CN103674075A - 用于感应产生电测量信号的方法和相关的传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于取决于待测量的变量感应产生电测量信号的一种方法和一种传感器装置，提供至少两个激励线圈（12，13），并且电流连续以时钟电路（11）的速率流过线圈。电流在多个传感器线圈（14，15）中感应产生电压，该电压取决于待测量的变量，并且以时钟电路（11）的速率被细分为激励线圈（12，13）中的关联电压信号（S13），因而评估获得的电压信号从而获得测量信号。至少两个传感器线圈（14，15）和至少两个激励线圈（12，13）关联，传感器线圈（14，15）或激励线圈（12，13）同样开关，而各个另外的线圈以相反方向开关。在定义的时钟信号间隔中扫描和激励线圈关联的传感器线圈的电压信号以获得测量信号（91，92）。本发明的方法和传感器装置允许灵敏度增加和/或传感距离更大，而同时确保紧凑设计。

Description

用于感应产生电测量信号的方法和相关的传感器装置

本申请是基于2011年7月21日所提交的申请号为201080005122.X，发明名称为“用于感应产生电测量信号的方法和相关的传感器装置”的发明的分案申请。

相关申请的交叉参考

本申请要求2009年1月21日提交的德国专利申请10 2009 005 579.7和2009年2月16日提交的德国专利申请10 2009 009 061.4的优先权，两者的全部内容清楚地包括在本申请的主旨中以供参考。

技术领域

本发明涉及一种用于根据待测量的量值而感应产生电测量信号的方法，例如，用于根据权利要求1的导言部分所述，确定待探测的测试对象的路径和/或空间中的位置和/或材料特性。此外，根据权利要求7的导言部分所述，本发明涉及一种执行该方法的传感器装置。

背景技术

从WO 2007/012502 A1已知用于通过感应传感器测量距离的一种方法和一种装置。为了获得电测量信号的目的，例如，由于测试对象接近适当的传感器，几个激励器线圈以计时方式运行。激励器线圈以时钟脉冲电路的时钟速率在传感器线圈中感应电压，所述信号在电路处于稳态时变为零。已通过该方式获得的电压信号每个都被以时钟脉冲电路的时钟速率分为几段，每段都和激励器线圈相关联，互相比较这些段，以便能够执行振幅调节过程。为了从和激励器线圈相关联的各段获得同样大的电压信号，在振幅调节过程期间使用电压信号值之间的差异，该同样大的电压信号在比较器的输入端处缺乏时钟同步分量或差异。当处于该稳态时，为了因此获得测量信号的进一步分量（例如为了区别几类型金属），另外开始相位调节过程。

在此使用的振幅调节过程下的原理本身从EP 706 648 B1已知。此处，捕获在发光器和光接收器之间的光信号，对于外部影响、例如漫射光，温度或老化的影响进行补偿。通过使用时钟脉冲发生器而可替换地以时间分割方式操作发光器。已在至少一条光路径中在振幅方面被调节的光可能与来自另一个发光器、例如来自补偿光源的光一起，通过这样一种方式，即然后随之发生缺乏时钟同步信号分量的接收信号的方式而作用在光接收器上。从光接收器接收的光信号被提供给同步解调器，然后同步解调器将接收的信号分解为相应于两种光源的信号分量。这些信号分量在比较器中相互比较，并且因而产生相应于零状态的信号。如果在比较器的输出端处未出现相应于该零状态的信号，然后就调整提供给光源的辐射功率，直到达到作为该状态的时间。

为了确定测试对象的路径或空间中的位置或材料特性，使用例如感应接近开关。因此实际上，接近传感器的传感距离通常非常小，或者通过使用特定电路结构，只能够通过相等灵敏度来识别不同的金属例如钢St37，顺磁性金属例如铝或者反磁性金属例如铜。WO 2007/012502 A1的解决方案自身能够有助于提高，但是除了振幅调节过程之外，其还要求相位调节过程。

从DE 33 29 515 C2已知用于磁感应传感器的电路布置以及用于确定铁磁体的位置的相应的传感器装置。该传感器装置包含几个发射线圈、一个接收装置和一个控制发射线圈电源的时钟发生器，对于来自接收装置的测量信号以及用于处理该信号的分量的需求。在发射线圈和铁磁体之间布置导电中间块（intermediate mass）。一旦稳定化处理在中间块中感应的涡电流，则需要测量信号的分量就在此连接接收装置。

EP 0 798 502 B1示出用于探测阀门位置的位置/路径传感器，该传感器包含求值电路，异或门以及寄存器，其中求值电路用于检测受相移影响的时间窗口持续时间，而寄存器连接在计数器的下游，并且能够从寄存器中读出各自的计数结果。为了探测阀门活塞而提供感应布置，该布置包含两个沿活塞运动方向并排布置的线圈。求值电路适合测量由活塞位置改变引起的感应布置去谐，其中各自测量替换电压相对于彼此的相移作为去谐而被求值。

从WO 2007/006910 A1已知一种用于感应测量第一对象相对于第二对象的相对运动或定位的方法。为了该目的而提供两个发射线圈和两个接收线圈。其中发射线圈布置在第一个对象上，而接收线圈布置在第二个对象上，并且其中磁场由发射线圈产生。接收线圈的输出信号用于确定对象的运动。待监控的对象露出由多个镜元件（mirror element）构成的望远镜的多个部分（pieces of a telescope），其中使用线圈布置的共同感应率，从而确定位置，并且其中测量电压，该电压由于变压器影响而被感应到接收线圈中。为了该目的而使用接收终端的电压，即具有准无限阻抗。

从WO 93/20409 A1已知一种传感器驱动和信号处理方法。为了该目的，向传感器的初级侧提供振荡输入信号，并且探测和放大来自传感器次级侧的输出信号。数位地引导次级侧上的信号准备和信号处理。传感器包含这样的线圈布置，其由一个输入线圈和两个输出线圈以及铁心组成，铁心的位置是可探测的。

发明内容

本发明的目的是以能够在紧凑结构中获得分别在增加的传感距离上的增加的灵敏度的这样的方式，而改进用于产生电测量信号的一种方法和一种传感器装置。

本目的通过一种用于取决于至少一个待测量的量值，使用至少两个激励器线圈而感应产生电测量信号的方法来实现，该量值包含测试对象的路径或空间中的位置或至少一种材料特性，促使电流通过激励器线圈以时钟脉冲电路的时钟脉冲速率连续流动，电流在至少一个传感器线圈中感应产生电压，所述电压取决于待测量的至少一个量值，并且电压被以时钟脉冲电路的时钟脉冲速率被细分为和激励器线圈相关联的电压信号，其中评估这样获得的电压信号，以便获得电测量信号，其中至少两个传感器线圈和至少两个激励器线圈相关联，其中传感器线圈或激励器线圈以相同的方式运行或者以相同的方式连接，反之，另外的各自的线圈，即激励器线圈或传感器线圈以互相相反的方式运行或以互相相反的方式连接，其中为了获得电测量信号的目的，和激励器线圈相关联的传感器线圈的电压信号在时钟脉冲信号的某一时间周期内取样，以及其中这样运行激励器线圈，即激励器线圈对于传感器线圈的影响在位于传感器线圈下游的放大器的输出端上被抵消。本目的还通过一种用于取决于待测量的量值而感应产生电测量信号的传感器装置来实现，该传感器装置用于确定至少一个量值，量值包含测试对象的路径或空间中的位置或至少一种材料特性，传感器装置包括：至少两个激励器线圈；时钟脉冲电路，用于连续以时钟脉冲速率通过电流激活激励器线圈；至少两个传感器线圈，传感器线圈和激励器线圈相关联，并且在传感器线圈中取决于至少一个待测量的量值使得电压通过以下方式感应，即电流以时钟脉冲电路的时钟脉冲速率流过激励器线圈；电子元件，用于以时钟脉冲电路的时钟脉冲速率将感应电压细分为和激励器线圈相关联的电压信号；取样装置，用于为了在时钟脉冲信号的确定或可确定的时间周期内获得测量信号的目的，对和激励器线圈相关联的传感器线圈的电压信号进行取样；其中激励器线圈以这样的方式布置，即激励器线圈对于传感器线圈的影响在位于传感器线圈下游的放大器的输出端上被抵消。

由于使用至少两个激励器线圈组成的组和至少两个传感器线圈组成的组，其中例如线圈在这些组中的一个中以相同方式连接，并且线圈在这些组中的另一个中以相反方式连接，其引起多重的以前通常的传感距离。在电路的起始状态，即没有测试对象时，已在那里感应到的传感器线圈上的电压互相抵消。然而，如果在激励器线圈和传感器线圈之间的磁场受到测试对象的影响，则在传感器线圈中感应的电压就以这样的方式改变，即能够探测到存在测试对象和/或其某些特性。为了该目的，传感器线圈上的电压信号在某些分别预定或可预定的时间点上取样，该时间点由时钟脉冲电路预先确定。取样过程能够在不同的取样时间点时发生。例如，在一个取样时间点时，可探测最大振幅中的变化，反之，更适宜地在相位中被90度取代的另外的取样时间点提供相移的指示。能够通过关于振幅和相位的这些信息来识别测试对象。当取样邻近最大振幅发生时，例如，当在稳态中切断进一步的重新调整过程时，因此图2中示出的电压波形变得可见，则用于探测任意测试对象的系统的灵敏度就为最大值，反之，在邻近信号的零交叉点的取样时间点时（即相对于最大值的大约90°相移），就能够确定测试对象的金属类型。

优选地，对获得的信号相互比较，如从EP 706 648 B1已知，这些信号已分解成和单独的时钟脉冲周期相关联的时间周期，虽然此处，依照本发明其作为从其中的偏离，这些时钟脉冲周期例如能够计为总时钟周期的1%至10%，并且然后，已通过该方式取得的不同值用于调节已提供给激励器线圈的功率。其依次对于在传感器线圈中感应的电压信号有影响，以便使得调节过程继续实现这样的目的，即在比较器的输入端处具有同样大的电压，即在其中不同的传感器线圈没有电压差别。如果出现电压差别，就获得不同的值，并且调节值也达到的程度同时也是以下各值，即测试对象的位置，路径和空间中的位置，即为了接近测试对象。

在一个实施例中，其中传感器线圈以相反的方式连接，对于外磁场的补偿由于传感器线圈的相互连接的功效而受到影响。对于外磁场的该补偿过程允许传感器线圈中的电压信号的高度的放大，以便实现甚至激励器线圈的影响的变化中的最小变化都可被察觉，因此其导致在更远的传感距离上探测测试对象。

在一个实施例中，其中激励器线圈以相反的方式连接，并且传感器线圈以相同的方式连接，通过传感器线圈的相互连接，对于外磁场的补偿的可能性不再可用。

从以下说明和从属权利要求中，将描述进一步优点。

附图说明

在下文中，基于示例性实施例更详细地描述本发明，实施例在附图中示出。在此处，附图示出：

图1a示出依照本发明，用于感应产生电测量信号的电路的第一实施例的示意性电路图，

图1b示出依照本发明，用于感应产生电测量信号的电路的第二实施例的示意性电路图；

图2示出来自于在非稳定状态中的不同测试对象和不同取样时间点的电压信号，

图3示出激励器线圈和传感器线圈的布置。

具体实施方式

现在将参考附图以示例性方式更详细地描述本发明。然而，实施例仅为例子，其目的不是将本发明的概念限制于特定的布置。在详细描述本发明以前应指出，不限于装置的特定的组件和不限于特定的方法步骤，因为这些组件和程序可改变。在此使用的术语仅目的在于描述特定的实施例，而不以限制性的方式使用。另外，如果在说明书或权利要求中使用单数或不定冠词，其也涉及在范围内的多个这些元件，因为从通常的上下文中不清楚是否代表别的含义。

附图描述了一种传感器装置，其用于取决于至少一个待测量的量值，感应产生测量信号，该量值例如包含将待探测的测试对象O的路径或空间中的位置或至少一种材料特性的量值。为了该目的，其使用至少两个激励器线圈12，13，电流通过该激励器线圈依次以时钟脉冲电路11的时钟脉冲速率流过。时钟脉冲电路11在其输出端11a上发射时钟信号，该信号通过激励器直接提供给线圈13，并且通过激励器和变换器22提供给线圈12。原则上，也可以设想存在超过两个激励器线圈12，13或者超过两个传感器线圈14，15。激励器12，13中的电压感应传感器线圈14，15中的电压，其取决于待测量的量值，并且因而取决于测试对象O。该电压被施加在优选对称的放大器23的输入端23a，23b上。与优选对称的放大器23的输出端23c上的电压一致，信号S13被经过线路41施加至同步解调器D1。在稳定状态中，信号S13仅由缺乏时钟同步组件的放大器23的放大器噪音组成。

图1a和1b结合图3示出两个激励器线圈12，13以及两个传感器线圈14，15。在示出的示例性实施例中，该布置包含半圆线轴体，其相互空间平行地布置。为了对图3加以简化，在线轴体上的绕组（激励器线圈12，13和传感器线圈14，15）在相对于外部外围受阻碍的区域内已被省略。对于该范围，依照图3的布置能够被以特别简单的方式封装入外壳中，其中能够形成例如具有闭合传感器表面的传感器，并且其中线轴体能够被提供有由合成材料或金属组成的表面。不同于半圆形形状线圈的其它形状的线圈也是可能的。

依照图1a，传感器线圈14，15以这样的方式连接，即分别在至少两个传感器线圈14，15上作用的外磁场在放大器23的输出端23c上产生干扰信号。如图1b所示，通过倒转两个传感器线圈中的一个的布置，其将补偿外来场，以便干扰信号不在放大器23的输出端23c上出现。

然而原则上，只要其能确保没有具有时钟同步分量的信号能够在稳定状态中出现在放大器23的输出端23c上，则就能够使用任何其他的线圈布置，例如线圈的并联电路。

信号S13通过上述方式获得并且通过时钟脉冲电路11的时钟脉冲速率的知识而分配给各自的激励器线圈12，13，该信号在同步解调器D1之前取样。为了该目的，开关B，D仅在与总时钟周期成比例的短的时间周期时开关。同步解调器D1也能够为不同类型，例如其可为1比特A/D变换器的形式。该解决方案例如可从德国ELMOS半导体公司获得的集成电路IC 909.05中选择。因为，在该IC中，取样时间点相对于时钟脉冲相位（大约在时钟脉冲相位的中心）固定，能够为了例如在最高灵敏度之间加以区分和分辨金属类型而提供移相器20。在该情况下，取样受影响，例如首先在邻近振幅的最大改变（最高灵敏度）中或者在最大相移（分辨金属类型）的范围内受影响。为了实现对于所有类型的金属相等灵敏度的目的，也能够选择一种或更多种进一步的取样时间点。如果取样时间点可自由选择，则能够省去移相器20。

依照图3，优选位于几何轴上的激励器线圈12，13在空间上平行于传感器线圈14，15布置，传感器线圈也优选位于一个几何轴上。然而，也可能存在线圈不布置在一个几何轴上的其它的布置。在示出的实施例中，激励器线圈12，13的数目相应于传感器线圈14，15的数目，也可以考虑其它的布置，只要线圈的连接相同并确保计数器的方向，以便消除输出信号的时钟同步分量。

在示出的实施例中，来自传感器线圈14，15的信号S13被经过线路41发射给同步解调器D1和移相器20。根据这样的方式，其中开关B和D被在控制线路50B和50D上从时钟脉冲电路11的输出端11B和11D控制，电压信号被通过线路60B，60D，电阻R3和R4以及电容C3，C4，以时钟脉冲电路11的时钟脉冲速率发射至比较器16的输入端16a，16b。在起始状态，也就是说当目前没有分别探测出测试对象O时，比较器16的输入端16a，16b上的电压信号大小相等，以便某一调节值出现在比较器16的输出端16c上，该调节值引起在比较器16的输入端16a，16b上的输入值相等。例如能够使用高放大系数的运算放大器作为比较器。通过由振幅调节器18a，18b形成的振幅调节布置而以这种方式调整该调节值，即如果一个激励器线圈中的电流增大，则然后就降低其他激励器线圈中的电流。为了该目的，通过变换器19转换调节值。然而，也能够提供单侧调节过程。能够使用调节值94用于确定测试对象的接近。能够通过振幅调节器18a，18b以这种方式调节提供给激励器线圈的功率，即在比较器16的输入端16a，16b上的上述状态将再次产生。从EP 0 706 648 B1已知该原理。

在一种理想的布置中，处于起始状态中的电压信号S13仅处于放大器23的放大器噪音的形式中，而没有时钟同步分量。如果测试对象O接近，则然后其对于电压信号S13中的时钟同步振幅信息产生影响。如果测试对象O位于传感器有功范围中，则其导致取样时间点上的振幅变化。通过取样时间点（参考上文）的适当选择，还能够分辨测试对象的金属类型，例如能够实现对于特定类型金属的可能的最大灵敏度或者例如系数1（对于所有金属类型的相同灵敏度），或者能够实现用于排除该类型金属的过程。例如在图2中示出两个取样时间点91，92，其中之一描述了最大灵敏度的情况，而另一个描述了金属类型的区别。通过相移过程，取样时间点一方面位于时间点91，另一方面位于时间点92，其中图2中示出的电压信号取决于各自的金属类型，例如铁，铜，铝。

依照本方法，以时钟脉冲电路的时钟脉冲速率提供给激励器线圈12，13的电流感应传感器线圈14，15中的磁场，以便放大器23的输入端上的电压将彼此抵消。激励器线圈以相同的方式互相连接，而传感器线圈以相反的方式互相连接。用于确定电测量信号的电压信号的取样过程优选在不同的时间点发生，以便通过取样时间点的适当选择，即使存在取决于应用而提供需要的结果的另外的附加的状态，也可探测以上指定的状态。如上所述，该四种状态包含对于特定金属类型的最大灵敏度，其在有色金属的情况下比在铁的情况下更大；对于所有类型的金属的相同灵敏度；以及金属类型之间的分辨；和特定金属类型的排除。因此，依照本发明的原理支持用于探测过程所需的灵敏度，其因而引起传感距离增加。实践中，在具有12mm直径的、使用完全由金属制成的外壳以及自由铁素体（ferrite-free）线圈的传感器的情况下，其引起20mm的传感距离。

显而易见的是，本说明能够服从于大多数的变型，变化和适应，它们能够视为落入依照从属权利要求限定的等价物的范围内。

参考标号表

Claims (12)

1.一种用于取决于至少一个待测量的量值，使用至少两个激励器线圈（12，13）而感应产生电测量信号的方法，所述量值包含测试对象（O）的路径或空间中的位置或至少一种材料特性，促使电流通过所述激励器线圈以时钟脉冲电路（11）的时钟脉冲速率连续流动，所述电流在至少一个传感器线圈中感应产生电压，所述电压取决于待测量的至少一个量值，并且所述电压被以所述时钟脉冲电路（11）的所述时钟脉冲速率被细分为和所述激励器线圈（12，13）相关联的电压信号（S13），其中评估这样获得的所述电压信号，以便获得所述电测量信号，

其中至少两个所述传感器线圈（14，15）和所述至少两个激励器线圈（12，13）相关联，其中所述传感器线圈（14，15）或所述激励器线圈（12，13）以相同的方式运行或者以相同的方式连接，反之，另外的各自的线圈，即所述激励器线圈（12，13）或所述传感器线圈（14，15）以互相相反的方式运行或以互相相反的方式连接，其中为了获得所述电测量信号的目的，和所述激励器线圈相关联的所述传感器线圈的所述电压信号在所述时钟脉冲信号的某一时间周期内取样，以及

其中这样运行所述激励器线圈（12，13），即所述激励器线圈对于所述传感器线圈（14，15）的影响在位于所述传感器线圈下游的放大器的输出端上被抵消。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分别位于一个几何轴上的所述激励器线圈（12，13）和所述传感器线圈（14，15）在空间中互相平行地布置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器线圈（14，15）以相同的方式连接，而所述激励器线圈（12，13）以互相相反的方式连接。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器线圈（14，15）以这样的方式连接在一起，即作用在至少两个所述传感器线圈上的外磁场不在设置在所述传感器线圈下游的所述放大器（23）的所述输出端（23c）上产生电压。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激励器线圈（12，13）的数目相应于所述传感器线圈（14，15）的数目。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-为了确定在比较器（16）的输出端（16c）上的调节值（94）的目的，以计时方式比较和所述激励器线圈（12，13）相关联的所述电压信号，

-为了调节提供给所述激励器线圈（12，13）的功率的振幅的目的，使用所述调节值，以便使得在所述比较器的输入端（16a，16b）上的所述电压信号的振幅同样大。

7.一种用于取决于待测量的量值而感应产生电测量信号的传感器装置，用于确定至少一个量值，所述量值包含测试对象（O）的路径或空间中的位置或至少一种材料特性，所述传感器装置包括：

-至少两个激励器线圈（12，13），

-时钟脉冲电路（11），用于连续以时钟脉冲速率通过电流激活所述激励器线圈（12，13），

-至少两个传感器线圈，所述传感器线圈和所述激励器线圈（12，13）相关联，并且在所述传感器线圈中取决于至少一个待测量的量值使得电压通过以下方式感应，即所述电流以所述时钟脉冲电路（11）的所述时钟脉冲速率流过所述激励器线圈（12，13），

-电子元件，用于以所述时钟脉冲电路的所述时钟脉冲速率将所述感应电压细分为和所述激励器线圈（12，13）相关联的电压信号，

-取样装置，用于为了在所述时钟脉冲信号的确定或可确定的时间周期内获得测量信号的目的，对和所述激励器线圈相关联的所述传感器线圈的所述电压信号进行取样，

-其中所述激励器线圈（12，13）以这样的方式布置，即所述激励器线圈对于所述传感器线圈（14，15）的影响在位于所述传感器线圈下游的放大器（23）的输出端（23c）上被抵消。

8.根据权利要求7所述的传感器装置，其特征在于，位于各一个几何轴上的所述激励器线圈（12，13）和所述传感器线圈（14，15）如此布置，从而在空间中互相平行。

9.根据权利要求7所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器线圈（14，15）以相同的方式连接，而所述激励器线圈（12，13）以互相相反的方式连接。

10.根据权利要求7所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器线圈（14，15）以这样的方式布置，即作用在至少两个所述传感器线圈上的外磁场不在所述放大器（23）的所述输出端（23c）上产生电压。

11.根据权利要求7所述的传感器装置，其特征在于，所述激励器线圈（12，13）的数目相应于所述传感器线圈（14，15）的数目。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的传感器装置，其特征在于，为了确定调节值的目的，提供用于比较和所述激励器线圈（12，13）相关联的所述电压信号的比较器（16），并且特征在于，提供振幅调节器（18），在所述振幅调节器中，用于调节提供给所述激励器线圈的所述电流的振幅的所述调节值以这样的方式调节，即在所述比较器（16）的输入端（16a，16b）上的所述电压信号的振幅同样大。

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