CN100402983C - 导电的齿形面的运动参数测定方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种导电且优选为齿形面(22)相对一传感器(3)的运动参数的一种测定方法和装置，而所述传感器包括至少一产生一交变电磁场的线圈(16)，所述电磁场由于在所述齿形面(22)和所述传感器(3)之间的位置变化引起的反馈而经历一可通过所述线圈(16)测定的变化，所述方法和装置这样设置以致于所述位置变化由所述线圈(16)的耦合阻抗(Z_c)导出，而且利用一在所述传感器(3)和所述齿形面(22)之间的距离d来测定所述线圈(16)的复耦合阻抗(Z_c)的实数部份(R_c)和虚数部份(X_c)，所述距离d基于所述测定值且同时采用一算法为基来计算。

Description

导电的齿形面的运动参数测定方法和装置

技术领域

本发明涉及一种导电且优选为齿形面相对一传感器的运动参数的测定方法和装置，而该传感器包括至少一产生一交变电磁场的线圈，该电磁场由于在该齿形面和传感器之间的位置变化引起的反馈而经历一可通过该线圈测定的变化。

背景技术

人们从实际运用，业已知道所讨论的方法和装置，而且它们具有特殊价值，特别是在一第一物体相对一第二物体在一限定距离内移动的时候，例如，磁性轴承、悬浮装置、齿轮失调检测装置等等通常就是这样的。

DE 3244420C2揭示一种磁力悬浮车辆的距离传感器。该传感器包括一个发射线圈和两个接收线圈，而该发射线圈设计成一长形扁平线圈，其线圈轴线向该磁力悬浮车辆的运动方向倾斜地延伸。该特别配置在某种程度上降低所谓的槽齿谐波。然而，该传感器容许测量的距离仅仅由10mm到15mm。

DE 19927759A1揭示一种装置，其利用磁性来测量在一铁磁极齿轮和一直接放置在该磁极轮附近的磁敏性传感器之间的距离，而且该装置可用来探测该齿轮的运动。该发明的要点是采用一永久磁铁，其面对该齿状物件的磁极面与该磁极齿轮组件按比例来说够大，所以该永久磁铁的中性区的位置保持不受该磁极齿轮的相应位置的影响。该装置也可以用来测定该磁极齿轮的转速、速度和路径。然而，该装置的缺点是其精确度低，尤其是在该传感器和该磁极齿轮之间的距离较大的情况下。

在DE 3409448C2中揭示的一种装置，其由通过反应轨中的涡流作用的交变磁场的与磁隙相关的磁阻尼构成。关于这一点，该线圈系统的感抗在一可并联或串联操作的电容器的帮助下完全抵消，而且由于该电容器，基本上可自该线圈系统的有效电阻来测定该距离信号。在该情况下的一个缺点在于该整体装置的测量精度极大地受到该线圈系统的参数和该补偿电容器的公差的影响，而该些公差在实际的结构中是不可避免的。

发明内容

所以本发明的一个目的是提供一种导电的齿形面相对一传感器的运动参数的测定方法和装置，其测定一导电的齿形面相对一传感器的运动参数，其中有可能在一方面测量一在一齿形面和一传感器之间的最大的可能距离，而且在另一方面测量该槽齿谐波，即在该些齿和槽上面移动时产生的信号变化，并且尽可能排除由温度波动产生的影响。另外的一个目的是使到在测量的同时可以计算该齿形面和该传感器之间的相对速度。

根据本发明，上述的关于提供一导电的齿形面相对一传感器的运动参数的测定方法的目的可以通过一种具有以下步骤的方法来达成。所述方法为一种导电的齿形面(22)相对一传感器(3)的运动参数的一种测定方法，而所述传感器包括至少一产生一交变电磁场的线圈(16)，所述电磁场由于在所述齿形面(22)和所述传感器(3)之间的位置变化引起的反馈而经历一可通过所述线圈(16)测定的变化，所述方法的特征在于所述位置变化由所述线圈(16)的耦合阻抗(Z_c)导出，而且利用一在所述传感器(3)和所述齿形面(22)之间的距离d来测定所述线圈(16)的复耦合阻抗(Z_c)的实数部份(R_c)和虚数部份(X_c)，所述距离d基于所述测定值且同时采用一算法为基来计算。所述测量线圈包括一支承件(14)，所述支承件(14)由一铁磁性且电导性差的材料制作，诸如塑性铁素体，且所述支承件(14)由与所述齿形面(22)相同的铁磁性材料制作。

此外，上述的关于提供一导电的齿形面相对一传感器的运动参数的测定装置的目的可以通过一种具有以下技术特征的装置来达成。所述装置为一种导电的齿形面(22)相对一传感器(3)的运动参数的一种测定装置，而所述传感器包括至少一产生一交变电磁场的线圈(16)，所述电磁场由于在所述齿形面(22)和所述传感器(3)之间的位置变化引起的反馈而经历一可通过所述线圈(16)测定的变化，所述装置的特征在于所述线圈(16)的耦合阻抗(Z_c)可以测量，通过设置测量机构测量所述线圈(16)的复耦合阻抗(Z_c)的实数部份(R_c)和虚数部份(X_c)，并且基于所述测量来计算所述传感器(3)和所述齿形面(22)之间的距离d和相对速度或转速。

该传感器还可以包括一具有至少两个线圈的线圈系统，其可代替一单一线圈。在该情况下，该第二线圈可以有利地用作补偿漂移或其它的影响。

基于该些测量值，可以通过函数(1)来求出该齿形面和该传感器之间的距离d：

$d=f(R_c,X_c,\frac{X_c}{R_c})---\left(1\right)$

通过自方程式(2)的函数的周期时间，于是就有可能通过方程式(3)来推断出该齿形面和传感器之间的相对速度v或转速：

$F_x=f\left(\frac{X_c}{R_c}\right)---\left(2\right)$

$v=\frac{L}{T\left(F_x\right)}---\left(3\right)$

其中L是一齿和一槽的长度的和(参照图3a)，而T(F_x)是该函数F_x的周期时间。

在一较佳的配置中，有可能使用同一线圈产生交变电磁场和作为接收线圈。这样可减少该测量方法要求的时间和材料和使该测量装置简单及易于操作，与此同时可预防一些可能的误差源。

该复耦合阻抗(Z_c)的实数部份(R_c)和虚数部份(X_c)的计算可以采用一数学模型来进行，该模型一方面描述该产生一交变场的线圈并且在另一方面描述该导电、齿形面对该线圈的由该传感器和该齿形面之间的位置变化引起的耦合阻抗Z_c的影响。

该耦合阻抗Z_c的实数和虚数部份可以根据下列的方程式的理论来测定：

$R_c=k_0\mathrm{\ω\η}{e}^{-\frac{3}{2}\mathrm{\αd}}\frac{f_1(k_1,\mathrm{\ω},\mathrm{\σ},\mathrm{\μ})}{f_3(k_3,\mathrm{\ω},\mathrm{\σ},\mathrm{\μ})}---\left(4\right)$

$X_c=k_0\mathrm{\ω\η}{e}^{-\frac{3}{2}\mathrm{\αd}}\frac{f_2(k_2,\mathrm{\ω},\mathrm{\σ},\mathrm{\μ})}{f_3(k_3,\mathrm{\ω},\mathrm{\σ},\mathrm{\μ})}---\left(5\right)$

其中d为该传感器和该齿形面之间的距离，ω为激励频率，而σ和μ分别为该齿形面材质的电导率和磁导率。所述测量在10千赫至2兆赫之间的宽频范围内进行。

从方程式(4)和(5)就可明显看出R_c和X_c基本上与距离d按指数规律地变化。

从这些方程式，就可以同样地通过以下方程式来计算该复耦合阻抗Z_c的相角Φ_c：

在一初步的概算中，相角Φ_c与距离d无关。

这些方程式的设置和其不同部份不会在此作更详细的论述。然而，应该注意的是R_c、X_c和tanΦ_c的测定可以用来计算该齿形面和该线圈系统之间的距离d和相对速度(或转速)。在计算的范畴内来说，有可能考虑到该齿形面的电磁特性μ和σ。

根据方程式(4)和(5)且通过以下的方程式就可提供一有利的变型来测定该导电的齿形面和该产生一交变场的传感器之间的距离d：

$d=k_1\·\frac{X_c}{R_c}-\ln \left(X_c\right)---\left(7\right)$

在该情况下，通过方程式(7)计算该传感器和齿形面之间的距离d是特别有利的，因为基本上不会有槽齿谐波。

同时，通过方程式(2)和(3)有可能测定一具有均距相隔的齿和槽的表面相对于该传感器的相对速度v(或转速)。

如上所述，该传感器可以包括一用来产生一交变场并作为一接收线圈的测量线圈。然而，也有可能采用两个线圈，其中一个用来产生该交变场，而另一个可用作为一测量线圈。在该两种情况下，该测量线圈皆可以由该根据方程式(4)和(5)的数学模型来描述。该测量线圈然后可以这样制定以致于该数学模型可用于计算线圈参数。采用该数学模型使到有可能减少所谓的槽齿谐波，即在该些齿和槽上移动时产生的测量线圈阻抗变化。

为了进一步减少槽齿谐波，可产生一有利的变型，其中该测量线圈的磁场单一性地向该运动方向增加，与距离无关地，直到该测量线圈的中心，并且再以同一方式单一性地减少。这样一种磁场图可以实现，例如，使该测量线圈的部份绕组做成垂直于该运动方向以致于该些部份的电感份量可以大大地减小并且从而对该测量结果几乎没有影响。

此外，补偿温度对该测量线圈的耦合阻抗或R_c和X_c的影响是有利的。为此，该线圈系统除该测量线圈之外可以包括一补偿线圈(参比线圈)，其阻抗与距离d无关。在该情况下，重要的是在该传感器和齿形面之间的距离d达到最大且在该齿形面对该测量线圈没有影响的时候，该参比线圈的质量相等于该测量线圈的质量。要满足这些必要条件可以通过该些线圈参数，例如，诸如绕数、导线直径等等。该两个线圈的实数和虚数部份的一加权减法然后使到有可能补偿温度的影响。在一具体的配置中，该测量线圈和该补偿线圈可以由具有一相同的固定频率的交流电流来激励。

根据该些信号，该测量线圈的复耦合阻抗(Z_c)的实数部份(R_c)和虚数部份(X_c)的制备可以实现为两种变型。在一第一变型中，该复耦合阻抗Z_c的实数和虚数部份，例如，有可能由以下的三个步骤来测定：

1.在没有该齿形面的情况下测定该测量线圈的阻抗Z_o的实数部份Re[Z_o]和虚数部份Im[Z_o]。

2.在该齿形面的影响下测定该测量线圈的阻抗Z_m的实数部份Re[Z_m]和虚数部份Im[Z_m]。

3.根据该步骤1和2的数值，然后就有可能通过以下的方程式以减法求出该复耦合阻抗Z_c的实数部份和虚数部份：

R_c＝R_m-R_o

X_c＝X_m-X_o。

在一第二变型中，该复耦合阻抗Z_c的实数和虚数部份可以由以下的两个步骤来进行测定：

1.通过一根据该些测量和参比线圈的阻抗的加权减法直接地求出该复耦合阻抗Z_c＝Z_m-Z_o。

2.根据该复耦合阻抗Z_c，求出该实数部份R_c和虚数部份X_c。

附图说明

存在有各种各样的以一有利的方式来改进和进一步发展本发明的启示的可能性。为此，可以在一方面参照本发明的权利要求和在另一方面参照以下对本发明的较佳实施例及有关附图的详细叙述。通过本发明的较佳实施例与有关附图的结合，还可更详细地说明本发明的启示的大体上的较佳改进和进一步发展。在附图中：

图1所示为一根据本发明的一导电且优选为齿形面相对一传感器的运动参数的测定装置的框图的示意图；

图2a所示为一根据本发明的一测量自一齿轮的距离和测量该齿轮的速度的装置的一第一实施例的电感传感器的示意图；

图2b所示为该在图2a中的传感器的一更精密的示意图；

图3a所示为一根据本发明的一测量一磁力悬浮车辆自其异型导轨的距离和测量该车辆速度的装置的一第二实施例的电感传感器的示意图；

图3b所示为该在图3a中的传感器的一更精密的示意图；

图4所示为一在图2和图3中且使用平面技术的传感器的示意图；

图5所示为一根据本发明的装置的另一实施例的传感器的示意图；

图6所示为一说明该计算距离作为在该齿形面对面的不同位置x的实际测量距离的一函数的曲线图；以及

图7所示为一显示该函数F_x作为该在不同距离d的位置x的一函数的曲线图。

具体实施方式

图1以示意图示出一根据本发明的一导电且优选为齿形面相对一传感器的运动参数的测定装置的框图。根据图1所示的电路，一振荡器1产生一具有某一固定频率f的正弦电压U_1-和在同时产生一具有同一固定频率f的第二正弦电压U_2-，其相对于电压U_1-有90°相差。该电压U_1-与一激励器2的输入端连接，该激励器激励一由一测量线圈和一参比线圈组成的传感器3。

自该些测量和参比线圈的测量信号在一放大器4中形成一差。该差在一倍增5中以信号U_1-放大，并且在一倍增器6中以信号U_2-放大。在通过低通滤波器7和8之后，产生两个电压U_c1和U_c2，U_c1与该线圈系统的复耦合阻抗Z_c的实数部份(R_c)成比例，而U_c2则与虚数部份(X_c)成比例。该两个电压通过一模数转换器9来数字化。在一微控制器10中，一要求的距离d可以，例如，基于该方程式(1)来计算。此外，有可能用方程式(2)和(3)计算速度v。最后，借助于一电可擦可编程只读存储器11，还可以使该距离d的特性线性化。

图2a所示为一传感器3，其可同时测量，例如为了测定不平衡性，其与一成一齿轮13形状的测试物件12的距离以及该齿轮13的速度。传感器3包括一扁平的铁磁线圈支承件14，其可配合该齿轮13的曲率，而且其表面装有一线圈系统15。

在图2b中更精密地示出该线圈系统15，其并且包括一测量线圈16，该线圈这样构造以致于在其每一绕组部份17皆垂直于该齿轮的运动方向(y方向)延伸的情况下，使多条导线绞合在一起。该测量线圈16在x方向上的长度大致相当于该齿轮13的一槽齿的间距。一补偿线圈18在该线圈支承件14上绕成一环形线圈，从而使该些线圈参数与该测试物件12无关。在图2中所示的另外的一电子部件19通过一电缆20与该测量线圈16连接。

图3a所示的布置示出一设计来装入一磁力悬浮车辆内的传感器3。该布置计划用来测定该车辆自一异型导轨的距离d和该车辆的速度。图3a与图2中的相同部件用相同的数字代表。

正如图3b最佳地示出那样，该传感器3包括一扁平的铁磁线圈支承件14，其表面装有一测量线圈16以致于其定向于x方向的绕组部份21放置于该支承件14面对一齿形面22的表面上。该在y方向上布置的绕组部份17放置于该支承件14远离该齿形面22的表面上。在该配置中，该参比线圈18同样地在该支承件14上延伸为一环形线圈。

图4所示为一在图2和图3中所示的布置，而该线圈则是采用平面技术来制成的。

图5所示为该传感器3的另一实施例，其中该测量线圈16的在y方向上延伸的绕组部份17的磁场由一相反磁场抵消。这可以通过两个在y-z平面上卷绕的绕组部份23来实现。因此，该些绕组部份17的磁场被消除，所以只有该些绕组部份21的磁场仍然对该测量起重要作用。该些绕组部份23的其余磁场不再与该测量有关。

在图6中，该距离d的计算值作为该实际距离z的一函数来绘制。当该传感器3的参数、在该齿形面22上的不同位置x输入后。就会变得显而易见，即该计算值d大致上与该传感器3相对于该齿形面22的位置x无关。所以，本发明的方法适合于对该要求距离z作一精确的测定。

正如图7最佳地示出那样，该函数F_x的稳恒部分几乎与该传感器3和该齿形面22之间的距离d无关。所以一合适的比较器电平可测定在两连续的上升及下降坡道的时间。然后可用该周期时间T(F_x)且根据方程式(3)来测定该齿形面22相对于该传感器3的速度或转速。

Claims (27)

1.一种导电的齿形面(22)相对传感器(3)的运动参数的测定方法，所述传感器包括至少产生交变电磁场的线圈(16)，所述电磁场由于在所述齿形面(22)和所述传感器(3)之间的位置变化引起的反馈而经历可通过所述线圈(16)测定的变化，所述方法的特征在于，所述位置变化由所述线圈(16)的耦合阻抗(Z_c)导出，而且利用一在所述传感器(3)和所述齿形面(22)之间的距离d来测定所述线圈(16)的复耦合阻抗(Z_c)的实数部份(R_c)和虚数部份(X_c)，所述距离d基于所述测定的实数部分(Rc)和虚数部分(Xc)且同时采用一算法为基来计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器(3)包括具有至少两个线圈的线圈系统(15)，其中第二个线圈用来补偿漂移。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：以下的数学函数

$d=f(R_c,X_c,\frac{X_c}{R_c})$

作为算法，通过以下的函数

$v=\frac{L}{T\left(F_x\right)}$

求出所述齿形面(22)和传感器(3)之间的相对速度v或转速，其中L是一齿和一槽的长度的和，而T(F_x)是以下函数F_x的周期时间

$F_x=f\left(\frac{X_c}{R_c}\right).$

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用数学模型来计算所述线圈系统(15)的复耦合阻抗(Z_c)的实数部份(R_c)和虚数部份(X_c)，所述模型描述用来产生交变场的线圈系统(15)并且考虑到所述齿形面(22)对所述线圈阻抗的影响。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，把不同的线圈用于产生所述交变电磁场和用作为测量线圈(16)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用以下三个步骤来测定所述测量线圈(16)的复耦合阻抗(Z_c)的实数部份(R_c)和虚数部份(X_c)：

a)在没有所述齿形面的影响下测量所述测量线圈(16)的复阻抗Z_o的实数部份Re[Z_o]和虚数部份Im[Z_o]，而

Z_o＝Re[Z_o]+j*Im[Z_o]；

b)在所述齿形面的影响下测量所述测量线圈(16)的复阻抗Z_m的实数部份Re[Z_m]和虚数部份Im[Z_m]，而

Z_m＝Re[Z_m]+j*Im[Z_m]；

c)通过以下的方程式计算所述复耦合阻抗Z_c＝Re[Z_c]+j*Im[Z_c]的实数部份R_c和虚数部份X_c：

R_c＝Re[Z_c]＝Re[Z_m]-Re[Z_o]

X_c＝Im[Z_c]＝Im[Z_m]-Im[Z_o]。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算所述R_c和X_c时考虑到所述齿形面(22)的材质的电导率σ和磁导率μ。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量在10千赫至2兆赫之间的宽频范围内进行。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线圈系统(15)包括一测量线圈(16)和一参比线圈(18)，所述参比线圈用来补偿温度以及测定R_c和X_c。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述传感器(3)和所述齿形面(22)之间的距离d达到最大时，所述测量线圈(16)的质量Q_m和所述参比线圈(18)的质量Q_R相同。

11.一种导电的齿形面(22)相对传感器(3)的运动参数的测定装置，所述传感器包括至少产生交变电磁场的线圈(16)，所述电磁场由于在所述齿形面(22)和所述传感器(3)之间的位置变化引起的反馈而经历可通过所述线圈(16)测定的变化，所述装置的特征在于所述线圈(16)的耦合阻抗(Z_c)可以测量，通过设置测量机构测量所述线圈(16)的复耦合阻抗(Z_c)的实数部份(R_c)和虚数部份(X_c)，并且基于所述测量来计算所述传感器(3)和所述齿形面(22)之间的距离d和相对速度或转速。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述传感器(3)包括一具有至少两个线圈的线圈系统(15)。

13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，为了产生交变场，所述传感器(3)包括可通过数学模型描述的测量线圈(16)，其中所述测量线圈(16)可以这样构成以致于所述数学模型可用于计算所述线圈参数。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述测量线圈(16)只有一层绕组。

15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，不同的线圈可用于产生所述交变电磁场和用作为测量线圈(16)。

16.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述测量线圈(16)的磁场单一性地向运动方向增加且与距离无关地直到所述测量线圈(16)的中心，此后磁场再单一性地减少。

17.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述测量线圈(16)包括一扁平支承件(14)，而所述测量线圈(16)的定向于x方向的绕组部份(21)是放置于所述支承件(14)的面对所述齿形面(22)的表面上，而在y方向上延伸的绕组部份(17)则布置于所述支承件(14)的远离所述齿形面(22)的表面上。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于所述测量线圈(16)在所述运动方向上的尺寸大体上相等于一齿槽的间距。

19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述支承件(14)由一铁磁性且电导性差的材料制作。

20.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述支承件(14)由与所述齿形面(22)相同的铁磁性材料制作。

21.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，在每一所述绕组部份(17)在y方向上延伸的情况下，使多条导线绞合在一起。

22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述测量线圈(16)采用平面技术制成。

23.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，在y方向上延伸的所述绕组部份(17)的磁场可由相反磁场抵消。

24.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述线圈系统(15)包括参比线圈(18)，所述参比线圈的参数基本上不受所述齿形面(22)的影响。

25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述参比线圈(18)做成环形线圈。

26.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，在所述传感器(3)和所述齿形面(22)之间的距离达到最大时，所述测量线圈(16)的质量相当于所述参比线圈(18)的质量。

27.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，设有计算机和存储器。

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