专利名称：用于对机械部件进行环境监测的传感器系统以及用于控制和分析该传感器系统的方法
技术领域：
本发明涉及根据主权利要求和从属权利要求的前序部分所述的一种用于对机械 部件进行环境监测(UmfeldUberwachimg)、尤其是碰撞识别的传感器系统以及一种用于控 制和分析该传感器系统、尤其是用于在制造或装配自动机的情况下监测对机器或机器零件 的接近的方法。在这样的制造或装配自动机中，诸如该制造或装配自动机的操作员或服务人员等 人的聚集可能导致与运动的机器或机器零件发生危及这些人和/或机器功能的碰撞。本身 公知的是，可以在及早识别这样的接近的情况下或者甚至在接触的情况下采取措施，以便 避免碰撞或者至少减小碰撞的能量。这常常是准许人和机器同时在同一工作区中逗留的重 要前提条件。此外本身公知的是，为了自动识别接近和/或碰撞，利用不同的传感器原理和传 感器、例如光学传感器、超声波传感器、或者电容性传感器或者也利用通过压电效应的接触 力检测来对机器进行环境监测。这样的传感器通常可以用于特殊情况，以便例如监测具有 限定的运动轨道的形状简单的机器零件，使得可以在识别出人的接近的情况下例如触发机 器的驱动装置或加工机组的安全的制动。另一方面，在危险机器零件的成形相对复杂的表面或者复杂轨道运动的情况下， 仅能以非常高的成本或者可能根本不能进行无间隙的传感器环境监测。因此，例如在机器 表面的棱边或侧凹处可能由于遮蔽而阻碍光学检测，或者也可能不能将传感器集成在过小 的安装空间中。对于对操作员安全的机器而言，常常为了满足安全标准而使用具有两个彼此独立 的拥有诊断功能的安全通道的安全设备，使得系统中的各个故障不导致安全性的缺失。一 个安全通道的故障被可靠地识别并被报告，而第二安全通道维持安全功能。在这样的应用 中，需要双重的和独立实施的传感器监测。未知的是，用于可靠地利用两个可以与成形复 杂的表面灵活地相适应的安全通道来布局机器的传感器。还有一种也许可能的用于防止碰撞的方案是，在诸如装配自动机的机器中，常常 使用护栏，使得通过强制性地将人同机器隔开来保证操作员的安全。那样的话，在此可以例 如为了零件递送而在护栏中存在安全的闸门。但是利用这样的护栏不再能够在制造或装配 自动机处直接协作，因为在此人和机器不能同时使用同一工作区。具有类似效果的另一方案是所谓的双手操作，其中机器仅在操作员的双手分别操 作按钮时才工作。在此，所述按钮被布置在工作区之外距离远得使得基本上排除运转的机 器对操作员的威胁。因此在这样的方案中，虽然人和机器原则上能够使用同一工作区，但是 不是同时。例如不能由人和机器执行共同的处理过程。从DE 20 2005 002 475 Ul中，专门针对工业机器人情况下的碰撞识别的应用而 公知有一种泡沫材料覆盖物，其中该泡沫材料覆盖物装备有识别接近的触觉和电容性传感 器。但是这样的装置在不同工业机器人上的安装常常是费事的。
发明内容
本发明的出发点是一种用于利用至少一个电容性传感器元件对机械部件进行环 境检测的、可以安装在机器或机器零件的表面上的传感器系统。根据本发明，所述至少一个 传感器元件有利地由挠性的导电覆盖层和电绝缘的覆盖层的层构造构成，其中覆盖层的导 电面被设置为在侧面通过位于其之间的绝缘覆盖层被间隔开，使得在导电面之间形成电场 线，所述电场线在改变场的身体例如人的接近和/或接触的情况下以可测量的形式发生改 变。在此，另外的覆盖层形成弹性的可压缩层中的电场线，使得与传感器元件的表面 垂直地作用的力由于该层的压缩而导致可测量的电容变化。因此可以将本发明的任务看成是，应实现人和运动的机器同时在相同工作区中的 对操作员安全的协作。之前所推荐的根据本发明的具有�？榛乖斓拇衅飨低晨梢砸韵喽缘偷某杀� 应用于运动的机器零件，使得人的接近和/或与人的接触被可靠地识别并且这些事件可以 在电信号输出端处被报告。在此，可靠的识别意味着，传感器元件的故障也可以在不危及 人的情况下被迅速诊断出。尤其是，利用根据本发明的挠性覆盖层，也可以以简单方式用该 传感器系统无间隙地覆盖机器上的成形复杂的表面。因此，如果该传感器系统报告接近或接触，则上级的安全控制可以触发有效的保 护措施，例如可以接近或接触的情况下进行运动暂停或者在通过自诊断识别传感器的故障 的情况下还进行机器的关闭和服务呼叫。具体而言，根据本发明的传感器系统被构造为使得存在一种极性的中央的导电面 并且在所述传感器元件的边缘处或者在相邻传感器元件上存在另一极性的通过绝缘覆盖 层包围该中央的导电面的第二导电面，并且在所述面之间形成电场线。在此，所述覆盖层 的层构造可以有利地在上面的覆盖层中由具有电场线构型的导电面、位于其下的绝缘覆盖 层、位于其下的作为屏蔽电极的导电面、以及接着位于其下的机器侧的绝缘覆盖层构成。可替代地，在上面的覆盖层中，覆盖层的层构造也可以由下列项构成用于在操作 员侧的空间中形成电场线的导电面；位于其下的绝缘的覆盖层；位于其下的作为屏蔽电极 的导电面；以及另一绝缘覆盖层；具有至少一个电极的覆盖层；可压缩和导电的覆盖层；另 一屏蔽电极；以及接着位于其下的机器侧的绝缘覆盖层，其中两个或者更多电极之间的电 容可以通过来自外部的触觉(taktilen)压力而以可测量的方式被改变。通过所推荐的对接近和接触或碰撞的分开识别，还存在两个彼此独立地工作的传 感器通道，所述传感器通道在出现故障的情况下由于其冗余性而保证特别高程度的安全 性。如果多个传感器元件可以通过侧面接触或其它的连接而被互连，则根据本发明的 传感器系统是特别有利的。在一个、多个或所有传感器元件上可以通过简单的方式在机器侧安装用于容纳电 子测量电路部分的挠性的电路板，所述电路板可以彼此接触或者连接并且可以连接到中央 电子分析设备上。导电的覆盖层或面可以分别由挠性的导电的垫、优选地由铜羊毛(Kupferviles)制成，并且电绝缘的覆盖层由类似于纺织物的织物、优选毡、塑料、或者泡沫材料构成，并且 所述覆盖层可以适应于复杂的三维形状并且优选能够通过机械地联合(Verknilpfen)不 同地成形的基本元件或者也通过剪裁和粘贴而被施加在所述三维形状上。利用根据本发明的用于控制和分析前述传感器系统的方法，电子分析设备可以循 环地对所有传感器元件进行寻址并且检查是否已经在至少一个传感器元件处发生与参考 值相比显著的电容改变，使得相应地在输出端处用信号通知机器或机器零件的环境中的接 近或碰撞。为此需要迅速地将所有传感器元件的接近识别和碰撞识别的开关状态传输给分 析设备。为了对线性链接的传感器元件进行寻址，可以通过如下方式来利用传感器元件的 顺序沿着链在必要时通过多个传感器元件将数据转送给分析设备。另外，每个传感器元件都分别针对两个分系统接近和碰撞识别而包含数据输入端 和数据输出端，其中第一传感器元件的输出端与电子分析设备相连接，并且每个传感器元 件的输入端都与接下来的传感器元件的输出端相连接。所有传感器元件都获得共同的用于 信息传送的时钟脉冲，使得所有传感器元件的关于开关状态的信息可以利用每个时钟脉冲 分步地逐元件地被传输给电子分析设备。那么，每个传感器元件也可以以另一较慢的循环经历自诊断，其中可以以本身公 知的方式给所述传感器元件施加检查电压或者特征性的信号模式。总的来说，本发明得出以下优点-可以对单独成形的表面进行大范围的、被实施为双通道的监测。-例如根据地毯块(I^ppichfliesen)的原理，具有可机械或电地相互排列的传感 器元件的传感器系统的�？榛乖焓强赡艿�。-具有几种几何基本形状(例如方形、矩形、三角形)的传感器元件的基本组使得 能够实现针对几乎任意的表面的、复杂成形的传感器表层的灵活构造。-传感器元件可以被施加在纺织物式的支承体上，其中可以使用灵活地适应于机 器的表面形状的任意材料、比如织物、毡、塑料、泡沫材料等等。-可以使用具有多层印制导线的可剪裁的膜，由此也可以在没有特殊制造的情况 下无间隙地覆盖复杂表面。-该传感器系统可以迅速并且简单地例如利用粘合材料或者作为多个传感器元 件的复合体被应用，该复合体用粘合带保持在一起并且通过传感器元件的连接而由基本元 件构成，所述传感器元件将借助对实施例的描述进一步予以阐述。由于由多个传感器元件 构成的传感器表层可以例如出于服务或维护目的而被迅速地取下和安装，因此仅仅产生少 的劳力成本并且存在小的机器停机时间。-出于这样的服务和维护目的，高的安全标准由如下的两个彼此独立的同时作用 的传感器系统来提供接近识别(非接触式)和接触力识别(触觉式)。针对两个系统都 有自诊断。-安全的运行可以通过传感器系统的安全的自诊断来保证。对于两个同时作用的 传感器系统接近识别(非接触式)和接触力识别(触觉式)也存在自诊断。-两个传感器系统(接近识别、接触力识别)也可以单独地实现，以便例如在合适 的应用中实现成本优势。
_接近识别既对大间距处的快速运动(动态功能)作出反应，也对物体在附近区域 中的静态存在性作出反应(静态功能)。因此，由于大间距处的静态物体(例如环境中的机 器零件)造成的错误触发被避免。-通过针对所有传感器元件(静态和动态功能)统一的传感器开关阈值而产生数 据应用的低成本。
下面借助附图的图中所示出的实施例来阐述本发明。在此图IA和IB以不同的视图示出了用于形成电容性传感器元件的挠性覆盖物的第一 实施例。图2以俯视图形式示出了根据图1的传感器元件，其具有场力线和用于将多个传 感器元件彼此结合的连接元件。图3A、3B和3C示出了根据图2的连接元件的布置的变型方案和传感器元件上的 相应电路板的布置的变型方案。图4示出了具有用于形成电容性碰撞探测器的另一电极的传感器元件的第二实 施例。图5A、5B和5C示出了根据图1的具有挠性覆盖层并且具有用于适应于不同表面 的切割线的实施例。图6示出了具有不同几何形状的传感器元件。图7示出了具有连接成传感器表层的多个几何形状不同的传感器元件的传感器 系统。图8、8A、8B、8C示出了传感器元件的不同覆盖层的层式构造。图9A和9B示出了对传感器元件的接近的示意图。图10示出了传感器元件中的接近和接触力传感机构的电路部分的原理图。图11示出了分别具有接近传感机构的多个传感器元件和中央电子装置的原理 图。图12示出了分别具有接触力传感机构的多个传感器元件和中央电子装置的原理 图。
具体实施例方式图IA中示意性地示出了具有层式构造的电容性传感器元件1，该电容性传感器 元件1由如下项构成挠性的、例如类似于纺织物的导电的覆盖层2(例如Cu-羊毛)；电 绝缘的、例如同样为类似于纺织物的覆盖层3(例如织物或者海绵状橡胶(Moosgummi))； 作为屏蔽电极4的另一导电的覆盖层；以及另一电绝缘的覆盖层3，该覆盖层3在此可 以例如通过粘贴而被施加在未示出的机器上。另外，可以辨认出在覆盖层2的等位面 (Potenzialf Iachen )6与7之间形成的电场线5。图IB中以俯视图以方形构造示出了面6和7以及绝缘的覆盖层3。在此，等位面 6是信号电极，并且等位面7是测量电极。图2中以另一视图示意性地示出了根据图1A、B的传感器元件1，其中在此还示意性地标示出用于耦合另外的传感器元件1的插8和插头9。在此，等位面6与7之间的电容 例如通过电场中的接近的人体部位(例如机器操作员的手，其由箭头10标示出)而被改变 并且由此可以被检测，并且可以导致信号通知或者直接的反应、例如运动停止。在此，插座8和插头9可以被布置在传感器元件1的不同角处以用于任意地互连。 从图3A中可以得知一种布置，其中电路板11利用插口 8和右下方的插头9与电子分析电 子装置的部分相连接；图3B示出了具有右上方的插头9的布置，并且图3C示出了具有左上 方的插头9的布置。由此所有传感器元件1的电路板11上的电路都可以通过用于能量和 数据传输的电线路与分析电子装置相连接。因此为了将布线成本保持得低，可以通过串联(例如按照链式拓扑)对传感器元 件1进行布线。因此，每个传感器元件1都拥有插口 8和具有插头9的连接线缆，利用所述 连接线缆可以建立到下一个传感器元件1的连接。在此，到下一个传感器元件1的连接线 缆可以根据需要被置入传感器元件1的不同槽中。因此，在每个传感器元件1中都集成有电子电路，所述电子电路优选地被构造在 作为电路板11的挠性支承体上。这些电路将所测量的电容转换成电信号。并且将其传输 给后面将阐述的分析设备。此外，在此还可以集成有如下的电路部分所述电路部分允许用 于检查传感器元件1的所有与安全相关的功能的周期性自诊断。图4示出了传感器元件12的另一实施例，该传感器元件12具有与到现在为止所 阐述的接近传感机构相比附加的、以通过接触的碰撞传感机构形式的功能。为此在覆盖层 13中插入另外的电极。在此，覆盖层13中的电极之间的电容充当测量参数，使得在传感器 元件12与物体碰撞的情况下，覆盖层13的电极与附加的电极14之间的弹性的绝缘覆盖层 5被挤压并且由此覆盖层13的电极之间的电容减小。该变化被检测并且可以作为碰撞在信 号输出端处被报告。因此，传感器元件1和12是用于优选检测人和机器的接近和/或碰撞时的接触力 的柔软的可弯曲的测量元件，其中两个基本功能可以单独地或者一起被实现。这样的传感 器元件1和12可以以几种如下的几何基本形状(方形、矩形、三角形)来实施所述几何基 本形状可以相互排列，以便由此可以无间隙地覆盖几乎任意形状的表面。多个相互排列的 传感器元件1和12形成后面将进一步描述的传感器表层，所述传感器表层可以像外套那样 套在要防护的机器零件上。在此，传感器表层片段也可以由多个可以彼此相对移动的传感 器表层片段构成。例如，对6轴机器人的防护需要将传感器表层分成6个机械上分开的片 段，所述片段分别完全覆盖一个轴。在机器运动期间，各个传感器表层片段本身不变型，但 是可以相对于彼此移动或扭转。从图5A、5B和5C中可以得知传感器元件1或12的实施方式，其允许用于将相应传 感器1或12的形状与机器表面相适应的切割线15的例子。由此可以通过连接多个传感器 元件1或12来形成所谓的传感器表层，所述传感器表层可以覆盖任意三维的表面结构。那 么，为了覆盖这样的较大的表面，可以将多个传感器元件1或12分步地放置、例如以链的形 式被布置到表面上，并且在狭窄位置处、在边缘处、或者在弯曲的面上，所需的传感器元件1 或12以适应的形式被分配。传感器表层的具体的构造可能性在后面根据图6和图7来描 述。接着，传感器元件1和12例如通过利用纺织物粘合带进行覆盖表面的贴覆而被彼此固定。之后，总复合体可以被从表面取下，并且所有的传感器元件1或12都可以利用其 插口 8和插头9电连接成链。在此，为了跨越较大的距离，也可以使用延长线缆。之前所描述的该复合体现在形成所谓的传感器表层。该传感器表层被放置到机器 表面上，并且利用粘合带或者也通过套上定制的人造革顶盖来进行固定。该复合体可以例 如出于服务和维护目的容易地被安装和拆除。最后，该传感器表层与后面将阐述的分析单 元相连接。图6中示出了具有不同几何形状、比如方形、矩形或三角形的传感器元件1或12 的实施例，其中在此还可以辨认出穿孔31，所述穿孔31为了链接传感器元件1或12而适于 让例如粘扣带(Klettband)穿过。图7示例性地示出了作为具有借助于粘扣带32并被链接 的传感器元件1或2的传感器表层的这样的布置。由此多个传感器元件1或12通过可松 开的连接、例如也根据绳/孔原理(Kodel-zloch-Prinzip)(类似于鞋带穿过传感器元件的 边缘处的孔的绳)利用粘扣带、利用按扣、或者利用粘合带机械地彼此连接成传感器表层。 传感器表层的所有的传感器元件1或12都利用线缆电串联，并且通过第一传感器元件1或 12与后面将进一步描述的中央单元连接。借助图8，将作为图4的改进方案的另一实施例来阐述用于近接识别和碰撞识别 的具有挠性的类似于纺织物的覆盖层的电容性传感器元件12的层式构造，其中所述覆盖 层中一些是导电的，而其它的是绝缘的。在此，下面所阐述的所示覆盖层可以通过成面的粘 合而被连接成大约9mm厚的层堆叠。作为最上面的覆盖层，弹性的绝缘覆盖层41用于在操作员侧的电无源化、用于屏 蔽环境影响、以及充当光学封闭物。接着是作为结构化的铜-羊毛(Kupfer-Vlies)的导电的覆盖层42，其中根据图 8A，等位面A充当作为接近传感器的传感器元件1的测量电容的发送面，并且等位面B充当 所述测量电容的接收面。处于其下的是绝缘覆盖层43，所述绝缘覆盖层43防止覆盖层42与后面的覆盖层 44之间的电接触。覆盖层44是整面的等位面，其用于对相邻的在此未示出的传感器元件进行电容 测量，并且尤其是用于将近场传感器作用方向向操作员侧限制；阻隔机器侧方向的电�。� 阻隔从机器侧到近场传感器中的散射；阻隔从操作员侧到接触力传感器的散射；以及将接 触力传感器的电场限制于下面将进一步阐述的覆盖层47。然后接着又是绝缘覆盖层45，其防止覆盖层44与覆盖层46之间的电接触。导电的覆盖层46再次是根据图8的结构化的铜_羊毛，其中等位面4被构造成用 于作为接触力传感器的传感器元件12的测量电容的相同的测量电容D/El、D/E2、D/E3和 D/E4。在此，4个相同的测量电容D/E1、D/E2、D/E3和D/E4分别覆盖传感器元件12的面积 的四分之一。处于其之下的是例如由海绵状橡胶制成的厚度为大约1. 7mm的作为力/行程转换 器的覆盖层47 接触力压缩该海绵状橡胶，并且由此覆盖层46与覆盖层48之间的间距减 �。⑶矣纱烁哺遣�46的电极之间的电容改变。覆盖层47的海绵状橡胶附加地充当用于 提高被动安全性的机械缓冲器。导电的覆盖层48再次是结构化的铜_羊毛，并且处于地电势。根据图8C的结构化部F仅仅用于改善传感器元件1弯曲时的机械延展性和可锻性，并且用于将作为接触力 传感器的传感器元件1的电场限制于覆盖层47。接着作为覆盖层49的再次是作为机械缓冲器的海绵状橡胶(例如具有大约5mm 的厚度)，其用于提高被动安全性，用于在海绵状橡胶的空腔中容纳例如两个在此未示出的 电路板，其中可以布置用于接近传感机构的电路板和用于接触力传感机构的电路板。因此， 每个传感器元件1都可以在所述电路板上包含用于接近传感机构的微控制_控制以及与之 分开的用于接触力传感机构的微控制器-控制。另外，覆盖层49用于在机器侧的电无源 化。因此，传感器元件1的控制也被紧凑地集成在挠性的支承体中，其中相应的电路 部分将要测量的电容转换成电信号并且将所述电信号传输给中央电子装置。此外，可以存 在如下的电路部分所述电路部分允许用于检查传感器元件1的所有与安全相关的功能的 循环的自诊断。所有的控制都通过下面将进一步阐述的用于能量和数据传输的电线路与中央电 子装置相连接。为了将布线成本保持得低并且使得能够对传感器元件1进行单义的寻址， 所述传感器元件1优选地通过串联、例如以链式拓扑来布线，其中传感器元件1的地址例如 从其在链中的位置得出。现在将借助图9A和9B阐述传感器Ii如何借助具有开放的场空间的电容器的电 容改变来检测人体部分50或其它物体的接近。可利用来作为测量电容的是传感器元件1 i的覆盖层42中的两个等位面A和B (参 见图8A)；所述等位面形成测量电容Cii，其中在此，等位面C(参见图8B的覆盖层44)处于 地电势。测量电容Cii的两个等位面也可以分布到根据图9B的两个相邻的传感器元件Ii 和Ij上，其中所得出的优点是能够实现较大的检测区域并且也可以在传感器元件Ii与 Ij之间的间隙处执行检测。那么，左边的传感器元件Ii中的等位面由等位面A(覆盖层42) 或者C (覆盖层44)或者二者的电互连构成；右边传感器元件Ij中的相应等位面是面B (覆 盖层42)并且其形成测量电容Ci j。在初始化具有传感器元件Ii和Ij的传感器系统时确定要监测测量电容Cij之 中的哪些。要监测的测量电容Cij被测量并且被一次性地存储为初始值Cij0。在运行期 间，要监测的测量电容Cij周期性地以恒定的时间帧(Zeitraster)、通常ΙΟΟΗζ-ΙΟΟΟΗζ被 测量。通过分析这些数据，可以导出关于接近的信息。下面描述两种优选的方法，这些方法可以彼此补充并且因此二者可以同时使用。 如果所述方法至少之一识别出接近，则接近被报告。a)静态的接近识别如果对于至少一个测量电容Cij有下列情况成立，则接近被识别I (Cij-CijO)/CijO > Tstat ；Cij 当前的电容测量值CijO 在初始化时所存储的测量值Tstat 可应用的阈值，单位％。也就是说，如果至少一个电容测量值Cij同其初始化值的偏离大于Tstat，则接近 被识别，其中Tstat的典型的取值范围是10% -50%。b)动态的近接识别
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如果对于至少一个测量电容Cij有下列情况成立，则接近被识别d(Cij/CijO)/dt > Tdyn ；dt 观测时间段；Tdyn 可应用的阈值，单位％ /s也就是说，如果至少一个电容测量值Cij在任意的时间段dt内具有大于 (Tdyn*dt)的改变，则接近被识别，其中dt的典型的取值范围是0. Is-Is并且Tdyn的典型 的取值范围是10% /s-100% /s。Tdyn和Tstat在系统应用中被确定。通�？梢哉攵阅？槭焦乖斓拇衅鞅聿愕乃械拇衅髟�1或li、lj使用统一 的数据，其中在特殊情况下也可以规定为各个传感器元件1 ；li，lj个别地确定极限值。由于电容改变在接近的情况下不成比例地增加，因此动态接近识别在大速度的情 况下造成大的操作距离，并且在小速度的情况下造成小的操作距离。这迎合了如下物理定 律在大速度的情况下需要较大的制动行程。因此通过动态功能有利于无碰撞的运行。同时避免了在低速度的情况下的错误触发，因为慢的电容改变不会导致超过阈值 Tdyn。因此，传感器表层附近的合乎规定地慢速运转的机器零件不导致错误触发。静态接近识别也在低速度的情况下防止对身体部分的挤压，因为在低于通过 Tstat所确定的最小间距的情况下总是进行安全的机器停止。碰撞识别时的运行方式如下。作为接触力传感器的传感器元件1的测量电容由根据图8 ；8A;8B，8C的结构D和E 构成。图8B中所示的、结构E到多个相同单结构(E1-E4)的划分以及对电容(⑶E1，⑶E2， ⑶E3，⑶E4)的连续测量提高了灵敏度并且使得能够更精确地定位传感器元件1上的施力 位置，但是不是强制性必须的。通过接到地电势上的等位面C(覆盖层44)和F(覆盖层48)向外朝着两侧屏蔽测 量电容的场空间，使得由于外场造成干扰被阻挡。与由传感器元件1构成的传感器表层的机械接触主要造成柔软的海绵状橡胶层 压入覆盖层47和49中。由此等位面F移近得更接近测量电容D/E，并且减小所述测量电 容，使得可以从所测量的值反映出关于机械接触的信息。为此可以使用不同的方法。一种 优选的非常简单的方法在于如果测量电容有如下表现，则报告接触对于所有的i = 1. . . n(n 传感器元件上的测量单元的数目)有⑶Ei > CT在此，可应用的阈值CT被调节为使得实现安全的运行。根据下面的图阐述具有传感器元件1的传感器系统的电运行方式。图10示出了传感器元件1的框图，其中具有等位面A、B、C的接近传感机构52和 具有等位面C、D、E、F的接触力传感机构53彼此独立地工作，也就是说，一个系统的任意组 件的干扰例如故障、短路、或者中断不导致各另一系统的故障。两个系统的唯一电连接是通 过地线GNDN/GNDK而存在的。在右侧示出了供电和信号线54，其中UN、GNDN是具有调制上的、从中央单元到传 感器元件1的信息传输的工作电压；Nin、Nout是用于从传感器元件1到中央单元的信息 传输的数字信号线。用于接触力传感机构53的供电和信号线54被类似地构造，其中Kin、 Kout具有与接近传感机构52的NiruNout相同的功能。因此，每个传感器元件1都包含用于接近传感机构52的控制装置和用于接触力传 感机构53的控制装置。二者在仅仅通过其地线GNDN和GNDK相连接。两个控制装置的连接线在分开的插头上被引出，以便在线缆故障的情况下避免两个系统同时发生故障。在根据图11的框图中示出了连续编号的从1至η或li、lj至In的传感器元件 12，所述传感器元件12应形成具有接近传感机构52的传感器表层。另外，存在分开的中 央电子装置55，并且示出了传感器元件li、lj至In和中央电子装置55之间的在供电和信 号线54方面的电连接。在此，中央电子装置55具有主机功能并且传感器元件li、lj至In 具有从机功能。中央电子装置55通过端子UBN和GNDN获得工作电压，并且提供4个浮置 (potentialfrei)的开关输出端、即作为二倍冗余的开关输出端的SN1、SN2，其用于用信 号通知“接近被识别”;以及作为二倍冗余的开关输出端的EN1、EN2，其用于用信号通知“系 统故障被识别”。传感器元件li、lj至In通过三芯线缆彼此串联并且与中央电子装置55相连接。 在端子GNDN和UN处，中央电子装置55给所有传感器元件li、1 j至In的接近识别控制装 置提供供电电压。到传感器元件li、lj至In的信号传输被调制到该供电电压上。利用该 信号传输，中央电子装置55出于改变内部参数或者询问值的目的而给传感器元件li、lj至 In中的所有控制发送指令。通过预先给定的地址可以有目的地起动各个传感器元件li、lj 至In，其中传感器元件li、lj至In的各自的地址例如可以从其在链中的位置得出。从传感器元件li、lj至In到中央电子单元55的例如关于测量值、状态信息或者 故障信息的信息流可以根据斗链原理(Eimerkettenprinzip)进行、也就是说通过经由传 感器元件In-I至1的传送进行，为此设置有通信端子Nin和Nout。图12示出了与根据图11的布置类似的、用于在中央电子装置56中分析接触传感 机构53的布置。所述功能相应于根据图13的接近识别，其中标号被改变(SKI、SK2替代 SN1、SN2，EK1、EK2 替代 Em、EN2，UBK 替代 UBN，GNDK 替代 GNDN，KiruKout 替代 Nin、Nout)。在根据图11和12的布置的情况下，相应的中央电子装置55或56可以以与检查 循环重叠的较慢的循环(例如IHz)来在每个传感器元件li、lj至In执行自诊断。在此， 给传感器元件li、lj至In施加检查电压并且其反应被相应的中央电子装置55或56测量。 在此，检查策略可以被选择为使得相应的传感器元件li、lj至In的故障可以单义地作为错 误被识别。一旦至少一个传感器元件li、lj至In被识别为有故障的，则中央电子装置55 或56就在输出端EW/EN2 (接近识别)或KN1/KN2 (接触力识别)处报告该错误。关于到现在为止所述的实施例，还可能的替代方案或改进方案是_仅仅被用于接近识别、没有接触力识别的传感器元件li、lj至In可以在可能时 仅仅由具有相应的所属的控制的覆盖层41(可选)、42、43、44和49 (参见图10)构成。-仅仅被用于接触力识别、没有接近识别的传感器元件li、lj至In可以仅仅由具 有所属控制的覆盖层41 (可选)和44-49构成。-可选地，可以安装另外的独立的安全系统。-中央电子装置55、56和传感器元件li、lj至In之间的信息传输可以基于其它公 知和合适的技术鉴于物理层次(例如通过无线传输、模拟/数字，串行/并行)、数据协议、 网络拓扑(例如环形、星形、树形拓扑)以及用于识别和消除传输故障的方法来进行。-针对大的传感器表层可以以级联的形式使用多个所述系统，其方式是，由上级控 制来负责进行多个中央电子装置55、56的协调。-为了应用或系统诊断，可以将可用来读取或改变内部状态的附加的接口、显示元件或操作元件连接到该传感器系统中。_利用另外的功能性覆盖层，可以扩展传感器表层的功能范围。因此，可以用不导 电的纺织物盖住例如传感器元件li、lj至In的外侧，所述纺织物保护所述传感器元件免受 灰尘、脏污、和水分的损害。_为了进一步简化安装，传感器元件li、lj至In的供电可以通过非接触式的能量 传输进行。例如可以让连续的、被施加有交流电的激励导线在所有传感器元件下方穿过，使 得每个传感器元件中的接收线圈从交变磁场中获得供电能量。-在传感器元件li、lj至In中可以并入引起所覆盖的机器零件的散热的结构(例 如孔、通风通道、或者冷却盘管)。-相邻传感器元件li、lj至In的机械联合可以利用公知的和合适的技术、例如以 固定的栅格(例如绳/孔眼原理、卡锁装置、弹簧夹、按扣)或者在没有栅格情况下(粘扣 带、粘合)进行。-作为导电的、可延展的覆盖层，可以使用另外的公知和合适的材料、例如导电的 聚合物、具有导电涂层的膜或者由导电纤维制成的材料、网或织物。_为了进一步提到延展性，可以以不同方式切割或折叠所述层。
权利要求
1.一种具有至少一个电容性传感器元件(1 ；12)的对机械部件进行环境监测的传感器 系统，所述传感器系统能够被安装在机器或机器零件的表面上，其特征在于，所述至少一个 传感器元件(1 ;12;li，lj，ln)由挠性的导电的和电绝缘的覆盖层(2，3，4;13，14)的层构 造来构成，其中覆盖层(2，42)的导电的等位面(6，7 ；D，E)被设置为在侧面通过位于其之间 的绝缘的覆盖层(3 ；41，43，45)间隔开，使得在导电的等位面(6，7 ;D，Ε)之间形成电场线 (5)，所述电场线(5)在身体或物体的接近和/或接触的情况下以可测量的方式被改变。
2 .根据权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，存在一种极性的处于中央的导电 的等位面(7)，并且在该传感器元件(1 ；12 ；li，lj，ln)上或者在相邻的传感器元件(1 ；12 ； li, Ij, In)上，在传感器元件(1 ；12 ；li，lj，ln)的边缘处存在另一极性的通过绝缘覆盖层 (3 ；41 ；43 ；45)包围所述处于中央的导电的等位面(7)的第二导电的等位面(6)。
3.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，覆盖层(2，3)的层构造在上面 的覆盖层(2)中由导电面(6，7)、位于其下的绝缘的覆盖层(3)、位于其下的作为屏蔽电极 的导电面(4)、以及接着位于其下的机器侧的绝缘的覆盖层(3)构成。
4.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，传感器元件(12)中的覆盖层 (2，3，4，13，14;41至49)的层构造在上面的覆盖层中由下列项构成导电面；位于其下的 绝缘的覆盖层；位于其下的作为屏蔽电极的导电面；另一绝缘的覆盖层；作为第二电极的 导电的覆盖层；以及接着位于其下的机器侧的绝缘的覆盖层，其中所述屏蔽电极与第二电 极之间的电容能够通过来自外部的触觉压力以可测量的方式被改变。
5.根据前述权利要求之一所述的传感器系统，其特征在于，多个传感器元件(1；12 ； li, Ij, In)能过通过侧面接触或其它的连接、比如插口⑶或插头(9)而被互连。
6.根据前述权利要求之一所述的传感器系统，其特征在于，在一个、多个或所有传感器 元件(1 ；12 ；li，lj，ln)上在机器侧安装用于容纳电子测量电路部分的挠性的电路板(11)， 所述电路板(11)能够彼此接触或者连接并且能够连接到中央电子分析设备(20)上。
7.根据前述权利要求之一所述的传感器系统，其特征在于，导电的覆盖层(2，4;13; 44,48)或等位面(6，7)分别由挠性的导电的垫、优选地由铜羊毛构成，并且电绝缘的覆盖 层(3;14;41，43，45)由类似于纺织物的织物、优选地由毡、塑料、或者泡沫材料构成，并且 覆盖层(2，3，4;13，14;41-48)能够被剪裁并且能够与复杂的三维形状相适应和相联合。
8.根据权利要求7所述的传感器系统，其特征在于，覆盖层(2,3,4；13,14 ；41-48)能 够被剪裁并且能够彼此粘合。
9.根据前述权利要求之一所述的传感器系统，其特征在于，给仅仅用于接触力测量的 传感器元件(1 ；12 ；li, Ij, In)配备有弹性的覆盖层(47)，所述弹性的覆盖层(47)能够被 压缩使得间距改变导致电容改变。
10.根据前述权利要求之一所述的传感器系统，其特征在于，传感器元件(1；12 ；Ii ； Ij ；In)分别具有作为从机系统的接近传感机构(52)和/或接触力传感机构(53)，所述接 近传感机构(52)和/或接触力传感机构(53)的测量值能够并行地或者彼此独立地分别在 共同的(30)或单独的作为主机系统的中央电子装置(55，56)中被处理。
11.一种用于控制和分析根据前述权利要求之一所述的传感器系统的方法，其特征在 于，电子分析设备(20)循环地对所有传感器元件(1 ；12 ；li, Ij, In)进行寻址并且检查是 否已经在至少一个传感器元件(1 ；12 ；li, Ij, In)处发生了与参考值相比显著的电容改变，使得分别在输出端(27，28，29)处用信号通知机器或机器零件的环境中的接近或碰撞。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，为了对线性链接的传感器元件(1；12 ； li, Ij, In)进行寻址，通过沿着链通过多个传感器元件(1 ；12 ；li，lj，ln)将数据转送给分 析设备来利用这些传感器元件(1 ；12 ；li, Ij, In)的顺序。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，每个传感器元件(1;12)以另一 较慢的循环经历自诊断，其中给这些传感器元件(1 ；12)施加检查电压或者特征性的信号 模式。
14.根据权利要求11至13之一所述的方法，其特征在于，通过如下方式执行静态和动 态接近识别通过循环地测量两个导电的等位面之间的电容的接近识别、以及当前的测量 值与一个或多个参考值的比较在系统初始化的情况下被测量或者从所测量的电容变化曲 线中作为在时间上经过滤的值而被确定，其中超过和/或低于一个或多个参考值预先设定 的阈值被判定为接近，其中参考值能够作为恒定值被存储在系统中。
15.一种根据前述权利要求之一所述的传感器系统或用于控制和分析所述传感器系统 的方法的应用，其特征在于，至少一个传感器系统被用于制造或装配自动机，所述制造或装 配自动机与操作员或服务人员位于共同的工作区中并且其对所述制造或装配自动机的机 器或机器零件的接近和/或碰撞被检测并且被用于输出警告或停止信号。
全文摘要
本发明涉及一种用于对机械部件进行环境监测的传感器系统以及用于控制和分析该传感器系统的方法。提出有具有至少一个电容性传感器元件(1；12)的对机械部件进行环境监测的传感器系统以及分析方法，所述传感器系统能够被安装在机器或机器零件的表面上，其中所述至少一个传感器元件(1；12)由挠性的导电和电绝缘的覆盖层(2，3，4；13，14)的层构造构成，其中覆盖层(2)的导电的等位面(6，7；D，E)被布置为在侧面通过位于其之间的绝缘的覆盖层(3)被间隔开，使得在导电的等位面(6，7；D，E)之间形成电场线(5)，所述电场线(5)在身体或物体的接近和/或接触的情况下以可测量的形式改变。
文档编号G01L1/14GK102003612SQ201010267759
公开日2011年4月6日 申请日期2010年8月30日 优先权日2009年8月31日
发明者J·弗兰根 申请人:罗伯特.博世有限公司
专业数控铣床产品供应商
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