DE3703946C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen frequenzselektiven Schwingungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Frequenzselektive Schwingungssensoren mit einem Schwingungsaufnehmer, der auf einem Siliziumsubstrat aufgebaut ist und Siliziumzungen als schwingungsempfindliche Strukturen mit gestaffelten Eigenfrequenzen aufweist, sind aus dem Forschungsbericht des Bundesministeriums für Forschung und Technologie T84-209 und der US-PS 45 07 705 bekannt. Auf dem Siliziumsubstrat derartiger Schwingungssensoren kann auch eine Signalvorverstärker-Schaltung, gemäß der genannten US-Patentschrift noch ein Meßumformer, integriert sein.

Die gewünschten Sensoreigenschaften, etwa Eigenfrequenz, Frequenzabstand oder -dämpfung, können durch Wahl der Geometrie des Siliziumbausteines und Einsatz von Zusatzmassen, wie Silizium oder Gold auf den Zungen, beeinflußt werden.

Aus der DE-OS 36 11 969 ist ein ähnlich aufgebauter Schwingungssensor bekannt, bei dem die schwingenden Zungen von der Oberfläche des Halbleitersubstrates nach oben gekrümmt sind, so daß vermieden wird, daß auch bei großen Amplituden eine Berührung zwischen den Zungen und dem Halbleitersubstrat erfolgt. Auch bei diesem Schwingungssensor ist es möglich, auf dem Substrat eine Signalvorverstärker-Schaltung zu integrieren.

Die genannten Schwingungssensoren können z. B. als Beschleunigungssensoren oder Frequenzanalysatoren eingesetzt werden, wobei die hiermit verbundene Auswertung der Signale des Schwingungssensors eine komplizierte Elektronik voraussetzt. So ist es z. B. in der Überwachung von Maschinenanlagen, z. B. Werkzeugmaschinen oder. dgl., vorteilhaft, eine Vielzahl von in der Maschine auftretenden Frequenzen zu detektieren, um so z. B. Lagerschäden frühzeitig zu erkennen und notwendige Reparaturen zu einem sehr frühen Zeitpunkt ausführen zu können. Die Auswertung solcher Signale kann z. B. mit Hilfe einer Multiplex-Schaltung ausgeführt werden, so daß mehrere Informationskanäle gleichzeitig überwacht werden können.

Solche Multiplex-Abfragen sind an und für sich bekannt. In der DE-OS 26 05 335 ist eine solche Multiplex-Abfrage in Verbindung mit der Messung der Klopfstärke von Verbrennungsmotoren beschrieben. Eine ähnliche Vorrichtung ist auch aus der DE-OS 30 10 324 bekannt, wo eine solche Multiplex-Schaltung zum Erfassen mehrerer Schwingungssignale erläutert ist. Als frequenzselektiver Sensor bietet sich hierbei z. B. eine Konstruktion gemäß der US-PS 43 73 378 an, wobei dieser Sensor mehrere einseitig eingespannte piezoelektrische Biegeelemente mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen aufweist.

Die genannten Schwingungssensoren und die mit solchen Sensoren aufzubauenden genannten Meßschaltungen sind in der Regel jeweils für einen speziellen Anwendungszweck konzipiert und sind daher nur durch zusätzliche Modifikationen an ein breites Feld von Anwendungen anpaßbar. Außerdem wäre es vorteilhaft, zum einen eine Vielzahl von Schwingungssignalen zu erfassen und dann auch noch die Charakteristiken dieser einzelnen Schwingungen übersichtlich darzustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungssensor der in Rede stehenden Art mit einer Auswerteschaltung anzugeben, die beide zu einer kompakten Baueinheit zusammengefaßt werden können und die Abfrage sowie die Charakteristik einer Vielzahl von Schwingungen ermöglichen, so daß das Einsatzgebiet eines solchen Schwingungssensors breit gefächtert ist.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß erfolgt eine Abfrage sowohl der einzelnen Schwingungssignale als auch der Spitzenwerte jeweils mit Hilfe von zwei Multiplexern, wobei lediglich der zweite Multiplexer mit der Ablaufsteuerung verbunden ist. Hiermit ergibt sich der Vorteil, daß die Multiplex-Abfrage auf das Mehrfache von in dem ersten Multiplexer enthaltenen Kanälen umgeschaltet bzw. erweitert werden kann. Es ergibt sich eine besonders kostengünstige und flexible Anordnung der Auswerteschaltung. Ebenso können auch die notwendigen Steuersignale von der Ablaufsteuerung vereinfacht werden, da die Steuerung des jeweils ersten Multiplexers über den zweiten Multiplexer erfolgt. Während der Ansteuerung des ersten Multiplexers durch den zweiten Multiplexer kann die Ablaufsteuerung für andere Aufgaben verwendet werden. Hierdurch ist eine flexible Anpassung an den jeweiligen Anwendungszweck möglich. So können z. B. Maschinen überwacht und spätere Fehler frühzeitig erkannt werden. Bei einer automatischen Überwachung kann z. B. eine Alarmsteuerung oder eine Notabschaltung vorgesehen werden. Die Verkabelung zwischen dem eigentlichen Schwingungsaufnehmer und zu der Multiplex-Auswerteschaltung kann je nach Anwendungsgebiet eine dauerhafte Verbindung sein, so z. B. zur Alarmauslösung oder zur Auslösung eines Notschalters, oder eine nur zeitweise anzulegende Verbindung, die zu Service-Zwecken dient, um die zu überwachende Einheit zumindest zeitweise zu überwachen und Fehler rechtzeitig zu erkennen. Mit der Auswerteschaltung können auch periphere Einrichtungen, z. B. ein Oszilloskop oder ein Schreiber verbunden sein.

Neben der Analogwertausgabe ermöglicht die Auswerteschal­ tung die Darstellung eines "Zungenspektrums" mit dem die Spitzenwerte aller Zungensignale dargestellt werden. Die­ ses Zungenspektrum kann z. B. an einem Oszilloskop betrach­ tet werden. Zur Erfassung der momentanen Frequenz, d. h. des Zungensignals einer in Resonanz befindlichen Silizium­ zunge und der dazugehörigen Spannung wird das Maximum al­ ler Scheitelwerte eines Multiplexerdurchlaufs festgehalten und durch die Ablaufsteuerung die Nummer, d. h. die Multi­ plexadresse der in Resonanz befindlichen Siliziumzunge festgehalten und zur Anzeige gebracht. Somit ist eine rasche Kontrolle der an der überwachten Einrichtung anlie­ genden Frequenzen möglich. Eine manuelle Ansteuerung bei gleichzeitiger Anzeige der gewählten Adresse einer Sili­ ziumzunge ermöglicht die rasche Kontrolle kritischer Teil­ frequenzen.

Mit der Erfindung wird ein kostengünstig herzustellender frequenzselektiver Schwingungssensor zur Verfügung gestellt, dessen Zungensignale auf einfache Weise ausgewer­ tet werden, so daß ein rascher Überblick über das jeweilige Zungenspektrum erhalten wird. Der frequenzselektive Schwingungssensor kann vielfältig und flexibel eingesetzt werden, so z. B. als Beschleunigungssensor, als Frequenzana­ lysator, für Überwachungsaufgaben oder im Rahmen einer Spracherkennungseinheit. Zu Überwachungsaufgaben kann der Sensor z. B. als Körperschallsensor in Maschinen, wie Werk­ zeugmaschinen, eingesetzt werden, der die in der Maschine auftretenden mechanischen Schwingungen in elektrische Sig­ nale umwandelt und auswertet. Hierbei kann die bekannte Tatsache ausgenützt werden, daß bestimmte Frequenzen auf typische Fehler hinweisen. So können z. B. Lagerschäden frühzeitig erkannt werden und notwendige Reparaturen zu einem sehr frühen Zeitpunkt vorgenommen werden. Ebenso können z. B. bei Werkzeugmaschinen die bei einem Werkzeugbruch auftretenden Folgeschäden gering gehalten werden, wenn der Sensor mit einer Notabschaltung verbunden ist. Diese Notabschaltung wird mit Hilfe eines Schwell­ wertschalters detektiert, der auf dem Siliziumsubstrat vorgesehen ist. In weiterer Anwendung kann der Sensor als einfacher Frequenzwächter eingesetzt werden.

Im Rahmen einer Spracherkennungseinheit kann z. B. ein Fre­ quenzspektrum entsprechend üblicher Kommunikationsmittel zwischen 30 und 3000 Hz analysiert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unter­ ansprüchen hervor. Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Schwingungsaufnehmers mit mehreren schwingungs­ empfindlichen Zungen für einen frequenzselektiven Schwingungssensor gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch den Schwingungs­ aufnehmer in Fig. 1 längs einer Zunge;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines frequenzselek­ tiven Schwingungssensors zur Frequenzüberwachung eines Meßobjekts;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Überwachung ei­ nes Meßobjektes mit Hilfe von zwei frequenzselekti­ ven Schwingungssensoren;

Fig. 5 ein Blockschaltdiagramm einer Auswerteschaltung für einen frequenzselektiven Schwingungssensor und

Fig. 6 ein detailliertes Blockschaltbild der in Fig. 5 gezeigten Auswerteschaltung.

In Fig. 1 ist ein Schwingungsaufnehmer 1 dargestellt, der ausgehend von einem Siliziumsubstrat 2 mit Hilfe bekannter Halbleitertechnologien sowie Ätztechniken hergestellt ist. Es kann isotropes Ätzen, anisotropes und elektrochemisches Ätzen, isotropes Ätzen auf Zeit oder eine Kombination dieser Ätztechniken angewendet werden. Auf die Unterseite des Siliziumsubstrats 2, das in 100-Orientierung vorliegt, wird eine isolierende Siliziumdioxidschicht 3, auf die Oberseite selektiv oder ganzflächig eine p⁺-dotierte Epitaxialschicht 4 und/oder eine Epitaxieschichtenfolge 4′ mit wechselnder Dotierung - z. B. p⁺-p-n, aufgebracht. An die Epitaxialschicht schließt sich eine Isolationsschicht 5, eine Schicht 6 aus polykristallinem Silizium und schließlich eine Passivierungsschicht 7 wiederum aus Siliziumdioxid an. Die polykristalline Siliziumschicht 6 wird zu einem Piezowiderstand geformt und gegebenenfalls mit einem Kontakt 8 versehen. Anschließend werden durch Ätzen Siliziumzungen 9 gebildet, wobei eine Ätzgrube 10 in dem Siliziumsubstrat unterhalb der Siliziumzungen 9 ent­ steht. In das Siliziumsubstrat 2 und/oder die Epitaxial­ schicht 4′ werden noch eine Signalvorverstärkungsschaltung und eine Meßumformerschaltung integriert, die gemeinsam mit dem Bezugszeichen 11 versehen sind. Die derart in den Schwingungsaufnehmer in diesem Falle integrierte Schaltung ist mit Anschlußkontakten 12 versehen. Das Siliziumsubstrat 2 wird in herkömmlicher Weise in ein Gehäuse 13 eingesetzt, die Kontakte 8 und die Anschlußkontakte 12 werden zu einem Vielfachstecker 14 (Fig. 3 bis 6) zum Anschluß an eine periphere Auswerteschaltung 15 geführt.

Zur Abstimmung der Resonanzfrequenzen der einzelnen Sili­ ziumzungen 9 können diese an ihren Zungenenden mit Massen 16 versehen werden. Je nach Konfiguration der Siliziumzun­ gen und Dimensionierung der Massen 16 kann die Resonanzfre­ quenz jeder einzelnen Zunge auf einen Wert eingestellt und für den Schwingungsaufnehmer ein Frequenzband festgelegt werden. Bei einer Ausführungsform des Schwingungsaufneh­ mers gemäß Fig. 1 kann z. B. ein Frequenzband zwischen etwa 850 bis 1300 Hz festgelegt werden, wobei der Frequenz­ abstand zwischen den Resonanzfrequenzen der einzelnen Zun­ gen 9 zwischen 50 und 70 Hz liegt.

Aus Fig. 3 geht nochmals der schematische Aufbau des Meß­ wertaufnehmers 1 hervor. Dieser weist demnach ein Sensor­ element 17 entsprechend den obigen Elementen 4 bis 9 sowie 16 und anschließend die integrierte Schaltung 11 aus einer Vorverstärkerschaltung 11 a und einem Meßumformer 11 b auf. Der Ausgang des Meßumformers ist mit dem Vielfachstecker 14 verbunden.

Der Schwingungsaufnehmer 1 wird auf ein Meßobjekt 18 mon­ tiert, z. B. ein zu überwachendes Lager einer Werkzeugma­ schine, und zwar so, daß die bei dem Betrieb des Meßobjek­ tes auftretenden Schwingungen auf das Sensorelement 17 übertragen werden. Je nach den auftretenden Schwingungen werden eine oder mehrere der Siliziumzungen 9 mit unter­ schiedlichen Amplituden schwingen. Die dabei entstehenden nichtelektrischen Signale werden über die piezoresistiven Widerstände 6 in elektrische Signale umgewandelt, in der Vorverstärkerschaltung 11 a verstärkt und in dem Meßumformer 11 b entsprechend aufbereitet. Über eine gegebenenfalls zusätzliche Schnittstelle 19, die mit dem Vielfachstecker 14 verbunden ist, werden diese Signale über eine Übertragungsstrecke 20 an die Auswerteschaltung 15 weiter­ geleitet.

In Fig. 4 wird ein Meßobjekt 18, z. B. wiederum eine Werk­ zeugmaschine, mit Hilfe von zwei Schwingungsaufnehmern 1′ und 1′′ überwacht. Beide Schwingungsaufnehmer weisen jeweils ein Sensorelement 17′ bzw. 17′′ sowie eine Vorver­ stärkerschaltung 11 a′ bzw. 11 a′′ auf. Die Meßumformer sind bei den beiden Schwingungsaufnehmern unterschiedlich aufge­ baut. Der Schwingungsaufnehmer 1′ weist im Anschluß an die Vorverstärkerschaltung 11 a′ ein Zeit-Integralglied 21 so­ wie ein von diesem angesteuertes Ausgangsrelais 22 auf, dessen Ausgang mit dem Vielfachstecker 14 verbunden ist. Mit diesem Sensorelement werden Schwingungen bestimmter Frequenzen überwacht, die am Meßobjekt 18 auftreten. Am Ausgangsrelais 22 liegen Signale an, die dem Integral der Frequenzamplituden der einzelnen Siliziumzungen 9 entspre­ chen.

Der Meßumformer des Schwingungsaufnehmers 1′′ weist im An­ schluß an die Vorverstärkerschaltung 11 a′′ ein Zeitglied 23 und diesem nachgeschaltet wiederum ein Ausgangsrelais 24 auf. Die Kontakte 8 des Sensorelementes 17′′ sind mit einem Schwellwertschalter 25 verbunden, der ein Signal an einen Steuereingang des Ausgangsrelais 24 abgibt, sobald das an den Kontakten abgenommene elektrische Signal entsprechend den Amplituden der jeweiligen Siliziumzunge einen bestimm­ ten Wert überschreitet. Am Ausgang des Ausgangsrelais 24 erscheint nur dann ein Signal, wenn das im Zeitglied 23 be­ handelte vorverstärkte Ausgangssignal des Sensorelements 17′′ den durch den Schwellwertschalter 25 vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Dieser zweite Schwingungsaufneh­ mer kann z. B. zur Überwachung kritischer Frequenzen die­ nen, die z. B. bei einem Lagerbruch oder einem Werkzeug­ bruch einer Werkzeugmaschine als Meßobjekt auftreten kön­ nen. Das Ausgangssignal des Ausgangsrelais 24 kann dann zur Alarmansteuerung oder zur Notabschaltung der Maschine dienen.

In Fig. 5 ist die Verbindung des Schwingungsaufnehmers 1 mit der Auswerteschaltung 15 dargestellt. Die entsprechend Fig. 3 oder Fig. 4 behandelten Ausgangssignale des Schwingungsaufnehmers werden einer Eingangsstufe 26 zuge­ führt und im Multiplex mit Hilfe einer Ablaufsteuerung 27 abgefragt. Außerdem sind eine Spitzenwertschaltung 28 und eine Ausgabeeinheit 29 mit der Spitzenwertschaltung 28 verbunden. Die Ausgangssignale der Spitzenwertschaltung 28 können direkt einer Maschinensteue­ rung 30 zugeführt werden, um den Betrieb des Meßobjekts, z. B. der erwähnten Werkzeugmaschine zu beeinflussen.

In Fig. 6 ist eine Auswerteschaltung 15 für die Multiplex­ abfrage von 16 Signalen dargestellt, die demnach etwa in Verbindung mit einer Anordnung gemäß Fig. 4 verwendet wer­ den kann. Die Anzahl kann selbstverständlich auch anders gewählt werden. Die Signale des Schwingungsaufnehmers oder der Schwingungsaufnehmer 1 werden einem Eingangsverstärker 31 zugeführt, dessen Ausgang zum einen mit einem 16-stelli­ gen Multiplexer 32 und zum anderen mit einer Scheitelwert­ schaltung verbunden ist, in der der Scheitelwert Û der je­ weiligen Signale bestimmt wird. Der Ausgang des ersten Multiplexers 32 ist mit einem dreistelligen zweiten Multiplexer 34 verbunden, dessen Ausgangssignale in einem Verstärker 35 verstärkt und von diesem als Spannungssignale U _i entsprechend der jeweils gemessenen Einzelspannung abgegeben werden. Der erste Multiplexer 32 wird von der Ablaufsteuerung 27, der zweite Multiplexer 34 über einen Halteschalter 36 angesteuert. Mit der Ablaufsteuerung 27 in Verbindung mit dem zweiten dreistelligen Multiplexer 34 kann die Multiplexabfrage mit 16 Kanälen auf 32 bzw. 38 Kanäle umgeschaltet bzw. erweitert werden. Synchron mit dieser Abfrage wird über einen zweiten Halteschalter 37, einen Binär/BCD-Wandler 38 und eine Dekoder/Treiberschaltung 39 der jeweilige Kanal auf einer Anzeige 40 dargestellt.

Die Ausgangssignale der Scheitelwertschaltung 33 werden einem dritten ebenfalls 16-stelligen Multiplexer 41 zugeführt, der ebenso wie der Multiplexer 32 von der Ablaufsteuerung angesteuert wird. Mit dem Ausgang dieses dritten Multiplexers 41 ist wiederum ein dreistelliger vierter Multiplexer 42 verbunden, so daß ähnlich wie bei der Eingangsstufe 26 auch bei der Spitzenwertabfrage von 16 auf 32 bzw. 48 Kanäle umgeschaltet werden kann. Am Ausgang des Multiplexers 42 erscheint dann der jeweilige Maximalwert der Einzelspannungen U _i , der nach Verstärkung in einem Verstärker 43 als Spannungswert U _i-max abgegeben wird. Ebenfalls mit dem Ausgang des Multiplexers 42 ist ein Spitzenwertdetektor 44 verbunden, der den Ablauf der einzelnen Maximalsignale überwacht und daraus einen Spitzenwert bestimmt. Dieser Spitzenwert wird einer Abtast- und Halteschaltung 45 zugeführt. Der Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 45 ist mit einem Verstärker 46 verbunden, der dann den Spitzenwert U _max abgibt. Die Maximal- bzw. Spitzenwerte können, wie oben erwähnt, direkt zur Maschinensteuerung verwendet werden.

Die Ablaufsteuerung 27 ist noch mit einer Eingabe 47 ver­ bunden, mit der die Funktion der Ablaufsteuerung 27 beein­ flußt werden kann. Diese Eingabe 47 weist einen Trigger 48, eine Funktionsauswahl 49 unter anderem für die Kanal­ auswahl und eine Einzeltaktschaltung 50 auf, mit der die Multiplexabfrage manuell gesteuert erfolgt. Außerdem dient diese Einzeltaktschaltung noch zum Starten und zum Rück­ setzen der Ablaufsteuerung.

Mit dieser Multiplexabfrage können neben den durch die Schwingungen der Einzelzungen bestimmten Einzelspannungen die Maxima aller Scheitelwerte eines Multiplexerdurchlaufs festgehalten und durch die Ablaufsteuerung die Nummer, d. h. die Multiplexadresse der zugehörigen Zungen festgehal­ ten und zur Anzeige gebracht werden. Mit der Einzeltakt­ schaltung, d. h. einer manuellen Ansteuerung wird bei gleichzeitiger Anzeige der gewählten Adresse der Zunge die rasche Kontrolle kritischer Teilfrequenzen ermöglicht.

Claims (3)

1. Frequenzselektiver Schwingungssensor mit einem Schwingungsaufnehmer, der auf einem Siliziumsubstrat aufgebaut ist und Siliziumzungen als schwingungsempfindliche Strukturen mit gestaffelten Eigenfrequenzen aufweist, die aus dem Siliziumsubstrat durch Ätzen herausgearbeitet wurden, wobei an den Zungenanfängen in das Siliziumsubstrat eingebaute mono- oder polykristalline Piezowiderstände als Signalabnehmer vorgesehen sind, ferner mit einer auf dem Siliziumsubstrat aufgebauten, vorzugsweise integrierten Signalvorverstärker- und Meßumformerschaltung, die mit den Piezowiderständen elektrisch verbunden ist, mit einer mit der Signalvorverstärker- und Meßumformerschaltung über eine Schnittstelle verbundenen Multiplex-Meßschaltung als Auswerteschaltung und einer Ausgabeeinheit, wobei die Multiplex-Meßschaltung eine Ablaufsteuerung zur sequentiellen Multiplexabfrage der von den Siliziumzungen hervorgerufenen und an der Schnittstelle anliegenden Einzelspannungen (Zungensignale) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplex- Meßschaltung (26, 27, 28) eine Eingangsstufe (26) und eine Spitzenwertschaltung (28) aufweist, daß sowohl die Eingangsstufe (26) als auch die Spitzenwertschaltung (28) jeweils einen ersten und zweiten hintereinander geschalteten Multiplexer (32, 34; 41, 42) zur Multiplex-Abfrage der Einzelspannungen (U _i) bzw. der Spitzenwerte (U _i-max) der Einzelspannungen aufweisen, und daß die Ablaufsteuerung (27) über eine Halteschaltung (36) jeweils mit den zweiten Multiplexern (34; 42) verbunden ist.

2. Schwingungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils zweiten Multiplexer (34, 42) eine geringere Anzahl von Eingängen als die zugehörigen ersten Multiplexer (32, 41) aufweisen.

3. Schwingungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwertschaltung (28) ein Spitzenwertdetektor (44) und eine mit dessen Ausgang verbundene Abtast- und Halteschaltung (45) nachgeschaltet sind.