Sensor zur Messung physikalischer Größen und Verfahren zum Abgleich des Sensors

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Messung physi¬ kalischer Größen nach der Gattung des Hauptanspruchs. 3ei bekannten Sensoren, bei denen abhängig von Druckschwankun- gen oder Temperaturschwankungen der Widerstandswert des Sensors sich ändert, ist zur Korrektur der unmittelbar vom Sensor abgegebenen Meßsignale ein relativ aufwendiges Abgleichnetzwerk erforderlich, mit dem die Sensorkenn¬ linie zu linearisieren, der Te peratύrgang zu kompen¬ sieren, die Exemplarstreuungen auszuschalten und ver¬ schiedene OffsetSpannungen abzugleichen sind (Elektronik, Heft 13, 198-- , Seite 95). Die verschiedenen Widerstände des Abgleichnetzwerkes, das zusammen mit den Sensorele¬ menten auf einem Chip angeordnet ist, müssen dazu auf einem Meßprüfstand mit einem Laserstrahl abgeglichen wer¬ den. Da derartige Sensoren vorwiegend zur Druckmessung und Temperaturmessung an eine digital arbeitende Auswerte¬ schaltung angeschlossen werden, ist es auch bereits

bekannt, den Sensor mit einem Mikroprozessor zu einer Funktionseinheit zusammenzuf ssen, wobei der Mikropro¬ zessor zwischen den Sensorelementen und der Auswerte- sehaltung eingefügt ^' ist, in dem zur Signalaufberei¬ tung alle zu berücksichtigenden Korrekturgrößen einge¬ geben werden (ETZ Band 105 (1981 ), Heft 1 5 _. Seite 800 ff). Das Ausgangssignal einer solchen Funktionseinheit ist durch die Signalaufbereitung im Mikroprozessor nicht mehr fehlerbehaftet und kann folglich ohne weitere Korrek¬ tur von der Auswerteschaltung zur Meßwertanzeige oder zur Beeinflussung von Regelkreisen und Steuerstrecken weiter verarbeitet werden. Die Auswerteschaltung enthält dabei oftmals mindestens einen weiteren Mikroprozessor oder Mikrocomputer. Auch diese Lösung ist relativ aufwen¬ dig, da neben den in der Auswerteschaltung vorhandenen Mikroprozessor--ein zusätzlicher Mikroprozessor auf dem Chip des Sensors benötigt wird.

Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, den Sensor so auszurüsten, daß die vorhandene Auswerteschaltung zur Kor¬ rektur der Sensorsignale mit verwendbar ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zusammenfassung des Sensors mit einem sogenannten PROM zu einer Baueinheit hat den Vor¬ teil, daß lediglich die Korrekturwerte eines jeden. Sen¬ sors, in dem ihm zugeordneten PROM auf der Baueinheit ge¬ speichert und beim Einsatz des Sensors zusammen mit den Sensorsignalen von der angeschlosssenen Auswerteschaltung abzurufen sind.. Auf diese Weise kann die Intelligenz der Auswerteschaltung zur Korrektur der vom Sensor ab¬ gegebenen Meßsignale mit verwendet werden. Je nach der Speicherkapazität des PROMS kann dabei eine hohe oder sehr hohe Meßgenauigkeit bezüglich der Linearität der

Geberkennlinien, des Temperaturganges, der Exemplar¬ streuungen und der Offsetwerte erreicht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß insbesondere bei hohen Stückzahlen gegenüber den bekannten Lösungen er¬ hebliche Kostenvorteile erzielt werden können, da ein Abgleichnetzwerk oder ein weiterer Prozessor für den Sensorabgleich entfällt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich. Be¬ sonders vorteilhaft ist es, die Meßsignale des Sensors und die Korrekturwerte aus dem Speicher über einen ge¬ meinsamen Ausgang bit-seriell oder bit-parallel an die Auswerteschaltung abzugeben. Dabei ist es zweckmäßig, den Ausgang zugleich als Eingang zur Energieversorgung des Sensors und des Speichers zu verwenden. Sollen Me߬ signale, wie beispielsweise der Luftdruck oder die Temperatur eines Fahrzeugreifens von einem umlaufenden Sensor auf eine ortsfeste Auswerteschaltung übermittelt werden, so wird zweckmäßigerweise der Ausgang der Bau¬ einheit mit einer Übertragerspule verbunden, die mit einer weiteren, mit der Auswer eschaltung verbundenen Übertragerspule induktiv gekoppelt ist. Dabei ist die Baueinheit des Sensors am Fahrzeugrad so angeordnet, daß die Übertragerspule bei jeder vollen Radumdrehung in mindestens einem U f ngsbereich der anderen in Rad¬ nähe ortsfest angeordneten Übertragerspule gegenüber¬ steht. In vor eilhafter Weise ist dabei der Sensor über einen A/D-Wandler mit dem Ausgang verbunden. Sen¬ sor, A/D-Wandler, Speicher und Ausgang sind dabei zweck¬ mäßigerweise als Baueinheit auf einem Chip angeordnet oder in hybrider Bauweise vereinigt.

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Zur Ermittlung der im PROM abzuspeichernden Korrektur¬ werte wird- in einfacher Weise auf einem Meßprüfstand eine Vielzahl von Meßpunkten durchlaufen. Diese Meßwerte werden dann mit den vorgegebenen, tatsächlichen Meßwerten verglichen und ein Korrekturwert gebildet , der schließlich als Tabellenwert oder als Parameter für eine mathematische Abgleichvorschrift in das PROM eingeschrieben wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 eine erfindungsgemäße Sensor- Baueinheit mit daran angeschlossener Abgleichschaltung zur Programmierung eines PROMs , Figur 2 zeigt die Sensor- Baueinheit mit angeschlossener Auswerteschaltung und Figur 3 eine Reifendruck-Überwachung mit einer Sensor-Bauein¬ heit nach Figur 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In den Figuren 1 und 2 ist ein an sich bekannter Druck¬ sensor mit mindestens einem druckabhängig veränderbaren ohmschen Widerstand mit 10 bezeichnet. Der Drucksensor 10 ist auf einem Chip 11 angeordnet, der aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff besteht. Als Chip 11 kann eine Keramik- oder Kunststoffplatte ver¬ wendet werden. Auf dem Chip 11 ist ferner ein Analog/ Digital-Wandler 12 angeordnet, dessen Analog-Eingang mit den Anschlüssen des Sensors 10 verbunden ist. Im A/D- Wandler sei gleichzeitig ein Vorverstärker integriert. Der DigitafcAusgang des Wandlers 12 ist über einen Bus 13 mit einer Logik 11 verbunden, die sich ebenfalls auf dem Chip 11 befindet. Des weiteren ist auf dem Chip 11

als programmierbarer, nicht flüchtiger Speicher ein PROM 15 angeordnet, das über weitere Bus-Anschlüsse . 6 und 17 mit der Logik . k verbunden ist. Die Logik . h ist einerseits auf Masse gelegt und andererseits mit einem Ausgang 18 verbunden. Der Drucksensor 10 bildet zusam¬ men mit dem PROM 15, dem A/D-Wandler 12 und der Logik . k auf dem Chip 11 eine Baueinheit 19, die zur kontinuierlichen Druckmessung an einer dafür vorgesehenen Meßstelle anzu¬ bringen ist.

Da die Sensor-Baueinheit 19 im Ausführungsbeispiel keine eigene Energieversorgung hat sondern lediglich einen Ener¬ giespeicher 9, ist hier der Ausgan-g 18 zugleich als Eingang zur Energieversorgung des Drucksensors 10, des PROMs 15 und des A/D-Wandlers 12 vorgesehen. Der Drucksensor 10 gibt ein von dem auf ihn wirkenden Druck P abhängiges Analog¬ signal an den A/D-Wandler ab, welches über den Bus . 6 als digitales Signal auf die Logik 1 gelangt. Da der Druck¬ sensor 10 durch eine nichtlineare Kennlinie, durch einen Temperaturgang, durch ExemplarStreuungen und durch Offset- spannungen mit individuellen Meßfehlern behaftet ist, sind diese bei der Auswertung der Meßsignale des Drucksensors 10 zu berücksichtigen.

Zu diesem Zweck wird die Sensor-Baueinheit 19 vor ihrer Fertigstellung auf einen in Figur 1 dargestellten Me߬ prüfstand 20 gebracht, der eine auf den Drucksensor 10 wirkende Druckkammer 21 enthält. Außerdem ist der Me߬ prüfstand 20 mit einer AbgleichsSchaltung 23 versehen, die im Ausführungsbeispiel als Mikroprozessor ausge¬ bildet ist. Der PROM 15 wird zu seiner Programmierung über einen Datenbus 2k und einen Adressbus 25 mit der Abgleichschaltung 23 verbunden. Über eine Leitung 2β ist auch der Ausgang 18 der Sensor-Baueinheit 19 mit

der Abgleichschaltung 23 verbunden und damit zugleich die Energieversorgung der Baueinheit 19 über den juP sicherge¬ stellt. Über Anschlußleitungen 26 , 27 und 28 werden ver¬ schiedene Steuerbefehle auf den Meßprüfstand 20 gegeben.

Zum Abgleich der fehlerbehafteten Meßwerte des Druck¬ sensors 10 werden auf dem Meßprüfstand 20 nacheinander mehrere Meßpunkte durchlaufen, indem beispielsweise durch entsprechende Steuerbefehle auf der Anschlußleitung 27 der Druck in der Druckkammer 21 stufenweise auf vor¬ bestimmte Werte erhöht wird. Zu jedem der so durchlaufe¬ nen Meßpunkte wird das vom Drucksensor 10 erzeugte Me߬ signal über den A/D-Wandler 12, die Logik i k und die Anschlußleitung 2β als Istwert auf die Abgleichschal¬ tung 23 gegeben. Sie wird dort mit dem über die An¬ schlußleitung 27 abgerufenen Sollwert des Meßpunktes, der dem tatsächlichen Druck in der Druckkammer 21 ent¬ spricht, verglichen. Für jeden Meßpunkt wird auf diese Weise aus dem Istwert und dem Sollwert ein Korrek¬ turwert bzw. eine mathematische Korrekturvorschrift für alle Meßpunkte ermittelt. Bei dem späteren Einsatz des Drucksensors muß der Korrekturwert oder die mathematische Korrekturvorschrift von der Auswerteschaltung jeweils berücksichtigt werden. Über den Datenbus 2k und den Adress¬ bus 25 wird schließlich jeder der so ermittelten Korrek¬ turwerte bzw. die Korrekturvorschrift mit der Abgleich¬ schaltung 23 an einem dem jeweiligen Meßpunkt zuge¬ ordneten Speicherplatz im PROM 15 abgespeichert.

Da die vom Sensor 10 abgegebenen Signale oftmals auch noch von weiteren Störgrößen wie z.3. Temperaturschwankungen be¬ einflußt werden, kann auch dies in analoger Weise ermit¬ telt und berücksichtigt werden. Auf dem Meßprüfstand 20 werden dazu für verschiedene Störgrößen als Para-

meter die einzelnen Meßpunkte jeweils durchlaufen. In der Abgleichschaltung 23 werden dabei die ent¬ sprechenden Korrekturwerte ermittelt und schließlich an entsprechend zugeordneten Speicherplätzen des PROMs 15 abgespeichert. Durch entsprechende Programmierung der. Abgleichschaltung 23 ist es möglich, daß zunächst sä ϋliche Korrekturwer e bzw. die mathema ische Korrek¬ turvorschri t für den Drucksensor 10 von der Abgleich¬ schaltung 23 ermittelt und zwischengespeichert werden. Sie können dann anschließend nochmals überprüft, gege¬ benenfalls berichtigt und schließlich im PROM 15 einge¬ schrieben werden. Nachdem die Korrekturwerte bzw. die mathematische Korrekturvorschrift im PROM 15 abgespei¬ chert sind, werden Datenbus 2 k und Adressbus 35 vo PROM 15 wieder entfernt und in einer letzten Fertigungsstufe werden die elektronischen Bauteile 12, 1 k und 15 der Sensor- Baueinheit 19 mit Isolierstoff gekapselt, so daß die Adress- und Dateneingänge des PROMs 15 nun nicht mehr zugänglich sind.

Figur 2 zeigt die fertige Sensor-Baueinheit 19, mit wei¬ teren, nicht dargestellten Sensoren im Kraftfahrzeug an einem ihr zugeordneten Eingang eines Mikrocomputers 31 eines Fahrdatenrechners 30 als Auswerteschaltung ange¬ schlossen ist. Der Mikrocomputer 31 versorgt ein Display 32 über einen Datenbus 33- Im Beispielsf ll erfolgt die Energieversorgung des Drucksensors 10 und der elektroni¬ schen Bauelemente 12, 1 k und 15 über die Anschlußleitung 26 vom Mikrocomputer 31. Über die Anschlußleitung 2β werden außerdem vom Mikrocomputer 31 Steuerbefehle auf die Logik 1 k der Sensor-Baueinheit 19 übertragen, durch welche die Logik in der Weise umgeschaltet wird, daß entweder die im PROM 15 abgespeicherten Korrekturdaten oder die im A/D-Wandler 12 umgeformten Sensorsignale seriell an den ,uC 31 gegeben werden. Der gemeinsame

Ausgang 18 der Sensor-Baueinheit 19 ist daher zugleich Eingang zur Energieversorgung der Baueinheit 19 sowie für die Steuerbefehle an die Logik . k . Im Mikrocompu er 31 werden schließlich die digitalen Sensorsignale mit den ihnen zugeordneten Korrekturwerten korrigiert und zur Anzeige gebracht bzw. mit weiteren im Mikrocomputer 31 eingegebenen oder von anderen Sensoren eingelesenen Werten verarbeitet. Die erzielbare Meßgenauigkeit nimmt dabei mit der Anzahl der am Meßprüfstand durchlaufenen Meßpunkte zu. Die Korrekturwerte können dabei in Form von Tabellen oder als mathema- ische Abgleichvorschrift im PROM 15 abge¬ legt sein.

Figur 3 zeigt die Anwendung einer erfindungsgemäßen Druck¬ sensor-Baueinheit zur Überwachung des Reifendruckes an einem. Kraftfahrzeug. Hier ist eine Sensor-Baueinheit 35 im Bett einer Felge 36 angeordnet. Zur Energieversorgung der Sensor- Baueinheit 35 sowie zur Ausgabe der Meßsignale und der in einem Speicher der Sensor-Baueinheit 35 abgelegten Korrekturwerte dient hier eine an der Felge 36 befestigte Übertragerspule 37, die mit einer weiteren, ortsfest an der Radaufhängung angeordneten Übertragerspule 38 induktiv gekoppelt ist. Die ortsfeste Über ragerspule 38 ist an eine Auswerteschaltung 39 angeschlossen, mit der auch die übrigen, nicht dargestellten Drucksensoren an den anderen Rädern des Fahrzeuges in entsprechender Weise verbunden sind. Der rotierende Teil des Übertragers ist als Ring ausgeführt, so daß der Übertrager unabhängig von der Winkelstellung des Rades arbeitet. Durch einen Sperrwandler kθ wird dabei mit einer Reihe von Impulsen Energie über die Übertragerspulen 38 und 37 auf die Sensor- Baueinheit 35 übertragen. Mit den Impulsen werden frequenz¬ moduliert außerdem Steuerbefehle der Auswerteschaltung 39 übertragen. Die Übertragung der Meßwerte für den vom Druck¬ sensor gemessenen Reifendruck sowie die Übertragung der im

Speicher der Baueinheit 35 abgelegten Korrekturwerte er¬ folgt ebenfalls mittels einer entsprechend freq_uenz-modu- lierten Impulsfolge, die von der Auswerteschaltung 39 em¬ pfangen und verarbeitet wird.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausfüh¬ rungsbeispiele beschränkt da sowohl an der Sensor- Baueinheit als auch bei der Signalübertragung und Ener¬ gieversorgung Änderungen möglich sind. Anstelle von Drucksensoren können in gleicher Weise auch Temperatur¬ sensoren hergestellt und nach einem entsprechenden Ver¬ fahren abgeglichen werden. Der programmierbare, nicht- füchtige Speicher und der Sensor einer solchen Sensor- Baueinheit können getrennt voneinander mit der Auswerte¬ schaltung verbunden werden, so daß die Meßsignale des Sensors und die Korrekturwer e des Speichers bit-seriell oder bit-parallel auf verschiedene Eingänge der Auswerte¬ schaltung übertragen werden. Es' ist ferner möglich, ohne . Logik 1 k und A/D-Wandler 12 den Sensor mit seinen ana¬ logen Meßsignalen unmittelbar an die Auswerteschaltung anzuschließe .

Ξrfindungswesentlich ist, daß der Sensor mit dem Speicher zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist , in dem die für den Abgleich des Sensorsignals notwendigen Korrekturdaten so abgespeichert sind, daß sie ebenso wie die Sensorsignale an einer Auswerteschaltung übermittelt werden können. Die Sensor-Baueinheit und die Auswerteschaltung stellen dabei zwei an verschiedenen Orten betriebene Systeme dar. Dabei können beispielsweise schon mit dem Einschalten der VersorgungsSpannung die im Speicher der Sensor-Baueinheit abgelegten Korrekturdaten oder die dort gespeicherte mathe¬ matische Abgleichvorschrift in die Auswerteschaltung ein-

gelesen und zwischengespeichert werden. Danach werden dann nur noch die Meßsignale des Sensors an die Auswerteschaltung übertragen und mit Hilfe der Abgleichdaten wird sodann der genaue Meßwert berechnet .