DE102009009238B4 - Piezoelectric sensor - Google Patents
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Abstract
Piezoelektrischer Sensor mit zumindest einem physikalische Zustandsgrößen erfassenden Sensorelement, dem wenigstens eine Adaptiereinrichtung mit zumindest einem Steckverbinder zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) ein Folien- oder Kabelsensor ist, und dass die Adaptiereinrichtung (3) einen zum Sensorelement (2) parallel geschalteten Kondensator oder ein werteres Sensorelement zur Erhöhung der Messempfindlichkeit des Sensorelements im niederfrequenten Messbereich aufweist.Piezoelectric sensor with at least one physical state variables detecting sensor element, the at least one adapter is associated with at least one connector for forming an electrically conductive connection, characterized in that the sensor element (2) is a film or cable sensor, and that the adapter device (3) a sensor connected to the sensor element (2) in parallel capacitor or a werteres sensor element for increasing the measuring sensitivity of the sensor element in the low-frequency measuring range.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Sensor, insbesondere einen Folien- oder Kabelsensor, mit zumindest einem physikalische Zustandsgrößen erfassenden Sensorelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The invention relates to a piezoelectric sensor, in particular a film or cable sensor, with at least one physical state variables detecting sensor element having the features of the preamble of claim 1.
Bekannte piezoelektrische Sensoren, wie zum Beispiel Foliensensoren oder Kabelsensoren, sind universell einsetzbare Messwertaufnehmer und werden unter anderem zur Erfassung unterschiedlicher Zustandsgrößen, wie beispielsweise Druck, Beschleunigung, Spannung oder Kraft, verwendet. In zunehmenden Maße erfolgt in nahezu allen Bereichen der Technik unter anderem zur Zustandsermittlung und bei der Überwachung von Arbeitsprozessen mit Hilfe derartiger Sensoren eine Erfassung relevanter Messgrößen, um insbesondere Rückschlüsse hinsichtlich einer erreichten Produktqualität oder der Prozesssicherheit ziehen zu können. Die aufgenommenen Messdaten lassen sich dann im Bedarfsfall mittels entsprechender Auswerte- und Anzeigeeinheiten, insbesondere über die Zeit und die Frequenz, darstellen.Known piezoelectric sensors, such as, for example, film sensors or cable sensors, are universally usable transducers and are used inter alia for detecting different state variables, such as, for example, pressure, acceleration, stress or force. Increasingly, almost all areas of technology, including state determination and the monitoring of work processes with the aid of such sensors, capture relevant measured variables in order to be able to draw particular conclusions regarding product quality achieved or process reliability. If required, the recorded measurement data can then be displayed by means of appropriate evaluation and display units, in particular over time and frequency.
Die zum Einsatz kommenden piezoelektrischen Sensoren können insbesondere ein kabel- bzw. folienartiges Sensorelement aufweisen, an dem, aufgrund einer daran bewirkten elastischen Verformung, eine Änderung des Potenzials an zum Beispiel entgegengesetzten Oberflächen des Sensorelementes entsteht und somit eine elektrische Spannung erzeugt wird. Um das Spannungssignal abgreifen zu können, sind an den unterschiedliche Polaritäten aufweisenden Polen jeweils Kontakte der Leitungen angeschlossen. Deren freie Leitungsenden sind dann mit der entsprechenden Messtechnik zu verbinden, was häufig eine relativ aufwendige Verdrahtung zur Folge hat.The piezoelectric sensors used can in particular have a cable-like or film-like sensor element on which, due to an elastic deformation caused thereby, a change in the potential of, for example, opposite surfaces of the sensor element is produced and thus an electrical voltage is generated. In order to be able to pick up the voltage signal, contacts of the lines are connected to the poles having different polarities. Their free line ends are then to be connected to the appropriate measurement technology, which often results in a relatively complicated wiring.
Ein gattungsgemäßer piezoelektrischer Sensor ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Sensor der vorbezeichneten Gattung dahingehend zu verbessern, dass dieser sich stets relativ einfach an die die Messsignale verarbeitende Messtechnik anschließen lässt.The invention has for its object to improve a piezoelectric sensor of the aforementioned genus in such a way that it is always relatively easy to connect to the measurement signals processing measuring technology.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen piezoelektrischen Sensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.The object is achieved by a piezoelectric sensor having the features of claim 1. Advantageous developments and refinements of the invention are set forth in
Bei einem piezoelektrischen Sensor, insbesondere einem Folien- oder Kabelsensor, mit zumindest einem physikalische Zustandsgrößen erfassenden Sensorelement, dem wenigstens eine Adaptiereinrichtung mit zumindest einem Steckverbinder zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung zugeordnet ist, ist nach der Erfindung vorgesehen, dass das Sensorelement ein Folien- oder Kabelsensor ist und dass die Adaptiereinrichtung einen zum Sensorelement parallel geschalteten Kondensator oder ein weiteres Sensorelement zur Erhöhung der Messempfindlichkeit des Sensorelements im niederfrequenten Messbereich aufweist. Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Adaptiereinrichtung, die wenigstens einen Steckverbinder mit einer genormten bzw. vorteilhaft gängigen Verbinderbauform umfasst, lässt sich mit Vorteil eine stets relativ einfach herzustellende, elektrische Verbindung für bevorzugt eine Signalübertragung zu einer das aufgenommene, insbesondere elektrische Messsignal des Sensorelementes verarbeitenden Komponente einer angeschlossenen Messkette gewährleisten. Ein jeweils zeitaufwendiges Verdrahten beim Einsatz eines erfindungsgemäßen, piezoelektrischen Sensors ist somit auf vorteilhafte Weise vermieden, wodurch sowohl das Einrichten als auch die Demontage einer Messkette sowie der Austausch eines gegebenenfalls defekten Sensors vereinfacht und somit in relativ kurzer Zeit erfolgen kann. Die Adaptiereinrichtung mit dem daran angeordneten Steckverbinder, für zum Beispiel eine signalübertragende Verbindung zu insbesondere einem Analog-Digital-Wandler oder einem Messverstärker, kann dabei unmittelbar am Sensorelement angeordnet sein, so dass eine direkte Kopplung der Sensorpole mit der Adaptiereinrichtung gegeben ist. Ebenso besteht für eine Signalübertragung zwischen dem Sensorelement und der unter Umständen beabstandet angeordneten Adaptiereinrichtung die Möglichkeit, Leitungen, Kabel oder gedruckte Leiterbahnen einzusetzen, wobei ein Ende dann vorzugsweise fest mit dem Sensorelement und das andere Ende über einen Steckverbinder mit der Adaptiereinrichtung verbunden sein kann. An der Adaptiereinrichtung können selbstverständlich mehrere Steckverbinder vorhanden sein, wobei zum Beispiel wenigstens ein Steckverbinder für die Signalübertragung und mindestens ein weiterer Steckverbinder für eine Stromversorgung von weiteren in der Adaptiereinrichtung integrierten Bauteilen dienen können.In a piezoelectric sensor, in particular a film or cable sensor, with at least one physical state variables detected sensor element, the at least one adapter is associated with at least one connector for forming an electrically conductive connection is provided according to the invention that the sensor element is a film or Cable sensor is and that the adapter has a parallel to the sensor element connected capacitor or another sensor element to increase the sensitivity of the sensor element in the low-frequency measuring range. With the aid of an adapter according to the invention, which comprises at least one connector with a standardized or advantageously common connector design, an always relatively easy to manufacture electrical connection for preferably a signal transmission to a recorded, in particular electrical measurement signal of the sensor element processing component of a connected Ensure measuring chain. A time-consuming wiring when using a piezoelectric sensor according to the invention is thus advantageously avoided, whereby both the setup and the dismantling of a measuring chain and the replacement of an optionally defective sensor can be simplified and thus done in a relatively short time. The adapter device with the connector arranged thereon, for example a signal-transmitting connection to, in particular, an analog-to-digital converter or a measuring amplifier, can be arranged directly on the sensor element, so that a direct coupling of the sensor poles to the adapter device is provided. Likewise, for a signal transmission between the sensor element and possibly arranged spaced adapter means the ability to use cables, cables or printed conductors, one end then preferably fixed to the sensor element and the other end can be connected via a connector with the adapter. Of course, a plurality of connectors may be present on the adapter, wherein, for example, at least one connector for the signal transmission and at least one further connector for a power supply of other components integrated in the adapter can serve.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Steckverbinder ein koaxialer Steckverbinder ist. Die zur lösbaren Verbindung von koaxialen Kabeln eingesetzten Steckverbinder haben den Vorteil einer extrem geringen elektromagnetischen Beeinflussung bzw. einer relativ guten elektrischen Abschirmung. Ein in diesem Zusammenhang bevorzugt eingesetzter BNC-Steckverbinder ermöglicht die Übertragung von hochfrequenten Signalen bis zu ungefähr vier Gigahertz. Zudem ist dieser mit einem Bajonett-Verschluss ausgerüstet, der eine unbeabsichtigte Unterbrechung bei der Signalübertragung im Bereich der Steckverbindung mit Vorteil verhindert. Der an der Adaptiereinrichtung ausgebildete koaxiale Steckverbinder kann beispielsweise als Stecker oder als Buchse ausgestaltet sein. Darüber hinaus können weitere Steckverbinder zum Einsatz kommen, welche beispielsweise in Verbindung mit den bekannten, verdrillten 2-Draht-Kabeln verwendet werden.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the connector is a coaxial connector. The connectors used for the detachable connection of coaxial cables have the advantage of extremely low electromagnetic interference or a relatively good electrical shielding. A preferred BNC connector used in this context allows the transmission of high-frequency signals up to about four gigahertz. In addition, this is equipped with a bayonet closure, which prevents an accidental interruption in the signal transmission in the region of the connector with advantage. The formed on the adapter coaxial connector can be configured for example as a plug or as a socket. In addition, other connectors can be used, which are used for example in conjunction with the known, twisted 2-wire cables.
Die Adaptiereinrichtung weist erfindungsgemäß weiterhin ein Mittel zur Erhöhung der Messempfindlichkeit des Sensorelementes auf. Dadurch wird seine Lower Limiting Freqency in Richtung des Nullpunktes, also in einen niederfrequenteren Bereich, verschoben, so dass die Empfindlichkeit des Sensorelementes im niederfrequenten Messbereich auf vorteilhafte Weise verbessert wird. Der erfindungsgemäße piezoelektrische Sensor weist somit über einen vergrößerten Messbereich eine vorteilhafte Linearität auf.The adapter according to the invention further comprises a means for increasing the measurement sensitivity of the sensor element. As a result, its lower limiting frequency is shifted in the direction of the zero point, that is to say into a lower-frequency range, so that the sensitivity of the sensor element in the low-frequency measuring range is advantageously improved. The piezoelectric sensor according to the invention thus has an advantageous linearity over an enlarged measuring range.
Das Mittel zur Erhöhung der Messempfindlichkeit ist erfindungsgemäß wenigstens ein zum Sensorelement parallel geschalteter Kondensator, mittels dem sich dessen Messempfindlichkeit konstruktiv auf relativ einfache Weise verbessern lässt. Je nach benötigter Messempfindlichkeit des Sensorelementes werden mehrere jeweils parallel geschaltete Kondensatoren eingesetzt, wobei die Möglichkeit bestehen kann, diese je nach Bedarf einzeln hinzu zu schalten bzw. abzuschalten. Es ist ebenfalls denkbar, zu dem bereits vorhandenen Sensorelement, anstelle eines Kondensators, ein weiteres Sensorelement parallel zu schalten, das ähnlich wie ein Kondensator eine Kapazitätserhöhung und damit verbunden eine vorteilhaft veränderte Messempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Sensors bewirkt. Darüber lässt sich ebenfalls eine vorteilhafte Selbstüberwachung der Sensorelemente gewährleisten.According to the invention, the means for increasing the measuring sensitivity is at least one capacitor connected in parallel with the sensor element, by means of which the measuring sensitivity thereof can be improved structurally in a relatively simple manner. Depending on the required measuring sensitivity of the sensor element, several capacitors connected in parallel are used, it being possible for them to be individually switched on or off as required. It is also conceivable to connect in parallel to the already existing sensor element, instead of a capacitor, a further sensor element which, similar to a capacitor, causes a capacitance increase and, associated therewith, advantageously changes the measuring sensitivity of the sensor according to the invention. In addition, an advantageous self-monitoring of the sensor elements can also be ensured.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Adaptiereinrichtung mindestens einen Frequenzfilter umfasst, mit Hilfe dem sich auf vorteilhafte Weise bestimmte, beispielsweise als Schwingungssignal vorliegende Messsignale in zum Beispiel einem vorgegebenen Frequenzbereich oder aber Messsignale unterhalb bzw. oberhalb bestimmter Frequenzen abgeschwächt bzw. vollständig unterdrückt werden. Somit lassen sich vorrangig nur die zu verarbeitenden Frequenzen herausstellen und diese können dann insbesondere an einen Verstärker oder Signalwandler der Messkette weitergeleitet werden.In addition, it is provided that the adapter device comprises at least one frequency filter, with the help of the advantageously determined, for example, as a vibration signal measurement signals in, for example, a predetermined frequency range or measuring signals below or above certain frequencies attenuated or completely suppressed. Thus, primarily only the frequencies to be processed can be identified and these can then be forwarded in particular to an amplifier or signal converter of the measuring chain.
Der zum Einsatz kommende Frequenzfilter ist bevorzugt ein Tiefpass, welcher Signalteile mit Frequenzen unterhalb seiner Grenzfrequenz unverändert passieren lässt. Sämtliche oberhalb der Grenzfrequenz liegenden Signalteile, wie zum Beispiel durch Einstrahlung in die Messkette gelangte, hochfrequente elektromagnetische Signale, werden vom Tiefpass insbesondere vollständig ausgelöscht. Ein entsprechend bereinigtes Messsignal wird dann über den bevorzugt eingesetzten, koaxialen Steckverbinder und das daran angeschlossene Koaxialkabel nahezu ohne eine nachteilige Beeinflussung durchgeleitet und zum Beispiel im nachgelagerten Anlalog-Digital-Converter ohne störende Aliasing Effekte umgesetzt.The frequency filter used is preferably a low-pass filter which allows signal portions with frequencies below its cut-off frequency to pass unchanged. All lying above the cutoff frequency signal parts, such as by irradiation in the measuring chain reached high-frequency electromagnetic signals, in particular, completely extinguished by the low-pass. A suitably adjusted measurement signal is then passed through the preferred coaxial connector and the coaxial cable connected thereto almost without adverse effect and implemented, for example, in the downstream Anlalog-Digital Converter without disturbing aliasing effects.
Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, die Adaptiereinrichtung mit einem Messverstärker auszurüsten, der eine vorteilhafte Verstärkung des durch das Sensorelement aufgenommenen Messsignals vornimmt. Der Einsatz eines Messverstärkers in der Adaptiereinrichtung hat den Vorteil, dass sich das aufgenommene Messsignal unmittelbar nach seiner Erfassung durch das Sensorelement fast unverfälscht verstärken lässt. Die Stromversorgung des Messverstärkers in der Adaptiereinrichtung kann insbesondere über einen an der Adaptiereinrichtung vorgesehenen Versorgungsanschluss, in Form eines an der Peripherie der Adaptiereinrichtung ausgebildeten Steckverbinders, vorgenommen werden.It is also within the scope of the invention to equip the adapter device with a measuring amplifier, which carries out an advantageous amplification of the measuring signal received by the sensor element. The use of a measuring amplifier in the adapter has the advantage that the recorded measurement signal can be amplified almost unaltered immediately after its detection by the sensor element. The power supply of the measuring amplifier in the adapter device can be carried out in particular via a supply connection provided on the adapter device, in the form of a connector formed on the periphery of the adapter device.
Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Adaptiereinrichtung eine Signalsende- und/oder Empfangseinheit aufweist, mittels der die erfassten Messsignale, anstelle über ein an der Adaptiereinrichtung angeschlossenes Messkabel, mit Vorteil kabellos übertragen werden. Insbesondere bei einer Vielzahl von eingesetzten piezoelektrischen Sensoren lässt sich die Messung durch die Verwendung einer Signalsende- und/oder Empfangseinheit in einer am Sensor integrierten Adaptiereinrichtung auf vorteilhafte Weise vereinfachen. Das Vorhalten von entsprechenden Messkabeln zur Ausbildung eines Messsystems in ausreichender Anzahl und Länge ist somit nicht mehr notwendig, wodurch gegebenenfalls die Kosten eines dauerhaft an einem Messobjekt anzuordnenden Messsystems vorteilhaft minimiert sind. Auch in diesem Fall kann die Stromversorgung der Signalsende- und/oder Empfangseinheit über den an der Adaptiereinrichtung mittels Steckverbinder ausgebildeten Versorgungsanschluss erfolgen. Darüber hinaus kann vor der Signalübertragung ebenfalls eine Signalvorauswertung mittels bestimmter Triggermechanismen durchgeführt werden.According to another embodiment of the invention, it is provided that the adapter device has a signal transmitting and / or receiving unit, by means of which the detected measuring signals are advantageously transmitted wirelessly, instead of via a measuring cable connected to the adapting device. Particularly in the case of a large number of piezoelectric sensors used, the measurement can be simplified in an advantageous manner by the use of a signal transmitting and / or receiving unit in an adapting device integrated on the sensor. The provision of corresponding measuring cables for the formation of a measuring system in sufficient number and length is thus no longer necessary, whereby, if appropriate, the costs of a measuring system permanently to be arranged on a measuring system are advantageously minimized. In this case, too, the power supply of the signal transmitting and / or receiving unit can take place via the supply connection formed on the adapter device by means of plug connectors. In addition, signal pre-evaluation can also be carried out by means of specific triggering mechanisms before signal transmission.
Ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt.A possible embodiment of the invention, from which further inventive features arise, is shown in the drawing.
Die einzige Figur zeigt einen erfindungsgemäßen, piezoelektrischen Sensor mit einem als Piezofolie ausgebildeten Sensorelement.The single FIGURE shows a piezoelectric sensor according to the invention with a piezoelectric film designed as a sensor element.
Mit
Sind das Sensorelement und die Adaptiereinrichtung, entgegen der in diesem Ausführungsbeispiel aufgezeigten, direkten Anordnung der Adaptiereinrichtung am Sensorelement, im Abstand zueinander angeordnet, können ebenfalls Leiter, wie z. B. relativ kurze Kabel oder Leiterbahnen, für eine Signalübertragung vom Sensorelement zur Adaptiereinrichtung verwendet werden.Are the sensor element and the adapter, contrary to the shown in this embodiment, direct arrangement of the adapter on the sensor element, arranged at a distance to each other, also ladder, such. As relatively short cables or tracks, are used for signal transmission from the sensor element to the adapter.
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