CN103782134A - 利用戈泽尔算法在差动变压器位移传感器中进行幅度估算 - Google Patents

利用戈泽尔算法在差动变压器位移传感器中进行幅度估算 Download PDF

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Abstract

一种位移传感器装置，包括至少一个初级线圈（1）、至少一个第一和第二次级线圈（3、4）以及至少一个软磁耦合件（2），所述软磁耦合件（2）将所述初级线圈（1）和所述两个次级线圈（3、4）磁耦合，其中所述位移传感器被设计为使得位置和/或偏移根据在所述初级线圈（1）与至少所述第一和第二次级线圈（3、4）之间的磁耦合而被获得，其中所述位移传感器装置包括信号处理单元（5），所述信号处理单元（5）被设计为使得所述信号处理单元实施对所述两个次级线圈（3、4）的至少一个电气变量的数字信号处理并且确定所述位置和/或偏移，其中，所述信号处理单元（5）具有至少一个戈泽尔滤波器（6）。

Description

利用戈泽尔算法在差动变压器位移传感器中进行幅度估算
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序的位移传感器装置以及位移传感器装置在机动车中的应用。
背景技术
在文献EP0693673A2、EP0238922A1以及DE2325752中描述了一种具有一个初级线圈和两个次级线圈的磁位移传感器装置，该磁位移传感器装置与一个软磁耦合件相关联，通过定位磁铁的磁场为了位移测量局部影响该软磁耦合件以使得可以确定在定位磁铁与耦合件之间的相对位置。
此外已知差动变压器位移传感器。该差动变压器位移传感器例如设计为LVDT“线性差动变压器”，其中设置了移动初级和次级侧线圈的软磁芯并且获得该软磁芯的移动偏移。
对于数字位移测量已知的是，分别数字化在第一和第二次级线圈上的交流电压，并且根据通过一个或多个初级线圈/在一个或多个初级线圈上的激励电流和/或激励电压的频率对其进行数字分析处理，并且由此确定位置或偏移或待获得的位移。
发明内容
本发明提供的目标在于，提出一种位移传感器装置，其实施对两个次级线圈的至少一个电气变量的数字分析处理，并且由此以相对简单和/或低成本的方式根据初级线圈的电激励获得位置和/或偏移或待获得的位移。
该目标按照本发明通过按照权利要求1的位移传感器装置解决。
优选分别将在两个次级线圈上的电气变量理解为在第一和第二次级线圈上的电压。
优选地，所述位移传感器装置具有至少一个第一移动件，所述至少一个第一移动件包括至少一个第一定位磁铁，其中所述第一移动件沿测量方向相对于所述软磁耦合件可移动地设置，并且所述初级线圈和所述次级线圈与所述软磁耦合件磁耦合，并且其中通过所述第一定位磁铁产生的磁场至少局部地影响所述耦合件，以使得通过所述次级线圈中的至少一者直接或间接检测在所述第一移动件与所述软磁耦合件之间的相对位置或所述移动件的偏移或位移。
优选将定位磁铁理解为永磁铁或者备选优选地为电磁铁。
备选优选地，所述位移传感器被设计为差动变压器位移传感器，特别是LVDT“线性差动变压器”，其中所述软磁耦合件被设计为可移动的，并且获得该耦合件的所述位置和/或偏移。
有利地，位移传感器装置设计如下：位移传感器装置，包括至少一个初级线圈、至少两个次级线圈、至少一个软磁耦合件以及至少一个第一移动件，该至少一个第一移动件包括至少一个第一定位磁铁，其中所述第一移动件沿测量方向相对于所述软磁耦合件可移动地设置，并且所述初级线圈和所述次级线圈与所述软磁耦合件磁耦合，并且其中通过所述第一定位磁铁产生的磁场至少局部地影响所述耦合件，以使得通过所述次级线圈中的至少一者直接或间接检测所述第一移动件与所述软磁耦合件之间的相对位置，其中所述位移传感器装置包括信号处理单元，所述信号处理单元被设计为使得所述信号处理单元实施所述两个次级线圈的至少一个电气变量的数字信号处理并且确定在所述第一移动件与软磁耦合件之间的相对位置，其中所述信号处理单元包括至少一个戈泽尔（Goertzel）滤波器。
优选地，所述信号处理单元被设计为使得以所述至少一个戈泽尔滤波器所述两个次级线圈的所述至少一个电气变量根据所述初级线圈的电激励信号而被评估和/或分析，其中特别是所述至少一个戈泽尔滤波器的中心频率基本上对应于在所述初级线圈上/通过所述初级线圈的激励电压和/或激励电流的频率。
有利地，所述信号处理单元具有至少一个戈泽尔滤波器，以便分别用于为了评估和/或分析所述第一和第二次级线圈的至少一个电气变量。
优选地，所述信号处理单元具有至少一个模数转换器，通过所述模数转换器将所述两个次级线圈的至少一个电气变量数字化为第一数字次级线圈信号和第二数字次级线圈信号，其中所述信号处理单元具有窗函数，特别是汉宁窗函数，通过所述汉宁窗函数分别实施所述第一和第二数字次级线圈信号的加窗。特别优选地，所述信号处理单元被设计为使得在所述第一和第二数字次级线圈信号的加窗之后由所述戈泽尔滤波器分别对至少这两个信号进行滤波，随后实施所述戈泽尔滤波器的结果的求和以及求差，随后由差信号除以和信号求商。
戈泽尔滤波器优选被设计为使得该戈泽尔滤波器关于中心频率实施带通滤波和抽取。
通过优选以窗函数例如汉宁窗函数的加窗，除此之外特别是存在的可能在于，通过计算分析处理干扰的边频率。如果边带和中心频率的幅度比例不一致，那么信号会受到干扰。
优选地，所述信号处理单元包括时钟生成单元，其中根据该时钟生成单元的时钟信号不仅产生在/通过所述初级线圈的所述激励电压和/或所述激励电流，而且限定所述至少一个戈泽尔滤波器的中心频率。
优选地，所述位移传感器装置是冗余地设计的、并且具有两个第一次级线圈和两个第二次级线圈，所述次级线圈与所述信号处理单元连接、或者所述次级线圈中的各个次级线圈各自与一个信号处理单元连接。
优选地，所述至少一个戈泽尔滤波器如此设计，使得所述戈泽尔滤波器关于一个唯一的频率滤波。
有利地，所述至少一个戈泽尔滤波器如此设计，使得所述戈泽尔滤波器用作抽取带通滤波器。
位移传感器装置优选包括附加的第二软磁耦合件，特别地，该第二软磁耦合件被不可移动地设置，该第二软磁耦合件被设置为使得该第二软磁耦合件用于改善通过第一软磁耦合件和线圈的磁场的磁轭。
软磁耦合件（特别是与线圈直接耦合的软磁耦合件）优选具有纵向扩展，该软磁耦合件相对于该纵向扩展基本上平行于位移传感器装置的测量方向设置。
两个次级线圈优选相对于测量方向在初级线圈的绕组体的两个端部上设置。
优选地，第一定位磁铁是关联的移动件的一部分，其中移动件特别设计为活塞；和/或第一定位磁铁装入到移动件中特别是活塞中和/或固定在其上。
移动件优选设计为活塞或操作件或操作杆并且特别是用于力传递。
位移传感器装置有利地是机动车制动系统的一部分，其中该（第一）移动件（其包括第一定位磁铁）与操作装置或制动踏板装置耦合和/或连接。
至少三个线圈即初级线圈和至少第一和第二次级线圈有利地包围软磁耦合件，并且特别是设计并且设置为直接缠绕到其上，并且由此特别优选地以电绝缘材料浇注或者以一种漆固定。
初级线圈优选连接到交流电流源或交流电压源，其驱动具有电流或电压的基本上恒定的幅度和限定的交变频率的交流电流或交流电压。
优选将戈泽尔滤波器理解为电子单元和/或软件单元，其实现戈泽尔算法。
优选将戈泽尔滤波器或戈泽尔算法理解为按照限定的算法的1点离散的傅里叶变换，其提供输送的信号的幅度作为结果。在此可以不用考虑相位信息。如果应该分析处理已知的离散的频率，那么相对于FFT即快速傅里叶变换总是提供戈泽尔算法。这是在位移传感器装置中的情况。随后特别是也可以在简单的低成本的μC上实现陡峭的频率选择的幅度计算。
位移传感器装置优选被设计为使得以至少两个不同的叠加的频率、亦即第一和第二激励频率激励初级线圈，并且第一次级线圈、一个附加的第一次级线圈、一个第二次级线圈以及一个附加的第二次级线圈（它们与初级线圈都经由软磁耦合件磁耦合）与初级线圈关联。第一和第二信号处理单元分别与两个第一次级线圈以及两个第二次级线圈相关联，每个信号单元包括一个戈泽尔滤波器，其中第一信号处理单元的戈泽尔滤波器具有第一激励频率作为中心频率，而第二信号处理单元的戈泽尔滤波器具有第二激励频率作为中心频率。特别是第一次级线圈和附加的第一次级线圈与第一信号处理单元的组合基于第一激励频率获得和计算位置和/或偏移，并且另外冗余地，第二次级线圈和附加的第二次级线圈与第二信号处理单元的组合基于第二激励频率获得和计算位置和/或偏移。第一和第二信号处理单元在此特别优选地包括两个分别的前置于戈泽尔滤波器的窗函数（例如汉宁窗函数）以及分别特别优选地包括求差以及求和，其用于计算相应信号的位置和/或偏移的后置的求商。
附图标记：
1初级线圈
2软磁耦合件
3或3a第一次级线圈
3b附加的第一次级线圈
4或4a第二次级线圈
4b附加的第二次级线圈
5信号处理单元
6戈泽尔滤波器
7定位磁铁
8窗函数、特别是汉宁窗函数
9求和
10求差
11求商
12时钟生成单元
13A/D转换器
14电气激励源
附图说明
示例性地在示意图中示出：
图1示出了作为位移传感器装置的差动变压器位移传感器，其被设计具有用于标记或获得位移长度的永磁铁；
图2示出了按照本发明的在一个用于电压器次级电压U1～、U2～的同步整流的双重实施方案中具有同步解调器的信号处理单元，在此为具有数字信号处理器的示例性的实现；
图3示出了具有例如以软件形式的实现的戈泽尔滤波器或戈泽尔算法的位移传感器装置的按照本发明的信号处理单元的示例性的方框图；
图4示出了以图3的该位移传感器装置及其信号处理单元实现的过滤响应（示例设置）作为幅度响应；
图5示出了具有冗余设计的位移传感器装置，其中两个第一和两个第二次级线圈与初级线圈相关联，并且信号处理单元分别与两个第一和两个第二次级线圈相关联；以及
图6示出了两个路径1和2的借助于相应的戈泽尔滤波器滤波的信号的幅度响应，这两个路径分别作为信号处理路径通过两个信号处理单元实现，并且所述路径具有戈泽尔滤波器的不同的中心频率。通过滤波器的高度选择性，例如大约60dB，其中完全独立的信号处理单元或路径也在另一路径的激励频率失灵的情况下保持不受影响。
具体实施方式
图1示例性地示出设计为差分变压器的位移传感器装置，其中定位磁铁7设置为定位磁铁，其固定在一个未示出的移动件上，例如操作杆或活塞。初级线圈1与第一和第二次级线圈3、4经由软磁耦合件2磁耦合，其中示例性的位移传感器装置还具有一个附加的软磁耦合件，该软磁耦合件被设计和设置为使得该软磁耦合件用于改善通过第一软磁耦合件2和线圈1、3和4的磁场的磁轭。
软磁耦合件2具有纵向扩展，该软磁耦合件关于该纵向扩展基本上平行于位移传感器装置的测量方向
Figure BDA0000474241700000061
设置。
定位磁铁7的位置P或位移传感器装置的扩展从两个次级线圈的电信号产生，例如根据两个次级电压U1～、U2～产生，其中位置P如按照公式阐明的那样基本上为或取决于两个电压U1和U2的差除以它们的和的商，这两个电压作为电压的值根据初级线圈1的激励频率来确定或计算。
图3在此示出了位移传感器装置的信号处理单元5的示例性的示意的实现，该信号处理单元示例性地设计为数字信号处理器。
两个信号例如第一和第二次级线圈的电压信号作为输入信号借助于模数转换装置13数字化。
这两个数字信号分别输送给窗函数8，例如汉宁窗函数，通过该函数分别实施第一和第二数字次级线圈信号（即上和下信号路径）的加窗。
在第一和第二数字次级线圈信号的加窗8之后分别由一个戈泽尔滤波器6对这两个信号进行滤波并且获取幅度，随后分别实施两个信号的戈泽尔滤波器6的结果的求和9和求差10，随后由差信号除以和信号求商11，其中求商例如对应于归一化。此外，在函数框11中实现特性曲线校正。随后，在信号处理单元提供输出信号之前进行信道编码。时钟生成单元12不仅提供用于计算两个戈泽尔滤波器6的中心频率的时钟，而且提供未示出的初级线圈的激励频率的计算。在此戈泽尔滤波器6的中心频率和初级线圈的激励频率一致。
根据图5示出了位移传感器装置的一个实施例，其中初级线圈1以至少两个不同的叠加的频率也就是第一和第二激励频率由电气激励源14（例如交流电压源）激励。在此第一次级线圈3a、一个附加的第一次级线圈3b、第二次级线圈4a以及一个附加的第二次级线圈4b（它们都与初级线圈1经由软磁耦合件2磁耦合）与初级线圈1相关联。信号处理单元5分别与两个第一次级线圈3a、3b以及两个第二次级线圈4a、4b相关联，每个信号单元包括一个戈泽尔滤波器，其中第一信号处理单元的戈泽尔滤波器具有第一激励频率作为中心频率，而第二信号处理单元的戈泽尔滤波器具有第二激励频率作为中心频率。第一次级线圈3a和附加的第一次级线圈3b与第一信号处理单元5、μC1的组合基于第一激励频率获得和计算位置和/或偏移，并且另外冗余地，第二次级线圈4a和附加的第二次级线圈4b与第二信号处理单元5、μC2的组合基于第二激励频率计算位置和/或偏移。第一和第二信号处理单元在此分别包括A/D转换器13，该A/D转换器13对第一和附加的第一或第二和附加的第二次级线圈的数字化信号进行数字化。随后将这两个信号分别（在信号处理单元内上和下信号路径）被提供给窗函数8（例如设计为汉宁窗函数），随后将作为结果的信号分别通过戈泽尔滤波器6滤波。幅度（作为该经滤波的信号的结果）随后提供给求差10和求和9连同后置的求商11用于计算相应信号的位置和/或偏移，随后示例性地分别实现信道编码。两个信号处理单元5的时钟生成单元12生成不同的时钟信号、不同的频率，其中电气激励源14在这两个频率的叠加驱动下操作，并且相应的信号处理单元5的戈泽尔滤波器分别由自身的时钟生成单元12获得其中心频率。

Claims (12)

1.一种位移传感器装置，包括至少一个初级线圈（1）、至少一个第一和第二次级线圈（3、4）以及至少一个软磁耦合件（2），所述软磁耦合件（2）将所述初级线圈（1）和两个次级线圈（3、4）磁耦合，其中所述位移传感器被设计为使得位置和/或偏移根据在所述初级线圈（1）与至少所述第一和第二次级线圈（3、4）之间的磁耦合而被获得，其中所述位移传感器装置包括信号处理单元（5），所述信号处理单元（5）被设计为使得所述信号处理单元实施对所述两个次级线圈（3、4）的至少一个电气变量的数字信号处理并且确定所述位置和/或偏移，其特征在于，所述信号处理单元（5）包括至少一个戈泽尔滤波器（6）。
2.根据权利要求1所述的位移传感器装置，其特征在于，所述位移传感器装置具有至少一个第一移动件，所述至少一个第一移动件包括至少一个第一定位磁铁（7），其中所述第一移动件沿测量方向（
Figure FDA0000474241690000011
）相对于所述软磁耦合件（2）可移动地设置，并且所述初级线圈（1）和所述次级线圈（3、4）与所述软磁耦合件（2）磁耦合，并且其中通过所述第一定位磁铁（7）产生的磁场至少局部地影响所述耦合件（2），以使得通过所述次级线圈（3、4）中的至少一个直接或间接检测所述第一移动件与所述软磁耦合件（2）之间的相对位置。
3.根据权利要求1所述的位移传感器装置，其特征在于，所述位移传感器被设计为差动变压器位移传感器，特别是LVDT“线性可变差动变压器”，其中所述软磁耦合件（2）被设计为可移动的，并且所述耦合件的位置和/或偏移被获得。
4.根据权利要求1至3中至少任一项所述的位移传感器装置，其特征在于，所述信号处理单元（5）被设计为使得所述两个次级线圈（3、4）的所述至少一个电气变量根据所述初级线圈（1）的电激励信号通过所述至少一个戈泽尔滤波器（6）而被评估和/或分析，其中特别是所述至少一个戈泽尔滤波器（6）的中心频率基本上对应于在所述初级线圈（1）上/通过所述初级线圈（1）的激励电压和/或激励电流的频率。
5.根据权利要求1至4中至少任一项所述的位移传感器装置，其特征在于，所述信号处理单元（5）具有至少各一个戈泽尔滤波器（6），以便分别用于评估和/或分析所述第一和第二次级线圈（3、4）的至少一个电气变量。
6.根据权利要求1至5中至少任一项所述的位移传感器装置，其特征在于，所述信号处理单元（5）具有至少一个模数转换器（13），通过所述模数转换器将所述两个次级线圈（3、4）的至少一个电气变量数字化为第一数字次级线圈信号和第二数字次级线圈信号，其中所述信号处理单元具有窗函数（8），特别是汉宁窗函数，通过所述窗函数分别实施对所述第一数字次级线圈信号和所述第二数字次级线圈信号的加窗。
7.根据权利要求6所述的位移传感器装置，其特征在于，所述信号处理单元被设计为使得在对所述第一数字次级线圈信号和所述第二数字次级线圈信号加窗（8）之后由所述戈泽尔滤波器（6）分别对至少这两个信号进行滤波，随后实施所述戈泽尔滤波器（6）的结果的求和（9）和求差（10），随后由差信号除以和信号求商（11）。
8.根据权利要求1至7中至少任一项所述的位移传感器装置，其特征在于，所述信号处理单元（5）包括时钟生成单元（12），其中根据该时钟生成单元（12）的时钟信号不仅产生在所述初级线圈（1）上的/通过所述初级线圈（1）的所述激励电压和/或所述激励电流，而且限定所述至少一个戈泽尔滤波器（6）的中心频率。
9.根据权利要求1至8中至少任一项所述的位移传感器装置，其特征在于，所述位移传感器装置是冗余地设计的、并且具有两个第一次级线圈（3a、3b）和两个第二次级线圈（4a、4b），所述次级线圈与所述信号处理单元（5）连接、或者所述次级线圈中的各个次级线圈各自与一个信号处理单元（5）连接。
10.根据权利要求1至9中至少任一项所述的位移传感器装置，其特征在于，所述至少一个戈泽尔滤波器（6）被设计为使得所述戈泽尔滤波器关于唯一的频率进行滤波。
11.根据权利要求1至10中至少任一项所述的位移传感器装置，其特征在于，所述至少一个戈泽尔滤波器（6）被设计为使得所述戈泽尔滤波器用作抽取带通滤波器。
12.一种对根据权利要求1至11中至少任一项所述的位移传感器装置在机动车中的应用。
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