CN106104210A - 位置测量设备和用于操作位置测量设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于测量导电测量物体(28)位置(s)的位置测量设备(12、13)，导电测量物体(28)可在测量区段(18)上移动，沿测量区段(18)定位有线圈(14；14a、14b；16)。位置测量设备(12、13)的区别特征在于以下事实：在每两个激励线圈(14；14a、14b)间提供测量线圈(16)，交流激励电流(20)流过激励线圈中的每个，电流预定义为在激励线圈(14；14a、14b)与激励线圈(14；14a、14b)间反相。由交流激励电流(20)产生的交流磁场(22)在测量物体(28)移动经过激励线圈(14；14a、14b)时在导电测量物体(28)中感生涡流。测量线圈(16)提供AC测量电压(30、30'、30″…)，AC测量电压(30、30'、30″…)在测量物体(28)移动经过至少一测量线圈(16)时由流入测量物体(28)中的涡流感生。基于至少一AC测量电压(30、30'、30″,…)确定测量物体(28)的位置(s_Mess)。

Description

位置测量设备和用于操作位置测量设备的方法
技术领域
本发明是基于分别根据独立装置权利要求的前序的位置测量设备并且基于用于操作所述位置测量设备的方法。
申请人例如通过指向申请人的链接：http://www.Balluff.com提供用于位移和位置测量的测量设备，所述测量设备基于不同的物理原理，例如像电感式距离传感器、微脉冲位移换能器、磁致电感式位移传感器、磁性编码位移和角度测量系统和例如光电距离传感器。测量设备最终确定移动物体相对于位置传感器的位置或移动物体离位置传感器的距离。
背景技术
在公布DE 10 2004 016 622 A1中，描述一种具有弱磁性、伸长核心的差动位置测量设备，所述差动位置测量设备上布置有能够由交变电压加载的初级线圈，以及串联并且以彼此相距一定距离来连接的两个负反馈次级线圈。测量物体具有在相应位置处使核心饱和的永磁体并且沿核心以相对移动来移动。提供评估单元来检测在次级线圈中感生的差动电压。伸长核心由两个平行、伸长核心纵向区域组成，所述区域中的一个承载所述线圈，其中伸长核心纵向区域在末端处彼此连接穿过横向区域，从而形成闭合核心。由于闭合核心，可减少在有源传感器区域外部的侧面突出部。
在专利申请文件US 4 437 019 A中，描述一种位置测量设备，所述位置测量设备被实现为差动变压器。测量可磁化测量物体的位置，所述物体被布置成在管中可位移的。所述管由两个线圈布置包围。第一线圈布置含有多个线圈对，其中线圈对的单个线圈借助于在分别相对方向上的交变电流而磁化。线圈对被布置来将一个线圈对嵌套在另一线圈对内部。第二线圈布置对应于接收线圈，所述接收线圈缠绕在管的整个长度上并且提供输出信号。关于被布置成可位移的可磁化物体的位置的信息含在输出信号的相位位置中，其中取决于线圈对的数目，相位位置取决于所述位置而以0°至360°通过区域多次。
在专利申请文件US 7 317 371 B1中，描述一种位置测量设备，所述位置测量设备同样地实现为差动变压器。存在由若干线圈缠绕的管，其中可磁化测量物体被布置成可位移的，所述可磁化测量物体的位置将被测量。
提供至少一个初级线圈以及第一次级线圈和第二次级线圈。两个次级线圈以在管的纵向方向上产生阶梯结构的方式缠绕。每一阶梯由绕组层形成。绕组的特定设计引起为零的位置值，以便与管的中心点重合。
在公布DE 103 35 133 A1中，描述一种位置测量设备，所述位置测量设备通过使用线圈布置来检测金属测量物体的位置，所述线圈布置具有逐个相邻布置的多个线圈。线圈以直接相邻于彼此的线圈的灵敏度曲线至少部分地重叠的方式沿测量区段定位。所有线圈是振荡器的部分。金属测量物体的存在导致振荡器信号的衰减，以使得测量物体的位置可根据单个线圈中的信号的各种衰减来断定。
在公布DE 10 2008 064 544 A1中，描述一种电感式位置测量设备，所述感应位置测量设备具有一排逐个相邻布置的线圈，所述线圈沿测量区段布置，磁性、尤其是永久磁性测量物体沿所述测量区段布置成可位移的，将检测所述测量物体的位置。提供第二排线圈，所述第二排线圈被定位成与第一排线圈相比偏移，以便增加位置传感器的空间分辨率。单个线圈分别是振荡器的部分。金属测量物体影响所得振荡电路的品质并且因此改变振荡器信号的幅值，从所述振荡器信号可断定测量物体的位置。
在公布DE 101 30 572 A1中，也描述一种电感式位置测量设备，所述感应位置测量设备含有逐个相邻布置的多个线圈，所述线圈可借助于开关在之间切换。开关被连接至电容器以使得产生由振荡器激发的共振电路。取决于金属测量物体的位置，至少一个振荡电路的品质降低，以使得共振电路电压减小。测量物体的位置可从共振电路电压的减小断定。
在实用新型申请文件DE 201 20 658 U1中，描述一种电感式位置测量设备，所述感应位置测量设备具有至少一个初级线圈和一个次级线圈布置，所述布置具有若干受控涡流表面。受控涡流表面分别与初级线圈相对地逐个相邻地定位。涡流表面分别按时间顺序单个地短路，以使得可分别形成涡流。评估单元取决于次级线圈布置的切换状态来检测初级线圈的电感变化，其中测量物体的位置可从初级线圈的输出信号确定。
在实用新型申请文件DE 20 2007 012 087 U1中，描述一种电感式位置测量设备，所述感应位置测量设备具有沿测量区段定位的多个电感式传感器。每一单个电感式传感器的电感是振荡器的部分，所述振荡器的频率或至少所述频率的衰减取决于测量物体的位置受影响。为检测不同的监测结构，可利用能够以不同方式调整的位置依赖性检测特性来操作电感式传感器。
最后，在公布DE 10 2010 008 495 A1中，描述一种用于物体的位置测量的程序，其中分配给物体的磁体沿磁致伸缩波导移动，其中磁体在波导的区域中产生第一磁性激励分量，此外对所述区域提供具有电流脉冲的电流信号，从而在波导中产生电流磁性激励，所述电流磁性激励具有在波导中的偏离由磁体产生的激励分量的至少一个激励分量，以使得由于在电流脉冲期间因磁致伸缩效应引起的激励变化，波产生磁致伸缩波导的确定区域。在评估单元中检测波，其中从波导中波的行进时间来确定物体的位置。已知程序使用电流信号，所述电流信号以目标性预先确定的电流渐变增加(current increase ramp)开始，所述首先以如下方式确定所述渐变增加的时间累进：不检测波，但提供与电流渐变增加联系的此种电流脉冲，从而引起可检测波的产生。
本发明的目标是指定位置测量设备和用于操作位置测量设备的方法，所述设备和方法可以简单方式缩放以便延伸测量区段。
分别由在两个独立装置权利要求中或在独立方法权利要求中指定的特征解决所述目标。
发明内容
根据本发明的用于测量导电测量物体的位置的位置测量设备提供奇数个线圈，所述导电测量物体能够在测量区段上位移，沿所述测量区段定位有线圈，其中激励线圈定位在奇数位置处，所述激励线圈由交变激励电流流过，所述交变激励电流预定义成在激励线圈与激励线圈之间反相，以使得由交变激励电流产生的交变磁场在测量物体移动经过激励线圈时在导电测量物体中感生涡流，并且其中测量线圈定位在至少一个偶数位置处介于两个激励线圈之间，所述测量线圈提供通过测量物体感生的测量交变电压，所述测量交变电压是在测量物体移动经过至少一个测量线圈时由流入测量物体中的涡流感生。基于至少一个测量交变电压提供对测量物体的位置的确定。
根据用于测量导电物体的位置的根据本发明的位置测量设备的另一实施方案，提供偶数个线圈，所述导电物体能够在测量区段上位移，沿所述测量区段定位有线圈。在奇数位置处和按时间顺序在偶数位置处的线圈交替地连接为激励线圈，所述激励线圈分别由交变激励电流流过，所述交变激励电流借助于切换装置而提供成在激励线圈与激励线圈之间反相，以使得由交变激励电流产生的交变磁场在测量物体移动经过激励线圈时在导电测量物体中感生涡流，以使得在偶数位置处和按时间顺序在奇数位置处的至少一个线圈在两个激励线圈之间由切换装置交替地连接为测量线圈，所述测量线圈分别通过测量物体提供感生测量交变电压，所述感生测量交变电压是在测量物体移动经过至少一个测量线圈时由流入测量物体中的涡流感生。
在根据本发明的位置测量设备的这个实施方案中，取决于有切换发生的工作循环，处于测量区段的侧面上外缘上的线圈和在测量区段的另一末端上处于外缘上的线圈交替地连接而不是分别起作用。对根据本发明的位置测量设备的这个实施方案来说，基于按时间顺序由两个、四个或若干偶数个测量线圈提供的测量交变电压来提供对测量物体的位置的确定。
根据本发明的位置测量设备的第一实质优点在于：测量区段可通过其他传感器单元的布置而任意延伸，所述其他传感器单元含有两个受控反相的激励线圈和分别定位在两个激励线圈之间的测量线圈。
另一优点在于：可使用将要测量位置的简单和廉价的测量物体，所述测量物体必须是至少仅在它的表面上为导电的。不需要可磁化、尤其是铁磁测量物体，但可同样地使用。通过激励线圈的交变磁场在测量物体中感生的涡流由于分别包围涡流的交变磁场而在测量线圈中部分地感生测量交变电压，所述交变电压用于确定测量物体的位置。
由于测量原理，激励电流的频率可提供成相比较来说是高的，借以可实现测量结果的高提供速率。
本申请中使用的术语“位置”同时意指位移量、移除量、距离、角度和类似用语。
根据本发明的位置测量设备的有利改进和实施方案分别是从属权利要求的标的。
一个实施方案提供的是：线圈沿测量区段、可能是沿直线地逐个相邻定位成一排，并且测量物体被布置来沿线圈的前侧可线性位移。然而，替代笔直的测量区段，也可提供弯曲测量区段。
一个实施方案提供的是：线圈被实现为环形线圈，并且测量物体被布置来在环形线圈的中心开口中可位移。
一方面取决于环形线圈的开口的几何设计而另一方面取决于测量物体的几何设计，也可对这种布置提供弯曲测量区段以作为直线测量区段的替代方案。
作为弯曲测量区段的特定实施例，可提供圆，其中线圈沿测量区段逐个相邻布置在圆周边上。由于测量物体的可旋转移动布置，获得根据本发明的位置测量设备的实施方案，如角度测量设备。
这里，线圈可与圆的旋转轴或中心线垂直地对准，并且测量物体可被布置来在内圆周边或外圆周边上相对于线圈是可旋转移动的。
替代地，可能的是，线圈与圆的旋转轴或中心线垂直地[平行？]对准，并且测量物体可被布置来在内圆周边或外圆周边上相对于线圈是可旋转移动的。
其他有利实施方案涉及潜在地提供线圈核心。根据一个实施方案，提供U形线圈核心。根据替代实施方案，线圈核心被设计成E形，其中线圈绕组优选地布置在中心E形臂上。
另一有利的实施方案提供的是：为提供交变激励电流，提供具有直接数字合成的振荡器和次电压/电流转换器。此种振荡器可主要利用软件来实现，所述软件可无需大量工作就可改变到不同频率。替代地，在激励线圈分别形成电感的至少一个部分的情况下，可提供LC振荡器。
已解释了确定处在相比较来说高值下的交变激励电流的频率的可能性。交变激励电流的频率优选地在100kHz至10MHz的范围变化。替代导电、非可磁化测量物体，可提供导电、可磁化、优选铁磁测量物体作为测量物体。
根据本发明的用于操作位置测量设备的方法是基于至少两个所提供的测量线圈。对每一测量线圈来说，当测量物体移动经过时，产生利用正确符号解调的测量交变电压的电压的信号过程。某一相位位置被分配给每一测量线圈或分配给每一信号过程。正交信号对被计算为从通过利用正确符号的解调而由测量线圈提供的测量交变电压获得的电压与具有分别分配给信号过程的相位位置的正弦函数的乘积的总和，和电压与余弦函数的乘积的总和，所述余弦函数同样具有分别分配给信号过程的相位位置。从两个正交信号的相位来确定测量物体的位置。
关于在测量物体移动经过至少一个测量线圈时利用正确符号解调的测量交变电压的电压的信号过程，已确定的是：从通信技术中本质上已知的正交调制或正交解调是尤其适用于从来自至少两个测量线圈的交变电压来确定测量物体相对于线圈布置的位置，尤其在根据本发明的多相正交解调的范围内如此。
根据本发明的方法的一个有利实施方案提供的是：关于相邻信号过程的范围来调整对应于当测量物体移动经过测量线圈时发生的至少一个信号过程的范围。利用这种措施，可实现线性化。
具体来说，可借助于对分配给信号过程的相位位置的确定来进行线性化，对正交信号对的确定是基于所述相位位置。
根据本发明的方法的一个有利实施方案提供针对包络因子的规定(stipulation)。这里，以如下方式分别使用包络因子来加权信号过程：已通过利用正确符号的解调而从定位在测量区段的末端处的测量线圈的测量交变电压得到的信号过程被加权成低于已通过利用正确符号的解调而从定位在测量区段的中心中的那些测量线圈的测量交变电压得到的信号过程。利用这些措施，具体来说对测量物体相对于线圈布置的测量位置的负面影响在线圈布置的边缘区域处得以最小化。
根据本发明的位置测量设备和根据本发明的用于操作位置测量设备的方法的其他有利改进和实施方案从以下描述中得出。
本发明的示例性实施方案在附图中描绘，并且在以下描述中更详细地解释。
附图说明
图1示出根据本发明的位置测量设备的传感器单元，
图2示出当测量物体移动经过图1所示的传感器单元的测量区段时获得的信号过程，
图3示出用于为传感器单元的激励线圈提供激励电流的电路布置的方框图，
图4示出用于为传感器单元的激励线圈提供激励电流的替代电路布置的方框图，
图5示出作为环形线圈的传感器单元的线圈的实施方案，
图6示出传感器单元的线圈沿弯曲测量区段定位的实施方案，
图7示出根据本发明的位置测量设备的实施方案，其中多个激励线圈和测量线圈逐个相邻交替定位，
图8示出当测量物体移动经过测量区段时获得的多个信号过程，
图9示出根据本发明的位置测量设备的实施方案，其中分别设计为环形线圈的多个激励线圈和测量线圈逐个相邻定位，
图10a示出根据本发明的位置测量设备的实施方案，其中多个线圈逐个相邻布置，所述线圈作为激励线圈和测量线圈按时间顺序交替连接，
图10b示出偶数个线圈，所述线圈作为激励线圈和测量线圈根据固定预先确定的型式来交替连接，
图10c示出由测量电压获得的信号过程，所述测量电压提供图10b所示的线圈布置的连接为测量线圈的线圈，
图10d示出在图10b所示的线圈布置的第一工作循环中提供的布线，
图10e示出从在第一工作循环中有源的测量线圈中提供的测量电压而获得的信号过程，
图10f示出在图10b所示的线圈布置的第二工作循环中提供的布线，
图10g示出从在第二工作循环中有源的测量线圈中提供的测量电压而获得的信号过程，
图11示出根据本发明的位置测量设备的实施方案，其中线圈定位在圆形测量区段的圆周边上并且在朝向圆的旋转轴的径向方向上对准，
图12示出根据本发明的位置测量设备的实施方案，其中线圈定位在圆形测量区段的圆周边上并且在朝向圆的旋转轴的轴向方向上对准，
图13示出具有U形线圈核心的线圈的实施方案，
图14示出具有E形线圈核心的线圈的实施方案，
图15a示出当测量物体移动经过线圈时从三个测量线圈获得的电压，
图15b示出从图15a所示的电压确定的正交信号，
图15c示出在从图15b所示的正交信号确定的位置与测量物体的实际位置之间的函数联系，
图16a示出当测量物体移动经过线圈时从按时间顺序交替连接的测量线圈获得的电压，
图16b示出从图16a所示的电压确定的正交信号，
图16c示出在从图16b所示的正交信号确定的位置与测量物体的实际位置之间的函数联系，
图17a示出由五个测量线圈获得的电压，所述电压的幅值相对于零线位于非对称处，
图17b示出从图17a所示的电压确定的正交信号，
图17c示出在从图17b所示的正交信号确定的位置与测量物体的实际位置之间的函数联系，
图18a示出从多个测量线圈获得并利用随机函数加权的电压，
图18b示出从图18a所示的电压确定的正交信号，
图18c示出在从图18b所示的正交信号确定的位置与测量物体的实际位置之间的函数联系，
图19a示出从多个测量线圈获得并利用高斯过程形状函数加权的电压，
图19b示出从图19a所示的电压确定的正交信号，
图19c示出在从图19b所示的正交信号确定的位置与测量物体的实际位置之间的函数联系，
图20a示出从多个测量线圈获得的电压，
图20b示出图20a所示的电压，其中至少一个电压已相对于至少一个相邻电压关于幅值而校正，
图20c示出图20a所示的电压，所述电压已分别乘以包络系数，并且
图20d示出在分别从图20b和图20c确定的位置与测量物体的实际位置之间的函数联系。
具体实施方式
图1示出根据本发明的位置测量设备12的传感器单元10，所述传感器单元含有三个线圈14a、14b、16，所述线圈沿直线测量区段18实质上等距定位。传感器单元10的两个外线圈14a、14b，即因此左手线圈14a和右手线圈14b是激励线圈，所述激励线圈由激励电流20流过。激励线圈14a、14b以产生在相反方向上受引导的磁场22a、22b的方式连接，所述磁场相对于测量区段18实质上垂直对准。
提供交变电流作为激励电流20，以使得磁场22a、22b是交变磁场22a、22b。激励电流20的频率典型地在100kHz至几MHz(例如，多达10MHz)的范围变化。在相反方向上受引导的交变磁场22a、22b被耦合至中心线圈16，所述中心线圈充当测量线圈16。在所示出的示例性实施方案中，所有线圈14a、14b、16分别含有棒状磁芯24a、24b、26，所述棒状磁芯由可磁化材料、优选铁磁材料(例如铁)组成。
根据本发明的位置测量设备12检测测量物体28相对于传感器单元10的位置，所述物体正在沿测量区段18移动。根据本发明的位置测量设备12的实质优点在于：测量物体28可实现为简单、导电测量物体28。例如，电气绝缘体可被提供为测量物体28，所述测量物体提供有导电涂层。例如，铝、铜、锡和类似物适合作为非铁磁材料。替代地，测量物体28也可由如铁的铁磁材料产生。由于导电性，尤其在测量物体28的表面上由于交变磁场22a、22b而感生涡流，所述涡流的部分由未在图中更详细示出的磁性激励包围。
在测量物体28不存在于传感器单元10的区域中的情况下，两个激励线圈14a、14b的在相反方向上受引导的交变磁场22a、22b的一部分被耦合至测量线圈16并作为背景值出现。在结构被实现为至少大致对称并且激励线圈14a、14b的在相反方向上受引导的交变磁场22a、22b因此具有至少大致相同磁感生的条件下，由测量线圈16提供的测量交变电压30至少大致等于零。定位在左手侧上的激励线圈14a的交变磁场22a在测量线圈16中感生具有第一极性的部分测量交变电压，并且定位在右手侧上的激励线圈14b的交变磁场22b同样地在测量线圈中产生相同量但具有不同极性的部分测量交变电压，以使得两个部分测量交变电压的所得测量交变电压30至少大致等于零。
传感器单元10内的对准可由于单个线圈14a、14b、16的位置被调整而发生。原理上，仅调整测量线圈16的位置就已足够。稍后，描述纯数值对准，其中，一方面，记录在图2中介于正信号最大值44与负信号最大值48之间的范围49被对准，并且另一方面，介于若干信号过程40之间的范围49被对准。
如已描述的，背景值可被机械地调整至零而且借助于差动放大器电子地调整至零，或在数字化之后在数值上减去。
在图2中，示出信号过程40的电压U，所述电压可从由测量线圈16提供的测量交变电压30获得。
图2所示的对应于图1所示的部分的部分分别提供有相同参考数字。这个惯例也适用于下文各图。
为获得信号过程40的电压U，测量交变电压30利用正确极性解调。信号过程40取决于测量物体28的位置s来描绘。如果导电测量物体28沿测量区段18移动，那么产生信号过程40。对利用正确极性的解调来说，循环信号可用作参考信号，所述参考信号的频率与激励电流20的频率相同。
如果测量物体28接近测量线圈16的右手侧，那么如在根据图1的示例性实施方案中所描绘，右手激励线圈14b的交变磁性激励22a在测量物体28中感生涡流。因为这些涡流处于传感器单元10的对称性外部，所以传感器单元10的电磁平衡中断并且在信号过程40中发生信号增加42。
如果测量物体28在测量线圈16的方向上进一步向左移动，那么信号过程40首先进一步增加，因为测量物体28的较大表面暴露于右手激励线圈14b的交变磁性激励22b，并且涡流或伴随涡流的磁性交变磁场更接近测量线圈16的区域中发生。
如果测量物体28在左激励线圈14a的方向上进一步向左移动，那么涡流也在测量物体28中由左手激励线圈14a的交变磁性激励22a渐增地产生，然而，由于交变磁性激励22a的相反定向，产生相对于右手激励线圈14b的交变磁性激励22b的在相反方向上受引导的磁场并且因此部分地补偿由右手激励线圈14b感生的涡流。在经过对应于第一正幅值的第一信号最大值44之后，信号下降46因此发生。
如果测量物体28假定处于传感器单元10的中心中的位置s，那么测量交变电压30和电压U等于零并且信号过程40经过零线的平衡状态发生。
如果测量物体28在左手激励线圈14a的方向上向左进一步移动，那么左手激励线圈14a的交变磁性激励22a占主导，以使得信号下降46以利用正确符号解调的现在的负测量交变电压30继续。
左手激励线圈14a的交变磁性激励22a的影响渐增地加强，而右手激励线圈14b的交变磁性激励22b的影响渐增地减小直到达到第二、负信号最大值48。
如果测量物体28沿测量区段18向左从传感器单元10移动出来，那么在负信号最大值48之后再次发生信号增加50。如果测量物体28向左从传感器单元10的检测区域移动出来，那么信号过程40再次落至零线。
在具有相反极性的第一信号最大值44与第二信号最大值48之间的区域中，单调降低的信号降低46发生，所述信号降低在测量物体28沿测量区段18在右侧的方向上从左侧移动期间变成对应的信号增加。在这个区域中，从测量交变电压30得到的电压U可被明确地分配给测量物体28的某一位置s。
如已解释的，由于机械不准确度，可发生背景值。如已描述的，背景值可被机械地调整至零并且借助于差动放大器电子地调整至零，或在数字化之后在数值上减去。
稍后，描述纯数值对准，其中，一方面，记录在图2中介于正信号最大值44与负信号最大值48之间的范围49被对准，并且另一方面，介于若干信号过程40之间的范围49被对准。
图3示出用于提供激励电流20的电路布置的优选实施方案的方框图。优选地，振荡器60利用直接数字合成(DDS)来提供，电压/电流转换器62在下游连接至所述振荡器，所述电压/电流转换器提供交变电流作为激励电流20。振荡器60可主要使用软件来实现，以使得可在根据本发明的位置测量设备12的应用范围中简单而快速地进行激励电流20的频率的调适(在有必要需要时)。
替代地，激励电流20可利用LC振荡器70提供。图4示出电路布置的对应方框图。两个激励线圈14a、14b的电感L1、L2利用电容器C来补充以形成LC振荡电路，所述LC振荡电路由振荡电路72激发而进入具有预先确定频率的振荡中。
因为测量物体28优选地实现为非可磁化测量物体28，所以激励电流20的频率范围可被确定为相比较来说是高的并例如高于100kHz，并且可扩展直到例如10MHz。在这个频率范围中，振荡器60或LC振荡器70可利用简单的电路构件来实行。激励电流20的相比较来说高频范围的特定优点在于：测量物体28的位置s可相比较来说从测量交变电压30或从电压U快速地确定。
纯粹在原理上，导电、可磁化、优选铁磁材料可被提供为测量物体28。
在图5中，示出同轴实施方案作为根据本发明的位置测量设备12的示例性实施方案。传感器单元10的线圈14a、14b、16被实现为环形线圈，所述环形线圈分别围绕测量区段18缠绕。测量物体28沿测量区段18在线圈14a、14b、16的中心开口中移动。激励电流20产生来源于两个外激励线圈14a、14b的交变磁场22a、22b的提供，所述两个外激励线圈被对准以至少在传感器单元10的区域中主要处于平行于测量区段18。左手激励线圈14a的交变磁性激励22a和右手激励线圈14b的交变磁性激励22b再次在相反方向上对准。
如果确保了测量物体28在线圈14a、14b、16的中心开口中可自由移动，那么替代所描绘的直线测量区段18，也可提供弯曲测量区段18。
在图6中，示出根据本发明的位置测量设备12的实施方案，所述位置测量设备被提供用于测量物体28的位置测量，所述测量物体可以旋转方式围绕旋转轴80移动。在这种情况下，测量区段18优选为圆弧。可测量测量物体28的转动角。
激励电流20产生来源于两个外激励线圈14a、14b的交变磁场22a、22b的提供，其中在这个示例性实施方案中，交变磁场22a、22b被定向成实质上垂直于旋转轴80。左手激励线圈14a的交变磁性激励22a和右手激励线圈14b的交变磁性激励22b也在这里再次在相反方向上对准。在所示出的示例性实施方案中，再次假定线圈14a、14b、16分别具有棒状磁芯24a、24b、26，优选是铁磁磁芯24a、24b、26。
纯粹在原理上，可能偏离圆形设计并且提供任何预先确定的弯曲测量区段18。
已示出分别来自图1、5和6中的根据本发明的位置测量设备12的仅一个传感器单元10。根据本发明的位置测量设备12的实质优点在于：测量区段18可以尤其简单的方式由传感器单元10的周期性持续而延伸。
扩展图1所示的位置测量设备12的设计的对应示例性实施方案在图7中示出。在根据本发明的位置测量设备12的扩展中，分别补充2个线圈，并且实际上是呈交替方式的测量线圈16和激励线圈14。得到的是一个嵌套在另一个内部的传感器单元10、10'、10”，其中根据图1的右手激励线圈14在下一传感器单元10'中变成左手激励线圈14。下一个传感器单元10'的右手激励线圈14对应地变成再下一个传感器单元10"的左手激励线圈14，所述再下一个传感器单元在右手侧由最后一个激励线圈14限界。测量线圈16分别处于激励线圈14之间。位置测量设备12具有奇数个线圈14、16以使得总数k可指定为
k＝2m+1
其中m为测量线圈16的数目。
纯粹在原理上，图7所示的布置可周期性地以任何方式分别由两个其他线圈14、16补充。对应于测量线圈16的数目，对应地可利用更多测量交变电压30、30'、30”。
图8示出借助于利用正确极性的解调而从测量交变电压30、30'、30”的三个可能的信号过程40、40'、40”，所述测量交变电压是使用周期性补充的位置测量设备12来获得。从利用正确符号解调的测量电压30、30'、30”得到的信号过程40、40'、40”分别对应于电压U1、U2、...Um。如借助于图1所述，如果沿测量区段18在左手侧方向上来源于右手侧的测量物体28移动，那么图8所示的传感器单元10的第一信号过程40对应于图2所示的信号过程40。在具有三个测量线圈16的布置中，对应地获得三个信号过程40、40'、40”。
信号过程40、40'、40”分别具有正最大值44、44'、44”和负最大值48、48'、48”，在所述正最大值与所述负最大值之间分别出现范围49，如图2中所记录。
取决于根据本发明的位置测量设备12的潜在存在的机械不准确度，可出现背景值——如已多次解释的——可在测量物体28不存在时检测所述背景值。优选地，替代整个布置的对准或甚至除整个布置的对准之外，提供电子校正。这里，在没有测量物体28的情况下检测的背景值被从利用正确符号解调的测量交变电压U1、U2、...Um的电压的信号过程40、40'、40”移除，例如借助于差动放大器来移除。
优选地，此外提供归一化，其中补偿或归一化在属于一起的正最大值44、44'、44”与负最大值48、48'、48”之间的范围49。
图9示出图5所示的示例性实施方案的根据本发明的位置测量设备12的周期性补充，其中激励线圈14和测量线圈16围绕测量区段18缠绕成圆，以使得交变磁场22分别平行于测量区段18定向。测量物体28沿测量区段18在线圈14、16的中心开口中移动。纯粹在原理上，测量区段18不必沿直线而行，而在这里也可基本上具有预先确定的曲面。为此，需要测量物体28可在线圈14、16的中心开口顺曲面而行并无障碍。
图10a示出位置测量设备13的根据本发明的实施方案，其中提供两个工作循环，其中作为激励线圈和测量线圈的功能被分别分配给不同的线圈。可从而利用较少线圈实现较高空间分辨率。根据本发明的位置测量设备13的这个实施方案含有偶数个线圈。线圈的总数K由以下提供：
K＝M+2
其中M是可利用的测量交变电压30、30'、30”的数目。
图10b示出线圈布置的线圈14、16，并且图10c示出从由分别连接为测量线圈的线圈16提供的测量交变电压30、30'、30”得到的信号过程40、40'、40”、...。
此外，在这个实施方案中，逐个相邻布置的三个线圈14、16分别形成传感器单元10、10'、10”。
图10d示出第一工作循环中的情况。在第一工作循环中，处于右手外缘上的线圈将被连接成不具有功能的。剩余七个线圈14、16根据图7所示的示例性实施方案来连接。图10e示出从由根据图10d的三个测量线圈16提供的测量交变电压得到的信号过程40、40'、40”，所述信号过程由实线记录，并且图10g示出从由根据图10f的三个测量线圈16提供的测量交变电压得到的信号过程40、40'、40”，所述信号过程由虚线记录。图10e和10g所示的信号过程40、40'、40”一起产生图10c所示的信号过程40、40'、40”，其中利用实线描绘的信号过程在第一工作循环中获得，而利用虚线描绘的信号过程在第二工作循环中获得。
通过在两个工作循环之间切换线圈的功能，得到的是按时间顺序局部地移位一个线圈的传感器单元10、10'、10”，以使得因此在利用明显减少工作量来测量位置s期间的增加的空间分辨率得以通过使用根据本发明的位置测量设备13的这个实施方案来实现。
根据图10a的根据本发明的位置测量设备13的实施方案尤其适用于图6所示的测量区段18的弯曲实施方案的周期性扩展。具体来说，在旋转对称实施方案的情况下，对测量物体28的位置或角度的检测以全圆形式发生，其中在具有偶数个线圈14、16的这个特定实施例中，在360°的总范围内获得测量交变电压30、30'、30”...。
对应示例性实施方案在图11和12中示出。在图11所示的实施方案中，交变磁场被对准成实质上垂直于旋转轴80。另一方面，在图12所示的示例性实施方案中，交变磁场被定向成实质上平行于旋转轴80。
图13和14示出与图1、6和7所示的呈棒状磁芯24a、24b、26的实施方案比较的磁芯24、26的替代实施方案。
在图13中，示出磁芯24、26的U形实施方案。线圈14、16分别布置在U形磁芯24、26的臂上。
在图14中，示出磁芯24、16的E形实施方案。线圈14、16分别布置在E形磁芯24、26的中心臂上。
为从利用正确极性解调的测量交变电压30、30'、30”确定位置s，优选地，所谓的多相正交解调是适合的，这在下文更详细地描述。图2中信号过程40的信号下降46的范围和根据图8的信号过程40、40'、40”中的相比较来说未指定的信号下降在一段正弦函数上具有相似性。因此，已发现的是：多相正交解调是尤其适合的，以便确定测量物体28沿测量区段18的实际位置s的度量s_Mess。
首先，每一传感器单元10、10'、10”…的每一测量线圈16或每一信号过程40、40'、40”…具有某一相位位置，在多个测量线圈16的情况下，所述相位位置例如相差85o。需要的是，利用正确符号解调测量线圈16的测量信号30、30'、30”，以便获得图2和8所示的电压U1、U2、...Um或信号过程40、40'、40”。如已描述的，优选地消除背景值并且将相邻信号过程40、40'、40”之间的范围49归一化。
两个类似的正交信号qsin、qcos由以下方程式得到：
m测量线圈16或信号过程40、40'、40”的数目
两个相邻信号过程40、40'、40”之间的预先确定的相移
U1、U2、...Um从利用正确符号解调的测量交变电压30、30'、30”得到的信号过程40、40'、40”的电压
两个类似的正交信号qsin、qcos因此作为信号过程40、40'、40”…的电压U1、U2、...Um的线性组合而获得，所述信号过程已从利用正确符号解调的测量交变电压30、30'、30”获得，其中两个正交信号qsin、qcos被计算为电压U1、U2...Um与具有分别分配给信号过程40、40'、40”的相位位置的正弦函数的乘积的总和，和电压U1、U2、...Um与余弦函数的乘积的总和，所述余弦函数同样具有分别分配给传感器单元10、10'、10”或测量线圈16或信号过程40、40'、40”的相位位置。
位置s_Mess是从正交信号qsin、qcos的位置依赖性相位参数获得，例如使用第四象限的弧正切函数来获得。由360°的相位跃变引起的模糊性可因此以简单的方式消除，因为取决于测量物体28的实际位置s，某一信号过程40、40'、40”明显占优势，并且因此位置s可至少粗略地分配给某一信号过程40、40'、40”。
基于多相正交解调的位置量测在图15a、15b和15c中示出。基础是三个传感器单元10、10'、10”，其中在两个外激励线圈14的中心点之间测量的测量区段18的长度合计为大致20.8mm。三个传感器单元10、10'、20”一起含有7个线圈。机械周期合计为p＝6.95mm。图15a示出取决于测量物体28相对于测量区段18的实际位置s的信号过程40、40'、40”或信号过程40、40'、40”的电压U1、U2、...Um。图15b示出所得的两个正交信号qsin、qcos，并且图15c示出取决于正交信号qsin、qcos的相位确定的位置s_Mess(实线)和在+/-7mm之间的与理想线性特性的偏差(虚线记录线)。
基于多相正交解调的另一位置量测在图16a、16b和16c中示出。基础是两乘三个传感器单元10、10'、10”，其中在总线圈系统的两个外线圈的中心点之间测量的测量区段18的长度再次合计为20.8mm。图10所示的位置测量设备13的根据本发明的实施方案是基础，其中按时间顺序在属于一起的两组传感器单元10、10'、10”之间进行切换。三个交替切换传感器单元10、10'、10”一起含有8个线圈。在两种切换状态中机械周期合计为p＝5.85mm，以使得得到的是在有效的六个测量线圈16'之间的为5.85mm/2＝2.93mm的有效距离。从在第一工作循环中读取的测量交变电压30、30'、30”获得的信号过程40、40'、40”利用实线描绘，而在后续第二工作循环中从局部移位的传感器单元10、10'、10”获得的信号过程40、40'、40”利用虚线描绘。图16b示出所得的两个正交信号qsin、qcos，并且图16c示出取决于正交信号qsin、qcos的相位在测量物体28离测量线圈14、16为大致3.5mm的距离处确定的位置s_Mess(实线)，和在大致1.5mm的距离处确定的位置s_Mess(虚线记录线)。图16c证明与测量物体28离线圈14、16的距离的变化相比来说根据本发明的位置测量设备12、13的高的不灵敏度。
借助于图17和18所示的测量，借助于多相正交解调阐明了位置s_Mess的确定的稳健性。
图17a示出例如对应于五个非对称信号过程40、40'、40”…的电压U1、U2、...Um，所述信号过程已取决于具有对应传感器单元10、10'、10”的偏移的位置而位移。图17b示出所得的两个正交信号qsin、qcos，并且图17c示出取决于正交信号qsin、qcos的相位而确定的位置s_Mess。
图18a示出例如对应于多个信号过程40、40'、40”...的电压U1、U2、...Um，所述信号过程已乘以随机因子。图18b示出所得的两个正交信号qsin、qcos，并且图18c示出取决于正交信号qsin、qcos的相位而确定的位置s_Mess。
图19a示出例如对应于多个信号过程40、40'、40”的电压U1、U2、...Um，所述信号过程具有高斯分布形包络。信号过程40、40'、40”...是对称的并且仅具有一个极性，在所示示例性实施方案中为正极性。信号过程40、40'、40”...取决于具有对应传感器单元10、10'、10”的偏移的位置而位移。应优选地移除偏移。图19b示出所得的两个正交信号qsin、qcos，并且图19c示出取决于正交信号qsin、qcos的相位而确定的位置s_Mess。
所示实例证明在应用多相正交解调来确定测量物体28的位置s_Mess期间，相对于根据本发明的位置测量设备12、13的误差的不灵敏度。
借助于图20a-20d解释使用根据本发明的位置测量设备12、13来确定测量物体28的位置s_Mess的根据本发明的方法的尤其有利的实施方案。
实施方案提供包络因子ci env的使用，对应于信号过程40、40'、40”...的电压U1、U2、...Um分别乘以所述包络因子。包络因子ci env以如下方式提供：从分别在根据本发明的位置测量设备12、13的末端处于最远的测量线圈16得到的信号过程40、40'、40”被加权成较低的，并且从定位在测量区段18的中心中的测量线圈16获得的信号过程40、40'、40”被加权成较高的。
在图20a中，例如，对应于图16a描绘电压U1、U2、...Um。从左边计数的第二信号过程40'将具有比相邻信号过程40、40”低的最大值44'、48'。除了将电压U1、U2、...Um去除背景值之外，提供归一化，其中未记录在图20a中的介于最大值44'、48'之间的范围49相对于相邻电压对准。图20b中示出结果。
在图20d中利用虚线描绘在没有关于信号过程40、40'、40”...与包络因子ci env的乘法的有利实施方案的情况下对位置s_Mess的确定的结果。
根据有利的实施方案，图20b所示的信号过程40、40'、40”…例如乘以以下包络因子ci env
i ci env
1 0.45
2 0.85
3 1.00
4 1.00
5 0.85
6 0.45
根据下式：
Ui env＝Ui×ci env，
其中，利用Ui，利用正确符号解调的并由测量线圈16提供的测量交变电压30、30'、30”的电压将对应于信号过程40、40'、40”来标记。
由于利用包络因子ci env加权而产生的信号过程在图20c中示出。
在图20d中利用实线描绘利用有利的实施方案通过信号过程40、40'、40”...与包络因子ci env的乘法进行的位置确定的结果。由此明显的是，尤其在根据本发明的位置测量设备12、13的两个边缘区域处实现较高线性度。

Claims (22)

1.测量导电测量物体(28)的位置的位置测量设备，所述导电测量物体(28)在测量区段(18)上是可移动的，沿所述测量区段(18)定位有线圈(14；14a、14b；16)，其特征在于提供奇数个线圈(14；14a、14b；16)，所述奇数位置处的所述线圈是激励线圈(14；14a、14b)，所述激励线圈(14；14a、14b)分别由交变激励电流(20)流过，所述交变激励电流(20)被提供成在激励线圈(14；14a、14b)与激励线圈(14；14a、14b)之间反相，以使得由所述交变激励电流(20)产生的交变磁场(22；22a、22b)在所述测量物体(28)移动经过所述激励线圈(14；14a、14b)时在所述导电测量物体(28)中感生涡流；在至少一个偶数位置处介于两个激励线圈(14；14a、14b)之间的所述线圈(16)是提供测量交变电压(30、30'、30”...)的测量线圈(16)，所述测量交变电压(30、30'、30”...)是在所述测量物体(28)移动经过所述至少一个测量线圈(16)时由流入所述测量物体(28)中的所述涡流感生；并且基于所述至少一个测量交变电压(30、30'、30”...)提供对所述测量物体(28)的所述位置(s_Mess)的确定。
2.测量导电物体(28)的位置的位置测量设备，所述导电物体(28)在测量区段(18)上是可移动的，沿所述测量区段(18)定位有线圈(14、16)，其特征在于交替地在偶数位置处并且按时间顺序在奇数位置处的所述线圈(14、16)是激励线圈(14)，所述激励线圈分别由交变激励电流(20)流过，所述交变激励电流(20)借助于切换装置(92a、92b)而提供成在激励线圈(14)与激励线圈(14)之间反相，以使得由所述交变激励电流(20)产生的交变磁场(22)在所述测量物体(28)经过所述激励线圈(14)时在所述导电测量物体(28)中感生涡流；所述一个线圈(16)在两个激励线圈(14)之间在至少一个奇数位置处和对应地按时间顺序的至少一个偶数位置处通过所述切换装置(92a、92b)交替地连接为测量线圈(16)，所述测量线圈分别提供测量交变电压(30、30'、30”...)，所述测量交变电压(30、30'、30”...)在所述测量物体(28)经过所述测量线圈(16)时由流入所述测量物体(28)中的所述涡流感生；并且基于所述测量交变电压(30、30'、30”...)提供对所述测量物体(28)的所述位置(s_Mess)的确定。
3.如权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于所述线圈(14、14a、14b、16)沿所述测量区段(18)逐个相邻定位成一排；并且所述测量物体(28)被布置来沿所述线圈(14、16)的前侧是可移动的。
4.如权利要求3所述的位置测量设备，其特征在于所述线圈(14、14a、14b、16)沿所述测量区段(18)逐个相邻以直线定位成一排；并且所述测量物体(28)被布置来沿所述线圈(14、14a、14b、16)的所述前侧是可以直线移动的。
5.如权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于所述线圈(14、14a、14b、16)沿所述测量区段(18)定位成一排；所述线圈(14、16)被实现成环形线圈(14、14a、14b、16)；并且所述测量物体(28)被布置来在所述环形线圈的中心开口中是可移动的。
6.如权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于所述线圈(14、14a、14b、16)沿弯曲测量区段(18)定位；并且所述测量物体(28)被布置来沿所述弯曲测量区段(18)是可移动的。
7.如权利要求6所述的位置测量设备，其特征在于所述线圈(14、14a、14b、16)沿所述测量区段(18)逐个相邻布置在圆周边上；并且所述测量物体(28)是可旋转移动的。
8.如权利要求7所述的位置测量设备，其特征在于所述线圈(14、14a、14b、16)与所述圆的旋转轴(80)垂直地对准，并且所述测量物体(28)被布置来在内圆周边或外圆周边上相对于所述线圈(14、14a、14b、16)是可旋转移动的。
9.如权利要求7所述的位置测量设备，其特征在于所述线圈(14、14a、14b、16)在所述圆的所述圆周上平行于所述圆的所述旋转轴(80)定位并对准；并且所述测量物体(28)在所述轴向方向上相对于所述线圈(14、14a、14b、16)移动并被布置成可旋转移动的。
10.如权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于提供线圈核心(24、26)并且所述线圈核心(24、26)被设计成U形。
11.如权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于提供线圈核心(24、26)；所述线圈核心(24、26)被设计成E形并且所述线圈绕组被布置在所述中心E形臂上。
12.如权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于提供具有直接数字合成的振荡器(60)和电压/电流转换器(62)以用于提供所述交变激励电流(20)。
13.如权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于所述激励线圈(14；14a、14b)是LC振荡器(70)的电感(L1、L2)的至少一个部分。
14.如权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于所述交变激励电流(20)的频率在100kHz至10MHz的范围变化。
15.如权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于提供非铁磁测量物体(28)。
16.如权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于提供铁磁测量物体(28)。
17.用于操作如权利要求1-16中的一项所述的位置测量设备(12、13)的方法，其特征在于提供至少两个测量线圈(16)；将某一相位位置分配给每一测量线圈(16)；正交信号对(qsin、qcos)被计算为通过利用所述正确的前置符号的解调从由所述测量线圈(16)提供的所述测量交变电压(30、30'、30”)获得的所述电压(U1、U2、...Um)与具有分别分配给所述测量线圈(16)的相位位置的正弦函数的乘积的总和，和所述电压(U1、U2、...Um)与余弦函数的乘积的总和，所述余弦函数同样具有分别分配给所述测量线圈(16)的所述相位位置；并且从所述两个正交信号(qsin、qcos)的所述相位确定所述测量物体(28)的所述位置(s_Mess)。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于检测在不存在测量物体(28)的情况下出现的背景值；并且从所述电压(U1、U2、...Um)减去所述背景值。
19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于进行对准所述范围(49)的归一化，所述范围(49)处于所述电压(U1、U2、...Um)的正最大值(44、44'、44”)与负最大值(48、48'、48”)之间。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于进行对所述测量物体(28)的所测量位置与实际位置(s_Mess,s)之间的联系的线性化。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于所述线性化借助于对分配给所述测量线圈(16)的所述相位位置的确定来进行。
22.如权利要求17所述的方法，其特征在于提供包络因子(ci env)；分别具有包络因子(ci env)的所述信号过程(40、40'、40”...)以如下方式来加权：已通过利用所述正确符号的解调从定位在所述测量区段(18)的末端处的所述测量线圈(16)的所述测量交变电压(30、30'、30”)得到的所述信号过程(40、40'、40”...)被加权成低于已通过利用所述正确符号的解调从定位在所述测量区段(18)的所述中心中的所述测量线圈(16)的所述测量交变电压(30、30'、30”)得到的所述信号过程(40、40'、40”...)。
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