传感器
阅读：1036发布：2020-07-01
专利汇可以提供传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 传感器 ，用于测量任何所需的测量变量，该传感器具有具有传感器 外壳 ，该传感器外壳具有样本馈送器、至少两个测量值获取器以及至少两个处理单元，该至少两个测量值获取器和该至少两个处理单元在该传感器外壳中相对于彼此分别成对冗余地和/或分散地布置。，下面是传感器专利的具体信息内容。
1.一种传感器(200)，用于测量任何所需的测量变量(10)，其中该传感器(200)具有传感器外壳(201)，该传感器外壳具有样本馈送器(210)，其特征在于，
至少两个测量值获取器(220、230)和至少两个处理单元(260、270)的每个相对于彼此分别成对冗余地和/或分散地布置在该传感器外壳(201)中。
2.根据权利要求1所述的传感器(200)，其特征在于，该测量值获取器(220、230)在空间上相对于彼此靠近布置在该样本馈送器(210)中。
3.根据权利要求1或2所述的传感器(200)，其特征在于，在该传感器(200)中布置有一个或多个次级传感器(221、231)，特别是温度传感器和/或压力传感器。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的传感器(200)，其特征在于，该至少两个处理单元(260、270)彼此耦合。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的传感器(200)，其特征在于，至少一个处理单元(260、270)连接到总线系统(180)，特别是CAN总线系统、利勃海尔系统总线或基于以太网的总线系统。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的传感器(200)，其特征在于，至少一个处理单元(260、270)提供了用于比较至少一个第一测量值和至少一个其他测量值的装置。
7.根据权利要求6所述的传感器(200)，其特征在于，所述装置执行至少两个测量值之间的合理性检查。
8.根据权利要求6或7所述的传感器(200)，其特征在于，从处理单元(260、270)中的所有或至少一些中传送出协调的统一测量值。
9.根据权利要求8所述的传感器(200)，其特征在于，如果处理单元(260、270)的各个测量值的偏差超过所限定的容许界限，通过处理单元(260、270)标记该协调的统一测量值。
10.根据前述权利要求6至9中任意一项所述的传感器(200)，其特征在于，至少一个处理单元(260、270)的该装置为微处理器，包括以同步时基来工作的各个微处理器。
11.根据前述权利要求中任意一项所述的传感器(200)，其特征在于，提供一装置来用于编码或打包待传送的该测量值。
12.根据前述权利要求中任意一项所述的传感器(200)，其特征在于，外壳(201)具有螺纹连接。
13.根据前述权利要求中任意一项所述的传感器(200)，其特征在于，该传感器(200)用来测量如下测量参数中的一个或多个：压力、角度、旋转、倾斜、长度、距离、噪声、亮度、湿度、方向或水平。
传感器
技术领域
背景技术
[0002] 为了满足在操作复杂机械时的严格的安全需求，一种可能性是将该机械的重要部件配置为冗余的或分散(diverse)的。
[0003] 在此连接中，机械的控制器的适当运转必须考虑从传感器到用于处理的处理器的数据传输，因为在某些环境中，传感器要获取有关的测量变量来用于机械的安全操作。在此方面，冗余性可能是必要的，以保证所需的安全条件。可以基于冗余性呈现的测量结果来检测到整个测量链的各个部件的可能的故障。
[0004] 从现有技术可以获知传感器布置为冗余设计的机械的如上所述基于传感器的测量系统的实现。图1a至1c中所示的系统具有引导任意所需媒质(medium)的线路1，其中线路1中的媒质的压力应作为测量变量由传感器布置检测。为达此目的，沿着线路1彼此间隔布置两个测量连接2、12。线路1内的待检查的媒质通过测量连接2和12馈送到两个测量装置3和13，该两个测量装置反转而通过信号线4和14连接到其各自的处理器单元6和16。
[0005] 一旦具有根据图1b的实际值的压力脉冲出现于线路1的输入端，其延伸到线路1中。由于两个测量连接2、12彼此间隔，压力脉冲在时间t2通过测量连接2到达测量装置3(参见图1b)，并在时间t3通过测量连接12到达测量装置13。
[0006] 测量装置3和13彼此独立地工作，因为没有向其提供统一时钟。从图1c可以看出，测量装置3和13形成了表示实际值的模拟电信号。所述信号通过两个信号线4和14传输到两个用于处理的处理器6和16。这两个处理器单元6和16彼此独立地工作，因此没有同步。因此所述处理器确定对应于实际值的测量值MW1和MW2，其具有相对于通过线4、14提供的电子值的时间偏移。
[0007] 为了检测两个独立的测量设备的可能的错误，在两个处理器单元6和16之间启动测量值比较50。基于如下事实发现了已知的传感器的实质问题：根据基于时间差51的时间所产生的各个测量值MW1和MW2导致相当大的测量不确定性。这些测量不确定性一定会在测量结果的比较50中观察到，从而扩大这两个测量值MW1和MW2彼此之间的可容许的偏差范围。只有超过偏差容许后才诊断出布置的故障。
发明内容
[0008] 因此，本发明的目的是提供一种测量布置，其针对可能的测量偏差提供更大的安全性和更好的反应可能性。因此，本发明的目的是提供一种能实现小得多的容许界限的传感器。
[0009] 通过根据本发明一方面的传感器来实现本发明的目的。因此，所述传感器具有在传感器外壳内的至少两个测量值获取器以及至少两个处理单元。所述测量值获取器限定为传感器的第一部分，其直接响应于待检测的测量变量。优选地，每个测量值获取器通过信号线准确地连接到一个处理单元，从而表示测量值的信号值可以传输到该处理单元。为了提高传感器的可靠性或安全性，测量值获取器和处理单元均是冗余的和/或分散的。所述至少两个测量值获取器彼此独立地获取至少两个测量值，并将它们传输到它们所连接的处理单元。根据本发明的至少两个测量获取器在传感器外壳中只具有一个样本馈送器的布置保证了待检查的测量值的有效实际值没有时间延迟地施加到所有测量值获取器。优选地，测量值获取器和/或处理单元是分散的。
[0010] 与此相对比，现有技术的传感器系统遵循这样的方法，即通过两个分离的样本馈送器将两个完全独立的传感器布置到线路。由于传感器布置为彼此在空间上远离，媒质的有效实际值只能有延迟的到达传感器，这导致检测到的测量值中有很大的偏差。
[0011] 根据本发明的两个测量值获取器在传感器外壳中的最小间隔布置大大减小了检测到的测量值的时间偏移或实际上排除了该时间偏移。优选地，所有的测量值获取器布置为距离样本馈送器的进口相同的距离。因此，测量变量的变化时间上同步地被所有的测量值获取器采集到。此外，根据本发明的传感器呈现了冗余设计传感器系统的一种简单实现的选项，因为在传感器外壳中已经集成了冗余性。不再需要多个分离的独立传感器的复杂布置。
[0012] 更优选地，所述至少两个测量值获取器直接彼此相邻地布置在传感器的样本馈送器内或布置在样本馈送器的端区域中。可以想到将测量值获取器连接到样本馈送器中的相对部属点。两个测量值获取器之间的间距越小，测量变量的实际值的时间延迟的检测越小。由于根据本发明的布置，可以忽略实际值的获取之间的时间偏移。在传感器的无错操作下，在测量值获取器的输出端实际上获得同时施加的实际值。
[0013] 如果测量结果取决于外部干扰变量，优选地，在传感器外壳中布置一个或多个次级传感器。可以想到合适的温度传感器或用于检测气压的传感器。特别地，次级传感器提供的测量值传输到处理单元。有利地，对传感器的外部影响从而被次级传感器提供的测量数据补偿。
[0014] 有利地，所述至少两个处理单元彼此耦合。优选地，所述至少两个处理单元基于公共时钟源来操作，或者采用可以彼此同步的分离的时钟源来操作。采用处理单元的公共时基(time base)或同步信号处理减少了或优化了施加到处理单元的输出端的测量值的时间偏移。
[0015] 为了将处理的测量值进一步传输到中央单元，可以想到传感器，特别是至少一个处理单元，可耦合到中央总线系统，特别是CAN总线系统或利勃海尔(Liebherr)系统总线。优选地，在处理单元中集成的发送器和/或接收器单元为此目的将确定的测量值或处理的测量信号施加到系统总线。可以设定，与传输过程并行地，处理单元检查传输的信号用于修正。因此，处理单元同时监听其传输的信号。传感器的所有的处理单元都可以连接到总线系统。在此情况中，一个处理单元通过系统总线发送其信号，所有其他的处理单元监听由所述一个处理单元施加到总线上的传输信号，并检查该传输信号用于修正或将该总线信号与其期望值相比较。更优选地，在错误检测的情况中，至少一个处理单元将相应的总线信号接地一段时间，特别的为512μs。这对应于所使用的总线系统的传输协议的相应超时，从而施加到总线上的所有信号被宣告无效或在接收器单元内丢弃。
[0016] 优选地，通过处理单元之间的信号连接来实现各个处理单元的测量值或者其他数据之间的彼此交换。因此，每个处理单元将它们确定的测量值提供给一个或所有其他的处理单元。可以想到，在所述至少一个处理单元内提供一种装置，从而将至少一个第一测量值与至少一个其他测量值相比较。进一步地，可以想到至少一个处理单元将其自己的测量值与所有其他连接的处理单元的测量值相比较。
[0017] 更优选的，配置所述装置，从而可以在至少两个测量值之间进行合理性检查(plausibility check)，特别是交叉对比。如果偏差在所限定的容忍界限内，将测量归为合理的，所述至少两个处理单元达成协议将该统一测量值施加于所有或至少部分处理单元。然后，该统一测量值作为二进制值被存储到该所有或部分处理单元的输出区中。例如，两个处理单元相互比较它们的测量值。在只有小的容忍偏差的情况中，第一处理单元将其测量值存储到输出区，而第二或所有其他的测量单元丢弃它们自己的测量值，而将第一处理单元的所述统一测量值存储到它们的输出区中。因此，存储的值的位组合形式(bit pattern)在所有的输出区中是相同的。
[0018] 如果两个被比较的测量值的偏差在所限定的容忍范围之外，则可将所述至少一个处理单元的测量结果标记为错误的。被标记的测量值可以存储到所述至少两个处理单元的输出区中，并可选地通过连接的总线系统进行传输。接收器可以基于该标记推断出传感器故障。
[0019] 优选地，通过可编程微处理器或数字信号处理器(DSP)来实现所述至少一个处理单元的所述装置。通过微处理器的中央时钟馈送来提供所述处理单元或微处理器的耦合。所使用的微处理器的同步最小化了测量值之间的时间偏移，因为微处理器内的所有处理操作可以时间上同时执行或相对与彼此同步执行。因此，在微处理器内可以评估并实际上同时输出测量变量的各个实际值。
[0020] 可以想到，提供一种用于加密或打包待传输的测量值的装置。可以想到，对数字化的测量值应用合适的数据处理算法，例如CRC和/或CRT算法。因此，测量值以编码形式传输并通过传感器内连接的总线系统传输。在接收器侧，可以识别并有利地修正以编码方式出现的测量值的处理错误。
[0022] 通常，这样的传感器具有至少两个测量值获取器，来用于任何所需的待检测测量变量。优选地，所述传感器适用于测量一个或多个不同的测量变量，例如，压力、角度、旋转、倾斜、长度、距离、噪声、亮度、湿度、方向或水平。所述传感器的兼容性仅取决于一个或多个安装的测量值获取器。而且，样本馈送器可方便地适应于待检测的测量变量或媒质。优选地，各类型的测量值的处理在所有传感器中相同。所有的传感器优选地具有相对于彼此冗余地和/或分散地布置的至少两个测量值获取器和/或处理单元。根据本发明的传感器的可能实施例优选地为缆线长度编码器(rope length encoders)、激光传感器、旋转角度测量装置、倾角计(inclinometer)以及通过旋转编码器的长度测量装置。附图说明
[0023] 参考附图中所示的实施例来更详细地描述本发明的其他特征、细节和优点。其中：
[0024] 图1a-1c为从现有技术已知的冗余系统以及表示各个测量值的两个相关联的测量图；
[0025] 图2为以压力传感器为例的根据本发明的传感器的实施例；以及
[0026] 图3为图2的传感器的传输协议。
具体实施方式
[0028] 图2显示了根据本发明的传感器200的实施例的示意设计。在图2的实施例中，显示的传感器200用作压力传感器来检测线路1中的媒质的液压。传感器200的传感器外壳201上的螺纹被旋入了相匹配的压力线路1的螺钉连接。当线路1充满液体油或相似的压力媒质时，样本馈送器210的空间中也被充满，到达布置在其中的测量值获取器220、230的前面。测量值获取器220、230将检测到的样本馈送器210中的测量压力变量(实际值)转换为相应的电信号，该电信号通过两个信号线240、250提供至两个处理单元260、270的输入端261、271。有技巧的选择两个测量值获取器220、230的位置，包括选择测量值获取器220、230的一种布置使得获取器220、230的间距尽可能的短，且到样本馈送器210的进口长度相等。测量值获取器220、230同时采集了相同的测量值。
[0029] 测量值获取器220、230每个包括各自的次级传感器221、231，用于检测由环境引起的干扰变量。还可以利用多个次级传感器来检测一个干扰变量或不同的干扰变量，例如温度或气压影响。由于次级传感器221、231非常接近，一个次级传感器221、231在技术上是足够的，但这损害了冗余性。为了补偿干扰变量，所确定的干扰影响通过信号线222、232传输到负责的处理单元260、270的输入端261、271。两个次级传感器221、231均被配置为温度传感器，以补偿传感器200的取决于温度的测量波动。同样可以设计为压力传感器，来检测传感器200上或者传感器外壳201内的空气压力，并将其传输来进行补偿。
[0030] 在传感器200的操作期间，测量值获取器220、230和次级传感器221、231通过信号线240、250、222、232持续传送测量信号至两个处理单元260、270的相应输入端261、271。
[0031] 该两个处理单元260、270提供了集成电路布置，其主要部件为可编程微处理器或DSP。处理器的主要任务是处理施加于输入端261、271上的测量值获取器220、230和次级传感器221、231的电测量信号。一方面，实现所施加的值的模数转换；另一方面，每个处理单元260、270通过连接266将其自己转换的测量值提供给另一个处理单元。在处理单元260、270中根据交叉对比的方法对当前测量值进行合理性检查，以监控传感器的适当操作。
由于各测量值以与时间相依以及持续的方式施加于两个处理单元的输入端261、271，两个处理单元260、270方便地以公共时基265操作。两个微处理器均被一公共时钟源馈送，或者采用彼此同步的分离的时钟源馈送。关键是利用公共时基265。
由于各测量值以与时间相依以及持续的方式施加于两个处理单元的输入端261、271，两个处理单元260、270方便地以公共时基265操作。两个微处理器均被一公共时钟源馈送，或者采用彼此同步的分离的时钟源馈送。关键是利用公共时基265。
[0032] 如果测量值的偏差没有超过所限定的容忍界限，则将该测量归为合理的。测量值，通常为处理单元260的测量值，此时作为测量值由两个处理单元260、270获取，然后存储到输出区262、272来用于传输。在传感器的无错误行为的操作期间，在数字化和比较测量值之后，在输出区域262、272中确保了相同的位组合形式。传输统一测量值就足以将传感器值传输到机械的中央评估单元。
[0033] 如果偏差在预定的容忍范围之外，则一般认为测量出错，因此标记测量值并且将该测量值与标记一起存储到两个处理单元260、270的输出区262、272。
[0034] 传感器200可以连接到现有的总线系统来将根据本发明的传感器200的传感器检测测量值传输到任何所需的设备。图2的根据本发明的传感器200可以耦合到利勃海尔系统总线，其可从DE 196 47 131 C2中获知。
[0035] 对于到总线系统的连接，传感器200具有连接点280，其在外壳201内可选地被分成两个分支总线280a、280b。通过分支总线280a、280b，两个处理单元260、270连接到系统总线的总线280。
[0036] 一旦通过控制器的中央单元获得了线路1中的压力的测量值，所述中央单元通过信号线280将信号传输到根据本发明的传感器200的两个处理单元260、270。处理单元260响应于接收到的信号传输存储在输出区262中的测量值。利用处理单元260的发送器和接收器单元所公知的传输协议通过所连接的总线系统来进行传输。在传输过程中，处理单元260同时检查存储到总线上的传输信号来进行修正。处理单元270也进行类似的处理，其只检查通过处理单元260施加到系统总线上的信号来修正，其中将该信号与其期望值相比较，即与存储在输出端272中的测量值相比较。如果待检查的处理单元260、270中的一个识别出传输错误，处理单元260、270使协议失效；例如在利勃海尔系统的情况中，是通过将总线信号接地一段时间，特别是512μs。该时间间隔表征了利勃海尔系统总线协议的相应的超时，因此该总线传输的所有的传输信号被各个接收器单元丢弃。重复该传输周期，或以后续测量值的传输开始该传输周期。
[0037] 在利用总线协议通过连接的总线系统传输测量值之前，形成图3的数据块300。为了编码测量值，使用合适的安全算法，包括通过测量值形成校验和(checksum)以及恢复算法(restoration algorithm)的使用。例如称为CRC或CRT的算法的结合。在数据块300中增加了计数器来识别测量值或数据块300。对测量值打包或编码增加了安全性，因为可以在接收器侧识别测量值的传输错误并优选地进行校正。
[0038] 处理单元260、270的前述任务可以与所需的任务相关联。可以想到，处理单元仅作为观测器的实施例。也可以将各个任务可选地关联到各处理单元260、270。
[0039] 由于两个测量值获取器220、230在样本馈送器210中布置地彼此非常靠近，以及由于可以理想地选择位置，呈现于线路1内的压力的几乎相同的实际值被施加到两个测量值获取器220、230。可选地可以根据需要同时测量压力。而且，通过在传感器的整个操作期间，将两个处理单元260、270进行时间同步，尽可能地减少了测量值偏差。因此可将容忍限制限定为非常小，从而甚至可以检测到传感器200内更小的临界测量偏差并随后开始错误分析。
[0040] 根据本发明的传感器200的实施例对线路1内的压力进行技术测量检测。然而，根据本发明的传感器的该实施例不受限于测量压力参数。在此方面，传感器200的其他实施例可以测量角度、旋转、倾斜、长度、距离、噪声、亮度、湿度、方向或水平。为此，仅需要使两个使用的测量值获取器220、230适应相应的媒质以及修改样本馈送器210。可能的实施例包括缆线长度编码器、激光传感器、旋转角度测量装置、倾角计以及通过旋转编码器的长度测量装置。
[0041] 在这方面，更详细的描述作为倾斜传感器的根据本发明的传感器200的实施例。该传感器的拓扑结构可以分成两个信道，每一个由一个测量值获取器和一个处理单元形成。两个分离布置的测量值获取器能够检测关于两个轴的倾斜，并将用于评估的测量信号传输到它们关联的处理单元。第一信道的处理单元对总线连接和传感器的数据传输进行控制。第二处理单元仅用作监控部件，其可以在某些情况下中断传感器的数据传输。
[0042] 为了实现倾斜传感器的分散，至少将两个测量值获取器配置为分散的。在特定实施例中，倾斜传感器包括部件类型为SCA 103T的测量值获取器，其通过SPI接口连接到其处理单元。ADIS16003系列的部件可以用作第二测量值获取器。
[0043] 有利地，所述倾斜传感器基于MEMS(micro-electromechanicalsystem，微机电系统)技术原理来进行倾斜检测。倾斜传感器的传感器系统测量由于重力造成的加速度对电容的揉性支撑板的力作用。由于有效力向量随着朝着地心的相关倾斜而变化，因此可以确定相应的角度。为了增加测量的精确度，在每个轴的测量通道中使用旋转了180°的两个测量值获取器，对它们的测量值进行不同的评估。倾斜的绝对角的输出和计算的测量分辨率对于中心来说为0.02°，并且在±25°的范围内的测量分辨率为0.4°。
[0044] 优选地在传感器外壳上布置一个或多个LED用于指示不同的传感器状态。可以连同测量值一起传输的状态字节用于表征当前传感器状态。在错误情况中，用相应的错误代码补充状态字节。
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