EP1730472A1 - Sensor comprising a surface wave component - Google Patents

Sensor comprising a surface wave component

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Publication number
EP1730472A1
EP1730472A1 EP05714730A EP05714730A EP1730472A1 EP 1730472 A1 EP1730472 A1 EP 1730472A1 EP 05714730 A EP05714730 A EP 05714730A EP 05714730 A EP05714730 A EP 05714730A EP 1730472 A1 EP1730472 A1 EP 1730472A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
sensor according
surface wave
wave component
coding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05714730A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Reto Peter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kistler Holding AG
Original Assignee
Kistler Holding AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kistler Holding AG filed Critical Kistler Holding AG
Publication of EP1730472A1 publication Critical patent/EP1730472A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/02—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for altering or correcting the law of variation
    • G01D3/022—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for altering or correcting the law of variation having an ideal characteristic, map or correction data stored in a digital memory

Definitions

  • the invention relates to a sensor comprising a coded component according to the preamble of claim 1.
  • Sensors are installed in many places for the acquisition and forwarding of measurement data in structures, for example in machine parts. These structures can be exposed to very high temperatures and / or strong accelerations during the measurements.
  • Such sensors for example piezoelectric sensors, have different sensitivities, which usually have to be set manually on the amplifier. When installed, it is often no longer possible to identify the identification, for example by means of a serial number, and thus use the associated data sheet to infer the sensitivities and / or other sensor-specific data. In the case of a large number of built-in sensors, there is also the risk of confusion by swapping the measuring lines.
  • Some sensors contain memory chips with the corresponding data, which are queried before the measurements. This data can be included directly in the measurement report. Since such memory chips cannot be used in high-temperature areas, only passive components are usually suitable for these applications.
  • WO 02/082023 describes a method for automatically detecting the sensitivity of sensors. According to this procedure If a sensor is to be assigned a resistance of a specific size, by means of which the sensor is assigned to a specific sensor group with a predetermined sensitivity range.
  • the disadvantage of this method is that an additional line to the sensor is required to measure the resistance, so that the identification cannot be carried out during the measurement.
  • the invention has for its object to describe a sensor that can query its sensitivity directly through the existing measuring lines and is therefore compatible with existing installations. This task is also intended to be achieved, in particular, for small sensors and can also be used at very high temperatures.
  • the sensor according to the invention comprises a coded surface wave component which is coded with the information of the sensor sensitivity. This information can be queried via a conventional measuring line between an evaluation device and the sensor. Since this component has only little information, for example three digits as in a value 9.54, the component can be made so small that it can also be integrated in a small sensor.
  • the sensor sensitivity read can be set directly in the evaluation unit.
  • FIG. 1 shows a schematic measuring arrangement with a sensor according to the invention with integrated sensitivity detection
  • Fig. 2 is a schematic representation of a surface acoustic wave device
  • Fig. 4 is a schematic representation of a surface acoustic wave device with frequency-dependent reflectors
  • Fig. 5 spectrum of a signal response from a surface acoustic wave device with frequency-dependent reflectors
  • Fig. 6a, b time signals of a signal response from a surface acoustic wave device with frequency-dependent reflectors, filtered on the different frequencies
  • Fig. 7 example of a signal response S as a time function
  • FIG. 1 shows a sensor 4 for recording and forwarding measured values.
  • This can be a piezoelectric, piezoresistive or optical sensor, for example.
  • the measurement data are recorded by a sensor 1 and forwarded within the sensor 4 via a sensor line 5. Outside the sensor 4, the measurement data are forwarded to an evaluation device 7 via a measurement line 6, for example via a coaxial cable.
  • the sensor 4 comprises at least one surface wave component 2, which is connected to the sensor-specific ones Sensitivity values is encoded.
  • This coding can also be queried via the two lines, sensor line 5 and measuring line 6, and corresponds to the sensitivity of the sensor.
  • the queried sensitivity value can be set directly by the evaluation device itself. This eliminates the need to manually adjust the sensitivity, as is required today with "Plug and Play".
  • the surface wave component 2 comprises a coupling area 3.
  • a high-frequency signal is introduced from the sensor line 5 into the component 2, reads the coding of the surface wave component 2 and transmits this data again in the same way to the evaluation device 7.
  • Die Introduction into the coupling area 3 is preferably carried out by means of an electromagnetic coupling to the sensor line 5.
  • This electromagnetic coupling can be inductive or capacitive, for example. With a capacitive coupling, one connection of the converter is connected to ground.
  • a galvanically decoupled high-frequency signal transmitted via lines 5 and 6 does not interfere with the measuring operation, so that measurement and data can be transmitted at the same time.
  • a change of the sensor or an interruption in the wiring is immediately recognized in this way and thus ensures permanent monitoring of the sensor as part of a self-test.
  • FIG. 2 shows a possible construction of a surface wave component 2 according to the invention.
  • This component essentially consists of piezoelectric carrier material. It is also possible to use the sensor 1 as a support material for this component 2.
  • An interdigital transducer 8 is located on this carrier material, which converts the incoming high-frequency Converts signal into a surface wave. This wave propagates on the surface of the carrier material and is partially reflected on appropriately positioned reflectors 11. The reflected signal is in turn converted at the interdigital transducer 8 and sent to the evaluation device 7 as a high-frequency signal.
  • the coding is implemented on the surface wave component 2 by the positioning of the reflectors 11.
  • This coding causes a time-delayed signal response of an interrogation signal, the delay time corresponding to the transit time of the surface wave for twice the path length, which must be covered by the converter 8 to the respective reflector 11.
  • a reflector 11 can be attached to one of the possible, provided, preferably aquidistant code points 9.
  • These imaginary code positions 9 can preferably be subdivided into blocks 10 which are preferably at least the same distance apart from one another as the code positions 9 from one another.
  • exactly one code point 9 of a block 10 is provided with a reflector 11.
  • Each reflector 11 causes part of the wave to be reflected when the wave passes through this location.
  • the position of a reflector 11 on one of the code positions 9 within a block 10 on the carrier substrate determines the time delay of the response signal to the interrogation signal, since the time delay is proportional to the distance between the interdigital transducer 8 and the position of this reflector 11.
  • the time-dependent response signal arises from the arrangement of the individual response signals from all reflectors.
  • two blocks 10 of five code positions 9 each can be provided. This results in five to two, ie 25 different sensitivities that can be read out. Additional blocks with area digits 12 may also be present. These can include the area of Determine sensitivities or the coefficients to compensate for the temperature dependency. These area locations are also preferably aquidistant.
  • the advantage of, for example, two areas of five digits each compared to an area of 25 digits is that the space requirement for the surface wave component 2 is therefore less for the same number of possible different sensitivity values, namely 11 (2x5 + 1) instead of 25 Code digits 9.
  • the entire coding can be used in one component of at most 5 mm, advantageously of at most 3 mm.
  • the surface wave component 2 can have at least two, preferably three further reflectors 11, which contain calibration reflectors 13, which are more pronounced than the other reflectors 11 in order to cause a greater reflection. This means that they are clearly recognized during the evaluation. There are one at the very beginning and one at the very end of the area traversed by the wave, and possibly a third near one of the first. These calibration reflectors 13 are used to calibrate the surface wave component 2 by measuring the time difference between the response signals from these calibration reflectors 13. In this way, the time delays of each individual code position 9 and of a range part 12 can be determined, since these must be proportional to the geometric distances of all positions from one another.
  • This calibration is important because a change in length, especially in particular a change in length caused by temperature change, pressure or expansion, as well as a temperature change in component 2 or a change in the propagation speed of the wave causes stretching or compression of the response signal. If the component is not exposed to any mechanical forces, the evaluation of the response signals from the calibration reflectors 13 clearly indicates the temperature at the component and thus at the sensor. On the other hand, at constant temperature, the same evaluation can be used to infer a length change of the component and thus a determination of pressure, expansion, acceleration, force and / or moments that act on the component because the component consists of piezoelectric material.
  • the unit Since the unit has to be integrated into existing sensors, a particular problem is the miniaturization of the component 2 while at the same time maintaining the amount of information that can be stored.
  • the type of coding, the scope of the code and the calibration points determine the length of the acoustic path, which is proportional to a dimension of the component 2.
  • components 2 are therefore required which can provide even more information in an even smaller space.
  • a very efficient solution for reducing the length dimension of component 2 is that a signal is used as the interrogation signal, which consists of two different frequency ranges fl and f2, for example 600 MHz and 800 MHz.
  • frequency-selective reflectors 11 must be used, each reflecting only one signal in one frequency range, while a signal in the other frequency range can pass unhindered.
  • Such frequency selective reflectors are shown in Fig. 3 and 11 'respectively. 11 ''. They are formed by different distances and widths of reflection fingers 14.
  • 10 one reflector 11 'and 11''each are attached, with which two of the code positions 9 are occupied, one for each frequency range.
  • n (nl) different states for the coding can thus be described without requiring more space. 4 shows an example of such a component 2 with reflectors 11 'and 11''.
  • Two non-overlapping but closely adjacent frequency ranges are advantageously selected so that a broadband interrogation system can evaluate both code regions in one interrogation cycle.
  • FIG. 5 shows the spectrum of a measured signal response in which the two separated frequency ranges fl and f2 are visible.
  • the code is determined by transforming each section separately into a time signal using a Fourier transform. Such signals are shown in Figs. 6a and 6b.
  • the assignment to the overall code can be made as desired, for example by adding the two time signals obtained.
  • the calibration signals can be set with a slight time offset on both frequency ranges or only with one frequency range.
  • the advantage of the sensor according to the invention is that the read values can be assigned directly to the sensitivities and / or other sensor-specific parameters, that is to say without using a database and using the usual measuring line. This means that any sensors can be operated with existing evaluation devices.
  • the sensitivity is determined by the position of a reflector 11 within a block 10 or within a number of blocks 10 played.
  • a block 10 is divided into a grid of ten code positions 9, which can be numbered from 1 to 10.
  • the distance between two adjacent code positions 9 should correspond approximately to the length covered by a surface wave in 12.5 ns.
  • the time difference of a signal response from neighboring reflectors is therefore 25 ns because the wave has to travel twice.
  • 100 ( 10 2 ) different values result, for example all values between 0 and 1 in steps of 0.01.
  • Tables 1 and 2 indicate the corresponding value ranges of the various possible delay times, which is given by the position of the reflectors 11.
  • the reflectors 11 must have a minimal time interval.
  • the time interval between the code points corresponds to the system resolution, which is given by the inverse of the bandwidth of the query system. These bandwidths are limited so that the minimum time interval is given by the query system.
  • the signal responses S are shown in FIG. 7.
  • the response of the calibration reflectors 13 can be clearly seen after ti and after t k2 .
  • These calibration reflectors 13 are preferably designed in such a way that their signal responses are significantly higher than the responses of the other reflectors.
  • a sensor sensitivity of 0.97 pC / N would be encoded with 2 time signals at tl + 225 ns and at t2 + 175 ns, where tl and t2 are the transit times of a surface wave at the beginning of the corresponding blocks 10.
  • temperature coefficients of sensitivity can also be specified as corrections in percentages. These describe the relative change in sensitivity as a percentage of room temperature. Table 4 shows an example of the assignment values for delay times of the signal responses in such a fourth block

Abstract

The invention relates to a sensor (4) comprising a surface wave component (2) containing information relating to the sensitivity of the sensor. Said information can be consulted by means of a conventional measuring line (6) between an evaluation appliance (7) and the sensor (4). As said component (2) only comprises a small amount of information, for example three figures, it (2) can be very small, such that it can be integrated into a small sensor (4). The read sensor sensitivity can be automatically adjusted in the evaluation appliance (7). The information can be encoded on the surface wave component (2) by means of various reflectors (11) that can be frequency-selective.

Description

SENSOR MIT OBERFLÄCHENWELLEN-BAUELEMENTSENSOR WITH SURFACE WAVE COMPONENT
Die Erfindung betrifft einen Sensor umfassend ein kodiertes Bauelement gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a sensor comprising a coded component according to the preamble of claim 1.
Sensoren werden vielerorts zum Erfassen und Weiterleiten von Messdaten in Strukturen, beispielsweise in Maschinenteilen, eingebaut. Diese Strukturen können bei den Messungen durchaus sehr hohen Temperaturen und/oder starken Beschleunigungen ausgesetzt sein. Solche Sensoren, beispielsweise piezoelektrische Sensoren, haben unterschiedliche Empfindlichkeiten, die meist von Hand am Verstärker eingestellt werden müssen. Im eingebauten Zustand ist es oft nicht mehr möglich, die Identifikation, beispielsweise mittels Serienummer, zu erkennen und somit durch das dazugehörige Datenblatt auf die Empfindlichkeiten und/oder andere sensorspezifische Daten zu schliessen. In Fall von einer Vielzahl von eingebauten Sensoren besteht zudem die Gefahr einer Verwechslung durch Vertauschen der Messleitungen.Sensors are installed in many places for the acquisition and forwarding of measurement data in structures, for example in machine parts. These structures can be exposed to very high temperatures and / or strong accelerations during the measurements. Such sensors, for example piezoelectric sensors, have different sensitivities, which usually have to be set manually on the amplifier. When installed, it is often no longer possible to identify the identification, for example by means of a serial number, and thus use the associated data sheet to infer the sensitivities and / or other sensor-specific data. In the case of a large number of built-in sensors, there is also the risk of confusion by swapping the measuring lines.
Manche Sensoren enthalten Speicherchips mit den entsprechenden Daten, die vor den Messungen abgefragt werden. Diese Daten können direkt ins Messprotokoll aufgenommen werden. Da solche Speicherchips in Hochtemperaturbereichen nicht einsetzbar sind, eignen sich für diese Anwendungen meist nur passive Komponenten.Some sensors contain memory chips with the corresponding data, which are queried before the measurements. This data can be included directly in the measurement report. Since such memory chips cannot be used in high-temperature areas, only passive components are usually suitable for these applications.
Die WO 02/082023 beschreibt ein Verfahren zum automatischen Erkennen der Empfindlichkeit von Sensoren. Nach diesem Verfahren soll einem Sensor ein Widerstand einer bestimmten Grosse zugeordnet werden, durch den der Sensor einer bestimmte Sensorgruppe mit einem vorbestimmten Empfindlichkeitsbereich zugeordnet wird.WO 02/082023 describes a method for automatically detecting the sensitivity of sensors. According to this procedure If a sensor is to be assigned a resistance of a specific size, by means of which the sensor is assigned to a specific sensor group with a predetermined sensitivity range.
Der Nachteil dieses Verfahren besteht darin, dass dazu eine zusätzliche Leitung zum Sensor erforderlich ist, um den Widerstand zu messen, sodass die Identifikation nicht während der Messung durchgeführt werden kann.The disadvantage of this method is that an additional line to the sensor is required to measure the resistance, so that the identification cannot be carried out during the measurement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zu beschreiben, der seine Empfindlichkeit durch die vorhandenen Messleitungen direkt abfragen lässt und dadurch zu bestehenden Installationen kompatibel ist. Diese Aufgabe soll insbesondere auch für kleine Sensoren gelöst werden und auch bei sehr hohen Temperaturen einsatzfähig sein.The invention has for its object to describe a sensor that can query its sensitivity directly through the existing measuring lines and is therefore compatible with existing installations. This task is also intended to be achieved, in particular, for small sensors and can also be used at very high temperatures.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des ersten Anspruchs .The object is achieved by the features of the first claim.
Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Der erfindungsgemässe Sensor umfasst ein kodiertes Oberflächenwellen-Bauelement, welches mit den Informationen der Sensorempfindlichkeit kodiert ist. Diese Informationen sind über eine herkömmliche Messleitung zwischen einem Auswertegerät und dem Sensor abfragbar. Da dieses Bauelement lediglich über wenig Informationen verfügt, beispielsweise über drei Ziffern wie in einem Wert 9.54, kann das Bauelement so klein ausgestaltet sein, dass es auch in einem kleinen Sensor integriert werden kann. Im Auswertegerät kann die gelesene Sensorempfindlichkeit direkt eingestellt werden. Detaillierte Beschreibung der ErfindungThe sensor according to the invention comprises a coded surface wave component which is coded with the information of the sensor sensitivity. This information can be queried via a conventional measuring line between an evaluation device and the sensor. Since this component has only little information, for example three digits as in a value 9.54, the component can be made so small that it can also be integrated in a small sensor. The sensor sensitivity read can be set directly in the evaluation unit. Detailed description of the invention
Die Erfindung wird unter Verwendung der folgenden Zeichnungen erläutert. Es zeigenThe invention is explained using the following drawings. Show it
Fig. 1 eine schematische Messanordnung mit einem erfindungs- gemässen Sensor mit integrierter Empfindlichkeitserkennung1 shows a schematic measuring arrangement with a sensor according to the invention with integrated sensitivity detection
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Oberflächenwellen- BauelementesFig. 2 is a schematic representation of a surface acoustic wave device
Fig. 3 Zwei Beispiele von Reflektoren für verschiedene FrequenzbereicheFig. 3 Two examples of reflectors for different frequency ranges
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Oberflächenwellen- Bauelementes mit frequenzabhängigen ReflektorenFig. 4 is a schematic representation of a surface acoustic wave device with frequency-dependent reflectors
Fig. 5 Spektrum einer Signalantwort von einem Oberflächenwellen-Bauelementes mit frequenzabhängigen ReflektorenFig. 5 spectrum of a signal response from a surface acoustic wave device with frequency-dependent reflectors
Fig. 6a, b Zeitsignale einer Signalantwort von einem Oberflächenwellen-Bauelementes mit frequenzabhängigen Reflektoren, filtriert auf die unterschiedlichen FrequenzenFig. 6a, b time signals of a signal response from a surface acoustic wave device with frequency-dependent reflectors, filtered on the different frequencies
Fig. 7 Beispiels einer Signalantwort S als ZeitfunktionFig. 7 example of a signal response S as a time function
Die Figur 1 zeigt einen Sensor 4 zum Erfassen und Weiterleiten von Messwerten. Dies kann beispielsweise ein piezoelektrischer, piezoresistiver oder optischer Sensor sein. Die Messdaten werden von einen Messaufnehmer 1 aufgenommen und innerhalb des Sensors 4 über eine Sensorleitung 5 weitergeleitet. Ausserhalb des Sensors 4 werden die Messdaten weiter über eine Messleitung 6, beispielsweise über ein Koaxialkabel, an ein Auswertegerät 7 weitergeleitet. Der Sensor 4 umfasst mindestens ein Oberflächenwellen-Bauelement 2, welches mit den sensorspezifischen Empfindlichkeitswerten kodiert ist. Diese Kodierung ist ebenfalls über die beiden Leitungen, die Sensorleitung 5 und die Messleitung 6, abfragbar und entspricht den Empfindlichkeiten des Sensors. Der abgefragte Empfindlichkeitswert kann vom Auswertegerat direkt und selbst eingestellt werden. Somit erübrigt sich die manuelle Einstellung der Empfindlichkeit, wie dies bei „Plug and Play" heute gefordert wird.FIG. 1 shows a sensor 4 for recording and forwarding measured values. This can be a piezoelectric, piezoresistive or optical sensor, for example. The measurement data are recorded by a sensor 1 and forwarded within the sensor 4 via a sensor line 5. Outside the sensor 4, the measurement data are forwarded to an evaluation device 7 via a measurement line 6, for example via a coaxial cable. The sensor 4 comprises at least one surface wave component 2, which is connected to the sensor-specific ones Sensitivity values is encoded. This coding can also be queried via the two lines, sensor line 5 and measuring line 6, and corresponds to the sensitivity of the sensor. The queried sensitivity value can be set directly by the evaluation device itself. This eliminates the need to manually adjust the sensitivity, as is required today with "Plug and Play".
Das Oberflachenwellen-Bauelement 2 umfasst einen Kopplungsbereich 3. In diesem Kopplungsbereich 3 wird ein Hochfrequenzsignal von der Sensorleitung 5 in das Bauelement 2 eingeleitet, liest die Kodierung des Oberflachenwellen-Bauelementes 2 aus und übermittelt diese Daten wieder auf demselben Weg in das Auswertegerät 7. Die Einleitung im Kopplungsbereich 3 geschieht vorzugsweise mittels einer elektromagnetischen Kopplung an die Sensorleitung 5. Diese elektromagnetische Kopplung kann beispielsweise induktiv oder kapazitiv sein. Bei einer kapazitiven Kopplung ist ein Anschluss des Wandlers mit der Masse verbunden.The surface wave component 2 comprises a coupling area 3. In this coupling area 3, a high-frequency signal is introduced from the sensor line 5 into the component 2, reads the coding of the surface wave component 2 and transmits this data again in the same way to the evaluation device 7. Die Introduction into the coupling area 3 is preferably carried out by means of an electromagnetic coupling to the sensor line 5. This electromagnetic coupling can be inductive or capacitive, for example. With a capacitive coupling, one connection of the converter is connected to ground.
Ein über die Leitungen 5 und 6 übertragenes, galvanisch entkoppeltes Hochfrequenzsignal stört den Messbetrieb nicht, sodass gleichzeitig gemessen und die Daten übertragen werden können. Ein Wechseln des Sensors oder ein Unterbruch in der Verkabelung wird auf diese Weise sofort erkannt und stellt so eine permanente Überwachung des Sensors als Teil eines Selbsttestes sicher.A galvanically decoupled high-frequency signal transmitted via lines 5 and 6 does not interfere with the measuring operation, so that measurement and data can be transmitted at the same time. A change of the sensor or an interruption in the wiring is immediately recognized in this way and thus ensures permanent monitoring of the sensor as part of a self-test.
Figur 2 zeigt einen möglichen erfindungsgemassen Aufbau eines Oberflachenwellen-Bauelementes 2. Dieses Bauelement besteht im Wesentlichen aus piezoelektrischem Tragermaterial. Es ist auch möglich, den Messaufnehmer 1 als Tragematerial für dieses Bauelement 2 zu verwenden. Auf diesem Tragermaterial befindet sich ein Interdigitalwandler 8, welcher das eingehende Hochfrequenz- Signal in eine Oberflachenwelle wandelt. Diese Welle pflanzt sich auf der Oberflache des Tragermaterials fort und wird an entsprechend positionierten Reflektoren 11 teilweise reflektiert. Das reflektierte Signal wird wiederum am Interdigital- wandler 8 gewandelt und als Hochfrequenzsignal ans Auswertegerat 7 geschickt.FIG. 2 shows a possible construction of a surface wave component 2 according to the invention. This component essentially consists of piezoelectric carrier material. It is also possible to use the sensor 1 as a support material for this component 2. An interdigital transducer 8 is located on this carrier material, which converts the incoming high-frequency Converts signal into a surface wave. This wave propagates on the surface of the carrier material and is partially reflected on appropriately positioned reflectors 11. The reflected signal is in turn converted at the interdigital transducer 8 and sent to the evaluation device 7 as a high-frequency signal.
Auf dem Oberflächenwellen-Bauelement 2 ist die Kodierung durch die Positionierung der Reflektoren 11 realisiert. Diese Kodierung verursacht eine zeitlich verzögerte Signalantwort eines Abfragesignals, wobei die Verzogerungszeit der Laufzeit der Oberflachenwelle für die doppelte Weglange entspricht, welche vom Wandler 8 bis zum jeweiligen Reflektor 11 zurückgelegt werden muss. Ein Reflektor 11 kann an einer der möglichen, vorgesehenen, vorzugsweise aquidistanten Code-Stellen 9 angebracht sein. Diese imaginären Code-Stellen 9 können vorzugsweise in Blöcke 10 unterteilt sein, welche zueinander vorzugsweise mindestens einen gleich grossen Abstand aufweisen wie die Code- Stellen 9 untereinander. Vorteilhafterweise ist jeweils genau eine Code-Stelle 9 eines Blockes 10 mit einem Reflektor 11 versehen. Jeder Reflektor 11 verursacht, dass ein Teil der Welle reflektiert wird, wenn die Welle diese Stelle durchlauft. Die Position eines Reflektors 11 auf einer der Code-Stellen 9 innerhalb eines Blockes 10 auf dem Tragersubstrat bestimmt die zeitliche Verzögerung des Antwortsignals auf das Abfragesignal, da die Zeitverzogerung proportional zur Distanz zwischen dem Interdigitalwandler 8 und der Position dieses Reflektors 11 ist. Durch die Anreihung der einzelnen Antwortsignale aller Reflektoren entsteht das zeitabhängige Antwortsignal.The coding is implemented on the surface wave component 2 by the positioning of the reflectors 11. This coding causes a time-delayed signal response of an interrogation signal, the delay time corresponding to the transit time of the surface wave for twice the path length, which must be covered by the converter 8 to the respective reflector 11. A reflector 11 can be attached to one of the possible, provided, preferably aquidistant code points 9. These imaginary code positions 9 can preferably be subdivided into blocks 10 which are preferably at least the same distance apart from one another as the code positions 9 from one another. Advantageously, exactly one code point 9 of a block 10 is provided with a reflector 11. Each reflector 11 causes part of the wave to be reflected when the wave passes through this location. The position of a reflector 11 on one of the code positions 9 within a block 10 on the carrier substrate determines the time delay of the response signal to the interrogation signal, since the time delay is proportional to the distance between the interdigital transducer 8 and the position of this reflector 11. The time-dependent response signal arises from the arrangement of the individual response signals from all reflectors.
Beispielsweise können zwei Blocke 10 von je fünf Code-Stellen 9 vorgesehen sein. Dadurch ergeben sich fünf hoch zwei, also 25 verschiedene Empfindlichkeiten, die ausgelesen werden können. Zusatzlich können weitere Blocke mit Bereichs-Stellen 12 vorhanden sein. Diese können beispielsweise den Bereich der Emp- findlichkeiten oder die Koeffizienten zur Kompensation der Tem- peraturabhangigkeit festlegen. Diese Bereichs-Stellen sind ebenfalls vorzugsweise aquidistant.For example, two blocks 10 of five code positions 9 each can be provided. This results in five to two, ie 25 different sensitivities that can be read out. Additional blocks with area digits 12 may also be present. These can include the area of Determine sensitivities or the coefficients to compensate for the temperature dependency. These area locations are also preferably aquidistant.
Der Vorteil von zum Beispiel zwei Bereichen von je fünf Stellen gegenüber einem Bereich von 25 Stellen liegt darin, dass der Platzbedarf für das Oberflachenwellen-Bauelement 2 dadurch geringer ist für dieselbe Anzahl möglicher verschiedenen Empfind- lichkeitswerte, nämlich 11 (2x5+1) statt 25 Code-Stellen 9. Dadurch kann die gesamte Kodierung in einem Bauteil von höchstens 5mm, vorteilhafterweise von höchstens 3mm verwendet werden.The advantage of, for example, two areas of five digits each compared to an area of 25 digits is that the space requirement for the surface wave component 2 is therefore less for the same number of possible different sensitivity values, namely 11 (2x5 + 1) instead of 25 Code digits 9. As a result, the entire coding can be used in one component of at most 5 mm, advantageously of at most 3 mm.
Falls es der Platz erlaubt, können auch mehrere Bereiche definiert werden, sodass zusatzlich auch andere Daten wie Messbereich, Temperaturgang oder Sensortyp abgespeichert werden können. Für viele Anwendungen reichen Kodierungen des Oberflächenwellen-Bauelementes (2) mit bis zu 50 Codestellen, oder gar mit nur 25 Codestellen, was jeweils einem Informationsgehalt von etwa 20 resp. 10 Bits entspricht.If space permits, several areas can also be defined, so that other data such as measuring range, temperature response or sensor type can also be saved. For many applications, encodings of the surface acoustic wave component (2) with up to 50 codes, or even with only 25 codes, are sufficient, which each contain an information content of about 20 resp. Corresponds to 10 bits.
Des weiteren kann das Oberflachenwellen-Bauelement 2 mindestens zwei vorzugsweise drei weitere Reflektoren 11, die Kalibrier- Reflektoren 13 enthalten, welche starker ausgeprägt sind als die übrigen Reflektoren 11, um eine grossere Reflexion zu verursachen. Dadurch werden sie bei der Auswertung eindeutig erkannt. Von denen befinden sich je eine ganz am Anfang und ganz am Ende des von der Welle durchlaufenen Gebietes und möglicherweise eine dritte nahe einer der ersten. Diese Kalibrier- Reflektoren 13 dienen der Kalibrierung des Oberflachenwellen- Bauelementes 2, indem die Zeitdifferenz der Antwortsignale dieser Kalibrier-Reflektoren 13 gemessen wird. Dadurch lassen sich die Zeitverzogerungen jeder einzelnen Code-Stelle 9 sowie einer Bereichs-Steile 12 bestimmen, da diese proportional zu den geometrischen Abstanden aller Stellen zueinander sein müssen. Diese Kalibrierung ist wichtig, weil eine Langenveranderung, ins- besondere eine durch Temperaturveranderung, Druck oder Dehnung verursachte Langenveranderung, sowie eine Temperaturanderung des Bauelementes 2 oder eine Änderung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle eine Streckung oder Stauchung des Antwortsignals verursacht. Ist das Bauelement keinen mechanischen Kräften ausgesetzt, so lasst sich durch die Auswertung der Antwortsignale der Kalibrier-Reflektoren 13 eindeutig auf die Temperatur am Bauteil und somit am Sensor schliessen. Andererseits, bei gleichbleibender Temperatur, lasst sich durch dieselbe Auswertung auf eine Langenveranderung des Bauteils und somit auf eine Bestimmung von Druck, Dehnung, Beschleunigung, Kraft und/oder Momente schliessen, die am Bauteil angreifen, weil das Bauteil aus piezoelektrischem Material besteht.Furthermore, the surface wave component 2 can have at least two, preferably three further reflectors 11, which contain calibration reflectors 13, which are more pronounced than the other reflectors 11 in order to cause a greater reflection. This means that they are clearly recognized during the evaluation. There are one at the very beginning and one at the very end of the area traversed by the wave, and possibly a third near one of the first. These calibration reflectors 13 are used to calibrate the surface wave component 2 by measuring the time difference between the response signals from these calibration reflectors 13. In this way, the time delays of each individual code position 9 and of a range part 12 can be determined, since these must be proportional to the geometric distances of all positions from one another. This calibration is important because a change in length, especially in particular a change in length caused by temperature change, pressure or expansion, as well as a temperature change in component 2 or a change in the propagation speed of the wave causes stretching or compression of the response signal. If the component is not exposed to any mechanical forces, the evaluation of the response signals from the calibration reflectors 13 clearly indicates the temperature at the component and thus at the sensor. On the other hand, at constant temperature, the same evaluation can be used to infer a length change of the component and thus a determination of pressure, expansion, acceleration, force and / or moments that act on the component because the component consists of piezoelectric material.
Da die Einheit in bestehende Sensoren integriert werden muss, ist ein besonderes Problem die Miniaturisierung des Bauelements 2 bei gleichzeitiger Erhaltung des Informationsumfangs, das gespeichert werden kann. Die Kodierungsart, der Codeumfang und die Kalibrier-Stellen bestimmen die Lange des akustischen Weges, der proportional zu einer Dimension des Bauelementes 2 ist. Insbesondere sind daher Bauelemente 2 gefordert, welche auf noch geringerem Platz noch mehr Informationen liefern können .Since the unit has to be integrated into existing sensors, a particular problem is the miniaturization of the component 2 while at the same time maintaining the amount of information that can be stored. The type of coding, the scope of the code and the calibration points determine the length of the acoustic path, which is proportional to a dimension of the component 2. In particular, components 2 are therefore required which can provide even more information in an even smaller space.
Eine sehr effiziente Losung der Reduzierung der Langendimension des Bauteils 2 besteht darin, dass als Abfragesignal ein Signal verwendet wird, welches aus zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen fl und f2 besteht, beispielsweise 600 MHz und 800 MHz. Zudem müssen frequenzselektive Reflektoren 11 verwendet werden, welche jeweils nur ein Signal des einen Frequenzbereiches reflektieren, wahrend ein Signal des anderen Frequenzbereiches ungehindert passieren kann. Solche frequenzselektive Reflektoren sind in Fig. 3 dargestellt und mit 11' resp. 11'' bezeichnet. Sie werden durch unterschiedliche Abstände und Breiten von Reflexionsfingern 14 gebildet. Dadurch kann in jedem Block 10 je ein Reflektor 11' und 11'' angebracht sein, womit zwei der Kode-Stellen 9 besetzt sind, je eine pro Frequenzbereich. In einem Block mit n Code-Stellen 9 können somit n(n-l) verschiedene Zustände für die Kodierung beschrieben werden, ohne dafür mehr Platz zu benötigen. Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines solchen Bauelements 2 mit Reflektoren 11' und 11' ' .A very efficient solution for reducing the length dimension of component 2 is that a signal is used as the interrogation signal, which consists of two different frequency ranges fl and f2, for example 600 MHz and 800 MHz. In addition, frequency-selective reflectors 11 must be used, each reflecting only one signal in one frequency range, while a signal in the other frequency range can pass unhindered. Such frequency selective reflectors are shown in Fig. 3 and 11 'respectively. 11 ''. They are formed by different distances and widths of reflection fingers 14. As a result, 10 one reflector 11 'and 11''each are attached, with which two of the code positions 9 are occupied, one for each frequency range. In a block with n code positions 9, n (nl) different states for the coding can thus be described without requiring more space. 4 shows an example of such a component 2 with reflectors 11 'and 11''.
Vorteilhafterweise werden zwei nicht überlappende aber nahe aneinander liegende Frequenzbereiche gewählt, sodass ein breit- bandiges Abfragesystem beide Codebereiche in einem Abfragezyklus auswerten kann.Two non-overlapping but closely adjacent frequency ranges are advantageously selected so that a broadband interrogation system can evaluate both code regions in one interrogation cycle.
Fig. 5 zeigt das Spektrum einer gemessenen Signalantwort, in welcher die zwei separierten Frequenzbereiche fl und f2 sichtbar sind. Die Codebestimmung erfolgt, indem jeder Teilbereich separat mittels Fourier-Transformation in ein Zeitsignal transformiert wird. Solche Signale sind in Fig. 6a und 6b dargestellt. Die Zuordnung zum Gesamtcode kann beliebig erfolgen, beispielsweise durch Addition der beiden erhaltenen Zeitsignale. Die Kalibriersignale können zeitlich leicht versetzt auf beiden Frequenzbereichen oder nur bei einem Frequenzbereich gesetzt werden.5 shows the spectrum of a measured signal response in which the two separated frequency ranges fl and f2 are visible. The code is determined by transforming each section separately into a time signal using a Fourier transform. Such signals are shown in Figs. 6a and 6b. The assignment to the overall code can be made as desired, for example by adding the two time signals obtained. The calibration signals can be set with a slight time offset on both frequency ranges or only with one frequency range.
Der Vorteil des erfindungsgemässen Sensors liegt darin, dass die ausgelesenen Werte direkt, das heisst ohne Gebrauch einer Datenbank und unter Verwendung der üblichen Messleitung, den Empfindlichkeiten und/oder anderen sensorspezifischen Parametern zugeordnet werden können. Somit können beliebige Sensoren mit vorhandenen Auswertegeräten betrieben werden.The advantage of the sensor according to the invention is that the read values can be assigned directly to the sensitivities and / or other sensor-specific parameters, that is to say without using a database and using the usual measuring line. This means that any sensors can be operated with existing evaluation devices.
Beispiel für eine Kodierung von EmpfindlichkeitswertenExample of coding sensitivity values
Die Empfindlichkeit wird durch die Position eines Reflektors 11 innerhalb eines Blockes 10 oder innerhalb mehrerer Blöcke 10 wiedergegeben. Dabei wird beispielsweise ein Block 10 in ein Raster von zehn Code-Stellen 9 aufgeteilt, welche von 1 bis 10 num eriert werden können. Dabei soll der Abstand zweier benachbarter Code-Stellen 9 etwa der Länge entsprechen, die eine Oberflächenwelle in 12.5 ns zurücklegt. Der Zeitunterschied einer Signalantwort von benachbarten Reflektoren ist demnach 25 ns, da die Welle den doppelten Weg zurücklegen muss. Bei zwei Blöcken zu je zehn Bereichs-Stellen ergeben sich 100 (=102) verschiedene Werte, demnach beispielsweise alle Werte zwischen 0 und 1 in Schritten von 0.01. Die Tabellen 1 und 2 geben die entsprechenden Wertebereiche der verschiedenen möglichen Verzögerungszeiten an, die durch die Position der Reflektoren 11 gegeben ist.The sensitivity is determined by the position of a reflector 11 within a block 10 or within a number of blocks 10 played. For example, a block 10 is divided into a grid of ten code positions 9, which can be numbered from 1 to 10. The distance between two adjacent code positions 9 should correspond approximately to the length covered by a surface wave in 12.5 ns. The time difference of a signal response from neighboring reflectors is therefore 25 ns because the wave has to travel twice. With two blocks of ten area digits each, 100 (= 10 2 ) different values result, for example all values between 0 and 1 in steps of 0.01. Tables 1 and 2 indicate the corresponding value ranges of the various possible delay times, which is given by the position of the reflectors 11.
Wegen der Unscharfe einer Antwort müssen die Reflektoren 11 einen minimalen zeitlichen Abstand aufweisen. Der zeitliche Abstand der Code-Stellen entspricht der Systemauflösung, welche durch die Inverse der Bandbreite des Abfragesystems gegeben ist. Diese Bandbreiten sind limitiert, so dass der minimale zeitliche Abstand durch das Abfragesystem gegeben ist.Because of the blurring of a response, the reflectors 11 must have a minimal time interval. The time interval between the code points corresponds to the system resolution, which is given by the inverse of the bandwidth of the query system. These bandwidths are limited so that the minimum time interval is given by the query system.
Eine Erhöhung des Informationsgehaltes für einen gegebenen Zeitbereich kann somit nur durch die Verwendung von verschiedenen Frequenzberiechen erhalten werden.An increase in the information content for a given time range can therefore only be obtained by using different frequency ranges.
Die Signalantworten S sind in Fig. 7 dargestellt. Dabei ist die Antwort der Kalibrier-Reflektoren 13 deutlich zu erkennen, nach ti und nach tk2. Diese Kalibrier-Reflektoren 13 sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass ihre Signalantworten deutlich höher sind als die Antworten der anderen Reflektoren. The signal responses S are shown in FIG. 7. The response of the calibration reflectors 13 can be clearly seen after ti and after t k2 . These calibration reflectors 13 are preferably designed in such a way that their signal responses are significantly higher than the responses of the other reflectors.
Tabelle 1 Table 1
Tabelle 2 Table 2
Zum Beispiel würde damit eine Sensorempfindlichkeit von 0.97 pC/N mit 2 Zeitsignalen bei tl+225 ns und bei t2+175 ns kodiert, wobei tl und t2 die Laufzeiten einer Oberflächenwelle zu den Anfängen der entsprechenden Blöcken 10 sind.For example, a sensor sensitivity of 0.97 pC / N would be encoded with 2 time signals at tl + 225 ns and at t2 + 175 ns, where tl and t2 are the transit times of a surface wave at the beginning of the corresponding blocks 10.
Zusätzlich können noch weitere Sensormerkmale angegeben werden, wie beispielsweise der Kalibrationsbereich in einem Block n, der wie ein Offsetwert zur bereits ermittelten Empfindlichkeit dazugezählt wird. Die Tabelle 3 zeigt ein Beispiel der Zuordnungswerte für Verzögerungszeiten der Signalantworten in einen solchen dritten Block. Tabelle 3In addition, further sensor features can be specified, such as the calibration range in a block n, which, like an offset value, is added to the sensitivity already determined. Table 3 shows an example of the assignment values for delay times of the signal responses in such a third block. Table 3
Zusätzlich oder alternativ dazu können auch Temperatur Koeffizienten der Empfindlichkeit (TKE) als Korrekturen in Prozentwerten angegeben werden. Diese beschreiben die relative Änderung der Empfindlichkeit in Prozent gegenüber der Raumtemperatur. Die Tabelle 4 zeigt ein Beispiel der Zuordnungswerte für Verzögerungszeiten der Signalantworten in einen solchen vierten BlockAdditionally or alternatively, temperature coefficients of sensitivity (TKE) can also be specified as corrections in percentages. These describe the relative change in sensitivity as a percentage of room temperature. Table 4 shows an example of the assignment values for delay times of the signal responses in such a fourth block
Tabelle 4 Table 4
Liste der BezeichnungenList of names
1 Messaufnehmer1 sensor
2 Oberflächenwellen-Bauelement, Bauteil2 surface wave component, component
3 Kopplung3 coupling
4 Sensor4 sensor
5 Sensorleitung5 sensor cable
6 Messleitung6 measuring line
7 Auswertegerät7 evaluation device
8 Interdigitalwandler8 interdigital converters
9 Code-Stellen9 code digits
10 Block10 block
11 Reflektor, auch 11', 11"11 reflector, also 11 ', 11 "
12 Bereichs-Stelle12 area position
13 Kalibrier-Reflektor13 calibration reflector
14 Reflexionsfinger 14 reflection fingers

Claims

Patentansprüche claims
1. Sensor (4) zum Erfassen und Weiterleiten von Messwerten über eine Messleitung (6) an ein Auswertegerat (7), umfassend ein kodiertes Bauelement (2), wobei die Kodierung direkt den sensorspezifischen Empfindlichkeitswerten zugeordnet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (2) ein Oberflachenwellen-Bauelement ist und die Kodierung über dieselbe Messleitung (6) abfragbar ist wie die Messwerte.1. Sensor (4) for detecting and forwarding measured values via a measuring line (6) to an evaluation device (7), comprising a coded component (2), wherein the coding can be directly assigned to the sensor-specific sensitivity values, characterized in that the component (2) is a surface wave component and the coding can be queried via the same measuring line (6) as the measured values.
2. Sensor gemass Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der Kodierung und die Messwerte gleichzeitig über die Messleitung (6) übertragbar sind.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the data of the coding and the measured values can be transmitted simultaneously via the measuring line (6).
3. Sensor gemass Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (4) hochtemperaturbestandig ist.3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor (4) is resistant to high temperatures.
4. Sensor gemass einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflachenwellen-Bauelement (2) mittels einer elektromagnetischen Kopplung (3) an die Sensorleitung (5) angeschlossen ist.4. Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the surface wave component (2) is connected to the sensor line (5) by means of an electromagnetic coupling (3).
5. Sensor gemass einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Kopplung (3) induktiv ist .5. Sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electromagnetic coupling (3) is inductive.
6. Sensor gemass einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Kopplung (3) kapazitiv ist .6. Sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electromagnetic coupling (3) is capacitive.
7. Sensor gemass einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflachenwellen-Bauelement (2) in seiner grossten Ausdehnung nicht langer als 5 mm, vorzugsweise nicht grosser als 3 mm lang ist. 7. Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the surface wave component (2) in its largest dimension is not longer than 5 mm, preferably not larger than 3 mm long.
8. Sensor gemass einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierung des Oberflachenwellen- Bauelementes (2) nicht mehr als 20 Bits, vorzugsweise nicht mehr als 10 Bits aufweist.8. Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the coding of the surface wave component (2) has no more than 20 bits, preferably no more than 10 bits.
9. Sensor gemass einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflachenwellen-Bauelement (2) mindestens zwei Reflektoren (11) für die Kodierung der Empfindlichkeiten umfasst.9. Sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the surface wave component (2) comprises at least two reflectors (11) for coding the sensitivities.
10. Sensor gemass einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflachenwellen-Bauelement (2) mindestens einen Reflektor (11) für die Kodierung der Bereichsangabe der Empfindlichkeiten umfasst.10. Sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the surface wave component (2) comprises at least one reflector (11) for coding the range of the sensitivities.
11. Sensor gemass einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflachenwellen-Bauelement (2) mindestens zwei, vorzugsweise drei Kalibrier-Reflektoren (13) zum Eichen der Kodierung umfasst.11. Sensor according to one of claims 1 to 10, characterized in that the surface wave component (2) comprises at least two, preferably three calibration reflectors (13) for calibrating the coding.
12. Sensor gemass Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrier-Reflektoren (13) stärkere Signalantworten generieren als die anderen Reflektoren 11.12. Sensor according to claim 11, characterized in that the calibration reflectors (13) generate stronger signal responses than the other reflectors 11.
13. Sensor gemass Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Kalibrier-Reflektoren (13) die Temperatur im Sensor erfasst werden kann.13. Sensor according to claim 11 or 12, characterized in that the temperature in the sensor can be detected by means of the calibration reflectors (13).
14. Sensor gemass Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Kalibrier-Reflektoren (13) Druck, Dehnung, Beschleunigung, Kraft und/oder Momente erfasst werden können.14. Sensor according to claim 11 or 12, characterized in that pressure, expansion, acceleration, force and / or moments can be detected by means of the calibration reflectors (13).
15. Sensor gemass einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierung Informationen über mindestens einen Bereich und/oder eine Korrektur umfassen. 15. Sensor according to one of claims 1 to 14, characterized in that the coding comprises information about at least one area and / or a correction.
16. Sensor gemass einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenwellen-Bauelement (2) gleichzeitig Messaufnehmer (1) des Sensors ist.16. Sensor according to one of claims 1 to 15, characterized in that the surface wave component (2) is at the same time sensor (1) of the sensor.
17. Sensor gemass einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein piezoelektrischer, piezore- sistiver oder optischer Sensor ist.17. Sensor according to one of claims 1 to 16, characterized in that the sensor is a piezoelectric, piezoresistive or optical sensor.
18. Sensor gemass einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenwellen-Bauelement (2) frequenzselektive Reflektoren (2) für mindestens zwei verschiedene Frequenzbereiche umfasst. 18. Sensor according to one of claims 1 to 17, characterized in that the surface wave component (2) comprises frequency-selective reflectors (2) for at least two different frequency ranges.
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