DE10118491C2 - Shock pulse sensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Stoßimpulssensor mit einem Gehäuse und einem Sensorelement, das unter Einwirkung eines mindestens näherungsweise impulsförmigen Stoßes auf das Gehäuse mit einer Geschwindigkeit entlang eines vorbestimmten Weges im Gehäuse bewegbar und an dem Gehäuse mit einer seine Geschwindigkeit be einflussenden Führung gelagert ist, wobei das Sensorelement aus einem magnetischen Werkstoff besteht und ein gehäusefestes Auf nahmeelement vorgesehen ist, um über die durch den Stoß verur sachte Bewegung des Sensorelementes auf magnetischem Wege ein Meßsignal zu erzeugen, wobei ferner das Sensorelement durch seine Bewegung eine vom Weg abhängige Meßspannung in dem Auf nahmeelement erzeugt.The invention relates to a shock pulse sensor with a housing and a sensor element under the action of at least one approximately impulsive impact on the housing with a Speed along a predetermined path in the housing movable and be on the housing with a speed influencing guide is mounted, wherein the sensor element consists of a magnetic material and a housing-fixed opening Taking element is provided to be caused by the shock gentle movement of the sensor element in a magnetic way Generate measurement signal, wherein the sensor element by its movement a measuring voltage dependent on the path in the opening element created.
Ein Stoßimpulssensor der vorstehend genannten Art ist aus der US 5,983,724 bekannt.A shock pulse sensor of the type mentioned above is from the US 5,983,724 known.
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Sensoren bekannt, die zum Zweck der Kollisionsfrüherkennung in der Verformungszo ne von Kraftfahrzeugen installiert sind. Mit diesen Sensoren soll eine der registrierten Kollisionsschwere angemessene Aus lösung von Sicherheitseinrichtungen erreicht werden, beispiels weise von Gurtstraffer- und adaptiven mehrstufigen Airbagsystemen. Bei den bekannten Sensoren handelt es sich meist um voll elektronische Beschleunigungssensoren im vorderen Fahrzeugbe reich. Diese Sensoren sind z. B. in der Kühleraufhängung, im Fahrwerk oder im Stoßfänger untergebracht. Sie werden in der Fachsprache als "Upfront-Sensoren" bezeichnet. Diese Sensoren geben ein der Kollision entsprechendes Ausgangssignal ab, das über ein Anschlußkabel an eine Zentralauswerteeinheit weiterge leitet wird.Different sensors are known in the prior art, for the purpose of early collision detection in the deformation zone ne of motor vehicles are installed. With these sensors should be one of the registered collision severity appropriate solution of safety devices can be achieved, for example example of belt tensioners and adaptive multi-stage airbag systems. The known sensors are usually full electronic acceleration sensors in the front of the vehicle rich. These sensors are e.g. B. in the radiator mounting, in Chassis or in the bumper. You will be in the Technical term referred to as "upfront sensors". These sensors give an output signal corresponding to the collision, the forwarded to a central evaluation unit via a connecting cable is leading.
In der Zentralauswerteeinheit wird das Ausgangssignal weiter verarbeitet. Dies geschieht üblicherweise mit Hilfe eines mathematischen Algorithmus, wonach das Signal über die Kollisi onszeitspanne aufintegriert wird. Aus der sich daraus ergeben den Geschwindigkeitsänderung werden Auslösekriterien für die Sicherheitseinrichtungen abgeleitet.The output signal continues in the central evaluation unit processed. This is usually done with the help of a mathematical algorithm, according to which the signal over the Kollisi period of time is integrated. From which result The speed change will trigger criteria for the Safety devices derived.
Da in der Praxis Kollisionen von Kraftfahrzeugen unter höchst unterschiedlichen Randbedingungen auftreten, können die am Meß ort auftretenden Beschleunigungsspitzen auch sehr unterschied liche Werte aufweisen. In der Praxis rechnet man mit einem Dynamikbereich von etwa 200 : 1 in einem Frequenzband von etwa 50 Hz bis 5.000 Hz. Andererseits kann der begrenzte Dynamikbe reich herkömmlicher Sensoren zu Signalverzerrungen führen, die eine Verfälschung des erwähnten Zeitintegrals nach sich ziehen und die Sicherheitsauslösekriterien mit einer erhöhten und da mit unerwünschten Unschärfe belasten.Because in practice collisions of motor vehicles under the highest different boundary conditions occur, the measurement on acceleration peaks also very different have values. In practice you expect one Dynamic range of approximately 200: 1 in a frequency band of approximately 50 Hz to 5,000 Hz. On the other hand, the limited dynamic range rich conventional sensors lead to signal distortions that result in a falsification of the time integral mentioned and the security trigger criteria with an increased and there burden with unwanted blurring.
Bei einem in der DE 41 28 347 C1 beschriebenen Stoßimpulssensor handelt es sich nicht um einen Sensor der vorstehend genannten Art, bei dem aus einer physikalischen Größe (Beschleunigung, Verzögerung) ein analoges Meßsignal abgeleitet wird. Vielmehr ist der bekannte Sensor von seiner Bauart her ein Sicherheits schalter oder in der Fachsprache ein sogenannter "Safing- Sensor". Der bekannte Sensor weist lediglich ein herkömmliches Feder-Masse-System auf, bei dem ein ringförmiger Magnet gegen die Kraft einer Druckfeder in einem Gleitrohr verschiebbar ist und der ringförmige Magnet beim Vorbeilaufen an einem magne tisch betätigbaren elektrischen Schalter, beispielsweise einem Reed-Kontakt, ein Meßsignal erzeugt, nämlich ein Schaltsignal, das beim Schließen bzw. Öffnen des Reed-Kontaktes erzeugt wird. Der verschiebbare Magnet ist mit einem seitlichen Zapfen in ei ner Nut geführt, die sich entlang der Bewegungsbahn des Magne ten erstreckt und dazu geneigt verläuft. Aufgrund dessen wird dem Magneten bei seiner axialen Bewegung eine Drehbewegung überlagert. Die Form der Nut ist dabei so gewählt, daß der Magnet beim Vorlaufen bis in seine Endposition nur geringfügig, beim Zurücklaufen aber stark verzögert wird.In a shock pulse sensor described in DE 41 28 347 C1 it is not a sensor of the aforementioned Type in which a physical quantity (acceleration, Delay) an analog measurement signal is derived. Much more the well-known sensor is a safety in its construction switch or a so-called "safing" Sensor ". The known sensor only has a conventional one Spring-mass system on which an annular magnet against the force of a compression spring is displaceable in a sliding tube and the ring-shaped magnet as you walk past a magnet table-operated electrical switch, for example one Reed contact, generates a measurement signal, namely a switching signal, that is generated when the reed contact is closed or opened. The sliding magnet is in egg with a lateral pin a groove that runs along the path of the Magne ten extends and runs inclined to it. Because of that the magnet rotates during its axial movement superimposed. The shape of the groove is chosen so that the Magnet only slightly when moving to its end position, but is strongly delayed when walking back.
Diese Maßnahme hat den Sinn, die Schließdauer des Sicherheits schalters in großem Maße unabhängig von dem Verlauf der Kolli sionskurve zu machen und insgesamt längere Schließzeiten zu er möglichen.This measure makes sense, the closing time of the security switch to a large extent regardless of the course of the package curve and overall longer closing times possible.
Der bekannte Sensor erzeugt somit kein analoges, zu einer Wei terverarbeitung fähiges Meßsignal und gehört daher einer ande ren Sensorgattung an, verglichen mit denjenigen, die eingangs genannt wurden.The known sensor thus does not produce an analog to a white terverarbeitung capable measurement signal and therefore belongs to another sensor type compared to those at the beginning were called.
Bei diesen bekannten Sensoren ist die Impulsgeschwindigkeit des bewegten Sensorelementes abhängig von der Amplitude und der Dauer des einwirkenden Stoßimpulses. Vergleicht man Meßergeb nisse mit Stoßimpulsen unterschiedlicher Höhe/Dauer, jedoch gleicher Impulsfläche, so ergibt sich, daß bei diesen Sensoren unterschiedliche Meßsignale auftreten.In these known sensors, the pulse speed is moving sensor element depending on the amplitude and Duration of the impact pulse. Comparing measurement results nisse with shock impulses of different height / duration, however same pulse area, it follows that with these sensors different measurement signals occur.
Aus der eingangs erwähnten US 5,983,724 ist ein Stoßsensor be kannt, bei dem das Sensorelement einen exzentrisch gelagerten Rotor aufweist, an dessen Umfang zwei Magnete angeordnet sind. Diese werden durch im Abstand davon angeordnete, gehäusefeste Haltemagnete in einer bestimmten Ruhestellung gehalten. In die ser Ruhestellung stehen die beiden Magnete des Rotors jeweils einem Sensorelement gegenüber. Das Sensorelement enthält eine Widerstandsbrücke, die magnetoresistive Elemente aufweist.A shock sensor is known from US Pat. No. 5,983,724 mentioned at the beginning knows, in which the sensor element has an eccentrically mounted Has rotor, on the circumference of which two magnets are arranged. These are arranged at a distance from it, fixed to the housing Holding magnets held in a certain rest position. In the The two magnets of the rotor are each at rest opposite a sensor element. The sensor element contains one Resistance bridge that has magnetoresistive elements.
Wenn auf den bekannten Stoßsensor innerhalb der Ebene, die senkrecht zur Rotationsachse des Rotors liegt, ein Stoß ausge übt wird, so verläßt der Rotor unter Überwindung der Haltekraft der Haltemagnete seine Ruhestellung. Dadurch bewegen sich die Magnete relativ zu den Sensorelementen und die darin enthalte nen Brückenschaltungen werden verstimmt. Das dabei entstehende Signal hängt nicht linear von der einwirkenden Beschleunigung ab. Deswegen sind Linearisierungsschaltungen vorgesehen, um ei ne lineare Abhängigkeit des Sensorsignals von der einwirkenden Beschleunigung zu erzeugen. Durch Vergleich mit einem Sollwert ist eine Grenze vorgegeben, bei deren Überschreiten ein Aus gangssignal des Stoßsensors erzeugt wird.If on the known shock sensor within the plane that is perpendicular to the axis of rotation of the rotor, a shock is practiced, the rotor leaves while overcoming the holding force the holding magnet its rest position. This moves them Magnets relative to the sensor elements and what they contain NEN bridge circuits are detuned. The resulting Signal does not depend linearly on the applied acceleration from. Therefore, linearization circuits are provided in order to ne linear dependence of the sensor signal on the acting To generate acceleration. By comparison with a target value a limit is specified, an exceeding if exceeded output signal of the shock sensor is generated.
Bei dem bekannten Sensor wird daher keine vom Weg des Sensor elementes abhängige Meßspannung ausgewertet und damit auch kei ne Unabhängigkeit von der Impulsgeschwindigkeit erreicht. In the known sensor, therefore, none of the path of the sensor element-dependent measuring voltage evaluated and thus no independence from impulse speed achieved.
Aus der US 5,756,896 sowie der US 5,149,925 sind Stoßsensoren bekannt, bei denen als Sensorelement ein linear bewegter Perma nentmagnet verwendet wird.US 5,756,896 and US 5,149,925 are shock sensors known in which a linearly moving perma as the sensor element Magnet is used.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stoß impulssensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzu bilden, daß die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein Sensor-Ausgangssignal erzeugt werden, das ein unmittelbares Maß der Impulsgeschwindigkeit darstellt, also bei gleicher Impulsfläche unabhängig von der Dauer des einwirkenden Stoßimpulses ist.The invention is therefore based on the object of a shock impulse sensor of the type mentioned at the beginning form that the disadvantages mentioned above avoided become. In particular, a sensor output signal is to be generated be an immediate measure of pulse velocity represents, i.e. with the same impulse area regardless of the Duration of the impact pulse is.
Bei einem Stoßimpulssensor der eingangs genannten Art wird die se Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Führung die Geschwindigkeit des Sensorelementes derart verändert, daß die Meßspannung über dem Weg bei gleicher Impulsfläche unabhängig von der Zeitdauer des impulsförmigen Stoßes ist.In the case of a shock pulse sensor of the type mentioned at the beginning se task achieved in that the leadership the Speed of the sensor element changed so that the Measuring voltage across the path independently with the same pulse area on the duration of the pulsed shock.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Wei se vollkommen gelöst. The object of the invention is based on this Wei se completely solved.
Wenn nämlich das Sensorelement durch die Führung in seiner Ge schwindigkeit so verändert, d. h. verzögert und/oder beschleu nigt wird, so läßt sich die Abhängigkeit des Flußintegrals über dem Weg gerade kompensieren, mit der Folge, daß das Sensor- Ausgangssignal ein unmittelbares Maß der Impulsgeschwindigkeit darstellt und bei gleicher Impulsfläche von der Dauer des Stoß impulses unabhängig ist.If the sensor element through the guide in its Ge speed changed so d. H. delayed and / or accelerated the dependency of the river integral on compensate for the path, with the result that the sensor Output signal is an immediate measure of the pulse speed represents and with the same pulse area on the duration of the impact impulses is independent.
Auf diese Weise läßt sich das ursprüngliche dynamische Kennfeld auf ein integrales Kennfeld reduzieren, dessen Dynamikbereich nur etwa 20 : 1 in einem Frequenzband von etwa 0 bis 200 Hz be trägt, so daß Signalverzerrungen weitgehend vermieden werden. Die erzielten Meßergebnisse sind dabei im Meßbereich auch ein deutig.In this way, the original dynamic map can be reduce to an integral map, its dynamic range only about 20: 1 in a frequency band from about 0 to 200 Hz carries, so that signal distortions are largely avoided. The measurement results achieved are also in the measuring range clearly.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Stoß impulssensors ist das Sensorelement in an sich bekannter Weise in dem Gehäuse entlang einer Innenwand geführt, wobei in der Innenwand eine Führungsnut angebracht ist, das Sensorelement mit einem in die Führungsnut fassenden Zapfen versehen ist und schließlich die Führungsnut zum Weg um einen Winkel geneigt ist, der sich entlang des Weges ändert.In a preferred development of the joint according to the invention the sensor element is the sensor element in a manner known per se guided in the housing along an inner wall, wherein in the Inside a guide groove is attached, the sensor element is provided with a pin which engages in the guide groove and finally the guide groove is inclined at an angle to the path is that changes along the way.
Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß die gewünschte Verände rung der Geschwindigkeit des Sensorelementes in konstruktiv einfacher und bewährter Weise erreicht werden kann.These measures have the advantage that the desired changes tion of the speed of the sensor element in constructive can be achieved in a simple and proven manner.
Dies wird in bevorzugter Weiterbildung des Ausführungsbeispiels
dadurch erreicht, daß die Innenwand eine zylindrische Wand ist,
und daß der Winkel aus dem Gleichungssystem:
In a preferred development of the exemplary embodiment, this is achieved in that the inner wall is a cylindrical wall and in that the angle from the system of equations:
M(x) = 1 + J/(mr2.tan2α) (I)
M (x) = 1 + J / (mr 2 .tan 2 α) (I)
M'/M(x) = S(Φ'/Φ(x)) (II)
M '/ M (x) = S (Φ' / Φ (x) ) (II)
bestimmt wird, wobei die verwendeten Größen bedeuten:
α = Neigungswinkel der Führungsnut entlang des We
ges x,
r = der Radius der zylindrischen Innenwand,
x = der Weg des Sensorelementes,
m = die Masse des Sensorelementes,
M(x) = die auf die Masse normierte effektive Masse,
M' = dM/dx,
J = das Massenträgheitsmoment des Sensorelementes,
Φ(x) = das magnetische Flußintegral,
Φ' = dΦ/dx,
S = ein erster Variationsparameter, der im Bereich
zwischen 0 und 2 variiert wird,
M(0) = ein zweiter Variationsparameter, der im Bereich
zwischen 1 und 10 variiert wird,
wobei in der Differentialgleichung (II) die Variationsparameter
(S, M0) empirisch in den genannten Bereichen variiert werden,
bis bei einer Berechnung des bewegten Sensorelementes die Meß
spannung (UM) über dem Weg (x) bei gleicher Impulsfläche unab
hängig von der Zeitdauer des impulsförmigen Stoßes ist.is determined, the sizes used meaning:
α = angle of inclination of the guide groove along the path x,
r = the radius of the cylindrical inner wall,
x = the path of the sensor element,
m = the mass of the sensor element,
M (x) = the effective mass standardized to the mass,
M '= dM / dx,
J = the moment of inertia of the sensor element,
Φ (x) = the magnetic flux integral,
Φ '= dΦ / dx,
S = a first variation parameter which is varied in the range between 0 and 2,
M (0) = a second variation parameter, which is varied in the range between 1 and 10,
whereby in the differential equation (II) the variation parameters (S, M 0 ) are varied empirically in the ranges mentioned until, when calculating the moving sensor element, the measuring voltage (U M ) over the path (x) with the same pulse area is independent of the Is the duration of the pulsed impact.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Sensorelement ein Dauermagnet. In other preferred embodiments of the invention the sensor element is a permanent magnet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß Meßsignale in ausreichender Größe erhalten und damit auch störsicher weiterverarbeitet wer den können.This measure has the advantage that measurement signals are sufficient Preserve size and thus also process it in a manner that prevents interference that can.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn das Aufnahmeelement eine Indukti onsspule ist.It is further preferred if the receiving element is an inductor onsspule is.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sich in besonders einfacher Weise weiterverarbeitungsfähige Analogsignale als Meßsignale gewinnen lassen.This measure has the advantage that it is particularly simple Analog signals that can be further processed as measurement signals to let win.
Eine besonders gute Wirkung wird bei einem erfindungsgemäßen Stoßimpulssensor dadurch erzielt, daß in der Bewegungsbahn des Sensorelementes ein Rückstellmagnet angeordnet ist.A particularly good effect is achieved with the invention Shock pulse sensor achieved in that in the movement path of the Sensor element a return magnet is arranged.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das Sensorelement nach dem Auslösen selbsttätig wieder in die Ausgangslage zurückkehren kann. Zum Vermeiden von Mißverständnissen muß an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen werden, daß der Rückstellmagnet im Gegensatz zu Stoßimpulssensoren der eingangs genannten bekann ten Art kein notwendiges Element des Systems ist, weil der er findungsgemäße Stoßimpulssensor kein Feder-Masse-System bein haltet. Der Rückstellmagnet kann beim erfindungsgemäßen Stoß impulssensor auch entfallen, ohne daß dadurch die prinzipielle Funktionsfähigkeit in Frage gestellt wird. Bei einem Fehlen des Rückstellmagneten würde das Sensorelement lediglich in undefi nierter Lage verbleiben, wenn der Stoßimpulssensor einmal ange sprochen hat. Dies ist jedoch bei manchen Anwendungsfällen hin nehmbar, weil ein Ansprechen des Stoßimpulssensors ein Hinweis darauf ist, daß das Fahrzeug einen Kollisionsschaden erlitten hat, der einen Austausch des Stoßimpulssensors zwingend nach sich zieht.This measure has the advantage that the sensor element after Trigger automatically return to the starting position can. To avoid misunderstandings at this point however, it should be noted that the reset magnet in Contrary to shock pulse sensors of the aforementioned ten kind is not a necessary element of the system because of the he shock pulse sensor according to the invention no spring-mass system think. The restoring magnet can in the shock according to the invention Impulse sensor also omitted, without the principle Functionality is questioned. In the absence of the Resetting magnets would only undefi the sensor element The position remains when the shock pulse sensor is switched on spoke. However, this is in some use cases acceptable because a response of the shock pulse sensor is an indication is that the vehicle suffered collision damage has to replace the shock pulse sensor pulls itself.
Bei einer weiter bevorzugten Maßnahme, die alternativ oder zu sätzlich zur vorgenannten Maßnahme angewendet werden kann, ist das Sensorelement in seiner Ruheposition mittels eines Halte elementes gehalten und löst sich erst bei Überschreiten einer vorbestimmten Abreißkraft vom Halteelement.In a further preferred measure, the alternative or to can be applied in addition to the aforementioned measure the sensor element in its rest position by means of a stop element is held and only releases when one is exceeded predetermined tear-off force from the holding element.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine definierte Ausgangs lage für das Sensorelement geschaffen wird und daß das Sensor element gegebenenfalls auch nach einem Ansprechen wieder in seine Ausgangslage zurückkehren und dort vom Halteelement in einer Referenzposition eingefangen werden kann.This measure has the advantage that a defined output was created for the sensor element and that the sensor element back in if necessary even after a response return to its starting position and there from the holding element a reference position can be captured.
Vorzugsweise ist das Halteelement als weichmagnetische Platte ausgebildet, die das Sensorelement über einen vorbestimmten ma gnetischen Luftspalt in seiner Ruheposition mit einer definier ten Rückhaltekraft festhält.The holding element is preferably a soft magnetic plate formed which the sensor element over a predetermined ma gnetic air gap in its rest position with a defin retention force.
Weiterhin sind Ausführungsbeispiele der Erfindung besonders be vorzugt, bei denen in der Bewegungsbahn des Sensorelementes zwischen einer Ruheposition und dem Aufnahmeelement ein Test- Aufnahmeelement angeordnet ist. Dieses ist bevorzugterweise eine Testspule.Furthermore, embodiments of the invention are particularly be preferred, in which in the movement path of the sensor element between a rest position and the receiving element a test Receiving element is arranged. This is preferred a test coil.
Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß ein Selbsttest des Stoß impulssensors möglich ist, so daß zu gewissen Zeiten eine Über prüfung der Sicherheitseinrichtung des Kraftfahrzeuges möglich ist. These measures have the advantage of being a self-test of the shock pulse sensor is possible, so that at certain times an over testing of the safety device of the motor vehicle possible is.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der bei gefügten Zeichnung.Further advantages result from the description and the added drawing.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the above and the following standing features to be explained not only in each specified combination, but also in other combinations or can be used alone without the scope of the to leave the present invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are shown in the drawing represents and will he in the description below purifies. Show it:
Fig. 1 eine Seitenansicht, im Schnitt, durch ein Ausfüh rungsbeispiel eines Stoßimpulssensors nach dem Stand der Technik; Fig. 1 is a side view, in section, through an example of a Ausfüh approximately a shock pulse sensor according to the prior art;
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise und der im vorliegenden Zusammenhang interessierenden Nachteile des Stoßimpulssensors gemäß Fig. 1; FIG. 2 shows a diagram to explain the mode of operation and the disadvantages of the shock pulse sensor according to FIG. 1 which are of interest in the present context;
Fig. 3 ein Diagramm, darstellend das Flußintegral über den Weg bei dem bekannten Stoßimpulssensor gemäß Fig. 1; FIG. 3 is a diagram illustrating the flow integral over the path in the known shock pulse sensor according to FIG. 1;
Fig. 4 eine Darstellung, ähnlich Fig. 1, jedoch für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stoß impulssensors; Fig. 4 is an illustration, similar to Figure 1, but for an embodiment of a shock pulse sensor according to the invention.
Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung des Stoßimpulssensors gemäß Fig. 4; FIG. 5 is a diagram for explaining the shock pulse sensor according to FIG. 4;
Fig. 6 eine Darstellung, ähnlich Fig. 2, jedoch für den er findungsgemäßen Stoßimpulssensor gemäß Fig. 4. Fig. 6 is a view similar to FIG. 2, but for the inventive he impact-induced sensor of FIG. 4.
In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt einen Stoßimpulssensor nach dem Stand der Technik. Der Stoßimpulssensor 10 weist einen Dau ermagneten 12 auf, der axial magnetisiert ist. Der Dauermagnet 12 ist gleitend in einem rohrförmigen Sensorgehäuse 14 angeord net. Wenn ein Stoß auf den Stoßimpulssensor 10 ausgeübt wird, bewegt sich der Dauermagnet 12 von der in Fig. 1 eingezeichne ten Ruheposition nach rechts, wie mit einem Pfeil 16 angedeu tet. Der Dauermagnet 12 ist in der Ruheposition mittels einer Feder 18 gehalten, die sich an einer dem Dauermagneten 12 ge genüberliegenden Wand 20 des Sensorgehäuses 14 abstützt. Das Sensorgehäuse 14 ist in dem in Fig. 1 rechten Bereich von einer Meßspule 22 umgeben.In Fig. 1, 10 designates a shock pulse sensor according to the prior art. The shock pulse sensor 10 has a permanent magnet 12 which is axially magnetized. The permanent magnet 12 is slidingly net in a tubular sensor housing 14 . When a shock is exerted on the shock pulse sensor 10 , the permanent magnet 12 moves from the rest position shown in FIG. 1 to the right, as indicated by an arrow 16 . The permanent magnet 12 is held in the rest position by means of a spring 18 which is supported on a wall 20 of the sensor housing 14 opposite the permanent magnet 12 . The sensor housing 14 is surrounded by a measuring coil 22 in the area on the right in FIG. 1.
Wenn auf den Stoßimpulssensor 10 ein in Axialrichtung wirkender
Stoß ausgeübt wird, bewegt sich der Dauermagnet 12 im Sensor
gehäuse 14 aufgrund des von außen einwirkenden Kraftstoßes mit
einer Momentangeschwindigkeit dx/dt in x-Richtung, und zwar ge
gen eine Rückstellkraft F(x). Die von dem Dauermagneten 12 aus
gehende magnetische Induktion Bx induziert in der Meßspule 22,
die eine Windungszahl N und eine Windungslänge L aufweist, eine
elektrische Spannung Ui, solange der Dauermagnet 12 in Bewegung
ist. Nach Beendigung der äußeren Krafteinwirkung wird der Dau
ermagnet 12 mittels der einwirkenden Rückstellkraft F(x), die
durch die Feder 18 aufgebracht wird, in seine Ruheposition x =
0 zurückkehren. Die in der Meßspule 22 erzeugte Induktions
spannung Ui ist gegeben durch:
If an impact acting in the axial direction is exerted on the shock pulse sensor 10 , the permanent magnet 12 moves in the sensor housing 14 due to the power impact acting from the outside at an instantaneous speed dx / dt in the x direction, namely against a restoring force F (x) . The magnetic induction B x proceeding from the permanent magnet 12 induces an electrical voltage U i in the measuring coil 22 , which has a number of turns N and a length L of turns, as long as the permanent magnet 12 is in motion. After completion of the external force, the permanent magnet 12 will return to its rest position x = 0 by means of the restoring force F (x) applied by the spring 18 . The induction voltage U i generated in the measuring coil 22 is given by:
In dieser Formel steht Φ(x) für das magnetische Flußintegral,
das sich aus der Differenz des die Meßspule 22 durchflutenden
magnetischen Flusses am Windungsanfang und am Windungsende der
Meßspule 22 ergibt und ferner durch die Geometrie des Systems,
bestehend aus dem Dauermagnet 12 und der Meßspule 22, bestimmt
ist. Die Momentangeschwindigkeit dx/dt kann aus der Bewegungs
gleichung des Dauermagneten 12 berechnet werden und ergibt sich
zu:
In this formula, Φ (x) is the magnetic Flußintegral resulting from the difference of the measuring coil 22 which flows through the magnetic flux at the winding start and the winding end of the measuring coil 22 and also by the geometry of the system consisting of the permanent magnet 12 and the measuring coil 22 , is determined. The instantaneous speed dx / dt can be calculated from the equation of motion of the permanent magnet 12 and results in:
Der Ausdruck Δv bezeichnet dabei die Impulsgeschwindigkeit, die im vorliegenden Zusammenhang die eigentliche Meßgröße ist. Der Ausdruck vd ist der sogenannte Impulsverlust, der sich aus dem Stoßzeitintegral der Rückstellkraft F(x) über die Kollisions dauer Δt ableitet.The expression Δv denotes the pulse speed, which is the actual measured variable in the present context. The expression v d is the so-called impulse loss, which is derived from the rush time integral of the restoring force F (x) over the collision duration Δt.
Die durch die Gleichungen (1) und (2) beschriebene Sensor charakteristik Ui = f(Δv) ist durch das erste Diagramm 30 gemäß Fig. 2 dargestellt. Das erste Diagramm 30 umfaßt eine erste Kurve 32, die als durchgezogene Linie eine Meßkurve für einen Stoßimpuls darstellt, der in Fig. 2 in einer zeitabhängigen Darstellung mit 32a bezeichnet ist. Eine zweite Kurve 34 zeigt strichpunktiert den Verlauf für einen zweiten Stoßimpuls 34a, und eine dritte Kurve 36 zeigt gestrichelt den entsprechenden Verlauf für einen Stoßimpuls 36a. Die Stoßimpulse 32a, 34a und 36a haben dabei jeweils die gleiche Fläche (bei unterschiedli cher Beschleunigungsamplitude und Impulsdauer).The sensor characteristic U i = f (Δ v ) described by equations (1) and (2) is represented by the first diagram 30 according to FIG. 2. The first diagram 30 comprises a first curve 32 which, as a solid line, represents a measurement curve for a shock pulse, which is designated 32 a in a time-dependent representation in FIG. 2. A second curve 34 shows a dash-dotted line for a second shock pulse 34 a, and a third curve 36 shows a dashed line for a shock pulse 36 a. The shock pulses 32 a, 34 a and 36 a each have the same area (with differing acceleration amplitude and pulse duration).
Man erkennt aus den Kurven 32, 34 und 36, daß diese eine stark ausgeprägte Abhängigkeit von der Dauer des Stoßimpulses 32a, 34a, 36a besitzen, so daß das Meßergebnis nicht neutral ist sondern vielmehr eine sogenannte "Dispersion" innerhalb der Kurven 32, 34 und 36 zu beobachten ist. Dies führt dazu, daß einer bestimmten Meßspannung Ui1 drei unterschiedliche Impuls geschwindigkeiten Δ1v, Δ2v und Δ3v zugeordnet werden können, je nachdem, wie lang der Stoßimpuls 32a, 34a, 36a dauerte.It can be seen from the curves 32 , 34 and 36 that these have a pronounced dependence on the duration of the shock pulse 32 a, 34 a, 36 a, so that the measurement result is not neutral but rather a so-called "dispersion" within the curves 32 , 34 and 36 can be observed. This leads to the fact that a certain measuring voltage U i1 three different pulse speeds Δ 1 v, Δ 2 v and Δ 3 v can be assigned, depending on how long the shock pulse 32 a, 34 a, 36 a lasted.
Die Ursache hierfür liegt darin, daß der Dauermagnet 12 gemäß Gleichung (2) den Impulsverlust vd erleidet und das magnetische Flußintegral Φ gemäß Gleichung (1) entlang des Verfahrweges x des Dauermagneten 12 nicht konstant ist. Dies ist in Fig. 3 in einem zweiten Diagramm 38 nochmals dargestellt. Die Nicht- Konstanz des magnetischen Flußintegrals Φ über dem Weg x ist bauartabhängig und unvermeidlich.The reason for this is that the permanent magnet 12 according to equation (2) suffers the loss of momentum v d and the magnetic flux integral Φ according to equation (1) is not constant along the travel path x of the permanent magnet 12 . This is shown again in FIG. 3 in a second diagram 38 . The non-constancy of the magnetic flux integral Φ over the path x depends on the design and is inevitable.
Andererseits sorgt der Impulsverlust vd für einen verkürzten Verfahrweg x im Vergleich zur Freiflugstrecke, d. h. ohne Rück stellkraft, so daß eine kompakte Baulänge des Stoßimpulssensors 10 möglich wird, ohne den verfügbaren Einbauraum im Kraftfahr zeug zu überschreiten.On the other hand, the loss of momentum v d ensures a shorter travel x compared to the free flight distance, ie without restoring force, so that a compact length of the shock pulse sensor 10 is possible without exceeding the available installation space in the vehicle.
Erfindungsgemäß soll nun die bestehende Wegabhängigkeit des ma gnetischen Flußintegrals Φ durch geeignete konstruktive Maß nahmen kompensiert werden, um auf diese Weise einen vorhandenen Zielkonflikt des Impulsverlustes vd unter Beibehaltung einer kompakten Baulänge für den Stoßimpulssensor 10 zu überwinden. According to the invention, the existing path dependency of the magnetic flux integral Φ is to be compensated for by suitable constructive measures in order to overcome an existing conflict of objectives of pulse loss v d while maintaining a compact overall length for the shock pulse sensor 10 .
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Stoßimpulssensor 40 er reicht, wie er in Fig. 4 dargestellt ist.This is, according to the invention with a shock pulse sensor 40 he reaches, as shown in Fig. 4.
Der Stoßimpulssensor 40 umfaßt einen Dauermagneten 42, der durch ein Magnetgehäuse 44 umschlossen ist. Der Dauermagnet 42 im Magnetgehäuse 44 ist in einem rohrförmigen Sensorgehäuse 46 axial gleitend gelagert. Eine Innenwand 48 des Sensorgehäuses 46 ist zu diesem Zweck vorzugsweise zylindrisch ausgebildet.The shock pulse sensor 40 comprises a permanent magnet 42 which is enclosed by a magnet housing 44 . The permanent magnet 42 in the magnet housing 44 is mounted in an axially sliding manner in a tubular sensor housing 46 . An inner wall 48 of the sensor housing 46 is preferably cylindrical for this purpose.
In der Innenwand 48 ist eine Führungsnut 50 angebracht, deren Steigung in einem Punkt 51 mit α bezeichnet ist. Der Winkel α hat über die axiale Länge x einen Verlauf, wie er in Fig. 5 mit einem dritten Diagramm 66 dargestellt ist.In the inner wall 48 there is a guide groove 50 , the slope of which is designated α at a point 51 . The angle α has a course over the axial length x, as is shown in FIG. 5 with a third diagram 66 .
Am Magnetgehäuse 44 ist ein Zapfen 52 angebracht, der in der Führungsnut 50 läuft.A pin 52 , which runs in the guide groove 50, is attached to the magnet housing 44 .
Fig. 4 zeigt den Dauermagneten 42 in seiner Ruheposition. An der axial gegenüberliegenden Wand 54 des Sensorgehäuses 46 ist ein Rückstellmagnet 56 umgekehrter axialer Polarisierung ange bracht, der den Dauermagneten 42 in der in Fig. 4 gezeigten Ru heposition hält. Alternativ könnte ein entsprechender Magnet auch als Haftmagnet auf der in Fig. 4 linken Seite des Dauer magneten 42 zwischen dem Magnetgehäuse 44 und der linken End wand des Sensorgehäuses 46 angeordnet sein. Fig. 4 shows the permanent magnet 42 in its rest position. On the axially opposite wall 54 of the sensor housing 46 , a return magnet 56 of opposite axial polarization is introduced, which holds the permanent magnet 42 in the rest position shown in FIG. 4. Alternatively, a corresponding magnet could also be arranged as a holding magnet on the left in FIG. 4 of the permanent magnet 42 between the magnet housing 44 and the left end wall of the sensor housing 46 .
Um den in Fig. 4 rechten Teil des Sensorgehäuses 46 ist eine Meßspule 58 angeordnet, an die sich axial nach links eine Test spule 60 anschließt. To the right in Fig. 4 part of the sensor housing 46 , a measuring coil 58 is arranged, to which a test coil 60 connects axially to the left.
Wegen der übrigen verwendeten physikalischen Größen darf der Einfachheit halber auf Fig. 1 verwiesen werden.Because of the other physical quantities used, reference may be made to FIG. 1 for the sake of simplicity.
Wenn auf den Sensor 40 von außen in axialer Richtung eine Be schleunigung einwirkt, führt der Dauermagnet 42 im Sensorgehäu se 46 eine Translationsbewegung in Richtung x aus. Diese wird jedoch infolge der Führung des mit dem Magnetgehäuse 44 verbun denen Zapfens 52 in der näherungsweise schraubenförmigen Füh rungsnut 50 von einer rotatorischen Zwangsbewegung überlagert. Diese rotatorische Zwangsbewegung ist wegen des sich über dem Weg x ändernden Steigungswinkels α (vgl. Fig. 5) mit unter schiedlichen Drehgeschwindigkeiten behaftet. Wie man aus Fig. 5 erkennen kann, nimmt der Steigungswinkel α über den Weg x zu nächst ab, durchläuft dann ein Minimum und steigt anschließend wieder an. Dies bedeutet, daß der Dauermagnet 42 in seiner translatorischen Bewegung zunächst abgebremst wird (abnehmender Steigungswinkel α) und dann aus einem Minimum der Geschwindig keit wieder beschleunigt wird.If acceleration acts on the sensor 40 from the outside in the axial direction, the permanent magnet 42 in the sensor housing 46 carries out a translational movement in the direction x. However, this is due to the leadership of the verbun with the magnet housing 44 which pin 52 in the approximately helical Füh approximately 50 is overlaid by a rotational forced movement. This rotational forced movement is afflicted with different speeds of rotation due to the gradient angle α changing over the path x (cf. FIG. 5). As can be seen from FIG. 5, the gradient angle α decreases to the next along path x, then passes through a minimum and then rises again. This means that the permanent magnet 42 is first braked in its translational movement (decreasing angle of inclination α) and then accelerated again from a minimum of the speed.
Die vorbeschriebene Vorrichtung wirkt in zweierlei Weise. Zum einen erfährt der Dauermagnet 42 entlang des Verfahrweges x aufgrund seines Massenträgheitsmomentes J eine Verzögerung, die dafür sorgt, daß der Dauermagnet 42 während eines Kollisions vorganges des Kraftfahrzeuges im betrachteten Meßbereich der Impulsgeschwindigkeit Δv in gewünschter Art das rechte Ende, d. h. einen Endanschlag des Sensorgehäuses 46, nicht erreicht.The device described above works in two ways. On the one hand, the permanent magnet 42 experiences a delay along the travel path x due to its moment of inertia J, which ensures that the permanent magnet 42 has the right end, ie an end stop of the sensor housing 46, in the desired manner during a collision process of the motor vehicle in the measuring range of the pulse speed Δv under consideration , not reached.
Zum anderen erfährt der Dauermagnet 42 eine zusätzliche Verzö gerung bzw. eine zusätzliche Beschleunigung, jeweils abhängig von seiner Momentanposition x, mittels derer die verzögerte Momentangeschwindigkeit dx/dt des Dauermagneten 42 moduliert wird.On the other hand, the permanent magnet 42 experiences an additional deceleration or an additional acceleration, in each case depending on its instantaneous position x, by means of which the decelerated instantaneous speed dx / dt of the permanent magnet 42 is modulated.
Die Ortsabhängigkeit des Bahnwinkels α(x) ist nun so gestaltet, daß durch eine entsprechende Formgebung der Führungsnut 50 im Sensorgehäuse 46 die unvermeidliche Variation des magnetischen Flußintegrals Φ (vgl. Fig. 3) über die zusätzliche Modulation der Momentangeschwindigkeit dx/dt gemäß Gleichung (1) gerade kompensiert wird.The location dependence of the path angle α (x) is now designed such that, by appropriately shaping the guide groove 50 in the sensor housing 46, the inevitable variation of the magnetic flux integral Φ (see FIG. 3) via the additional modulation of the instantaneous speed dx / dt according to the equation ( 1) is being compensated.
Sofern gewünscht, kann eine Rückstellkraft für den Dauer magneten 42 mittels des Rückstellmagneten 56 dargestellt wer den, dies ist jedoch systematisch nicht notwendig. Wenn man da von ausgeht, daß der Stoßimpulssensor 40 nur ein einziges Mal während seiner Lebensdauer aktiv wird, nämlich dann, wenn sich ein Kollisionsschaden des Kraftfahrzeuges ereignet, ist nicht notwendig, daß der Stoßimpulssensor 40 für wiederholten Ge brauch einsatzfähig ist. Dann kann der Rückstellmagnet 56 oder alternativ ein in Fig. 4 links vom Dauermagneten 42 angeordne ter Haftmagnet entfallen. Die genannten Elemente können bei dieser Betrachtungsweise allerdings insoweit nützlich sein, als sie eine definierte Ruheposition des Dauermagneten 42 auch dann gewährleisten, wenn der Stoßimpulssensor 40 im Betrieb erhebli chen Erschütterungen ausgesetzt sein sollte, die noch nicht zu einem Ansprechen des Stoßimpulssensors 40 führen sollen.If desired, a restoring force for the permanent magnet 42 can be represented by means of the restoring magnet 56 , but this is not systematically necessary. If one assumes that the shock pulse sensor 40 is only active once during its lifetime, namely when a collision damage occurs to the motor vehicle, it is not necessary that the shock pulse sensor 40 is operational for repeated use. Then the reset magnet 56 or, alternatively, a holding magnet arranged in FIG. 4 to the left of the permanent magnet 42 can be omitted. However, the elements mentioned can be useful in this regard insofar as they ensure a defined rest position of the permanent magnet 42 even when the shock pulse sensor 40 should be exposed to considerable vibrations during operation, which should not yet lead to a response of the shock pulse sensor 40 .
Die Meßspule 58 ist vorzugsweise auf einen Spulenkörper gewic kelt, der seinerseits koaxial auf das Sensorgehäuse 46 aufge schoben ist. An Klemmen der Meßspule 58 kann die Meßspannung UM abgegriffen werden. The measuring coil 58 is preferably gewic kelt on a bobbin, which in turn is pushed coaxially onto the sensor housing 46 . The measuring voltage U M can be tapped at terminals of the measuring coil 58 .
Um Einflüsse der Umgebungstemperatur auf die Höhe der Meß spannung UM nach Möglichkeit auszuschließen, besteht der Dauer magnet 42 und - soweit vorhanden - der Rückstellmagnet 56 aus einem temperaturunempfindlichen Magnetwerkstoff, vorzugsweise aus einer Samarium-Kobalt-Legierung, die sich durch einen ex trem niedrigen Temperaturkoeffizienten der Sättigungsinduktion auszeichnet.In order to exclude influences of the ambient temperature on the level of the measurement voltage U M if possible, the permanent magnet 42 and - if available - the return magnet 56 consists of a temperature-insensitive magnetic material, preferably a samarium-cobalt alloy, which is characterized by an extremely low Characterized temperature coefficient of saturation induction.
Neben der Meßspule 58 ist vorzugsweise die Testspule 60 vorge sehen. Mit deren Hilfe kann die Funktion des Stoßimpulssensors 40 im Wege eines Selbsttests überprüft werden.In addition to the measuring coil 58 , the test coil 60 is preferably seen easily. With their help, the function of the shock pulse sensor 40 can be checked by means of a self-test.
Zu diesem Zweck wird ein elektromagnetisches Feld in der Test spule 60 erzeugt, indem eine Testspannung UT angelegt bzw. ein Teststrom eingespeist wird. Als Folge davon wird der Dauerma gnet 42 aus der in Fig. 4 dargestellten Ruheposition nach rechts bewegt, bis er in den magnetischen Mittelpunkt der Test spule 60 gelangt, sich also im wesentlichen koaxial zu dieser befindet. Die Testspannung UT wird nun abgeschaltet, und der Dauermagnet 42 kehrt unter alleiniger Einwirkung der Rückstell kraft in die Ruheposition zurück. Die in die Meßspule 58 dabei induzierte Spannung zeigt nun an, daß der Stoßimpulssensor 40 funktionsfähig ist. Da die Meßspannung UM in diesem Fall auf grund der Rückwärtsbewegung des Dauermagneten 42 eine umgekehr te Polarität im Vergleich zu einer "echten" Meßspannung UM im Falle einer Kollision des Kraftfahrzeuges aufweist, kann das Meßsignal in diesem Testbetrieb in vorteilhafter Weise vom ei gentlichen Meßsignal eindeutig unterschieden werden. For this purpose, an electromagnetic field is generated in the test coil 60 by applying a test voltage U T or feeding a test current. As a result, the permanent magnet 42 is moved from the rest position shown in FIG. 4 to the right until it reaches the magnetic center of the test coil 60 , that is to say is essentially coaxial with it. The test voltage U T is now switched off, and the permanent magnet 42 returns under the sole action of the restoring force in the rest position. The voltage induced in the measuring coil 58 now indicates that the shock pulse sensor 40 is functional. Since the measuring voltage U M in this case due to the backward movement of the permanent magnet 42 has a reversed polarity compared to a "real" measuring voltage U M in the event of a collision of the motor vehicle, the measuring signal in this test mode can advantageously be from the actual measuring signal be clearly distinguished.
Beispielsweise kann der vorstehend beschriebene Testmodus bei jedem Anlassen des Motors oder bei jedem Betätigen des Zünd schlüssels des Kraftfahrzeugs eingeleitet werden. Dadurch wird verhindert, daß der Testmodus zufällig mit einem Kollisions ereignis zeitlich zusammenfällt, so daß die Auslösung von Si cherheitseinrichtungen an Bord des Kraftfahrzeuges nicht behin dert wird.For example, the test mode described above can be used for every time the engine is started or the ignition is actuated key of the motor vehicle can be initiated. This will prevents the test mode from accidentally having a collision event coincides in time, so that the triggering of Si Safety devices on board the motor vehicle do not hinder is changed.
Hinsichtlich der Dimensionierung der Führungsnut 50 bzw. des Verlaufs des Steigungswinkels α über dem Weg x gemäß dem drit ten Diagramm 66 in Fig. 5 geht man von folgender Überlegung aus:With regard to the dimensioning of the guide groove 50 or the course of the pitch angle α over the path x according to the third diagram 66 in FIG. 5, the following consideration is assumed:
Die weiter oben erwähnte Kompensation des magnetischen Fluß
integrals (Fig. 3) über den gesamten Verfahrweg x kann aus der
Bewegungsgleichung des Dauermagneten 42 ermittelt werden. Die
Bewegungsgleichung folgt gemäß dem Hamilton-Prinzip aus der Be
dingung dE/dt = 0, wobei E die Gesamtenergie des mechanischen
Systems bezeichnet. Diese ist gegeben durch die Beziehung:
The above-mentioned compensation of the magnetic flux integral ( Fig. 3) over the entire travel x can be determined from the equation of motion of the permanent magnet 42 . According to the Hamilton principle, the equation of motion follows from the condition dE / dt = 0, where E denotes the total energy of the mechanical system. This is given by the relationship:
Der erste Term der Gleichung (3) beschreibt die kinetische Energie des Dauermagneten 42 mit der Masse m und der Momentan geschwindigkeit dx/dt. Der zweite Term steht für die durch die Zwangsführung erzeugte Rotationsenergie des Dauermagneten 42 mit dem Massenträgheitsmoment J und der momentanen Winkel geschwindigkeit dϕ/dt. Der dritte Term steht für die potentiel le Energie des Dauermagneten 42 gegen die Rückstellkraft F(x), sofern eine solche vorgesehen ist. The first term of equation (3) describes the kinetic energy of the permanent magnet 42 with the mass m and the instantaneous speed dx / dt. The second term stands for the rotational energy of the permanent magnet 42 generated by the positive guidance with the mass moment of inertia J and the instantaneous angular velocity dϕ / dt. The third term stands for the potential energy of the permanent magnet 42 against the restoring force F (x) , if one is provided.
Die Führungsnut 50 im Sensorgehäuse 46 beschreibt näherungs
weise eine Schraubenkurve, jedoch mit der Besonderheit, daß der
Steigungswinkel α entlang des Verfahrweges x nicht konstant
ist. Hieraus ergibt sich die Zwangsbedingung in differenzieller
Form:
The guide groove 50 in the sensor housing 46 approximately describes a screw curve, but with the special feature that the pitch angle α is not constant along the travel path x. This results in the constraint in a differential form:
dx = rdϕ.tanα(x) (4)
dx = rdϕ.tanα (x) (4)
wobei r der Radius der Innenwand 48 des Sensorgehäuses 46 ist.
Bewegt sich der Dauermagnet 42 nun um die Wegstrecke dx, wird
er um das Bogenelement dϕ um die x-Achse gedreht. Das Maß der
Drehung wird durch den am Ort x wirkenden Steigungswinkel α(x)
bestimmt. Die Bewegungsgleichung des Dauermagneten 42 ergibt
sich aus der Gleichung (3) unter Berücksichtigung von Gleichung
(4) in der sogenannten "M-Darstellung" zu:
where r is the radius of the inner wall 48 of the sensor housing 46 . If the permanent magnet 42 now moves by the distance dx, it is rotated around the arc element dϕ about the x-axis. The degree of rotation is determined by the pitch angle α (x) acting at location x. The equation of motion of the permanent magnet 42 results from equation (3) taking into account equation (4) in the so-called "M representation":
in Verbindung mit
combined with
M = 1 + J/(mr2.tan2α) (6)M = 1 + J / (mr 2 .tan 2 α) (6)
Die Größe M ist dabei die auf die Masse m des Dauermagneten 42
normierte, sogenannte effektive Masse. Diese ist implizit vom
Verfahrweg x abhängig. M' ist der totale Differentialquotient
von M nach x. ax ist die in x-Richtung von außen einwirkende
Beschleunigung. Die Funktion M(x) ist nun in der Weise zu be
stimmen, daß die Kompensationsbedingung:
The size M is the so-called effective mass standardized to the mass m of the permanent magnet 42 . This is implicitly dependent on the travel path x. M 'is the total differential quotient from M to x. a x is the acceleration acting from the outside in the x direction. The function M (x) must now be determined in such a way that the compensation condition:
erfüllt ist. dΦ/dx ist dabei der Differentialquotient von Φ nach x. Er ergibt sich aus der Steigung der bekannten Funktion Φ(x) gemäß Abb. 3. Die Größe S und die Randbedingung M(0) sind willkürlich vorgegebene Variationsparameter, mittels derer M(x) aus der Bestimmungsgleichung (7) berechnet werden kann. Aus der gewonnenen Hilfsgröße M(x) erhält man schließlich den ge suchten Bahnwinkel α(x) gemäß Gleichung (6), der die gewünschte Selbstkompensation des Dauermagneten 42 bewerkstelligt. Der differenzielle Lösungsansatz (7) liefert in überraschender Wei se eine brauchbare Lösung für die Selbstkompensation unter Ein beziehung der beiden dimensionslosen Variationsparameter S und M(0), wenn man den Variationsparameter S zwischen 0 und 2 sowie die Randbedingung M(0) für die Differentialgleichung (7) zwi schen 1 und 10 empirisch variiert. Dies geschieht so lange, bis eine Nachrechnung der Meßspannungsverläufe über der Impuls geschwindigkeit von der in Fig. 2 dargestellten Ausgangssitua tion zu der in Fig. 6 dargestellten Endsituation führt, in der gleiche Kurven mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 be zeichnet sind und lediglich ein Apostroph hinzugefügt wurde.is satisfied. dΦ / dx is the differential quotient from Φ to x. It results from the slope of the known function Φ (x) according to Fig. 3. The quantity S and the boundary condition M (0) are arbitrarily specified variation parameters, by means of which M (x ) can be calculated from the equation ( 7 ). From the auxiliary quantity M (x) obtained, the path angle α (x) sought according to equation (6) is finally obtained, which accomplishes the desired self-compensation of the permanent magnet 42 . The differential approach ( 7 ) surprisingly provides a useful solution for self-compensation, taking into account the two dimensionless variation parameters S and M (0) , if one considers the variation parameter S between 0 and 2 and the boundary condition M (0) for the differential equation ( 7 ) varies empirically between 1 and 10. This happens until a recalculation of the measurement voltage curves over the pulse speed from the starting situation shown in FIG. 2 leads to the end situation shown in FIG. 6, in which the same curves are identified with the same reference numerals as in FIG. 2 and only an apostrophe has been added.
Insgesamt zeigt Fig. 5 somit den schlußendlich erhaltenen Ver lauf des Steigungswinkels α als Funktion von x über den gesam ten Verfahrweg (Kompensationskurve) des Dauermagneten 42 im Sensorgehäuse 46. Dieser Weg beträgt beispielsweise 17 mm.Overall, FIG. 5 thus shows the ultimately obtained course of the gradient angle α as a function of x over the total travel path (compensation curve) of the permanent magnet 42 in the sensor housing 46 . This path is 17 mm, for example.
Fig. 6 zeigt, wie bereits erwähnt, die resultierende Charakte ristik des Stoßimpulssensors 40 mit Kompensation, die sich ge mäß Gleichung (1) mittels dx/dt durch einfache Integration von Gleichung (5) ergibt. Die Meßspannung UM ist bei gleicher Im pulsfläche weitestgehend unabhängig von der Dauer des Stoß impulses und ergibt im Zusammenhang eine eindeutige Übertra gungsfunktion des Stoßimpulssensors 40 im gesamten Meßbereich. Sie weist in guter Näherung sogar einen linearen Verlauf auf, was eine Signalweiterverarbeitung in einer Zentralauswerte einheit vereinfacht. Fig. 6 shows, as already mentioned, the resulting characteristic of the shock pulse sensor 40 with compensation, which results in accordance with equation (1) by means of dx / dt by simply integrating equation (5). The measuring voltage U M is largely independent of the duration of the shock pulse at the same pulse area and gives a clear transfer function of the shock pulse sensor 40 in the entire measuring range. In a good approximation, it even has a linear course, which simplifies signal processing in a central evaluation unit.
Der erfindungsgemäße Stoßimpulssensor 40 erzeugt somit eine Meßgröße, die sich aus der Impulsgeschwindigkeit und nicht aus der Beschleunigung herleitet und damit ein direktes Maß für die Kollisionsstärke ist. Für den Stoßimpulssensor 40 ist im Prin zip keine externe Spannungsversorgung notwendig, da aufgrund des magnetisch-induktiven Funktionsprinzips am Sensorausgang eine Generatorspannung anliegt, die durch die Messung selbst erzeugt wird.The shock pulse sensor 40 according to the invention thus generates a measured variable which is derived from the pulse speed and not from the acceleration and is therefore a direct measure of the collision strength. In principle, no external voltage supply is necessary for the shock pulse sensor 40 , since due to the magnetic-inductive functional principle, a generator voltage is present at the sensor output, which is generated by the measurement itself.
Aufgrund der beschriebenen Selbstkompensation des bewegten Dau ermagneten 42 ist das Ausgangssignal neutral und eindeutig.Due to the described self-compensation of the moving permanent magnet 42 , the output signal is neutral and clear.
Auch bei Verwendung einer relativ hohen Rückstellkraft ist der Impulsverlust des Läufers wegen der relativ großen effektiven Masse m des Dauermagneten 42 vernachlässigbar.Even when a relatively high restoring force is used, the impulse loss of the rotor is negligible because of the relatively large effective mass m of the permanent magnet 42 .
Weiterhin ist das Ausgangssignal UM, wie deutlich aus Fig. 6 zu erkennen ist, eindeutig bezüglich der Impulsgeschwindigkeit Δv, und es kann darüber hinaus auch eine fast lineare Sensorkenn linie erreicht werden. Furthermore, as can be clearly seen from FIG. 6, the output signal U M is unambiguous with regard to the pulse speed Δv, and an almost linear sensor characteristic curve can also be achieved.
Weiterhin ist es mit dem erfindungsgemäßen Stoßimpulssensor 40 möglich, einen Selbsttest der gesamten in Fig. 4 gezeigten Ele mente, vom bewegten Dauermagneten 42 bis zum Anschlußkabel, durchzuführen.Furthermore, it is possible with the shock pulse sensor 40 according to the invention to carry out a self-test of the entire elements shown in FIG. 4, from the moving permanent magnet 42 to the connecting cable.
Schließlich ergibt sich eine kompakte Baulänge des Sensorgehäu ses 46.Finally, there is a compact overall length of the sensor 46 .
Claims (10)
daß die Innenwand (48) eine zylindrische Wand ist, und
daß der Winkel (α) aus dem Gleichungssystem:
M(x) = 1 + J/(mr2tan2α) (I)
M'/M(x) = S(Φ'/Φ(x)) (II)
bestimmt wird, wobei die verwendeten Größen bedeuten:
α = Neigungswinkel der Führungsnut (50) ent lang des Weges x
r = der Radius der zylindrischen Innenwand (48)
x = der Weg des Sensorelementes,
m = die Masse des Sensorelementes,
M(x) = die auf die Masse m normierte effektive Masse,
M' = dM/dx,
J = das Massenträgheitsmoment des Sensorele mentes,
Φ(x) = das magnetische Flußintegral,
Φ' = dΦ/dx
S = ein erster Variationsparameter, der im Be reich zwischen 0 und 2 variiert wird,
M(0) = ein zweiter Variationsparameter, der im Bereich zwischen 1 und 10 variiert wird,
wobei in der Differentialgleichung (II) die Variations parameter (S, M(0)) empirisch in den genannten Bereichen variiert werden, bis bei einer Berechnung des bewegten Sensorelementes die Meßspannung (UM) über dem Weg (x) bei gleicher Impulsfläche unabhängig von der Zeitdauer des impulsförmigen Stoßes (32a, 34a, 36a) ist.3. shock pulse sensor according to claim 2, characterized in
that the inner wall ( 48 ) is a cylindrical wall, and
that the angle (α) from the system of equations:
M (x) = 1 + J / (mr 2 tan 2 α) (I)
M '/ M (x) = S (Φ' / Φ (x) ) (II)
is determined, the sizes used meaning:
α = angle of inclination of the guide groove ( 50 ) along the path x
r = the radius of the cylindrical inner wall ( 48 )
x = the path of the sensor element,
m = the mass of the sensor element,
M (x) = the effective mass standardized to mass m,
M '= dM / dx,
J = the moment of inertia of the sensor element,
Φ (x) = the magnetic flux integral,
Φ '= dΦ / dx
S = a first variation parameter which is varied between 0 and 2,
M (0) = a second variation parameter, which is varied in the range between 1 and 10,
whereby in the differential equation (II) the variation parameters (S, M (0) ) are varied empirically in the ranges mentioned until, when calculating the moving sensor element, the measuring voltage (U M ) over the path (x) with the same pulse area independently of the duration of the pulse-shaped shock ( 32 a, 34 a, 36 a).
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Families Citing this family (3)
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2001
- 2001-04-09 DE DE10118491A patent/DE10118491C2/en not_active Expired - Fee Related
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