DE3612810A1

DE3612810A1 - Schaltungsanordnung zur messung einer mechanischen verformung, insbesondere unter einwirkung eines drucks

Info

Publication number: DE3612810A1
Application number: DE19863612810
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Phys Hecht; Winfried Kuhnt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1986-04-16
Filing date: 1986-04-16
Publication date: 1987-10-22
Also published as: WO1987006339A1; JPS63503085A; US5134885A; DE3761341D1; KR880701362A; EP0264388B1; EP0264388A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus dem DE-GM 81 19 025 ist ein Sensor zur Erfassung des Druckes eines Mediums unter Verwendung wenigstens eines seinen Widerstandswert unter Druckeinwirkung ändernden Elements bekannt. Als Element wird dabei ein handelsüb liches Widerstandsbauelement, vorzugsweise ein Kohle schichtwiderstand, ein Dünnschichtwiderstand oder ein Dickschichtwiderstand verwendet. Die Elemente sind vor zugsweise in einer Brückenschaltung angeordnet, wobei zur Kompensation von Temperatureinflüssen und zur Er höhung des druckabhängigen Signales Widerstandsbauele mente mit unterschiedlichem Temperatur- und Druckkoef fizienten verwendet werden. Weiterhin wird vorgeschla gen, Widerstandselemente auf einer durch Druckeinwirkung elastisch verformbaren Unterlage anzuordnen, so daß eine Signalerhöhung durch gleichzeitiges Einwirken des Druckes sowie eine Dehnung bzw. Stauchung des Widerstandsbauele mentes eintritt.

Beim Entwurf von Schaltungsanordnungen für die Auswertung von Meßgebersignalen ist es eine häufig gestellte Aufgabe, geeignete Maßnahmen zur Temperaturkompensation vorzusehen. Üblicherweise wird dabei zunächst der Temperaturgang des Ausgangssignales der Schaltungsanordnung errechnet oder aufgezeichnet. Der Temperaturgang läßt sich mathematisch als eine von der Temperatur abhängige Funktion darstellen, die sich wiederum in eine Potenzreihe entwickeln läßt. Für die meisten technischen Anwendungsfälle ist es aus reichend, wenn das lineare Glied des Temperaturgangs kom pensiert wird, da die Glieder höherer Ordnung gegenüber einer zulässigen Toleranz ausreichend klein sind. Für hochgenaue Anwendungen sind jedoch auch Vorkehrungen zu treffen, um quadratische und manchmal auch höherwertige Anteile des Temperaturganges zu kompensieren. Die eigent liche Kompensation geschieht dann allgemein so, daß ein gesondertes, von der Temperatur abhängiges Signal inner halb der Schaltungsanordnung gebildet wird, welches zum Ausgangssignal in geeigneter Weise addiert oder subtra hiert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Auf gabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung einer nechanischen Verformung, insbesondere unter Einwirkung eines Drucks, zu finden, die eine hochgenaue temperatur kompensierte Messung ermöglicht.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Schaltungsanordnung mit den im Hauptanspruch angegebenen Merkmalen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kenn zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsan ordnungen den besonderen Vorteil, daß nicht nur eine Kompensation des statischen Temperaturganges erfolgt, sondern daß wegen der Zuführung des Sensorsignals über einen temperaturabhängigen Widerstand gleichzeitig der Temperaturgang der Meßempfindlichkeit kompensiert wird. Von weiterem besonders großem Vorteil der erfindungsge mäßen Schaltungsanordnung ist es, daß der quadratische Anteil des Temperaturgangs durch einen Teil der Schal tungsanordnung kompensiert wird, der allein aus Wider standsbauelementen besteht. Diese lassen sich daher besonders einfach in Dickschichttechnik durch Wider standspasten mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten und gegebenenfalls durch anschließenden Abgleich mit Hilfe eines Laserstrahls herstellen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Schalt plan in der Zeichnung dargestellt und in der nachfol genden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung wird zwischen Versorgungsspannungklemmen U ₊ und U _- be trieben. Die Klemme U _- stellt die Masse der Schaltungs anordnung dar, während an der Klemme U ₊ eine stabili sierte Speisespannung von 5 V anliegt. Ein zwischen die Versorgungsspannungsklemmen geschalteter Kondensator C 1 dient zum Schutz gegen Spannungsspitzen, die etwa von der Zündanlage eingestreut werden können.

Zwischen die Versorgungsspannungsklemmen ist eine Wider standsbrückenschaltung R 1, R 2, R 3, R 4 geschaltet, deren diagonalen Anschlüsse auf die Eingänge eines Verstärkers V 1 führen. Und zwar führt der Verbindungspunkt der Wider stände R 1, R 2 auf den invertierenden Eingang und der Ver bindungspunkt der Widerstände R 3, R 4 auf den nichtinver tierenden Eingang des Verstärkers V 1. Der Ausgang des Verstärkers V 1 ist über einen Widerstand R 7 auf den in vertierenden Eingang zurückgekoppelt. Zwischen die Ver sorgungsspannungsklemmen ist weiterhin die Serienschal tung zweier Widerstände R 5, R 6 geschaltet, deren Verbin dungspunkt ebenfalls an den invertierenden Eingang des Verstärkers V 1 angeschlossen ist.

Die Widerstände R 1, R 2, R 3, R 4 bilden zusammen einen Drucksensor, wie er beispielsweise aus dem DE-GM 81 19 025 bekannt ist. Die Widerstände befinden sich auf einer Dickschichtmembran und sind so angeordnet, daß bei Druckeinwirkung auf die Membran die Widerstän de R 1, R 4 gestaucht werden, während die Widerstände R 2, R 3 in ihrer Länge gedehnt werden. Durch einen piezore sistiven Effekt der Dickschichtwiderstandspaste, aus der die Widerstände R 1, R 2, R 3, R 4 gebildet werden, ist deren Widerstandsänderung etwa achtmal so groß wie deren geometrische Längenänderung.

Da die Widerstandsbrückenschaltung mit konstanter Span nung betrieben wird, erscheint bei Druckeinwirkung auf die Dickschichtmembran eine Verstimmung der Brücke, die sich als Auftreten einer Diagonalspannung der Brücke äußert, die durch den Verstärker V 1 verstärkt wird. Der Verstärkungsfaktor der Anordnung wird durch den Wider stand R 7 eingestellt, während mit dem Widerstandstei ler R 5, R 6 ein gewünschter Offset eingestellt wird.

Diese Schaltungsanordnung zeigt neben dem Druckmeßef fekt allerdings auch einen Temperatureffekt, der zur Druckmessung nicht erwünscht ist. Der Temperatureffekt setzt sich aus einem Temperaturgang der Druckmeßempfind lichkeit und einem Temperaturgang des Offsets zusammen. Der Temperaturgang des Offset besitzt einen gekrümmten Verlauf, der sich näherungsweise aus einem linearen und einem quadratischen Anteil zusammensetzt.

Der Ausgang des Verstärkers V 1 führt über eine Serien schaltung zweier Widerstände R 23, R 24 auf den invertie renden Eingang eines zweiten Verstärkers V 2. Der hier für nötige Strom wird über einen Widerstand R 8 gelie fert, der zwischen die Versorgungsspannungklemme U ₊ und den Ausgang des ersten Verstärkers V 1 geschaltet ist. Der Verstärkungsfaktor des zweiten Verstärkers V 2 wird über einen Widerstand R 28 festgelegt, der zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Verstärkers V 2 geschaltet ist. Der Ausgang des Verstärkers V 2 ist mit einer Ausgangsklemme U _out der gesamten Schaltungs anordnung verbunden. Der Ausgangsstrom der Schaltungs anordnung wird über einen Widerstand R 30 gewonnen, der zwischen die Versorgungsspannungsklemme U ₊ und den Ausgang des zweiten Verstärkers V 2 geschaltet ist.

Zwischen die Klemme U ₊ und die Klemme U _- ist weiterhin die Serienschaltung zweier Widerstände R 11, R 12 geschal tet, deren Verbindungspunkt mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers V 2 verbunden ist. Über das Tei lerverhältnis der Widerstände R 11, R 12 kann eine Grob einstellung des Offsets des Verstärkers V 2 eingestellt werden. Eine Feineinstellung ist mit drei Widerständen R 13, R 14, R 25 möglich. Hierfür sind die Widerstände R 13, R 14 in Serie zwischen die Klemmen U ₊ und U _- geschaltet, während ihr Verbindungspunkt über den Widerstand R 25 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers V 2 verbunden ist.

Zur Glättung des Ausgangssignales und zur Frequenzgang kompensation des Verstärkers V 2 ist dem Rückkopplungs widerstand R 28 die Serienschaltung eines Widerstandes R 29 und eines Kondensators C 2 parallelgeschaltet. Wei terhin ist der nichtinvertierende Eingang über einen Widerstand R 9 und einen Kondensator C 3 sowie der in vertierende Eingang über einen Widerstand R 10 und ei nen Kondensator C 4 mit der Masse der Schaltung an der Klemme U _- verbunden.

Der verbleibende Teil der in der Zeichnung dargestell ten Schaltungsanordnung dient zur Temperaturgangkompen sation des Offsets. Hierfür ist zwischen die Klemme U ₊ und die Klemme U _- die Serienschaltung zweier Widerstän de R 15, R 16 geschaltet, deren Verbindungspunkt über ei nen Widerstand R 26 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers V 2 verbunden ist. Weiterhin ist zwischen die Klemmen U ₊ und U _- eine Widerstandsbrückenschaltung R 17, R 18, R 19, R 20 geschaltet, wobei in deren Brücken diagonale zwischen die Verbindungspunkte der Widerstän de R 17, R 18, und der Widerstände R 19, R 20 zusätzlich ei ne Serienschaltung zweier Widerstände R 21, R 22 gelegt ist. Der Verbindungspunkt der Widerstände R 21, R 22 führt über einen Widerstand R 27 ebenfalls auf den invertierenden Eingang des Verstärkers V 2.

Das Ausgangssignal des Verstärkers V 1 läßt sich näherungs weise durch folgende Gleichung darstellen:

U _{V 1} = U₀ + a₀ · p + a₁ · p · T + a₂ · T + a₃ · T ²

Mit

U _{V 1}:Ausgangssignal des Verstärkers V 1 U₀:Gleichanteil des Ausgangssignals p:Druck auf den Drucksensor T:Temperatur der Schaltungsanordnung a₀, a₁, a₂, a₃:Koeffizienten

Gewünscht wird nun ein Ausgangssignal, das bis auf den Gleichanteil nur vom Druck p und möglichst nicht von der Temperatur T abhängt. Erreicht wird dies durch eine Tem peraturgangkompensation, bei der zum Ausgangssignal des Verstärkers V 1 geeignete temperaturabhängige Signale mit umgekehrten Vorzeichen hinzuaddiert werden. Hierfür ist der Verstärker V 2 vorgesehen, der als Summierverstärker beschaltet ist.

Die temperaturabhängigen Signale werden in der Schaltungs anordnung dadurch erzeugt, daß geeignete Widerstände in Dickschichttechnik mit Hilfe von Widerstandspasten reali siert sind, die einen eigenen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten besitzen. Und zwar besitzen die Widerstände R 15, R 17, R 21, R 20 einen positiven Tempera turkoeffizienten, während die Widerstände R 23, R 16, R 18, R 19, R 22 einen negativen Temperaturkoeffizienten besit zen. Das lineare Temperaturglied des Ausgangssignales des Verstärkers V 1 wird nun mit Hilfe der Widerstände R 15, R 16, R 26 kompensiert. Das quadratische Temperatur glied wird durch die Widerstände R 17 bis R 22 und R 27 kompensiert. Der sowohl vom Druck als auch von der Tem peratur abhängige Anteil wird mit Hilfe der Widerstände R 23, R 24 kompensiert.

Durch geeignete Dimensionierung der jeweiligen Widerstän de und ihrer Temperaturkoeffizienten und Abgleich der Summationswiderstände R 24, R 26, R 27 läßt sich nun eine hochgenaue, von der Temperatur weitgehend unabhängige Druckmessung mit Hilfe des Drucksensors R 1, R 2, R 3, R 4 erreichen.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Messung einer mechanischen Verformung, insbesondere unter Einwirkung eines Drucks, mit einem Sensor (R 1, R 2, R 3, R 4), der unter Einwirkung einer Verformung ein analoges Spannungssignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Summierverstärker (V 2) vorgesehen ist, dem das Sensorsignal über einen tempe raturabhängigen Widerstand (R 23) zugeführt wird, dem weiterhin zur Temperaturkompensation ein von der Tem peratur abhängiges Signal zugeführt wird, und dessen Ausgangssignal zur Bildung eines Auagangssignales (U _out) der Schaltungsanordnung herangezogen wird, das von der gemessenen mechanischen Verformung abhängt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das von der Temperatur abhängige Signal aus einem linear von der Temperatur abhängigen Signal und einem quadratisch von der Temperatur abhängigen Signal besteht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsignal über einen ein stellbaren Widerstand (R 24) dem Summierverstärker (V 2) zugeführt wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das temperatur abhängige Signal über einen einstellbaren Widerstand (R 26, R 27) dem Summierverstärker (V 2) zugeführt wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsi gnal durch eine Widerstandsbrückenschaltung (R 1, R 2, R 3, R 4) in Dickschichttechnik gebildet wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Sensorsignal durch einen Verstärker (V 1) verstärkt wird, dessen Verstärkung durch einen Rückkopplungswiderstand (R 7) und dessen Offset durch einen am Eingang des Verstärkers angeordneten Spannungs teiler (R 5, R 6) eingestellt wird.