CN107003150A - 感应式位置确定设备 - Google Patents

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Abstract

用于感应式位置确定的设备包括信号发生器、与信号发生器连接的线圈、用于依赖于其相对线圈的间距来影响线圈电感的元件以及用于基于线圈上的电压来确定元件相对线圈的位置的评估装置。在此，信号发生器提供矩形信号。

Description

感应式位置确定设备
技术领域
本发明涉及感应式位置确定设备。本发明尤其是涉及确定机动车车载装置的位置。
背景技术
在机动车中，在不同的装置上构造有位置传感器，其探测第一元件相对第二元件的位置，以便例如探测能下降的窗户的状态、座椅的状态或挡位杆的换挡位。用于检测这种位置的位置传感器可以感应式地构建，其中，在其中一个元件上安置线圈，而在另一元件上安置能传导的元件。线圈可以被加载以预定的频率的正弦电压，其中，在线圈上出现依赖于线圈的电感的复杂的电压。能传导的元件越靠近线圈，那么在能传导的元件中感应出且使线圈区域内的磁场削弱的涡流就越强。线圈的电感由此受到负面的影响，从而线圈上的电压下降。因此，元件彼此间的位置可以借助在线圈上出现的电压来确定。
然而，构建正弦发生器通常需要敏感的模拟电路，或者需要昂贵的数字电路。此外，线圈上的电压必须通常借助模拟测量放大器去耦，以便可以进行评估。这种放大器会导致明显的温度漂移、长的起振时间(Einschwingzeit)和提高的易出错性。
发明内容
因此，本发明的任务是说明一种改进的用于感应式位置确定的设备。本发明借助具有独立权利要求的特征的设备来解决该任务。从属权利要求给出了优选的实施方式。
用于感应式位置确定的设备包括信号发生器、与信号发生器连接的线圈、用于依赖于与线圈的间距地影响线圈电感的元件以及用于基于线圈上的电压来确定元件相对线圈的位置的评估装置。在此，信号发生器提供矩形信号。信号发生器提供用于激励线圈的矩形信号。因此取消所有有源的电构件，它们在常规情况下是需要的，以便能够实现评估线圈上的电压。例如，不再需要利用低通过滤器过滤信号发生器的信号，这是因为正弦形的信号不再是期望的。此外，取消了强制对信号发生器的信号的放大，于是由此消除了常规的由于滤波器导致的能量损耗。信号发生器的矩形信号可以直接和/或仅借助无源的电构件来加载线圈，并且这种设备的制造成本可以因此得到降低。此外，被探测的线圈电压同样不再被强制放大。矩形信号例如可以借助数字逻辑电路或借助可编程的微计算机实现。矩形信号的电压在此可以相应于常见的逻辑电位，例如0V和+5V，从而矩形信号可以是足够强的，以便导致线圈上的可以明确地由评估装置鉴别出和检测到的电压。用于矩形信号的放大器和用于线圈电压的放大器可以同样是不重要的。
由于有源的电构件的数量通过该方式得到减少，所以直至实现线圈电压的稳定的测量值的起动时间或起振时间得到减少。换言之，当矩形脉冲作为矩形信号的一部分由信号发生器产生时，直到线圈上的电压稳定将持续特定的时间。由于当电压稳定以前探测电压时对电压的探测可能得到错误的探测值，所以有利的是，起振时间尽可能短。起振时间此外依赖于在信号产生与信号到达之间在线圈上运行的信号处理时间，以及依赖于环境温度。消除低通滤波器和信号放大器可以被视为减少信号处理时间。因此，通过该有创造性的想法大程度地(massiv)缩短了起振时间，其中，“大程度地”在本文中例如可以表示系数十。由于起振时间的温度依赖性基本上例如依赖于有源的构件的温度敏感性，例如放大器的温度敏感性，所以通过减少有源的构件同样在设备的整个运行温度范围内缩短了起振时间。用于在机动车技术中使用的电子器件的运行温度区域例如可以在-40摄氏度至+110摄氏度之间。
矩形信号可以包括关于基础频率的若干谐波，其中，谐波分别可以按相同方式影响线圈上的电压，从而线圈上的电压信号可以以改进的精确度指明元件的位置。电压可以具有缩短的上升或下降时间，从而元件的位置可以更快地确定。常见的、相对于正弦电压的测量例如可能需要大约300微秒的测量时间，而所提出的设备可以适应大约10微秒范围内的测量时间。
此外，消除电构件能够实现设备的更紧凑的结构。可靠性以及期望的使用寿命由此同样提高。
在一个实施方式中，用于限制电流的电阻以与线圈串联的方式接在信号发生器之后。流过线圈的电流因此可以被限制到预给定的最大电流值上，并且设备的使用寿命可以得到提高。
在一个优选的实施方式中，线圈构造为单层的平面线圈(Planarspule)。通过消除线圈上的被探测的电压中的能量损耗，不再需要在这样的设备中多层地设计平面线圈。因此，制造成本还可以得到下降，这是因为在制造多层线圈时的费用明显大于在制造单层线圈时的费用。在制造多层线圈时，例如需要单独地检验每个线圈。尤其是必须确保多层线圈的子层之间的电连接。与之相反，单层线圈的完整性或功能良好性可以自动以视觉或光学的方式来检验，这是因为整个线圈在表面上可见。
线圈上的电压优选包括具有矩形信号的频率的交变电压并且包括具有矩形信号的多个奇数倍频率的至少一个另外的交变电压(谐波)。另外的交变电压与第一交变电压相比通常具有更小的振幅。通常，矩形信号可以由无穷多个具有多倍于基础频率的频率的正弦函数或余弦函数组合成。该组合也作为傅里叶序列公知。组合成矩形电压的各个信号可以为增大的电压做出贡献，该增大的电压可以作为测量信号在线圈上进行探测。元件的位置因此能够以更大的敏感性或更高的速度来确定。如果借助可编程的微计算机来评估电压，那么微计算机可以由于缩短的测量时间具有更小的效能。
优选地，施加在线圈上的交变电压借助低通滤波器求积分得到直流电压。这尤其是可以适用于不同的组合成矩形信号的交变电压。因此，单个电压可以简单且高效地组成总电压，其大小可以更好地指明元件的位置。
此外，优选的是，线圈是平面线圈。平面线圈可以例如构造为电路板或其他适当的承载材料的表面上的印制电路。在一个实施方式中，平面线圈实施为多层，尤其是两层。平面线圈通常仅具有少量线匝，例如在大约9至30个线匝的范围内。与此相对应地，线圈的基础电感是相对小的。由于很小的电感，线圈可以更好地影响更高频率的电压分量，从而可以评估基础振动的多个谐波。此外，平面线圈尤其是在机动车的区域内基于其很小的厚度是能易于操纵的。
在另一实施方式中，能控制的开关装置设置用于连接线圈的端部和预定的电势。线圈可以用简单的方式与预定的电势连接，以便执行相对线圈的测量。因为开关装置通向预定的电势，所以其不必适合高频率地实施，从而代替昂贵的高频晶体管地例如可以使用廉价的低频晶体管作为开关装置。预定的电势尤其可以是地电势。
也可以设置有多个线圈，这些线圈分别具有配属的开关装置。由此，信号发生器、评估装置和必要时低通滤波器可以经济地多次使用。
优选地也设置有控制装置，其被设立成用于总是仅闭合其中一个开关装置，以便执行关于配属的线圈的位置确定。元件的位置因此可以依次关于多个线圈执行，从而也可以实现在元件的增大的运动区域上的精测定位。
此外优选的是，评估装置包括模拟数字转换器和微计算机，其中，微计算机包括数字输出端，其被设立成用于提供矩形信号。此外，微计算机可以被设立成用于驱控一个或多个能控制的开关装置。因此可以提供简单且高度集成的结构组件，其可以单独地来操纵并且被设立成用于元件的简单且可靠的位置确定。
在一个实施方式中，元件包括能导电的阻尼元件。线圈的电感在阻尼元件接近时减小，这是因为通过交变磁场在阻尼元件中形成涡流，其减小交变磁场的能量。
在另一实施方式中，元件包括铁磁性且电绝缘的放大元件。当放大元件靠近线圈时，放大元件可以放大线圈区域中的磁场强度，并且因此增大线圈的电感。
在一个实施方式中，该设备形成用于选择机动车的挡级的换挡设备的一部分。
附图说明
本发明现在借助附图更详细地描述。其中：
图1示出用于感应式位置确定的设备的示意图；
图2示出根据图1的模型的扩展的设备的示意图。
具体实施方式
图1示出用于感应式确定元件105的位置的设备100。设备尤其是可以使用在机动车上，以便确定能运动的元件的位置或状态。例如，可以对用于变速器的挡级的选挡杆相对基座的位置进行探测。在另一实施方式中，可以对机动车和借助挂车接合器联接的挂车之间的转向角进行确定。磁元件105通常是如下元件，该元件影响其所承受的交变磁场。在此，元件105尤其可以是能导电的，以便削弱在线圈115的区域中的交变磁场，或者可以是铁磁性且电绝缘的，以便加强在线圈115的区域中的交变磁场。在第一种情况下，元件105例如可以包括铜或铝，在第二种情况下例如包括铁、镍或钴。除了元件105以外，设备100还包括用于提供矩形信号的信号发生器110、线圈115、评估装置120和用于限制电流的电阻R，电阻以与线圈115串联的方式接在信号发生器110之后。流过线圈115的电流因此可以被限制到预给定的最大电流值上，并且设备的使用寿命可以得到提高。
信号发生器110在其输出端提供相对于固定电势，在图1的图示中是相对于地的矩形电压。线圈115以第一端部与信号发生器110的输出端连接，并且以另一端部与另外的固定电势连接，其可以相应于其他的固定电势。评估装置120与线圈115连接，并且被设立成用于探测在线圈115上依赖于信号发生器110的矩形信号而得到的电压。为此优选地，积分器或低通滤波器125设置在线圈115与评估装置120之间。可选地，二极管130可以在从线圈115至低通滤波器125的导通方向上导通。低通滤波器125在预定的时间段上对线圈115上的高频信号求积分，并且给评估装置120提供相应的电压。
元件105相对线圈115的位置影响线圈的电感。依赖于元件105的材料，线圈115的电感可以在元件105接近线圈115时增大或减小。线圈115优选地实施为平面线圈，其中，其具有受限的延伸尺寸，以便保持能被操纵。线圈115的电感因此是相对小的。元件105的延伸尺寸通常在平面线圈115的延伸尺寸的范围内。
信号发生器110的矩形信号可以视为不同频率和振幅的正弦或余弦信号的叠加。第一正弦信号具有矩形信号的频率作为基础频率。另外的正弦信号具有相应于基础频率的多个整数倍的频率。频率越高，那么通常该频率的振幅越小。
多个奇数倍的基础频率相互加强地起作用，因此尤其是当线圈的电感很小时，线圈115可以对其中多个正弦信号做出反应，从而在线圈上下降的电压可以同样多次地受元件105的位置影响。在元件105出现和消失时线圈115上的电压差异因此可以最大化。测量信号可以具有改进的信噪比，并且可以节省用于测量信号的放大器。
评估装置120尤其可以包括数字模拟转换器。该数字模拟转换器可以例如在可编程的微计算机上提供数字值。然而，对测量电压的其他的信号处理也是可能的。
图2示出根据图1的模型的扩展的设备100的示意图。在此设置有多个线圈115，它们的一个端部通过电阻R与信号发生器110连接。它们的另一端部可以借助开关装置205与预定的、恒定的电势连接。开关装置205尤其可以通过晶体管形成。因为开关装置205无需考虑信号发生器110的矩形信号的频率而不必传递高的频率，所以为此例如可以使用廉价的低频晶体管。
开关装置205通过控制装置210控制，控制装置尤其是可以包括可编程的微计算机。控制装置210为此被设立成用于在每个时间点上仅闭合其中一个开关装置205，以便执行测量一个元件105或多个元件105相对分别配属的线圈115的位置。控制装置210也可以执行进一步地处理借助评估装置120确定的电压。尤其是当控制装置210实施为可编程的微计算机时，评估可以包括数值上或统计上的运算。
在所示的实施方式中，控制装置210也构造用于提供矩形信号，并且因此也作为信号发生器110工作。例如，控制装置210的串行或并行接口可以用于提供具有相对高的振幅(例如在0至3.3V之间，或者在0至5V之间)的矩形信号。针对其他的电压可以相应地使用限制器或放大器。
通过上面描述的矩形信号可以导致线圈115的短的起振时间。也就是说，能在线圈115上截取的电压与在正弦信号中相比可以更快地指明元件105的出现或消失。利用单个线圈115的测量过程可以由此相对快地执行，例如在大约10微妙至20微秒的测量阶段期间。在利用不同的线圈115的各个测量阶段之间分别可以加入测量暂停，其可以具有类似的持续时间。由于测量时间很短，因此多个线圈115可以依次通过控制装置210来查询，从而利用控制装置210的很小的处理能力也可以实现安全且顺利的位置确定。控制装置210可以在具有直至大约20个线圈115的常见的应用中包括市场上通用的8位微计算机。可以节省例如针对基于正弦信号的测量方法所需的32位微计算机。
元件105可以在其尺寸中关于线圈115的布置以如下方式设计，即，使得元件可以同时影响多个线圈115。因为每个线圈115的电感依赖于各自与元件105的间距地受到不同程度的影响，所以元件105的精确的位置可以借助通过被影响的线圈115在低通滤波器125上提供的电压的情况来估计。
附图标记列表
100 设备
105 元件
110 信号发生器
115 线圈
120 评估装置
125 低通滤波器
130 二极管
205 开关装置
210 控制装置
R 电阻

Claims (15)

1.用于感应式位置确定的设备(100)，所述设备包括：
-信号发生器(110)；
-与所述信号发生器(110)连接的线圈(115)；
-元件(105)，所述元件用于依赖于所述元件相对所述线圈(115)的间距来影响所述线圈(115)的电感；
-评估装置(120)，所述评估装置用于基于所述线圈(115)上的电压来确定所述元件(105)相对所述线圈(115)的位置，
其特征在于，
-所述信号发生器(110)提供矩形信号。
2.根据权利要求1所述的设备(100)，其中，所述线圈(115)上的电压包括具有所述矩形信号的频率的交变电压并且包括具有所述矩形信号的多个整数倍的频率的至少一个另外的交变电压。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，其中，施加在所述线圈(115)上的交变电压借助低通滤波器(125)求积分得到直流电压。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，其中，所述线圈(115)是平面线圈(115)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，所述设备还包括能控制的开关装置(205)，所述开关装置用于将所述线圈(115)的端部与预定的电势连接。
6.根据权利要求5所述的设备(100)，其中，设置有多个线圈(115)，所述多个线圈分别具有配属的开关装置(205)。
7.根据权利要求6所述的设备(100)，其中，设置有控制装置(210)，所述控制装置被设立成用于总是仅闭合所述开关装置(205)中的一个开关装置，以便执行关于配属的线圈(115)的位置确定。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，其中，所述评估装置(120)包括模拟数字转换器和微计算机，并且所述微计算机包括数字输出端(110)，所述数字输出端被设立成用于提供所述矩形信号。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，其中，所述元件(105)包括能导电的阻尼元件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，其中，所述元件(105)包括铁磁性且电绝缘的放大元件。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(100)，其特征在于，所述信号发生器(110)提供用于激励所述线圈(115)的矩形信号。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(100)，其特征在于，所述信号发生器(110)的矩形信号能直接和/或仅借助无源的电构件来加载所述线圈(115)。
13.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(100)，其特征在于，用于限制电流的电阻(R)以与所述线圈(115)串联的方式接在所述信号发生器之后。
14.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(100)，其特征在于，所述线圈(115)构造为单层的平面线圈。
15.用于选择机动车的挡级的换挡设备，所述换挡设备包括根据前述权利要求中至少一项所述的设备。
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