CN102597710A - 获取角度信号的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在围绕轴线旋转的部件(11)上、例如在发动机(12)输出轴上获取角度信号的装置(10)，其包括可以固定在部件(11)上的标记载体(13)，所述标记载体具有传感器装置(14)可以读出的标记(15，15′)。按照本发明所述，标记载体由不可伸展的柔性标记条(16)构成，所述标记条具有与旋转部件(11)的周长无关的标记分度，将标记条固定在旋转部件(11)上，最好直接粘贴或者夹紧在部件上。标记条(16)的两个末端区域在固定到部件(11)上之后形成拼接区、间隙区或搭接区(21)，标记分度在该区域中具有不连续性，可将其用作角度信号测量的触发标记。

Description

获取角度信号的装置
本发明涉及一种在围绕轴线旋转的部件上、例如在发动机输出轴上获取角度信号的装置，包括可以固定在部件上的标记载体，所述标记载体具有传感器装置可以读出的标记。
无论在发动机研发过程中，还是将来在大型发动机运转期间，都要根据角度检测发动机参数，例如将气缸内部压力参数用于燃烧技术开发和进行调节。但也可以将工业应用作为应用领域，例如根据借助角度信号传感器测定的凸轮位置来检测加工力。
在检测气缸内部压力时除了需要关于调节质量的准确压力信号之外，还需要当前气缸压力与活塞位置(当前气缸容积)之间准确的对应关系。需要了解活塞位置与曲轴位置之间的几何关系，并且准确记录曲轴位置，才能确定这种对应关系。
现有文献公开了以下类型的角度信号检测方法：
●封闭式系统，配有玻璃标记盘，这些系统利用透射光方法工作。
●开放式系统，配有带径向槽的金属标记盘，这些系统利用透射光方法工作。这些系统原则上也适用于大型发动机，但是非常复杂而且价钱昂贵。
●用激光将一定数量均匀划分的标记刻在轴的圆周上，并且根据反射原理检测这些标记。该方法很复杂，并且例如不适合于大型发动机，因为轴的尺寸和重量很大，无法以常规方式输送。
●在输出轴的圆周上应用触发标记，这种方法便于使用，但是无法精确工作，因为发动机并非匀速旋转而且存在转速波动，无法将角度精确对应于测定的参数。
EP 1 258 711 A2公开了一种常规的标记盘，其可用于旋转轴的转角传感器，该标记盘具有若干相对于旋转轴线径向排列的角度标记。该标记盘还有一个基准标记，该基准标记是通过具有不同调制特性的角度标记构成的。例如，基准标记可以具有比角度标记更大的面积。还可以使得基准标记在径向和/或者切线方向比角度标记更长。缺点是必须针对每一种应用情况制作单独的标记盘，并且必须将其安装在待测量的轴上。
DE 36 23 449 C2公开了一种获取角度信号的装置，其中码盘与内燃发动机的曲轴相连，并且具有若干等距分布在圆周上的标记齿以及至少一个触发齿。标记齿和触发齿在涡流损耗和导磁率方面有所区别，从而使得指向这些齿的脉冲发生器能够输出可以区别的信号。
JP 2007-003505阐述了一种光学线性编码器，其中在较长的待测区段的情况下必须拼接测量系统的多个刻度。为了避免拼接部位出现测量误差，测量系统具有两个光电探测器，这些光电探测器指向专门在拼接部位切出的测量条的两个测量轨迹。
AT 410.372 B公开了一种由多个元件构成的测角系统。在径向从固定有测角系统的轴开始有一个直接贴紧在轴上的夹紧环、一个比较厚的弹性中间层以及具有刻度的真正量尺。夹紧环和量尺具有相互独立、相对于轴相对布置的夹紧装置或调整装置，其中将量尺固定在轴上的功能与调整功能分离。通过调整装置连接并且可以适当调整量尺的两端，使得拼接部位的分度不会中断。为此可能需要在装配之前适当加工这两端。为了获得绝对角度信息，在侧面将一个基准标记布置在量尺上。此外，该测量系统特别不灵活，仅适合用于直径或周长仅仅在夹紧环的可调范围内波动的轴上。
此外还可以使用现有的起动机齿圈作为码盘，但是首先要以适当的花费在其壳体中制作用于脉冲发生器的入口。
本发明的任务在于，对用来获取角度信号的装置进行适当改进，从而能够以简单方式将其用于不同直径的旋转部件上，并且使其尤其也适合于在大型发动机的输出轴上进行基于角度的测量。
按照本发明所述，采用以下方式即可解决这一任务：标记载体由不可伸展的柔性标记条构成，所述标记条具有与旋转部件周长无关的任意标记分度，将标记条直接固定在旋转部件上，最好直接粘贴或夹紧在旋转部件上，使得标记条的两个端部区域在固定在部件上之后形成拼接区、间隙区或者搭接区，标记分度在该区域中具有不连续性，可将该不连续性作为用于角度信号测量的触发标记。
这样就能大大便于获取角度信号，例如发动机驱动轴上的角度信号，而且可以通用。本发明所述的方法包括以下步骤：
-将不可伸展的标记条定长切断为大致等于旋转部件周长的长度，所述标记条具有与旋转部件周长无关的任意标记分度；
-将标记条安装在部件的圆周上；
-利用标记条的两个端部区域形成拼接区、间隙区或者搭接区，其中使得标记分度形成或者产生可以作为触发标记使用的不连续性，以及
-读出标记信号和触发信号。
轴的周长在几乎所用应用情况下都不是预定标记分度的整数倍，从而在拼接部位出现不相等的分度(在光学分析装置情形中，可能出现从黒/黒至白/白的所有变型)。这不是缺点，相反可以将其用来形成所需的触发标记。可以将拼接位置(例如总计三个标记)前面和后面的一定区域染成黑色。现在已将具有未知标记数和可检测黑色区域的标记条应用于输出轴。
在发动机运转过程中采集信号，就能在旋转时确定标记的数量。可以通过标记的数量、染成黑色的间隔的几何长度和明/暗之间的预定分度测定周长以及每个分度的精确角度。
可以将较长的黑色间隔换算成精确的角度值，使得分度加上黑色间隔的总和为360°。
在串联于传感装置后面的信号处理装置中对以非整数角度值记录的角度脉冲进行实时换算、内插和倍增，得到整数或者合理划分的角度值(0.5°；0.25°)，然后将其作为TTL信号提供给分析/显示单元。
除了光学测量原理之外，也可以使用电磁、电容或者感应测量方法。例如，标记条可以由一种导磁材料构成，并且可以具有规则排列的钻孔、冲压凸包、冲切口、形状或凸起，这些可以沿着标记条产生具有交变磁阻的区域，传感装置的感应式测头可以读出这些区域。
现在不再需要针对每一种新的应用情况制作与轴周长尺寸相配的定制的标记条，更确切地说，用户可以使用具有预定标记分度的标记条，该标记条仅须裁切或定长切断到待测轴的大致周长并且固定在轴上。
对于光学或电磁传感装置，标记条可以是最好可以收卷的连续带材，所述连续带材的一侧具有例如用于固定在旋转部件上的粘贴面。
对于感应或电容式传感装置，标记条16可以是可针对相应用途定长切断的金属带或金属条，例如具有表面结构的金属带。
以下将根据示意性附图，对本发明进行详细解释。相关附图如下：
附图1本发明所述的用于获取角度信号的装置；
附图2本发明所述的柔性标记条的局部俯视图；
附图2a  附图2所示的标记条的纵剖面；
附图3～6将标记条粘贴到旋转部件上时形成拼接区或搭接区的不同实施方式；
附图7附图1所示装置的一种变型，具有一个电磁或电容式传感装置；
附图8附图1所示装置的一种变型，具有一个感应式传感装置；
附图9附图8所示装置的放大细节；
附图10标记条连同附图8所示装置一种实施方式的夹紧装置；
附图11附图10所示夹紧装置的夹紧元件；
附图12附图10所示夹紧装置的一种变型；以及
附图13和附图14感应式标记条的实施方式。
附图1所示为用于在围绕轴线旋转的部件11、例如在发动机12的输出轴上获取角度信号的装置10，该装置具有标记载体13，该标记载体由不可伸展的柔性标记条16构成，可将其切断之后粘贴或夹紧在输出轴11的圆柱形外表面区域上。标记条16具有均匀但是与旋转部件11的周长无关的标记分度，如果使用光学测量原理，则例如通过不同颜色(黒/白)的区域15、15′实现标记分度。在附图所示的实施例中，由光电探测器17与串联于其后的信号处理装置19所构成的光学传感装置14扫描区域15、15′。按照已知方式在分析装置20的显示器上显示结果。为了提高信号质量，传感装置14还可以具有光源18，利用该光源均匀照亮标记条16的扫描区。
如附图2或附图2a所示，标记条16可以是可收卷的连续带材，该连续带材一侧具有粘贴面22(在附图2a中夸大显示了标记条16的厚度)。因此可以通过在运动方向上具有交替变化的黑白区域的胶带实现标记条16。
视输出轴11的直径或周长而定，在标记条16两端的拼接或搭接区域21中将会出现以下情况：
如附图3所示，两个黑色区域15′在拼接或搭接区21中相互拼接，并形成具有双倍宽度的黑色区域(参见附图3右侧)，可以直接使用标记分度中的不连续性作为用于角度信号测量的触发标记。
在附图4所示的特殊情况下，部件11的周长是标记分度的整数倍，使得一个白色区域15和一个黑色区域15′相遇。在固定于旋转部件上之后，在标记条16的拼接或搭接区域中现在可采用例如将白色区域涂黑的方式涂上至少一个附加标记23，从而在旋转部件的切线方向增大触发标记。根据附图4右侧所示，黑色区域的宽度是其余区域的三倍。
附图5和附图6所示为常见的情况，其中在拼接或搭接区域21中留有一个比较窄的白色区域15(附图5)或者一个比较窄的黑色区域15′(附图6)。采用设置附加标记23的方式，也就是通过将拼接区域中的白色区涂黑，就可以相应地增大触发标记，其中例如可以从紧随触发标记之后的白色区域开始进行计数。
按照附图7所示的实施方式，可以通过标记条16(例如磁带)的不同磁化区域15、15′实现标记分度，可以由传感装置14的电磁读取头24读出这些区域。也可以通过具有交变介电特性和/或者相对于传感装置14的电容式读取头25具有不同高度的区域15、15′实现标记条16的标记分度。电磁读取头24或电容式读取头25在这里径向对准输出轴11。
附图8与附图9所示为本发明的一种实施方式，其中标记条16由一种导磁材料构成，并且具有规则排列的冲切口28，这些冲切口与剩余的爪齿29一起沿着标记条16产生具有交变磁阻的区域15、15′，可以由传感装置14的(有源或无源)感应式测头30读出这些区域。冲切口28之间剩余的爪齿29沿径向指向外侧，因此在这种实施方式中可以使用与输出轴11轴向平行布置的测头30。标记条16具有紧贴在轴1上的固定轨31，可以将夹紧环32(例如金属扎线带)布置在该固定轨上，以便将标记条固定在输出轴11上形成间隙区域21。
如附图10所示的实施例，例如用于感应式测头30的标记条16可以至少在在标记分度的一侧、最好在标记分度的两侧具有一个固定轨31，该固定轨最好以力锁合或者摩擦锁合方式与夹紧装置27相互作用。可以采用悬挂、铆接、冲铆、卷边等方式，在柔性标记条16的纵向上以可变方式安装夹紧装置27。在附图所示的实施方式中，夹紧装置27具有可以挂入到与间隙21相互拼接的标记条16末端之中并且可利用调整元件34将其旋紧的夹紧元件33(参见附图11所示的细节)。此外，夹紧元件33和标记条16的两个固定轨31具有规则排列的对应的卡钩元件35、36，这些卡钩元件在挂入之后就会形成力锁合连接。可以通过钻孔或冲孔或冲切口28和弓形爪齿29形成位于两个固定轨31中间的标记分度。通过冲切口28的形状保持标记条16的柔韧性。
附图12所示为夹紧装置的一种实施方式，其中标记条16或者其固定轨31具有向上弯曲的爪齿32，这些爪齿可以伸入到夹紧元件33′的冲切口37之中。
附图13和附图14所示为标记条16的标记分度的可选实施方式，其中以没有材料损失且规则排列的冲压凸包38(附图13)替代顺序排列的冲切口28和弓形爪齿29(附图10)，或者以深冲方式制成凸起部分39(附图14)。

Claims (12)

1.一种用于在围绕轴线旋转的部件(11)、例如在发动机(12)的输出轴上获取角度信号的装置(10)，所述装置具有可以固定在所述部件(11)上的标记载体(13)，所述标记载体具有传感装置(14)可以读出的标记(15，15′)，其特征在于，所述标记载体由不可伸展的柔性标记条(16)构成，所述标记条具有与所述旋转部件(11)的周长无关的任意标记分度，将所述标记条固定在所述旋转部件(11)上，最好将所述标记条直接粘贴或夹紧在所述旋转部件上，所述标记条(16)的两个端部区域在固定在所述部件(11)上之后形成拼接、间隙或搭接区域(21)，所述标记分度在该区域中具有不连续性，该不连续性作为用来角度信号测量的触发标记。
2.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，通过所述标记条(16)上不同颜色的区域(15，15′)、最好通过所述传感装置(14)的光电探测器(17)可以读出的交替变化的黑色和白色区域来实现所述标记分度。
3.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，通过所述传感装置(14)的电磁读取头(24)可以读出的所述标记条(16)上交替变化的不同磁化区域(15，15′)来实现所述标记分度。
4.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，所述标记条(16)由一种导磁材料构成，并且具有规则排列的钻孔、冲压凸包(38)、冲切口(28)、形状或者凸起部分(39)，这些钻孔、冲压凸包(38)、冲切口(28)、形状或者凸起部分(39)可以沿着所述标记条(16)产生具有交变磁阻的区域(15，15′)，所述传感装置(14)的感应式测头(30)可以读出这些区域。
5.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，通过具有交变介电特性和/或相对于所述传感装置(14)的电容式读取头(25)具有不同高度的区域(15，15′)来实现所述标记条(16)的所述标记分度。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的装置(10)，其特征在于，所述标记条(16)是可以收卷的连续带材，该连续带材的一侧具有用于固定在所述旋转部件(11)上的粘贴面(22)。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的装置(10)，其特征在于，所述标记条(16)是可以针对用途定长切断的金属带，例如具有表面结构的金属带。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的装置(10)，其特征在于，所述标记条(16)至少在所述标记分度的一侧、最好在所述标记分度的两侧具有固定轨(31)，该固定轨最好以力锁合或者摩擦锁合方式与夹紧装置(27)相互作用。
9.根据权利要求8所述的装置(10)，其特征在于，所述夹紧装置(27)具有可以挂入到相互拼接的标记条(16)末端之中的夹紧元件(33)，所述夹紧元件(33)能够利用调整元件(34)旋紧。
10.一种在围绕轴线旋转的部件上、例如在发动机的输出轴上获取角度信号的方法，特征在于以下步骤：
-将不可伸展的标记条定长切断为大致等于所述旋转部件的周长的长度，所述标记条具有与所述旋转部件周长无关的任意标记分度；
-将所述标记条安装在所述部件的圆周上；
-利用所述标记条的两个端部区域形成拼接区、间隙区或者搭接区，其中所述标记分度形成或者产生作为触发标记使用的不连续性，以及
-读出标记信号和触发信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，测定两个触发信号之间的标记数量，并且测定触发标记区域内的不连续性的几何长度，然后根据所述标记数量和所述几何长度得出所述角度信号。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在将所述标记条固定在所述旋转部件上之后将至少一个附加标记安装在所述标记条的所述拼接、间隙或者搭接区域之中，该附加标记在所述旋转部件的切线方向上增大所述触发标记。
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