CN114375385A - 双信道探测器 - Google Patents

Abstract

描述一种双信道探测器，其中第一信道包括第一传感器并且第二信道包括第二传感器，其涂覆在基板上。第一和第二传感器测量相同的物理变量，但是输出不同的测量信号。传感器经由接触部位与评估单元连接。

Description

双信道探测器

技术领域

本发明涉及一种双信道探测器，所述探测器在基板上包括第一传感器和第二传感器。

背景技术

人机之间越来越紧密的空间和时间交互作用引起，传统技术在传感装置中仅还可以受限地使用或者对于协作运行必须全新地安置。主要注意力在此在于识别和避免任意类型的碰撞或在碰撞的情况下安全地停止机器。对此，需要适合的探测器和传感器***。此外，这种探测器和传感器***原则上必须能够，识别出现的内部的功能错误。这种功能错误例如可以由于传感器的有错误的探测或通过电子装置的有错误的信号处理而出现。

相应的传感器***在此根据使用的技术具有不同的监控区域。因此，光学的和声学的***在探测较大的间距和基于接触保护条的用于识别的***时在直接临近区域中使用。

常规的接触探测***然而仅有限地适合于在协作运行中机器的接触探测。根据对相应的过程的危险分析，机器的潜在有危险的部分必须配设有分别适合的传感装置。

从US 2010/0181871 A1中已知可对此使用的压敏探测器，所述压敏探测器可以借助于压电活性的压敏层探测机械变形并且在探测之后返回到原始位置中。

WO 2009/011605 A2此外描述一种面状的、单层的压力传感器，所述传感器具有由塑料聚偏氟乙烯(PVDF)构成的铁电的功能层。

在Christian Rendl等著的出版物“PyzoFlex：Printed Piezoelectric PressureSensing Foil”，2012，UIST’12——Proceedings of the 25th Annual ACM Symposium onUser Interface Software and Technology中，公开了如下传感器，所述传感器由于其功能层的材料的特性对压力和热量做出反应。与传感器连接的评估单元评估其信号并且在压力和热量之间区分。

从WO 2014/037016 A1中已知一种印刷的接触传感器。在此，为了改进局部的分辨率，两个独立的传感器层在基板的相同侧或两个相对置的侧上设置成，使得各个包含在层中的传感器点是全等的。

从DE 26 19 339 A1中已知具有两个竖直相叠设置的传感器层的装置，其中两个传感器层可以具有不同的极性，而传感器***的功能性由此被改进或变差。

也已知的是，借助于传感器矩阵可以实现要探测的物理变量的局部分辨率。

已知的传感器装置的问题在于，在没有其他的辅助机构的情况下无法确定传感装置或进行处理的电子装置的错误功能。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种探测器，所述探测器能够实现识别测量和信号处理错误。

所述目的通过在权利要求1中描述的双信道探测器来实现。探测器的其他设计方案在其他权利要求中得出。

提供一种双信道探测器，所述探测器包括基板，在所述基板上施加有第一和第二传感器。第一信道包括第一传感器，所述第一传感器产生第一测量信号。第二信道包括第二传感器，所述第二传感器与第一传感器横向相邻地施加在基板上，并且产生第二测量信号。第二测量信号示出与第一测量信号相同的物理变量的量度，但是与其不同。此外，第一和第二信道都包括评估单元，所述评估单元经由接触部位与相应的传感器连接。通过由第一和第二传感器检测相同的物理变量，可以识别探测器的错误功能。即如果对于相同的测量变量得出不同的值，那么如此。如果测量变量仅由信道中的一个信道输出，那么在相应另一个信道中存在重大错误。

第一和第二信道的测量信号之间的区别可以在于两个信号的不同的极性。这例如可以通过第一和第二传感器的不同的极化引起。传感器的电极化具有如下优点，根据测量信号的极性，方向相关的探测是可行的。第一和第二传感器的不同的极性此外用于进一步监控探测器的错误功能。如果不存在错误，那么第一信道和第二信道输出具有刚好相反的极性的相同的测量信号。如果两个测量信号不以恰好相反的极性存在，那么在评估单元或在下游连接的电子装置的区域中存在错误。如果存在第一和第二信道的具有相同的极性的测量信号，那么在评估单元或在下游连接的电子装置的区域中存在重大错误。

此外，双信道探测器可以构成为，使得全部传感器同时检测物理变量。因此，第一和第二传感器的测量信号可以立即相互比较并且避免时延。

在另一形式中，探测器可以构成为，使得第一和第二传感器输出相移的测量信号。所述移动例如可以通过第一和第二传感器的不同的极性引起。相移的测量信号具有如下优点，所述测量信号能够实现进一步监控探测器的错误功能。如果两个测量信号并非刚好相移地存在，那么在评估单元或在下游连接的电子装置的区域中存在错误。如果两个测量信号并非相移地存在，那么在评估单元或在下游连接的电子装置的区域中存在极端错误。

在另一实施方式中，探测器可以构成为，使得第一和第二传感器输出测量信号，所述测量信号相对于彼此以180°相移。所述明显相移的测量信号具有如下优点，所述测量信号在对称情况下(两个测量值具有相同的绝对值、但是相反的极性/相反的符号)进一步地简化探测器的错误功能的识别。如果两个测量信号是不对称的，那么在评估单元或在下游连接的电子装置的区域中存在错误。如果两个测量信号非相移地存在，那么在评估单元或在下游连接的电子装置的区域中存在重大错误。

在另一实施方式中，在传感器和评估单元之间的接触部位机械脱耦。因此，传感器通过出自环境的影响、如温度和压力变化或力作用可以改变或变形，而这引起对评估单元的有害影响。机械脱耦可以通过传感器与评估单元的电机械连接引起。例如，评估单元可以处于FR4板上，所述FR4板与相应的传感器电机械地连接。在一个实施方案中，评估单元可以连同传感器直接处于基板上。附加地，评估单元可以与相应的传感器空间分离地存在。测量信号的传输可以经由电机械的连接或经由无线连接进行。

在另一实施方式中，评估单元、接触部位和传感器的部分被囊封，这保护其抵御通过压力和温度变化或力作用造成的有害的外部影响。通过将整个探测器由弹性材料封装，所述探测器可以进一步地受保护。此外，通过封装可以确保，第一和第二传感器检测相同的物理变量。

在至少一个另外的实施方式中，第一和第二传感器包括两个间隔开的电极，所述电极设置在功能层的相同的或相对置的侧上。电极和功能层可以印刷到基板上。这能够实现在传感器的几何形状或造型方面的高的自由度。因此，例如多个传感器也可以组合成传感器矩阵。

在至少一个另外的实施方式中，基板或传感器或者基板和传感器是柔性膜，所述柔性膜在变形之后返回到初始位置中。通过材料的弹性特性，基板可以匹配于任意的表面的几何形状并且例如可以匹配于弯曲的表面。

此外，探测器除了第一和第二信道之外可以包含另外的信道，所述另外的信道具有第一、第二和另外的传感器。传感器也可以设置在矩阵中，这能够实现改进的局部分辨率。

附图说明

在下文中，根据实施例和所属的附图详细阐述本发明。

图1在示意图中示出具有两个横向相邻设置的不同极性的传感器的双信道探测器的一个实施方式。

图2在立体图中示出具有两个横向相邻设置的不同极性的传感器的双信道探测器的一个实施方式，所述探测器在力作用下变形。

图3在示意横截面中示出在基板上的多层传感器的一个实施方式。

图4在示意横截面中示出探测器的一个实施方式，其中传感器和评估单元施加在柔性基板上。

图5在示意横截面中示出探测器的一个实施方式，其中传感器和评估单元空间分离，但是电机械连接。

图6在示意图中示出多信道探测器的一个实施方式的示意图，所述探测器具有不同极性的四个横向相邻设置的传感器。

附图中的相似的或看上去相同的元件设有相同的附图标记。附图和附图中的大小关系不是符合比例的。

具体实施方式

图1示出探测器的一个实施方式的示意图，所述探测器包括第一信道1和第二信道2。第一信道包括第一传感器3，所述第一传感器具有正极性。第二信道包括第二传感器4，所述第二传感器具有负极性。两个传感器3和4横向相邻地施加在基板5上并且在其端部处经由接触部位与评估单元6和7连接。第一传感器3与第一评估单元6连接。第二传感器4与第二评估单元7连接。

图2示出在图1中示意地示出的用于探测压力或接触的双信道探测器的一个可能的特定的实施方式。例如由塑料、如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚酰胺(PI)构成的基板5是机械柔性的。在其上印刷地存在具有正极性的第一传感器3和具有负极性的第二传感器4。传感器同样由机械柔性的材料，如聚合物PVDF构成，并且具有压电特性。电子评估单元6处于FR4板8上，所述FR4板直接施加在柔性基板上并且经由接触部位与传感器连接。如果探测器由于机械的力作用变形(宽箭头)，在压电传感器中产生电压信号。因为两个传感器相同地构成并且经受相同的变形，由两个传感器输出绝对值同样大的测量信号。根据测量信号的极性，变形的方向相关的探测是可能的。通过两个传感器的不同的极性，测量信号然而以180°相移。这能够实现简化的错误识别，而无需在下游连接的电子装置中或在信号处理装置中的附加的组件。由于其弹性特性，探测器在完成变形之后可向回变形到其初始状态中。

图3示出单个传感器的一个可能的多层构造。第一层是基板5，例如PET、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或PI，由三个在下文中描述的层构成的传感器处于所述基板上。第二层9和第三层11包括由导电材料，如铬、镍、银或碳(石墨)构成的电极，所述电极借助于常见的表面技术、如例如蒸镀、丝网印刷或喷墨施加。位于其之间的第四层10是铁电的功能层，所述功能层可由聚合物、陶瓷或聚合物-陶瓷基质构成。根据材料体系，调整功能层的施加(例如丝网印刷、喷墨、旋涂)。作为聚合物例如可以使用PVDF和其共聚物。可能的陶瓷例如是锆钛酸铅(PZT)。

评估单元可以机械地与传感器脱耦。

图4示出穿过探测器的一个实施例的示意横截面。在此，传感器3和所属的评估单元6直接施加在柔性基板5上。

在另一实施例中，评估单元可以处于FR4板上，所述FR4板施加在基板上(在示意图中未示出)。

图5示出贯穿探测器的另一实施例的示意横截面。在此，传感器3直接施加在基板5上。评估单元6空间分离地存在。测量信号的传输经由电机械的连接进行，但是也能够经由无线连接(例如WLAN，蓝牙)进行。评估单元可以包含如下电子组件：

-信号放大器

-比较器

-模拟-数字转换器

-微处理器(具有运行的软件)

-闪存

-电阻

-电容器

-线圈

-扬声器

-二极管(例如整流器，发光二极管)

-晶体管

-天线

-数据连接(例如USB接口)

-电容测量桥

图6示出探测器的另一可能的实施方式的示意图，所述探测器包括多个信道。探测器在此包括两个第一传感器3，所述第一传感器具有正极性。此外，探测器包括两个第二传感器4，所述第二传感器具有负极性。全部传感器横向相邻地施加在基板5上。第一传感器在其端部处经由第一接触部位与第一评估单元6连接。第二传感器在其端部处经由第二接触部位与第二评估单元7连接。由于***的可缩放性，每个信道可以包含任意数量的传感器。此外，探测器除了第一和第二信道外可以包括另外的信道，所述另外的信道又包括任意数量的传感器。

在探测器的另一可能的实施方式中，其整体构造借助弹性材料、如例如铁磁性的聚合物封装。弹性材料用于例如通过衰减预期的变形力对传感器进行保护。由于其机械柔性，传感器可以匹配于不同的几何形状，如例如弯曲的表面。

附图标记列表：

1 第一信道

2 第二信道

3 第一传感器

4 第二传感器

5 基板

6 第一评估单元

7 第二评估单元

8 FR4板

9 第一电极

10 功能层

11 第二电极

Claims (13)

1.一种探测器，包括：

-基板，

-第一信道，所述第一信道包括

-施加在所述基板上的第一传感器，所述第一传感器产生第一测量信号，

-与所述第一传感器经由第一接触部位连接的第一评估单元，

-第二信道，所述第二信道包括

-与所述第一传感器横向相邻地施加在所述基板上的第二传感器，所述第二传感器产生第二测量信号，所述第二测量信号示出与所述第一测量信号相同的物理变量的量度，但是是不同的，

-与所述第二传感器经由第二接触部位连接的第二评估单元。

2.根据权利要求1所述的探测器，

其中所述第一传感器和所述第二传感器的测量信号在极性上是不同的。

3.根据权利要求1或2所述的探测器，

其中全部传感器同时检测所述物理变量。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的探测器，

其中所述第一和第二传感器输出相移的测量信号。

5.根据权利要求4所述的探测器，

其中第一和第二传感器输出测量信号，这些测量信号相互间有180°的相移。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的探测器，

其中传感器和评估单元机械脱耦。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的探测器，

其中所述评估单元、所述接触部位和所述传感器的部分被囊封。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的探测器，

所述探测器借助弹性材料封装。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的探测器，

其中每个传感器包括两个间隔开的电极，所述电极设置在功能层的相同侧或相对置的侧上。

10.根据权利要求9所述的探测器，

其中每个传感器的电极和功能层印刷到所述基板上。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的探测器，

其中所述基板或所述传感器是柔性膜或者所述基板和所述传感器都是柔性膜，所述柔性膜在变形之后返回到初始位置中。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的探测器，

其中所述探测器除了所述第一信道和第二信道之外包含另外的信道，所述另外的信道包含第一、第二或另外的传感器。

13.根据权利要求12所述的探测器，

其中所述传感器设置成矩阵。

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