CN110823409A - 用于确定旋转元件的温度和旋转特性的传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出用于确定围绕旋转轴线的旋转元件的温度和旋转特性的传感器系统。传感器系统包括：温度传感器，设置成用于感测旋转元件的温度，其中，温度传感器具有询问单元、天线和传感器元件，其中，询问单元设置成用于将电发送信号发送到天线上并且用于从天线接收电接收信号，其中，天线设置成用于基于发送信号在传感器元件中产生表面波并且基于在传感器元件中反射的表面波产生接收信号，其中，接收信号与旋转元件的温度成比例。传感器系统还包括感应式位置传感器，设置成用于感测关于旋转元件的旋转特性的信息。传感器系统还包括分析处理单元，设置成用于产生具有关于所感测温度的信息的第一信号和具有关于旋转特性的信息的第二信号。

Description

用于确定旋转元件的温度和旋转特性的传感器系统

技术领域

本发明涉及一种用于确定围绕至少一个旋转轴线的旋转元件的温度和至少一个旋转特性的传感器系统。

背景技术

由现有技术已知大量感测旋转元件的至少一个旋转特性的传感器。这种传感器的示例在Konrad Reif(编者)：Sensoren im Kraftfahrzeug，第二版，2012年，第63-74页和第120-129页中进行了描述。例如可以借助霍尔传感器确定内燃机的凸轮轴相对于具有所谓的相位发送器轮的曲轴的位置。

例如为了实现在电动车中的牵引，经常要么使用异步电机要么使用同步电机，它们分别由位置固定的定子和转动的转子组成。定子通常承载三个例如以120°/p彼此错开的绕组线，其中，p代表极偶的数量。在异步电机中，转子通常由在端部环形短接的导电棒组成。在转子场转动时，这样可以在棒中感应出引起电流流动的电压，该电流流动又建立反向磁场并且出现旋转运动。当转子场和定子同样快地转动时，所感应出的电压为零。转速差出现，该转速差被称为转差率并且限定马达的转矩。在同步电机中，转子包括承载励磁器线圈的电枢

在该电枢中流过直流电并且产生静态磁场。替代于此地，可以使用永磁体作为转子。那么涉及恒定励磁同步电机，其由于无功励磁可以具有更高的效率并且可以更适用于牵引应用。转子的转速原则上可以与励磁场的转速相同。转矩可以取决于相位偏移、即定子场和转子之间的角度差。为了调节转矩、操控换流器并且相应地提供定子线圈信号，对于异步电机必须已知转子的转速并且对于同步电机必须已知转子的绝对角位置。在两种情况下，同步电机和异步电机尤其基于功能安全性的原因要附加地确定转动方向。此外，电机的最大功率可以通过定子和转子温度限界。

为了获取转子位置，已知的是使用所谓的解角器(Resolver)。该解角器是电磁测量变换器，在该测量变换器中转子包转速稳定地装配在马达的轴上。一个励磁器线圈以及多个接收器线圈圆环形环绕地装配在定子上。励磁器线圈被加载以交变电压信号并且以电磁交变场遍布整个组件。与旋转角度有关地，可以在第一接收器线圈中感应出正弦形振幅调制的电压，而在第二接收器线圈中感应出余弦形振幅调制的电压。励磁器信号的提供以及信号的读取可以在用于马达调节的控制器内部的动力电子部件或专用结构组内部实现。然而，解角器需要相对多的结构空间、要求复杂的信号提供和处理并且必须以非常小的机械公差装配，以便达到足够高的精度。由于这些提到的原因，系统花费会是相应高的。此外，由于位置原因不可能将冗余的接收线圈系统装配到解角器的定子上，以便提高传感器的可用性。这样传感器的停止运行会导致车辆“保持不动”。

基于定子绕组的绝缘漆的受限界的耐热性，定子温度对于在定子线圈中的最大电流强度并且由此对于所输出的转矩会是决定性的。已知的是，为了确定温度使用温度传感器，该温度传感器被卷绕到定子线圈中。借助于模型可以推断出温度分布。因为笼式转子中恒定地流过高电流，转子温度特别在异步电机中会是重要的，该转子温度迄今未被获知并且仅通过模型计算出。特别地，关于转子温度的缺少的测量信息限界电机的性能并且使得具有相应花费和不精确性的建模变得必不可少，参见DE 10 2014 213 103。在恒定励磁同步电机的情况下，过高的转子温度会导致永磁体的退磁。在异步电机的情况下，转子温度确定转矩精度的品质。

此外已知的是基于表面波的温度传感器(SAW＝Surface Acoustic Waves，表面声波)。这些温度传感器主要用于高压-架空导线的温度监控，因为所述温度传感器能够无线地读取并且高温度分辨率/精度是可能的。基本的测量原则基于声速的温度相关性。

发明内容

因此，在本发明的框架下提出一种用于确定围绕至少一个旋转轴线的旋转元件的温度和至少一个旋转特性的传感器系统。在本发明的框架下，“传感器”原则上理解为适用于感测至少一个测量参数的任意设备。“系统”可以理解为具有至少两个部件的任意设备。相应地，用于确定温度和旋转特性的传感器系统理解为设置成用于感测、例如测量至少一个温度和至少一个旋转特性并且例如可以产生相应于所感测特性的至少一个电信号、如电压或电流的传感器系统。也可以感测特性的组合。在本发明的框架下，“旋转特性”原则上理解为至少部分地描述旋转元件的旋转的特性。在这里，所述特性例如可以涉及角速度、转速、角加速度、角位置或可以至少部分地表征旋转元件的连续的或不连续的、均匀的或不均匀的旋转或转动的其他特性。旋转特性例如可以涉及位置、尤其是角位置、转速、角加速度或这些参数中的至少两个参数的组合。也可以感测其他特性和/或特性的其他组合。在本发明的框架下，“角位置”原则上理解为能旋转的设备、例如旋转元件或发送器轮轮关于垂直于旋转轴线的轴线而言的旋转角度。

传感器系统尤其可以设置成使用在机动车中，尤其应用于电机的牵引应用。在本发明的框架下，“旋转元件”原则上理解为围绕至少一个轴线旋转的任意元件。旋转元件例如可以是轴，例如在驱动装置中的轴、如凸轮轴或曲轴。例如可以确定凸轮轴的角位置或凸轮轴的转速或凸轮轴的角加速度或这些参数中的至少两个参数的组合。也可以感测其他特性和/或特性的其他组合。

传感器系统包括至少一个温度传感器，该温度传感器设置成用于感测旋转元件的至少一个温度。在此，温度传感器具有询问单元、天线和传感器元件。询问单元设置成用于将电发送信号发送给天线并且用于从天线接收电接收信号。天线设置成基于发送信号在传感器元件中产生表面波并且基于在传感器元件中反射的表面波产生接收信号。接收信号与旋转元件的温度成比例。

此外，传感器系统包括至少一个感应式位置传感器，该感应式位置传感器设置成用于感测关于旋转元件的旋转特性的至少一个信息。在本发明的框架下，“感应式位置传感器”原则上可以理解为能够产生相应于所感测特性的信息、尤其是信号、尤其是测量信号、尤其是电测量信号、例如电压或电流的任意传感器，其中，测量信号的产生基于磁通量的变化。所感测特性尤其可以包括位置、例如角位置。感应式位置传感器尤其可以是感应式磁性传感器。感应式位置传感器尤其可以是感应式转子方位传感器或转子位置传感器。然而另外的构型原则上也是可能的。

此外，传感器系统包括至少一个分析处理单元，该分析处理单元设置成用于产生具有关于所感测温度的至少一个信息的至少一个第一信号和具有关于旋转特性的至少一个信息的至少一个第二信号。在此，“分析处理单元”通常可以理解为电子设备，该电子设备设置成用于分析处理由感应式位置传感器和/或温度传感器产生的信号。为了该目的，例如可以在感应式位置传感器和/或温度传感器和分析处理单元之间设置一个或多个电子连接件。分析处理单元例如可以包括至少一个数据处理设备、例如至少一个计算机或微控制器。数据处理设备可以具有一个或多个易失性和/或非易失性数据存储器，其中，数据处理设备例如可以在程序技术方面设置成用于操控感应式位置传感器。分析处理单元例如可以中心地构造或也可以分散地构造。也可以考虑其他构型。在分析处理单元中的信号分析处理可以这样进行，使得分析处理单元分析处理由温度传感器和感应式位置传感器接收的所有信号并且转化成两个输出信号、即第一和第二信号。第一信号可以代表温度，而第二信号呈现为旋转特性、例如转速。第一和第二信号可以都是模拟的、都是数字的或者一个是模拟的并且一个是数字的。

询问单元可以面向旋转元件。由此不妨碍电信号由天线的发送和接收。

询问单元和/或天线和/或传感器元件可以布置在感应式位置传感器上或内部。由此表明温度传感器和感应式位置传感器的紧凑布置。

传感器元件可以具有用于产生表面波的产生元件和至少一个反射器，其中，产生元件由压电材料制造。优选地，在这里使用铌酸锂或钽酸锂，因为这些材料具有高温度系数并且因此表面波的速度最大化地取决于温度。在此，通过在产生元件上施加电压可以产生表面波。

产生元件可以构造为叉指结构。通过施加电压使产生元件暂时部分被拉紧(压电效应)。优选地，叉指结构由铝制造，因为该材料具有小的阻尼。替代地，所有导电材料是可能的。

传感器元件可以具有多个反射器。优选地，所述多个反射器彼此间隔开地布置。由此可以实现关于温度分布的说明。

天线可以与传感器元件电接触。这简化了信号传递。在此，所述接触可以直接地或借助于另外的元件间接地实现。

天线可以构造为半波偶极子天线(Lambda-Halbe-Dipolantenne)。在此，天线由一个或多个导电元件组成。这些导电元件必须适配于系统的频率，以便保证优化的传递。替代地，天线可以构造为螺旋形的圆线圈。天线例如以平面的、基本上螺旋形的圆线圈的形式例如在射频识别标签(RFIDTags)的情况下实现，该天线在电路板上实现。

感应式位置传感器可以具有至少一个电路载体。“电路载体”可以理解为以下设备，在该设备上可以布置有至少一个电构件。电路载体可以柔性地构型。电路载体尤其可以包括柔性材料。电路载体尤其可以从以下组中选择出：电路板、尤其是刚柔电路板、如弯曲的刚柔电路板；刚性电路板、尤其是具有槽口的刚性电路板；薄板和印刷电路、尤其是“印刷电路板”(PCB)。

电路载体可以与旋转轴线基本上共轴地布置。电路载体例如可以基本上圆形地或圆段形地围绕下面描述的传感器系统的发送器轮轮或发送器轮轮的圆段。在本发明的框架下，概念“基本上圆形地”原则上理解为，所描述的构件具有曲率半径。曲率半径可以在构件内部以0％至80％、优选以0％至50％、更优选以0％至20％并且特别优选以0％至5％的值改变。曲率半径尤其也可以是恒定的。替代地或附加地，电路载体也可以由两个或更多个段组成，所述段例如可以分别平面地或也弯曲地构型并且例如可以相互连接。即使当各个段例如相切地布置时，所述段在整体上同样可以与旋转轴线共轴地布置。此外，电路载体可以布置在壳体中、尤其是注塑壳体中。

感应式位置传感器可以具有至少一个线圈组件，该线圈组件布置在电路载体上。线圈组件可以包括至少一个励磁器线圈和至少两个接收器线圈。在本发明的框架下，“线圈组件”原则上可以理解为包括至少一个线圈的任意设备。在本发明的框架下，“线圈”原则上理解为具有电感并且适用于在电流流过时产生磁场和/或在存在磁场时产生电流的任意构件。线圈例如可以包括至少一个完全或部分闭合的导体回线或绕组。在本发明的框架下，“励磁器线圈”原则上理解为在施加电压和/或电流时产生磁通量的线圈。励磁器线圈可以具有至少一个励磁器绕组。在本发明的框架下，“接收器线圈”原则上理解为适用于基于励磁器线圈和接收器线圈之间的感应式耦合产生与感应式耦合有关的信号的线圈。线圈组件例如可以具有接收器线圈系统。在本发明的框架下，“接收器线圈系统”原则上可以理解为包括至少两个、优选至少三个接收器线圈的任意设备。

励磁器线圈基本上可以圆形地构型。关于概念“基本上圆形地”参照上面的定义。励磁器线圈和接收器线圈可以如2017年6月23日提交的DE10 2017 210 655.7所述的那样构型。接收器线圈可以在周向方向上基本上完全环绕旋转轴线，其中，每个接收器线圈通过多个相邻的部分绕组形成，其中，相邻的部分绕组关于电流流动方向相反地取向。在此，每个部分绕组关于从旋转轴线向外延伸的径向方向由至少两个向左弯曲的圆弧形的印制导线的区段和至少两个向右弯曲的圆弧形印制导线的区段形成。所有向左弯曲的和所有向右弯曲的印制导线具有相同的曲率半径。所有向左弯曲的印制导线和所有向右弯曲的印制导线在围绕旋转轴线的两个同心圆、即具有第一半径的第一圆和具有第二半径的第二圆之间延伸，其中，存在第三圆，该第三圆与第一圆同心并且具有第三半径，该第三半径由第一半径和第二半径的平均值得出，其中，向右弯曲的第一印制导线延伸经过三个点：经过位于第一圆上的第一点；经过位于第三圆上的并且相对于第一点沿周向方向扭转测量范围的四分之一的第二点；并且经过位于第二圆上的并且相对于第一点沿周向方向扭转测量范围的一半的第三点。向右弯曲的另外的印制导线由前面的向右弯曲的印制导线通过围绕旋转轴线沿周向方向转动测量范围的一半得出。向左弯曲的印制导线通过向右弯曲的印制导线分别在径向线处的镜像得出，该径向线从旋转轴线延伸经过各个向右弯曲的印制导线与第三圆的交点。在此，接收器线圈的部分绕组可以限定为接收器线圈的一部分，该部分由接收器线圈的彼此不相交的印制导线围绕。部分绕组的取向通过经由接收器线圈的电流流动确定。相反取向的部分绕组在电流流经接收器线圈时分别具有相反的电流流动，即在具有第一取向的部分绕组中电流沿顺时针方向或者说向右流经部分绕组，在具有相反的第二取向的部分绕组中电流沿逆时针方向或者说向左流经部分绕组。部分绕组可以仅示例性地如具有弯曲侧面的菱形那样构造。这种菱形的四个侧面例如可以通过两个向左弯曲的印制导线和两个向右弯曲的印制导线的各两个分段构造。在此，在向左弯曲的印制导线的形成部分绕组的至少两个区段中的电流流动方向例如可以是彼此相反的。同样地，在向右弯曲的印制导线的形成部分绕组的至少两个区段中的电流流动方向是彼此相反的。在此，部分绕组的构造可以这样设置，使得当从旋转轴线出发并且沿径向方向走向的假想直线延伸经过接收器线圈的内部时，该直线与接收器线圈的向左弯曲和向右弯曲的圆弧形印制导线相交。以该方式，例如也可以实现，在接收器线圈中感应出的交变电压的振幅或测量信号基本上作为正弦函数与旋转角度相关。

感应式位置传感器可以包括数量为n的接收器线圈，其中，n是正整数。n个接收器线圈所生成的正弦形信号相对彼此可以相位偏移。在n＝2时，相邻的正弦形信号例如可以具有2π/(2n)和/或360°/(2n)的相位间隔。此外，在n≥3时，相邻的正弦形信号例如可以具有2π/(n)和/或360°/(n)的相位间隔。刚好两个接收器线圈的相邻的正弦形信号尤其可以具有90°的相位间隔。刚好三个接收器线圈的相邻的正弦形信号尤其具有120°的相位间隔。

感应式位置传感器可以具有至少一个专用集成电路(ASIC)，该专用集成电路布置在电路载体上。“专用集成电路”(ASIC)原则上可以理解为已实施为集成电路的任意电子电路。

专用集成电路可以设置成用于提供用于励磁器线圈的励磁器信号。专用集成电路可以布置在电路载体上并且连接到刚好一个励磁器线圈和至少两个接收器线圈上。“提供励磁器信号”可以理解为，专用集成电路设置成产生励磁器信号和/或专用集成电路设置成使励磁器线圈加载以励磁器信号。在本发明的框架下，“励磁器信号”可以理解为电信号、尤其是至少一个交变电压和/或至少一个交变电流。励磁器信号可以是基本上正弦形的励磁器信号。在本发明的框架下，“正弦形”原则上理解为具有正弦曲线的走向的任意形状。例如可以包括完全的正弦曲线的走向或者仅包括正弦曲线的一部分。“基本上正弦形”可以理解为具有完全正弦形走向的实施方式，其中，可以考虑不大于正弦形状的绝对值的20％、尤其不大于10％、甚至不大于5％的偏差。在此，“完全的正弦曲线”尤其可以理解为包括至少一个周期的正弦曲线的走向。在这里，正弦曲线可以在正弦曲线的零点或者其他任意点开始。正弦形状例如也可以区段式地由其他函数组成，使得整体上得出近似的正弦形状。励磁器信号可以具有在0.1V至10V的范围中的、优选5V的振幅。励磁器信号可以具有1MHz至10MHz的范围中的、优选3.5MHz的频率。专用集成电路可以具有至少一个振荡器电路。振荡器电路例如可以驱动LC振荡器，在该LC振荡器中励磁器线圈和电容器作为确定频率的元件起作用。通过向励磁器线圈加载以励磁器信号，可以产生电磁交变场，该电磁交变场耦合到接收器线圈中并且在那里例如感应出相应的交变电压和/或交变电流。感应式位置传感器可以设置成用于感测励磁器线圈和所述至少一个接收器线圈之间的感应式耦合和/或感应式耦合的改变。励磁器线圈可以设置成用于对以励磁器信号的加载做出响应而产生电磁交变场。励磁器线圈和接收器线圈可以这样耦合，使得电磁交变场在接收器线圈中感应出交变电压。接收器线圈可以这样布置，使得接收器线圈在旋转元件围绕旋转轴线以恒定的角速度旋转时生成与旋转角度有关的信号。

专用集成电路可以设置成用于处理由接收器线圈产生的信号并且作为至少一个第一输出信号在至少一个第一输出端处提供并且作为至少一个第二输出信号在至少一个第二输出端处提供。作为“第一”和“第二”输出信号的名称理解为纯名称并且尤其不说明顺序或是否存在其他输出信号。“处理”原则上可以理解为信号处理的任意操作以便产生输出信号，例如分析处理、过滤和解调。信号处理可以数字地和/或模拟地进行。优选地，信号处理纯模拟地进行。专用集成电路尤其可以设置成用于通过在接收器线圈中感应出的信号借助载波信号、即也称为发送线圈的励磁器线圈的信号的解调来推断出耦合的量值和相位。所述量值尤其可以随着旋转角度连续地变化。相位例如可以为0°或180°。专用集成电路可以具有至少一个解调设备，该解调设备设置成用于解调、尤其是同步接收器线圈的信号。解调可以包括与励磁器信号的相乘。尤其在使用具有关于测量范围而言的90°相位偏移的两个接收器线圈时，例如可以通过所述量值与余弦函数的相乘产生优选无偏移的正弦/余弦系统。在使用具有关于测量范围而言典型的120°相位偏移的三个接收器线圈时，尤其可以产生三相正弦信号，该正弦信号例如可以通过使用克拉克变换转变成正弦/余弦系统。然后可以借助于反正切函数推断出旋转角度。专用集成电路可以具有至少一个低通滤波器。低通滤波器可以具有在50kHz直至500kHz的范围中的、优选100kHz的极限频率。下极限频率可以显示为明显较低，因为仅应补偿偏移，从而例如0.1Hz已足够。专用集成电路例如可以首先解调接收器线圈的信号并且随后借助于低通滤波器滤波。专用集成电路可以具有至少一个放大器。放大器可以设置成用于放大接收器线圈的信号、尤其是已滤波的信号。“放大”可以理解为信号振幅的增大。专用集成电路还可以设置成用于给接收器线圈的信号加载以DC(直流)偏移。第一输出信号和第二输出信号可以从第一和第二输出端例如经由至少一个电信号导线、尤其是线缆传递到第二分析处理单元、尤其是与电路载体分开构型的分析处理单元上。

传感器系统可以具有可以与旋转元件连接的至少一个发送器轮轮。在本发明的框架下，“发送器轮轮”原则上可以理解为可与旋转元件连接的以下任意构件，该构件设置成在与旋转元件连接的情况下旋转元件每转一圈产生至少一个可测量信号、尤其是磁场变化。发送器轮轮例如可以与旋转元件恒定地或可翻转地连接，或者也可以与旋转元件一件式地构造或集成到旋转元件中。发送器轮轮可以具有发送器轮轮型廓。在本发明的框架下，“发送器轮轮型廓”原则上可以理解为型廓元件和布置在型廓元件之间的中间空间的整体。在本发明的框架下，发送器轮轮的“型廓元件”原则上可以理解为发送器轮轮的轮廓的任意造型，尤其是突出部、例如销形、齿形或锯齿形突出部或槽口或凹部、例如孔。

发送器轮轮例如可以构型用于根据其位置“遮闭”接收器线圈结构的区域。由此可以根据旋转角度影响发送器轮线圈结构和接收器线圈之间的耦合。耦合系数的典型值区域例如可以为-0.3至+0.3。在此，耦合系数尤其可以理解为接收信号和发送信号或励磁器信号之间的振幅比例。耦合系数尤其可以随着旋转角度正弦形地变化。

线圈组件可以基本上圆段形或圆形地围绕发送器轮轮或发送器轮轮的至少一个圆段。线圈组件、尤其是布置在电路载体上的线圈组件尤其可以在发送器轮轮的至少一个角位置中遮盖发送器轮轮的至少一个型廓元件和在两个型廓元件之间的至少一个中间空间。

发送器轮轮可以旋转对称地构型。发送器轮轮可以具有相同数量的导电翼和不导电或导电性能较差的翼和/或凹槽。导电翼可以具有第一开口角度α并且不导电或导电性能较差的翼和/或凹槽具有第二开口角度β。第一和第二开口角度的和可以相应于感应式位置传感器的完整角度测量范围。第一和第二开口角度可以是相同的或不同的。发送器轮轮可以借助于螺栓连接和/或粘接连接固定在旋转元件上。

分析处理单元可以设置成用于由接收器线圈的信号推断出发送器轮轮的角位置Φ。传感器系统、尤其是感应式位置传感器可以设置成用于感测励磁器线圈和所述至少一个接收器线圈之间的感应式耦合和/或感应式耦合的变化。传感器系统尤其可以设置成，感测励磁器线圈和接收器线圈之间的通过发送器轮轮的运动和/或位置所引起的感应式耦合和/或通过发送器轮轮的运动和/或位置所引起的感应式耦合的变化。传感器系统尤其可以设置成用于由励磁器线圈和接收器线圈之间的通过发送器轮轮的运动和/或位置所引起的感应式耦合的变化确定旋转元件的绝对或相对角位置。在此，“相对角位置”原则上可以理解为关于通过接收器线圈限定的周期而言的位置。第二分析处理单元尤其可以设置成用于生成至少两个接收器线圈的至少两个信号的至少一个商信号。为了从由两个接收器线圈生成的两个信号中计算出角位置Φ，例如可以使用公式tanΦ＝sinΦ/cosΦ。为了从由三个接收器线圈生成的信号计算出角位置Φ，例如可以使用克拉克变换。分析处理单元尤其可以具有至少一个分析处理电路。分析处理电路尤其可以设置成用于分析处理位置传感器的信号。分析处理电路例如可以是处理器。分析处理单元尤其可以与电路载体分开地构型并且可以通过至少一个连接件、例如线缆与电路载体连接。感应式位置传感器可以设置成用于将第一和第二输出信号传输给分析处理单元。

在本发明的另一方面中，提出一种用于确定围绕至少一个旋转轴线的旋转元件的至少一个温度和至少一个旋转特性的方法。所述方法包括使用至少一个传感器系统。所述方法包括下列步骤，优选以所说明的顺序。除了所提到的方法步骤之外附加地，所述方法也可以包括另外的方法步骤。所述方法步骤是：

通过至少一个温度传感器感测旋转元件的至少一个温度，

将电发送信号发送给天线，

借助于天线在传感器元件中产生表面波，

借助于天线基于在传感器元件中反射的表面波产生接收信号，

借助于询问单元从天线接收电接收信号，其中，接收信号与旋转元件的温度成比例，

通过所述至少一个感应式位置传感器感测关于旋转元件的旋转特性的至少一个信息；

通过至少一个分析处理单元产生具有关于所感测温度的至少一个信息的至少一个第一信号和具有关于旋转元件的旋转特性的至少一个信息的至少一个第二信号。

所述方法在使用根据本发明的、即根据上面提到的实施方式中的一个实施方式或根据下面还要详细描述的实施方式中的一个实施方式的传感器系统的情况下进行。相应地，对于限定和可选的构型可以在很大程度上参照对传感器系统的描述。然而原则上另外的构型也是可能的。

在本发明的框架下，还提出一种计算机程序，该计算机程序在计算机上或计算机网络上运行时以根据本发明的方法的构型中的一种构型实施所述方法。在本发明的框架下，还提出一种具有程序编码介质(Programmcode-Mitteln)的计算机程序，以便当在计算机或计算机网络上实施所述程序时以根据本发明的方法的构型中的一种构型实施所述方法。程序编码介质尤其可以存储在计算机可读的数据载体上。在本发明的框架下，还提出一种数据载体，在该数据载体上存储有数据结构，该数据结构在加载到计算机或计算机网络的工作存储器和/或主存储器之后能够以根据本发明的方法的构型中的一种构型实施所述方法。在本发明的框架下，也提出一种具有存储在机器可读的载体上的程序编码介质的计算机程序产品，以便当所述程序在计算机或计算机网络上实施时以根据本发明的方法的构型中的一种构型执行所述方法。在此，计算机程序产品理解成作为可交易的产品的程序。所述计算机程序产品原则上能够以任意形式存在，这样例如分布在纸上或计算机可读的数据载体上并且尤其可以通过数据传递网络分布。最后，在本发明的框架下，提出一种调制数据信号，该调制数据信号包含计算机系统或计算机网络可实施的指令以用于实施根据所述实施方式中的一种实施方式的方法。

相对于已知的设备和方法，所提出的设备和所提出的方法具有多种优点。尤其可能的是，提供用于直至超过400℃的高温的温度测量和获取其他机械参数的有利传感器设计。这样例如能够实现位置解析的温度测量。不需要在热转子上的有源构件，由此提升系统的可靠性。不需要用于温度传感器的能量源，因为该温度传感器纯无源地工作。直接测量的转子转速可以用于在时间方面彼此相继的转子位置测量的可信度测试并且因此提升功能安全性。能够实现转子和轴承、震动、不平衡的状态监控。光电二极管的高极限频率允许动态变化的快速测量和感测。根据本发明的用于旋转角度感测的测量原理不进一步引起外来磁场的影响，例如由于在传感器附近布置的线缆内部的高电流。根据本发明的用于旋转角度感测的测量原理由于高载体频率实际上不受转速限界。

附图说明

本发明的其他可选细节和特征由下面对附图中示意性示出的实施例的描述得出。

附图示出：

图1根据实施方式的根据本发明的传感器系统的示意性示图；

图2温度传感器的示意性示图；

图3温度传感器的天线和传感器元件的示意性示图；

图4发送器轮轮的实施例；

图5根据本发明的ASIC构造和感应式位置传感器的信号的再处理，和

图6根据本发明的传感器系统的信号形状。

具体实施方式

图1示出根据实施方式的根据本发明的传感器系统110的示意性示图。传感器系统110设置成用于确定围绕至少一个旋转轴线112的旋转元件114的至少一个旋转特性。传感器系统110尤其可以设置成用在机动车中。传感器系统110尤其可以设置成用于感测凸轮轴的至少一个旋转特性。传感器系统110例如可以设置成用于感测凸轮轴的角位置。相应地，旋转元件114例如可以是轴。在所示出的恒定励磁同步电机的情况下，所述轴可以承载永磁体116。定子线圈包118可以柱形地围绕该永磁体116布置。从动装置可以沿负z方向布置并且不再示出。在与从动装置相反的一侧上可以布置有B轴承120，该B轴承接收轴114。B轴承120可以与B轴承盖122连接。传感器系统110具有至少一个感应式位置传感器124。感应式位置传感器124可以包括至少一个电路载体125。电路载体125例如可以具有电路板，该电路板基本上圆环形地环绕旋转元件114并且在此优选遮盖360°的角度范围。B轴承120可以与B轴承盖122连接，该B轴承盖保持感应式位置传感器124。传感器系统110具有可以与旋转元件114连接的至少一个发送器轮轮126。在B轴承120和感应式位置传感器124之间可以布置有发送器轮轮126，该发送器轮轮与轴连接并且随着该轴转动。感应式位置传感器124可以具有包装。所述包装可以使感应式位置传感器124设有切削防护并且确保足够高的机械强度。所述包装可以通过直接注塑成型、以热固性塑料的传递模塑、热塑性塑料注塑成型或通过浇注的方法中的一个或多个方法实现。所述包装可以完全或部分地包围感应式位置传感器124的所有部件。所述包装可以具有至少一个连接元件、优选孔和/或凹槽，通过其可以将感应式位置传感器124例如借助螺栓连接固定在B轴承盖122上。替代地或附加地，感应式位置传感器124也可以借助夹子、粘接连接或其他方法安装在B轴承盖122上。原则上，所述构造也可以安装在另一侧(A轴承)上。

此外，传感器系统110具有至少一个温度传感器128，该温度传感器设置成用于感测旋转元件114的至少一个温度。温度传感器128例如可以设置成用于感测旋转元件114和/或发送器轮轮126和/或永磁体116的温度。可以假设，转子温度与发送器轮轮126或轴的温度相同。

传感器系统110具有至少一个分析处理单元130。例如可以通过线缆132使感应式位置传感器124与分析处理单元130连接。分析处理单元130可以提供感应式位置传感器124的电压供应。分析处理单元130可以接收感应式位置传感器124的输出信号并且由这些输出信号计算出转子位置和转子温度。感应式位置传感器124可以具有至少一个接触元件，线缆132可以固定在该接触元件上。接触元件可以是用于公触头(Rammkontakte)的孔、焊上的插头或垫，借助其可以使线缆132与电路载体125通过钎焊过程连接。

分析处理单元130设置成产生具有关于所感测的温度的至少一个信号的至少一个第一信号134和具有关于旋转特性的至少一个信息的至少一个第二信号。为了该目的，例如可以在分析处理单元130和温度传感器128和/或感应式位置传感器124之间设置有一个或多个电子连接件。分析处理单元130例如可以包括至少一个数据处理设备、例如至少一个计算机或微控制器。数据处理设备可以具有一个或多个易失性数据存储器和/或非易失性数据存储器，其中，数据处理设备例如可以在程序技术方面设置成用于操控感应式位置传感器124。在第一分析处理单元130中的信号分析处理可以这样进行，使得分析处理单元130分析处理所有由温度传感器128和感应式位置传感器124接收的信号并且转化成两个输出信号、即第一信号134和第二信号136。第一信号134可以代表温度，而第二信号136显示旋转特性、例如转速。第一信号134和第二信号136可以都是模拟的、都是数字的或者一个是模拟的并且一个是数字的。

图2示出温度传感器128的示意性示图。温度传感器128具有询问单元138、天线140和传感器元件142。询问单元138设置成用于将电发送信号发送给天线140并且用于从天线140接收电接收信号。天线设置成用于基于发送信号在传感器元件142中产生表面波并且用于基于在传感器元件142中反射的表面波产生接收信号。接收信号与旋转元件114的温度成比例。根据本发明，询问单元138在空间上与天线140和传感器元件142分开并且优选是感应式位置传感器124的部件。天线140和传感器元件142安装在旋转元件114上，如在图1中示出的那样。天线140和传感器元件142可以替代地布置在发送器轮轮126上。询问单元137面向旋转元件114。询问单元138和/或天线140和/或传感器元件142布置在感应式位置传感器124上或内部。

图3示出温度传感器128的天线140和传感器元件142的示意性示图。传感器元件142具有用于产生表面波的产生元件144。产生元件144由压电材料制造，该压电材料可以是结晶的。优选地，在这里使用铌酸锂或钽酸锂，因为这些材料具有高的温度系数并且因此表面波的速度最大化地取决于温度。产生元件144构造为叉指结构。波的产生例如可以通过以下方式实现：产生元件144通过施加电压暂时部分被拉紧。为此优选使用叉指结构，该叉指结构优选由铝构造，因为该材料具有小的阻尼。替代地，所有其他导电材料也是可能的。电压通过两个触点146、148供应。所述电压具有在几百kHz至几GHz的范围中的频率和在几mV至几V、例如100mV至10V的范围中的振幅。振幅和/或频率在时间上可以是恒定的或根据询问单元138的设计随时间改变。所述波在波的正x方向上沿着晶体表面传播并且以大约一半波长深地侵入到材料中。在传感器元件142的由导电材料制成的并且基本上由具有沿着y轴的延伸尺度的印制导线段组成的或者又可以由叉指结构组成的一个或多个反射器150上，初始表面波的至少部分被反射并且沿负x方向往回运行，直至所述部分在产生元件144的叉指结构中产生电信号，该电信号可以在触点146、148处被获取。信号的振幅和/或相位取决于信号运行时间，该信号运行时间除了反射器148和产生元件144的叉指结构之间的距离之外还取决于表面波的速度。因为该速度随着温度升高而以一级近似线性地下降，所以能够实现温度测量。在布置有多个反射器148的情况下，同样能够实现关于温度分布的说明。

通过天线140既实现电压的馈入以产生表面波也实现基于反射波的电信号、即接收信号的读回以计算温度，该天线可以由一个或多个导电元件152组成。这些导电元件必须适配于系统的频率，以便确保优化的传递。例如能够作为具有两个端子154、156的半波偶极子天线实现，所述端子与叉指结构的触点146、148直接地连接或通过未详细示出的其他元件连接。替代地，天线140也可以呈平面的、基本上螺旋形的圆线圈的形式实现，该圆线圈在电路板上实现。

询问单元138用于将电发送信号发送到天线140上并且接收天线的接收信号。所述信号是高频信号。在这里可以采取雷达技术的设计，例如FMCW雷达(FMCW-frequencymodulated continuous wave，调频连续波)。原则上产生并且测量高频的交变电压信号，以便由信号的比较求出相位和/或振幅比并且由此计算出温度。

询问单元l38的信号要么直接通过线缆132中的单独导线引导至分析处理单元130要么优选借助感应式位置传感器124的部件的分析处理电路再处理，然后通过合适的接口传递至分析处理单元130，该接口可以数字地或模拟地实施。

图4示出第一实施方式中的发送器轮轮126。示出的是对准感应式位置传感器124的轴线的俯视图。发送器轮轮126可以旋转对称地构型。发送器轮轮126可以具有相同数量的具有第一开口角度α的导电翼158和具有第二开口角度β的不导电或导电性能较差的翼和/或凹槽160。第一和第二开口角度的和可以相应于感应式位置传感器124的完整角度测量范围δ。第一和第二开口角度可以是相同的或不同大小的。优选地，可以构型有α＝β，其中，a相应于角度测量范围δ的一半。在另外的实施方式中，只要满足条件α+β＝δ，α也可以较小。角度测量范围可以借助同步电机的极对数量p根据δ＝360°/p来修正，并且对于导电翼158的数量n而言可以适用：n＝p＝360°/δ。发送器轮轮126在旋转元件114上的固定可以通过螺栓和/或粘接连接和/或以纵向挤压方法实现。

感应式位置传感器124可以具有至少一个专用集成电路(ASIC)162，其在图5中示出。

图5示出根据本发明的ASIC 162的构造和感应式位置传感器124的信号的再处理。感应式位置传感器124可以具有布置在电路载体125上的至少一个线圈组件164。线圈组件164可以具有至少一个励磁器线圈166和至少两个接收器线圈168。专用集成电路162设置成用于提供用于励磁器线圈166的励磁器信号。专用集成电路162可以设置成用于处理由接收器线圈168产生的信号并且作为输出信号例如提供给分析处理单元130。ASIC 162例如可以刚好连接到一个励磁器线圈166和至少两个接收器线圈168上。通过未详细示出的块170可以提供基本上正弦形的励磁器信号172，该励磁器信号供应给励磁器线圈166。块170例如可以是振荡器电路，该振荡器电路驱动LC振荡器，在该LC振荡器中励磁器线圈166以及至少一个未示出的电容器作为确定频率的元件起作用。励磁器信号172的振幅可以处于0.1V至10V的范围中、优选为5V，频率处于1MHz至10MHz的范围中、优选为3.5MHz。

专用集成电路162可以设置成用于处理由接收器线圈168产生的信号174、176。专用集成电路162可以具有至少一个解调设备178，该解调设备设置成用于对接收器线圈168的信号174、176进行解调、尤其是同步。解调可以包括与励磁器信号172的相乘。专用集成电路162可以具有至少一个低通滤波器180。低通滤波器180可以具有在50kHz直至500kHz的范围中的、优选100kHz的极限频率。专用集成电路162例如可以首先解调接收器线圈168的信号174、176并且随后借助于低通滤波器180滤波。专用集成电路162还可以具有至少一个放大器182。放大器182可以放大滤波信号。可选的是，所述放大器附加地加载以DC偏移。专用集成电路162可以设置成用于将处理的信号作为至少一个第一输出信号184在至少一个第一输出端186处提供并且作为至少一个第二输出信号188在至少一个第二输出端190处提供。第一输出信号184和第二输出信号188可以通过线缆132传递到分析处理单元130上。询问单元138提供输出信号192，该输出信号包含数字的或模拟的温度信息并且该输出信号直接与分析处理单元130接触或例如通过未详细示出的微控制器进行再处理。

示例性的信号变化曲线作为用于连续的旋转运动的旋转角度的函数在图6中示出。在接收器线圈168以及发送器轮轮126的根据本发明的构型中，作为旋转角度的函数得出解调的正弦形信号188以及解调的余弦形信号184。在分析处理单元130中可以使信号184、188数字化并且通过随后的反正切计算换算成旋转角度。

尽管感应式位置传感器124的元件与询问单元138分开地示出，但混合也是可能的。励磁器线圈166例如也可以用于与温度传感器128的天线140通信。

替代地或附加地，为了第一信号134和第二信号136在感应式位置传感器124中的信号处理，已经可以在温度传感器128本身中和/或在分析处理单元130中进行预处理。这样专用集成电路162可以具有至少一个开关元件。感应式位置传感器124可以具有至少一个控制单元，该控制单元设置成用于控制开关元件，这样使得在故障情况下中断专用集成电路162通向第一和第二输出端186、190的信号链并且第一和第二输出端186、190重新写入(überschreiben)至少一个故障信号。开关元件尤其可以具有开关。为了能够在故障情况下、例如马达失去控制、即转速不能控制地增大时快速地反应，可以有利地不在第二分析处理单元130中进行信号处理。这样能够在识别出故障情况时进行感应式位置传感器124的输出信号184、188的“打断”。控制单元可以设置成用于操控开关元件并且在故障情况下通过开关元件中断感应式位置传感器124的信号，并且使第一和第二输出端186、190分别重新写入至少一个故障信号。为此，故障信号可以呈现出不处于ASIC 162的通常的第一和第二输出信号184、188的信号的有效信号范围中的值。用于第一和第二输出端186、190的故障信号例如可以呈现相同的值，所述值关于可使用的电压范围而言要么最大要么最小。在这种情况下，通用的三角关系sin²+cos²＝1不再有效并且分析处理单元130可以使电极处于安全状态中、如主动短路。这样可以显著地提高功能安全性。原则上可以实施所述实施方式的混合形式。例如可以考虑，在预处理机械参数期间将温度通过接口发送至分析处理单元130，并且仅在出现确定条件时才重新写入感应式位置传感器124的信号。

Claims (14)

1.用于确定围绕至少一个旋转轴线(112)的旋转元件(114)的温度和至少一个旋转特性的传感器系统(110)，所述传感器系统包括：

至少一个温度传感器(128)，该温度传感器设置成用于感测所述旋转元件(114)的至少一个温度，其中，所述温度传感器(128)具有询问单元(138)、天线(140)和传感器元件(142)，其中，所述询问单元(138)设置成用于将电发送信号发送到所述天线(140)上并且用于从所述天线(140)接收电接收信号，其中，所述天线(140)设置成用于基于所述发送信号在所述传感器元件(142)中产生表面波并且基于在所述传感器元件(142)中反射的表面波产生所述接收信号，其中，所述接收信号与所述旋转元件(114)的温度成比例，

至少一个感应式位置传感器(124)，该感应式位置传感器设置成用于感测关于所述旋转元件(114)的旋转特性的至少一个信息，

至少一个分析处理单元(130)，该分析处理单元设置成用于产生具有关于所感测温度的至少一个信息的至少一个第一信号(134)和具有关于所述旋转特性的至少一个信息的至少一个第二信号(136)。

2.根据权利要求1所述的传感器系统(110)，其中，所述询问单元(138)面向所述旋转元件(114)。

3.根据权利要求1或2所述的传感器系统(110)，其中，所述询问单元(138)和/或所述天线(140)和/或所述传感器元件(142)布置在所述感应式位置传感器(124)上或内部。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器系统(110)，所述传感器系统还包括能够与围绕所述旋转轴线(112)的所述旋转元件(114)连接的至少一个发送器轮(126)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器系统(110)，其中，所述传感器元件(142)具有用于产生所述表面波的产生元件(144)和至少一个反射器(150)，其中，所述产生元件(144)由压电材料制造。

6.根据权利要求5所述的传感器系统(110)，其中，所述产生元件(144)构造为叉指结构。

7.根据权利要求5或6所述的传感器系统(110)，其中，所述传感器元件(142)具有多个反射器(150)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器系统(110)，其中，所述天线(140)与所述传感器元件(142)电接触。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器系统(110)，其中，所述天线(140)构造为半波偶极子天线或构造为螺旋形圆线圈。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的传感器系统(110)，其中，所述感应式位置传感器(124)具有至少一个电路载体(125)和布置在所述电路载体(125)上的至少一个线圈组件(164)，其中，所述线圈组件(164)包括至少一个励磁器线圈(166)和至少两个接收器线圈(168)。

11.根据权利要求10所述的传感器系统(110)，其中，所述感应式位置传感器(124)具有至少一个专用集成电路(ASIC)(162)，该专用集成电路布置在所述电路载体(125)上，其中，所述专用集成电路(162)设置成用于处理由所述接收器线圈(166)产生的信号(174、176)并且将所述信号作为至少一个第一输出信号(182)在至少一个第一输出端(184)处提供并且作为至少一个第二输出信号(186)在至少一个第二输出端(188)处提供。

12.根据权利要求11所述的传感器系统(110)，其中，所述专用集成电路(162)设置成用于提供用于所述励磁器线圈(166)的励磁器信号(172)，其中，所述励磁器信号(172)是基本上呈正弦形的励磁器信号，其中，所述励磁器信号(172)具有处于0.1V至10V的范围中的振幅，其中，所述励磁器信号(172)具有处于1MHz至10MHz的范围中的频率。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的传感器系统(110)，其中，所述感应式位置传感器(124)是感应式转子位置传感器。

14.用于确定围绕至少一个旋转轴线(112)的旋转元件(114)的至少一个温度和旋转特性的方法，其中，所述方法包括使用根据前述权利要求中任一项所述的至少一个传感器系统(110)，其中，所述方法还包括以下步骤：

通过所述至少一个温度传感器(128)感测所述旋转元件(114)的至少一个温度，

将电发送信号发送到所述天线(140)上，

借助于所述天线(140)在所述传感器元件(142)中产生表面波，

借助于所述天线(140)基于在所述传感器元件(142)中反射的表面波产生所述接收信号，

借助于所述询问单元(138)从所述天线(140)接收电接收信号，其中，所述接收信号与所述旋转元件(114)的温度成比例，

通过所述至少一个感应式位置传感器(124)感测关于所述旋转元件(114)的旋转特性的至少一个信息；

通过至少一个分析处理单元(130)产生具有关于所感测温度的至少一个信息的至少一个第一信号(134)和具有关于所述旋转元件(114)的旋转特性的至少一个信息的至少一个第二信号(136)。

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