CN103959016A - 数字传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数字传感器，其具有传感器元件、数字部件、采样和保持级、输出级并且具有用于存储电能的器件，其中通过电源向传感器元件、数字部件、采样和保持级、输出级和用于存储电能的器件供给电能，其中在传感器输出端处，传感器以数字形式提供后续电子电路的、由传感器元件测定并由数字部件数字化和/或分析的测量值。为了提供一种当电源供应中断后也尽可能长时间地提供需要测量的物理量的可使用的测量值的数字传感器，当电源(19)有故障时，通过用于储存电能的器件(5)为采样和保持级(11)和输出级(12)供应电流，其中输出级(12)一直在信号线(7)中提供在采样级和保持级(11)中最后存放的测量值，直到电源(19)的故障状态结束，并且在采样和保持级(11)中存放了新的测量值，并且其中当电源(19)有故障时，没有电流从用于储存电能的所属器件(5)输送给传感器元件(3)。

Description

数字传感器
技术领域
本发明涉及一种数字传感器，其具有传感器元件、数字部件、采样和保持级、输出级并且具有用于存储电能的器件，其中通过电源向传感器元件、数字部件、采样和保持级、输出级和用于存储电能的器件供给电能，其中在传感器输出端处，传感器以数字形式提供后续电子电路的、由传感器元件测定并由数字部件数字化和/或分析的测量值。
背景技术
例如在汽车技术中自从多年前就已经应用了传感器，这些传感器可以检测大量测量形式的物理量并且此外有助于机动车更加安全、有效并且舒适地运行。在此首先检测物理量作为模拟测量值。例如对液体流的物料流量和温度的检测特别是在汽车工业中具有重要意义，这是因为为了优化对汽车中内燃机的控制而需要这些数值。至今为止也以模拟形式向汽车中的发动机控制器提供由传感器为了检测液体流的物料流量和温度而测定的值。但是模拟信号的缺点在于，其易受干扰并且例如被电磁干扰场明显扰乱。在此由传感器元件测定的模拟测量值的数字化在传感器自身中也是有利的。利用模拟/数字转换器实现上述过程，所述转换器在传感器自身中可以布置在数字部件中。
但是当传感器的电源有故障时，数字传感器证明是有问题的，因为在电流有故障之后没有立即可使用的数字信号，并且后续电子仪器因为缺少测量值而切换到应急模式，其通常引起需要控制的组合件的效率的显著下降。此外在电流中断之后需要重新配置数字传感器，这同样需要并不显著的时间间隔。在该时间间隔中没有可用的传感器测量值。
在模拟工作的传感器中，通过在电源的引线中或多或少的大电容器来解决此问题，电容器在电流中断时在某个时间也为另外的供应提供电能。当来自电容器的能量在电源的引线中不够用时，传感器元件结束对相应物理量的测量。但是在模拟传感器中，在传感器输出端的导线中同样存在电容器，其在传感器元件有故障后在某个时间还保持最后检测的模拟测量值，并且然后所施加的与测量值成比例的电压慢慢消失。由此在电源电流中断后模拟传感器仍较长时间地在传感器输出端处提供测量值，该测量值近似于最后被传感器元件检测的测量值。一旦再次建立电源至传感器的供应，传感器可以提供新测量值，而不需要执行在数字传感器中所需要的初始化过程。
在数字工作的传感器中，当电流供应中断时也可以通过在电源的引线中或多或少的大电容器正向地获得传感器的能量供应。在电源的引线中的电容器在电流中断期间在某个时间也为另外的供应提供电能。但是因为许多传感器元件(例如基于热膜元件的空气质量测量器)需要非常多的电能，因此在电源的引线中的电容器中的电能储备迅速被用尽。因为数字传感器在它的传感器输出处以数字方式(即例如作为位串)提供测量值作为物理量，在传感器输出端的导线中的电容器不能正向地获得最后被测量的信号。一旦在供应电流中断后用尽了来自在电源的引线中的电容器的电能，所有传感器一起中断并且完全不再给后续电子器件提供测量值。在这种情况下在后续电子器件中启动应急程序，这导致了需要控制的组合件效率显著下降。此外，已关闭的数字传感器的重新启动持续时间相对较长，对此需要相对较长的应急程序。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种数字传感器，其在电源的供应中断后还尽可能长时间地提供需要测量的物理量的可使用的测量值。
根据本发明通过独立权利要求的特征实现该目的。
附图说明
本发明允许大量的实施方式。为进一步阐明它的基本原理，在附图中示出其中一种并且以下进行说明。其示出：
图1在示意图中示出模拟传感器，
图2在示意图中示出数字传感器，
图3是根据本发明的数字传感器，
图4是具有气体传感器元件的数字传感器。
具体实施方式
图1在示意图中示出具有传感器元件3的模拟传感器1。传感器元件3与电源线4相连，所述电路线连接至电源19。第一电容器5与电源线4相连，电容器将电源线4与地线6分开。第一电容器5由电源19充电。第一电容器5可以具有相对较高的电容，由此它可以存储大量电能。如果电源19有故障或者暂时失灵，可以使用在第一电容器5中存储的电能以供应传感器元件3。由此传感器1在电源19有故障时也可以继续采集测量值并且通过此处未示出的后续电子器件、例如机动车中的发动机控制器的的信号线7提供测量值。
因为在第一电容器5中电能的储备是有限的，模拟传感器1仅在电源19有故障后的某个时间继续工作并且检测测量值。当第一电容器5中的电能储备用尽时，不能再驱动传感器元件3，并且然后也不再给后续电子器件提供信号。尽管如此为了向后续电子器件提供测量值，该值尽可能的等于传感器元件3的最后测量值，将第二电容器8与信号线7相连，在此实例中该电容器连接在信号线7和地线6之间。该第二电容器8具有尽可能地等于测量值的电势能，该测量值由传感器元件3测量并且作为电压值提供给信号线7。然而当电源19有故障时并且在第一电容器5中存储的电能用尽时，传感器元件3不再向信号线7提供测量值。但是在信号线7处施加有由第二电容器8提供的势能，其尽可能等于最后电压值并且进而等于传感器元件3的最后测量值。之后由第二电容器8提供的势能只是慢慢下降并且接近地电位，对此在传感器元件有故障之后在某个时间在信号线7上施加有信号，其尽可能等于传感器元件3提供的最后信号。为此在模拟传感器2的情况下，第二电容器8在信号线7中有大约10到100μsec的时间常数，并且电容器的电容相应较高。从而在模拟传感器1的电源19中断之后，后续电子器件、例如汽车中的控制器还可以较长时间地继续工作。
然后当再次建立电源19时，通常模拟传感器非常快速再次完成测量准备，并且它可以将与需要测量的物理量相应的信号提供给信号线7，并且由此驱控机动车中的后续电子器件。
图2示出数字传感器2。数字传感器2由传感器元件3、数字部件10、采样和保持级11以及输出级12组成。数字传感器2也可以包括其他的数字和模拟电路元件。传感器元件3检测物理量并且以模拟形式提供与该量相应的测量值。通常以电压的形式提供测量值，其与所测得的量成比例。在数字传感器2中，电压从它的模拟形式转换到数字形式，这在数字部件10中实现。为此在数字部件10中存在模拟数字转换器。模拟数字转换器的工作方式对于本领域技术人员来说是已知的。模拟数字转换器提供与模拟输入数值成比例的数字信号。数字部件将该数字信号提供给采样和保持级。该数字信号一直存储在采样和保持级中，直到数字部件10提供新的数字信号为止。输出级12通过信号线7向后续电子器件、例如在机动车中的控制器发送数字信号。
电源电4将数字传感器2与电源19连接。传感器元件3、数字部件10、采样和保持级11和输出级12借助电源线4来供给电能。在数字传感器12的情况下，电源线4也与第一电容器5相连，其存储电能并且因此作为用于储存电能的器件5。除了电容器5也可以考虑其他用于储存电能的器件5，例如电池或者蓄电器。当电源19有故障时，可以使用存储在用于储存电能的器件中的电能，以便向传感器元件3、数字部件10、采样和保持级11和输出级12供应电能。因此在电源10有故障时，数字传感器2也仍在某个时间内可以继续工作并且提供测量值，直到在用于储存电能的器件5中、即在此实施例中在第一电容器5中的电能也被用尽。
与图1中示出的模拟传感器1的解决方法相反，在传感器元件3有故障之后，在数字传感器中的信号线7中的第二电容器8并不将与最后测量值相应的信号通过信号线7发送至后续的车辆电子器件。由数字传感器2通过信号线7发送至后续车辆电子器件的信号仅仅是数字信号，即不能由第二电容器8复制的位串。在信号线7中的第二电容器8在数字传感器2的情况下仅仅有信号线7的抗干扰功能，为此对于在数字传感器2的信号线7中的第二电容器8的时间常数位于大约10到100μsec，并且相应地减少该电容器的电容。在电源19有故障并且第一电容器5中存储的电能耗尽之后，数字传感器2完全失灵，并且绝对没有信息通过信号线提供给后续汽车电子器件。在此类情况时必须控制后续汽车电子器件进入应急程序中，其导致了对于例如内燃机的需要控制的组合件的非常差的驱控。当数字传感器的传感器元件3例如设计为物料流量传感器元件13时，其根据热膜原理工作，该传感器元件3，13消耗非常多的电能，由此在电源9中断或者有故障之后，瞬间用尽了储存在用于储存电能的器件5中的电能。因此例如数字式的物料流量传感器仅仅可以在非常短地时间内继续工作直到其在电流故障之后完全调整了它的工作。
同样当此后再次建立电源19时，必须首先重新初始化数字传感器2，其中直到通过信号线7可以提供与需要测量的量中的一个成比例的信号时又消耗时间。因此电源19的故障对数字传感器2的影响比对模拟传感器1的影响更持久。
通过在图3中示出的数字传感器2避免了该缺点。
图3示出了根据本发明的数字传感器，其具有传感器元件3、数字部分10、采样和保持级11和输出级12。在此实例中传感器元件3设计为物料流量传感器13。此类的物料流量传感器元件13是已知的，并且例如在EP374352A1和EP866950B1中已经进行说明。现代的物料流量传感器是在微型机械方面制造的并且可以作为集成电路的组成部分与数字部分10、采样和保持级11以及输出级12共同构造在一个唯一的硅片上。在数字传感器2中再次需要识别电源线4，其将数字传感器2与电源19连接。在电源线4旁以电容器形式设计有用于存储电能的器件5。此外在电源线4中要识别的是开关9，其通常设计为电子开关并且具有以下任务，即当电源有故障时，将具有大的电流消耗的例如传感器元件3的构件与用于存储电能的器件5分开。因此开关9保证仅向数字传感器2的一些结构件继续供应电能，这些构件是绝对重要的，以便在电源19有故障之后继续将在采样和保持级11中最后存放的测量值一直发送至信号线，直到电源19的故障状态结束，并且在采样和保持级11中由传感器元件3存放了新的测量值。在此实例中，开关9在电源有故障后将物料流量传感器13和数字部分10与用于储存电能的器件5分开。由此用于储存电能的器件5只需向采样和操持级11以及输出级12继续供应电能。因为采样和保持级11以及输出级12相比较而言消耗较少的电能，因此在电源19有故障后的较长时间内，用于储存电能的器件5可以保证在相对较长的时间上对采样和保持级11以及输出级12供电。因此在较长时间内可以在信号线7中提供最后由传感器元件3测定的并且在采样和保持级11中存放的测量值，并且用于驱控后续电子电路。这些后续电子电路可以例如是机动车中的发动机控制器。在此示出的第二电容器8再次仅仅用于改善信号线7的电磁属性并且它不影响在信号线7中的二进制输出信号的维持情况。
图4示出具有图3的数字传感器的所有特征的数字传感器2，其中在图4中将传感器元件3设计为气体传感器元件14。但是也可以将传感器元件构设计压力传感器元件、温度传感器元件、位置传感器元件或者转速传感器元件。也可以考虑，在数字传感器上设计两个或者多个之前提到的传感器的组合。

Claims (10)

1.一种数字传感器(2)，具有传感器元件(3)、数字部件(10)、采样和保持级(11)、输出级(12)以及具有用于存储电能的器件(5，8)，其中通过电源(19)并且经过电源线(4)向所述传感器元件(3)、所述数字部件(10)、所述采样和保持级(11)、所述输出级(12)和所述用于存储电能的器件(5，8)供给电能，其中在所述传感器输出端(20)处，所述传感器(2)以数字形式提供后续电子电路的、由所述传感器元件(3)测定并由所述数字部件(10)数字化和/或分析的测量值，其特征在于，当所述电源(19)有故障时，通过所述用于存储电能的器件(5)向所述采样和保持级(11)供应电能，其中，由所述输出级(12)一直在信号线(7)中提供在所述采样和保持级(11)中最后存放的输送测量值，直到所述电源(19)的所述故障结束，并且在所述采样和保持级(11)中存放了新的测量值，并且其中当所述电源(19)有故障时，没有电流从所述用于储存电能的器件(5)输送给所述传感器元件(3)。
2.根据权利要求1所述的数字传感器(2)，其特征在于，所述传感器元件(3)是物料流量传感器元件(13)。
3.根据权利要求1所述的数字传感器(2)，其特征在于，所述传感器元件(3)是气体传感器元件(14)。
4.根据权利要求1所述的数字传感器(2)，其特征在于，所述传感器元件(3)是压力传感器元件(15)。
5.根据权利要求1所述的数字传感器(2)，其特征在于，所述传感器元件(3)是温度传感器元件(16)。
6.根据权利要求1所述的数字传感器(2)，其特征在于，所述传感器元件(3)是位置传感器元件(17)。
7.根据权利要求1所述的数字传感器(2)，其特征在于，所述传感器元件(3)是转速传感器元件(18)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的数字传感器(2)，其特征在于，在所述电源线(4)中或者旁边布置有所述用于储存电能的器件(5)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的数字传感器(2)，其特征在于，所述用于储存电能的器件(5)包括至少一个电容器。
10.根据权利要求8或9所述的数字传感器(2)，其特征在于，在所述电源线(4)中布置有开关(9)，当所述电源(19)有故障时，所述开关仅仅将所述采样和保持级(11)和所述输出级(12)与所述用于储存电能的器件(5)连接。
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