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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensorzeile zur
Positionserfassung mit mindestens zwei Magnetfeldsensoren, die ein
Magnetfeld detektieren und Signale abgeben, welche jeweils
einen Maximalwert, einen Minimalwert und einen
dazwischenliegenden Halbpegel aufweisen, und auf ein Verfahren zur
kontaktlosen, linearen Positionsmessung zwischen zwei Bauteilen,
mit der Verwendung zweier an einem ersten Bauteil befestigten
Magnetfeldsensoren, die ein Magnetfeld detektieren und
Signale abgeben, welche einen Maximalwert, einen Minimalwert und
einen dazwischenliegenden Halbpegel aufweisen.
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Das Prinzip solcher Sensoranordnungen ist im Stand der
Technik zur kontaktlosen Positionsmessung bekannt. Dabei wird die
Magnetfeldmessung eingesetzt, um durch Relativbewegungen
zwischen Permanentmagnet und Magnetfeldsensor ein Abstandssignal
zur Positionsmessung zu gewinnen. Ein Beispiel für eine
solche Anwendung findet sich in der WO 00/09972, bei der ein
Magnetfeldsensor als Positionssensor für einen
elektromechanischen Stellantrieb für Gaswechselventile einer
Brennkraftmaschine eingesetzt wird.
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Der Messbereich, der mit einem solchen Messverfahren
abgedeckt werden kann, hängt regelmäßig von den Eigenschaften des
Magnetfeldsensors sowie des Permanentmagneten ab. Dabei ist
die erreichbare Ortsauflösung gegenläufig zum Messbereich. Um
bei gleichbleibender Auflösung einen größeren Messbereich
abdecken zu können, ist es bekannt, mehrere Sensoren entlang
einer Längsachse aufzureihen, so dass eine Sensorzeile
erhalten wird.
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Die in solchen Sensorzeilen verwendeten Magnetfeldsensoren
sind insbesondere in Ausführungen verfügbar, bei denen in
einem Nahbereich zwischen zwei Endpositionen das vom Magnetsensor
abgegebene Signal annähernd linear verläuft, wodurch eine
hohe Auflösung des Messsignals und eine präzise
Positionsbestimmung möglich ist. Bei derartigen linearen
Magnetfeldsensoren ist der Permanentmagnet in der Regel stabförmig
ausgebildet. Er kann so ausgerichtet werden, dass seine
Magnetachse senkrecht zur Bewegungsrichtung, mit der der
Permanentmagnet über den Magnetfeldsensor bewegt wird, liegt.
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Magnetsensoranordnungen zur Positionsmessung haben den
Vorteil, dass nur geringer baulicher Aufwand nötig ist,
insbesondere können die Sensoren und Permanentmagneten sehr klein
gehalten werden. Darüber hinaus sind sie sehr robust und
insbesondere verschmutzungsunanfällig. Zur Auswertung wird
normalerweise das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors,
insbesondere wenn es, wie bei einem linearen Sensor, proportional
zur gemessenen Feldstärke ist, mittels einer festen
Kalibrationskurve innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereiches, der
im wesentlichen den vorerwähnten linearen Zusammenhang
wiedergibt, umgesetzt. Zur Auswertung der Magnetfeldsensoren
einer Sensorzeile wird dabei jeweils so zwischen den Signalen
der einzelnen Magnetfeldsensoren umgeschaltet, dass das
Signal eines jeden Sensors im Bereich optimaler Auflösung und
Signalstärke ausgewertet wird.
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Dabei müssen jedoch Signalschwankungen durch Einbautoleranzen
hinsichtlich der gegenseitigen Lage von Permanentmagnet und
Magnetfeldsensor so gering wie möglich gehalten werden, da
die Signale der Magnetfeldsensoren stark vom Abstand des
Permanentmagneten abhängen, mit dem dieser über die Sensorzeile
geführt wird. Auch sind Magnetfeldmessungen bei Anwendungen,
bei denen starke Temperaturunterschiede auftreten können,
nicht besonders vorteilhaft, da Temperaturänderungen zum
einen in der Regel eine Änderung des Abstandes zwischen
Magnetfeldsensor und Permanentmagnet mit sich bringen und zum
anderen die Koerzitivkraft der meisten Permanentmagneten stark
von der Temperatur abhängt. Für Anwendungen, bei denen die
dadurch bedingten Fehler nicht tolerierbar sind, bzw. bei denen
deren Vermeidung zu unverhältnismäßig hohen Kosten führen
würde, sind andere Sensoren bekannt, beispielsweise mit
optischen Sensorkonzepten. Diese sind jedoch in der Regel teurer
und haben andere Nachteile, wie Verschmutzungsanfälligkeit.
Auch ist es möglich, nach Temperaturmessungen eine
Fehlerkorrektur vorzunehmen. Dies ist aber ebenfalls aufwendig.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einer
kontaktlosen Positionsmessung der eingangs erwähnten Art mit
zwei Magnetfeldsensoren die Messgenauigkeit zu steigern und
die erwähnten Fehlereinflüsse hinsichtlich
Temperaturabhängigkeit und mechanischer Bauteiletoleranzen zu verringern.
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Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer Sensorzeile zur
kontaktlosen, linearen Positionsmessung mit mindestens zwei
Magnetfeldsensoren, die ein Magnetfeld detektieren und die Signale
abgeben, welche einen Maximalwert, einen Minimalwert und
einen dazwischenliegenden Halbpegel aufweisen, erfindungsgemäß
dadurch gelöst, dass die Magnetfeldsensoren so beabstandet
sind, dass ein Magnetfeldsensor einen Maximalwert abgibt,
wenn der unmittelbar benachbarte Magnetfeldsensor ein Signal
mit Halbpegel abgibt.
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Diese Sensoranordnung ermöglicht eine besonders vorteilhafte
Signalauswertung mit günstigem Signal/Rausch-Verhältnis. Die
Staffelung der Magnetfeldsensoren ist erfindungsgemäß nicht
mehr von der bloßen Ausdehnung der Sensoren abhängig, wie man
eigentlich erwarten würde, sondern wird auf das von den
Sensoren abgegebene Signal bezogen. Mithin spielen die
Empfindlichkeit der Magnetfeldsensoren und die Ausdehnung sowie die
Feldstärke der Magnetfeldquelle eine Rolle. Die Beabstandung
der Magnetfeldsensoren ist somit vorzugsweise
anwendungsabhängig zu wählen.
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Die Magnetfeldsensoren der erfindungsgemäßen Sensorzeile
können prinzipiell auf unterschiedlichste Magnetfeldquellen
abgestimmt sein. Dazu eignen sich sowohl bereits vorhandene
Magnetfeldquellen als auch speziell zu Messzwecken
eingerichtete. Vorteilhaft und wirtschaftlich ist es, wenn die
Magnetfeldsensoren einer Sensorzeile, die an einem ersten Bauteil
befestigbar ist, auf einen an einem zweiten Bauteil
befestigten Permanentmagneten eingestellt sind und Signale abgeben,
die von dessen Lage abhängig sind. Vorteilhaft ist es, dass
die Beabstandung der Magnetfeldsensoren in der Sensorzeile
passend zur Ausdehnung der Magnetfeldquelle, beispielsweise
eines Permanentmagneten, gewählt wird.
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Prinzipiell sind für die erfindungsgemäße Sensorzeile alle
geeigneten Magnetfeldsensoren tauglich, die ein
entsprechendes Signal abgeben, das zwischen einem Maximalwert und einem
Minimalwert mit dazwischenliegendem Halbpegel schwankt, wenn
der Permanentmagnet über die Magnetfeldsensoren geführt wird.
Besonders hohe Messgenauigkeiten ergaben sich mit linearen
Hallsensoren, weshalb es zu bevorzugen ist, lineare
Hallsensoren als Magnetfeldsensoren zu verwenden.
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Die Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Verfahren zur
kontaktlosen, linearen Positionsmessung unter Verwendung einer
erfindungsgemäßen Sensorzeile, bei dem die Signale zweier
unmittelbar benachbarter Magnetfeldsensoren dividiert und vom
Ergebnis der Arcus-Tangens gebildet wird als ein
Abstandssignal, das die seitliche Lage des Permanentmagneten bezüglich
der beiden Magnetfeldsensoren, deren Signale dividiert
werden, wiedergibt.
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Die Erfindung erreicht dann ohne Rückgriff auf externe
Kennlinien oder weitere Sensorik eine weitgehende Unabhängigkeit
hinsichtlich Temperatur- oder mechanischer Dejustagefehler.
Überraschenderweise zeigte sich, dass die erfindungsgemäße
Rechenregel für das erste und das zweite
Magnetfeldsensorsignal über einen relativ großen Arbeitsbereich eine gerade
Kennlinie ergibt, die so gut wie vollständig unabhängig vom
Abstand zwischen Permanentmagnet und Magnetfeldsensor ist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich weiter der
Vorteil, dass unabhängig von der örtlichen Lage der
Magnetfeldquelle sofort nach Aufnahme des Verfahrens ein gültiges
Signal vorliegt. Eine vorherige Bewegung der
Magnetfeldquelle, beispielsweise über den kompletten Messbereich eines
Magnetfeldsensors, wie beim Stand der Technik, ist nicht
erforderlich. Das erfindungsgemäße Verfahren erreicht also
sogenannte "True Power On" Eigenschaften, was insbesondere bei
automobilen Anwendungen äußerst vorteilhaft ist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann weiter der Aufwand,
der zur genauen Justage des Abstandes zwischen
Magnetfeldquelle und den Magnetfeldsensoren erforderlich ist, stark
vermindert werden, wodurch der Anwendungsbereich für
derartige kontaktlose Positionsmeßsysteme stark vergrößert wird.
Darüber hinaus sinkt die Fehlerempfindlichkeit auf Bewegungen
der Magnetfeldquelle, die nicht parallel zu der Ebene
verlaufen, in der sich der Magnetfeldsensor befindet. Somit sind
durch das erfindungsgemäße Verfahren Magnetfeldmessungen nun
nicht nur für geradlinige Bewegungen, sondern auch für leicht
bogenförmige oder schräg verlaufende Bewegungen tauglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren liefert in einem gewissen
Arbeitsbereich einen linearen Zusammenhang zwischen dem
errechneten Abstandssignal und der Position der Magnetfeldquelle
bezüglich der Magnetfeldsensoren. Zur Vergrößerung des
Arbeitsbereiches können drei oder mehrere Magnetfeldsensoren
gestaffelt werden, um einen größeren Messbereich abzudecken.
Dabei werden jeweils zwei Abstandssignale aus den Signalen
zweier benachbarter Magnetfeldsensoren gebildet und in einer
Hysterese ausgewertet. Somit kann durch eine Sensorzeile, in
der mehr als zwei Magnetfeldsensoren entlang einer Längsachse
beabstandet aufgereiht sind, auf der sich die
Magnetfeldquelle bewegt, ein nahezu beliebig großer Messbereich abgedeckt
werden. Damit werden die Vorteile des erfindungsgemäßen Messverfahrens
auch über eine große Messstrecke, die größer als
der Arbeitsbereich zweier Magnetfeldsensoren ist, ausgenutzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. In der
Zeichnung zeigt:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Sensorzeile zur
kontaktlosen Positionsmessung,
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Fig. 2 eine Kurvenschar eines Magnetfeldsensors, über den
in verschiedenen Abständen ein Permanentmagnet geführt wird,
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Fig. 3 Kurvenscharen zweier beabstandeter
Magnetfeldsensoren, über die in verschiedenen Abständen ein Permanentmagnet
geführt wird,
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Fig. 4 Beispiele für die Kurven dreier gestaffelter
Magnetfeldsensoren in einer Sensorzeile und
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Fig. 5 Beispiele für die Auswertung der Abstandsignale
zweier benachbarter Magnetfeldsensoren mittels einer
Hystereseschleife.
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Eine schematische Darstellung zur kontaktlosen
Positionsmessung mittels Magnetfeldsensoren, die an einem ersten Bauteil
befestigt sind, und einem Permanentmagneten, der an einem
relativ zum ersten Bauteil beweglichen zweiten Bauteil
befestigt ist, zeigt Fig. 1. Die dort dargestellte Sensorzeile 1
weist mehrere lineare Hallsensoren 2a, 2b und 2c auf, die in
einem Sensorabstand d zueinander auf der Sensorzeile
befestigt sind. Die Sensorzeile 1 ist an einem (nicht
dargestellten) ersten Bauteil angebracht.
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Über der Sensorzeile 1 bewegt sich in Längsrichtung x ein
Permanentmagnet 3. Der Permanentmagnet 3 ist an einem (nicht
dargestellten) zweiten Bauteil befestigt, das sich gegenüber
dem ersten Bauteil in Längsrichtung x verschiebt. Zwischen
Permanentmagnet 3 und der Sensorzeile 1 befindet sich ein
Luftspalt h, dessen Abmessung bauteiletoleranz- und
temperaturabhängig ist. Der Permanentmagnet 3 ist mit seiner
Magnetisierungsachse zwischen Nordpol N und Südpol S parallel zur
Längsrichtung x ausgerichtet, kann aber je nach Messaufgabe
auch anders liegen. Jeder Hallsensor 2a bis 2c misst das
Magnetfeld des Permanentmagneten 3.
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In Fig. 1 ist eine Sensorzeile 1 mit mehreren Hallsensoren 2a
bis 2c dargestellt. Es können auch nur zwei Hallsensoren 2a
und 2b verwendet werden, falls der Messbereich, über den eine
Verschiebung zwischen Permanentmagnet 3 und Hallsensor 2a und
2b in Längsrichtung x erfasst werden soll, ausreichend gering
ist.
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Das von jedem Hallsensor 2a bis 2c abgegebene Sensorsignal S
ist in Fig. 2 in einer Kurvenschar 4 dargestellt. Das Signal
S ist in Fig. 2 als Funktion der Längsrichtung x aufgetragen
und von einem Sensor gewonnen, der eine Spannung zwischen 0
und 5 Volt abgibt.
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Die Kurvenschar 4 enthält verschiedene Sensorsignale S, wobei
der Luftspalt h der Scharparamenter ist.
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Wie man sieht, weist jedes Sensorsignal S der Kurvenschar 4
einen Maximalwert 6 sowie einen Minimalwert 7 auf. Zwischen
Maximalwert 6 und Minimalwert 7 liegt ein Halbpegel 8. Dieser
Halbpegel 8 wird dann eingenommen, wenn der Permanentmagnet 3
genau mittig über dem Hallsensor 2 liegt. Die Amplitude
zwischen Maximalwert 6 und Minimalwert 7 hängt von der Größe des
Luftspaltes h ab. Sie nimmt von einem Luftspalt h = 10 mm,
dem flachsten Sensorsignal S der Kurvenschar 4, bis h = 3 mm,
den am steilsten verlaufenden Sensorsignal S der Kurvenschar
4, zu. Alle Kurvenscharen haben jedoch den Maximalwert 6 und
den Minimalwert 7 sowie den Halbpegel 8 in Längsrichtung x am
selben Ort.
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Die Kurvenscharen 4a und 4b der zwei Hallsensoren 2a und 2b
bei verschiedenen Größen des Luftspalts h, also verschiedenen
Abständen des Permanentmagneten 3 von den Hallsensoren 2a bis
2c, zeigt Fig. 3. Dabei ist der Abstand d der Hallsensoren so
gewählt, dass die Kurvenschar 4a des Hallsensors 2a den
Maximalwert 6 jeweils genau dann zeigt, wenn das vom Hallsensor
2b abgegebene Signal genau Halbpegel hat.
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Fig. 4 verdeutlicht die Verhältnisse bei drei Sensoren 2a bis
2c für einen konstanten Wert des Luftspalts h. Die
Maximalwerte 6a bis 6c weisen wie die Minimalwerte 7a bis 7c und die
Halbpegel 8a bis 8c voneinander einen konstanten Abstand
entsprechend dem Abstand d der Sensoren 2a bis 2c auf. Der
Abstand d der Hallsensoren 2a bis 2c ist so, dass der
Hallsensor 2a einen Maximalwert 6a abgibt, wenn die Kurve 4b des
folgenden Hallsensors 2b den Halbpegel 8b erreicht, und deren
Maximalwert 6b in Längsrichtung x ihrerseits mit dem
Halbpegel 8c der Kurve 4c des Hallsensors 2c zusammenfällt.
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Der Luftspalt h ist für die Einbaujustierung des
Permanentmagneten 7 bezüglich der Sensorzeile 1 ein kritisches Maß.
Durch Temperatureinflüsse ändert sich jedoch der Luftspalt h.
Darüber hinaus ergibt sich eine weitere Abhängigkeit des
Sensorsignals S von der Koerzitivkraft des Permanentmagneten 3,
welche in der Regel ebenfalls temperaturabhängig ist. Deshalb
wird zur Auswertung der Quotient zweier Sensorsignale S. z. B.
der Hallsensoren 2a und 2b bestimmt, und davon der Arcus-
Tangens T als Abstandssignal berechnet.
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Mit diesem Abstandssignal ist eine Größe gewonnen, die eine
Auswertung des Signals der Hallsensoren 2a und 2b erlaubt,
welche weitestgehend unabhängig vom Luftspalt h und von
etwaigen Temperatureinflüssen ist.
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Das Auswertesignal hat, wie die Auswertekurve 9ab in Fig. 5
zeigt, einen Arbeitsbereich a mit nahezu konstanter Steigung.
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Wird nun der Messbereich durch den Einsatz von mehr als zwei
Magentfeldsensoren erweitert, erhält man bei vorbeschriebenem
Abstand d der Sensoren 2 Auswertekurven 9ab und 9bc, mit sich
in Längsrichtung x über einen weiten Bereich überlappenden
Arbeitsbereichen a. Die Überlappung wird in Form einer
Hysterese beim Übergang zwischen den einzelnen Kennlinien 9ab und
9bc der Kurven 4a, 4b und 4c der einzelnen Hallsensoren 2a,
2b und 2c ausgenutzt.
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Die Hysterese entsteht dadurch, dass bei in zunehmender
Längsrichtung x verlaufender Bewegung etwa ab der Mitte des
Arbeitsbereiches a der Auswertekurve 9ab auf die
anschließende Auswertekurve 9bc gesprungen wird. Bei einer gegenläufigen
Bewegung in abnehmender Längsrichtung x wird etwa ab der
Mitte des Arbeitsbereiches der jeweiligen Kennlinie auf die
nächste Kennlinie gesprungen werden.
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Die im Bereich des Überlappens der Auswertekurven 9ab, 9bc
ausgeführte Hysterese erlaubt eine eindeutige Zuordnung des
Sensorsignals und vermeidet uneindeutige Zuweisungen am
Sprungpunkt.