DE69416727T2

DE69416727T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Abfrage von intelligenten Sensoren

Info

Publication number: DE69416727T2
Application number: DE69416727T
Authority: DE
Inventors: Scott Robert Durkee; William Bert Spillman
Original assignee: Simmonds Precision Products Inc
Current assignee: Simmonds Precision Products Inc
Priority date: 1993-06-14
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2014-06-11
Also published as: EP0629842A1; DE69416727D1; EP0629842B1; US5515041A; US5703576A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Abfrage eines Sensors, der ein Ausgangssignal erzeugt, mit einer Spuleneinrichtung zur magnetischen Kopplung von Signalen über einen Spalt zwischen einer Sensorschaltung, die eine Sensorspule aufweist, und einer Abfrageschaltung, die eine mit einer Frequenzquelle verbundene Erregerspule aufweist, wobei die Erregerspule einen in ihr durch den Strom der Sensorspule induzierten Strom führt, der dem Ausgangssignal des Sensors entspricht.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur kontaktlosen Abfrage eines Sensors, der ein Sensor-Ausgangssignal in Abhängigkeit von Veränderungen eines physikalischen Parameters erzeugt, mit den Verfahrensschritten des Verwendens des Sensor- Ausgangssignals zum Verändern des Wertes einer variablen Komponente in einer Sensorschaltung, Zuführen eines elektrischen. Frequenz-Eingangssignals an die Sensorschaltung durch magnetische Kopplung über einen Spalt, und Bestimmen des Sensor-Ausgangssignals als Funktion des Frequenz-Eingangssignals.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind bekannt aus WO-A-91 00985. Die Erfindung befaßt sich mit einem Problem, das durch den Spalt verursacht werden kann, über den die Signale magnetisch gekoppelt werden sollen, und mit den Auswirkungen, die dieser Spalt auf das Ausgangssignal des Sensors haben kann.
Entsprechend wird eine Vorrichtung des oben beschriebenen Typs vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch eine Steuereinrichtung, die die Frequenzquelle so steuert, daß diese der Erregerspule zwei unterschiedliche Betriebsfrequenzen derart zuführt, daß in dem durch die Sensorspule in der Erregerspule induzierten Strom der Spalt kompensiert wird.
Ferner wird gemäß der Erfindung ein Verfahren des oben beschriebenen Typs vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem Schritt des Zuführens des Frequenz-Eingangssignals an die Sensorschaltung das Frequenz-Eingangssignal mit ersten und zweiten unterschiedlichen Betriebsfrequenzen derart zugeführt wird, daß ein Schaltungs-Ausgangssignal erzeugt wird, das von dem Wert der variablen Komponente abhängt und in dem der Spalt kompensiert ist.
Bei Ausführungsformen der Erfindung kann es sich um sogenannte "intelligente" Strukturen handeln, bei denen die Sensoren in die Strukturen eingebettet oder integriert sind und einen oder mehrere Parameter, z. B. die Belastung oder Spannung, überwachen. Derartige intelligenten Strukturen sind z. B. in US-A- 4,983,034 und US-A-4,930,852 beschrieben. Das Grundkonzept besteht darin, daß die integrierten Sensoren als Überwachungsvorrichtungen für die Funktionsfähigkeit der Struktur verwendet werden, um die strukturelle Leistungsfähigkeit der Materialien zu bestimmen. Die Kenntnis derartiger Echtzeitinformation oder Fast-Echtzeitinformation bietet die Möglichkeit, die Strukturen bis an die durch die Materialien gesetzten Grenzen zu konzipieren. Die Strukturen können in der Tat weitere aktive Elemente enthalten, die eine adaptive Kompensation für die Struktur-Leistung durchführen. Ein derartiges Konzept für eine intelligente Struktur ist in US-A-4,922,096 beschrieben.
Im folgenden werden, jedoch nur als Beispiel, Vorrichtungen und Verfahren zur Abfrage eines Sensors im Zusammenhang mit den zugehörigen schematischen Zeichnungen beschrieben:
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer Ausgestaltung der Vorrichtung;
Fig. 2 zeigt ein detailliertes elektrisches schematisches Schaltbild einer Schaltung zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß Fig. 1;
Fig. 3 zeigt ein repräsentatives Schaubild des (anhand der Spannung an einem Sensor-Widerstand detektierten) Primärstroms, dargestellt in Relation zur der Erregerfrequenz der Schaltung gemäß Fig. 2;
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer neuronalen Verarbeitungsschaltung, die mit der Schaltung gemäß Fig. 1 und 2 verwendbar ist;
Fig. 5 zeigt eine von oben betrachtete Draufsicht auf eine zur Einbettung geeignete Sensorschaltung gemäß der Erfindung, wobei zusätzlich ein Teil der Sensorschaltung in vergrößerter Querschnittansicht gezeigt ist;
Fig. 6 zeigt eine von der entgegengesetzten Seite betrachtete Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 5;
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform einer intelligenten Struktur gemäß der Erfindung; und
Fig. 8A und 8B zeigen ein Schaltbild einer Ausführungsform einer intelligenten Struktur gemäß der Erfindung, die für drehende Teile vorgesehen ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung zur kontaktlosen Abfrage eines oder mehrerer in eine Struktur eingebetteter Sensoren. Obwohl hier speziell auf eingebettete Sensoren eingegangen wird, können die Sensoren auch auf einer Oberfläche angeordnet oder anderweitig in einer Struktur enthalten oder in diese integriert sein. Ferner ist der Ausdruck "kontaktlos" hier in seinem weitesten Sinn zu verstehen, gemäß dem das Koppeln von Daten und/oder Energie in die Struktur oder aus der Struktur mittels magnetischer Kopplung anstelle z. B. elektrischer oder optischer Kontakte erfolgt. Die jeweilige bestimmte Struktur, für die die Erfindung angewandt wird, kann jede beliebige Struktur sein, die ein Material aufweist, das mit den Vorrichtungen und Verfahren gemäß der Erfindung kompatibel ist. Zu diesen Materialien zählen Graphit/Epoxid-Zusammensetzungen, Faserglas, Plexiglas usw., um nur einige wenige zu nennen. Selbstverständlich dient diese Aufzählung nur als Beispiel und bietet keine erschöpfenden Angaben zu der möglichen Auswahl an Materialien, die dem Designer bei den Anwendungsfällen zur Verfügung stehen. Das gewählte Material sollte jedoch relativ absporptionsfrei hinsichtlich des elektromagnetischen Energiespektrums sein, das zum Abfragen des Sensors bzw. der Sensoren verwendet wird.
Die Vorrichtung 10 weist eine vorzugsweise oberflächenmontierte Primär- oder Abfragespule 12 und eine Sekundär- oder Sensorspule 14 auf. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist die Sensorspule 14 in eine Struktur 5 eingebettet, obwohl die Sensorspule typischerweise an oder nahe einer Oberfläche der Struktur angeordnet ist. Die Sensorspule ist. Teil einer Resonanz-Sensorschaltung, die in die Struktur eingebettet ist und die in Kombination mit den anderen Komponenten der Vorrichtung 10 zum Detektieren des Zustandes oder Ausgangssignals eines sensorabhängigen Elementes 20 verwendet wird, das in die Struktur eingebettet ist. Bei dem hier beschriebenen Beispiel ist das sensorabhängige Element 20 ein Zugspannungssensor mit variablen Widerstand zum Detektieren der strukturellen Belastungs- und Spannungskräfte, denen die Struktur S ausgesetzt ist. Dieses spezielle Beispiel dient jedoch nur zur Veranschaulichung und ist nicht einschränkend. Beispielsweise kann bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 das Element 20' ein Photowiderstand sein, dessen Widerstandswert in Relation zu der Intensität der auf ihn auftreffenden Lichtenergie steht. Somit kann die Erfindung für jeden Sensor verwendbar, der ein Ausgangssignal mit variablem Widerstand ausgibt oder der ein Ausgangssignal ausgibt, das in einen variablen Widerstand konvertiert werden kann, oder der ein Ausgangssignal erzeugt, das den Wert eines oder mehrerer der Komponenten der Resonanzschaltung verändern oder modulieren kann. Als weiteres Beispiel kann ein optischer Sensor, der ein aus modulierten Lichtstrahlen bestehendes Ausgangssignal erzeugt, abgefragt werden, indem das ausgegebene Licht zur Beeinflussung einer Impedanz in der Vorrichtung 10 verwendet wird, wobei dieser Sensor z. B. der lichtempfindliche Widerstand gemäß Fig. 7 sein kann.
Wie erwähnt ist die Sensorspule 14 als Teil einer Resonanz- Sensorschaltung 22 geschaltet, die das sensorabhängige Element 20 und eine Kapazität 24 aufweist. Es ist zu beachten, daß der variable Widerstand R, der in Fig. 1 den Sensor 20 repräsentiert, in der Praxis ein Widerstand sein kann, der durch das Ausgangssignal des Sensors beeinflußt wird und keinen Teil des Sensors selbst bildet. Der Sensor selbst kann somit an jeder gewünschten Stelle innerhalb der Struktur S angeordnet sein und durch Leiter 26,28 mit der Resonanzschaltung verbunden sein. Beispielsweise kann im Falle eines optischen Sensors der Ausgang des Sensors mit dem sensorabhängigen Element 20 durch optische Fasern verbunden sein, die in die Struktur mit dem Sensor eingebettet sind.
Die Komponenten der Sensorschaltung 22 sind auf einem Substrat integriert, so daß die gesamte Sensorschaltung 22 in eine Struktur eingebettet oder integriert sein kann, um einen leichten Zugriff auf den oder die abzufragenden Sensoren zu ermöglichen, wie im Zusammenhang mit Fig. 5 und 6 ausführlicher beschrieben wird.
Die Sensorspule 14 ist vorzugsweise an einer bekannten Stelle in die Struktur eingebettet, so daß die Abfragespule 12 in enger Nähe zu dieser positioniert werden kann, um eine gute magnetische Kopplung zwischen den Spulen zu erzielen. Beispielsweise kann die Spule 12 in eine konforme Struktur eingebettet sein, die über dem Substrat S plaziert werden kann. Gemäß Fig. 1 sind die Sensorspule 14 und die Abfragespule typischerweise durch einen Spalt 30 getrennt. Dieser Spalt weist häufig das bei der Analyse des Sensors 20 verwendete strukturelle Material auf, oder er kann einfach Luft oder ein anderes nichtmagnetisches Material aufweisen, z. B. im Fall von oberflächenmontierten Spulen und Sensoren.
Der Spalt 30 definiert den Abstand "x", der die Abfragespule 12 von der Sensorspule 14 trennt. Dieser Abstand beeinträchtigt die Qualität der magnetischen Kopplung zwischen den Spulen und folglich auch die Fähigkeit, den Zustand des Sensors zu detektieren und die Sensor-Daten aus der Struktur einer Analyseeinrichtung zuzuführen. Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung kann der Spalt x bei jeder Abfrage des Sensors - sogar auf Echtzeitbasis - bestimmt werden, damit an den Ausgangssignalen eine entsprechende Einstellung oder Kompensation für den bestimmten Spalt-Abstand vorgenommen werden kann, der zum Zeitpunkt der Abfrage existiert. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber bisher bekannten Systemen, da aufgrund der Fähigkeit, den Spalt zu kompensieren, Signale mit veränderlicher Amplitude statt Signalen mit veränderlicher Frequenz zum Erfassen des Sensor-Ausgangssignals der Struktur verwendet werden können. Somit bietet die Erfindung beträchtliche Vor teile bei der Verwendung mit optischen Sensoren, da zahlreiche optische Sensoren Ausgangssignale erzeugen, bei denen die Sensorsignale als Lichtsignale mit veränderlicher Amplitude oder Intensität kodiert sind.
Die Abfrage- oder Erregerspule 12 ist Teil einer Abfrageschaltung 40, die die folgenden Komponenten enthält: eine Energiequelle 42 mit variabler Frequenz, z. B. in Form eines spannungsgesteuerten Oszillators (mit Sinuswellenform oder einer anderen geeigneten anwendungsspezifischen Wellenform); einen Last- oder Sensorwiderstand 44 (hier manchmal mit R44 bezeichnet); eine Signalkonditionierungsschaltung 46; und eine Datenverarbeitungs- und -steuerschaltung 48, die ein Ausgangssignal 50 erzeugt, das dem Zustand oder Ausgangssignal des Sensors entspricht und auf die Leitung 52 ein Steuersignal zum Steuern der Frequenz und der Größe des Erregersignals ausgibt, das von dem Oszillator 42 an die Abfragespule 12 ausgegeben wird. Die Erregerspule 12, der Sensorwiderstand 44 und die Quelle 42 bilden eine Resonanz-Erregerschaltung 36, die verwendet wird, um durch magnetische Kopplung zwischen den Spulen 12,14 Ströme in der Sensorspule 14 zu induzieren.
Die grundlegende Arbeitsweise der in Fig. 1 als Beispiel der Erfindung gezeigten Vorrichtung 10 ist wie folgt vorgesehen. Die Sensorschaltung 22 zeigt eine Resonanzfrequenz (fs in Fig. 3), die als die Frequenz definiert ist, die den Punkt der maximalen Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen in IP bei einer gegebenen Veränderung in RSTRAIN bildet (des Maximums für ΔIP/ΔRSTRAIN). Die Resonanzfrequenz fs ist bestimmt durch die Gesamtsumme der reaktiven Elemente der Schaltung, die die Induktivität der Sensorspule 14 und der Abfragespule 12 sowie der Kapazität 24 (und die in Fig. 2 gezeigten parasitären Kapazitäten CP1 und CP2) und den Wert von K enthält. Die Amplitude des durch die Spule 14 fließenden Stromes ist auch eine Funktion des sensorabhängigen Elementes 20, insbesondere an der Resonanzfrequenz der Sensorschaltung 22. Wenn der Erregerspule 12 ein Wechselstromsignal zugeführt wird, induziert der Strom in der Erreger- oder Primärspule 12 den Strom in der Sekundär- oder Sensorspule 14 wie in einem Luftspalttransformator. Dieser Strom in der Sensorspule wird jedoch durch die gegenseitige Kopplung der beiden Spulen zurück zu der Erregerspule 12 reflektiert. Der Sensorwiderstand 44 dient zum Detektieren des Stroms in der Erregerspule 12. Wenn sich die Erregerfrequenz annähernd auf der Resonanzfrequenz der Sensorschaltung 22 befindet, erfährt der Strom in der Erregerspule 12 in Relation zu dem Wert des sensorabhängigen Elementes 20 eine maximale Veränderung. Somit kann der Sensor-Zustand als Funktion des detektierten Stroms in der Erregerspule bestimmt werden. Die Signalkonditionierungsschaltung 46 dient zum Verstärken der durch den Erregerschaltungsstrom an dem Sensorwiderstand 44 entwickelten Spannung. Diese verstärkte Spannung wird dann gleichgerichtet und einer Tiefpaßfilterung unterzogen, um ein Gleichstrom-Ausgangssignal zu erzeugen. Die Steuerschaltung 48 verwendet daraufhin den Gleichstromwert zum Bestimmen des Zustandes oder Ausgangssignals des Sensors 20.
Wie bereits erwähnt, ist die Amplitude des in den Spulen fließenden Stroms abhängig von dem Wert des sensorabhängigen Elementes 20. Die Spulenströme sind jedoch in beträchtlichem Ausmaß eine Funktion der Größe und der Eigenschaften des Spalts 30. Dies ist der Fall, da der zwischen den Spulen ausgebildete Spalt und das Medium in dem Spalt die magnetische Kopplung zwischen den beiden Spulen proportional beeinflussen. Beispielsweise ist die Kopplungskonstante K zwischen den Spulen dem Abstand x direkt proportional. Deshalb ist die Größe der in den Spulen induzierten Ströme eine Funktion des Abstandes x. Dies war einer der Hauptgründe dafür, daß auf Amplituden basierende Messungen unpraktisch waren, da der Spalt 30 nur unter Schwierigkeiten präzise gesteuert werden konnte, und daß die Messungen nahezu unmöglich waren, wenn die externe. Abfrageschaltung zwischen unterschiedlichen Sensorpositionen in einer Struktur bewegbar sein sollte. Entsprechend ist gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung die Steuerschaltung 48 in der nachstehend erläuterten Weise konfiguriert, um den Spalt 30 zu charakterisieren und somit der Sensor-Zustand basierend auf den von der Erregerschaltung ausgegebenen Signalen mit veränderlicher Amplitude präzise zu bestimmen.
Fig. 2 zeigt ein detaillierteres Schaltungsmodell einer Erregerschaltung 36 und einer Sensorschaltung 22, das zur Praktizierung der Erfindung verwendbar ist. Wie gezeigt weist die Erregerschaltung 36 die Erregerspule 12 auf, die eine bestimmbare Induktivität LP hat. Die Spule 12 und die mit dieser verbundenen Komponenten der Erregerschaltung 36 zeigen ferner eine parasitäre Gesamtkapazität CP1, die parallel zu der Spulen-Induktivität auftritt. Die Erregerschaltung enthält ferner den Oszillator 42 mit variabler Frequenz und den Sensorwiderstand 44, der zum Detektieren des Primär- oder Erregerstroms IP verwendet wird. Somit stellen in jedem Anwendungsfall sämtliche Komponenten in der Erregerschaltung 36 bekannte Größen dar.
Die Resonanz-Sensorschaltung 22 weist die Sensorspule 14 auf, die eine bestimmbare Induktivität LS hat. Die Sensorspule 14 weist auch eine ihr eigene parasitäre Kapazität auf, die im Effekt Teil der parasitären Kapazität CP2 ist, bei der es sich um einen diskreten Kondensator handelt, der dahingehend gewählt ist, daß die Empfindlichkeit der Vorrichtung 10 gegenüber Veränderungen in dem Wert des Elementes 20 optimiert ist. Anders ausgedrückt kann der Wert von CP2 derart gewählt werden, z. B. auf der Basis experimenteller Daten für bestimmte Schaltungen, daß der in der Erregerschaltung 36 als Funktion von Veränderungen in dem RSTRAIN induzierte Strom Ip maximiert wird (z. B. das Verhältnis ΔIP/ΔRSTRAIN maximiert wird). Die Sensorschaltung 22 weist ferner einen zusätzlichen diskreten Kondensator C auf, der so gewählt ist, daß er die Frequenz einstellt, bei der das Verhältnis ΔIp/ΔRSTRAIN optimiert ist. Somit sind bei der Sensorschaltung 22 sämtliche Komponenten-Parame ter bekannte Größen, mit Ausnahme der Kopplungskonstanten K und dem Wert des Sensor-Ausgangssignals (der in dem vorliegenden Beispiel der beschriebenen Ausführungsform durch die unbekannte Größe RSTRAIN repräsentiert ist, allgemeiner jedoch der Wert des sensorabhängigen Elements 20 ist).
Fig. 3 zeigt ein repräsentatives Schaubild einer typischen Frequenzreaktionscharakteristik der Schaltung gemäß Fig. 2, dargestellt durch die Familie von Kurven, die aus der Beobachtung des Primärstroms Ip relativ zu der Erregerfrequenz für unterschiedliche Werte von K (in diesem Beispiel K = 0,1, K = 0,5 und K = 0,9) und unterschiedlicher Widerstandswerte für das sensorabhängige Element 20 resultieren. Es ist zu beachten, daß die Y-Achse eine logarithmische Skala ist. Bei diesem Beispiel wird wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform des Systems der Strom I, als die an dem Sensorwiderstand 44 entwickelte Spannung detektiert, wobei diese Spannung durch einen Gleichstromwert gleichgerichtet wird.
Es sind mehrere wichtige Eigenschaften der Schaltung zu beachten. Die Kurve A entspricht der Frequenzreaktion für K = 0,1, die z. B. einem ziemlich großen Spalt (einem hohen Wert von "x" in der Größenordnung von ungefähr der Hälfte des Spulendurchmessers) mit reduzierter magnetischer Kopplung zwischen den Spulen 12,14 entsprechen kann. Es existiert praktisch keine Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Werten des Elementes 20. Anders ausgedrückt ist unabhängig von der Erregerfrequenz der Strom in der Erregerschaltung 36 keine detektierbare Funktion des Elements 20. Ferner ist zu beachten, daß bei einem Ansteigen der Erregerfrequenz der Strom IP zunächst abnimmt, wobei er die Resonanzimpedanz der Erregerschaltung 36 angibt; falls jedoch der Frequenzhub über 20 MHz ansteigt (was in Fig. 3 nicht gezeigt ist), erreicht der Strom IP ein Minimum an der Resonanzfrequenz der LPCP1-Schaltung und steigt dann auf einen Maximalwert an, der ungefähr gleich V42/R44 ist (der Quellenspannung dividiert durch den Sensorwiderstand).
Die Kurve B entspricht der Freguenzreaktion für K = 0,5, die z. B. einem mäßigen Spalt (einem mittelgroßen Wert von "X" im Bereich von ungefähr 1/10 des Spulendurchmessers) bei einer etwas reduzierten magnetischen Kopplung zwischen den Spulen 12,14 entsprechen kann. Zunächst ist zu beachten, daß bei einer generell mit fc bezeichneten Frequenz die Schaltung eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber dem Wert des Widerstandes des Elementes 20 zeigt. Dies ist z. B. im Bereich von 9-10 MHz der Fall. Bei höheren Frequenzen, z. B. bei der generell mit fc bezeichneten Frequenz, zeigt die Schaltung eine wesentlich erhöhte Empfindlichkeit gegenüber dem Wert des Elementes 20, z. B. im Bereich von 11 MHz. Ferner ist zu beachten, daß bei niedrigeren Frequenzen, z. B. im Bereich von 5 MHz, die Frequenzreaktion wieder unabhängig von dem Wert des Widerstandes des Elementes 20 ist. Die Frequenz fc kann durch die Formel 1/(2π*SQRT (LS[CP2 + C])) approximiert werden.
Die Kurve C entspricht der Frequenzreaktion für K = 0,9, die z. B. einem schmalen Spalt (einem kleinen Wert von "x" in der Größenordnung von weniger als 1/10 des Spulendurchmessers) bei einem hohen Grad magnetischer Kopplung zwischen den Spulen 12,14 entsprechen kann. Zunächst ist zu beachten, daß bei ungefähr der gleichen generell mit f~ bezeichneten Frequenz die Schaltung eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber dem Wert des Widerstandes des Elementes 20 und eine größere Empfindlichkeit als bei K = 0,5 zeigt. Bei höheren Frequenzen zeigt die Schaltung wiederum eine wesentlich erhöhte Empfindlichkeit gegenüber dem Wert des Elementes 20, z. B. in einem Bereich generell um 20 MHz. Zudem ist zu beachten, daß bei niedrigeren Frequenzen, z. B. im Bereich von 5 MHz, die Frequenzreaktion wieder unabhängig von dem Wert des Widerstandes des Elementes 20 ist.
Ferner ist zu beachten, daß in dem niedrigeren Frequenzbereich, z. B. bei 5 MHz, die an dem Sensorwiderstand 20 detektierte Spannung von dem Wert von K abhängig ist, von dem Wert des Widerstandes 20 jedoch unabhängig ist. Somit kann der Wert von K bestimmt werden, indem eine erste Erregerfrequenz z. B. 5 MHz, auf die Erregerspule 12 aufgebracht wird, und der resultierende Strom IP detektiert wird. Nachdem der Wert von FC bestimmt worden ist, kann der Wert des Elementes 20 bestimmt werden, indem ein zweites Erregersignal mit einem. Frequenz- und Größen-Bereich aufgebracht wird, bei dem die Schaltung erwiesenermaßen die maximale Empfindlichkeit gegenüber dem Wert des Elementes 20 zeigt. Die zweite Frequenz kann auf mindestens zwei Arten gewählt werden. Zunächst ist gemäß Fig. 3 die Frequenz fc nicht stark abhängig von dem Wert von K. Somit können die ersten und zweiten Erregerfrequenzen einfach festgelegte Werte sein, die auf den bestimmten Schaltungskomponenten basieren, die in einem Anwendungsfall benutzt werden. Alternativ können die Empfindlichkeit und die Präzision erhöht werden, indem die zweite Frequenz adaptiv auf der Basis des bestimmten wertes von K (aus der bei der ersten Erregerfrequenz vorgenommenen Messung) gewählt wird. Dies bedeutet, daß die zweite Frequenz derart gewählt werden kann, daß sie einer Schaltungsreaktion entspricht, bei der der Strom IP stärker abhängig von dem Wert des Elementes 20 ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, hängt jedoch der Wert dieser zweiten Frequenz von dem Wert von K ab. Deshalb ist die Steuerschaltung 48 derart konfiguriert, daß sie den korrekten Wert der zweiten Erregerfrequenz für jeden möglichen Wert von K adaptiv bestimmt.
Auf der Basis der theoretischen Grundlagen von Schaltungen kann ein mathematisches Modell der Schaltung gemäß Fig. 2 wie folgt abgeleitet werden:
wobei
Die einzigen Größen, die in Gleichung 1 unbekannt sind, nachdem die Schaltungskomponenten gewählt worden sind, sind K und RSTRAIN. Somit können, falls die beiden Messungen von IP bei zwei unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt werden, von denen die eine Frequenz derart gewählt ist, daß IP unabhängig von dem Wert von RSTRAIN ist und die andere Frequenz derart gewählt ist, daß IP abhängig von dem Wert von RSTRAIN ist, beide unbekannten Größen bestimmt werden.
Wiederum aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Steuerschaltung 48 derart konfiguriert ist, daß sie zuerst den Wert von K bestimmt, indem sie eine erste Frequenz auf die Erregerspule 12 aufbringt, und die resultierende Spannung detektiert, die an dem Sensorwiderstand 44 erzeugt wird. Diese Spannung gibt dann den Wert von K an, anhand dessen die Steuerschaltung 48 für das adaptive Verarbeitungsverfahren eine zweite Frequenz wählt, die der Erregerschaltung zugeführt wird, so daß die an dem gleichen Sensorwiderstand gemessene resultierende Spannung dem Wert des Elementes 20 entspricht.
Ein besonderer Vorteil der Ausführungsform liegt darin, daß ein eingebetteter Sensor aktiviert und abgefragt werden kann und die Sensorinformation auf kontaktlose Weise durch Verwendung eines einzigen Spulenpaares an eine Verarbeitungsschaltung gekoppelt werden kann.
Die Steuerschaltung 48 kann in Form eines Mikroprozessors oder einer ähnlichen Steuerschaltung realisiert sein, die auf in einem Speicher gespeicherte Daten auf der Basis von Schaltungs-Charakterisierungsdaten und Look-up-Tabellen zugreift, um die Werte von K und RSTRAIN zu bestimmen, und ein entsprechendes Ausgangssignal 50 erzeugt. Dies kann auf eine Weise erzielt werden, die bei der Datenverarbeitung zum Extrapolieren von Daten auf der Basis empirisch abgeleiteter Charakterisierungswerte üblich ist. Beispielsweise kann die bei einem Anwendungsfall verwendete bestimmte Schaltung auf der Basis unterschiedlicher Werte von K und des Elementes 20 charakterisiert werden. Diese Daten können dann in Look-up-Tabellen gespeichert werden, um mittels der Steuerschaltung 48 verarbeitet zu werden. Obwohl dieser Ansatz für einige Anwendungsfälle praktikabel sein mag, können andere, kompliziertere Anwendungsfälle ein extensives Ausmaß von Testdaten erfordern, um die Schaltung derart hinreichend zu charakterisieren, daß die präzisen Werte von K und des Elementes 20 bestimmt werden können. Diese extensiven Daten haben zudem einen großen Speicherbedarf für den Zugriff seitens der Steuerschaltung 48.
Vorteilhafterweise kann eine Verarbeitung mittels eines neuronalen Netzes durchgeführt werden, um eine oder beide der vorstehend beschriebenen Verarbeitungsverfahren zu implementieren, d. h. für die Bestimmung von K und RSTRAIN auf der Basis einer optimierten Wahl der ersten und zweiten Erregerfrequenzen, oder für die adaptive Verarbeitungstechnik, bei der die zweite Erregerfrequenz als Funktion des Wertes von K gewählt wird. Während die Werte von K und RSTRAIN mit zufriedenstellender Präzision gewählt werden können, kann man die Präzision wesentlich erhöhen, indem man eine neuronale Verarbeitung wählt, um die Werte von "x" und der Belastung, E, direkt zu berechnen. Selbstverständlich ist dieser beschriebene Fall nur ein Beispiel. Die Belastung ist nur einer der zahlreichen Parameter, die bestimmt werden können, und, wie bereits beschrieben, kann das Element 20 als ein Transducer verwendet werden, um Optik sensor-Ausgangssignale in variierende Widerstandswerte umzusetzen, die durch die neuronale Verarbeitung bestimmt werden können. Zum leichteren Verständnis wird die Beschreibung anhand des Beispiels fortgesetzt, bei dem die Konzepte der Erfindung zur Belastungsmessung angewandt werden, wobei dieses Beispiel jedoch nicht als einschränkend aufzufassen ist.
Fig. 4 zeigt eine geeignete Architektur zur Methodik einer Verarbeitung mittels eines neuronalen Netzes zwecks Bestimmen der Werte von "x" und der Belastung, E, oder alternativ der Werte von K und RSTRAIN. Grundlegend weist das neuronale Netz drei Unternetze auf, die mit 60, 62 und 64 gekennzeichnet sind. Das erste Unternetz 6ß dient zum Bestimmen des Wertes von "x" auf der Basis des Spannungs-Meßwertes an dem Sensorwiderstand 44 bei einer ersten Erregerfrequenz ω&sub1;. Das zweite Unternetz 62 dient zum Bestimmen des optischen Wertes bei der zweiten Frequenz ω&sub2;, in deren Bereich die Schaltung die maximale Empfindlichkeit gegenüber den Veränderungen in dem Element 20 zeigt. Eine adaptive Messung an 63 wird verwendet, um eine geeignete Erregerspannung an der Frequenz ω&sub2; (für die Quelle 42) zu wählen. Diese Größe wird derart gewählt, daß die Signalverarbeitung in vollem Ausmaß vorgenommen wird, um ein maximales Ausgangssignal an dem minimalen Wert von RSTRAIN zu erzeugen. Die Wahl der Größe des Erregersignals kann in praktischer Weise in den Lernprozeß für das neuronale Netzwerk einbezogen werden. Das dritte Unternetz 64 dient zum Bestimmen des Wertes des Sensor-Ausgangssignals (in diesem Fall, der Belastung) als Funktion der Spannung, die bei Anlegen der zweiten Erregerfrequenz gemessen wird.
Die neuronalen Netze werden in herkömmlicher Weise entwickelt und einem Lernvorgang unterzogen. Die Daten werden für die Schaltungsfrequenzreaktion über einen gewählten Frequenzbereich gewählt, während die Werte von "x" und der Belastung in bekannter Weise verändert werden. Diese Daten werden dann für den Lernvorgang der neuronalen Netze verwendet. Es wurden Präzisionsgrade von mehr als 1% erreicht.
Die Ausgestaltung der verwendeten neuronalen Netze erfolgt anhand deren detaillierter Beschreibung in "Structure-unknown non-linear dynamic Systems: identification through neural networks" von S. F. Masri, A. G. Chassiakos und T. K. Caughey in Journal of Smart Materials and Structures, Vol. 1, Nr. 1, pp. 45-56. Bei den Netzwerken wurde ein einzelner Eingang verwendet, der im voraus zu Komponenten eines orthogonalen polynomen Basis-Sets verarbeitet wurde, d. h. X → X, X², X³, ..., X&sup8;, so daß 8 Neuronen die Ausgangsauffächerungsschicht umfassen. Die Netze wiesen je nach den Erfordernissen zwei verborgene Schichten mit jeweils 10 Neuronen und eine Ausgangsschicht mit einem oder zwei Neuronen auf. Die Neuronen verwendeten Signoid-Aktivierungsfunktionen. Eine Auflistung des Lern-Algorithmus für eines der Netze mit einem einzigen Ausgangs-Neuron ist hier angefügt. Der Algorithmus ist in der Computersprache Microsoft Quickbasis(R) abgefaßt.
Fig. 5 und 6 zeigen ein Beispiel einer Ausführungsform einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Sensoreinrichtung 100, die in eine intelligente Struktur zum Abfragen eines eingebetteten Sensors integriert oder in diese eingebettet werden kann. Bei der beschriebenen Ausführungsform sind in die Sensoreinrichtung 100 die Komponenten integriert, die Teil der Sensorschaltung 22 gemäß Fig. 1 und 2 sind.
Gemäß Fig. 5 enthält die Sensoreinrichtung 100 ein Substrat 102. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat 102 ein dünnes, flexibles Blatt eines isolierenden Materials. Ein geeignetes Material ist z. B. KAPTON (Markenzeichen) mit einer Dicke von 0,254 mm (0,01 inch), wobei dies jedoch nur eine von zahlreichen Möglichkeiten darstellt. Die Abmessungen des Blatts werden zum Teil durch die Größe der in der Sensorschaltung 22 verwendeten Spule sowie durch Anzahl und Typ der in die Sensoreinrichtung 100 integrierten Komponenten bestimmt.
Eine Spule 104, die dem Beispiel der Sensorspule 14 in der Sensorschaltung 22 entspricht, ist integriert auf den Substrat angeordnet. Die Spule 104 ist auf dem Substrat 102 bevorzugt durch ein Kupferätzverfahren ausgebildet. Das Substrat 102 wird zunächst mit einer Kupferlaminierung versehern, z. B. mit 0,0178 mm (0,0007 inch) dickem Kupfer (Kupfer mit 14,19 Gramm or 0,50 Unzen). Anschließend wird eine Maske, wie sie bei herkömmlichen Photomaskierungsverfahren benutzt wird, zum musterartigen Ausbilden einer Photoresist-Schicht auf dem Kupferlaminat-Substrat verwendet. Dann wird ein geeignetes Ätzmittel aufgebracht, um das Kupfer zu entfernen, das nicht zu dem gewünschten Schaltungsmuster gehört. Bei dem beschriebenen Beispiel enthält das Schaltungsmuster 106 die Spule 104, mehrere Verbindungsleitungen 108 und mehrere Kontaktierungsinseln 110. Die Inseln und Leiter werden zur gegenseitigen Verbindung der Spule 104 und der anderen Komponenten der Sensorschaltung 22 verwendet. Komponenten wie die Kondensatoren C und CP2 können auf dem Substrat 102 oberflächenmontiert werden, wobei ihre jeweiligen Leiter mit den Inseln 110 verbunden sind. Eine derartige Anordnung ist z. B. bei 112 gezeigt, bei der der Kondensator C auf dem Substrat oberflächenmontiert ist und die Leiter mit den Inseln 110 verbunden sind.
Das Schaltungsmuster 106 kann ferner mit Kontaktierungsinseln 114 versehen sein, um elektrische Verbindungen mit einem Sensor herzustellen. Bei der hier als Beispiel beschriebenen Ausführungsform handelt es sich bei dem Sensor um einen Zugspannungsmesser, der auf einem Substrat 21 (z. B. Plexiglas) angeordnet werden kann, um den Widerstand des Messers als Funktion der auf dieses einwirkenden Spannung oder Belastung zu bestimmen. Somit ist der Zugspannungsmesser innerhalb oder auf der zu überwachenden Struktur eingebettet. Das Substrat 102 kann praktischerweise mit einem ausgeschnittenen Bereich 106 ver sehen sein. Der Zugspannungsmesser kann innerhalb des ausgeschnittenen Bereiches 106 nahe der Sensoreinrichtung 100 in der Struktur angeordnet werden und der Struktur durch kurze Drähte, die mit den Landbereichen 114 verbunden sind, zugeschaltet werden. Selbstverständlich braucht die Sensoreinrichtung nicht nahe dem Sensor positioniert zu sein; sie kann in der Tat - je nach dem Typ des verwendeten Sensors - voll dem Sensor entfernt angeordnet und durch geeignete Vorrichtungen mit diesem verbunden sein. In diesem Fall kann der Widerstands-Zugspannungsmesser durch elektrische Leiter zugeschaltet sein. Im Falle eines Sensors, der ein optisches Ausgangssignal erzeugt, kann der Sensor mit der Einrichtung 100 z. B. durch optische Fasern verbunden sein, die elektromagnetische Energie zu einem Photoresistor leiten, der auf dem Substrat 102 oberflächenmontiert ist. Gemäß einem weiteren Beispiel kann auch der Sensor selbst auf dem Substrat 102 oberflächenmontiert sein, etwa im Fall eines Temperatursensors. Somit ist ersichtlich, daß die Erfindung keinen Einschränkungen unterliegt, was den Typ des verwendeten Sensors, die Anzahl der Sensoren oder die bestimmte Schaltung betrifft, die als Teil der Sensorschaltung 22 verwendet wird. Die große Anzahl möglicher Anwendungsfälle und Anwendungszwecke macht eine Auflistung sämtlicher verfügbaren Optionen unmöglich. Die Sensoreinrichtung 100 kann bei Bedarf zusammen mit den Sensoren eingebettet sein und bildet in integraler Weise die Einrichtung zum Abfragen des Sensors und zum Rücksenden der Sensorinformation aus der Struktur über die Spule 104.
Wie hier bereits erläutert, ist die Sensorspule 14 magnetisch mit der Erregerspule 12 gekoppelt. Typischerweise ist die Erregerspule 12 außerhalb der zu überwachenden Struktur angeordnet, so daß die Sensordaten erfaßt und analysiert werden können. Somit kann die Erregerschaltung (einschließlich der Inseln zur Verbindung der Erregerschaltung mit der Quelle 42 mit variabler Frequenz) auch auf einem zweiten Substrat integriert sein, an dem Schaltungsmuster und oberflächenmontierte Kompo nenten ähnlich wie bei der Sensorschaltung 22 angeordnet sind. Beispielsweise können der Kondensator CP1 und der Sensorwiderstand 44 auf dem zweiten Substrat zusammen mit der Erregerspule 12 oberflächenmontiert sein. Die Grundkonzepte zum Ausbilden der beiden substratmontierten Schaltungen bleiben gleich, somit wird hier auf eine nochmalige detaillierte Beschreibung und Abbildung der integrierten Erregerschaltung verzichtet. Praktischerweise kann die Erregerschaltung auch in eine konforme Struktur, der die Sensorschaltung 100 übergelegt ist, eingebettet sein, um eine gute magnetische Kopplung zwischen den Spulen 12,14 zu erzielen. Die Spulen 12,14 brauchen jedoch nicht in direktem Kontakt miteinander zu stehen.
Es hat sich erwiesen, daß eine gute magnetische Kopplung zwischen den Spulen 12,14 erreicht werden kann, wenn jede Spule in engspiraligen Kreisen gemustert ist. Das Spulenmuster erzeugt ein doughnut-förmiges Magnetflußfeld mit guter Flußverbindung zwischen den Spulen. Die Leistung kann weiter verbessert werden, indem man die Spulenwindungen verdoppelt. Dies kann, z. B. bei der Sensorspule 14, in praktischer Weise durchgeführt werden, indem die Hälfte der Windungen auf einer Seite des Substrats 102 angeordnet wird und die andere Hälfte der Windungen auf der anderen Seite des Substrats angeordnet wird (vgl. die quergeschnittene Vergrößerung in Fig. 5). Die Spulenhälften sind vorzugsweise konzentrisch miteinander, und sie sind selbstverständlich elektrisch verbunden. Als Beispiel zeigt Fig. 6 eine mögliche Ausbildung der gegenüberliegenden Seite des Substrats 102 (wobei der Zugspannungsmesser aus Gründen der Übersicht weggelassen ist). Darauf ist eine zweite geätzte Spule 118 angeordnet, die dem Spulen-Muster auf der gegenüberliegenden Seite eng konform ist. Durchgangslöcher 120 sind zur gegenseitigen elektrischen Verbindung der Spulenhälften vorgesehen. Ein Vorteil der Ausgestaltung der Spulenwicklung in Form zweier Hälften an gegenüberliegenden Seiten des Substrats besteht darin, daß die Anzahl der Windungen verdoppelt werden kann, ohne daß ein unerwünscht breiter Spulenbe reich beansprucht wird. Anders ausgedrückt würde, da die Spulen spiralförmig sind, ein einfaches Vergrößern der Anzahl der Windungen dazu führen, daß die inneren Windungen von den äußeren Windungen beabstandet wären, wodurch im Effekt die Fähigkeit der Spulen zum Erzeugen konzentrierter Magnetfelder reduziert würde und die magnetische Kopplung zwischen den Spulen 12 und 14 möglicherweise auf ein nicht mehr verwendbares Niveau gesenkt würde. Somit ist es bei einigen Anwendungsfällen vorteilhaft, doppelseitige geätzte Spulenhälften vorzusehen. Selbstverständlich können zusätzliche oberflächenmontierte Komponenten an beiden Seiten des Substrats 102 angeordnet werden (nicht gezeigt).
Die Erregerspule kann auch in Form zweier verbundener Hälften an gegenüberliegenden Seiten des betreffenden Substrats ausgestaltet sein, das für die Erregerspule 36 verwendet wird.
Somit kann die Sensoreinrichtung 100 ziemlich klein ausgebildet sein und leicht in eine Verbundstruktur eingebettet oder anderweitig in diese integriert werden, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen, und die Sensoreinrichtung kann in praktischer Weise verwendet werden, um dem Sensor Energie zuzuführen, den Sensor abzufragen und die Sensorinformation durch kontaktlose Kopplung mit der Erregerschaltung aus der Struktur heraus rückzukoppeln. Zusätzlich zu den passiven Komponenten, z. B. den Widerständen, Kondensatoren und Spulen, können aktive Komponenten, z. B. Transistoren, Dioden und IC- Schaltungen, auf dem Substrat oberflächenmontiert sein, um eine verbesserte Signalverarbeitung und Datensteuerung innerhalb der intelligenten Struktur zu erzielen.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel der Ausbildung einer intelligenten Struktur mit zusätzlichen Merkmalen, die im folgenden beschrieben werden. Zum besseren Verständnis sind verschiedene Komponenten, die den zuvor anhand Fig. 1-6 beschriebenen entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen sowie angefügtem Apo stroph (') versehen. Bei diesem Beispiel weist die intelligente Struktur eine Sensoreinrichtung 200 auf, die einen oder mehrere Sensoren enthalten kann, die in die (in Fig. 7 nicht gezeigt) Struktur integriert oder eingebettet sind. Der Sensor 200 wird durch eine Energiequelle 202 aktiviert. Die Energiequelle 202 ist ferner geeignet, in die Struktur integriert zu werden, um eine kontaktlose Aktivierung des Sensors 200 zu ermöglichen. Die intelligente Struktur weist ferner eine Detektorschaltung 204 auf, um den Sensor 200 abzufragen und die Sensorinformation aus der Struktur heraus einer externen Verarbeitungsschaltung (z. B. der Steuerschaltung 48 in Fig. 1) zuzuführen. Die Detektorschaltung 204 enthält eine Sensorschaltung 206, die ebenfalls vorzugsweise in die Struktur eingebettet werden kann, und zwar auf ähnliche Weise wie bei der hier im Zusammenhang mit Fig. 5 und 6 beschriebenen Einrichtung. Die externe Schaltung enthält eine Signalkonditionierungselektronik 208, die praktischerweise auf ähnliche Art arbeiten kann wie die oben beschriebene Konditionierungselektronik 46 gemäß Fig. 1.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist der Sensor 200 ein Sensor auf optischer Basis, z. B. ein Optikfasersensor 210, der einen physikalischen Parameter der Struktur, z. B. Spannung oder Belastung, durch Modulieren der durch die optischen Fasern 212 übertragenen Lichtenergie detektiert. Ein derartiger Sensor ist in US-A-4,863,270 ausführlich beschrieben. Der Sensor 200 weist ferner eine Lichtquelle 214 auf, z. B. eine Laserdiode. Ein weiteres signifikantes Merkmal besteht darin, daß die Quelle 214 in die Struktur 214 eingebettet werden und durch die integrierte Energiequelle 202 aktiviert werden kann. Wahlweise ist eine Linse 216 vorgesehen, um die von der Diode 214 ausgegebene Lichtenergie in die optische Faser 212 zu fokussieren und zu kollimieren. Ein zweite wahlweise vorgesehene Linse wird verwendet, um das von dem Sensor 200 ausgegebene Licht auf ein sensorabhängiges Element 20' zu konzentrieren, das in diesem Fall ein lichtempfindlicher Widerstand ist, des sen Widerstand von der Intensität des auf ihn auftreffenden Lichtes abhängt. Der Widerstand 20' ist in die Sensorschaltung 22' integriert, die eine Sensorspule 14' und Kondensatoren CSI und CR aufweist, welche in ähnlicher Weise gewählt werden können wie die anhand Fig. 1 und 2 beschriebenen Kondensatoren C und CP2. Die Komponenten der Sensorschaltung können ähnlich wie bei der Einrichtung gemäß Fig. 5 und 6 in praktischer Weise mit der Spule 14' und den Verbindungsleitern integriert werden.
Die Sensorschaltung 22' ist selbstverständlich magnetisch mit einer Erregerschaltung 36' gekoppelt, die eine Erregerspule 12' aufweist, welche mit einer Quelle 42' variabler Frequenz verbindbar ist, und sie ist ferner mit einem Sensorwiderstand 44' zum Detektieren des Erregerstroms IP gekoppelt. Um der besseren Übersicht ist die parasitäre. Kapazität CP2 in der Erregerschaltung 36' weggelasssen (siehe Fig. 2), obwohl sie in der Praxis wie bereits beschrieben vorhanden ist.
Die Signalkonditionierungselektronik 208 weist eine Steilheits-Verstärkerstufe 220 auf, die den Strom Ip in eine Spannung konvertiert, die durch eine Gleichrichterschaltung 222 gleichgerichtet wird und dann durch eine Filterschaltung 224 gefiltert wird, um ein Gleichstrom-Ausgangssignal 226 zu erzeugen, das von einer (in Fig. 7 nicht gezeigten) Steuerschaltung 48' auf ähnliche Art wie bei der Arbeitsweise der Steuerschaltung 48 gemäß Fig. 1 und 2 verwendet wird. Die Steuerschaltung 48' ist derart konfiguriert, daß sie die auf die Erregerspule 12' aufgebrachten Erregerfrequenzen zwecks Abfragen des Zustandes der Widerstandes 20' steuert und ferner den detektierten Strom LP interpretiert, um das Sensor-Ausgangssignal zu bestimmen. Die Arbeitsweise der Steuerschaltung 48' und der Detektorschaltung 204 zum Abfragen des Sensors 200 können in praktischer Weise mittels des oben beschriebenen Ansatzes der adaptiven Verarbeitung implementiert werden, bei dem ein Verarbeitungsvorgang z. B. durch ein neuronales Netz werk durchgeführt wird. Deshalb wird die Beschreibung dieser Arbeitsweise nicht wiederholt, kann jedoch der Erläuterung zu Fig. 1-4 entnommen werden.
Die Stromquelle 202 weist eine Empfängerschaltung 228 mit einer Energiespule 230 auf, welche mit einem Vollweggleichrichter 232 verbunden ist, der Gleichrichterdioden 232a-d verwendet. Ein Abstimmkondensator 234 ist mit dem Gleichrichter 232 verbunden und ist derart gewählt, daß die Resonanzfrequenz der Gleichrichterschaltung 238 die zwischen der Energieversorgungs-Erregerspule 236 und der Energiespule 230 gekoppelte Energie maximiert. Die Energieversorgungs-Erregerspule 236 ist mit einer Hochfrequenz-Energiequelle 238 verbunden. Die Quelle 238 kann ein Einzelfrequenz-Oszillator sein, der auf die optimale Frequenz zum Koppeln von Energie an die Energiespule 230 abgestimmt ist, wie sie durch die Resonanzfrequenz der Empfängerschaltung 228 und die Eigenschaften der Kopplungskonstanten K&sub1; an dem Spalt zwischen der Erregerspule 236 und der Energiespule 230 bestimmt ist. Da die Energeiversorgungsschaltung nur zur Energieversorgung des Sensors verwendet wird, braucht die Erregerfrequenz nicht dynamisch zum Ausgleich von Schwankungen in den Eigenschaften des Spaltes eingestellt zu werden, solange sie in vertretbarer Weise nahe an der Frequenz liegt, an der eine wirksame Energieübertragung an dem Spalt erfolgt. Die Quelle 238 kann praktischerweise in die anderen externen Schaltungen der Vorrichtung integriert sein, z. B. die Signalkonditionierungselektronik 208, die Steuerschaltung 48' und die Erregerschaltung für die Detektorschaltung 204.
Die Stromquelle 202 enthält ferner einen Ladungsspeicherkondensator 240, der praktischerweise zum Filtern der durch den Gleichrichter 232 erzeugten Gleichstromenergie verwendet werden kann. Der Kondensator 240 ist mit der Lichtquelle 214 des Sensors 200 verbunden.
Die Komponenten der Energiequelle 202 der Empfängerschaltung können in ein Substrat integriert sein, das in ähnlicher Weise wie bei der Sensoreinrichtung 206 zur Einbettung in die Struktur geeignet ist. Sämtliche (durch die Box 250 umrandeten) einbettbaren Komponenten einschließlich der beiden Empfängerspulen 230,14' können bei Bedarf auf einem einzigen Substrat angeordnet sein. Die Komponenten des Sensors 200, z. B. die Lichtquelle 214, und das sensorabhängige Element 20 können ebenfalls auf einem einbettbaren Substrat angeordnet sein. Somit kann die in Fig. 7 gezeigte intelligente Struktur bei Bedarf integriert eingebettete Energiequellen- und Abfrageschaltungen aufweisen, die magnetisch mit externen Schaltungen verbunden sind, zu denen die Erregerschaltung 36', die Energieversorgungs-Erregerspule 236, 238, die Signalkonditionierungselektronik 208 und die Steuerschaltung 48' zählen.
Die Arbeitsweise des anhand Fig. 7 gezeigten und beschriebenen Beispiels der intelligenten Struktur ist einfach. Die Erregerspulen 236,12' werden konzentrisch übergelegt (z. B. unter Verwendung einer konformen Struktur), und die Quelle 238 wird mit einer Frequenz f&sub1; betrieben, mit der Energie an die Energiespule 230 zugeführt wird. Der in der Spule 230 erzeugte Strom wird gleichgerichtet, um eine Gleichstrom-Energiezufuhr zu der Lichtquelle des Sensors 202 zu bewirken. Der Sensor 202 detektiert die interessierenden strukturellen Parameter und erzeugt ein moduliertes Licht-Ausgangsssignal, das von dem lichtempfindlichen Widerstand 20' detektiert wird. Die Steuerschaltung 48' führt der Erregerspule 12' zwei Frequenzen f&sub2; und f&sub3; zu, die im vorbestimmt oder adaptiv bestimmt sein können. Vorteilhafterweise kann ein neuronaler Verarbeitungsvorgang verwendet werden, um, wie bereits beschrieben, die Frequenzen zu wählen und das Sensor-Ausgangssignal als Funktion des Widerstandes 20' und des Stroms IP zu bestimmen. Selbstverständlich ist die hier beschriebene Erfindung nicht nur in dem auf Fig. 7 basierenden eingeschränkten Sinn zu interpretieren. Bei den optischen Sensoren handelt es sich nur eines der möglichen Bei spiele. Die beschriebene Ausführungsform schafft eine Einrichtung zur Energieversorgung und Abfrage eines eingebetteten Sensors durch kontaktlose Kupplung, und zwar selbst für Sensoren, die amplituden- oder intensitätsabhängige oder durch Widerstand detektierte Ausgangssignale erzeugen.
Im folgenden wird anhand Fig. 8A und 8B eine weitere Ausführungsform einer intelligenten Struktur für drehende Teile beschrieben. Die intelligente Struktur kann z. B. in Form einer aus Verbundmaterialien bestehenden Motorantriebswelle realisiert sein. Dies ist selbstverständlich nur eines der möglichen Beispiele. In der Praxis kann das drehende Teil jedes beliebige drehende Teil sein, das aus Materialen besteht, die mit der Arbeitsweise der oben beschriebenen magnetisch gekoppelten Sensor- und Erregerspulen kompatibel sind. Die einbettbare Einrichtung, wie sie etwa anhand Fig. 5 und 6 beschrieben wurde, ist besonders gut geeignet zur Verwendung mit einer drehbaren intelligenten Struktur für oberflächenmontierte oder eingebettete Anwendungsfälle. Die in dem System gemäß Fig. 7 realisierten Gesamtkonzepte der intelligenten Struktur können in ähnlicher Weise für die drehbare intelligente Struktur gemäß Fig. 8A und 8B angewandt werden. Somit werden für die Ausführungsform gemäß Fig. 8A und 8B die dem Designer verfügbaren verschiedenartigen Aspekte des Systems nicht nochmals detailliert beschrieben.
Gemäß Fig. 8A und 8B ist eine drehbare Struktur oder ein drehbares Teil 300, z. B. eine Verbund-Antriebswelle, mittels einer Lagervorrichtung 302 oder einer anderen geeigneten Vorrichtung drehbar gelagert. Die Welle 300 ist als Hohlwelle gezeigt; es können jedoch alternativ massive Wellen verwendet werden. Die Welle wird durch einen Antriebsmechanismus gedreht, der für die Zwecke dieser Beschreibung nicht detailliert gezeigt ist, da es sich um jeden beliebigen Antriebsmechanismus einschließlich einer Welle oder Kupplung handeln kann und dieser nicht speziell Teil der Erfindung ist.
Die intelligente Struktur weist eine oder mehr Sensorschaltungen 322 auf, die z. B. in Form der Sensorschaltung 22 von Fig. 1 und 2 oder der Schaltung 206 von Fig. 7 realisiert sein können. Die Sensorschaltung 322 ist derart in die Welle 300 integriert oder auf andere Weise in diese eingebettet, daß sie sich mit dieser dreht. Der Einfachheit halber kann die Sensorschaltung 322 wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 in eine einbettbare Einrichtung integriert sein. Fig. 8B zeigt eine entlang der Linie B-B angesetzte Schnittansicht der intelligenten Struktur gemäß Fig. 8A. In diesem Fall existieren mehrere Sensorschaltungen 322, die mit gegenseitigen Abständen um den Umfang der Welle 300 angeordnet sind (in Fig. 8B sind drei gezeigt). Die Anzahl der verwendeten Sensorschaltungen wird auf der Basis des speziellen Anwendungsfalles und der Typen von Information, die in dem System überwacht werden sollen, vom Designer bestimmt. Wie in dem Beispiel gemäß Fig. 8B gezeigt ist, sind die Sensorschaltungen 322 direkt unterhalb der Außenfläche der Welle 300 eingebettet.
Die Lagervorrichtung 302 oder eine andere geeignete Vorrichtung, die stationär nahe dem Umfang der Welle befestigt ist, kann zum Halten und Positionieren einer oder mehrerer Abfrageschaltungen 340 verwendet werden. Die Abfrageschaltung 340 kann z. B. in Form der Schaltungen gemäß Fig. 1, 2 und 7 realisiert sein.
Die Verwendung mehrerer Sensorschaltungen 322 und Abfrageschaltungen 340 ermöglicht ein hochflexibles System, das zum Detektieren verschiedenartiger dynamischer Betriebsdaten der Welle verwendet werden kann. Es kann z. B. eine Sensorschaltung 322 in Verbindung mit einem Spannungssensor verwendet werden, wie bereits beschrieben. Wenn sich die Sensorschaltung in die Ausrichtung mit einer der Abfrageschaltungen 340 dreht, können die Daten in kontaktloser Weise von der Welle abgenommen werden. Die Periode, über die die Daten gekoppelt werden, während die Spulen einander passieren, steht in direkter Relation zu der Drehgeschwindigkeit der Welle 300. Durch Vergleichen der zeitbezogenen Phasen zwischen den durch unterschiedliche Abfrageschaltungen 340 abgenommenen Signalen kann auch die auf die Welle aufgebrachte Drehkraft bestimmt werden. Ferner können, die Abfrageschaltungen 340 verwendet werden, um Variationen in der Größe des Spaltes zwischen den sich drehenden Sensorspulen und den stationären Erregerspulen zu detektieren, wie bereits beschrieben. Mit dieser Information sind somit Daten verfügbar, die in direkter Relation mit Vibrationen und Verlagerungen der drehenden Welle innerhalb der Lagervorrichtung stehen.
Somit sind die Ausführungsformen der Erfindung verwendbar, um auf kontaktlose Weise dynamische Betriebsdaten und Zustände eines drehbaren Teils, zu denen - um nur einige zu erwähnen - Drehzahl, Drehmoment und Belastung zählen, zu erfassen und zu überwachen.
Obwohl die Erfindung anhand bestimmter Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, dienten diese nur zur Veranschaulichung und sind nicht als Beschränkung aufzufassen, und dem Fachmann werden weitere Variationen und Modifikationen der hier gezeigten und beschriebenen speziellen Ausführungsformen ersichtlich sein, die unter den in den Ansprüchen aufgeführten beabsichtigten Umfang der Erfindung fallen.

Claims

1. Vorrichtung zur kontaktlosen Abfrage eines Sensors (20, 20'), der ein Ausgangssignal erzeugt, mit einer Spuleneinrichtung (12, 14; 12',14') zur magnetischen Kopplung von Signalen über einen Spalt (30) zwischen einer Sensorschaltung (22, 206), die eine Sensorspule (14, 14') aufweist, und einer Abfrageschaltung (36), die eine mit einer Frequenzquelle (42, 42') verbundene Erregerspule (12, 12') aufweist, wobei die Erregerspule (12, 12') einen in ihr durch den Strom der Sensorspule (14, 14') induzierten Strom führt, der dem Ausgangssignal des Sensors (20, 20') entspricht, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (48), die die Frequenzquelle (42, 42') so steuert, daß diese der Erregerspule (12, 12') zwei unterschiedliche Betriebsfrequenzen zuführt, derart, daß in dem durch die Sensorspule (14, 14') in der Erregerspule (12, 12') induzierten Strom der Spalt (30) kompensiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (48) die Frequenzquelle (42, 42') so steuert, daß eine erste der Betriebsfrequenzen an die Erregerspule (12, 12') ausgegeben wird, um einen in Beziehung zu dem Spalt (30) stehenden Parameter zu bestimmen, und eine zweite der Betriebsfrequenzen an die Erregerspule (12, 12') ausgegeben wird, um das Ausgangssignal des Sensors (20, 20') in Abhängigkeit von dem durch die Sensorspule (14, 14') in der Erregerspule (12, 12') induzierten Strom zu bestimmen, wobei die zweite Frequenz als Funktion des mit dem Spalt (30) in Beziehung stehenden Parameters gewählt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom der Sensorspule (14, 14') in Abhängig keit von dem Ausgangssignal des Sensors (20,20') amplitudenmoduliert ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschaltung (22, 206) eine Resonanzschaltung ist, die die Sensorspule (14, 14') und eine Kapazität (24, CR) aufweist, wobei der Sensor ein Sensorelement (20, 20') aufweist, das den durch die Sensorspule (14, 14') fließenden Strom in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Sensors (20, 20') variiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement ein Zugspannungsmesser mit einer Widerstandscharakteristik ist, die den durch die Sensorspule (14, 14') fließenden Strom moduliert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (48) die erste Frequenz in einem Bereich wählt, in dem die Sensorschaltung (22, 206) ein erstes Ausgangssignal erzeugt, das im wesentlichen unabhängig von dem Sensor (20, 20') ist, und die Steuereinrichtung (48) die zweite Frequenz in einem Bereich wählt, in dem die Sensorschaltung (22, 206) ein zweites Ausgangssignal erzeugt, das mit dem Ausgangssignal des Sensors (20, 20') in Beziehung steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor einen variablen Widerstand (20) aufweist und daß die Sensorschaltung (22, 206) eine RLC-Schaltung mit einer Resonanzfrequenz aufweist, bei der die Stromamplitude in der Sensorspule (14) eine detektierbare Funktion des variablen Widerstandes (20) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine neuronale Netzeinrichtung aufweist, die den mit dem Spalt in Beziehung stehen den Parameter als Funktion des ersten Ausgangssignals der Sensorschaltung (22, 206) bestimmt, um die zweite Frequenz als Funktion des mit dem Spalt in Beziehung stehenden Parameters zu wählen, und um das Sensor-Ausgangssignal als Funktion des zweiten Ausgangssignals der Sensorschaltung (22, 206) zu bestimmen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die neuronale Netzeinrichtung drei neuronale Unternetze (60, 62, 64) aufweist, um den mit dem Spalt in Beziehung stehenden Parameter zu bestimmen bzw. die zweite Frequenz zu wählen bzw. das Sensor-Ausgangssignal zu bestimmen.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (20, 20') und die Sensorschaltung (22, 206) in einer kombinierten Schaltung enthalten sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrageschaltung (36) extern von der Struktur angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (20, 20') und die Sensorschaltung (206) in einer Struktur enthalten sind, und gekennzeichnet durch eine in der Struktur enthaltene Energiequelle (202) zur Energieversorgung des Sensors (20').

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle eine Versorgungsspule (230) aufweist, die magnetisch mit einer Erregerspule (236) verbunden ist, um einen Versorgungsstrom zu erzeugen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspule (230) mit einer Gleichrichter- und Kondensator-Anordnung (232) verbunden ist, um eine Gleichstromquelle zu bilden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspule (230) und die Gleichrichter- und Kondensator-Anordnung (232) auf einem dünnen, flexiblen Substrat (102) angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspule in einem kreisförmigen spiraligen Muster aus geätztem Laminat auf dem Substrat ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschaltung mindestens eine Komponente aufweist, die auf einem dünnen, flexiblen Substrat angeordnet ist, welches in eine Struktur einbezogen werden kann, wobei die Sensorspule in einer planaren gewickelten Konfiguration ebenfalls auf dem Substrat angeordnet ist.

18. Verfahren zur kontaktlosen Abfrage eines Sensors (20, 20'), der ein Sensor-Ausgangssignal in Abhängigkeit von Veränderungen eines physikalischen Parameters erzeugt, mit den folgenden Verfahrensschritten: Verwenden des Sensor-Ausgangssignals zum Verändern des Wertes einer variablen Komponente (20, 20') in einer Sensorschaltung (22, 206), die eine Sensorspule aufweist, Zuführen eines elektrischen Frequenz-Eingangssignals aus einer eine Erregerspule aufweisenden Abfrageschaltung an die Sensorschaltung (22, 206) durch magnetische Kopplung über einen Spalt (30), und Bestimmen des Sensor-Ausgangssignals als Funktion des Frequenz-Eingangssignals, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schritt des Zuführens des Frequenz-Eingangssignals an die Sensorschaltung (22, 206) das Frequenz-Eingangssignal mit ersten und zweiten unterschiedlichen Betriebsfrequenzen zugeführt wird, derart, daß ein Schaltungs-Ausgangssignal (44, 44') erzeugt wird, das von dem Wert der variablen Komponente (20, 20') abhängt und in dem der Spalt (30) kompensiert ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schritt des Zuführens des Frequenz-Eingangssignals an die Sensorschaltung (22, 206) das Frequenz-Eingangssignal ausgegeben wird als ein Erst-Frequenz-Eingangssignal mit einer ersten Frequenz, die einem derartigen Frequenzbereich liegt, daß ein erstes Schaltungs-Ausgangssignal erzeugt wird, das unabhängig von dem Wert der variablen Komponente (20, 20') ist, und als Zweit-Frequenz-Eingangssignal mit einer zweiten Frequenz, die einem derartigen Frequenzbereich liegt, daß ein zweites Schaltungs-Ausgangssignal (44, 44') erzeugt wird, das von dem Wert der variablen Komponente (20, 20') abhängig ist, und daß in dem Schritt des Bestimmens des Sensor-Ausgangssignals das SensorAusgangssignal als Funktion der ersten und zweiten Schaltungs-Ausgangssignale bestimmt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Zuführens des Zweit-Frequenz-Eingangssignals einen Schritt enthält, in dem die zweite Frequenz und die Größe des Zweit-Frequenz-Eingangssignals als Funktion des ersten Schahtungs-Ausgangssignals gewählt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Zuführens des Erst-Frequenz-Eingangssignals einen Schritt enthält, in dem die erste Frequenz in einem derartigen Bereich gewählt wird, daß das erste Schaltungs-Ausgangssignal von einem Parameter des Spalts abhängig ist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei der magnetischen Kopplung zwei Spulen (12, 14; 12',14') magnetisch miteinander gekoppelt werden, um den Sensor (20) abzufragen, indem der durch die Spulen fließende Strom in Relation zu dem Sensor-Ausgangssignal variiert und detektiert wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensor-Ausgangssignal den elektrischen Widerstand der variablen Komponente (20, 20') variiert.

24. Verfahren nach einem der Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Komponente ein Widerstands-Zugspannungssensor (20, 20') ist.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Wählens der ersten und zweiten Frequenzen und des Bestimmens des Sensor-Ausgangssignals jeweils durch ausgebildete neuronale Netzwerke durchgeführt werden.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und Ausgangssignale durch zwei im wesentlichen identische Spulen (12, 14; 12, 14'), die durch den Spalt getrennt sind, zu und aus der Schaltung (22, 206) gekoppelt werden.