

Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Sensor 1 in einer bevorzugten Ausführung. Der Sensor 1 ist auf einer Grundplatte 3 angeordnet und weist ein Masseelement 4 und einen Messpunkt 5 auf. Das Masseelement 4 wird durch ein Abstützelement 6 gegenüber der Grundplatte 3 abgestützt. Das Abstützelement 6 besteht aus zwei elastischen Teilabschnitten 6.1 , 6.3, wobei die Teil abschnitte einen Winkel g > 90°, vorzugsweise von 1 10° bis 140° einschließen, und einem zweiten Abschnitt 6.2 der selbst starr ist und mit dem elastischen Teilabschnitt 6.3 starr ver- bunden ist. In Ruhelage nimmt der erste elastische Teilabschnitt 6.1 eine senkrechte Lage zur Grundplatte ein, während der starre zweite Abschnitt 6.2 in der Ruhestellung parallel zur Grundplatte 3 mit seiner Längsachse verläuft.

Durch diese Anordnung besteht eine strikte Trennung der Einflüsse von Längs- und Vertikal- kräften.

Der Messpunkt 5 am Abstützelement 6 ist an der starren Verbindungsstelle zwischen dem zweiten starren Abschnitt 6.2 und dem abgewinkelten elastischen Teilabschnitt 6.3 angeord- net.

Das elastische Abstützelement 6.1 , 6.3, zum Beispiel ein Streifen oder ein Stab, werden bei dieser Ausführung bei Längskräften direkt verformt und bei Vertikalkräften über die Hebel- wirkung des Masseelement 4 in Verbindung mit dem starren Abschnitt 6.2.

Die Vertikalkräfte führen in der Sensorebene (d.h. die Ebene der Grundplatte oder parallel dazu) auf diese Weise zu einer Verdrehung des Endbereiches des elastischen Teilabschnit- tes 6.3 und damit zu einer deutlichen Abweichung der Gravitationskennlinie von der Sinus- form, was für die genauere Ermittlung der Gravitationsanteile an der Beschleunigung ursäch- lich ist.

Das Masseelement 4 ist am freien Ende des starren zweiten Abschnittes 6.2 angeordnet. Ferner ist die Länge des starren zweiten Abschnittes 6.2 größer ist als die des abgewinkelten Teilabschnitts 6.3.

Fig. 2 zeigt ein Sensorsystem zur Trennung der Krafteinflüsse bezüglich der Längsbeschleu- nigung LB, Vertikalbeschleunigung VB und Gravitationsbeschleunigung in einer Ebene E. Dabei finden zwei spiegelbildlich angeordnete Sensoren S1 und S2 und ein konventioneller Sensor S2, bestehend aus einem senkrecht in einer Grundplatte angeordneten elastischen Abstützelement mit einem Masseelement und einem Messpunkt an seinem von der Grund- platte entfernten Ende, Verwendung. Anstelle einer gemeinsamen Grundplatte 3 können die Sensoren S1 - S3 auch auf parallelen Grundplatten 3 in der Sensorebene angeordnet sein.

Anhand der Fig. 3 soll die Eliminierung der Beschleunigungsanteile dargestellt werden. Es sind die Ausgangswerte AW der einzelnen Sensoren bzw. der Sensoranordnung abhängig vom Winkel dargestellt. In Fig. 4 sind die Kräfte zerlegt in ihre Komponenten zur Erläuterung dargestellt. Der Winkel a und die Beschleunigung B sind jeweils beispielhaft und in Fig. 2, 3 und 4 unterschiedlich. Die Bezeichnungen„längs“ (oder„horizontal“) und„vertikal“ beziehen sich auf die Ebene E, d.h. die Ebene der Grundplatte 3, wobei die Längskomponenten paral- lel zur Ebene E und die Vertikalkomponenten senkrecht zur Ebene E verlaufen.

Die Beschleunigungskraft B lässt sich in eine Längs- und Vertikalkomponente LB und VB aufteilen. Signalanteile durch LB und VB sind in Fig. 3 mit LBS bzw. VBS bezeichnet. Eben- so lässt sich die Gravitationskraft G in eine Längskomponente LG und Vertikalkomponente VG aufteilen.

Die kraftlinearen LB Anteile werden durch Subtraktion bzw. Addition des Ausgangssignals von S2 von denen der Sensoren S1 und S3 eliminiert.

Die beiden Ergebnissignale weisen neben dem Differenzbetrag der Gravitationssignalanteile noch den von der Vertikalbeschleunigung hervorgerufenen Signalanteil VBS bei S1 und S3 auf. Diese Anteile sind zwar wegen des Abflachungseffektes abhängig von der Gesamthöhe der Vertikalkraft, also auch von den unterlagerten Gravitationskraftkomponenten in Vertikal- richtung. Aufgrund deren Gleichheit entsprechen sich jedoch auch die von der Vertikalbe- schleunigung VB hervorgerufenen Anteile, sodass sie sich durch arithmetische Verknüpfung der Ergebnissignale eliminieren lassen.

Die resultierende Kennlinie weist einen über die benachbarten Quadranten ansteigenden Verlauf mit leichten Krümmungen auf.

Zum Vergleich: Würde die gleiche Prozedur mit konventionellen Sensoren durchgeführt, würden sich sämtliche Größen gegenseitig kompensieren. Unabhängig von der Anzahl und der Arbeitspunktlage der Sensoren, das Endergebnis wäre stets Null gleich Null. Auch bei bekannten nicht konventionellen Sensoren kann der Hebeleffekt nicht ausgenutzt werden, wenn die starren Streifen nicht parallel zur Grundfläche sind. Aufgrund der unter- schiedlichen Winkel der beiden als Hebel wirkenden starren Streifen gegenüber der horizon- talen Ebene, die sich bei Anwinkelung des Systems gegenüber der horizontalen Ebene er- geben, können die auf die beiden Hebel solcher Sensoren bezogenen Längs- und Vertikal- komponenten der Gravitationskraft LG bzw. VG und der dieser überlagerten Beschleuni- gungskraft LB bzw. VB bei den Sensoren stark variieren, sodass ihr Messwertanteil nicht durch Differenzbildung der Messwerte eliminiert werden kann.

Bei der hier dargestellten Sensoranordnung bzw. einem Sensorsystem mit zwei solchen Sensoranordnungen haben darauf einwirkende Längskomponenten der Gravitations- und Beschleunigungskraft (LG und LG) keinen Einfluss auf den Hebeleffekt. Sie werden über den Hebel, d.h. den starren Abschnitt 6.2 auf den elastischen Streifen, d.h. den Abschnitt 6.3 und auch den Abschnitt 6.1 weitergeleitet, wo sie, wie bei einem konventionellen Sensor, zu kraftproportionalen Messauslenkungen führen.

Durch die gezeigte Geometrie des Hebels kann nach den Eliminierungen der Beschleuni- gungssignalanteile eine möglichst hohe Auflösung der Winkelinformation, also ein möglichst großes verbleibendes Signal erreicht werden, da die Gravitationskennlinien in den zur Null- stellung benachbarten Quadranten möglichst unterschiedlich sind.

Da sich die Längs- und Vertikalgravitationskomponenten in einem Quadranten addieren, in dem anderen subtrahieren, wird eine möglichst hohe Ungleichheit dann erreicht, wenn deren Kennlinienverläufe etwa gleiche Amplituden aufweisen (siehe Fig. 3).

Aufgrund dessen, dass sich die Amplitude der Gravitationskennlinie des konventionellen Sensors S2 und die Amplitude der durch die Längskomponente LG der Gravitationskraft her- vorgerufenen Teilkennlinien der Sensoren S1 , S3 zur Eliminierung der Längsbeschleuni- gungssignalanteile LBS entsprechen müssen, kehrt sich durch deren Addition bzw. Subtrak- tion das Größenverhältnis der resultierenden Kennlinie in den benachbarten Quadranten um.

Es verbleiben damit nach der Eliminierung stark unterschiedliche Verläufe in den benachbar- ten Quadranten, welche durch die spiegelbildliche Zuordnung der beiden neuartigen Senso- ren den Quadranten jeweils umgekehrt zugeordnet sind. Die Differenz der Signalverläufe überträgt sich auf das resultierende Signal nach der Elimi nierung der von den Vertikalbeschleunigungskomponenten VBS hervorgerufenen Signalan- teile durch Subtraktion der Ergebnissignale nach der ersten Eliminierung. Entscheidend für diese Eliminierung ist, dass die auf das Sensorsystem einwirkenden Verti- kalkomponenten der Gravitations- und Beschleunigungskraft LG bzw. LB bei beiden Senso- ren S1 und S3 gleich sind. Diese Voraussetzung ist dadurch gegeben, dass die Hebel bzgl. dieser Komponenten die gleiche Ausrichtung aufweisen, wodurch deren Kompensation un- abhängig von der Größe und Einfallsrichtung ihrer jeweiligen Gesamtkraft, wie auch von der Nichtlinearität des Kraft-/Auslenkungsverhaltens der Hebelanordnung, durch Subtraktion der Ergebnissignale nach der ersten Eliminierung ermöglicht wird.

Der resultierende Gravitationssignalanteil repräsentiert die Winkelstellung a des Sensorsys- tems, in dessen Kenntnis die Beschleunigungskomponenten über die Sensorsignale und die Hebelkennlinie rückermittelt werden. Da das Gesamtsystem wie eine Brückenschaltung wirkt, lassen sich durch verschiedene Gegenkontrollen mögliche Unschärfen oder Fehler durch parasitäre Einflüsse, wie z.B. durch Temperaturen oder Alterserscheinungen, korrigie- ren.

Claims

Patentansprüche

1. Sensor (1 ) zur Erfassung von Beschleunigung, umfassend eine Grundplatte (3), ein Ab- stützelement (6), ein durch das Abstützelement (6) auf der Grundplatte abgestütztes Masseelement (4) und einen Messpunkt (8),

wobei das Abstützelement (6) zumindest einen ersten Abschnitt (6.1 , 6.3) und einen zweiten Abschnitt (6.2) aufweist, wobei sich der erste Abschnitt (6.1 , 6.3) von der Grundplatte (3) erstreckt und das Masseelement (4) an dem zweiten Abschnitt (6.2) an- geordnet ist,

wobei der erste Abschnitt (6.1 , 6.3) senkrecht zur Grundplatte (3) angeordnet und elas- tisch verformbar ist und der zweite Abschnitt (6.2) starr ausgebildet ist, unter einem Win- kel (ß) mit dem ersten Abschnitt starr verbunden ist und parallel zur Grundplatte (3) ver- läuft.

2. Sensor (1 ) nach Anspruch 1 , wobei der erste Abschnitt des Abstützelementes (6) einen ersten Teilabschnitt (6.1 ), welcher mit der Grundplatte (3) verbunden ist, und einen zwei- ten Teilabschnitt (6.3), welcher relativ zum ersten Teilabschnitt (6.1 ) abgewinkelt und mit dem zweiten Abschnitt (6.2) des Abstützelementes (6) verbunden ist, umfasst.

3. Sensor (1 ) nach Anspruch 2, wobei der erste Teilabschnitt (6.1 ) senkrecht zur Grund- platte (3) angeordnet ist.

4. Sensor (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der erste Teilabschnitt (6.1 ) und der zweite Teilabschnitt (6.3) einen Winkel g > 90° einschließen, wobei der Winkel g vorzugsweise zwischen 110° und 140° liegt.

5. Sensor (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Länge des zweiten Abschnitts (6.2) größer ist als die des zweiten Teilabschnitts (6.3) des ersten Abschnitts (6.1 ).

6. Sensor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Messpunkt (8) am Abstützelement (6) an einer Verbindungsstelle (2) zwischen dem zweiten Abschnitt (6.2) und dem ersten Abschnitt (6.3) liegt.

7. Sensor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Masseelement (4) an einem freien Ende des zweiten Abschnittes (6.2) angeordnet ist.

8. Sensoranordnung (S), umfassend zwei spiegelbildlich angeordnete Sensoren (S1 , S3) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einen konventionellen Sensor (S2), wobei der konventionelle Sensor (S2) eine Grundplatte, ein sich von der Grundplatte senkrecht erstreckendes und elastisch verformbares Abstützelement, ein Masseelement und einen Messpunkt aufweist, wobei das Masseelement und der Messpunkt an einem von der Grundplatte entfernten freien Ende des Abstützelements angeordnet sind.

9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, wobei das Abstützelement des konventionellen Sensors (S2) jeweils senkrecht zum zweiten Abschnitt (6.2) des Abstützelements (6) der beiden anderen Sensoren (S1 , S3) ist.

10. Sensoranordnung (S) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Sensoren (S1 , S2, S3) auf einer gemeinsamen Grundplatte (3) oder auf parallelen Grundplatten (3) angeordnet sind.

11. Sensorsystem, umfassend zumindest zwei winklig zueinander versetzte Sensoranord- nungen (S) nach einem der Ansprüche 8 oder 9.

12. Sensorsystem nach Anspruch 1 1 , umfassend zwei Sensoranordnungen (S), welche in einem Winkel von 90 Grad relativ zueinander angeordnet sind.

13. Sensorsystem nach Anspruch 1 1 oder 12, wobei die Sensoranordnungen (S) in einer Ebene oder in parallelen Ebenen angeordnet sind.

14. Verfahren zur Erfassung von Beschleunigungen und Trennung von Krafteinflüssen be- züglich einer Längsbeschleunigung (LB), Vertikalbeschleunigung (VB) und Gravitations- beschleunigung in einer Ebene (E), umfassend die Schritte:

Bereitstellen einer Sensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 und einer Steuereinrichtung;

Erfassen, mittels der Steuereinrichtung, von Sensorsignalen basierend auf Auslenkun- gen der Messpunkte der Sensoren (S1 , S2, S3); und

Bestimmen, mittels der Steuereinrichtung, der Krafteinflüsse der Gravitationsbeschleu- nigung durch Addieren der Sensorsignale eines der Sensoren (S1 , S3) zum Sensorsig- nal des konventionellen Sensors (S2), Subtrahieren der Sensorsignale des anderen der Sensoren (S1 , S3) vom Sensorsignal des konventionellen Sensors (S2) und Addieren der Ergebnisse aus der Addition und der Subtraktion.

15. Verfahren zur Erfassung von Beschleunigungen und Trennung von Krafteinflüssen be- züglich einer Längsbeschleunigung (LB), Vertikalbeschleunigung (VB) und Gravitations- beschleunigung im Raum, umfassend die Schritte:

Bereitstellen eines Sensorsystems gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 13 und einer Steuereinrichtung;

Erfassen, mittels der Steuereinrichtung, von Sensorsignalen basierend auf Auslenkun- gen der Messpunkte der Sensoren (S1 , S2, S3) einer ersten Sensoranordnung (S) be- züglich einer ersten Raumrichtung und Erfassen von Auslenkungen der Messpunkte der Sensoren (S1 , S2, S3) einer zweiten Sensoranordnung (S) bezüglich einer zweiten Raumrichtung; und

für die erste und zweite Raumrichtung: Bestimmen, mittels der Steuereinrichtung, der Krafteinflüsse der Gravitationsbeschleunigung durch Addieren der Sensorsignale eines der Sensoren (S1 , S3) zum Sensorsignal des konventionellen Sensors (S2), Subtrahie- ren der Sensorsignale des anderen der Sensoren (S1 , S3) vom Sensorsignal des kon- ventionellen Sensors (S2) und Addieren der Ergebnisse aus der Addition und der Sub- traktion.