DD218794A3 - METHOD AND DEVICE FOR MEASURING FORCE OR PRESSURE - Google Patents
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Abstract
DIE ERFINDUNG BETRIFFT EIN VERFAHREN UND EINE EINRICHTUNG ZUR MESSUNG VON KRAFT ODER DRUCK. SIE KANN AUF ALLEN GEBIETEN DER TECHNIK ANGEWENDET WERDEN. ES IST ZIEL DER ERFINDUNG, EIN VERFAHREN UND EINE EINRICHTUNG ZU SCHAFFEN, WELCHE EINE HOHE EIMPFINDLICHKEIT BESONDERS IM BEREICH KLEINSTER AENDERUNGEN ERREICHEN, DEREN HERSTELLUNGSAUFWAND GERING IST, DIE MINIATURISIERBAR SIND UND EIN LEICHT AUSWERTBARES SIGNAL BEREITSTELLEN, ERFINDUNGSGEMAESS WIRD DIE AUFGABE DADURCH GELOEST, DASS AUF EINEM PIEZOELEKTRISCHEN SUBSTRAT ZWEI INTERDIGITALWANDLER AUFGEBRACHT SIND, WOBEI EIN WANDLER DEN SENDEWANDLER DARSTELLT, DAS SENDESIGNAL SELBST ALS CODIERTES SIGNAL, VORZUGSWEISE BINAERPHASENGETASTETES ODER FREQUENZMODULIERTES SIGNAL AUSGEBILDET IST UND DER ZWEITE WANDLER ALS FILER, VORZUGWEISE ALS MATCHED-FILER, DIENT. BEI DIESER ALS KORRELATIONSFILTER AUSGELEGTEN STRUKTUR VERAENDERT SICH DIE AUTOKORRELATIONSFUNKTION BEI EINWIRKUNG VON KRAFT ODER DRUCK AUF DIE INTERDIGITALWANDLERSTRUKTUR DES MATCHED-FILTERS IN EMPFINDLICHER, GUT MESSBARER WEISE.The invention relates to a method and an apparatus for measuring force or pressure. IT CAN BE APPLIED IN ALL FIELDS OF TECHNOLOGY. THE OBJECT OF THE INVENTION IS TO OBTAIN A METHOD AND A DEVICE THAT ACHIEVES A HIGH SENSITIVITY PARTICULARLY IN THE FIELD OF SMALL CHANGES WHICH HAVE LOW MANUFACTURING REQUIREMENTS, WHICH ARE MINIATURIZABLE AND PROVIDE EASILY AFFICIABLE SIGNAL, IN FACT THE TASK IS ESTABLISHED THAT ON ONE PIEZOELECTRIC SUBSTRATE OF TWO INTERDIGITAL CONVERTERS ARE PLACED, WHERE A CONVERTER CONSIDERS THE TRANSMITTER, THE TRANSMISSION SIGNAL IS MADE SELF-AS A CODED SIGNAL, PREFERABLY BINARY PHASE-INTERFERENCE OR FREQUENCY-MODULATED SIGNAL, AND THE SECOND CONVERTER SERVES AS A FILER, PREFERABLY AS A MATCHED FILER. IN THESE STRUCTURES DESCRIBED AS CORRELATION FILTERS, THE AUTOCORRELATION FUNCTION CHANGES IN A SENSITIVE, WELL-MEASURED WAY WHEN IMPACT OF FORCE OR PRESSURE ON THE INTERCHANGE TRANSFORMER STRUCTURE OF THE MATCHED FILTER.
Description
.Verfahren "und Einrichtung zur Messung von Kraft oder Druck"Method" and device for measuring force or pressure
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung von.Kraft, oder Druck auf allen Gebieten der Technik, wie Zug- und Druckkräfte, Drücke in Gasen, Gasgemischen und Flüssigkeiten,The invention relates to a method and a device for measuring force, or pressure in all areas of technology, such as tensile and compressive forces, pressures in gases, gas mixtures and liquids,
Charakteristik der bekannten technischen lösungenCharacteristic of the known technical solutions
Es sind Einrichtungen zur Messung von Kraft oder Druck bekannt, die die Deformation von Dehnungsmeßstreifen oder Halb- ;leiterwiderständen ausnutzen. Die dazu notwendigen Schaltungen I arbeiten nach dem Brückenprinzip und gestatten es nur mit ; jhohem Aufwand, selbstabgleiehende Einrichtungen herzustellen, : j (Taschenbuch Betriebsmeßtechnik, Berlin, 1974, S, 367 ff.) : ]Weiterhin sind mikroakustische Anordnungen bekannt, die über . idi'e Bildung einer Phasendifferenz zweier akustischer Ober-.j f läehenwellen eine Amplitudenveränderung des Ausgangs signals ; I erzielen, Nachteilig ist die im Bereich kleiner Deformationen !sehr hohe Abhängigkeit von der Prequenzkonstanz des Meßsigjnalgenerators und die relativ geringe Empfindlichkeit, ! (Akusticeskij zumal Hr, 6/1978, S, 813)Means are known for measuring force or pressure which exploit the deformation of strain gauges or semiconductor resistors. The necessary circuits I work on the bridge principle and allow it only with; great effort to produce selbstabgleiehende facilities,: j (Taschenbuch Betriebsmeßtechnik, Berlin, 1974, S, 367 et seq.) : ] Furthermore, microacoustic arrangements are known that over . idi'e formation of a phase difference between two acoustic upper-jf Läehenwellen an amplitude change of the output signal; A disadvantage is the very low dependency in the range of small deformations! Very high dependence on the Prequenzkonstanz of Meßsigjnalgenerators and the relatively low sensitivity,! (Akusticeskij especially Hr, 6/1978, S, 813)
Weiterhin sind Einrichtungen zur Messung von Kräften und kleinen Wegen bekannt, die die Verstimmung von Kapazitäten,, welche in den frequenzbestimmenden Teilen eines Oszillators angeordnet sind, ausnutzen. Nachteilig ist die begrenzte Empfindlichkeit der Anordnung und ihr integrationsunfreundlicher Aufbau. . (Ostrowski j : Elektrische Meßtechnik, Berlin 1974, S0 259 ffJ ; Furthermore, devices for measuring forces and small paths are known, which exploit the detuning of capacitances which are arranged in the frequency-determining parts of an oscillator. A disadvantage is the limited sensitivity of the arrangement and its integration-unfriendly structure. , (Ostrowski j: Electrical Measurement, Berlin 1974, S 0 259 ffJ ;
Weiterhin sind mikroakustische Oszillatoren auf der Basis von akustischen Verzögerungsleitungen zur Druckmessung bekannt, bei denen die Deformation der Verzögerungsleitung eine Frequenzänderung hervorruft, nachteilig macht sich an diesen Einrichtungen die begrenzte Auflösung im unteren Meßbereich bemerkbar. (Hewlett-Packard-Journal, 1981, December),Furthermore, microacoustic oscillators on the basis of acoustic delay lines for pressure measurement are known in which the deformation of the delay line causes a change in frequency, disadvantageous makes to these devices, the limited resolution in the lower measurement range noticeable. (Hewlett-Packard Journal, 1981, December),
Ziel der ErfindungObject of the invention
Es ist Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung von Kraft oder Druck zu schaffen, welche eine hohe Empfindlichkeit besonders im Bereich kleinster Änderungen erreichen, den Herstellungsaufwand senken, eine · weitere Miniaturisierung erzielen und die elektrischen Ausgangssignale in leicht auswertbarer Form bereitstellen können. ' '' ' ' · : ' :It is an object of the invention to provide a method and apparatus for measuring force or pressure which can achieve high sensitivity, particularly in the area of minute changes, reduce manufacturing costs, achieve further miniaturization and provide the electrical output signals in readily evaluable form , '''''· : ':
Darlegung des Wesens der Erfindung :- :Presentation of the essence of the invention:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine spezielle, als Korrelationsfilter ausgebildete Interdigitalwandlerstruktur die zu messende nichtelektrische Größe als Fehlanpassung des Filters an das angepaßte Sendesignal nachzuweisen, indem die zu messende Größe (Kraft oder Druck) durch Einwirkung, auf den Interdigitalwandler dessen Geometrie und damit die Korrelationsfunktion verändert. Da Sendesignal und Empfangsfilter hinsichtlich maximalem Haupt-2Tebenzipfelverhältnis der Korrelationsfunktion für den Fall ohne Einwir-The invention is based on the object by a specific trained as a correlation filter interdigital transducer structure to detect the measured non-electrical variable as mismatch of the filter to the matched transmission signal by the size to be measured (force or pressure) by acting on the interdigital transducer whose geometry and thus the correlation function changes. Since the transmit signal and the receive filter have a maximum main cross-peak ratio of the correlation function for the case without an influence
kung der Meßgröße optimiert werden, ergibt sich bei Einwirkung der MeSgröße eine empfindliche Veränderung der Korre- .: lationsfunktion durch Phasenverschiebung zwischen Signal und Korrelationsfilter, . 'kung the measured variable can be optimized, results in the action of MeSgröße a sensitive change in the Korre-. : lation function by phase shift between signal and correlation filter,. '
Es ist Aufgabe der Erfindung,, die Interdigitalwandler sowohl für die Erzeugung als auch den Empfang von binärphasengetasteten Signalen und Chirpsignalen einzusetzen, um den Korrelationsgewinn infolge Impulskompression des Signales in Abhängigkeit von der zu messenden Größe empfindlich zu verändern. ΛIt is an object of the invention to use the interdigital transducers for both the generation and the reception of binary-phase-sampled signals and chirp signals in order to sensitively change the correlation gain due to pulse compression of the signal as a function of the quantity to be measured. Λ
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf einem piezoelektrischen Substrat zwei Interdigitalwandler ; aufgebracht sind, wobei ein Wandler als Signalsender und der andere Wandler als Filter für den Empfang des Sendesignales ausgebildet, sind. Das Empfangsfilter stellt ein Matehed-Filter für das Sendesignal dar und ist entweder für den Empfang eines binärphasengetasteten (PSK)-Signales oder eines frequenzmodulierten (Chirp)-Signales durch entsprechende Wandlerwiehtung·ausgebildet. Wirken keine Meßgrößen auf die Interdigitalwandlerstruktur des Matched-Filters ein, so wird am Ausgang des Filters die Autokorrelationsfunktion mit maximalem Haupt-Sebenzipfelverhältnis gemessen,-Wirken hingegen entsprechende Meßgrößen auf den Interdigitalwandler ein, so wird die Geometrie des Wandlers und 'in dessen Folge die Übertragungsfunktion des Wandlers geändert und: das vom Sendewandler erzeugte Signal fehlabgestimmt empfangen. Das äußert sich in einer Verkleinerung der Autokorrelationsspitze und ist damit elektronisch auswertbar. Als PSK-Signale können Barker-Codes oder "Folgen maximaler länge" mit guten Korrelationseigenschaften angewendet werden oder frequenzmodulierte Sinussignale, die durch Polaritäts- und Abstandswichtung der Interdigitalwandler erzeugt werden.According to the invention the object is achieved in that on a piezoelectric substrate two interdigital transducers; are applied, wherein a transducer is designed as a signal transmitter and the other converter as a filter for the reception of the transmission signal, are. The receive filter is a matehed filter for the transmit signal and is designed to receive either a binary phase-sampled (PSK) signal or a frequency-modulated (chirp) signal through appropriate converter coverage. If no measured variables act on the interdigital transducer structure of the matched filter, then the autocorrelation function with maximum main Sebenzipfelverhältnis is measured at the output of the filter, -Wirk, however, corresponding measured variables on the interdigital transducer, then the geometry of the transducer and 'as a result, the transfer function of the converter and: receive the signal generated by the transmitter converter mismatched. This manifests itself in a reduction of the autocorrelation peak and can therefore be evaluated electronically. As PSK signals, Barker codes or "maximum length sequences" with good correlation properties can be used, or frequency modulated sine signals generated by polarity and distance weighting of the interdigital transducers.
Ausführungsbeispiel .Embodiment.
Die Erfindung soll an folgenden Beispielen näher erläutert . werden, ,The invention will be explained in more detail by the following examples. become, ,
Auf Bild 1 ist eine Druckmeßeinrichtung dargestellt. Sie7 enthält zwei auf dem piezoelektrischen Substrat (1) aufgebrachte Interdigitalwandler (2) und (3)# Das Substrat (1) ist in dem Gehäuse (4) so angeordnet, daß es die Membran einer Druckkammer (50 bildet, Dex Sendewandler. (2) ist ein breitbandiger uniformer Wandler, der das ihm angebotene phasencodierte Binärsignal s.(t) in eine akustische Oberflächenwelle umwandelt, die sich in Richtung des polaritätsgewichteten Empfangswandlers (3) ausbreitet. Dabei wird das phasen-Figure 1 shows a pressure measuring device. They 7 includes two on the piezoelectric substrate (1) applied interdigital transducer (2) and (3) # The substrate (1) in the housing (4) so arranged that it (forming the diaphragm of a pressure chamber 50, Dex transmitting transducer. ( 2) is a broadband, uniform converter which converts its phase-coded binary signal s (t) into a surface acoustic wave propagating in the direction of the polarity-weighted receiving transducer (3).
' ι codierte Binärsignal ebenfalls durch ein Oberflächenwellenba'uelement (6) mit einem polaritätsgewichteten, zu dem Empfangswandler (3) inversen Interdigitalwandler erzeugt. Zur Anregung des Bauelementes (6) dient ein Impulsgenerator (8), Der Wandler (3) ist als Matched-Filter ausgebildet, welches die Autokorrelationsfunktion des Oberflächenwellensignals erzeugt. Wirkt nun die zu messende Größe, in diesem Falle der Druck, auf das als Membran ausgebildete Substrat (1) ein, kommt es zu einer Deformation der Geometrie des Wandlers (3) und damit zu einer Änderung der Parameter des Matched-Filters, Dabei verändert sich die Amplitude des Korrelationspeaks in Abhängigkeit Von der einwirkenden Meßgröße, das Verhältnis des Korrelationspeaks zu den Hebenzipfeln der AutOkorrelationsfunktion wird in der Auswerteschaltung (7) ; gemessen.'ι coded binary signal also generated by a Oberflächenwellenba'uelement (6) with a polarity-weighted, to the receiving transducer (3) inverse interdigital transducer. For excitation of the component (6) is a pulse generator (8), the converter (3) is designed as a matched filter, which generates the autocorrelation function of the surface wave signal. If the size to be measured, in this case the pressure, acts on the substrate (1) formed as a membrane, the geometry of the transducer (3) is deformed and thus the parameters of the matched filter changed the amplitude of the correlation peak as a function of the measured quantity acting, the ratio of the correlation peak to the lifting lobes of the autocorrelation function is determined in the evaluation circuit (7) ; measured.
Im Bild 2 ist eine Kraftmeßeinrichtung dargestellt, die aus dem piezoelektrischen Substrat (T), dem Eingangswandler (2),: der als breitbandiger uniformer Wandler ausgelegt ist, und : dem Ausgangswandler (3)» der als abstandsgewichteter (Chirp) Wandler ausgelegt ist, besteht. Das Substrat (1) ist als einseitig eingespannter Biegebalken in einem Gehäuse (4) angeordnet , welches auch das Krafteinleitungsglied (5), das amIn Figure 2, a force-measuring device is shown, consisting of the piezoelectric substrate (T), the input transducer (2): which is designed as a broadband uniform converter, and: the output transducer (3) "of the transducer is designed as a distance-weighted (chirp), consists. The substrate (1) is arranged as a cantilevered bending beam in a housing (4), which also the force introduction member (5), the
: - 5 - . : - 5 -.
freien Ende des Biegebalkens angreift, enthält.free end of the bending beam attacks contains.
Zur Erzeugung des elektrischen Eingangssignals, welches an Wandler (2) ein Chirp-codiertes Oberflächenwellenpaket S2(t) hervorruft, ist ein abstandsgewichtetes Oberflächen-In order to generate the electrical input signal, which causes a chirp-coded surface wave packet S 2 (t) at the transducer (2), a distance-weighted surface
wellenbauelement (6) mit einen zu Wandler (3) inversen Interdigitalwandler angeordnet, das über den Impulsgeneratorwave component (6) arranged with an inverse to transducer (3) interdigital transducer, via the pulse generator
(8) angeregt wird. Damit wird am Ausgang des Wandlers (3) die Autokorrelationsfunktion des Chirpsignals erzeugt.(8) is stimulated. Thus, the autocorrelation function of the chirp signal is generated at the output of the converter (3).
Wirkt nun die zu inessende Kraft über das Krafteinleitungsglied (5) auf das Substrat (1) ein, wird der Wandler (3) deformiert. Damit ändert sich die Amplitude des Korrelationspeaks in Abhängigkeit von der einwirkenden Meßgröße, was~in der Auswerteschaltung (7) als Verhältnis des Korrelationspeaks zu den Hebenzipfeln ausgewertet wird.If the force to be measured then acts on the substrate (1) via the force introduction member (5), the transducer (3) is deformed. This changes the amplitude of the correlation peak as a function of the measured variable acting, which is evaluated in the evaluation circuit (7) as a ratio of the correlation peak to the lifting lobes.
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