CN102947679B - 位置和/或力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定可运动的、可磁化的和/或可导电的主体（1）相对于具有至少一个极绕组的定子（2）的位置的设备。根据本发明设置用于探测测量信号的装置（12-14），所述测量信号取决于通过主体（1）的位置影响的极绕组感应率。

Description

位置和/或力传感器
本发明涉及一种用于确定可运动的、可磁化的和/或可导电的主体相对于具有至少一个极绕组的定子的位置的设备。
本发明的任务在于提供一种新的这种类型的传感器设备，其可以相对于至今应用的应变仪或类似物以较高精度实现位置确定和可选地力确定。
根据本发明的解决该任务的设备的特征在于设有用于探测测量信号的装置，所述测量信号取决于通过主体的位置影响的极绕组感应率。
在测量信号和所述位置之间存在预定的函数关系时可以如此确定位置。
主体此外可以克服弹性的复位力运动并且该设备构成力传感器，其为了力测量而利用在复位力和主体的位置之间的预定的函数关系。
在本发明的一个实施方式中，定子具有多个极绕组，其绕组轴线从定子出发星形地延伸，所述主体包围定子、优选环形或球形包围该定子。在后一种情况下可以确定主体相对于定子的径向移动位置。
优选主体能够在一个通过定子的多个极绕组的极绕组轴线构成的平面中运动，使得所述位置发生改变。
在本发明的一个特别优选的实施方式中，主体通过包围定子的管构成并且定子具有多个极绕组，这些极绕组具有垂直于管轴线的极绕组轴线。特别是设置三个极绕组，其极绕组轴线彼此之间分别围成一个优选为120°的角度。对于极绕组的感应率决定性的是极绕组的相应的到管内壁的距离。
在另外一个特别优选的实施方式中，定子具有多个星形连接的极绕组。有利地通过这种方式基于实现的分压，在各极绕组的感应率之间的相对区别可以被用于进行位置确定。
用于探测测量信号的装置优选设置用于评估在极绕组的交变的电压加载时在星形汇接点上改变的电位。
特别是，极绕组设置用于按照同步电机的基于脉宽调制的运行的方式进行电压脉冲加载。在这种情况下可以周期性地在星形汇接点上产生电压突跳，其高度取决于主体相对于定子的相应位置。
在本发明的另外一个构造中，定子可以设置在管的纵向中心并且管在其端部上被弹性保持，使得产生径向复位力。从而管围绕垂直于管轴线的中心轴线的偏转仅仅可能稍微使得测量结果失真。
在另外一个实施方式中，主体在环形的或球形的、与多个极绕组的端面对置的内表面上具有带有突起和/或凹部的结构化。
特别是，该结构化设计成周期性的并且优选围绕所述内表面环绕的。
优选，结构化如此设计，使得形成取决于主体围绕环轴线或球轴线的旋转位置的测量信号，从而可以确定围绕环轴线的旋转位置或确定扭转力。替代或附加于所述结构化，也可以在所述内表面上设置磁铁装置，通过所述磁铁装置，由于极绕组的磁化的饱和度的改变而形成不同的极绕组感应率。
在本发明的另外一个构造中，可以根据测量信号，所述至少一个极绕组的通电能够被控制成使得产生期望的、通过定子施加在主体上的磁力。通过这种方式可以例如构成用于环形的或球形的主体的、无接触的旋转轴承。
上述的设备的应用可能性例如存在于被拉动或推移的车辆的手柄中，其中经由测量所施加的手动力，例如实现伺服驱动装置的控制。其它的应用可能性是用于操纵杆。
本发明接下来借助于一个实施例和引用该实施例的附图详细阐述。
图1根据本发明的用于构成力传感器的设备的横截面视图；
图2图1的设备，其中，外主体相对于被外主体包围的定子径向移动；
图3描述外主体和定子的相对移动的视图；
图4图1的设备的剖开的纵向侧剖视图；和
图5描述整个设备的示意图。
钢管1用作例如高尔夫球童的待被牵拉的或待被推移的小车(未示出)的手柄。在钢管1(其构成导电的和可磁化的主体)中在其纵向中心安装定子2。
具有叠片铁心3的定子2在所示出的实施例中具有三个极绕组4，其轴线5彼此围成120°的角度。各轴线5围成一个垂直于管轴线10的平面。
如图4示出，钢管1在其端部上通过弹簧6被支承在静止的且与上述小车连接的管芯体7上。三个弹簧6分别与极绕组4对应地设置。只要不在钢管1上作用任何径向力，那么各极绕组4的所有三个端侧相对于对置的钢管1内壁处在相同的间隙距离上。替代弹簧，也可以使用通过厚度改变可弹性变形的中间层。
在施加力至构成手柄的钢管1上时，例如沿着在图2中示出的箭头8的方向，那么钢管1相对于定子2平行于通过三个极绕组轴线5定义的平面移动。该平面在图3中作为xy平面示出。在该移动时，所述三个极绕组4其中之一以其端侧到达钢管1的内壁的附近，而两个另外的极绕组的端侧进一步远离所述内壁移动。在9处示出的三个向量描述钢管1相对于定子2的径向移动。
在于图3中示出的xy平面中管轴线10根据方向向量11远离与图1的轴线位置相对应的零位置移动。方向向量11由图2中在9处示出的三个向量之和得出。
通过定子2设置在钢管1的纵向中心，钢管1围绕穿过纵向中心引导的垂直于管轴线10的轴线的翻转仅仅对在管内壁和极绕组端侧之间的气隙的相应的宽度较小地起作用。
如由图5看出，三个极绕组4星形连接。一个装置12测量在星形汇接点13处的相应的电位并且将其评估。一个装置14对以星形连接的极绕组4加载电压脉冲，这是以同步电机在按照脉宽调制方法运行时的电压加载的形式实现的。在极绕组4的周期性交变的加载时在星形汇接点处形成不同的电位。电位差与各极绕组4相互之间的感应率比例相关，该比例的大小又与极绕组4的相关的端面到钢环1内壁的距离相关。根据存储的在电位差和所述的距离之间的关联，在9处示出的移动向量可以被确定并且因此在钢管1和定子2之间的整个相对移动可以被确定。
如果此外在弹簧6的复位力和移动向量之间的关联是已知的，那么可以由确定的移动向量确定操纵力连同操纵力的方向。
应当认为，在钢管1内部与中心隔开距离地设置多个定子2时，附加地可以确定钢管1围绕上述垂直于管轴线的轴线的移动。
在管壁内侧上设置多个磁铁时，甚至可以确定钢管1围绕管纵向轴线的旋转。
通过上述传感器确定的手动力可以例如用于控制伺服驱动装置或用于牵拉杆的位置调节。

Claims (17)

1.一种力传感器，其特征在于设有：可磁化的和/或可导电的主体(1)，该主体能相对于具有至少一个极绕组(4)的定子(2)和克服弹性的复位力运动；用于探测测量信号的装置(12-14)，所述测量信号取决于通过主体(1)的位置影响的极绕组(4)感应率；以及用于确定施加到主体(1)上的力的装置，其利用在测量信号和主体(1)的位置之间的预定的函数关系以及在复位力和主体(1)的位置之间的预定的函数关系。
2.如权利要求1所述的力传感器，其特征在于，定子(2)具有多个极绕组(4)，这些极绕组的绕组轴线(5)从定子(2)出发星形地延伸并且主体(1)包围定子(2)。
3.如权利要求1或2所述的力传感器，其特征在于，主体(1)能够在一个通过定子(2)的多个极绕组(4)的极绕组轴线(5)构成的平面xy中运动，使得所述位置发生改变。
4.如权利要求1或2所述的力传感器，其特征在于，主体(1)通过包围定子(2)的管构成并且定子(2)具有多个极绕组(4)，这些极绕组具有垂直于管轴线(10)的极绕组轴线(5)。
5.如权利要求1或2所述的力传感器，其特征在于，定子(2)具有三个极绕组(4)，其极绕组轴线(5)彼此之间分别围成一个角度。
6.如权利要求1或2所述的力传感器，其特征在于，定子(2)具有多个星形连接的极绕组(4)。
7.如权利要求6所述的力传感器，其特征在于，用于探测测量信号的装置(12-14)设置用于评估在极绕组(4)的交变的电压加载的情况下在星形汇接点(13)上改变的电位。
8.如权利要求7所述的力传感器，其特征在于，极绕组(4)设置用于按照同步电机的基于脉宽调制的运行的方式进行电压脉冲加载。
9.如权利要求4所述的力传感器，其特征在于，定子(2)设置在管的纵向中心并且管在其端部上被弹性保持，使得产生径向复位力。
10.如权利要求1所述的力传感器，其特征在于，主体在环形的或球形的、与多个极绕组的端面对置的内表面上具有带有突起和/或凹部的结构化。
11.如权利要求10所述的力传感器，其特征在于，结构化设计成周期性的。
12.如权利要求10所述的力传感器，其特征在于，结构化设计成周期性的并且围绕所述内表面环绕。
13.如上述权利要求10至12之一项所述的力传感器，其特征在于，结构化如此设计，使得形成取决于主体围绕环轴线或球轴线的旋转位置的测量信号。
14.如权利要求1或2所述的力传感器，其特征在于，借助于测量信号，所述至少一个极绕组的通电能够被控制成使得产生期望的、通过定子施加在主体上的磁力。
15.如权利要求14所述的力传感器，其特征在于，该力传感器构成用于环形的或球形的主体的、无接触的旋转轴承。
16.如权利要求2所述的力传感器，其特征在于，主体(1)环形或球形地包围该定子。
17.如权利要求5所述的力传感器，其特征在于，所述角度为120°。
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