用于遥测分析传感器的测量装置以及测量系统的制作方法

专利名称：用于遥测分析传感器的测量装置以及测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于遥测分析具有电振荡回路的被动传感器的测量装置，还涉及 一种具有测量装置和被动传感器的测量系统。
背景技术：
已知的是，对于物理测量参数，如压力、湿度或温度的测量应用了具有电的LC振 荡回路的传感器。从物理测量参数向电的可分析的测量信号的转换，在此是基于LC振荡回 路的谐振频率和/或品质与测量参数之间的关系。振荡回路的谐振频率和/或品质的转移 既可以通过电容的变化又可以通过电感的变化而产生。测量装置测定了传感器的振荡回路 的谐振频率和/或品质。为了这个目的，测量装置可以既可以以电流方式又可以遥测地与 传感器相连接。如果不能或只能很困难地使传感器以电流方式耦合于测量装置，则传感器 的遥测的分析就是有利的。传感器的振荡回路的谐振频率和/或品质的精确的遥测的分析 通常与高的技术投入相联系，例如在使用网络分析器时。US 2007/0247138公开了一种具有测量装置和被动传感器的测量系统，其中测量 装置设计用于遥测分析传感器的电振荡回路。为了这个目的，测量装置具有耦合线圈，其可 以与传感器的振荡回路线圈电感地耦合。借助于测量装置的耦合线圈产生了多个时间上间 隔开的激励数值，其通过传感器的振荡回路线圈输入耦合于传感器的振荡回路。激励的振 荡回路的衰减性能通过测量装置的耦合线圈来接收并且变换为电信号。传感器的振荡回路 的后续的衰减顺序之间的群相移为此用于对频率(测量装置利用该频率通过耦合线圈而 激励传感器的振荡回路)进行再调整，直到测定了振荡回路的谐振频率为止。

发明内容
本发明的主题在于，提出一种用于遥测分析具有电振荡回路的被动传感器的测量 装置，包括至少一个振荡源、一个耦合线圈和一个相位检测器，其中借助于至少一个振荡 源，在测量装置的基准支路中可产生电的基准振荡，并在测量装置的测量支路中可产生电 的测量振荡，耦合线圈布置在测量支路中并且可电感地耦合于传感器的振荡回路线圈，相 位检测器截取基准支路上的基准振荡和测量支路上的测量振荡并且这样设定，即该相位检 测器测定了基准振荡与测量振荡之间的相位差。本发明的核心是一种可容易地实现的方案，该方案用于通过电感地耦合传感器 的需要分析的振荡回路，来测量线圈(这里是耦合线圈)的阻抗的与频率相关的相位响应。 为了这个目的，电振荡的相移(其由于在分析方面的耦合线圈与传感器的振荡回路的耦合 所引起)被与基准振荡的相位加以比较。这两个振荡的与频率相关的相位差可利用当前的 电路方案来容易地确定。这两个振荡的相位差能够实现测定需要分析的传感器的振荡回路 的谐振频率和品质。特别可以以这种方式实现传感器的遥测的分析，该传感器例如是电容 传感器或电感传感器，并进而可以实现对由传感器接收的物理测量参数的遥测的确定。此外，根据本发明的测量装置的优点在于，其可以价廉地转换。优选的是，测量装
3置设计为集成开关电路(ASIC)或这种集成开关电路的一部分。测量装置可利用具有常规 的低成本硅技术的线路，在仅需很少面积的情况下制成。耦合线圈可以集成在电路中或作 为额外的器件连接于该电路。本发明的另一主题是一种具有根据本发明的测量装置和被动传感器的测量系统， 其中传感器具有带有振荡回路线圈的电的振荡回路，该振荡回路线圈可电感地耦合于测量 装置的耦合线圈。


下面参照通过多个附图所示出的一个实施方式来详细说明本发明。图中示出图1示出了电感耦合的被动传感器的电路图，图2a示出了对于传感器的电容的不同值，耦合线圈与传感器的振荡回路电感地 耦合时测得的阻抗Z的相位的计算出的频率响应，图2b示出了对于传感器的串联电阻的不同值，耦合线圈与传感器的振荡回路电 感地耦合时测得的阻抗Z的相位的计算出的频率响应，图3示出了具有根据本发明的测量装置和被动传感器的根据本发明的测量系统 的框图。
具体实施例方式下面首先借助于图1对作为根据本发明的测量装置的基础的测量原理加以说明。 图1示出了与未详细示出的测量装置的耦合线圈电感耦合的传感器20的电路图。传感器 20具有LC振荡回路，该振荡回路具有电感L2、电阻R2和电容C2。传感器20电感地耦合于 测量装置的耦合线圈，其示出为具有电感L1和电阻R1。图1中示出的系统可以通过已知的、来自于变压器理论的T等效电路图来描述。这 对于耦合线圈上的复数阻抗ζ来说如下表示Z = Ri+j ω L1+ ω 2M2/ (R2+j (ω L2-I/ω C2))。在 此，M = k V L1 L2是振荡回路线圈和耦合线圈的互感系数，其中耦合因数与几 何结构相关，ω是角频率。Z的相位的频率响应(对其来说适用的是Ψζ = arctan(Im{Z}/ Re {Ζ}))表示在传感器20的振荡回路的谐振角频率ωκκ的情况下的特征的最小值，其形式 和深度取决于耦合因数k和传感器品质Q。图2A示出了对于传感器电容C2的不同值的、耦 合线圈的阻抗Z的相位的计算出的频率响应，图2B则是针对于传感器-串联电阻R2的不 同值的情况。串联电阻间接地通过品质Q来表示，对于该品质来说适用的是Qa 1/R2。谐 振频率Qci对应于具有电容Ctl的振荡回路。图3示出了根据本发明的测量系统的框图。测量系统包括根据本发明的、用于遥 测分析ι具有电振荡回路的被动传感器的测量装置1和被动传感器20。测量装置1包括一个振荡源3、一个耦合线圈4和一个相位检测器5。振荡源3在 此是具有可变化的频率的振荡器(variable frequencyoscillator，VF0)，用于产生正弦形 的交流电压。耦合线圈4的任务是使得传感器20的振荡回路电感地耦合于测量装置1。借助于振荡源3可产生正弦形的交流电压。在节点10上，将正弦形的交流电压分 配在测量装置1的基准支路6和测量支路7上。在测量支路7中，交流电压首先通过跨导放 大器8转换为具有恒定的振幅的交流电流。该交流电流被引入耦合线圈4(该线圈在一侧接地)中。因此在耦合线圈4上，交流电压下降，其与耦合线圈4的复数值的阻抗成比例。 该交流电压被引向相位检测器5的一个输入端上。此外可以中间接入电压跟随器作为缓冲
ο在基准支路6中，由振荡源3产生的交流电压被引向相位检测器的另一个输入端 上。取决于后续的信号处理和测量支路7中所使用的元件的质量，例如耦合线圈4的品质 和跨导放大器8的频率响应，那么在基准支路6中可以使用一个附加的相位补偿器9、例如 相位补偿网络。借助于相位补偿器9可以对一个所不期望的相移进行补偿，该相移并不通 过测量参数本身产生，而是通过测量支路7的线路产生，例如是通过放大器8或耦合线圈4。 补偿由此实现，即相位补偿器9在没有耦合的传感器20的情况下复制了测量支路7的相位 响应。相位检测器5这样设定，即该相位检测器测定了基准支路6中的必要时相位补偿 的交流电压(“基准_交流电压”)与测量支路7中的交流电压(“测量交流电压”)之间 的相位差。相位检测器5既可以是数字的又可以是模拟的相位检测器并且利用传统的变体， 例如借助于双稳态多谐振荡器(Flip-Flop)、X0R-门电路(Gatter)或模拟-倍增器/混合 器来探测相位。优选地，相位检测器5提供直流电压，该直流电压在理想情况下与测量振荡 和基准振荡的相位差成比例。 传感器20包括具有振荡回路线圈21和电容器22的电振荡回路。振荡回路线圈 21可电感地与测量装置1的耦合线圈4耦合。传感器20在这个实施例中设计为电容的压力传感器，其中电容器22的电容取决 于周围环境压力。这种压力传感器是为人所熟知的。可替换的是根据应用情况的不同，取 代电容的传感器而使用了电感的传感器。测量装置1这样设定，即由振荡源3产生的交流电压的频率经过足够大的频率区 域，并且相位检测器5在这个频率区域上为多个不同的频率测定了基准振荡与测量振荡之 间的相位差。测量装置1的耦合线圈4与传感器20的振荡回路线圈21之间的电感的耦合 导致了相位响应，其曲线取决于传感器20的振荡回路的品质和特别是谐振频率，正如图2A 和2B中所示出地并且进一步在上文中所述地那样。分析装置2例如可以由具有微处理器的计算单元来形成，借助于该分析装置可以 由被相位检测器5所测定的相位响应来确定传感器20的谐振频率和/或品质。传感器20 的谐振频率和/或品质的确定又能够实现推断出利用传感器20所测量的物理参数，在此是 周围环境压力。分析装置2可以是测量装置1的组成部分或可以设计成独立的单元，该单 元可以与测量装置1相连接。所述的根据本发明的、具有测量装置1和传感器20的测量系统例如适于测量汽车 的排气设备内部的压力，特别是在这种微尘滤清器之一的区域中的压力。电容的、被动的压 力传感器20的优点在于，其能够构造成抗废气的，通过测量装置1对传感器20的遥测的分 析能够实现，将测量装置1在空间上与压力传感器20分开布置。测量装置1可设计为集成 开关电路或集成开关电路的一部分。
权利要求
一种用于遥测分析具有电振荡回路的被动传感器(20)的测量装置(1)，包括至少一个振荡源(3)、一个耦合线圈(4)和一个相位检测器(5)，其中借助于所述至少一个振荡源(3)，在所述测量装置(1)的基准支路(6)中可产生电的基准振荡，并在所述测量装置的测量支路(7)中可产生电的测量振荡，所述耦合线圈(4)布置在所述测量支路(7)中，并且可电感地耦合于所述传感器(20)的振荡回路线圈(21)，并且所述相位检测器(5)截取所述基准支路(6)上的所述基准振荡和所述测量支路(7)上的所述测量振荡，并且所述相位检测器(5)这样设定，即所述相位检测器测定了所述基准振荡与所述测量振荡之间的相位差。
2.根据权利要求1所述的测量装置，还具有分析装置(2)，其中所述分析装置(2)这样 设定，即所述分析装置由被所述相位检测器(5)所测定的、所述基准振荡与所述测量振荡 之间的所述相位差，测定了需要分析的所述传感器(20)的谐振频率和/或品质。
3.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中由所述振荡源(3)产生的电振荡 被分配在所述测量支路(7)和所述基准支路(6)上，以用于产生所述基准振荡和所述测量 振荡。
4.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中借助于所述振荡源(3)可产生具 有不同频率的电振荡，并且所述测量装置这样设定，即由所述振荡源(3)产生的电振荡的 频率经过一定的频率区域，并且所述相位检测器(5)在所述频率区域上为多个在所述频率 区域之内的频率测定了所述基准振荡与所述测量振荡之间的相位差。
5.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中所述耦合线圈(4)在一侧接地。
6.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中在所述测量支路(7)中布置了跨 导放大器⑶。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中在所述基准支路(6)中布置了相 位补偿器(9)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中所述测量装置(1)设计为集成的 开关电路。
9.一种具有根据权利要求1至8中任一项所述的测量装置(1)和被动传感器(20)的 测量系统，其中所述传感器(20)具有带有振荡回路线圈(21)的电的振荡回路，所述振荡回 路线圈可电感地耦合于所述测量装置(1)的耦合线圈(4)。
10.根据权利要求9所述的测量系统，其中所述传感器(20)设计为用于测量压力的压 力传感器。
全文摘要
本发明涉及一种用于遥测分析传感器的测量装置以及测量系统。根据本发明的用于遥测分析具有电振荡回路的被动传感器(20)的测量装置(1)包括至少一个振荡源(3)、一个耦合线圈(4)和一个相位检测器(5)，借助于所述至少一个振荡源(3)，在所述测量装置(1)的基准支路(6)中可产生电的基准振荡，并在所述测量装置的测量支路(7)中可产生电的测量振荡，耦合线圈(4)布置在测量支路(7)中，并可电感地耦合于传感器(20)的振荡回路线圈(21)，相位检测器(5)截取基准支路(6)上的基准振荡和测量支路(7)上的测量振荡，并且相位检测器(5)这样设定，即相位检测器测定了基准振荡与测量振荡之间的相位差。
文档编号G01L9/00GK101963514SQ201010236610
公开日2011年2月2日 申请日期2010年7月23日 优先权日2009年7月24日
发明者R·诺珀 申请人:罗伯特.博世有限公司