DE10025502A1 - Sensorsystem zur Erfassung von Meßgrößen an einem rotierenden Gegenstand - Google Patents

Abstract

Ein Sensorsystem zum Erfassen von wenigstens einer Meßgröße an einem rotierenden Gegenstand (30) umfaßt mehrere an dem rotierenden Gegenstand (30) angeordnete, für die Meßgröße empfindliche Sensoren (33) und eine Antennenanordnung (11) zum Versorgen der Sensoren (33) mit Hochfrequenzenergie und zum Empfang eines abhängig von der zu erfassenden Größe modulierten Hochfrequenzsignals von den Sensoren (33). Die Sensoren sind an dem Gegenstand (30) in Umfangsrichtung verteilt angeordnet, und die Antennenanordnung (11) hat eine Richtcharakteristik (34) für das Senden und/oder den Empfang, die, bezogen auf ein nicht mit dem Gegenstand (30) rotierendes Koordinatensystem, ortsfest ist und die nur einen Teilbereich (32) des Gegenstandes (30) einschließt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Fernerfassung wenigstens einer Meßgröße, die an einem rotierenden Gegenstand gemessen wird.

Stand der Technik

Die Fernabfragbarkeit eines Sensors ist in vielen Anwendungsbereichen erforderlich, insbesondere dort, wo es problematisch ist, eine dauerhafte kör­ perliche Verbindung zwischen einem Sensor und einer zugehörigen Auswerteeinheit herzustellen, über die Ausgangssignale des Sensors zu der Auswerteeinheit übertragen werden können. Solche Verbindungsproble­ me treten überall dort auf, wo der Sensor relativ zu der zugehörigen Auswerteeinheit bewegt ist, ins­ besondere bei Drehbewegungen. Als Beispiele hierfür können die Erfassung des Drucks in einem an einem Fahrzeug drehbar montierten Luftreifen oder die Messung des Drehmoments auf einer rotierenden Welle dienen.

Diese Anwendungen erfordern die Übertragung von Ausgangssignalen des Sensors auf elektromagneti­ schem Wege im allgemeinsten Sinne, d. h. die Über­ tragung von Funk-, Mikrowellen- oder Lichtsignalen. Eine Möglichkeit hierfür ist, das Sensorelement mit einer eigenen Stromversorgung auszurüsten, um die Energie bereitzustellen, die für die Messung und die Übertragung der Ausgangssignale benötigt wird. Dieses Prinzip stößt jedoch schnell an seine Gren­ zen durch die entstehenden Kosten (Batterie), das relativ hohe Gewicht der Sensoreinheit und die not­ wendige Wartung, da ein Tausch der Batterie nach einer bestimmten Betriebszeit notwendig ist.

Es ist daher wünschenswert, den Sensor vollkommen passiv, d. h., ohne eigene Stromversorgung zu rea­ lisieren, um die Probleme im Zusammenhang mit der Batterie zu umgehen und den Sensor kleiner, leich­ ter und unempfindlicher zu machen.

Ein Beispiel für ein Sensorsystem mit auf elektro­ magnetischem Wege fernabfragbaren Sensoren ist in DE 197 02 768 C1 behandelt. Das aus dieser Schrift bekannte Sensorsystem umfaßt:

• - einen an dem rotierenden Gegenstand angeordneten, für die Meßgröße empfindlichen Sensor und Mittel zum Weiterleiten der Signale des Sensors zu einer Verarbeitungseinrichtung, wobei diese Mittel eine Antennenanordnung zum Versorgen des wenigstens ei­ nen Sensors mit Hochfrequenzenergie und zum Empfan­ gen eines abhängig von der zu erfassenden Größe mo­ dulierten Hochfreguenzsignals von dem Sensor umfas­ sen.

Dieses Sensorsystem ist geeignet, um Meßgrößen an dem rotierenden Gegenstand zu erfassen, die im we­ sentlichen an dem gesamten Gegenstand konstant sind, so daß es auf den genauen Ort einer Messung nicht ankommt.

Wenn es jedoch darum geht, Meßgrößen zu erfassen, deren Werte nicht an dem zu messenden Gegenstand gleichförmig sind, stößt das bekannte Sensorsystem schnell an seine Grenzen. Zwar sind Messungen an Teilbereichen des rotierenden Gegenstandes noch durchführbar, wenn diese gemeinsam mit dem Gegens­ tand rotieren, wenn also der Sensor an dem interes­ sierenden Teilbereich angeordnet und mit diesem ge­ meinsam rotieren kann; wenn es jedoch darum geht, Meßgrößen in einem Teilbereich des rotierenden Ge­ genstandes zu erfassen, der bezogen auf ein nicht mit dem Gegenstand rotierendes Koordinatensystem ortsfest ist, so ist das bekannte System überfor­ dert.

Vorteile der Erfindung

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Sensorsys­ tem zum Erfassen von wenigstens einer Meßgröße an einem rotierenden Gegenstand geschaffen, das es auf einfache Weise ermöglicht, eine Meßgröße an einem Teilbereich des rotierenden Gegenstandes zu erfas­ sen, der in Bezug auf ein nicht mit dem Gegenstand rotierendes Koordinatensystem ortsfest ist.

Diese Vorteile werden dadurch erreicht, daß an dem rotierenden Gegenstand mehrere Sensoren in Umfangs­ richtung verteilt angeordnet sind, und daß die An­ tennenanordnung eine Richtcharakteristik für das Senden und/oder den Empfang hat, die bezogen auf das nicht rotierende Koordinatensystem ortsfest ist und die nur den Teilbereich des Gegenstandes ein­ schließt.

Im Laufe der Drehung des Gegenstandes durchlaufen eine Vielzahl der an ihm angeordneten Sensoren nacheinander den Teilbereich, wo sie mit der Anten­ nenanordnung in Wechselwirkung treten können. Dies bedeutet, daß die betreffenden Sensoren nur dann, wenn sie sich in dem Teilbereich befinden, mit Hochfrequenzenergie versorgt werden, die es ihnen ermöglicht, ihrerseits ein Antwort-Funksignal abzu­ strahlen, und/oder daß ein von den Sensoren abge­ strahltes Antwort-Funksignal von der Antennenanord­ nung nur dann empfangen wird, wenn der betreffende Sensor sich in dem Teilbereich befindet.

Bei dem Teilbereich kann es sich vorteilhafterweise um eine Kontaktfläche des Gegenstandes mit einer Unterlage handeln. So ist es z. B. möglich, Kon­ taktkräfte, die zwischen dem Gegenstand und der Un­ terlage wirken, zu messen, während der Gegenstand über die Unterlage rollt.

Um das System einfach und kompakt zu halten, ist bevorzugt, daß die Antennenanordnung eine gemeinsa­ me Antenne für das Senden von Hochfrequenzenergie an die Sensoren als auch für den Empfang eines Ant­ wortsignals von den Sensoren umfaßt.

Sensoren, die zur Erfassung einer gleichen physika­ lischen Größe dienen, können in Umfangsrichtung des Gegenstandes zweckmäßigerweise einen Abstand haben, der im wesentlichen der Ausdehnung des Teilbereichs in Umfangsrichtung entspricht. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß sich im Laufe der Drehung des Gegenstandes jederzeit ein Sensor für die betref­ fende Meßgröße in dem Teilbereich befindet, so daß eine kontinuierliche Messung der Meßgröße gewähr­ leistet ist.

Besonders bevorzugt ist, daß die Sensoren eine Ko­ dierung aufweisen, die es ermöglicht, unter einer Mehrzahl von in dem Teilbereich befindlichen Senso­ ren selektiv wenigstens einen Sensor mit Hochfre­ quenzenergie zu versorgen oder selektiv von wenigs­ tens einem in dem Teilbereich befindlichen Sensor zu empfangen. Eine solche Maßnahme erlaubt es, die Sensoren am Umfang des rotierenden Körpers dichter zu staffeln, als es der Ausdehnung des Teilbereichs in Umfangsrichtung entspricht; da die Sensoren je­ doch selektiv abgefragt werden können, kann die Meßgröße mit einer Ortsauflösung bestimmt werden, die feiner als die Ausdehnung des Teilbereiches ist.

Eine besonders einfache Identifizierung der Senso­ ren ist dann gegeben, wenn die Sensoren n Gruppen bilden, die jeweils zyklisch auf den Umfang des Ge­ genstandes verteilt sind.

Um eine eindeutige Zuordnung der von den einzelnen Sensoren gelieferten Meßwerte zu gewährleisten, ist bevorzugt, daß der Teilbereich so begrenzt ist, daß niemals Sensoren aller n Gruppen sich gleichzeitig darin befinden.

Zweckmäßig ist ferner, daß jeder Sensor einen ers­ ten Resonator aufweist, der durch eine der Träger­ frequenz der Hochfrequenzenergie aufmodulierte Meßfrequenz anregbar ist und dessen Resonanzfre­ quenz in Abhängigkeit von der Meßgröße variabel ist. Diese Resonanzfrequenz kann einem Antwort- Funksignal aufmoduliert werden, das der Sensor an die Antennenanordnung aussendet, so daß eine an die Antennenanordnung angeschlossene Verarbeitungsein­ richtung aus der Modulationsfrequenz auf den Wert der zu erfassenden Meßgröße rückschließen kann.

Dieser Resonator umfaßt vorzugsweise als schwingfä­ higes Element einen Oberflächenwellenresonator oder einen Schwingquarz. Ferner ist vorzugsweise ein für die Meßgröße sensitives diskretes Bauelement in den ersten Resonator einbezogen, was es ermöglicht, als schwingfähiges Element preiswerte Standardbauele­ mente zu verwenden.

Die Verwendung von Resonatoren mit in Abhängigkeit von der Meßgröße variabler Resonanzfrequenz hat ferner den Vorteil, daß die oben erwähnte Kodierung dadurch realisiert werden kann, daß jedem Sensor des Sensorsystems ein spezifischer Resonator- Abstimmbereich zugeordnet wird. Dies erlaubt es, anhand der Modulationsfrequenz des an der Antennenanordnung von einem Sensor kommend empfangenen Ant­ wort-Funksignals auf die Identität des sendenden Sensors rückzuschließen.

Wenn sich die Abstimmbereiche der einzelnen ersten Resonatoren verschiedener Sensoren teilweise über­ lappen, so kann eine Zuordnung des empfangenen Ant­ wort-Funksignals unter Berücksichtigung auch der Empfangsfeldstärke an der Antennenanordnung getrof­ fen werden. Eine einfachere Zuordnung ergibt sich jedoch, wenn die Resonator-Abstimmbereiche der ein­ zelnen Kodierungen disjunkt sind.

Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist die Erfassung von vektoriellen Meßgrößen, insbesondere von Kräften oder Beschleu­ nigungen. Wenn der rotierende Gegenstand z. B. ein Fahrzeugreifen ist, können durch die Erfassung sol­ cher Größen Gefahrensituationen wie etwa Aquapla­ ning, zu geringe Bodenhaftung einzelner Räder des Fahrzeugs beim Durchfahren von Kurven etc. erfaßt und eine diesbezügliche Warnmeldung für den Fahrer des Fahrzeugs erzeugt werden.

In einem solchen Fall ist es häufig nicht notwen­ dig, alle drei Komponenten der vektoriellen Größe zu erfassen; in den obengenannten Beispielfällen ist es ausreichend, wenn die Sensoren jeweils zur Erfassung von zwei zueinander senkrechten, zur O­ berfläche des Gegenstandes tangentialen Komponenten der Meßgröße ausgelegt sind. Auf den Wert einer ra­ dial zum Reifen orientierten Komponente der vekto­ riellen Größe kann durch Messung beispielsweise des Reifendrucks geschlossen werden. Es ist deshalb nicht erforderlich, Sensoren für die radiale Kompo­ nente der vektoriellen Größe auf dem Umfang des Reifens zu verteilen; es ist ausreichend, wenn ein einzelner Sensor für den Reifendruck vorhanden ist.

Ferner ist es vorteilhaft, daß jeder Sensor einen durch eine Trägerfrequenz der Hochfrequenzenergie anregbaren zweiten Resonator aufweist. Dieser zwei­ te Resonator erlaubt es, die Hochfrequenzenergie für eine begrenzte Zeit zu speichern, so daß sie zur Erzeugung des Antwort-Funksignals zur Verfügung steht. Dies hat zum einen den Vorteil, daß der Sen­ sor zum Erzeugen des Antwort-Funksignals nicht auf die gleichzeitige Aussendung der Hochfrequenzener­ gie durch die Antennenanordnung angewiesen ist, weil der zweite Resonator während einer Pause der Hochfrequenzenergie-Versorgung in der Lage ist, die zum Senden des Antwort-Funksignals notwendige Ener­ gie zu liefern. Da die Hochfrequenzenergie- Versorgung pausieren kann, ist es bequem möglich, eine gleiche Antenne jeweils zeitversetzt zum Ver­ sorgen der Sensoren mit der Hochfrequenzenergie und zum Empfangen ihrer Antwort-Funksignale einzuset­ zen. So ermöglicht es der erste Resonator, den Sen­ sor als ein passives Element ohne eigene Stromver­ sorgung zu bauen.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung des zweiten Re­ sonators ist, daß er eine selektive Anregung ein­ zelner Sensoren durch ein Abfrage-Funksignal mit auf den zweiten Resonator abgestimmter Trägerfrequ­ nez ermöglicht, beziehungsweise daß er in einer Um­ gebung, in der einer Mehrzahl von Abfrageeinheiten jeweils wenigstens ein Sensor zugeordnet ist, jeder Abfrageeinheit und den ihr zugeordneten Sensoren eine spezifische Trägerfrequenz zugeteilt werden kann, die es den Abfrageeinheiten ermöglicht, se­ lektiv nur die ihnen zugeordneten Sensoren anzu­ sprechen und abzufragen.

Als zweiter Resonator sind insbesondere Oberflä­ chenwellen-Resonatoren bevorzugt.

Besonders vorteilhaft sind solche Oberflächenwel­ len-Resonatoren, die in der Lage sind, in Reaktion auf einen Anregungs-Schwingungsimpuls einen zeit­ lich verzögerten Ausgangs-Schwingungsimpuls zu er­ zeugen. Solche Resonatoren können während eines ersten Zeitintervalls, das kürzer als die Verzöge­ rung im zweiten Resonator sein sollte, zu einer Schwingung angeregt werden; die in dieser Schwin­ gung gespeicherte Energie steht aber erst dann als Antriebsenergie für den Sensor zur Verfügung, wenn die Hochfrequenzenergie-Versorgung durch die Anten­ nenanordnung pausiert. Solange die Verzögerung an­ dauert, wird die Energie in dem zweiten Resonator mit geringen, durch die Schwingungsdämpfung des Re­ sonatorsubstrats bedingten Verlusten gespeichert.

Eine solche Verzögerung kann auf einfache Weise mit Hilfe einer Ausbreitungsstrecke für die Oberflä­ chenwelle erreicht werden, die von einer in dem Re­ sonator angeregten Oberflächenwelle zurückgelegt werden muß, bevor sie abgegriffen wird.

Solche Resonatoren können zum Beispiel als Oberflä­ chenwellen-Filter mit einem ersten Elektrodenpaar zum Anregen der Oberflächenwelle und einem räumlich beabstandeten, zweiten Elektrodenpaar zum Abgreifen der Oberflächenwelle ausgebildet sein, wobei die zwei Elektrodenpaare durch die Ausbreitungsstrecke voneinander getrennt sind.

Alternativ können sie als Resonatoren mit einem einzigen Elektrodenpaar ausgebildet sein, wobei das einzige Elektrodenpaar sowohl zum Anregen als auch zum Abgreifen der Oberflächenwelle dient, wobei je­ weils Reflektorelektroden in einem Abstand von dem Elektrodenpaar angeordnet sind, um die sich in dem Substrat des Resonators ausbreitende Oberflächen­ welle mit einer Zeitverzögerung zu dem Elektroden­ paar zu reflektieren.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figu­ ren.

Figuren

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeug­ rades, das mit einem erfindungsgemäßen Sensorsystem gemäß einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel ausgestattet ist;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Fahrzeug­ rades mit einem Sensorsystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Sensors des Fahr­ zeugrades aus Fig. 1;

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Abfrageeinheit für den Sensor aus Fig. 2;

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Intensitäten der Funksignale an der Antennenanordnung der Abfrageeinheit aus Fig. 3;

Fig. 6 ein erstes Beispiel für den Aufbau eines Oberflächenwellenresonators, der als zweiter Resonator für einen Sensor wie den Sensor aus Fig. 2 geeignet ist;

Fig. 7 ein zweites Beispiel für den Aufbau eines Oberflächenwellenresonators, und

Fig. 8 den zeitlichen Verlauf der Intensitäten der Funksignale an der Antennenanordnung bei Verwendung eines zweiten Resonators des in Fig. 5 oder 6 dargestellten Typs.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein erstes Beispiel eines Fahrzeugra­ des mit einem Luftreifen 30, das mit einem erfin­ dungsgemäßen Sensorsystem ausgestattet ist. Auf der Lauffläche des Luftreifens ist eine Vielzahl von Sensoren 33 angeordnet; sie können z. B. in die Profilelemente des Luftreifens eingebettet oder im Bereich des (Stahl-)Mantels angeordnet sein.

Dabei kann es sich bei den Sensoren 33 um kapaziti­ ve oder induktive Sensoren handeln, auf deren Auf­ bau und Arbeitsweise im folgenden anhand der Fig. 3 fortfolgende noch genauer eingegangen wird.

Die Sensoren 33 sind vorgesehen, um die Verformung des Profils des Luftreifens 30 an einem Teilbereich des Luftreifens 30, nämlich seiner abgeplatteten Kontaktfläche 32 zur Straße, zu messen.

Eine Antenne 11 ist in der Nähe der Achse des Rades angeordnet und hat eine auf den abgeplatteten Be­ reich 32 orientierte Richtcharakteristik, hier durch die Keule 34 dargestellt.

Die Antenne 11 ist Teil einer Abfrageeinheit, die in Fig. 4 als Blockdiagramm dargestellt ist. In der Abfrageeinheit befindet sich ein Oszillator 13, der ein Signal, hier als Abfrage-Trägersignal be­ zeichnet, mit einer Trägerfrequenz f_T im Bereich von 2,54 GHz erzeugt. Die Trägerfrequenz ist vorzugs­ weise um einige MHz gezielt variierbar. Ein zweiter Oszillator 14 erzeugt ein Abfrage-Meßsignal in Form einer Schwingung mit einer Frequenz f_M im Bereich von 0 bis 80 MHz. Wenn die Abfrageinheit zum Abfragen mehrerer Sensoren eingesetzt wird, ist die Meßfrequenz f_M zweckmäßigerweise ebenfalls gezielt variierbar, und zwar in Schritten, die der Größe des Resonanzbereichs eines ersten Resonators der Sensoren entsprechen, auf den an späterer Stelle noch eingegangen wird.

Ein Modulator 15 ist an die zwei Oszillatoren 13, 14 angeschlossen und moduliert das Abfrage- Meßsignal auf das Abfrage-Trägersignal auf und er­ zeugt so ein Abfrage-Funksignal, das an einen Schalter 12 ausgegeben wird. Der Schalter 12 steht unter der Kontrolle eines Zeitgebers 16, der eine Sende-Empfangsantenne 11 abwechselnd mit dem Aus­ gang des Modulators 15 und dem Eingang einer Demo­ dulations- und Meßschaltung 17 verbindet, die eine Verarbeitungseinrichtung zum Extrahieren der Werte der zu erfassenden Meßgrößen aus den empfangenen Antwort-Funksignalen darstellt. Die vom Modulator 15 ausgeführte Modulation kann insbesondere eine Amplitudenmodulation oder eine Quadraturmodulation sein; die in der Demodulations- und Meßschaltung 17 stattfindende Demodulation ist komplementär dazu.

Der Aufbau der Sensoren 33 ist in Fig. 3 anhand eines Blockdiagramms dargestellt. Das von der An­ tenne 11 abgestrahlte Abfrage-Funksignal wird von einer Antenne 1 des in Fig. 3 gezeigten Sensors empfangen. An die Antenne ist eine Demodulationsdi­ ode 2, zum Beispiel eine Schottky- oder Detektordi­ ode, angeschlossen. Eine solche Diode zeichnet sich durch eine bereits in der Nähe des Koordinatenur­ sprungs im wesentlichen parabelförmige Kennlinie und damit durch ein stark nichtlineares Verhalten aus, das zu einer Mischung der im Abfrage- Funksignal enthaltenen Spektralanteile und damit zur Erzeugung einer spektralen Komponente mit der Frequenz f_M des Meßsignals am Ausgang der Demodula­ tionsdiode 2 führt. Der ebenfalls am Ausgang der Demodulationsdiode 2 erscheinende, spektrale Anteil mit der Trägerfrequenz f_T dient zur Anregung eines Resonators 3, hier als zweiter Resonator bezeich­ net.

An den Ausgang der Demodulationsdiode 2 ist ferner ein Tiefpaßfilter 4 und, hinter dem Tiefpaßfilter 4 ein sogenannter erster Resonator 5 angeschlossen, der zusammen mit einem für die Meßgröße sensitiven Element 6 einen Schwingkreis bildet. Der erste Re­ sonator 5 ist genauso wie der zweite Resonator 3 ein kommerziell verfügbares Bauelement, zum Bei­ spiel ein Schwingquarz oder ein Oberflächenwellen­ resonator. Durch die Zusammenschaltung mit dem sen­ sitiven Element 6 ist die Resonanzfrequenz des ers­ ten Resonators 5 in Abhängigkeit von der Meßgröße variabel.

Der Zweck des Tiefpaßfilters 4 liegt im wesentli­ chen darin, spektrale Anteile im Bereich der Trä­ gerfrequenz f_T von dem ersten Resonator 5 fernzuhal­ ten und deren Dissipation im ersten Resonator 5 so zu verhindern. Auf diese Weise bewirkt der Tiefpaß­ filter 4 zum einen eine effektivere Anregung des zweiten Resonators 3, solange das Abfrage- Funksignal von der Antenne 1 empfangen wird; wenn das Abfrage-Funksignal pausiert, begrenzt der Tief­ paßfilter 4 die Dämpfung des zweiten Resonators 3.

Das sensitive Element 6 ist ein induktives oder ka­ pazitives Element, zum Beispiel ein mikromechani­ sches Drucksensorelement mit zwei relativ zueinan­ der in Abhängigkeit von einer einwirkenden Kraft oder Beschleunigung beweglichen Kondensatorplatten. Ein solches Element 6 beeinflußt im wesentlichen nur die Resonanzfrequenz, nicht aber die Dämpfung des ersten Resonators 5.

Da ein solcher Sensor jeweils nur für eine Kraft- oder Beschleunigungskomponente in einer Raumrich­ tung empfindlich ist, sind bei dem Luftreifen 30 aus Fig. 1 an jeder Umfangsposition 31 jeweils drei Sensoren 33 vorgesehen, zwei für die zur Ober­ fläche des Luftreifens tangentialen Richtungen, in Fahrtrichtung und quer dazu, und ein dritter für die radiale Richtung.

Fig. 5 veranschaulicht schematisch den Verlauf der Empfangsfeldstärke P an der Antenne 11 der Abfrage­ einheit als Funktion der Zeit t im Laufe eines Ab­ fragezyklus. Die Empfangsfeldstärke P ist mit einem logarithmischen Maßstab aufgetragen. Während eines Zeitraums t = 0 bis t = t₁ wird das Abfrage- Funksignal ausgestrahlt; es ist somit zwangsläufig um Größenordnungen stärker als aus der Umgebung der Abfrageeinheit zurückgeworfene Echosignale oder ein eventuell von einem Sensor geliefertes Antwortsig­ nal.

Am Zeitpunkt t₁ verbindet der Schalter 12 die An­ tenne 11 mit der Demodulations- und Meßschaltung 17, und die Ausstrahlung des Abfrage-Funksignals wird unterbrochen. Während eines kurzen Zeitraums [t₁, t₂] treffen an der Antenne 11 Echos des Abfra­ ge-Funksignals ein, die von Hindernissen in unter­ schiedlichen Abständen in der Umgebung der Antenne 11 zurückgeworfen werden.

Nachdem diese Echosignale abgeklungen sind, trifft an der Antenne 11 nur noch ein Antwort-Funksignal ein, das im Sensor 33 durch Mischen der Schwingun­ gen der zwei Resonatoren 3, 5 in der jetzt als Modulator fungierenden Diode 2 erzeugt worden und ü­ ber die Antenne 1 abgestrahlt worden sind. Die De­ modulations-Meßschaltung 17 wartet daher nach dem Umschalten des Schalters 12 noch eine vorgegebene Zeitspanne Δt ab, bevor sie beginnt, das von der Antenne 11 empfangene Antwortsignal auf Frequenz und/oder Dämpfung zu untersuchen und so die darin enthaltene Information über die Meßgröße zu extra­ hieren.

Die Verzögerung Δt kann in Abhängigkeit von der Sende- und Empfangsleistung der Abfrageeinheit fest vorgegeben sein, zum Beispiel in dem Sinne, daß für eine gegebene Bauart der Abfrageeinheit eine maxi­ male Reichweite bestimmt wird, aus der Echosignale noch durch die Abfrageeinheit nachweisbar sind, und die Verzögerung Δt wenigstens gleich dem Zweifachen der Laufzeit gewählt wird, die dieser Reichweite entspricht.

Da während der Verzögerungszeit Δt aber auch die Schwingungen der Resonatoren 3 und 5 abklingen, ist es vorteilhafter, die Verzögerungszeit Δt in Abhän­ gigkeit von der jeweiligen Einsatzumgebung der Ab­ frageeinheit so kurz wie möglich zu wählen, indem zum Beispiel für eine konkrete Einsatzumgebung die maximale Entfernung einer potentiellen Echoquelle von der Abfrageeinheit bestimmt wird und die Verzögerung wenigstens gleich der zweifachen Signallauf­ zeit vom Sensorelement zur Abfrageeinheit und damit gerade so groß gewählt wird, daß ein Echo von die­ ser Quelle nicht ausgewertet wird. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Sensorsystem kann als Verzögerungs­ zeit Δt zum Beispiel die Zeit gewählt werden, die der Laufzeit eines Funksignals von der Antenne 11 zur Fahrbahn im Bereich des abgeplatteten Bereichs 32 und zurück zur Antenne 11 entspricht.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung des Ver­ laufs der Empfangsfeldstärke P an der Antenne 11 der Abfrageeinheit als Funktion der Zeit t im Laufe eines Abfragezyklus, der sich ergibt, wenn ein O­ berflächenwellenresonator der in Fig. 6 oder 7 dargestellten Bauart als zweiter Resonator des Sen­ sors eingesetzt wird.

Während eines Zeitraums t = t₀ bis t = t₁ wird das Abfrage-Funksignal ausgestrahlt, genauso wie im Falle der Fig. 5. Am Zeitpunkt t₁ wird die Aus­ strahlung des Abfrage-Funksignals unterbrochen; die Empfangsfeldstärke P an der Antenne 11 nimmt in dem Maße ab, wie aus der Umgebung der Antenne 11 zu­ rückgeworfene Echos des Abfrage-Funksignals abklin­ gen.

Zum Zeitpunkt t₃ = t₀ + τ (unter Vernachlässigung von Signallaufzeiten zwischen Abfrageeinheit und Sen­ sor) beginnt die Oberflächenwelle, die in dem zwei­ ten Resonator 3 während des Empfangs des Abfrage- Funksignals durch den Sensor angeregt worden ist, das Elektrodenpaar zu erreichen, an dem sie abge­ griffen wird, so daß ab dem Zeitpunkt t₃ ein modu­ liertes Antwort-Funksignal am Sensor erzeugt wird. Indem die Ausdehnung des zweiten Resonators 3 bzw. die Verzögerung τ innerhalb dieses Resonators 3 groß genug gewählt wird, kann erreicht werden, daß zwischen dem Abklingen der Echos zum Zeitpunkt t₂ und dem Eintreffen des Antwort-Funksignals zum Zeitpunkt t₃ eine Empfangspause mit vernachlässigba­ rer Empfangsfeldstärke liegt, die durch die Demodu­ lations- und Meßschaltung 17 der Abfrageeinheit er­ faßbar ist und es dieser erlaubt, eindeutig zwi­ schen Echo und Antwort-Funksignal zu unterscheiden. Zum Zeitpunkt t₄ = t₁ + τ hat die Oberflächenwellen­ schwingung das abgreifende Elektrodenpaar vollstän­ dig durchquert, und die Erzeugung des Antwort- Funksignals bricht ab.

Nach einer kurzen weiteren Verzögerung, zum Zeit­ punkt t₅ beginnt mit der erneuten Ausstrahlung des Abfrage-Funksignals ein neuer Arbeitszyklus der Ab­ frageeinheit des Sensors.

Fig. 2 zeigt eine weiterentwickelte Ausgestaltung des Sensorsystems aus Fig. 1. Hier sind an jeder Position 31 an der Umfangsfläche des Reifens nur zwei Sensoren 33 angeordnet, die jeweils für Kraft beziehungsweise Beschleunigung in den zur Oberflä­ che des Luftreifens tangentialen Richtungen emp­ findlich sind. Ihr Aufbau ist der gleiche wie oben anhand der Fig. 1, 3, 5 oder 6 beschrieben.

Der in Fig. 1 an jeder Position 31 vorhandene, für eine Kraft oder Beschleunigung in radialer Richtung empfindliche Sensor ist durch einen einzigen Sensor 36 ersetzt, der den dynamischen Innendruck des Luftreifens mißt. Aus diesem Innendruck beziehungs­ weise seinen Veränderungen kann auf eine in radia­ ler Richtung auf den Luftreifen 30 wirkende Kraft rückgeschlossen werden. Dieser Sensor 36 weist eine in Umfangsrichtung des Luftreifens 30 ausgedehnte Antenne 37 oder Antennenanordnung auf, von der in jeder Drehstellung des Luftreifens ein Teil inner­ halb der Keule 34 der Antenne 11 liegt, so daß der Drucksensor 36 zu jedem beliebigen Zeitpunkt abge­ fragt werden kann.

Der einzelne Drucksensor 36 ersetzt somit sämtliche Sensoren für die in radialer Richtung wirkende Kraft oder Beschleunigung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1. Dies erlaubt eine erhebliche Verringerung der Zahl der Sensoren im Vergleich zum Ausfüh­ rungsbeispiel der Fig. 1. Wenn man einen Umfang des Luftreifens 30 von circa 2 Meter und einen Ab­ stand der Positionen 31 der einzelnen Sensoren von circa 10 cm zugrunde legt, so reduziert sich die Zahl der benötigten Sensoren von 3 × 20 = 60 im Fall des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 auf 2 × 20 + 1 = 41 im Fall der Fig. 2.

Bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausfüh­ rungsbeispielen ist die Ausdehnung der Keule 34 in Umfangsrichtung und der Abstand der Sensorpositio­ nen 31 so gewählt, daß sich zu jedem Zeitpunkt drei Positionen 31 innerhalb der Keule 34 befinden. Dies bedeutet, daß zu jedem Zeitpunkt neun beziehungs­ weise sieben Sensoren (sechs Sensoren 33 für die tangentialen Richtungen und der Drucksensor 36) durch das Abfrage-Funksignal der Antenne 11 ange­ sprochen werden können. Für eine brauchbare Fernab­ frage ist es notwendig, die Antwort-Funksignale, die von mehreren an einer gleichen Position ange­ ordneten Sensoren ausgehen, unterscheiden zu kön­ nen, und auch die von Sensoren an verschiedenen Po­ sitionen 31 gelieferten Antwort-Funksignale müssen unterscheidbar sein. Zu diesem Zweck ist eine Ko­ dierung der Funksignale erforderlich. Eine Soft­ warecodierung ist hier unzweckmäßig, zum einen auf­ grund der mit Ausführung eines Programms verbundenen Verarbeitungszeiten, zum anderen, weil die Sen­ soren die für eine solche Codierung benötigte Ener­ gie nur aus dem Abfrage-Funksignal gewinnen können, die Energie mithin knapp ist.

Es wird deshalb eine Codierung mit Hilfe der Trä­ ger- und Meßfrequenzen der zwischen der Antenne 11 und den Sensoren ausgetauschten Funksignale einge­ setzt. Die auf dem Umfang des Luftreifens 30 ver­ teilten Sensoren 33 sind jeweils in eine Mehrzahl von Gruppen aufgeteilt, bei den Beispielen der Fig. 1 und 2 ist diese Zahl willkürlich auf vier festgelegt, und die Positionen 31 sind je nach Zu­ gehörigkeit ihrer Sensoren 33 zu einer der vier Gruppen in den Fig. 1 und 2 mit a, b, c oder d bezeichnet.

Einer ersten Variante zufolge ist die Trägerfre­ quenz f_T des Abfrage-Funksignals für alle Sensoren 33 gleich, und die zweiten Resonatoren 3 aller Sen­ soren 33 sind auf diese Trägerfrequenz f_T abge­ stimmt. Die ersten Resonatoren 5 weisen Abstimmbe­ reiche auf, die innerhalb einer Gruppe je nach von dem Sensor 33 zu erfassender Meßgröße unterschied­ lich sind, und die sich ferner von einer Gruppe zur anderen unterscheiden. Nimmt man zum Beispiel im Fall der Fig. 2 an, daß die Abstimmbereiche der ersten Resonatoren 5 jeweils eine Breite von 10 MHz haben, so ist folgende Zuordnung von Abstimmberei­ chen zu Gruppen und Meßgrößen möglich:

Die Abfrageeinheit ist somit in der Lage, durch Auswahl der Meßfrequenz selektiv nur die ersten Re­ sonatoren einer Gruppe und innerhalb dieser Gruppe nur den ersten Resonator des Sensors 33, der einer bestimmten Meßgröße zugeordnet ist, anzuregen, so daß das im Anschluß an die Anregung erhaltene Ant­ wort-Funksignal nur von dem auf diese Weise adres­ sierten Sensor 33 kommen kann.

Selbstverständlich ist es auch möglich, dem Träger­ signal eine Mehrzahl von Meßfrequenzen aufzumodu­ lieren, so daß Antwort-Funksignale von mehreren Sensoren 33 gleichzeitig erhalten werden, und die Meßfrequenzen der sich zeitlich überlagernden Ant­ wort-Funksignale in der Abfrageeinheit spektral zu zerlegen, um sie so den einzelnen Sensoren 33 be­ ziehungsweise den von ihnen überwachten Meßgrößen zuzuordnen.

Eine weitere Möglichkeit ist, verschiedenen an ei­ ner gleichen Position 31 angeordneten, einer glei­ chen Gruppe zugehörigen Sensoren 33 unterschiedli­ che Trägerfrequenzen bei gleichen Abstimmbereichen der ersten Resonatoren 5 zuzuordnen. Auf diese Wei­ se können von diesen Sensoren jeweils Antwort- Funksignale erhalten werden, die zwar gleiche Meßfrequenzen beziehungsweise genauer gesagt Meßfrequenzen innerhalb eines gleichen Abstimmbe­ reichs aufweisen, die aber anhand ihrer unter­ schiedlichen Trägerfrequenzen in der Abfrageeinheit voneinander trennbar sind und so jeweils korrekt den zu erfassenden Meßgrößen zugeordnet werden kön­ nen.

Wenn an einer Position 31 zwei Meßgrößen erfaßt werden sollen, kann es auch zweckmäßig sein, die Antennen 1 der Sensoren 33 polarisationsempfindlich zu konstruieren. So kann zum Beispiel die Antenne 1 eines Sensors 33, der eine Kraft in Fahrtrichtung erfaßt, nur für ein parallel zur Fahrtrichtung po­ larisiertes Abfrage-Funksignal empfindlich sein, und ein an der gleichen Position 31 angeordneter Sensor 33 zum Erfassen der Kraft quer zur Fahrt­ richtung ist empfindlich für ein quer dazu polari­ siertes Abfrage-Funksignal. Entsprechend unter­ scheiden sich die Polarisationen der von den zwei Sensoren 33 ausgestrahlten Antwort-Funksignale, so daß die Abfrageeinheit an der Polarisierung die Antwort-Funksignale zu unterscheiden vermag.

Während das Fahrzeug sich bewegt, sollen alle Sen­ soren des Rades fortlaufend abgefragt werden. Zu diesem Zweck kann gemäß einer einfachen Ausgestal­ tung die Keule 34 der Antenne 11 so bemessen wer­ den, daß im wesentlichen immer nur eine Position 31 innerhalb der Keule liegt. Um eine Störung der Er­ fassung der Meßgröße durch am Rand der Keule 34 be­ findliche Sensoren zu vermeiden, ist hier eine sehr scharfe räumliche Begrenzung der Keule 34 erforder­ lich.

Einer vorteilhaften Alternative zufolge ist die Größe der Keule 34 der Antenne 11 in Umfangsrich­ tung des Luftreifens 30 einerseits so groß, daß stets mehrere Positionen 31 in dieser Keule 34 lie­ gen, andererseits aber nicht so groß, als daß Sen­ soren aller Gruppen darin Platz finden könnten. Bei der in den Fig. 1 beziehungsweise 2 gezeigten Stellung des Rades kann die Abfrageeinheit jeweils Sensoren der Gruppen c, d und a anregen und Ant­ wort-Funksignale von ihnen empfangen; Sensoren der Gruppe b liegen nicht in der Keule 34. Da die Grup­ pen a, b, c, d zyklisch aufeinanderfolgen, kann die Abfrageeinheit aus dem Fehlen eines Antwort- Funksignals der Gruppe b folgern, daß die Sensoren der Gruppen a und c sich in der Nähe des Randes des abgeplatteten Bereichs 32 befinden müssen und daß der Sensor der Gruppe d in der Mitte des abgeplat­ teten Bereichs 32 liegen muß. Am Rand des Bereichs 32 findet eine starke Walkbewegung des Materials des Luftreifens 30 statt, so daß die Sensoren der Gruppen a und c dadurch starken Kräften ausgesetzt sein können. Der Sensor der Gruppe d hingegen muß sich in der Mitte des abgeplatteten Bereichs 32 be­ finden, also dort, wo die Walkbewegung gering ist, die Kraftübertragung zwischen Luftreifen 30 und Fahrbahn aber am wirksamsten ist. Das von diesem Sensor gelieferte Antwort-Funksignal erlaubt somit den genauesten Rückschluß auf die Qualität der Bo­ denhaftung des Luftreifens. Die Abfrageeinheit i­ dentifiziert daher das Antwort-Funksignal des Sen­ sors der Gruppe d anhand seiner charakteristischen Meßfrequenz und veranlaßt beispielsweise die Ausga­ be eines Warnsignals an den Fahrer des Fahrzeugs, wenn der momentane Wert dieser Meßfrequenz, der die vom Sensor der Gruppe d erfaßte Kraft repräsen­ tiert, einen Sollbereich verläßt. Auf diese Weise kann der Fahrer gewarnt werden, noch bevor die Bo­ denhaftung des Fahrzeugs, zum Beispiel durch Aqua­ planing oder Fahren auf eisglatter Fahrbahn, verlo­ rengeht, und die Gefahr von Unfällen kann verrin­ gert werden.

Claims (22)

1. Sensorsystem zum Erfassen von wenigstens einer Meßgröße an einem rotierenden Gegenstand (30), mit wenigstens einem an dem rotierenden Ge­ genstand (30) angeordneten, für die Meßgröße empfindlichen Sensor und Mitteln zum Abgreifen von Meßsignalen von dem wenigstens einen Sen­ sor und zum Weiterleiten der Signale zu einer Verarbeitungseinrichtung, welche eine Anten­ nenanordnung (11) zum Versorgen des wenigstens einen Sensors mit Hochfrequenzenergie und zum Empfang eines abhängig von der zu erfassenden Größe modulierten Hochfrequenzsignals von dem Sensor umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere solcher Sensoren an dem Gegenstand (30) in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind, und daß die Antennenanordnung (11) eine Richt­ charakteristik (34) für das Senden und/oder den Empfang hat, die bezogen auf ein nicht mit dem Gegenstand (30) rotierendes Koordinaten­ system ortsfest ist und die nur einen Teilbe­ reich (32) des Gegenstandes (30) einschließt.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Teilbereich die Kontaktflä­ che des Gegenstandes (30) mit einer Unterlage ist.

3. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenanordnung (11) eine gemeinsame Antenne für Senden und Empfang umfaßt.

4. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren, die zur Erfassung einer gleichen physikali­ schen Größe dienen, in Umfangsrichtung des Ge­ genstandes (30) einen Abstand haben, der im wesentlichen der Ausdehnung des Teilbereichs (32) in Umfangsrichtung entspricht.

5. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen­ soren eine Codierung aufweisen, die es ermög­ licht, unter einer Mehrzahl von in dem Teilbe­ reich (32) befindlichen Sensoren selektiv we­ nigstens einen Sensor mit Hochfrequenzenergie zu versorgen oder von wenigstens einem in dem Teilbereich befindlichen Sensor selektiv zu empfangen.

6. Sensorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensoren n Gruppen bilden, die jeweils zyklisch auf den Umfang des Ge­ genstandes (30) verteilt sind.

7. Sensorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Teilbereich so begrenzt ist, daß niemals Sensoren aller n Gruppen sich gleichzeitig darin befinden.

8. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor einen durch eine einer Trägerfrequenz der Hochfrequenzenergie aufmodulierte Meßfre­ quenz anregbaren, ersten Resonator (5) auf­ weist, dessen Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Meßgröße variabel ist.

9. Sensorsystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Resonator (5) einen Oberflächenwellenresonator oder einen Schwing­ quarz umfaßt.

10. Sensorsystem nach Anspruch 9, daß der erste Resonator (5) ferner ein für die Meßgröße sen­ sitives, diskretes Bauelement (6) umfaßt.

11. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7 und einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Kodierung ein spezifi­ scher Resonator-Abstimmbereich entspricht.

12. Sensorsystem nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Resonator-Abstimmbereiche der einzelnen Kodierungen disjunkt sind.

13. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße eine vektorielle Größe, insbesondere eine Kraft oder Beschleunigung ist.

14. Sensorsystem nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensoren jeweils zur Erfas­ sung von zwei zueinander senkrechten, zur O­ berfläche des Gegenstandes tangentialen Kompo­ nenten der Meßgröße ausgelegt sind.

15. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ge­ genstand (30) ein Luftreifen ist.

16. Sensorsystem nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es ferner einen einzelnen Sensor (36) für den Reifendruck aufweist.

17. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor einen durch eine Trägerfrequenz der Hochfrequenzenergie anregbaren, zweiten Resona­ tor (3) aufweist.

18. Sensorsystem nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Resonator (3) ein Oberflächenwellen-Resonator ist.

19. Sensorsystem nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Resonator (3) in der Lage ist, in Reaktion auf einen Anregungs- Schwingungspuls einen zeitlich verzögerten Ausgangs-Schwingungspuls zu erzeugen.

20. Sensorsystem nach Anspruch 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Resonator (3) eine Ausbreitungsstrecke (L) für die Oberflächen­ welle aufweist, die von einer in dem zweiten Resonator (3) angeregten Oberflächenwelle zu­ rückgelegt werden muß, bevor sie abgegriffen wird.

21. Sensorsystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Resonator zwei räumlich beabstandete Paare (25, 26) von Elekt­ roden (21, 22) aufweist.

22. Sensorsystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Resonator (5) ein Paar (27) von Elektroden (21, 22) zum Anre­ gen und Abgreifen einer Oberflächenwelle und von dem Elektrodenpaar (27) beabstandet ange­ ordnete Reflektorelektroden (23) aufweist.