DE3542397A1 - Anordnung zur funktionspruefung von piezoelektrischen beschleunigungsaufnehmern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Funktionsprüfung von piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern, die mehrere mit Elektroden versehene piezoelektrische Elemente aufweisen, von denen mindestens eines als Meßsensor bei Beaufschlagung durch eine von der aufzunehmenden Beschleunigung verursachte Kraft eine elektrische Reaktionsspannung erzeugt.

Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer mit einem als Ringscheibe ausgebildeten piezoelektrischen Element sind z. B. aus der DE-OS 30 29 847 und der DE-PS 30 37 835 bekannt. Ein aus dem Buch "Sensor and Analyzer Handbook" Prentice-Hall, Inc., 1982 bekannter piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer besitzt zwei aufeinander liegende ringförmige Scheiben aus Quarzkristall als piezoelektrisches Element. Die beiden Quarzkristallscheiben sind am Rande mit einer Metallisierung versehen. Als Bimorph- Biegeelement ausgebildete piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer sind in dem Valvo Datenbuch über "Piezoxide (PXE)" 1985 beschrieben.

Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer werden zunehmend für Aufgaben mit hohen Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit eingesetzt. In Kraftfahrzeugen werden piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer als Aufprallsensoren verwendet, z. B. zur Auslösung von Gurtstraffer-Systemen oder zur Auslösung einer Luftsackfüllautomatik, wobei sich bei einem Aufprall die Gurte straffen bzw. vor dem Fahrer ein Luftsack aufbläst. Ferner benutzt man piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer in Kraftfahrzeugen als Klopfsensoren, um beim Auftreten von Klopferscheinungen die Zündelektronik des Motors entsprechend nachzuregeln. Bei derartigen Einsätzen von piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern ist eine periodische Überprüfung deren Funktion erforderlich. Diese Prüfung darf sich nicht auf die Elektronik beschränken. Zur Prüfung von piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern könnte man deren Kapazität messen, wobei man jedoch nur die Anwesenheit der piezoelektrischen Elemente und nicht die Funktion dieser Elemente sowie der gesamten Anordnung, in der diese Elemente aufgenommen sind, prüft.

Aus den DE-OS 31 03 061 und 32 41 601 sind piezoelektrische Stellglieder bekannt mit mehreren scheibenförmigen Piezoelementen, von denen eines zeitweise als Meßsensor verwendet wird. Zu diesem Zweck werden die Elektroden dieses Elementes gesondert aus dem Paket der Piezoelemente herausgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, die Arbeit des Stellgliedes oder das Verhalten des Stellmediums zu überwachen. Derartige piezoelektrische Stellglieder bewirken eine mechanische Verschiebung und können z. B. in Kraftstoffeinspritzventilen eingesetzt werden. Sie erzeugen keine elektrische Reaktionsspannung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Funktionsprüfung von piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern mit mehreren piezoelektrischen Elementen zu schaffen, von denen mindestens eines ständig als Meßsensor dient.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß wenigstens eines der piezoelektrischen Elemente zeitweise als Aktuator für das (die) andere(n) Piezoelement(e) dient, indem den Elektroden des Aktuatorelementes eine elektrische Prüfspannung zugeführt wird.

Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur das als Meßsensor wirkende piezoelektrische Element in seiner Funktion zu prüfen, sondern die gesamte Schaltungsanordnung, in welche dieses Element aufgenommen ist. Bei Einsatz in Kraftfahrzeugen kann die Funktionsprüfung des piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers z. B. jeweils bei Betätigung des Zündschlüssels erfolgen.

Um an die Elektroden des Aktuatorelements die elektrische Prüfspannung anlegen zu können, besitzt der Beschleunigungsaufnehmer vorzugsweise zwei aufeinander liegende piezoelektrische Scheiben bzw. Platten, deren Mittel- und Außenelektroden mit Kontaktanschlüssen versehen sind.

Die piezoelektrischen Elemente können Platten eines einseitig an einem Grundkörper befestigten Bimorph- Biegelementes sein (vgl. Valvo Datenbuch über "Piezoxide (PXE)" 1985).

Bei einem anderen für die Zwecke der Erfindung geeigneten piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer sind die piezoelektrischen Elemente axial polarisierte Ringscheiben, die unter Zwischenfügung von Kontaktscheiben zusammen mit einer seismischen Masse unter Vorspannung an einem Grundkörper befestigt sind. Hierbei dient eine der Ringscheiben als Meßsensor und die andere als Aktuatorelement zum Prüfen des Beschleunigungsaufnehmers.

Zweckmäßigerweise ist an die Elektroden bzw. Kontaktscheiben des Aktuatorelementes ein Prüfimpuls-Generator und an die Elektroden bzw. Kontaktscheiben des als Meßsensor wirkenden piezoelektrischen Elementes eine Auswerteschaltung mit einer Funktionsanzeige angeschlossen. Hierbei kann in die Versorgungsleitung des Prüfimpuls-Generators ein Ein/Aus-Schalter und zwischen Auswerteschaltung und Funktionsanzeige ein Umschalter eingefügt sein, der mit dem Ein/Aus-Schalter gekoppelt ist und in der Aus-Stellung dieses Schalters die Auswerteschaltung mit einer Funktionseinheit verbindet.

Wenn zur Erzeugung der Prüfspannung nur eine möglicherweise nicht ausreichende Niedervoltspannungsquelle zur Verfügung steht, wie es z. B. in Kraftfahrzeugen mit einer Autobatterie von 12 V der Fall ist, enthält gemäß einer Weiterbildung der Anordnung nach der Erfindung der Prüfimpuls- Generator eine Induktivität, die mit dem Aktuatorelement in Reihe schaltbar ist und dessen Prüfspannung erzeugt.

Einige Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Anordnung zur Funktionsprüfung eines als Bimorph-Biegeelement ausgebildeten piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers,

Fig. 2 die Schaltung eines bei der Anordnung nach Fig. 1 verwendeten Prüfimpuls-Generators,

Fig. 3 einen mit zwei axial polarisierten Ringscheiben versehenen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer mit einer Prüfanordnung nach der Erfindung.

Der piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer nach Fig. 1 ist als Bimorph-Biegeelement 1 ausgebildet. Er besteht aus zwei streifenförmigen Platten 2 und 3 aus piezoelektrischem Material, z. B. aus Blei-Titanat/Zirkonat- Keramik. Die beiden Platten 2 und 3 sind in ihrer Dickenrichtung polarisiert. Ihre gemeinsame Mittelelektrode 4 war während des Polarisiervorganges mit einer positiven Spannung verbunden, während die Außenelektrode 5 der Platte 2 und die Außenelektrode 6 der Platte 3 mit einer negativen Spannung verbunden waren. Die beiden Platten 2 und 3 sind durch Kleben miteinander verbunden. Das gesamte Biegeelement 1 ist z. B. durch Klebung auf einem massiven Grundkörper 7 aus Messing befestigt, der sich im Motorraum eines Kraftfahrzeuges befinden kann. Die Platte 2 ist etwas kürzer als die Platte 3, so daß die gemeinsame Mittelelektrode 4 von außen zugängig ist. Dieser Teil der Mittelelektrode 4, die Außenelektrode 5 selbst sowie der metallene Grundkörper 7 dienen als Kontaktanschlüsse für die Elektroden.

Die Platte 2 dient als Meßsensor für eine aufzunehmende Beschleunigung. An die Elektroden 4 und 5 dieser Meßsensorplatte 2 ist eine Auswerteschaltung 8 angeschlossen, welche die durch eine von der aufzunehmenden Beschleunigung verursachte Kraft erzeugte elektrische Reaktionsspannung auswertet, gegebenenfalls verstärkt und dann über einen Umschalter 9 an eine Funktionseinheit 10 weitergibt, welche z. B. einen Gurtstraffer oder Luftsackfüller in einem Kraftfahrzeug auslöst.

An die Elektroden 4 und 6 der als Aktuatorelement dienenden Platte 3 ist ein Prüfimpuls-Generator 11 angeschlossen, der über einen Ein/Aus-Schalter 12 an eine Spannungsquelle U _B , z. B. eine 12 V-Autobatterie anschließbar ist. Die beiden Schalter 9 und 12 sind miteinander gekoppelt. In der Schalterstellung a ist der Prüfimpuls-Generator 11 von der Spannungsquelle U _B getrennt und die Auswerteschaltung 8 mit der Funktionseinheit 10 verbunden. In dieser Schalterstellung wirkt das Biegeelement 1 als Beschleunigungsaufnehmer.

Zur Funktionsprüfung werden die beiden Schalter 9 und 12 in die Stellung b umgeschaltet. Hierbei wird der Prüfimpuls- Generator 11 an die Spannungsquelle U _B angeschlossen, so daß er einen oder mehrere Prüfimpulse auf die Elektroden 4 und 6 der piezoelektrischen Platte 3 gibt. Durch Anlegen der Prüfspannung an die piezoelektrischen Platte 3 verformt sich diese und übt auf die Meßsensor- Platte 2 eine mechanische Kraft aus, welche wiederum in der Platte 2 eine elektrische Reaktionsspannung hervorruft. Diese Reaktionsspannung wird auf die Auswerteschaltung 8 und von dort über den Umschalter 9 auf eine Funktionsanzeige 13 gegeben, welche z. B. bei Funktionieren der Anordnung ein entsprechendes Zeichen gibt oder bei Nichtfunktionieren der Anordnung ein Warnsignal auslöst.

Fig. 2 zeigt Schaltungseinzelheiten des zur Funktionsprüfung des Biegeelementes 1 verwendeten Prüfimpuls- Generators 11. Diese Schaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn für das Aktuatorelement eine hohe Steuerspannung erforderlich ist, aber nur eine relativ kleine Betriebsspannung U _B , z. B. aus einer 12 V-Autobatterie, zur Verfügung steht. An die Spannungsquelle U _B ist über den Ein/Aus-Schalter 12 eine Induktivität 14 in Reihe mit einem Transistor 15 geschaltet. Zwischen Induktivität 14 und Transistor 15 ist eine Diode 16 angeschlossen, welche mit der Elektrode 6 der als Meßsensor dienenden piezoelektrischen Platte 3 des Biegeelementes 1 verbunden ist. Parallel zur Meßsensor-Platte 3 ist die Reihenschaltung eines Widerstandes 17 und eines weiteren Transistors 18 geschaltet. Die Basen der beiden Transistoren 15 und 18 sind an eine Steuereinrichtung 19 angeschlossen, welche diese beiden Transistoren steuert.

Für die Funktionsprüfung des Biegeelementes 1 wird über die Steuereinrichtung 19 der Transistor 15 zunächst leitend geschaltet. Die als Induktivität dienende Spule 14 nimmt dann eine Energie 1/2 LI ² auf, wobei I von der Einschaltdauer und der Zeitkonstanten der Spule 14 abhängt und somit steuerbar ist. Anschließend wird der Transistor 15 wieder ausgeschaltet. Die Energie der Spule 14 wird dann über die Diode 16 auf das Aktuatorelement 3, das eine Kapazität C besitzt, übertragen und ergibt dort eine Spannung U = I√L/C. Gegebenenfalls kann durch wiederholtes Ein- und Ausschalten des Transistors 15 die Spannung am Aktuatorelement 3 soweit erhöht bzw. im zeitlichen Verlauf beeinflußt werden, daß an der Außenelektrode 5 des Meßsensor-Elementes 2 eine anwendungstypische Reaktionsspannung abgenommen werden kann. Nach Durchführung des Prüfprogrammes wird der Transistor 18 eingeschaltet, worauf über den Strombegrenzungswiderstand 17 eine definierte, durch mehrfaches Schalten auch im zeitlichen Verlauf beeinflußbare Entladung des Aktuatorelementes 3 erfolgt.

Der in Fig. 3 dargestellte piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer besitzt zwei axial polarisierte Ringscheiben 22und 23, von denen die Ringscheibe 22 als Meßsensor und die Ringscheibe 23 als Aktuator dient. Die beiden Ringscheiben 22 und 23 sind unter Zwischenfügung einer mittleren Kontaktscheibe 24 und zweier äußerer Kontaktscheiben 25 und 26 auf einem rohrförmigen Isolierkörper 27 angeordnet. Auf dieses Paket ist ein Isolierring 28 aufgesetzt und darauf eine schwere seismische Masse 29, z. B. aus Messing. Die seismische Masse 29 ist mit einer Mittelbohrung versehen, durch die ein Schraubbolzen 30 hindurchgeführt ist, mit dessen Hilfe das Ganze an einem Grundkörper 31 befestigt ist. Zwischen den Kopf des Schraubbolzens 30 und der seismischen Masse 29 ist eine tellerförmige Federscheibe 32 angeordnet, welche die Ringscheiben 22 und 23 unter Vorspannung hält. Der Grundkörper 31 mit dem auf ihm montierten Beschleunigungsaufnehmer kann z. B. im Motorraum eines Kraftfahrzeuges untergebracht werden. An die Kontaktanschlüsse 24 a und 26 a der Kontaktscheiben 24 und 26 der als Aktuatorelement dienenden Ringscheibe 23 ist wiederum ein Prüfimpuls- Generator 11 angeschlossen, während die Kontaktanschlüsse 24 a und 25 a der Kontaktscheiben 24 und 25 der als Meßsensor wirkenden Ringscheibe 22 mit einer Auswerteschaltung 8 verbunden ist. Die weiteren Anschlüsse des Prüfimpuls-Generators 11 und der Auswerteschaltung 8 entsprechen der in Fig. 1 dargestellten Schaltunganordnung.

Claims (7)

1. Anordnung zur Funktionsprüfung von piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern, die mehrere mit Elektroden versehene piezoelektrische Elemente aufweisen, von denen mindestens eines als Meßsensor bei Beaufschlagung durch eine von der aufzunehmenden Beschleunigung verursachte Kraft eine elektrische Reaktionsspannung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der piezoelektrischen Elemente (3 bzw. 23) zeitweise als Aktuator für das (die) andere(n) Piezoelement(e) (2 bzw. 22) dient, indem den Elektroden (4, 6 bzw. 24, 26) des Aktuatorelementes eine elektrische Prüfspannung zugeführt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsaufnehmer zwei aufeinander liegende piezoelektrische Scheiben (22, 23) bzw. Platten (2, 3) besitzt, deren Mittel- (4 bzw. 24) und Außenelektroden (5, 6 bzw. 25, 26) mit Kontaktanschlüssen (24 a, 25 a, 26 a) versehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente Platten (2, 3) eines einseitig an einem Grundkörper (7) befestigten Bimorph- Biegeelementes (1) sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente axial polarisierte Ringscheiben (22, 23) sind, die unter Zwischenfügung von Kontaktscheiben (24, 25, 26) zusammen mit einer seismischen Masse (29) unter Vorspannung an einem Grundkörper (31) befestigt sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden (4, 6) bzw. Kontaktscheiben (24, 26) des Aktuatorelementes (3 bzw. 23) ein Prüfimpuls-Generator (11) und an die Elektroden (4, 5) bzw. Kontaktscheiben (24, 25) des als Meßsensor wirkenden piezoelektrischen Elementes (2 bzw. 22) eine Auswerteschaltung (8) mit einer Funktionsanzeige (13) angeschlossen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Versorgungsleitung des Prüfimpuls-Generators (11) ein Ein/Ausschalter (12) und zwischen Auswerteschaltung (8) und Funktionsanzeige (10) ein Umschalter (9) eingefügt ist, der mit dem Ein/Ausschalter (12) gekoppelt ist und in der Aus-Stellung dieses Schalters die Auswerteschaltung mit einer Funktionseinheit (10) verbindet.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfimpuls-Generator (11) eine Induktivität (14) enthält, die mit dem Aktuatorelement (3) in Reihe schaltbar ist und dessen Prüfspannung erzeugt.