CN110114636B - 位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种位移传感器(1)，包括：测量值指示器(2)和至少两个分配给测量值指示器(2)的传感器单元(3、4)，其中测量值指示器(2)能够相对于传感器装置(3、4)移动，并且具有沿着测量值指示器(2)至少一次从初始值变化到最终值的特征，该特征可以通过传感器单元(3、4)检测；和评估装置(6)，被构造为根据传感器单元(3、4)检测的特征值来确定测量值指示器(2)相对于传感器单元(3、4)的位置。本发明规定，测量值指示器(2)具有至少两个在运动方向上连续布置的区段(I‑IV)，沿着所述区段，特征相应地从至少初始值变化到至少最终值，其中所述区段(I‑IV)中的变化具有不同的斜率。

Description

位移传感器
技术领域
本发明涉及一种位移传感器，具有：测量值指示器以及至少两个分配给测量值指示器的传感器单元，其中测量值指示器相对于传感器单元是可移动的，并且具有沿测量值指示器变化的特征，该特征能够通过传感器单元检测；和评估装置，被构造为根据传感器单元检测的特征值来确定测量值指示器相对于传感器单元的位置。
此外，本发明涉及一种用于操作上述位移传感器的方法。
背景技术
为了监测或检测线性运动或旋转运动或由此涉及的路径，已知使用磁性、电感式或电容式的传感器装置。它们分别具有测量值指示器，该测量值指示器与要检测位置的元件固定连接，还具有一个或多个传感器单元，该传感器单元磁性地、电感式地地或电容式地监测测量值指示器的位置。因为测量值指示器具有在运动方向或位移方向上变化的特征，所以借助于传感器单元可以检测测量值指示器的唯一位置，只要该特征沿着运动路径改变，使得该特征的每个特征值仅出现一次。这能够确保简单地检测测量值指示器的位置，从而确保要监测的装置。
已知位移传感器的缺点在于，由于需要唯一的特征值，测量值指示器的运动范围受到限制。
发明内容
根据本发明的位移传感器具有的优点是：与已知的解决方案相比，测量路径或待检测的测量值指示器的运动路径可以显著延长。根据本发明，测量值指示器具有至少两个在运动方向上连续布置的区段，沿着该区段，该特征相应地至少从初始值变化到至少最终值，其中该区段中的变化具有不同的斜率。如上所述，待检测的特征在测量值指示器的运动方向上从初始值变化到最终值。因此，该特征由于变化而具有斜率，该斜率可以被传感器单元检测到。该变化的斜率是由沿测量值指示器的每个位移单元的特征变化而引起(从测量值指示器的运动方向看)。这使得可以通过位移传感器检测到特征曲线(测量值指示器纵向范围上的特征值)，该特征曲线反映了斜率。通过考虑或确定当前斜率，由此实现了可以在运动方向上区分测量值指示器的多个区段。因为测量值指示器在运动方向上具有特征的不同斜率，所以根据当前检测的斜率和当前检测的特征值可以确定测量值指示器所处的精确位置，即使相应的特征值在测量值指示器的整个路径上出现多次。对此的前提是，沿着测量值指示器的运动方向多次出现的特征值位于测量值指示器的具有不同斜率的区段中，从而确保检测的特征值与斜率唯一对应，并因此与测量值指示器的一个区段唯一对应。因此，根据本发明的位移传感器允许在测量值指示器上存在多个区段，在这些区段中特征不同地变化，其中在每个区段中可以出现一次相应的特征值。因此，该特征例如可以沿着相应的区段始终相同地改变，也就是说从相同的初始值到相同的最终值，但是通过不同长度的路径使得特征的变化存在不同的斜率。优选地，每个区段具有相同的初始值和相同的最终值，从而使特征重复地变化。替代地，初始值和/或最终值可以不同。在任何情况下，由于不同的斜率，使得相邻区段可以具有重叠的值范围，这可以通过不同的斜率彼此区分。
本发明的优选实施例还规定，测量值指示器的位于运动方向上的至少一个区段中的特征不会改变。这产生了所谓的钳位区域，在该钳位区域内位移传感器的传感器值不会改变。该钳位区域可以例如在测量值指示器的一端，或者例如在具有不同斜率的两个区段之间。
此外优选地，从测量值指示器的运动方向上看，位移传感器的传感器单元连续地布置。因此，例如即使在测量值指示器处于静止状态下，也可以确保通过传感器单元简单且可靠地检测斜率。
优选地，测量值指示器具有在测量值指示器的运动方向上改变方向的磁场作为特征，其中传感器单元被构造为检测磁场方向。在此，变化的磁场用作测量值指示器的特征，从而磁性地确定测量值指示器相对于传感器单元的位置。原则上，磁性工作的位移传感器是已知的，因此可以使用已知技术。与已知的解决方案相比，除了实际特征值之外，还检测并且评估磁场方向变化的斜率，以便确保唯一地确定测量值指示器的位置，如上所述。
根据第一实施例，测量值指示器优选地可移动地安装，使得位移传感器实现为线性位移传感器。
替代地，测量值指示器可旋转地安装，从而得到转动传感器，例如适合用于检测旋转角度。
根据优选实施例，测量值指示器具有特别是螺旋磁化的永磁体。由此得到一体式测量值指示器，易于操作和组装。
替代地，测量值指示器优选地具有多个在运动方向上彼此邻接的永磁体。由此可以实现具有磁场方向变化的不同斜率的多个区段，特别地，从运动方向上看，其中使用了具有不同纵向延伸的永磁体。
本发明的替代实施例优选地规定，传感器单元相应地都具有至少一个感应线圈，并且金属构造的测量值指示器具有在运动方向上改变的宽度作为特征。通过该实施例，实现了对测量值指示器的位置的电感式检测。同样规定沿测量值指示器的多个区段具有宽度变化(特征)的不同斜率，从而确保唯一地确定测量值指示器的位置。
另一替代实施例优选地规定，传感器单元被构造为电容传感器单元，并且金属构造的测量值指示器具有在运动方向上改变的宽度作为特征。因此，在这种情况下，代替电感式测量原理，实现了电容式测量原理。因此，得到了上述用于检测测量值指示器的明确位置的优点，以及实现了特别大的测量路径的可能性。
根据本发明的方法的其特征在于，借助于传感器单元来检测相应的特征的特征值，并且根据沿着测量值指示器检测的特征值来确定特征变化的斜率，其中从运动方向上看，该测量值指示器具有至少两个连续的区段，在这些区段中的变化的斜率是不同的，并且根据所检测的特征值和所确定的斜率来确定测量值指示器相对于传感器单元的位置。由此得到上面已经提到的优点。
特别地规定，该特征通过磁性地、电感式地或电容式地确定。根据应用和边界条件，多个变化方案中的一个被证明是有利的。优选地，测量值指示器的位置绝对地检测和/或通过差分测量来检测。在绝对测量中，检测特征值，该特征值已经确定了传感器单元的输出。然而，在差分测量中，两个传感器或传感器单元在两个不同位置处检测相同的测量量，从而可以得到不同的特征值。然后将所检测的特征值相互减(差分)，然后转换成传感器单元或位移传感器的输出量。通过该原理，位移传感器相对于干扰场或测量量的均匀扰动特别稳定，因为它们由于差分而不会成为输出量。
附图说明
在下文中，将参考附图更详细地解释本发明。其中：
图1A和图1B示出了有利的位移传感器的第一实施例；
图2A至图2C示出了有利的位移传感器的第二实施例；
图3A和图3B示出了有利的位移传感器的第三实施例；
图4示出了有利的位移传感器的第四实施例；
图5示出了有利的位移传感器的第五实施例。
具体实施方式
图1A以简化的透视图示出了有利的位移传感器1，其通过两个传感器单元3、4无接触地检测测量值指示器2的位置，其中测量值指示器2与(待检测滑动位置的)致动器元件固定地连接。如箭头5所示，测量值指示器2纵向可移动地安装。此外，测量值指示器2具有可通过传感器单元3、4检测的特征，通过该特征可以确定测量值指示器5相对于传感器单元3、4的位置。传感器单元3、4与评估装置6相连接，评估装置6根据传感器单元3、4的输出信号确定传感器2的位置。
本实施例规定，测量值指示器5被构造为磁性的测量值指示器。为此目的，测量值指示器2具有多个永磁体7_1至7_4，这些永磁体在根据箭头5的运动方向上连续地布置，并且交替地具有不同的极性，如箭头所示。永磁体7_1至7_4被布置成使得产生逐步的旋转磁场。本实施例规定，磁场在根据箭头5的位移方向上或平行于位移方向的平面中旋转。
传感器单元3、4各自具有磁场敏感的传感器，其例如被构造为霍尔传感器或XMR(AMR，GMR或TMR)传感器，检测作用在预定方向上的磁场分量。特别地，传感器单元3、4被构造用于检测测量值指示器2的磁场，并基于随磁场旋转的磁场分量确定测量值指示器2位于哪个位置。
在当前情况下，存在两对磁极7_1和7_2以及7_3和7_4，使得当测量值指示器2根据箭头5从其初始位置移动到最终位置时，可以检测到传感器单元3、4两次通过360°的磁性角度。因此，传感器单元3、4检测到两次测量值指示器的特征(磁场取向)的相同特征值。为了确保仍然可以进行明确的位置确定，测量值指示器2具有由永磁体7_1至7_4构成的两个区段I和II，在这些区段中磁体方向的变化具有不同斜率。
在当前情况下，这是通过使第一磁极对7_1和7_2在位移方向上比第二磁极对7_3和7_4更长来实现的。因此，当测量值指示器2恒定速度移动时，第一区段I中的磁场比第二区段II中的磁场旋转得慢。
图1B在图中示出了由位移传感器1产生并且由传感器单元3、4检测的特征曲线K，沿着位移路径从初始位置到最大终点位置smax，两次通过从0°到360°的磁角。事实证明，相比区段II，在第一区段I中磁场相对于位移路径旋转地更慢。
评估由传感器单元3、4确定的测量值指示器2的特征值的评估装置6根据传感器单元3、4的特征值来确定特征曲线K的斜率。由于传感器单元3、4在运动方向上的连续布置，这通过简单的转换成为可能。在当前情况下，评估装置6在第一区段I中识别出比在第二区段II中更小的斜率。考虑到当前斜率和检测的特征值，因此能够确保确定测量值指示器2的明确位置，因为相应检测的特征值对应于该斜率，并且因此对应于测量值指示器2的一个区段。
虽然根据本实施例，仅存在具有不同斜率的两个区段I和II，但是原则上可以具有不同斜率的任何数量的区段。
特别地，例如通过比较两个传感器单元3、4检测的特征值来确定斜率。由于传感器单元3、4在运动方向上连续地间隔布置，可以通过简单的计算来确定斜率。
图2A示出了位移传感器1的第二实施例，其中从前面的实施例中已知的元件具有相同的附图标记，并且参考上述说明。在下文中，基本上仅讨论差异。
与前一实施例相比，第二实施例特别地规定，位移传感器2不具有多个永磁体7_1至7_2，而是具有螺旋磁化的单个永磁体7。这使得测量值指示器2的磁场不仅在平行于滑动方向的平面中旋转，而且也在垂直于位移方向的平面中旋转。在这种情况下，根据本实施例，当磁场旋转或(作为测量值指示器2的特征的)磁场方向旋转时，因此存在不同的斜率。在当前情况下，永磁体7具有三个区段I、II和III，在这些区段中磁场旋转相对于位移路径具有不同的速度。与第一实施例类似，这是通过永磁体7的极区段在第一区段I中比在第二区段II中更长，并且在第二区段II中比在第三区段III中更长来实现的。这使得图2B中所示的特征曲线在区段I、II和III中具有不同的斜率。
虽然根据图1的实施例，仅存在具有不同斜率的两个区段I和II，但是根据第二实施例可以提供具有不同斜率的多个区段。根据特别优选的实施例，至少一个区段(位于末端或在具有不同斜率的两个相邻区段之间)具有零斜率或无斜率，使得测量值指示器2的特征值在该区段中不改变。
图2C示出了累积的特征曲线，其中将斜率输入到共同的特征曲线中并被考虑在内。这样存在的特征曲线对于测量值指示器2相对于传感器单元3、4的位置是唯一的，从而可以通过简单地读取特征曲线来明确地确定测量值指示器2的精确位置。这使得可以以有利的方式在360°磁性角度上进行测量。
为了减小外部干扰场的影响，还优选地规定，传感器单元3、4检测至少一个相同的测量量，以便通过形成差值来消除外部干扰场的影响。如果不需要，也可以进行绝对测量，其中省去差值形成。
图3A示出了位移传感器1的第三实施例。与前面的实施例相比，现在规定，传感器2不可移动，而是围绕旋转轴8可旋转地安装，如箭头12所示。从运动方向(即根据本实施例的圆周方向)观察，测量值指示器2再次具有三个区段I、II和III，其由沿运动路径延伸的不同距离的磁极对或磁极N、S产生。这也产生通过相应的区段I、II和III的特征曲线，如图3B所示。这至少基本上对应于图2B的特征曲线。因此，即使使用旋转传感器2也可以获得相同的传感器精度和可能性。同样，该特征曲线K可以组合以形成累积特征曲线。从图3B可以看出，由于不同形状的区段I、II和III，产生特征曲线的不同斜率，这可以被考虑用于确定传感器2的旋转角位置。根据斜率和当前记录的特征值来确定明确的位置。
传感器单元3、4在第三实施例中优选地在图上的一个平面中，如图3A中的虚线所示。通过有利实施例，在这种情况下，例如可以创建测量值指示器2的区段或区域，其在测量或位置确定期间提供不同的灵敏度。即使不必将测量值指示器2移动到已知的起始位置，也可以通过考虑斜率并通过简单测量来确保测量值指示器2的当前位置。
图4示出了位移传感器1的第四实施例，与前述实施例的不同，传感器单元3、4不检测磁场，但是作为电感式传感器，每个都具有感应线圈9、10，感应线圈9、10在测量值指示器2的运动方向上连续地布置。在该位移传感器1中，如前两个实施例中所述，测量值指示器2可线性移动地安装，并且在其纵向范围内或在根据箭头5运动方向上具有可变的宽度B。测量值指示器2通过感应线圈9、10的覆盖程度而改变感应线圈9、10的电感，随后进行检测和评估。在图4的实施例中，获得特征曲线，该曲线落入第一区段IV中并且在随后的第二区段V中上升。通过使用第二感应线圈10，现在可以通过考虑特征曲线的斜率来明确地确定测量值指示器2的位置。它也可以添加几个具有不同斜率的区段。特别地，图4中示出了具有相反符号的斜率的两个区段，从而在评估中产生优势。虽然根据本实施例，位移传感器1被构造为线性位移传感器，但是测量值指示器结构2也可以安装或缠绕在旋转测量值指示器2的外圆周或圆周上，例如如图3A所示。如果传感器单元3、4随后被分配给旋转测量值指示器2的圆周，则这里也可以进行明确的位置确定。
图5示出了位移传感器1的另一实施例，与图4的前述实施例的不同之处在于，测量值指示器2由金属材料制成，并且传感器单元3、4具有电容传感器11和12。由于区段IV和V中的不同斜率(如图4的实施例中那样在相反方向上对齐)，如上所述保证了明确的位置确定。而且，该方案可以以上述方式转变为旋转角度传感器，该旋转角度传感器具有可旋转安装的测量值指示器2或用于测量值指示器的主体。
本实施例的共同之处在于，通过评估特征曲线的斜率和检测的特征值的信息来确保位移传感器1明确的位置确定或明确的输出变量。在此可以考虑不同的测量原理。
根据第一测量原理，如上所述，执行绝对测量。两个传感器单元沿着测量值指示器移动的位移路径进行测量。因此，它们的输出信号(在测量值指示器或传感器单元3、4与测量值指示器2的已知距离处)的差异直接对应于特征曲线的斜率。因此，可以使用相同特征曲线的特征值和斜率来获得唯一的位置对应。
第二种可能性是使用两个传感器单元3、4，它们没有精确地沿着位移路径安装。因此，它们的输出信号(在测量值指示器的已知距离处)的差值至少类似于特征曲线的斜率，下文称为伪斜率。该特征值和伪斜率能够用于确定唯一的位置。因此，测量点或传感器单元3、4不必在位移方向上连续地布置，而是例如也可以彼此偏置。
第三种可能性是应用差分测量原理，如上所述。然后在沿着位移路径的两个位置处差分地测量。为此，需要在位移方向上间隔地布置传感器单元3、4。最终，该设计至少需要三个传感器，每个传感器原则上可以使用两次。差分输出信号(在测量值指示器或传感器单元3、4与测量值指示器2的已知距离处)直接与特征曲线斜率对应。因此，可以使用相同特征曲线的特征值和斜率来获得明确的位置确定。由于它是纯差分测量原理，因此对外部均匀干扰不敏感。重要的是，通过两个传感器单元3、4检测测量变量，从中可以形成差值。优选地，两个相同的测量变量分别由传感器单元确定，以便获得可比较的特征值，这些特征值通过差分测量能够相对于外部控制场变得稳定。
根据第四种可能性，提供了如第三种可能性那样差分地测量，但是其中传感器单元3、4不是精确地沿着路径，而是例如彼此横向偏移，从而确定如前所述的伪斜率，并且用于确定测量值指示器2的位置。在这种情况下，差分测量原理增强了抗外部干扰的稳定性。
第五种可能性是组合差分和绝对测量原理：主输出信号是差分，由两个测量值指示器或传感器单元3、4在两个位置差分地产生，如上所述。此外，绝对测量原理用于两个测量值指示器/传感器单元3、4。根据获得的绝对信号的差异，获得第二特征曲线的斜率。在这种情况下，优选地将差分测量的特征值与绝对测量的斜率进行比较或组合，以确保明确的位置确定。在这种情况下，如果差分角度信号被用作主要位置信息，则可以实现外场的稳定性，并且绝对信号仅通过最大指定外部场的作用而稍微改变，使得斜率的对应仍然保持唯一。

Claims (7)

1.一种位移传感器(1)，包括：
测量值指示器(2)以及至少两个分配给所述测量值指示器(2)的传感器单元(3、4)，其中所述测量值指示器(2)能够相对于所述传感器单元(3、4)移动，并且所述测量值指示器(2)具有沿着该测量值指示器(2)至少一次从初始值变化到最终值的特征，所述特征能够通过所述传感器单元(3、4)检测，和
评估装置(6)，被构造为根据所述传感器单元(3、4)检测的特征值来确定所述测量值指示器(2)相对于所述传感器单元(3、4)的位置，
其中所述测量值指示器(2)具有至少两个在运动方向上连续布置的区段(I-IV)，沿着所述区段，所述特征相应地至少从所述初始值变化到至少所述最终值，其中所述区段(I-V)中的变化具有不同的斜率，
其特征在于，
金属构造的所述测量值指示器(2)具有在运动方向上改变的宽度(B)作为特征，并且所述传感器单元(3、4)分别具有至少一个感应线圈(9、10)或者被构造为电容传感器(11、12)。
2.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述区段(I-V)中的至少两个具有所述特征的相同初始值和/或所述特征的相同最终值。
3.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述特征在位于所述测量值指示器的运动方向上的至少一个区段中不发生改变。
4.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述传感器单元(3、4)在所述测量值指示器(2)的运动方向上连续地布置。
5.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述测量值指示器(2)可移动地安装。
6.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述测量值指示器(2)可旋转地安装。
7.一种用于操作根据权利要求1至6中任一项所述的位移传感器的方法(1)，所述位移传感器具有测量值指示器(2)和至少两个分配给所述测量值指示器(2)的传感器单元(3、4)，其中所述测量值指示器(2)能够相对于所述传感器单元(3、4)移动，并且所述测量值指示器(2)具有沿着该测量值指示器(2)至少一次从初始值变化到最终值的可变特征，所述特征能够通过所述传感器单元(3、4)电感式地或电容式地检测，其中根据通过所述传感器单元(3、4)检测的所述特征的特征值来确定所述测量值指示器(2)相对于所述传感器单元(3、4)的位置，
其中借助于所述传感器单元(3、4)来测定所述特征的变化的斜率，其中从运动方向上看，所述测量值指示器(2)具有至少两个在运动方向上连续布置的区段(I-V)，沿着所述区段，所述特征相应地至少从所述初始值变化到至少所述最终值，其中所述区段(I-V)中的变化具有不同的斜率，其中根据所检测的特征值和所测定的斜率来确定所述测量值指示器的位置。
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