DE10216460B4

DE10216460B4 - Selbstüberwachender piezoelektrischer Sensor

Info

Publication number: DE10216460B4
Application number: DE2002116460
Authority: DE
Inventors: Peter Apel
Original assignee: OPS AUTOMATION AG
Current assignee: BUNGARTZ, KLAUS, 51503 ROESRATH, DE
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2022-04-13
Also published as: DE10216460A1

Abstract

Piezoelektrischer Sensor, der in Folienstärke ausgebildet ist und einen Grundträger (2), der aus einem elastischen und Schwingungen nur wenig dämpfenden Material hergestellt ist und einen ersten Messwertaufnehmer aufweist, der auf dem Grundträger (2) angeordnet ist und ein erstes Kontaktschichtenpaar, das von einer ersten Kontaktschicht (5) und einer zweiten Kontaktschicht (6) gebildet ist, und eine zwischen der der ersten Kontaktschicht (5) und der zweiten Kontaktschicht (6) angeordnete erste piezoelektrische Schicht (1) mit einer Dicke von weniger als 1 mm aufweist, wobei der erste Messwertaufnehmer mit einer isolierenden Zwischendeckschicht (3) abgedeckt ist und eine Auswerteelektronik (4) vorgesehen ist, die eine mechanische Belastung der ersten piezoelektrischen Schicht (1) durch Auswertung der Differenz des elektrischen Potentials zwischen der ersten Kontaktschicht (5) und der zweiten Kontaktschicht (6) zu bestimmen vermag, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Bildung einer Selbstüberwachungsfunktion einen zweiten Messwertaufnehmer aufweist, der ein mit der Auswerteelektronik (4) elektrisch verbundenes zweites Kontaktschichtenpaar, das von einer...

Description

Die Erfindung betrifft einen in Folienstärke ausgebildeten, selbstüberwachenden piezoelektrischen Sensor, der einen Grundträger, der aus einem elastischen und Schwingungen nur wenig dämpfenden Material hergestellt ist und einen ersten Messwertaufnehmer aufweist, der auf dem Grundträger angeordnet ist und ein erstes Kontaktschichtenpaar, das von einer ersten Kontaktschicht und einer zweiten Kontaktschicht gebildet ist, und eine zwischen der der ersten Kontaktschicht und der zweiten Kontaktschicht angeordnete ersten piezoelektrische Schicht mit einer Dicke von weniger als 1 mm aufweist, wobei der erste Messwerfaufnehmer mit einer isolierenden Zwischendeckschicht abgedeckt ist und eine Auswerteelektronik vorgesehen ist, die eine mechanische Belastung der ersten piezoelektrischen Schicht durch Auswertung der Differenz des elektrischen Potentials zwischen der ersten Kontaktschicht und der zweiten Kontaktschicht zu bestimmen vermag.

Ein derartiger Sensor ist aus der deutschen Patentschrift 100 31 793 bekannt. Der dort beschriebene Sensor ist ebenfalls in Folienstärke aufgebaut und verwendet den piezoelektrischen Effekt zur Messung von Schwingungen und Vibrationen. Die piezoelektrische Schicht ist zu beiden Seiten mit einer elektrischen Kontaktschicht versehen, über die die Potentialdifferenz infolge der mechanischen Belastung der piezoelektrischen Schicht abgreifbar ist. Diese Potentialdifferenz wird einer Auswerteelektronik zur Verfügung gestellt, die anhand des zeitlichen Verlaufs des elektrischen Potentials über verschiedene Auswertemethoden einen Normalzustand einer Schwingung von einem unerwarteten Ereignis zu differenzieren vermag und in Abhängigkeit dieser Auswertung ein Ausgangssignal zur Verfügung stellt.

Bekannte Sensoren werden insbesondere zur Schwingungsmessung in elektrischen Maschinen und Geräten oder auch zur Detektion von Unfällen im Kraftfahrzeugbau eingesetzt. Aufgrund der geringen Bauhöhe und der günstigen Herstellungskosten lassen sie sich vielfältig einsetzen, haben jedoch insbesondere im Automobilbau den Nachteil, dass sie während des Normalzustandes kein Messsignal liefern müssen. Ist beispielsweise ein solcher Sensor an der Innenseite eines Blechteils angeordnet, wird ohne Verformung der Sensor kaum ein Signal liefern, sofern die Auswerteelektronik nicht so empfindlich eingestellt wird, dass die normalen Fahrvibrati onen bereits zur Erzeugung eines Signals ausreichen. Letzteres hat jedoch den Nachteil, dass der Sensor störungsanfällig wäre, da hier nur über eine sehr aufwendige Analyse der Ist-Zustand von einem unerwarteten Ereignis differenziert werden kann.

Aus der deutschen Patentschrift 100 07 422 ist ein System zum Überprüfen einer Sensoreinrichtung bekannt, bei dem die Sensoreinrichtung mit einem Prüfsignal beaufschlagt wird und ein durch das Prüfsignal ausgelöstes Ausgangssignal der Sensoreinrichtung mit einem Sollausgangssignal verglichen wird. In Abhängigkeit der Kennlinien der verwendeten Sensoren wird bei einem rechteckförmigen Prüfausgangssignal ein bestimmtes Solleingangssignal erwartet, wobei auftretende Differenzen bei diesem Soll-Ist-Vergleich auf eine fehlerhafte Funktion der Sensoren schließen lassen.

Obwohl ein solches Verfahren geeignet ist, Sensoren zu überprüfen, erfordert es doch neben einer bestimmten Zeit für die Durchführung einer Prüfroutine eine aufwändige Elektronik, die den Soll-Ist-Vergleich durchführt. Ferner ist sie nicht in der Lage, eine Redundanz des Systems zu gewährleisten. Schließlich muss entweder ein systemimmanentes Signal vorliegen oder es muss ein solches Kontrollsignal extern aufgebracht werden, um dieses Kontrollverfahren durchführen zu können.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 37 05 900 wiederum ist ein Verfahren zur Selbstüberwachung von Messwertaufnehmern bekannt, bei dem ebenfalls ein Soll-Ist-Vergleich zwischen einem Kalibrierwert und einem zugehörigen Messsignal ermittelt wird. Auch dieses Verfahren benötigt eine aufwändige Auswertelogik und kann keine Redundanz der Messwertaufnehmer zur Verfügung stellen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sensor zu schaffen, der bei geringer Bauhöhe und preiswerter Herstellbarkeit eine Selbstüberwachungsfunktion aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Sensor einen zweiten Messwertaufnehmer aufweist, der ein mit der Auswerteelektronik elektrisch verbundenes zweites Kontaktschichtenpaar, das von einer dritten Kontaktschicht und einer vierten Kontaktschicht gebildet ist, und eine zwischen der der dritten Kontaktschicht und der vierten Kontaktschicht angeordnete zweite piezoelektrische Schicht mit einer Dicke von weniger als 1 mm aufweist, wobei die Auswertelektronik an eines der Kontaktschichtenpaare ein Ist-Potential anzulegen und durch Vergleich des Ist-Potentials mit dem von dem anderen Kontaktschichtenpaar abzugreifenden Soll-Potential die Funktionsfähigkeit des Sensors zu bestimmen vermag.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensors mit einer doppelten Sensorik kann nun leicht eine Selbstüberwachung gewährleistet werden. Hierzu wird einfach über die Auswerteelektronik an eines der beiden Kontaktschichtenpaare ein elektrisches Potential von außen angelegt. Dieses elektrische Potential führt dazu, dass die piezoelektrische Schicht in zumindest eine Schwingung versetzt wird, bei einem bevorzugt zeitlich veränderlichen Signal kann auch eine andauernde Folge von Schwingungsausschlägen erzeugt werden. Da die beiden Messwertaufnehmer unmittelbar miteinander verbunden sind, wird die so induzierte Bewegung der zweiten bzw. der ersten piezoelektrischen Schicht auch die andere piezoelektrische Schicht mechanisch angeregt. Diese mechanische Anregung wiederum führt zur Bildung eines elektrischen Potentials an dem nicht mit dem Ist-Potential beaufschlagten Kontaktschichtenpaar, das wiederum von der Auswerteelektronik abgegriffen werden kann.

Beim funktionstüchtigen Sensor muss ein eindeutiges Soll-Potential von dem nicht angeregten Kontaktschichtenpaar abgegriffen werden können. Die Auswerteelektronik ist also in der Lage, durch Vergleich des angelegten Ist-Potentiales mit dem abgegriffenen Soll-Potential die Funktionstüchtigkeit des Sensors zu überprüfen.

Für die erfindungsgemäße Erweiterung des bekannten piezoelektrischen Sensors mit der Selbstüberwachungsfunktion durch einen weiteren Messwertaufnehmer ist es erforderlich, dass eine mechanische Bewegung des ersten Messwerfaufnehmers auf den zweiten Messwertaufnehmer bzw. eine Bewegung des zweiten Messwertaufnehmers auf den ersten Messwerfaufnehmer übertragen werden kann. Hierzu wird bevorzugt eine Sandwichbauweise gewählt, wobei der erste Messwertaufnehmer auf dem Grundträger angeordnet sein kann und auf diesem ersten Messwertaufnehmer, elektrisch isoliert durch eine Zwischendeckschicht, der zweite Messwertaufnehmer angeordnet sein kann.

Alternativ kann auch zu beiden Seiten des Grundträgers, der in diesem Fall ebenfalls aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein sollte, jeweils ein Messwertaufnehmer angeordnet werden. Das so in Sandwichbauweise aufgebaute Sensorpaket kann dann von einem folienartigen Gehäuse oder auch von einem festen Gehäuse umschlossen werden. Voraussetzung ist allerdings, dass das Gehäuse externe Schwingungen auf den Grundträger bzw. die Messwertaufnehmer zu übertragen vermag.

Die Auswertelektronik kann bei einer weiteren Ausgestaltung des Sensors einen Signalgenerator aufweisen, der ein zeitlich veränderliches Signal erzeugt, dass an eines der Kontaktschichtenpaare angelegt werden kann. Auf diese Weise wird ein zeitlich veränderliches Ist-Potential erzeugt, das zu einer Schwingung der piezoelektrischen Folie des jeweiligen Messwertaufnehmers führen wird. Bevorzugt kann das zeitlich veränderliche Signal etwa einen sinusförmigen Verlauf aufweisen, wobei auch alle anderen Signalverläufe möglich sind. Insbesondere bei einem Selbsttest während des Betriebes, bei dem ein kontinuierliches Signal erzeugt wird, etwa bei Überwachung der Schwingungen einer Pumpes, kann das Testsignal so gewählt werden, dass es sich signifikant von der Schwingung des Normalzustandes unterscheidet.

Die (zusätzliche) Schwingung des durch das Ist-Potential zu Kontrollzwecken angeregten Messwertaufnehmers wird nun zu einer korrespondieren Schwingung des anderen Messwerfaufnehmers führen, was wiederum ein Potential an dessen Kontaktschichtenpaar erzeugt, das dann mit dem Ist-Potential durch eine geeignete Logik verglichen werden kann. Wird eine Prüfung während des Betriebes durchgeführt, muss natürlich sichergestellt werden, dass das zusätzliche Signal nicht als Fehler der zu überwachenden Größe interpretiert wird. Hierzu kann der Sensor durch die Auswerteelektronik kurzzeitig deaktiviert werden, also in einen Trigger-Zustand versetzt werden, der von der übrigen Regelung während der Prüfphase ignoriert wird.

Die Prüfphase kann auch so ausgestaltet werden, das wechselseitig beide Messwertaufnehmer geprüft werden. Hierzu wird das Ist-Signal durch die Auswerteelektronik zumindest jeweils einmal in einer ersten Teilprüfung an das von der ersten Kontaktschicht und der zweiten Kontaktschicht gebildete Kontaktschichtenpaar des ersten Messwertaufnehmers und anschließend in einer zweiten Teilprüfung an das von der dritten Kontaktschicht und der vierten Kontaktschicht gebildete Kontaktschichtenpaar des zweiten Messwertaufnehmers angelegt und in jeder Teilprüfung einen Vergleich zwischen Ist-Potential und Soll-Potential durchgeführt.

Die Dicke der dritten Kontaktschicht und die Dicke der vierten Kontaktschicht jeweils sind, wie bereits die Dicken der Kontaktschichten der bekannten Sensoren, geringer als 70 μm, so dass sich ein sehr dünner Sensor ergibt, trotz der zweifachen Verwendung des Messwertaufnehmers. Die Auswerteelektronik kann zur Bildung einer Redundanz des Sensors einen Ergebnisspeicher für das Ergebnis der durch den Vergleich zwischen Ist-Potential und Soll-Potential durchgeführten Funktionsprüfung des Messwertaufnehmers aufweisen. So kann das zweifache Vorliegen ein und desselben Messwertaufnehmers genutzt werden, um trotz des Ausfalls eines Messwertaufnehmers eine Notfunktion aufrechtzuerhalten. Hierzu wird einfach bei festgestellter Teilfunktionsfähigkeit derjenige Messwertaufnehmer, der eigentlich zu Prüfzwecken vorgesehen war, als Hauptmesswertaufnehmer genutzt, also dort die Potentialdifferenz als Messgröße abgegriffen und der Sensor in einem Notbetrieb weiter genutzt werden.

An dem Steuerpult einer Maschine oder im Instrumentenblock eine Fahrzeugs kann während dieses Notbetriebes eine entsprechende Warnleuchte aktiviert sein, die einen Austausch des teildefekten Sensors anmahnt. Hierzu kann beispielsweise die Auswerteelektronik über eine Schnittstelle mit einem Bussystem einer Elektronik verbunden sein die Schnittstelle die Zustände „betriebsbereit mit zwei funktionstüchtigen Messwertaufnehmern", „betriebsbereit mit nur einem funktionstüchtigen Messwertaufnehmer" sowie „nicht betriebsbereit" als Ausgangssignale permanent oder periodisch zur Verfügung stellen. Die Maschinenregelung bzw. Bordelektronik kann dieses Signal dann auswerten und die geeigneten Maßnahmen ergreifen.

Die Prüfung des Sensors kann periodisch oder auf Anforderung einer übergeordneten Elektronik erfolgen. Hierzu kann die Auswerteelektronik einen Prüfsignaleingang aufweisen. Bei Anliegen eines Signals an diesen Prüfsignaleingang durch die übergeordnete Elektronik wird dann einen Test des Sensors durch Vergleich des Ist-Potentials mit dem Soll-Potential durchgeführt und entweder das Antwortsignal unmittelbar oder das ausgewertete Ergebnis an dem Ausgang der Auswerteelektronik zur Verfügung gestellt. Alternativ kann der Sensor auch in periodischen Abständen selbsttätig einen Test durchführen und bei Störung ein Signal ausgeben, dass etwa im Rechner der übergeordneten Elektronik einen Interrupt auszulösen vermag.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen.

In den Zeichnungen zeigt:
1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Sensors und
2 eine Draufsicht auf den in 1 dargestellten Sensor.
In 1 ist ein piezoelektrischer Sensor dargestellt, der in einem folienartigen Gehäuse 7 in Sandwichbauweise einen doppelten Messwertaufnehmer aufweist. Der erste Messwertaufnehmer wird von einer ersten piezoelektrischen Schicht 1 gebildet, die zu beiden Seiten mit einer ersten Kontaktschicht 5 und einer zweiten Kontaktschicht 6 belegt ist. Dieser Verbund ist auf einem Grundträger 2 angeordnet und wird von einer Zwischendeckschicht 3 abgedeckt.
Auf diesem ersten Messwertaufnehmer ist ein identischer zweiter Messwertaufnehmer angeordnet, der wiederum von einer zweiten piezoelektrischen Schicht 10 gebildet ist, die auf einer dritten Kontaktschicht 11 aufliegt. Diese dritte Kontaktschicht 11 wiederum liegt auf der Zwischendeckschicht 3 auf. Die zweite piezoelektrische Schicht 10 ist ihrerseits durch eine vierte Kontaktschicht 13 abgedeckt.
Bevorzugt werden die Kontaktschichten auf die jeweiligen Trägermaterialen aufgedampft oder im Siebdruckverfahren aufgedrückt. Sie sind alle mit einer Auswerteelektronik 4 verbunden, die ihrerseits mit einer übergeordneten, externen Elektronik über eine Schnittstelle 9 korrespondiert.
2 zeigt den in 1 in einer schematischen Seitenansicht dargestellten Sensor in einer Draufsicht im Schnitt, wobei hier zur Verbesserung der Sichtbarkeit das Gehäuse 7 im oberen Bereich nicht dargestellt ist. Die einzelnen Lagen der Messsensorik sind hiervon oben nach unten stärker geschnitten dargestellt, in der Praxis weisen sie bevorzugt gleiche Abmessungen auf. Alternativ kann der zusätzliche Messwertaufnehmer auch eine andere Dimension aufweisen, wichtig ist jedoch, dass er so mit der ersten piezoelektrischen Schicht 1 zusammenwirken kann, dass eine mechanische Schwingungsübertragung auch bei geringer Amplitude möglich ist.

1: Erste piezoelektrische Schicht
2: Grundträger
3: Zwischendeckschicht
4: Auswerteelektronik
5: Erste Kontaktschicht
6: Zweite Kontaktschicht
7: Gehäuse
8: Externe Auswerteelektronik
9: Schnittstelle
10: Zweite piezoelektrische Schicht
11: Dritte Kontaktschicht
12: Vierte Kontaktschicht
13: Deckschicht

Claims

Piezoelektrischer Sensor, der in Folienstärke ausgebildet ist und einen Grundträger (2), der aus einem elastischen und Schwingungen nur wenig dämpfenden Material hergestellt ist und einen ersten Messwertaufnehmer aufweist, der auf dem Grundträger (2) angeordnet ist und ein erstes Kontaktschichtenpaar, das von einer ersten Kontaktschicht (5) und einer zweiten Kontaktschicht (6) gebildet ist, und eine zwischen der der ersten Kontaktschicht (5) und der zweiten Kontaktschicht (6) angeordnete erste piezoelektrische Schicht (1) mit einer Dicke von weniger als 1 mm aufweist, wobei der erste Messwertaufnehmer mit einer isolierenden Zwischendeckschicht (3) abgedeckt ist und eine Auswerteelektronik (4) vorgesehen ist, die eine mechanische Belastung der ersten piezoelektrischen Schicht (1) durch Auswertung der Differenz des elektrischen Potentials zwischen der ersten Kontaktschicht (5) und der zweiten Kontaktschicht (6) zu bestimmen vermag, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Bildung einer Selbstüberwachungsfunktion einen zweiten Messwertaufnehmer aufweist, der ein mit der Auswerteelektronik (4) elektrisch verbundenes zweites Kontaktschichtenpaar, das von einer dritten Kontaktschicht (11) und einer vierten Kontaktschicht (12) gebildet ist, und eine zwischen der dritten Kontaktschicht (11) und der vierten Kontaktschicht (12) angeordnete zweite piezoelektrische Schicht (10) mit einer Dicke von weniger als 1 mm aufweist, wobei die Auswertelektronik (4) an eines der Kontaktschichtenpaare ein den Sensor anregendes Ist-Potential anzulegen und durch Vergleich des Ist-Potentials mit dem von dem anderen Kontaktschichtenpaar abzugreifenden Soll-Potential die Funktionsfähigkeit des Sensors zu bestimmen vermag.
Piezoelektrischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Messwertaufnehmer auf der Zwischendeckschicht (3) angeordnet ist.
Piezoelektrischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Messwertaufnehmer auf dem Grundträger (2) an der dem ersten Messwertaufnehmer abgewandten Seite angeordnet ist.
Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertelektronik (4) einen Signalgenerator aufweist, der ein zeitlich veränderliches Signal zum Anlegen eines zeitlich veränderlichen Ist-Potentials zu erzeugen vermag.
Piezoelektrischer Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitlich veränderliche Signal einen sinusförmigen Verlauf aufweist.
Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (4) das Ist-Signal zumindest jeweils einmal in einer ersten Teilprüfung an das von der ersten Kontaktschicht (5) und der zweiten Kontaktschicht (6) gebildete Kontaktschichtenpaar des ersten Messwertaufnehmers und anschließend in einer zweiten Teilprüfung an das von der dritten Kontaktschicht (11) und der vierten Kontaktschicht (12) gebildete Kontaktschichtenpaar des zweiten Messwertaufnehmers anzulegen und in jeder Teilprüfung einen Vergleich zwischen Ist-Potential und Soll-Potential durchzuführen vermag.
Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der dritten Kontaktschicht (11) und die Dicke der vierten Kontaktschicht (12) jeweils geringer als 70 um ist.
Piezoelektrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (4) zur Bildung einer Redundanz einen Ergebnisspeicher für das Ergebnis der durch den Vergleich zwischen Ist-Potential und Soll-Potential durchgeführten Funktionsprüfung des Messwertaufnehmers aufweist und die Auswerteelektronik (4) bei einer festgestellten Fehlfunktion eines der Messwertaufnehmer als weitere Messgröße des Sensors das Potential des anderen Messwertaufnehmers ausliest.
Piezoelektrischer Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (4) über eine Schnittstelle (9) mit einem Bussystem einer Elektronik verbindbar ist und die Schnittstelle (9) die Zustände „betriebsbereit mit zwei funktionstüchtigen Messwertaufnehmern", „betriebsbereit mit nur einem funktionstüchtigen Messwertaufnehmer" sowie „nicht betriebsbereit" als Ausgangssignale permanent oder periodisch zur Verfügung zu stellen vermag.