DE4324513A1 - Verfahren, Schaltung und Messaufnehmer zum Erfassen physikalischer Größen durch gezielte Messung von charakteristischen Größen des Antwortsignales - Google Patents

Verfahren, Schaltung und Messaufnehmer zum Erfassen physikalischer Größen durch gezielte Messung von charakteristischen Größen des Antwortsignales

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Description

Passive elektrische Bauelemente mit Zeitverhallten können unter bestimmten Voraussetzungen in vielfältiger Weise als physikalische Meßaufnehmer genutzt werden.
Unter einem passiven elektrischen Bauelement mit Zeitverhalten wird im Allgemeinen ein solches verstanden, an welchem bei Anlegen eines elektrischen Eingangssignales Ee(t) ein zeitabhängiges elektrisches Antwortsignal Ea(t) entsteht, wobei der Zusammenhang zwischen Eingangs- und Antwortsignal durch eine Differentialgleichung beschrieben werden kann. Beispiele solcher Bauelemente sind Induktivität und Kapazität mit den zugehörigen Differential­ gleichungen: Induktivität L: uL = L · di/dt und Kapazität C: uC: 1/C ·i ·dt.
Nachfolgend wird ein Verfahren beschrieben, welches es gestattet physikalische Größen mittels elektrischer Bauelemente mit Zeitverhalten statisch und dynamisch zu messen.
Zu diesem Zweck setzt man das entsprechende elektrische Bauelement mit Zeitverhalten - oder einen elektrischen Schaltkreis der ein Bauelement mit Zeitverhalten enthält - einem zeitabhängigen elektrischen Eingangssignal Ee(t) aus und wertet vom Antwortsignal Ea(t) eine charakteristische Größe aus.
Als Beispiel für zeitabhängige Eingangssignale Ea(t) sei eine Sprungfunktion oder eine mit der Zeit linear ansteigende Eingangsgröße (Rampe) genannt.
Beispiele für eine charakteristische Größe des Antwortsignales Ea(t) sind:
die 1te Ableitung E′a(t), oder die Zeitdauer Tm welche das Antwortsignal bis zum Erreichen eines bestimmten Wertes Up benötigt, oder der Wert Ea(Td) den das Antwortsignal nach einer definierten Zeit erreicht hat oder das Integral des Antwortsignales.
Fig. 1 zeigt ein Schaltungsbeispiel mit Induktionsspule 1 und Widerstand 2 sowie verschiedene Möglichkeiten der Erfassung des "Eintauchweges" s eines ferromagnetischen Ankers 3 bei einer Sprungfunktion als Eingangssignal.
In Fig. 1a ist als charakteristische Größe für den Eintauchweg s des Ankers die Zeit Tm1 gewählt welche das Antwortsignal Ea(t) benötigt um einen bestimmten Spannungspegel Up zu erreichen.
Praktisch wird eine solche Aufgabe mittels Schmittrigger und Mikroprozessor gelöst. In Fig. 1b ist als charakteristische Größe für den Eintauchweg s der Wert Eai des Antwort­ signales gewählt, welcher nach einer vorgegebenen Zeit Td erreicht ist.
Praktisch wird solch eine Aufgabe mittels Timer, der einen AD-Wandler auslöst oder mittels eines Mikrocontrollers oder Mikroprozessorsystems gelöst.
In Fig. 1c wurde als charakteristische Größe der Wert Iai gewählt, den die Integralfunktion des Antwortsignales Ea(t) zu einer vorgegebenen Zeit Td erreicht hat.
Fig. 1 verdeutlicht, daß eine Vielzahl von charakteristischen Größen des Antwortsignales Ea(t) für die Bestimmung der Meßgröße "Weg s" herangezogen werden können.
Fig. 2 zeigt, daß als Eingangssignal Ee(t) auch eine "Rampenfunktion" ein auswertbares Antwort­ signal Ea(t) liefert. Die in Fig. 2 gezeichneten si-Kurven können nach Zeit- oder Signalwerten ausgewertet werden.
Fig. 3 stellt einen Schaltkreis aus Widerstand 2 und Kondensator 4 mit Eingangs-und Antwort­ signal dar. Bei dieser Anordnung wird die Meßgröße "Weg s" als Einflußparameter auf die Kapazität C in der oben beschriebenen Weise ermittelt. Fig. 3 soll zwei Fakten herausstellen:
Erstens, daß der Abgriff des Antwortsignales auch am Meßaufnehmer selbst erfolgen kann, zweitens daß das gleiche Verfahren mit unterschiedlichen Meßaufnehmern (sowohl Induktions­ spule als auch Kondensator) durchgeführt werden kann.
Der Erfindung entsprechend wird nun auf den Schaltkreis bzw. Meßaufnehmer eine Folge der oben beschriebenen Eingangssignale gegeben und deren Antwortsignale mit einem Mikroprozessorsystem oder Mikrocontroller in bezug auf eine charakteristische Größe ausgewertet. Durch die hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten der aktuellen Mikroprozessoren ist es somit möglich eine einzelne Meßwerterfassung weit unter einer Millisekunde zu realisieren.
Dadurch lassen sich durch die rasche Abfolge einer Vielzahl von nacheinander ausgeführten Einzelmessungen die Meßgrößen dynamisch bis in den Kilohertzbereich erfassen. Die Folge der Eingangssignale wird in der Regel durch das Programm vorgegeben und richtet sich üblicher Weise nach der Dynamik der Meßgröße. Bei langsamen Vorgängen kann es genügen jede Sekunde eine Messung auszuführen, während ein hochdynamischer Vorgang Meßraten von 10 kHz oder mehr erfordern kann.
Die Obergrenze der Dynamik ist dabei von der Taktfrequenz und dem internen Zeitverhalten der verwendeten IC′s abhängig.
Fig. 4 zeigt schematisch das beschriebene Verfahren.
Der Mikrocontroller 7 gibt auf den Schaltkreis 5, bestehend aus Induktionsspule 1 mit Anker 3 und Widerstand 2 zeitabhängige Eingangsignale Ee(t) (im Beispiel Sprungfunktionen, Fig. 4b). Zum Startzeitpunkt eines Eingangssignales Ee(t) wird per Programm ein Timer gestartet. In Abhängigkeit des Eintauchweges s(t) (Fig. 4a) des Ankers hat das Antwortsignal Ea(t) eine unterschiedliche Anstiegsflanke, (Fig. 4c) dadurch ist die Zeit Tm1 welche das Ausgangssignal Ea(t) bis zum erreichen des Triggerwertes Up benötigt ein Maß für den Weg s. Die Zeit Tm1 (Fig. 4d) wird mittels eines Schmittriggers 6 erfaßt, welcher dem Mikrocontroller bei Erreichen der Triggerspannung Up ein Signal zum Anhalten des Timers gibt. Nach einer programmabhängigen Pausenzeit wird die nächste Sprungfunktion vom Mikrocontroller ausgegeben.
Fig. 5 zeigt eine Ausgestaltung des Schaftkreises mit einem Transistor 8 wie sie in Anspruch 4 angegeben ist. Der Transistor 8 erhöht die Empfindlichkeit des Meßaufnehmers durch eine Zeitspreitzung des Antwortsignales.
Die Empfindlichkeit der Induktionsspule 1 ist durch den Variationsbereich der Induktivität L und die Zeiteinheit des Mikrocontrollers 7 gegeben. Eine kleinausgeführte Induktionsspule variiert zwischen Zeitkonstanten (T = L/R) von 10 bis 30 µs bei ein- bzw. ausgefahrenem Anker 3 (s: 0 . . . 3 mm). Durch die Anordnung des Transitators 8 wird erreicht, daß bei 5 V sprungförmiger Eingangsspannung Ue(t) an der Induktionsspule 1 nahezu konstant 0,7 V anliegen. (Fig. 5a)
Im Idealfall hätte dies einen stetig ansteigenden Strom mit vom Ankerweg s abhängiger Steigung zur Folge. (uL(t) dt = Ldi)
Da die Induktionsspule 1 jedoch über einen ohmschen Widerstand verfügt, verläuft der Strom und mithin der Spannungsabfall am Widerstand 2 wieder nach einer e-Funktion, jedoch mit wesentlich flacherem Anstieg, in etwa einer Zeitkonstante von 150 µs entsprechend. (schraffierter Bereich in Fig. 5b). Dadurch wird bei gleicher Timerauflösung von 1 µs eine größere Meßspanne und mithin Empfindlichkeit erzielt. Dies geht allerdings auf Kosten der Dynamik.
Fig. 6 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Kraftsensors nach Anspruch 18. Der Kraftsensor besteht aus zwei elektrisch leitenden Platten 9, 10 welche durch eine Isolierschicht 11 voneinander getrennt sind. Aus mechanischer Sicht sind die beiden Platten Biegebalken mit einer festen Beziehung zwischen Kraft F und Durchbiegung f. Wird nun auf eine der Platten 9 eine Kraft F ausgeübt, so ändert sich der Plattenabstand s(l,F) und kann in der oben beschriebenen Weise anhand einer charakteristischen Größe des Antwortsignales ermittelt werden. Die Dimensionen und der Plattenwerkstoff legen den Meßbereich fest. Durch Mehrlagenanwendung und gezielten Einsatz eines Dielektrikums zwischen den Platten lassen sich weitere Verbesserungen erzielen.
Fig. 7 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eines Meßaufnehmers einen Krümmungs-, Biege- oder Winkelsensor nach Anspruch 17. Der Krümmungssensor besteht aus zwei elektrisch leitenden, dünnen, biegsamen Platten oder Folien 9 und 10. Die beiden dünnen Platten sind durch einen Isolator 11 voneinander getrennt. (Fig. 7a). Der Krümmungssensor wird auf dem sich krümmenden oder biegenden Meßobjekt befestigt und macht dessen Verformung mit.
Das Meßobjekt kann z. B. ein Gelenk oder ein Biegebalken sein. Durch Krümmung des Sensors nähern sich die beiden Platten 9 und 10 (Fig. 7b) wodurch sich das Antwortsignal ändert und nach in oben beschriebener Weise ausgewertet werden kann. Ab einer bestimmten Krümmung berühren sich die beiden Platten 9 und 10. Um einen Kurzschluß zu vermeiden trägt nun eine der beiden Platten auf ihrer gesamten Innenfläche eine sehr dünne Isolationsschicht 12 (Fig. 7c). Damit stützen sich die beiden Platten 9 und 10 in der Mitte ab und es kommt zu einer weiteren Annäherung der Platteninnenflächen bei vorschreitender Krümmung. Ein derartiger Krümmungs­ sensor erfaßt Meßbereiche von mindestens 90°.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich nach Anspruch 21. In einem Schaltkreis mit zwei elektrischen Bauelementen von den nur eines über ein Zeitverhalten verfügt kann die Meßgröße des anderen Bauelementes ebenfalls aus einer charakteristischen Größe des Antwort­ signales ermittelt werden. Als Beispiel sei eine Reihenschaltung aus Kondensator und Widerstand betrachtet. Der Widerstandswert legt das Antwortsignal fest und wirkt somit als Meßgeber. Damit kann zum Beispiel ein Drehpotentiometer als Winkelaufnehmer und ein Linearpotentiometer als Wegaufnehmer verwendet werden. Der wesentliche Unterschied zur herkömmlichen Anwendung von Potentiometern besteht in der Art des erzeugten Meßwertes. Während herkömmliche Potentimeter eine dem Meßwert (z. B. Winkel oder Weg) entsprechende Analogspannung liefern welche zur digitalen Weiterverarbeitung erst umgewandelt werden muß, wird im Sinne der Erfindung als charakteristische Größe des Antwortsignales in diesem Fall die Zeit Tm1 bis zum Erreichen eines Triggerlevels direkt als digitaler Wert für die Meßgröße erfaßt. Diese Methode ist deutlich kostengünstiger.
Begriffsfestlegung
Der große Umfang der Patentansprüche erfordert eine verhältnismäßig allgemeine Formulierung. Um sowohl Fehlinterpretationen zu vermeiden, als auch eine klare Abgrenzung zu anderen Schutz­ rechten zu gewähren, werden nachfolgend die wesentlichen Begriffe der Patentansprüche festgelegt.
  • - "Folge von definierten elektrischen Eingangssignalen"
  • Unter "Folge" ist eine beliebige Anzahl diskreter Signal-Zeit-Funktionen zu verstehen, welche zeitlich nacheinander entstehen und deren gemeinsamer zeitlicher Verlauf keine Periodizität aufzuweisen braucht.
  • - "charakteristische Größe des Antwortsignales"
  • Da jedes einzelne Ausgangssignal separat ausgewertet wird, ist die "charakteristische Größe" nur auf den jeweiligen Signal-Zeit-Rahmen eines Einzelsignales bezogen. Der Begriff Frequenz z. B. ist also keine charakteristische Größe im Sinne der Patentansprüche.
  • - "physikalische Größe"
  • Der Begriff "physikalische Größe" soll auch geometrische Größen wie z. B. Weg oder Winkel und elektrische Größen wie Spannung oder Strom beinhalten.
Vorteile
Die mit der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile sind vielfältig.
Das Verfahren ermöglicht die Anwendung einer Vielzahl von kostengünstigen, einfach zu realisieren­ den, Meßaufnehmern und bietet damit zu bestehenden Verfahren eine echte Alterative bzw. eröffnet bisher nicht erreichte Anwendungsgebiete.
Aufgrund der vielfältigen konstruktiven Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich damit folgende Anwendungsgebiete:
  • - Wegmessung von
  • - zerstörungsfreie Dickenmessung
  • - Kraftmessung im Bereich von GN bis mN
  • - Beschleunigungsmessung
  • - Druckmessung
  • - Sensorkleidung
  • - sensible Tastenelemente für Roboterhände und Sensorhandschuhe.
Des weiteren können die genannten Meßaufnehmer einfach aus bestehenden Bauelementen (Induktionsspulen) oder mittels isolierter, leitender Platten (Kraftsensor) hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in ihrer Eigenschaft die haufig benötigte Analog/Digital- Wandlung von Meßwerten bereits durch das Verfahren selbst zu erstellen und somit einen Analog/Digital-Wandler einzusparen.

Claims (21)

1. Verfahren, Schaltung und Meßaufnehmer zum Erfassen physikalischer Größen dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens ein elektrisches Bauelement mit Zeitverhalten, oder einen mindestens ein derartiges Bauelement enthaltenden elektrischen Schaltkreis eine Folge von definierten, elektrischen Eingangssignalen gegeben wird, und daß aus einer charakteristischen Größe des an einer bestimmten Stelle des Schaltkreises oder am Bauelement selbst erfaßten Antwortsignales eine auf das Bauelement mit Zeitverhalten, oder ein anderes Bauteil des Schaltkreises wirkende physikalische Größe bestimmt wird.
2. Verfahren, Schaltung und Meßaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem beschriebenen Schaltkreis mindestens ein elektrisches Bauelement mit Zeit­ verhalten durch gezielte, konstruktive Ausgestaltung als Meßaufnehmer für physikalische Größen verwendbar ist.
3. Verfahren, Schaltung und Meßaufnehmer nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßaufnehmer oder dem ihn enthaltenden Schaltkreis eine Folge von möglichst konstanten oder zeitlich linearen Eingangssignalen eingeprägt wird.
4. Verfahren, Schaltung und Meßaufnehmer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung aus einem induktiven Meßaufnehmer mit in Reihe liegendem Widerstand besteht, und einen Transistor enthält, welcher mit seinem Emitter- und Basisanschluß parallel zum Meßaufnehmer und mit seinem Kollektor an Masse der Schaltung liegt wodurch dem Meßaufnehmer eine annähernd konstante Eingangspannung eingeprägt, und damit eine zeitliche Spreitzung des am Widerstand abgegriffenen Antwortsignales und mithin eine Empfindlichkeitssteigerung bewirkt wird.
5. Verfahren und Meßaufnehmer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer auf dem induktiven Prinzip beruht und somit das Antwortsignal von den physikalischen Einflußparametern auf die Induktivität abhängt, und daß eine gewünschte physikalische Größe je nach Ausgestaltung des Meßaufnehmers und evtl. der Schaltung vorzugsweise erfaßt und ihr Wert durch gezielte Auswertung einer charakteristischen Größe des Antwortsignales bestimmt wird.
6. Verfahren und Meßaufnehmer nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer als Zylinderspule beliebigen Querschnitts ausgeführt ist, deren Induktivität und somit der zeitliche Verlauf des Antwortsignales vom Eintauchweg eines Ankers aus vorzugsweise ferromagnetischem Material in den Spulenkörper abhängt.
7. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer als Zylinderspule beliebigen Querschnitts ausgeführt ist, deren Induktivität und somit der zeitliche Verlauf des Antwortsignales vom Abstand der Zylinderspule zur Oberfläche eines magnetisierbaren (vorzugsweise ferromagnetischen) Körpers abhängt.
8. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer als Zylinderspule beliebigen Querschnitts ausgeführt ist, deren Inneres mit elastischem Material derart gefüllt ist, daß die Zylinderspule durch Krafteinwirkung elastisch elastisch deformierbar ist und somit der zeitliche Verlauf des Antwortsignales von einer Quer­ schnittsänderung abhängt.
9. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer als Zylinderspule beliebigen Querschnitts ausgeführt ist, welche auf einen längselastischen Kern gewickelt ist und somit der zeitliche Verlauf des Antwortsignales von der Spulenlänge abhängt.
10. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer als Zylinderspule beliebigen Querschnitts mit ferromagnetischem Kern ausgeführt ist, dessen magnetischer Fluß bei Abstandsänderung zu einen Magnetfeld eine Änderung erfährt und somit der zeitliche Verlauf des Antwortsignales vom Abstand der Spule zu einem Permanentmagneten abhängt.
11. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer auf dem induktiven Prinzip berührt und bei definierten Parametern der zeitliche Verlauf des Antwortsignales von der Permeabilität eines Testmaterials abhängt.
12. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer als Magnetkreis mit Luftspalt und Spule sowie einem den Luftspalt durch­ dringenden ferromagnetischen beweglichen Anker aufgebaut ist und somit der zeitliche Verlauf des Antwortsignales von dem den Luftspalt durchsetzenden Ankervolumen abhängt.
13. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, 2, 5 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der den Luftspalt des Magnetkreises durchdringende Anker sowohl Linear- als auch Kurvenbewegungen in einer parallel zu den Luftspaltgrenzflächen liegenden Ebene ausführen kann und somit das Antwortsignal von der Stellung des Ankers in o.g. Ebene abhängt.
14. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, 2, 5 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der den Luftspalt des Magnetkreises durchdringende Anker in einer zu den Luftspalt­ grenzfläche parallelen Achse drehbar ist und über einen nichtkonzentrische Querschnitt verfügt und somit das Antwortsignal von der Winkelstellung des Ankers abhängt.
15. Verfahren und Meßaufnehmer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer auf dem kapazitiven Prinzip beruht und somit das Antwortsignal von den physikalischen Einflußparametern auf die Kapazität abhängt, und daß eine gewünschte physikalische Größe je nach Ausgestaltung des Meßaufnehmers und evtl. der Schaltung vorzugsweise erfaßt und ihr Wert durch gezielte Auswertung einer charakteristischen Größe des Antwortsignales bestimmt wird.
16. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, 2 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei elektrisch leitende, isoliert gegenüberstehende Flächen ihren Abstand zueinander ändern können und somit der zeitliche Verlauf des Antwortsignales vom Abstand der Flächen abhängt.
17. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, 2 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens zwei elektrisch leitende, biegsame Platten oder Folien isoliert gegen­ überstehen, so daß deren Annäherung ein Maß für die Krümmung oder den Winkel eines Meßobjektes darstellt und somit der zeitliche Verlauf des Antwortsignales von der Krümmung oder dem Winkel des Meßobjektes abhängt.
18. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, 2 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei elektrisch leitende, isoliert gegenüberstehende Platten konstruktiv so ausgeführt sind, daß ihr Abstand und somit der zeitliche Verlauf des Antwortsignales in Zusammenhang zu der auf die Platten ausgeübten Kraft steht.
19. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, 2, 16, 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den Platten ein Dielektrikum befindet.
20. Meßaufnehmer nach Anspruch 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer als eine flexible mit zusammendrückbaren Dielektrikum gefüllte elastische Blase mit zwei sich nichtberührenden, dünnen, elektrisch leitfähigen, flexiblen Platten oder Folien ausgeführt ist.
21. Verfahren, Schaltung und Meßaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis aus mindestens einem Bauelement mit Zeitverhalten und mindestens einem Bauteil ohne Zeitverhalten besteht und daß das Bauteil ohne Zeitverhalten als Meßaufnehmer für physikalische Größen dient.
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