Stand der TechnikState of the art
In der Auslöseschaltung eines Sicherheitssystems für
Fahrzeuginsassen wird häufig als beschleunigungsempfindlicher
Sensor ein piezoelektrisches Element benutzt. Dieser Sensor
ist ein funktionswichtiges Bauelement der Auslöseschaltung
und muß daher ständig auf seine Funktionsfähigkeit überprüft
werden. Mindestens ist die Funktionsfähigkeit bei jeder
Inbetriebnahme des Fahrzeugs, also beispielsweise beim
Startvorgang, zu überprüfen. Zu diesem Zweck wird über einen
speziellen Testeingang eine sprungförmige Spannung an den
Sensor angelegt, was ein entsprechendes Ausgangssignal des
Sensors zur Folge hat. Dieses Ausgangssignal des Sensors kann
dann Hinweise auf die Funktionsfähigkeit des Sensors geben.
Derartige Prüfverfahren für beschleunigungsempfindliche
Sensoren sind beispielsweise aus DE 22 22 038 D2, EP-0 011
680 B1 und aus der Zeitschrift 1141 Ingenieurs d′Automobile
(1982) No. 6, Seiten 69-77, bekannt.In the trigger circuit of a security system for
Vehicle occupants are often considered to be more sensitive to acceleration
Sensor uses a piezoelectric element. This sensor
is a functionally important component of the trigger circuit
and must therefore be constantly checked for functionality
become. At least the functionality is with everyone
Commissioning of the vehicle, for example when
Startup process, check. For this purpose, a
special test input a step voltage to the
Sensor applied what a corresponding output signal of the
Sensor results. This output signal from the sensor can
then give information on the functionality of the sensor.
Such test methods for acceleration sensitive
Sensors are for example from DE 22 22 038 D2, EP-0 011
680 B1 and from the magazine 1141 engineers d’Automobile
(1982) No. 6, pages 69-77.
Fehler im anologen Pfad des beschleunigungsempfindlichen
Sensors führen meist zu einer extremen Testsignalantwort
(beispielsweise keine Veränderung am Sensorausgang, null Volt
oder Betriebsspannung am Sensorausgang) und können im
allgemeinen sehr gut erkannt werden. Schwieriger hingegen
gestaltet sich die Feststellung, ob die Funktionsfähigkeit
des beschleunigungsempfindlichen Sensors durch eine
mechanische Beschädigung, z. B. einen Bruch oder eine
Ablösung der Elektrode des piezoelektrischen Elements,
beeinträchtigt ist. Derartige Fehler lassen sich nur indirekt
über eine in der Regel damit einhergehende Kapazitätsänderung
des piezoelektrischen Elements feststellen. Die Amplitude der
Testsignalantwort des beschleunigungsempfindlichen Sensors
auf ein zugeführtes sprungförmiges Prüfsignal hängt im
wesentlichen von der Kapazität des piezoelektrischen
Elementes und dem Verstärkungsfaktor eines in der Regel
vorgesehenen Ausgangsverstärkers ab. Eine durch Beschädigung
des piezoelektrischen Elementes hervorgerufene
Kapazitätsverringerung würde beispielsweise zu einer
vergrößerten Amplitude des Ausgangssignals führen. Da sich
jedoch die Kapazität des piezoelektrischen Elementes
unmittelbar auf die Amplitude des Ausgangssignals des Sensors
auswirkt, würden sich auch den Kapazitätswert beeinflussende
Größen wie Grund-, Alterungs- und Temperaturtoleranzen
unmittelbar auf die Amplitude auswirken. Der
Ausgangsverstärker für das Signal des Sensors besitzt in der
Regel eine progressive Verstärkung, deren Verstärkungsfaktor
meistens nicht genau bekannt ist. Dies hat zur Folge, daß
auch das Testsignal mit einem unbekannten Faktor verstärkt
wird. Je nach Größe der Kapazität des piezoelektrischen
Elementes kann dies dazu führen, daß das durch ein Prüfsignal
angeregte Ausgangssignal des Sensors in die Begrenzung geht.
Dies wiederum beeinflußt direkt den Abtastzeitpunkt des
Testsignals, da eine Auswertung nur außerhalb der
Übersteuerung möglich ist. Um daher eine mechanische
Beschädigung des Sensors durch Auswertung der Signalamplitude
des Ausgangssignals erkennbar zu machen, müßte ein
erheblicher Aufwand getrieben werden, um den Einfluß der
zunächst unbekannten Größen, wie beispielsweise
Verstärkungsfaktor, Toleranzen usw. auf die Testsignalantwort
zu erfassen. In der Regel ist es dazu erforderlich, diese
Größen bei der Herstellung des Sensors meßtechnisch zu
bestimmen und dementsprechend geeignete Korrekturwerte
dauerhaft in einem dem Sensor zugeordneten Speicher der
Auslöseschaltung abzuspeichern.Error in the anologic path of the acceleration sensitive
Sensors usually lead to an extreme test signal response
(e.g. no change at the sensor output, zero volts
or operating voltage at the sensor output) and can be
generally recognized very well. However, it is more difficult
is the determination of whether the functionality
of the acceleration sensitive sensor by a
mechanical damage, e.g. B. a break or a
Detachment of the electrode of the piezoelectric element,
is impaired. Such errors can only be done indirectly
about a related change in capacity
of the piezoelectric element. The amplitude of the
Test signal response of the acceleration-sensitive sensor
on a supplied step-shaped test signal depends on
essentially of the capacitance of the piezoelectric
Element and the gain factor of a rule
provided output amplifier. One through damage
of the piezoelectric element
Capacity reduction would become one, for example
lead to increased amplitude of the output signal. That I
however, the capacitance of the piezoelectric element
directly to the amplitude of the output signal from the sensor
would also affect the capacity value
Sizes such as basic, aging and temperature tolerances
directly affect the amplitude. Of the
Output amplifier for the signal from the sensor has in the
Usually a progressive gain, its gain factor
mostly not exactly known. This has the consequence that
also amplified the test signal with an unknown factor
becomes. Depending on the size of the capacitance of the piezoelectric
Elementes this can lead to a test signal
excited output signal of the sensor goes into the limit.
This in turn directly affects the sampling time of the
Test signal, since an evaluation only outside of
Override is possible. Therefore, a mechanical
Damage to the sensor due to evaluation of the signal amplitude
to make the output signal recognizable would have to
considerable effort must be made to influence the
initially unknown sizes, such as
Gain factor, tolerances etc. on the test signal response
capture. As a rule, it is necessary to do this
Measurements in the manufacture of the sensor
determine and accordingly appropriate correction values
permanently in a memory assigned to the sensor
Save trigger circuit.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet demgegenüber den
Vorteil, daß auch mechanische Defekte des
beschleunigungsempfindlichen Sensors, die vornehmlich mit
einer Kapazitätsänderung des piezoelektrischen Elements
einhergehen, auf besonders einfache Weise festgestellt werden
können. Dabei können aufwendige Messungen und eine
Speicherung der Meßwerte während des Herstellungsverfahrens
des Sensors vermieden werden. Die Erfindung macht sich dabei
die Tatsache zu Nutze, daß die Funktionstüchtigkeit des
Sensors im wesentlichen durch Kombination einer Zeit- und
Amplitudenmessung überprüfbar ist.In contrast, the method according to the invention offers the
Advantage that mechanical defects of the
acceleration sensitive sensor, mainly with
a change in capacitance of the piezoelectric element
go hand in hand, can be determined in a particularly simple manner
can. Complex measurements and a
Storage of the measured values during the manufacturing process
of the sensor can be avoided. The invention makes itself
take advantage of the fact that the functionality of the
Sensor essentially by combining a time and
Amplitude measurement can be checked.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigenAn embodiment of the invention is in the drawing
shown and in the following description
explained. Show it
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer einen
beschleunigungsempfindlichen Sensor umfassenden
Auslöseschaltung, Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 in Diagrammen
den Verlauf der Ausgangsspannung je eines intakten und
defekten Sensors als Funktion der Zeit. Fig. 1 is a block diagram of an acceleration-sensitive sensor comprising trigger circuit, Fig. 2, Fig. 3 and Fig. 4 in the charts of the output voltage depending on an intact or defective sensor as a function of time.
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
Fig. 1 zeigt anhand eines schematischen Blockschaltbilds die
Struktur eines Sicherheitssystems für Fahrzeuginsassen. Mit
10 ist ein beschleunigungsempfindlicher Sensor,
beispielsweise ein piezoelektrisches Element bezeichnet.
Dieser Sensor 10 ist mit einer Auswerte- und
Ansteuerschaltung 20 verbunden, die vorzugsweise einen
Mikrorechner umfaßt. Der Sensor 10 und die Auswerteschaltung
20 bilden eine Auslöseschaltung eines Sicherheitssystems für
Fahrzeuginsassen. Die Auswerteschaltung 20 wiederum ist mit
Sicherungsmitteln 30 für Fahrzeuginsassen, wie beispielsweise
Airbag und/oder Gurtstraffer verbunden. Mit 40 ist ein
Testimpulsgenerator bezeichnet, der sowohl mit der
Auswerteschaltung 20 als auch mit dem Sensor 10 verbunden
ist. Die Auswerteschaltung 10, 20 aktiviert bei einem Unfall
die Sicherungsmittel 30, um die Fahrzeuginsassen zu schützen.
Dazu erfaßt der beschleunigungsempfindliche Sensor 10 die
Fahrzeugbeschleunigung und wandelt diese ein in
entsprechendes elektrisches Ausgangssignal um, das von der
Auswerteschaltung 20 ausgewertet wird. Die Auswerteschaltung
20 überprüft dabei die Größe der von dem Sensor 10 gemessenen
Beschleunigungswerte und steuert die Rückhaltemittel 30 dann
an, wenn die Beschleunigungswerte vorgebbare Schwellwerte
überschreiten. Vorzugsweise umfaßt die Auswerteschaltung 20
dazu einen Mikrorechner, der die Funktionsabläufe steuert. Um
die Betriebsfähigkeit der Auslöseschaltung ständig überwachen
zu können, gibt der Testimpulsgenerator 40, von der
Auswerteschaltung 20 gesteuert, Testimpulse ab, mit denen der
beschleunigungsempfindliche Sensor 10 beaufschlagt wird. Als
Testimpulse werden zweckmäßig sprungförmig verlaufende
Spannungswerte in der Größenordnung einiger Volt vorgesehen.
Beispielsweise kann ein von dem Testimpulsgenerator 40
abgegebener Prüfimpuls eine zwischen etwa 4,0 und 4,5 Volt
liegende Spannung haben. In dem Diagramm gemäß Fig. 2 ist
der Spannungsverlauf des Ausgangssignals je eines intakten
und defekten beschleunigungsempfindlichen Sensors 10 als
Funktion der Zeit nach Anregung durch einen derartigen
Prüfungsimpuls des Testimpulsgenerators 40 dargestellt. Kurve
1 repräsentiert dabei das Ausgangssignal eines intakten
Sensors 10, während Kurve 2 das Ausgangssignal eines defekten
Sensors 10 dargestellt. Der Kapazitätswert eines intakten
Sensors in Form eines piezoelektrischen Elements liegt in der
Größenordnung einiger 100 Pikofarad. Durch eine mechanische
Beschädigung, wie beispielsweise einen Elektrodenabriß bei
dem piezoelektrischen Element, kann jedoch der Kapazitätswert
des Sensors derart verringert werden, daß die Kapazität eines
defekten Sensors 10 nur noch etwa die Hälfte der Kapazität
eines intakten Sensors beträgt. Da, wie eingangs bereits
erwähnt, jedoch zahlreiche andere Größen die Amplitude des
Ausgangssignals des Sensors beeinflussen können, ist es
außerordentlich schwierig, die Funktionsfähigkeit des Sensors
lediglich mittels der Auswertung der Amplitude des
Ausgangssignals zu überprüfen. Erfindungsgemäß werden daher
Verfahren vorgeschlagen, die diese Überprüfung wesentlich
einfacher und mit größerer Zuverlässigkeit ermöglichen. Dies
wird im folgenden anhand von Fig. 3 und Fig. 4 erläutert.
Fig. 3 zeigt wiederum ein Diagramm mit Darstellung des
Amplitudenverlaufs der Ausgangssignale je eines defekten und
eines intakten Sensors 10 als Funktion der Zeit T. Mit 1 ist
wiederum das Ausgangssignal eines intakten Sensors und mit 2
das Ausgangssignal eines defekten Sensors bezeichnet. Diese
Ausgangssignale ergeben sich wiederum als Antwort auf einen
Prüfimpuls des Testimpulsgenerators 40, der eine etwas über
4,0 Volt liegende Amplitude hat. Erfindungsgemäß wird
sozusagen als Nullinie ein Spannungsgrundwert UG vorgegeben,
der in dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bei
etwa 2,15 Volt liegt. Weiterhin wird ein Zeitgrenzwert TGRENZ
festgelegt, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel bei
etwa 140 Millisekunden liegt. Nach Anlegen eines Testimpulses
an den Eingang des Sensors 10 wird dessen Ausgangssignal
erfaßt und festgestellt, wann dieses Ausgangssignal die
"Nullinie", also den vorgegebenen Spannungsgrundwert UG
unterschreitet. Bei einem defekten Sensor, dessen
Ausgangssignal durch die Kurve 2 repräsentiert wird, ist dies
bei einem Zeitpunkt T1, etwa 107 Millisekunden nach Anlegen
des Prüfimpulses, der Fall. Der Zeitpunkt T1 liegt zeitlich
vor dem Zeitgrenzwert TGRENZ. Bei einem intakten Sensor
dagegen, dessen Ausgangssignal durch die Kurve 1
repräsentiert wird, wird die durch den Spannungsgrundwert UG
dargestellte Nullinie erst zu einem Zeitpunkt T2
unterschritten, der ca. 162 Millisekunden nach dem Anlegen
des Prüfimpulses an den Sensor folgt und der damit zeitlich
nach dem Zeitgrenzwert TGRENZ liegt. Durch Messung der
Zeitpunkte T1 bzw. T2 und Vergleich dieser Zeitpunkte mit dem
Zeitwert TGRENZ kann somit auf einfache Weise festgestellt
werden, ob der Sensor 10 funktionsfähig oder defekt ist. Eine
Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand von
Fig. 4 erläutert. Bei diesem Verfahren wird ein
Testzeitintervall TINV vorgegeben, das mit dem Anlegen des
Prüfumpulses an den Sensor 10 beginnt. Die Länge dieses
Testzeitintervalls TINV beträgt bei dem durch das Diagramm
gemäß Fig. 4 erläuterten Ausführungsbeispiel etwa 140
Millisekunden. Weiterhin wird festgestellt, ob innerhalb
dieses Intervalls das Ausgangssignal des
beschleunigungsempfindlichen Sensors 10, repräsentiert durch
die Kurven 1 bzw. 2, die durch den Grenzwert UG vorgegebene
"Nullinie" unterschreitet oder nicht. Falls dies innerhalb
dieses Testzeitintervalls TINV vorkommt, im angegebenen
Beispiel ist dies bei der Kurve 2 der Fall, wird auf die
Funktionsunfähigkeit des Sensors 10 geschlossen und
zweckmäßig eine Warnanzeige 50 aktiviert. Bei einem
funktionsfähigen Sensor 10 dagegen, dessen Ausgangssignal
durch Kurve 1 repräsentiert ist, wird die Nullinie des
Grenzwertes UG erst nach Ablauf des Zeitintervalls TINV
erreicht. Die Werte TGRENZ und TINV sind vom Typ des
beschleunigungsempfindlichen Sensors abhängig und werden
empirisch festgelegt. Fig. 1 shows the structure of reference to a schematic block diagram of a safety system for vehicle occupants. 10 denotes an acceleration-sensitive sensor, for example a piezoelectric element. This sensor 10 is connected to an evaluation and control circuit 20 , which preferably comprises a microcomputer. The sensor 10 and the evaluation circuit 20 form a trigger circuit of a safety system for vehicle occupants. The evaluation circuit 20 is in turn connected to safety devices 30 for vehicle occupants, such as airbags and / or belt tensioners. 40 denotes a test pulse generator, which is connected both to the evaluation circuit 20 and to the sensor 10 . In the event of an accident, the evaluation circuit 10 , 20 activates the safety means 30 in order to protect the vehicle occupants. For this purpose, the acceleration-sensitive sensor 10 detects the vehicle acceleration and converts it into a corresponding electrical output signal, which is evaluated by the evaluation circuit 20 . The evaluation circuit 20 checks the size of the acceleration values measured by the sensor 10 and controls the restraint means 30 when the acceleration values exceed predeterminable threshold values. For this purpose, the evaluation circuit 20 preferably comprises a microcomputer that controls the functional sequences. In order to be able to continuously monitor the operability of the trigger circuit, the test pulse generator 40 , controlled by the evaluation circuit 20 , emits test pulses with which the acceleration-sensitive sensor 10 is acted upon. Expedient voltage values in the order of a few volts are expediently provided as test pulses. For example, a test pulse emitted by the test pulse generator 40 can have a voltage between approximately 4.0 and 4.5 volts. The diagram of FIG. 2 shows the voltage profile of the output signal of an intact and defective acceleration-sensitive sensor 10 as a function of the time after excitation by such a test pulse from the test pulse generator 40 . Curve 1 represents the output signal of an intact sensor 10 , while curve 2 shows the output signal of a defective sensor 10 . The capacitance value of an intact sensor in the form of a piezoelectric element is on the order of a few 100 picofarads. Mechanical damage, such as an electrode tear on the piezoelectric element, can, however, reduce the capacitance value of the sensor in such a way that the capacitance of a defective sensor 10 is only about half the capacitance of an intact sensor. Since, as already mentioned at the beginning, however, numerous other variables can influence the amplitude of the output signal of the sensor, it is extremely difficult to check the functionality of the sensor only by evaluating the amplitude of the output signal. According to the invention, methods are therefore proposed which enable this check to be carried out much more simply and with greater reliability. This is by way of Fig. 3 and Fig. 4 explained. Fig. 3 shows again a diagram showing the amplitude response of the output signals depending on the defective one and an intact sensor 10 as a function of time T. With 1 is again the output signal of an intact sensor with 2, the output signal of a defective sensor, respectively. These output signals in turn result in response to a test pulse from the test pulse generator 40 , which has an amplitude slightly above 4.0 volts. According to the invention, a basic voltage value UG is specified as a zero line, which in the exemplary embodiment shown in FIG. 3 is approximately 2.15 volts. Furthermore, a time limit value TGRENZ is set, which in the exemplary embodiment shown is approximately 140 milliseconds. After a test pulse has been applied to the input of sensor 10 , its output signal is detected and it is determined when this output signal falls below the “zero line”, that is to say the predetermined basic voltage value UG. In the case of a defective sensor, the output signal of which is represented by curve 2 , this is the case at a point in time T1, approximately 107 milliseconds after the application of the test pulse. The time T1 lies before the time limit TGRENZ. In the case of an intact sensor, on the other hand, whose output signal is represented by curve 1 , the zero line represented by the basic voltage value UG is only undershot at a point in time T2 which follows approximately 162 milliseconds after the application of the test pulse to the sensor and which therefore follows the time after Time limit TGRENZ lies. By measuring the times T1 and T2 and comparing these times with the time value TGRENZ it can thus be determined in a simple manner whether the sensor 10 is functional or defective. A modification of the method according to the invention is explained with reference to FIG. 4. In this method, a test time interval TINV is specified which begins when the test pulse is applied to the sensor 10 . The length of this test time interval TINV is approximately 140 milliseconds in the exemplary embodiment explained by the diagram according to FIG. 4. Furthermore, it is determined whether or not the output signal of the acceleration-sensitive sensor 10 , represented by curves 1 or 2 , falls below the “zero line” specified by the limit value UG within this interval. If this occurs within this test time interval TINV, in the example given this is the case for curve 2, the inoperability of sensor 10 is inferred and a warning display 50 is expediently activated. In the case of a functional sensor 10, on the other hand, whose output signal is represented by curve 1 , the zero line of the limit value UG is only reached after the time interval TINV has elapsed. The values TGRENZ and TINV depend on the type of the acceleration sensitive sensor and are determined empirically.