CN109791057B

CN109791057B - 电感式传感器布置

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Publication number: CN109791057B
Application number: CN201780058472.4A
Authority: CN
Inventors: R.琼斯
Original assignee: Sagentia Ltd
Current assignee: Sagentia Ltd
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2021-10-29
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: EP3299771A1; US11204264B2; CN109791057A; WO2018054696A1; US20200018623A1; EP3299771B1

Abstract

本发明提供一种电感式传感器设备（23），其具有标尺（24），其具有多个标尺元件（26），该标尺元件（26）提供在测量方向（M）上延伸的至少一行（27）中的场图案S（x）。该电感式传感器设备（23）包含具有至少一个接收线圈（35）的至少一个接收电路（34）。接收线圈（35）和标尺（24）可在测量方向（M）上相对彼此移动。至少一个接收线圈（35）在测量方向（M）上从第一端部（47）延伸到第二端部（48）。它具有直接邻近第一端部（47）的第一端部区段（49）和直接邻近第二端部（48）的第二端部区段（51）。在两个端部区段（49）、（51）之间提供中间区段（50）。每个区段（49）、（50）、（51）包含接收线圈（35）中的至少一个、优选地至少两个环（37）。在两个端部区段（49）、（51）中，环（37）的环面积量在从紧挨着中间区段（50）的环（37）朝向相应的端部（47）或（48）逐环减小。这样的环设计提供了对接收线圈（35）与标尺（24）之间的未对准的减轻或补偿。

Description

电感式传感器布置

本发明涉及电感式传感器设备的领域。这样的电感式传感器设备可以被用于确定可在线性和/或圆形方向上相对于彼此移动的两个部件之间的相对位置。这样的电感式传感器设备可以被用于测量仪器，比如卡尺、千分尺、测试指示器、触摸探针以及其他测量仪器。

电感式传感器设备例如在US 2011/0254541 A1中公开。标尺被提供有沿测量方向以规则的距离（标尺间距）布置的多个标尺线圈。提供包含发射线圈和接收线圈的传感器单元，并且该传感器单元能够沿着标尺在测量方向上移动。由发射线圈产生的磁场借助于标尺线圈来修改。取决于传感器单元与标尺之间的相对位置，因此产生了可借助于接收线圈来检测的场图案。由接收线圈提供的输出信号可以因此被用来确定传感器单元与标尺之间的相对位置。建议使用多个接收线圈，这些接收线圈在测量方向上被移位一半标尺间距的奇数倍。这些接收线圈是电连接的，并且输出差异被用于位置确定。这样做时，通过使用信号差可以消除接收线圈的两个输出信号的偏移。

US 7，239，130 B1示出了一种电感式传感器设备，其意图消除由于传感器单元相对于在测量方向上的标尺的倾斜所致的误差。提供多个接收线圈，其在测量方向上被移位标尺间距的一半。偏移接收线圈的环面积在至少一个区中重叠。在这些区中的至少一个区中，被移位的接收线圈串联连接。这需要修改环中的至少一个环的形状。作为结果，产生了相位误差。如果提供多组这样的串联连接的接收线圈，则每组的相位误差将是相同的，以使得实现组之间的适当的相位关系。

这些现有技术的接收线圈设计是复杂的，因此是昂贵的。因此，本发明的一个目的是提供一种电感式传感器布置，其允许在测量方向上简单地减小或消除传感器单元与标尺之间的倾斜误差。

该目标借助于根据权利要求1或2的电感式传感器设备来解决。

电感式传感器设备包括：标尺，其具有多个标尺元件，该多个标尺元件被适配成产生在至少一行中并且在测量方向上延伸的场图案。

优选地，提供具有至少一个发射线圈的发射电路。发射电路被适配成借助于至少一个发射线圈来产生磁场。优选地，发射电路仅包含一个发射线圈。在这样的实施例中，标尺元件可以包含导电材料并且优选地分别由至少一个标尺环形成。标尺元件可以在相应的行中以在测量方向上的恒定的标尺间距彼此远距地布置。如果提供多于一行的标尺元件，则每行的标尺间距可以不同。标尺元件被用作无源场影响元件，以便修改或改变发射线圈的磁场以用于产生场图案。

为场图案或标尺元件的每一行提供了一个传感器单元。传感器单元和标尺可在测量方向上相对于彼此移动。传感器单元包含接收电路，并且还可以包含针对每行的发送电路。接收电路包括至少一个接收线圈，该接收线圈被适配成取决于传感器单元与标尺之间的相对位置来检测场图案。接收电路被适配成提供表征了通过至少一个接收线圈的环的磁通量的接收信号。

至少一个接收线圈中的每一个包含在测量方向上彼此邻近布置的环，其中每个环包围相应的环面积。至少一个接收线圈在第一端部与第二端部之间在测量方向上延伸。直接邻近第一端部提供了接收线圈的第一端部区段。直接邻近第二端部提供了第二端部区段。至少一个接收线圈的中间区段连接两个端部区段。这些区段中的每一个包含接收线圈的至少一个环。

被布置在端部区段之一中的至少一个环的每个环面积的量小于被布置在中间区段中的至少一个环的每个环面积的量。作为结果，与中间区段相比，端部区段中的不同的环面积的量对被用于位置确定的接收信号提供了不同的贡献。可以确定在端部区段之一中的环面积的量比较于在中间区段中的环的环面积的比率，使得可以至少部分地补偿在测量方向上传感器单元与标尺之间的未对准。例如，可以因此在电感式传感器设备的设计中考虑导致接收电路的信号中的偏移的线性倾斜、弯曲或其他未对准，以及传感器单元与用于位置确定的标尺之间的未对准的影响可以被减少或消除。

与中间区段中的环的量相比，端部区段之一中的不同的环面积的量是至少一个接收线圈的设计参数，该至少一个接收线圈可以被适配成补偿未对准，例如，补偿测量方向中的线性倾斜。端部区段中的环路对接收线圈中的感应电压的贡献可以以减少或消除由于传感器单元和标尺在测量方向上的未对准所致的任何信号偏移的方式来确定。

至少一个接收线圈的形状可以被定义如下：至少一个接收线圈中的每个环与标尺的峰值耦合由数字ki（k1，k2，k3，...）给出，其中在没有倾斜的情况下，这些峰值耦合全部相等，比如说等于1。为了补偿倾斜，可以将加权因子ei（e1，e2，e3，...）应用于表示其环面积量的每个环。也就是说，如果两个环的环面积量相等，则它们的加权因子是相等的。加权因子优选地与相应的环面积量成比例。为了补偿倾斜，限定了环面积量，以便磁场图案和接收线圈的总耦合在具有最小（负）总耦合的第一相对位置和具有最大（正）总耦合的第二相对位置处具有相等的量。在第一与第二位置之间，至少一个接收线圈和标尺优选地移过场图案的一半间距。

本发明可以被用在电感式传感器设备中，该电感式传感器设备具有较长行的无源场影响标尺元件，其在测量方向上沿整个测量范围延伸。在这样的设计中，传感器单元的发射线圈和至少一个接收线圈可以比该行的标尺元件的长度更短。

在电感式传感器设备的另一设计中，场影响标尺元件的行在测量方向上比发射线圈和/或至少一个接收线圈的尺寸更短，以使得标尺元件可以在测量方向上沿线圈移动。在这样的设计中，标尺元件被布置在标尺包络线内，该标尺包络线在测量方向上的相反侧处具有逐渐变细的端部区段。在该实施例中，至少一个接收线圈可以具有常规的设计，其中全部线圈环具有相同的环面积量。

优选地，标尺元件由彼此电分离的单独的标尺线圈形成。每个标尺线圈优选地由一个单个标尺环组成。

电感式传感器设备的另一实施例使用具有在测量方向上延伸的长线圈的标尺，其中该长线圈的环形成了场元件并且被适配成产生在测量方向上沿着至少一行的场图案。较短的接收线圈是传感器单元的区段。

在一个优选实施例中，至少一个接收线圈在每个端部区段中具有至少两个环。第一端部区段中的环面积的量朝向第一端部逐环减小。类似地，在第二端部区段中，环面积的量朝向第二端部逐环减小。

当被布置在中间区段中的全部的环具有相等的环面积量时，这是有利的。被布置在中间区段中的环可以具有相同的形状。

至少一个接收线圈在第一端部与第二端部之间在测量方向上具有线圈长度。至少一个接收线圈在垂直于测量方向的高度方向上具有线圈高度。线圈高度可以在第一端部区段中从第一端部朝向中间区段增加。线圈高度可以在第二端部区段中从中间区段朝向第二端部减小。围绕至少一个接收线圈的包络线可以被用来限定线圈长度和线圈高度。包络线提供了在接收线圈的环周围的围绕线。例如，这样的包络线外部地接触每个环。

可以限定包络线，以使得接收的高度从两个端部朝向接收线圈的中间增加，使得包络线在两个相反的端部区段处平滑地逐渐变细。该包络线为耦合函数定形状，该耦合函数表征了发送与接收线圈之间的耦合对测量方向上的位置的依赖性。包络线优选地以下述方式限定：耦合函数的傅里叶变换及其导数中的至少一个在零波数处为零。

在一个优选实施例中，接收电路包含至少两个接收线圈。这两个接收线圈的第一端部在测量方向上偏移，和/或两个接收线圈的第二端部在测量方向上偏移。因此，至少两个接收线圈可以具有不同的线圈长度和/或不同的包络线。优选地，两个接收线圈相对于在垂直于测量方向的高度方向上延伸的共同高度轴线对称地布置。

进一步有利的是当至少一个接收线圈的每个环相对于在测量方向上延伸的纵轴具有对称的形状或轮廓时。

进一步优选的是，当至少一个接收线圈的全部环在测量方向上延伸的纵轴处具有相同的环尺寸时。纵轴处的每个环的这个尺寸对应于至少一个接收线圈的环间距或环波长的一半。

优选地，在测量方向上的端部区段的端部区段长度和/或中间区段的中间区段长度对应于接收线圈的环间距或环波长的整数倍。

在一个另外优选的实施例中，至少一个接收线圈由第一导体和第二导体限定，该第一导体和第二导体在接收线圈的纵轴的一侧上为每个环提供正弦曲线形状，在纵轴的相反侧上提供镜像形状，其中纵轴在测量方向上延伸。在一个实施例中，第一导体的一部分和第二导体的一部分交替地布置在电路板的不同层中，以便形成在一侧上具有正弦曲线形状并且在纵轴的相反侧处具有通过将正弦曲线形状镜像到纵轴的相应的相反侧而获得的形状的环。

优选地，每个导体的每个半波的顶点与限定至少一个接收线圈的外轮廓的包络线接触。

在第一导体和第二导体被布置在传感器单元的电路板的不同层中时也是优选的。第一导体和第二导体可以在接收线圈的第一端部或第二端部之一处连接或短路在一起。在相应的另一端部处，由接收线圈提供的接收信号被提供在接收线圈的两个端子之间。

在一个实施例中，环的数量在两个端部区段中是相等的。此外，被布置在第一端部区段中的每个环优选地具有被布置在第二端部区段中的配对区段，该配对区段具有相同的环面积的量和/或相同的形状。这可以例如通过使至少一个接收线圈镜像对称于在垂直于测量方向的高度方向上延伸的高度轴线来实现。

分别在第一端部区段或第二端部区段中提供的一个环的每个环面积的量优选地取决于具有至少一个倾斜系数的倾斜加权函数来确定。倾斜系数不等于零。倾斜加权函数描述了在测量方向上传感器单元与标尺之间的倾斜和/或比如弯曲等等的另一种未对准。

倾斜加权函数可以以泰勒级数的形式来描述。为了简化倾斜加权函数，可以省略函数变量的偶数幂（其对应于测量方向上的坐标值）。因此，仅考虑和包含相对于函数变量的奇数幂的倾斜系数。在一个实施例中，在倾斜加权函数中仅提供一个倾斜系数，其描述测量方向上的线性倾斜。

共同端部区段中的不同环面积量均限定了在设计至少一个接收线圈时可以改变的参数。在第一端部区段或第二端部区段中具有不同量的环的这种数量至少对应于倾斜加权函数中所包含的不同于零的倾斜系数的数量。

在从属权利要求、说明书和附图中公开了本发明的优选实施例。参照附图更详细地解释了本发明的以下优选实施例。在绘图中：

图1示出了可以被配备有电感式传感器设备的测量仪器的示意性顶视图，

图2示出了包含标尺元件的标尺的一个实施例的示意性顶视图，

图3是包含发射电路和接收电路的传感器单元的实施例的示意图，

图4是示意性地图示了电感式传感器设备的功能原理的示图，

图5a和5b均示出了包含在电路板的不同层中提供的导体的示例性接收线圈的示意性透视图，

图6是示出了相对于测量方向上的标尺，传感器单元的发射电路和/或接收电路之间的倾斜的示意图，

图7是标尺元件和根据现有技术的接收线圈的示意图，

图8示出了通过沿着标尺移动图7的至少一个接收线圈所获得的不同信号，

图9图示了标尺元件和根据本发明的接收线圈的基本原理，

图10示出了由于通过沿着标尺移动图9的至少一个接收线圈所获得的信号，

图11示出了与图10相似的信号，其中图11c中示出的倾斜加权函数不同于图10c中示出的倾斜加权函数，

图12是具有一个接收线圈的实施例的示意图，

图13是具有两个接收线圈的另一实施例的示意图，该两个接收线圈形成相同接收电路的区段，以及

图14是本发明另一实施例的示意图，其示出了长接收线圈和较短的标尺，其中标尺元件而不是接收线圈环被定位在逐渐变细的包络线中，

图15a）示出了灵敏度函数P（x）、包络函数A（x）及其对于具有矩形包络线并且没有倾斜的接收线圈的傅里叶变换，

图15b）示出了如何通过线性倾斜来修改图15a）的函数，以及

图16a）和b）针对具有逐渐变细的包络线的接收线圈分别示出了与图15a）和b）的函数相对应的函数。

图1示出了以卡尺形式的示例性测量仪器20的示意图。卡尺被实现为数字卡尺，以用于测量物体的内钳口21和/或外钳口22之间的距离。借助于电感式传感器设备23来测量距离。电感式传感器设备23包括可在测量方向M上相对于彼此移动的标尺24和传感器单元25。标尺24包含多个标尺元件26，该标尺元件26被布置在测量方向M上延伸的至少一行27中，并且被适配成产生在测量方向M上的场图案S（x）。

在优选实施例中，标尺元件26包含导电材料。标尺元件26不相互电连接，而是单独的非连接元件。在本示例中，每个标尺元件26由标尺环28形成，并且优选地由一个单个标尺环28形成。标尺元件是无源场影响元件，并且通过改变或修改磁场B来产生场图案。

根据优选实施例，电感式传感器设备23并且优选地传感器单元25包含发射电路32，该发射电路32具有用于产生磁场B的至少一个发射线圈33和至少一个接收线圈34。每个接收电路包含至少一个接收线圈35。优选地，为每行27的标尺元件26提供相应的发射线圈33和相应的接收电路34。行27以及相应的发射线圈33和接收电路34可以在垂直于测量方向M的高度方向H上彼此邻近地布置。高度方向H和测量方向M形成平面，标尺环28在该平面中延伸。

如图2中示出的，直接邻近的标尺环28在测量方向M上以规则的图案布置，从而限定了标尺间距p或标尺波长。标尺间距p对应于在测量方向M上的一个标尺环28的尺寸与两个直接邻近的标尺环28之间的间隙的总和。

发射电路32的发射线圈33在由测量方向M和高度方向H限定的平面中延伸。在该平面中，发射线圈33围绕至少一个接收线圈35，如图3中示意性图示的。发射线圈33可以具有矩形轮廓或者可以具有可以适应于至少一个接收线圈35的外轮廓或包络线E的任何不同形状。下面将详细解释至少一个接收线圈35的形状和设计。

AC电压源36连接或可连接到发射线圈33。由于交流电，产生了磁场B（图4）。磁场B具有在发射线圈33的优选地单个环周围的圆形场线。场线的方向取决于通过发射线圈33的电流的方向。

磁场B通过至少一个接收线圈35的环37产生磁通量。因此，在接收线圈34的端子38之间感应出接收电压Vr。该接收电压Vr形成接收信号，该接收信号取决于接收线圈34与标尺24之间的相对位置。因此，接收电压Vr随着传感器单元25沿着标尺24在测量方向M上移动而改变。该接收信号可以被用在接收电路34中，以确定传感器单元25与标尺24之间的实际相对位置。取决于电感式传感器设备23的设计，相对的或者绝对的位置确定是可能的。

图4中图示了该基本操作原理。由发射线圈33产生的磁场B与接收线圈35耦合，其中该耦合取决于影响耦合的标尺元件26在磁场B中的位置。在没有标尺24的情况下，发射线圈33与接收线圈35之间实际上没有耦合。否则，这种耦合将是另一个偏移的来源。这例如通过在接收线圈35中具有零净面积（考虑取向），或者通过使接收线圈35相对于发射线圈33是反对称的来实现。

与所示的电感式传感器设备23的实施例不同，该行27的标尺元件26的长度不必长于发射线圈33和/或至少一个接收线圈35的长度。例如，也有可能的是，发射线圈33被提供在测量方向M上具有较长延伸的构件处，并且沿测量方向M移动的构件包含许多场影响标尺元件26。关键特征在于产生接收线圈35沿其移动的场图案S（x），并且接收线圈35检测该场图案S（x）以用于位置确定。

如在图5a中图示的，至少一个接收线圈35可以由在电路板43的不同层43a和43b上提供的第一导体41和第二导体42形成。每个导体41、42相对于在测量方向M上延伸的纵轴L具有交替的伸展。在垂直于测量方向M并且垂直于高度方向H的方向（这意味着垂直于电路板43在其中延伸的平面）上观察的情况下，导体在被布置在纵轴L上的交叉方位44处彼此交叉。在该观察方向上，两个导体41、42产生接收线圈35的环37，其在测量方向M上直接紧挨着彼此布置。在两个直接邻近的交叉方位44之间存在一个环37。要注意的是，导体在不同的层中伸展并且在这些交叉方位44处并不电连接。测量方向M上的两个直接邻近的交叉方位44之间的距离对应于接收线圈35的半波长w（比较图9）。

在图5a中，导体41和42中的每一个在层43a和43b之一中的第一端部47与第二端部48之间具有连续的伸展。与其不同的是，图5b示意性地图示了替换的实施例。在第一层43a中提供的第一导体41被分离成第一导体部分41a。在测量方向M上彼此直接邻近的两个第一导体部分41a通过在电路板的另一个层43b中提供的第二导体42的一个第二导体部分42a电连接。在该实施例中，产生接收线圈所需的通孔的数量高于图5的示例中的通孔的数量。这种设计的优点在于两个或更多个接收线圈35可以交错，从而使得辐射度的测量能够确定位置。环37和接收线圈35的基本形状对应于图5a的示例。每个环37相对于纵轴L基本上对称。在纵轴的一侧处，线圈环37具有正弦曲线轮廓，由至少一个导体41、42的相应部分41a、42a的伸展所产生。在纵轴L的另一侧处，线圈环37的轮廓是镜像对称的。换言之，每个线圈环37由在纵轴L的相应侧上的至少一个导体41、42的相应部分41a、42a的正弦曲线伸展的正半波和镜像对称的负半波产生。

如图5a和5b中示意性示出的，两个导体41、42或它们相应的导体部分41a、42a被移过距离d，该距离d对应于电路板43的层43a和43b的距离。然而，与接收线圈35在高度方向H和测量方向M上的尺寸相比，该距离d较小。图5中的图示不是按比例的而仅是示意性的。

在该电路板43上，发射线圈33可以被提供在另外单独的层中，或者被提供在层43a、43b之一中，在该层中布置有相应的导体41或42或者相应的导体部分41a或42a。

波长w优选地等于标尺环28的间距p，这导致接收电压Vr的更大幅值。

图6示意性地图示了未对准和例如倾斜可以发生在标尺元件26、发射线圈33和接收线圈35中的至少两个的取向之间。在本实施例中，接收线圈35和发送线圈33二者都被包含在传感器单元25中，并且例如倾斜或未对准可以发生在电路板43与标尺24之间。这样的倾斜导致沿着接收线圈35的变化的耦合，因为接收线圈35与标尺24之间的距离在测量方向M上不是恒定的。图6作为未对准的示例示出了具有倾斜角度α的线性倾斜。线性倾斜或其他未对准可导致在接收电路43中所检测到的接收信号中的偏移，并且因此在位置的确定时可能发生误差。

参考图12，示出了接收线圈35的一个实施例。接收线圈35在第一端部47与第二端部48之间在测量方向M上延伸。在第一端部47处，提供在两个导体41与42之间的短路连接。在第二端部48处提供端子38。

在优选实施例中，第一导体41具有从第一端部47开始的正弦曲线伸展。第二导体42具有通过在纵轴L处使第一导体41镜像所获得的伸展。由一个导体41或42或者由在纵轴L的一侧上的邻近的导体部分41a、42a产生的一个半波，以及由一个导体42或41或者由在纵轴L的另一侧上的邻近的导体部分42a、41a产生的对应的半波在两个直接邻近的交叉方位44之间延伸，并且限定了接收线圈35的一个环37。每个环37围绕环面积C_m、C_e1、C_e2。

如图12中示出的，接收线圈35具有从第一端部47开始的第一端部区段49、与第一端部区段49直接邻近的中间区段50和与中间区段50直接邻近并且在第二端部48处结束的第二端部区段51。因此，中间区段50连接两个端部区段49、51。在这些区段49、50、51中的每一个中布置至少一个环37。优选地，端部区段49、51中的每一个包含至少一个接收线圈35的至少两个环37。

被包含在中间区段50中的环37的环面积量被称为中间区段环面积量C_m。被包含在第一端部区段50中的环37的环面积量被称为端部区段环面积量C_ei，其中指数i将不相等的端部区段环面积量彼此区分开。在图12的示例性实施例中，指数i=1、2或3。

中间区段环面积量C_m大于端部区段49、51中的端部区段环面积量C_e1、C_e2、C_e3。

在优选实施例中，中间区段50中的全部环37的中间区段环面积量C_m相等。如果在端部区段49和51中分别布置多于一个环37（如图12的实施例中那样），则端部区段环面积量C_e1、C_e2、C_e3分别从紧挨着中间区段50的环37朝向第一端部47和第二端部48减小。

被包含在第一端部区段49中的每个环37具有被布置在第二端部区段51中的配对环37。该环及其配对的环具有相同的环端部区段面积量C_e1、C_e2、C_e3和/或相同的形状。

包络线E围绕接收线圈35。包络线E在其两个相反的方位处、优选地在每个顶点处接触每个环37。包络线E限定了接收线圈35在高度方向H上的高度。高度从第一端部区段49中的第一端部47朝向中间区段50增加。类似地，高度从第二端部区段51中的第二端部48朝向中间区段50增加。包络线E由相应的包络函数A（x）定义。

两个相反的端部47、48之间的接收线圈35的总长度被指示为线圈长度lc。线圈长度lc对应于第一端部区段的长度le₁、中间区段50的长度lm和第二端部区段51的长度le₂的总和。两个端部区段49、51的长度le₁、le₂是相同的。中间区段50的长度lm可以对应于端部区段49、51的长度le₁、le₂或者可以是不同的。

接收线圈35的形状优选地相对于在高度方向H上延伸的高度轴线Y是对称的。

在替换的实施例中，一个接收电路34可以包含多于一个接收线圈35。图13示意性地示出了电路板43上的两个单独的接收线圈35的布置。两个接收线圈35对于相同的高度轴线Y对称地布置。两个接收线圈35的第一端部47和第二端部48在测量方向M上偏移。这简化了为使第一端部47处的相应导体41、42短路或者为提供端子38而分别在第一端部47和第二端部48处提供通孔，这通常在第二端部48处需要至少一个通孔。相应端部的偏移可以分别通过不同的线圈长度lc₁和lc₂和/或通过两个接收线圈35的不同的包络线E1和E2来实现，如图13中示意性地图示的。

相应地端部区段le₁和le₂的长度和/或中间区段50的长度lm优选地对应于波长w的整数倍。

关于图7和图8，解释了关于现有技术的电感式传感器设备的线性倾斜的影响。如图7中示出的，接收线圈35的全部环37具有相同的形状，并且因此具有相同的环面积量C。

在图8中，x轴沿测量方向延伸。图8a图示了由于标尺元件26与由发射线圈33产生的磁场B的耦合而产生的简化的示意性场图案S（x）。场图案S（x）是周期性的，具有间距p。

在图8b中，图示了图7中示出的现有技术的接收线圈35的灵敏度图案P（x）。如图7中示出的，电流I顺时针流过一个环，并且逆时针流过一个或两个直接邻近的环。因此，灵敏度图案P（x）具有正弦曲线形式：

(1)。

空间频率

由

给出。现有技术的接收线圈35的包络线对应于矩形窗口。它由函数A（x）描述，该函数在线圈的长度上是恒定的并且在线圈的长度之外是零。因此，灵敏度图案P（x）具有恒定的幅值。

在没有任何倾斜的情况下，当接收线圈35相对于标尺24移位了距离Δx时，场与接收线圈35之间的总耦合为

(2)。

因为S（x）是x的具有周期p的周期函数，所以V（Δx）也是如此。V（Δx）也没有偏移：V（Δx）的平均值

是P（x）的平均值

以及S（x）的平均值

的乘积，前者为零。即，

. (3)。

图8c以虚线图示了倾斜加权函数T（x）。这描述了如何通过倾斜来修改场与线圈之间的耦合。线性倾斜的影响可以由下式描述：

(4)。

在传感器单元25与标尺24之间的相对位移或相对位置Δx处的耦合如下通过倾斜来修改：

(5)。

该倾斜将接收线圈35的灵敏度函数有效地修改成

，以使得

(6)。

函数

在图8c中图示。如图8d中示出的，耦合函数V（Δx）仍是具有周期p的周期性的，但是它现在具有非零偏移。该偏移将导致相对位置Δx的计算中的误差。如方程（3）所描述的，偏移的发生是因为平均值

是非零的。如在图8c中可以看到的，平均值

在这种情况下是负的：

的三个正半周期小于它们后面的三个相应的负半周期。

除了平均值

之外，还有另外两种诊断倾斜效果的方法。

首先，可以比较V（Δx）的最大值和最小值。如图7中示出的，接收线圈的每个环与标尺的峰值耦合由数字k1、k2、...、k6给出。在没有倾斜的情况下，这些峰值耦合是全部相等的，比如说等于1。接收线圈35的环具有交替的正（顺时针）和负（逆时针）取向，并且这确定了环是对总耦合有正贡献还是负贡献。当线圈处于图7中示出的位置中时，总耦合达到其最小值，为

(7)。

当线圈移过半个间距时，总耦合达到其最大值，为

(8)。

最大和最小总耦合相等且相反的事实是零偏移的证据。

在存在线性倾斜的情况下，每个环的峰值耦合可以被修改成，例如

k1 = 0.5

k2 = 0.7

k3 = 0.9

k4 = 1.1

k5 = 1.3

k6 = 1.5。

当线圈处于图7中示出的位置中时，总耦合达到其最小值，为

(9)。

当线圈移过半个间距时，总耦合达到其最大值，为

(10)。

最大和最小总耦合不相等且相反的事实是非零偏移的证据。

其次，可以依据灵敏度函数P（x）的傅里叶变换来诊断偏移：

(11)。

我们可以类似地定义场图案的傅里叶变换

和耦合的傅里叶变换

。（因为

和

是周期性函数，所以

和

可以被理解为离散傅里叶变换或分布。）函数的平均值只是其傅里叶变换的DC分量，所以方程（3）的类比是

所以

。 (12)。

图15a示出了没有倾斜的矩形包络A（x）、对于具有矩形包络A（x）的接收线圈的P（x）和

。傅里叶变换

类似于在

处居中的sinc函数。它确实满足

，如对于

所要求的那样没有偏移。图15b示出了在通过线性倾斜进行修改时的这些函数。使用T（x）在方程（4）中的形式和傅里叶变换的属性，我们可以书写

(13)

使用

，这给出

(14)。

右边的术语是

在k = 0处的斜率。如可以在图15a中看出的，这不是零。因此，如可以在图15b中看出的，

不是零。因此，

具有偏移。

当灵敏度函数P（x）可以被表达为正弦曲线

和包络函数A（x）的乘积时，可以在

上放置类似的标准——因为难以直接为A（x）制定标准。如图15中示出的，

类似于在

上而不是在

上居中的

。为了

不具有偏移，

是有必要的。再次，对于具有矩形包络的灵敏度函数，当通过线性倾斜来修改该函数时，该标准失败，即

。

本发明的一个目的是为接收线圈产生不会在存在倾斜时导致偏移的形状。此外，一个目的是为接收线圈产生对一系列倾斜和未对准不敏感的形状。例如，倾斜加权函数T（x）可以用以下形式作为泰勒级数来描述：

(15)。

其中i = 1、2、3...的T_i是倾斜系数，借助于该倾斜系数可以描述未对准，例如，传感器单元25和标尺24的未对准。从数学上讲，目标是找到灵敏度函数P（x），以使得P*（x）=P（x）T（x）的平均值为零，或者足够接近零，以使得偏移不超过预先限定的阈值偏移量——对于函数T（x）的范围而言。基于方程（15），对于i的多个值，P（x）xⁱ的平均值为零或足够接近零是足够的。

图9和图10示出了根据本发明的电感式传感器设备23的操作。图9示出了接收线圈35的创造性形状，在该示例中，该形状在中间区段50中具有两个环37，并且在每个端部区段49和51中具有两个环37，一个具有第一端部区段环面积量C_e1，并且另一个具有第二端部区段环面积量C_e2。图10a对应于图8a的场图案S（x）。图10b中示出的灵敏度图案P（x）给环提供不同的权重，这取决于它们是被布置在中间区段50中还是被布置在端部区段49、51中的一个中。这也可以借助于表征了接收线圈35的包络线E的窗函数A（x）来描述。图10c示出了由于倾斜加权函数T（x）所致的经修改的灵敏度图案P*（x）。本发明的接收线圈35的灵敏度图案P（x）具有对于一系列倾斜加权函数来说P*（x）=P（x）T（x）的平均值为零的属性。因此，测量方向M（x方向）上的倾斜不会引起传感器单元25与标尺24之间的总耦合V（Δx）中的任何偏移。

可以使用被用于现有技术的线圈的两种数学方法来解释该接收线圈形状对不同形式的倾斜的不敏感性。

首先，可以比较总耦合的最大值和最小值。在关于现有技术布置（图7和8）所使用的示例中，加权因子k1至k6描述了环37的测量方向M上的线性倾斜。在该示例中，每个端部区段49、51包含具有第一端部区段环面积量C_e1的一个环37和具有第二端部区段环面积量C_e2的另外的环37，两个环面积量都小于中间区段环面积量C_m。因此，加权因子e可以取决于其环面积量而被应用于每个环：

e1 = e6 = 0.25

e2 = e5 = 0.75

e3 = e4 = 1.0。

如图9中示出的接收线圈35的位置中的总耦合对应于：

(16)。

在其中接收线圈35在测量方向M上以半波长w移动的位置中的总耦合，该总耦合如下：

(17)。

如可以看出的，方程（16）和（17）的总耦合是相等且相反的，并且因此不产生偏移。耦合因子k1...k6对应于特定量的线性倾斜，但是，类似于方程（15），可以考虑更一般形式的倾斜：

k1 = 1 +

k2 = 1 +

k3 = 1 +

k4 = 1 +

k5 = 1 +

k6 = 1 +

线性倾斜的原始示例对应于

。可以检查的是，当其他系数为零时，方程（16）和（17）对于

的任何值给出相等且相反的总耦合。当环加权因子满足3e2-5e1=1时，这成立。沿着测量方向的环加权因子的对称性（e1 = e6，e2 = e5，e3 = e4）意味着（16）和（17）中的总耦合对于偶数系数

的任何值是相等且相反的。为了使方程（16）和（17）对于

的任何值给出相等且相反的总耦合，3³e2 - 5³e1 = 1是足够的。

和

的两个标准在环权重e1和e2中包括两个线性方程，其中解e1 = 1/3，e2 = 8/9。换言之，以下环权重给对称的倾斜加权函数以及线性的和立方的倾斜加权函数提供了不敏感性：

e1 = e6 = 1/3

e2 = e5 = 8/9

e3 = e4 = 1.0。

利用接收线圈35的这种设计原理，还有可能补偿更大范围的倾斜和未对准。在一个端部区段49、51中具有不同环面积量的环37的数量至少对应于可以被补偿的给定的倾斜加权函数T（x）中的倾斜系数Ti≠0的数量。对于许多应用来说，补偿线性倾斜是足够的。

如图11中示出的，本发明可以被用来补偿是非线性的并且具有x大于1的幂的倾斜加权函数T（x）。除了图11c中的倾斜函数之外，图11a、11b和11d中的图示对应于图10a、10b和10d中的图示，使得可以对上面的图9和10的解释进行参考。

第二种数学方法可以被用来解释接收线圈形状对一系列倾斜函数的不敏感性。使用在方程（13）中的T（x）在方程（15）中的更一般形式给出了

(18)。

如由方程（12）所描述的，为了给一系列倾斜和未对准提供不敏感性，有必要的是对于一系列函数T（x），

。根据方程（18），

的斜率（一阶导数）和一些高阶导数在

处为零（或几乎为零）是足够的。这些导函数在

处为零（或几乎为零）也是有利的：这避免了耦合函数V（Δx）的其他形式的失真，并且因此避免了其他类型的位置相关的误差。

图16a示出了图9中的接收线圈的灵敏度函数的傅里叶变换

。它随着

接近0和

而衰减到零（或几乎为零）。如图16b中示出的，当通过倾斜来修改灵敏度函数时（包络函数A*（x）对应于由于倾斜而失真的包络函数A（x）），经修改的傅里叶变换

是失真的但是仍然具有相同的属性，该属性为它随着

接近0和

而衰减为零（或接近零）。对于被表达为正弦曲线、

和包络函数A（x）的乘积的灵敏度函数，有关

的对应标准在于它随着

接近

而衰减为零（或几乎为零）。

在本实施例中，至少一个接收线圈35的环37由两个导体41、42的正弦和余弦半波形成。然而，本发明还可以利用其他形状的环37而使用。

在端部区段中，包络线A（x）可以线性地减小。然而，其他形式的包络线端部区段形状可以表征接收线圈35的减小的高度和/或相应的端部区段中朝向相应的第一或第二端部47、48的减小的环面积量。

已经意识到有利的是，两个端部区段49、51的长度le₁和le₂至少对应于一个波长w，这意味着每个端部区段49、51包含至少两个环37。

本发明的线圈设计简单且易于在印刷电路板43上实现。每个接收线圈35和/或每个导体41、42在接收线圈35的两个端部47、48之间具有连续的伸展，而在测量方向M上没有任何中断或间隙。该设计也可以被用于在每个接收电路34中实现两个、三个或更多个接收线圈35。

图14示出了本发明的替换实施例。提供长接收线圈35，其在测量方向M上沿测量距离延伸。标尺元件26在测量方向M上遍布较小范围并且由标尺包络线ES围绕。类似于如上所述的接收线圈的包络线E，标尺包络线ES在第一端部60与第二端部61之间延伸，并且直接邻近第一端部60的第一端部部分62，并且直接邻近第二端61的第二端部区段63。中间区段64被定位在两个端部区段62、63之间。在每个端部区段62、63中，提供至少两个标尺元件26，其具有朝向相应的第一或第二端部60、61逐标尺元件减小的标尺元件面积量D_ei。在标尺元件ES的中间区段64中，提供至少两个标尺元件26，它们具有相等的标尺元件面积量D_m。本发明的该实施例的函数对应于如上面关于图1-13所描述的函数。取决于是标尺还是接收线圈在测量方向M上更长并且遍布全部测量范围，在测量方向M上具有较短尺寸的相应的另一个构件被设计有逐渐变细的包络线并且在测量方向上朝向相反的端部减小面积量。

通过定义相应的窗函数A（x），可以容易地描述本发明的接收线圈35的包络线E或标尺包络线ES。这允许简单的性能诊断。

本发明可以被用来减轻或补偿任何期望的未对准，而不仅仅是线性倾斜。

本发明提供一种电感式传感器设备23，其具有标尺24，该标尺24具有多个标尺元件26，该标尺元件26提供在测量方向M上延伸的至少一行27中的场图案S（x）。电感式传感器设备23的至少一个接收电路34具有至少一个接收线圈35。接收线圈35和标尺24可在测量方向M上相对于彼此移动。至少一个接收线圈35在测量方向M上从第一端部47延伸到第二端部48。它具有直接邻近第一端部47的第一端部区段49和直接邻近第二端部48的第二端部区段51。在两个端部区段49、51之间提供了中间区段50。区段49、50、51中的每一个包含接收线圈35的至少一个并且优选地至少两个环37。在两个端部区段49、51中，环37的环面积量在从紧挨着中间区段50的环37朝向相应的端部47或48的方向上逐环减小。这样的环设计提供了对接收线圈35与标尺24之间的未对准的减轻或补偿。

部件清单：

20 测量仪器

21 内钳口

22 外钳口

23 电感式传感器设备

24 标尺

25 传感器单元

26 标尺元件

27 标尺元件的行

28 标尺环

32 发射电路

33 发射线圈

34 接收电路

35 接收线圈

36 电压源

37 接收线圈的环

41 第一导体

42 第二导体

43 电路板

43a 电路板的层

43b 电路板的层

44 交叉方位

47 接收线圈的第一端部

48 接收线圈的第二端部

49 第一端部区段

50 中间区段

51 第二端部区段

60 标尺包络线的第一端部

61 标尺包络线的第二端部

62 标尺包络线的第一端部区段

63 标尺包络线的第二端部区段

64 标尺包络线的中间区段

α 倾斜角度

C_ei 接收线圈的端部区段环面积量（i=1，2，3，...）

C_m 接收线圈的中间区段环面积量

D_ei 标尺包络线的端部区段中的标尺元件的端部区段面积量（i=1，2，3，...）

D_m 标尺包络线的中间区段中的标尺元件的中间区段面积量

E_i 接收线圈的包络线（i=1，2，3 ......）

ES 标尺元件的标尺包络线

ei 由于包络线的加权因子（i=1，2，3 ......）

ki 由于倾斜的倾斜因子（i=1，2，3 ......）

L 纵轴

lc 线圈长度

le₁ 第一端部区段的长度

le₂ 第二端部区段的长度

lm 中间区段的长度

M 测量方向

p 标尺间距

P（x）灵敏度图案

P*(x) 经修改的灵敏度图案

S（x）场图案

Ti 倾斜系数（i=1，2，3 ......）

Vr 接收电压

V（ΔX）取决于相对位置的总耦合

x 测量方向上的变量

Δx 接收线圈和场图案沿x轴的相对位置

Y 高度轴线

Claims

1.一种电感式传感器设备（23），其包括：

标尺（24），其具有多个标尺元件（26），所述多个标尺元件（26）被适配成产生在至少一行（27）中并且在测量方向（M）上延伸的场图案（S（x）），

传感器单元（25），其中所述传感器单元（25）和所述标尺（24）可在所述测量方向（M）上相对于彼此移动，

其中所述传感器单元（25）包括：分别具有至少一个接收线圈（35）的至少一个接收电路（34），所述接收线圈被适配成检测所述场图案（S（x）），

其中所述至少一个接收线圈（35）中的每一个包含：在测量方向（M）上彼此邻近布置的环（37），其中每个环（37）包围环面积（C_m，C_ei），

其中所述至少一个接收线圈（35）在测量方向（M）上在第一端部（47）与第二端部（48）之间延伸并且具有在第一端部（47）与第二端部（48）之间在测量方向（M）上的线圈长度（lc），所述线圈长度（lc）与标尺元件（26）的至少一行（27）的长度相比更短，

其中所述至少一个接收线圈（35）具有直接邻近所述第一端部（47）的第一端部区段（49）、直接邻近所述第二端部（48）的第二端部区段（51）以及在两个端部区段（49，51）之间的中间区段（50），

其中被布置在每个端部区段（49，51）中的至少一个环（37）的环面积的量（C_ei）小于被布置在所述中间区段（50）中的至少一个环（37）的环面积的量（C_m），因此向所述环（37）提供至少一个接收线圈（35）的具有不同权重的灵敏度图案P（x），

其特征在于至少一个接收线圈（35）的灵敏度图案P（x）具有对于一系列倾斜加权函数T（x）来说P*（x）=P（x）T（x）的平均值为零的属性，所述倾斜加权函数T（x）描述在测量方向（M）上在传感器单元与标尺之间的倾斜和/或未对准。

2.一种电感式传感器设备（23），其包括：

标尺（24），其具有多个标尺元件（26），所述多个标尺元件（26）被适配成产生在至少一行（27）中并且在测量方向（M）上延伸的场图案（S（x）），其中每个标尺元件（26）包围标尺元件面积（D_m，D_ei），

其中所述至少一个接收线圈（35）中的每一个包含：在测量方向（M）上彼此邻近布置的环（37），其中在所述至少一个接收线圈（35）的第一端部（47）与第二端部（48）之间在测量方向（M）上的线圈长度（lc）与标尺元件（26）的至少一行（27）的长度相比更长，

其中所述标尺元件（26）由在测量方向（M）上在第一端部（60）与第二端部（61）之间延伸的标尺包络线（ES）围绕，并且具有直接邻近所述第一端部（60）的第一端部区段（62）、直接邻近所述第二端部（61）的第二端部区段（63）以及在两个端部区段（62，63）之间的中间区段（64），

其特征在于被布置在每个端部区段（62，63）中的至少一个标尺元件（26）的标尺元件面积的量（D_ei）小于被布置在所述中间区段（64）中的至少一个标尺元件（26）的标尺元件面积的量（D_m），使得所述场图案（S（x））具有对于一系列倾斜加权函数T（x）来说总耦合V(Δx)的平均值

为零的属性，其中所述总耦合V(Δx)是灵敏度图案P（x）的平均值

与场图案（S（x））的平均值

的乘积，所述倾斜加权函数T（x）描述在测量方向（M）上在传感器单元与标尺之间的倾斜和/或未对准。

3.根据权利要求1或2所述的电感式传感器设备，其中所述至少一个接收线圈（35）在每个端部区段（49，51）中具有至少两个环（37），或者其中在所述标尺元件（26）的标尺包络线（ES）的每个端部区段（62，63）中布置至少两个标尺元件（26）。

4.根据权利要求3所述的电感式传感器设备，

其中所述环面积的量（C_ei）或所述标尺元件面积的量（D_ei）朝向所述第一端部区段（49）中的第一端部（47）逐环（37）或逐标尺元件（26）减小，并且其中所述环面积的量（C_ei）或所述标尺元件面积的量（D_ei）朝向所述第二端部区段（51）中的第二端部（48）逐环（37）或逐标尺元件（26）减小。

5.根据权利要求1或2所述的电感式传感器设备，

其中提供被适配成产生磁场（B）的具有至少一个发射线圈（33）的发射电路（32），并且其中所述标尺元件（26）是无源场影响元件，所述无源场影响元件被提供以影响所述发射线圈（33）的磁场（B）以产生所述场图案（S（x））。

6.根据权利要求5所述的电感式传感器设备，其中所述发射电路（32）是所述传感器单元（25）的部分。

7.根据权利要求5所述的电感式传感器设备，其中所述至少一个发射线圈（33）围绕一个所分配的接收电路（34）的至少一个接收线圈（35）。

8.根据权利要求1或2所述的电感式传感器设备，

其中被布置在所述接收线圈（35）的中间区段（50）中的环（37）具有相等的环面积量（C_m）或者其中被布置在所述标尺包络线（ES）的中间区段（64）中的标尺元件（26）具有相等的环面积量（D_m）。

9.根据权利要求1所述的电感式传感器设备，

其中所述至少一个接收线圈（35）具有垂直于所述测量方向（M）的线圈高度，其中所述线圈高度在所述第一端部区段（49）中从所述第一端部（47）朝向所述中间区段（50）增加，并且其中所述线圈高度在所述第二端部区段（51）中从所述中间区段（50）朝向所述第二端部（48）减小。

10.根据权利要求9所述的电感式传感器设备，

其中所述线圈高度和所述线圈长度（lc）由围绕所述至少一个接收线圈的包络线（E）限定。

11.根据权利要求9或10所述的电感式传感器设备，

其中所述接收电路（34）包含具有不同线圈长度（lc₁，lc₂）和/或不同包络线（E1，E2）的至少两个接收线圈（35）。

12.根据权利要求1或2所述的电感式传感器设备，

其中所述至少一个接收线圈（35）中的每个环（37）与所述标尺元件（26）的峰值耦合（ki）取决于它们的相对取向而给出，并且其中，加权因子（ei）被应用于表示其环面积量（C_m，C_ei）或标尺面积量（D_m，D_ei）的每个环（37）或标尺元件（26），并且其中限定所述环面积量（C_m，C_ei）或标尺面积量（D_m，D_ei）以便磁场图案P*（x）和所述接收线圈（35）的总耦合V（Δx）在具有最小总耦合V（Δx）的第一相对位置和具有最大总耦合V（Δx）的第二相对位置处具有相等且相反的量。

13.根据权利要求1或2所述的电感式传感器设备，

其中所述线圈高度和所述线圈长度（lc）由围绕所述至少一个接收线圈（35）的包络线（E）限定，其中所述包络线（E）优选地以耦合函数的傅里叶变换及其导数中的至少一个在傅里叶域中的零波数处为零的方式来限定。

14.根据权利要求1或2所述的电感式传感器设备，其中所述至少一个接收线圈（35）的每个环（37）相对于在测量方向（M）上延伸的纵轴（L）具有对称的形状。

15.根据权利要求1或2所述的电感式传感器设备，

其中在测量方向（M）上所述端部区段（49、51；62、63）的端部区段长度（le₁，le₂）和/或所述中间区段（50；64）的中间区段长度（lm）对应于在测量方向（M）上延伸的纵轴（L）处的环（37）或标尺元件（26）的尺寸的整数倍。

16.根据权利要求1或2所述的电感式传感器设备，

其中所述至少一个接收线圈（35）由被布置在电路板（43）的一层（43a）中的第一导体（41）或所述第一导体（41）的部分（41a）和被布置在所述电路板（43）的另一层（43b）中的第二导体（42）或所述第二导体（42）的部分（41a）限定。

17.根据权利要求16所述的电感式传感器设备，

其中所述第一导体（41）的一部分（41a）和所述第二导体（42）的一部分（42a）交替布置，以便形成在纵轴（L）的一侧上具有正弦曲线形状并且在所述纵轴（L）的相反侧处具有通过使在所述纵轴（L）的一侧上的所述正弦曲线形状镜像而获得的形状的环。

18.根据权利要求1或2所述的电感式传感器设备，

其中被布置在所述接收线圈（35）的第一端部区段（49）中的每个环具有被布置在所述接收线圈（35）的第二端部（51）中的配对环，其具有相同的环面积量（C_ei）和/或相同的形状，或者其中被布置在所述标尺包络线（ES）的第一端部区段（62）中的每个标尺元件（26）具有被布置在所述标尺包络线（ES）的第二端部区段（63）中的配对标尺元件（26），其具有相同的标尺元件面积量（D_ei）和/或相同的形状。