CN108931292B - 用于校准至少一个传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于校准至少一个传感器的方法，在用于校准至少一个传感器的方法中，其中该传感器具有至少一个具有至少一个电极的压电元件，并且其中至少一个电极被构造为测量电极，根据本发明规定：将激励电压施加到压电元件的至少一个另外的被构造为校准电极的电极上，以用于产生压电元件的机械变形，利用至少一个测量电极检测由压电元件的变形所引起的电压，并且比较施加的激励电压和检测的电压。

Description

用于校准至少一个传感器的方法

技术领域

本发明涉及一种用于校准至少一个传感器的方法，其中该传感器具有至少一个具有至少一个电极的压电元件，并且其中至少一个电极构造为测量电极。此外，本发明涉及一种用于利用至少一个压电元件来检测至少一个固体声信号的传感器装置，其中压电元件具有至少一个构造为测量电极的电极。

背景技术

带有压电元件的传感器装置被用于各种应用中。例如，在待监测的对象上传播的固体声信号可以通过具有压电元件的传感器来检测。在这种情况下，检测例如由固体声振荡引起的压电元件的变形。为此，压电元件具有测量电极和对应电极。通过压电元件的变形产生电压，该电压由测量电极相对于在此用作接地电极的对应电极来检测。为了精确分析由压电元件的变形引起的电压，需要压电元件的尽可能恒定的压电系数。压电系数可以取决于压电元件的温度和极化程度。

发明内容

本发明所基于的目的是提出一种方法，利用该方法可以对具有压电元件的传感器进行校准。

利用根据本发明的方法，以及利用根据本发明的传感器装置，实现该目的的解决方案。进一步给出了有利的设计方案和扩展方案。

在用于校准至少一个传感器的方法中，其中该传感器具有至少一个具有至少一个电极的压电元件，并且其中至少一个电极构造为测量电极，根据本发明规定，在压电元件的至少一个另外的构造为校准电极的电极上，施加激励电压以用于产生压电元件的机械变形，使得利用至少一个测量电极检测由压电元件的变形所引起的电压，使得所施加的激励电压和所检测的电压进行比较，并且计算在校准电极与测量电极之间形成的电场，并且电场的计算进入到校准因子的计算中。

具有压电元件的传感器具有至少一个电极，其中电极被构造为测量电极。测量电极与接地电极或对应电极相关联，相对于该接地电极或对应电极测量基于压电效应由压电元件的变形引起的电压。除了测量电极和接地电极之外，传感器还具有另一个构造为校准电极的电极。电压被施加到校准电极上，其中该电压形成在对应电极和校准电极之间。由于施加到校准电极上的电压，由于压电效应而发生压电元件的变形。通过压电元件的变形导致可用测量电极相对于对应电极测量的电压。因此可以通过比较施加到校准元件上的电压和由测量电极检测到的电压来评估所使用的压电元件的质量。在理想情况下，检测到的电压对应于施加的电压。压电元件的质量可以通过压电系数来描述，该压电系数可以取决于压电元件的极化程度和温度。例如由于老化而变小的压电系数会导致由于向校准电极施加电压所致的较小的变形。因此，仅仅较低的压电电压也会由变形引起，该变形可以通过测量电极来检测。因此，从施加的电压和测量的电压中，可以计算校准因子，该校准因子可以进入到通过测量电极所检测的数据的分析中。因此，通过校准因子可调整分析中的老化效应。在校准电极和测量电极之间可以建立电场。通过所建立的电场可以影响在压电元件上产生的电压的测量。校准电极和测量电极之间的电场的计算因此进入到校准因子的计算中。

在方法的一种扩展方案中，压电元件的变形是压电元件的收缩，特别是横向收缩。当将电压施加到压电元件的校准电极上时，可能发生压电元件的变形，特别是收紧，即收缩。收缩尤其可以是横向收缩。

在方法的一种扩展方案中，确定检测到的电压信号的电压幅度。借助测量电极检测到的电压的幅度取决于压电元件的变形的强度。通过检测由测量电极检测到的电压的电压幅度并且通过施加到校准电极上的电压的已知电压幅度，可以计算校准因子。

在本发明的一个扩展方案中，确定激励电压的电压幅度与所测量的电压的电压幅度的比率，并且从该比率计算校准因子。通过计算校准因子，例如可以补偿压电元件的老化效应，所述老化效应例如可能导致压电系数的变化。因此，即使是老化的压电元件，也可以进行可靠的测量。

在方法的一种扩展方案中，激励电压是交流电压，并且压电元件的由交流电压引起的变形是振荡。通过向校准电极施加交流电压，可以激励压电元件至振荡。压电元件的这些振荡导致可以被测量电极记录的压电电压。通过施加交流电压并因此产生振荡，可以通过测量电极记录可靠的电压幅度值，使得实现可靠的测量方法。

在方法的一种扩展方案中，激励电压是正弦激励电压，特别是具有变化频率的激励电压，特别是频率扫描。可以将频率可变的电压施加在校准电极上。例如，在这种情况下可能是一个正弦电压信号。特别地，施加到校准电极上的电压信号可以是频率扫描，即具有优选增加的振荡频率的电压信号。通过施加特征性的振荡信号、诸如具有频率扫描的振荡信号，可以将由测量电极检测到的电压与校准方法可靠地关联。由此防止了压电元件的其他所形成的如在传感器的调节运行中可能出现的变形与校准方法相关联。因此使得在调节运行和校准运行中利用测量电极检测到的电压之间的明显区分成为可能。

在方法的一种扩展方案中，用测量电极测量电压，同时将校准电压施加到校准电极上。在将校准电压施加到校准电极上的同时，进行测量电极上的电压的测量。通过同时测量和施加电压，可以精确确定校准因子。特别是，在这种情况下，也可以测量由薄膜材料、例如聚偏二氟乙烯(PVDF)制成的压电元件。对于薄膜材料，例如同样通过将电压施加到测量电极上的激励，和由变形所引起的电压的时移测量由于系统的惯性几乎是不可能的，因为薄膜材料是非常易弯曲的和柔韧的，并且因此几乎不后续振荡。另外，由薄膜制成的压电元件通常粘附到只能困难地通过压电薄膜激励至振荡或变形的载体材料上。先前通过激励压电薄膜所产生的振荡的衰减行为的测量因此由于电到机械转换的低效率而非常困难地设计。通过用测量电极进行同时测量并通过校准电极进行激励，可以测量传感器的质量，因为激励和测量同时进行。

在方法的一种扩展方案中，校准电极和测量电极两者都用于检测固体声信号。测量电极和校准电极在结构上彼此没有不同，使得测量电极旁边的校准电极也可以同时用于测量。例如，由此可以确定以下方向，待测量的固体声信号从所述方向碰撞到具有两个电极的传感器上。

在方法的一种扩展方案中，传感器的污染程度由激励电压和由变形所引起的利用测量电极检测到的电压推断出。例如在车辆技术中可以使用具有压电元件的传感器，用于检测在车辆外壳上产生固体声信号的喷水或其他事件。在这种使用中，准确的校准对于正确的功能性至关重要。特别是，在车辆技术中用于车辆外壳区域中的传感器中，可能发生传感器遭受环境影响。特别是，在这种情况下可能发生传感器严重覆盖有污垢层或也覆盖有冰和雪。传感器的污染可以通过以下来识别：压电元件被施加到校准电极上的激励电压激励至变形或振荡。变形可以通过测量电极来检测。特别是，在这种情况下，可以检测到压电元件的与正常状态偏差的振荡行为，其中从偏差或偏差的表现可以推断出传感器的污染或覆盖。传感器的严重污染或传感器覆盖有冰可能导致传感器在该状态下不适合测量目的。例如，严重污染可能导致在检测喷水时对测量数据产生错误解释。如果传感器的严重污染或覆盖例如通过与正常状态强烈偏差的振荡行为来检测到，则例如可以输出一种信息信号，即传感器当前不可用于测量，使得没有错误的测量结果例如输出给车辆驾驶员。

此外，本发明涉及一种具有至少一个压电元件的用于检测至少一个固体声信号的传感器装置，其中压电元件具有至少一个构造为测量电极的电极，并且其中测量电极与至少一个接地电极相关联，在该传感器装置中根据本发明规定，压电元件具有至少一个另外的电极并且所述至少一个另外的电极构造为校准电极并且校准电极至少分区段地包围测量电极或测量电极至少分区段地包围校准电极。传感器装置具有拥有测量电极和对应电极、即接地电极的压电元件。在接地电极和测量电极之间可以量取以下电压，所述电压例如基于压电效应由压电元件的变形、振荡等所形成。除了接地电极和测量电极之外，传感器装置具有构造为校准电极的另外的电极。校准电极被构造用于将电压施加到压电元件上。通过将电压施加到压电元件上，该压电元件可以变形或被激励至振荡、例如横向收缩。由于压电效应，压电元件的变形产生可通过测量电极来检测的电压。通过比较由校准电极施加的电压和由测量电极所测量的起源于由于由校准电极所施加的电压而致的变形的电压，可以检测压电元件的质量。压电元件的质量例如可通过压电系数来确定。该压电系数能够取决于温度、老化过程等。压电系数具有对通过测量电极检测的电压值的影响，因此对传感器装置在调节运行中的精度的影响。通过从所施加的电压和测量到的电压的比较来计算校准因子，可以计算出对压电系数的影响。校准电极和测量电极可以在压电元件上布置在一个平面中。例如，测量电极可具有近似矩形的基面并且校准电极可以围绕着测量电极的矩形基面框架形地布置。例如，测量电极也可以具有圆形横截面，并且校准电极可以围绕着测量电极圆区段形地布置。具有压电元件的传感器例如可以用于检测车辆上的固体声信号，特别是在车辆外壳上传播的固体声信号。用在车辆外壳区域中的传感器可能遭受严峻的环境影响，所述环境影响例如能够导致传感器的污染或结冰。用冰或污垢厚实地覆盖传感器能够导致测量值的错误解释。通过布置校准电极和测量电极可以检测传感器的污染程度。特别地，在这种情况下，传感器的严重污染可以通过以下来识别：在由校准电极激励时，借助测量电极检测到压电元件的不寻常的振荡行为。在确定传感器的严重污染或覆盖时，可以输出一个消息，即传感器是不可用的，以便防止将错误解释的测量值例如输出给车辆用户。

在本发明的一种扩展方案中，压电元件平坦地构造并且压电元件由薄膜、特别是PVDF薄膜构成。由薄膜材料制成的压电元件可以特别便宜地制造并且特别简单地匹配于期望的条件。用于传感器装置(例如用于检测固体声信号的传感器装置)中的压电薄膜大多施加到载体材料上或也直接施加到待监测的对象上。通过向压电元件施加电压，与其上施加有压电元件的对象被激励至振荡相比，该压电元件更容易被激励至自收缩。因此，例如在激励之后，测量压电元件的后续振荡是非常困难的，因为所述后续振荡由于薄膜的高弹性和在压电元件和待监测的对象之间的传输的差的效率而迅速衰减，其中所述激励例如通过将电压施加到测量元件上。通过布置测量电极和校准电极，这两者都可以与接地电极导电连接，可以同时测量由于压电元件的变形引起的电压并且同时激励压电元件。因此不需要测量压电元件的后续振荡。

在本发明的一种扩展方案中，校准电极和测量电极在平面中并排地布置。例如，层结构可被设计成使得校准电极和测量电极布置在优选平坦构造地压电元件的一侧上，而接地电极布置在压电元件的另一侧上。因此，可以在校准电极上简单地向压电元件施加电压，而相应形成的电压可以在测量电极上量取。

在本发明的一个扩展方案中，校准电极和测量电极相叠地布置。在本发明的一种实施方式中，在优选平坦构造地压电元件上可以布置同样平坦构造地校准电极，并且在校准电极上可以布置测量电极。因此传感器装置的层结构应该是，使得校准电极和测量电极布置在压电元件的一侧上，而接地电极布置在平坦构造的压电元件的另一侧上。

附图说明

下面，参考附图中所示的实施例进一步解释本发明。详细地，示意图示出：

图1以俯视图示出具有并排布置的校准电极和测量电极的传感器装置；

图2以俯视图示出具有测量电极和框架形校准电极的传感器装置；

图3以俯视图示出具有近似圆形的测量电极和环形的校准电极的传感器装置；

图4以俯视图示出具有相叠布置的校准电极和测量电极的传感器装置；

图5以侧向横截面示出具有校准元件和并排布置的测量元件的传感器装置；

图6a以侧向横截面示出具有相叠布置的校准元件和测量元件的传感器装置；和

图6b以侧向横截面示出具有校准元件和测量元件的传感器装置。

具体实施方式

在图1中示出了具有压电元件2的传感器装置1。压电元件2优选由薄膜材料制成，特别是由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成。在平坦构造的压电元件2上布置有测量电极3和校准电极4。测量电极3和校准电极4同样基本上平坦地构造并且在一个平面中并排布置在压电元件2上。在压电元件2的不具有测量电极3和校准电极4的侧上布置有接地电极5或也称对应电极或地电极。接地电极5与测量电极3以及校准电极4相关联。通过将电压施加到校准电极4上，发生压电元件2的变形或振荡。压电元件2的变形或振荡可以通过压电效应以电压的形式由测量电极3检测到。通过比较施加到校准电极4上的电压和由测量电极3测量的电压，可以实现压电元件2的质量，特别是压电元件2的压电系数。

在图2中示出具有压电元件2的传感器装置1。测量电极3基本上矩形地实施并且被基本框架形的校准电极4包围。通过测量电极3相对于校准电极4的布置，由测量电极3得出压电元件2的由校准电极4引起的变形的特别好的可测量性。

在图3中示出具有压电元件2的传感器装置1。测量电极3基本上圆形地实施并且被基本上环形实施的校准电极4包围。通过该几何布置，在压电元件2中由于向校准电极4施加电压而引起的变形被良好地传递到测量电极3上。

在图4中示出具有压电元件2和测量电极3以及校准电极4的传感器装置1。校准电极4和测量电极3在此相叠地布置。因此得出一种层结构，其中例如PVDF薄膜形式的压电元件2布置在校准电极4和接地电极5之间并且其中校准电极4布置在测量电极3和压电元件2之间。

在图5中示出根据图1的传感器装置1的横截面。在层结构中可以看出，校准电极4和测量电极3在一个平面中并排布置在压电元件2上。在压电元件2的不具有电极的侧上布置有接地电极5。对于根据图2和3的传感器装置得出类似的横截面。

在图6a中以横截面的侧视图示出了根据图4的传感器装置1。得出一种层结构，其中在压电元件2的一侧上布置有接地电极5，并且在压电元件2的另一侧上布置有测量电极3和校准电极4。

在图6b中示出了根据图4的传感器装置1的层结构。在该层结构中，校准电极4直接布置在压电元件2上，而测量电极3布置在校准电极4上。在压电元件2的不具有测量电极3和校准电极4的侧上布置有接地电极5。

在前面的描述中提到的所有特征可以以任意选择相互进行组合。因此，本发明的公开不限于所描述的或要求保护的特征组合，更确切的说，在本发明的范围内所有合理的特征组合都应该被认为是公开的。

Claims (12)

1.一种用于校准至少一个传感器的方法，其中所述传感器具有仅一个压电元件，所述仅一个压电元件具有至少两个电极，并且其中所述至少两个电极之一被构造为测量电极，

其特征在于：

将激励电压施加到所述仅一个压电元件的至少一个另外的被构造为校准电极的电极上，以产生压电元件的机械变形，

利用至少一个测量电极检测由压电元件的变形所引起的检测到的电压，

比较施加的所述激励电压和所述检测到的电压，

计算在校准电极和测量电极之间形成的电场，以及

电场的计算包含在校准因子的计算中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压电元件的变形是收缩。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压电元件的变形是横向收缩。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述检测到的电压的电压幅度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定在所述激励电压的电压幅度与所述检测到的电压的电压幅度之间的比率，并且从所述比率计算校准因子。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激励电压是交流电压，并且所述压电元件的由所述交流电压引起的变形是振荡。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激励电压是正弦激励电压。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激励电压是具有变化频率的电压。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述激励电压是频率扫描。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在利用所述测量电极测量所述检测到的电压的同时，将所述激励电压施加到所述校准电极上。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校准电极和所述测量电极两者都用于检测固体声信号。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，传感器的污染程度从所述激励电压和利用所述测量电极检测到的由所述压电元件的变形引起的所述检测到的电压推断出。