CN102620754A

CN102620754A - 感应式路径测量装置

Info

Publication number: CN102620754A
Application number: CN2012100502530A
Authority: CN
Inventors: R·孟肯米勒
Original assignee: Rollax GmbH and Co KG
Current assignee: Rollax GmbH and Co KG
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: DE202011000401U1; EP2492640A2; EP2492640A3; BR102012003859A2; CN102620754B; EP2492640B1

Abstract

一种感应式路径测量装置，其具有：传感器线圈12；柱塞18，其可相对于所述传感器线圈移动；补偿线圈14，其布置成与所述传感器线圈12同轴并与所述传感器线圈12串联连接，以补偿外部磁场在所述传感器线圈12中感生的噪声电压；以及测量电路，其用于根据所述柱塞18的路径来测量所述传感器线圈和所述补偿线圈的电感，其中与所述传感器线圈相比，所述补偿线圈14环绕的区域A2更大且具有的匝数更少。

Description

感应式路径测量装置

技术领域

本发明涉及一种感应式路径测量装置，所述路径测量装置具有：传感器线圈；柱塞，其可相对于传感器线圈移动；补偿线圈，其布置成与传感器线圈同轴并与传感器线圈串联连接，以补偿外部磁场在传感器线圈中感生的噪声电压；以及测量电路，其用于根据柱塞的路径来测量传感器线圈和补偿线圈的电感。

确切地说，本发明涉及一种机动车辆的挡位传感器(gear sensor)中的路径测量装置。

背景技术

WO 2010/006781 A1描述了一种挡位传感器(gear sensor)，用于检测变速器当前的挡位。在此传感器中，柱塞以机械方式连接到相对于变速器的换挡轴弹性偏置的止动部件，并检查形成于换挡轴上的换挡释放件(selector relief)。因此，换挡轴移动会转变成柱塞的轴向移动，这种移动可以通过测量装置进行检测。根据所测量的柱塞路径，可(例如)检测变速器是处于空挡位、倒挡位还是前进挡位，因为这些挡位分别对应换挡释放件的不同高度。

在感应式路径测量装置中，柱塞具有相对较高的磁导率，因此传感器线圈的电感关键取决于柱塞穿入传感器线圈的深度。由此，可根据电感的测量结果来确定柱塞已行进的路径。

但是，当此路径测量装置用于机动车辆时，所述路径测量装置可能会受到在车辆中的其他位置所形成的磁场影响。在车辆变速器的某些安装条件受到限制时，充分屏蔽外部磁场可能较为困难和繁琐，但如果没有充分屏蔽这些外部磁场，则存在一定风险，即外部磁场会在传感器线圈中感生电压，因此可能对测量结果造成折损。

DE 103 20 716 A1描述了上述类型的感应式测量装置，其中此类干扰影响由补偿线圈抑制。补偿线圈设置在感应线圈附近，具有与传感器线圈相同的匝数和相同的尺寸，但缠绕方向相反。由于外部产生的磁场可视为基本上均匀的磁场，因此，此磁场在传感器线圈中感生的电压由补偿线圈中感生的绝对值相等但极性相反的电压进行补偿。另一方面，由于补偿线圈与传感器线圈发生磁性去耦，因此两个线圈的电感不会相互抵消，而是会相加。另外，补偿线圈距离柱塞较远，因此，其电感便不会受到柱塞移动的影响，或者至少与传感器线圈的电感相比，受影响的程度明显较小。

发明内容

本发明的目标是提高感应式测量装置的精确度。

根据本发明，此目标可通过以下特征实现，即与传感器线圈相比，补偿线圈环绕的区域更大且具有的匝数更少。

均匀时变磁场在线圈中感生的电压与此线圈环绕的区域以及匝数成比例。当补偿线圈的区域增大且同时匝数减少时，可保持此线圈的补偿作用。此测量的基本优势在于，补偿线圈的电感变小，因为电感与匝数的平方成比例。路径测量原则的依据是，分别对传感器线圈的电感变化和整个线圈系统的电感变化进行的检测。但是，由于补偿线圈的电感不会或几乎不受到柱塞移动的影响，因此不会增加测量系统灵敏度，而是只增加系统的总电感。因此，如果与传感器线圈的电感相比，补偿线圈的电感尽可能小，则测量精确度会变高。这是通过本发明的特征实现的。

关于本发明在进一步提高精确度方面的有用细节和进一步发展，所附权利要求进行了说明。

在优选实施例中，传感器线圈被套管紧密环绕，所述套管由具有较高磁导率的材料制成，例如，铁磁材料。此套管可使原来均匀的外部磁场发生有利的畸变。一方面，传感器线圈通过此套管在一定程度上被屏蔽，从而使传感器线圈中感生的电压变小。由于与传感器线圈相比，补偿线圈环绕的区域更大，从而半径更大，因此，补偿线圈的匝主要在套管半径外，这样套管会将外部磁场集中到补偿线圈中，从而在补偿线圈中感生相应较高的电压。为了使感生的电压进一步彼此抵消，可能且必需不同程度地减少补偿线圈的匝数，从而进一步减小补偿线圈的电感。

附图说明

现在将结合附图说明本发明的实施例实例，其中：

图1是根据本发明的感应式路径测量装置的线圈布置的轴向截面图；

图2是感应式路径测量装置的电路图；

图3是用于说明磁屏蔽作用的简图；以及

图4所示为根据本发明的具有感应式路径测量装置的变速传感器。

具体实施方式

图1所示为线圈布置10，其具有圆柱形传感器线圈12、空心线圈(在本例中)，以及同样为圆柱形的补偿线圈14。传感器线圈12和补偿线圈14采用同轴方式、相互间隔特定的距离缠绕在由非磁性材料制成的共用载体16上。在传感器12与补偿线圈14相对那端，所示为铁磁柱塞18的一端，所述柱塞18在线圈布置的轴向方向上移动，而且穿入传感器线圈12特定距离S_max，如图1中的虚线所示。柱塞18影响传感器线圈12的电感，这样，通过测量此电感，就可测量柱塞18从原始位置，即图1中所示的实线，行进到传感器线圈的内部的路径。

传感器线圈12环绕特定的环形区域A1。补偿线圈14的匝位于传感器线圈12的匝径向向外的位置，且由此环绕较大的区域A2。另一方面，与传感器线圈12相比，补偿线圈14的匝数更少。在所示实例中，补偿线圈14的长度也更小。但有利的情况是，缠绕成补偿线圈14的金属线具有比传感器线圈12所使用的金属线大的截面，因为这会减小补偿线圈14的欧姆电阻。

区域A1和A2以及两个线圈的匝数适应彼此，从而当线圈布置10设置在时变均匀磁场中时，一方面在传感器线圈12中感生的电压以及另一方面在补偿线圈14中感生的电压具有相等的绝对量。

传感器线圈12和补偿线圈14串联连接并缠绕起来，从而使感生的电压相互抵消。这样，当未提供磁屏蔽或此类屏蔽不完整时，测量装置对外部磁场相对不太敏感。

鉴于传感器线圈12和补偿线圈14之间的轴向距离，这两个线圈发生磁性去耦，因此，其电感就不会相互抵消，而是基本上彼此相加。在任何情况下，在此处所示布置中，与传感器线圈12的电感相比，补偿线圈14的电感非常小。此外，在此布置中，补偿线圈14的电感几乎不受柱塞18移动的影响。因此，对两个线圈进行完全磁解耦较为有利，但并不强制。

图2所示为测量电路20，其用于测量传感器线圈12和补偿线圈14所构成的线圈布置的总电感。电阻器22与传感器线圈12和补偿线圈14串联连接，且直流电压源26的电压可通过电子控制的开关24施加于该串联连接。电压接通时，由于这些线圈存在电感，因此该电压只会形成在所述两个线圈两端。随后，流经线圈的电流逐渐增大，直到其到达饱和值为止。此电流导致电阻器22发生压降。可在电阻器22和传感器线圈12之间的某点处检测到电压，并将其施加于电子处理和控制单元28。在所述电子处理和控制单元28中，可将电压数字化，并进行进一步处理和/或存储。具体而言，通过此方法可检测电流是否已经到达恒定饱和值，所述饱和值具体取决于线圈12、14和电阻器22的欧姆电阻以及电压源26的内部电阻，而且可检测电流到达该饱和值的时间。

当达到此饱和条件时，处理和控制单元28使开关24断开。由此，线圈与电压源26断开连接，并发生短路。由于线圈存在感应率，因此仍有电流流动，且此电流随着由总电感决定的时间常数按指数规律衰减。转换开关24的同时，处理和控制单元28开始计时。在比较器30中，将表示流经线圈的电流的电阻器22的压降与由电阻器32所构成的分压器进行调节的固定电压值进行比较。一旦电阻器22的压降降低到参考值，那么比较器30将发送信号以使处理和控制单元28停止计时。线圈12、14的总电感随后可根据所测量的时间进行计算。已知总电感和柱塞18所行进的路径之间的关系，柱塞18的路径可根据电感进行计算。此后，新的测量循环开始。例如，实际上，每秒可执行100次测量循环。

上述电感的测量不可避免地产生测量误差ΔL。这导致所测量的路径产生相应的测量误差ΔS。

在第一近似值中，路径S和电感L之间的关系可表示为以下等式：

L＝L₀+a*S (1)

在此等式中，a是常数，且L₀是“闲置电感”(idle inductance)，即线圈12、14在柱塞18最大程度地从传感器线圈12中抽离时(S＝0)的总电感。实际上，要对布置进行选择，以使闲置电感基本等于两个线圈在柱塞18根本不存在时的总电感。

对于柱塞的路径，等式(1)推导出

S＝(L-L₀)/a (2)

路径测量的测量误差ΔS表示如下：

ΔS＝(dS/dL)*ΔL＝ΔL/a (3)

但是，更能说明测量装置质量的是相对测量误差ΔS/S。表示如下：

ΔS/S＝ΔL/(L-L₀) (4)

从等式(4)中可看出，L₀应尽可能小，以便使相关测量误差尽可能小(尤其是在S的值较小时)。

L₀由两个线圈12、14的闲置电感组成。传感器线圈12的闲置电感无法降低，因为该线圈必须具有特定的电感，以便于能够完全实现测量过程。

但是，图1所示的线圈布置的几何结构会导致补偿线圈14的电感明显小于传感器线圈12的闲置电感。相应地，路径测量的精确度会提高。

通过使用铁磁套管34紧密环绕传感器线圈12，可进一步提高测量精确度，如图1所示。该套管34的作用在于，使可在传感器线圈12中感生噪声电压的原本均匀的外部磁场畸变，这样，该电压可通过补偿线圈14在其电感被进一步降低后进行补偿。该作用在图3中已进行说明。在图3中，除了传感器线圈12、补偿线圈14和套管34外，还图示了磁场的场线36，该场线是在远程源上产生的，由此，当套管34不存在时，所述场线在测量装置的位置处通常是均匀的。由于只有磁场与线圈轴平行的那部分与传感器线圈12和补偿线圈14中电压的感应相关，因此，在不失一般性的前提下，本文可假定，磁场与线圈轴的方向平行。

场线36的形状显示了套管34使场畸变的方式。一方面，此畸变的作用在于，减少通过传感器线圈12的磁通量。根据磁场的时变感生的噪声电压相应降低。

套管34的外径小于补偿线圈14的内径。由此，场的畸变还具有以下作用：使磁场被“吸入”补偿线圈14中，这样通过补偿线圈的磁通量相应增加。补偿线圈中感生的电压相应增加。两种作用导致的结果是，对传感器线圈12中感生的电压进行完全补偿可通过补偿线圈14实现，其中补偿线圈14的匝数，且因此电感进一步减少。

本发明的测量装置的可能应用在图4中已说明。该图所示为所谓的止动螺杆38的轴向截面，所述止动螺杆38由金属制成，且具有拧入变速箱(未图示)箱壁的外部带螺纹的部分40，所述止动螺杆用于将变速器的换挡轴固定在相应所选择的挡位上。为此，止动部件44通过滚珠轴承42支撑在止动螺杆中，以便在所述止动螺杆中轴向移动。在从止动螺杆中伸出的端上，止动部件44具有止动滚珠46，止动滚珠46由较低的摩擦力支撑，并检查换挡轴(未图示)的换挡释放件(selector relief)。弹簧48使止动部件相对于换挡释放件偏置。当到达所需挡位时，止动滚珠46从而将陷入换挡轴的相应止动凹口(detent pit)中。

连接到止动螺杆相对端的是塑料外壳48，其容纳本发明的感应式测量装置。线圈布置10用虚线表示。测量电路20也集成于外壳48中，且由此产生的测量信号通过触点50传输到外部。柱塞18连接到止动部件44的顶端。

对于不同的挡位，换挡轴的止动凹口具有不同的深度。由于这些凹口的深度确定了止动部件44的位置，且由此还确定了可使用测量装置测量的柱塞18的位置，因此可确定所选择的挡位。

当通过带螺纹的部分40将止动螺杆38拧入变速箱中时，容纳测量装置的塑料外壳将位于变速箱外部。因此，测量装置不会完全屏蔽外部磁场。当柱塞18插入线圈布置10时，该柱塞也不会完全屏蔽外部磁场。由于柱塞由铁磁材料制成，因此可导致外部磁场的畸变与图3中套管34所造成的畸变类似。但是，柱塞18所造成的场畸变会导致外部场逐渐集中在传感器线圈12中，且柱塞穿入线圈的深度增加。严格地说，传感器线圈12中由外部磁场感生的噪声电压因此取决于柱塞18的路径。为了通过补偿线圈14实现对噪声电压的完全补偿，补偿线圈14的属性由此应适合于柱塞相应的测量路径。

在图2所示的电路中，这可通过阻抗网络52实现，阻抗网络52与补偿线圈14并联连接。该阻抗网络52具有若干个阻抗元件，其可通过处理和控制单元28所传递的命令来接通和断开。这样，补偿线圈14会发生不同程度的阻尼，具体取决于柱塞的路径。当柱塞18穿入传感器线圈12较深时，补偿线圈14的阻尼降低或完全消除，从而感生相应较高的补偿电压。但是，当柱塞18进一步从传感器线圈12中抽离时，柱塞的位置由处理和控制单元28进行测量，且补偿线圈14的阻尼增加，因而补偿电压的量减小，其中传感器线圈12中感生的电压因场畸变减弱而减小这样，对于柱塞18所处的任何位置，均可实现对噪声电压几乎完全的补偿。

在一个替代方案中，适应性补偿可通过将补偿线圈14接在一个或多个位置上来实现，这样，根据柱塞18的位置，补偿线圈中会有或多或少量的绕线发生短路。

当测量装置安装在机动车辆的止动螺杆38中时，当机动车行驶时，变速器的温度，且因此柱塞18的温度可在相对较大的范围内变动。根据柱塞18所选用的铁磁材料，该柱塞的磁导率还将产生较小或较大的变化。当将所测量的电感转换成柱塞相应的路径时，处理和控制单元28应考虑这一影响。但由于直接测量柱塞18的温度较为困难，因此在本文所提出的测量装置中，会在线圈布置10至少靠近柱塞18的位置处测量温度。

但是，当止动螺杆38安装在变速箱中时，该止动螺杆位于变速箱中的那端的温度通常要比其向外的那端温度高。因此，在止动螺杆38的长度上将呈现特定的温度梯度，因而在线圈布置10的内部测量出的温度不同于柱塞18的温度。然而，为了能够相对准确地确定柱塞18的温度，在本文所提出的测量装置中，在与柱塞18相距不同距离的两点处测量线圈布置内的温度。随后，可根据两个温度值计算出温度梯度，从而可推导出柱塞18的温度。

为了进行温度测量，图1所示的测量电路利用传感器线圈12和补偿线圈14的绕线的欧姆电阻也取决于温度这一事实，从而使用这些线圈作为温度传感器。如上所述，处理和控制单元28检测电阻器22和传感器线圈12之间的电压，从而测量在开关24断开不久前流经线圈布置的饱和电流。这样，就可获得两个线圈的欧姆电阻总和值。

此外，如图2所示，还检测到传感器线圈12和补偿线圈14之间某点处的电压，并将其施加给处理和控制单元28。因此，还可测量补偿线圈14中的压降，只要恒定饱和电流流动，所述压降便与该线圈的欧姆电阻成比例。这样，就可在处理和控制单元28中获得两个线圈的欧姆电阻的实际值。根据这些值，可计算出相应线圈的温度，以及温度梯度和柱塞18的温度外推值。

根据此外推值，处理和控制单元28选择相应的函数以表示所测量的电感L与柱塞的路径S之间的关系。例如，在等式(1)给定的近似值中，因数a是根据柱塞的估计温度来选择的。当然，在确定柱塞18的温度外推值时，也可考虑柱塞相对于线圈布置10的实际位置，而且还可考虑柱塞处于该位置的持续时间。因此，例如，也可考虑以下情况，即当柱塞18在其最大程度地穿入传感器线圈12的位置长时间停留时，所述柱塞18将冷却到一定程度。

通常，可创建数学模型来说明止动螺杆38内的温度分布曲线。根据此模型，可根据所测量的传感器线圈12和补偿线圈14的温度，计算出变速箱内的温度和变速箱外部环境中的温度，以及将根据止动螺杆38的长度创建的温度分布曲线，从而获得柱塞18的温度的相对准确的估算值。对于给定的变速箱，此数学模型的参数可根据经验确定。

Claims

1.一种感应式路径测量装置，其具有：传感器线圈(12)；柱塞(18)，其可相对于所述传感器线圈移动；补偿线圈(14)，其布置成与所述传感器线圈(12)同轴并与所述传感器线圈(12)串联连接，以补偿外部磁场在所述传感器线圈(12)中感生的噪声电压；以及测量电路(20)，其用于根据所述柱塞(18)的路径来测量所述传感器线圈和所述补偿线圈的电感，所述路径测量装置的特征在于，与所述传感器线圈相比，所述补偿线圈(14)环绕的区域(A2)更大且具有的匝数更少。

2.根据权利要求1所述的路径测量装置，其中所述传感器线圈(12)和所述补偿线圈(14)布置在共用载体(16)上，并构成集成单元。

3.根据权利要求1或2所述的路径测量装置，其中所述传感器线圈(12)被套管(34)紧密环绕，所述套管(34)由具有较高磁导率的材料制成。

4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的路径测量装置，其中所述补偿线圈(14)由特定的金属线缠绕而成，所述金属线的截面比缠绕成所述传感器线圈(12)的金属线的截面大。

5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的路径测量装置，其中所述传感器线圈(12)、所述补偿线圈(14)以及所述测量电路(20)容纳在共用外壳(48)中。

6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的路径测量装置，其包括电子处理和控制单元(28)，用于根据所测量的电感来计算所述柱塞(18)已行进的路径。

7.根据权利要求6所述的路径测量装置，其中所述处理和控制单元(28)经配置成根据所测量的所述柱塞(18)路径来更改所述补偿线圈(14)的电路配置。

8.根据权利要求7所述的路径测量装置，其中阻抗网络(52)与所述补偿线圈(14)并联连接，且所述阻抗网络经配置成响应于来自所述处理和控制单元(28)的命令而更改其阻抗。

9.根据权利要求6到8的任一权利要求所述的路径测量装置，其中所述处理和控制单元(28)经配置以测量所述传感器线圈(12)和/或所述补偿线圈(14)的欧姆电阻，并由此计算相应线圈的温度值。

10.根据权利要求9所述的路径测量装置，其中所述处理和控制单元(28)经配置以计算所述传感器线圈(12)和所述补偿线圈(14)的温度，并根据温度之差来计算所述柱塞(18)的温度外推值，而且在根据所测量的电感计算路径时，对所述柱塞(18)的温度进行修正。