具有谐振结构的传感器,尤其是加速度或转速传感器及用于自检测的装置及方法

专利名称：具有谐振结构的传感器,尤其是加速度或转速传感器及用于自检测的装置及方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1前序部分的传感器及根据权利要求10和15前序部分的传感器的自检测装置和方法。此外，本发明还涉及根据权利要求22前序部分的加速度传感器。
通常，传感器在系统中用于检测被测量的量。在惯性传感技术领域中，例如使用转速及加速度传感器来检测运动量。因为通常这涉及与安全相关的应用，这些传感器必须特别可靠及能准确地检测被测量。
在DE19528961中描述了一种根据音叉原理的转速传感器，它由硅制成。在工作中音叉被激励到振荡及传感单元记录音叉悬边的扭转，该扭转是在传感器绕与音叉悬置边平行的轴转动时发生的。
为了譬如识别传感器受的干扰或偏移，必须在工作时使传感器接受检测。由此提高受检测的被测量的可靠性及精确性。
在EP0708925中描述了在一个冲击系统中识别误差的装置，其中通过操作传感元件来产生一个检验响应，及将结果与一个期望响应结果相比较。在US5 060 504中指出了一种加速度传感器的自校准方法。其中一个传感器体相对一个框架移动，该移动相应于一个已知的加速度。在此情况下，输出值作为随后校准的参考值使用。在US5 103 667中也描述了自检验的加速度传感器，其中为了检验或校准传感器使一个确定的质量运动及测量该运动。
但这些公知的系统具有其缺点，即当传感器检验时原来的测量过程需中断。需要在时间上交替地测量及检验，因此测量信号不能在时间上连续地出现。此外，仅产生一个确定的预定被测量用于比较，即在传感器整个测量范围上不进行检验。
加速度传感器譬如用于机动车中作为行驶机构调节及用于导航、行驶动力及被动安全系统(空气袋应用)。传感器使用数量的持续增长使得原则上希望有尽可能高的可靠性。在未来，在驾驶方面将会有愈来愈多的有效系统介入，及刚性的机械耦合将由电子信号来产生(通过导线驱动)。这里就必然需要自检验性能或适合的信号控制。此外，加速度传感器也应用于民用及军用航空的导航系统。
尤其在机动车上最佳地使用容性加速度传感器，如由C.Lemaire及B.Sulouff在“汽车应用的先进微系统”中的文章(D.E.Ricken及W.Gessner编Springer,Berlin,1998年，103-112页)“用于机动车导航系统的表面微机械传感器”所描述的。该系统可将容性读出电极也用于质量的偏转。这在离散时间距离上可以实现，但不是时间连续的。
在专利US5 834 646中提出了一种谐振加速度传感器，它实质上由一个多重夹持的板组成。该板不但作为谐振器，其谐振频率由外部加速来确定，而且也作为振动质量。通过该结构可检验质量-弹簧系统的整体性，但不能模拟加速度的作用。
另一谐振加速度传感器被描述在文献DE198 12 773A1中。它具有一个谐振结构，该谐振结构通过一电信号激励到振荡及根据被测量输出第二电信号。
迄今对于上述容性传感器不能进行持久的自检验。或许附加结构是可想象的，例如附加用于激励的电容器梳，但增大了所需的位置量及引起费用的增加。因此，这些公知的容性传感器至多能在离散的时间间隔中进行静态的自检验。
因而需要一种传感器，尤其一种转速或加速度传感器，它具有精确的谐振信号计值，其中可进行持久的或连续的自检验。
因此本发明的任务是，给出一种传感器，及用于传感器自检验的装置及方法，其中在检验时不用中断测量或不影响测量信号，及当测量工作时可在时间上连续地自检验。
该任务将通过根据权利要求1的传感器、根据权利要求10的传感器的自检测装置、根据权利要求15的传感器的自检测方法及根据权利要求22的加速度传感器来解决。
本发明的其它有利特征，方案及细节可由从属权利要求、说明书及附图中获得。
根据本发明的传感器包括一个用于检测被测量的振荡结构；一个致动单元，用于将该结构激励成第一周期性振荡；一个用于产生与被测量相关的输出信号的单元；及用于从输出信号中分离出该检验信号分量的装置，该检验信号分量由在第一振荡上叠加该结构的第二周期性振荡来产生。该传感器是自检验的及能输出时间上连续的测量信号及同时输出关于传感器功能信息的检验信号。测量中不发生中断或不影响测量信号。
在此情况下，传感器最好包括用于产生该结构第二周期性振荡的装置或致动单元，其中可通过该致动单元产生第一及第二周期性振荡。第二振荡也可通过机械串扰来产生。在工作中检测该结构的振荡，以产生输出信号。
根据本发明的另一方面，提出一种用于传感器自检验的装置，它通过一个振荡结构检测被测量及根据被测量产生一个周期性输出信号，及其中具有用于从传感器周期性输出信号中分离出检验信号分量的装置，该检验信号分量被叠加在有效信号分量上；及最好具有比较装置，用于将检验信号分量与一个预定值或一个传送给传感器的检验信号相比较。借助该装置可进行传感器自检验，它在时间上是连续的及可发生在传感器的整个测量及动态范围中，而不影响原来的测量任务。
该传感器或装置可有利地包括一个用于将检验信号调制在振荡结构的激励信号上的装置。由此可在传感器的整个测量范围上整定自检验。
该传感器可具有机械不平衡或串扰，它产生用于传感器检验的检验信号分量。由此可节省元件及得到成本合理的制造。该传感器可有利地具有一个产生第二振荡的致动器，它产生检验信号分量，及该装置最好具有用于将结构激励到第二振荡模的装置，该第二振荡模被叠加在用于检测被测量的第一振荡模上。由此可调制确定的检验信号，及传感器输出信号可对于被测量及系统对检验信号的响应被求值。
最好输出信号由频率和/或相位分析装置进行分析。通过用于周期性改变检验信号幅值和/或频率的装置可在整个传感器测量和/或动态范围上进行检验。尤其是，它可为一个转速传感器，一个加速度传感器或一个压力传感器。
根据本发明的传感器例如具有作为振荡结构的一个谐振器及一个与它耦合的振荡质量，后者在偏移时改变谐振器的谐振频率。为了产生检验信号分量，在测量时可使质量处于振荡状态。
特别优选的是，检验信号分量用于传感器的校准。
有利地，在工作中致动单元譬如使谐振器及与其耦合的质量处于不同模的振荡状态，从而使振荡质量周期性地改变谐振器的谐振频率，以产生检验信号分量。
该传感器可包括用于解调测量信号的装置，其中该信号可被幅值或频率调制。
根据本发明的具有振荡结构的传感器的自检验方法，包括以下步骤使用于检测被测量的结构的第一振荡与第二周期性振荡相叠加；检测输出信号，该输出信号包括关于被测量的信息，该被测量被耦合在振荡结构上；及监测包含在输出信号中的检验信号分量，该检验信号分量通过该结构的第二周期性振荡来产生。
在此情况下最好用于产生结构的第一振荡的激励信号由一个检验信号进行幅度调制，该检验信号在传感器测量工作期间其频率和/或幅值可以改变。借助根据本发明的方法可在整个动态范围上验证包括电子装置在内的传感器的全部功能。通过该方法可实现传感器的高可靠性，这在涉及安全的应用上尤其具有意义。
激励信号也可由检验信号进行频率调制，以便在测量工作时进行自检验。
尤其是，输出信号中的检验信号分量被用于传感器的校准。最好至少用两个频率或模使该结构激励成振荡，其中第一频率或模代表被测量，而第二频率或模代表一个检验信号。
根据本发明的加速度传感器包括一个谐振器，它耦合在一个质量上，由此在质量偏移时改变其谐振频率；一个致动单元，用于激励谐振器；及一个检测器，用于产生与谐振频率有关的输出信号；及一个控制装置，用于产生激励信号，它包括至少两个频率，以便同时激励谐振器及质量；及一个求值级，它从输出信号中分离出作为检验信号分量的质量的振荡模。
借助根据本发明的传感器在自检验时可同时检验求值电子装置的所有相关元件。也可在预定时间间隔中进行再校准。
以下将借助附图以例子的方式来描述本发明，附图为

图1表示作为本发明优选实施形式的一个微机械转速传感器的视图；图2表示通过重力转换仿真的自检验电路；图3表示通过转速仿真的自检验电路；图4表示本发明另一实施形式的加速度传感器；图5表示作为本发明一个特别优选实施形式的可自检验谐振加速度传感器的原理图；图6表示用于自检验图5中加速度传感器的控制及求值电路；及图7表示图5中加速度传感器输出信号的傅里叶分析。
图1中所示的传感器1是根据音叉原理由硅制作的转速传感器。两个彼此平行定向的叉2a,2b构成一个振荡结构或谐振结构，它用于测量转速。在上叉2a上设有一个双电极3a,3b，它们主要用于将叉2a,2b激励到在Z方向上周期性的振荡。音叉的悬边4构成扭转梁，在其上固定有一个压电电阻元件5。该压电电阻元件5用于产生一个输出信号，该信号在音叉悬边4扭转时产生。当该转速传感器绕通过音叉悬边延伸的X轴转动而叉2a,2b在Z轴方向振动时，该扭转由于科里奥利力周期性地被引起。压电电阻元件5与后联电子单元一起亦用于检测及使检验信号分量与输出信号分离，后者通过叉的另一周期性振荡产生。
叠加另一周期性振荡的第一振荡譬如可这样产生，即传感器1具有重量的不平衡，这例如是通过振荡质量的不对称引起的。在此情况下传感器1具有机械串扰，该串扰的信号分量在输出信号中叠加在原来的有效信号或转速信号上并被作为检验信号被利用。
另一方面叉2a,2b还通过双电极3a,3b激励成另一振荡或扭转振荡，该振荡被叠加给Z方向的激励振荡及得到输出信号中的检验信号分量。在扭转梁4附近上叉2a上设有另一压电电阻元件6，通过它记录Z方向的叉振荡或监测该振荡的幅值。
在测量工作中叉2a,2b在Z方向上反相地振荡。当系统绕X轴转动时将通过扭转梁上的压电电阻元件5记录扭转振动，该振动相对叉振幅90°地相位移。由于加工公差或所述的不对称性将通过压电电阻元件5产生出另一测量信号，它与转速无关，及在扭转固有频率及激励固有频率之间具有足够频率间隔的传感器上相对原来测量信号或转速信号具有90°相位移。通过机械串扰产生的信号分量将在本发明的一个实施形式中作为检验信号分量使用并用于传感器自检验的求值。
由于检验信号分量，即输出信号中由机械串扰产生的分量相位移，可从输出信号中分离出检验信号并对其求值或监控。在检验信号对一个作为传感器特征的确定值偏离时，将发出误差信号。
但传感器1的这种机械串扰也可被仿真计算，而不用传感器中存在不对称。为此，两个电极3a,3b由另一信号反相地控制，以使得叉2a,2b绕X轴进行扭转振动，该扭转振动被叠加到Z方向的叉振动上。该双电极3a,3b将由一个附加的周期信号控制，该信号被叠加在用于产生Z方向的叉振动的激励信号上，其中这两个信号同相。因此由附加信号这样地实现激励，即它在压电电阻元件5的输出信号中的分量相对由转速产生的有效信号的相位位移90°。因此一个检验信号被调制在用于激励Z方向叉振动的信号上，其结果加在激励信号上，及传感器输出信号将鉴于系统对检验信号的响应及同时鉴于被测量求值。
在使用仿真串扰时，利用了这样的事实在输出信号中包含的检验信号分量相对于输出信号中包含的有效信号分量相位移90°。该自检验方法具有其优点，即由于在检验信号频率范围中对转速的相位选择性将不会引起与测量信号的叠加。通过检验信号幅值的变化可在传感器的整个测量范围中进行自检验，在此期间传感器输出测量信号或转速信号。
使用图1中所示的音叉转速传感器可进行另一自检验方法，其中通过检验信号模拟转速信号，即用一个相应转速的信号调制激励振荡。用转速等效信号的调制可以这样的方式实现，即由压电电阻元件6测量的在Z方向振荡的叉2a,2b的幅值监测输出信号被周期性检验信号幅值调制。然后该幅值调制信号将与用于激励Z方向的叉2a,2b振动的周期性控制信号相加。在此情况下这两个信号彼此相位移90°。这将引起传感器1作用在扭转梁4上的转矩，该转矩相应于转速，它随检验信号的检验频率而变。在此情况下包含在压电元件5的输出信号中的检验信号分量通过带通滤波器被重组。如在机械串扰仿真时那样，在转速仿真时将包含在输出信号中的检验信号分量与检验信号相比较，该检验信号通过双电极3a,3b被输入传感器。传感器输出信号将鉴于被测量、在此情况下为要检测的转速，及同时鉴于系统对检验信号的响应被求值。
通过调制的检验信号的幅值变化及与输出信号中重组的检验信号分量的比较可实现在整个测量范围上的完整的自检验。因此，例如在借助双电极3a,3b产生的扭转振荡小幅值的情况下，可实现小转速测量范围中传感器的检验，而在人工产生的扭转振荡大幅值的情况下，可实现相对高转速测量范围中传感器的自检验。通过对产生叉2a,2b扭转振荡并经过双电极3a,3b的信号的幅值调制，在自检验时将持续地经过传感器的测量范围，所述扭转振荡叠加在Z方向叉2a,2b的激励振荡上。
通过被调制的检验信号检验频率的变化，在自检验时也附带地经过传感器的整个动态范围。但在被转速的等效信号调制时应注意被调制的检验信号的频率、即检验频率位于待测量的转速的频谱以外。如果不知道转速的频谱或不能选择其频率不同于待测量的转速的检验信号，可如上所述地仿真机械串扰。
图2表示用于音叉转速传感器的电路，借助它可仿真传感器的不平衡以进行自检验。叉2a,2b的振荡在幅值上将通过上叉2a上压电电阻元件6来测量及通过一个放大器17和一个90°移相器13传送到双电极3a,3b，以便产生Z方向上叉2a,2b的谐振振荡。在此情况下，一个连接在带通滤波器16后的幅值调节器14控制该激励振荡的幅值，其中两个叉2a,2b彼此平行地定向。通过扭转梁4上的压电电阻元件5产生的输出信号在通过一个前置放大器26及一个带通滤波器27后传送给一个乘法器21，后者滤出有效信号分量、即通过系统绕X轴旋转产生的测量信号分量。该有效信号分量相对Z方向上的叉振荡相位移90°。因此通过移相器22及乘法器21从传感器的输出信号中得到有效信号。
信号发生器30产生频率为fTest的周期性检验信号，它通过乘法器31调制在用于激励Z方向上叉振荡的信号上。通过放大器32将产生出反相信号，它通过加法器33a,33b与用于激励Z方向上叉振荡的信号相加并传送给双电极3a,3b。因此得到叉2a,2b在Z方向上具有恒定幅值的振荡，在该振荡上被叠加了一个绕X轴的叉扭转振荡。这样产生的扭转振荡具有与Z方向上激励振荡相同的频率及随检验频率fTest周期性变化的幅值。该检验频率也可为零，以使得附加扭转振荡的幅值为恒定。
通过双电极3a,3b的反相控制产生的扭转振荡将由一个信号来激励，该信号与用于激励Z方向上叉振荡的信号同相。因此，包含在压电电阻元件5的输出信号中的检验信号分量相对基于测量的转速的有效信号相位移90°，及与由压电电阻元件6测量的叉2a,2b在Z方向上的激励振荡同相。由于该原因将用乘法器41从传感器输出信号中滤出与叉振荡同相变化的信号分量。输出信号中的该分量指示传感器的仿真不平衡，它通过一个带通滤波器45传送给自检验判断器43，后者将检验信号的幅值与传感器输出信号中检验信号分量的幅值相比较。这些幅值彼此具有固定的关系，该关系例如可在试验室中确定及在一个多功能传感器上可形成一个固定的功能。如果传感器或电子装置中的一部分被干扰时将产生该幅值关系相对给定值的偏离并将产生一个误差信号。
该周期性检验信号的幅值还通过元件37附加地锯齿形周期地变化。由此可在整个测量范围上得到特别精确的误差识别，因为自检验幅值能在整个测量范围上适配。
图3表示一个电路，它用于执行自检验的转速仿真。于图2中相同功能的元件以相同的标记表示。叉振荡激励如图2中所示的电路那样，通过前置放大器17、移相器13、幅值调节器14及加法器33a、33b进行。用于激励Z方向上叉振荡的信号相对叉振荡本身超前90°。但由压电电阻元件5检测的扭转梁4的扭转在系统转动时相对叉振幅相位移90°。因此相对叉振幅相位移90°的输出信号的分量通过移相器22及乘法器21滤出并在经过低通滤波器23后得到系统转速的量。
信号发生器30产生具有频率fTest的检验信号，该信号借助乘法器或AM调制器31被调制在由压电电阻元件6测量的幅值监视信号上。与上述图2中所示电路相反地，叉振荡未相位移的信号被检验信号调制。通过另一乘法器36将产生反相信号，它通过加法器33a,33b与用于激励Z方向上叉振荡的信号相加并传送给两个电极3a,3b。由此可仿真转速的作用。传感器的输出信号将鉴于用频率fTest调制的检验信号被分析。为此，输出信号的分量经过带通滤波器45及接着传送给自检验判断器43。为了使输出信号中检验的检验信号分量与有效信号分量分开，在仿真转速的情况下检验频率必须位于被测量或转速的频率范围以外。
传感器第二振荡模式，即人工产生的叉2a,2b扭转振荡在其幅值上根据传感器的测量范围被调制。通过元件37将使输入的周期性检验信号的幅值附加地锯齿形周期地变化，以便在不同测量范围上得到尽可能精确的自检验。如同图2中所示的情况，将检验信号分量的幅值与自检验信号的幅值相比较，以便确定传感器中或后联电子装置中的误差。
在传感器1中可附加地设置不平衡补偿器61，它通过放大器62及乘法器63用于通过可能的容许误差不产生任何附加的振荡模。
这里所示的音叉-转速传感器是本发明特别优选的实施形式。通常本发明可应用在其中被测量通过振荡结构或谐振结构测量的系统上。在此情况下，可具有多种应用，例如加速度传感器、压力传感器或音叉转速传感器。
图4作为例子概要表示一个加速度传感器10，其中质量11被固定在一个梁12上。为了使传感器10测量X方向上的加速度，将梁12激励成在Z方向上振荡。当在X方向上出现加速度时，梁12上的压力变化，以使质量在Z方向上的振荡频率变化并代表加速度的量。为了进行传感器的自检验，在梁12中产生第二振荡模，它被叠加在用于测量加速度的第一振荡模上。为此将梁12激励成在Y方向上的弯曲振荡。通过压电电阻元件15测量两个振荡模上的梁12的振荡。有效信号分量将通过频率和/或相位分析与引起第二振荡模的检验信号分量分离。因此可监测在输出信号中的检验信号分量，而加速度传感器仍工作或记录加速度。
在另一未示出的本发明的实施形式中，自检验传感器作为压力传感器实施。在压力传感器中将一个膜激励成振荡，以便测量作用在膜上的压力。膜应力与压力有关及影响谐振振荡的频率。因此可通过振荡膜测量压力。为了进行自检验，该膜将通过一个致动单元调制另一振荡，即叠加膜的两个振荡模。膜振荡的输出信号将鉴于频率和/或相位被分析，以便从输出信号中分离出由膜的两个振荡模叠加产生的信号的分量。这里也可通过检验信号的幅值与包含在输出信号中的检验信号分量的幅值的比较来执行传感器的自检验，而不中断测量信号。
用于产生振荡的致动单元不限制在电极上。可用多种方式激励，尤其通过静电压电式或热作用元件来实现。压电电阻元件仅是检测不同振动模的一种可能性。这里例如也可以进行静电或容性或感性的读出。该自检验的传感器或装置及用于一个传感器自检验的方法可实现所谓的持续自检验，而不中断或影响测量信号，其中在传感器整个测量和/或动态范围上的检验可通过被调制检验信号的幅值和/或频率的变化来实现。
通常，本发明也可借助转速传感器如下地实施当转速传感器工作时除激励系统的第1模外还直接激励第2模，并用一个耦合在第1模偏移量上的信号及附加地用一个交变的检验信号进行幅值调制。
因此，包含在第2模中的用于系统运动的信号除根据科里奥利效应的原来测量信号外还包括通过检验信号产生的一个分量。包含在第2模中的用于系统运动的信号的测量分量及检验分量接着可能通过频率和/或相位分析彼此分离。接着将检验第2模中的检验信号分量与检验信号本身之间的关系是否能满足预定条件。如果不能满足预定条件，传感器将发出误差信号。
在此情况下，例如通过弹簧上的传感器接收与第1模运动同相的第2模的激励。而第2模的科里奥利分量与第1模的运动相比较相位移90°。
图5表示根据本发明的加速度传感器的一个截面的原理图。该加速度传感器由一个作为致动单元的激励结构7及一个振荡结构100组成，该振荡结构包括一个谐振器或谐振片110及一个与其耦合的振动质量120。该振荡谐振器110及振荡质量120通过另一个片125彼此相耦合，即它们不是联合成单个元件。一个检测单元25用于谐振片110基模的压电电阻检测，后者通过激励结构7热激励成振荡。在一个优选实施形式中，谐振片110的基模为400-500kHz。在X方向加速的情况下质量由于其惯性被偏移及谐振器110受到一个拉力或压力。这导致谐振频率的变化及可作为测量信号被检测。所述激励结构7被这样地设计，即它也可激励振动质量120的固有模。系统的基模是质量120的横向振荡，它在一个优选实施形式中具有约16kHz的频率。该模的振荡相应于X方向上周期性正弦波形的振荡。通过谐振片激励信号及质量120横向振荡模的持续重叠，将实现持续的自检验。由检测器25产生的信号将借助适合的电子求值装置进行分析或付里叶分析，以使由振荡质量120产生及在该优选实施形式中具有16kHz频率的检验信号与测量信号分离。
激励结构或致动单元7可具有热、电容或压电致动器。为了节省位置及费用，仅使用一个致动器来激励谐振片110及质量120。但也可以用两个分开的致动元件来激励谐振片110及质量120，其中可为两个由热、电容性或压电致动器作的致动元件的每种组合。
检测单元25用于监测两个振荡或振荡模及可作成电容性、压电或压电电阻式的。可使用两个分开的检测单元来监测两个振荡或振荡模，其中亦可为两个由热、电容性或压电致动器作的致动元件的每种组合。
也可取代设置用于激励及信号检测的两个不同元件，这些元件可以一个用于激励及检测两个信号的单个元件来实现。
图6用电路框图表示控制及求值电路的原理结构。加速度测量器90包括一个热激励级91，使谐振器110激励成振荡；一个耦合级92，用于使待测量的物理量或加速度耦合到振荡系统；及一个检测级或压电传感器93，用于检测谐振器110的振荡。一个PLL回路95代表求值电路的中心部分。它包括一个电压控制的振荡器95a，一个相位比较器95b及一个低通滤波器95c。在工作时压控振荡器产生激励信号，它被传送给激励级91。相位比较器95b将激励信号的相位与由压电传感器93输入的检测信号的相位相比较。作为结果相位比较器95b输出一个电压，以使压控振荡器95a的激励频率这样地跟随，即谐振片持续地工作在谐振中。在这里所示的优选实施形式中该调节电压也用作测量信号。
加法器51用于在由压控振荡器95a输出的激励信号上叠加一个附加激励电压，以便使振动质量激励成横向振荡。横向振荡发生在X方向上，即在谐振片110的纵向上(见图)。该附加激励电压将通过一个振荡器50来产生，其中该附加激励电压的频率及幅值可以调节。在加法器51的输出端由此得到一个附加于用于激励谐振器基模的信号上的自检验信号，它例如具有16kHz的频率。
被调制的激励信号将传送给加速度测量器90及使谐振器110以其固有频率振荡，振动质量120也同样，它以另一频率来振荡。在目前该情况下，谐振片110的基模具有约400-500kHz的频率，而振动质量则以约16kHz的频率振荡。质量120的振荡相应于输入内部的周期性加速度。
来自加速度测量器90的压电传感器93的输出信号通过一个放大器96及一个带通滤波器97到达一个加法器98。该加法器还被输入另外信号99a,99b，它们用于消除热串扰(信号99a)及电串扰(信号99b)。在加法器98后测量信号通过一个正弦波-矩形波转换器到达如上所述的PLL回路95。
PLL回路95的输出信号通过一个可控的放大器60a被放大。接着该信号接受频率分析。通过一个低通滤波器60c将滤出来自外部加速度的信号。在低通滤波器60c的输出端由此持续地提供加速度信号Uacc。
在本例中具有约16kHz频率的自检验信号将借助带通滤波器60b分离出来。接着在电路单元60d中构成自检验信号及检验激励信号之间的差，其中产生出电压UΔeff。如果电压UΔeff超过一定的阈值，则出现误差。由此整个传感器包括电子回路在内受到检验。因此该检验不仅涉及传感器本身，而且也涉及求值电子装置的主要部分。
因为电压UΔeff是灵敏度的量度，由此控实现传感器的自校准。为此，该电压将借助可控放大器60a调节到一个恒定的预定值。该电路在图6中用虚线表示。
图7表示上述求值电子装置输出信号的傅里叶分析。在此情况下，谐振片的基模用频率范围为400-500kHz的热信号激励，其中振动质量120的固有模也附加地被激励。该系统的基模是在16kHz频率上质量60的横向振荡。该模的振荡相应于一个周期性的、X方向上的正弦波加速度(见图5)。在此情况下通过谐振片110的激励信号及质量120的横向振荡模的持续叠加来执行持续的自检验。借助振荡激励产生出在X方向上1kHz的正弦加速度，而传感器附加地以自检验模工作。在图7中所示的输出信号的傅里叶分析表示1kHz的外部加速度信号及约16kHz的感应加速度或自检验信号。
这里所示的自检验加速度传感器可通过相应的修改用于测量在质量120上作用力的另外的量。该加速度传感器具有谐振读出原理及可在测量时进行自检验。借助于时间上连续的检验信号可输入检验加速度及由此相应的加速度信号总可持续地由输出端提供。
总地，通过本发明创造了一种传感器，它进行自检验而不用中断原来的测量，其中不需要附加另外高成本的元件，由此可用小的结构方式并成本合理地制造自检验的传感器。
权利要求
1．传感器，具有一个用于检测被测量的振荡结构(2a,2b；11；100)；一个用于将该结构(2a,2b；11；100)激励成第一周期性振荡的致动单元(3a,3b；7)；及用于产生与被测量相关的输出信号的单元(5；15；25)，其特征在于用于从输出信号中检测和/或分离一个检验信号分量的装置(41,45；60a,60b)，该检验信号分量由在第一振荡上叠加该结构(2a,2b；11；100)的第二周期性振荡来产生。
2．根据权利要求1的传感器，其特征在于一个用于将检验信号调制在结构(2a,2b；11；100)的激励信号上的装置(31；50,51)。
3．根据权利要求1或2的传感器，其特征在于该结构(2a,2b)具有一个致动单元(3a,3b；7)和/或一个机械不平衡，以便产生第二周期性振荡。
4．根据以上权利要求中一项的传感器，其特征在于用于分离检验信号分量的装置(41,45；60a,60b)包括用于输出信号的频率和/或相位分析的装置。
5．根据以上权利要求中一项的传感器，其特征在于用于周期性改变检验信号幅值和/或频率的装置(30,37)。
6．根据以上权利要求中一项的传感器，其特征在于它是一个转速传感器，一个加速度传感器，或一个压力传感器。
7．根据以上权利要求中一项的传感器，其特征在于振荡结构(100)具有一个谐振器(110)及一个与它耦合的振荡质量(120)，后者在偏移时改变谐振器(110)的谐振频率，其中为了产生检验信号分量，在测量时可使质量(120)处于振荡状态。
8．根据以上权利要求中一项的传感器，其特征在于检验信号用于传感器的校准。
9．根据以上权利要求中一项的传感器，其特征在于致动单元(7)使谐振器(110)及与其耦合的质量(120)处于不同模的振荡状态，其中振荡质量(120)周期性地改变谐振器(110)的谐振频率，以产生检验信号分量。
10．用于传感器自检验的装置，它通过一个振荡结构(2a,2b；11；100)检测被测量及根据被测量产生一个周期性输出信号，其特征在于用于从传感器周期性输出信号中分离出检验信号分量的装置(41；45；60a,60b)，该检验信号分量被叠加在有效信号分量上；及比较装置(43；60d)，用于将检验信号分量与一个预定值或一个传送给传感器的检验信号相比较。
11．根据权利要求10的装置，其特征在于一个用于将检验信号调制在结构(2a,2b；11；100)的激励信号上的装置(30,31；50,51)。
12．根据权利要求10或11的装置，其特征在于用于将结构(2a,2b；11；100)激励到第二振荡模的装置(3a,3b,33a,33b；7,50,51)，该第二振荡模被叠加在用于检测被测量的第一振荡模上。
13．根据权利要求10至12中一项的装置，其特征在于用于分离的装置(41,45；60a,60b)具有用于输出信号的频率和/或相位分析的装置。
14．根据权利要求10至13中一项的装置，其特征在于用于周期性改变检验信号幅值和成频率的装置(30,37；50)。
15．用于具有振荡结构(2a,2b；11；100)的传感器的自检验方法，其特征在于以下步骤使用于检测被测量的结构(2a,2b；11；100)的第一振荡与第二周期性振荡相叠加；检测输出信号，该输出信号包括关于被测量的信息，该被测量被耦合在振荡结构(2a,2b；11；100)上；及监测包含在输出信号中的检验信号分量，该检验信号分量通过结构(2a,2b；11；100)的第二周期性振荡来产生。
16．根据权利要求15的方法，其特征在于用于结构(2a,2b；11；100)的激励信号由一个检验信号调制。
17．根据权利要求15或16的方法，其特征在于结构(2a,2b；11；100)的第二周期性振荡通过机械耦合或传感器的机械串扰来产生。
18．根据权利要求15至17中一项的方法，其特征在于输出信号接受频率和/或相位分析。
19．根据权利要求15至18中一项的方法，其特征在于在传感器测量工作时检验信号的频率和/或幅值改变。
20．根据权利要求15至19中一项的方法，其特征在于输出信号中的检验信号分量被用于传感器的校准。
21．根据权利要求15至20中一项的方法，其特征在于至少用两个频率使该结构激励成振荡，其中第一频率代表被测量，而第二频率代表一个检验信号。
22．加速度传感器，尤其是根据权利要求1至9的加速度传感器，具有一个谐振器(110)，它耦合在振荡质量(120)上，由此在质量(120)偏移时改变其谐振频率；一个致动单元(7)，用于激励谐振器；及一个检测器(25)，用于产生与谐振器(110)的谐振频率有关的输出信号，其特征在于一个控制装置，用于产生激励信号，它包括至少两个频率，以便同时使谐振器(110)及质量(120)激励成不同模的振荡；及一个求值级，它从输出信号中分离出作为检验信号分量的质量(120)的振荡模。
23．根据权利要求22的加速度传感器，其特征在于根据权利要求10至14中一项的用于自检验的装置。
全文摘要
一种自检验传感器,尤其用于测量转速及加速度,包括一个振荡结构或谐振结构2;一个致动单元,用于将该结构(2)激励成第一周期性振荡;一个压电电阻单元(5)用于产生与被测量相关的输出信号;及用于从输出信号中分离该检验信号分量的装置(5),其中检验信号分量由在第一振荡上叠加该结构(2)的第二周期性振荡来产生。一种用于传感器自检验的装置具有用于从传感器周期性输出信号中分离出检验信号分量的装置(5),该检验信号分量被叠加在有效信号分量上;及比较装置,用于将检验信号分量与一个预定值或一个传送给传感器的检验信号相比较。为了自检验,使结构(2)的第一振荡与第二周期性振荡相叠加;及检测输出信号,该输出信号包括关于被测量的信息。监测包含在输出信号中的检验信号分量。
文档编号G01C19/56GK1320207SQ99811470
公开日2001年10月31日 申请日期1999年10月1日 优先权日1998年10月1日
发明者乔瑟夫·硕克, 厄文·斯坦泽尔, 凯林·鲍尔, 雷纳·弗雷塔格, 罗兰·希尔瑟, 拉尔夫·沃斯, 马蒂斯·艾克勒, 赫尔穆特·塞德尔, 尤里奇·普利切尔 申请人:伊兹德国有限公司