CN107430038A - 测量流体压力且用于验证已测量的流体压力的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量流体压力并验证已测量的流体压力的装置，该装置包括：传感器元件，其具有流体室和连结该流体室且在流体压力下可变形的元件；电阻电桥(202)，其设置在可变形的元件的背离该流体室的一侧，用于生成依赖于流体压力的横向电桥电压。该装置还包括电压划分器(204)，其并联连接到该电阻电桥(202)并且生成差分电压。

Description

测量流体压力且用于验证已测量的流体压力的装置和方法
技术领域
本公开涉及用于测量流体压力且用于验证已测量的流体压力的装置及方法。
背景技术
用于测量流体压力的装置用于许多领域中。例如，在液压车辆制动器的情况下，电子控制单元(ECU)依赖由流体通道中的装置测量的压力来驱动种类极其繁多的部件(诸如阀)。用于测量流体压力的压力传感器经常具有压阻元件，在变形的情况下所述压阻元件的电阻变化，并且所述压阻元件是电阻测量电桥的一部分。流体压力的测量然后是电阻测量电桥的电压划分器之间的电压差。测量到的电压差然后通常被传递以进一步处理，并且已进一步处理的信号被供给给电子控制单元。
在已知解决方案中，使用另外的部件来验证电阻测量电桥的无故障工作和随后的信号处理，其产生额外成本。另外，因为使用较复杂的结构来用于电阻测量电桥和随后的信号处理，所以用来验证压力测量的另外部件降低了用于实际压力测量的部件的可靠性。
发明内容
因此，对象是提出用于测量流体压力且用于验证所述流体压力的装置，该装置避免了现有技术的一个或更多个缺点。
根据一个方面，一种用于测量流体压力且用于验证已测量的流体压力的装置包括传感器元件，该传感器元件具有流体室和连结流体室且在流体压力下可以变形的元件。电阻测量电桥设置在可变形元件的远离流体室的一侧，用于生成依赖流体压力的横向电桥电压的目的。装置还具有电压划分器，该电压划分器并联连接到电阻测量电桥，用于生成差分电压的目的。
设置了具有多个电阻元件的电阻测量电桥，以实际测量流体室中的流体压力。电阻元件通常为压阻元件的形式，例如为应变计的形式。压阻元件至少设置在膜片上的区域中，例如，在膜片的远离流体室的一侧。流体室中的流体压力的变化造成膜片的变形，因此还造成设置在所述膜片上的压阻元件的变形，这造成压阻元件电阻的变化。所测量的且指示电阻测量电桥的电压划分器之间的电压差的横向电桥电压的变化然后是流体室中流体压力的变化的测度。
除了这一点，还设置了并联连接到电阻测量电桥并且借助其生成差分电压的电压划分器。差分电压是电压划分器与电阻测量电桥之间的电压差。例如可以校准包括电阻测量电桥和电压划分器的结构，使得差分电压和横向电桥电压在结构的无问题操作期间具有独立于流体压力的固定的相关性。在一个实施方式中，上级系统然后可以在装置的操作期间执行检查，以确定是否维持横向电桥电压与差分电压之间的相关性。如果不再是这种情况，则这暗示压力测量装置的运行故障。
在所描述的排布结构的情况下，用于实际压力测量的电阻测量电桥通常与仅用于压力测量而不用于验证所确定的压力的装置的情况下没有不同地来构造。即，用于压力测量的实际结构在一些实现中没有另外的部件，而是仅具有并联连接到电阻测量电桥且用来验证电阻测量电桥的电压划分器。因此，另外的验证功能对电阻测量电桥没有不利影响。另外，所描述的解决方案构成在用于测量流体压力的装置的操作期间验证所述装置的成本高效方式。
在一个实施方式中，电压划分器具有串联连接的两个电阻元件。
在另外的实施方式中，电阻测量电桥具有两个电压划分器，这两个电压划分器并联连接，并且各具有串联连接的两个电阻元件。电阻元件中的一个然后可以为压阻元件，诸如应变计，并且压阻元件的电阻的变化然后造成横向电桥电压的变化。横向电桥电压指示电阻测量电桥的两个电压划分器之间的电压差。差分电压然后可以指示并联连接到电阻测量电桥的电压划分器与电阻测量电桥的电压划分器中的一个之间的电压差。
在另一个细化中，测量装置具有电子信号处理部件，该电子信号处理部件具有用于施加电桥电压的第一输入和用于施加差分电压的第二输入；和复用器，该复用器交替地选择横向电桥电压与差分电压以由电子信号处理部件进一步处理。连结复用器的、用于实际信号处理的部件用来处理横向电桥电压，例如，用来补偿温度影响。差分电压和横向电桥电压由复用器交替处理，并且在装置已合适校准的情况下，已处理的两个信号具有独立于流体压力的固定相关性。如果该相关性不再存在，则这不仅可以暗示实际压力测量结构中的故障，而且暗示随后信号处理的故障。因此，所描述的系统不仅可以用于识别电阻测量电桥的故障行为，而且可以识别随后信号处理中的故障。在一些实现方案中，实际信号处理不具有冗余设计，使得实际信号处理的可靠性没有由于验证而下降。
在本公开的一个细化中，电子信号处理部件具有用于由复用器选择的信号的放大器。
在另外的细化中，电阻测量电桥和并联连接到电阻测量电桥的电压划分器被设计为使得横向电桥电压和差分电压具有独立于流体压力的相关性。电阻测量电桥例如被设计为使得各半桥具有关于彼此的固定已知比。这得到横向电桥电压与差分电压之间的线性关系。在给定半桥的相同设计的情况下，已经被处理的差分电压例如仅展示已经被处理的横向电桥电压的放大率的一半。电压划分器的设计反映在差分电压与横向电桥电压之间的偏移电压中。
在另外的细化中，电压划分器设置在可以在流体压力下变形的元件上。所述电压划分器在这种情况下被设置为使得它在存在流体压力的变化时不变化。
在另一个细化中，电子信号处理部件具有电压划分器。
本公开还提供了一种液压控制单元，该液压控制单元具有以上描述的、用于测量流体压力且用于验证已测量的流体压力的装置。液压控制单元中的测量装置例如可以根据已测量的流体压力驱动液压控制单元的阀。压力测量装置的传感器元件可以为与液压控制单元的剩余部分分离且被紧固到液压控制单元的连接面的单元。所述单元可以紧固到所述连接面，例如通过压铆紧固。
本公开还提供了一种车辆制动系统，该车辆制动系统包括以上描述的液压控制单元。来自压力测量装置的输出信号通常被供给到电子控制单元，该电子控制单元然后根据所述输出信号来驱动液压控制单元的阀。
本公开还提供了一种用于测量流体压力且用于验证已测量的流体压力的方法，所述方法能够在不降低用于实际压力测量的结构的可靠性的情况下以简单且成本高效的方式来验证所测量流体压力。
一个实施方式提供了一种用于测量流体压力且用于验证已测量的流体压力的方法，包括传感器元件，该传感器元件具有流体室和连结流体室且在流体压力下可以变形的元件；包括电阻测量电桥，该电阻测量电桥设置于在流体压力下可以变形的元件的远离流体室的一侧；并且包括并联连接到电阻测量电桥的电压划分器，该方法包括以下步骤：
-借助于电阻测量电桥确定取决于流体压力的横向电桥电压；
-确定并联连接到电阻测量电桥的电压划分器与电阻测量电桥之间的差分电压；以及
-确定横向电桥电压与差分电压之间的相关性，以验证电桥电压。
横向电桥电压与差分电压之间的相关性可以用于识别所确定的流体压力是否错误。两个信号之间的相关性是固定变量，该固定变量已知且独立于流体室中的流体压力。如果相关性与已知的相关性不同，则这暗示信号链中的错误。在一些变体变型例中，确定横向电桥电压的电阻测量电桥没有另外的元件，因此，用于验证已测量的压力的任何复杂结构没有降低实际压力测量的可靠性。
在另外的实施方式中，电阻测量电桥具有并联连接的两个电压划分器，其中，当确定差分电压时，确定并联连接到电阻测量电桥的电压划分器与电阻测量电桥的电压划分器中的一个之间的电压差。
在又一个实施方式中，电阻测量电桥和并联连接到电阻测量电桥的电压划分器被设计为使得电桥电压和差分电压具有独立于流体压力的相关性。
在另外的发展中，在电子信号处理部件中，交替地选择电桥电压与差分电压以由电子信号处理部件进一步处理，并且已处理的差分电压用于验证已经被测量并处理的电桥电压。
附图说明
本公开的另外优点和特征可以在一个实施方式的以下描述中且从在以下文本中进行参照的附图找到，并且在附图中：
图1示出了液压控制单元的一部分的剖面侧视图，该液压控制单元包括根据一个实施方式的用于测量流体压力且用于验证已测量的流体压力的装置；
图2示意性示出了具有电阻测量电桥和并联连接到所述电阻测量电桥的电压划分器的结构的示例性实施方式的平面图；
图3示意性示出了用于处理由图2所示的结构输出的信号的电子信号处理部件；以及
图4示意性示出了横向电桥电压和差分电压取决于流体压力的曲线。
具体实施方式
下面说明的示例性实施方式提供了一种用于测量流体压力且用于验证已测量的流体压力的技术，所述技术简单且因此成本高效，并且不降低用于实际压力测量的结构的可靠性。
图1示意性示出了用于测量流体压力且用于验证已测量的流体压力的装置100的剖面侧视图。装置具有传感器元件101，该传感器元件包括内部形成流体室104的壳体102。膜片106连结流体室104且形成在流体压力下可以变形的元件。传感器元件101具有电阻测量电桥108，该电阻测量电桥108在膜片106在图1中的顶部处的一侧，即，在膜片106的远离流体室104的一侧。电阻测量电桥108具有在变形的情况下电阻变化的至少一个应变计。在这里存在的示例中，为了沿彼此垂直的两个不同方向检测膜片的变形，设置垂直于彼此设置的两个应变计。此外，电连接到电阻测量电桥108的电子信号处理部件110设置在传感器元件101的壳体102上。
在这里所示的示例中，传感器元件101连接到液压控制单元112。传感器元件101被紧固到液压控制单元112的连接面116，使得在传感器元件101的流体室104与液压控制单元112的流体通道118之间存在流体连接。在这里所示的示例中，传感器元件101由压铆紧固到液压控制单元112。为此，传感器元件101具有上面可以施加用于压铆目的的压力的平坦表面120。然而，传感器元件101还可以以不同的方式紧固到液压控制单元112。
图2示出了是用于测量流体压力且用于验证所述流体压力的装置100的一部分的排布结构200。该排布结构200包括对应于图1的电阻测量电桥202，该电阻测量电桥202设置在膜片106上，并且用于将由于流体压力引起的膜片106的变形转换成电信号；和电压划分器204，该电压划分器204并联连接到所述电阻测量电桥。电压划分器204具有串联连接的两个电阻元件206、208，并且电阻测量电桥202具有两个电压划分器210、212，这两个电压划分器并联连接，并且各具有串联连接的两个电阻元件214、216以及相应地218、220。
上面设置了电阻测量电桥108或202的膜片106的变形的测量结果是所谓的横向电桥电压。横向电桥电压指示电阻测量电桥202的两个电压划分器210、212之间的电压差。在这里所示的示例性实施方式中，电压U1施加于电阻测量电桥202的第一电压划分器210的两个电阻元件214、216之间，并且电压U2施加于电阻测量电桥202的第二电压划分器212的两个电阻元件218、220之间。横向电桥电压是电压U1与U2之间的电压差，即，U1-U2。
电压U3施加于并联连接到测量电桥202的电压划分器204的两个电阻元件206、208之间。并联连接的电压划分器204用于确定差分电压，该差分电压指示并联连接到电阻测量电桥202的电压划分器204与电阻测量电桥202的电压划分器210、212中的一个之间的电压差。在这里存在的示例中，差分电压由电压U1与电压U3之间的电压差形成，即，U1-U3。
电阻元件214、216、218、220中的至少一个为在变形的情况下电阻变化的应变计。在这里所示的示例中，所有四个电阻元件214、216、218、220都为应变计的形式。因此，电阻测量电桥202为全桥的形式。
图3更详细地示出了用于处理图2所示的结构200的电压信号的电子信号处理部件300。电子信号处理部件300对应于图1所示的电子信号处理部件110。
电子信号处理部件300具有用于横向电桥电压U1-U2的第一输入302和用于差分电压U1-U3的第二输入304。此外，所述电子信号处理部件具有用于电源电压的输入306和用于到地的连接的另外输入308。
此外，电子信号处理部件300包括复用器310；在复用器310之后的放大器312；以及输出划分器314，该输出划分器314在放大器312之后，并且在用于已处理的横向电桥电压的第一输出316与用于已经被处理的差分电压的第二输出318之间切换。来自电子信号处理部件300的输出信号可以用于供给到电子控制单元(ECU)(未示出)，该ECU转而可以驱动液压控制单元112(HCU)的各种部件。
电子信号处理部件300甚至可以包括比图3所示的功能多的功能。例如，所述电子信号处理部件可以满足校准功能并补偿不期望的效果，诸如例如，温度影响。
并联连接到电阻测量电桥202且通常为固定电压划分器的电压划分器204设置在膜片106上或设置在单独的印刷电路板(这里未示出)上。当所述电压划分器设置在膜片106上时，它不具有压阻设计。作为这一点的另外另选方案，所述电压划分器设置在图3的电子信号处理部件300中。
在膜片106由于膜片106附近的流体而变形的情况下，应变计214、216、218、220的电阻变化，这导致横向电桥电压U1-U2的变化。即，横向电桥电压U1-U2的变化是设置在流体室104中的流体的压力的变化的测度。横向电桥电压U1-U2经由第一输入302供给到电子信号处理部件300。另外，差分电压U1-U3经由第二输入304供给到电子信号处理部件300。复用器310在差分电压U1-U3与横向电桥电压U1-U2之间交替地切换。相应选择的信号在放大器312中放大。输出划分器314在用于已处理或放大的横向电桥电压的第一输出316与用于已处理或放大的差分电压的第二输出318之间切换。来自电子信号处理部件300的输出信号例如可以供给到电子控制单元(ECU)，在ECU中，还可以监测横向电桥电压与差分电压之间的相关性。ECU通常还具有模拟/数字转换器。
图4示出了横向电桥电压U1-U2相对于流体压力p的曲线和差分电压U1-U3相对于流体压力p的曲线。横向电桥电压U1-U2随着流体增大而大体展示线性曲线。差分电压U1-U3同样随着流体压力增大而展示大体线性的曲线，梯度不同于横向电桥电压U1-U2的曲线。此外，差分电压U1-U3与横向电桥电压U1-U2相比具有偏移电压Uoff，该偏移电压由电压划分器204的电阻元件的电阻值来给出。在图2的排布结构中，偏移为R208/(R206+R208)，其中，R206和R208分别是电压划分器204的电阻元件206和208的电阻值。
如图4所示，给定电阻测量电桥202和电压划分器204的对应设计，横向电桥电压U1-U2和差分电压U1-U3且因此电子信号处理部件300的第一输出316和第二输出318处的输出信号具有独立于流体压力的固定相关性。如果电阻测量电桥202例如被设计为使得电阻测量电桥202的各半桥216、220以及相应地214、218相对于彼此具有固定的已知比，则两个信号(例如其梯度)之间存在特定的(例如，固定或线性)关系。如果两个半桥216、220以及相应地214、218例如具有相同的设计，则第二输出信号(即，差分电压U1-U3)与第一输出信号相比(即，与已经被处理的横向电桥电压U1-U2相比)展示放大率的一半。
电压划分器204的电压U3被选择为使得差分电压U1-U3位于差分电桥的信号范围内。
如上所述，电压划分器204的设计(即，电压划分器的电阻元件206、208的比)被反映在差分电压U1-U3与横向电桥电压U1-U2相比的偏移电压Uoff中。在装置无问题工作的情况下，偏移电压通常为独立于流体压力的固定变量。
为了对于可能的故障检查上述装置100，在第一步骤中借助于电阻测量电桥202确定依赖于流体压力的横向电桥电压U1-U2。在另外的步骤中，确定并联连接到电阻测量电桥202的电压划分器204与电阻测量电桥202之间的差分电压U1-U3。然后为了验证横向电桥电压而确定横向电桥电压与差分电压之间的相关性。给定装置100的合适校准和设计，该相关性是已知的且独立于已测量的流体压力的固定变量。
在电子信号处理部件300中，利用复用器310交替选择横向电桥电压和差分电压以进一步处理。输出划分器314在第一输出316和第二输出318之间切换。所输出的信号然后传递到电子信号处理部件(ECU)(未示出)，该ECU关于已知的固定相关性来监测第一输出信号与第二输出信号之间的相关性。
如果在装置100的操作期间确立不再维持已知的、输出信号U1-U3与第二输出信号U1-U2之间的特定相关性，则这暗示装置信号链中的故障。这样，可以识别出在用于测量流体压力的装置100的操作期间在装置中的故障。故障例如可以位于电阻测量电桥202的半桥中的一个中和/或还位于电子信号处理部件300的信号处理中。
因此，这里提出的装置可以用于对于装置100的操作期间(即，在流体室所含的流体的流体压力的测量期间)的可能故障检查装置100。所述检查使用电阻测量电桥202和并联连接到所述电阻测量电桥的电压划分器204来执行，其中，用于实际压力测量的电阻测量电桥202不具有任何另外的复杂结构，使得不降低电阻测量电桥202的可靠性。另外，电子信号处理部件300中的实际信号处理不具有冗余设计，使得也不降低用于处理反映流体室104中的流体压力的信号的信号处理部件300的可靠性。此外，同样与仅处理一个输入信号的情况相同，由于复用器的使用，一个放大器是足够的，因此，可以节省成本。
因为已测量的信号的验证不需要任何另外复杂的结构，所以这另外构成一种成本高效的解决方案。

Claims (15)

1.一种用于测量流体压力且用于验证已测量的所述流体压力的装置(100)，具有：
传感器元件(101)，该传感器元件具有流体室(104)和连结所述流体室(104)且在流体压力下能够变形的元件(106)，其中，在所述能够变形的元件(106)的远离所述流体室(104)的一侧设置有电阻测量电桥(108、202)，该电阻测量电桥用于生成依赖于所述流体压力的横向电桥电压，其中，
所述装置还具有电压划分器(204)，该电压划分器并联连接到所述电阻测量电桥(108、202)，该电压划分器用于生成差分电压。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，所述电压划分器(204)具有串联连接的两个电阻元件(206、208)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，所述电阻测量电桥(108、202)具有两个电压划分器(210、212)，所述电压划分器(210、212)并联连接并且各具有串联连接的两个电阻元件(214、216、218、220)。
4.根据权利要求3所述的装置(100)，其中，所述差分电压指示并联连接到所述电阻测量电桥(108、202)的所述电压划分器(204)与所述电阻测量电桥(108、202)的所述电压划分器(210、212)中的一个之间的电压差。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，所述装置包括电子信号处理部件(300)，该电子信号处理部件具有用于施加所述横向电桥电压的第一输入(302)和用于施加所述差分电压的第二输入(304)；和复用器(310)，该复用器适于交替地选择所述横向电桥电压与所述差分电压以由所述电子信号处理部件(300)进一步处理。
6.根据权利要求5所述的装置(100)，其中，所述电子信号处理部件(300)具有用于由所述复用器(310)选择的所述信号的放大器(312)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，所述电阻测量电桥(108、202)和并联连接到所述电阻测量电桥(108、202)的所述电压划分器(204)被设计为使得所述横向电桥电压和所述差分电压具有独立于所述流体压力的相关性。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，所述电压划分器(204)设置于在流体压力下能够变形的元件(106)上，使得施加于所述电阻元件(206、208)的所述电压独立于所述流体压力。
9.根据权利要求5至7中任一项所述的装置(100)，其中，所述电子信号处理部件(300)具有所述电压划分器(204)。
10.一种液压控制单元(112)，该液压控制单元包括根据权利要求1至9中任一项所述的装置(100)。
11.一种车辆制动系统，该车辆制动系统包括根据权利要求10所述的液压控制单元(112)。
12.一种用于测量流体压力且用于验证已测量的所述流体压力的方法，包括传感器元件(101)，该传感器元件具有流体室(104)和连结所述流体室(104)且在流体压力下能够变形的元件(106)；包括电阻测量电桥(108、202)，该电阻测量电桥设置在在流体压力下能够变形的元件(106)的远离所述流体室(104)的一侧；并且包括并联连接到所述电阻测量电桥(108、202)的电压划分器(204)，其中，所述方法包括以下步骤：
-借助于所述电阻测量电桥(108、202)确定依赖于所述流体压力的电桥电压；
-确定并联连接到所述电阻测量电桥(108、202)的所述电压划分器(204)与所述电阻测量电桥(202)之间的差分电压；
-确定并联连接到所述电阻测量电桥(108、202)的所述电压划分器(204)与所述电阻测量电桥(202)之间的差分电压；以及
-确定所述电桥电压与所述差分电压之间的相关性，以验证所述电桥电压。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电阻测量电桥(108、202)具有并联连接的两个电压划分器(210、212)，并且其中，当确定所述差分电压时，确定并联连接到所述电阻测量电桥(108、202)的所述电压划分器(204)与所述电阻测量电桥(108、202)的所述电压划分器(210、212)中的一个之间的电压差。
14.根据权利要求12和13中任一项所述的方法，其中，所述电阻测量电桥(108、202)和并联连接到所述电阻测量电桥(108、202)的所述电压划分器(204)被设计为使得所述横向电桥电压和所述差分电压具有独立于所述流体压力的相关性。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，在电子信号处理部件(300)中，交替地选择所述横向电桥电压与所述差分电压以由所述电子信号处理部件(300)进一步处理，并且其中，使用已处理的所述差分电压验证已测量并处理的所述横向电桥电压。
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