CN100592036C

CN100592036C - 非接触式位移测量系统

Info

Publication number: CN100592036C
Application number: CN200580001308A
Authority: CN
Inventors: M·瑟兰; F·蒙德尼科夫
Original assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2025-03-07
Also published as: CN1898533A

Abstract

一种非接触式位移测量系统具有：一用交流电加载、具有一测量线圈(1)的传感器(2)；一归属于该传感器(2)的测量物体(3)，它被实施为永久磁体(4)并沿着装入在一线圈壳(5)内的测量线圈(1)无接触地移动；以及一与该传感器(2)连接的运算分析电子器件(6)。为了优化测量区域和传感器(2)结构长度之间的关系并简化测量信号的运算分析和准备，本发明非接触式位移测量系统的特征在于：测量线圈(1)至少包括两个分压抽头(7)以及一个芯(8)，该芯(8)可在诸分压抽头(7)之间的一有效工作范围内部分地饱和。

Description

非接触式位移测量系统

技术领域

本发明涉及一种非接触式位移测量系统，该系统具有：一用交流电加载、具有一测量线圈的传感器；一归属于该传感器的测量物体，它被实施为永久磁体，并沿着装入在一线圈壳(Spulengehause)内的测量线圈无接触地移动；以及一与该传感器连接的、运算分析电子器件。

背景技术

从EP 0 238 922 B1中可以了解到一种把握测量物体位置的磁性位移传感器，其中，位移传感器由一带有一由软磁性材料制成的固定芯的差动变压器构成。作为测量物体，一永久磁体沿着芯移动，该永久磁体根据位置使芯部分地磁饱和。在对应于永久磁体的各位置的地方，在芯内将可能作用一气隙，其结果，差动变压器绕组之间的耦合发生变化。这种变化可用已知的电子线路进行分析评价。

从DE 44 25 904 A1中可了解一种类似的传感器。

已知位移传感器的缺点在于：它总共包括两个绕组，即，其中一个是初级绕组(激励线圈)，它是这样布置并连接到一交流电源的，即，使软磁性芯反向地磁化，而其中另一个是作为真正测量线圈的次级绕组。在这样一磁体系统中，由初级和次级线圈的组成特别地不利，测量范围和传感器结构长度之间的比例相对小。由此，该类型的位移传感器的应用可能性受到很大局限。

发明内容

本发明的任务在于改进本文开头所述类型的非接触式位移测量系统的结构，使相对于现有技术的位移测量系统它的测量范围和传感器结构长度之间的比例得到优化。此外，以简单的方式实现测量信号的分析评价和处理。

本发明的非接触式位移测量系统利用以下技术方案所述的特征解决了上述任务。本发明的非接触式位移测量系统具有：一用交流电加载、具有一测量线圈的传感器；一归属于该传感器的测量物体，它被实施为永久磁体并沿着装入在一线圈壳内的测量线圈无接触地移动；以及一与该传感器连接的运算分析电子器件，其中，测量线圈至少包括两个分压抽头(Spannungsabgriffe)以及一个芯，该芯可在诸分压抽头之间的一有效工作范围内部分地饱和。

根据本发明首先可以认识到：对于许多应用来说，其中，位移(例如，移动或行程)采用非接触式方法测量时，紧凑的结构形式具有重要意义，以便使位移测量系统在复杂的内置情形下也可节省地方地置入。由此可见，由于测量线圈至少具有两个分压抽头和包括一个芯，其中，该芯通过永久磁体的存在而可在两个分压抽头之间的作用区域内局部地饱和，因此，一方面可实现一紧凑的结构形式，另一方面测量信号可容易被分析和评价。由于芯通过永久磁体位于两个分压抽头之间的作用区域内而饱和，由此，通过分析测量线圈的阻抗变化可较佳地把握位移的变化。

在一具体的实施例中，该芯由一软磁性(weichmagnetisch)结晶材料制成。鉴于μ金属具有高的透磁性，使用μ金属就特别见效。还可想到用Vacoperm或类似材料进行制造。此时，该芯可制成圆棒，这使包围芯的测量线圈可用其本身熟知的方法进行制造。

较佳地，该芯可由多个单个的带组成，其中，具体地来说，一方面属于由软磁性结晶材料制成的带，另一方面属于由毫微结晶(nanokristallin)的或无定形的材料制成的带。例如，多个单个的带可以彼此粘结起来。彼此粘结的带可设置一绝缘层，以便可绕成一单层的测量线圈。

在实践中，对于由软磁性结晶或毫微结晶材料制成的芯的情形，测量线圈所储存的载波频率大约为5至20kHz。

在一替代实施例的范围内，该芯可用塑料连接的铁磁性材料制成，其中，热塑性铁氧体特别有用。在由铁磁性材料制成芯的情形中，可选择较高的测量线圈激励频率，例如，它们可以在大约100kHz的范围内。采用这种类型的位移测量系统可覆盖一很大的带宽。

永久磁体可具有不同的形式，例如，可以被构造成棒形磁体或环形磁体。永久磁体的可被沿轴向磁化也可沿径向磁化。在这两种情形中，永久磁体和芯之间的气隙中存在一磁场。磁场强度应足够高，以使测量线圈的分压抽头之间的作用区域可达到饱和。其中有利地是，测量物体与测量线圈之间的距离变化对于测量线圈的阻抗只有很小的影响。

装入测量线圈的外壳较佳地可以由导电非铁磁性材料例如不锈钢、塑料或陶瓷制成。在一特别优选的实施例中，该外壳由铝或铝合金制成，这一方面带来制造成本低廉的优点，另一方面，特别有效地起到对高频磁场的屏蔽作用。为了避免干扰，对上述每一种均可被选用的材料，使线圈壳的壁厚大于涡流透入的深度。

测量线圈的激励例如可用正弦波形的交流电压来实现。在特别优选的方式中，用两个互补的双极矩形电压给测量线圈馈电，因为可以简单而价廉物美地实现具有高稳定幅值和频率的矩形振荡器。也可考虑通过两个互补的单极矩形电压来激励测量线圈，其中，作用于测量线圈上的电压的恒量部分(konstante Spannungsanteil)可用于温度补偿。

鉴于进一步节约空间的考虑，芯可用一较佳的圆柱形管构造，该管用由软磁性材料制成的多个带缠绕。在这样一实施例中，存在有这样的可能性，即，将测量物体布置在该管内，这样可实现一特别紧凑的结构形式。或者，传感器也可沿着管的长度方向布置在其外壁上。尤其是，在用芯作为管的实施例中，测量物体可做成浮子，例如这可监视管内的流体状态。

在另一优选的改进实施例的范围中，芯和围绕芯缠绕的测量线圈可做成环形。该测量物体可布置在环的中心，这样，代替纯线性的运动，也可掌握转动运动。

现存在有不同的可能性以有利的方式构造和改进本发明的理论。为此，一方面，可参照附后权利要求书中的权利要求1，另一方面，可参照下文中借助于附图对本发明的优选实施例的描述。结合借助于附图对本发明优选实施例的解释，也可在总体上阐明本发明理论的优选的构造和改进。

附图说明

在以下的附图中，

图1示出根据本发明的非接触式位移测量系统的第一实施例的方框图；

图2示出一用于测量气缸活塞运动的、根据本发明的位移测量系统的实施例的两个示意图；

图3示出根据本发明的位移测量系统的另一实施例的方框图；

图4示出带有布置在测量线圈内的测量物体的、根据本发明的位移测量系统的一实施例的方框图；

图5示出带有一作为浮子的测量物体的、根据本发明的位移测量系统的一实施例的方框图；以及

图6示出一用于测量旋转运动的、根据本发明的位移测量系统的实施例的方框图。

具体实施方式

图1在方框图中示出一非接触式位移测量系统的第一实施例，该系统具有：一用交流电加载、具有一测量线圈1的传感器2；一归属于该传感器2的测量物体3，它被做成永久磁体4，或包围一永久磁体4，并沿着装入在一线圈壳5内的测量线圈1无接触地移动；以及一与该传感器2连接的运算分析电子器件(Auswerteelektronik)6。测量线圈1总共包括n个分压抽头7以及一个芯8，该芯8能在诸分压抽头7之间的一有效工作范围内部分地饱和。

测量线圈1被实施为单层并连同芯8一起装入外壳5内。如上所述，被构造为永久磁体4的测量物体3沿着外壳5可非接触地移动。该芯8通过永久磁体4依赖于其位置而饱和，这导致在对应的分压抽头7之间的一范围内借助于运算分析电子器件6而获得的阻抗的变化。

一振荡器9用两个互补电压U1和U2给测量线圈1馈电。测量线圈1的单个分压抽头7之间感应出的诸电压，借助于带有电阻器R₁至R_n的线路10和带有反馈电阻器R₀的运算放大器11进行相加。如果永久磁体4位于测量线圈1的中心，则输出电压U_输出等于零。当永久磁体4相对于测量线圈1位移时，输出电压U_输出依赖于永久磁体4的位置或测量物体3相对于测量线圈1的位置作线性变化。

图2示意地示出一位移测量系统的实施例，它用来求得一在气缸腔12内位移的活塞13的位置。图2a)示出该位移测量系统的侧视图，而图2b)示出沿线A-A的截面图。气缸腔12由管14沿侧向被界定，该管用μ金属构成的薄层缠绕在其外壁上。在μ金属层与外面的外壳5之间有测量线圈1的绕组，这样，μ金属对于测量线圈1起到芯8的作用。

测量线圈1由一振荡器用两个互补电压U1和U2馈电。沿着测量线圈1设置多个分压抽头7。抽头的电压输入到一运算分析电子器件6中，它包括一仅示意地表示的、由多个电阻器组成的线路10。此外，电压值的评价和求取活塞13的位置可通过结合图1中实施例所描述的方式来实现。

图3示出位移测量系统的另一实施例的方框图。如同图1所示的实施例，传感器2具有单层的测量线圈1，线圈1包括一由软磁性材料构成的芯8。与第一实施例不同之处在于芯8在全部长度上用一薄铜箔15包围。由此，测量线圈1与铜箔15之间的电容承担起与根据图1的实施例中诸电阻器R₁…R_n相同的作用。铜箔15具有与运算放大器11的不逆转的输入的直接连接，它的放大因子可借助于电阻器Z₁和Z₂进行调整。这样一位移测量系统以其相对简单和价廉的制造而见长。

图4示意地示出一实施例，其中，实施为永久磁体4的测量物体3可在一圆柱形管16内移动。用由软磁性材料制成的多个带17缠绕在管16上，该管16被测量线圈1包围。如联系图3中实施例所描述的，分压抽头7直接在带17上形成，而抽头的电压被输送到运算放大器的输入端(未示出)。

图5在一示意图中示出一位移测量系统的实施例，其中，传感器2在侧向地布置在一沿测量线圈1纵向方向延伸的载体18上。该载体18被做成管16。例如，做成浮子19意义的测量物体3在管16内依赖于管16内的流体状态可移动。该管16例如可以由塑料、玻璃、陶瓷或铝制成。如图1中已描述的，分压抽头7又在带有诸电阻器R₁…R_n的线路10上形成。

最后，图6示出一位移测量系统的示意的结构，它用来求得带有内置永久磁体4的测量物体3的旋转运动。芯8被做成环形，并由软磁性材料制成的带构成。围绕环形芯8缠绕有测量线圈1，线圈1经诸电阻器R₁…R_n总共有n个分压抽头7。运算分析电子器件6包括一振荡器(未示出)，如以上已解释的，该振荡器用两个互补的电压U₁和U₂馈电到测量线圈1。抽头的电压借助于运算放大器(同样未示出)运算分析，运算放大器的输出端将提供一输出信号，该信号随测量物体3的位置作线性变化。

在测量物体3相对于芯8具有一良好导向的应用中，该芯8可用热塑性铁氧体制成。这样做的优点在于，对于馈电予测量线圈的电压来说，可应用较高的载波频率(例如，在100kHz的范围)，这可引起位移测量系统高的动态带宽。

Claims

1.一种非接触式位移测量系统具有：一用交流电加载、具有一测量线圈(1)的传感器(2)；一归属于该传感器(2)的测量物体(3)，它被实施为永久磁体(4)并沿着测量线圈(1)无接触地移动，该测量线圈(1)装入在一线圈壳(5)内；以及一与该传感器(2)连接的运算分析电子器件(6)，其特征在于，测量线圈(1)至少包括两个分压抽头(7)以及一个芯(8)，该芯(8)可在诸分压抽头(7)之间的一有效工作范围内部分地饱和。

2.如权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于，该芯(8)用塑料连接的铁磁性材料制成。

3.如权利要求2所述的位移测量系统，其特征在于，该铁磁性材料为热塑性铁氧体。

4.如权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于，该芯(8)用软磁性结晶材料制成。

5.如权利要求4所述的位移测量系统，其特征在于，该软磁性结晶材料为μ金属。

6.如权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于，该芯(8)用由各向异性的或毫微结晶材料构成的多个带制成。

7.如权利要求1至6中任何一项所述的位移测量系统，其特征在于，永久磁体(4)被实施为棒形磁体。

8.如权利要求1至6中任何一项所述的位移测量系统，其特征在于，永久磁体(4)被实施为环形。

9.如权利要求1至6中任何一项所述的位移测量系统，其特征在于，线圈壳(5)由导电的非铁磁性材料制成。

10.如权利要求1至6中任何一项所述的位移测量系统，其特征在于，线圈壳(5)由铝制成。

11.如权利要求1至6中任何一项所述的位移测量系统，其特征在于，线圈壳(5)由塑料制成。

12.如权利要求1至6中任何一项所述的位移测量系统，其特征在于，线圈壳(5)的壁厚大于构成所述线圈壳的材料中的涡流透入深度。

13.如权利要求1至6中任何一项所述的位移测量系统，其特征在于，永久磁体(4)具有对应于两个相邻分压抽头(7)之间距离的最大宽度。

14.如权利要求1至6中任何一项所述的位移测量系统，其特征在于，测量线圈(1)由两个互补电压馈电。

15.如权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于，该芯(8)被实施为用多个由软磁性材料构成的带(17)缠绕的管(16)。

16.如权利要求15所述的位移测量系统，其特征在于，测量物体(3)布置在管(16)内。

17.如权利要求15所述的位移测量系统，其特征在于，传感器(2)沿着管的纵向布置在管(16)的外壁上。

18.如权利要求15所述的位移测量系统，其特征在于，测量物体(3)被实施为位于管(16)内的浮子(19)。

19.如权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于，该芯(8)被实施为环形。