MXPA02006920A - Voltaje alterno con sensor de presion de resistencia. - Google Patents

Abstract

Un aparato detecta una fuerza aplicada utilizando un sensor (10) de presion, un voltaje- alterno aplicado al sensor de presion, y un detector para detectar el voltaje de salida desde el sensor para determinar la fuerza aplicada. Una modalidad aplica el voltaje alterno utilizando un voltaje de entrada de CD y un microcontrolador (112) para conmutar el voltaje aplicado al sensor, 500 Hz, 10 Hz se utilizan con sensores (10) de tinta conductores. Contra una migracion ionica, accion electrolitica, migracion de plata. Para mejorar esencialmente el tiempo de vida del sensor, Aplicacion automotriz para activacion de claxon o percepcion de peso del ocupante.

Description

VOLTAJE ALTERNO CON SENSOR DE PRESIÓN DE RESISTENCIA La presente invención se relaciona con un aparato para detectar una fuerza con un método de excitación de un sensor de presión que aumenta la vida útil del sensor. Este método de excitación es especialmente aplicable a sensores resistivos que se requieren para operar continuamente durante períodos de tiempo muy prolongados, y con sensores en donde el bajo costo o requisitos de operación impiden el uso de sellado hermético u otros medios de protección contra la humedad y contaminantes. La presente invención se relaciona con excitación eléctrica de sensores de presión de estilo membrana, que se utilizan en una variedad de aplicaciones incluyendo aplicaciones automotrices para activación de claxon o percepción de peso del ocupante, y aplicaciones de seguridad. Estos sensores típicamente se construyen de capas de tinta conductora y material sensible a la presión que cambia resistencia cuando se aplica una presión, impreso en un aislante eléctrico tal como una capa de película de plástico. Estos sensores pueden ser del tipo descrito en US 5, 398 962, US 5 563,354 y US 5,541 570. Normalmente en operación estos sensores se suministrar con un voltaje de CD pequeña como un elemento en un divisor de voltaje resistivo o un circuito amplificador de operación, y el cambio resultante de voltaje de salida cuando la fuerza se aplica se detecta mediante un convertidor de A/D, comparador de voltaje, u otro circuito de detección. El nivel del voltaje percibido es proporcional a la fuerza aplicada. US 5 25 y a 962 enseña un activador de claxon que utiliza un sensor de presión. Ei sensor en efecto es un resistor variable, que tiene una salida que varía con la fuerza aplicada. La resistencia del sensor se calcula utilizando un circuito op-amp de inversión, V0 = VD x Rr Rs (en donde Rs es la resistencia de sensor; RF es la resistencia de referencia; V0 es el voltaje de salida; VD es el voltaje de impulsión). Sin embargo, se aplica al sensor un voltaje de corriente directa de cinco negativa. Muchas de las aplicaciones para sensores de membrana se someten a condiciones ambientales de humedad elevada y temperaturas extremas. Además, muchas aplicaciones, tales como las aplicaciones automotrices, requieren que el sensor continúe funcionando durante muchos años sin falla mientras que se está activando continuamente. Se ha encontrado de muchos de estos sensores de membrana tienen una vida limitada debido a la degradación gradual ocasionada por la migración iónica de materiales conductores y acción electrolítica dentro del sensor cuando el voltaje de CD se aplica durante un período de tiempo prolongado. Esta degradación puede ocurrir más rápido en presencia de humedad, que se puede difundir gradualmente hacia el sensor a través del substrato delgado y a través de la capa adhesiva que liga los dos substratos. La degradación del sensor con frecuencia ocasiona reducción gradual en la resistencia eléctrica del sensor. Esta degradación progresa hasta que el sensor de cortocircuitea eléctricamente o ya no está dentro de sus especificaciones útiles. Es deseable reducir al mínimo esta degradación proporcionando una excitación eléctrica al sensor que reduzca al mínimo o elimine la degradación de estos sensores . La presente invención proporciona un método de excitación de un sensor resistivo que lleva al máximo la vida del sensor, permitiendo el uso de estos sensores económicos y flexibles para aplicaciones de vida de servicio prolongada. El circuito de excitación y percepción también debe permitir que el sensor continúe realizando su función de percibir presión y ser económico de manera de mantener la ventaja de la tecnología de sensor de membrana de bajo costo. Se encontró mediante prueba ambiental que invirtiendo periódicamente la polaridad de voltaje de excitación a un sensor de presión de membrana puede permitir que el sensor continúe funcionando cientos de veces más tiempo que un sensor idéntico que utiliza un voltaje directo constante sin inversión de polaridad. Se muestran métodos que inviertes periódicamente la polaridad de excitación de sensor mientras que todavía detecta un cambio de resistencia de sensor ocasionado por aplicación de presión al sensor. Este método se denomina como Excitación de Corriente Alterna (AC) . Las aplicaciones de sensor mostradas son por un sistema de claxon automotor pero este es sencillamente un ejemplo de muchos usos de estos sensores y los métodos de excitación de AC mostrados aquí. Otras aplicaciones de sensor resistivo incluyen aplicaciones de _ seguridad, aplicaciones dentales, y otras aplicaciones automotrices. El método preferido de excitación de AC descrito se desarrolló para reducir al mínimo el costo y reducir al mínimo los cambios en hardware y software comparados con los métodos de excitación de corriente directa, mientras que se satisfacen los requisitos de percepción .

Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 muestra la vida operacional de un sensor que utiliza voltaje de excitación de corriente directa de +5. La Figura 2 muestra el circuito de prueba utilizado para registrar el dato para la Figura 1 y Figura 5. La Figura 3 muestra la vida de operación de un sensor que utiliza voltaje de excitación de onda cuadrada de +5. La Figura 4 es el circuito utilizado para registrar el dato para la Figura 3. La Figura 5 muestra la vida de operación de un sensor que utiliza voltaje de corriente directa de +1. La Figura 6 muestra la vida de operación de un sensor que utiliza voltaje de corriente alterna de +1. La Figura 7 muestra el circuito de prueba utilizado para las mediciones mostradas en la Figura 6. La Figura 8 muestra la forma de onda aplicada al sensor utilizando la impulsión de AC del circuito de la Figura 7. La Figura 9 es un diagrama de una modalidad preferida de la impulsión de sensor de AC para un circuito sensor de claxon automotor. La Figura 10 es el voltaje de AC aplicado a través del sensor de claxon de la Figura 9.

Las Figuras 11 y 12 son las señales de impulsión de fuera de fase de 180a desde un microcontrolador para impulsar los Transistores de Efecto de Campo ( FETs ) del circuito de la Figura 9. t La Figura 13 muestra la señal de salida de CD del amplificador de operación (op-amp) del circuito de la Figura 9 a dos valores diferentes de resistencia de sensor .

Descripción Detallada de la Invención La Figura 1 muestra la vida de operación cuando un voltaje de CD constante se aplica a un sensor 10 de membrana desde un circuito tal como aquel mostrado en la Figura 2. El sensor probado fue un sensor de presión de membrana de aproximadamente 125 mm x 125 mm de tamaño, fabricado por Forcé Imaging Technologies, parte número 99F32055. El sensor se degrada con el tiempo hasta que se cortocircui tea eléctricamente o hasta que tiene tan baja resistencia que ya no es útil como un sensor de presión. Esta degradación se encontró que ocurre debido a la migración de metales conductores tales como plata dentro del sensor, y también debido a cambios químicos a otros materiales dentro del sensor ocasionados por procesos electrolíticos en presencia de humedad y un potencia de voltaje de CD .

En la Figura 2, el voltaje 20 de entrada de +5 voltios se aplica al sensor 10. El amplificador 12 de operación de la Figura 2 proporciona un voltaje constante al sensor 10 a través de la trayectoria de retroalimentación a través del resistor 11. El voltaje 20 de polarización de CD de 5 voltios se aplica a la entrada 13 positiva de op amp de no inversión. Una trayectoria de retroalimentación negativa se proporciona a través del resistor 11 a la entrada de inversión (-) 15 del op amp. La salida del op-amp se eleva hasta que el voltaje en la entrada (-) 15 es igual al voltaje en la entrada 13 ( + ) . La corriente a través del resistor 11 y el sensor son iguales. Por lo tanto, la resistencia del sensor 10 puede calcularse del voltaje de salida como sigue : Por lo tanto, el voltaje a través d&l sensor 10 siempre es el mismo que el voltaje 20 mientras que el amplificador de operación está dentro de su escala de operación normal . Las Figura 1 y 3 muestran a diferencia en vida de operación de dos sensores idénticos, uno utilizando voltaje de excitación de CD de 5 voltios constante, el otro utilizando excitación de onda cuadrada de +5 voltios con por lo demás condiciones idénticas. Para estas pruebas, el voltaje de 5 voltios se utilizó en lugar de una excitación de un voltio para que los sensores aceleraran la degradación de los sensores. Las condiciones para estas pruebas fueron temperatura de 24aC y humedad de aproximadamente 45%. Cuando se comparan los dos sensores en las Figuras 1 y 3, la resistencia inicial en la Figura 1 es 140 K ohmios y la resistencia inicial en la Figura 3 es 94 K ohmios. Esta diferencia en resistencia inicial es normal para este tipo de sensor de presión de membrana. La resistencia con una carga idéntica puede variar substancialmente. Estos sensores se utilizan para mediciones de cambio de carga relativo, pero no mediciones de carga absoluta tan precisa sin calibrar cada uno separadamente. La Figura 3 muestra la vida grandemente incrementada de un sensor idéntico cuando el voltaje de invierte periódicamente. En este caso, el voltaje se invirtió a un régimen de 500 Hz . Para esta prueba del sensor 10 se utilizó el circuito de la Figura 4, Este circuito requiere dos suministros de voltaje a + 15 voltios, y también una señal de impulsión de AC del generador 30 de señal que proporciona la señal de referencia de +5 voltios. El amplificador 32 de operación de la Figura 4 proporciona un voltaje constante al sensor 10 a través de la trayectoria de retroalimentación a través de un resistor 34. Un voltaje 30 de polarización de AC de +5 voltios se aplica a la entrada 35 positiva de op amp de no inversión. Se proporciona una trayectoria de retroalimentación negativa a través del resistor 34 a la entrada 36 de inversión (-) del op amp. La salida del op-amp se eleva o cae hasta que el voltaje en la entrada 36 negativa es igual al voltaje en la entrada 35 positiva. La corriente a través del sensor 10 y el generador 30 de señal son iguales. Por lo tanto, la resistencia del sensor 10 se puede calcular del voltaje de salida como sigue: El voltaje a través del sensor 10 siempre es el mismo que el voltaje del generador 30 de señales mientras que el amplificador 32 de operación está dentro de su escala de operación normal . Las Figuras 5 y 6 muestran los resultados de pruebas realizadas a una polarización de 1 voltio del sensor con una temperatura elevada de 60aC y a 90% de humedad. En la Figura 5, la polarización es 1 voltio de CD y el sensor falla (corto eléctrico) dentro de 48 - ÍO - horas. El circuito mostrado en la Figura 2 se utilizó con un voltaje de entrada de +1 voltio para proporcionar la polarización de sensor de CD de 1 voltio para la prueba mostrada en la Figura 5. La Figura 6 utiliza un sensor idéntico y condiciones ambientales con una polarización de sensor de +1 voltio de AC, con el régimen de inversión (frecuencia) de 10 Hz . El sensor ha retenido su funcionalidad cuando la prueba se termina a 648 horas. La Figura 7 muestra el circuito que se utilizó para la prueba de sensor de polarización de AC mostrada en la Figura 6. En la Figura 7, el cronómetro LM1455 IC 40 se utiliza para generar una onda cuadrada de referencia de CD a un régimen de 10 Hz . Este circuito está diseñado para proporcionar una onda cuadrada simétrica con ciclo de servicio de 50%. Un capacitor 42 junto con un resistor 44 de carga y un resistor 46 de descarga proporcionan una frecuencia de 10 Hz . La amplitud de salida se ajusta a +1 voltio cresta a cresta con un potenciómetro 48. La onda cuadrada se convierte en AC de referencia a tierra acoplando a través de un segundo capacitor 50. Un segundo potenciómetro 52 puede realizar ajuste fino para asegurar que la señal esté exactamente balanceada alrededor de 0 voltios, Esta señal de AC luego se aplica a la entrada 53 positiva al op amp 51 que proporciona la fuente de voltaje de AC constante al sensor 10. La Figura 8 muestra el voltaje de polarización de AC de cresta de 1 voltio que se aplica al sensor utilizando el circuito de la Figura 7. Para una aplicación práctica de excitación de AC tal como un claxon de vehículo, los métodos de las Figuras 4 o Figura 7 son difíciles y costosos de implementar debido a que ambos un voltaje positivo y uno negativo relativos a tierra se requieren. Además, la señal de referencia requerida es AC y la señal de salida es AC, lo que es difícil de medir con un convertidor de A D típico. De esta manera, se diseñó el circuito de la Figura 9. La Figura 9 muestra una implementación de una impulsión de sensor de AC para un circuito sensor de claxon automotor. El sensor 10 está representado por un resistor 80 y un capacitor 82. En la modalidad preferida, el sensor está construido de capas de tinta conductora y material sensible a la presión que cambia resistencia cuando se aplica una presión, impresa en un aislante eléctrico tal como una capa de película plástica. El sensor puede ser del tipo descrito en US 5,563 354, US 5,541 579 y US 5 398 962. Los sensores probados fueron sensores de presión de membrana de aproximadamente 125 mm x 125 mm de tamaño, fabricados por Forcé Imaging Technologies, número de parte 99F32055. Un op-amp 84 se utiliza para proporcionar una fuente de CD de voltaje constante en la entrada 83 negativa. La entrada 85 positiva se polariza a 1 voltio de CD mediante un primer resistor 86 y un segundo resistor 88, por lo tanto, la entrada 83 negativa también se mantiene a 1 voltio mediante la retroalimentación negativa a través de tercero y cuarto resistores 90 y 92. En un circuito común que utiliza la polarización de sensor de CD, el sensor se conectaría entre la entrada 83 negativa del op-amp y tierra. Sin embargo, cuando se añaden primero, segundo, tercero y cuarto FETs 93, 94, 95 y 96, los extremos del sensor se pueden invertir periódicamente. En este circuito, cuando un primer pasador 110 de mi microcontrolador 112 se eleva a +5 voltios y un segundo pasador 114 se ajusta a tierra, el primero y tercer FETs 93 y 95 se conectan mientras que el segundo y cuarto FETs 94 y 96 se desconectan, conectando el extremo "A" del sensor al op amp (-) en la entrada 83 mientras que el extremo "B" está puesto a tierra. Cuando el primer pasador 110 del microcontrolador se ajusta a tierra y el segundo pasador 114 se ajusta a +5 voltios, el segundo y cuarto FETs 94 y 96 se conectan y el primero y tercer FETs 93 y 95 se desconectan. Esto luego invierte las conexiones al sensor 10, y el extremo "B" se conecta a la (-) entrada 83 del op-amp y el extremo "A" se conecta a tierra. Los dos pasadores 110 y 114 de portillo del microcontrolador 112 son controlados por software en el microcontrolador, utilizando el cronómetro interno para generar una interrupción que cambia los dos pasadores de portillo entre 0 y 5 voltios periódicamente. Las señales de los pasadores 110 y 114 del microcontrolador se muestran en la Figura 11 y Figura 12, respectivamente. Son sencillamente ondas cuadradas con amplitudes de 5 voltios que están 180s fuera de fase. El voltaje de AC aplicado a través del sensor 10 se muestra en la Figura 10. En esta aplicación, el voltaje al sensor 10 se invierte 10 veces/segundo (10 Hz ) , sin embargo, otras aplicaciones podrían utilizar un régimen más lento o más rápido . La salida del op-amp 84 es un voltaje de CDE que es inversamente proporcional a la resistencia del sensor 10. La Figura 13 muestra un e'jemplo de la salida. El trazo inferior es el voltaje de salida cuando la resistencia del sensor es 20 ohmios. El trazo superior es el voltaje de salida cuando la resistencia de sensor se cambia a 15 K ohmios. La ligera ondulación en el voltaje de salida es ocasionada por tiempo de conmutación finito de los dos voltajes de portillo desde el microcontrolador y la recarga del capacitor 82 cuando el voltaje se invierte. Sin embargo este voltaje de ondulación es muy pequeño con relación al cambio en voltaje ocasionado por cambios de resistencia de sensor de manera que no ocasiona problema detectando cambios útiles en la resistencia del sensor. Nótese que el circuito de la Figura 9 está simplificado, el microcontrolador también se puede conectar al circuito de op-amp para controlar la ganancia y/o compensar el op-amp para variar ampliamente la resistencia del sensor. Asimismo, se puede añadir un termistor a una de las entradas de convertidor de A/D no usadas del microcontrolador para proporcionar compensación de temperatura. El voltaje de salida del op amp se puede conectar a la entrada 116 de convertidor de análogo a digital del microcontrolador 112 como se muestra en la Figura 9. Luego el software puede calcular la resistencia del sensor utilizando el voltaje de salida y parámetros de circuito conocidos para determinar el ambiente del sensor, en este caso la fuerza aplicada. Durante la operación de esta modalidad, cuando se aplica una fuerza al sensor 10, la resistencia del sensor 10 cambia. Cuando el voltaje en la entrada de A/D 116 alcanza un valor de umbral especificado indicando un cambio predeterminado en resistencia del sensor 10, el portillo 118 de salida del microcontrolador 112 se eleva a 5 voltios. Este incremento de voltaje en el portillo 118 de salida conecta un transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal (MOSFET) 120 y activa un relé 122 de claxon. La Figura 11 y la Figura 12 muestran señales de impulsión de fuera de fase de 180? desde el microcontrolador necesario para impulsar los FETs 93, 94, 95 y 96 del circuito de la Figura 9, que producen una impulsión de sensor de AC. La Figura 13 muestra la señal de salida de CD desde el circuito que se aplica al convertidor A D del Microcontrolador 112, El trazo inferior es la señal cuando la resistencia de sensor es 20 K ohmios, el trazo superior es la señal cuando la fuerza mecánica se aplica al sensor y sus cambios de resistencia a 15 K ohmios.

Claims (5)

REIVINDICACIONES

1.- Un aparato para detectar una fuerza que comprende : un sensor de presión que cambia resistencia en respuesta a la fuerza aplicada; medios para proporcionar un voltaje de entrada alterna al sensor de presión; y medios para detectar un cambio en el voltaje de salida desde el sensor de presión cuando se aplica la fuerza .

2.- El aparato para detectar una fuerza de conformidad con la reivindicación 1, en donde el medio para proporcionar un voltaje de entrada alterno comprende : un voltaje de entrada de CD; y un microcontrolador conectado al voltaje de entrada de CD, en donde el voltaje aplicado al sensor se alterna mediante el microcontrolador..

3.- El aparato para detectar una fuerza de conformidad con la reivindicación 2, en donde el voltaje se invierte mediante el microcontrolador.

4.- El aparato para detectar una fuerza de conformidad con la reivindicación 3 , _ en donde el voltaje se invierte a una frecuencia de 10 Hz .

5.- El aparato para detectar una fuerza de conformidad con la reivindicación 1, en donde el sensor de presión comprende capas de tinta conductora y material sensible a la presión que cambian de resistencia cuando se aplica la fuerza.