DE3446248A1 - Sensor zur messung physikalischer groessen und verfahren zum abgleich des sensors - Google Patents

Sensor zur messung physikalischer groessen und verfahren zum abgleich des sensors

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DE3446248A1 DE19843446248 DE3446248A DE3446248A1 DE 3446248 A1 DE3446248 A1 DE 3446248A1 DE 19843446248 DE19843446248 DE 19843446248 DE 3446248 A DE3446248 A DE 3446248A DE 3446248 A1 DE3446248 A1 DE 3446248A1
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Description

R. 19 7 8
13.12.198U Ws/Hm
ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1
Sensor zur Messung physikalischer Größen und Verfahren zum Abgleich des Sensors
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Messung physikalischer Größen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei "bekannten Sensoren, "bei denen abhängig von Druckschwankungen oder Temperaturschwankungen der Widerstandswert des Sensors sich ändert, ist zur Korrektur der unmittelbar "vom Sensor abgegebenen Meßsignale ein relativ aufwendiges Abgleichnetzwerk erforderlich, mit dem die Sensorkennlinie zu linearisieren, der Temperaturgang zu kompensieren, die Exemplarstreuungen auszuschalten und verschiedene Offset Spannungen abzugleichen sind (Elektronik, Heft 13, 1981t, Seite 95). Die verschiedenen Widerstände des Abgleichnetzwerkes, das zusammen mit den Sensorelementen auf einem Chip angeordnet ist, müssen dazu auf einem Meßprüfstand mit einem Laserstrahl abgeglichen werden. Da derartige Sensoren vorwiegend zur Druckmessung und Temperaturmessung an eine digital arbeitende Auswerteschaltung angeschlossen werden, ist es auch bereits
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bekannt, den Sensor mit einem Mikroprozessor zu einer Funktionseinheit zusammenzufassen, -wobei der Mikroprozessor zwischen den Sensorelementen und der Auswerteschaltung eingefügt ist, in dem zur Signalaufbereitung alle zu berücksichtigenden Korrekturgrößen eingegeben werden (ETZ Band 105 (198U), Heft 15, Seite 800 ff). Das Ausgangssignal einer solchen Funktionseinheit ist durch die Signalaufbereitung im Mikroprozessor nicht mehr fehlerbehaftet und kann folglich ohne weitere Korrektur von der Auswerteschaltung zur Meßwertanzeige oder zur Beeinflussung von Regelkreisen und Steuerstrecken weiter verarbeitet werden. Die Auswerteschaltung enthält dabei oftmals mindestens einen weiteren Mikroprozessor oder Mikrocomputer. Auch diese Lösung ist relativ aufwendig, da neben den in der Auswerteschaltung vorhandenen Mikroprozessoreein zusätzlicher Mikroprozessor auf dem Chip des Sensors benötigt wird.
Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, den Sensor so auszurüsten, daß die vorhandene Auswerteschaltung zur Korrektur der Sensorsignale mit verwendbar ist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Zusammenfassung des Sensors mit einem sogenannten PROM zu einer Baueinheit hat den Vorteil, daß lediglich die Korrekturwerte eines jeden Sensors in dem ihm zugeordneten PROM auf der Baueinheit gespeichert und beim Einsatz des Sensors zusammen mit den Sensorsignalen von der angeschlosssenen Auswerteschaltung abzurufen sind. Auf diese Weise kann die Intelligenz der Auswertesehaltung zur Korrektur der vom Sensor abgegebenen Meßsignale mit verwendet werden. Je nach der Speicherkapazität des PROMS kann dabei eine hohe oder sehr hohe Meßgenauigkeit bezüglich der Linearität der
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Geberkennlinien, des Temperaturganges, der Exemplarstreuungen und der Offsetwerte erreicht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß insbesondere bei hohen Stückzahlen gegenüber den bekannten Lösungen erhebliche Kostenvorteile erzielt werden können, da ein Abgleichnetzwerk oder ein weiterer Prozessor für den Sensorabgleich entfällt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die Meßsignale des Sensors und die Korrekturwerte aus dem Speicher über einen gemeinsamen Ausgang bit-seriell oder bit-parallel an die Auswerteschaltung abzugeben. Dabei ist es zweckmäßig, den Ausgang zugleich als Eingang zur Energieversorgung des Sensors und des Speichers zu verwenden. Sollen Meßsignale, wie beispielsweise der Luftdruck oder die Temperatur eines Pahrzeugreifens von einem umlaufenden Sensor auf eine ortsfeste Auswerteschaltung übermittelt werden, so wird zweckmäßigerweise der Ausgang der Baueinheit mit einer Übertragerspule verbunden, die mit einer weiteren, mit der Auswerteschaltung verbundenen Übertragerspule induktiv gekoppelt ist. Dabei ist die Baueinheit des Sensors am Fahrzeugrad so angeordnet, daß die Übertragerspule bei jeder vollen Radumdrehung in mindestens einem Umfangsbereich der anderen in Radnähe ortsfest angeordneten Übertragerspule gegenübersteht. In vorteilhafter Weise ist dabei der Sensor über einen A/D-Wandler mit dem Ausgang verbunden. Sensor, A/D-Wandler, Speicher und Ausgang sind dabei zweckmäßigerweise als Baueinheit auf einem Chip angeordnet oder in hybrider Bauweise vereinigt.
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Zur Ermittlung der im PROM abzuspeichernden Korrekturwerte -wird in einfacher Weise auf einem Meßprüfstand eine Vielzahl von Meßpunkten durchlaufen. Diese Meßwerte werden dann mit den vorgegebenen, tatsächlichen Meßwerten verglichen und ein Korrekturwert gebildet, der schließlich als Tabellenwert oder als Parameter für eine mathematische Abgleichvorschrift in das PROM eingeschrieben wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 eine erfindungsgemäße Sensor-Baueinheit mit daran angeschlossener Abgleichschaltung zur Programmierung eines PROMs, Figur 2 zeigt die Sensor-Baueinheit mit angeschlossener Auswerteschaltung und Figur 3 eine Reifendruck-Überwachung mit einer Sensor-Baueinheit nach Figur 1.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In den Figuren 1 und 2 ist ein an sieh bekannter Drucksensor mit mindestens einem druckabhängig veränderbaren ohmschen Widerstand mit 10 bezeichnet. Der Drucksensor 10 ist auf einem Chip 11 angeordnet, der aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff besteht. Als Chip 11 kann eine Keramik- oder Kunststoffplatte verwendet werden. Auf dem Chip 11 ist ferner ein Analog/ Digital-Wandler 12 angeordnet, dessen Analog-Eingang mit den Anschlüssen des Sensors 10 verbunden ist. Im A/D-Wandler sei gleichzeitig ein Vorverstärker integriert. Der Digita3-A.usgang des Wandlers 12 ist über einen Bus 13 mit einer Logik 1k verbunden, die sich ebenfalls auf dem Chip 11 befindet. Des weiteren ist auf dem Chip 11
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als programmierbarer, nicht flüchtiger Speicher ein PROM 15 angeordnet, das über weitere Bus-Anschlüsse 16 und 17 mit der Logik 1h verbunden ist. Die Logik 1h ist einerseits auf Masse gelegt und andererseits mit einem Ausgang 18 verbunden. Der Drucksensor 10 bildet zusammen mit dem PROM 15, dem A/D-Wandler 12 und der Logik lh auf dem Chip 11 eine Baueinheit 19, die zur kontinuierlichen Druckmessung an einer dafür vorgesehenen Meßstelle anzubringen ist.
Da die Sensor-Baueinheit 19 im Ausführungsbeispiel keine eigene Energieversorgung hat sondern lediglich einen Energiespeicher 9, ist hier der Ausgang 18 zugleich als Eingang zur Energieversorgung des Drucksensors 10, des PROMs 15 und des A/D-Wandlers 12 vorgesehen. Der Drucksensor 10 gibt ein von dem auf ihn wirkenden Druck P abhängiges Analogsignal an den A/D-Wandler ab, welches über den Bus 16 als digitales Signal auf die Logik Ik gelangt. Da der Drucksensor 10 durch eine nichtlineare Kennlinie, durch einen Temperaturgang, durch Exemplarstreuungen und durch Offsetspannungen mit individuellen Meßfehlern behaftet ist, sind diese bei der Auswertung der Meßsignale des Drucksensors 10 zu berücksichtigen.
Zu diesem Zweck wird die Sensor-Baueinheit 19 vor ihrer Fertigstellung auf einen in Figur 1 dargestellten Meßprüfstand 20 gebracht, der eine auf den Drucksensor 10 wirkende Druckkammer 21 enthält. Außerdem ist der Meßprüfstand 20 mit einer Abgleichsschaltung 23 versehen, die im Ausführungsbeispiel als Mikroprozessor ausgebildet ist. Der PROM 15 wird zu seiner Programmierung über einen Datenbus 2k und einen Adressbus 25 mit der Abgleichschaltung 23 verbunden. Über eine Leitung 26 ist auch der Ausgang 18 der Sensor-Baueinheit 19 mit
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■ 9·
der Abgleichschaltung 23 verbunden und damit zugleich die Energieversorgung der Baueinheit 19 über den μΡ sichergestellt. Über Anschlußleitungen 26, 27 und 28 werden verschiedene ;Steuerbefehle auf den Meßprüfständ 20 gegeben.
Zum Abgleich der fehlerbehafteten Meßwerte des Drucksensors 10 werden auf dem Meßprüfstand 20 nacheinander mehrere Meßpunkte durchlaufen, indem beispielsweise durch entsprechende Steuerbefehle auf der Anschlußleitung 27 der Druck in der Druckkammer 21 stufenweise auf vorbestimmte Werte erhöht wird. Zu jedem der so durchlaufenen Meßpunkte wird das vom Drucksensor 10 erzeugte Meßsignal über den A/D-Wandler 12, die Logik lh und die Anschlußleitung 26 als Istwert auf die Abgleichschaltung 23 gegeben. Sie wird dort mit dem über die Anschlußleitung 27 abgerufenen Sollwert des Meßpunktes, der dem tatsächlichen Druck in der Druckkammer 21 entspricht, verglichen. Für jeden Meßpunkt wird auf diese Weise aus dem Istwert und dem Sollwert ein Korrekturwert bzw. eine mathematische Korrekturvorschrift für alle Meßpunkte ermittelt. Bei dem späteren Einsatz des Drucksensors muß der Korrekturwert oder die mathematische Korrekturvorschrift von der Auswerteschaltung jeweils berücksichtigt werden. Über den Datenbus 2k und den Adressbus 25 wird schließlich jeder der so ermittelten Korrekturwerte bzw. die Korrekturvorschrift mit der Abgleichschaltung 23 an einem dem jeweiligen Meßpunkt zugeordneten Speicherplatz im PROM 15 abgespeichert.
Da die vom Sensor 10 abgegebenen Signale oftmals auch noch von weiteren Störgrößen wie z.B. Temperaturschwankungen beeinflußt werden, kann auch dies in analoger Weise ermittelt und berücksichtigt werden. Auf dem Meßprüfstand 20 werden dazu für verschiedene Störgrößen als Para-
meter die einzelnen Meßpunkte jeweils durchlaufen. In der Abgleichschaltung 23 werden dabei die entsprechenden Korrekturwerte ermittelt und schließlich an entsprechend zugeordneten Speicherplätzen des PROMs 15 abgespeichert. Durch entsprechende Programmierung der Abgleichschaltung 23 ist es möglich, daß zunächst sämtliche Korrekturwerte bzw. die mathematische Korrekturvorschrift für den Drucksensor 10 von der Abgleichschaltung 23 ermittelt und zwischengespeichert werden. Sie können dann anschließend nochmals überprüft, gegebenenfalls berichtigt und schließlich im PROM 15 eingeschrieben werden. Nachdem die Korrekturwerte bzw. die mathematische Korrekturvorschrift im PROM 15 abgespeichert sind, werden Datenbus 2k und Adressbus 35 vom PROM 15 wieder entfernt und in einer letzten Fertigungsstufe werden die elektronischen Bauteile 12, lh und 15 der Sensor Baueinheit 19 mit Isolierstoff gekapselt, so daß die Adress und Dateneingänge des PROMs 15 nun nicht mehr zugänglich sind.
Figur 2 zeigt die fertige Sensor-Baueinheit 19» mit weiteren, nicht dargestellten Sensoren im Kraftfahrzeug an einem ihr zugeordneten Eingang eines Mikrocomputers 31 eines Fahrdatenrechners 30 als Auswerteschaltung angeschlossen ist. Der Mikrocomputer 31 versorgt ein Display 32 über einen Datenbus 33. Im Beispielsfall erfolgt die · Energieversorgung des Drucksensors 10 und der elektronischen Bauelemente 12, 1U und 15 über die Anschlußleitung 26 vom Mikrocomputer 31· Über die Anschlußleitung 26 werden außerdem vom Mikrocomputer 31 Steuerbefehle auf die Logik lh der Sensor-Baueinheit I9 übertragen, durch welche die Logik in der Weise umgeschaltet wird, daß entweder die im PROM 15 abgespeicherten Korrekturdaten oder die im A/D-Wandler 12 umgeformten Sensorsignale seriell an den /uC 31 gegeben werden. Der gemeinsame
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Ausgang 18 der Sensor-Baueinheit 19 ist daher zugleich Eingang zur Energieversorgung der Baueinheit 19 sowie für die Steuerbefehle an die Logik lh. Im Mikrocomputer 31 werden schließlich die digitalen Sensorsignale mit den ihnen zugeordneten Korrekturwerten korrigiert und zur Anzeige gebracht bzw. mit weiteren im Mikrocomputer 31 eingegebenen oder von anderen Sensoren eingelesenen Werten verarbeitet. Die erzielbare Meßgenauigkeit nimmt dabei mit der Anzahl der am Meßprüfstand durchlaufenen Meßpunkte zu. Die Korrekturwerte können dabei in Form von Tabellen oder als mathematische Abgleichvorschrift im PROM 15 abgelegt sein.
Figur 3 zeigt die Anwendung einer erfindungsgemäßen Drucksensor-Baueinheit zur Überwachung des Reifendruckes an einem Kraftfahrzeug. Hier ist eine Sensor-Baueinheit 35 im Bett einer Felge 36 angeordnet. Zur Energieversorgung der Sensor-Baueinheit 35 sowie zur Ausgabe der Meßsignale und der in einem Speicher der Sensor-Baueinheit 35 abgelegten Korrekturwerte dient hier eine an der Felge 36 befestigte Übertragerspule 37, die mit einer weiteren, ortsfest an der Radaufhängung angeordneten Übertragerspule 38 induktiv gekoppelt ist. Die ortsfeste Übertragerspule 38 ist an eine Auswerteschaltung 39 angeschlossen, mit der auch die übrigen, nicht dargestellten Drucksensoren an den anderen Rädern des Fahrzeuges in entsprechender Weise verbunden sind. Der rotierende Teil des Übertragers ist als Ring ausgeführt, so daß der Übertrager unabhängig von der Winkelstellung des Rades arbeitet. Durch einen Sperrwandler kO wird dabei mit einer Reihe von Impulsen Energie über die Übertragerspulen 38 und 37 auf die Sensor-Baueinheit 35 übertragen. Mit den Impulsen werden frequenzmoduliert außerdem Steuerbefehle der Auswerteschaltung 39 übertragen. Die Übertragung der Meßwerte für den vom Drucksensor gemessenen Reifendruck sowie die Übertragung der im
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Speicher der Baueinheit 35 abgelegten Korrekturwerte erfolgt ebenfalls mittels einer entsprechend frequenz-modulierten Impulsfolge, die von der Auswerteschaltung 39 empfangen und verarbeitet wird.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt da sowohl an der Sensor-Baueinheit als auch bei der Signalübertragung und Energieversorgung Änderungen möglich sind. Anstelle von Drucksensoren können in gleicher Weise auch Temperatursensoren hergestellt und nach einem entsprechenden Verfahren abgeglichen werden. Der programmierbare, nichtfüchtige Speicher und der Sensor einer solchen Sensor-Baueinheit können getrennt voneinander mit der Auswerteschaltung verbunden werden, so daß die Meßsignale des Sensors und die Korrekturwerte des Speichers bit-seriell oder bit-parallel auf verschiedene Eingänge der Auswerteschaltung übertragen werden. Es ist ferner möglich, ohne Logik 1 ^ und A/D-Wandler 12 den Sensor mit seinen analogen Meßsignalen unmittelbar an die Auswerteschaltung anzuschließen.
Erfindungswesentlich ist, daß der Sensor mit dem Speicher zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist, in dem die für den Abgleich des Sensorsignals notwendigen Korrekturdaten so abgespeichert sind, daß sie ebenso wie die Sensorsignale an einer Auswerteschaltung übermittelt werden können. Die Sensor-Baueinheit und die Auswerteschaltung stellen dabei zwei an verschiedenen Orten betriebene Systeme
dar. Dabei können beispielsweise schon mit dem Einschalten der Versorgungsspannung die im Speicher der Sensor-Baueinheit abgelegten Korrekturdaten oder die dort gespeicherte mathematische Abgleichvorschrift in die Auswerteschaltung ein-
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gelesen und zwischengespeichert werden. Danach werden dann nur noch die Meßsignale des Sensors an die Auswerteschaltung übertragen und mit Hilfe der A"bgleichdaten wird sodann der genaue Meßwert berechnet.
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Claims (1)

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13.12.1984 Ws/Hm
ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1
Ansprüche
1. Sensor zur Messung physikalischer Größen, welcher abhängig von der gemessenen Größe elektrische Meßsignale abgibt, die in einer Auswerteschaltung weiter zu verarbeiten sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) mit einem programmierbaren, nichtflüchtigen Speicher (15) zu einer Baueinheit (19, 35) zusammengefaßt ist, wobei im Speicher (15) Korrekturdaten für die Meßsignale des Sensors (10) für eine Anzahl von Meßpunkten abgelegt sind und daß der Sensor (10) sowie der Speicher (15) mindestens einen Ausgang (18) haben, über den die Meßsignale des Sensors (10) und die Korrekturdaten des Speichers (15) an die Auswerteschaltung (30, 39) zu übermitteln sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit dem Speicher (15) und mit einer Logik (1k) auf einem gemeinsamen Ausgang (18) liegt, über den die Meßsignale und die Korrekturdaten an die Auswerteschaltung (30) abzugeben sind.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (18) zugleich als Eingang zur Energieversorgung des Sensors (10), des Speichers (15) und der Logik (1U) dient.
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h. Sensor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (18) aus einer Übertragerspule (37) besteht, die mit einer weiteren, mit der Auswerteschaltung (39) verbundenen Übertragerspule (38) induktiv gekoppelt ist.
5. Drucksensor nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (35) des Sensors an einem Fahrzeugrad (3*0 so angeordnet ist, daß die Übertragerspule (37) bei jeder vollen Radumdrehung in mindestens einem Bereich der weiteren, in Radnähe ortsfest angeordneten Übertragerspule (38) gegenübersteht.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sensor (10) ein A/D-Wandler (12) nachgeschaltet ist, der gemeinsam mit dem Sensor (10) und dem Speicher (15) auf einem Chip angeordnet
7. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (15) und der Sensor (10) je einen Ausgang haben.
8. Verfahren zum Abgleich der Meßwerte eines Sensors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Meßprüfstand (20) nacheinander mehrere Meßpunkte der vom Sensor (10) zu messenden Größe durchlaufen werden, daß zu jedem Meßpunkt das vom Sensor (1O) abgegebene Meßsignal als Istwert in einer Abgleichschaltung (23) mit dem Sollwert des Meßpunktes verglichen wird, daß die Abweichung zwischen Istwert und Sollwert jeweils als Korrekturwert ermittelt und daß schließlich mit der Abgleichschaltung die ermittelten Korrekturwerte in dem Speicher (15) der Sensor-Baueinheit (19) abgelegt werden.
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9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für verschiedene Störgrößen als Parameter die Meßpunkte mehrfach durchlaufen, entsprechende Korrekturwerte in der Abgleichschaltung (23) ermittelt und schließlich im Speicher (15) der Sensor-Baueinheit (19) abgelegt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9S dadurch gekennzeichnet, daß die von der Abgleichschaltung (23) nacheinander ermittelten Korrekturwerte zunächst zwischengespeichert und abschließend in den Speicher (15) der Sensor-Baueinheit (19) eingeschrieben werden. Xj.
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