DE3608274C2 - - Google Patents
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- G01—MEASURING; TESTING
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- G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
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- G01C9/20—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels by using liquids the indication being based on the inclination of the surface of a liquid relative to its container
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- G01C9/02—Details
- G01C9/06—Electric or photoelectric indication or reading means
Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung einer
Neigung oder einer Beschleunigung nach dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
Aus der US-PS 44 22 243 ist ein Sensor zum Messen einer
Neigung oder einer Beschleunigung bekannt, bei der ein
auf seiner Oberseite gewölbter Raum teilweise mit einer
Flüssigkeit gefüllt ist, so daß sich an dem jeweils
höchsten Punkt eine Luftblase ausbildet. Es sind vier
Meßelektroden und eine Gegenelektrode vorgesehen, wobei
die elektrostatischen Kapazitäten zwischen jeder der
Meßelektrode und der gemeinsamen Elektrode gemessen
werden. Aus den Meßergebnissen wird sodann die Neigung
bzw. die Beschleunigung des Körpers, auf den der Sensor
aufgesetzt ist, bestimmt.
Aus der US-PS 27 13 727 ist weiter ein Neigungssensor
bekannt, der mit einer gewölbten gemeinsamen Gegenelek
trode versehen ist.
Bei der aus der US-PS 44 22 243 bekannten Ausbildung
ist die sich ändernde Breite des die Flüssigkeit auf
nehmenden Raumes ungleichmäßig. Dies beeinträchtigt die
Linearität des Sensors. Nachteilig ist weiter, daß die
elektrostatische Kapazität zwischen den Meßelektroden
und der Gegenelektrode durch die Verlagerung der Blase
bestimmt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor
der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine bes
sere Linearität zeigt, wobei die elektrostatische Kapa
zität nicht durch die Blase, sondern durch das von dem
Raum aufgenommene Fluid bestimmt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn
zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale
gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausge
staltungen der Erfindung an.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung
erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine vertikale Querschnittsansicht eines
Ausführungsbeispiels des erfindungsge
mäßen Sensors,
Fig. 2 ein elektrisches Blockschaltbild des in
Fig. 1 gezeigten Sensors, und
Fig. 3 und Fig. 4 erläuternde Darstellungen, die
die Arbeitsweise des in Fig. 1 gezeigten
Sensors verdeutlichen.
Ein Sensorgehäuse 10 besteht aus einer ebenen Platte 11
und einer Abdeckung 12. Die Abdeckung 12 hat eine
geschlossene obere Fläche und sitzt unten auf der Plat
te 11 auf. Das Sensorgehäuse 10 nimmt eine Meßeinrich
tung 13 und eine elektrostatische Kapazitätsmeßeinrich
tung 14 auf.
Die Meßeinrichtung 13 besteht aus einer Zentralelektro
de 15, vier Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c, 16 d, die
der gemeinsamen Elektrode 15 gegenüberliegend angeord
net sind, einem zwischen der Zentralelektrode 15 und
den Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c, 16 d angeordneten
magnetischen Fluid 17 und einem Isolationselement 18
zum Halten der gemeinsamen Elektrode 15 und der Meß
elektrode 16 a, 16 b, 16 c und 16 d. Die gemeinsame Elektro
de 15 ist kugelabschnittförmig ausgebildet. Das Isola
tionselement 18 hat einen kugelabschnittförmigen Ab
schnitt 18 a, dessen Krümmungsradius größer ist als der
der Zentralelektrode 15, und einen ringförmig vorste
henden Abschnitt 18 b, von dem der kugelabschnittförmige
Abschnitt 18 a nach innen ragt. Ein Flanschabschnitt 18 c
ragt von dem kugelförmigen Abschnitt 18 a nach außen.
Das Isolationselement 18, das mit seiner konkaven Flä
che nach oben weist, ist horizontal in der Abdeckung 12
angeordnet. An seinem Flanschabschnitt 18 c ist das
Isolationselement an der Innenwand des Behälters 12
befestigt. Die gemeinsame Elektrode 15, deren konkave
Fläche nach oben weist, ist an dem vorstehenden Ab
schnitt 18 b des Isolationselements 18 befestigt, so daß
ein geschlossener kugelförmiger Raum 19 zwischen der
gemeinsamen Elektrode 15 und dem kugelförmigen Ab
schnitt 18 a des Isolationselements 18 ausgebildet wird.
Die Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c, 16 d sind auf der
Oberfläche der konvexen Seite des Isolationselements 18
angeordnet, so daß sie der gemeinsamen Elektrode 15
gegenüberliegen. Die Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und
16 d sind, wie Fig. 4 zeigt, radial in vier Sektoren
aufgeteilt und elektrisch jeweils voneinander unabhän
gig. Jede der Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d ist
so ausgeformt, daß sie der konvexen Fläche des Isola
tionselements 18 entspricht. Die Meßelektroden 16 a,
16 b, 16 c und 16 d sind in Form und Größe übereinstim
mend. Die Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c, 16 d und die
gemeinsame Elektrode 15 sind so aufgebaut, daß die
elektrostatische Kapazität zwischen benachbarten Elek
troden 16 a, 16 b, 16 c, 16 d und der gemeinsamen Elektrode
15 gleich ist, wenn die Meßeinrichtung 13 horizontal
ausgerichtet ist. Das magnetische Fluid 17 ist in den
sphärischen Raum 19 eingebracht und bewegt sich in den
kugelmantelförmigen Raum 19, wenn die Meßeinrichtung 13
geneigt wird. Bei horizontaler Ausrichtung, wie sie in
Fig. 1 gezeigt ist, verbleibt das magnetische Fluid in
dem Bereich der Mitte des kugelmantelförmigen Raums 19. Die
elektrostatische Kapazität zwischen jeder der Meßelek
troden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d und der gemeinsamen Elek
trode 15 wird gleich.
Das magnetische Fluid 17 ist ein kolloides Fluid, in
dem magnetische Partikel verteilt sind. Das magnetische
Fluid 17 ist inherent und verhält sich so, als wenn das
Fluid selbst magnetisch wäre, die Viskosität ist so
gewählt, daß das Fluid sich entsprechend der Neigung
bewegt.
Die Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen
der gemeinsamen Elektrode 15 und jeder der Meßelektro
den 16 a, 16 b, 16 c und 16 d wird durch die elektrosta
tische Kapazitätsmeßeinrichtung 14 gemessen. Diese
elektrostatische Kapazitätsmeßeinrichtung 14 ist inner
halb des Sensorgehäuses 10 angeordnet unter Verwendung
von Schaltelementen 21 auf einer innerhalb des Sensor
gehäuses 10 befestigten gedruckten Schaltung 20. Über
eine Leitung 22 der elektrostatischen Kapazitätsmeßein
richtung 14 werden jeder der Meßelektroden 16 a, 16 b,
16 c und 16 d zugehörige Signale ausgegeben.
In Fig. 2 wird die gemeinsame Elektrode 15 mit einer
gestrichelten Linie wiedergegeben, die Meßelektroden
16 a, 16 b, 16 c und 16 d sind voll ausgezogen dargestellt.
Die gemeinsame Elektrode 15 ist mit einem Signalgenera
tor 23 verbunden. Der Signalgenerator 23 beaufschlagt
die gemeinsame Elektrode 15 mit einem vorgegebenen
Wechselspannungssignal. Jede der Meßelektroden 16 a,
16 b, 16 c und 16 d ist mit Meßwiderständen Ra, Rb, Rc und
Rd, die jeweils einseitig geerdet sind, verbunden. Die
der elektrostatischen Kapazität zwischen jeder der
Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d und der gemeinsamen
Elektrode 15 entsprechende Wechselspannung wird als
Spannung über den Meßwiderständen Ra, Rb, Rc bzw. Rd
gemessen. Die Meßwiderstände Ra, Rb, Rc und Rd sind
über AC/DC-Wandler 25 a, 25 b, 25 c und 25 d über Verstär
ker 24 a, 24 b, 24 c bzw. 24 d verbunden. Gleichstromsi
gnale Va, Vb, Vc und Vd, die der elektrostatischen
Kapazität der Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d ent
sprechen, liegen daher an den Ausgangsanschlüssen 26 a,
26 b, 26 c, 26 d der AC/DC-Wandler 25 a, 25 b, 25 c bzw. 25 d
an. Die Ausgangsanschlüsse 26 a, 26 b, 26 c und 26 d sind
mit der Leitung 22 verbunden.
Wenn die Meßeinrichtung 13 horizontal ausgerichtet ist,
wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, verbleibt das magneti
sche Fluid 17 in dem Zentrum des kugelförmigen Raums
19. In diesem Zustand bedeckt das magnetische Fluid 17
gleichmäßig die Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d,
wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Die Werte der elektro
statischen Kapazität zwischen der gemeinsamen Elektrode
15 und jeder der Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c bzw. 16 d
werden gleich, die Spannungssignale Va, Vb, Vc und Vd
stimmen überein.
Wenn die Meßeinrichtung 13 dagegen bei einer Neigung
des Sensorgehäuses 10 geneigt wird, bewegt sich das
magnetische Fluid 17 in eine zu der Achse des Sensors
geneigte Stellung, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Dies
führt zu einer Änderung des Bedeckungsverhältnisses des
magnetischen Fluids 17 bezüglich jeder Meßelektrode
16 a, 16 b, 16 c bzw. 16 d. Entsprechend verändert sich die
elektrostatische Kapazität zwischen der gemeinsamen
Elektrode 15 und jeder der Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c
und 16 d entsprechend dem Bedeckungsverhältnis des ma
gnetischen Fluids 17, die Werte der Spannungssignale Va,
Vb, Vc und Vd verändern sich entsprechend. Anhand der
Änderung der Spannungssignale Va, Vb, Vc und Vd können
die Neigungsrichtungen sowie der Neigungswinkel konti
nuierlich festgestellt werden.
Die Meßelektrode muß nicht unbedingt in vier gleiche
Teile aufgeteilt sein. Wenn beispielsweise lediglich
die Neigung zur Vertikalen oder zur Horizontalen fest
zustellen ist, brauchen lediglich zwei Elektroden ver
wendet zu werden.
In den leeren Bereich des kugelförmigen Raums 19 kann
ein anderes Fluid 35 eingefüllt werden, das sich nicht
mit dem magnetischen Fluid 17 mischt. Dieses Fluid 35
wirkt dämpfend auf das magnetische Fluid 17 ein. Auch
bei Fahrzeugen, in denen der Sensor unter Vibration
eingesetzt wird, ist es möglich, das magnetische Fluid
17 von Fehlbewegungen freizuhalten, wodurch eine bes
sere Messung ermöglicht wird.
Das in dem kugelmantelförmigen Raum 19 eingefüllte
Fluid 17 muß nicht notwendigerweise ein magnetisches
Fluid sein. Jedes Fluid, dessen Viskosität so gewählt
ist, daß es eine Bewegung entsprechend der Neigung
durchführt, und das zu einer Änderung der elektro
statischen Kapazität zwischen den Elektroden führt,
kann an Stelle des magnetischen Fluids verwendet wer
den.
Der in Fig. 1 gezeigte Sensor kann auch zur Messung von
Beschleunigungsmessungen verwendet werden. In dem in
Fig. 1 gezeigten Zustand ist der Sensor keiner Be
schleunigung unterworfen, das magnetische Fluid 17
liegt daher im Mittelbereich des kugelmantelförmigen
Raumes 19. Die elektrostatische Kapazität zwischen der
gemeinsamen Elektrode 15 und jeder der Meßelektroden
16 a, 16 b, 16 c und 16 d ist daher gleich. Bei Vorliegen
einer Beschleunigung bewegt sich das magnetische Fluid
17 in die der Beschleunigung entgegengesetzten Rich
tung, wobei das Ausmaß der Verlagerung dem Ausmaß der
Beschleunigung entspricht. Die elektrostatische Kapazi
tät zwischen der gemeinsamen Elektrode 15 und jeder der
Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d verändert sich
daher entsprechend der Richtung und dem Ausmaß der
Beschleunigung. Basierend auf den Spannungssignalen Va,
Vb, Vc und Vd der elektrostatischen Kapazitätsmeßein
richtung 14 können daher Richtung und Ausmaß der Be
schleunigung bestimmt werden.
Claims (2)
1. Sensor zum Messen einer Neigung oder einer Be
schleunigung, mit einem Gehäuse (10), einem in dem
Gehäuse ausgebildeten, einseitig von einer gemeinsamen
Gegenelektrode (15) begrenzten, eine Flüssigkeit (17)
aufnehmenden Raum (19), einer Mehrzahl von der Gegen
elektrode (15) gegenüberliegend angeordneten Meßelek
troden (16 a, 16 b, 16 c, 16 d) und einer Meßeinrichtung
(14) zum Messen der Änderung der elektrostatischen Kapa
zität zwischen den Meßelektroden (16 a, 16 b, 16 c, 16 d)
und der Gegenelektrode (15) bei einer Verlagerung der
Flüssigkeit (17) in dem Raum (19), dadurch gekennzeich
net, daß
- - die Gegenelektrode (15) kugelabschnittförmig mit nach oben weisender konkaver Fläche den Raum (19) nach oben abgrenzend ausgebildet ist,
- - ein mit größerem Radius kugelabschnittförmiges, mit nach oben weisender konkaver Fläche den Raum (19) nach unten abgrenzendes Isolationselement (18) vorgese hen ist, und
- - die Meßelektroden (16 a, 16 b, 16 c, 16 d) auf die nach unten weisende konvexe Fläche des Isolationsele ments (18) aufgesetzt sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Flüssigkeit (17) magnetische Partikel ver
teilt sind.
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