Title:
Sensor und Verfahren zum Messen eines Drucks über einer Fläche
Kind Code:
B4
Abstract:

Sensor zum Messen eines Drucks (3) über einer Fläche,
a) wobei der Sensor einen ersten Teilsensor zum Erfassen eines auf eine erste Sensorteilfläche wirkenden ersten Drucks aufweist und
b) wobei der erste Teilsensor ein den erfassten ersten Druck anzeigendes erstes Messsignal bereitstellt,
dadurch gekennzeichnet, dass
c) ein zweiter Teilsensor (8) zum Erfassen eines auf eine zweite Sensorteilfläche (10) wirkenden zweiten Drucks vorgesehen ist,
d) der zweite Teilsensor (8) ein den erfassten zweiten Druck anzeigendes zweites Messsignal bereitstellt, und
e) eine Signalverarbeitungseinrichtung (13) vorgesehen ist, die ein Ausgangssignal (17) aus dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal generiert, bei dem eine räumliche Modulation des Drucks (3) über der Fläche unterhalb einer vorgegebenen Wellenzahl stärker unterdrückt ist als bei der vorgegeben Wellenzahl.



Inventors:
Haxter, Stefan (37073, Göttingen, DE)
Application Number:
DE102014101153A
Publication Date:
07/30/2015
Filing Date:
01/30/2014
Assignee:
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102006044189A1N/A2008-04-17
Other References:
KO, Sung H.: Performance of various shapes of hydrophones in the reduction of turbulent flow noise. In: The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 93, 1993, No. 3, S. 1293-1299. - ISSN 0001-4966
Attorney, Agent or Firm:
REHBERG HÜPPE + PARTNER Patentanwälte PartG mbB, 37073, Göttingen, DE
Claims:
1. Sensor zum Messen eines Drucks (3) über einer Fläche,
a) wobei der Sensor einen ersten Teilsensor zum Erfassen eines auf eine erste Sensorteilfläche wirkenden ersten Drucks aufweist und
b) wobei der erste Teilsensor ein den erfassten ersten Druck anzeigendes erstes Messsignal bereitstellt,
dadurch gekennzeichnet, dass
c) ein zweiter Teilsensor (8) zum Erfassen eines auf eine zweite Sensorteilfläche (10) wirkenden zweiten Drucks vorgesehen ist,
d) der zweite Teilsensor (8) ein den erfassten zweiten Druck anzeigendes zweites Messsignal bereitstellt, und
e) eine Signalverarbeitungseinrichtung (13) vorgesehen ist, die ein Ausgangssignal (17) aus dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal generiert, bei dem eine räumliche Modulation des Drucks (3) über der Fläche unterhalb einer vorgegebenen Wellenzahl stärker unterdrückt ist als bei der vorgegeben Wellenzahl.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (13) einen Differenzverstärker (15) für eine Differenz zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal aufweist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (13) einen Operationsverstärker (14) zum Verstärken des ersten Messsignals und/oder des zweiten Messsignals aufweist.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zunahme einer Unterdrückung von der vorgegebenen Wellenzahl zu kleineren Wellenzahlen hin durch Verändern eines Verstärkungsfaktors des Operationsverstärkers (14) für mindestens eines der Messsignale einstellbar ist.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorteilfläche (9) und die zweite Sensorteilfläche (10) konzentrisch angeordnet sind.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorteilfläche (9) mindestens doppelt so groß ist wie die zweite Sensorteilfläche (10).

7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Sensorteilflächen (9, 10) selektiv einschaltbare Segmente aufweist, wobei das Messsignal des zugehörigen Teilsensors (7, 8) den auf die eingeschalteten Segmente wirkenden Druck anzeigt.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorteilfläche (9) Teil der zweiten Sensorteilfläche (10) ist.

9. Verfahren zum Messen eines Drucks (3) über einer Fläche,
a) wobei ein auf eine erste Sensorteilfläche wirkender erster Druck erfasst wird und
b) wobei ein den erfassten ersten Druck anzeigendes erstes Messsignal erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
c) ein auf eine zweite Sensorteilfläche (10) wirkender zweiter Druck erfasst wird und
d) wobei ein den erfassten zweiten Druck anzeigendes zweites Messsignal erzeugt wird,
e) aus dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal ein Ausgangssignal (17) generiert wird, wobei eine räumliche Modulation des Drucks (3) über der Fläche mit einer Wellenzahl unterhalb einer vorgegebenen Wellenzahl stärker unterdrückt wird als bei der vorgegeben Wellenzahl.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Generieren des Ausgangssignals (17) eine Differenz zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal gebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Generieren des Ausgangssignals (17) mindestens eines der Messsignale verstärkt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zunahme einer Unterdrückung von der vorgegebenen Wellenzahlen zu kleineren Wellenzahlen hin durch Verändern der Verstärkung des mindestens einen Messsignals eingestellt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Wellenzahl und/oder eine Unterdrückung der räumlichen Modulation des Drucks (3) über der Fläche bei der vorgegebenen Wellenzahl durch Anpassen eines Größenverhältnisses der Sensorteilflächen (9, 10) eingestellt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Wellenzahl und/oder eine Unterdrückung der räumlichen Modulation des Drucks (3) über der Fläche bei der vorgegebenen Wellenzahl durch Anpassen der absoluten Größen der Sensorteilflächen (9, 10) eingestellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Wellenzahl und/oder die Unterdrückung der räumlichen Modulation des Drucks (3) über der Fläche bei der vorgegebenen Wellenzahl durch Einschalten von selektiv einschaltbaren Segmenten der ersten Sensorteilfläche (9) und/oder der zweiten Sensorteilfläche (19) eingestellt wird.

Description:
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit einer Sensorfläche, wobei ein auf die Sensorfläche wirkender Druck erfasst wird und wobei der Sensor ein den erfassten Druck anzeigendes Messsignal bereitstellt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines Drucks über einer Fläche, wobei der auf eine Sensorfläche wirkende Druck erfasst wird und ein den erfassten Druck anzeigendes Messsignal erzeugt wird.

Beispielsweise können ein derartiger Sensor und ein derartiges Verfahren zum Einsatz kommen, um einen statischen Druck oder Wechseldruck über einer Fläche zu messen, indem an mehreren Messpunkten auf der Fläche der lokal wirkende Druck ermittelt wird und daraus auf den Druck über der Fläche geschlossen wird.

Um einen Wechseldruck über einer Fläche zu messen, erfolgt die Messung des lokal wirkenden Drucks an den Messpunkten vorzugsweise gleichzeitig, zumindest jedoch innerhalb einer Zeitspanne die kleiner ist als eine Zeitkonstante, die die Dynamik des Drucks widerspiegelt. Dazu kann beispielsweise ein Sensorarray zum Einsatz kommen. Im Fall eines statischen oder quasi-statischen Drucks kann die Messung auch im Sinne eines Rasterverfahrens erfolgen, bei dem der Druck an den verschiedenen Messpunkten nacheinander mit dem Sensor abgetastet wird.

Die räumliche Auflösung, mit der der Druck über der Fläche gemessen wird, hängt einerseits von der Dichte der Messpunkte ab. Andererseits hängt die räumliche Auflösung auch von der Geometrie und/oder Größe der Sensorfläche, mit der der lokal wirkende Druck erfasst wird, ab, da aufgrund der räumlichen Ausdehnung der Sensorfläche keine Punktmessung im mathematischen Sinne erfolgen kann. Vielmehr wird dem Messpunkt ein Mittelwert des lokal wirkenden Drucks über die Ausdehnung der Sensorfläche zugeordnet.

STAND DER TECHNIK

In der Veröffentlichung ”Performance of various shapes of hydrophones in the reduction of turbulent flow noise” von Sung H. Ko (Journal of the Acoustical Society of America, 93(3), 1293–1299, 1993) ist beschrieben, dass die räumliche Ausdehnung einer Sensorfläche, mit der der Druck über einer Fläche ermittelt wird, gezielt ausgenutzt werden kann, um eine Modulation des Drucks über der Fläche bei einer hohen Wellenzahl gegenüber einer Modulation bei einer niedrigen Wellenzahl gezielt zu unterdrücken. Anders ausgedrückt wird durch die räumliche Ausdehnung der Sensorfläche eine Tiefpassfilterwirkung erreicht. In der Veröffentlichung sind Antwortfunktionen des Sensors für verschiedene Geometrien einer Sensorfläche dargestellt. Dabei gibt die Antwortfunktion die Abhängigkeit der Verstärkung einer räumlichen Modulation in dem Ausgangssignal von der Wellenzahl wieder. Für jede der in der Veröffentlichung vorgeschlagenen Geometrien weist die zugehörige Antwortfunktion ihr Hauptmaximum bei einer Wellenzahl von null auf. Weiterhin weist jede Antwortfunktion mehrere Nebenmaxima auf, die mit zunehmender Wellenzahl hinsichtlich ihres Werts abnehmen, was eine stärkere Unterdrückung einer räumlichen Modulation in dem Ausgangssignal bedeutet.

Aus der Druckschrift DE 10 2006 044 189 A1 ist es bekannt, ein Röntgenbild eines Objekts in Form eines 2D-Pixeldatensatzes aufzunehmen, welches nachträglich verarbeitet wird. Um gleichzeitig mehrere Bilder des Objekts bereitstellen zu können, in denen jeweils unterschiedliche Strukturen des Objekts hervorgehoben sind, ist gemäß der DE 10 2006 044 189 A1 vorgesehen, die aufgenommenen Bilddaten gleichzeitig in mindestens zwei Parallelprozessen zu verarbeiten, welche durch zuvor definierte Eingangsparameter vorgegeben werden können. Dabei kann es sich um einfache Methoden der Bildverarbeitung handeln, wie eine Kantenverstärkung oder eine Harmonisierung. Es können aber auch Multiskalenverfahren zum Einsatz kommen, bei denen die 2D-Pixeldaten in den Parallelprozessen so verarbeitet werden, dass jeweils unterschiedliche Raumfrequenzbänder verstärkt werden und in den resultierenden Bildern somit Strukturen unterschiedlicher Raumfrequenzen besonders hervorgehoben sind.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor und ein Verfahren zum Messen eines Drucks über einer Fläche vorzuschlagen, mit denen das Messen des Drucks hinsichtlich eines spezifischen Messvorhabens verbessert ist.

LÖSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen eines Drucks über einer Fläche, wobei der Sensor einen ersten Teilsensor zum Erfassen eines auf eine erste Sensorteilfläche wirkenden ersten Drucks und einen zweiten Teilsensor zum Erfassen eines auf eine zweite Sensorteilfläche wirkenden zweiten Drucks aufweist. Von dem ersten Teilsensor wird ein erstes Messsignal bereitgestellt, das den erfassten ersten Druck anzeigt, und von dem zweiten Teilsensor wird ein zweites Messsignal bereitgestellt, das den erfassten zweiten Druck anzeigt. Es werden also zwei verschiedene Messsignale bereitgestellt, die die auf die jeweiligen Sensorteilfläche wirkenden Drücke anzeigen.

Für sich genommen wirken der erste Teilsensor und der zweite Teilsensor aufgrund der räumlichen Ausdehnung ihrer Sensorteilflächen jeweils als Tiefpassfilter. Die Wirkung als Tiefpassfilter wird dabei jeweils durch die Größe und/oder Geometrie der Sensorteilflächen bestimmt, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor werden das erste Messsignal und das zweite Messsignal jedoch nicht oder zumindest nicht nur unabhängig voneinander betrachtet. Vielmehr werden die beiden Messsignale, die die auf die unterschiedlichen Sensorteilflächen wirkenden Drücke anzeigen, miteinander kombiniert. Dazu weist der Sensor eine Signalverarbeitungseinrichtung auf, die aus dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal ein Ausgangssignal generiert, bei dem eine räumliche Modulation des Drucks über der Fläche unterhalb einer vorgegebenen Wellenzahl stärker unterdrückt ist als bei der vorgegebenen Wellenzahl. Wird mit dem Sensor beispielsweise ein Druck über der Fläche gemessen, dessen einer Anteil mit einer Wellenzahl moduliert ist, welche kleiner als die vorgegebenen Wellenzahl ist, und dessen anderer Anteil mit der vorgegebenen Wellenzahl moduliert ist, so ist die Modulation bei der Wellenzahl, die kleiner als die vorgegebenen Wellenzahl ist, in dem Ausgangssignal stärker unterdrückt als die Modulation bei der vorgegebenen Wellenzahl. Der Sensor ist also hinsichtlich des Anteils, der mit der vorgegebenen Wellenzahl moduliert ist, empfindlicher, d. h. der Sensor ist zum Messen eines Drucks mit einer räumlichen Modulation bei der vorgegebenen Wellenzahl optimiert. Der erfindungsgemäße Sensor wirkt daher nicht wie die aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren als Tiefpassfilter, sondern als Hochpass- oder Bandpassfilter.

Insbesondere kann die Unterdrückung einer räumlichen Modulation mit zunehmender Wellenzahl bis zu der vorgegebenen Wellenzahl monoton abnehmen. Bei der vorgegebenen Wellenzahl weist die Unterdrückung einen minimalen Wert auf. Wenn die Unterdrückung bei der halben vorgegebenen Wellenzahl beispielsweise doppelt so groß ist wie bei der vorgegebenen Wellenzahl, kann dies bereits ausreichen, um ein Ausgangssignal zu erhalten, das für die Modulation bei der vorgegebenen Wellenzahl repräsentativ ist. Zumindest ist der Beitrag kleinerer Wellenzahlen zu dem Ausgangssignal dann vernachlässigbar klein. Vorzugsweise ist die Unterdrückung bei der halben vorgegeben Wellenzahl daher mindestens 1,5-mal und bevorzugt doppelt so groß wie bei der vorgegebenen Wellenzahl.

Bei den Teilsensoren des erfindungsgemäßen Sensors kann es sich um jedwede Art von Drucksensoren handeln, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise können Dehnungsmessstreifen (DMS), Piezokeramiken oder -quarze, induktive Wandler und/oder drucksensitive Farben zum Einsatz kommen. Die Teilsensoren können auch MEMS-Drucksensoren (engl. micro-electro-mechanical system) sein. Weiterhin kann es sich bei den Teilsensoren um Drucksensoren handeln, die auf einer Piezofolie, z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), basieren. Derartige Drucksensoren zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Zeitauflösung aus, womit Druckmessungen mit Frequenzen von bis zu 1 GHz möglich sind.

Gemäß einer Ausführungsform des Sensors weist die Signalverarbeitungseinrichtung einen Differenzverstärker auf, mit dem eine Differenz zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal gebildet wird. Wird beispielsweise ein Druck gemessen, der über der Fläche konstant ist, wirkt auf beide Sensorteilflächen der gleiche Druck. Im Idealfall sind das erste Messsignal und das zweite Messsignal gleich groß, womit bei der Verwendung eines Differenzverstärkers ein Ausgangssignal von null generiert wird, d. h. die Modulation mit einer Wellenzahl von null ist in dem Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Sensor komplett unterdrückt. Mit zunehmender Wellenzahl bis hin zu der vorgegebenen Wellenzahl nimmt der Unterschied in den über die beiden Sensorteilflächen erfassten Drücke und somit auch der Unterschied in den Messsignalen der beiden Teilsensoren zu, womit das generierte Ausgangssignal zunimmt. Mit zunehmender Wellenzahl bis zu der vorgegebenen Wellenzahl nimmt also die Unterdrückung der Modulation in dem Ausgangssignal ab. Anders ausgedrückt nimmt die Verstärkung der Modulation in dem Ausgangssignal mit zunehmender Wellenzahl bis der vorgegebenen Wellenzahl zu.

Alternativ und/oder zusätzlich zu dem Differenzverstärker kann die Signalverarbeitungseinrichtung auch einen Operationsverstärker zum Verstärken des ersten Messsignals und/oder des zweiten Messsignals aufweisen. Beispielsweise kann mittels eines Operationsverstärkers das erste Messsignal so verstärkt werden, dass das verstärkte erste Messsignal und das zweite Messsignal für einen konstanten Druck über der Fläche (zumindest in etwa) gleiche Werte aufweisen. Wird dann die Differenz zwischen dem verstärkten ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal gebildet, weist das von der Signalverarbeitungseinrichtung generierte Ausgangssignal für eine Modulation des Drucks über der Fläche mit einer kleinen Wellenzahl nur einen kleinen Wert auf. Mit zunehmender Wellenzahl steigt der Wert des generierten Ausgangssignals, weil sich das erste Messsignal und das zweite Messsignal mit zunehmender Wellenzahl immer stärker voneinander unterscheiden.

Wenn die Signalverarbeitungseinrichtung einen Operationsverstärker aufweist, kann die Zunahme der Unterdrückung zu kleinen Wellenzahlen hin durch Verändern eines Verstärkungsfaktors des Operationsverstärkers für mindestens eines der Messsignale eingestellt werden. Um die Zunahme der Unterdrückung zu kleinen Wellenzahlen hin auch im Betrieb des Sensors verändern zu können, kann der Sensor beispielsweise ein Bedienelement aufweisen, mit dem der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers veränderbar ist. So ist der Sensor nach seiner Herstellung hinsichtlich seiner Unterdrückung bei kleinen Wellenzahlen noch nicht festgelegt. Vielmehr kann der Verstärkungsfaktor des Sensors beispielsweise während einer Konfigurationsphase vor der eigentlichen Messung derart angepasst, dass der Sensor auch für eine Wellenzahl aus einem Bereich von Wellenzahlen unterhalb der vorgegebenen Wellenzahl noch ausreichend empfindlich ist.

Vorzugsweise sind die erste Sensorteilfläche und die zweite Sensorteilfläche konzentrisch angeordnet. So wird über den ersten Teilsensor und den zweiten Teilsensor jeweils ein Druck erfasst, der für ein und denselben Messpunkt repräsentativ ist. Insbesondere kann bei einer konzentrischen Anordnung der Sensorteilfläche vermieden werden, dass die Messung des Drucks richtungssensitiv ist. Alternativ zu der konzentrischen Anordnung können die beiden Sensorteilflächen auch nebeneinander angeordnet sein. In dem Fall erfassen der erste Teilsensor und der zweite Teilsensor den ersten bzw. zweiten Druck für zueinander beabstandet angeordnete Messpunkte. Dies ist jedoch zumindest dann unproblematisch, wenn die Sensorteilflächen und somit auch die Messpunkte nur einen geringen Abstand voneinander aufweisen, der kleiner ist als die räumliche Modulation des Drucks über der Fläche.

Die erste Sensorteilfläche und die zweite Sensorteilfläche können jedwede Art von Größe und Geometrie aufweisen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise kann die erste Sensorteilfläche kreisförmig sein, während die zweite Sensorteilfläche quadratisch ist. Die erste Sensorteilfläche und die zweite Sensorteilfläche können jedoch auch gleiche Geometrien aufweisen, wobei sie sich lediglich hinsichtlich ihrer Größe unterscheiden. Dabei hängt von der Wahl der Größe und Geometrie jeder Sensorteilfläche ab, wie die Antwortfunktion des zugehörigen Teilsensors für sich genommen aussieht, wobei die Antwortfunktion die Abhängigkeit der Unterdrückung oder Verstärkung einer räumlichen Modulation in dem Messsignal von der Wellenzahl wiedergibt. Entsprechend hängt von der Wahl der Größe und Geometrie der Sensorteilflächen auch ab, wie die Antwortfunktion des Sensors, d. h. die Unterdrückung oder Verstärkung einer räumlichen Modulation in dem generierten Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Wellenzahl, aussieht. Insbesondere kann von der Wahl der Geometrie der Sensorteilflächen abhängen, für welche Wellenzahl der Sensor in welcher Raumrichtung besonders empfindlich ist. Wenn Sensorteilflächen beispielsweise zwei nebeneinander angeordnete rechteckige Flächen sind, wobei ihre Längserstreckungen in der einen Raumrichtung gleich sind, wird die Wirkung als Bandpass- und/oder Hochpassfilter nur oder zumindest im Wesentlichen nur in der Raumrichtung quer dazu erreicht.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist die erste Sensorteilfläche mindestens doppelt so groß wie die zweite Sensorteilfläche. Hierdurch wird erreicht, dass sich die Antwortfunktion des ersten Teilsensors und des zweiten Teilsensors jeweils für sich genommen merklich voneinander unterscheiden.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform weisen die erste Sensorteilfläche und/oder die zweite Sensorteilfläche mehrere Segmente auf, die selektiv einschaltbar sind. Die Segmente können beispielsweise ringförmig ausgebildet und konzentrisch angeordnet sein. Mit dem selektiven Ein- und Abschalten von Segmenten kann die absolute Größe der für den Druck sensitiven Fläche der jeweiligen Sensorteilfläche, die Geometrie der jeweiligen Sensorfläche und/oder das relative Größenverhältnis der sensitiven Flächen der Sensorteilflächen verändert werden. Dies hat Einfluss auf die vorgegebene Wellenzahl, unterhalb der eine Modulation stärker unterdrückt ist als bei der vorgegebenen Wellenzahl, d. h. mit dem selektiven Ein- und Abschalten von Segmenten kann die vorgegebenen Wellenzahl eingestellt werden. Bei der Ausbildung mit den Segmenten ist der Sensor nach seiner Herstellung also nicht auf eine vorgegebene Wellenzahl festgelegt. Vielmehr kann die Anzahl und/oder Verteilung der eingeschalteten Segmente beispielsweise während einer Konfigurationsphase vor der eigentlichen Messung derart angepasst werden, dass der Sensor für eine Modulation bei der eingestellten vorgegebenen Wellenzahl besonders empfindlich ist.

Die erste Sensorteilfläche und die zweite Sensorteilfläche müssen nicht zwangsläufig separat voneinander ausgebildet sein. Vielmehr kann die erste Sensorteilfläche auch Teil der zweiten Sensorteilfläche sein. Gemäß dieser Ausführungsform zeigt das erste Messsignal lediglich den auf die erste Sensorteilfläche wirkenden Druck an, während das zweite Messsignal den auf die erste und die zweite Sensorteilfläche wirkenden Druck anzeigt, womit sich unterschiedliche Antwortfunktionen für die beiden Teilsensoren ergeben. Insbesondere unterscheidet sich daher auch die Antwortfunktion des erfindungsgemäßen Sensors von der Antwortfunktion eines Sensors, dessen Sensorfläche der Differenz zwischen der zweiten und ersten Sensorteilfläche entspricht. In weiterer Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass die Sensorteilflächen Segmente aufweisen, die je nach Bedarf der ersten Sensorteilfläche oder der zweiten Sensorteilfläche zugeordnet werden können.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen eines Drucks über einer Fläche werden ein auf eine erste Sensorteilfläche wirkender erster Druck und ein auf eine zweite Sensorteilfläche wirkender zweiter Druck erfasst. Weiterhin werden ein erstes Messsignal und ein zweites Messsignal erzeugt, wobei das erste Messsignal den erfassten ersten Druck anzeigt und das zweite Messsignal den erfassten zweiten Druck anzeigt. Aus dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal wird dann ein Ausgangssignal generiert, wobei in dem Messsignal eine räumliche Modulation des Drucks über der Fläche mit einer Wellenzahl unterhalb einer vorgegebenen Wellenzahl stärker unterdrückt wird als bei der vorgegebenen Wellenzahl.

Hinsichtlich bevorzugter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, z. B. im Hinblick auf die Ausgestaltung der Sensorteilflächen oder das Generieren des Ausgangssignals, wird auf die voranstehenden Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Sensor verwiesen, die auf für das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend gelten.

Beispielsweise kann in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass zum Generieren des Ausgangssignals eine Differenz zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann zum Generieren des Ausgangssignals mindestens eines der Messsignale verstärkt werden.

Wenn vorgesehen ist, dass mindestens eines der Messsignale zum Generieren des Ausgangssignals verstärkt wird, kann durch Verändern der Verstärkung des mindestens einen Messsignals eingestellt werden, wie stark die Unterdrückung zu kleineren Wellenzahlen hin zunimmt.

Die vorgegebene Wellenzahl und/oder eine Unterdrückung der räumlichen Modulation des Drucks über der Fläche bei der vorgegebenen Wellenzahl kann durch Anpassen eines Größenverhältnisses der Sensorteilflächen eingestellt werden.

Eine andere oder zusätzliche Möglichkeit zum Einstellen der vorgegebenen Wellenzahl und/oder der Unterdrückung der räumlichen Modulation des Drucks über der Fläche bei der vorgegebenen Wellenzahl ist das Anpassen der absoluten Größen der Sensorteilflächen. Beispielsweise kann ein Verringern der absoluten Größe der ersten Sensorteilfläche bei gleichbleibender Größe der zweiten Sensorteilfläche zur Folge haben, dass die vorgegebene Wellenzahl abnimmt. Gleichzeitig kann auch die Unterdrückung der Modulation bei der vorgegebenen Wellenzahl abnehmen.

Insbesondere kann durch das Ein- oder Abschalten von Segmenten der ersten Sensorteilfläche und/oder der zweiten Sensorteilfläche auch im Betrieb eine Einstellung der vorgegebenen Wellenzahl und/oder der Unterdrückung bei der vorgegebenen Wellenzahl erfolgen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.

Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs ”mindestens” bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.

Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Sensor zum Messen eines Drucks über einer Fläche.

2 zeigt einen Verlauf eines Ausgangssignals eines Sensors gemäß 1 für einen mit einer ersten Wellenzahl räumlich modulierten Druck über der Fläche.

3 zeigt den Verlauf eines Ausgangssignals eines Sensors gemäß 1 für einen mit einer zweiten Wellenzahl räumlich modulierten Druck über der Fläche.

4 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor zum Messen eines Drucks über einer Fläche.

5 zeigt den Verlauf eines Ausgangssignals eines Sensors gemäß 4 für einen mit der ersten Wellenzahl räumlich modulierten Druck über der Fläche.

6 zeigt den Verlauf eines Ausgangssignal eines Sensors gemäß 4 für einen mit der zweiten Wellenzahl räumlich modulierten Druck über der Fläche.

7(a)7(d) zeigen Antwortfunktionen eines erfindungsgemäßen Sensors für verschiedene Größen einer ersten Sensorteilfläche.

8(a)8(d) zeigen Antwortfunktionen eines erfindungsgemäßen Sensors für verschiedene Größenverhältnisse von Sensorteilflächen des Sensors.

9(a)9(d) zeigen Antwortfunktionen eines erfindungsgemäßen Sensors für verschiedene Verstärkungsfaktoren zur Verstärkung von einem Messsignal, das von einem Teilsensor des erfindungsgemäßen Sensors bereitgestellt wird.

10(a)10(d) zeigen Antwortfunktionen eines erfindungsgemäßen Sensors für verschiedene Verstärkungsfaktoren zur Verstärkung von einem Messsignal, das von einem Teilsensor des erfindungsgemäßen Sensors bereitgestellt wird.

FIGURENBESCHREIBUNG

1 zeigt einen Sensor 1 zum Messen eines Drucks über einer Fläche gemäß dem Stand der Technik. Der Sensor 1 weist eine Sensorfläche 2 auf, wobei über die Sensorfläche 2 ein auf die Sensorfläche 2 wirkender Druck erfasst wird. Der erfasste Druck wird in Form eines von dem Sensor 1 bereitgestellten Messsignals angezeigt.

In 2 ist ein beispielhafter Verlauf eines Drucks 3 über einer Ortskoordinate 4 gezeigt, der mit einer festen Wellenzahl Λ, die dem Kehrwert der Wellenlänge λ entspricht, moduliert ist. Im direkten Vergleich dazu ist der Verlauf des von dem Sensor 1 bereitgestellten Messsignals 5 für den über seine Sensorfläche 2 erfassten Druck 3 gezeigt. Das von dem Sensor 1 bereitgestellte Messsignal 5 ist ebenfalls mit der Wellenzahl Λ moduliert. Allerdings ist die Modulation des Messsignals 5 gegenüber der Modulation des Drucks 3 über der Ortskoordinate 4 unterdrückt, wie aus dem Vergleich der Amplituden gemäß 2 ersichtlich ist. Die Unterdrückung der Modulation in dem Messsignal 5 resultiert daraus, dass mit dem Sensor 1 keine Punktmessung erfolgt. Vielmehr wird einem Messpunkt aufgrund der räumlichen Ausdehnung der Sensorfläche 2 ein über die Sensorfläche 2 gemittelter Wert für den Druck 3 zugeordnet. Wenn zum Beispiel die Erstreckung der Sensorfläche 2 in Richtung der Ortskoordinate 4 ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ beträgt, wirkt auf die Sensorfläche 2 bei einer Verschiebung in Richtung der Ortskoordinate 4 immer der gleiche Druck, d. h. das Messsignal 5 ist über der Ortskoordinate 4 konstant. Wenn die Erstreckung der Sensorfläche 2 in Richtung der Ortskoordinate 4 beispielsweise 3/2λ beträgt, verändert sich das bereitgestellte Messsignal 5 mit einer Verschiebung des Sensors 1, d. h. die Modulation des Drucks wird erfasst. Der Modulation in dem Messsignal ist jedoch ein konstantes Signal überlagert, womit die Modulation insgesamt unterdrückt ist. Die Unterdrückung hängt dabei von der räumlichen Ausdehnung der Sensorfläche 2 relativ zu der Wellenlänge λ der Modulation des Drucks 3 über der Fläche, hier der Ortskoordinate 4, ab.

Bei dem in 3 dargestellten Verlauf des Drucks 3 über der Ortskoordinate 4 ist der Druck 3 mit einer Wellenlänge moduliert, die mehr als zweimal so groß ist wie die räumliche Ausdehnung der Sensorfläche 2 in Richtung der Ortskoordinate 4. Entsprechend wird beim Verschieben des Sensors 1 entlang der Ortskoordinate 4 ein Messsignal 5 bereitgestellt, das einen mittleren Wert für den Druck 3 über weniger als die halbe Wellenlänge anzeigt. Auch hier ist die Modulation in dem Messsignal 5 unterdrückt. Allerdings ist die Unterdrückung weniger stark als bei dem in 2 dargestellten Verlauf des Drucks 3.

4 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor 6, der einen ersten Teilsensor 7 und einen zweiten Teilsensor 8 aufweist. Jeder Teilsensor 7, 8 weist eine Sensorteilfläche 9, 10 auf, mit der ein auf die Sensorteilfläche 9, 10 wirkender Druck erfasst wird. Die Teilsensoren 7, 8 sind über Verbindungsleitungen 11, 12 mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 13 des Sensors 6 verbunden, wobei die von den Teilsensoren 7, 8 bereitgestellten Messsignale über die Verbindungsleitungen 11, 12 an die Signalverarbeitungseinrichtung 13 weitergeleitet werden.

Die Signalverarbeitungseinrichtung 13 generiert aus den von den Teilsensoren 7, 8 bereitgestellten Messsignalen ein Ausgangssignal, bei dem eine räumliche Modulation des Drucks über der Fläche unterhalb einer vorgegebenen Wellenzahl stärker unterdrückt ist als bei der vorgegeben Wellenzahl. Zum Generieren des Ausgangssignals weist die Signalverarbeitungseinrichtung 13 in der in 4 dargestellten Ausführungsform einen Operationsverstärker 14 und einen Differenzverstärker 15 auf. Der Operationsverstärker 14 verstärkt das von dem zweiten Teilsensor 8 bereitgestellte zweite Messsignal mit einem Verstärkungsfaktor. Mit dem Differenzverstärker 15 wird eine Differenz zwischen dem von dem ersten Teilsensor 7 bereitgestellten ersten Messsignal und dem von dem zweiten Teilsensor 8 bereitgestellten und durch den Operationsverstärker 14 verstärkten zweiten Messsignal gebildet. Das so generierte Ausgangssignal wird an einem Ausgang 16 der Signalverarbeitungseinrichtung 13 ausgegeben.

In 5 und 6 ist jeweils ein beispielhafter Verlauf des Drucks 3 über der Ortskoordinate 4 gezeigt. Dabei entspricht der in 5 dargestellte Verlauf des Drucks 3 dem in 2 dargestellten Verlauf, und der in 6 dargestellte Verlauf entspricht dem in 3 dargestellten Verlauf. Dabei wird im Folgenden angenommen, dass der Druck 3 gemäß 2 mit einer Wellenzahl moduliert ist, die gleich der vorgegebenen Wellenzahl des Sensors 6 ist oder kleiner als die vorgegebenen Wellenzahl ist.

In direktem Vergleich zu dem Verlauf des Drucks 3 ist in 5 und 6 der jeweils zugehörige Verlauf eines Ausgangssignals 17, das am Ausgang 16 der Signalverarbeitungseinrichtung 13 bereitgestellt wird, über der Ortskoordinate 4 aufgetragen. Das Ausgangssignal 17 weist jeweils eine Modulation mit der gleichen Wellenlänge λ wie die Modulation des Drucks 3 über der Ortskoordinate 4 auf. Wie aus dem Vergleich der 5 und 6 ersichtlich ist, ist die Modulation des Drucks 3 bei der Wellenzahl Λ gemäß 5 in dem Ausgangssignal 17 jedoch weniger stark unterdrückt als die Modulation des Drucks 3 gemäß 6. Dies wird erreicht, indem erfindungsgemäß das von dem ersten Teilsensor 7 bereitgestellte erste Messsignal mit dem von dem zweiten Teilsensor 8 bereitgestellten zweiten Messsignal derart kombiniert wird, dass die räumliche Modulation des Drucks 3 über der Fläche, hier der Ortskoordinate 4, unterhalb der vorgegebenen Wellenzahl stärker unterdrückt ist als bei der vorgegebenen Wellenzahl.

Die vorgegebene Wellenzahl, unterhalb der die Unterdrückung der räumlichen Modulation des Drucks über der Fläche kontinuierlich abnimmt, hängt dabei zum einen von der absoluten Größe der Sensorteilflächen 9, 10 sowie von einem Größenverhältnis der Sensorteilflächen 9, 10 ab. Weiterhin kann auch der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 14, mit dem das von dem zweiten Teilsensor 8 bereitgestellte Messsignal verstärkt wird, Einfluss auf die vorgegebene Wellenzahl haben. Wie die vorgegebene Wellenzahl, eine Unterdrückung der räumlichen Modulation des Drucks über der Fläche bei der vorgegebenen Wellenzahl sowie eine Veränderung der Unterdrückung zu kleineren Wellenzahlen hin von der absoluten Größe der Sensorteilflächen 9, 10, dem Größenverhältnis der Sensorteilflächen 9, 10 und dem Verstärkungsfaktor abhängt, ist in 7 bis 10 dargestellt.

In 7(a) bis 7(d) sind die Antwortfunktionen des erfindungsgemäßen Sensors 6 für verschiedene absolute Größen der Sensorteilflächen 9, 10 gezeigt, d. h. es ist für verschiedene absolute Größen der Sensorteilflächen 9, 10 gezeigt, wie die Verstärkung einer räumlichen Modulation des Drucks über der Fläche in dem von dem Sensor 6 generierten Ausgangssignal von der Wellenzahl Λ abhängt. Dabei nehmen die angenommenen absoluten Größe der Sensorteilflächen 9, 10 bei gleichbleibendem Größenverhältnis der Sensorteilflächen 9, 10 von den 7(a) bis 7(d) zu. Konkret ist für dargestellten Antwortfunktionen angenommen, dass die Sensorteilflächen 9, 10 kreisförmig und konzentrisch angeordnet sind. Das Verhältnis der Radien der Sensorteilflächen 9, 10 ist konstant 8,17. Der Radius der ersten Sensorteilfläche 9 beträgt in 7(a) 0,15 mm, in 7(b) 0,30 mm, in 7(c) 0,60 mm und in 7(d) 7,50 mm. Das erste Messsignal wird mit einem Faktor 3 verstärkt, das zweite Messsignal ist nicht verstärkt.

Wie in 7(a) bis 7(d) gezeigt, verschiebt sich die vorgegebene Wellenzahl, unterhalb der eine räumliche Modulation des Drucks über der Fläche stärker unterdrückt wird als bei der vorgegebenen Wellenzahl, mit zunehmender absoluter Größe der Sensorteilflächen 9, 10, wobei ihr Größenverhältnis konstant bleibt, zu kleineren Wellenzahlen hin. Mit einer Anpassung der absoluten Größen der Sensorteilfläche 9, 10 kann also die vorgegebene Wellenzahl eingestellt und somit der Sensor für ein spezifisches Messvorhaben so optimiert werden, dass eine Modulation des Drucks über der Fläche bei der gewünschten Wellenzahl besonders gut erfassbar ist.

Wie in 7(a) bis 7(d) gezeigt, nimmt der Wert der Verstärkung bei der vorgegebenen Wellenzahl mit zunehmenden absoluten Größen der Sensorteilflächen 9, 10 ab. Die Steigung des Verlaufs der Verstärkung unterhalb der vorgegebenen Wellenzahl bleibt im Wesentlichen gleich.

In 8(a) bis 8(d) sind die Antwortfunktionen des erfindungsgemäßen Sensors 6 über der gezeigt, wobei das Größenverhältnis der Sensorteilflächen 9, 10 von 8(a) bis 8(d) zunimmt. Konkret ist angenommen, dass die Sensorteilflächen 9, 10 kreisförmig und konzentrisch sind. Der Radius der ersten Sensorteilfläche 9 ist konstant als 0,50 mm angenommen. Das Verhältnis der Radien der beiden Sensorteilflächen 9, 10 beträgt in 8(a) 2, in 8(b) 4, in 8(c) 8 und in 8(d) 16. Weder das erste Messsignal noch das zweite Messsignal werden verstärkt.

Wie in 8(a) bis 8(d) gezeigt, ändert sich mit zunehmendem Größenverhältnis der Sensorteilflächen 9, 10 die Breite des Peaks um das Hauptmaximum bei der vorgegebenen Wellenzahl. Mit zunehmendem Größenverhältnis der Sensorteilflächen 9, 10 nimmt also die Breite des Bands an Wellenzahlen, für die der Sensor 6 sensitiv ist, zu.

In 9(a) bis 9(d) sind Antwortfunktionen des Sensors 6 für verschiedene Verstärkungsfaktoren größer 1 gezeigt, wobei der Verstärkungsfaktor, mit dem das erste Messsignal verstärkt wird, von 9(a) bis 9(d) zunimmt. Konkret ist angenommen, dass die Sensorteilflächen 9, 10 kreisförmig und konzentrisch sind. Das Größenverhältnis der Radien ist konstant 8,17, wobei der Radius der Sensorteilfläche 9 konstant 0,5 mm ist. In 9(a) beträgt der Verstärkungsfaktor 2, in 9(b) beträgt der Verstärkungsfaktor 4, in 9(c) beträgt der Verstärkungsfaktor 8, und in 9(d) beträgt der Verstärkungsfaktor 16.

Wie in 8(a) bis 8(d) gezeigt, nimmt die Verstärkung bei der vorgegebenen Wellenzahl mit zunehmendem Verstärkungsfaktor zu.

In 10(a) bis 10(d) sind Antwortfunktionen des Sensors 6 für verschiedene Verstärkungsfaktoren kleiner oder gleich 1 gezeigt, wobei der Verstärkungsfaktor, mit dem das erste Messsignal verstärkt wird, von 10(a) bis 10(d) abnimmt. Dabei sind die gleichen Geometrien und Größen der Sensorteilflächen 9, 10 angenommen, wie in 9. In 10(a) beträgt der Verstärkungsfaktor 1, in 10(b) beträgt der Verstärkungsfaktor 0,5, in 10(c) beträgt der Verstärkungsfaktor 0,1, und in 10(d) beträgt der Verstärkungsfaktor 0,01.

Bezugszeichenliste

1
Sensor
2
Sensorfläche
3
Druck
4
Ortskoordinate
5
Messsignal
6
Sensor
7
Teilsensor
8
Teilsensor
9
Sensorteilfläche
10
Sensorteilfläche
11
Verbindungsleitung
12
Verbindungsleitung
13
Signalverarbeitungseinrichtung
14
Operationsverstärker
15
Differenzverstärker
16
Ausgang
17
Ausgangssignal
λ
Wellenlänge
Λ
Wellenzahl