CN101341377B - 非接触工作的位置测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非接触位移测量系统，该系统包括可用交流电流来供电的测量线圈(1)，所述测量线圈(1)具有至少两个电压抽头(7)。该系统还包括分配给传感器(2)的导电和/或导磁的测量物体(4)以及评定电路(3)。传感器(2)和测量物体(4)在测量线圈(1)的纵向方向可彼此相对移位。本发明的特征在于，测量物体(4)具有至少一个影响两个电压抽头(7)之间的测量线圈(1)的阻抗的标记(8)，使得评定电路(3)可产生与待测物体(4)相对于电压抽头(7)的位置相关的输出信号(9)。

Description

非接触工作的位置测量系统
本发明涉及与传感器不接触而工作的位置测量系统，它包括可用交流电来通电的测量线圈，其中该测量线圈包括至少两个电压抽头，带有要被测量的、分配给传感器来检测的导电和/或导磁物体，以及带有评定电路，其中传感器和待测物体在测量线圈的纵向可产生彼此相对的位移。
非接触工作的位置测量系统实践于多数各式各样的实施例已经有很多年。尤为人知的是带有至少一个包括测量线圈的传感器的非接触工作的位置测量系统，即基于涡流或感应而工作的位置测量系统。
用于感应位置测量的已知装置，例如根据LVDT(线性变化差动变压器)原理来工作并包括一个初级线圈和两个次级线圈，其中初级线圈通过具有恒定频率交流电的振荡器电子设备来供电。使铁磁芯在封装于外壳中的多个线圈之间进行不接触地传导。取决于铁磁芯的位置，在两个次级线圈中感应出交流电压。磁芯的位移导致在一个次级线圈中具有较高的电压，而在另一个次级线圈中具有较低的电压，两个次级电压的差值与该磁芯的位移成正比。在这种情况下，问题在于试图检测其移动的待测物体必须与磁芯机械地连接，以使能够获得待测量的移动。这种连接可以是例如通过焊接或上螺丝来实现。这两种变化在机械上极为复杂。
根据DE 42 25 968AL，已知一种涡流传感器，其中已经对测量线圈设置了几个电压抽头。取决于环的位置，在两个电压抽头之间的测量线圈的部分阻抗受到以一定间距接合到线圈外壳周围的环的影响。借助于评定电路，可确定该环相对于电压抽头的位置。在这种情况下，还是有实际待测物体必须与环以机械的复杂方式来连接的缺点。
本发明的目的是，开发和提供一种非接触工作的位置测量系统，其类型在介绍中以这样的方式注明，可将待测物体定义为简单的机械零件。
根据本发明的一个方面，提供一种与传感器(2)不接触而工作的位置测量系统，包括可用交流电流来供给电流的测量线圈(1)，其中测量线圈(1)包括至少两个电压抽头(7)，带有分配给传感器(2)的导电和/或导磁的待测物体(4)，并带有评定电路(3)，其中传感器(2)和待测物体(4)在测量线圈(1)的纵向方向可彼此相对移位，其中，待测物体(4)包括至少一个影响两个电压抽头(7)之间的测量线圈(1)的阻抗的标记(8)，使得评定电路(3)可提供与待测物体(4)相对于电压抽头(7)的位置相关的输出信号(9)。据此，以这样的方式来构成所讨论的位置测量系统，待测物体至少包括一个影响两个电压抽头之间的测量线圈的阻抗的标记，以使评定电路可提供与待测物体相对于电压抽头的位置相关的输出信号。
根据本发明，已经认识到，提供特殊的、与利用机械连接将实际待测物体的移动传递到其的测量线圈相互作用的组件(磁芯、环)是极其复杂的，根据本发明，通过应用待测物体上的标记，所述标记影响两个电压抽头之间的测量线圈的阻抗，可省略附加的组件。由于提供在待测物体上的标记能够作为简单的机械部件直接与测量线圈相互作用，并且它具有相对于测量线圈的对应位置，使得可提供与待测物体相对于电压抽头的位置相关的输出信号。
在特别有利的方式中，该标记可以是空气隙，因为其可通过例如铣或钻特别简单地来产生。除此以外，待测物体可以只由单一材料来制造，使得相对于已知的位置测量系统将极大地降低生产成本。
较佳的是，待测物体用具有至少一个空气隙的管子来体现，并布置成与测量线圈的轴平行。与管子的平行轴位移有关，在由电压抽头来确定的多个测量线圈部分的一个中的空气隙的存在，导致对相应的线圈部分的部分阻抗产生影响，这导致由评定电路提供对应的输出信号。
关于待测物体的位置的明确确定，空气隙可具有最多对应于两个相邻电压抽头之间的间距的宽度，以使空气隙总是明确地位于两个电压抽头之间。
相对于尽可能大的测量范围，管子的长度可大致对应于测量线圈的长度。对于管子至少是测量线圈长度的两倍的情况，将导致传感器的最佳利用。此时测量范围将最大化并对应于测量线圈的长度。
根据结构的观点采用特别简单的方式，管子可包括彼此相对的两个空气隙。或者，管子也可包括彼此相对120°偏移的三个空气隙，原则上空气隙的任意配置都是可能的。原则上，相对于特定发展的限制仅由管子所需的机械强度来设定。
在一种特定的开发中，待测物体可由铁磁材料制成，例如铁。在这种情况下，在管子相对于测量线圈移动的情况下，测量线圈的局部阻抗将在空气隙所处的部分中降低，使得在对应的电压抽头之间引出的电压将比在其它的电压抽头之间的为低。
或者，待测物体也可由非铁磁材料制成，尤其是铝。在测量线圈的某个部分存在空气隙，因而将使对应的局部阻抗增加，从而增加了对应的电压值。在这两种情况，即铁磁管以及非铁磁管，可以采用这样的方式来选择壁厚，即，其厚度大于涡流的渗透深度。
关于用于多种目的的待使用的位置测量系统的能力，待测物体可在测量线圈的内部移位。此外如果待测物体以管子的形式来构成，那么，相当特殊的优点导致管子的内部同时可用于其它功能。尤其是，管予的内部可通过例如被引导通过该管子的轴或缆索，用来传递力。还想得到的是利用管子的内部作为光束路径或用于冷却。
取决于位置测量系统的特定使用和对待测物体几何形状的专门要求，待测物体可以这样的方式转移到传感器的外部，使得待测物体围绕测量线圈。
可以用一层或多层技术来生产测量线圈，并且将测量线圈绕在线圈体上。至于线圈体的材料，塑料特别适合。为了实现紧凑的结构，线圈体可采用塑料杆的形式，当待测物体设置在传感器的外部时这尤为有益。
还可以想得到的是制造具有特定的高电阻的导电材料的线圈体，其中无磁性的不锈钢尤其适合于此。在这种情况下，可以用这样的方式来选择线圈体的壁厚，即，使得交变电磁场的渗透深度小于线圈体的壁厚。通过对施加到测量线圈的交流电压的频率对应选择，也可达到这种效果。
关于传感器良好的可操纵性，线圈体和测量线圈可密封进外壳中。这样一来，外壳可由例如塑料或另一种非铁磁性材料制成，尤其是不锈钢。特别是鉴于导入线圈体内的待测物体，从而可制造出更紧凑的密封传感器。
经由电压抽头提供并供给到评定电路的信号，可以用特别简单的方式由评定电路作为输出电压来提供，该输出电压随空气隙或待测物体的位置而线性地变化。一种可能的评定电路已经在例如DE 42 25 968A1中被详细地揭示。为了获得尽可能好的分辨率用以确定待测物体的位置，可设置电压抽头互相交错。
有各种可能性用有利的方式来开发和扩展本发明的教示。包括：
所述的位置测量系统中，标记(8)是空气隙(11)。
所述的位置测量系统中，待测物体(4)具体体现为具有至少一个空气隙(11)的管子(10)。
所述的位置测量系统中，待测物体(4)的空气隙(11)至多以两个相邻抽头(7)之间的距离延伸。
所述的位置测量系统中，管子(10)至少为测量线圈(1)的两倍长。
所述的位置测量系统中，管子(10)包括彼此相对的两个空气隙(11)。
所述的位置测量系统中，管子(10)包括120°偏移的三个空气隙(11)。
所述的位置测量系统中，待测物体(4)由铁磁性材料制成。
所述的位置测量系统中，待测物体(4)由非铁磁性材料制成。
所述的位置测量系统中，所述非铁磁性材料为铝。
所述的位置测量系统中，管子(10)的壁厚大于涡流的渗透深度。
所述的位置测量系统中，待测物体(4)在测量线圈(1)的内部是可以移动的。
所述的位置测量系统中，待测物体(4)在传感器(2)的外部是可以移动的。
所述的位置测量系统中，测量线圈(1)绕在线圈体(5)上。
所述的位置测量系统中，线圈体(5)由塑料制成。
所述的位置测量系统中，线圈体(5)以塑料杆的形式来实现。
所述的位置测量系统中，线圈体(5)由具有特定高电阻的导电材料来制成。
所述的位置测量系统中，所述特定高电阻的导电材料为无磁性不锈钢。
所述的位置测量系统中，线圈体(5)的壁厚大于交变电磁场的渗透深度。
所述的位置测量系统中，线圈体(5)和测量线圈(1)封装在外壳(6)中。
所述的位置测量系统中，外壳(6)由塑料、非铁磁性材料钢等制成。
所述的位置测量系统中，输出信号(9)作为输出电压来提供。
所述的位置测量系统中，电压抽头(7)彼此交错。
另一方面可参考下文结合附图的本发明两个较佳实施例的说明。联系结合附图的本发明较佳实施例的说明，也说明通常为较佳的本教示的开发和扩展。在附图中示出了
图1示例性地表示根据本发明的位置测量系统的第一实施例，
图2示例性地表示根据本发明的位置测量系统的第二实施例，
图3示例性地表示包括空气隙的待测管状物体。
图1示出了依照本发明非接触工作的位置测量系统的第一实施例，传感器2包括能够以交流电来供电的测量线圈1、与传感器2相连接的电源/评定电路3、分配给传感器2要测量的导电和/或导磁物体4。测量线圈1体现为伸长的线圈，实际上为具有均匀绕组的圆柱形线圈，并且缠绕在线圈体5上，其中测量线圈1和线圈体5封装在外壳6中。经由电源/评估电路3，测量线圈1由互补交流电压U1和U2来供电。
在此选择的实施例中，测量线圈1包括两个电压抽头7，以使根据电压抽头7的数量，在各个电压抽头7之间的电压值能够被引出并供给电源/评定电路3。根据本发明，待测量的物体4包括影响两个电压抽头7之间测量线圈1的阻抗的标记8，以使评定电路3提供与待测物体4相对于电压抽头7的位置相关的输出信号9。
待测的物体4具体为管子10，在测量线圈1内不接触地被导电，并以微小的间距被测量线圈环绕。在这种情况下，以铣入管子10的径向空气隙11的形式来形成标记8。
图2示意性地示出了根据本发明位置测量系统的第二实施例，其中与图1的相同的组件使用了相同的标号。相对于根据图1的实施例主要的不同之处在于，待测量的物体4没有在测量线圈1内非接触地导电，而是待测物体4以具有微小间隙的圆柱体形式围住了传感器2。在该实施例中为了获得紧凑的结构，可将测量线圈1也缠绕在类似棒状的线圈体5上。把测量线圈1和线圈体5封入由塑料制成的外壳6中。来自传感器端面、用于将两个互补交流电压U1和U2供给测量线圈1的引线以及电压抽头7放置成平行于类似棒状的线圈体5。
图3以侧视图(a)和平面图(b)的形式示意性地示出了待测物体4以及空气隙11的特定发展。如在平面图中可以特别清楚地看到的那样，空气隙11由三个材料凹槽构成，每个凹槽相对于其它凹槽偏离120°。这三个区域用α来指示，它形成三个分隔壁，其中管子10在径向方向拥有其全部材料厚度，取决于特定的应用，这三个区域原则上只受限于待测物体4所必须具备的机械强度。
关于根据本发明的教示的其它有利开发和扩展，一方面可参考说明书的总述部分，另一方面可参考附属的权利要求书。
最后，要特别强调的是，前面纯粹以任意方式选择的实施例仅用来说明根据本发明的教示，而不能将该教示限定于这些实施例的范围之内。

Claims (24)

1.与传感器(2)不接触而工作的位置测量系统，包括可用交流电流来供给电流的测量线圈(1)，其中测量线圈(1)包括至少两个电压抽头(7)，带有分配给传感器(2)的导电和/或导磁的待测物体(4)，并带有评定电路(3)，其中传感器(2)和待测物体(4)在测量线圈(1)的纵向方向可彼此相对移位，其特征在于，
待测物体(4)包括至少一个影响两个电压抽头(7)之间的测量线圈(1)的阻抗的标记(8)，该提供在所述待测物体上的所述标记能够作为简单的机械部件直接与所述测量线圈相互作用，并且它具有相对于所述测量线圈的对应位置，使得评定电路(3)可提供与待测物体(4)相对于电压抽头(7)的位置相关的输出信号(9)。
2.如权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，标记(8)是空气隙(11)。
3.如权利要求2所述的位置测量系统，其特征在于，待测物体(4)具体体现为具有至少一个空气隙(11)的管子(10)。
4.如权利要求2所述的位置测量系统，其特征在于，待测物体(4)的空气隙(11)至多以两个相邻抽头(7)之间的距离延伸。
5.如权利要求3所述的位置测量系统，其特征在于，待测物体(4)的空气隙(11)至多以两个相邻抽头(7)之间的距离延伸。
6.如权利要求3所述的位置测量系统，其特征在于，管子(10)至少为测量线圈(1)的两倍长。
7.如权利要求3所述的位置测量系统，其特征在于，管子(10)包括彼此相对的两个空气隙(11)。
8.如权利要求3所述的位置测量系统，其特征在于，管子(10)包括120°偏移的三个空气隙(11)。
9.如权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，待测物体(4)由铁磁性材料制成。
10.如权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，待测物体(4)由非铁磁性材料制成。
11.如权利要求10所述的位置测量系统，其特征在于，所述非铁磁性材料为铝。
12.如权利要求3所述的位置测量系统，其特征在于，管子(10)的壁厚大于涡流的渗透深度。
13.如权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，待测物体(4)在测量线圈(1)的内部是可以移动的。
14.如权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，待测物体(4)在传感器(2)的外部是可以移动的。
15.如权利要求1到14中的任意一个所述的位置测量系统，其特征在于，测量线圈(1)绕在线圈体(5)上。
16.如权利要求15所述的位置测量系统，其特征在于，线圈体(5)由塑料制成。
17.如权利要求16所述的位置测量系统，其特征在于，线圈体(5)以塑料杆的形式来实现。
18.如权利要求15所述的位置测量系统，其特征在于，线圈体(5)由具有特定高电阻的导电材料来制成。
19.如权利要求18所述的位置测量系统，其特征在于，所述特定高电阻的导电材料为无磁性不锈钢。
20.如权利要求18所述的位置测量系统，其特征在于，线圈体(5)的壁厚大于交变电磁场的渗透深度。
21.如权利要求15所述的位置测量系统，其特征在于，线圈体(5)和测量线圈(1)封装在外壳(6)中。
22.如权利要求21所述的位置测量系统，其特征在于，外壳(6)由塑料、非铁磁性材料钢等制成。
23.如权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，输出信号(9)作为输出电压来提供。
24.如权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，电压抽头(7)彼此交错。
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