ARRANGEMENT FOR DETECTING FORCES

Abstract: 1. Arrangement for the detection of forces with a piezo-electric transducer (4), and with the following features : a) the piezoelectric transducer (4) is connected via a first electronic switch (6) with the input of an amplifier (16), b) a second electronic switch (8) is assigned to this piezo-electric transducer for the shorting of the transducer (4), c) an integrator (12) is provided for the summation of the voltage at the output (36) of the amplifier (16).

Description: Vorrichtung zur Erfassung von Drücken Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung von Drücken mit wenigstens einem elektromechanischen Wandler und einem ersten elektronischen Schalter. Es ist ein piezoelektrischer Drucksensor für Kraftfahrzeuge bekannt, bei dem zwei piezoelektrische Kristalle, die an einem Kraftfahrzeug montiert sind, elektrisch parallelgeschaltet sind. Diesen piezoelektrischen Kristallen sind ein Spannungsbegrenzer, ein Integrator, ein Detektor und eine Auslösevorrichtung zugeordnet. Als Spannungsbegrenzer ist eine Zener-Diode vorgesehen und als Integrator wird eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Kapazität verwendet. Ferner ist als Detektor ein Feldeffekttransistor FET vorgesehen, dessen Gate- und Sourceanschluss mit der Kapazität des Integrators verbunden sind. Die Auslösevorrichtung ist dem Drainanschluss des Feldeffekttransistors FET zugeordnet (kanadische Patentschrift 95 09 92). Durch diese Gestaltung des Drucksensors für Kraftfahrzeuge können nur dynamische jedoch keine statische Drücke erfasst werden. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erfassung von Drücken anzugeben, mit der man auch statische Drücke mit einer Zeitkonstante von mehreren Minuten erfassen kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, dass dem elektromechanischen Wandler ein zweiter elektronischer Schalter, ein Verstärker sowie ein Diskriminator und ein Integrator zugeordnet sind, wird das Wandlersignal differenziert, diskriminiert und anschliessend wieder integriert. Mit dem zweiten entsprechend einem Taktsignal geschalteten elektronischen Schalter wird das Wandlersignal kurzgeschlossen oder einem Verstärker zugeführt. Durch das Kurzschliessen des elektromechanischen Wandlers wird das Wandlersignal differenziert. Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung von Drücken nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Figur 1 zeigt eine Vorrichtung gemäss der Erfindung und in den Figuren 2 bis 6 sind Diagramme veranschaulicht, die einen Signaiplan bilden. In Figur 7 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt und die Figuren 8 und 9 zeigen den Verlauf der Taktsignale T3 und T4 gemäss der Ausführungsform nach Figur 7 jeweils in einem Diagramm. Eine Vorrichtung zur Erfassung von Drücken enthält in der Ausführungsform nach Figur 1 eine Anordnung 2, die mit einem elektromechanischen Wandler 4, vorzugsweise einer piezoelektrischen Folie aus Polyvinyliden-Fluorid PVDF, und einem ersten elektronischen Schalter 6, vorzugsweise einen Feldeffekttransistor FET, versehen ist. Dieser Anordnung 2 ist ein weiterer elektronischer Schalter 8, vorzugsweise ein Feldeffekttransistor FET, sowie ein Spannungsverstärker 10 mit integriertem Diskriminator und ein Integrator 12 zugeordnet. Ausserdem enthält diese Vorrichtung zur Erfassung von Drücken einen Impulsgenerator 14, der zwei verschiedene Taktsignale T1 und T2 liefert. Der Spannungsverstärker 10 enthält einen Operationsverstärker 16 mit einem Widerstand 18 am invertierenden Eingang und einen Widerstand 20 im Rückkopplungszweig, einen Spannungsteiler mit den Widerständen 22 und 24 und eine Parallelschaltung aus einer Kapazität 26 und einem Widerstand 28 am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 16. Man wählt einen Operationsverstärker 16, der kleine Biasströme, beispielsweise kleiner als 200 pA und einen hohen Eingangswiderstand, beispielsweise grösser als 1012 Q , hat. Die Widerstände 22 und 24 des Spannungsteilers bestimmen den Arbeitspunkt, da für den Operationsverstärker 16 nur eine einzige Versorgungsspannung vorgesehen ist. Die Kapazität 26 vermindert die Brummeinstreuung und mit dem Widerstand 28 wird verhindert, dass ein Offset-Strom des Eingangsverstärkers des Operationsverstärkers 16 zu einer Fehlfunktion der Vorrichtung führt. Der Eingang 30 des Spannungsverstärkers 10 ist mit dem Ausgang 32 des ersten elektronischen Schalters 6 verbunden. Ausserdem ist der zweite elektronische Schalter 8 parallel zu dem Eingang 30 des Spannungsverstärkers 10 und dem Verbindungspunkt 34 der Widerstände 22 und 24 des Spannungsteilers angeordnet. Die beiden elektronischen Schalter 6 und 8 werden gemäss den Taktsignalen T1 und T2 gesteuert. Am Ausgang 36 des Spannungsverstärkers 10 ist der Integrator 12 vorgesehen, der eine Spannung UD aufsummiert. Entsprechend dem Diagramm nach Figur 2, in dem eine Kraft F über der Zeit t aufgetragen ist, zeigt der Ver lauf der Kraft F einen ansteigenden Bereich mit einer grossen Zeitkonstante, einen statischen Bereich und einen fallenden Bereich mit einer grossen Zeitkonstante. Diese Kraft F wirkt auf den elektromechanischen Wandler 4 nach Figur 1. Gemäss dem Diagramm der Figur 3, in dem die Taktsignale T1 über der Zeit t aufgetragen sind, bildet dieses Taktsignal eine Pulsfolge mit gleichen zeitlichen Abständen. Der elektromechanische Wandler 4 wird gemäss der Pulsfolge des Taktsignals T1 des ersten elektronischen Schalters 6 mit dem zweiten elektronischen Schalter 8 verbunden. Dieser zweite elektronische Schalter 8 schliesst den elektromechanischen Wandler 4 gemäss einer Pulsfolge des Taktsignals T2 entsprechend dem Diagramm der Figur 4 kurz. Durch das Kurzschliessen des elektromechanischen Wandlers 4 wird das Wandlersignal differenziert und mit Hilfe des Spannungsverstärkers 10 diskriminiert und verstärkt. Am Ausgang 36 des Spannungsverstärkers 10 erhält man entsprechend dem Diagramm der Figur 5 eine Pulsfolge einer Spannung UD, die in einem nachgeschalteten Integrator 12 aufsummiert wird. Man erhält entsprechend dem Diagramm der Figur 6 am Ausgang 38 des Integrators 12 eine stufenförmige Spannung U11 deren Abweichungen vom tatsächlichen Verlauf der Kraft F umso geringer sind, je kleiner die Kurzschluss zeiten des Taktsignals T2 sind. Man wählt für die Pulsfolgedauer t1 bis t2 der Taktsignale T1 und T2 eine Zeit von beispielsweise 10 msec. Die Kurzschlusszeit, d.h. die Verweilzeit tV2 des zweiten elektronischen Schalters 8 in der Stellung "ein" ist kürzer als die Verweilzeit tV1 des ersten elektronischen Schalters 6 in der Stellung ¯ein". Ausserdem enden die Verweilzeiten tvi des ersten elektronischen Schalters 6 und die Verweilzeit tV2 des zweiten elektronischen Schalters 8 gleichzeitig. Daraus folgt, dass die Verweilzeit tV2 des zweiten elektronischen Schalters 8 plus eine Verarbeitungszeit tA der Verweilzeit tvi des ersten elektronischen Schalters 6 entspricht. Die Verweilzeit tV2 darf einerseits nicht zu kurz werden, da sonst die Ladung des elektromechanischen Wandlers 4 nicht restlos abfliessen kann und somit eine Spannung am elektromechanischen Wandler 4 entstehen kann, und andererseits darf die Verweilzeit tV2 nicht zu gross werden, da sonst die Verarbeitungszeit tA zu kurz werden kann und somit der Informationsgehalt des Wandlersignals zu gering ist für eine Weiterverarbeitung. Die Verweilzeit tV2 kann beispielsweise etwa 1 bis 2 msec gewählt werden. Die Verarbeitungszeit tA kann beispielsweise 0,5 bis 1 msec betragen. Durch diese Massnahme erhält man eine Vorrichtung, die nicht nur dynamische sondern auch statische Drücke erfassen kann. In der Ausführungsform nach Figur 7 enthält eine Vorrichtung zur Erfassung von Drücken eine Anordnung 2, die einen ersten elektronischen Schalter 6 und einen elektromechanischen Wandler 4 hat, einen zweiten elektronischen Schalter 8, einen Integrator 12, sowie einen Taktgenerator 14 und einen Ladungsverstärker 40. Dieser Ladungsverstärker 40 enthält den Operationsverstärker 16, den Spannungsteiler mit den Widerständen 22 und 24 und eine Parallelschaltung aus einer Kapazität 42 und einem Widerstand 44, die im Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers 16 angeordnet ist. Parallel zu dieser Parallelschaltung aus der Kapazität 42 und dem Widerstand 44 ist der zweite elektronische Schalter 8 angeordnet. Ferner ist der Eingang 31 des Ladungsverstärkers 40 mit dem Ausgang 32 des ersten elektronischen Schalters 6 verbunden. Die beiden elektronischen Schalter 6 und 8 werden gemäss den Taktsignalen T3 und T4 gesteuert, die in den Figuren 8 und 9 dargestellt sind. Gemäss den Figuren 8 und 9, in denen der Verlauf der Taktsignale T3 bzw. T4 gemäss der Ausführungsform nach Figur 7 über der Zeit t jeweils in einem Diagramm aufgetragen ist, haben die Taktsignale T3 und T4 dieselbe Pulsfolgedauer t1 bis t2, die man beispielsweise zu 10 msec wählen kann. Die Kurzschlusszeit, d.h. die Verweilzeit tv4 des zweiten elektronischen Schalters 8 in der Stellung-"ein" kann beispielsweise 1 bis 2 msec betragen. Ferner beginnt die Verweilzeit tv4 des zweiten elektronischen Schalters 8 erst nach der Verweilzeit tv3 des ersten elektronischen Schalters 6, beispielsweise 0,5 bis 1 msec, plus einer Verarbeitungszeit tA von beispielsweise 0,2 bis 0,5 msec. Durch diese Steuerung der elektronischen Schalter 6 und 8 fliesst die Ladung des elektromechanischen Wandlers 4 während der Verweilzeit tv3 in die Kapazität 42 des Ladungsverstärkers 40 und wird anschliessend während der Verarbeitungszeit tA diskriminiert und verstärkt. Während der Verweilzeit tv4 wird die Kapazität 42 kurzgeschlossen, d.h. die Wandlerladung wird differenziert. Unter Umständen kann es zweckmässig sein, mehrere solcher Ausführungsformen nach den Figuren 1 oder 7 in jeweils in Zeilen und Spalten anzuordnen. Eine solche Natrixanordnung benötigt man vorzugsweise bei piezoelektrischen Tastaturen für Schreibmaschinen oder Datensichtgeräten und bei piezoelektrischen Sensormatten für den Intrusionsschutz. Da man mit diesen Vorrichtungen gemäss den Figuren 1 und 7 auch statische Drücke mit einer Zeitkonstante von mehreren Minuten erfassen kann, erhält man eine piezoelektrische Tastatur mit einer "Repeat"-Funktion, d.h. ein gedrücktes Zeichen der Tastatur wird automatisch geschrieben, wenn die entsprechende Taste länger als beispielsweise 0,5 sec gedrückt wird, und einer ¯N-key-rollover"- Funktion, d.h., mehrere gleichzeitig gedrückte Tasten werden eindeutig erkannt. 13 Patentansprüche 9 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Erfassung von Drücken mit wenigstens einem elektromechanischen Wandler (4) und einem ersten elektronischen Schalter (6), d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass dem elektromechanischen Wandler (4) ein zweiter elektronischer Schalter (8), ein Verstärker sowie ein Diskriminator und ein Integrator (12) zugeordnet sind. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d ä d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass als elektromechanische Wandler (4) piezoelektrische Folien aus Polyvinyliden Fluorid PVDF vorgesehen sind. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass für die elektronischen Schalter (6, 8) jeweils ein Taktsignal (T1, T2 bzw. T3, T4) vorgesehen ist. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass als elektronische Schalter (6, 8) Feldeffekttransistoren FETs vorgesehen sind. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass als Verstärker ein Spannungsverstärker (10) vorgesehen ist. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass als Verstärker ein Ladungsverstärker (40) vorgesehen ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass der Eingang (30) des Spannungsverstärkers (10) mit dem Ausgang (32) des ersten elektronischen Schalters (6) verbunden ist. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass der Eingang (31) des Ladungsverstärkers (40) mit dem Ausgang (32) des ersten elektronischen Schalters (6) verbunden ist. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der zweite elektronische Schalter (8) mit dem Ausgang (32) des ersten elektronischen Schalters (6) verbunden ist. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der zweite elektronische Schalter (8) im Rückkopplungszweig des Ladungsverstärkers (40) angeordnet ist. 11. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, dass die Verweilzeit (tV2 bzw. tv4) des zweiten elektronischen Schalters (8) in der Stellung "ein" kürzer ist als die Verweilzeit (tV1 bzw. tv3) des ersten elektronischen Schalters (6) in Stellung ein 12. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 11, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass die Verweilzeit (tv1) des ersten elektronischen Schalters (6) und die Verweilzeit (tv2) des zweiten elektronischen Schalters (8) gleichzeitig enden (Figur 3 bzw. 4). 13. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 11, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass die Verweilzeit (tv4) des zweiten elektronischen Schalters (8) erst nach der Verweilzeit (tv3) des ersten elektronischen Schalters (6) plus einer Verarbeitungszeit (tA) beginnt (Figur 8 bzw. 9).

Inventors: SCHEWE, HERBERT, DR., SCHMIDT, OTTO
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: G01L1
IPC codes: G01L9, G01L1, G01L23