Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer mechanischen Verformung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der DE-OS 36 12 810 ist eine Vorrichtung zur Messung einer me¬ chanischen Verformung, insbesondere unter Einwirkung eines Druckes bekannt/ bei der das Ausgangssignal eines Dickschichtwider- stands-Drucksensors mittels einer geeigneten Schaltungsanordnung ausgewertet wird. Dabei sind die Dickschichtwiderstände, die die eigentliche Sensoranordnung bilden, in einer Brückenschaltung ange¬ ordnet, wobei diese Brückenschaltung auf einer durch Druckeinwirkung elastisch verformbaren Unterlage befestigt ist. Durch Druckeinwir¬ kung werden zwei der Brückenwiderstände gestaucht und zwei in ihrer Länge gedehnt, so daß die Brücke verstimmt wird und an der Brücken¬ diagonale das Meßsignal abgenommen werden kann.

Da sowohl die Schaltungsanordnung selbst als auch der Dickschicht- widerstands-Drucksensor mit Temperaturfehlern behaftet sind, ist eine Temperaturkompensation vorgesehen, die den linearen und den

guadratischen Anteil des Temperaturgangs kompensiert und außerdem den Temperaturgang der Meßempfindlichkeit mittels eines temperatur¬ abhängigen Widerstandes kompensiert.

Für viele Anwendungen ist diese Auswertung des AusgangsSignals eines Drucksensors jedoch noch nicht genau genug, außerdem führen Stör¬ signale, die z. B. durch Rauschen oder Driften verursacht werden, zu weiteren unerwünschten Ungenauigkeiten.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche haben gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Schaltungsan¬ ordnungen den Vorteil, daß neben einer Temperaturkompensation und einer Offset-Korrektur auch noch eine Linearisierung des Sensoraus- gangssignales durchgeführt wird, wodurch eine noch genauere Auswer¬ tung des Sensorausgangssignales ermöglicht wird und das Nutzsignal gegenüber den Störungen weiter hervorgehoben wird.

Die Linearisierung wird dadurch erreicht, daß auf die Speisediago¬ nale des Sensors, der in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus zwei gleichartigen Sensorele¬ menten besteht, deren jeweilige Ausgangssignale zu einem gesamten Ausgangssignal addiert werden, ein Teil des Ausgangssignales rückge¬ koppelt wird.

Da alle Komponenten des Sensors in einem Dickschicht-Fertigungsver¬ fahren integriert hergestellt werden können und der Platzbedarf der gesamten Auswerteschaltung nicht größer ist als bei bisher, bei¬ spielsweise aus der DE-OS 36 12 810, bekannten Einrichtungen, ist der Mehraufwand zur Erzielung der höheren Genauigkeit nur sehr ge¬ ring.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in Anspruch 2 ange¬ gebenen Vorrichtung angegeben.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge¬ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt Figur 1 eine schaltungsmäßige Ausgestaltung des Ausführungs¬ beispiels, Figur 2 zeigt zwei Spannungsverl ufe ohne druckabhängige Rückkopplung und Figur 3 zeigt zwei Spannungsverläufe mit druckab¬ hängiger Rückkopplung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die zwischen einer mit U+ bezeichneten Versorgungsspannungsleitung und einer mit U- bezeichneten und mit Masse verbundenen Versorgungsspannungs¬ leitung betrieben wird.

Dabei sind zwei Widerstands-Brückenschaltungen mit ihren Versor¬ gungsdiagonalen über den Ausgang eines Operationsverstärkers 0P3 und einen Pull-up-Widerstand R15 derart zwischen die Versorgungsspan¬ nungsieitungen U+, Ugeschaltet, daß der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen Rl und R3 bzw. R5 und R7 vom Ausgang des 0P3 und über R15 von U+ gespeist wird und der Verbindungspunkt zwischen R2 und R4 bzw. R6 und R8 direkt an U- angeschlossen ist. Die Wider- stands-Brückenschaltung Rl bis R4 bildet das erste Sensorelement 11, die Widerstands-Brückenschaltung R5 bis R8 das zweite Sensorelement 12, insgesamt setzt sich der Drucksensor 10 aus diesen beiden Brückenschaltungen bzw. Sensorelementen 11 und 12 zusammen.

Die anderen diagonalen Anschlüsse des Sensorelements 11 sind mit einem Operationsverstärker OPl verbunden, dabei ist der Verbindungs¬ punkt zwischen den Widerständen Rl und R2 mit dem nichtinvertieren- den Eingang des Operationsverstärkers 1 verbunden und der Verbin¬ dungspunkt zwischen den Widerständen R3 und R4 ist direkt mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPl verbunden und über einen Rückkopplungswiderstand Rll mit dem Ausgang des Opera¬ tionsverstärkers OPl und über einen Widerstand R9 mit der positiven Versorgungsspannungsleitung U+.

Das Sensorelement 12 ist mit einem Operationsverstärker 0P2 verbun¬ den, dabei ist der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R7 und R8 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 0P2 verbunden und der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R5 und R6 ist mit den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP2 verbunden und über einen Kondensator C3 mit dem Ausgang des Opera¬ tionsverstärkers 0P2.

Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OPl ist außerdem über einen veränderbaren Widerstand RIO mit Masse verbunden und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP2 ist über einen veränderbaren Widerstand R13 ebenfalls mit Masse verbunden. Weiter¬ hin ist der Ausgang des Operationsverstärkers OPl über einen Wider¬ stand R12 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP2 verbunden und über einen weiteren Widerstand R14, der an R12 an¬ geschlossen ist, an den Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ange¬ schlossen.

Dieser Teil der Schaltung mit den Widerständen R9 bis R14, den Ope¬ rationsverstärkern OPl und 0P2 sowie dem Kondensator C3 dient als Vorverstärkerstufe für die BrückenausgangsSpannung der beiden Sen¬ sorelemente 11 und 12. Darüber hinaus wird in diesem Teil der Schal¬ tung eine grobe Offset-Korrektur durchgeführt.

Der Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ist mit dem nichtinver- tierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 0P3 verbun¬ den, dessen Ausgang mit der Speisediagonale der beiden Sensorele¬ mente 11 und 12 und über den Widerstand R15 mit der positiven Ver¬ sorgungsspannungsleitung U+ verbunden. Zwischen dem Ausgang des Ope¬ rationsverstärkers 0P3 und seinen invertierenden Eingang ist ein Kondensator C4 geschaltet, parallel zum Kondensator C4 liegt eine Reihenschaltung eines Widerstandes R17 und eines veränderbaren Wi¬ derstandes R19. Des weiteren ist der Verbindungspunkt des Widerstan¬ des R17 mit dem veränderbaren Widerstand R19 über einen veränder¬ baren Widerstand R18 mit Masse verbunden. Außerdem ist der inver¬ tierende Eingang des Operationsverstärkers 0P3 über einen Widerstand R20 mit Masse verbunden.

Dieser Teil der Schaltung dient zur Erzeugung eines Rückkopplungs- signals aus dem Ausgangssignal des Operationsverstärkers 0P2, das auf die Speisediagonalen der beiden Sensorelemente 11 und 12 rückge¬ koppelt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers 0P2 ist weiter¬ hin über eine Serienschaltung von Widerständen R31 und R32 mit dem invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 0P4 ver¬ bunden, wobei der Widerstand R32 veränderbar ist und zusammen mit dem Widerstand R31 zur Temperaturkompensation der Empfindlichkeit dient.

Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 0P4 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen zwei Widerständen R21 und R22, die zwischen U+ und U- geschaltet sind und zur Offset-Korrektur des Operationsverstärkers 0P4 dienen, verbunden.

Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 0P4 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen zwei Widerständen R23 und R24, die zwischen U+ und U- geschaltet sind und zum Feinabgleich des Offset dienen, geschaltet.

Ein weiteres Widerstandsnetzwerk 14, bestehend aus den Widerständen R16, R25 bis R30, R34 und R35 wird zur linearen und quadratischen Temperaturkompensation des Offsets der Sensorkennlinie verwendet und ist zwischen U+ und U- geschaltet und durch die Widerstände R34 und R35 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 0P4 verbunden.

Die von U+ abgewandte Seite der beiden Serienschaltungen des verän¬ derbaren Widerstandes R25 und des Widerstandes R26 bzw. des Wider¬ standes R27 und des veränderbaren Widerstandes R28 sind mit U- ver¬ bunden, während die Verbindungspunkte der Serienschaltungen R25, R26 und R27, R28 über eine weitere Serienschaltung zweier veränderbarer Widerstände R16, R29 und eines Widerstandes R30 miteinander verbun¬ den sind. Dabei ist der Verbindungspunkt zwischen R16 und R29 über den Widerstand R34 und der Verbindungspunkt zwischen R29 und R30 über den Widerstand R35 auch noch an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 0P4 angeschlossen.

Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 sind die Widerstände R17, R20, R26, R27, R30, R31 als NTC-Widerstände ausgebildet, während die Wi¬ derstände R16, R25, R28, R29 PTC-Widerstände sind.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 0P4 ist über einen Widerstand 37 mit der Ausgangsklemme 15, an der das kompensierte Drucksignal erscheint, verbunden. Die Ausgangsklemme 15 ist über einen Wider¬ stand R36 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP4 verbunden und über einen Glattungskondensator C2 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 0P4. Ein weiterer Widerstand R38 ist zwi¬ schen U+ und der Ausgangsklemme 15 geschaltet, wobei zwischen der Ausgangklemme 15 und U- ein weiterer Glattungskondensator C5 und zwischen U+ und U- ein Kondensator Cl liegt.

Funktionsweise der Schaltung

Die Brückenspannungen der beiden aus Rl bis R4 und R5 bis R8 beste¬ henden Sensorelementen 11 und 12 werden in den beiden Operationsver¬ stärkern OPl und OP2, die jeweils als Differenzverstärker geschaltet sind, verstärkt und addiert. Am Ausgang des Operationsverstärkers 2 ergibt sich eine mit zunehmender Brückenspannung proportional fal¬ lende Signalspannung, der ein durch das Widerstandsverhältnis R14/R12 x R11/R9 gegebener Gleichspannungsteil durch die Versor¬ gungsspannung der Schaltung überlagert wird, durch den der Arbeits¬ punkt des Operationsverstärkers 0P2 festgelegt ist. Während das Nutzsignal somit zur Hälfte von Brücke 1 und zur Hälfte von Brücke 2 kommt, gehen auftretende Störgrößen, die von den statistisch unab¬ hängigen Brückenspannungen herrühren nur mit den statistischen Ver¬ hältnis V 2/2 ins Gesamtsignal ein.

Bei konstanter Spannung an den Speisediagonalen der beiden Brücken, d.h. ohne Rückkopplung des Ausgangssignales, ergeben sich in Abhän¬ gigkeit vom Druck nichtlinear ansteigende Brückenspannungen, deren Verlauf sich aus Figur 2 entnehmen läßt. Dabei ist im oberen Teil der Figur 2 die konstante Spannung an den Speisediagonalen der Brücke dargestellt und im unteren Teil der Figur 2 der Verlauf der zugehörigen Brückenspannungen in Abhängigkeit vom Druck.

Bei Rückkopplung des Ausgangssignales auf die Speisespannung der Brückendiagonalen liegen am Ausgang des Operationsverstärkers OP3, der als nichtinvertierenden Verstärker geschaltet ist, ein dem Ar¬ beitspunkt des Operationsverstärkers 0P2 proportionaler Anteil und ein dem fallenden Drucksignal proportionaler Anteil an, der, rückge¬ koppelt auf die Speisediagonale der Widerstandsbrücken bei größer werdender Brückenspannung eine Abnahme der Spannung in der

Speisediagonale der Brücke und somit eine Abnahme der Empfindlich¬ keit der Brückenspannung auf das Meßsignal bewirkt. Figur 3 gibt im unteren Teil den Verlauf der Brückenspannung bei druckabhängiger Rückkopplung auf die Speisediagonale der Brücke wieder, während im oberen Teil von Figur 3 die Spannung an der Speisediagonale aufge¬ tragen ist, wobei beide Spannungen in Abhängigkeit vom Druck auf¬ getragen sind..

Besagte Rückkopplung hätte bei einem ideal linearen Sensorelement einen mit zunehmenden Meßsignal flacher werdenden Kennlinienverlauf der Brückenspannung der Spannung am Operationsverstärker OP2 zur Folge. Da jedoch bei dem Dickschicht-Sensorelement eine dem linearen Verlauf der Kennlinie überlagerte annähernd quadratische Krümmung bei konstanter Speisespannung in der Brückendiagonale entsteht, be¬ wirkt die meßsignal bhängige Rückkopplung auf die Speisespannung in den Brückendiagonalen eine Linearesierung der Brückenspannungen und damit eine Linearesierung des verstärkten Signals am Ausgang des Operationsverstärkers 0P2.

In der weiteren Verstärkersstufe des Operationsverstärkers OP4 wird das Drucksignal invertiert und durch die temperaturabhängige Ver¬ stärkung, gegeben durch das Verhältnis R36/ (R31 R32), und durch Ad¬ dition der in der Stufe 14 entstehenden Temperatursignale tempera¬ turkompensiert.

Das Widerstandsnetzwerk 14 erzeugt zwei Temperatursignale, am Ab¬ griff zwischen R16 und R29 ein mit der Temperatur fallendes und am Abgriff zwischen R29 und R30 ein mit der Temperatur ansteigendes Temperatursignal, die beide zusätzlich jeweils einen positiv quadra¬ tischen Anteil aufweisen. Die Gewichtung durch die Einstellung der veränderlichen Widerstände R34, R35 wird so vorgenommen, daß sich im Ausgang eine im wesentlichen lineare und temperaturunabhängige Druckkennlinie ergibt.

Statt eines Sensors mit zwei gleichartigen Sensorelementen kann auch ein Sensor mit einem einzigen Sensorelement, beispielsweise ein Drucksensor wie er aus der DE-OS 36 12 810 bekannt ist, verwendet werden, dessen AusgangsSignal auf die Vesorgungsdiagonale rückgekop¬ pelt wird.

Wird ein Sensor mit zwei gleichartigen Sensorelementen, jedoch ohne Rückkopplung des Ausgangssignales auf die Speisediagonale vorgese¬ hen, dann kann immerhin eine Verbesserung des Verhältnisses Nutz¬ signal zu Störsignal erzielt werden, während damit eine Linearisie¬ rung der Sensorkennlinie nicht erreicht wird.