CN107850504B - 压力传感器和用于监视压力传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定压力测量变量的压力传感器(1)，包括至少一个壳体(2)、在壳体(2)中布置的压力传感器元件(3)、同样在壳体(2)中布置的发光装置(4)、以及控制/评估单元(8)。压力传感器元件(3)具有半导体材料和测量膜，其中第一压力(p1)被供给到测量膜(5)的第一侧，并且第二压力(p2)被供给到测量膜(5)的第二侧，使得测量膜(5)经历压力相关的偏转。测量膜(5)具有至少一个集成电阻元件(6)，并且控制/评估单元(8)借助于集成电阻元件(6)确定电信号(10)，以便确定压力测量变量。发光装置(4)光学激励压力传感器元件(3)，尤其是至少一个集成电阻元件(6)，并且控制/评估单元(8)基于由光学激励引起的电信号(10)的变化来确定是否存在压力传感器(1)的故障。

Description

压力传感器和用于监视压力传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定压力测量变量的压力传感器以及用于监测此压力传感器的方法。
背景技术
压力传感器用作记录压力并且被使用在工业测量技术中，例如，用于填充水平测量或用于流量测量。在这种情况下，根据应用的区域，使用各种压力传感器。因此，压力传感器能够被实施为例如绝对压力传感器、相对压力传感器、或还能够被实施为压力差传感器。然而，原则上所有的压力传感器是相同构造的并且通常包括其中布置压力传感器元件的壳体。半导体压力传感器元件在压力测量技术中是流行的，例如基于硅的压力传感器元件。半导体压力传感器元件包括测量膜，其通常具有在其边缘区域中集成的四个电阻元件。测量膜在其第一侧上供应有第一压力，而在其第二侧上供应有第二压力，使得两个压力导致测量膜的偏转。测量膜的压力相关的偏转被评估并通过集成的电阻元件进行记录，使得能够输出压力测量变量。根据压力传感器是相对压力传感器、是绝对压力传感器、还是压力差传感器，测量膜被供应有适当的两个压力。
在其中压力传感器被实现为绝对压力传感器的情况下，测量膜的两侧中的一侧暴露于真空，并且向测量膜的另一侧供给要测量的介质压力。绝对压力传感器因此测量绝对压力，该绝对压力因此为相对于真空的要测量的介质压力作为参考压力。
在其中压力传感器被实现为相对压力传感器的情况下，测量膜的两侧中的一侧暴露于大气压力作为参考压力，并且测量膜的另一侧被供给要测量的介质压力。相对压力传感器因此测量相对压力，该相对压力因此为相对于大气压力的要测量的介质压力。
在其中压力传感器被实现为压力差传感器的情况下，测量膜的两侧中的一侧被供给要测量的第一介质压力并且测量膜的另一侧被供给要测量的第二介质压力。压力差传感器因此测量压力差，该压力差因此为两个介质压力之间的差异。
在普通的测量操作中，始终存在干扰，这可能足以导致这样的压力传感器失效。与此同时，这样的压力传感器具有例如由于沉积物或老化而发生漂移的问题，使得可能确定讹误的压力测量变量。
为了检测压力传感器的此非有意的行为，有必要在测量操作期间对其进行监测或检查。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于监测或检查压力传感器的解决方案。
该目的根据本发明、通过压力传感器以及用于监测压力传感器的方法来实现。
就压力传感器而言，该目的通过用于确定压力测量变量的压力传感器来实现，该压力传感器包括至少一个壳体、在壳体中布置的压力传感器元件、同样在壳体中布置的发光装置、以及控制器/评估单元，其中，该压力传感器元件具有半导体材料和测量膜，其中，第一压力(p1)被供给到测量膜(5)的第一侧，并且第二压力(p2)被供给到测量膜(5)的第二侧，使得该测量膜经历压力相关的偏转，其中，该测量膜具有至少一个集成电阻元件，并且该控制/评估单元借助于集成电阻元件确定用于确定压力测量变量的电信号，其中，该发光装置光学地激励压力传感器元件，尤其是至少一个集成电阻元件，并且该控制/评估单元基于由光学激励引起的电信号的变化来确定是否存在压力传感器的故障。
根据本发明，被称为光电导的效应被利用以实现对压力传感器的诊断或监测。术语光电导是指与内部光电效应相关联的效应，在该情况下，半导体材料的电导率由于在辐照存在下形成未结合的电子空穴对而增加。由于包括半导体材料和具有至少一个集成电阻元件的测量膜的压力传感器元件的辐照，电阻元件的电阻变化，并且因此还有例如桥电压信号的电信号变化。基于这种变化，能够以非常高的可能性确定是否存在压力传感器的故障。如此可确定的典型故障包括例如电阻元件的漂移和/或测量膜的断裂、撕裂或裂纹。
本发明的压力传感器的有利的实施例提供，在其中存在故障的情况下，压力传感器输出警告信号。
本发明的压力传感器的有利的实施例提供，光学激励包括数个单独的光学脉冲。
本发明的压力传感器的有利的实施例提供，压力传感器元件的，尤其是集成电阻元件的，光学激励发生在限定的、例如固定的、时间跨度之后。
本发明的压力传感器的有利的实施方例提供，测量膜具有其他集成电阻元件，并且为每个电阻元件提供发光装置。
本发明的压力传感器的有利实施例提供，发光装置是发光二极管。
就该方法而言，该目的通过用于监测压力传感器的方法来实现，其中压力传感器包括压力传感器元件，该压力传感器元件具有半导体材料和带有至少一个集成电阻元件的测量膜，其中该方法包括步骤如下：
-光学激励所述至少一个集成电阻元件；
-记录由光学激励引起的电信号的变化；
-确定电信号的所记录的变化是否表示压力传感器的故障。
实施例的有利形式提供，为了确定电信号的所记录的变化是否表示存在压力传感器的故障，将电信号的所记录的变化与期望值进行比较，并且在其中电信号的所记录的变化位于期望值附近的公差范围之外的情况下，识别压力传感器的故障。
实施例的另一有利形式提供，将数个单独的光学脉冲用于光学激励，并且为了记录电信号的变化，记录数个单独的电信号值。尤其是，实施例的形式提供，电信号的变化通过所记录的数个单独电信号值的平均值来确定。
实施例的另一有利形式提供，在其中存在压力传感器的故障的情况下，输出警告信号。
实施例的另一有利形式提供，在测量操作期间，以规则间隔执行光学激励。
实施例的另一有利形式提供，电信号的变化被记录为时间的函数，并且基于此记录来识别压力传感器的故障。
实施例的另一有利形式提供，压力传感器元件具有数个集成电阻元件，并且对集成电阻元件中的每个执行选择性光学激励，并且其中，对于集成电阻元件中的每个，记录其电信号的变化并且基于所记录的变化确定是否存在压力传感器的故障。
附图说明
现在将会基于附图更加详细地说明本发明，其中这些附图如下示出：
图1示出本发明的压力传感器的示意性表示，
图2示出本发明的压力传感器的示意性框图，
图3示出本发明的方法的示意性表示，以及
图4示出实验上确定的测量图。
具体实施方式
图1示出了本发明的压力传感器1的示意性表示。其包括壳体2，在壳体2中布置的压力传感器元件3、以及同样在壳体中布置的发光装置4。
壳体2中的压力传感器元件3包括半导体材料，优选为硅。例如通过蚀刻工艺将测量膜5引入到压力传感器元件3中。为了确定压力测量变量，例如当压力传感器1被实施为相对压力传感器时，在第一侧上将例如大气压的第一压力p1以及在第二侧上将例如要测量的介质压力的第二压力p2供给测量膜5。
为了记录通过施加压力p1和p2产生的压力相关的偏转，测量膜包括四个电阻元件6，所述四个电阻元件6例如是通过掺杂半导体材料而产生的。以这种方式集成到测量膜5中的电阻元件6通常被布置在测量膜5的边缘区域中，以便以电阻变化的形式记录测量膜5的压力差相关的偏转。基于电阻元件6的电阻变化，压力传感器1能够确定压力测量变量并输出。
图1示出相对压力传感器。然而，本发明同样适用于绝对压力传感器或压力差传感器。
图2示出了本发明的压力传感器1的示意性框图，其除了电阻元件6和具有用于发光装置的相对应的控制单元7的发光装置4之外还包括控制/评估单元8。电阻元件6被互连以形成惠斯通电桥9，并且控制/评估单元8通常用作记录电信号10，例如表示电阻值的电桥电压信号UB。基于所记录的电信号10，在所示电桥电压UB的情况下，控制/评估单元8确定压力测量变量。
此外，控制/评估单元8被设计为执行图3中示意性示出的以及下面描述的本发明的方法，其根据如下的方法步骤：
-步骤100：通过例如发光二极管的至少一个发光装置光学激励所集成的电阻元件。在这种情况下，光学激励能够从单个发光装置或者选择性地经由优选地用于每个电阻元件的发光装置的多个发光装置而发生。有利的是，发光装置是脉冲式的，即光学激励从多个直接相继的单个光学脉冲发生。
-步骤101：记录由光学激励引起的电信号的变化，其中，在其中存在用于每个电阻元件6的发光装置4并因此发生电阻元件6的选择性光学激励的情况下，优选地从电阻元件6中的每个记录电信号10。
在其中由多个单独的脉冲产生光学激励的情况下，有利的是通过形成单独记录的信号值的平均值来确定电信号的变化。
-步骤102：确定由于电信号10的所记录的变化或者各种电信号的所记录的变化，是否存在压力传感器的故障。为此，将电信号的所记录的变化与期望值进行比较。在其中电信号10的所记录的变化位于期望值附近的预定公差范围之外的情况下，识别压力传感器的故障。期望值能够是用作例如理论上确定的值，其能够从尤其是上述的光电导效应的光电效应中导出。附加地，早期通过实验确定的值能够用作期望值。
-步骤103：当确定压力传感器的故障时输出警告信号。
图4示出了实验上确定的测量图。在这种情况下，相对压力传感器在不同压力(p＝0至40巴(bar))和不同温度(T＝-20℃至70℃)下运行。光学激发是在相对应的压力和温度下从多个单独的光学脉冲发生的。所记录的是经由所记录数个单独信号值的平均值的电信号的变化或偏差，其中该变化或偏差是具有光学激励的电信号与不具有光学激励的电信号之间的差。
从图4显而易见的是，所记录的电信号10示出作为光学激励的结果的变化。同样从图4显而易见的是，存在电信号10的温度和压力相关性，在给定的情况下，在压力传感器1的故障可确定之前，该电信号可能仍然必须被补偿。如果现在尽管有可能的温度和压力补偿，但是电信号的变化超出了公差范围，那么能够以高的概率由此假设存在例如电阻元件6的漂移和/或膜断裂或膜撕裂的故障。
参考标号的列表
1 压力传感器
2 壳体
3 压力传感器元件
4 发光装置
5 测量膜
6 电阻元件
7 发光装置控制单元
8 控制/评估单元
9 惠斯通电桥
10 电信号
p1 第一压力
p2 第二压力
UB 电桥电压

Claims (14)

1.一种用于确定压力测量变量的压力传感器(1)，包括至少一个壳体(2)、在所述壳体(2)中布置的压力传感器元件(3)、同样在所述壳体(2)中布置的发光装置(4)、以及控制/评估单元(8)，其中，所述压力传感器元件(3)具有半导体材料和测量膜(5)，其中，第一压力(p1)被供给到所述测量膜(5)的第一侧，并且第二压力(p2)被供给到所述测量膜(5)的第二侧，使得所述测量膜(5)经历压力相关的偏转，其中，所述测量膜(5)具有至少一个集成的电阻元件(6)并且所述控制/评估单元(8)借助于所述集成的电阻元件(6)确定用于确定所述压力测量变量的电信号(10)，其中，所述发光装置(4)被布置为光学激励所述至少一个集成的电阻元件(6)，并且所述控制/评估单元(8)被布置为基于由所述光学激励引起的电信号(10)的变化来确定是否存在所述压力传感器(1)的故障。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，在其中存在故障的情况下，所述压力传感器(1)输出警告信号。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述光学激励包括数个单独的光学脉冲。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述集成的电阻元件(6)的所述光学激励发生在限定的固定的时间跨度之后。
5.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述测量膜(5)具有其他集成的电阻元件(6)，并且为每个集成的电阻元件(6)提供发光装置(4)。
6.根据权利要求5所述的压力传感器，其中，所述发光装置(4)是发光二极管。
7.用于监测根据前述权利要求1-6中任一项所述的压力传感器(1)的方法，其中，所述压力传感器(1)包括压力传感器元件(3)，所述压力传感器元件(3)具有半导体材料和带有至少一个集成的电阻元件(6)的测量膜(5)，其中，所述方法包括以下步骤：
-步骤100：光学激励所述至少一个集成的电阻元件；
-步骤101：记录由所述光学激励引起的电信号的变化；
-步骤102：确定所述电信号的所记录的变化是否表示存在所述压力传感器的故障。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，为了确定所述电信号的所记录的变化是否表示存在所述压力传感器的故障，将所述电信号(10)的所记录的变化与期望值进行比较，并且在其中所述电信号(10)的所记录的变化位于所述期望值附近的公差范围之外的情况下，识别所述压力传感器(1)的故障。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，数个单独的光学脉冲被用于所述光学激励，并且为了记录所述电信号的所述变化，记录数个单独的电信号值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电信号(10)的所述变化由所记录的数个单独电信号值的平均值来确定。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，在其中存在所述压力传感器(1)的故障的情况下，输出警告信号。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，在测量操作期间，以规则间隔执行所述光学激励。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电信号的所述变化被记录为时间的函数，并且基于此记录来识别所述压力传感器的故障。
14.根据权利要求7所述的方法，其中，所述压力传感器元件具有数个集成的电阻元件，并且对所述集成的电阻元件中的每个执行选择性光学激励，并且其中，对于所述集成的电阻元件中的每个，记录其电信号的变化并且基于所述电信号的所记录的变化来确定是否存在所述压力传感器的故障。
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