DE102005055905B4 - Length measurement arrangement with a magnetic scale with opposite magnetization - Google Patents
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Abstract
Längenmessanordnung bestehend aus mindestens einem magnetischen Encoder, welcher relativ zu einer Sensoraufnahme entlang einer Messrichtung (m) beweglich ist, wobei der magnetische Encoder (1, 2) mehrere unterschiedlich magnetische Segmente aufweist und die Sensoraufnahme mit voneinander distanziert positionierten Magnetfeldsensoranordnungen (3, 3', 4, 4') ausgestattet ist, die jeweils die gleiche Anzahl von Magnetfeldsensoren enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Encoder mindestens ein erstes sich über den gesamten Messbereich der Längenmessanordnung hinweg erstreckendes magnetisches Segment (5, 5') aufweist, sowie pro Sensoranordnung mindestens eine Grenzfläche, die sich über den gesamten Messbereich der Längenmessanordnung hinweg erstreckt und zwischen zwei unterschiedlich magnetisierten Bereichen des Encoders verläuft, aufweist und der Encoder ein magnetisches Feld besitzt, welches bezüglich der Längsachse in Messrichtung (m) im Wesentlichen genau zwischen den Sensoranordnungen symmetrisch verläuft, wobei der Feldlinienverlauf, den die jeweilige Sensoranordnung misst, über den gesamten Messbereich eine Änderung bezüglich der Messrichtung aufweisen muss.Length measuring arrangement consisting of at least one magnetic encoder which is movable relative to a sensor receptacle along a measuring direction (m), wherein the magnetic encoder (1, 2) has a plurality of different magnetic segments and the sensor receptacle with spaced magnetic field sensor arrangements (3, 3 ', 4, 4 '), each of which contains the same number of magnetic field sensors, characterized in that the magnetic encoder has at least one first magnetic segment (5, 5') extending over the entire measuring range of the length measuring arrangement, and at least one per sensor arrangement an interface which extends over the entire measuring range of the length measuring arrangement and extends between two differently magnetized areas of the encoder, and the encoder has a magnetic field, which with respect to the longitudinal axis in the measuring direction (m) substantially exactly between n the sensor arrangements is symmetrical, wherein the field line course, which measures the respective sensor arrangement, must have a change with respect to the measuring direction over the entire measuring range.
Description
Die Erfindung betrifft eine Längenmessanordnung zur berührlosen Absolutwertmessung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a length measuring arrangement for contactless absolute value measurement according to the preamble of
Es sind bereits Anordnungen zur berührlosen und absoluten Längenmessung bekannt. Dabei tritt im Fall von Störbewegungen generell ein systematischer Messfehler auf, welcher daraus resultiert, dass Bewegungen mit einem zur Messrichtung verschiedenen Bewegungsanteil in die Messung mit einfließen.Arrangements for contactless and absolute length measurement are already known. In the case of interference movements, a systematic measurement error generally occurs, which results from the fact that movements with a motion component that differs from the measuring direction are included in the measurement.
In Druckschrift
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In der Druckschrift
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, eine Längenmessanordnung für berührlose Absolutwertmessungen zu beschreiben, die im Vergleich zu bereits bekannten Längenmessanordnungen eine geringere Messfehleranfälligkeit, hervorgerufen durch Störbewegungen, aufweist. Außerdem soll die diese Aufgabe lösende Anordnung möglichst wenige zusätzliche Elemente aufweisen, so dass die zusätzlichen Kosten im Vergleich zu bekannten Anordnungen gering ausfallen.The object of the present invention is therefore to describe a length measuring arrangement for contactless absolute value measurements, which has a lower measurement error susceptibility, caused by disturbance movements compared to already known length measuring arrangements. In addition, the task solving arrangement should have as few additional elements, so that the additional costs compared to known arrangements are low.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Längenmessanordnung gemäß Anspruch 1.This object is achieved by the length measuring arrangement according to
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, mit Hilfe einer Längenmessanordnung absolute und berührlose Längenmessungen durchzuführen. Dabei besteht die Längenmessanordnung aus mindestens einem magnetischen Encoder, welcher relativ zu einer Sensoraufnahme entlang der Messrichtung beweglich ist. Der magnetische Encoder weist mehrere unterschiedlich magnetische Segmente auf. Die Sensoraufnahme ist mit voneinander distanziert positionierten Magnetfeldsensoranordnungen ausgestattet, die jeweils die gleiche Anzahl von Magnetfeldsensoren enthalten. Des weiteren weist der magnetische Encoder mindestens ein erstes sich über den gesamten Messbereich der Längenmessanordnung hinweg erstreckendes magnetisches Segment auf, sowie pro Sensoranordnung mindestens eine Grenzfläche, die sich über den gesamten Messbereich der Längenmessanordnung hinweg erstreckt und zwischen zwei unterschiedlich magnetisierten Bereichen des Encoders verläuft. Außerdem besitzt der Encoder ein magnetisches Feld, welches bezüglich der Längsachse in Messrichtung im Wesentlichen genau zwischen den Sensoranordnungen symmetrisch verläuft. Der Feldlinienverlauf dieses magnetischen Feldes, den die jeweilige Sensoranordnung misst, weist über den gesamten Messbereich eine Änderung bezüglich der Messrichtung auf.The invention is based on the idea of performing absolute and contactless length measurements with the aid of a length measuring arrangement. In this case, the length measuring arrangement consists of at least one magnetic encoder, which is movable relative to a sensor receptacle along the measuring direction. The magnetic encoder has several different magnetic segments. The sensor receptacle is equipped with magnetic field sensor arrangements positioned at a distance from one another, each of which contains the same number of magnetic field sensors. Furthermore, the magnetic encoder has at least one first magnetic segment extending over the entire measuring range of the length measuring arrangement, and at least one interface per sensor arrangement, which extends over the entire measuring range of the length measuring arrangement and extends between two differently magnetized regions of the encoder. In addition, the encoder has a magnetic field, which runs symmetrically with respect to the longitudinal axis in the measuring direction substantially exactly between the sensor arrangements. The field line course of this magnetic field, which the respective sensor arrangement measures, has a change with respect to the measuring direction over the entire measuring range.
Unter einer Sensoranordnung wird ein Verbund von einem oder mehreren Sensoren verstanden. Dabei können die einzelnen Sensoren des Verbundes auf einem unterschiedlichen Prinzip basieren, unterschiedlichen Typs sein, sowie eine unterschiedliche geometrische Ausrichtung bezüglich des Encoders aufweisen.A sensor arrangement is understood as a combination of one or more sensors. The individual sensors of the composite can be based on a different principle, be of different types, and have a different geometric orientation with respect to the encoder.
Unter einer Störbewegung, wird eine Bewegung verstanden, die einen zur Messrichtung verschiedenen Bewegungsanteil aufweist.Under a disturbing movement, a movement is understood, which has a different movement proportion to the measuring direction.
Unter der Längsachse wird stets die Achse verstanden, die entlang der Messrichtung verläuft. The longitudinal axis is always understood to mean the axis that runs along the measuring direction.
Vorzugsweise werden die Sensoren der Sensoraufnahme bezüglich ihres Abstands und ihrer Ausrichtung symmetrisch zur Längsachse des Encoders ausgerichtet und erfassen jeweils den auftreffenden Winkel des Magnetfeldes. Durch diese Ausrichtung der Sensoren wird die Signalauswertung vereinfacht, da die Signale der Sensoranordnungen auf gleiche Weise entstehen und keine anordnungsbedingten Signalanteile bei der Längenberechnung berücksichtigt werden müssen.Preferably, the sensors of the sensor holder are aligned with respect to their distance and their orientation symmetrical to the longitudinal axis of the encoder and detect each of the incident angle of the magnetic field. This alignment of the sensors simplifies signal evaluation since the signals of the sensor arrangements are generated in the same way and no arrangement-related signal components must be taken into account in the length calculation.
Es ist zweckmäßig die Signale der beiden Sensoranordnungen über den erfassten Winkel im Verhältnis zueinander zu betrachten. Dadurch fließen Bewegungen mit einem Richtungsanteil, der von der Messrichtung verschieden ist, nicht in die Längenmessung mit ein. So kann auf relativ einfache Weise die Länge berechnet werden und die Längenmessanordnung ist unempfindlich gegen Störbewegungen.It is expedient to consider the signals of the two sensor arrangements over the detected angle in relation to each other. As a result, movements with a directional component that is different from the measuring direction do not flow into the length measurement. Thus, the length can be calculated in a relatively simple manner and the length measuring arrangement is insensitive to interference movements.
Bevorzugt wird der Encoder stabförmig bzw. zylinderförmig ausgebildet. Dabei kann der Encoder insbesondere auch eine Welle sein, wodurch die axiale Verschiebung einer rotierenden Welle gemessen werden kann.Preferably, the encoder is rod-shaped or cylindrical. In this case, the encoder may in particular also be a shaft, whereby the axial displacement of a rotating shaft can be measured.
Es ist alternativ zweckmäßig den Encoder quaderförmig auszubilden, da dies eine häufige Form der Bauteile ist, deren Position gemessen werden soll. Anstelle einer reinen Längenmessung kann auch die Messung der ein-dimensionalen Position eines Körpers von besonderem Interesse sein.It is alternatively expedient to form the encoder cuboid, since this is a common form of the components whose position is to be measured. Instead of a pure length measurement, the measurement of the one-dimensional position of a body may be of particular interest.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Encoder als Streifen oder Folie ausgebildet. Dadurch ist er flexibler einsetzbar und der potentielle Aufwand einer Nachrüstung wird verringert. Außerdem kann mit Hilfe eines an einem Körper fixierten Streifens oder einer Folie, nachträglich eine ein-dimensionale Positionsbestimmung des jeweiligen Körpers durchgeführt werden.According to a further preferred embodiment, the encoder is formed as a strip or foil. This makes it more flexible and the potential cost of retrofitting is reduced. In addition, with the help of a fixed to a body strip or a foil, subsequently a one-dimensional position determination of the respective body can be performed.
Vorzugsweise weist der Encoder außer dem ersten Segment zwei oder eine Anzahl von weiteren Segmenten auf, die ein Vielfaches von zwei beträgt. Dabei sind die weiteren Segmente zu ihren jeweils benachbarten Segmenten stets unterschiedlich magnetisiert. Zusätzlich sind diese Segmente sowohl geometrisch als auch in Bezug auf ihre Magnetisierung symmetrisch zu dem ersten Segment ausgebildet und angeordnet. Ihre jeweilige Nord-Süd-Grenze verläuft dabei in Bezug auf die Messrichtung spiralförmig oder diagonal. Durch die oben beschriebene geometrische Ausbildung des Encoders kann die in Anspruch 1 geforderte Ausbildung des Magnetfeldes mit relativ geringem technischen Aufwand realisiert werden.Preferably, the encoder has, in addition to the first segment, two or a number of further segments, which is a multiple of two. The other segments are always magnetized differently to their respective adjacent segments. In addition, these segments are formed and arranged both geometrically and with respect to their magnetization symmetrical to the first segment. Their respective north-south boundary runs in a spiral or diagonal direction with respect to the measuring direction. By the above-described geometric configuration of the encoder, the required in
Vorteilhafterweise kommt die erfindungsgemäße Längenmessanordnung in einem Kraftfahrzeug-Sensor zum Einsatz, insbesondere als:
- – Pedalwegsensor
- – Speicherwegsensor in hydraulischen oder pneumatischen Speichern
- – Stoßdämpferhöhensensor
- – Boosterwegsensor zur Messung der Stellung des Bremskraftverstärkers
- – Bremsbelagsverschleißanzeige
- – Füllstandsbestimmung in Flüssigkeitstanks
- – Positionssensor im Schiebedach
- – Positionssensor im Cabrioverdeck
- – Positionssensor für Fensterheber
- – Scheinwerferposition
- – Ermittlung der Sitzposition
- – Lenkwinkelsensor
- – Sensor zur Ermittlung der Kurbelwellenposition
- – Drosselklappensensor
- – Sensor zur Ermittlung der Ventilposition im Motor
- - pedal travel sensor
- - Memory path sensor in hydraulic or pneumatic storage
- - Shock absorber height sensor
- Booster displacement sensor for measuring the position of the brake booster
- - brake pad wear indicator
- - Level determination in liquid tanks
- - Position sensor in the sunroof
- - Position sensor in the convertible top
- - Position sensor for windows
- - Headlight position
- - Determination of seating position
- - Steering angle sensor
- - Sensor for determining the crankshaft position
- - Throttle sensor
- - Sensor for determining the valve position in the engine
Darüber hinaus kann diese Messanordnung auch im Bereich der industriellen Automatisierungstechnik und Regelungstechnik verwendet werden, um absolute Längenmessungen mit hoher Genauigkeit und geringer Anfälligkeit für Messfehler aufgrund von Störbewegungen durchzuführen.In addition, this measuring arrangement can also be used in the field of industrial automation technology and control technology to perform absolute length measurements with high accuracy and low susceptibility to measurement errors due to jamming.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.Further preferred embodiments will become apparent from the subclaims and the following description of an embodiment with reference to figures.
Es zeigtIt shows
Der in
In
Eine beispielgemäße Ausführungsform der Längenmessanordnung verwendet einen in
In einer alternativen Ausführungsform geschieht die Berechnung der absoluten Länge durch den Abgleich der jeweils aktuellen Messdaten mit den Messdaten einer vorher einmal experimentell ermittelten Datentabelle.In an alternative embodiment, the calculation of the absolute length is done by the comparison of the respective current measurement data with the measurement data of a previously experimentally determined data table.
In einer weiteren beispielgemäßen Ausführungsform wird die zu messende Länge über eine Differenzbildung der beiden Signale der jeweiligen Sensoranordnungen unter Berücksichtung der Differenzänderung im Rahmen einer Bewegung in Messrichtung errechnet.In a further exemplary embodiment, the length to be measured is calculated by subtracting the two signals of the respective sensor arrangements taking into account the difference change in the course of a movement in the measuring direction.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform verwendet für oben genannte Verfahren einen Encoder, wie in
In einer beispielhaften Ausführung der Anordnung ist die Sensoraufnahme mit einer integrierten elektronischen Rechnereinheit ausgestattet, die sämtliche Berechnungen innerhalb der Sensoraufnahme durchführt. In dieser Rechnereinheit sind auch experimentell ermittelte Messwerte gespeichert. Über diese Messwerte kann durch einen Vergleich mit den konkret vorliegenden Messwerten die jeweilige Länge oder Position des Encoders in Messrichtung bestimmt werden.In an exemplary embodiment of the arrangement, the sensor receptacle is equipped with an integrated electronic computer unit which performs all calculations within the sensor receptacle. In this computer unit also experimentally determined measured values are stored. By means of these measured values, the respective length or position of the encoder in the measuring direction can be determined by comparison with the actual measured values.
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