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Die
Erfindung betrifft einen Kollisionssensor nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Derartige
Kollisionssensoren sind dem Fachmann beispielsweise in der Form
von Mikroschaltern bekannt. Die bekannten Mikroschalter weisen einen langen
externen Kontaktarm auf, der bei der Kollision mit einem externen
fahrbaren Körper
gegen einen Kontaktstift gedrückt
wird. Wenn eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Kontaktarm
und dem Kontaktstift vorliegt, kann daraus geschlossen werden, dass
der Kontaktarm betätigt
worden ist. Dies bedeutet, dass eine Kollision zwischen dem fahrbaren
externen Körper
und dem Mikroschalter aufgetreten ist.
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Daneben
sind derzeit intelligente Systeme in Entwicklung, durch die der
Schaden bei einer Kollision eines Kraftfahrzeugs mit einer Person
oder einem anderen Objekt nach Möglichkeit
minimiert werden soll. Diese intelligenten Systeme umfassen auch
aktive Komponenten. Beispielsweise ist vorgesehen, bei einer Kollision
zwischen einem Kraftfahrzeug und einem Fußgänger, automatisch die Motorhaube
anzuheben, um dadurch den Aufprall des Fußgängers auf der Motorhaube abzumildern.
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Aus
der
DE 102 30 560
A1 ist ein Kollisionssensor bekannt, der zwei parallel
verlaufende, streifenförmige
Kontaktelemente aufweist.
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Die
DE 103 20 047 A1 offenbart
einen Kollisionssensor mit einem einzelnen dehnbaren Draht. Im Fall
einer Kollision wird der Draht gedehnt, wodurch sich der Widerstand
des Drahtes verändert. Über die
Widerstandsänderung
kann die Kollision detektiert werden.
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Damit
rechtzeitig aktive Gegenmaßnahmen eingeleitet
werden können,
ist es wichtig, dass die Art der Kollision schnell erkannt wird,
damit automatisch geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Um
aber die Art der Kollision feststellen zu können, sind unter anderen ortsauflösende Kollisionssensoren
erforderlich.
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Aus
der
DE 103 56 142
A1 ist ferner ein Kollisionssensor bekannt, bei dem zwei
streifenförmige Leiter
bei einer Kollision in Kontakt gebracht werden. Die Enden eines
der beiden Leiter sind über
Messwiderstände
auf Masse gelegt. Durch Spannungsmessungen an den Messwiderständen kann
auf den Ort und die Art einer Kollision geschlossen werden.
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Solche
Kollisionssensoren müssen
auch unter rauen Umgebungsbedingungen sicher funktionieren. Insbesondere
darf die Funktion der Kollisionssensoren weder durch Schmutz noch
durch Feuchtigkeit oder hohe und niedrige Temperaturen beeinträchtigt werden.
Da in der Automobilindustrie ferner ein hoher Kostendruck herrscht,
müssen
die Kollisionssensoren einfach und kostengünstig herstellbar sein. Im Übrigen muss
auch die Montage möglichst einfach
sein.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein für
den Einsatz in der Automobilindustrie geeigneten Kollisionssensor
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Kollisionssensor mit den Merkmalen des
unabhängigen
Anspruchs gelöst.
In davon abhängigen
Ansprüchen sind
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Bei
dem Kollisionssensor laufen entlang der Oberfläche eines Prallkörpers Leiterbahnen,
die von einer Abstandshalterung untereinander im Abstand gehalten
werden. Bei einer Kollision des Prallkörpers mit einem externen Körper wird
der Prallkörper
verformt. Dadurch werden die Leiterbahnen in Kontakt ge bracht. Durch
Messung des Widerstands kann folglich eine Kollision detektiert
werden. Da für
die Herstellung des Kontaktsensors lediglich eine Vielzahl von Leiterbahnen
in einem Prallkörper
nötig ist, kann
der Kollisionssensor kostengünstig
hergestellt werden. Der Kollisionssensor kann auch in einen herkömmlichen
Prallkörper
integriert werden, der einfach montierbar ist. Ist eine der Leiterbahnen
filamentartig strukturiert und in Form einer Schleife im Prallkörper angeordnet,
so können
die beiden Enden des Drahts mit Hilfe einer gemeinsamen mechanischen Steckverbindung
kontaktiert werden. Die Funktionsfähigkeit des Kollisionssensors
kann durch ein Überwachen
des Widerstands der Drahtschleife sichergestellt werden.
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Vorzugsweise
weisen die Leiterbahnen unterschiedliche Widerstände pro Längeneinheit auf. Dies ermöglicht,
insbesondere bei einem mehrfachen Kontakt zwischen den Leiterbahnen
zusätzliche Informationen über die
Lage und die Ausdehnung der Kollision zu gewinnen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind zwischen den Leiterbahnen definierte Engstellen ausgebildet,
die im Kollisionsfall an vorbestimmten Orten eine leitende Verbindung
zwischen den Leiterbahnen herstellen. Da der Kontakt zwischen den
Leiterbahnen auf vorbestimmte Weise zustande kommt, wird eine Zerstörung der
Leiterbahnen bei einer Verformung des Prallkörpers nach Möglichkeit
verhindert.
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Bei
einer abgewandelten Ausführungsform erstreckt
sich eine filamentartige Leiterbahn zwischen entgegen gesetzten
Enden des Prallkörpers und
ist dort jeweils mit Hilfe von mechanischen Steckverbindungen kontaktierbar.
Diese Ausführungsform
gestattet mit Hilfe einer Widerstandsmessung an der Leiterbahn auch
die Ausdehnung der Kollision zu bestimmen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens eine der Leiterbahnen ein Draht. Derartige Drähte können im Allgemeinen
kostengünstig
beschafft und leicht verarbeitet werden.
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Um
die Lage und Ausrichtung des Drahts im Prallkörper zu sichern, kann eine
Spannvorrichtung vorgesehen sein, die die Drahtschleife mit Federkraft beaufschlagt.
Eine derartige Feder kann beispielsweise an einem Umkehrpunkt der
Drahtschleife angreifen.
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Ferner
kann eine Vorrichtung zum Trimmen des Widerstandswerts der Drahtschleife
vorgesehen sein. Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise eine
Trimmschleife sein, deren Durchmesser oder Windungszahl veränderbar
ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist neben dem Draht ein Leiterband aus einem elektrischen leitenden
Material vorgesehen, das bei einer Kompression des Prallkörpers in
Kontakt mit dem Draht gebracht wird. Bei dieser Ausführungsform wird
auch bei einer vom Regelfall abweichenden Verformung des Prallkörpers eine
elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Leiterband und dem Draht auftreten,
da anzunehmen ist, dass sich ein großflächiges Leiterband und der Draht
kaum verfehlen werden.
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Die
Leiterbahnen werden vorzugsweise mit Hilfe von komprimierbaren Abstandshaltern
auf Abstand gehalten. Auf diese Weise tritt keine elektrisch leitende
Verbindung ohne Kollision auf.
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Zur
Bestimmung des Kollisionsortes kann eine Auswerteeinheit vorgesehen
sein, die den Widerstand zwischen Anschlüssen der Leiterbahnen im Prallkörper bestimmt.
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Bei
dem Prallkörper
handelt es sich schließlich
vorzugsweise um die Stoßstange
eines Kraftfahrzeugs.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
Aufsicht auf einen aufgeschnittenen Prallkörper, der mit einem Kollisionssensor
versehen ist;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
des Prallkörpers
aus 1;
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3 eine
Seitenansicht auf den aufgeschnittenen Prallkörper aus den 1 und 2 im kollisionsfreien
Zustand;
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4 eine
Seitenansicht auf den Prallkörper aus 3 im
Kollisionsfall; und
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5 eine
Aufsicht auf einen aufgeschnittenen Prallkörper, der mit einem abgewandelten
Kollisionssensor versehen ist.
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1 zeigt
eine Aufsicht auf einen aufgeschnittenen Prallkörper 1, der einen
Trägerkörper 2 umfasst.
Der Prallkörper 1 kann
beispielsweise eine Stoßstange
eines Kraftfahrzeugs sein. Der Trägerkörper 2 ist vorzugsweise
aus einem elektrisch isolierenden Material, zum Beispiel aus Kunststoff
hergestellt. An einem Ende des Trägerkörpers 2 ist ein Membranfilter 3 auf
der Basis von Polytetrafluorethylen vorgesehen, über das sich ein Innenraum 4 des Trägerkörpers 2 belüften lässt. Vorzugsweise
ist das Membranfilter 3 so ausgebildet, dass Spritzwasser abgewiesen
wird.
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Im
Innenraum 4 des Trägerkörpers 2 ist
nun ein Draht 5 angeordnet, dessen beiden Enden auf einer
Seite des Trägerkörpers 2 zu
einem Stecker 6 herausgeführt sind. Der Stecker 6 vermittelt
auch Kontakt zu einer Anschlussleitung 7, die zu einem
Metallband 8 führt,
dessen Umriss in 1 durch eine gestrichelte Linie
angedeutet ist.
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Im
Bereich einer Umkehrschleife 9 des Drahts 5 ist
eine Spannvorrichtung 10 vorgesehen, die den Draht 5 im
Innenraum 4 des Trägerkörpers 2 unter
Spannung hält.
Der Draht 5 wird dabei gegen Widerstandstrimmschleifen 11 gespannt,
die zusätzlich
dazu dienen, den Widerstand des Drahts 5 im Innenraum 4 einzustellen.
Zu diesem Zweck umfassen die Widerstandstrimmschleifen 11 einen
drehbaren Bolzen aus einem leitenden Material, auf den der Draht 5 aufgewickelt
ist. Durch Drehen des Bolzens kann der Draht 5 auf- oder
abgewickelt werden. Dadurch kann die abgewickelte Länge des
Drahts 5 variiert und der Widerstand des Drahts 5 eingestellt werden.
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Der
Draht 5 ist vorzugsweise aus einem Material gefertigt,
dessen spezifischer Widerstand bei typischen Drahtquerschnittsflächen eine
einfache Widerstandsmessung zulässt.
Ferner sollte der spezifische Widerstand des Drahts 5 nach
Möglichkeit unabhängig von
Temperaturschwankungen sein. Außerdem sollte das für den Draht 5 verwendete
Material rostfrei sein. Derartige Materialien sind beispielsweise
Legierungen auf der Basis von Kupfer, Nickel und Mangan. Außerdem kommen
so genannte Manganbronzen mit einem Anteil von 12 bis 14 % Mangan
in Frage. Diese Legierungen weisen typischerweise einen spezifischen
Widerstand im Bereich von 0,40 bis 0,50 Ω mm2/m
und einen Temperaturbeiwert α < 10–3 auf.
Der Temperaturbeiwert α gibt
an, um das Wievielfache der Widerstand je 1°C Temperaturerhöhung steigt.
Vorzugsweise sollte der spezifische Widerstand des verwendeten Materials
oberhalb von 0,1 Ω mm2/m liegen.
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Wenn
der Prallkörper 1 die
Stoßstange
eines Kraftfahrzeugs ist, sollte der Widerstand des Drahts 5 pro
Meter vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 Ω und 10 kΩ liegen. Bei diesen Widerstandswerten
ist die Drahtquerschnittsfläche
ausreichend groß,
um die mechanische Festigkeit des Drahts 5 zu gewährleisten.
Außerdem
kann der Widerstand des Drahts mit einfachen Mitteln gemessen werden.
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Bei
einer Kollision zwischen einem externen Körper und dem Prallkörper 1 wird
der Trägerkörper 2 eingebeult.
Dadurch wird das Metallband 8 auf den Draht 5 gedrückt. Die
vom Draht 5 gebildete Drahtschleife wird dadurch kurzgeschlossen.
An Kontaktstellen 12 des Drahts 5 kann dann mit
Hilfe einer Auswerteeinheit 13 eine Änderung des Widerstands des Drahts 5 im
Trägerkörper 2 festgestellt
werden. Aus dem Maß der
Widerstandsänderung
lässt sich
weiterhin auf den Ort der Kollision schließen. Da der Draht 5 bei
einer Kollision reißen
kann, ist es zweckmäßig, zusätzliche
Messungen zwischen einer dem Metallband 8 zugeordneten
Kontaktstelle 14 und einer der Kontaktstellen 12 vorzunehmen.
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Die
Bestimmung des Kollisionsortes sei im Folgenden anhand eines Beispiels
erläutert.
Der Widerstand zwischen den Kontaktstellen 12 betrage beispielsweise
im kollisionsfreien Zustand 200 Ω. Dieser Wert zeigt an, dass
der Kollisionssensor in Ordnung ist. Wenn im mittleren Bereich des
Prallkörpers 1 eine
Kollision stattfindet, wird durch den äußeren Druck das Metallband 8 in
Kontakt mit dem Draht 5 gebracht. Durch den Kurzschluss
der vom Draht 5 gebildeten Drahtschleife durch das Metallband 8 reduziert
sich der zwischen den Kontaktstellen 12 gemessene Widerstand
auf etwa 100 Ω.
Zwischen den Kontaktstellen 12 und 14, zwischen
denen der Leitwert im kollisionsfreien Zustand gleich Null ist,
wird dagegen ein Widerstand von jeweils 50 Ω gemessen.
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2 zeigt
eine vergrößerte Seitenansicht des
Prallkörpers 1.
In 2 sind weitere Einzelheiten des Kollisionssensors
dargestellt.
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Insbesondere
ist erkennbar, dass der Draht 5 von Haltenoppen 15 gehalten
ist. Die Haltenoppen 15 dienen zum einen dazu, einen ausreichenden
Abstand zum Trägerkörper 2 zu
wahren.
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Am
Metallband 8 sind in regelmäßigen Abständen zur Wand des Trägerkörpers 2 weisende Drucknasen 17 und
zum Draht 5 ausgerichtete Kontaktnasen 18 vorgesehen.
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In 3 ist
die Anordnung der Haltenoppen 15, der Abstandsnoppen 16,
des Drahts 5 sowie des Metallbands 8 mit den Drucknasen 17 und
Kontaktnasen 18 deutlich erkennbar. Der Abstand zwischen dem
Metallband 8 und dem Draht 5 ist so gewählt, dass
die Kontaktnasen 18 den Draht 5 im kollisionsfreien
Zustand nicht berühren.
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Wie
in 4 dargestellt, wird bei Einwirken einer äußeren Kraft 19 auf
den Prallkörper 1 der
Trägerkörper 2 verformt.
Dadurch drückt
die Wand des Trägerkörpers 2 auf
die Drucknasen 17 des Metallbands 8 und die Kontaktnasen 18 des
Metallbands 8 treten in Kontakt mit dem Draht 5.
Dadurch wird der Draht 5 kurzgeschlossen und durch eine Überwachung
des Widerstands mit Hilfe einer Messung an den Kontaktstellen 12 und 14 kann
die Kollision detektiert werden.
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Das
bisher beschriebene Ausführungsbeispiel
kann auf verschiedene Art und Weise abgewandelt werden.
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Beispielsweise
kann das Metallband in die Wand des Trägerkörpers 2 integriert
sein. Das Metallband 8 kann dabei durch Einpressen, Heißverstemmen
oder Einkleben am Trägerkörper 2 befestigt
werden. Eine weitere Möglichkeit,
das Metallband 8 am Trägerkörper 2 zu
befestigen, wäre,
die Enden des Metallbands um den einen Boden des Trägerkörpers herumzubiegen,
so dass die Enden des Metallbands 8 jeweils die Enden des
Bodens des Trägerkörpers 2 umschließen.
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Wenn
für den
Draht 5 kein Widerstandsdraht verwendet wird, sondern ein
metallischer Draht mit den typischen Leitfähigkeitswerten von Metall,
ist die Funktion des hier beschriebenen Kollisionssensors auf die
Funktion eines einfachen Druckschalters reduziert. In diesem Fall
kann der Kollisionsort nicht durch eine einfache Widerstandsmessung
bestimmt werden.
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Bei
einem weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiel sind in einem
Prallkörper
von der Art des Prallkörpers 1 zwei
unabhängige
Drahtschleifen angeordnet, denen jeweils ein separates Metallband 8 zugeordnet
ist. Beispielsweise können
derartige Drucksensoren jeweils in die linke und rechte Hälfte einer
Stoßstange
eines Kraftfahrzeugs integriert sein.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
ist in 5 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind im Prallkörper 1 neben dem
Metallband 8 nebeneinander verlaufende Drähte 20 und 21 vorgesehen,
die sich jeweils von einem Ende 22 des Prallkörpers 1 zu einem
entgegen gesetzten Ende 23 erstreckt. An den Enden 22 und 23 des
Prallkörpers 1 sind
die Drähte 20 und 21 jeweils
zu Stecker 24 und 25 geführt.
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Das
in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel bietet den Vorteil,
dass über
eine Widerstandsmessung an Kontaktstellen 26 im Stecker 24 und
an Kontaktstellen 27 im Stecker 25 nicht nur der
Ort der Kollision, sondern auch deren Ausdehnung bestimmen lässt.
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Dies
sei an einem Beispiel erläutert.
Wenn der Widerstand einer der beiden Drähte 20 und 21 im kollisionsfreien
Zustand 100 Ω beträgt und wenn nach
einer Kollision der Widerstand eines der Drähte 20 oder 21 aufgrund
eines streckenweisen Kurzschlusses über das Metallband 8 auf
50 Ω fällt, kann daraus
geschlossen werden, dass der Prallkörper 1 über etwa
die Hälfte
seiner Länge
komprimiert ist oder zumindest Kontakt zwischen dem Metallband 8 und
den Drähten 20 oder 21 an
Orten besteht, die in etwa eine Strecke auseinander liegen, deren
Länge gleich
der halben Länge
des Prallkörpers 1 ist.
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Durch
eine paarweise Widerstandsmessung an den Kontaktstellen 26 oder 27 kann
dann zusätzlich
wie bei dem Ausführungsbeispiel
aus den 1 bis 4 der Ort
der Kollision bestimmt werden.
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Diese
Widerstandsmessungen werden von einer an die Kontaktstellen 14, 26 und 27 angeschlossene
Auswerteeinheit 28 vorgenommen.
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Mit
dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel können somit
zusätzliche
Informationen gewonnen werden.
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Weitere
Abwandlungen betreffen die Gestaltung der im Prallkörper 1 verlaufenden
Leiterbahnen, die bei den hier be schriebenen Ausführungsbeispielen
von den Drähten 5, 20 und 21 sowie
dem Metallband 8 gebildet sind.
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Beispielsweise
ist es möglich,
anstelle der Drähte
Leiterbahnen auf Leiterplatten zu verwenden.
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Ferner
sei angemerkt, dass neben metallischen Materialien auch nichtmetallische
Materialien zum Ausbilden von Leiterbahnen im Prallkörper 1 in Frage
kommen, sofern sie ausreichend witterungsbeständig sind und für eine Ortbestimmung
geeignete Widerstandswerte aufweisen.
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Ferner
kann auch daran gedacht werden, zur Vermeidung von Temperatureinflüssen in
einer Leiterbahn Bahnabschnitte aus Materialien mit positiven und
negativen Temperaturbeiwert so in Reihe zu schalten, dass die Leiterbahn
in einem beim Betrieb abgedeckten Temperaturbereich so gut wie keine Temperaturabhängigkeit
aufweist.
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Falls
umgekehrt eine Temperaturkompensation nicht möglich ist, kann ein Temperatursensor
im Prallkörper
vorgesehen sein. Mit dem vom Temperatursensor gelieferten Messwert
kann die Widerstandsmessung korrigiert werden. Für den Temperatursensor kann
aber auch ein standardmäßig eingebauter
Außentemperaturfühler verwendet
werden.
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Die
hier beschriebenen Kollisionssensoren sind einfach und robust aufgebaut.
Außerdem
können
sie auf einfache Weise hergestellt und montiert werden. Sie sind
daher für
den Einsatz in der Automobilindustrie geeignet.
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- 1
- Prallkörper
- 2
- Trägerkörper
- 3
- Membranfilter
- 4
- Innenraum
- 5
- Draht
- 6
- Stecker
- 7
- Anschlussleitung
- 8
- Metallband
- 9
- Umkehrschleife
- 10
- Spannvorrichtung
- 11
- Widerstandstrimmschleife
- 12
- Kontaktstelle
- 13
- Auswerteeinheit
- 14
- Kontaktstelle
- 15
- Haltenoppe
- 16
- Abstandsnoppe
- 17
- Drucknase
- 18
- Kontaktnase
- 19
- Kraft
- 20
- Draht
- 21
- Draht
- 22
- Ende
- 23
- Ende
- 24
- Stecker
- 25
- Stecker
- 26
- Kontaktstelle
- 27
- Kontaktstelle
- 28
- Auswerteeinheit