DE10105828A1

DE10105828A1 - Sensor arrangement for non-contact detection of deformation and/or reversible or irreversible size alterations of bodies used for various applications e.g. to determine diameter of rotating non-metallic disc

Info

Publication number: DE10105828A1
Application number: DE2001105828
Authority: DE
Inventors: Sorin Fericean; Michael Friedrich; Markus Fritton; Cornelius Gaiser
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2001-08-09

Abstract

The sensor arrangement is designed with a resonant circuit (RLC) on the body (10), the damping of which varies, depending on the deformation and/or the size alteration of the body (10). At least one inductive (analogue) distance sensor (20, fig.2) is arranged at a distance from an inductance (L1) of the resonant circuit, for determining the damping. The resonant circuit is tuned to an electromagnetic field produced by the distance sensor (20) and is excited by this to vibrate.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur berüh rungslosen Erfassung von Deformationen und/oder rever siblen oder irreversiblen Größenänderungen von Körpern.The invention relates to a sensor arrangement for touch seamless detection of deformations and / or rever sible or irreversible size changes of bodies.

In vielen Fällen ist es erforderlich, Größenänderungen von Körpern zu erfassen. So ist es beispielsweise bei vielen Anwendungen erforderlich, den Durchmesser einer rotierenden nichtmetallischen Scheibe zu erfassen.In many cases it is necessary to change the size of bodies to grasp. For example, at many applications required the diameter of a to detect rotating non-metallic disc.

Hierzu werden beispielsweise auf eine Kunststoffscheibe elektrische Leiter aufgebracht, die von Tastern abgeta stet werden und so den Durchmesser der Kunststoffschei be erfassen. Eine solche Sensoranordnung ist ver schleiss- und verschmutzungsanfällig und daher nur be dingt einsetzbar.For this purpose, for example, on a plastic disc electrical conductors applied, which are touched by buttons and thus the diameter of the plastic disc be capture. Such a sensor arrangement is ver susceptible to wear and soiling and therefore only be really usable.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoranordnung der gattungsgemäßen Art zu vermitteln, welche eine ver schleissfreie und durch Verschmutzung nicht beeinträch tigbare Erfassung der Deformation und/oder der Größen änderung eines Körpers ermöglicht.The object of the invention is to provide a sensor arrangement to convey generic type, which a ver wear-free and unaffected by dirt Detectable deformation and / or sizes change a body.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung zur be rührungslosen Erfassung von Deformationen und/oder re versiblen oder irreversiblen Größenänderungen von Kör pern durch einen auf dem Körper angeordneten Schwing kreis, dessen Dämpfung in Abhängigkeit von der Deforma tion und/oder der Größenänderung des Körpers variiert, und durch wenigstens einen mit Abstand von einer Induk tivität des Schwingkreises angeordneten induktiven ana logen Abstandssensor zur Erfassung der Dämpfung gelöst. Eine solche Sensoranordnung ermöglicht auf technisch einfach zu realisierende Weise die Erfassung einer De formation und/oder Größenänderung eines Körpers.This task is carried out by a sensor arrangement non-contact detection of deformations and / or right versible or irreversible size changes of bodies through a vibration arranged on the body circle, whose damping depends on the deforma tion and / or the size change of the body varies, and by at least one at a distance from an induc Activity of the resonant circuit arranged inductive ana Logen distance sensor for detecting the damping solved. Such a sensor arrangement enables on technical easy to implement way of capturing a De formation and / or resizing of a body.

Vorteilhafterweise ist der Schwingkreis auf ein von dem Abstandssensor erzeugtes elektromagnetisches Feld abge stimmt und wird von diesem zu Schwingungen angeregt. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen abgestimmtem Schwingkreis und felderzeugendem Abstandssensor wirkt der Abstandssensor sowohl als Sender als auch als Emp fänger. The resonant circuit is advantageously on one of those Distance sensor generated electromagnetic field abge agrees and is stimulated to vibrate by it. Because of the interaction between matched Resonant circuit and field-generating distance sensor acts the distance sensor both as a transmitter and as an emp catcher.

Der Schwingkreis ist vorzugsweise ein RLC-Schwingkreis, wobei wenigstens ein Element des RLC-Schwingkreises in Abhängigkeit von der Deformation und/oder in Abhängig keit von der Größenänderung variiert und dadurch die Dämpfungswirkung beeinflusst.The resonant circuit is preferably an RLC resonant circuit, wherein at least one element of the RLC resonant circuit in Dependent on the deformation and / or dependent speed of the change in size and thereby the Damping effect.

Bei schwach gedämpften RLC-Schwingkreisen ist die Reso nanzfrequenz fR ungefähr die Eigenresonanzfrequenz f0 des verlustlosen LC-Resonanzkreises (Thomson'sche For mel):
In the case of weakly damped RLC resonant circuits, the resonance frequency fR is approximately the natural resonance frequency f0 of the lossless LC resonance circuit (Thomson's formula):

fR ≈ f0 = 1/2π(LC)^1/2 (1)fR ≈ f0 = 1 / 2π (LC) ^1/2 (1)

Setzt man den RLC-Schwingkreis als passives Dämpfungs element eines gegenüberliegenden aktiven LC- Resonanzkreises (Sensorelement des induktiven analogen Abstandssensors) ein, der bei der Resonanzfrequenz fR des passiven RLC-Schwingkreises schwingt, so kann man seine Dämpfungswirkung durch die Dämpfung d ausdrücken:
If the RLC resonant circuit is used as a passive damping element of an opposing active LC resonant circuit (sensor element of the inductive analog distance sensor) that vibrates at the resonant frequency fR of the passive RLC resonant circuit, one can express its damping effect by damping d:

wobei Q die Güte das RLC-Schwingkreises beschreibt.where Q describes the quality of the RLC resonant circuit.

Für schwach gedämpfte Serien- oder Parallelschwingkrei se hat die Dämpfung d_S bzw. d_P folgende Ausdrücke:
For weakly damped series or parallel resonant circuits, the damping d _S or d _{P has the} following expressions:

Die Dämpfung kann durch eine kontinuierliche und/oder stufenweise Änderung eines oder mehrerer Größen R, L, C beeinflusst werden.The damping can be done by a continuous and / or gradual change of one or more sizes R, L, C to be influenced.

Vorteilhaft erweist sich die Änderung des R-Wertes. Er stens hat diese Änderung eine vernachlässigbare Auswir kung auf die Resonanzfrequenz fR (1), verursacht also keine Frequenzverstimmung des Systems. Zweitens zeigen die Formeln (3) und (4) eine theoretisch lineare Abhän gigkeit der Dämpfung zum R-Wert. Aus diesem Grund weist das auf der R-Änderung beruhende Verfahren eine bessere Auswertbarkeit der Genauigkeit und Linearität auf. Sehr vorteilhaft ist die Verwendung eines Serienresonanz kreises, der eine bessere Kontrollierbarkeit infolge der direkten Proportionalität d_S-R ermöglicht.The change in the R value proves to be advantageous. First of all, this change has a negligible effect on the resonance frequency fR (1), so it does not cause a frequency detuning of the system. Second, the formulas (3) and (4) show a theoretically linear dependency of the damping on the R value. For this reason, the method based on the R change has a better evaluation of the accuracy and linearity. It is very advantageous to use a series resonance circuit, which enables better controllability due to the direct proportionality d _S -R.

Der Widerstand R kann dabei auch durch ein Wider standsnetzwerk gebildet sein, dessen Wert in Abhängig keit von der Deformation und/oder Größenänderung des Körpers kontinuierlich und/oder stufenweise variiert. Bei dieser Ausführungsform tritt lediglich eine Ände rung der Dämpfung, jedoch keine Änderung der Frequenz fR auf, die beispielsweise entstehen würde, wenn die Induktivität oder die Kapazität in Abhängigkeit von der Deformation und/oder Größenänderung des Körpers vari iert würde.The resistance R can also be a contra stand network, the value of which is dependent of the deformation and / or size change of the Body continuously and / or gradually varied. In this embodiment, only one change occurs damping, but no change in frequency fR that would arise, for example, if the Inductance or capacitance depending on the Deformation and / or change in size of the body vari would be.

Für einen stufenförmigen Verlauf umfasst der wenigstens eine Widerstand eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Leiterschleifen, die jeweils Widerstandselementen par allelgeschaltet sind und abhängig von der Deformation und/oder Größenänderung des Körpers unterbrochen wer den. Durch Unterbrechung der Leiterschleife ändert sich der Gesamtwiderstand dieses Widerstandsnetzwerks, die Unterbrechung wird durch die Deformation bzw. die Grö ßenänderung des Körpers hervorgerufen.For a step-like course, it comprises at least a resistor a plurality of series connected Conductor loops, each par resistance elements are allele-dependent and dependent on the deformation and / or resizing the body the. Interrupting the conductor loop changes the total resistance of this resistor network, the Interruption is caused by the deformation or the size changes in the body.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Körper als rotierende Scheibe ausgebildet ist, auf dem die Leiterschleifen im wesentlichen sternförmig in Radialrichtung angeordnet sind, wobei deren Länge in Radialrichtung variiert. Die Länge der einzelnen Lei terschleifen bildet auf diese Weise ein Maß für die Größenänderung der Scheibe, beispielsweise einer Kunst stoffscheibe.In an advantageous embodiment, that the body is designed as a rotating disc, on which the conductor loops are essentially star-shaped are arranged in the radial direction, their length in Radial direction varies. The length of each lei In this way, grinding is a measure of Resizing the disk, for example an art fabric disc.

Zur optimalen elektromagnetischen Ankopplung ist die Induktivität in Form einer Spule an den Abstandssensor angepasst und liegt dem Abstandssensor in wenigstens einem Bewegungszustand der rotierenden Scheibe gegen über. Auf diese Weise lässt sich auch die Drehzahl der Scheibe erfassen. For optimum electromagnetic coupling, the Inductance in the form of a coil to the distance sensor adjusted and is at least the distance sensor against a state of motion of the rotating disc about. In this way, the speed of the Capture the disc.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegen stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne rischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Er findung.Further advantages and features of the invention are counter stood the following description and the drawing rical representation of an embodiment of the Er finding.

In der Zeichnung zeigen:The drawing shows:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine von der Erfindung Gebrauch machende Sensoranordnung; Fig. 1 is a plan view of a solubilizing use of the invention the sensor arrangement;

Fig. 2 eine Seitenansicht der in Fig. 1 dargestell ten Sensoranordnung; Fig. 2 is a side view of the sensor arrangement shown in Fig. 1;

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild des RLC-Schwingkreises der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Sen soranordnung; Fig. 3 is a schematic diagram of the RLC resonant circuit of the sensor arrangement shown in Fig. 1 and Fig. 2;

Fig. 4a, b und c schematisch das Ausgangssignal der in Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellten Sensoranordnung; FIG. 4a, b and c schematically the output signal of the sensor arrangement shown in Fig 1 to Fig. 3.

Fig. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel einer von der Erfindung Gebrauch machenden Sensoranordnung und Fig. 5 shows another embodiment of a sensor arrangement making use of the invention and

Fig. 6 ein wiederum anderes Ausführungsbeispiel ei ner von der Erfindung Gebrauch machenden Sen soranordnung. Fig. 6 shows yet another embodiment of a ner sensor arrangement making use of the invention.

Im folgenden wird zunächst eine Sensoranordnung zur be rührungslosen Erfassung von irreversiblen Größenände rungen eines beweglichen Körpers in Form einer Kunst stoffscheibe 10 beschrieben.In the following, a sensor arrangement for the contactless detection of irreversible changes in size of a movable body in the form of a plastic disk 10 is first described.

Auf einer Kunststoffscheibe, dargestellt in Fig. 1 und Fig. 2, ist eine Kapazität C1, eine Induktivität L1 so wie eine Mehrzahl von Widerstandselementen R1, R2, R3 sowie sternförmig in Radialrichtung angeordneten Lei terschleifen LS1, LS2, LS3 angeordnet. Diese elektri schen Bauelemente bilden zusammen einen RLC-Serien- Schwingkreis, dessen Prinzipschaltbild in Fig. 3 darge stellt ist. Der Induktivität L1 gegenüberliegend ist ein induktiver analoger Abstandssensor, beipielsweise ein Abstandssensor der Gebhard Balluft GmbH & Co., Mo dell: BAW M08EL-UAD15B-BP03, mit einem Abstand s ange ordnet. Die Induktivität L1, die in wenigstens einem Bewegungszustand der Scheibe 10 dem induktiven analogen Abstandssensor 20 gegenüberliegt, ist zur elektromagne tischen Ankopplung an den Abstandssensor 20 an diesen angepasst. Die Wirkungsweise einer solchen Sensoranord nung wird im folgenden in Verbindung mit Fig. 4 erläu tert.On a plastic disc, shown in Fig. 1 and Fig. 2, a capacitance C1, an inductor L1 and a plurality of resistance elements R1, R2, R3 and radially arranged conductor loops LS1, LS2, LS3 are arranged. These electrical components together form an RLC series resonant circuit, the basic circuit diagram of which is shown in FIG. 3. Opposing inductor L1 is an inductive analog distance sensor, for example a distance sensor from Gebhard Balluft GmbH & Co., model: BAW M08EL-UAD15B-BP03, with a distance s. The inductance L1, which lies opposite the inductive analog distance sensor 20 in at least one movement state of the disk 10 , is adapted to the distance sensor 20 for electromagnetic coupling to the latter. The mode of operation of such a sensor arrangement is explained below in conjunction with FIG. 4.

Fig. 4a zeigt den zeitlichen Verlauf des Ausgangs signals der vorbeschriebenen Sensoranordnung. Bei dem Bewegungszustand der Scheibe 10, bei dem die Spule L1 dem Abstandssensor 20 nicht gegenüberliegt, liefert der induktive analoge Abstandssensor 20 ein Signal, das im wesentlichen einem unbedämpften Abstandssensor 20 ent spricht. Dieser Signalverlauf ist in Fig. 4 mit 41 be zeichnet. Fig. 4a shows the time course of the output signal of the sensor arrangement described above. In the state of movement of the disc 10 , in which the coil L1 is not opposite the distance sensor 20 , the inductive analog distance sensor 20 supplies a signal which speaks essentially an undamped distance sensor 20 . This waveform is shown in Fig. 4 with 41 be.

Immer wenn die Induktivität L1 dem Abstandssensor 20 dagegen gegenüberliegt, wird der auf der Scheibe 10 an geordnete RLC-Schwingkreis angeregt, wodurch dem induk tiven analogen Abstandssensor Energie entzogen wird. In diesem Falle sinkt das Ausgangssignal auf einen kleine ren Scheitelwert 42 ab. Aufgrund der Drehbewegung der Scheibe mit hoher Drehzahl weist das Signal hierdurch periodisch wiederkehrende Signalimpulse 43 auf.Whenever the inductance L1 opposes the distance sensor 20, on the other hand, the RLC resonant circuit arranged on the disc 10 is excited, as a result of which the inductive analog distance sensor is deprived of energy. In this case, the output signal drops to a small peak value 42 . Due to the rotational movement of the disk at high speed, the signal thereby has periodically recurring signal pulses 43 .

Aufgrund dieser Signalimpulse 43 ist eine Messung der Drehzahl der Scheibe 10 möglich.Based on these signal pulses 43 , a measurement of the speed of the disk 10 is possible.

In Fig. 4b ist ein derartiger Impuls 43 vergrößert dar gestellt. Die abfallende und ansteigende Flanke des Im pulses 43 beruht im wesentlichen darauf, dass die Spule L1 aufgrund ihrer Rotation den Sensor 20 zunächst teil weise, dann vollständig, sodann wieder nur teilweise überdeckt, bis sie aus dem "Fenster" des Abstandssen sors 20 aufgrund der Drehbewegung der Scheibe 10 gänz lich herausbewegt wird.In Fig. 4b, such a pulse 43 is shown enlarged. The falling and rising edge of the pulse 43 is based essentially on the fact that the coil L1 due to its rotation, the sensor 20 first partially, then completely, then only partially covered again until it out of the "window" of the distance sensor 20 due to the Rotational movement of the disc 10 is moved out completely.

Der in Fig. 4b gezeigte zeitliche Verlauf des Signalim pulses 43 entspricht dem einer unbeschädigten, d. h. vollständigen Kunststoffscheibe 10. In diesem Falle bilden den ohmschen Anteil R des RLC-Schwingkreises die Reihenschaltung mehrerer Segmente bestehend aus der Parallelschaltung jeweils eines Widerstandes R1 und ei ner Leiterschleife LSi (i = 1 bis 3). Wenn nun der Durchmesser der Scheibe 10 verkleinert wird, wird zu nächst die Leiterschleife LS1 unterbrochen, daraufhin bei einer weiteren Verkleinerung nacheinander die wei teren Leiterschleifen LS2 und LS3.The time course of the signal pulse 43 shown in FIG. 4b corresponds to that of an undamaged, ie complete, plastic disk 10 . In this case, the ohmic part R of the RLC resonant circuit is the series connection of several segments, each consisting of the parallel connection of a resistor R1 and a conductor loop LSi (i = 1 to 3). If the diameter of the disk 10 is now reduced, the conductor loop LS1 is first interrupted, and then the further conductor loops LS2 and LS3 are successively further reduced.

Durch Unterbrechung der Leiterschleifen LS1, LS2 bzw. LS3 vergrößert sich der Gesamtwiderstand R des Wider standsnetzwerks stufenweise. Dies hat zur Folge, dass sich der Scheitelwert 42 des Signalimpulses 43 verklei nert. Darüber hinaus ändert sich auch die Form des Si gnalimpulses 43. Aufgrund der Änderung des Scheitelwer tes 42 des Signalimpulses 43 kann nun auf eine Änderung des Durchmessers der Scheibe 10 geschlossen werden (Fig. 4c). Die Erfassung der Drehzahl der Scheibe ist durch geeignete Signalverarbeitung weiterhin möglich.By interrupting the conductor loops LS1, LS2 and LS3, the total resistance R of the resistance network increases gradually. As a result, the peak value 42 of the signal pulse 43 is reduced. In addition, the shape of the signal pulse 43 also changes. Due to the change in the peak value 42 of the signal pulse 43 , a change in the diameter of the disk 10 can now be concluded ( FIG. 4c). The speed of the disk can still be detected by suitable signal processing.

Der Vorteil der oben beschriebenen Sensoranordnung liegt darin, dass sie eine berührungslose und daher verschleissfreie und von Verschmutzungen praktisch nicht beeinflusste Erfassung einer Größenänderung der Scheibe 10 und deren Drehzahl ermöglicht.The advantage of the sensor arrangement described above is that it enables contactless and therefore wear-free detection of a change in size of the disk 10 and its speed, which is practically not influenced by dirt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung wird nachfolgend in Verbindung mit Fig. 5 erläutert. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel sind diejenigen Elemente, die mit denen des obenbeschriebenen ersten identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass bezüglich deren Beschreibung auf die Ausführun gen zum ersten Ausführungsbeispiel voll inhaltlich Be zug genommen wird.Another exemplary embodiment of a sensor arrangement is explained below in connection with FIG. 5. In this second exemplary embodiment, those elements which are identical to those of the first described above are provided with the same reference numerals, so that with regard to their description, reference is made to the contents of the first exemplary embodiment.

Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel wird bei dem in Fig. 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel die Größenänderung der Kunststoffscheibe durch die Än derung einer auf dieser angeordneten ringförmigen Kapa zität CR erfasst. Eine infolge einer Deformation ent stehende Durchmesserverringerung der Scheibe 10 führt zu einer Veränderung der ringförmigen Kapazität CR, so dass sich das Schwingungsverhalten des Schwingkreises ändert.In contrast to the first exemplary embodiment, in the second exemplary embodiment illustrated in FIG. 5, the change in size of the plastic disc is detected by the change in an annular capacity CR arranged on it. A resulting reduction in the diameter of the disk 10 as a result of a change in the annular capacitance CR, so that the vibration behavior of the resonant circuit changes.

Auch in diesem Fall wird eine irreversible Größenände rung der Scheibe 10 erfasst.In this case, too, an irreversible change in size of the pane 10 is detected.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 6, ändert sich das Schwingungsverhalten des Schwingkreises durch eine reversible Deformation eines beispielsweise quaderförmigen elastischen Körpers 50, auf dem eine Induktivität L1 angeordnet ist und dessen beispielsweise zwei Begrenzungsflächen 51, 52 einen Plattenkondensator CP bilden. Eine Deformation des Kör pers führt nun zu einer Änderung des Abstands der bei den Platten 51, 52 des Plattenkondensators und damit zu einer Änderung des Schwingungsverhaltens des Schwing kreises.In a third exemplary embodiment, shown in FIG. 6, the oscillation behavior of the oscillating circuit changes due to a reversible deformation of, for example, a cuboidal elastic body 50 , on which an inductor L1 is arranged and whose, for example, two boundary surfaces 51 , 52 form a plate capacitor CP. A deformation of the body pers now leads to a change in the distance of the plates 51 , 52 of the plate capacitor and thus to a change in the vibration behavior of the resonant circuit.

Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, son dern zur Erfassung von reversiblen und/oder irreversib len Deformationen und/oder Größenänderungen von prak tisch beliebigen Körpern verwendet werden kann.It is understood that the invention is not limited to the above illustrated embodiments is limited, son to detect reversible and / or irreversible len deformations and / or size changes of prak table any body can be used.

Claims

1. Sensor arrangement for contactless detection of deformations and / or reversible or irreversible size changes of bodies ( 10 ; 50 ), characterized by a resonant circuit arranged on the body ( 10 ; 50 ), the damping of which is dependent on the deformation and / or the size change of the body ( 10 ; 50 ) varies, and at least one inductive (analog) distance sensor ( 20 ) arranged at a distance from an inductance (L1) of the resonant circuit for detecting the damping.

2. Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the resonant circuit is matched to an from the position sensor ( 20 ) generated electromagnetic field and is excited by this to vibrate.

3. Sensor arrangement according to claim 1 or 2, characterized characterized that the resonant circuit is an RLC Resonant circuit is, and that at least one element of the RLC resonant circuit depending on the De formation and / or the size change and this affects the damping effect.

4. Sensor arrangement according to claim 3, characterized in that the at least one element is least least a capacitance or at least one inductance, the value of which changes as a function of the deformation and / or size change of the body ( 10 ; 50 ).

5. Sensor arrangement according to claim 3, characterized in that the at least one element is at least a least one resistor (R), the value of which varies in dependence on the deformation and / or size change of the body ( 10 ; 50 ).

6. Sensor arrangement according to claim 5, characterized in that the at least one resistor (R) comprises a plurality of conductors connected in series (LS1, LS2, LS3), each of which resistor elements (R1, R2, R3) switched in parallel are and depending on the deformation and / or the size change of the body ( 10 ; 50 ) are interrupted.

7. Sensor arrangement according to claim 6, characterized in that the body is a rotating disc ( 10 ) on which the conductor loops (LS1, LS2, LS3) are arranged essentially in a star shape in the radial direction, the length of which varies in the radial direction.

8. Sensor arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the inductance (L1) of the resonant circuit is a coil adapted to the distance sensor ( 20 ), which the distance sensor ( 20 ) in at least one state of movement of the body ( 10 ; 50 ) for electromagnetic coupling to the distance sensor ( 20 ).

9. Sensor arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the Bewegungsge speed of the body, in particular the speed of the disc ( 10 ), can be detected.