DE2606711C2

DE2606711C2 - Temperaturkompensierter Sensor

Info

Publication number: DE2606711C2
Application number: DE2606711A
Authority: DE
Inventors: Allen L. St. Paul Minn. Taylor
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1975-02-18
Filing date: 1976-02-17
Publication date: 1986-10-23
Also published as: IT1053603B; JPS51107879A; FR2301812A1; US3971250A; FR2301812B1; CA1050172A; GB1542877A; JPS5919281B2; DE2606711A1

Description

Die Erfindung betrifft einen temperaturkompensierten Sensor mit einer ersten Fühleinheit aus einer ersten Schicht aus gepoltem pyroelektrischen Material und einem ersten Paar leitender Beläge, von denen ein Belag auf der ersten Fläche der ersten Schicht und ein zweiter Belag auf der zweiten Fläche der ersten Schicht angeordnet sind, mit einer zweiten Fühleinheit aus einer zweiten Schicht aus gepoltem pyroelektrischen Material und einem zweiten Paar leitender Beläge, von denen ein Belag auf der ersten Fläche der zweiten Schicht und ein zweiter Belag auf der zweiten Räche der zweiten Schicht angeordnet sind, und mit Verbindungsmitteln, die einen Belag auf einer Fläche der ersten pyroelektrischen Schicht und einen Belag auf einer Fläche der zweiten pyroelektrischen Schicht elektrisch untereinander zu zwei an eine Fühleinrichtung angeschlossene

ίο Gruppen miteinander verbundener Beläge verbinden, derart, daß elektrostatische Ladungen auf einer der beiden Gruppen von Belägen nur dann erfaßt werden, wenn die Beläge nicht gleiche Temperaturänderungen erfahren.

Ein temperaturkompensierter Sensor dieser Art, mit dent eine temperaturkompensierte Wärmeerfassung möglich ist ist aus de.- US-PS 34 53 432 bekannt Die erste und die zweite Fühleinheit mit den zugeordneten Paaren leitender Beläge dieses bekannten temperaturkompensierten Sensors bilden in sich keinen Aufbau, der sich in kontinuierlicher Gestalt in Bandform herstellen läßt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen temperaturkompensierten Sensor der eingangs erwähnten Art durch einen praktikableren Aufbau als beim Stand der Technik in einer breiteren Vielfalt von Anwendungsfällen von Strahlungs- bzw. Spannungserfassungen, bei denen eine Temperaturkompensation des Sensors ei wünscht ist, zum Einsatz bringen zu können.

Diese Aufgabe wird erfmdungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Schicht aus thermisch und elektrisch isolierendem Material zwischen der ersten und der zweiten Fühleinheit Fläche auf Fläche in Berührung mit jeweils einem der leitenden Beläge jeder der Fühleinheiten angeordnet ist.

Vorzugsweise sind die pyrolektrischen Schichten unterschiedlich stark gepolt und die Paare leitender Beläge jedoch unterschiedlich groß ausgestaltet, um gleiche Ladungsansammlungen zu erzeugen, wenn die pyrolekfrischen Schichten gleiche Temperaturänderungen erfahren.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen temperaturkompensierten Sensors ergeben sich aus den Patentansprüchen 3 bis 6.

Mit einer elektrischen Fühlschaltung zwischen den beiden Paaren der Beläge sind bestimmte auf diesen befindliche elektrische Signale erfaßbar.

Wenn die Umgebungstemperatur der beiden pyroelektrischen Schichten in gleichem Ausmaß schwankt, treten elektrostatische Ladungen auf den miteinander verbundenen Belägen auf, werden aber infolge der Verbindung zwischen den Belägen ausgeglichen.

Die Temperaturänderung an nur einer der pyroelektrischen Schichten einer Fühleinheit führt zu einer elektrostatischen Nettoladung auf den mit der Temperaturschwankung ausgesetzten Schicht in Verbindung stehenden Belägen. Die Fühlschaltung spricht auf diese erzeugte Nettoladung an und liefert eine wahrnehmbare Anzeige der Größe der Temperaturänderung, die die Ladungserzeugung bewirkt hat.

Sensor weist einen einfachen, sehr praktischen Aufbau auf, der ein dauerhaftes Fühlmedium aufweist, das leicht in Bandform herstellbar ist und somii eine breite Vielfalt von Anwendungsfällen des temperaturkompensierten Sensors gewährleistet, der stets eine genaue und zuverlässige Temperaturerfassung liefert.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen tempe-

raturkompensierten Sensors werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist

F i g. 1 eine Diagrammdarstellung eines Fühlmediums mit zwei Fühleinheiten,

F i g. 2 eine Endansicht eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels des temperaturkompensierten Sensors mit dem Fühlmedium nach Fi g. 1, das mit elektrostatischen Ladungen auf einer der Fühleinheiten infolge einer gleichmäßigen Erwärmung dieser Fühleinheit belegt ist,

F i g. 3 eine Endansicht des temperaturkompensierten Sensors nach F i g. 2 mit in gebogenem Zustand befindlichen Fühlmedium und einer Darstellung der elektrostatischen Ladungen, die auf dem Füllmedium infolge des Biegens entstehea

Fig.4 eine Endansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des temperaturkompensierten Sensors mit dem Fühlmedium nach F i g. 1,

Fig.5 eine Endansicht einer anderen bevorzugten Ausführiingsform des Fühlmediums und

F i g. 6 eine Endansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des temperaturkompensierten Sensors mit dem Fühlmediums nach F i g. 5.

F i g. 1 zeigt ein Fühlmedium 1, das aus zwei Fühleinheiten 2 und 3 gebildet ist, die von einer Schicht aus thermisch und elektrisch isolierendem Material 4, wie z. B. Polyurethanschaum, getragen und getrennt werden. Die Fühleinheiten 2 und 3 weisen jeweils eine einzige biegsame Schicht 5 bzw. 6 aus elektrisch nichtleitendem Elektretmaterial auf.

Die Schichten 5 und 6 sind aus Stoffen mit sowohl pyroelektrischen als auch piezoelektrischen Eigenschaften ausgebildet — wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid. Die Schichten 5 und 6 sind so angeordnet, daß ihre Polung in der gleichen Richtung liegt, wie es die Pfeile anzeigen (F i g. 2), vorzugsweise weisen sie die gleiche Polungsstärke auf.

Obgleich einige Elektretstoffe Dipole aufweisen, die gepolt ausgerichtet sind, liegen die Dipole von Elektretstoffen normalerweise im wesentlichen regellos. Diesen Dipolen kann eine Orientierung erteilt werden, wenn das Elektretmaterial einem elektrischen Feld ausgesetzt und über eine als Polungstemperatur bekannte Temperatur hinaus erwärmt wird.

Die Schicht 5 der Fühleinheit 2 ist auf ihrer äußeren und inneren ebenen Fläche mit dünnen leitenden Belägen 7 bzw. 8 beschichtet, die Schicht 6 der Fühleinheit 3 auf ihrer äußeren und inneren ebenen Fläche mit den dünnen leitenden Belägen 9 bzw. 10.

Die inneren Beläge 8 und 10 der Fühleinheiten 2 und 3 sind Fläche auf Fläche an der Schicht aus thermisch und elektrisch isolierendem Material zu einer einheitlichen Anordnung befestigt. Vorzugsweise weisen die leitenden Beläge 7 bis 10 alle die gleiche Größe und die Schichten 5 und 6 die gleiche Polungsstärke auf, um zu gewährleisten, daß auf den Belägen 7 bis 10 im wesentlichen gleiche elektrostatische Ladungsmengen entstehen, wenn die Schichten 5 und 6 gleichmäßig erwärmt oder belastet werden. Gleiche Größe der Beläge und gleiche Polungsstärken sind nicht notwendig, da die Beläge 7 bis 10 unterschiedlich groß sein, aber dennoch eine gleiche Ladungsansammlung erzeugen können, indem das Ausmaß eingestellt wird, zu dem die Schichten 5 und 6 gepolt sind.

Zum Zweck der klareren Darstellung sind die Dicken der Schichten 4,5 und 6 und der Beläge 7 bis 10 vergrößert dargestellt. Das Fühlmedium 1 ist vorzugsweise mit jeweils etwa 50 μπι dicken Schichten 5 und 6, die Beläge 7 und 10 mit jeweils 2 μπι ausgeführt Die Längen der Schichten 5 und 6 und der Beläge 7 bis 10 können kurz oder lang gewählt werden, abhängig von dem Einsatz, für den das Fühlmedium 1 im Einzelfall gedacht ist So kann das Fühlmedium 1 in großen Längen hergestellt und bandförmig aufgerollt werden, damit der Endbenutzer es auf die gewünschte Länge zuschneiden kann.

Die F i g. 2 und 3 zeigen den Einsatz des Fühlmediums 1 in dem ersten Ausführungsbeispiel des temperaturkompensierten Sensors, indem mittels leitender Verbindungsmittel 13 und 14 die inneren leitenden Beläge 8 und 10 zu einer Gruppe miteinander verbundener Beläge und die äußeren leitenden Beläge 7 und 9 zu einer weiteren Gruppe miteinander verbundener Beläge zusammengesetzt werden.

Das Verbindungsmittel 14 ist vorzugsweise geerdet, und eine Fühlschaltung 17 ist elektrisch zwischen die Verbindungsmittel 13 und 14 gelegt, um auf den Belägen 7 bis 10 vorliegende elektrische Ladungen zu erfassen. Die Fühlschaltung 17 kann ein Amperemeter, ein Voltmeter oder eine andersgeartete Schaltung sein, die geeignet ist, einen Nachweis kleinerer elektrischer Signale zu liefern.

Die Funktion des temperaturkompensierten Sensors 12 ist folgendermaßen:

Der temperaturkompensierte Sensor 12 läßt sich vorteilhafterweise entweder als Detektor für Infrarotstrahlung oder als Spannungsfühler zur Erfassung von Biegespannungen einsetzen. Beim Einsatz als Infrarotsensor sollte er so angeordnet sein, daß nur eine der Fühleinheiten 2 und 3 — beispielsweise die Fühleinheit 2 — der zu erfassenden Strahlung ausgesetzt ist. Dies läßt sich erreichen, indem die Fühleinheit 3 abgeschirmt oder Bildrichtmittel eingesetzt werden. Anfänglich erwärmt die auf die Fühleinheit 2 auftreffende Infrarotstrahlung den äußeren leitenden Belag 7 und erhöht damit die Temperaturder pyroelektrischen Schicht 5.

Dieser Temperaturanstieg der Schicht 5 führt zur Erzeugung elektrostatischer Ladungen entgegengesetzter Polarität auf den Oberflächen der Schicht 5, wie aus Fig.2 hervorgeht. Diese Ladungen sammeln sich auf den leitenden Belägen 7 und 8 an. Infolge der Schicht 4 aus thermisch und elektrisch isolierendem Material wird der Temperaturanstieg der Fühleinheit 2 nicht auf die Fühleinheit 3 übertragen. Vielmehr verteilen sich die von der Schicht 5 erzeugten elektrostatischen Ladungen zwischen den Paaren der Beläge 8 und 10 sowie 7 und 9 über die diese miteinander verbindenden Verbindungsmittel 13 bzw. 14. Auf diese Weise besteht ein elektrostatisches Potential zwischen den Paaren der Beläge 7,9 bzw. 8,10 und liefert ein Fühlsignal an die Fühlschaltung 17, das der Stärke der Bestrahlung der Fühleinheit 2 entspricht. Weiterhin hat sich herausgestellt, daß die Empfindlichkeit des temperaturkompensierten Sensors 12 bei der Erfassung von Strahlung sich erhöhen läßt, indem die äußeren leitenden Beläge 7,9 der Fühleinheiten 2 und 3 mit einer dünnen schwarzen Schicht versehen werden, um die Strahlungsabsorption des Sensors 12 zu verbessern.

Um den Sensor 12 als Biegespannungsindikator einzusetzen, sollte das Material der Schicht 4 im Verhältnis zu den Schichten 5 und 6 und den Belägen 7 bis 10 verhältnismäßig steif sein. Auf diese Weise biegt das Fühlrrfdium 1 sich um die Längsmitte der Schicht 4, wobei die Längsmitte kompression- bzw. expansionsfrei bleibt. Unter diesen Bedingungen bewirkt ein Biegen des Fühlmediums 1, wie in Fig.3 gezeigt ist, eine Dehnung der Schicht 5 und ein Zusammendrücken der

5 6 ■.-;

Schicht 6. Ein Biegen des Fühlmediums 1 in entgegenge- führungsbeispiel des temperaturkompensierten Sensors setzter Richtung drückt die Schicht 5 zusammen und 37 zum Einsatz, indem die äußeren leitenden Beläge dehnt die Schicht 6. und 35 durch eine Leitung 38, die vorzugsweise geerdet

Infolge der Dehnung und des Zusammendrückens der ist, miteinander verbunden werden und eine Fühlschal- f. Schichten 5 und 6 treten auf den Oberflächen der 5 tung 39 zwischen die inneren leitenden Beläge 34 und Schichten 5 und 6 piezoelektrisch erzeugte Ladungen geschaltet wird. Infolge der entgegengesetzten Polung ' auf, wobei die Ladungen auf den inneren Flächen der der Schichten 31 und 32 ergibt entsprechend der Funk-. Schichten 5 und 6 eine Polarität und die Ladungen auf tionsweise des Fühlmediums 1 eine gleiche Temperaturden anderen Oberflächen die andere Polarität haben, änderung beider Fühleinheiten 28 und 29 die Ansammwie in Fig.3 gezeigt ist. Folglich erhält die Fühlschal- io lung gleicher elektrostatischer Ladungen der gleichen 3;ΐ tung 17 ein Fühlsignal, das direkt der Biegung des Fühl- Polarität auf den inneren leitenden Belägen 34 und 36. j|j mediums 1 entspricht. Die Fühlschaltung 39 liefert somit keine Anzeige. Wenn H'

Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Einsatz demgegenüber nur eine der Fühleinheiten 28 und 29 ff zur Strahlungs- bzw. Biegungserfassung ist der Sensor eine Temperaturänderung erfährt oder wenn das Fühl- ^ 12 gegen pyroelektrische Ladungserzeugung auf den 15 medium 27 unter Spannung gesetzt wird, nimmt die |; Oberflächen der Schichten 5 und 6 bei gleichmäßiger Fühlschaltung 39 ein Fühlsignal auf. Das Fühlmedium 27 '■'; Erwärmung des Fühlmediums 1 gleichmäßig kompen- kann auch, wie F i g. 6 zeigt, zur Bildung des temperatursiert Diese Erwärmung kann auftreten, wenn die Tem- kompensierten Sensors 41 zusammen mit einem Diffeperatur der Umgebung sich ändert, in der der Sensor 12 renzverstärker 40 eingesetzt werden. Die Eingänge sich befindet. 20 und 43 des Differenzverstärkers 40 sind vorzugsweise

Bei einer gleichmäßigen Temperaturänderung des an die äußeren leitenden Beläge 33 und 35 der Fühlein- : Fühlmediums 1 erzeugen die Schichten 5 und 6 pyro- heiten 28 bzw. 29 angeschlossen, die inneren Beläge elektrische Ladungen, und zwar entsprechend ihrem und 36 vorzugsweise geerdet. Diese Anschlußweise Polungsgrad, dem Ausmaß der Temperaturänderung kann jedoch erwünschtenfalls umgekehrt werden.

und der Polungsrichtung. Da die Schichten 5 und 6 in der 25

gleichen Richtung gepolt sind, samme!; sich auf den Be- Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

lägen 7 und 10 eine gleichmäßige Verteilung der pyro-

elektrisch entstandenen elektrostatischen Ladungen der einen Polarität und auf den Belägen 8 und 9 eine gleiche Verteilung derartiger Ladungen, aber der entgegenge-

setzten Polarität. Infolge der gegenseitigen Verbindung f

der Beläge 7 und 9 durch das Verbindungsmittel 14 und i

der Beläge 8 und 10 durch das Verbindungsmittel 13 heben die gegeneinander gepolten Ladungen einander

auf, weshalb der Fühlschaltung 17 keine Nettoladung 35 ι

geliefert wird.

Das Fühlmedium 1 läßt sich auch in einem anderen Ausführungsbeispiel des temperaturkompensierten Sensors 20 verwenden, wie aus F i g. 4 hervorgeht. Bei dem Sensor 20 erfolgt jedoch die Kompensation mit einem Differenzverstärker 21, dessen Eingänge 22 und 23 an die leitenden Beläge 7 bzw. 10 — bei geerdeten Belägen 8 und 9 — gelegt sind. Falls erwünscht, kann der Verstärker 21 auch an die Beläge 8 und 9 gelegt werden. Die Beläge 7 und 10 werden dann geerdet. Da der Verstärker 21 eine Ausgangsgröße nur dann an eine Fühlschaltung 24 liefert, wenn die elektrischen Signale an den Eingängen 22 und 23 sich unterscheiden, ergeben gleiche Temperaturveränderungen der Fühleinheiten 2 und 3 keine Anzeige des Sensors 20. Ändert sich jedoch an nur einer der Fühleinheiten 2 und 3 die Temperatur, gibt der Differenzverstärker 21 ein Fühlsignal an die Schaltung 24 ab.

F i g. 5 zeigt eine bevorzugte andere Ausführungsforrn des Fühlmediums 27, das ähnlich dem Fühlmedium 1 zwei Fühleinheiten 28 und 29 aufweist, die von der Schicht 30 aus thermisch und elektrisch isolierenden Material voneinander getrennt sind und jeweils mit einer gepolten Elektretschicht 31 bzw. 32 ausgebildet sind. Die Schicht 3! weist auf ihren ebenen Flächen die leitenden Beläge 33 und 34 und die Schicht 32 auf ihren ebenen Flächen die leitenden Beläge 35 und 36 auf. Der grundsätzliche Aufbau des Fühlmediums 27 entspricht dem des Fühlmediums 1, wobei der Unterschied darin liegt, daß die Schichten 31, 32 so angeordnet sind, daß ihre Polungen einander entgegengesetzt sind, wie durch die eingezeichneten Pfeile zum Ausdruck kommt Das Fühlmedium 27 kommt bei einem weiteren Aus-

Claims

Patentansprüche:

1. Temperaturlcompensierter Sensor mit einer ersten Fühleinheit aus einer ersten Schicht aus gepoltem pyroelektrischen Material und einem ersten Paar leitender Beläge, von denen ein Belag auf der ersten Fläche der ersten Schicht und ein zweiter Belag auf der zweiten Fläche der ersten Schicht angeordnet sind, mit einer zweiten Fühleinheit aus einer zweiten Schicht aus gepoltem pyroelektrischen Material und einem zweiten Paar leitender Beläge, von denen ein Belag auf der ersten Fläche der zweiten Schicht und ein zweiter Belag auf der zweiten Fläche der zweiten Schicht angeordnet sind, und mit Verbindungsmitteln, die einen Belag auf einer Fläche der ersten pyroelektrischen Schicht und einen Belag auf einer Fläche der zweiten pyroelektrischen Schicht elektrisch untereinander zu zwei an eine Fühleinrichtung angeschlossene Gruppen miteinander verbundener Beläge verbinden, derart, daß elektrostatische Ladungen auf einer der beiden Gruppen von Belägen nur dan erfaßt werden, wenn die Beläge nicht gleiche Temperaturänderungen erfahren, d a durch gekennzeichnet, daß eine Schicht (4; 30) aus thermisch und elektrisch isolierendem Material zwischen der ersten und der zweiten Fühleinheit (2 und 3 bzw. 28 und 29) Fläche auf Fläche in Berührung mit jeweils einem der leitenden Beläge (8, 10; 34,36) jeder der Fühleinheiten (2 und 3 bzw. 28 und 29) angeordnet ist.

2. Temperaturkompensierter Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrischen Schichten (5, 31 und 6, 32) unterschiedlich stark gepolt sind, die Paare (8,10; 7,9; 34,36; 33,35) leitender Beläge jedoch unterschiedlich groß ausgestaltet sind, um gleiche Ladungsansammlungen zu erzeugen, wenn die pyroelektrischen Schichten (5, 31 und 6,32) gleiche Temperaturänderungen erfahren.

3. Temperaturkompensierter Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polungsrichtung der pyroelektrischen Schichten (5 und 6) gleich ist(Fig. 1 bis4).

4. Temperaturkompensierter Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrischen Schichten (5, 31 und 6, 32) den gleichen Polungsgrad aufweisen und die Paare leitender Beläge gleich groß sind.

5. Temperaturkompensierter Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Belag eines der Belagpaare ein strahl'ungsabsorbierendes Material trägt.

6. Temperaturkompensierter Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrischen Schichten (31 und 32) in entgegengesetzten Richtungen gepolt sind (F i g. 5 und 6).