CN101027537B - 用于检测测试对象位置和速度的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测测试对象(5)相对于传感器的位置和速度的装置和方法，传感器(1)和测试对象(5)被排列成使得它们能相对于彼此位移。传感器(1)包括具有至少一个、较佳地为多个电压分接头(4)的测量线圈(2)和放置在测试对象(5)上同时电磁耦合于测量线圈(2)的靶(7)。用于累加在传感器(1)上分接的电压的电子部件(6)被分派给传感器。对于传感器的最简单的可能设计，本发明的特征是同时测量位置和速度，靶(7)包括两部分(8、10)，一部分(8)由导电材料制成，而另一部分以磁体(10)的形式提供，且求值电路(11)基于用于累加分接的电压的电子部件(6)的输出信号来确定与靶位置成比例的电压分量Up和与靶速度成比例的电压分量Uv。

Description

用于检测测试对象位置和速度的装置及方法
技术领域
本发明涉及用于检测测试对象相对于传感器的位置和速度的装置和方法，传感器和测试对象排列成彼此相对隔开，其中传感器具有设置有至少一个、较佳地多个电压分接头(voltage tap)的测量线圈(measuring coil)在电磁耦合于测量线圈的同时安装在测试对象上的靶，且其中用于累加传感器分接出电压的电子部件分配给传感器。
背景技术
上述类型的测量装置需要例如用来确定活塞在气压缸或液压缸中的位置以及也用于测量尤其在闭合回路控制电路中的阀(valve)的位置。如果测试对象相对于传感器的位置及其运动速度可同时并完全测量，则对这些应用是有利的。
用于确定阀位置的测量装置已经公知很长时间。因此，例如，印刷文献DE 19856 528A1描述了一种用于确定输出阀和输入阀位置的阀升程传感器(valve liftsensor)，上述传感器包括具有用于传感器螺线管(sensor plunger)的圆形凹槽的两个分开的定子体。霍尔传感器设置在定子体之间并相距一定距离。圆柱设计的传感器插件设置有相对于霍尔传感器偏置的永磁体。霍尔传感器较小的尺寸对本实施方式是优点。然而，使用该传感器仅可确定阀的位置。
在现有技术已知的其它位移测量传感器中(例如，印刷文献DE 25 11 683C3或DE 39 13 861A1)，次线圈缠绕在拉长的软磁传感器芯上且两个主线圈缠绕在传感器芯终端。沿传感器芯设置的磁体用作测试对象。通过在主线圈上施加电流，取决于磁体的位置在次线圈中感生电压，该磁体将饱和的软磁传感器芯应用于其附近。其缺点是传感器的大尺寸。此外，仅可确定位置。
此外，涡旋电流传感器从其中测量线圈设置有多个电压分接头的DE 42 25 968A1已知。通过围绕测量线圈并由导电材料制成的环装置，两个相邻电压分接头之间的测量线圈部分阻抗受环位置的影响。通过求值电路(evaluation circuit)的帮助，因此可能确定环相对于电压分接头的位置。然而，该方法的唯一直接结果是位置。
印刷文献DE 197 35 375C1中描述了螺线管阀，尤其内燃引擎的进气阀和出气阀。为了控制电流在磁驱动机构的应用，阀电枢的位置由测量阀弹簧的应力的压电元件装置检测。由此，有可能确定电枢以及因此行程计的相对位置且可确定电枢的速度。此处缺点是传感器的强限制结构和从电枢位置随时间的路线确定速度。
从通过对信号进行微分而从位移信号确定速度的实际经验已知的方法的主要缺点是尤其是噪声的干扰通常大大影响微分系统中的输出信号。因此，存在强烈增加的由尤其与线性和信噪比相关的位移信号质量组成的许多要求，以及因此使用昂贵的低噪声传感器的必要性。
原理上，也可使用两个传感器，其中一个检测位置随时间的路线而另一个传感器检测测试对象的速度.然而，如此操作，则所需空间以及传感器系统的成本因各个情形中所需的传感器和求值电子系统而显著增加.此外，两个传感器的附加同步必要性具有负面效应.
发明内容
因此，本发明的目的是详述用于检测测试对象的位置和速度、引言所述类型的装置及方法，通过该方法，有可能尽可能以长期稳定性和最小的装置2可能大小成本有效地仅使用一个传感器同时测量位置和速度而无随后的位移信号微分。
本发明提供一种用于检测测试对象(5)相对于传感器(1)的位置和速度的装置，所述传感器(1)和所述测试对象(5)被排列成使得它们能彼此相对地位移，其中所述传感器(1)包括具有至少一个电压分接头(4)的测量线圈(2)和被放置在所述测试对象(5)上同时电磁耦合于所述测量线圈(2)并连接于测试对象(5)的靶(7)，所述装置的特征在于为同时测量所述位置和速度，所述靶(7)包括两部分(8，10)，其中，一部分(8)由导电材料制成，而另一部分以磁体(10)的形式来提供，并且其中所述磁体(10)被设计为永磁体，由此所述一部分(8)导致所述传感器(1)的阻抗变化，所述变化取决于所述靶(7)相对于所述传感器(1)的位置，且所述磁体(10)在所述传感器(1)中感生电压，所感生的电压取决于所述靶(7)相对于所述传感器(1)的速度，且用于累加所述传感器(1)上分接的电压的电子部件(6)被分派给所述传感器(1)，其中所述电子部件(6)的输出信号包含关于所述测试对象相对于所述传感器(1)的位置和速度的信息，所述信息由所述靶(7)的两部分设计产生。基于此，该类型的装置特征在于，用于同时测量位置和速度，靶包括两部分，一部分由导电材料制成，而另一部分以磁体形式设置。
本发明还提供一种用于检测测试对象(5)相对于传感器(1)的位置和速度的方法，其中所述传感器(1)和所述测试对象(5)被排列成使得它们能相对于彼此位移，其中所述传感器(1)包括具有至少一个电压分接头(4)的测量线圈(2)，并包括放置在所述测试对象(5)上同时电磁耦合于所述测量线圈(2)的靶(7)，所述方法的特征在于，用于累加所述传感器(1)上分接的电压的电子部件(6)被分派给所述传感器，且基于所述用于累加在所述传感器(1)上分接的电压的电子部件(6)的输出信号，与所述靶的位置成比例的电压分量Up和与所述靶的速度成比例的电压分量Uv用一求值电路(11)来确定，其中所述电压分量Up(sic；Up)由所述靶(7)的导电部分(8)导致，由于所述导电部分所述传感器(1)的阻抗取决于所述靶(7)相对于所述传感器(1)的位置改变，且所述电压分量Uv(sic；Uv)由所述靶的另一部分导致，该另一部分包括磁体(10)并在所述传感器(1)中感生电压，所感生的电压取决于所述靶(7)相对于所述传感器(1)的速度。基于此，用于检测测试对象的位置和速度的方法特征在于，用于同时测量位置和速度，求值电路根据用于累加分接电压的电子部件、与靶位置成比例的电压部件以及与靶速度成比例的电压部件的输出信号而确定。
根据本发明，首先实现如果使用一个传感器同时测量位置和速度，则用于确定测试对象的位置和速度的装置可以特别有效和节省空间的方式设计。根据本发明，还实现通过涡流电流传感器靶的特殊设计形式的方法，有可能产生同时含有位置相关和速度相关分量且这些分量可通过单个求值电路的装置来源于传感器信号的信号。
将靶(＝变换器(transducer))设置在测试对象上，同时电磁耦合于测量线圈，其中该靶由根据本发明的两部分构成，一部分由导电材料制成且另一部分由磁体组成.根据本发明，在该装置中，优点来源于事实：磁体与测量线圈之间的相对运动导致作为移动速度的量度的感应电压Uv.同时，测量线圈阻抗改变导致的电压信号Up(所述阻抗改变由靶导电部分引入)作为靶位置的量度.
在根据本发明的较佳设计形式中，整个靶的长度不超过测量线圈的两个相邻电压分接头之间的距离，且较佳地约等于该距离。由此实现测量区域与测量线圈长度的最佳比例和输出信号的最大线性。
对测量线圈较佳地施加高频ac电压(约20kHz至500kHz)，频率的精确选择取决于测试对象运动所需频率。由于具有稳定频率和幅度的振荡器的简单设计，对测量线圈对称提供较佳地为偶极方波电压的两个互补ac电压是极具优势的。在测量线圈分接的电压通过求和部件的帮助累加起来。其输出信号由此表示电压Uv和Up的加法叠加。
输出信号的求值较佳地通过设计为模拟或较佳地数字电路的求值电路进行。数字求值电路主要由模/数转换器和微控制器组成。提供给测量线圈的ac电压可以使用该微控制器的特殊优势方式产生。
在靶的特殊优势设计方式中，后者由诸如铝或铜合金的非铁磁材料形成并在适当选择的频率具有大于涡流穿透深度的壁厚。因此，有可能确保靶的导电性对电压Up的影响尽可能的小。
此外，如果组成永磁体的磁体本质上设计成棒状或环状形式并较佳地在长度方向磁化，则是有优势的。如此，磁体的磁导率μm(μm＜3)与磁体直径与测量线圈长度的比值应尽可能的小且测量线圈的内径不应显著超过棒磁体的直径。这有助于达到信号Uv沿测量线圈的最大敏感性和高稳定性。
对于靶和测量线圈的配置，各种优势实施方式是可行的。在第一实施方式中，靶沿测量线圈设置在其内，其中，靶的环状导电部分围绕棒状磁体。在另一配置中，靶围绕测量线圈，其中永磁体类似地设计成环状形式并围绕其一部分上的导电材料。测量线圈中的导电芯另一可能设置成具有位置信号Up可直接从该芯分接且速度信号Uv可从测量线圈的中芯分接的结果。
根据本发明的方法可较佳地用于操作这些装置。再次，测量线圈施加有较佳地彼此互补的两个ac电压U1和U2。从实现传感器信号的尤其简单求值的观点，所用ac电压为(较佳地为偶极)方波电压。输出信号在用于累加分接电压的电子部件的输出信号周期中时间t1和t2的两个预定点采样。时间点t1和t2选择成第一采样实例的输出信号位于上半波形(H)且在第二采样实例的输出信号位于下半波形(L)且可能的瞬时现象在两种情形中都衰减。采样值之差[H-L]是靶位置的量度。表达式[0.5×(H+L)-Uref]提供了靶速度的量度。为了增加分辨率和精度，输出信号的采样及其求值较佳地周期性重复且平均值从各个情形的测量结果中得到。
在根据本发明的装置和根据本发明的方法中具有特殊优势的是由于老化和温度影响的长期偏置漂移的大量补偿，所述补偿通过取差值引入。
用于检测测试对象相对于传感器的位置和速度的装置和方法的上述实施方式不限制于至此描述的平移系统。而是它们对旋转系统类似地同样正确。再次，它们允许同时测量角度位置和旋转速度。
存在较佳地设计和精练本发明示教的各种可能性.为此，可首先参考所附权利要求书，并其次参照附图参考以下本发明的示例性实施方式的说明.本发明的不同较佳示例性实施方式和其它特征和优点在根据附图的以下说明书中详述.
附图说明
在附图中：
图1以框图形式示出根据本发明的装置的示意图，
图2示出具有围绕测量线圈的靶的装置的另一实施方式，
图3示出其中位置信号直接汇集在芯上的第三实施方式，
图4示出用于确定角度和旋转速度的装置的示意图，以及
图5示出传感器输出信号的典型曲线。
具体实施方式
在根据本发明的装置的第一示例性实施方式中(图1)，提供传感器1，它包括在卷体3上缠绕并具有多个分接头4的测量线圈2。在卷体3内部，测试对象5与沿测量线圈2长度轴电磁耦合于测量线圈2的靶7一起设置。该靶7由两部分组成，第一部分与由导电材料以环状形式制成的卷9相对并围绕永磁体10的第二部分。靶7的长度不超过两个相邻分接头4之间的距离。这有助于同时实现最大线性和测量区域与测量线圈2长度之间的最佳比例。此外，环9由铝或铜合金制成，其壁厚大于涡流的穿透深度。永磁体10设计成棒磁体并在长度方向(＝运动方向)磁化。
使用驱动器15(运算放大器OP16和OP17)为测量线圈2提供两个互补偶极方波电压U1和U2，该电压由振荡器14产生且其频率较佳地取决于靶运动频率落在20kHz至500kHz范围内。
施加在分接头4上的ac电压通过运算放大器OP6和晶体管网络R0、R1、…、Rn的帮助累加起来。在靶7相对于测量线圈2移动的情形中，ac电压在OP6的输出处调节，其中可认为ac电压为转换电压和动态电压的和。转换成分与靶7的位置成比例且动态成分与靶7的速度成比例。
为了对两个信号成分求值，设置求值电路11，其输入连接于求和放大器6的输出。该求值电路11包括A/D转换器12和控制A/D转换器并同时用于产生ac电压U1和U2的微控制器13。
图2所示装置与上述示例性实施方式的不同之处在于具有靶7的测试对象设置在测量线圈2外。此处，靶7也由两部分组成，其中永磁体10设计为环面磁体并围绕导电环9。具有分接头4的测量线圈缠绕在由软磁材料制成的卷体3上并提供有两个互补偶极方波电压U1和U2，与上述示例性实施方式类似该电压可直接通过求值电路11产生。
根据本发明的装置的第三示例性实施方式在图3中示出。本情形中单层的测量线圈2缠绕在卷体3上。信号从该卷体3直接分接并通过OP6放大。同时，积分器18的输出电压施加于OP6的倒相输入，积分器的输入连接于测量线圈2的中芯分接“0”。
在本实施方式中，在求值信号时存在两种变体.在第一变体中，积分器18的时间常数选择成分接头4的信号的高频成分被滤出且因此速度信号出现在积分器18的输出.同时，与靶7的位置成比例的信号在OP6的输出处产生.在第二变体中，积分器18的输出处的电压与卷体3上分接的ac电压累加且求和求值结合上述示例性实施方式描述的独立求值电路11中进行.
用于测量转动的装置在图4中引入。单层测量线圈2缠绕在由软磁材料制成的环状卷体3上并包括具有可直接与测量线圈集成的晶体管R1、…、Rn的n个分接头。类似地通过两部分设计设置的靶7围绕测量线圈2。测量线圈2提供有两个互补偶极方波电压U1和U2。再次，具有两种成分的ac电压也在OP6的输出处产生，其中ac电压包括关于旋转角度和关于旋转速度的信息。传感器信号的求值也使用上述的求值电路进行。
以下，用于同时检测测试对象5相对于传感器1的位置和速度的方法通过参照根据本发明的装置的不同的上述示例性实施方式的图5引入。为此，如图5a所示，测量线圈2设置有两个互补方波电压U1和U2。再次，Uref是稳定的恒定电压且两个电压U1和U2与正电压相距所述恒定电压Uref的量。该量选择成它运算放大器(OP6、OP16和OP17)源电压Un的约一半。例如，如果Un为+5V，则选择Uref为+2.5V。
图5b示出OP6输出处的典型信号波形。该信号表示与位置成比例的电压Up和与速度成比例的电压Uv以及Uref的叠加。输出信号在求和放大器6的输出电压周期内采样实例t1和t2处采样，采样实例t1和t2选择成在输出信号的上半波形H进行一次采样且在其下半波形L进行一次采样。可能的瞬时现象已经在两个采样实例衰减。则差值[H-L]是靶位置的量度且表达式[0.5×(H+L)-Uref]是其速度的量度。
计算可通过微控制器13的帮助进行，微控制器13也确定采样实例t1和t2、控制A/D转换器12并在特定情况下产生方波电压U1和U2。
为了增加分辨率和精度，周期性重复输出信号的采样和求值并从预定的多个结果中获得平均值。
对于根据本发明的用于检测测试对象相对于传感器的位置和速度的装置的其它优势设计形式和精练，为了避免重复，说明书和所附权利要求书的主体部分通过引用结合于此。
最后，应该特别指出上述示例性实施方式仅仅说明权利要求的示教而非将所述示教限制于这些示例性实施方式。

Claims (40)

1.一种用于检测测试对象(5)相对于传感器(1)的位置和速度的装置，其特征在于，所述传感器(1)和所述测试对象(5)被排列成使得它们能彼此相对地位移，其中所述传感器(1)包括具有至少一个电压分接头(4)的测量线圈(2)和被放置在所述测试对象(5)上同时电磁耦合于所述测量线圈(2)并连接于测试对象(5)的靶(7)，所述装置的特征在于为同时测量所述位置和速度，所述靶(7)包括两部分(8，10)，其中，一部分(8)由导电材料制成，而另一部分以磁体(10)的形式来提供，并且其中所述磁体(10)被设计为永磁体，由此所述一部分(8)导致所述传感器(1)的阻抗变化，所述变化取决于所述靶(7)相对于所述传感器(1)的位置，且所述磁体(10)在所述传感器(1)中感生电压，所感生的电压取决于所述靶(7)相对于所述传感器(1)的速度，且用于累加所述传感器(1)上分接的电压的电子部件(6)被分派给所述传感器(1)，其中所述电子部件(6)的输出信号包含关于所述测试对象相对于所述传感器(1)的位置和速度的信息，所述信息由所述靶(7)的两部分设计产生。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量线圈(2)具有多个电压分接头。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量线圈(2)被设计为单层测量线圈。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量线圈(2)被设计为多层测量线圈。
5.如权利要求2至4中任一项所述的装置，其特征在于，在所述测量线圈(2)的多个电压分接头(4)的情形中，所述电压分接头(4)基本上彼此具有相同距离。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述靶(7)的长度不超过所述测量线圈(2)的两个相邻的电压分接头(4)之间的距离。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述靶(7)的长度等于两个相邻的电压分接头(4)之间的距离。
8.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述靶(7)在所述测量线圈(2)内部可位移。
9.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述靶(7)在所述测量线圈(2)外部可位移。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述靶(7)围绕所述测量线圈(2)。
11.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述靶(7)的所述一部分(8)由非铁磁材料制成。
12.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述靶(7)的所述一部分(8)由铝制成或由铜合金制成。
13.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述靶(7)的所述一部分(8)的壁厚大于涡流的穿透深度。
14.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述靶(7)的所述一部分(8)被设计为环(9)。
15.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述磁体(10)被设计为条形磁体。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述磁体(10)在纵向方向上磁化。
17.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述磁体(10)被设计为环面磁体。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述磁体(10)在纵向方向上磁化。
19.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述环(9)围绕所述磁体(10)。
20.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述磁体(10)围绕所述环(9)。
21.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述测量线圈(2)被提供两个ac电压(U1、U2)。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述两个ac电压(U1、U2)彼此互补。
23.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述两个ac电压(U1、U2)为方波电压。
24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述方波电压是双极的。
25.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述两个ac电压(U1、U2)为高频电压。
26.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述测量线圈(2)的所述电压分接头(4)处的电压被提供给用于累加在所述传感器上分接的电压的电子部件(6)。
27.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述用来累加所述分接的电压的电子部件(6)包括求和运算放大器。
28.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，在所述用于累加所述分接的电压的电子器件(6)的输出处，设置一用于对测量信号求值的求值电路(11)。
29.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，在所述测量线圈(2)的中心(“0”)处的电压分接头(4)连接到一积分器(18)。
30.如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述积分器(18)的时间常数被选择成使得在所述电压分接头(4)处取得的信号的高频分量被滤除，且与所述速度成比例的电压存在于所述积分器的输出处。
31.如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述测量线圈(2)是缠绕在卷体(3)上的线圈，所述积分器(18)的输出与卷体(3)处的电压分接头一起被提供给所述用于累加在所述传感器(1)上分接的电压的电子部件(6)。
32.一种用于使用根据如权利要求1至30中任一项所述的装置检测测试对象(5)相对于传感器(1)的位置和速度的方法，其中所述传感器(1)和所述测试对象(5)被排列成使得它们能相对于彼此位移，其中所述传感器(1)包括具有至少一个电压分接头(4)的测量线圈(2)，并包括放置在所述测试对象(5)上同时电磁耦合于所述测量线圈(2)的靶(7)，所述方法的特征在于，用于累加所述传感器(1)上分接的电压的电子部件(6)被分派给所述传感器，且基于所述用于累加在所述传感器(1)上分接的电压的电子部件(6)的输出信号，与所述靶的位置成比例的电压分量Up和与所述靶的速度成比例的电压分量Uv用一求值电路(11)来确定，其中所述电压分量Up(sic；Up)由所述靶(7)的导电部分(8)导致，由于所述导电部分所述传感器(1)的阻抗取决于所述靶(7)相对于所述传感器(1)的位置改变，且所述电压分量Uv(sic；Uv)由所述靶的另一部分导致，该另一部分包括磁体(10)并在所述传感器(1)中感生电压，所感生的电压取决于所述靶(7)相对于所述传感器(1)的速度。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述测量线圈(2)施加有两个互补的双极方波电压(U1、U2)。
34.如权利要求32或33所述的方法，其特征在于，所述电子部件(6)的输出信号在两个预定的采样实例(t1、t2)处采样，其中一个采样实例位于所述输出信号的上半波形的范围内，而另一采样实例位于所述输出信号的下半波形的范围内.
35.如权利要求32或33所述的方法，其特征在于，关于所述靶或所述测试对象的位置的结论从在所述上半波形期间采样的信号值H与在所述下半波形期间采样的信号值L之间的差值[H-L]中得出。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述靶或所述测试对象的速度使用公式[0.5x(H+L)-Uref]来确定，其中Uref是作为所述用于累加所述分接的电压的电子部件(6)的参考电压的稳定直流电压。
37.如权利要求35所述的方法，其特征在于，周期性地重复对所述电子部件(6)的输出信号的采样和对所述采样的信号值(H、L)的求值。
38.如权利要求36所述的方法，其特征在于，周期性地重复对所述电子部件(6)的输出信号的采样和对所述采样的信号值(H、L)的求值。
39.如权利要求37所述的方法，其特征在于，对所述位置和/或所述速度的多个测量值取平均值。
40.如权利要求38所述的方法，其特征在于，对所述位置和/或所述速度的多个测量值取平均值。
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