JP2012021975A - センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】センサシステムにおいて、適切な温度補償を行い、かつ応答時間の短縮を実施する補償フィルタを提案する。
【解決手段】センサ信号の調節方法と、温度Ｔ以外の測定を表すセンサ信号ｕ（ｔ）を与えるセンサを具備する対応するセンサシステムを開示しており、センサ信号ｕ（ｔ）のダイナミックコンポーネントは温度Ｔに依存する。さらに温度Ｔを測定するための温度センサ２が提供される。センサ信号ｕ（ｔ）のダイナミックコンポーネントは感知された温度Ｔに従って調節され、補償されたセンサ信号ｙ（ｔ）が与えられる。このようなセンサシステムはセンサの長い応答時間を補償することを促す。
【選択図】図２

Description

本発明はセンサシステム、センサ信号を調節する方法、センサシステムで使用するための補償フィルタの製造方法に関する。

本願は2010年６月４日出願の欧州特許出願第10005804.9号明細書の優先権を主張し、その説明は全体として参考によりここに組み込まれている。

センサの特質はこれらがある時間の遅れで実際の影響に反応することである。特にこのことは測定される量が例えばステップ関数の形態で変化する可能性がある高速度で変化する環境で当てはまる。しかしながら、対応するセンサ信号は新しい実際の測定値のステップにならないで、ある応答時間でそれに到達する。

高速度の応答を高速度で変化する測定に与えるセンサでのみ適切に動作する応用が多く存在する。しかしながら多くのセンサでは、応答時間を改良するためにハードウェアを変更することに限界がある。

本発明により解決される問題は、それ故、センサ信号に改良された応答時間を与えるセンサ及び方法を提供することである。このようなセンサ又はそのピースをそれぞれ構築するための方法を提供することも所望される。

この問題は請求項１の特徴によるセンサシステムと、請求項７の特徴によるセンサ信号の調節方法と、請求項１２の特徴によるセンサシステムで使用するための補償フィルタを構築する方法によって解決される。

本発明の第１の特徴によれば、温度以外の測定を表すセンサ信号を与えるセンサを具備するセンサシステムが提供され、ここでセンサ信号のダイナミックコンポーネントは温度に依存する。システムはさらに温度信号を与える温度センサを含んでいる。補償フィルタはセンサ信号と温度信号を受信する。補償フィルタは温度信号にしたがってセンサ信号のダイナミックコンポーネントを調節し、補償されたセンサ信号を提供するように設計されている。

本発明の別の特徴によれば、センサ信号を調節する方法が提供される。この方法によれば、温度が感知され、温度以外の測定を表すセンサ信号が与えられる。このセンサ信号のダイナミックコンポーネントは典型的に温度に依存する。センサ信号のダイナミックコンポーネントは感知された温度にしたがって調節される。補償されたセンサ信号はこの調節の結果として与えられる。

センサは測定における変化に対して直ちに反応しないで、応答時間とも呼ばれるある遅延を有して反応する。このような時間遅延は拡散プロセスの出現によるものと考えられ、これはセンサへの、例えばセンサのハウジングへの測定の拡散、及びさらに恐らくはセンサのセンサ素子に対する測定の拡散を含んでいる。幾つかのセンサ及び応用では、センサ素子との測定の化学的反応は応答時間を増加する可能性がある。センサは完全に静的測定をそのセンサ信号へマップすることができるが、素早い変化のような測定におけるダイナミックコンポーネント、ステップまたはその他の高い頻度の変化は時間の遅延によってのみ後続されることができる。

このようなセンサ／応用では、センサ応答がダイナミックに補償されるならば有効である。これはセンサの応答時間が減少されるようにセンサ信号、特にセンサ信号のダイナミックコンポーネントが調節されることを意味する。センサの応答時間の減少におけるこのような労力はセンサ信号および特にそのダイナミックコンポーネントの補償としても理解される。

ダイナミック補償フィルタの使用によって、センサの応答、即ち測定中の変化に対して応答するその出力は加速される。そのハウジングを含むセンサの力学が知られているならば、観察装置、即ち補償フィルタは測定の真の物理的値を評価するように構成されることができる。この観察装置は応答が時間においてかなり加速されることができるようにセンサ力学を補償し、それは応答時間がかなり減少されることができることを意味している。この理由で提案された方法及びシステムはセンサのシステム力学を強化する。

例えばセンサの応答時間が高温度では短く、低温では長くかかるように、センサ応答のダイナミックコンポーネント、例えばセンサ信号の勾配は周囲温度にしたがうことができることが観察されている。したがって、本願の実施形態では、補償フィルタをセンサ出力に適用し、補償フィルタが測定された温度を考慮することが想定される。結果として、補償フィルタにより与えられた補償されたセンサ信号は、センサ力学の温度依存性が補償フィルタのモデル化について考慮されるという理由で、実際の測定からのその偏差が改良されるのでさらに強化される。

本発明の別の特徴は、センサシステムで使用するための補償フィルタを構築する方法を提供する。この方法ではセンサのセンサモデルが構築され、そのセンサモデルは伝達関数により特徴付けられている。補償フィルタはセンサモデルの伝達関数の反転に基づいてモデル化される。温度依存項が補償フィルタに適用される。

本発明の別の特徴では、センサ信号を調節するためのコンピュータプログラム素子が開示され、そのコンピュータプログラム素子は、温度以外の測定を表すセンサ信号を受信し、このセンサ信号のダイナミックコンポーネントは温度に依存し、センサ信号のダイナミックコンポーネントを感知された温度にしたがって調節し、補償されたセンサ信号を提供するようにコンピュータにより実行可能なコンピュータプログラム命令を具備している。

別の有効な実施形態は従属請求項に、以下の説明にリストされている。記載されている実施形態は同様に、システム、方法、コンピュータプログラム素子に関係する。相乗効果は実施形態の異なる組合せから生じるが、これらについては詳細に説明しない。

さらに、方法に関する本発明の全ての実施形態は説明されるようなステップの順序で実行されることができるが、これは方法のステップの唯一の根本的な順序である必要はなく、方法ステップの順序および組合せの全ての異なる順序がここでの説明に含まれることに注意すべきである。

異なる周囲温度についての測定及び関連されるセンサ信号の変化を示す図である。 ブロック図で示した本発明の１実施形態によるセンサシステムの概略図である。 サンプル測定、関連されるセンサ信号、関連される補償されるセンサ信号の図である。 信号が本発明による１実施形態のセンサシステムに現われるディスクリートな時間ドメインにおける信号のグラフである。 本発明の１実施形態による補償フィルタを構築する方法の理解を支援するためのグラフである。 本発明の別の実施形態による補償フィルタを構築する方法の理解を支援するためのグラフである。 異なる温度の部分的範囲を有する温度スケールにおいて測定が露出されることができることを示す図である。

先に限定した特徴、およびさらに別の本発明の特徴及び利点は以下説明される実施形態の例からも得られることができ、実施形態の例を参照して説明される。本発明をその発明の限定ではない実施形態の例を参照して以下より詳細に説明する。
図１は測定される測定量の迅速な変化を表すステップ関数の図である。図のｘ軸は秒において時間を示し、ｙ軸は測定される測定量を示し、この特定のケースでは相対湿度ＲＨ（ｔ）は％で表されている。したがってｔ＝０では、相対湿度ＲＨは２０％から８０％へ増加する。図の他のグラフは相対湿度のステップ関数ｓｔに応答して相対湿度センサにより与えられる時間にわたるセンサ信号を示している。これらのグラフから、湿度センサは測定の変化に直ちに従うことができず、応答時間とも呼ばれる遅延によって８０％の新しい相対湿度に接近することが導かれる。種々のグラフは摂氏による異なる周囲温度を受けたセンサ信号を表す。基本的に、周囲温度が高い程、センサ信号の応答時間は速くなる。周囲温度が低い程、センサ信号の応答時間は長くなる。

図２は本発明の１実施形態によるセンサシステムの概略図を示している。相対湿度センサ１は周囲関連湿度ＲＨを感知する。以下、用語湿度は相対湿度の同義語として使用される。湿度センサ１の物理はその出力におけるセンサ信号ＲＨ_{ｓｅｎｓｏｒ}の力学が温度依存性であることである。図２の湿度センサ１は図１のグラフによれば温度依存出力を与える湿度センサにしたがって動作することができる。このことは湿度センサの応答時間が周囲温度Ｔに依存していることを意味する。したがって図２では、周囲温度Ｔは湿度センサ１への入力として示されているが、湿度センサ１は周囲温度１を測定することを意味されるのではなく、その出力におけるセンサ信号ＲＨ_{ｓｅｎｓｏｒ}の力学が周囲温度Ｔにしたがって変化していることを意味している。

周囲温度Ｔを測定するための温度センサ２である第２のセンサが設けられる。温度センサ２の出力は周囲温度Ｔを表す温度信号Ｔを与える。

補償装置３は時間にわたってセンサ信号ＲＨ_{ｓｅｎｓｏｒ}（ｔ）を受信し、このセンサ信号はｕ（ｔ）としても示され、温度信号Ｔ（ｔ）にしたがってセンサ信号ＲＨ_{ｓｅｎｓｏｒ}（ｔ）の力学を調節する。この調節の結果として、補償装置３はその出力において時間にわたって補償されたセンサ信号ＲＨ_{ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ}（ｔ）を提供する。質的用語では、補償されたセンサ信号ＲＨ_{ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ}（ｔ）は最良の状態で湿度センサ１の応答時間を補償し、測定される測定の勾配により近づいた勾配を取る。このようにして、補償装置３はセンサ信号ＲＨ_{ｓｅｎｓｏｒ}（ｔ）の力学と、したがってより良好な応答時間を可能にしないセンサ１の力学について調節する。

所望の方法でセンサ１の力学を実際に補償する補償装置３を構築するため、センサ１の特性の態様が理解される必要がある。以下のセクションは湿度感知を伴って説明されているが、その原理は、センサが使用される応用で満足されない応答時間、特に温度依存応答時間を示す任意の他のセンサに一般化されることができることが理解されよう。

［センサのモデル化］
以下は湿度センサのモデル化について説明しており、そのモデル化から適切な補償装置が得られることができる。このような補償装置は実際のセンサに対して下流に設けられることができ、このようなセンサにより出力されるセンサ信号の力学を補償する。

湿度センサでは、関連測定として湿度は湿度センサの感知素子に到達する必要がある。湿度センサのこのような感知素子は好ましくは薄膜である。湿度感知の背景についての更なる情報ではEP 1 700 724を参照されたい。したがって、測定される湿度は湿度センサの薄膜に拡散される必要がある。これに先立って、湿度センサがハウジングを有するならば、湿度は湿度センサのこのようなハウジング中へ拡散される必要がある。

これらの両拡散プロセス、即ち外部からハウジングへ、及びハウジングからセンサ素子への両拡散プロセスが関連している湿度センサでは、両プロセスは対応するセンサモデルで尊重されることが好ましい。

両プロセスを２つの独立した拡散時間の制約を有する微分拡散方程式により説明する。第１の近似では、センサは２つの極及び１つのゼロを有する周波数ドメインの伝達関数により説明され、それによって対応する伝達関数Ｇ_２（ｓ）の一般的な設計は特に二次モデルでは以下のようになる。
Ｇ_２（ｓ）＝Ｋ_Ｓ＋１／（Ｔ_１ｓ＋１）（Ｔ_２ｓ＋１） （式１）
ここで、ｓは複素ラプラス変数を示し、Ｋ、Ｔ_１、Ｔ_２は識別される定数である。Ｔ_１とＴ_２はそれぞれの拡散プロセスの時定数であり、Ｋは２つのプロセス間の結合を規定する。伝達関数Ｇ（ｓ）は通常次式による周波数ドメインのセンサの特徴を示している。
ＲＨ_{ｓｅｎｓｏｒ}（ｓ）＝Ｇ（ｓ）＋ＲＨ（ｓ）
湿度センサのハウジングが非常に複雑であるので、付加的な極とゼロが付加されることができ、湿度センサの伝達関数はしたがって修正されることができる。

幾つかの他の応用は複雑さの少ないセンサ表示を必要とする可能性がある。この場合、一次モデルはセンサを近似でき、この一次モデルは１つの極を有する周波数ドメインの伝達関数により特徴付けられ、それによってこのような伝達関数Ｇ_１（ｓ）の一般的な設計は特に一次モデルでは以下のようになることができる。
Ｇ_１（ｓ）＝１／（Ｔ_１ｓ＋１） （式２）
このようなモデルは例えばハウジングへの拡散プロセスが無視されるように湿度センサがハウジングを含まないならば、または２つの拡散プロセスの一方、即ち外からハウジングへまたはハウジングからセンサ素子への拡散プロセスが他方よりも優勢であり、それによって伝達関数が優勢な拡散プロセスのみにより概算されることができるならば十分である。

パラメータＴ_１、Ｔ_２、Ｋを識別するための異なる方法が存在する。１つの方法は試行錯誤によりパラメータを発見することである。第１の試行では、センサ出力はセンサモデルによりシミュレートされ、ここでセンサモデルはパラメータの第１の評価を使用する。センサモデルの出力はその後、実際のセンサにより供給されるセンサ信号と比較される。その後、パラメータはシミュレートされたセンサ出力と実際のセンサ信号との間の偏差が許容可能に小さくなるまで調節される。

マイクロ制御装置のようなデジタルシステムでセンサモデルを構成するため、センサモデルは好ましくは式１または２により記述されているような連続的な周波数ドメインではなくディスクリートな時間ドメインで実行される。それ故、センサモデルはデジタル化、即ち差分方程式のセットへ変換される必要がある。

第１に、周波数ドメインの差分方程式、例えば式１と２はラプラスの逆変換により時間連続ドメインに逆変換されることができる。

式１によるセンサの二次モデルでは、制御基準形態における等価の時間連続状態スペースは次式のようになり、

ここで、ｗ（ｔ）は時間ドメインにおける時間ｔの真の相対湿度ＲＨを示し、
ｘ１（ｔ）とｘ２（ｔ）は二次センサモデルの内部状態を示し、
ｖ（ｔ）は時間ｔにわたるセンサモデル出力を示す。

この時間連続状態スペース表示では、係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは次式により決定される。

一次センサモデルでは、制御基準形態における時間連続状態スペース記述は次式のようになる。

ここでも、ｗ（ｔ）は時間ドメインにおける時間ｔの真の相対湿度ＲＨを示し、
ｘ（ｔ）は一次センサモデルの内部状態を示し、
ｖ（ｔ）は時間ｔにわたるセンサモデル出力を示す。

この時間連続状態スペース表示では、係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは次式により決定される。

第２に、時間連続ドメインにおける表示は時間のディスクリートなドメインへ変換されることができる。

二次センサモデルについての時間連続状態スペース表示に等価の時間のディスクリートな状態スペース表示は次式のようになる。

ここで、ｗはサンプリング時間ｔ（ｋ＋１）−ｔ（ｋ）＝Ｔ_ｓである時間ステップｋにおける測定された相対湿度を示している。二次センサモデルの２つの内部状態ｘ_１（ｋ）、ｘ_２（ｋ）が存在する。これはｘ（ｋ）＝（ｘ_１（ｋ），ｘ_２（ｋ））^Ｔを意味している。ｖ（ｋ）はディスクリートな時間ドメインにおけるセンサモデル出力を示している。

この時間ディスクリートな状態スペース表示では、係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは次式により決定される。

Ｔ_ｓはサンプリング時間である。

一次センサモデルについての時間連続状態スペース表示の時間ディスクリートな状態スペース表示は次式で表される。

ここで、ｗ（ｋ）はサンプル時間がｔ（ｋ＋１）−ｔ（ｋ）＝Ｔ_ｓである時間ステップｋにおける測定された相対湿度ＲＨを示している。一次センサモデルの内部状態ｘ（ｋ）が存在する。ｖ（ｋ）はディスクリートな時間ドメインにおけるモデル化されたセンサ出力を示している。

この時間ディスクリートな状態スペース表示では、係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは次式により決定される。

Ｔ_ｓはサンプリング時間である。

一次および二次センサモデルのマトリックスの導出はシューア（Schur）の分解と級数展開とマトリックス反転を必要とする。コンピュータソフトウェアは係数の計算に役立つことができる。

一次又は二次センサモデルの時間ディスクリートな状態スペース表示はマイクロプロセッサで動作されることができ、パラメータＴ_１またはＴ_１、Ｔ_２とＫはそれぞれ、センサモデル出力ｖ（ｋ）がデジタル化された形態ｕ（ｋ）に存在する可能性があるかまたは比較目的でデジタル化されることができる実際のセンサ信号ｕ（ｔ）に対して十分に近くなるまで変化されることができる。

センサモデルのパラメータを決定するためのより高度な方法は測定されたデータからダイナミックなモデルを自動的に構築するシステム識別ツールを使用できる。

［補償装置のモデル化］
次のステップでは、図２からの補償装置３が決定され実行される。湿度センサ１が二次モデルによりモデル化されるとき、有効に、補償装置も二次モデルによってモデル化される。周波数ドメインにおいて補償装置としても示されるこのような二次補償フィルタ３の伝達関数Ｃ_２（ｓ）は次式により表されることができる。
Ｇ_２（ｓ）＝（Ｔ_１ｓ＋１）（Ｔ_２ｓ＋１）／（Ｋｓ＋１）（Ｐｓ＋１） （式３）
一次センサモデルが適用されるならば、後続する一次補償フィルタが提案され、これは次式により周波数ドメインで伝達関数Ｃ_１（ｓ）により表されることができる。
Ｇ_１（ｓ）＝（Ｔ_１ｓ＋１）／（Ｐｓ＋１） （式４）
両モデルについて、ｓは複素ラプラス変数を示し、Ｋ、Ｔ_１、Ｔ_２はセンサモデルを決定するときに識別された定数である。

Ｃ（ｓ）は通常周波数ドメインの補償フィルタの伝達関数を示しており、ここで、
ＲＨ_{ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ}（ｓ）＝Ｃ（ｓ）＊ＲＨ_{ｓｅｎｓｏｒ}（ｓ）
好ましくは、補償フィルタの伝達関数Ｃ（ｓ）はセンサモデル伝達関数Ｇ（ｓ）に対する反転であり、即ち拡散関数であり、それによって次式になる。
Ｃ（ｓ）＝１／Ｇ（ｓ）
項（Ｐｓ＋１）は関数を物理的に応用可能にするために補償装置の伝達関数で導入される。パラメータＰはフィルタ関数上の衝撃を低く維持するために小さくされているが、測定雑音を濾波するために使用されることができる。

補償フィルタの伝達関数Ｃ（ｓ）の重要な特性はＣ（ｓ）の最終値が１に収束することであり、即ち、

これは補償フィルタ３が転移期間中にセンサ出力特徴を変化するだけであることを意味する。補償フィルタ３が定常状態であるとき、これはセンサのモデル化およびそのハウジングが正確ではなくてもセンサ出力に影響しない。真のシステム応答ＲＨ（ｔ）がモデル化よりも速いならば、オーバーシュートが生じる可能性があることに注意されたい。

典型的に、補償フィルタ３は連続的な信号においてではなく測定された湿度のサンプルにおいて動作するマイクロ制御装置のようなデジタルシステムで構成される。結果として、マイクロ制御装置は積分できず、式３または４でのような微分方程式を実行しない。それ故、補償装置はデジタル化、即ち差分方程式のセットに変換される必要がある。

第１に、スペクトルドメイン中の微分方程式、即ち本発明の例では式３と４はラプラスの逆変換により時間連続ドメインに逆変換されることができる。

二次補償フィルタでは、制御基準形態における時間連続状態スペース記述は以下のようになる。

ここで、ｕ（ｔ）は時間ドメインにおける時間ｔの測定された湿度、即ちセンサ信号ＲＨ_{ｓｅｎｓｏｒ}（ｔ）を示し、
ｘ１（ｔ）とｘ２（ｔ）は二次補償フィルタの内部状態を示し、
ｙ（ｔ）は図２による補償されたセンサ信号、即ちＲＨ_{ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ}（ｔ）を示す。

この時間連続状態スペース表示では、係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは次式により決定される。

一次補償フィルタでは、制御基準形態における時間連続状態スペース記述は以下のようになる。

ここで、ｕ（ｔ）は時間ドメインにおける時間ｔの測定された湿度、即ち図２のセンサ信号ＲＨ_{ｓｅｎｓｏｒ}（ｔ）を示し、
ｘ（ｔ）は二次補償フィルタの内部状態を示し、
ｙ（ｔ）は図２の補償されたセンサ信号、即ちＲＨ_{ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ}（ｔ）を示す。

この時間連続状態スペース表示では、係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは次式により決定される。

第２に、時間連続ドメインにおける表示は時間ディスクリートドメインに変換されることができる。

二次補償フィルタの時間ディスクリート状態スペース表示は次式になる。

ここで、ｕ（ｋ）はサンプリング時間ｔ（ｋ＋１）−ｔ（ｋ）＝Ｔ_ｓである時間ステップｋにおける測定された湿度を示している。二次補償装置の２つの内部状態、即ちｘ（ｋ）＝（ｘ_１（ｋ），ｘ_２（ｋ））^Ｔが存在する。ｙ（ｋ）はディスクリートな時間ドメインにおける補償されたセンサ信号を示している。

この時間ディスクリートな状態スペース表示では、係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは次式により決定される。

一次補償フィルタの時間連続状態スペース表示の時間ディスクリートな状態スペース表示は次式であることができる。

ここで、ｕ（ｋ）はサンプリング時間ｔ（ｋ＋１）−ｔ（ｋ）＝Ｔ_ｓである時間ステップｋにおける測定された湿度を示している。一次補償装置の２つの内部状態ｘ（ｋ）が存在する。ｙ（ｋ）はディスクリートな時間ドメインにおける補償されたセンサ信号を示している。

この時間ディスクリートな状態スペース表示では、係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは次式により決定される。

一次および二次補償フィルタのマトリックスの導出はシューアの分解と級数展開とマトリックス反転を必要とする。コンピュータソフトウェアは係数の計算に役立つことができる。

図４は主にディスクリートな時間ドメインにおけるサンプル信号を示している。図４の（ａ）は時間ｔにわたるサンプル周囲湿度ＲＨを示している。時間にわたる連続信号として測定された湿度はｕ（ｔ）、即ち湿度センサにより供給されるセンサ信号ｕ（ｔ）により示される。センサ信号ｕ（ｔ）は点ｋ＝０，ｋ＝１，…でサンプルされ、サンプリング時間はＴ_ｓ＝ｔ（ｋ＋１）−ｔ（ｋ）である。ｕ（ｋ）は時間ディスクリート信号であるサンプルされたセンサ信号を示している。

二次補償フィルタでは、サンプル点ｋにわたる内部状態ｘ１とｘ２はグラフ図４の（ｂ）に示されている。最後のグラフ図４の（ｃ）では、補償されたセンサ信号はディスクリートな時間ドメインにおけるステップ関数として示されている。例示の目的で、連続時間ドメインにおける等価値Ｙは点線および破線として示されている。

時間にわたるサンプル湿度特徴に関する補償効果は図３の図に示されている。図３の（ａ）では、「周囲条件」と呼ばれる環境中の相対湿度は時間の関数として示され、傾斜の形態の３つの段階的変化および勾配を含んでいる。湿度センサは「センサ出力」として示されるセンサ信号を供給し、これは周囲条件における高速度の変化に対する重大な応答時間を示している。前述したように、内部拡散力学およびハウジングの力学のために周囲条件はセンサ内で濾波される。センサに続いて補償フィルタは「補償された出力」として補償されたセンサ信号を供給する。本発明の例では、補償フィルタは二次モデルとして構成される。図面から得られることができるように、補償された出力はセンサ出力に与えられる補償装置なしでセンサ出力が行うよりも非常に周囲条件に似ている。したがって、補償装置は、補償装置を含むセンサシステムの出力全体が周囲条件における特に高速度の変化でより良好な品質の出力を与えるように測定システムの品質を改良することを促す。図３の（ｂ）は鋸歯の形態の別の周囲条件特徴についてのセンサ出力および補償された出力を示している。この例では、補償フィルタは一次モデルとして構成される。

図５は本発明の１実施形態によるセンサシステムを実行するための方法の例示をサポートしている。第１のステップでは、センサ自体はセンサモデルを説明するデータからの補償モデルを得る目的でモデル化されている。この第１のステップでは、実際のセンサは再度、測定、即ち「周囲条件」として示される相対湿度の段階的な増加に露出される。相対湿度ＲＨは約１５％から約６５％の単一のステップで増加される。対応するセンサ出力が測定され好ましくは記憶される。応答時間を示すセンサ出力は図５の（ａ）と（ｂ）の両者に示されている。前もって、使用される湿度センサは一次モデルにより最良に表されることができる。したがって第２のステップで、センサモデルは以下の伝達関数により構築され、
Ｇ_１（ｓ）＝１／（Ｔ_１ｓ＋１）
パラメータＴ_１が決定される必要がある。センサモデルの出力は図５に示されているように実際のセンサ出力に最良に適合するようにパラメータＴ_１を決定するため、一次タイプのセンサモデルは先に説明された式にしたがって時間ディスクリート状態スペースで制御装置において実行される。

センサモデルのこの時間ディスクリート状態スペース表示では、パラメータＴ_１の初期値が選択され、例えばＴ_１＝６ｓである。Ｔ_１＝６ｓのセンサモデル出力が図５の（ａ）に示されている。センサモデルはパラメータＴ_１＝８ｓとＴ_１＝１２ｓで動作される。対応するセンサモデル出力も図５の（ａ）に示されている。

次のステップでは、パラメータ値はセンサモデル出力を実際のセンサ信号に近づけるように選択される。図５の（ａ）から、これはＴ_１＝８ｓの場合であることが得られる。したがって周波数ドメインのセンサモデルの完全な伝達関数は次式になる。
Ｇ_１（ｓ）＝１／（８ｓ＋１）
時間ディスクリートドメインにおけるその表示は、以下のようになる。

ｘ（ｋ＋１）＝0.8465・ｘ（ｋ）＋0.9211・ｗ（ｋ）
ｖ（ｋ）＝0.1667ｘ（ｋ）＋０・ｗ（ｋ）
ｘ（０）＝（0.9211／（1-0.8465））ｗ（０）
センサが最初にパラメータの第１の値でモデル化されることができるように、方法は変更されることができる。第１のパラメータ値を有するモデルに基づくセンサ出力の偏差が大き過ぎるならば、パラメータに対して別の値が選択される。反復して、センサモデル出力と実際のセンサ信号との間に十分な類似性があり、即ちこれらの２つの間の偏差はしきい値より低いと考えられる限り、同数のパラメータ値が選択される。

次のステップで、補償装置モデルは以下の周波数ドメインの一般的表示を有する一次モデルであるように決定される。
Ｃ_２（ｓ）＝（Ｔ_１ｓ＋１）／（Ｐｓ＋１）
上記説明による時間ディスクリート状態スペースにおける表示は以下のようになる。

ｕ（ｋ）は補償装置へのディスクリートな入力、即ち実際のセンサの出力のディスクリートな表示を示し、ｙ（ｋ）は補償装置のディスクリートな出力、即ち時間ディスクリートドメインの補償されたセンサ信号を示している。対応する係数は以下のようになる。

センサモデルを実行するときのパラメータＴ_１の決定により、補償装置の係数Ａ−Ｄが決定されることができる。このステップでは、パラメータＰも選択される。パラメータＰは信号雑音の減少に影響する。

補償装置は実行されることができる。その時間ディスクリートな状態スペースでは、補償装置は次式により表される。
ｘ（ｋ＋１）＝0.3679・ｘ（ｋ）＋0.6321・ｕ（ｋ）
ｙ（ｋ）＝8.0・ｘ（ｋ）＋−7.0・ｕ（ｋ）
ｘ（０）＝（0.6321／（1-0.3679））ｕ（０）
補償装置は測定されたデータで有効にされることができる。Ｐは信号対雑音比ＳＮＲにおいて最良の性能に調節されることができる。

本発明の実施形態では、パラメータＰはＰ＝１として選択される。

補償された出力は図５の（ｂ）に示されている。応答時間は補償されていないセンサ出力と比較されて限定される。補償装置は勿論、全ての種類の信号に対して機能する。

図６は本発明の別の実施形態によるセンサシステムを構成するための方法の例示を示している。図５の実施形態と対照的に、センサモデルと補償装置は二次モデルとして説明される。さらに、補償装置を含むセンサシステムを構成するステップは図５に関して説明したのと同じである。第１のステップでは、センサ自体はセンサモデルを示すデータから補償装置モデルを得る目的でモデル化される。この第１のステップでは、実際のセンサは測定、即ち「周囲条件」として示される相対湿度の段階的増加に露出される。相対湿度ＲＨは約１５％から約６５％へ単一のステップで増加される。対応するセンサ出力が測定され好ましくは記憶される。応答時間を示すセンサ出力は図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の全てに示されている。したがって、第２のステップではセンサモデルは以下の伝達関数により構築され、
Ｇ_２（ｓ）＝Ｋｓ＋１／（Ｔ_１ｓ＋１）（Ｔ_２ｓ＋１）
パラメータＴ_１、Ｔ_２、Ｋが決定される必要がある。センサモデルの出力が図６の（ａ）に示されているように実際のセンサ出力に最良に適合するようにパラメータを決定するため、センサモデルは先に与えられた式にしたがって時間ディスクリート状態スペースでマイクロ制御装置において実行される。パラメータの初期値が選択され、センサモデルの出力が実際のセンサのセンサ信号に最良に適合するように反復方法でパラメータは設定される。図６の（ａ）では、異なるパラメータ設定で実行されるセンサモデルの多数の出力が示されている。Ｔ_１＝１６、Ｔ_２＝１５５、Ｋ＝９０のパラメータ設定が最良に適合することが得られることができる。このようなパラメータ設定では、時間ディスクリート状態スペースのセンサモデルの説明は終了する。

次のステップでは、補償装置モデルは、センサモデルを構築しながら決定されたようなパラメータを含めた周波数ドメインの表示と共に二次モデルとして構築され、パラメータＰをＰ＝２０に設定すると仮定すると、
Ｇ_２（ｓ）＝（１６ｓ＋１）（１５５ｓ＋１）／（９０ｓ＋１）（２０ｓ＋１）
この補償モデルは次式により時間ディスクリートな状態スペースで説明されることができる。

再度、補償装置は測定されたデータで有効にされることができる。保障された出力は図６の（ｂ）と（ｃ）に示されている。両者の補償された出力は異なるパラメータＰが適用される点で異なっている。図６の（ｂ）では、ＰはＰ＝１０に設定され、補償された出力は大きな雑音に露出される。図６の（ｃ）では、ＰはＰ＝２０に設定され、これはさらに良好な信号対雑音比ＳＮＲを与える。

しかしながら拡散プロセスは通常、温度に強く依存する。それ故、補償フィルタのモデルは好ましくは特に温度が１０−２０℃を超えて変化するならば温度依存性を考慮する。これは定数Ｔ１，Ｔ２，…，Ｋ，…を時間依存にするか、或いはセンサモデルＧ_ｉ（ｓ）の１セット、及び異なる温度範囲とそれらの間の切換えについての対応する補償モデルＣ_ｉ（ｓ）を使用することにより容易に実現される。

好ましい実施形態では、二次温度依存センサモデルは次式による周波数ドメインで説明されることができる。
Ｇ_２（ｓ，Ｔ）＝（Ｋｓ＋１）／（Ｔ_１（Ｔ）ｓ＋１）（Ｔ_２（Ｔ）ｓ＋１）
ここで、Ｔは温度である。

構成された対応する補償フィルタは次式により示されることができる。
Ｇ_２（ｓ，Ｔ）＝（Ｔ_１（Ｔ）ｓ＋１）（Ｔ_２（Ｔ）ｓ＋１）／（Ｋｓ＋１）（Ｐｓ＋１）
時間連続状態スペースでは、次式は温度依存補償装置を表している。

時間ディスクリートな状態スペースでは、以下の式は温度依存補償装置を表している。

マトリックス要素の線形補間は係数を決定するための適切な方法であることができる。

代わりに、温度範囲はｎ個の部分的な範囲ｉへ分割され、温度の部分的な範囲ｉ＝０は第１の範囲であり、温度の部分的な範囲ｉ＝ｎはカバーされる温度範囲に及ぶ最後の範囲である。各部分的な範囲ｉでは、異なるセンサモデルおよび結果的に異なる補償装置モデルが決定される。例えば、以下の補償フィルタモデルは温度の部分的な範囲［ｉ＝０，．．．，ｉ＝ｎ］の周波数ドメインで決定される。

したがって、異なる伝達関数は、それぞれ時間ディスクリート状態スペースで変換され、それによって各温度範囲では、周辺温度が対応する温度の部分的範囲内に入るように識別されるときはいつでも、他の温度範囲の補償装置モデルとは異なっている対応する補償モデルが与えられ、記憶され、適用されることができる。

実行において、図２を伴って説明されているように、温度センサ２は温度Ｔを決定し、このような温度信号を補償装置３へ供給する。補償装置３はいずれの温度の部分的範囲ｉに測定された温度Ｔが含まれるかを決定し、このような温度の部分的範囲で規定される補償装置モデルを適用する。センサ信号ｕ（ｔ）はその後このような選択された補償装置モデル３により補償される。結果として、センサ１、温度センサ２、補償装置３を具備するセンサシステム全体は、応答時間を補償するだけでなく、センサ信号の温度依存性も補償する。これによって、センサシステムは高速度の変化測定を有する環境に適用されることができ、その環境も可変の温度下で動作されるように特徴付けされる。

温度が部分的な範囲内にあることが決定されるときはいつでも、即ちＴがＴ_ｉにあるならば、ｋ＝Ｉ及び対応する補償装置モデルが適用される。

図７には、［ｉ＝０，．．．，ｉ＝ｎ＝４］によるｉ＝４の部分的な範囲に分割されたサンプル温度範囲Ｔが示されている。破線は図２からの温度センサ２により取られた温度特徴を示している。温度は最初に部分的な範囲ｉ＝２の温度から部分的な範囲ｉ＝３の温度まで上昇し、その後部分的範囲ｉ＝２の温度に戻り、さらに部分的範囲ｉ＝１の温度に低下する。したがってこの測定サイクル期間中に、３つの補償装置モデルが湿度センサ信号、即ちモデルｉ＝２、ｉ＝３、ｉ＝２へ、最終的に温度範囲に対応するｉ＝１に順々に適用される。

そのモデルを含む補償装置３は好ましくは、ソフトウェアで、ハードウェアで、またはソフトウェアとハードウェアの組合せで構成されることができる。

好ましくは、センサシステムおよび対応する方法はビークルの曇り止めで適用されることができる。このような応用では、センサ１が湿度センサであることが好ましい。湿度センサは例えばフロントガラスのようなペイン上またはその近くに配置されることができる。さらに温度センサ好ましくは湿度センサカバーと同じ位置で周囲温度を測定するためにもペイン上またはその近くに配置されることができる。

測定結果は例えば曇ったフロントガラスに対して対応策を取り、送風機の動作を開始するために使用されることができる。

Claims (17)

1. センサシステムにおいて、
   温度以外の測定を表すセンサ信号を与えるセンサを具備し、前記センサ信号のダイナミックコンポーネントは温度に依存しており、前記センサシステムはさらに、
   温度信号を与える温度センサと、
   前記センサ信号と前記温度信号を受信する補償フィルタとを具備し、前記補償フィルタは前記温度信号にしたがって前記センサ信号の前記ダイナミックコンポーネントを調節し、補償されたセンサ信号を出力するように設計されているセンサシステム。
2. 前記補償フィルタは、温度の連続的な補償モデルを含んでいる請求項１記載のセンサシステム。
3. 前記補償フィルタは、多数の異なる補償モデルを含み、各補償モデルは温度の部分的な範囲に関連され、各補償モデル自体は温度変化に対して不変である請求項１記載のセンサシステム。
4. 前記補償フィルタは前記温度信号が含まれる部分的範囲を決定し、前記決定された部分的範囲に関連される前記補償モデルを適用するように構成されている請求項３記載のセンサシステム。
5. 前記センサは湿度センサである請求項１乃至４のいずれか１項記載のセンサシステム。
6. 前記湿度センサと温度センサは窓ガラスの曇りを検出するためにビークルの窓ガラスの近くに配置されている請求項５記載のセンサシステム。
7. 温度を感知し、
   温度以外の測定を表すセンサ信号を与え、前記センサ信号のダイナミックコンポーネントは温度に依存し、
   前記センサ信号の前記ダイナミックコンポーネントを前記感知された温度にしたがって調節し、
   補償されたセンサ信号を与えるステップを含んでいるセンサ信号の調節方法。
8. 前記センサ信号のダイナミックコンポーネントは温度の連続的な補償モデルを適用することによって調節される請求項７記載の方法。
9. 前記センサ信号の前記ダイナミックコンポーネントは、多数の異なる補償モデルを適用することによって調節され、各補償モデルは温度の部分的範囲に関連付けられ、各補償モデル自体は温度の変化に対して不変である請求項７記載の方法。
10. 前記感知された温度が含まれている温度の部分的範囲が決定され、前記決定された温度の部分的距離に関連される前記補償モデルが前記センサ信号に適用される請求項９記載の方法。
11. 前記センサ信号は測定された湿度を表し、前記補償されたセンサ信号はビークルの曇り止め応用で使用される請求項７乃至１０のいずれか１項記載の方法。
12. 伝達関数により特徴付けされているセンサのセンサモデルを構築し、
    前記センサモデルの前記伝達関数の反転に基づいて前記補償フィルタをモデル化し、
    温度依存項を前記補償フィルタに適用するステップを含んでいる請求項１乃至６のセンサシステムで使用するための補償フィルタの構築方法。
13. 前記センサモデルのパラメータは、第１の値をこのようなパラメータに割当て、このような第１のパラメータ値で構成される前記センサ信号の前記出力を前記実際のセンサの前記センサ信号と比較し、前記実際のセンサの前記センサ信号からの前記センサモデルの出力の前記偏差がしきい値よりも低いとき前記パラメータの前記第１の値を受取るステップにより行われる請求項１２記載の方法。
14. 新しい値を前記パラメータに割当て、このような新しいパラメータ値で構成されるセンサモデルの前記出力を前記実際のセンサの前記センサ信号と比較するルーチンは、前記偏差が前記しきい値に依然として達していない限り反復して適用される請求項１３記載の方法。
15. 前記センサモデルについて受取られた前記パラメータ値は前記補償フィルタに適用される請求項１２乃至１４のいずれか１項記載の方法。
16. 前記センサモデルの前記伝達関数の前記大きさは前記実際のセンサの拡散特性にしたがって選択され、前記センサモデルの伝達関数に対して選択された前記同じ大きさは前記補償フィルタの前記伝達関数に適用される請求項１２乃至１５のいずれか１項記載の方法。
17. センサ信号を調節するためのコンピュータプログラムエレメントにおいて、
    前記コンピュータプログラムエレメントは、
    温度信号を受信し、
    温度以外の測定を表すセンサ信号を受信し、前記センサ信号のダイナミックコンポーネントは温度に依存しており、
    前記センサ信号の前記ダイナミックコンポーネントを前記感知された温度にしたがって調節し、
    補償されたセンサ信号を与えるためにコンピュータにより実行可能なコンピュータプログラム命令を含んでいるコンピュータプログラムエレメント。

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