CN109642834A - 用于监测工业工厂的具有压敏传感器的保护设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有压敏传感器(22)的保护设备(10、12)，该压敏传感器包括多个第一电极(46)和多个第二电极(48)。第一电极(46a至46h)中的每一个与第二电极(48a至48e)中的一个在相应的耦接位置(50)中交叠，并且第一电极(46a至46h)中的每一个通过压敏材料(56)与相应的第二电极在相应的耦接位置(50)处间隔开，使得当向耦接位置(50)施加力时，相应的第一电极(46g、52)与相应的第二电极(48d、54)之间的电阻(58)改变。耦接至多个第一电极(46)和多个第二电极(48)的电子测量单元被设计成相继地确定在相应的耦接位置(50)处的电阻(58)。评估单元(90)被设计成根据测量的电阻(58)提供输出信号，电子测量单元被设计成：为了经由相应的第一电极(46g、52)和相应的第二电极(48d、54)确定在耦接位置(50)处的电阻(58)，将其他第一电极与第二电极连接至用于接收限定电势(72)的连接，以使得能够对耦接位置(50)处的电阻(58)进行隔离测量。
Description
本发明涉及用于监测技术安装的具有压敏传感器的安全设备，该压敏传感器包括多个第一电极和多个第二电极，其中，每个第一电极与每个第二电极在关联的耦接位置处交叠，并且其中，在关联的耦接位置中的每个第一电极通过压敏材料与关联的第二电极间隔开，使得在耦接位置处施加力时，关联的第一电极与关联的第二电极之间的电阻改变。安全设备包括测量电路，该测量电路耦接至多个第一电极和多个第二电极并且被配置成相继地确定在关联的耦接位置处的电阻。评估单元根据所测量的电阻提供输出信号。
这种安全设备是已知的，例如根据EP 2 528 234B1。
多年以来，信号采集和主要电子信号处理的进步不断地提高了制造过程的自动化水平。尽管如此，人工干预是并且将仍然是制造过程的基本部分，所以近年来发展已经越来越关注优化人与机器之间的协作。特别是，这种协作不得危害人类健康。因此，必须使机器能够在其工作范围内感知其环境并且识别物体或人是否在附近。除了机器用来感知其环境的综合传感器装备之外，这还需要对记录的信号进行无差错并且安全的评估，以便实现人和机器的安全联合工作。
例如，在上面提到的EP 2 528 234 B1中公开了可以检测对机器的访问或与机器的接触的传感器。EP 2 528 234 B1示出了通过互连在机械负载下以限定的方式改变其电特性的大量的单独传感器单元而实现的大面积的触觉传感器。传感器单元可以通过以列和行布置的电极单独被接触，使得可以根据各个单元的电特性的测量来确定整个表面上的压力分布。传感器可以用作机器的接触区域中的台阶垫，或者它可以作为人造皮肤被放置在机器的表面上以便检测人与机器或物体之间的碰撞。
对于这种压敏安全设备，在EN ISO 13856-1中规定了针对安全设计和测试的一般原则和要求。特别是，该标准规定了关于性能、标记和文件的最低安全要求。
虽然越多传感器单元被连接在一起以形成传感器，传感器的局部分辨率越高，但是用于信号评估所需的工作量也相应地越高。因此，通常对大量的传感器单元的评估不是同时并行地进行，而是顺序进行，即，各个传感器单元被评估单元一个接一个地连续扫描，以便确定它们各自的状态。需要被询问的传感器单元越多，询问整个传感器所花的时间就越长。因此，期望使单个传感器单元的测量的持续时间尽可能地最小化。
在每个电极被耦接至多个传感器单元的矩阵型传感器的情况下，如果多个单元被同时致动，则还可能发生故障电流路径。这可能导致未加载的单元被识别为已激活。换句话说，在多个单元同时被致动的情况下，即使在一个位置处相应的传感器单元未被致动，也可以在该位置处登记接触。这种效应，也称为“幻影”，意味着上述类型的传感器只能用于有限的安全关键应用范围，因为无法无误地确定某位置处的负载是由实际负载引起还是由“幻影”引起。特别地，如果要根据曝光的位置采取不同的措施，则幻影是有问题的。
在此背景下，目的是指定一种前述类型的安全设备，其允许快速评估并且防止由“幻影”引起的错误。特别地，应当指定一种安全设备，其中可以以故障安全方式评估每个单元以便实现故障安全空间分辨率。
该目的通过前述类型的安全设备来解决，在该安全设备中测量电路被配置成：为了经由关联的第一电极和关联的第二电极确定在耦接位置处的电阻，将另外的第一电极和第二电极连接至用于接收限定电势的端子，以便使能够对在耦接位置处的电阻进行隔离测量。
此外，该目的通过一种用于确定压敏传感器的输出信号的方法来解决，该压敏传感器包括多个第一电极和多个第二电极，其中每个第一电极与每个第二电极在关联的耦接位置中交叠，并且其中在关联的耦接位置中的每个第一电极通过压敏材料与关联的第二电极间隔开，使得在耦接位置处施加力时，关联的第一电极与关联的第二电极之间的电阻改变。该方法包括以下步骤：
-提供耦接至多个第一电极和多个第二电极的测量电路，并且相继地确定在关联的耦接位置处的电阻，以及
-通过评估单元根据测量的电阻提供输出信号，其中测量电路被配置成为了经由关联的第一电极和关联的第二电极确定在耦接位置处的电阻，将另外的第一电极和另外的第二电极连接至用于接收限定电势的端子，以便使能够对在耦接位置处的电阻进行隔离测量。
因此，本发明的构思是提供一种适合的测量电路，其在单个单元的测量期间连接剩余的单元使得它们不会影响各个单元的测量。这是通过以下事实实现的：当经由第一关联电极和第二关联电极测量单元时，剩余电极被连接至限定电势。
限定电势在这里被限定为与一般接地端子不同的电势，该电势对应于例如传感器的电源电压的正电势。
选择限定电势，使得没有残余电流可以从被测量的单元流过由限定电势所占用的单元。在矩阵式的传感器的情况下，这意味着通过在单元的测量期间将测量中未涉及的电极和列连接至适当的端子来将它们连接至限定电势。通过借助测量电路排除穿过测量中未涉及的单元的故障电流路径，可以可靠并且容易地避免“幻影”。
同时，抑制剩余的单元有利地减少了传感器单元的单个测量的持续时间。例如，单元可以在等效电路图中被示出为与电容器并联的电阻器，由此充电时间主要由对电容进行充电所花费的时间来确定。如果相邻单元的电容不再影响测量，则可以更快地对单元进行充电和读取。因此，可以加速对整个传感器的读取。有利地，由于总电容较低，因此可以以较低的电源电压对传感器进行操作，这也降低了总功耗。
因此完全实现了上述目的。
在有利的改进中，测量电路包括第一选择元件，该第一选择元件被配置成将关联的第一电极连接至用于接收测量电势的端子以用于确定电阻并且将关联的第二电极连接至接地端子。第一选择元件使得用于单个单元的测量所需的电极连接至测量电势和接地端子。同时，第一选择元件将剩余电极与限定电势连接，该限定电势不对应于接地端子。
第一选择元件优选的是可控开关元件，利用该可控开关元件可以实现优选配置。选择元件可以由通过控制单元操作的大量单独的开关元件来形成。使用选择元件使得能够特别容易地实现根据本发明的电路并使其自动化。
在另一有利的改进中，用于接收限定电势的端子被耦接至用于接收测量电势的端子，使得限定电势在量上与测量电势对应。由于限定电势和测量电势具有相同的大小，因此可以很好地将利用测量电势和地切换的单个单元与其他单元隔离。由于在其他电极处的相同的电势，在测量期间没有残余电流可以流出，残余电流流出可能使单个单元的测量出错。在该上下文中的对应的量意味着电势在高度上相等，但未必是测量电势直接连接至限定电势。
在另一有利的改进中，测量电路包括阻抗转换器，该阻抗转换器在输入侧连接至用于接收测量电势的端子并且在输出侧连接至用于接收限定电势的端子。通过阻抗转换器将限定电势和测量电势彼此分开，使得电势不会彼此干扰。优选地，阻抗转换器具有在输入侧的高输入电阻并且在输出侧的可忽略的小输出电阻。
在另一有利的改进中，阻抗转换器是具有反相输入、非反相输入和输出的运算放大器，该输出被反馈至反相输入。运算放大器特别适合作为阻抗转换器，因为它为即将到来的应用创造了几乎理想的条件。特别地，输入电阻为几乎无穷大，并且输出电阻近似为零。因此，限定电势在量上跟随测量电势而本身又不影响测量电势。
优选地，对于所有单元的测量，在测量电路中仅需要单个运算放大器以将限定电势和测量电势分离。因此可以特别经济地实现测量电路。
在另一有利的改进中，测量电路包括第一模数转换器，并且第一选择元件被配置成将关联的第一电极连接至第一模数转换器。通过将关联的第一电极连接至测量电势和第一模数转换器，同时将关联的第二电极连接至接地端子，单个单元的电阻可以通过电压测量容易地被确定。
优选地，在测量电势与模数转换器之间布置有串联电阻器，使得由串联电阻器和要确定的单元的电阻形成分压器。分压器使得能够特别容易地通过测量的电压来准确地确定单元的电阻。
在另一有利的改进中，测量电路包括用于执行自测试的测试装置，该测试装置包括第二选择元件、电阻器以及第二模数转换器。该自测试可以在传感器的正常操作期间检测错误。第二选择元件可以独立于第一选择元件而单独地寻定第一电极和第二电极，从而可以通过第二模数转换器和隐藏了传感器的电阻的最小电阻来执行测试测量。测试电路则仅包括测量所需的测量部件。这使得能够对单独的测量部件的功能能力进行检查，这进一步增加了错误安全性。
在另一有利的改进中，第二选择元件耦接至多个第一电极和多个第二电极，并且被配置成相继地将多个第一电极和多个第二电极中的每一者中的一个电极与电阻器并联连接至第二模数转换器。借助于测试装置，可以对矩阵型传感器执行行列测试，其中在该矩阵型传感器中可以检测大量第一电极与大量第二电极之间的交叉连接。
在特别优选的改进中，测试装置被配置成将第一选择元件和第二选择元件循环地切换至多个第一电极和多个第二电极中的每一者中的同一电极来执行第一切换测试。通过第一切换测试，可以检查第一选择元件的正确切换。
在另一有利的改进中，测试装置被配置成将第一选择元件和第二选择元件循环地切换至多个第一电极和多个第二电极，使得在第一选择元件与第二选择元件之间存在耦接位置的每个特定电阻以执行第二切换测试。通过第二切换测试，可以有利地检测电极之间的交叉连接。
在另一有利的改进中，评估单元被配置成根据测量的电压确定测量的电阻，并且取决于测量的电压针对每个耦接位置提供第一输出信号、第二输出信号或第三输出信号。评估单元可以有利地在根据测量的电阻被提供的三个输出信号之间进行区分。有利的是为每个单元生成三个输出信号中的一个。同样地，可以聚合各个单元的测量值，以便输出表示整个传感器的输出信号。
在另一有利的改进中，第一输出信号对应于错误信号，第二输出信号对应于指示在耦接位置处的致动状态的信号，并且第三输出信号对应于指示在耦接位置处的未致动状态的信号。指示一般错误条件的错误信号、表示致动单元的信号与用信号传送未致动单元的信号之间的区别使得能够实现对各个单元的区别评估以及故障安全空间分辨率。
在另一有利的改进中，评估单元被配置成在测量的电压下降到第一阈值以下或者超过第二阈值的情况下输出第一输出信号；在所述测量的电压超过所述第一阈值并且下降到位于所述第一阈值与所述第二阈值之间的第三阈值以下的情况下输出第二信号；以及在所述测量的电压超过所述第三阈值并且下降到所述第二阈值以下的情况下输出所述第三输出。输出信号的类型由在各个单元的电阻处下降的测量的电压得到。第一阈值对应于下限，第二阈值对应于上限，测量的电压电平必须处于该上限和下限内以用于适当的测量。如果测量的电压电平低于下限，则触发错误反应，因为假设电极与地的交叉连接，例如由于已经穿透传感器的液体。如果测量的电压电平高于上限，则系统也进入错误状态。之所以这样的原因可能包括各个传感器单元的老化、腐蚀或机械磨损以及漂移。还可以存在电极的不良连接或分离以及电极的卡在高处(stuck-at-high)错误。
在另一有利的改进中，评估单元是多信道冗余的。冗余设计提高了安全设备的故障安全性。优选地，评估单元由两个功能完全相同的可以彼此通信并且彼此监测的控制器组成。特别有利的是来自不同制造商的功能完全相同的控制器，以便还增加了多样性。
应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，上面提及的本发明的特征和下文要说明的特征不仅可以以所指示的各个组合使用，还可以以其他组合使用或单独使用。
本发明的示例性实施方式在以下描述中更详细地被说明，并且在附图中被示出，在附图中：
图1示出了新安全设备的示例的应用的可能领域的示意图，
图2以平面图示出了新安全设备的示例性实施方式，
图3示出了新传感器的示例性实施方式的结构的简化示意图，
图4示出了新传感器的示例性实施方式的等效电路图，
图5示出了新传感器的示例性实施方式的测量电路的简化示意图，
图6示出了新安全设备的第一示例性实施方式，
图7示出了新安全设备的第二示例性实施方式，
图8示出了根据图6和图7的示例性实施方式的测量电路的简化等效电路图，
图9示出了测量电压与输出信号之间的关系的示意图，以及
图10示出了根据图6和图7的示例性实施方式的新测试装置的等效电路图。
图1示出了新安全设备的示例的应用的可能领域的示意图。
图1示出了具有附图标记10和12的新安全设备的两个示例性实施方式。两个安全设备都对在此指示为自动机器人16的技术系统14进行监测。机器人16可以是例如生产线或装配线中的切割机器人或焊接机器人。
在图1示出的示例性实施方式中，要监测的机器人16具有在末端具有工具20的可自由移动的机械臂18。机械臂18的旋转和枢转范围限定机器人16的有效范围，其同时表示机器人16的危险范围。必须对进入危险区域——未授权和授权——进行检测，使得机器人可以转变到对人或物体安全的状态。在此通过与安全系统30耦接的安全设备10和12执行检测。
安全系统30可能是由EN ISO 13856-1所定义的输出开关设备，例如：简单的安全继电器、可配置的安全控制器或者可编程逻辑控制器。安全系统30被配置成例如通过切断到技术系统14的电力将技术系统14置于对人安全的状态。
新安全设备10的第一示例性实施方式是布置在技术系统14周围区域中的地板上的台阶垫。新安全设备12的第二示例性实施方式是机械臂18的涂层，其在此用作机器人16的触敏“皮肤”。安全设备10、12两者都包括由大量的单独传感器单元24组成的压敏传感器22。如第二应用案例特别指示的，传感器22由柔性材料制成，使得其可以适用于不同的形状，例如此处机械臂的形状。
如下面将更详细说明的，传感器22被设计成对传感器单元24中之一的压力变化进行检测并且生成相应的输出信号。经由线路26将输出信号传输至安全系统30的输入模块28，安全系统30评估信号并根据信号触发反应。在该示例性实施方式中，安全系统30为此目的经由输出32与接触器34连接，接触器34具有布置在机器人16的电源38中的工作接触点36。
如果台阶垫10的传感器单元24处于技术系统14的危险区域中的负载下，或者如果机器人皮肤12检测到传感器22与物体或人的接触，则安全系统30切断输出32使得接触器34断开并且通过使工作接触点36开路来切断技术系统14。通过断开电源，技术系统14被转变到对人或物体安全的状态。
不言而喻，将技术系统14从电源断开仅是将技术系统14转变到安全状态的一种方式。可替选地或另外地，在另一示例性实施方式中，安全系统30还可以以控制方式干预机器人16的运动序列，以便例如通过机器人16收起机械臂18来实现安全状态。还可以想到的是，第一安全设备10和第二安全设备12的传感器22的输出信号或其他安全设备的输出信号被组合地考虑，并且安全系统30根据总览决定机器人16的控制。其他安全设备可以是例如电敏防护设备(ESPE)，例如挡光板或光栅或者安全摄像系统。
图2以平面图示出了新安全设备10的示例性实施方式。
传感器22在此处被划分成大量的传感器单元24，类似矩阵一样。此外，传感器22被划分成不同的区域，不同的传感器单元24被分配至该不同的区域。第一区域40(此处示出为未填充)形成传感器22的边缘区域。负载置于该第一区域中的传感器单元24不会导致安全设备10反应。第二区域42(示出为浅灰色)形成警告区域。当分配给警告范围的传感器单元24承受负载时，安全设备10触发警告信号，该警告信号可以例如使警告显示点亮。第三区域44(示出为深灰色)标志着保护区域。分配给保护区域的传感器单元24一承受负载就触发安全功能，这使得要被监测的技术系统14被转换成安全状态。不用说，对于传感器22的这种功能细分，每个传感器单元24上的负载必须可靠并且故障安全地被检测。这意味着传感器22必须保证故障安全空间分辨率。根据相应输出信号的优先级将单元分配给范围。如果单元包含两个区域，则将较高水平分配给每个单元。
图3以简化示意图示出了新传感器的示例性实施方式的结构。
传感器22具有彼此交叠的多个第一电极46和多个第二电极48。每个第一电极与每个第二电极在关联的耦接位置50中交叠。在每个耦合位置50处，形成传感器单元24，如此处在放大图中示意性地示出的。因此，传感器单元24包括关联的第一电极52和关联的第二电极54以及将两个电极52、54彼此分开的压敏材料56。在示例性实施方式中，压敏材料56被配置成在施加力时改变其电阻率，使得当单元被机械加载时关联的第一电极52与关联的第二电极54之间的电阻58改变。可替选地，第一电极46和第二电极48以及压敏材料56也可以被配置成在施加力时相互作用，使得在关联的第一电极52与关联的第二电极54之间的电阻58变化。
在优选的示例性实施方式中，传感器的压敏材料由散布有导电剂的聚合物制成。根据电导率测量，该材料应被归类为介于绝缘体与导体之间，由此分类取决于导电剂的相应浓度。导电颗粒主要是烟灰、金属颗粒、金属涂覆颗粒或者碳纤维。材料的导电性基于渗透(percolation)原理。这导致延伸通过整个材料的导电桥。如果现在对材料施加压力，则材料压缩并且形成新的导电颗粒桥。为了将该材料用作触觉传感器，设计了矩阵形垫，其各个单元由聚合物材料制成。对于电阻评估，导电线形式的电极被附接至压敏材料的上侧和下侧以在它们交叠的区域中形成传感器单元。
图4示出了新传感器22的示例性实施方式的等效电路图。
多个第一电极46由竖直延伸的导体路径46a至46h指示。多个第二电极48由水平导体路径48a至48e指示。因此，第一电极形成矩阵状传感器22的列，第二电极形成矩阵状传感器22的行。传感器单元24在导体路径(46a至46h、48a至48e)的交叉点处，传感器单元24在等效电路图中由它们相应的电阻58指示。
为了测量传感器单元24的电阻58，第一电极46a至46h和第二电极48a至48e可以交替地连接至不同的电势。这是经由开关元件(此处未示出)完成的，将参照图6和图7详细说明开关元件。
作为示例，图4示出了传感器单元60的测量，传感器单元60位于关联的第一电极46g、52和关联的第二电极48d、54的耦接位置50处。对于测量，关联的第一电极46g、52经由串联电阻器62连接至用于接收测量电势的端子64。同时，关联的第二电极48d、54连接至接地端子66。串联电阻器62和传感器单元60的电阻器58形成分压器，在该分压器处可以使用第一模数转换器68确定电压值。根据测量的电压值可以直接确定传感器单元60的电阻58，并且由此可以确定传感器单元60的机械负载。
根据本发明，电流传感器单元60的测量中未涉及的剩余的第一电极46a至46f、46h和剩余的第二电极48a至48c、48e在测量期间如此处指示的经由用于接收限定电势72的公共端子被连接至限定电势70。尽管限定电势70优选地不直接连接至测量电势74但是限定电势70在量上与测量电势74对应。参照图5将更详细地说明限定电势70与测量电势74之间的关系。
图5示出了新传感器的示例性实施方式的测量电路的简化示意图。相同的附图标记表示与图4中相同的部件。
通过测量在第一模数转换器68处的电压来确定所测量的传感器单元60的电阻58。优选地，经由分压器测量在电阻58处的压降，以便即使在电阻58变化很大的情况下也能够进行准确测量。因此，在用于接收测量电势64的端子与传感器单元60的电阻器58之间布置串联电阻器62，从而在传感器单元60的电阻器58与串联电阻器62之间对由第一模数转换器68接收和测量的测量电势74进行调节。
测量电势74还存在于运算放大器78的非反相输入76处。运算放大器78的输出80直接反馈至运算放大器80的反相输入82，因此运算放大器78用作阻抗转换器。
输出80被设置成大小与测量电势74对应但是通过阻抗转换器与测量电势分离的限定电势70。换句话说，限定电势70跟随测量电势74，但不影响测量电势74。不用说，也可以使用另一阻抗转换器来代替运算放大器78。然而，运算放大器具有以下优点，其允许几乎理想的分离，因为在输入处的输入阻抗几乎是无穷大，并且在输出处的输出阻抗大约为零。
在量上耦接至测量电势74的限定电势70被连接至其他电极。因此，只有要测量的传感器单元60的电阻58连接至测量电势74和接地端子66。由附图标记84指示的相同系列的其他电阻器58一方面连接至接地端子66，另一方面连接至限定电势70。相同列的其他电阻器(此处未示出)一方面连接至测量电势74，另一方面连接至限定电势80。由于测量电势74和限定电势70在量上相等，因此没有残余电流可以流过相同行与列中的传感器单元，从而可以对传感器单元60进行隔离测量。
图6和图7示出了新安全设备的两个优选示例性实施方式。在两个图中，相同的附图标记表示相同的部件，因此在下面描述的这些仅针对单个图。
图6示出了新安全设备的第一示例性实施方式。此处示出的压敏传感器22具有九个传感器单元24，其被布置成类似呈三列与三行的矩阵。行和列的不同间距指示传感器22也可以具有更多数量的行与列。类似地，行和列的数量不一定必须相同。
列的传感器单元24各自经由第一电极彼此连接，并且行的传感器单元24各自经由第二电极彼此连接。因此，列的第一电极形成多个第一电极46，并且行的第二电极形成多个第二电极48。
多个第一电极46和多个第二电极48连接至第一选择元件86。此处选择元件86由两个逻辑单元86a、86b指示。第一逻辑单元86a在输入侧连接至大量第一电极46，并且在输出侧一方面连接至测量电势74，另一方面连接至限定电势70，限定电势70经由反馈运算放大器78耦接至测量电势74。第二逻辑单元86b在输入侧连接至多个第二电极48，并且在输出侧一方面连接至接地端子66，另一方面连接至限定电势70。
选择元件86被配置成可选地将输入侧的电极46、48连接至输出侧连接。因此，多个第一电极46可以经由第一逻辑单元86a选择性地连接至限定电势70或测量电势74。多个第二电极48可以经由第二逻辑单元86b选择性地连接至限定电势70或接地电势66。
选择元件86的第一单元86a和第二单元86b被称为“逻辑”，因为硬件配置还可以包括一起形成逻辑第一单元86a和第二单元86b的几个部件。例如，第一选择元件86可以包括以CMOS技术实现的具有多个独立开关的大量开关元件。这样的开关元件的示例是AnalogDevices公司的HDG788，它包括四个独立的SPDT(单刀双掷)开关。使用四个这样的开关元件可以实现用于8×8矩阵(64个单元)的选择元件86。
第一选择元件86通过数据输入88驱动，每个开关优选地具有其自己的逻辑输入。由控制单元90提供相应的控制信号，控制单元90在此也是评估单元。控制单元90可以是数字或模拟电路、微控制器、FPGA、ASIC或任何其他处理单元。
在此示出的优选示例性实施方式中，控制/评估单元90包括两个单独的微控制器90a、90b，它们经由通信接口92例如串行UART接口彼此耦接。微控制器90a、90b在功能上是相同的，但是优选地不是相同类型或者不来自相同的制造商，以便增加多样性。微控制器90a、90b经由通信接口92可以彼此通信并且彼此监测和控制。这种布置也被称为多信道冗余。
控制/评估单元90控制第一选择元件86，使得可以在一个循环中读取传感器22的传感器单元24的每个电阻58。另外，控制/评估单元90对下面更详细描述的测试装置进行控制，如此处从第一微控制器发出的虚线箭头所指示的。第二微控制器90b通过另外将第一微控制器90a的控制信号馈送至第二微控制器90b的输入来监测控制。这在此处由指向第二微控制器90b的虚线箭头所指示。
在该示例性实施方式中，控制单元90还用作评估单元并且为此目的具有第一模数转换器68。由于控制单元90的冗余设计，第一微控制器90a和第二微控制器90b都具有相应的第一模数转换器68。第一模数转换器68连接至测量电势74，测量电势74在此处经由串联电阻器62连接至用于接收测量电势64的连接。端子64尤其可以是供电电压端子。
如图5中详细说明的，控制单元90在一个循环中连接所有传感器单元24，使得可以通过测量在第一模数转换器68上的测量电势74经由串联电阻器62和电阻58的分压器来确定每个传感器单元24的电阻58。同时，控制单元90控制第一选择元件86，使得在测量中未涉及的电极连接至限定电势70，以便不影响测量。如图6所示，仅需要一个阻抗转换器78来为所有电极提供限定电势70。
图6中示出的示例性实施方式的测量电路还具有测试装置，利用该测试装置可以检查测量电路的各个部件的功能。测试装置包括第二选择元件94、电阻器96和第二模数转换器98。与第一模数转换器68类似，第二模数转换器98在微控制器90a和90b两者中都是冗余的。另外，在图6示出的优选示例性实施方式中，测试装置具有第一开关元件100和第二开关元件102。
第二选择元件94在输入侧连接至多个第一电极46和多个第二电极48。在输出侧，第二选择元件94一方面连接至第二模数转换器98，另一方面经由电阻器96连接至接地端子66。第一逻辑单元86a可以经由第一开关元件100与测量电势74分离，并且第二逻辑单元86b可以经由第二开关元件102与接地端子66分离。第二选择元件94被配置成将多个第一电极46和多个第二电极48相继地连接至第二模数转换器98，以检查第一选择元件86的正常功能。对于这样的测试，第一选择元件86和第二选择元件94同步连接至同一电极，使得传感器单元24的电阻58被桥接，使得第一选择元件86和第二选择元件94彼此直接连接。另外，第一逻辑单元86a和第二逻辑单元86b被配置成将输入侧的第一电极46连接至测量电势74，并且将输入侧的第二电极48连接至接地端子66。
还通过控制/评估单元90执行测试控制和评估，控制/评估单元90相应地控制第一选择元件86和第二选择元件94，并且利用第二模数转换器98测量电压设置并将其与预期值进行比较。
除了此处指示的测试之外，还可以通过测试装置或测试装置的各个部件进行另外的测试。参照图10详细说明这些测试的样本。
图7示出了新安全防护装置的第二示例性实施方式。第二示例性实施方式在第一选择元件的类型和布置上不同，第一选择元件在此处用附图标记104表示。在其他方面，安全设备与根据第一示例性实施方式的安全设备完全相同，因此，下面将不再讨论关于图6说明的具有相同附图标记的部件。
该示例中的第一选择元件104具有三个逻辑单元：104a、104b、104c。第一逻辑单元104a被配置成可选地将第一电极46连接至测量电势74。第二逻辑单元104b被配置成可选地将第二电极48连接至接地端子66。第三逻辑单元104c被配置成将第一电极46和第二电极48与限定电势70连接。
第一逻辑单元104a、第二逻辑单元104b和第三逻辑单元104c进行交互使得第一电极被循环连接至测量电势74，并且第二电极被连接至接地端子66，同时剩余的第一电极和第二电极被连接至限定电势70。如第一示例性实施方式中所指示，第一逻辑单元104a、第二逻辑单元104b和第三逻辑单元104c也可以由多个各个开关元件组成。例如，选择元件可以由Analog Devices公司的ADG711型开关元件组成，开关元件中的每一个具有四个独立的SPST(单刀/单掷)开关。可以使用四个这样的开关元件来实现选择元件104，选择元件104可以控制具有8×8传感器单元(八个第一电极；八个第二电极；64个单元)的传感器22。
与根据图6中的示例性实施方式的两个逻辑单元86a、86b相比，三个逻辑单元104a、104b、104c的特殊性在于逻辑单元104a、104b、104c可以彼此独立地被布置。特别地，第一逻辑单元104a和第二逻辑单元104b可以从测量电子装置拆离，如此处由连接106a至106c指示的。在特别优选的示例性实施方式中，第一逻辑单元104a和第二逻辑单元104b集成在传感器22中并与测量电路分开。因此，第一逻辑单元104a和第二逻辑单元104b可以是现有传感器22的现有选择元件，其可以有利地重复使用并且仅由新的测量电路补充。然后由新的测量电路执行对已经存在的逻辑元件104a、104b的控制，如连接106a至106c所指示的。这样的优点在于包括新的测试装置的新的测量电路可以是以分立单元的形式例如作为插件来补充传感器的现有电子装置。通过这种方式，现有的传感器可以容易地并且有成本效益地补充新功能，特别是对各个单元的改进测量。
这样的附加板则将仅包括第三逻辑单元104c、阻抗转换器78和控制/评估单元90以及具有第二选择元件94和电阻器96的测试装置。附加电路板可以经由外部连接被连接至现有传感器的电子装置。
图8示出了根据图6和图7中给出的示例性实施方式的测量电路的简化等效电路图。相同的附图标记表示相同的部件。
这里，由两个多路复用器表示第一选择元件86。多路复用器是选择电路，利用其可以选择多个输入信号中的一个并将多个输入信号中的一个连接至输出。
在优选的示例性实施方式中，多路复用器循环地从一个输入切换至下一输入，使得传感器单元的电阻器58与串联电阻器62一起在用于接收测量电势64的端子与接地端子66之间形成分压器。
点74处的电压由第一模数转换器68来测量并且用于确定取决于传感器单元上的负载的电阻58。根据在点74处测量的电压确定输出信号，该输出信号被输出用于相应的传感器单元。下面参照图9更详细地说明由第一模数转换器68测量的电压值与输出信号之间的关系。
图9以图表出了测量电压与输出信号之间的关系。轴108表示测量的电压，相邻的表面表示输出信号的类型。附图标记110、112和114指示输出信号的状态改变的第一阈值、第二阈值和第三阈值。如果测量的电压值在第一阈值110以下，则触发错误反应。下降到第一阈值110以下的原因可以是例如电极至地的交叉连接或者液体渗透到传感器中。如果测量的电压值高于(above)第二阈值112，则也假设错误。超过第二阈值112的原因可以包括传感器单元的老化、腐蚀或机械磨损以及漂移。另外，可能存在电极的不良连接或分离或者电极的卡在高处错误。
如果测量值在第一阈值110与第二阈值112之间，则假设测量正确并且基于第三阈值114区分致动传感器单元和非致动传感器单元。如果测量的电压值下降到第三阈值114以下(低阻抗)，则假设传感器单元致动。如果测量的电压值超过第三阈值114(高阻抗)，则认为传感器单元是不活动的。
附图标记116指示表示空载传感器单元的电压值。如果空载传感器单元的该值向下漂移，则传感器单元变得对压力更敏感，并且在较小的负载的情况下也已经检测到致动。这不会导致任何安全损失。如果电压值向上漂移，则两个阈值112在可能发生错误之前生效。
图10示出了根据图6和图7的示例性实施方式的新测试装置的等效电路图。
此处示出的电路可以用于执行若干切换测试以检查测量电路的各种部件的功能。在根据图10的电路的上半部分中示出了第一选择元件86，其被细分为第一逻辑单元86a和第二逻辑单元86b。应当理解，根据第二示例性实施方式的相应细分为三个逻辑单元104a、104和104c也是可能的。图10所示电路的下半部分示出了具有第二选择元件94、第二模数转换器98和电阻器96的测试装置。第一逻辑单元86a连接至第一电极46，并且第二逻辑单元86b连接至第二电极48。第二选择元件94连接至第一电极46和第二电极48两者。
在第一切换测试中，这种布置使得第一选择元件86和第二选择元件94能够被切换，使得它们同时连接至多个第一电极46和多个第二电极48的同一电极。因此，电阻58被“排除在外”，并且第一选择元件86和第二选择元件94彼此直接连接。然后在测量点118处将必须获得限定电压值，限定电压值由端子120处存在的电压和电阻96得到。如果由第二模数转换器98确定的值偏离该预期值，则得出结论：第一选择元件86的错误或者第一选择元件86的不正确切换。
在第二切换测试中，测试装置用于检查行或列之间是否存在交叉连接。第一选择元件86和第二选择元件94循环切换，使得经由电阻器58和电阻器96设置分压器。如果由第二模数转换器98测量的电压值太低，则假设错误，因为这指示了电极连接的缺失。测量点118处的过高电压值指示电极之间的交叉连接、至地的交叉连接、与生产相关的电极故障或者液体的渗透，因此也指示了故障状况。
应当理解，除了第一切换测试和第二切换测试之外，还可以通过测试装置或测试装置的各个部件进行另外的测试。例如，可以通过适当的布线和预期值的存放来测试运算放大器的功能。
Claims (15)
1.一种安全设备(10、12)，包括：
压敏传感器(22)，其具有多个第一电极(46)和多个第二电极(48)，其中，每个第一电极(46a至46h)与每个第二电极(48a至48e)在关联的耦接位置(50)处交叠，并且其中，在所述关联的耦接位置(50)中的每个第一电极(46a至46h)通过压敏材料(56)与关联的第二电极间隔开，使得在所述耦接位置(50)处施加力时，关联的第一电极(46g、52)与关联的第二电极(48d、54)之间的电阻(58)改变；
测量电路，其被耦接至所述多个第一电极(46)和所述多个第二电极(48)，并且被配置成相继地确定在关联的耦接位置(50)处的所述电阻(58)；以及
评估单元(90)，其被配置成响应于测量的电阻(58)而提供输出信号，
其中，所述测量电路被配置成：为了经由所述关联的第一电极(52)和所述关联的第二电极(54)确定在耦接位置(50)处的所述电阻(58)，将另外的第一电极和第二电极连接至用于接收限定电势(72)的端子，以使能够对在该耦接位置(50)处的所述电阻(58)进行隔离测量。
2.根据权利要求1所述的安全设备，其中，所述测量电路包括第一选择元件(86)，所述第一选择元件被配置成将所述关联的第一电极(46g、52)连接至用于接收测量电势(64)的端子以用于确定所述电阻(58)，并且将所述关联的第二电极(48d、54)连接至接地端子(66)。
3.根据权利要求2所述的安全设备，其中，用于接收所述限定电势(72)的端子被耦接至用于接收所述测量电势(64)的端子，使得所述限定电势(70)在量上与所述测量电势(74)对应。
4.根据权利要求2或3所述的安全设备，其中，所述测量电路包括阻抗转换器(78)，所述阻抗转换器在输入侧连接至用于接收测量电势(64)的端子并且在输出侧连接至用于接收所述限定电势(72)的端子。
5.根据权利要求4所述的安全设备，其中，所述阻抗转换器是具有反相输入(82)、非反相输入(76)和输出(80)的运算放大器(78)，所述输出(80)被反馈至所述反相输入(82)。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的安全设备，其中，所述测量电路包括第一模数转换器(68)，并且所述第一选择元件(86)被配置成将所述关联的第一电极(46g、52)连接至所述第一模数转换器(68)。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的安全设备，其中，所述测量电路包括用于执行自测试的测试装置，所述测试装置包括第二选择元件(94、104)、电阻器(96)以及第二模数转换器(98)。
8.根据权利要求7所述的安全设备，其中，所述第二选择元件(94、104)被耦接至所述多个第一电极(46)和所述多个第二电极(48)并且被配置成相继地将所述多个第一电极(46)和所述多个第二电极(48)中的每一者中的一个电极与所述电阻器(96)并联连接至所述第二模数转换器(98)。
9.根据权利要求7或8所述的安全设备，其中，所述测试装置被配置成将所述第一选择元件(86)和第二选择元件(94、104)循环地切换至所述多个第一电极(46)和所述多个第二电极(48)中的每一者中的同一电极以执行第一切换测试。
10.根据权利要求7或8所述的安全设备，其中，所述测试装置被配置成将所述第一选择元件(86；104)和所述第二选择元件(94，104)循环地切换至所述多个第一电极(46)和所述多个第二电极(48)，使得在所述第一选择元件(86；104)与所述第二选择元件(94)之间存在耦接位置(50)的每个特定电阻(58)以执行第二切换测试。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的安全设备，其中，所述评估单元(90)被配置成根据测量的电压确定测量的电阻并且取决于所述测量的电压针对每个耦接位置(50)提供第一输出信号、第二输出信号或第三输出信号。
12.根据权利要求11所述的安全设备，其中，所述第一输出信号对应于错误信号，所述第二输出信号对应于指示在耦接位置(50)处的致动状态的信号，并且所述第三输出信号对应于指示在该耦接位置(50)处的未致动状态的信号。
13.根据权利要求11或12所述的安全设备，其中，所述评估单元(90)被配置成：在所述测量的电压下降到第一阈值(110)以下或者超过第二阈值(112)的情况下输出所述第一输出信号，在所述测量的电压超过所述第一阈值(110)并且下降到位于所述第一阈值(110)与所述第二阈值(112)之间的第三阈值(114)以下的情况下输出所述第二信号，以及在所述测量的电压超过所述第三阈值(114)并且下降到所述第二阈值(112)以下的情况下输出所述第三输出。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的安全设备，其中，所述评估单元(90)是多信道冗余的。
15.一种用于确定压敏传感器(22)的输出信号的方法，所述压敏传感器包括多个第一电极(46)和多个第二电极(48)，其中，每个第一电极(46a至46h)与每个第二电极(48a至48e)在关联的耦接位置(50)中交叠，并且其中，在所述关联的耦接位置(50)中的每个第一电极(46g、52)通过压敏材料(56)与关联的第二电极(48d、54)间隔开，使得在所述耦接位置(50)处施加力时，关联的第一电极(46g、52)与关联的第二电极(48d、54)之间的电阻改变，所述方法包括以下步骤：
-提供耦接至所述多个第一电极(46)和所述多个第二电极(48)的测量电路，并且相继地确定在所述关联的耦接位置(50)处的电阻(58)，以及
-由评估单元(90)根据测量的电阻(58)提供输出信号，
其中，所述测量电路被配置成：为了经由所述关联的第一电极(46g、52)和所述关联的第二电极(48d、54)确定在耦接位置(50)处的电阻(58)，将另外的第一电极(46a至46f；46h)和另外的第二电极(48a至48c；48e)连接至用于接收限定电势(72)的端子，以使能够对在该耦接位置(50)处的电阻(58)进行隔离测量。
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