DE4124191A1

DE4124191A1 - Sensorsystem mit quasidigitaler kalibrierung

Info

Publication number: DE4124191A1
Application number: DE19914124191
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dipl Ing Dr Voigt; Walter Dipl Ing Ulke
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1991-07-20
Filing date: 1991-07-20
Publication date: 1993-01-21

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein großer Teil derzeit verfügbarer Sensoren muß für den Einsatz in einem Meßsystem jeweils individuell, d. h. für jeden einzelnen Sensor unterschied lich, kalibriert werden. Diese Maßnahme ist in der Regel mit hohem Aufwand und dementsprechend hohen Kosten verbunden.

Bei elektrisch oder elektronisch auswertbaren Sensoren kann die Kalibrie rung entweder durch Beschalten des Sensors mit passiven Elementen oder durch entsprechende Vorkehrungen innerhalb der nachfolgenden analogen Signalverarbeitung durchgeführt werden.

Neben diesen beiden analogen Möglichkeiten der Kalibrierung, gewinnt die digitale und im wesentlichen mit Rechnersoftware realisierte Kalibrierung im mer mehr an Bedeutung. Dazu wird zunächst das analoge Meßsignal mit ei nem Analog-Digital-Wandler, im folgenden A/D-Wandler bezeichnet, in ein duales Wort bestimmter Breite, z. B. 10 bit, umgewandelt. In einem Rechen werk werden diese digitalen Größen mit Hilfe von im Rechenwerk oder in ei nem dazugehörigen Speicherbaustein abgelegten Kalibrierwerten aufberei tet. Das Ergebnis dieser Rechnung ist der letztendlich gültige und verwertbare Meßwert.

Der Speicherbaustein stellt einen nicht unerheblichen Kostenfaktor innerhalb eines Sensorsystems dar, insbesondere dann, wenn mit "Einchip-Mikrorech nern" gearbeitet wird. Die preiswertesten Speicherbausteine sind maskenpro grammierbare Festwertspeicher, nachträglich programmierbare Speicher sind deutlich teuerer (zur Abgrenzung der Begriffe: der Begriff Sensor wird hier und im folgenden im Sinne von Sensormeßkopf verwendet, während Sensorsy stem ein komplettes Bauteil, also Sensormeßkopf mit zugehöriger Auswertee lektronik (A/D-Wandler, Rechenwerk) bezeichnet).

Zur Kalibrierung lassen sich Sensoren oft durch eine eindimensionale Kennli nie, oder aber, falls der Sensor für z. B. zwei physikalische Eingangsgrößen empfindlich ist, durch eine Kennlinienschar oder eine dreidimensionale Kenn fläche charakterisieren. Diese Kennlinien bzw. Kennflächen vermitteln den Zusammenhang zwischen dem/den digital gewandelten Meßsignal(en) und dem entsprechenden kalibrierten Meßwert.

Ein typischer eindimensionaler Fall ist die Kennlinie eines temperaturstabilen Wegsensors, wobei der Weg die einzige physikalische Eingangsgröße ist. Die Kennlinie ist im allgemeinen nicht linear und läßt sich analogelektronisch nur mit größtem Aufwand in eine Gerade abbilden.

Je nach Genauigkeitsanforderungen läßt sich die Kennlinie durch z. B. 8 Stütz werte charakterisieren. Mit Hilfe von Interpolationsverfahren können auch Zwi schenwerte sehr genau beschrieben werden. Bei einer Wortbreite von z. B. 10 bit erfordern diese 8 Stützwerte einen Speicherbereich von 80 bit, dessen Realisierung als digitaler Speicherbaustein das System deutlich verkompliziert und verteuert.

Vergleichbare Verhältnisse liegen bei der Charakterisierung eines piezo resistiven Drucksensors vor. Da die Druckmessung bei einem solchen Ele ment stark temperaturabhängig ist, wird zusätzlich mit einem zweiten Meß kopf, z. B. einem temperaturabhängigen Widerstand, gleichzeitig die Tempera tur gemessen.

In Fig. 1 ist die Kennfläche dieses Sensors schematisch dargestellt. Die Kenn fläche KS ist aufgespannt über der W_P-W_T-Ebene. W_P ist der analog-digi tal gewandelte Wert der Ausgangsspannung des Druckmeßkopfs und ist so wohl eine nichtlineare Funktion des Drucks als auch der Temperatur. W_T ist der analog-digital gewandelte Wert des Spannungsabfalls über einem tempe raturabhängigen Widerstand, der thermisch mit dem Druckmeßkopf gekoppelt ist.

Die Punkte auf der Kennlinie entsprechen dem wahren, kalibrierten Druck P als Funktion f von W_P und W_T:
P=f (W_P, W_T).

Die Fläche kann z. B. durch 12 Stützwerte S im 10-bit-Format über einen gro ßen Temperaturbereich für viele Anwendungen mit ausreichender Genauig keit beschrieben werden.

Der erforderliche Speicherplatzbedarf von 120 bit wird in bekannten Vorrich tungen durch einen speziell dafür vorgesehenen Speicherbaustein oder auf dem Prozessorchip realisiert, was in beiden Fällen teuer und aufwendig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sensorsystem zu schaffen, mit der eine zu verlässige Kalibrierung kostengünstig und mit wenig elektronischem Aufwand durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einem Sensorsystem mit den kennzeichnenden Merk malen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen stände von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß umfaßt das Sensorsystem neben einem A/D-Wandler, mit dem die analogen Meßsignale digitalisiert werden und einem Rechner, in dem die Kalibrierung durchgeführt wird, ein Netzwerk von diskreten analogen Bauelementen, in die die für die Kalibrierung benötigten Parameter (z. B. Stützwerte) abgebildet werden. Die diskreten analogen Bauelemente sind be vorzugt ohmsche Widerstände oder Kondensatoren. Sie werden bevorzugt in Schichttechnologie hergestellt und automatisch abgeglichen.

Eine Abbildung der Parameter in diskrete analoge Bauelemente bedeutet, daß die einzelnen Zahlenwerte der Bestimmungsgrößen der Bauelemente (Widerstands-, Kapazitätswerte) mit den Werten der einzelnen Parameter zu mindest bis auf einen gemeinsamen Maßstabsfaktor übereinstimmen. Bei spielsweise ist für einen vorgegebenen Stützwert S=750 mbar ein ohmscher Widerstand mit dem Wert R=750 Ohm vorhanden. Für jeden Parameter ist ein entsprechendes Bauelement erforderlich.

Beim Einschalten des Sensorsystems werden die Werte für Widerstand bzw. Kapazität mit Hilfe des A/D-Wandlers und des Rechenwerks digitalisiert und liegen somit im Arbeitsspeicher (RAM) des Rechenwerks während des ge samten Meßvorgangs vor. Separate Speicherbausteine zum Abspeichern der Parameter sind nicht nötig.

Außer durch Stützwerte kann die Kennlinie/Kennfläche eines Sensors auch durch parametrierbare Funktionen, sogenannte Regressionskurven, beschrie ben werden. In diesem Falle werden anstatt der Stützwerte die Funktionspara meter in das Netzwerk der diskreten analogen Bauelemente abgebildet.

Das erfindungsgemäße Sensorsystem eignet sich insbesondere für den Ein satz zur Messung und Regelung des Reifenluftdrucks in Land- und Luftfahr zeugen.

Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben. Fig. 2 zeigt einen Drucksensor, bei dem neben einem ersten Meßkopf MP zur Druckmessung, ein zweiter MT zur Temperaturmessung vorhanden ist. Dieser zweite Meßkopf MT ist notwendig zur Korrektur des stark temperaturabhängi gen Meßkopfs MP.

Die analogen Meßsignale U_P, U_T am Ausgang der Meßköpfe MP, MT wer den in den Verstärkern VP, VT verstärkt, an die analogen Eingänge AN1, AN2 des A/D-Wandlers AD geführt und in die digitalen Werte W_P, W_T gewandelt. Im Rechenwerk RW werden die Werte W_P, W_T anhand der Sen sorkennfläche in einem kalibrierten Druckwert gewandelt. Dieser kann z. B. auf einem in der Figur nicht eingezeichneten Bildschirm ausgegeben wer den.

Um diese Kalibrierung durchführen zu können, muß die Sensorkennfläche - z. B. in Form von Stützstellen - im Rechenwerk RW gespeichert sein, bei der hier vorliegenden dreidimensionalen Sensorkennfläche z. B. 12 Stützstellen. Im Gegensatz zu den bekannten Sensorsystemen werden diese Werte nicht in einem Festspeicherbaustein gespeichert, sondern erst beim Einschalten vor Beginn des Meßvorgangs einmalig ermittelt und im Arbeitsspeicher des Rechenwerks RW abgelegt.

Dazu sind die 12 Stützstellenwerte in 12 ohmsche Widerstände R1- R12, im folgenden auch als Stützwiderstände bezeichnet, abgebildet und die se mit jeweils einem der Portausgänge P1-P12 des Rechenwerks RW ver bunden. Abbildung bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Wider standswerte der Stützwiderstände R1-R12 gleich den Stützstellenwerten gewählt sind.

Entsprechend der digitalen Arbeitsweise des Rechenwerks RW kann an je den der Portausgänge P1-P12 entweder der Spannungswert 0 V oder ein zweiter, konstanter Wert V_DD angelegt werden. Die Portausgänge sind über die jeweiligen Stützwiderstände R1-R12 mit einem analogen Eingang AN3 des A/D-Wandlers AD verbunden. Außerdem sind die Portausgänge P1- P12 über die jeweiligen Stützwiderstände und einen zusätzlichen ohmschen Widerstand R0 an eine konstante Spannung U gelegt, die in dieser Ausfüh rung gleich dem Wert von V_DD ist.

Die Bestimmung und Digitalisierung der einzelnen Widerstandswerte der R1-R12 geschieht nun folgendermaßen:

1. Alle Portausgänge P1-P12 werden auf 0 V geschaltet. Die dann am Ana logeingang AN3 des A/D-Wandlers AD anliegende analoge Spannung U₀ wird in den digitalen Wert W₀ gewandelt.
2. Der Portausgang P1 wird auf V_DD geschaltet. Die dann am Analogein gang AN3 des A/D-Wandlers AD anliegende Spannung U₁ wird in den di gitalen Wert W₁ gewandelt.
3. Aus den beiden Werten W₀, W₁ und dem konstanten Widerstand R0 läßt sich im Rechenwerk RW der Wert des Stützwiderstands R1 bestimmen:
R1=R0/{(W₁/W₀)-1}.
4. Die Schritte 2 und 3 werden für alle Widerstände R2 bis R12 wiederholt. Die obige Formel lautet im allgemeinen Fall: RK=R0/{(W_K/W₀)-1},K=1, 2, 3, . . . 12.

Danach liegen die Widerstandswerte von R1 bis R12 in digitaler Form im Rechenwerk vor und damit auch die Werte der zugeordneten 12 Stützstellen.

Eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Sensorsystems zeigt Fig. 3. Die ohmschen Widerstände R1-R12 sind hier durch die Kondensatoren C1- C12 ersetzt, wobei deren Kapazitätswerte jeweils gleich oder proportional zu den Werten der Stützstellen gewählt sind. Die Portausgänge P1-P12 des Re chenwerks RW sind über die einzelnen Kondensatoren C1-C12 mit dem fre quenzbestimmenden Eingang EO eines externen Oszillators OZ verbunden. Ein Ausgang AO des Oszillators ist mit einem zur Frequenzmessung geeigne ten Eingang D3 des Rechenwerks RW verbunden.

Die Portausgänge P1-P12 können entweder auf Masse oder hochohmig ge schaltet sein. Vom Rechenwerk RW wird die Verstimmung der Oszillatorfre quenz in Abhängigkeit vom Schaltzustand der einzelnen Portausgänge P1- P12 gemessen. Aus den so erhaltenen Frequenzen bei den einzelnen Schalt zuständen werden anschließend im Rechenwerk RW die Kapazitäten der ein zelnen Kondensatoren C1-C12 bestimmt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung können die Portausgänge P1-P12 über die jeweiligen Kondensatoren C1-C12 mit einem pulsdauerbestimmen den Eingang des Oszillators OZ oder einem vom Rechenwerk RW triggerba ren Monoflop verbunden sein, wobei ein Ausgang des Oszillators oder Mono flops mit einem zur Pulsdauermessung geeigneten Eingang des Rechen werks RW verbunden ist. Die Kapazitäten der einzelnen Kondensa toren C1-C12 werden sequentiell über eine Zeitmessung der Pulsdauer vom Rechenwerk RW bestimmt.

Claims

1. Sensorsystem zur Messung einer physikalischen Größe P, umfassend einen Meßkopf (M_P) zur Aufnahme der physikalischen Größe P, und ge gebenenfalls weiterer Meßköpfe (M_T) zur Aufnahme anderer physikali scher Größen, die zur Korrektur der P-Messung verwendet werden, einem A/D-Wandler (AD) zur Digitalisierung der Meßsignale der Meßköpfe (M_P, M_T) sowie einem Rechenwerk (RW), in dem die digitalisierten Meß signale zu einem kalibrierten Meßwert der physikalischen Größe P ge wandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß diskrete analoge Bauele mente (R1-R12, C1-C12) vorhanden sind, in die die für die Kalibrierung im Rechenwerk (RW) benötigten Parameter abgebildet sind, wobei je weils ein Portausgang (P1-P12) des Rechenwerks (RW) mit einem der diskreten analogen Bauelemente (R1-R12, C1-C12) verbunden ist.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die diskreten analogen Bauelemente ohmsche Widerstände (R1-R12) sind,
- die Portausgänge (P1-P12) über den jeweiligen ohmschen Wider stand (R1-R12) mit einem analogen Eingang (AN3) des A/D-Wand lers (AD) verbunden sind und
- die Portausgänge (P1-P12) über den jeweiligen ohmschen Wider stand (R1-R12) und über einen zusätzlichen ohmschen Widerstand (R0) an eine konstante Spannung (U) gelegt sind.

3. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die diskreten analogen Bauelemente Kondensatoren (C1-C12) sind,
- die Portausgänge (P1-P12) über den jeweiligen Kondensator (C1- C12) mit dem frequenzbestimmenden Eingang (EO) eines Oszillators (OZ) verbunden sind, und
- ein Ausgang (AO) des Oszillators (OZ) mit einem zur Frequenzmes sung geeigneten Eingang (D3) des Rechenwerks (RW) verbunden ist.

4. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die diskreten analogen Bauelemente Kondensatoren (C1-C12) sind,
- die Portausgänge (P1-P12) über den jeweiligen Kondensator (C1- C12) mit dem pulsdauerbestimmenden Eingang eines Oszillators (OZ) oder Monoflops verbunden sind, und
- ein Ausgang des Oszillators (OZ) oder Monoflops mit einem zur Pulsdauermessung geeigneten Eingang des Rechenwerks (RW) ver bunden ist.