DE4142698A1

DE4142698A1 - Einrichtung zur messung einer variablen

Info

Publication number: DE4142698A1
Application number: DE4142698A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Mattes; Michael Dipl Ing Henne
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-12-21
Filing date: 1991-12-21
Publication date: 1993-07-01
Also published as: SE9203826D0; GB2262609A; GB9224580D0; SE9203826L; JPH05264288A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Messung einer Variablen nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Zur Messung beliebiger Variabler wird üblicherweise ein Sensor ver wendet, dessen Ausgangssignal in einer nachfolgenden Auswerteschal tung weiterverarbeitet und beispielsweise verstärkt wird.

Als Beispiel einer solchen Meßeinrichtung mit einer Verstärkeranord nung sei ein aus der DE-OS 33 34 603 bekannter Beschleunigungsauf nehmer genannt, der Beschleunigungen im Kraftfahrzeug erfaßt, insbesondere die Beschleunigungen, die bei Verzögerungen des Fahrzeuges infolge eines Aufpralls auftreten und die zu einer Auslösung für sogenannte Airbags oder Gurtstraffer benötigt werden. Die bekannte Einrichtung hat jedoch den Nachteil, daß zwar Offsetdriften infolge von Temperatureinflüssen kompensiert werden, eine Anpassung der Empfindlichkeit ist jedoch nicht vorgesehen.

Aus der DE-OS 27 20 484 ist eine beschleunigungsempfindliche Ein richtung bekannt, bei der das Ausgangssignal eines Beschleunigungs sensors in einem Verstärker mit veränderbarer Verstärkung verstärkt wird, wodurch die Gesamtempfindlichkeit der Detektorschaltung verändert werden kann. Diese Veränderung der Empfindlichkeit wird bei spielsweise in Abhängigkeit von Umgebungseinflüssen vorgenommen, beispielsweise wird bei eingeschaltetem Scheinwerfer die Beschleuni gungserkenneinrichtung empfindlicher eingestellt, da bei Nacht eine vorsichtigere Fahrweise zu erwarten ist. Ein Nachteil dieser Ein richtung ist, daß die Empfindlichkeit nur einheitlich über den ge samten zu erfassenden Bereich verändert werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung einer Variablen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die unterschiedliche Verstärkung in Abhängigkeit von der zu messenden Variablen, beispielsweise der Beschleunigung, eine hohe Empfindlichkeit bei kleiner Beschleunigung und eine klei nere Empfindlichkeit bei großer Beschleunigung erhalten wird, so daß gerade im besonders kritischen Bereich relativ kleiner Beschleunigungen, besonders zuverlässige und genaue Messungen möglich sind.

Im Zusammenhang mit einer Unfallerkennung ist gerade bei solchen kritischen Beschleunigungen von wenigen g eine zuverlässige und genaue Auswertung möglich.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß der verfügbare Spannungshub, der beim Einsatz herkömmlicher Sensoren vorliegt, besser ausgenutzt wird als bei bekannten Systemen mit konstanter Empfindlichkeit.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung möglich.

Bei Verwendung von zwei identischen Sensoren ist ein Vergleich der beiden Ausgangssignale zur Fehlererkennung auch dann möglich, wenn die zu messende Variable klein ist, da gerade in diesem Fall eine besonders große Empfindlichkeit vorliegt.

Zeichnung

Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 die Ausgangsspannung eines Beschleunigungssensors über der Beschleuni gung, wobei die durchgezogene Kurve für eine zulässige Verstärkung und die gestrichelte Kurve für eine unzulässige Verstärkung gilt. In Fig. 2 ist die Ausgangsspannung eines Sensors über der Beschleu nigung bei umschaltbarer Verstärkung aufgetragen. Die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch zwei mögliche Sensor- bzw. Auswerteanordnungen.

In Fig. 1 ist die verstärkte Ausgangsspannung U (in Volt) eines Beschleunigungssensors über der Beschleunigung a (in g) auftragen, wobei sich der angegebene Bereich etwa von -40 g bis +40 g erstreckt. Der üblicherweise ausgewertete Übertragungsbereich Ü erstreckt sich von -35 g bis +35 g.

Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, schwankt die verstärkte Ausgangsspan nung eines Beschleunigungssensors in Abhängigkeit von der Beschleu nigung a etwa zwischen 0 und 5 Volt. Die beiden Sensorkennlinien 10 und 11 der Fig. 1 geben zwei Spannungsverläufe für unterschiedliche Verstärkungen wieder, wobei beide Kurven parabelförmig verlaufen.

Der mit 10 bezeichnete Spannungsverlauf U(a) weist ein Maximum S1 auf, das außerhalb des relevanten Übertragungsbereiches Ü liegt, eine Auswertung innerhalb dieses Übertragungsbereiches liefert daher eindeutige Zusammenhänge zwischen der verstärkten Ausgangsspannung U des Sensors und der Beschleunigung a.

Der Spannungsverlauf nach 11 weist dagegen ein Maximum S2 innerhalb des Übertragungsbereiches Ü auf und ist daher nicht eindeutig auszuwerten, solche Kennlinien sind durch geeignete Einstellung der Verstärkung zu vermeiden.

Für die erreichbare Empfindlichkeit E gilt:
E=U/a=K1·a+K2.

Der Verlauf der verstärkten Ausgangsspannung des Sensors ist demnach eine Parabel, für die gilt:
U(a)=K1·a²+K2·a+K3,
wobei K1, K2 und K3 Konstanten sind.

Anstelle einer parabelförmigen Verstärkungsfunktion kann auch eine logarithmische Verstärkungsfunktion gewählt werden, für die verstärkte Sensorausgangsspannung gilt dann:
U(a)=K4·LOG(a-a0)+K5,
dabei ist a0 eine weitere Konstante.

Solche logarithmischen Verstärkungsfunktionen lassen sich mit inte grierten Verstärkern darstellen.

Die beschriebenen parabelförmigen oder logarithmischen Spannungsverläufe weisen jeweils in dem Bereich, in dem die Beschleunigung a etwa 0 ist, besonders starke Steigungen auf, es ist daher gerade in diesem Bereich eine besonders große Empfindlichkeit E=U/a gegeben.

Beide angesprochenen Möglichkeiten stellen fest vorgegebene, das heißt von außen nicht beeinflußbare Verstärkungsfunktionen dar, es sind auch andere Verstärkungsfunktionen denkbar, die jeweils im Bereich kleiner Beschleunigungswerte eine größere Steigung und damit eine höhere Empfindlichkeit aufweisen als bei großen Beschleunigungswerten.

Neben den fest vorgegebenen Verstärkungsfunktionen kann auch eine von außen umschaltbare Verstärkungsfunktion gewählt werden, ein Bei spiel für eine solche Funktion ist in Fig. 2 abgebildet, dabei gel ten folgende Zusammenhänge:
E1(a)=K6 für |a| < a1
E2(a)=K7 für |a| < a1.

Dabei ist die Konstante K6 größer als die Konstante K7. Für die zugehörigen Spannungen gilt:
U1(a)=K6·a+U0 für |a| < a1
U2(a)=K7(a-a1)+K6 a1+U0 für |a| < a1.

Die genannten Funktionen ergeben den in Fig. 2 dargestellten Span nungsverlauf über der Beschleunigung mit zwei Knicken innerhalb des Übertragungsbereiches Ü. Die Knicke liegen bei den Beschleunigungen -a1 und +a1. Die Empfindlichkeit E ist dabei im Bereich zwischen -a1 und +a1 größer als in den übrigen Bereichen.

Ein Spannungsverlauf mit mehreren geraden Abschnitten und einer entsprechenden Anzahl von Knicken kann anstelle des in Fig. 2 aufgetragenen Spannungsverlaufs bei Bedarf vorgesehen werden.

Elektronische Einrichtungen, mit denen die in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten Verstärkungsfunktionen realisiert werden können, sind in den Fig. 3 und 4 als vereinfachte Blockschaltbilder dargestellt. Dabei bezeichnet 13 einen Sensor, beispielsweise einen Beschleunigungssensor, der eine beschleunigungsabhängige Ausgangsspannung U1(a) liefert.

Diese Spannung U1(a) wird einem Filter 14, beispielsweise einem Bandpaß zugeführt und gefiltert. Die gefilterte Spannung wird im Normierungsverstärker 15 gefiltert und in einem nachfolgenden Verstärker mit veränderbarer Verstärkung 16 in geeigneter Weise weiter verstärkt. Am Ausgang dieses Verstärkers 16 entsteht das auszuwertende Signal mit einem Spannungsverlauf U(a). Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist weiterhin ein Diskriminator 17 vorgesehen, der mit einem Testeingang des Rechners 18 verbunden ist und von diesem mit Hilfe einer Testspannung UT angesteuert wird. Der Diskriminator 17 selbst wirkt auf den Sensorausgang und auf den regelbaren Verstärker 16 und bewirkt dort die Verstärkungsbeeinflussung bzw. die Verstärkungsumschaltung.

Der Testeingang T des Rechners 18 wird angesteuert von einem Tri-State-Port des Rechners, wobei im einzelnen gilt:

Bei UT = low wird ein Testsignal eingekoppelt, wobei die Empfindlichkeit klein ist und etwa 30 Millivolt pro g beträgt. Bei UT = high ist die Empfindlichkeit auf einen hohen Wert, beispielsweise 200 Millivolt pro g umgeschaltet und bei UT = hochohmig hat der Sensor die Empfindlichkeit von 30 Millivolt pro g.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 entfällt der Diskriminator, dafür wird in einem Komparator 19 das vom Normierungsverstärker 15 gelieferte Ausgangssignal mit einem Schwellwert verglichen und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis erfolgt eine Beeinflussung der Verstärkung des Verstärkers 16. Der Rechner 18 wirkt bei diesem Ausführungsbeispiel direkt auf den Ausgang des Sensors 13.

Zur Realisierung von Kennlinien mit Knicken, wie sie vorstehend beschrieben wurden, sind folgende Anforderungen zu erfüllen:

1. Die Verstärkerumschaltung muß verzögerungsfrei erfolgen können, d. h. es wird eine Einschwingzeit von weniger als 10 us verlangt.

2. Die Umschaltung kann entweder sensorintern, z. B. beschleunigungs- oder zeitabhängig erfolgen oder sie kann von außen zwangsgesteuert erfolgen.

Eine zwangsgesteuerte Umschaltung von außen ist bei Rechnersystemen mit rein digitaler Signalverarbeitung einmal in jedem Abtastintervall möglich. Der Rechner steuert dabei den Verstärkungsfaktor des Sensors und kennt daher die Empfindlichkeit des Beschleunigungssignales und kann es auswerten. Wandlungsfehler im Bereich des Kurvenknickes werden dadurch vermieden.

Bei der von außen gesteuerten Umschaltung kann die Empfindlichkeitsumschaltung auch in einem separaten Baustein außerhalb des Sensors gemacht werden.

Bei einem redundanten Beschleunigungssensor sind die Schaltungs blöcke zweimal in einem Gehäuse vorhanden, bei Verwendung von zwei gleichen Beschleunigungssensoren kann eine laufende Kontrolle der Funktionsfähigkeit dieser Sensoren durch Vergleich der Signale mit einander erfolgen, wobei eine maximal mögliche Abweichung zwischen den beiden Signalen festgelegt wird und bei Überschreiten dieser Abweichung auf einen Fehler erkannt wird.

Die am Beispiel eines Beschleunigungssensors erläuterte Erfindung soll nicht auf Beschleunigungssensoren beschränkt sein, sie kann bei allen Sensoren eingesetzt werden, wenn ein bestimmter Meßbereich be sonders empfindlich sein soll.

Werden die Beschleunigungssensoren mit den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen im Zusammenhang mit einer Unfallerkennung eingesetzt, ist eine besonders zuverlässige und sichere Auslösung eines oder mehrerer Airbags oder Gurtstraffer möglich, da die Auswertung der Sensorsignale im relevanten Beschleunigungsbereich besonders genau ist.

Claims

1. Einrichtung zur Messung einer Variablen, mit mindestens einem Sensor und einer Auswerteschaltung für das Ausgangssignal des Sen sors, die wenigstens einen Verstärker mit veränderbarer Verstärkung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung abhängig von der Größe der Variablen ist und so gewählt wird, daß im Bereich kleiner Werte der Variablen eine hohe Empfindlichkeit und im Bereich großer Werte der Variablen eine kleine Empfindlichkeit vorliegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Variable eine Beschleunigung und der Sensor ein Beschleunigungssen sor ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung quadratisch von der zu messenden Variablen abhängt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung logarithmisch von der zu messenden Variablen abhängt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Recheneinrichtung (18) vorgesehen ist, die die Verstärkung in Abhängigkeit von vorgebbaren Bedingungen verändert.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (18) außerhalb vom Sensor angeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Sensor vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal in gleicher Weise verstärkt wird, daß ein Vergleich der beiden Ausgangssignale der Sensoren erfolgt und bei größerer Abweichung der beiden Ausgangssignale voneinander ein Fehler erkannt wird.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von wenigstens einem der Ausgangssignale der Sensoren eine Unfallerkennung erfolgt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Unfallerkennung eine Auslösung eines oder mehrerer Airbags oder eines Gurtstraffers erfolgt.