DE102004026415B4 - Device for detecting the position of a test object - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Erfassung der Lage eines Messobjekts, an welchem ein Permanentmagnet so angebracht ist, dass dieser durch Lageänderung des Messobjekts berührungslos entlang eines mit einer wechselstromgespeisten Erregerspule und zwei Sekundärspulen umwickelten Magnetkerns bewegt wird, wobei der Permanentmagnet eine Magnetisierung besitzt, die so groß ist, dass durch diese eine lokale Sättigung des Feldes im Magnetkern erreicht wird und der magnetische Fluss im Magnetkern nahe dem Permanentmagneten unterbrochen wird, wodurch sich zwei separate magnetische Flusskreise ausbilden, die jeweils nur von einem Teil der Erregerspule gespeist werden, wobei jeder der beiden magnetischen Flusskreise eine der Sekundärspulen durchsetzt und eine an der jeweiligen Sekundärspule messbare Spannung induziert, wobei die Differenz der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen ein Maß für die Position des Permanentmagneten darstellt, der Magnetkern ganz oder teilweise aus magnetoelastischem Material besteht, der Magnetkern mechanisch so mit dem Messobjekt verbunden ist, dass durch Krafteinwirkung auf das Messobjekt eine mechanische Spannung in dem Magnetkern erzeugt und dessen magnetische Permeabilität verändert wird, und die Summe der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen ein Maß für die mechanische Spannung im Magnetkern darstellt.Device for detecting the position of a measuring object on which a permanent magnet is mounted such that it is moved by a change in position of the measuring object without contact along a magnetic core wrapped with an alternating current excitation coil and two secondary coils, wherein the permanent magnet has a magnetization which is so large that is achieved by this a local saturation of the field in the magnetic core and the magnetic flux is interrupted in the magnetic core near the permanent magnet, forming two separate magnetic flux circuits, each fed by only a portion of the excitation coil, wherein each of the two magnetic flux circuits one of Secondary coils penetrated and induced a voltage measurable at the respective secondary coil, wherein the difference of the induced voltages in the secondary coils is a measure of the position of the permanent magnet, the magnetic core wholly or partly of magnetoelastic mat erial, the magnetic core is mechanically connected to the measurement object that generated by applying force to the measurement object, a mechanical stress in the magnetic core and its magnetic permeability is changed, and the sum of the voltages induced in the secondary coils a measure of the mechanical stress in the magnetic core represents.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Lage eines Messobjekts, an welchem ein Permanentmagnet so angebracht ist, dass dieser durch Lageänderung des Messobjekts berührungslos entlang eines mit einer wechselstromgespeisten Erregerspule und zwei Sekundärspulen umwickelten Magnetkerns bewegt wird und abhängig von seiner Position den Streufluss des Systems so beeinflusst, dass die Differenz der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen ein Maß für die Position des Permanentmagneten darstellt.The invention relates to a device for detecting the position of a measuring object to which a permanent magnet is mounted so that it is moved without contact by a change in position of the measuring object along a wound with an alternating current excitation coil and two secondary coils magnetic core and depending on its position, the leakage flux of the system so influences that the difference of the voltages induced in the secondary coils represents a measure of the position of the permanent magnet.

Aus der DE 23 25 752 A ist ein Wegaufnehmer bekannt, bei dem die Position eines mit einem Messobjekt verbundenen Permanentmagneten in Längsrichtung einer über einen ferromagnetischen Kern gewickelten wechselstromgespeisten Erregerspule bestimmt wird. Der Permanentmagnet erzeugt in dem ferromagnetischen Kern eine als virtueller Luftspalt wirkende lokale Sättigung und verursacht somit eine Aufteilung des magnetischen Flusses in zwei Magnetkreise, die jeweils nur von einem durch die Position des Magneten definierten Teil der Erregerspule erregt werden. In jedem der beiden Magnetkreise befindet sich eine Sekundärspule, deren induzierte Spannung somit durch die Position des Permanentmagneten beeinflusst wird. Aus den Werten der in den beiden Sekundärspulen induzierten Spannungen, im Wesentlichen aus deren Differenz, kann die Position des Permanentmagneten bestimmt werden. Durch auf diesem Prinzip beruhende Messanordnungen, häufig kurz als PLCD-Sensoren (permanent magnet linear contactless displacement) bezeichnet, können ausschließlich Weg- oder Winkelsignale gemessen werden. Weitere nach ähnlichem Prinzip ausgeführte Messanordnungen werden in EP 0 238 922 B1 und DE 44 25 903 C1 beschrieben.From the DE 23 25 752 A For example, a position transducer is known in which the position of a permanent magnet connected to a measuring object is determined in the longitudinal direction of an alternating-current excitation coil wound across a ferromagnetic core. The permanent magnet generates in the ferromagnetic core a local saturation acting as a virtual air gap and thus causes a division of the magnetic flux into two magnetic circuits which are each excited only by a part of the excitation coil defined by the position of the magnet. In each of the two magnetic circuits there is a secondary coil whose induced voltage is thus influenced by the position of the permanent magnet. The position of the permanent magnet can be determined from the values of the voltages induced in the two secondary coils, essentially their difference. By based on this principle measuring arrangements, often referred to simply as PLCD sensors (permanent magnet linear contactless displacement), only path or angle signals can be measured. Further measuring arrangements based on a similar principle are described in US Pat EP 0 238 922 B1 and DE 44 25 903 C1 described.

Zahlreiche Anwendungen, etwa die Lageregelung eines aktuierten Objektes, welches äußeren Störkräften ausgesetzt ist, oder eine intelligente Bremsvorrichtung, die neben einer Bewegung eines Objekts auch deren Ursache detektieren soll (z. B. eine intelligente Türbremse an einem Kraftfahrzeug), erfordern sowohl die Erfassung eines Lagesignals als auch die Erfassung eines Kraft- oder Drehmomentensignals. Zu diesem Zweck wurde etwa in der DE 198 39 412 A1 ein magnetoelastischer Kraftmesser vorgestellt, in dessen Inneres ein Winkelmesser integriert ist. Die Funktionalität beider Sensorkomponenten ist dabei aber durch unterschiedliche Elemente der Gesamtanordnung realisiert, weshalb die Erfassung beider Signalarten mit einem höheren Material-, Entwicklungs- und Integrationsaufwand einhergeht als die Erfassung nur eines Signals der beiden genannten Signalarten. Ein kombiniertes Kraft- und Positionssensorsystem, welches aus zwei großteils unabhängigen Teilsystemen zusammengesetzt ist und somit ebenfalls die beschriebenen Nachteile aufweist, ist auch aus der WO 02/23135 A1 bekannt.Numerous applications, such as the position control of an actuated object, which is exposed to external disturbing forces, or an intelligent braking device, which is to detect not only a movement of an object but also its cause (for example, an intelligent door brake on a motor vehicle), require both the detection of a Position signal as well as the detection of a force or torque signal. For this purpose was approximately in the DE 198 39 412 A1 presented a magnetoelastic dynamometer, inside which a protractor is integrated. However, the functionality of both sensor components is realized by different elements of the overall arrangement, which is why the detection of both types of signal with a higher material, development and integration costs associated with the detection of only one signal of the two types of signals mentioned. A combined force and position sensor system, which is composed of two largely independent subsystems and thus also has the disadvantages described, is also from the WO 02/23135 A1 known.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erfassung sowohl eines Lagesignals als auch eines Kraftsignals zu schaffen, die eine möglichst geringe Erhöhung des Material-, Entwicklungs- und Integrationsaufwands gegenüber einer Vorrichtung zur Erfassung nur eines Lagesignals aufweist.The object of the invention is to provide a device for detecting both a position signal and a force signal, which has the smallest possible increase in the material, development and integration effort compared to a device for detecting only one position signal.

Unter dem Begriff eines Lagesignals ist dabei im Folgenden wahlweise ein Rotationswinkel oder eine translatorische Verschiebung zu verstehen, durch welche die Lage eines Messobjekts im Raum oder bezogen auf ein anderes Objekt gekennzeichnet ist. Unter dem Begriff eines Kraftsignals ist im Folgenden wahlweise eine auf ein Messobjekt wirkende physikalische Kraft oder ein auf ein Messobjekt wirkendes physikalisches Drehmoment zu verstehen.In the following, the term "position signal" is to be understood as meaning optionally a rotation angle or a translatory displacement by which the position of a measurement object in space or in relation to another object is identified. In the following, the term force signal is to be understood as meaning either a physical force acting on a measurement object or a physical torque acting on a measurement object.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, d. h. durch die Ausstattung eines Lageaufnehmers nach bekanntem Prinzip mit einem Magnetkern aus magnetoelastischem Material, der gleichzeitig als kraftübertragendes Element fungiert, sowie eine veränderte Auswertung der in den Sekundärspulen induzierten Spannungssignale.The problem is solved by a device according to claim 1, d. H. by the equipment of a Lageaufnehmers according to the known principle with a magnetic core of magnetoelastic material, which also acts as a force-transmitting element, and a modified evaluation of the voltage induced in the secondary coils voltage signals.

In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Lageaufnehmer gemäß dem Stand der Technik um die Funktionalität eines Kraftaufnehmers erweitert, indem der Magnetkern des Lageaufnehmers ganz oder teilweise in magnetoelastischem Material ausgeführt wird, indem die mechanische Gesamtanordnung so gewählt wird, dass die zu erfassende auf das Messobjekt wirkende Kraft so auf den Magnetkern übertragen wird, dass in diesem eine annähernd in Längsrichtung wirkende mechanische Spannung erzeugt wird, und indem zur Bestimmung der Kraft die Summe der in den Sekundärspulen induzierten Spannungswerte ausgewertet wird.In a device according to the invention, a position sensor according to the prior art is extended by the functionality of a force transducer by the magnetic core of the Lageaufnehmers is carried out wholly or partly in magnetoelastic material by the overall mechanical arrangement is chosen so that the force to be detected on the measurement object is transmitted to the magnetic core, that in this an approximately longitudinal acting mechanical stress is generated, and by evaluating the sum of the voltage values induced in the secondary coils to determine the force.

Der Vorteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt somit darin, dass die kombinierte Messfunktion gemäß der Aufgabenstellung ohne die Verwendung zusätzlicher mechanischer Bauteile gegenüber einem Lageaufnehmer gemäß dem Stand der Technik realisiert werden kann.The advantage of a device according to the invention is thus that the combined measuring function can be realized according to the task without the use of additional mechanical components against a Lageaufnehmer according to the prior art.

Die erfindungsgemäße Umgestaltung eines Lageaufnehmers gemäß dem Stand der Technik beruht auf dem aus der EP 0 070 442 bekannten Prinzip eines magnetoelastischen Kraftgebers. Dabei beeinflusst die durch mechanische Spannungen infolge einer Krafteinwirkung auf einen magnetoelastischen Magnetkern veränderte magnetische Permeabilität des Magnetkern-Materials die in einer Sekundärspulenanordnung induzierten Spannungswerte. Aus diesen Spannungswerten kann das auf das Element einwirkende Kraftsignal bestimmt werden. Ein Hinweis auf die Möglichkeit einer Anwendung dieses Messprinzips zur Erweiterung der Funktionalität eines Lageaufnehmers ist der Patentliteratur nicht zu entnehmen.The inventive redesign of a Lageaufnehmers according to the prior art is based on that of the EP 0 070 442 known principle of a magnetoelastic force transmitter. In this case, the magnetic permeability of the magnetic core material, which is modified by mechanical stresses as a result of a force acting on a magnetoelastic magnetic core, influences the voltage values induced in a secondary coil arrangement. From these voltage values that can be on the element acting force signal can be determined. A reference to the possibility of applying this measurement principle to extend the functionality of a Lageaufnehmers is not apparent from the patent literature.

Da sich die erfindungsgemäße Ausführung des Magnetkerns ganz oder teilweise in magnetoelastischem Material fertigungstechnisch leicht berücksichtigen lässt, wird der Materialaufwand gegenüber der Erfassung nur eines Lagesignals nur minimal erhöht. Da die prinzipielle Messanordnung des Lageaufnehmers unverändert erhalten bleibt, ist gegenüber der Erfassung nur eines Lagesignals kein zusätzlicher mechanischer Integrationsaufwand zu leisten. Auch die Wahl der mechanischen Gesamtanordnung so, dass der Magnetkern des Lageaufnehmers als kraftübertragendes Element wirkt, ist in den meisten Anwendungen, in denen eine erfindungsgemäß kombinierte Lage- und Kraftmessung wünschenswert ist, ohne oder mit sehr geringem Entwicklungsaufwand gegenüber der Erfassung nur eines Lagesignals möglich. Zur Bestimmung der auf das Messobjekt wirkenden Kraft muss lediglich die Summe der in den Sekundärspulen induzierten und ohnehin abgegriffenen Spannungswerte ausgewertet werden. Die auf der Auswertung einer relativen Differenz der in den Sekundärspulen induzierten Spannungswerte beruhende Funktionalität des Lageaufnehmers wird hiervon nicht beeinträchtigt.Since the inventive design of the magnetic core can be easily or completely taken into account in magnetoelastic material in terms of manufacturing technology, the cost of materials is only minimally increased compared with the detection of only one position signal. Since the basic measuring arrangement of the Lageaufnehmers remains unchanged, no additional mechanical integration effort is to be made compared to the detection of only one position signal. The choice of the overall mechanical arrangement so that the magnetic core of the Lageaufnehmers acts as a force-transmitting element is possible in most applications in which a combined inventions combined position and force measurement without or with very little development effort compared to the detection of only one position signal. To determine the force acting on the measurement object, only the sum of the voltage values induced in the secondary coils and tapped anyway must be evaluated. The functionality of the position sensor based on the evaluation of a relative difference of the voltage values induced in the secondary coils is not impaired thereby.

Besonders einfach ist die zusätzliche Funktionalität der Kraftmessung in Systeme einzubringen, in denen der Magnetkern eines Lageaufnehmers bereits vor dem Einbringen als kraftübertragendes Element fungiert. Hierzu muss lediglich der Magnetkern ganz oder teilweise in magnetoelastischem Material ausgeführt werden und die Summe der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen entsprechend ausgewertet werden.It is particularly easy to introduce the additional functionality of the force measurement in systems in which the magnetic core of a position sensor already acts as a force-transmitting element before insertion. For this purpose, only the magnetic core must be wholly or partially executed in magnetoelastic material and the sum of the induced voltages in the secondary coils are evaluated accordingly.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung kein zusätzlicher Bauraum gegenüber einer Vorrichtung zur ausschließlichen Messung eines Lagesignals beansprucht wird, wodurch in beengten räumlichen Verhältnissen unter Umständen erst die kombinierte Messung sowohl eines Lagesignals als auch eines Kraftsignals ermöglicht wird.Another advantage of the invention lies in the fact that no additional installation space is claimed by a device according to the invention relative to a device for the exclusive measurement of a position signal, whereby under limited circumstances, only the combined measurement of both a position signal and a force signal is made possible in tight spatial conditions.

Anhand der beigefügten Zeichnungen ist die Erfindung weiter erläutert. Dabei zeigtReference to the accompanying drawings, the invention is further explained. It shows

1 eine Prinzipskizze einer intelligenten Türbremse für ein Kraftfahrzeug, die ein erfindungsgemäßes kombiniertes Lage- und Kraftaufnehmersystem enthält, und 1 a schematic diagram of an intelligent door brake for a motor vehicle, which contains a combined position and force transducer system according to the invention, and

2 die Ein- und Ausgangsgrößen einer Auswerteschaltung für ein erfindungsgemäßes kombiniertes Lage- und Kraftaufnehmersystem. 2 the input and output variables of an evaluation circuit for a combined position and force transducer system according to the invention.

1 zeigt eine Prinzipskizze einer intelligenten Türbremse für ein Kraftfahrzeug, die ein erfindungsgemäßes kombiniertes Lage- und Kraftaufnehmersystem enthält, durch welches ein für den Öffnungswinkel der Tür stehendes Wegsignal und ein Kraftsignal, welches für durch eventuelle Benutzereingriffe oder äußere Störeinflüsse erzeugte Drehmomente auf die Tür steht, gemessen werden. 1 shows a schematic diagram of an intelligent door brake for a motor vehicle, which includes a combined position and force transducer system according to the invention, through which a standing for the opening angle of the door path signal and a force signal which is due to possible user intervention or external interference torques generated on the door measured become.

In der mechanischen Anordnung der Türbremse besitzen die Tür 1 und der Türhebel 2 unterschiedliche Drehachsen an der Karosserie 3. Dadurch ergibt sich beim Öffnen und Schließen der Tür eine Relativbewegung zwischen Tür 1 und Türhebel 2. Gleichzeitig kann durch einen hier nicht näher in seiner Funktionsweise betrachteten türfesten Bremsaktor 4 zwischen Tür 1 und Türhebel 2 eine Kraft aufgebracht werden, die ein Halte- oder Bremsmoment auf die Tür 1 bedingt. Auf den Türhebel 2 wirkt diese Kraft stets annähernd in dessen Längsrichtung.In the mechanical arrangement of the door brake own the door 1 and the door lever 2 different axes of rotation on the body 3 , This results in a relative movement between the door when opening and closing the door 1 and door lever 2 , At the same time, a door-mounted brake actuator which is not considered here in detail in its mode of operation can be used 4 between door 1 and door lever 2 a force is applied, which is a holding or braking moment on the door 1 conditionally. On the door lever 2 This force always acts approximately in its longitudinal direction.

Das Wegaufnehmersystem beinhaltet eine Erregerspule 5 und zwei Sekundärspulen 6, 7, die alle auf einem Magnetkern aufgebracht sind. Der Magnetkern fungiert erfindungsgemäß gleichzeitig als kraftleitender Türhebel 2. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der gesamte Türhebel aus magnetoelastischem Material gefertigt. Eine Ausführung des Türhebels 2 als Stahlkern mit einer magnetoelastischen Beschichtung (z. B. Fe81(B, Si, C)19) ist ebenfalls denkbar.The transducer system includes an excitation coil 5 and two secondary coils 6 . 7 all mounted on a magnetic core. The magnetic core functions according to the invention simultaneously as a force-conducting door lever 2 , According to a preferred embodiment of the invention, the entire door lever is made of magnetoelastic material. An embodiment of the door lever 2 as a steel core with a magnetoelastic coating (eg Fe 81 (B, Si, C) 19 ) is also conceivable.

Das Wegaufnehmersystem basiert auf einem magnetisch-induktiven Wirkprinzip. Durch die Erregerspule 5 fließt ein Wechselstrom i(t) mit sinusartigem Verlauf, durch welchen der Magnetkern 2 zeitvariabel magnetisiert wird. Ein fest an der Tür 1 angeordneter Permanentmagnet 8 bewegt sich in Abhängigkeit des Türöffnungswinkels berührungslos an der Erregerspule 5 entlang und besitzt eine Magnetisierung, die so groß ist, dass durch diese eine lokale Sättigung des Feldes im Magnetkern 2 erreicht und der magnetische Fluss im Magnetkern nahe dem Permanentmagneten unterbrochen wird. Der Permanentmagnet erzeugt somit einen ortsvariablen virtuellen Luftspalt. Es bilden sich zwei separate magnetische Flusskreise aus, die jeweils nur von einem Teil der Erregerspule 5 gespeist werden. Der für jeden der beiden Magnetkreise effektive Anteil der Erregerspule ist abhängig von der Relativposition des Permanentmagneten zur Erregerspule. Jeder der beiden magnetischen Flusskreise durchsetzt eine der Sekundärspulen 6, 7. Die Sekundärspulen messen den magnetischen Fluss in Form der induzierten Spannungen Uind sek1 bzw. Uind sek2 und ermöglichen so die exakte Bestimmung der Position des Permanentmagneten bezogen auf die Erregerspule und daraus die Bestimmung des Türöffnungswinkels.The displacement transducer system is based on a magnetic-inductive action principle. Through the exciter coil 5 An alternating current i (t) flows with sinusoidal course, through which the magnetic core 2 is magnetized time-varying. A firm at the door 1 arranged permanent magnet 8th moves in contactless manner with the exciter coil as a function of the door opening angle 5 along and has a magnetization that is so large that through this a local saturation of the field in the magnetic core 2 achieved and the magnetic flux is interrupted in the magnetic core near the permanent magnet. The permanent magnet thus generates a location-variable virtual air gap. It form two separate magnetic flux circuits, each of which is only part of the excitation coil 5 be fed. The effective proportion of the exciter coil for each of the two magnetic circuits is dependent on the relative position of the permanent magnet to the exciter coil. Each of the two magnetic flux circuits passes through one of the secondary coils 6 . 7 , The secondary coils measure the magnetic flux in the form of the induced voltages U ind sek1 and U ind sek2 respectively and thus enable the exact determination of the position of the Permanent magnet based on the exciter coil and from there the determination of the door opening angle.

Unter Verwendung einer Quotientenformel für die auf die gesamte induzierte Spannung bezogene relative Spannungsdifferenz der beiden Sekundärspulen 6, 7 ergibt sich dabei eine annähernd lineare Kennlinie für die durch eine Spannungsänderung erfasste Wegänderung. In die Bestimmung der Position des Permanentmagneten geht somit die relative Spannungsdifferenz gemäß der folgenden Gleichung ein:

Figure DE102004026415B4_0002
Using a quotient formula for the relative voltage difference of the two secondary coils relative to the total induced voltage 6 . 7 This results in an approximately linear characteristic for the detected by a change in voltage path change. In the determination of the position of the permanent magnet thus enters the relative voltage difference according to the following equation:
Figure DE102004026415B4_0002

2 zeigt die Ein- und Ausgangsgrößen einer Auswerteschaltung 9, in welcher auf Basis obiger Gleichung und kinematischer Daten der Gesamtanordnung ein für den Öffnungswinkel der Tür stehendes Ausgangssignal y1 erzeugt wird. 2 shows the input and output variables of an evaluation circuit 9 in which, on the basis of the above equation and kinematic data of the overall arrangement, an output signal y 1 is established for the opening angle of the door.

Erfindungsgemäß fungiert der Magnetkern 2 gleichzeitig als kraftleitender Türhebel. Auf der einen Seite ist er an der Karosserie angelenkt, auf der anderen erfolgt eine Krafteinleitung durch den Bremsaktor 4. Wird die Tür bewegt, während die Türbremse gelöst ist, wirken keine oder nur sehr geringe Kräfte auf den durch die Aufnahme des Bremsaktors 4 gleitenden Türhebel 2. Wird ein Drehmoment auf die Tür ausgeübt, während der Bremsaktor aktiviert ist, entsteht je nach Wirkrichtung eine Zug- oder Druckkraft auf den Türhebel 2. Diese Kraft bedingt mechanische Spannungen im Material des Türhebels 2. Durch die ausgeprägten magnetoelastischen Eigenschaften des Türhebelwerkstoffs verändert sich infolge der Belastung die relative Permeabilität μr des Türhebelwerkstoffs. Diese Änderung kann ebenfalls über die in den Sekundärspulen 6, 7 induzierten Spannungswerte gemessen werden. Veränderungen des Kraftsignals sind, je nach Richtung, über einen gleichzeitigen ruckartigen Anstieg oder Abfall der Spannungen Uind sek1 und Uind sek2 messbar. Daher wird zur Bestimmung des zeitlichen Kraftverlaufs die Summe der in den Sekundärspulen 6, 7 induzierten Spannungswerte ausgewertet. In die Bestimmung der auf den Türhebel 2 wirkenden Kraft geht somit die absolute Spannungssumme gemäß der folgenden Gleichung ein: Uind = Uind sek1 + Uind sek2 According to the invention, the magnetic core functions 2 at the same time as a force-conducting door lever. On the one hand it is hinged to the body, on the other there is a force introduced by the brake actuator 4 , If the door is moved while the door brake is released, no or very little force acting on the by the inclusion of the brake actuator 4 sliding door lever 2 , If a torque is exerted on the door while the brake actuator is activated, depending on the effective direction, a tensile or compressive force is generated on the door lever 2 , This force causes mechanical stresses in the material of the door lever 2 , Due to the pronounced magnetoelastic properties of the door lever material, the relative permeability μ r of the door lever material changes as a result of the load. This change can also be made over in the secondary coils 6 . 7 induced voltage values are measured. Depending on the direction, changes in the force signal can be measured via a simultaneous sudden increase or decrease in the voltages U ind sek1 and U ind sek2 . Therefore, to determine the temporal force curve, the sum of the secondary coils 6 . 7 evaluated voltage values. In the determination of the door lever 2 Thus acting force enters the absolute voltage sum according to the following equation: U ind = U ind sek1 + U ind sek2

Diese Summe ist unabhängig von der Position des Permanentmagneten 8. Die Kraftmessung kann somit prinzipiell unabhängig von der Wegmessung erfolgen. In der Auswerteschaltung 9 kann auf Basis obiger Gleichung, Kennwerten des magnetoelastischen Materials und kinematischer Daten der Gesamtanordnung ein für das auf die Tür wirkende Drehmoment stehendes Ausgangssignal y2 erzeugt werden.This sum is independent of the position of the permanent magnet 8th , The force measurement can thus be carried out in principle independently of the distance measurement. In the evaluation circuit 9 For example, based on the above equation, characteristic values of the magnetoelastic material and kinematic data of the overall arrangement, an output signal y 2 standing for the torque acting on the door can be generated.

Zu beachten ist dabei jedoch, dass die Permeabilität μr des magnetoelastischen Türhebels 2 nicht nur von mechanischen, sondern auch von thermischen Einflussgrößen abhängt. Die Kraftmessung unterliegt somit ebenfalls thermischen Einflüssen, weshalb gegebenenfalls eine Temperaturkompensation vorzusehen ist. In der Auswerteschaltung 9 kann hierzu leicht eine Temperaturkompensationskurve hinterlegt werden. Die erforderliche Messung der Temperatur T kann unter Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes durch Gleichstromwiderstandsmessung der Sekundärspulen erfolgen. Eine andere Möglichkeit besteht durch die Verwendung eines zusätzlichen Temperatursensors. In vielen Fällen kann auf eine Temperaturkompensation komplett verzichtet werden, da sich das Kraftsignal typischerweise wesentlich schneller ändert als die Umgebungstemperatur. Dies gilt insbesondere, wenn zur Bestimmung des zeitlichen Kraftverlaufs die zeitliche Ableitung der induzierten Spannung ausgewertet wird.It should be noted, however, that the permeability μ r of the magnetoelastic door lever 2 depends not only on mechanical but also on thermal factors. The force measurement is therefore also subject to thermal influences, which is why it may be necessary to provide a temperature compensation. In the evaluation circuit 9 For this purpose, a temperature compensation curve can easily be stored. The required measurement of the temperature T can be made by taking advantage of the temperature dependence of the electrical resistance by DC resistance measurement of the secondary coils. Another possibility is through the use of an additional temperature sensor. In many cases, can be completely dispensed with a temperature compensation, since the force signal typically changes much faster than the ambient temperature. This is especially true if the time derivative of the induced voltage is evaluated to determine the temporal force curve.

Gemäß der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Sensorsystem komplett in der Karosserie der Tür eines Kraftfahrzeugs untergebracht werden. Da die Karosserie in der Regel aus Stahl gefertigt ist, besteht keine Notwendigkeit, das Sensorsystem elektromagnetisch abzuschirmen. Im Falle der Verwendung von Kunststoff oder Leichtmetall kann gegebenenfalls eine separate Hülle aus ferromagnetischem Material für elektromagnetische Abschirmung sorgen.According to the preferred embodiment of the invention described here, the sensor system can be completely housed in the body of the door of a motor vehicle. Since the body is usually made of steel, there is no need to electromagnetically shield the sensor system. In the case of the use of plastic or light metal may optionally provide a separate shell of ferromagnetic material for electromagnetic shielding.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird die translatorische Bewegung des Permanentmagneten relativ zum Magnetkern überwiegend durch eine Rotation des Messobjekts verursacht, weshalb das erste Ausgangssignal der Auswerteschaltung für diese Rotation steht. Die mechanische Spannung in dem Magnetkern wird gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform überwiegend durch ein auf das Messobjekt wirkendes Drehmoment verursacht, weshalb das zweite Ausgangssignal der Auswerteschaltung für dieses Drehmoment steht. Die prinzipielle Funktionsweise des erfindungsgemäßen kombinierten Lage- und Kraftaufnehmersystems ist jedoch problemlos übertragbar auf Fälle, in denen die translatorische Bewegung des Permanentmagneten relativ zum Magnetkern überwiegend durch eine Translation des Messobjekts verursacht wird und ein erstes Ausgangssignal für diese Translation steht und/oder die mechanische Spannung in dem Magnetkern überwiegend durch eine auf das Messobjekt wirkende Kraft verursacht wird und ein zweites Ausgangssignal für diese Kraft steht.According to the exemplary embodiment, the translational movement of the permanent magnet relative to the magnetic core is predominantly caused by a rotation of the measurement object, which is why the first output signal of the evaluation circuit stands for this rotation. The mechanical stress in the magnetic core is caused predominantly by a torque acting on the measurement object according to this preferred embodiment, which is why the second output signal of the evaluation circuit stands for this torque. However, the basic mode of operation of the combined position and force transducer system according to the invention is easily transferable to cases in which the translational movement of the permanent magnet relative to the magnetic core is mainly caused by a translation of the measurement object and a first output signal for this translation and / or the mechanical stress in the magnetic core is mainly caused by a force acting on the measurement object and a second output signal stands for this force.

Außerdem bleibt das erfindungsgemäße Prinzip der Erfassung mechanischer Spannungen im Magnetkern 2 auch dann erhalten, wenn dieser nicht ganz, sondern nur teilweise aus magnetoelastischem Material besteht oder mit magnetoelastischem Material beschichtet ist.In addition, the inventive principle of detecting mechanical stresses in the magnetic core remains 2 obtained even if this is not quite, but only partially made of magnetoelastic material or coated with magnetoelastic material.

Claims (2)

Vorrichtung zur Erfassung der Lage eines Messobjekts, an welchem ein Permanentmagnet so angebracht ist, dass dieser durch Lageänderung des Messobjekts berührungslos entlang eines mit einer wechselstromgespeisten Erregerspule und zwei Sekundärspulen umwickelten Magnetkerns bewegt wird, wobei der Permanentmagnet eine Magnetisierung besitzt, die so groß ist, dass durch diese eine lokale Sättigung des Feldes im Magnetkern erreicht wird und der magnetische Fluss im Magnetkern nahe dem Permanentmagneten unterbrochen wird, wodurch sich zwei separate magnetische Flusskreise ausbilden, die jeweils nur von einem Teil der Erregerspule gespeist werden, wobei jeder der beiden magnetischen Flusskreise eine der Sekundärspulen durchsetzt und eine an der jeweiligen Sekundärspule messbare Spannung induziert, wobei die Differenz der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen ein Maß für die Position des Permanentmagneten darstellt, der Magnetkern ganz oder teilweise aus magnetoelastischem Material besteht, der Magnetkern mechanisch so mit dem Messobjekt verbunden ist, dass durch Krafteinwirkung auf das Messobjekt eine mechanische Spannung in dem Magnetkern erzeugt und dessen magnetische Permeabilität verändert wird, und die Summe der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen ein Maß für die mechanische Spannung im Magnetkern darstellt.Device for detecting the position of a measuring object to which a permanent magnet is mounted such that it is moved without contact by a change in position of the measuring object along a magnetic core wound with an alternating-current excitation coil and two secondary coils, the permanent magnet having a magnetization which is so large that is achieved by this a local saturation of the field in the magnetic core and the magnetic flux is interrupted in the magnetic core near the permanent magnet, forming two separate magnetic flux circuits, each fed by only a portion of the excitation coil, wherein each of the two magnetic flux circuits one of Secondary coils penetrated and induces a voltage measurable at the respective secondary coil, wherein the difference of the voltages induced in the secondary coils represents a measure of the position of the permanent magnet, the magnetic core consists wholly or partly of magnetoelastic material, the magnetic core is mechanically connected to the measurement object in such a way that a mechanical stress is generated in the magnetic core and its magnetic permeability is changed by the action of force on the measurement object, and the sum of the voltages induced in the secondary coils represents a measure of the mechanical stress in the magnetic core. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Auswerteschaltung eine Temperaturkompensation der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen vorgenommen wird.Apparatus according to claim 1, characterized in that a temperature compensation of the voltages induced in the secondary coils is carried out in an evaluation circuit.
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