DE10133525A1 - Sensor mit Selbst-Test-Funktion - Google Patents

Sensor mit Selbst-Test-Funktion

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor und insbesondere einen Drucksensor mit einer Messbrücke (1), deren Diagonalspannung (U¶CD¶) zur Ermittlung der Messgröße abgegriffen wird. Zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der einzelnen Brückenelemente (R1-R4) wird vorgeschlagen, eine Schalteinrichtung (2) vorzusehen, mit der die Messbrücke (1) zwischen einem Messbetrieb und einem Testbetrieb umgeschaltet werden kann, wobei sich die relative Anordnung der Brückenelemente (R1-R4) zueinander ändert. Eine wesentliche Eigenschaft der Schaltung besteht darin, dass die Diagonalspannung der Messbrücke (1) im Testbetrieb insbesondere unabhängig von einer Veränderung der Messgröße ist.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Sensor, und insbesondere einen Drucksensor, mit einer Messbrücke, deren Diagonalspannung zur Ermittlung der Messgröße ausgewertet wird.
  • In modernen Systemen werden Sensoren immer häufiger und in immer größerer Anzahl eingesetzt, wobei insbesondere die Anzahl von sicherheitskritischen Applikationen ständig zunimmt. Derartige Sensoren müssen hohe Anforderungen an Ausfallsicherheit und Eigenüberwachung bzw. Selbstdiagnose erfüllen, um in sicherheitskritischen Anwendungen Fehlfunktionen schnell erkennen zu können.
  • Insbesondere im Automobilbereich sind eine Reihe sicherheitstechnischer Anwendungen gegeben, wie z. B. bei der Fahrdynamik-Regelung, der elektrohydraulischen Bremse, etc., bei denen ein schnelles Erkennen einer Sensor-Fehlfunktion unerläßlich ist. Bei den genannten Anwendungsbeispielen wird eine mechanische Größe - Druck (bzw. Kraft) - in eine elektrische Größe - Strom oder Spannung - umgeformt. Üblicherweise werden hierzu kapazitive oder resistive Sensoren verwendet.
  • Bei einem resistiven Drucksensor z. B. werden durch mechanische Verformung auf einer Membran angeordnete Widerstände verändert. Als Messelemente dienen üblicherweise Filmwiderstände (Dehnungs-Messstreifen), zunehmend auch polykristalline Halbleiter, mit denen ein größerer Messeffekt erzielt werden kann.
  • Die Messelemente sind in der Regel in einer Brückenschaltung (Wheatstone-Messbrücke) angeordnet, deren Diagonalspannung als Maß für die eigentliche Messgröße (Druck) dient.
  • Es ist bekannt, die Eigensicherheit solcher Sensoren dadurch zu verbessern, dass zum eigentlichen Signalpfad, der durch die Diagonalspannung der Vollbrücke gespeist wird, ein zweiter, paralleler Signalpfad errichtet wird, der nur von einem Ast der Wheatstone-Brücke gespeist wird. Die Wheatstone-Brücke ist dabei durch zwei Festwiderstände zu einer Halbbrücke ergänzt. Die Diagonalspannung der Halbbrücke weist jedoch nur die halbe Druckempfindlichkeit gegenüber der Vollbrücke auf.
  • Die Diagonalspannungen der Halb- und Vollbrücke gelangen auf zwei nahezu identische Signalpfade, die sich nur durch den Verstärkungsfaktor unterscheiden, da bei der Halbbrücke auf Grund der halben Empfindlichkeit eine doppelte Verstärkung vorgesehen werden muß. Beide Signalpfade werden in einem Abgleichprozeß bezüglich Empfindlichkeit und Offset sowohl gegenüber dem Druck als auch gegenüber der Temperatur abgeglichen, so dass im Idealfall am Ausgang des Sensors zwei identische Ausgangssignale zur Verfügung stehen.
  • Driftet eine der beiden Anordnungen in Folge von Veränderungen der Brücke oder der Elektronik (Alterung), so ergibt sich eine Differenz der beiden Ausgangssignale. Überschreitet die Differenz einen zulässigen Wert, wird durch eine Schaltung dafür gesorgt, dass das Ausgangssignal des Drucksensors einen unplausiblen Wert annimmt. Dieser kann von einer nachgeordneten Steuereinheit als Fehler erkannt werden.
  • Der wesentliche Nachteil eines Vergleiches von Signalen einer Vollbrücke mit denen einer Halbbrücke besteht hauptsächlich darin, dass das Halbrückensignal im Mittel eine doppelte Drift bei Alterung aufweist. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass die Überwachung ansprechen kann, obwohl durch die Vollbrücke Alterungsdriften gut kompensiert werden. Weiterhin ist es schwierig den Temperaturgang der Halbbrücke zu kompensieren, da sich durch die Einbeziehung von zwei Festwiderständen in Verbindung mit zwei Polysilizium- Widerständen Nichtlinearitäten ergeben, die den Überwachungsbereich einschränken.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor mit einer zuverlässigeren Selbstdiagnosefunktion zu schaffen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Der wesentliche erfinderische Gedanke besteht darin, den Sensor mit einer Schalteinrichtung auszustatten, mit der die Messbrücke zwischen einem Messbetrieb und einem Testbetrieb umgeschaltet werden kann. In beiden Betriebsarten sind dabei nur die Brückenelemente der Messbrücke an der Signalgewinnung beteiligt und es ändert sich nur die relative Anordnung der Brückenelemente zueinander. Dadurch wird ein unterschiedlicher Temperaturgang oder ein unterschiedliches Alterungsverhalten in den Betriebsarten Messen und Testen vermieden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schalteinrichtung derart gebildet, dass die im Messbetrieb in Serie geschalteten Brückenelemente, d. h. die Brückenelemente eines Astes der Messbrücke, im Testbetrieb parallel zueinander geschaltet sind.
  • Die Schalteinrichtung umfaßt vorzugsweise zwei Schalter, die mit den Mittenknoten der Brücke, d. h. den Knoten, an denen die Diagonalspannung abgegriffen wird, verbunden sind.
  • Ferner sind vorzugsweise zwei Konstantstromquellen vorgesehen, die mittels der Schalter zu- und abgeschaltet werden können. Die Stromquellen sind bei geschlossenen Schaltern jeweils zwischen einen der Mittenknoten und Masse geschaltet. Im Testbetrieb ist die Diagonalspannung der Messbrücke insbesondere unabhängig von einer Veränderung der Messgröße (Druck).
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Schalteinrichtung einen dritten Schalter, der den im Messbetrieb mit Masse verbundenen Knoten der Messbrücke im Testbetrieb auf Versorgungsspannung umschaltet.
  • Die Messbrücke ist vorzugsweise eine Wheatstone-Messbrücke und insbesondere eine Vollbrücke. In einem Ast der Messbrücke befinden sich vorzugsweise Sensorelemente, die auf eine Änderung der Messgröße gegensinnig reagieren. Beispielsweise sind Widerstände vorgesehen, die sich bei Druckeinwirkung vergrößern bzw. verkleinern.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt der Signalpfad für den Testbetrieb eine Offset- Korrekturschaltung, eine Empfindlichkeits-Korrekturschaltung sowie ein Abtast- und Halteglied. Der am Ausgang dieser Kalibrierkette ausgegebene Wert wird vorzugsweise auf Null eingestellt.
  • Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung umfaßt ferner einen vierten Schalter, der im wesentlichen symmetrisch zum dritten Schalter angeordnet ist.
  • Das Umschalten zwischen der Betriebsart Messen und Testen erfolgt vorzugsweise in einem bestimmten Tastverhältnis.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Sensors in der Betriebsart "Messen"; und
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung des Sensors von Fig. 1 in der Betriebsart "Testen".
  • In der Prinzipschaltung von Fig. 1 ist beispielhaft ein Drucksensor dargestellt, der eine Druck-Messbrücke 1 aus insgesamt vier Widerständen R1-R4 umfasst. Die Widerstände, die sich bei Druckeinwirkung vergrößern, sind mit (+) gekennzeichnet, diejenigen, die sich bei Druckeinwirkung verkleinern, mit (-).
  • In der dargestellten Betriebsart "Messen" befinden sich die vier Schalter S1-S4 der Schalteinrichtung 2 in der Schaltposition "1". Die Schalter S1, S2 sind jeweils mit einem Mittenknoten C, D der Messbrücke verbunden, an denen die Brückendiagonalspannung abgegriffen wird.
  • Die Schalter S3, S4 sind an den Knoten D bzw. A der Messbrücke 1 angeschlossen. Der Knoten A der Brücke 1 liegt dabei auf Versorgungsspannung Ubatt, während der Knoten B auf Masse liegt. Die Brückendiagonalspannung UCD hat in Folge von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Polysiliziumwiderstände einen Offset-Spannungswert, der temperaturabhängig ist. Ebenso ist auch die Empfindlichkeit der Brückenanordnung temperaturabhängig. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, die Brückenschaltung bezüglich Offset und Empfindlichkeit in Abhängigkeit von Druck und Temperatur zu kalibrieren. Zu diesem Zweck sind ein Komparator 5, ein Offset-Korrekturschaltkreis 6, ein Empfindlichkeits- Korrekturschaltkreis 7 und ein Abtast- und Halteglied 8 vorgesehen. Der in der Messphase bei Schalterstellung "1" ermittelte Druckwert wird in der S&H-Schaltung 8 zwischengespeichert und steht für eine Abfrage durch ein nachgeschaltetes Steuergerät (nicht gezeigt) zur Verfügung.
  • Verändern sich ein oder mehrere Brückenwiderstände R1-R4 durch Drift (z. B. das Ablösen von der Membran oder dgl.), entsteht eine Diagonalspannung UCD, die durch die Kalibrierschaltung 6, 7, 8 als Ausgangsspannung ausgegeben wird. Dabei ist oftmals nicht erkennbar, ob diese Spannung eine Folge einer Druckänderung oder eines Defektes ist. Zur Feststellung eines Defektes wird die Messbrücke 1 mittels der Schalteinrichtung 2 in die Betriebsart "Testen" umgeschaltet.
  • Wie in Fig. 2 dargestellt ist, befinden sich die Schalter S1-S4 in der Betriebsart "Testen" in der Schaltposition "2". Dabei liegt an den Knoten A und B der Brücke 1 das identische Potential, nämlich die Versorgungsspannung Ubatt. Der Schalter S4 liegt in beiden Schaltpositionen auf Versorgungsspannung und ist nur aus Symmetriegründen vorgesehen, um insbesondere einen nicht symmetrischen Abfall der Betriebsspannung beim Umschalten der Schalteinrichtung 2 zu vermeiden.
  • Mit den Schaltern S1, S2 werden an den Mittenknoten C und D die Konstantstromquellen 3, 4 zugeschaltet, die zwei identische Ströme I1, I2 nach Masse abziehen. Das Verhältnis I1/I2 der Konstantstromquellen 3, 4 sollte sich dabei über Temperatur und Lebensdauer nicht ändern, da dieses Verhältnis direkt in die Empfindlichkeit der Anordnung eingeht. In der dargestellten Schaltstellung errechnet sich die Diagonalspannung UCD wie folgt:


  • Für I1 = I2 = I gilt:


  • Liegen an den Knoten A und B infolge des Schaltens der Batteriespannung unterschiedliche Potentiale und bezeichnet man deren Differenzen ΔUB, ergibt sich für die Brückenspannung ΔUCD:


  • Wie zu erkennen ist, wirken sich Potentialunterschiede in dieser Betriebsart nur gering aus.
  • Die wichtigste Eigenschaft dieser Schaltung besteht darin, dass sich bei Einwirkung eines Druckes und der daraus resultierenden symmetrischen Änderung der Brückenwiderstände die Diagonalspannung UCD nicht ändert, sondern ständig 0 V bleibt. Voraussetzung hierfür ist, dass sich alle Widerstände R1-R4 in idealer Weise symmetrisch ändern. Da dies aber in der Praxis nie der Fall ist, muß auch in der Betriebsart "Testen" das Signal bezüglich Offset und Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Temperatur kalibriert werden. Im Unterschied zur Betriebsart "Messen" wird der Wert am Ausgang der Kalibrierschaltung (Schaltkreise 9-12) auf 0 V gestellt wird.
  • Die Kalibrierschaltung für die Betriebsart "Testen" umfaßt einen Komparator 9, eine Offset-Korrekturschaltung 10, eine Empfindlichkeits-Korrekturschaltung 11 sowie ein Abtast- und Halteglied 12.
  • Zum abwechselnden Messen und Testen wird die Messbrücke 1 kontinuierlich zwischen den beiden Betriebsarten umgeschaltet. Hierzu ist ein Taktgeber 13 vorgesehen, der die Schalter S1-S4 der Schalteinrichtung 2 ansteuert.
  • Bedingt durch das alternierende Umschalten der Messbrücke 1 steht am Ausgang des Drucksensors das Drucksignal nicht kontinuierlich, sondern nur zeitweise zur Verfügung. Es bleibt dem konkreten Anwendungsfall vorbehalten, ein geeignetes Tastverhältnis zwischen den Betriebsarten "Messen" und "Testen" und eine dazugehörige geeignete Umschaltfrequenz festzulegen.
  • Ein gültiger Druckmesswert liegt insbesondere dann vor, wenn in der nachfolgenden Testphase der Sensorausgang Null anzeigt. Bezugszeichenliste 1 Messbrücke
    2 Schalteinrichtung
    3, 4 Stromquellen
    5 Komparator
    6 Offset-Korrekturschaltung
    7 Empfindlichkeits-Korrekturschaltung
    8 Abtast- und Halteglied
    9 Komparator
    10 Offset-Korrekturschaltung
    11 Empfindlichkeits-Korrekturschaltung
    12 Abtast- und Halteglied
    13 Taktgeber
    S1-S4 Schalter
    R1-R4 Widerstände
    I1, I2 Ströme
    A-D Knoten
    Ubatt Versorgungsspannung

Claims (13)

1. Sensor, insbesondere zum Messen von Druck, mit einer Messbrücke (1), deren Diagonalspannung zur Ermittlung der Messgröße ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schalteinrichtung (2) vorgesehen ist, mit der die Messbrücke (1) zwischen einem Messbetrieb und einem Testbetrieb umgeschaltet werden kann, wobei sich die schaltungstechnische Anordnung der Brückenelemente (R1-R4) zueinander ändert.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (2) derart angeordnet ist, dass die im Messbetrieb in Serie geschalteten Brückenelemente (R1, R2; R3, R4) im Testbetrieb parallel zueinander geschaltet sind.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (2) zwei Schalter (S1, S2) umfasst, die mit den Mittenknoten (C, D) der Messbrücke (1) verbunden sind, an denen die Diagonalspannung abgegriffen wird.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Konstantstromquellen (3, 4) vorgesehen sind, die mittels der beiden Schalter (S1, S2) zu- und abgeschaltet werden können.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellen (3, 4) zwischen die Mittenknoten (C, D) und Masse geschaltet sind.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (2) derart angeordnet ist, dass die Diagonalspannung der Messbrücke (1) im Testbetrieb von einer Veränderung der Messgröße unabhängig ist.
7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (2) einen dritten Schalter (S3) aufweist, der den im Messbetrieb mit Masse verbundenen Knoten (B) der Messbrücke (1) im Testbetrieb auf Versorgungsspannung (Ubatt) umschaltet.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten zwischen der Betriebsart Messen und der Betriebsart Testen in einem bestimmten Tastverhältnis erfolgt.
9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messbrücke (1) eine Wheatstone- Brücke ist.
10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messbrücke (1) eine Vollbrücke ist.
11. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantstromquellen (3, 4) gleich groß sind.
12. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor für den Testbetrieb eine Offset-Korrekturschaltung (10), eine Empfindlichkeits- Korrekturschaltung (11) und eine Abtast- und Halte- Schaltung (12) aufweist.
13. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (2) einen vierten Schalter (S4) aufweist, der aus Symmetriegründen vorgesehen ist.
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