CN108291820A - 以非接触方式确定测量物体的距离和/或位置的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以非接触方式确定测量物体(1)的距离和/或位置的装置，所述装置具有导电测量物体(1)和传感器(3)，所述传感器尤其根据感应、电容性或涡流原理进行操作，其中所述传感器(3)包括测量装置(4)，其特征在于，由至少两个在空间上彼此分隔开的测量元件(5、5’、5”)形成所述测量装置(4)。此外，本发明还涉及相应的传感器(3)。

Description

以非接触方式确定测量物体的距离和/或位置的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种以非接触方式确定测量物体的距离和/或位置的装置，所述装置具有导电测量物体和传感器，所述传感器尤其根据感应、电容性或涡流原理进行操作，其中所述传感器包括测量装置。此外，本发明涉及相应的传感器。
背景技术
经常在闭环控制电路中操作路径/位置的定位元件(动作器件，actor)。为了实现这一点，需要一个传感器来检测定位路径(或距离/位置/偏转)。为此，有许多代表了现有技术的测量方法(光学的、电磁的、触觉的)。
许多应用都是基于构建尽可能紧凑的动作器件/传感器系统的任务。实际上，构造形状的成形通常导致汽缸/活塞/针/杆/撞击器的轴向移动由定位元件执行。由于构造空间的限制，不可能以轴向、直接方式对移动进行确定，因此目标旗经常被放置和设置成可以横向放置传感器。
这例如在德国公开的未经审查的文献DE 42 39 635A1中示出。在这文献中，导电金属元件被连接到电动气动定位调节器中的阀杆上。横向连接的路径传感器检测所述金属元件的轴向移动并因此检测所述阀杆的位置。
实际上，在电磁传感器(涡流、电容)的情况下，由于电场或磁场的空间扩展，存在与偏转机构的扰动交互(除了所希望的与目标的交互之外)的问题。所存在的问题是，就所需的测量面积而言，一横向设置的场限制非接触式传感器产生空间上过于扩展的场。扩展的场受到附近的动作器件的其他移动或静止物体干扰，这导致测量误差。将传感器的结构尺寸减小会使测量面积减小，因此这不是该问题的一个令人满意的解决方案。
在现有技术的横向设置的传感器中出现的另一个问题是由实际上经常发生的叠加运动引起的。也就是说，目标朝向传感器的移动不仅在轴向上发生，而且例如还被表征为倾斜运动。这可能会导致显著的测量误差。
现有技术通过设置多个传感器来解决这问题。在文献DE 42 39 635A1中，为此设置了两个偏置180°的传感器，其中传感器相对于斜面进行测量。但是，这会导致更大的建造费用，并因此导致成本上升。横向设置的传感器的另一个问题是纵向上的空间需求很大。
发明内容
因此，本发明基于设计的问题，进一步开发了一种以非接触方式确定测量物体的距离和/或位置的通用装置，使得可以用简单的构造方式来实现紧凑和经济的装置，使精确地确定距离和/或位置变成可能。此外，应当指明相应的传感器。
根据本发明，上述问题通过权利要求1的特征来解决。因此，所述的以非接触方式确定测量物体的距离和/或位置的装置的特征在于由至少两个在空间上彼此分隔开的测量元件形成所述测量装置。
根据本发明可以认识到，通过巧妙地设计测量装置，可以出乎意料的简单方式解决基本问题。这在测量装置的情况下涉及传感器的部件，所述传感器的部件产生测量所需的电场、磁场或电磁场。基本上，大的测量元件，即测量装置，被分成几个较小的测量元件，每一个较小的测量元件本身看起来具有较小的结构尺寸，因此比大的测量元件具有较小的场分布。作为分割的结果，可巧妙地以几何方式布置测量元件，以便仍然获得大的测量面积。另一个优点是减小了测量元件的散射场，这减少了外部影响。即使测量物体的倾斜也可通过测量元件的对称布置来补偿。该装置可包括至少两个测量元件，优选地包括三个测量元件，这些测量元件在空间上彼此分隔开并且共同形成测量装置。通常，可以设置任何期望数量n个的测量元件，这些测量元件共同形成测量装置。可以由通用测量电子系统或评估电子系统向所述测量元件供电。
为了实现特别简单和紧凑的装置，可将测量元件设置在共用基板上。基板在下文中意味著用于测量元件或电子部件(例如，印刷电路板、陶瓷、多层陶瓷)的各种载体材料。在另一个有利的方式中，将测量元件设置在平面中。
传感器可操作为电感或涡流路径传感器。测量装置可以是一线圈，所述线圈被分成多个实现为(部分)线圈的测量元件。所述(部分)线圈可被串联连接，以增加其感应率。
所述(部分)线圈可被构造成卷绕线圈或扁平线圈。当被设计成扁平线圈时，它们可被构造在例如印刷电路板上或陶瓷基板上。或者，所述(部分)线圈可被构造成多层陶瓷层，可用低温共烧陶瓷技术(LTCC技术)或高温共烧陶瓷技术(HTCC技术)制造所述多层陶瓷层。采用LTCC技术或HTCC技术制造的线圈特别有利，因为使用这些技术可制造出具有高感应率及结构尺寸小的多层线圈。此外，所述(部分)线圈与基板形成一个单元，并且所述(部分)线圈的互连已经可以在该单元中实现。电感或涡流路径传感器的线圈可以是用于评估振幅、频率和/或相位的评估电子器件的一部分。也可以使用两个或三个这些量值的组合。
此外，可以想象的是，传感器被设计为电容(路径)传感器。测量装置则是一金属表面，其以已知方式作为平板电容器的电极。测量物体作为反电极，使得该测量电极和测量物体形成一平板电容器。该测量电极，即测量装置，可被细分成几个部分表面，即多个测量元件，这些测量元件自身被设置成在空间上彼此分隔开。所述(部分)电极或测量元件可并联连接，以便把所述(部分)电极的电容量加起来。可通过通用评估电子器件控制所述(部分)电极。所述(部分)电极可被设置在例如印刷电路板上、陶瓷基板上或者在采用LTCC技术或HTCC技术制造的多层陶瓷层中。此外，所述(部分)电极可与基板形成一个单元，并且在该单元中已经可以实现所述(部分)电极的互连。
根据权利要求1所述的本发明的配置的特殊优点在于，单个评估电子系统可用于多个测量元件。评估电子系统可为多个高阶测量元件提供服务并且将它们视为一个单元。因此，节省了构造空间和费用，并且使热量/能量消耗的形成最小化。另一个优点在于可对个别测量元件进行同相和同频控制，由此避免了由于测量元件之间的互动而导致的测量误差。然而分成多个部分的测量元件不是典型的桥接电路。桥接电路需要在测量元件之间进行分接，并且仅适用于评估差分信号。例如，在半桥配置的情况下，信号在一个测量元件中被放大而在另一个测量元件中被减弱，从而由部分信号的差别产生测量信号。另一方面，在根据本发明的配置中，所有测量元件向同一方向起作用，以致于所述部分信号被加起来以及所述测量信号被放大。电分接不会在部分元件之间发生。另一个优点是，与具有四个电分接的典型惠斯通电桥电路相比，本发明仅需要两个电分接，亦即用于线圈或电极的一条供电线和一条漏极线。可纯粹由模拟元件构成评估电子器件，从所述模拟元件产生模拟测量信号。或者，可使用提供数字化信号(例如脉冲宽度调变(PWM)信号)的数字电子器件作为评估电子器件。如果使用微控制器，还可经由例如总线接口提供数字信号。
由于测量元件可用作累加电路，所以不会自动补偿干扰，例如温度对测量元件或测量装置的影响。因此，测量元件可被加载有直流电压，即用于确定作为单独的温度补偿的温度。测量元件的直流阻抗与欧姆电阻成比例，欧姆电阻随温度改变。因此，在评估电子器件中可以实现路径传感器的温度补偿。还可通过测量元件的累加电路实现温度梯度影响的补偿。当测量元件一侧的温度与另一侧的温度不同时会出现温度梯度。由测量元件调节温度分布，这导致局部不同的温度误差。由于测量整个分成多部分的测量元件的直流阻抗，以致所述(局部)直流阻抗可在任何位置被加起来，因此可在整个测量元件上补偿温度梯度的影响。或者，可在基板上设置温度传感器，或者在基板的不同位置上设置多个温度传感器来进行温度补偿。
可将路径传感器的评估电子器件直接设置在承载测量元件的基板上。如果评估电子器件附接到背面，即基板远离测量元件的那一侧，则可实现特别紧凑的结构形状。或者，还可将评估电子器件设置在优选为环形的单独的基板上。可例如经由刚性接触销实现测量元件与评估电子器件的电连接，该接触销同时表示机械连接并因此表示固定。测量元件中的评估电子器件形成了一紧凑的单元，所述紧凑的单元可内置在动作器件内作为该动作器件本身的对象。这使传感器不须具有本身的壳体。
除此之外，可经由挠柔性导体实现测量元件中的评估电子器件之间的电连接和/或向测量元件供应电源电压。刚性的可挠连接是特别有利的，其中挠柔性导体嵌入基板中。因此，在例如由于插入情况而发生的高电击或振动应力的应用中可实现机械解耦。在这实施例中，可将评估电子器件设置在一区域中，在该区域中只有很小的应力或者没有应力作用在结构元件上，而测量装置或测量元件在测量位置处以电击和振动应力被解耦。由于测量装置和/或测量元件仅可包括印刷导电轨道或电极表面，所述装置对这样的应力非常不敏感。如果评估电子器件已经设置在基板的背面，则也可例如通过挠柔性导体、接触销、电缆或其他电连接件来提供电源电压及移除传感器信号。
测量装置和/或测量元件被设置成与测量物体活动连接。测量物体是导电的并且可以是待测量其偏转/位置/距离的移动物体的(例如，动作器件或定位元件的)成一体的部件。然而，测量物体也可附着在特别是用于测量的移动物体上。如果测量物体至路径传感器的距离改变，测量元件的电感和电容也会改变。可在评估电子器件中将电感或电容的变化转换成与移动物体的偏转/位置/距离成比例的模拟或数字信号。具体地说，可将测量元件设置在与测量物体相对的共用侧上，并且可在被定向成基本上垂直于测量元件的表面的移动方向上测量测量物体的偏转/位移/位置。
如果测量元件被同心地设置成围绕定位元件，则可实现在动作器件中的测量元件的特别有利的配置。另外，可以想象的是，承载测量元件的基板具有接纳可移动物体(例如动作器件或定位元件)的通道。具体地说，基板可以是环形构造和/或测量元件可检测测量物体在共用测量轴线(轴向)中的所有移动/位置/偏转。在这种情况下，测量轴线的空间中点与定位元件的移动轴线的中间叠合。定位元件可以是例如气缸的活塞或者微型阀的针或轴、气动定位驱动器的旋转轴或杆。在围绕通道并因此围绕定位元件的同心配置中，可以最佳地利用可用的构造空间。在这里，测量元件无须具有圆形形状。测量元件的形状可适于定位元件的几何形状和/或设置在定位元件上的导电测量物体的几何形状。例如，测量元件的几何形状可以是圆形、成形为圆形、椭圆形或多边形的一部分，特别是成形为三角形或矩形的一部分。在(部分)线圈的情况下，只须达到某些基本电感。
通过借助于弹性元件将传感器和/或基板压靠在动作器件壳体的固定结构部件上，例如用作牢固止挡件的边缘，来实现特别有利的组装类型。这在改变温度条件的情况下是特别有利的。如果动作器件-传感器单元中的不同材料以不同程度膨胀，便可能会出现机械应力，这会损坏传感器或动作器件或者会导致测量值错误。可通过弹性组装位置来减小或排除这情况，并且确保具有测量元件的基板总是相对于动作器件并因此相对于测量物体处于固定位置。在圆形基板的情况下，弹性元件可被设计为例如板簧或波纹垫圈。然而，也可使用其他弹性(有弹力的)元件，例如合适的聚合物、塑料等等。三点支撑是有利的，其避免了机械超定系统。
该基本问题还通过根据权利要求15所述的传感器来解决。该传感器的特征在于，由至少两个在空间上彼此分隔开的测量元件形成测量装置。
关于根据本发明的传感器的设计可以参考本发明的装置和在该装置中实现的传感器的上述解释，在此不再赘述。可通过根据权利要求15所述的本发明的传感器来明确地实现根据权利要求1所述的本发明的装置中形成的传感器的结构特征，使得该传感器也可以具有上述的优点。
附图说明
现在有各种可能性来以有利的方式设计和进一步发展本发明的教导。在这点上，一方面参考权利要求1的各项从属权利要求，另一方面，参考使用附图对本发明优选示例性实施例的以下说明。此外，结合使用附图对本发明的优选示例性实施例的说明，从总体上解释了本教导的优选实施例和进一步的发展。在附图中：
图1示出了根据现有技术已知的以非接触方式确定测量物体的距离和/或位置的装置；
图2以示意性的侧视剖视图示出了根据本发明的装置的示例性实施例，该装置包括根据本发明的传感器；
图3示出了根据本发明的传感器的测量装置的两个示例性实施例的示意图；
图4a示出了根据本发明的传感器的替换电路图的示例性实施例的示意图；
图4b示出了根据本发明的传感器的替换电路图的另一个示例性实施例的示意图；
图5以示意性的侧视剖视图示出了根据本发明的传感器的另一个示例性实施例；
图6以示意性的侧视剖视图示出了根据本发明的传感器的另一个示例性实施例；以及
图7以示意性的侧视剖视图示出了在分解和组装状态的根据本发明的装置的另一个示例性实施例。
具体实施方式
图1示出了现有技术已知的以非接触方式确定测量物体1的距离和/或位置的装置。测量物体1由导电材料制成并且设置在定位元件2上，例如阀杆。定位元件2并因此测量物体1可沿着图中所示出的箭头移动。传感器3设置在定位元件2的一侧并且以非接触方式测量测量物体1的距离。为此，传感器3包括测量装置4和/或构造为线圈的测量元件5。
图2以示意性的侧视剖视图示出了根据本发明的装置的示例性实施例，所述装置包括根据本发明的传感器3。测量物体1设置在定位元件2上并且与定位元件2一起沿轴向方向移动。基板6被设置成与测量物体1相对并且包含由测量元件5、5’共同形成的测量装置4。测量元件5、5’附着到面向测量物体1的一侧。测量元件5、5’、5”经由电连接件7与相关联的评估电子器件8连接。为了简化视图，图2未示出评估电子器件8。
图3示出了根据本发明的传感器3的测量装置4的两个示例性实施例的示意图。在俯视图中示出了三个测量元件5、5’、5”，它们围绕在基板6中的通道9同心并且共同形成测量装置4。通道9用于接收定位元件2。测量元件5、5’、5”可以是电感或涡流(路径)传感器的(部分)线圈，或者可被构造为电容(路径)传感器的(部分)电极。
图4a示出了根据本发明的传感器3的替换电路图10的示例性实施例的示意图。具体地说，示出了被设计成(部分)线圈11的涡流传感器的测量元件5的替换电路图10。它们是串联连接的具有电感率L1，...，Ln的n个(部分)线圈11。这产生了总感应率Lges＝L1+L2+...+Ln。
图4b示出了根据本发明的传感器3的替换电路图10的另一个示例性实施例的示意图。具体地说，示出了电容传感器3的测量元件5的替换电路图10。这涉及并联连接的具有电容C1，...，Cn的n个(部分)电极12。这产生了总电容量Cges＝C1+C2+...+Cn。
图5以示意性的侧视剖视图示出了根据本发明的传感器3的另一个示例性实施例。传感器3包括设置在基板6上的测量元件5、5’以及评估电子器件8。评估电子器件8被设置在单独的基板13上并且通过接触销14与测量元件5、5’连接。或者，不用接触销14，挠柔性导体也可用作电连接件。用于评估电子器件8的单独的基板13还包括在中间的通道15，定位元件2(未示出)穿过所述通道沿轴向方向移动。评估电子器件8通过挠柔性导体16与动作器件的高阶调节连接。
图6以示意性的侧视剖视图示出了根据本发明的传感器3的另一个示例性实施例。传感器3具有特别紧凑的结构。测量元件5、5’和评估电子器件8被设置在同一基板6上。测量元件5、5’位于顶部并与测量物体1活动连接(未示出)，而评估电子器件8的部件被设置在底部。由线路17供应和移除传感器信号中的电源电压。
图7以示意性的侧视剖视图示出了在分解和组装状态的根据本发明的装置的另一个示例性实施例。在上部视图(组装状态)中，传感器3借助于波纹垫圈18被定位在动作器件壳体19中。波纹垫圈18从下方将基板6压靠止挡件20(动作器件壳体19的肩部)。这补偿了例如由于温度变化而出现的机械应力。
在此明确指出，图中所示的传感器3是或可以是根据权利要求1至14所述的根据本发明的装置的一部分。
关于根据本发明的装置以及根据本发明的传感器的其他有利的实施例，可以参考说明书的总体部分和所附的权利要求，在此不再赘述。
最后，应当明确地指出，上述根据本发明的装置和根据本发明的传感器的示例性实施例仅仅是用来解释所保护的教导，而不是将该教导限制于当前的示例性实施例。
附图标记列表
1 测量物体
2 定位元件
3 传感器
4 测量装置
5、5’、5” 测量元件
6 基板
7 电连接件
8 评估电子器件
9 通道
10 替换电路图
11 (部分)线圈
12 (部分)电极
13 单独的基板
14 接触销
15 通道
16 挠柔性导体
17 线路
18 波纹垫圈
19 动作器件壳体
20 止挡件

Claims (15)

1.一种以非接触方式确定测量物体(1)的距离和/或位置的装置，所述装置具有导电测量物体(1)和传感器(3)，所述传感器尤其根据感应、电容性或涡流原理进行操作，其中所述传感器(3)包括测量装置(4)，
其特征在于，由至少两个在空间上彼此分隔开的测量元件(5、5’、5”)形成所述测量装置(4)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量元件(5、5’、5”)被设置在共用基板(6)上。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述基板(6)被设计为印刷电路板或者优选地被设计为多层陶瓷基板。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述基板(6)包括通道(9)，所述通道优选地接纳可移动物体(2)，尤其是动作器件或定位元件(2)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述测量元件(5、5’、5”)被设置成彼此同心，尤其是围绕所述通道(9)同心。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述测量元件(5、5’、5”)被构造成电极(12)或线圈(11)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电极(12)并联连接或者所述线圈(11)串联连接。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述测量元件(5、5’、5”)的几何形状是圆形、成形为圆形、椭圆形或多边形的一部分，特别是成形为三角形或矩形的一部分。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述测量元件(5、5’、5”)中的至少一个被加载有用于温度补偿的直流电压或者在所述基板上设置温度传感器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，评估电子器件(8)优选地被设置在所述基板(6)的背面或者设置在单独的基板(13)上。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述评估电子器件(8)通过挠性接触销(14)与所述测量元件(5、5’、5”)连接。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述评估电子器件(8)通过挠性导体(16)与所述测量元件(5、5’、5”)连接，例如实现刚性的可挠连接。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述导电测量物体(1)被设置在例如定位元件(2)或动作器件的可移动物体(2)上，或者是与例如定位元件(2)或动作器件的可移动物体(2)成一体的部件。
14.根据权利要求2至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述基板(6)或所述传感器(3)被弹性元件(18)压靠在动作器件壳体(19)中的止动件(20)上，并且因此被固定。
15.一种以非接触方式确定尤其是导电测量物体(1)的位置的传感器(3)，尤其是路径传感器，优选是根据权利要求1至14中任一项所述的传感器，其中所述传感器包括测量装置(4)，
其特征在于，由至少两个在空间上彼此分隔开的测量元件(5、5’、5”)形成所述测量装置(4)。
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