CN117677821A - 传感器以及具有传感器和紧固设备的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于距离测量和/或位置测量的传感器(1)，其具有基本上柱形的壳体(2)和根据感应、电容或涡流原理工作的传感器元件(5)，该传感器元件至少部分地布置在所述壳体(2)中，其特征在于，在所述壳体(2)的表面上构造有至少一个紧固区域(3)，该紧固区域在围绕所述壳体(2)的周向方向上延伸并且构造为凸出部或凹部，其中，所述壳体(2)能够仅以紧固区域(3)力配合地与紧固设备(9)连接。此外，提出了一种由这种传感器(1)和紧固设备(9)组成的系统。

Description

传感器以及具有传感器和紧固设备的系统

技术领域

本发明本发明涉及一种用于距离测量和/或位置测量的传感器，其具有基本上柱形的壳体和根据感应、电容或涡流原理工作的传感器元件，该传感器元件至少部分地布置在壳体中。

本发明还涉及一种具有这种传感器和紧固设备的系统。

背景技术

用于距离测量的传感器在不同的温度和距离下使用。如果想非常精确地测量距离，重要的是，了解或尽可能精确地确定传感器的由于温度变化而产生的热膨胀，以便能够尽可能好地补偿所述热膨胀。

不带螺纹的柱形传感器通常被夹紧在夹紧装置中。对于这种类型的夹紧，夹紧装置和传感器壳体之间的力配合的确切位置是未知的。特别是在周向夹紧的情况下，并不清楚传感器实际上被“夹紧”在哪里。由于传感器壳体或夹紧装置的微小公差，或者由于夹紧中的少量杂质(灰尘也或油脂/油)，力配合的位置无法精确确定，或者甚至可能随着时间的推移或在变化的温度情况下发生改变。

如果温度升高，传感器就会从夹紧位置开始，以壳体的通常特定于材料的膨胀系数膨胀。同时，夹紧装置也会由于其自身的特定于材料的膨胀系数而膨胀。这会导致传感器的测量元件(电极/线圈)由于膨胀而朝向或远离测量对象移动，这取决于传感器和夹紧装置的材料而定。结果是测量误差，因为相距测量对象的距离由于夹紧而改变。

然而，对于许多测量任务来说，只有测量对象的位置是重要的，因此必须尽可能消除传感器和夹紧装置的温度膨胀的影响。

特别是在例如利用电容式传感器的精密测量中，由不同温度膨胀引起的影响不容忽视。此类传感器通常具有纳米范围的分辨率。作为这些传感器的材料，通常使用低热膨胀率的镍钢(例如，热膨胀系数·＝1·10^-6/K的INVAR)，因为有源的传感器表面在温度变化时应尽可能保持恒定。

如果夹紧装置现在由常规的钢、例如不锈钢(1.4301，·＝16·10^-6/K)构成，则例如在夹紧装置的宽度为10mm(即夹紧位置在最大10mm上无法确定)且应用中的温度变化为100℃时，会出现相对膨胀量为(16-1)·10^-6/K·100K·10mm＝15μm。如果要在纳米范围内进行测量，这是一个很大的测量误差。

发明内容

因此，本发明的目的在于，设计和改进传感器以及具有传感器和紧固设备的系统，使得可以使用结构简单的机构在不同温度下进行可靠的测量。

根据本发明，通过权利要求1的特征实现关于传感器的上述目的。据此，用于距离测量和/或位置测量的所讨论的传感器具有基本上柱形的壳体和根据感应、电容或涡流原理工作的传感器元件，该传感器元件至少部分地布置在壳体中，其特征在于，在壳体的表面上构造有至少一个紧固区域，该紧固区域在围绕壳体的周向方向上延伸并且构造为凸出部或凹部，其中，壳体能够仅通过紧固区域力配合地与紧固设备连接。

关于该系统的上述目的通过权利要求12的特征来实现。由此提出了一种具有根据权利要求1至11中任一项所述的传感器且具有紧固设备的系统，其中，所述紧固设备具有用于接纳所述传感器的开口，并且其中，所述壳体能够仅以其紧固区域力配合地固定在所述紧固设备的开口中和/或处。

按照根据本发明的方式已经认识到，可以通过可再现地由限定的紧固区域确定夹紧位置来实现对至少基本上柱形的传感器的改进的夹紧；优选地，传感器仅以其紧固区域与紧固设备接触。这使得可以补偿由于不同的温度膨胀而导致的测量误差。换句话说，力配合的位置可以由紧固区域精确地限定。在此基础上，可以在后续的测量应用中计算已知点的膨胀或保持非常小的区域的膨胀，或者测量于是可在整个工作温度范围内极其精确地重复，并且可以在测量系统中主动被补偿。

术语“柱形”应在最广义上理解。因而它不一定必须是圆柱体；它还可以具有其他形状，例如多边形或椭圆形的底面、倾斜地构造和/或底面可以沿着柱体的高度变化。

有利地，凸出部可以具有最大0.05mm的高度，和/或凹部可以具有最大0.05mm的深度。由此能够以在构造上简单的方式实现紧固区域。替代地或附加地，壳体可以由钢(例如不锈钢)或钢合金制成。

以进一步有利的方式，紧固区域可以通过材料凹部与壳体的位于紧固区域之外的表面分开。通过这种构造措施，能够特别简单地相对于紧固设备定位传感器。还可想到的是，材料凹部构造为V形或U形或半圆形或梯形。例如可以通过车削来产生相应的几何形状。

根据另一有利的设计，紧固区域可由多个点状凸出部形成。由于点状凸出部，可以在传感器和紧固设备之间产生改进的力配合或改进的夹紧。这里可行的是，点状凸出部与壳体一体地构造，即从壳体加工出来。替代地，可以将凸出部安置到壳体上。

以进一步有利的方式，紧固区域可以围绕壳体环形地延伸。这种环绕的环可以在制造壳体时特别容易地加工出来，例如在车削壳体时加工出来。

以特别有利的方式，环形紧固区域的宽度可以选择为尽可能小，并且同时与壳体的尺寸相匹配，使得紧固区域足够宽，以防止壳体在与紧固设备连接的状态下歪斜。环形紧固区域的宽度应设计为尽可能小，以便尽可能精确地限定力配合或夹紧的位置。但需要注意的是，太窄的环形紧固区域会带来传感器在紧固设备中歪斜的风险。决定性的是环形紧固区域的宽度与壳体的长度或紧固设备的长度的比例关系。于是在壳体上产生了一个区域，该区域则在紧固设备中允许力配合的精确很多地限定的位置。有利地，紧固区域可以具有0.5mm至2.5mm、特别是1mm至2mm范围内的宽度。替代地或附加地，在传感器的轴向方向上，传感器的测量面与紧固区域之间的间距可以设计为使得至少实现补偿壳体和紧固设备的不同的温度膨胀。换句话说，可以选择该距离，使得实现最佳地补偿传感器壳体和紧固设备的不同的热膨胀系数。特别地，沿传感器的延伸方向观察，传感器的测量面(传感器端侧面)与紧固区域之间的间距可以是0.5mm至1.5mm，优选地2mm。传感器壳体的材料的膨胀系数越低，紧固区域可以在向测量面或传感器端侧面的方向上布置得越远。

根据有利的设计，紧固区域可以环形地围绕壳体延伸，并且壳体的在紧固区域中的外径可以大于壳体的在紧固区域之外的外径。具体地可想到的是，壳体的在紧固区域中的外径比壳体的在紧固区域之外的外径大至多0.05mm、特别是至多0.02mm、优选0.01mm。应适当选择紧固区域的外径与壳体其余部分的外径彼此间的比例关系。对于较大的传感器，紧固区域的较大外径才足够，例如在壳体直径为10mm时大0.05mm；对于较小的传感器，紧固区域的外径应选择得较小，例如在壳体外径为5mm时大0.01mm。

有利地，紧固设备被设计成使得传感器可以通过周向夹紧与紧固设备连接。替代地可想到的是，传感器能够布置在开口中，使得紧固件例如紧固螺钉或紧固销接合在壳体的紧固区域上。

现在存在各种不同的方式来有利地设计和改进本发明的教导。对此，一方面应当参考从属于权利要求1和12的权利要求，另一方面应当参考基于附图对本发明的优选实施例的以下介绍。结合基于附图对本发明的优选实施例的介绍，还介绍了该教导的一般优选的设计和改进。

附图说明

图1a是根据本发明的传感器的侧视图的示意图，

图1b是根据本发明的传感器的前视图的示意图，

图1c是图1a的放大细节的示意图，

图2是根据本发明的系统的截面图的示意图，

图3是根据图2的系统的另一个部分剖视图的示意图，

图4是根据本发明的系统的另一实施例的部分剖视图的示意图，

图5是根据图4的系统的另一个部分剖视图的示意图，

图6是系统的截面图的示意图，并且

图7是根据本发明的系统的另一实施例的截面图的示意图。

具体实施方式

图1a至图1c示出了传感器1，例如电容式位移传感器，其可以具有例如0.2mm的测量范围。在壳体2上构造有环形的紧固区域3，其中，紧固区域3也可以具有其他的几何形状。环形的紧固区域3例如可以位于传感器元件5的测量面4后面大约3mm至5mm处(图1b)。传感器1的壳体2例如可以具有6mm的外径和12mm的长度。在壳体2的这种尺寸设计情况下，环形的紧固区域3例如可以具有比传感器1的(柱形)壳体2的剩余部分的外径大0.01mm的外径6。环形的紧固区域3的宽度例如可以是2mm。因此，力配合的位置可由紧固区域3精确地确定，由此可以补偿在记录测量值时与温度相关的膨胀。

此外可以看出，环形的紧固区域3通过被设计为V形车削部的材料凹部7与壳体2的其余部分分开(在图1c中放大地示出)。

在图2和图3所示的实施例中，传感器1在壳体2上也具有环形的紧固区域3。此外可以看出，传感器1被装入到紧固设备9的开口8中。由于环形的紧固区域3的外径6略大于壳体2的其余部分的外径，因此传感器1仅通过紧固区域3与紧固设备9夹紧。为了产生周向夹紧，将设计为螺钉的紧固件10拧紧。

根据图4和图5的实施例对应于根据图2和图3的实施例，不同之处在于，夹紧的位置由环形的紧固区域3和被设计为螺钉的紧固件10的位置确定。在此可以看出，螺钉10精确地抵靠在限定的紧固区域3上，并且因此在极其精确地限定的位置处引起夹紧。

图6示出了一种系统，其中，传感器1没有紧固区域。如果传感器1通过紧固设备9被夹紧在保持器11中，则测量面4相距测量对象(未示出)的支撑面12具有一定的根据测量任务确定的基本距离D。由于所用材料的不同的取决于温度的膨胀系数，该基本距离D随着温度的变化而变化。

例如，如果传感器1由不锈钢(V4A)构成，但紧固设备9由铝构成，则当温度升高时紧固设备9比传感器1的壳体2膨胀得更多，这增大了基本距离D。如果传感器1不具有限定的紧固区域3，则力配合位置在轴向方向上沿夹紧区域13是不确定的。在极端情况下，力配合可能正好在起始端处(向测量面4的方向)或在末端处(向电缆出口/插头的方向)。

在图6和图7中，这两种极端情况被称为变型a)和b)：在情况a)中，力配合的位置更靠近传感器1的插头侧端部14。紧固设备9的用箭头15表示的相对膨胀在整个长度15上起作用。相反，传感器1的膨胀在相反的方向上起作用，用箭头16表示。由于不同的膨胀系数，基本距离D的所产生的变化很大。在情况b)中，力配合的位置位于传感器1的端侧的测量面4上。紧固设备的用箭头17表示的相对膨胀在整个长度17上起作用。相反，传感器1的膨胀沿如箭头18所示的相反方向起作用。由于不同的膨胀系数，基本距离D的所产生的变化很小。

因此，根据夹紧区域13的长度而定，相对膨胀会具有不同的大小，由此使得基本距离D以不可再现的方式改变，并伴随着对测量结果产生相应的不利影响。

图7示出，但如果借助紧固区域3将力配合的位置设置到在位置上、在此在轴向方向上窄地限定的的夹紧区域13，则即使温度变化，力配合的位置也可更好地再现。根据应用和所使用的材料而定，该位置可以例如更靠近测量面4的方向，或者也可以沿着相反方向更靠近电缆出口/插头。

关于根据本发明的装置的其他有利的设计，为了避免重复，参考说明书的概要部分和所附的权利要求书。

最后要明确指出的是，根据本发明的装置的上述实施例仅用于介绍要求保护的教导，而不是将其限制于这些实施例。

附图标记清单

1传感器

2壳体

3紧固区域

4测量面

5传感器元件

6(紧固区域的)外径

7材料凹部

8开口

9紧固设备

10紧固件

11保持器

12支撑面

13夹紧区域

14插头侧的端部

15(紧固设备的)膨胀

16(传感器的)膨胀

17(紧固设备的)膨胀

18(传感器的)膨胀。

Claims (14)

1.一种用于距离测量和/或位置测量的传感器(1)，具有基本上柱形的壳体(2)和根据感应、电容或涡流原理工作的传感器元件(5)，该传感器元件至少部分地布置在所述壳体(2)中，

其特征在于，在所述壳体(2)的表面上构造有至少一个紧固区域(3)，该紧固区域在围绕所述壳体(2)的周向方向上延伸并且构造为凸出部或凹部，其中，所述壳体(2)能够仅以紧固区域(3)力配合地与紧固设备(9)连接。

2.根据权利要求1所述的传感器(1)，其特征在于，所述凸出部具有最大0.05mm的高度，和/或所述至少一个凹部具有最大0.05mm的深度。

3.根据权利要求1或2所述的传感器(1)，其特征在于，所述紧固区域(3)通过材料凹部(7)与所述壳体(2)的位于所述紧固区域(3)之外的表面分开。

4.根据权利要求3所述的传感器(1)，其特征在于，所述材料凹部(7)构造为V形或U形或半圆形或梯形。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述紧固区域(3)由多个点状凸出部形成。

6.根据权利要求5所述的传感器(1)，其特征在于，所述点状凸出部与所述壳体(2)一体地构造，或者安置到所述壳体(2)上。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述紧固区域(3)环形地围绕所述壳体(2)延伸。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器(1)，其特征在于，环形的所述紧固区域(3)的宽度选择为尽可能小，并且同时与所述壳体(2)的尺寸相匹配，使得所述紧固区域(3)足够宽，以防止所述壳体(2)在与所述紧固设备(9)连接的状态下歪斜。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述紧固区域(3)环形地围绕所述壳体(2)延伸，并且所述壳体(2)的在所述紧固区域(3)中的外径(6)大于所述壳体(2)的在所述紧固区域(3)之外的外径。

10.根据权利要求9所述的传感器(1)，其特征在于，所述壳体(2)的在所述紧固区域(3)中的外径(6)比所述壳体(2)的在所述紧固区域(3)之外的直径大至多0.05mm、特别是至多0.02mm、优选0.01mm。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的传感器(1)，其特征在于，在所述传感器(1)的轴向方向上，所述传感器(1)的测量面(4)与所述紧固区域(3)之间的间距设计为使得实现补偿所述壳体(2)和所述紧固设备(9)的不同的温度膨胀。

12.一种具有根据权利要求1至11中任一项所述的传感器(1)且具有紧固设备(9)的系统，其中，所述紧固设备(9)具有用于接纳所述传感器(1)的开口(8)，并且其中，所述壳体(2)能够仅以其紧固区域(3)力配合地与所述紧固设备(9)连接。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述紧固设备(9)构造为使得所述传感器(1)能够通过周向夹紧与所述紧固设备(9)连接。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述传感器(1)能够布置在所述开口(8)中，使得紧固件(10)例如紧固螺钉或紧固销接合在所述壳体(2)的紧固区域(3)上。