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Die
Erfindung betrifft einen Oberflächenwellen-Sensor
zur Messung der Verformung eines Bauteiles.
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Mit
Oberflächenwellen-Sensoren
werden Verformungen von Bauteilen gemessen. Bekannt sind sogenannte
eindimensionale Oberflächenwellen-Sensoren,
bei denen ein Verformungszustand in eine Messrichtung gemessen wird.
Auf einem solchen eindimensionalen Sensor befinden sich ein Interdigitalwandler
und mindestens zwei Reflektoren. Der Interdigitalwandler wandelt
eine elektromagnetische Welle, die von einer Abfrageeinheit gesendet wird,
in eine akustische Oberflächenwelle
um. Diese breitet sich entlang des Sensorchips aus, wird an den Reflektoren
reflektiert und dann wieder am Interdigitalwandler in eine elektromagnetische
Welle zurücktransformiert
und an die Abfrageeinheit zurück übertragen.
Die Kommunikation zwischen Sensor und Abfrageeinheit erfolgt über eine
entsprechende Antenne oder über
eine direkte Kabelverbindung. Wird der Sensor durch einen Abfrageimpuls
bzw. -signal angeregt, erhält
man die gleiche Anzahl an Antwortimpulsen wie die Anzahl der Reflektoren.
Der Zeitverzug bzw. die Phasendifferenz zwischen den Signalen in
den Antwortimpulsen ist ein Maß für die Verformung
des Sensors. Im Allgemeinen werden mindestens zwei Reflektoren eingesetzt.
Durch Differenzbildung zwischen den Antwortsignalen können eventuelle
Störeinflüsse auf
die Messstrecke eleminiert werden.
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Ein
Nachteil von eindimensionalen Oberflächenwellen-Sensoren, wie sie
z. B. in der
DE 198
07 004 A1 offenbart sind, besteht darin, dass mit diesem Prinzip
die Sensorverformung nur in eine Richtung bestimmt werden kann.
Wenn eine Verformung in zwei Richtungen gemessen werden soll, werden zwei
Sensorelemente benötigt,
die entsprechend zueinander anzuordnen sind. Daraus ergibt sich
dann der Nachteil der relativ großen Abmaße dieses Sensorclusters. Des
Weiteren ist der Einsatz von zwei Abfrageeinheiten und zwei Antennenpaaren
notwendig, da ansonsten eine Verbindung zwischen den einzelnen Interdigitalwandlern
hergestellt werden müsste.
Darüber
hinaus ergibt sich ein höherer
Applikationsaufwand beim Aufbringen von zwei getrennten Sensoren
auf ein Messobjekt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
mit welcher auf eine einfache Weise eine zweidimensionale Verformung des
Sensors bestimmt werden kann.
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Gelöst wird
die Aufgabe gemäß dem Oberbegriff
und den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 dadurch, das der
einzige Sensorchip zwei winklig zueinander angeordnete Messrichtungen
aufweist.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass nur
ein einziger Sensorchip verwendet wird, mit dem gleichzeitig der
Verformungszustand eines Bauteiles in zwei Messrichtungen erfasst
werden kann. Die Integration von zwei Messrichtungen auf einen Sensorchip
besitzt den entscheidenden Vorteil, dass der Oberflächenwellen-Sensor
insgesamt eine kompakte Bauweise erhält. Die Abmessungen eines solchen
erfindungsgemäßen zweidimensionalen
Oberflächenwellen-Sensors
sind bedeutet kleiner gegenüber
von zwei einzelnen eindimensionalen Oberflächenwellen-Sensoren. Ein weiterer
Vorteil liegt darin, dass statt zwei nur noch eine Antenne benötigt wird,
die an den Sensorchip angeschlossen ist. Dieser Umstand trägt ebenfalls
zur Miniaturisierung des Oberflächenwellen-Sensors
bei und vereinfacht zudem die Signalverarbeitung. Aufgrund der geringeren
Abmessungen eignet sich der erfindungsgemäße zweidimensionale Oberflächenwellen-Sensor
insbesondere zur statischen und dynamischen Verformungsmessung von
Reifenbauteilen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die auf dem Sensorchip angeordneten Interdigitalwandler miteinander
gekoppelt sind. Die Interdigitalwandler müssen dadurch nur mit einer
Antenne und einer Abfrageeinheit in Verbindung stehen, wodurch die
Signalverarbeitung vereinfacht wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die den Messrichtungen zugeordneten Interdigitalwandler zeitlich
versetzt Signale abgeben. Dadurch wird ausgeschlossen, dass die
ausgesendeten Oberflächenwellen oder
die daraus resultierenden Signale sich gegenseitig beeinflussen,
wodurch gegebenenfalls Messfehler auftreten könnten.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass auf dem Sensorchip ein den Interdigitalwandlern zugeordneter
Zeitverzögerungsbaustein
angeordnet ist. Mit einem solchen Zeitverzögerungsbaustein lässt sich
ein Signalzeitverzug auf eine einfache Art und Weise realisieren.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass sich die Signalausbreitungswege der beiden Messrichtungen überkreuzen.
Auf diese Weise lässt
sich ein Sensorchip mit sehr kleinen Abmessungen realisieren.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Signalausbreitungswege der beiden Messrichtungen in einem im
Wesentlichen rechten Winkel angeordnet sind. Durch die Anordnung
im rechten Winkel wird ausgeschlossen, dass sich die ausgesendeten
Oberflächenwellen überkreuzen,
wodurch gegebenenfalls Messfehler auftreten könnten.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Abstände
zwischen den Interdigitalwandlern und den diesen Interdigitalwandlern
zugeordneten Reflektoren unterschiedlich sind. Dadurch kann der
Einsatz eines Zeitverzögerungsbausteines
entfallen, da die Interdigitalwandler gleichzeitig Oberflächenwellen
aussenden können. Über die
Abstände
zwischen den Reflektoren und den Interdigitalwandlern kann eine
eindeutige Signalzuordnung der Antwortsignale erfolgen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Sensorchip eine Umlenkmarke für eine der beiden Messrichtungen
aufweist. Durch den Einsatz der Umlenkmarke wird nur noch ein Interdigitalwandler
benötigt,
mit dem die Verformung des Sensorchips in zwei Messrichtungen erfasst
werden kann.
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Anhand
eines Ausführungsbeispiels
soll die Erfindung näher
erläutert
werden. Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Oberflächensensor
mit einem Sensorchip, mit einem Zeitverzögerungsbaustein und mit zwei
sich überkreuzenden
Messrichtungen
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2 einen Oberflächenwellen-Sensor
mit einem Zeitverzögerungsbaustein
und mit zueinander im rechten Winkel angeordneten Messrichtungen
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3 einen Oberflächenwellen-Sensor
mit zueinander im rechten Winkel angeordneten Messrichtungen ohne
Zeitverzögerungsbaustein
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4 einen Oberflächenwellen-Sensor
mit zwei sich überkreuzenden
Messrichtungen ohne Zeitverzögerungsbaustein
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5 einen Oberflächenwellen-Sensor
mit Umlenkmarke.
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Oberflächenwellen-Sensor 3 mit
einem Zeitverzögerungsbaustein 4 und
mit zwei sich überkreuzenden Messrichtungen 1 und 2.
Ein erfindungswesentliches Merkmal besteht darin, dass alle Bauteile
auf einem einzigen Sensorchip 5 angeordnet sind. Mit den
dargestellten Messrichtungen 1 und 2 kann eine
zweidimensionale Verformungsmessung durchgeführt werden. Über den
Antennenanschluss 6 wird zunächst von einer in der Figur
nicht dargestellten Abfrageeinheit ein Abfragesignal an den Interdigitalwandler 7 und 8 weitergeleitet.
Von dem Interdigitalwandler 7 und 8 wird anschließend zeitversetzt
ein Abfragesignal in Form einer Oberflächenwelle in Messrichtung 1 und 2 abgegeben.
Die Zeitverzögerung
wird über
den Zeitverzögerungsbaustein 4 realisiert.
Die Signalausbreitungswege 9 und 10 überkreuzen
sich in etwa in der Mitte des Sensorchips. Die sich entsprechenden Abstände 11, 12, 13 und 14 zwischen
den Interdigitalwandlern 7 und 8 sowie den Reflektoren 15, 16, 17 und 18 besitzen
eine im Wesentlichen gleiche Länge. Zunächst wird
vom Interdigitalwandler 7 eine Oberflächenwelle ausgesendet, die
am Reflektor 17 und 18 reflektiert und zum Interdigitalwandler 7 als
Antwortsignal zurückgeführt wird.
Der gemessene Zeitverzug bzw. die Phasendifferenz stellt ein Maß für die Verformung
in Messrichtung 2 dar. Anschließend wird von dem Interdigitalwandler 8 eine
entsprechende Oberflächenwelle
ausgesendet, die an den Reflektoren 15 und 16 reflektiert
und mit der die Verformung in Messrichtung 1 gemessen wird.
Mit dem Zeitverzögerungsbaustein 4 wird
eine gegenseitige Beeinflussung der den Messrichtungen zugeordneten
Oberflächenwellen
und der Antwortsignale ausgeschlossen. Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispieles
liegt darin, dass die Abmessungen des Sensorchips aufgrund der überkreuz
liegenden Signalausbreitungswege sehr klein ist. Ein weiterer Vorteil
der erfindungsgemäßen Anordnung
der Bauteile auf den Sensorchip 5 ist darin zu sehen, dass
der Sensorchip 5 aufgrund der dargestellten Kopplung der
Interdigitalwandler 7 und 8 nur mit einem Antennenanschluss 6 auskommt
und nicht jeder Interdigitalwandler einen eigenen Antennenanschluss
benötigt.
Es ist ebenfalls denkbar, dass die beiden Messrichtungen 1 und 2 nicht
senkrecht zueinander stehen sondern in einem Winkel kleiner als
90°.
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Die 2 zeigt einen Oberflächenwellensensor 3 mit
einem Zeitverzögerungsbaustein 4 und mit
zueinander im rechten Winkel angeordneten Messrichtungen 1 und 2.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
in 1 sind die Signalausbreitungswege 9 und 10 in
einem rechten Winkel zueinander angeordnet, so dass keine Überkreuzung
vorliegt. Der Interdigitalwandler 8 muss nunmehr nicht mehr
solange warten bis die ausgesendete Oberflächenwelle von dem Interdigitalwandler 7 zurückgekehrt
ist. Dadurch kann die Takt-/Arbeitsfrequenz der Abfrageeinheit höher sein
als beim Ausführungsbeispiel
in 1. Aufgrund der rechtwinkligen
Anordnung der Signalausbreitungswege 9 und 10 kann
keine gegenseitige Beeinflussung der den Messrichtungen 1 und 2 zugeordneten
Oberflächenwellen
eintreten.
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Die 3 zeigt einen Oberflächenwellen-Sensor 3 mit
zueinander im rechten Winkel angeordneten Messrichtungen 1 und 2 ohne
Zeitverzögerungsbaustein.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden beide Interdigitalwandler 7 und 8 gleichzeitig
angesprochen. Die Reflektoren 15 bis 18 der beiden Messrichtungen 1 und 2 haben
eine eindeutige Position, so dass die Antwortimpulse jedem Reflektor
eindeutig zugeordnet werden können.
Die Abstände 11 bis 14 sind
so gewählt,
dass keine Überlappung
zwischen den einzelnen Antwortsignalen entsteht. Die sich in beide
Messrichtungen 1 und 2 ausbreitenden Oberflächensensoren
kreuzen sich bei dieser Sensorelementausführung nicht. Um eine minimale
Sensorelementgröße zu gewährleisten,
ist die bevorzugte Chipform rechteckig. Der Sensorchip in 3 ist größer als der Sensorchip des
Ausführungsbeispieles
in 2.
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Die 4 zeigt einen Oberflächenwellen-Sensor 3 mit
zwei sich überkreuzenden
Messrichtungen 1 und 2 ohne Zeitverzögerungsbaustein. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
werden beide Interdigitalwandler 7 und 8 ebenfalls
gleichzeitig angesprochen. Die Reflektoren der beiden Messrichtungen 1 und 2 haben
wiederum eine eindeutige Position, so dass die Antwortsignale jedem
Reflektor eindeutig zugeordnet werden können. Die Abstände 11 bis 14 sind
so gewählt,
dass keine Überlappung
zwischen den einzelnen Antwortimpulsen entsteht. Die sich in beide
Messrichtungen 1 und 2 ausbreitenden Oberflächenwellen
kreuzen sich bei dieser Sensorelementausführung. Um eine minimale Sensorelementgröße zu gewährleisten,
ist die bevorzugte Chipform rechteckig.
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Die 5 zeigt einen Oberflächenwellen-Sensor 3 mit
einer Umlenkmarke 19. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Umlenkmarke 19 verwendet.
Der Vorteil besteht darin, dass nur eine Oberflächenwelle erzeugt werden muss.
Es wird ebenfalls nur eine Abfrageeinheit und eine Antenne benötigt. Außerdem entfällt die
Verschaltung von zwei Interdigitalwandlern. Nachdem die Oberflächenwelle
am Interdigitalwandler 7 erzeugt wurde, passiert sie in
Messrichtung 1 zunächst
die beiden Reflektoren 15 sowie 17 und ändert danach an der Umlenkmarke 19 ihre
Ausbreitungsrichtung um einen definierten Winkel, so dass sie sich
anschließend
in Messrichtung 2 weiter ausbreitet. Die an den Reflektoren 17 und 18 der
Messrichtung 2 reflektierten Wellen werden wieder durch
die Umlenkmarke 19 so umgelenkt, dass sie sich zum Interdigitalwandler 7 zurück ausbreiten.
In 5 muss die Bauteilform
nicht unbedingt L-förmig
sein. Andere Formen, z. B. rechteckig, sind auch denkbar. Durch
die kompakte Bauweise eignen sich alle Ausführungsbeispiele sehr gut für den Einsatz
im Reifen. Bei geeigneter Anordnung können gleichzeitig in zwei senkrecht
zueinander stehenden Richtungen Verformungen im Reifen gemessen
und somit auch indirekt u.a. die auf den Reifen angreifenden Kräfte bestimmt
werden. Die dargestellten Sensoren können auch sehr gut bei anderen Mess-Objekten eingesetzt
werden.
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- 1
- Messrichtung 1
- 2
- Messrichtung 2
- 3
- Oberflächenwellen-Sensor
- 4
- Zeitverzögerungsbaustein
- 5
- Sensorchip
- 6
- Antennenanschluss
- 7
- Interdigitalwandler
für Messrichtung 1
- 8
- Interdigitalwandler
für Messrichtung 2
- 9
- Signalausbreitungsweg
für Messrichtung 1
- 10
- Signalausbreitungsweg
für Messrichtung 2
- 11
- Abstand
zwischen Interdigitalwandler und Reflektor
- 12
- Abstand
zwischen Interdigitalwandler und Reflektor
- 13
- Abstand
zwischen Interdigitalwandler und Reflektor
- 14
- Abstand
zwischen Interdigitalwandler und Reflektor
- 15
- Reflektor
- 16
- Reflektor
- 17
- Reflektor
- 18
- Reflektor
- 19
- Umlenkmarke