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Die Erfindung betrifft einen mechanisch
elektrischen Wandler mit einer Messbrückenschaltung aus dehnungsempfindlichen
Widerständen,
die in Dünn-
oder Dickschichttechnik ausgebildet ist und mindestens einem Mittel
zur Kompensation einer Offsetspannung, wobei das Mittel zur Kompensation
der Offset- spannung und die Messbrückenschaltung aus dehnungsempfindlichen
Widerständen
auf einer auf Biegung oder Torsion zu belastenden Trägerwelle angeordnet
sind.
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Ein mechanisch elektrischer Wandler
mit einem Mittel zur Kompensation der Offsetspannung ist aus der
DE 199 17 443 A1 bekannt.
Bei Anordnungen zur Messung der elastischen Dehnung mechanischer
Bauteile, wie sie beispielsweise zur Überwachung des Torsionsmomentes
an Lenksäulen
in Kraftfahrzeugen verwendet werden, kommen im zunehmenden Maße Dickschichtwiderstände zum
Einsatz. Solche Dickschichtwiderstände werden häufig direkt
auf eine Trägerwelle
gedruckt. Neben den Widerständen
werden auch Leiterbahnen auf die Trägerwelle gedruckt, die die
Widerstände
zu einer Wheatstoneschen Messbrücke
verbinden. Da die Widerstände
aber nicht völlig
gleichmäßig reproduziert werden
können,
kommt es bei den so gebildeten Sensoren zu Offsetspannungen, die
kompensiert werden müssen.
Die Druckschrift
DE
199 17 443 A1 offenbart ein Verfahren zum Abgleich einer
solchen Widerstandsmessbrücke
mit zusätzlichen
Abgleichwiderständen,
deren Widerstandswerte durch einen Materialabtrag mit einem Laserstrahl
gezielt verändert
werden. Die so getrimmten Abgleichwiderstände zeigen aber Probleme bei
der Langzeit- und Temperaturstabilität der Widerstandswerte. Da
die Abgleichwiderstände
auf der selben Trägerwelle
angeordnet sind wie die Messwiderständen, beeinflussen die zu vermessenden
Verformungen der Trägerwelle auch
die Abgleichwiderstände,
was wiederum zu Messfehlern führen
kann.
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Die
DE 42 11 997 A1 zeigt ein Verfahren und eine
Schaltungsanordnung zur elektrischen Kompensation des Temperatureinflusses
auf das Messsignal von mechano-elektrischen Wandlern. Auf einen
mechano-elektrischen Messwandler ist eine Messbrückenschaltung aus piezoresistiven
Widerständen aufgebracht.
Zum statischen Offset-Abgleich der Messspannung U
a beispielsweise
am unteren Ende des Temperaturbereichs dient ein Potentiometer P
3, während
mit dem Potentiometer P
2 ein weiterer Abgleich
bei einer anderen Temperatur möglich
ist. Hierzu werden die temperaturabhängigen Änderungen der piezoresistiven
Widerstände
gemessen und der sich hierbei ergebende Messwert wird als Korrektursignal
zur Kompensation des Temperatureinflusses genutzt.
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Die
DE 40 15 042 A1 zeigt eine Vorrichtung zur
Analog-Digital-Wandlung
einer Messgröße, die von
in Brückenschaltung
angeordneten Sensoren erzeugt wird, insbesondere von Dehnungsmessstreifen in
einer Wegezelle. Die Abweichung zwischen Messgrößen und einer nachgeführten Kompensationsgröße wird
einem Komperator zugeführt,
der bei Vorhandensein dieser Abweichung ein binäres Steuersignal bildet. Ein
Mikroprozessor verändert,
insbesondere erhöht
bzw. erniedrigt einen codierten Stellwert abhängig vom Vorhandensein bzw.
Fehlen des binären Steuersignals.
Ein Digital-Analog-Wandler führt schließlich entsprechend
dem codierten Steuerwert die Kompensationsgröße nach. Mit Hilfe einer weiteren
Schaltmittelbaugruppe kann der Nullpunkt-, Offset- und Verstärkungsfehler
der Vorrichtung bestimmt werden.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe
zugrunde, einen mechanisch elektrischen Wandler anzugeben, welcher
eine optimal kompensierte Offsetspannung an der Messbrückenschaltung
aufweist, die mit einer hohen Langzeitstabilität aufrecht erhalten werden
kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
das Mittel zur Kompensation der Offsetspannung in Form mindestens
einer Kompensationsspannungsquelle ausgebildet ist, die mit der
Messbrückenschaltung
verbunden ist und die die Offsetspannung der Messbrückenschaltung
durch die Einspeisung von mindestens einer Kompensationsspannung
kompensiert, wobei die Kompensationsspannungsquelle mit einem Mittel
zu ihrer Ansteuerung verbunden ist, das eine Information über die
vorhandene Offsetspannung der Messbrückenschaltung bezieht und der
Kompensationsspannungsquelle ein Signal zuführt, aus dem sie die notwendige
Spannung zur Kompensation der Offsetspannung erzeugt. Weitere Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass
durch die Einspeisung der Kompensationsspannung ein sehr genauer
und über
lange Zeit stabiler Abgleich der Messbrücke erfolg. Die mit mindestens
einer Kompensationsspannungsquelle abgeglichene Messbrücke zeigt
keine temperaturabhängige Änderung
der abgeglichenen Offsetspannung und die Elemente zum Offsetspannungsabgleich
werden von der mechanischen Belastung des Trägerelementes nicht beeinflusst.
Die erfindungsgemäße Form
des Offsetabgleichs ist sehr langzeitstabil.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung
wird die Offsetspannung der Messbrückenschaltung durch die Einspeisung
einer einzigen Kompensationsspannung kompensiert. Bei der Einspeisung
einer einzigen Kompensationsspannung wird nur eine einzige Kompensationsspannungsquelle
benötigt
und damit reduziert sich der Schaltungsaufwand, was die Kosten für das spannungskompensierte
Bauelement senkt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
ist jeder Brückenzweig
der Messbrückenschaltung
mit einem Spannungsteiler aus zwei Festwiderständen verbunden, der mit jeweils
einer Kompensationsspannungsquelle verbunden ist und über den
die Kompensationsspannung gegen Masse abfällt, wobei die Kompensationsspannung
zwischen den beiden Festwiderständen
von jeweils einem Brückenzweig
der Messbrückenschaltung
abgegriffen wird. Vorteilhaft ist, dass bei einem hochohmig ausgelegten
Spannungsteiler nur ein geringer Strom von der Kompensationsspannungsquelle über den
Spannungsteiler gegen Masse fließt, was die Verlustleistung
dieses Aufbaus reduziert. Weiterhin bestehet die vorteilhafte Möglichkeit
die Kompensationsspannung, die zwischen den beiden Festwiderständen abgegriffen
wird, sehr genau zu justieren, da die von der Kompensationsspannungsquelle
bereitgestellte Spannung im vom Spannungsteiler vorgegebenen Verhältnis geteilt
wird.
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Bei einer nächsten Weiterbildung ist nur
ein einziger Brückenzweig
der Messbrückenschaltung mit
einem Spannungsteiler aus zwei Festwiderständen verbunden, der mit der
Kompensationsspannungsquelle verbunden ist und über den die Kompensationsspannung
gegen Masse abfällt,
wobei die Kompensationsspannung zwischen den beiden Festwiderständen von
dem einen Brückenzweig
der Messbrückenschaltung
abgegriffen wird. Bei der Verwendung einer einzigen Kompensationsspannungsquelle
und eines einzigen Spannungsteilers reduziert sich der Schaltungsaufwand
und der spannungskompensierte mechanisch elektrische Wandler ist
kostengünstiger
herzustellen. Durch den einzigen Spannungsteiler bleiben die Vorzüge der geringen
Verlustleistung und der genauen Justierbarkeit der Kompensationsspannung
erhalten.
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Alternativ dazu ist jeder Brückenzweig
der Messbrückenschaltung
direkt mit der Kompensationsspannungsquelle verbunden und die Kompensationsspannung
ist direkt an den jeweiligen Zweig der Messbrückenschaltung angelegt. Dies
hat den Vor teil, dass die Offsetspannungskompensation mit einer
sehr geringeren Anzahl von Bauteilen realisiert werden kann.
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In einer Ausgestaltung ist nur ein
einziger Brückenzweig
der Messbrückenschaltung
direkt mit der Kompensationsspannungsquelle verbunden und die Kompensationsspannung
ist direkt an den einen Zweig der Messbrückenschaltung angelegt. Bei
dieser Ausgestaltung wird die Erfindung mit der kleinsten Anzahl
elektronischer Bauelemente umgesetzt, was einen besonderen wirtschaftlich
Vorteil ausmacht.
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Bei einer Weiterbildung ist das Mittel
zur Ansteuerung der Kompensationsspannungsquelle als Mikroprozessor
ausgebildet, der die Information über die vorhandenen Offsetspannung
verarbeitet und der der Kompensationsspannungsquelle ein Signal
zuführt,
aus dem sie die notwendige Spannung zur Kompensation der Offsetspannung
erzeugt. Wenn das Mittel zur Ansteuerung der Kompensationsspannungsquelle
als Mikroprozessor ausgebildet ist, der auf der selben Trägerwelle
angeordnet ist, wie die Messbrückenschaltung,
dann hat das den Vorteil, dass in jedem dehnungsfreien Zustand der
Welle ein erneuter Abgleich der Offsetspannung erfolgen kann. Damit
kann die Offsetspannung praktisch über die gesamte Lebensdauer
des mechanisch elektrischen Wandlers, ohne äußeren Eingriff, minimal gehalten werden.
Da eine Vergrößerung der
Offsetspannung nicht erfolgen kann, ist diese Spannung als limitierender
Faktor für
die Lebensdauer des mechanisch elektrischen Wandlers nicht mehr
von Bedeutung.
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Alternativ dazu ist das Mittel zur
Ansteuerung der Kompensationsspannungsquelle als Festwertspeicher
ausgebildet, der die Information über die vorhandenen Offsetspannung
von einem externen Gerät
bezieht und speichert und der der Kompensationsspannungsquelle ein
Signal zuführt,
aus dem sie die notwendige Spannung zur Kompensation der Offsetspannung
erzeugt. Festwertspeicher (zum Beispiel EPROMs) sind sehr kostengünstige Bauteile, denen
vor der Inbetriebnahme des mechanisch elektrischen Wandlers bei
einer Eichmessung die notwendige Information zur Offsetkompensation
eingeprägt
werden kann. Diese Information wird von einem externen Eichgerät errechnet,
indem die Offsetspannung an der ungeeichten Messbrücke im dehnungsfreien
Zustand des mechanisch elektrischen Wandlers gemessen wird. Ist
der Festwertspeicher als wiederbeschreibbarer Speicher ausgeführt (zum
Beispiel als EEPROM), kann nach einer gewissen Betriebszeit des
mechanisch elektrischen Wandlers eine erneute Eichung, zum Beispiel
in einer Kraftfahrzeugwerkstatt, erfolgen. Auch hierdurch ergibt
sich der Vorteil, dass eine Verschiebung der Offsetspannung als
limitierender Faktor für
die Lebensdauer des mechanisch elektrischen Wandlers keine Bedeutung mehr
hat.
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Eine Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher soll
anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren erläutert werden.
Diese zeigen in
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1:
eine Messbrückenschaltung
für die Drehmomenterkennung
in einem Kraftfahrzeuglenkhilfesystemen,
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2:
eine Vorrichtung zum Abgleich einer Brückschaltung mit Abgleichwiderständen nach
dem Stand der Technik,
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3:
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Abgleich einer Brückenschaltung
durch Einspeisung einer Kompensationsspannung,
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4:
einen alternativen Aufbau der erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abgleich
einer Brückenschaltung,
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5:
den erfindungsgemäßen Aufbau
ergänzt
um eine Einrichtung zur Ansteuerung der Kompensationsspannungsquellen.
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In 1 ist
eine Messbrückenschaltung
für eine
Drehmomenterkennung, wie sie in einem Kraftfahrzeuglenkhilfesystemen
verwendet wird, dargestellt. Auf einer auf Torsion zu belastenden
Trägerwelle 1,
ist eine Isolationsschicht 2 angeordnet. Auf die Isolationsschicht 2 ist
eine Widerstandsmessbrücke
in Dickschichttechnik aufgebracht, welche aus dehnungsempfindlichen
Messwiderständen
DMS1 bis DMS4 besteht. Die Messwiderstände DMS1 bis DMS4 sind durch
Leiterbahnen 7 bis 10 elektrisch zu der Messbrücke verschaltet.
Zum Abgriff der elektrischen Signale, die sich in Form von Potentialdifferenzen
im Falle der Dehnung der Messwiderstände DMS1 bis DMS4 ausbilden,
sind Messpunkte 11, 12 vorgesehen. Alternativ
können
die Signale auch über weitere
Leiterbahnen direkt einer auf dem Dickschichtisolator 2 angeordneten
elektronischen Auswerteschaltung zugeführt werden, die hier nicht
weiter dargestellt ist. Um eine maximale Flächendehnung in den Messwiderständen DMS1
bis DMS4 zu erhalten, wird eine durchgängige Ausnehmung 14 in die
metallische Trägerwelle 1 eingebracht.
Hier ist eine Ausnehmung 14 in Form eines Langlochs dargestellt,
es sind aber auch anders geformte Ausnehmungen vorteilhaft einsetzbar.
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2 zeigt
die in 1 dargestellte
Messbrücke 4 ergänzt um Mittel
zur Offsetkompensation, die nach dem Stand der Technik als Abgleichwiderständen 17, 18 ausgeführt sind.
Die hier gezeigte Schaltung besteht aus vier dehnungsempfindlichen Messwiderständen DMS1
bis DMS4, einer Spannungsversorgung 16, einer Einrichtung
zur Erfassung einer elektrischen Potentialdifferenz 15,
zwei Abgleichwiderständen 17, 18,
sowie elektrischen Leiterbahnen 7 bis 10 zur Verbindung
der vorgenannten Elemente. Alle in 2 bis 5 dargestellten Schaltungen
können
auf die in 1 gezeigte
Trägerwelle 1 aufgebracht
sein, wobei zur elektrischen Isolation die in 1 dargestellte Isolationsschicht 2 zwischen der
metallischen Trägerwelle
und der Schaltung vorhanden sein muss.
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Die vier dehnungsempfindlichen Messwiderstände DMS1
bis DMS4 werden mit Hilfe der elektrischen Leiterbahnen 7 bis 10 zu
einer Messbrücke 4 verschaltet.
Gelänge
es die vier Messwiderstände DMS1
bis DMS4 vollkommen identisch zu gestalten, würde im dehnungsfreien Zustand
zwischen den Messpunkten 11 und 12 keine Potentialdifferenz messbar
sein, da von der Spannungsquelle 16 über die parallelen Widerstände DMS1
und DMS3 jeweils die gleiche Spannung abfallen würde und auch an den parallelen
Messwiderstände
DMS2 und DMS4 jeweils die gleichen Spannung abfallen würde. Die Messpunkte 11 und 12 lägen dann
auf gleichem Potential und die Einrichtung zur Erfassung der elektrischen
Potentialdifferenz 15 würde,
im dehnungsfreien Zustand der hier nicht dargestellten Trägerwelle 1, kein
Signal erzeugen. In diesem Fall wären die Abgleichwiderstände 17 und 18 unnötig. Bei
einer Dehnung der Messwiderstände
DMS1 bis DMS4 könnte dann,
auch ohne vorherigen Abgleich, eine der Dehnung proportionale Potentialdifferenz
an den Messpunkten 11 und 12 abgenommen werden.
In der Praxis ist aber eine derartig einheitliche Herstellung der Messwiderstände DMS1
bis DMS4 unmöglich.
Daraus resultiert auch im dehnungsfreien Zustand eine Potentialdifferenz
zwischen den Messpunkten 11 und 12, die als Offsetspannung
bezeichnet wird. Diese Offsetspannung wird mit den Abgleichwiderständen 17, 18 kompensiert.
Dazu wird die Offsetspannung der Messbrücke 4 im dehnungsfreien Zustand
der Trägerwelle
von der Einrichtung zur Erfassung der Potentialdifferenz 15 gemessen
und die Abgleichswiderstandswerte werden so lange variiert, bis
sich zwischen den Messpunkten 11, 12 keine Potentialdifferenz
mehr nachweisen lässt.
Als Abgleichwiderstände 17, 18 werden
bislang einstellbare Widerstände, wie
Potentiometer oder mit Laserstrukturierung veränderbare Widerstände verwendet.
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In 3 wird
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Abgleich einer Brückenschaltung
durch Einspeisung einer Kompensationsspannung dargestellt. Wie auch
in 2 sind hier vier
dehnungsempfindlichen Messwiderständen DMS1 bis DMS4, die Spannungsversorgung 16,
die Einrichtung zur Erfassung einer elektrischen Potentialdifferenz 15,
sowie elektrische Leiterbahnen 7 bis 10 zur Verbindung
der vorgenannten Elemente gezeigt. An die Stelle der Abgleichwiderstände 17 und 18 (in 2), sind in der erfindungsgemäßen Darstellung
vier Festwiderstände
Rk1 bis Rk4 und zwei Kompensationsspannungsquellen 19 und 20 getreten.
Wird die Schaltung nur von der Spannungsquelle 16 mit elektrischer
Spannung versorg, so bilden das erste Mestwiderstandspaar DMS1,
DMS2 und das erste Festwiderstandspaar Rk1, Rk2 sowie das zweiten
Messwiderstandspaar DMS3, DMS4 und das zweite Festwiderstandspaar
Rk3, Rk4 zwei parallele, passive Spannungsteiler. Da es, wie oben
schon erwähnt,
unmöglich
ist den verschiedenen Messwiderständen DMS1, DMS3 sowie DMS2,
DMS4 genau die gleichen Werte zu geben und auch die Festwiderstände Rk1,
RK2 sowie Rk3, Rk4 nicht völlig
identische Widerstandswerte aufweisen, wird sich zwischen den Messpunkten 11 und 12 eine
Potentialdifferenz auch im dehnungsfreien Zustand der Messbrücke 4 einstellen.
Diese Potentialdifferenz wird nun durch die Einführung mindestens einer Kompensationsspannung
auf einen vorgegebenen, gegen Null konvergierenden Wert reduziert.
Die von der ersten Kompensationsspannungsquelle 19 erzeugte
elektrische Spannung fällt über das
erste Festwiderstandspaar Rk1 und Rk2 gegen Masse 3 ab.
Dieses Festwiderstandspaar Rk1, Rk2 bildet einen Spannungsteiler
für die
von der ersten Kompensationsspannungsquelle 19 bereitgestellte
Spannung. Das Potential zwischen den ersten Festwiderständen Rk1,
Rk2 wird durch die von der ersten Kompensationsspannungsquelle 19 erzeugte Spannung
bestimmt. Da das erste Festwiderstandspaare Rk1, Rk2 ein Bestandteil
des dreistufigen Spannungsteilers aus den beiden ersten Messwiderständen DMS1,
DMS2 und den parallelen Festwiderständen Rk1, Rk2 ist, beeinflusst
das von der Kompensationsspannungsquelle 19 zwischen den
parallelen Festwiderständen
Rk1 und Rk2 erzeugte Potential auch das für die Messung wichtige Potential am
ersten Messpunkt 12. Es kann justiert werden, indem der
Wert der Kompensationsspannung vorteilhaft eingestellt wird. Damit
ergibt sich die Möglichkeit schon
mit siert ist, wodurch es möglich
ist in regelmäßigen Abständen den
Offsetabgleich durchzuführen, vorausgesetzt
die Messwiderstände
DMS 1 bis DMS 4 befinden sich zum Zeitpunkt des Abgleichs in einem
ungedehnten Zustand.
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Es ist aber auch denkbar die Einrichtung 21 zur
Ansteuerung der Kompensationsspannungsquellen 19, 20 als
externes Gerät
in Verbindung mit einem auf der Trägerwelle lokalisierten Festwertspeicher (zum
Beispiel einem EPROM) auszubilden und bei der Herstellung der Dehnungsmessbrücke die
notwendigen Daten zur Offsetspannungskompensation einmalig dem Festwertspeicher
einzuprägen.
Dazu wird mit dem externen Gerät
die Offsetspannung ermittelt und die Werte für die Kompensationsspannungen
werden berechnet, die dann dem Festwertspeicher eingeprägt werden,
wonach dieser permanent die Kompensationsspannungsquellen 19, 20 ansteuert.
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Sollte eine erneute Offsetkompensation nach
einer gewissen Betriebszeit des mechanisch elektrischen Wandlers
notwendig werden, ist dies möglich,
wenn anstelle des Festwertspeichers ein wiederbeschreibbarer Festwertspeicher
(EEPROM) vorgesehen ist. Wird der mechanisch elektrische Wandler
zur Torsionsmomentmessung in einer Kraftfahrzeuglenkung verwendet,
kann zum Beispiel im Rahmen des Wartungsplanes ein erneuter Offsetabgleich
in festgelegten Intervallen in einer Kraftfahrzeugwerkstatt erfolgen.