DE3432596C2

DE3432596C2 -

Info

Publication number: DE3432596C2
Application number: DE3432596A
Authority: DE
Inventors: Siegfried 8000 Muenchen De Emmer
Original assignee: POETSCH EDMUND REINFRIED 8901 KOENIGSBRUNN DE
Current assignee: POETSCH EDMUND REINFRIED 8901 KOENIGSBRUNN DE
Priority date: 1984-09-05
Filing date: 1984-09-05
Publication date: 1989-12-14
Also published as: US4821218A; EP0192719A1; WO1986001607A1; DE3432596A1; EP0192719B1; DE3581394D1; JPS62500195A

Description

Die Erfindung betrifft eine Beschleunigungs- und/oder Geschwindigkeits- und/oder Wegstrecken- oder Neigungswinkel- Meßanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

a) Es sind aus der Trägheitsnavigation Systeme bekannt, die durch Integration aus Beschleunigungswerten die zurückgelegte Wegstrecke berechnen. Diese Systeme arbeiten mit kardanisch aufgehängten Plattformen, die durch Kreisel in ihrer Lage bezüglich eines Horizonts stabil gehalten werden. Als Beschleunigungsaufnehmer werden Pendel verwendet, wie z. B. in der DE 29 20 443 A1 offenbart: Ein mit einer trägen Masse versehenes Pendel wird durch ein elektromagnetisch erzeugtes Drehmoment in seiner Nullstellung gehalten. Der dazu erforderliche Erregerstrom dient als Maß für die Beschleunigung, die auf die träge Masse wirkt.
b) Ferner sind sogenannte Strap-down-Navigationsgeräte bekannt, die aus fest am bewegten Objekt montierten Beschleunigungsaufnehmern und aus den Lageänderungsinformationen eines Wendekreisels in Verbindung mit einem Koordianten- Transformationsrechner Geschwindigkeits- und Wegstreckenwerte berechnen.
c) Ferner sind Beschleunigungssensoren bekannt, die nach dem Prinzip der linearen Verschiebung einer mit einer trägen Masse und Rückstellfeder versehenen Spule innerhalb eines Magnetfeldes arbeiten. (Siehe DE 23 03 104 A1). Die bei der linearen Verschiebung in der Spule induzierte Spannung dient nach Integration als Maß für die Beschleunigung der Spule.
d) Die DE 24 30 749 A1 befaßt sich mit einem Beschleunigungsmesser mit einem schwenkbaren Arm, an dem eine Trägheitsmasse angebracht ist und der mit einer elektromagnetischen Spule versehen ist. Wird auf den Arm eine Beschleunigung ausgeübt, dann wird durch die Bewegung des Arms ein Schalter geschlossen, so daß ein stufenweise ansteigender Strom solange fließen kann, bis die durch die Wicklung erzeugte Kraft die Beschleunigungskraft überwindet.
e) Die US 40 27 535 offenbart einen an einem Handgriff oder an einem Armband befestigten Stoßmesser zum Feststellen der Beschleunigung bzw. Verzögerung bei einem Box- oder Karateschlag. Ein wiederum mit einer Trägheitsmasse versehener Schwenkarm wird durch eine Feder in einer bestimmten Position gehalten und bei Ausüben einer Beschleunigung verschwenkt, wobei der Arm über einer Skala ausgelenkt wird. Zur Feststellung der maximalen Beschleunigung rastet eine Klinke in einer Sperrverzahnung ein.

Kritik zum Stand der Technik

Die unter a) erwähnte Trägheits-Navigationssysteme sind wegen ihres großen mechanischen Aufwandes und vom erforderlichen hohen Rechner-, Regelungs- und Steueraufwand her nicht zur Lösung der gestellten Aufgabe geeignet, ebenso die unter b) erwähnten Systeme.

Das unter c) aufgezeigte Beschleunigungs-Meßprinzip ist wegen der relativ hohen Reibungskräfte, aufgrund der mechanischen Führung linear bewegten trägen Masse, nicht zur Erfassung der bei der gestellten Aufgabe auftretenden langsamen, nicht periodischen Beschleunigungen geeignet. Bei Verwendung von Beschleunigungssensoren des unter c) aufgezeigten Prinzips entstehen bei nicht exakt waagerechter Montage am zu messenden Objekt ein von der Erdbeschleunigung verursachter, z. T. beträchtlicher Fehler.

Die unter d)+e) erwähnten Beschleunigungsmesser bestimmen die Beschleunigung unter Erzeugung eines kraftausgleichenden Moments. Sie benötigen Schalter bzw. Lichtschranken zur Erfassung der Pendelauslenkung und ein zusätzliches Stellglied zur Steuerung des Stromes. Auf Grund des durch die Schalter erzeugten Störmoments bzw. des Schlupfes bei Lichtschranken ist eine ausreichende Präzision nicht erzielbar. Ferner ist der Richtungsvektor bei den bekannten Beschleunigungssensoren starr vorgegeben.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beschleuni gung, die Geschwindigkeit und die Wegstrecke von haupt sächlich linear bewegten Objekten, vorzugsweise von Sport lern, zu messen und direkt anzuzeigen. Die Meßanordnung soll hohe Empfindlichkeit bei geringen Beschleunigungswer ten aufweisen und dabei einen kompakten, robusten mecha nischen Aufbau mit geringem Gewicht und kleiner Baugröße ermöglichen, so daß die komplette Anordnung als Gerät von Sportlern leicht tragbar mitgeführt werden kann, ohne den Bewegungsablauf zu stören. Da das Gerät wenigstens einen Richtungsvektor besitzt, sollen Abweichungen, die aus Schräglage bei der Montage am Körper des Sportlers resul tieren von der Anordnung ausgeglichen werden. Die gesamte Anordnung soll so kostengünstig realisierbar sein, daß sie für die Breitenanwendung interessant wird. Ferner soll die Anordnung zur Bestimmung eines Neigungswinkels bzw. dessen Änderung geeignet sein.

Lösung

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, ge löst.

Erzielbare Vorteile

Durch den beanspruchten Beschleunigungssensor kann ge genüber den genannten Beschleunigungsaufnehmern die aufwen dige Steuerschaltung zur Erzeugung eines rückstellenden Drehmomentes entfallen. Es ist lediglich eine Integration mit dem ohnehin erforderlichen digitalen Integrationsrechner durchzuführen.

Die beanspruchte Anordnung ist vorwiegend für den Einsatz am menschlichen oder tierischen Körper bestimmt. Durch die An bringung der Anordnung in Höhe des Körperschwerpunktes, ergibt sich aufgrund des Gleichgewichtssinnes der zu messen den Person bzw. des zu messenden Tieres ein mit Mittel stabi ler Richtungsvektor in Bezug auf die Lotachse durch den Körperschwerpunkt. Das Lebewesen erzeugt durch seinen Gleichgewichtssinn eine Richtungsreferenz, wodurch die aufwendige Anordnung mit Kreisel-System und Regelkreis entfal len kann.

Beim beanspruchten Sensor ist die Induktionsspule, die mit dem Pendel fest verbunden ist, derart drehbar gelagert, daß sich die träge Masse im Mittel stets nach der Lotachse ausrichten kann. Dadurch wird unabhängig vom Montagewin kel des Sensors am Meßobjekt, der senkrecht auf der Lotachse stehende Beschleunigungsvektor erfaßt. Bei nicht bewegtem Körper ist der Sensor zur Messung des Nei gungswinkels, um den der Sensor bei Neigung des zu mes senden Objektes aus seiner Ruhelage verdreht wurde, geeignet. Dabei ist das Ergebnis der ersten Integration proportional zum Neigungswinkel.

Im gesamten Beschleunigungsbereich gilt: α=arctan . Dies bedeutet, daß mit zunehmendem Beschleunigungswert a, die Winkelzunahme sinkt. Durch diese Eigenschaft wird hohe Übersteuerungsfestigkeit im oberen Meßbereich bei hoher Em pfindlichkeit im unteren Meßbereich erreicht. Die Umrechnung kann über den o. g. analytischen Zusammenhang im Rechner er folgen.

Für kleine Winkelauslenkung α bei Beschleunigung gilt ver nachlässigbarem Fehler: α∼a

Der beanspruchte Sensor weist wegen seiner geringen Lager reibung bereits bei kleinen Beschleunigungswerten hohe Em pfindlichkeit und geringen Fehler auf.

Wegen der Eigenschaften der erfindunsgemäßen Anordnung, so wohl Bewegungen als auch Neigungswinkel erfassen zu können, ist sie auch als Sensorsystem für Alarmanlagen (z. B. Kfz) ausgezeichnet geeignet.

Durch Einsatz eines handelsüblichen Drehspulmeßwerkes, das leicht mit einer trägen Masse versehen werden kann, ist eine äußerst kostengünstige Herstellung des Sensors möglich.

Beschreibung eines Ausführungsbeispieles

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung die Anordnung zur Messung der Beschleunigung, der Geschwin digkeit und der Wegstrecke eines Läufers dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1: Beschleunigungssensor

Fig. 2: Meßanordnung

Fig. 3: Pendelbewegung bei Beschleunigung

Fig. 4: Pendelbewegung bei Neigung

Fig. 5: Zweiachsen-Sensor

Fig. 6: Dämpfungsanordnung

Fig. 7: Lage des Körperschwerpunktes beim Menschen

Fig. 8: Anbringung der Anordnung am menschlichen Körper

Fig. 9: Geräteaufbau der Meßanordnung

a) Beschreibung des Sensors 100 (Fig. 1)

Im Magnetfeld 1 ist eine Induktionsspule 2 angeordnet. Die Induktionsspule 2 ist um die Achse 3 drehbar gelagert und fest mit einem Pendel 4 und mit der trägen Masse 5 verbunden. Das Magnetfeld 1 wird beispielsweise von einem Dauermagneten 6 erzeugt, der mit Polschulen 7 und 8 versehen ist. Im Inneren der In duktionsspule 2 ist feststehend ein Joch 9 derart ange ordnet, daß ein Luftspalt 10 mit konstanter Spaltbreite gebildet wird. Dadurch entsteht im größten Teil des Luftspaltes das homogene Magnetfeld 1. Der Sensor 100 ist fest mit dem zu messenden Objekt 11 verbunden. Im beschrie benen Beispiel ist 11 der Körper des Läufers, dessen Werte gemessen werden sollen. Sobald der Körper 11 in Richtung 13 beschleunigt wird (Beschleunigung a), wirkt auf die träge Masse 5 eine Beschleunigung a′ mit dem gleichen Betrag und einem zu 13 entgegengesetzten Richtungsvektor 12. Durch die Beschleunigung 12 lenkt das Pendel 4 um den Winkel α aus seiner Ruhelage aus, wodurch die Induktionsspule 2 ebenfalls um den Winkel a gedreht wird. Bei der Drehung der Induktionsspule 2 schneiden deren Wicklungen die Feldlinien des Magnetfeldes 1, wodurch in der Induktions spule 2 die Spannung 14 induziert wird. Für die indu zierte Spannung gilt:

Der Winkel kann mit der Beziehung

angegeben werden (vgl. Fig. 3).

Für kleine Auslenkungen α kann mit ausreichender Genau igkeit:

α∼a′ (III)

angenommen werden.

Bei größeren Winkelauslenkungen wird die Winkelzunahme mit steigender Beschleunigung a′ kleiner. Durch diese Eigenschaft ist ein großer Meßbereich bei hoher Empfind lichkeit im unteren Meßbereich erfaßbar. Die Lineari tätsabweichung ist durch die Beziehung II beschrieben. Sie kann nachträglich vom Rechner 101 korrigiert werden. Die Signalspannung 14 kann, wie beansprucht, durch ent sprechende Gestaltung des Luftspaltes linearisiert wer den:
Im unteren Winkelbereich von α ist dann der Luftspalt größer und nimmt mit zunehmendem α umgekehrt proporti onal zur Beziehung II ab. Die Linearitätsabweichung wird dabei durch die mit α zunehmende magnetische In duktion ausgeglichen.

Wie aus III und I hervorgeht, ist die Signalspannung 14 proportional zur Beschleunigungsänderung von 12 bzw. 13:

Durch einmalige Integration der Signalspannung 14 er hält man also den Beschleunigungswert 12 bzw. 13. Die ser Wert ist proportional zur Pendelauslenkung α.

Zur Bedämpfung des Einschwingverhaltens des Pendels 4 kann eine Dämpfungsvorrichtung vorgesehen sein. Diese Dämpfungsvorrichtung kann z. B. dadurch realisiert sein, daß die Induktionsspule 2 auf einen Rahmen aus elektrisch leitendem Material gewickelt ist. Der Rahmen dämpft durch den bei Bewegung in sich fließenden Induktions strom die Bewegung des Pendels.

Eine weitere Möglichkeit zur Dämpfung der Pendelbewe gung zeigt Fig. 6:

In einer Kammer 17 ist, fest mit der Achse 3 verbunden, der Flügel 18 gelagert. Die bei der Bewegung des Flü gels entstehende Druckdifferenz gleicht sich über den Spalt 19 aus, wodurch die gewünschte Dämpfung erreicht wird.

b) Beschreibung des Analog-Digital-Wandler- und Prozes sorsystems 101 (Fig. 2)

Die vom Sensor 100 erzeugte Signalspannung 14 wird vom Rechnersystem 101 derart bearbeitet, daß je nach über die Eingabetastatur 27 eingegebener Funktion, der ent sprechende Meßwert über die optische Anzeigeeinheit 25 oder die Schnittstelle 26 ausgegeben wird.

Die Signalspannung 14 wird zunächst vom Verstärker 20 verstärkt und als Analog-Signal 32 auf einen der über 31 programmierbaren Eingänge gelegt. Der Analog-Digital- Wandler 21 wandelt das Ausgangssignal unter Berück sichtigung des Vorzeichens um in einen Digitalwert 30. In definierten Zeitabständen Δ t _i wird dieser Wert von der CPU 22 über Steuerleitung 33 angefordert und ge lesen. Dieser Wert wird als a₀ im Speicher 23 ab gespeichert. Der beim nächsten Abfragezyklus eingelesene Wert wird zu a₀ addiert und als a₁ in 23 abgespeichert, usw.

Durch die wiederholte Addition in definierten Zeitabständen Δ t _i erhält man das Integral der Signalspannung 14. Als In tegrationskonstante wird der vorhergehende Integrationswert verwendet. Das Ergebnis ist bis auf einen Skalierungsfaktor die Beschleunigung der Anordnung. Das Ergebnis, falls über 27 angewählt, wird über die Anzeige einheit 26 ausgegeben und kann direkt abgelesen werden. Über die Schnittstelle 26 kann das Ergebnis zur weiteren Meßwert erfassung ausgegeben werden.

Die Werte für Geschwindigkeit und Weg werden durch weitere Integrationen, wie beschrieben, errechnet.

Das Steuerprogramm für die Berechnung ist in Speichereinheit 24 abgelegt.

Der Systemtakt und die Zeit Δ t _i werden von einem Taktgene rator 34 erzeugt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, daß mehrere Sensoren 103 mit in definierten Winkeln zueinander stehenden Richtungsvektoren 12 angeordnet sind. Jeder der weiteren Sen soren 103 besitzt einen Verstärker 35, dessen Ausgangssignal auf weitere programmierbare Eingänge des Analog-Digital-Wand lers 21 geschaltet ist. Die CPU 22 wird derart gesteuert, daß als Ergebnis der aus allen Richtungsvektoren resultierende Betrag abgespeichert wird.

Ferner kann die Anordnung bei nicht bewegten Körpern zur Mes sung des Neigungswinkels γ, um den der Körper aus seiner Lage, die er beim Rücksetzen eingenommen hat verdreht wurde, verwendet wer den (vgl. Fig. 4).

Da das Integral der Signalspannung 14 nach I proportional ist zum Verdrehungswinkel α, gibt der Winkel des ersten Inte grals die Neigung γ an.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors 100 bzw. 103. In einem magnetischen Kreis 10 sind zwei Induktionsspulen 2 und 53 um die gemeinsame Achse 3 dreh bar gelagert. Die Induktionsspule 2 ist fest mit dem Pendel 4 und der trägen Masse 5 verbunden. Die Induktionsspule 53 ist fest mit dem Pendel 51 und der trägen Masse 50 verbunden. Das Pendel 51 wird durch die Feder 52 in einem definierten Winkel ϑ zur Ruhelage 16 des Pendels 4 zurückgestellt, wenn keine Beschleunigung Y auf den Sensor wirkt. Die Signalspannungen 14 und 54 werden in der beschriebenen Weise verarbeitet.

Fig. 7 und 8 zeigen die Anbringung der Anordnung am Körper des zu messenden Sportlers. Die Anordnung wird typisch so am Kör per angebracht, daß sich das Sensorsystem in Höhe des Körper schwerpunktes 40 befindet. Durch den Gleichgewichtssinn des Sportlers stellt sich im Mittel eine Richtungsfrequenz 41 ein, die parallel zur Gravitationsfläche 42 verläuft.

Fig. 9 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Meßgerätes. Die Anordnung ist in einem Gehäuse 60 untergebracht, das Be festigungsvorrichtungen 61 aufweist, mit denen das Gehäuse am Körper, vorzugsweise in Höhe des Körperschwerpunktes, befe stigt werden kann. Dies kann beispielsweise durch einen Gürtel oder eine Klammer geschehen oder das Meßgerät ist in ein Klei dungsstück eingearbeitet.

Claims

1. Beschleunigungs- und/oder Geschwindigkeits- und/oder Weg strecken- oder Neigungswinkelmeßanordnung zur Messung der dynamischen Werte eines bewegten Körpers, insbesondere eines Sportlers bzw. des Neigungswinkels eines nichtbewegten Körpers durch ggf. mehrfache Integration einer Signalspan nung, die in einer an einem Pendel befestigten Spule bei deren Bewegung in einem Magnetfeld induziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Pendel (4) zumindest in Bewegungsrichtung frei beweglich ist, ein Analog- Digital wandler (21) vorgesehen ist, der die in der Induktionsspule (2) erzeugte analoge Signalspannung (14) in einen Digital wert (30) umwandelt, und ein Mikroprozessor in festen Zeit abständen Δ t _i die Digitalwerte aufaddiert und abspeichert, zur Bildung eines ersten Integralwertes für die Beschleuni gung, diese Integralwerte in festen Zeitabständen Δ t _i aufaddiert und abspeichert, zur Bildung eines zweiten Integralwertes für die Geschwindigkeit und diese Integralwerte in festen Zeitabständen Δ t _i aufaddiert und abspeichert, zur Bildung eines dritten Integralwertes für den Weg

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Pendel (4) eine durch eine Rückstellfeder (52) erzeugte Kraft wirkt, die das Pendel (4) in einen definierten Winkel zur Lotachse (16) bringt, wenn auf den Körper (11) keine Beschleunigung (13) wirkt.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch mindestens eine weitere Sensorvorrich tung, bestehend aus Pendel mit Spule (51 bis 53) zur Bestim mung einer Bewegung in einer Richtung, die von derjenigen der ersten Sensorvorrichtung (2, 4, 5) abweicht, und die zu letzterer unter einem vorbestimmten Winkel angeordnet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in einem Luftspalt (10) des magnetischen Kreises (1) mit jeweils einer exzentrisch angeordneten trägen Masse (5) bzw. (50) versehene, vonein ander unabhängig um eine gemeinsame Achse (3) drehbar an geordnete Induktionsspulen (2, 35) vorgesehen sind, die durch wenigstens eine Feder (50) derart rückgestellt werden, daß sie in Ruhestellung einen definierten Winkel zueinander aufweisen.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Pendel (4, 51) eine Vorrichtung (17) zur Dämpfung besitzt, bzw. besitzen.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtung einen in einer Kammer (17) beweglich angeordneten Flügel (18) aufweist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (2) auf einen Spulenkörper aus elektrisch leitendem Material aufge wickelt ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (10) des magneti schen Kreises (1) eine sich über die Länge des Luftspaltes (10) ändernde Breite aufweist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (60), welches mit Vor richtung (61) zum Anbringen am menschlichen Körper in Höhe des Körperschwerpunktes (40) und mit Anzeige- und Bedienungsvorrichtungen (25, 27) versehen ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Eingabetastatur (27) zur Eingabe der gewünschten Funktion und eine Ein/Ausgabe einheit (26) zur Ein/Ausgabe der Meßdaten an eine Übertra gungsleitung zur weiteren Datenverarbeitung oder zum Anlegen der Meßdaten an eine Anzeigeneinheit (25) aufweist.