CN101363710A - 用于无接触地检测两个体之间的相对转动位置的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于无接触地检测两个体之间的相对转动位置的测量装置，特别是一种用于借助一个包括转子(6)及定子(8)的感应式位置传感器无接触地检测一第一体与一第二体之间相对于一个转动轴线的相对转动位置的测量装置(1)，该位置传感器具有一个影响至少一个与该转子或定子连接的线圈的电感的、与该定子或转子连接的影响元件(22)以及一个分析处理装置(24)。设有至少为四个的偶数个的、用线圈轴线与转动轴线(2)平行地及围绕转动轴线(2)圆形地布置的线圈，每两个线圈彼此电耦合并分别构成一个对分析处理装置(24)输出独立的输出信号的线圈对，一个线圈对的线圈相对于所述转动轴线(2)在直径的相反端上对置地布置。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于借助一个包括一个转子及一个定子的感应式位置传感器无接触地检测一第一体与一第二体之间相对于一个转动轴线的相对转动位置的测量装置，该位置传感器具有一个影响至少一个与该转子或定子连接的线圈的电感的、与该定子或转子连接的影响元件以及一个分析处理装置。
背景技术
这种测量装置可使用在其中必需测量转角的机动车领域的不同系统中，例如用在节气门传感器、油门踏板值发送器、踏板模块、车身弹簧挠度传感器、雨刷驱动器的角度测量器或摩托车的油门手把中。
这种测量装置的测量原理例如基于：至少一个电线圈与至少一个电容器构成一个振荡回路，其中，该振荡回路的固有频率根据影响元件相对线圈的相对转动位置改变。然后，一个分析处理装置根据振荡回路的测量的各个固有频率计算影响元件相对线圈的转角位置。
确切地，在此情况下所述至少一个线圈产生一个交变电磁场，该交变电磁场根据感应定律在影响元件中首先感应出一个电压。该感应电压在影响元件中引起一个电流。影响元件中的该电流本身又产生出一个交变电磁场，该交变电磁场与通过线圈产生的交变电磁场叠加并且导致线圈电感的改变并由此导致振荡回路固有频率的可测量的改变。
所述类型的测量装置已由DE 103 52 351 A1公知，其中为了测量影响元件的转角圆形地设置了多个线圈并且借助一个转换开关使各个线圈在时间上相继地与一个电容器连接并由一个分析处理装置根据影响元件相对有关线圈的位置来测量通过转换开关选择出的线圈的阻抗，其中上述步骤被这样频繁地重复，直到通过转换开关相继选择了所有线圈，即相继地与电容器进行了连接及所有线圈的阻抗被测量为止。
例如通过轴间隙引起的影响元件相对于转动轴线垂直的平面的倾翻将导致影响元件在相关的由转换开关刚选择的线圈的磁场中位置的改变，这又将引起测量结果的改变，因为由此配置给线圈的振荡回路的固有频率改变，尽管影响元件的转动位置未改变。
发明内容
本发明基于一个构思，即设有至少为四个的偶数个的、用线圈轴线与转动轴线平行地及围绕转动轴线圆形地布置的线圈，这些线圈中的每两个线圈彼此电耦合并且分别构成一个对分析处理装置输出独立的输出信号的线圈对，其中，一个线圈对的线圈相对于转动轴线在直径的相反端上对置地布置。每个线圈对优选与至少一个电容器一起构成一个振荡回路，所述分析处理装置借助该振荡回路的频率确定两个体的相对转动位置。
这些措施具有其优点，即位置传感器的转子或定子到一个偏离平行位置的位置中的倾翻将引起一个线圈对的一个线圈中的信号改变，该信号改变可通过该线圈对的另一线圈中的信号改变来补偿，以致这种倾翻对测量结果没有影响。
因此，这种测量装置很稳固并且尤其适合用在机动车中，在机动车中由于振动及外力的作用将不可避免地使力作用在苏所述两个体的一个或两个上，所述力将导致位置传感器的轴偏差或转子或定子的倾翻，例如在机动车中的脚踏板或摩托车的油门手把中就是这种情况，在那里往往在绕转动轴线的转矩上附加地叠加一个由操作力引起的弯矩。
通过描述的其他措施可得到本发明的有利的进一步构型及改进。
根据一个优选的实施形式，线圈至少部分地构造成扇形并且在圆周方向上彼此隔开距离地设置，其中，至少一些扇形的线圈具有相同的中心角并且在圆周方向上等距离间隔地布置。
影响元件具有扇形的区段，这些区段具有相对于所述线圈相同的中心角并且在圆周方向上等距离间隔地布置，使得每两个扇形的区段可与一个线圈对上下覆盖。于是对于每个线圈对得到所属振荡回路的测量的固有频率的线性特性曲线。
根据一个特别优选的进一步构型，至少一个线圈的至少一个金属丝绕组被设置在一个与影响元件平行的平面中并且被构造成螺旋形或曲折形。由此得到一个非常扁平面的线圈，它尤其适合于在用于机动车的测量装置中使用，在机动车中通常可提供很小的自由结构空间。
根据一个进一步的构型，为了通过增高金属丝绕组的数目来提高一个线圈的电感以改善信噪比，一个线圈具有多个在相互平行的平面中并且同轴心地布置的螺旋形或曲折形的金属丝绕组，这些金属丝绕组彼此电连接。
这例如可通过以下方式来实现，其方式是设有至少一个承载板，该承载板在两侧上分别承载有至少一个平面的螺旋形或曲折形的金属丝绕组，其中，设置在承载板两侧并且同轴心的金属丝绕组分别被配置给一个线圈。
在该构思的进一步实施中，能够以多层覆技术(Multi-Layer-Technik)设置多个相互连接的承载板，它们分别通过一个绝缘层相互隔开，但配置给一个线圈的金属丝绕组彼此电连接。在一个背离影响元件的外承载板上设有印制导线及分析处理装置的电的和/或电子的元件。
例如影响元件被构造成板状并且构成转子，它可相对于所述至少一个构成定子的承载板在一个平行的平面中绕转动轴线转动。由此位于定子上的线圈的供电可特别地简单。
尤其是，影响元件最好至少部分地由一种顺磁的和/或抗磁的材料如铜制成。这样可避免在铁磁材料情况下出现的感应耦合，其中，在影响元件与相应线圈上下覆盖增大时将使线圈电感减小并且因此使相关振荡回路的固有频率提高。
该测量装置的详细结构将借助以下对实施例的描述来阐明。
附图说明
在附图中表示出本发明的实施例，以下将对其进行详细的描述。附图中表示：
图1：根据本发明的一个优选实施形式的测量装置的示意性电路图；
图2：是图1中测量装置的位置传感器的俯视图；
图3：是图2中位置传感器的线圈的金属丝绕组的俯视图；
图4：是图2中位置传感器的特性曲线；
图5：是根据另一实施形式的测量装置的另一位置传感器的俯视图；
图6：是图5中位置传感器的特性曲线；
图7：是一个位置传感器的解体图；
图8：是图7的位置传感器的沿图9中的线VIII-VIII的横截面图；
图9：是图8的位置传感器的俯视图；
图10：是图7的位置传感器的仰视图。
具体实施方式
图1中示出用于无接触地检测转角的测量装置1的优选实施例，它用于测量一个出于比例尺的原因未示出的加速踏板模块的电子加速踏板的操作角度。此外，这种测量装置1可使用在各种系统(在这些系统中必须对转角进行测量)中，在机动车领域中例如应用在节气门传感器、踏板模块中的油门踏板的油门踏板值发送器、车身弹簧挠度传感器、雨刷驱动器的角度测量器或摩托车的油门手把中。
因此，测量装置1通常用于借助一个位置传感器4无接触地检测一个第一体与一个第二体之间相对转动轴线2的相对转动位置。位置传感器4通常包括至少一个转子6及一个定子8，其中，设有至少一个用于影响至少一个与转子6或定子8连接的线圈10，12，14，16，18，20的电感的、与定子8或转子6连接的影响元件(Beeinflussungselement)22以及一个分析处理装置24。
最好为板状的影响元件22例如就构成转子6，该转子例如与一个加速踏板无相对转动地连接，该加速踏板相对一个静止的轴承座可转动地被支承。然后使定子8与该加速踏板的轴承座相连接。定子8最好承载着绕转动轴线2同轴心地圆形布置的线圈10，12，14，16，18，20。
更确切地说，设有至少为四个的偶数个的、用线圈轴线10a，12a，14a，16a(见图9)与转动轴线2平行地及围绕转动轴线2圆形地布置的线圈10，12，14，16，18，20，这些线圈中的每两个线圈10，12或14，16或18，20彼此电耦合并且分别构成对分析处理装置24输出一个独立的输出信号的线圈对10，12或14，16或18，20，其中，一个线圈对的线圈10，12或14，16或18，20相对转动轴线2在直径的相反端上相对布置。
测量装置1的测量原理是基于：优选六个线圈的每个线圈对10，12或14，16或18，20分别与一个所属的电容器26，28，30构成一个本征振荡回路，其中，各振荡回路的固有频率根据影响元件22相对有关线圈对10，12或14，16或18，20的相对位置改变。然后，分析处理装置24根据振荡回路的相应测量的固有频率来计算影响元件22相对线圈10，12或14，16或18，20的转角β。在此情况下，线圈10，12或14，16或18，20各自产生一个交变电磁场，该交变电磁场根据感应定律在影响元件22中感应出一个电压。当使用优选至少部分地由一种抗磁或顺磁的材料构成的影响元件22、例如由铜构成的影响元件22时，所述感应电压在影响元件22中引起一个电流。影响元件22中的该电流本身产生出一个交变电磁场，该交变电磁场与由线圈10，12或14，16或18，20产生的交变电磁场相反并且导致线圈10，12或14，16或18，20的电感的减小并且从而导致相关振荡回路的固有频率的可测量的增大。
优选的频率改变的分析处理通过以下方式进行，即，例如每个振荡回路具有一个自己的计数器32，34，36，这些计数器是分析处理装置24的组成部分。在计数器32，34，36中分别集成了用于构成一个振荡器的倒相放大器。它们在预定时间内对相应振荡回路的振荡数目N进行计数并且将该数目传送给作为分析处理装置24的一部分的微机38，该微机根据该数目计算出影响元件22相对定子8的转角β。
如由图2可看出的，线圈10，12或14，16或18，20在一个与各自的线圈轴线垂直的平面中观察被构成扇形，但是一个中心的区段总是被空出。线圈10，12或14，16或18，20在圆周方向上最好彼此等距离间隔地布置，这里相对构成线圈中心的相应线圈轴线最好彼此错开60度，其中它们例如具有相等的中心角α。
影响元件22最好被构成板状及具有扇形的区段40，42，44，46，这些区段具有相对线圈10，12或14，16或18，20相同的中心角α。最好扇形的区段40，42，44，46的数目比线圈10，12或14，16或18，20的数目少两个。此外，这四个区段40，42，44，46在圆周方向上这样等距离间隔地布置，以致每两个扇形的区段40，42，44，46可与一个线圈对10，12或14，16或18，20上下覆盖。专业人员将这样来确定从转动轴线2的方向上看在板状的影响元件22与线圈10，12或14，16或18，20的设置在与此影响元件平行的平面中的端面之间的轴向距离，使得影响元件22可被线圈10，12或14，16或18，20的磁场穿过。
分别彼此电连接成线圈对的线圈10，12或14，16或18，20在图2中被示意性地通过点线、划线及点划线来表示。扇形的线圈10，12或14，16或18，20与转子6的扇形的区段40，42，44，46的相同的中心角α的值为π/4，转子6的扇形的区段40，42，44，46的周期率例如为2π/nR，其中R为区段40，42，44，46的数目。特别优选的是，线圈10，12或14，16或18，20的数目是可被3整除的偶数。
此外，一个线圈10，12或14，16或18，20的各一个金属丝绕组10b，12b或14b，16b或18b，20b在一个与影响元件22平行的平面中被设置在承载板48、50上并且构成螺旋形状或曲折形状，如由图3中线圈10的例子可看出的。在此情况下，一个线圈10，12或14，16或18，20最好具有多个这样的、在相互平行的平面中并且同轴心地布置的螺旋形状或曲折形状的金属丝绕组10b，12b或14b，16b或18b，20b，这些金属丝绕组彼此电连接。
图7示出一个位置传感器4的定子8的解体图，该定子具有多个在相互平行的平面中的及同轴心地布置的螺旋形状或曲折形状的金属丝绕组10b，12b或14b，16b，这些金属丝绕组彼此电连接并且分别构成一个线圈10，12或14，16。在图7至10的该实施形式中仅设有四个线圈10，12与14，16，这些线圈中的每两个线圈10，12或14，16构成一个线圈对，该线圈对与至少一个这里未示出的电容器及计数器相连接。因此在四个线圈10，12及14，16d的本例中得到了两个具有两个线圈对10，12及14，16及两个电容器的振荡回路。
金属丝绕组10b，12b或14b，16b位于多个(这里例如为两个)最好圆形的承载板48，50的表面上。在一个承载板48，50的两侧上同轴心地布置的多个金属丝绕组10b，12b或14b，16b分别被配置给一个线圈10，12或14，16。因此在这里所述的实施例中，每个线圈在两个承载板48，50上在平行的平面中总共布置了四个金属丝绕组10b，12b或14b，16b。这些金属丝绕组10b，12b或14b，16b以铜质印制导线的形式存在及例如通过作为承载板48，50的环氧树脂板的蚀刻来制造。
图9示出定子8的俯视图，也就是说，在本例中例如是向着影响元件22的上承载板48的俯视图，在其露出的表面上设置了四个线圈10，12与14，16的例如四个螺旋形状的金属丝绕组10b，12b与14b，16b。优选所有的金属丝绕组10b，12b或14b，16b平坦地、螺旋形及相同方向地卷绕。
尤其如由图9可看出的是，一个线圈10，12或14，16的第一部位或第一层被正向地缠绕，即电端子被设在径向外部，其中金属丝绕组10b，12b或14b，16b的螺线向径向内部继续延伸及例如借助于承载板48，50中的一个孔穿到承载板48，50的另一侧进行接通，以便通到另一具有相同旋转方向的、从径向外部向径向内部引导的螺旋形金属丝绕组10b，12b或14b，16b上。然后，线圈金属丝被从一个径向内部的接触位置引导到相邻承载板48，50上并且又通到一个螺旋形状的金属丝绕组10b，12b或14b，16b上。以此方式可产生线圈10，12或14，16的任意数目的金属丝绕组10b，12b或14b，16b，其中通过一定数目的金属丝绕组10b，12b或14b，16b的层及部位得到高电感的线圈10，12或14，16。金属丝绕组10b，12b或14b，16b也可不设在两侧上，而仅设在承载板48，50的一侧上或交替地布置。
这两个承载板48，50在其彼此面对的侧面上通过一个绝缘层54相互隔开，以防止当承载板48，50相互平行地接合时在否则将接触的印制导线之间形成短路。在该构思的进一步实施中，定子8可具有任意数目的、分别设有金属丝绕组10b，12b或14b，16b的承载板48，50，它们相互平行地接合并且分别通过一个绝缘层54互相隔开(多层覆技术)。在此情况下，配置给线圈10，12或14，16的金属丝绕组10b，12b或14b，16b彼此电连接，关于承载板48，50例如通过以下方式连接，即相关的承载板48，50设有用于穿过电触头的孔，这些电触头使承载板48，50一侧上的金属丝绕组10b，12b或14b，16b与承载板另一侧上的金属丝绕组10b，12b或14b，16b相连接。
如图10所示，在另一承载板56的背离影响元件22的自由外表面上构造一个接线布局58以及用于接收电元件和/或电子元件60、如用于电容器及计数器和/或用于分析处理装置24的其它电元件和/或电子元件60的接收部分。在该最好不载有线圈的外承载板56与载有线圈的相邻承载板50之间也设有一个绝缘层54及出于电磁兼容性(EMV)最好还设有一个薄的铜层64，由此电子元件60的功能不会受到由线圈10，12或14，16产生的电场或磁场的影响。相互平行及同轴心定向的承载板48，50，56最好通过压制相接合，以致形成一个紧凑的、薄的及整体的结构单元62，如图8中所示。因此该结构单元62包括线圈10，12或14，16以及所属的振荡回路和分析处理装置24。
在该背景下位置传感器4的工作方式如下：通过借助加速踏板的操作引起影响元件22绕转动轴线2转动，例如在图2中沿箭头66的方向逆时针方向转动，则得到影响元件22的扇形的区段40，42，44，46相对相应的线圈10，12或14，16或18，20的分别不相同的覆盖度μ，其中覆盖度μ从0(未覆盖)-例如图2中具有虚线的边界的线圈对10，12-延伸到覆盖度1(全覆盖)。至少一个线圈10，12或14，16或18，20被影响元件22的区段40，42，44，46的全覆盖是可能的，因为扇形的线圈10，12或14，16或18，20的中心角α与扇形的区段40，42，44，46优选相同并且存在相对应的转动位置。
因此，视被影响元件22的覆盖度μ而定，线圈对10，12或14，16或18，20产生出频率改变形式的独立的输出信号。在图4中表示出图2中的位置传感器4的特性曲线，其中给出在每个线圈10，12或14，16或18，20的转角β上的覆盖度μ。图4中以点线、划线及点划线表示的特性曲线涉及图2中以类似方式表示的线圈对10，12或14，16或18，20。对于每个线圈对或扇段对10，12或14，16或18，20各得到一个周期性的及线性的变化曲线，这些变化曲线分别锯齿形地从0(未覆盖)延伸到1(全覆盖)。各振荡回路的固有频率相应于每个覆盖度μ。
替代地，线圈10，12或14，16或18，20及影响元件22的几何形状可这样地构型，即根据转角β出现正弦信号及余弦信号来代替线性的特性曲线。例如在具有圆周间隔为90度的四个线圈时(参见图9的实施例)就是该情况。对于分析处理则最好是例如由一个线圈对10，12或14，16或18，20的正弦信号sin(β)及另外的线圈对10，12或14，16或18，20的余弦信号cos(β)得出一个正切：
tan(β)＝A sin(β)/Acos(β) (1)
其中A为信号幅值，它可从方程示(1)中约去，以致与信号幅值成正比的电源电压以有利的方式对测量结果无影响。
对于转角的反正切有：
arctan(β)＝arctan(sin(β)/cos(β)) (2)
或：
β＝arctan(sin(β)/cos(β)) (3)
对于每个任意的角度值β(其在图4中例如通过一个垂直的线表示)，我们在线圈10，12或14，16或18，20的特性曲线上得到一个点68，其中在该点68上，在扣除一个偏移量后，得到特性曲线的覆盖度值的总和等于零或必需处于一个包括零的容差带内。因此如果不能满足该条件(这优选通过分析处理装置24的相应控制程序来检验)，则它将指示：出现一个故障的测量并且在一定情况下出现位置传感器4的故障。然后或启动应急程序或使位置传感器4停止工作。
图5中示出位置传感器4的另一实施形式，其中相同功能的组件或部件设有与图2的实施例中相同的标号。虽然在图5的实施形式中也具有三个线圈对形式的六个线圈10，12或14，16或18，20，但影响元件22仅包括两个扇形的区段40，42，其中这两个扇形的区段40，42的中心角α为90度，而线圈10，12或14，16或18，20的中心角依然为π/4。这两个区段40，42的圆周间隔为45度。该实施形式的相关特性曲线被表示在图6中。
Claims (15)
1.一种用于借助一个包括一个转子(6)及一个定子(8)的感应式位置传感器(4)无接触地检测一第一体与一第二体之间相对于一个转动轴线(2)的相对转动位置的测量装置(1)，该位置传感器具有一个影响至少一个与该转子(6)或定子(8)连接的线圈(10，12，14，16，18，20)的电感的、与该定子(6)或转子(8)连接的影响元件(22)以及一个分析处理装置(24)，其特征在于：设有至少为四个的偶数个的、用线圈轴线(10a，12a，14a)与转动轴线(2)平行地及围绕转动轴线(2)圆形地布置的线圈(10，12，14，16，18，20)，这些线圈中的每两个线圈(10，12或14，16或18，20)彼此电耦合并且分别构成一个对分析处理装置(24)输出独立的输出信号的线圈对，其中，一个线圈对的线圈(10，12或14，16或18，20)相对于所述转动轴线(2)在直径的相反端上对置地布置。
2.根据权利要求1的测量装置，其特征在于：每个线圈对(10，12或14，16或18，20)与至少一个电容器(26，28，30)一起构成一个振荡回路，所述分析处理装置(24)借助该振荡回路的频率确定所述两个体的相对转动位置。
3.根据以上权利要求中至少一项的测量装置，其特征在于：这些线圈(10，12或14，16或18，20)至少部分地构造成扇形并且在圆周方向上彼此隔开距离地布置。
4.根据权利要求3的测量装置，其特征在于：这些扇形的线圈(10，12或14，16或18，20)中的至少一些具有相同的中心角(α)并且在圆周方向上等距离间隔地布置。
5.根据权利要求4的测量装置，其特征在于：该影响元件(22)具有扇形的区段(40，42，44，46)，这些区段在圆周方向上等距离间隔地布置，使得每两个扇形的区段(40，42，44，46)可与一个线圈对(10，12或14，16或18，20)上下覆盖。
6.根据权利要求5的测量装置，其特征在于：这些扇形的区段(40，42，44，46)相对于线圈(10，12或14，16或18，20)具有相同的中心角(α)。
7.根据权利要求5或6的测量装置，其特征在于：设有六个扇形的线圈，这些线圈中的每两个线圈(10，12或14，16或18，20)彼此电耦合并且分别构成一个对分析处理装置(24)输出独立的输出信号的线圈对(10，12或14，16或18，20)，其中，影响元件(22)具有四个扇形的区段(40，42，44，46)。
8.根据以上权利要求中至少一项的测量装置，其特征在于：至少一个线圈(10，12或14，16)的至少一个金属丝绕组(10b，12b或14b，16b)被设置在一个与影响元件(22)平行的平面中并且被构造成螺旋形状或曲折形状。
9.根据权利要求8的测量装置，其特征在于：一个线圈(10，12或14，16)具有多个在相互平行的平面中并且同轴心地布置的螺旋形或曲折形的金属丝绕组(10b，12b或14b，16b)，这些金属丝绕组彼此电连接。
10.根据权利要求9的测量装置，其特征在于：设有至少一个承载板(48，50)，这些承载板在两侧上分别承载有至少一个平面的、螺旋形或曲折形的金属丝绕组(10b，12b或14b，16b)，其中，设置在承载板(48，50)两侧的金属丝绕组(10b，12b或14b，16b)分别被配置给一个线圈(10，12或14，16)。
11.根据权利要求10的测量装置，其特征在于：以多层覆技术设置多个相互连接的承载板(48，50，56)，这些承载板分别通过一个绝缘层(54)相互绝缘，但配置给一线圈(10，12或14，16)的金属丝绕组(10b，12b或14b，16b)彼此电连接。
12.根据权利要求11的测量装置，其特征在于：在一个背离影响元件(22)的外承载板(56)上设有印制导线(58)和/或分析处理装置(24)的电子元件(60)。
13.根据权利要求12的测量装置，其特征在于：所述承载板(48，50，56)与该分析处理装置(24)一起构成一个整体的结构单元(62)。
14.根据权利要求10至13中至少一项的测量装置，其特征在于：该影响元件(22)被构造成板状的并且构成转子(6)，该转子可在一个平行的平面中相对于所述至少一个构成定子(8)的承载板(48，50，56)绕转动轴线(2)转动。
15.根据以上权利要求中至少一项的测量装置，其特征在于：该影响元件(22)至少部分地由一种顺磁的和/或一种抗磁的材料制成。
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