CN105765337B - 感应式测量探头和用于操作感应式测量探头的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种感应式测量探头和用于操作所述测量探头的方法。所述测量探头具有：可运动地设置的探测元件；传感器(1)，所述传感器具有线圈系统(14)和能相对于线圈系统(14)移动地设置的、与探测元件连接的芯部(15)，所述传感器(1)将探测元件的偏移转换成模拟的测量信号；电的基准器件(2)，所述基准器件将模拟的输入电压转换成模拟的输出电压；驱动装置，所述驱动装置对于传感器(1)和基准器件(2)产生相同的模拟输入电压；处理装置，所述处理装置由基准器件(2)的模拟的输出电压确定干扰效应的影响，并且所述处理装置由所述测量信号和干扰效应的影响确定测量结果。

Description

感应式测量探头和用于操作感应式测量探头的方法
技术领域
本发明涉及一种感应式测量探头，所述测量探头具有设置成能运动的探测元件和传感器，所述传感器具有至少一个线圈和能相对于线圈移动地设置的、与探测元件连接的芯部，本发明还涉及一种用于操作感应式测量探头的方法。
背景技术
感应式测量探头例如在工业制造、质量保证、过程控制、机器人技术、航空和航天技术、汽车工业以及在液压和气动应用中用于长度测量。除了长度和路程以外，这种装置还可以确定能够由路程导出的量，例如物体的形状。测量范围覆盖从纳米级直至米级的范围。这种长度测量的原理的基础在于，探测元件与一个芯部连接，所述芯部设置成能相对于一个线圈系统移动。芯部相对于线圈系统的移动使得线圈系统的电感发生变化。感应式测量探头的具有线圈的测量装置特别是可以构造成感应式半桥、全桥或构造成差分变压器。用正弦激励电压馈电的主线圈这里通过磁作用的芯部与一个或两个次级线圈耦合。主线圈、次级线圈和磁作用的芯部这里集成在测量探头中。与探测元件连接的芯部在长度测量时改变其位置，从而这对于主线圈和次级线圈之间的磁耦合产生影响。这里在次级线圈中感应生成的电压与运动的芯部的位置线性相关。次级线圈的电压因此构成度量探测元件位置变化的尺度。此外，电感的改变也会影响振荡回路的幅值。芯部的位置变化因此还会导致幅值变化，这种幅值变化是可验证的并且构成要测量的路程的尺度。
已经证明不利的是，特别是在微米级范围和纳米级范围进行测量时，传感器、驱动装置和测量结果的处理装置的干扰效应会导致明显的失真，从而会出现较高的不精确性。
发明内容
本发明的目的是，提供一种感应式的测量探头和一种用于操作感应式的测量探头的方法，所述测量探头和所述方法特别是在微米和纳米范围内提供尽可能准确和精确的测量结果。
所述目的通过具有权利要求1的特征的感应式测量探头和具有权利要求12的特征的方法来实现。根据本发明的感应式测量探头的特征在于，所述测量探头附加于传感器配备有电的基准器件/参照器件，所述基准器件将模拟的输入电压转换成模拟的输出电压。驱动装置对于传感器和基准元件产生相同的模拟输入电压。处理装置将传感器的模拟的测量信号与基准器件的模拟的输出信号结合(verknüpfen)成低噪声且精确的测量结果。传感器、基准器件、驱动装置和处理装置是一个电路系统的组成部分。在不同的测量时刻检测传感器的测量信号。在每个测量时刻同时确定基准器件的输出电压。由基准器件在多个时刻的输出电压形成基准值或基准函数。在每个测量时刻，用修正值或修正函数对传感器的测量信号进行修正，所述修正值或修正函数由基准器件在相同测量时刻的输出电压和所述基准值或基准函数确定。
这里认定，影响传感器的测量信号的干扰效应基本上与影响基准器件的输出电压的干扰效应相同。为此，给基准器件供应与传感器相同的模拟输入电压。此外，基准器件的输出电压和传感器的测量信号由共同的处理装置来处理。激励装置(驱动装置)和处理装置的影响因此对于传感器和基准器件是一致的。对于基准器件的输出电压和所述测量信号产生影响的电干扰效应因此是相同的。
测量信号还受到传感器的干扰效应影响。为了同样能够在测量信号中消除传感器的干扰效应或至少使其最小化，选择这样的基准器件，特别是在阻抗方面，所述基准器件的电特性至少近似地与传感器的电特性相一致。传感器在零点的阻抗有利地至少在数量级上与基准器件的阻抗相同。在这个前提下可以认定，传感器的干扰效应基本上与基准器件的干扰效应相一致。
基准器件在其电特性方面模拟传感器。由此可以得出这样的结论，影响基准器件和基准器件的输出电压的干扰效应基本上与影响传感器和传感器的测量信号的干扰效应相同。
利用基准器件可以针对规定的输入电压由与测量信号同时确定的基准器件的输出电压确定影响测量信号的干扰效应。借助于处理装置可以从测量信号中消除所述干扰效应。以这种方式得到非常精确和准确的测量结果。
此外有利的是，电路的部件具有尽可能小的干扰效应并且所述部件的干扰效应对测量信号的影响尽可能小。为此使用特别合适的和低噪声的部件。
根据本发明的一个有利的实施形式，基准器件是变压器。所述变压器和传感器一样具有线圈系统。通过线圈系统的绕组比/变比确定输入电压与输出电压的比例。因此在变压器中对于规定的输入电压限定输出电压。
根据本发明的另一个有利的实施形式，所述变压器是等效变压器。
根据本发明的另一个有利的实施形式，基准器件具有基本上与传感器在基准点的电感一致的电感。基准点这里对应于芯部的探测元件没有发生偏移的位置。当基准器件的电感至少在数量级上与传感器在基准点的电感相一致时，能够实现特别精确和准确的测量结果。
根据本发明的一个有利的实施形式，处理装置配备有用于传感器的测量信号的放大器和用于基准器件的输出电压的放大器。这两个放大器有利地是相同的。所述放大器构造成一致的。对于这种情况，放大器对测量信号的影响与放大器对基准器件的输出电压的影响相近。这也适用于干扰效应。
根据本发明的另一个有利的实施形式，放大器是低噪声的运算放大器。
根据本发明的另一个有利的实施形式，处理装置配备有用于传感器的测量信号的滤波器和用于基准器件的输出电压的滤波器。所述滤波器特别优选地是低通滤波器。
根据本发明的另一个有利的实施形式，用于传感器的测量信号的滤波器和用于基准器件的输出电压的滤波器是相同的。在这种情况下，滤波器对测量信号的影响与滤波器对基准器件的输出电压的影响相近。这也适用于干扰效应。
根据本发明的另一个有利的实施形式，所述滤波器是低噪声的。
根据本发明的另一个有利的实施形式，处理装置装备有至少一个用于模拟的传感器信号的模/数转换器和至少一个用于基准器件的模拟输出电压的模/数转换器。在各测量时刻同时检测传感器的测量信号和基准器件的输出电压并在各模/数转换器中同时对其进行转换。由此实现了同步的探测。
根据本发明的具有权利要求12的特征的方法的特征在于，感应式测量探头具有：探测元件；传感器，所述传感器具有线圈和与探头连接的能相对于线圈运动的芯部；基准器件，所述基准器件将模拟的输入电压转换成模拟的输出电压；驱动装置；以及处理装置，在这种感应式的测量探头中，通过驱动装置对于传感器和基准器件生成相同的模拟输入电压。处理装置将传感器的模拟测量信号和基准器件的模拟输出电压处理成低噪声的测量结果。为此，在多个测量时刻同时检测传感器的测量信号和基准器件的输出电压。由基准器件在多个测量时刻的输出电压形成基准值。在每个测量时刻，利用修正值将传感器的测量信号换算成测量结果。所述修正值由基准器件在相同的测量时刻的输出电压和基准值确定。如果假定，干扰效应对基准器件的输出信号的影响基本上与干扰效应对测量信号的影响相同，则利用与干扰效应相关的修正值对测量信号执行计算。这通过处理装置进行。以这种方式能够使测量信号中的干扰效应最小化或者甚至消除干扰效应。
替代基准值，可以由基准器件在多个测量时刻的输出电压求得基准函数，所述基准函数与确定的参数相关。
在每个测量时刻，可以替代修正值利用修正函数将传感器的测量信号换算成测量结果。所述修正函数可以由基准器件在相同的测量时刻的输出电压和基准值或基准函数确定并与确定的参数相关。
根据本发明的另一个有利的实施形式，作为基准器件在多个测量时刻的输出电压的平均值求得所述基准值。也可以采用其他计算方法。
根据本发明的另一个有利的实施形式，测量信号在一个测量时刻的修正值作为基准值和在基准器件在相同测量时刻的输出电压的差求得。
根据本发明的另一个有利的实施形式，为了修正传感器在一个测量时刻的测量信号，将在相同时刻确定的修正值从测量信号中扣除/减去。
根据本发明的另一个有利的实施形式，传感器的测量信号和基准器件的输出电压通过两个相同的放大器放大。这里放大器的干扰效应与传感器的干扰效应相比较小。
根据本发明的另一个有利的实施形式，传感器的测量信号和基准器件的输出电压通过两个相同的滤波器过滤。滤波器的干扰效应由基准器件的输出电压确定并从传感器的测量信号中消除或使其在传感器的测量信号中最小化。
根据本发明的另一个有利的实施形式，传感器的测量信号和基准器件的输出电压通过两个相同的模/数转换器转换。模/数转换器的干扰效应由基准器件的输出电压确定并从传感器的测量信号中消除或使其在传感器的测量信号中最小化。
本发明其他的优点和有利的实施形式能够从下面的说明、附图和权利要求中得出。
附图说明
在附图中示出本发明的实施例。其中：
图1示出感应式测量探头的电路布置，
图2示出根据图1的测量探头的传感器的电路图，
图3示出根据图1的测量探头的基准器件的电路图。
附图标记列表
1 传感器
2 基准器件
3 电压源
4 模/数转换器
5 放大器
6 放大器
7 放大器
8 放大器
9 滤波器
10 滤波器
11 模/数转换器
12 模/数转换器
13 处理器
14 线圈系统
15 芯部
16 线圈系统
17 芯部
具体实施方式
图1示出感应式测量探头的电路布置。该电路布置包括传感器1、电的基准器件2、驱动装置和处理装置。驱动装置包括电压源3、数/模转换器4和两个放大器5、6。处理装置包括两个放大器7、8、两个滤波器9、10、两个模/数转换器11、12和处理器13。
驱动装置的电压源3、数/模转换器4和两个放大器5、6为传感器1和基准器件提供具有确定频率的输入电压。用于传感器1和基准器件2的输入电压是相同的。
传感器1具有线圈系统14和能相对于线圈系统14移动的芯部15。芯部与在图中未示出的、活动的探测元件连接。芯部的位置变化导致生成模拟信号，所述模拟信号利用放大器7放大，利用滤波器9过滤，并利用模/数转换器11转换成数字信号。所述数字信号被传输给处理器13。
电的基准器件2是变压器。所述变压器具有线圈系统16，所述线圈系统具有芯部17，所述芯部17不能相对于线圈系统16运动。线圈系统16的电感基本上与传感器的线圈系统16的电感相同。基准器件将模拟的输入电压转换成模拟的输出电压。输入电压与输出电压的比例取决于变压器的线圈系统。该输出电压利用放大器8放大，利用滤波器10过滤，并利用模/数转换器12转换成数字信号。该数字信号被传输给处理器13。
在图2中示出传感器1连同其电特性的电路图。在图3中示出基准器件2连同其电特性。
处理器13由测量信号和基准器件的输出电压计算出测量结果。这里以此为基础，即，测量信号和基准器件的输出电压受到干扰效应的影响。这里假设，在一个确定的测量时刻t1传感器的测量信号Umess等于多个在不同测量时刻的测量信号的平均值与干扰效应nmess的和：
Umess(t1)＝平均值(Umess)+nmess
相应的情况也对于在相同的测量时刻t1基准器件的输出电压Urefenz也假设出现相同的情况。这里以此为基础，即，Urefenz(t1)等于基准器件的多个在不同测量时刻的输出电压的平均值与干扰效应nreferenz的和：
Ureferenz(t1)＝平均值(Ureferenz)+nreferenz
基准器件的多个输出电压的平均值通过测量时刻的数量求得。该平均值对应于基准值。
这里设定，干扰效应nmess和nreferenz由各单个器件的干扰效应的和来规定：
和
其中，nsensor是传感器1的干扰效应、是放大器7和滤波器9的干扰效应、nADC1是模/数转换器11的干扰效应、nbauteil是基准器件2的干扰效应、是放大器8和滤波器10的干扰效应，而nADC2是模/数转换器12的干扰效应。由于传感器1和基准器件在其电特性方面是近似相同的，可以认定，传感器1的干扰效应nsensor和基准器件2的干扰效应nbauteil也是基本上相同的：
nsensor＝nbauteil
此外设定：
处理器由此由基准器件在一个测量时刻t1的输出电压与基准值之间的差计算出干扰效应nreferenz。接着从测量信号中扣除这个干扰效应nreferenz。得到的结果就是测量结果。
本发明的所有特征单独地以及以任意的相互组合都可以构成本发明的重要内容。

Claims (18)

1.一种用于感应式测量探头的方法，所述测量探头具有：探测元件；传感器(1)，所述传感器具有线圈系统(14)和与所述探测元件连接的能相对于所述线圈系统(14)运动的芯部(15)；基准器件(2)，所述基准器件(2)将模拟的输入电压转换成模拟的输出电压；驱动装置，所述驱动装置对于所述传感器(1)和对于所述基准器件(2)产生相同的模拟输入电压；以及处理装置，所述处理装置将所述传感器(1)的模拟测量信号和所述基准器件(2)的模拟输出电压结合成测量结果，其特征在于，具有以下方法步骤：
在不同的测量时刻利用所述传感器(1)检测测量信号，
在每个测量时刻同时检测所述基准器件(2)的输出电压，
由所述基准器件的多个测量点的输出电压求得基准值或基准函数，
用与干扰效应相关的修正值在每个测量时刻修正所述传感器的测量信号，所述修正值由所述基准器件在相同测量时刻的输出电压和由所述基准值确定，或者用与干扰效应相关的修正函数在每个测量时刻修正传感器的测量信号，所述修正函数由所述基准器件在相同测量时刻的输出电压和由所述基准值或所述基准函数确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为所述基准器件在多个测量时刻的输出电压的平均值求得所述基准值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述测量信号在一个测量时刻的所述修正值作为所述基准值和所述基准器件在相同测量时刻的输出电压的差求得。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，为了修正所述传感器(1)在一个测量时刻的所述测量信号，将在相同测量时刻确定的所述修正值从所述测量信号中扣除。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，所述传感器(1)的测量信号和所述基准器件(2)的输出电压通过两个相同的放大器(7、8)放大，所述放大器(7、8)的干扰效应与所述传感器(1)的干扰效应相比较小。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的方法，其特征在于，所述传感器(1)的测量信号和所述基准器件(2)的输出电压通过两个相同的滤波器(9、10)过滤，所述滤波器的干扰效应由所述基准器件(2)的输出电压确定并从所述传感器(1)的测量信号中消除。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的方法，其特征在于，所述传感器(1)的测量信号和所述基准器件(2)的输出电压通过两个相同的模/数转换器(11、12)转换。所述模/数转换器(11、12)的干扰效应由所述基准器件(2)的输出电压确定并从所述传感器(1)的测量信号中消除。
8.一种感应式测量探头，该感应式测量探头用于执行根据前述任意一项权利要求所述的方法，该感应式测量探头具有：
可运动地设置的探测元件，
传感器(1)，所述传感器(1)具有线圈系统(14)和能相对于所述线圈系统(14)移动地设置的、与所述探测元件连接的芯部(15)，所述传感器(1)将所述探测元件的偏移转换成模拟的测量信号，
电的基准器件(2)，所述基准器件(2)将模拟的输入电压转换成模拟的输出电压，
驱动装置，所述驱动装置对于所述传感器(1)和所述基准器件(2)产生相同的模拟的输入电压，
处理装置，所述处理装置由所述基准器件(2)的模拟的输出电压确定与干扰效应相关的修正值或与干扰效应相关的修正函数，并且所述处理装置由所述测量信号和所述修正值或所述修正函数确定测量结果，
电路布置，所述电路布置包括所述传感器(1)、所述基准器件(2)、所述驱动装置和所述处理装置。
9.根据权利要求8所述的感应式测量探头，其特征在于，所述基准器件(2)是变压器。
10.根据权利要求9所述的感应式测量探头，其特征在于，所述变压器是等效变压器。
11.根据权利要求8-10任意一项所述的感应式测量探头，其特征在于，所述基准器件(2)的电感基本上与所述传感器(1)在预定的基准点处的电感相同。
12.根据权利要求8-11任意一项所述的感应式测量探头，其特征在于，所述处理装置配备有用于所述传感器(1)的测量信号的放大器(7)和用于所述基准器件(2)的输出电压的放大器(8)。
13.根据权利要求12所述的感应式测量探头，其特征在于，用于所述传感器(1)的测量信号的所述放大器(7)和用于所述基准器件(2)的输出电压的所述放大器(8)基本上相同。
14.根据权利要求12或13所述的感应式测量探头，其特征在于，所述放大器(7、8)是低噪声的运算放大器。
15.根据权利要求8-14任意一项所述的感应式测量探头，其特征在于，所述处理装置配备有用于所述传感器(1)的测量信号的滤波器(9)和用于所述基准器件(2)的输出电压的滤波器(10)。
16.根据权利要求15所述的感应式测量探头，其特征在于，用于所述传感器(1)的测量信号的所述滤波器(9)和用于所述基准器件(2)的输出电压的所述滤波器(10)基本上是相同的。
17.根据权利要求15或16所述的感应式测量探头，其特征在于，所述滤波器(9、10)是低噪声的。
18.根据权利要求8-17任意一项所述的感应式测量探头，其特征在于，所述处理装置装备有用于所述传感器(1)的模拟的测量信号和用于所述基准器件(2)的模拟的输出电压的至少两个模/数转换器(11、12)。
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