DE102007022627A1 - Absolute angle inductive and contact-less measuring device, has electronic circuit measuring inductance of coils, energy of electromagnetic fields, performance of resonance circuit or phase angles between current and voltage of coils - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven, berührungslosen Messen der Drehlage über 360° mit einer Welle aus Stahl oder anderen Materialien, mit einer Abflachung zur D-Welle als Geber, wobei die in einem Gerät oder einer Maschine vorhandene Welle als Geber verwendet werden kann. Sie ist anwendbar als Ersatz von Potentiometern, Drehgebern, Radsensoren, Lenkwinkelsensoren in einer Fülle von Anwendungen, überall wo der Drehwinkel einer Achse oder Welle von Interesse ist und zum Steuern oder Regeln gemessen werden soll und hat einen mechanisch denkbar einfachen Aufbau. In einer weiteren Ausgestaltung der Welle, vergleichbar einer Schnecke, wird die Abflachung mit einem Vorschub gedreht angebracht und so der Drehwinkel über den Vorschub der Welle verändert, so dass die lineare Position berührungslos bestimmt werden kann.The The present invention relates to a device for inductive, contactless Measuring the rotational position over 360 ° with a shaft of steel or other materials, with a flattening to the D-wave as a donor, the existing in a device or a machine Wave can be used as a donor. It is applicable as a replacement of potentiometers, encoders, wheel sensors, steering angle sensors in a fullness of applications, everywhere where the angle of rotation of an axle or shaft is of interest and to Taxes or rules should be measured and has a mechanical conceivably simple construction. In a further embodiment of the shaft, Comparable to a snail, the flattening becomes a feed rotated and so the angle of rotation changed over the feed of the shaft, so that determines the linear position without contact can be.
In bekannten Vorrichtungen zum Messen der absoluten Drehstellung werden bei Potentiometern Bahnen mit bekanntem elektrischem Widerstand mechanisch abgegriffen und das Spannungsverhältnis der Bahnwiderstände als Messgröße genutzt.In become known devices for measuring the absolute rotational position at potentiometers, tracks with known electrical resistance mechanically tapped and the voltage ratio of the railway resistors as Measured used.
Der offensichtliche Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass dieser mechanische Abgriff dem Verschleiß unterliegt und so Veränderungen des Messwertes bis hin zum Ausfall des Potentiometers über der Lebensdauer entstehen können. In zahlreichen Anwendungen ist das nicht praktikabel. Zudem beträgt der Meßbereich meist nur 270°.Of the obvious disadvantage of this solution is that this mechanical tap is subject to wear and so changes of the measured value up to the failure of the potentiometer over the Lifespan can arise. This is not practical in many applications. In addition, the measuring range usually only 270 °.
Andere Lösungen, wie optische Drehgeber oder magnetische Drehsensoren arbeiten weitgehend verschleißfrei. Ein offensichtlicher Nachteil optischer Drehgeber besteht nun darin, dass der mechanische Aufwand für Lagerung der Welle, Anflanschen und Auswertung recht hoch und damit teuer ist. Magnetische Systeme versuchen dies zu vermeiden, erfordern jedoch Magnete an der zu messenden Welle, die empfindlich gegen hohe Temperaturen und mechanische Belastungen sind und darüber hinaus ferromagnetischen Staub in ihrer Umgebung einsammeln. Auch dies führt zu Fehlmessungen über der Lebensdauer.Other Solutions, like optical encoders or magnetic rotary sensors work largely wear. An obvious disadvantage of optical encoders is that that the mechanical effort for Storage of the shaft, flanges and evaluation quite high and thus is expensive. Magnetic systems attempt to avoid this however, magnets on the shaft to be measured, which are sensitive to high temperatures and mechanical loads are and beyond collect ferromagnetic dust in their environment. This too leads to Incorrect measurements via the lifetime.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung vorteilhaft auszubilden, mit welcher die Drehlage einer Welle induktiv bestimmt wird und die Genauigkeit der Messung wenigstens 1% erreicht.task It is therefore advantageous for the present invention to have a sensor arrangement form, with which determines the rotational position of a shaft inductively and the accuracy of the measurement reaches at least 1%.
Eine kreisförmige Anordnung von Leiterbahnen auf einem ebenen Trägermaterial, wird als planare Spule einer bestimmten Induktivität betrachtet und mittels einer elektronischen Schaltung mit einem Strom bekannter Größe durch sie ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Innerhalb der Spule wird exzentrisch eine Bohrung in dem Trägermaterial angebracht, so dass die Bohrung an einer Stelle der innersten Windung möglichst nahe kommt. Diese Stelle ist der Nullpunkt. Dann wird in diese Bohrung eine Welle aus einem elektrisch leitfähigem Material mit einer Abflachung zur D-Welle eingeführt. Diese Welle ist an anderer Stelle um ihre Mittelachse drehbar gelagert und senkrecht zur Ebene der Spule. Der Drehwinkel ist nun der Winkel zwischen der Kante der Abflachung und der Tangente an die Spule im Nullpunkt.A circular Arrangement of conductors on a flat substrate, is called planar Coil considered a certain inductance and by means of a electronic circuit with a current of known size It generates an electromagnetic field. Inside the coil will eccentrically mounted a bore in the substrate, so that the hole at a point of the innermost turn as possible comes close. This place is the zero point. Then in this hole a shaft made of an electrically conductive material with a flattening introduced to the D-wave. This shaft is rotatably mounted elsewhere about its central axis and perpendicular to the plane of the coil. The angle of rotation is now the angle between the edge of the flattening and the tangent to the coil at the zero point.
Der Strom durch die Spule erzeugt ein elektromagnetisches Feld mit einer bestimmten Energie. Bei Veränderung des Stromes werden in elektrisch leitfähigen Materialien Wirbelströme induziert und die Messung der Energie wird um den Betrag der Energie der Wirbelströme vermindert und messbar. Dabei ist die Größe dieser Wirbelströme quadratisch proportional abhängig von dem Abstand zwischen dem Stromleiter und der leitfähigen Fläche, der Oberfläche der D-Welle.Of the Current through the coil generates an electromagnetic field with a certain energy. In case of change of the current eddy currents are induced in electrically conductive materials and the measurement of the energy is reduced by the amount of energy of the eddy currents and measurable. Here is the size of this eddy currents quadratically proportional from the distance between the conductor and the conductive surface, the surface the D-wave.
Wenn der Drehwinkel 0 ist, ist die Abflachung dem Punkt P der Spule am nächsten und der Abstand aller Oberflächenelemente der D-Welle zu den Leiterbahnen der Spule am größten. Wird nun die D-Welle gedreht, so entfernt sich die Abflachung von der Spule, leitfähiges Material wird entsprechend näher an die Leiterbahnen heran gebracht und verursacht damit proportional größere Verluste durch die Wirbelströme.If the angle of rotation is 0, the flattening is at point P of the coil at next and the distance of all surface elements the D-wave to the conductor tracks of the coil largest. Now the D-wave rotated, so the flattening away from the coil, conductive material will be closer brought to the tracks, causing proportional bigger losses through the eddy currents.
Der Energieverlust durch die Wirbelströme kann mit allen bekannten Verfahren zur Messung einer Induktivität, als Veränderung der Induktivität, Resonanzfrequenz oder Veränderung der Güte eines Schwingkreises oder Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung bestimmt werden.Of the Energy loss through the eddy currents can be associated with all known Method for measuring an inductance, as a change in the inductance, resonant frequency or change the goodness a resonant circuit or phase angle between current and voltage be determined.
Wird nun eine zweite, identische planare Spule ebenso um 90° zur ersten gedreht, ebenso exzentrisch auf diesem Träger angebracht, so kann gemessen werden, ob die Drehung aus dem Nullpunkt nach links oder rechts erfolgt. Damit wird die Drehlage erfindungs-gemäß über eine ganze Umdrehung eindeutig bestimmt. Praktische Messungen zeigen eine Auflösung des Winkels bis etwa 0,1°.Becomes now a second, identical planar coil also at 90 ° to the first rotated, as eccentrically mounted on this support, so can be measured be whether the rotation from the zero point to the left or right he follows. Thus, the rotational position according to the invention over a whole revolution clearly certainly. Practical measurements show a resolution of the angle to about 0.1 °.
Zudem ist es vorteilhaft, dass die Welle in Richtung ihrer Achse verschoben werden kann, ohne die Messung zu beeinflussen, und dass die Abflachung mit einer bestimmten Steigung auf der Welle angebracht werden kann, so dass der translatorische Vorschub der Welle wie eine Drehung bestimmbar wird.moreover It is advantageous that the shaft is displaced in the direction of its axis can be, without affecting the measurement, and that the flattening can be mounted on the shaft at a certain pitch, so that the translatory feed of the shaft like a rotation becomes determinable.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Teilen durch den Patentanspruch (1) gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gerätes ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with the characterizing parts by the patent claim (1). Advantageous embodiments of the invention Device result from the measures in the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Anordnung zweier planarer Spulen und einer D-Welle hat im Vergleich zu bislang bekannten Lösungen den Vorteil, dass damit der mechanische Aufwand minimal ist und lediglich die elektronische Auswertung hinzu kommt.The inventive arrangement two planar coils and a D-wave has compared to previously known solutions the advantage that so that the mechanical complexity is minimal and only the electronic evaluation is added.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass in der Anordnungen mit vier planaren Spulen deren geometrische Anordnungen zum Verbessern der Genauigkeit genutzt werden kann, je zwei Spulen sich gegenüber liegen und die Messung so differentiell wird, oder die Anordnung zum Messen der linearen Position genutzt wird.Farther it is advantageous that in the arrangements with four planar coils their geometric arrangements used to improve the accuracy can be, two coils are opposite each other and the measurement becomes so differential, or the arrangement for measuring the linear Position is used.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Figuren.Further Advantages and details of the device according to the invention arise from the following description of several embodiments with reference to enclosed figures.
Dabei zeigtthere shows
In
Wird
der Strom in den Spulen (
Eine
Spule mit der Induktivität
L wird von einem Strom I durchflossen. Den Zusammenhang zwischen
diesen Größen und
der Energie des um die Spule erzeugten elektromagnetischen Feldes
beschreibt
Wird
diese Energie eL durch einen induzierten
Wirbelstrom IE verringert, so ergibt sich
der Zusammenhang:
Diese
Energie ist mit unterschiedlichen Messverfahren bestimmbar und die
Größe der Wirbelströme wird
als eine scheinbare Änderung
der Induktivität,
der Güte
im Resonanzkreis, des Phasenwinkels zwischen Spannung und I oder
einer Messspannung U erlebbar. Der Anschaulichkeit halber wird hier
im Weiteren die Messspannung U proportional zu e verwendet.
Diese
Spannung wird für
die Spulen (
Dabei
beschreibt O den Offsett oder die Grundspannung der Messung und
a die Amplitude der Schwingung über
einer vollen Umdrehung. Durch Einsetzen von (4) in (5) ergibt sich
Jetzt
ist noch die Amplitude a unbekannt. Mit Prüfen der Maximalwerte für UL1 und UL2 entsprechend
der Sinusfunktion ergibt sich für
UL1 = Max.: φ = 0°; a = UL1 – UL2
UL2 = Max.: φ = 90°; a = UL2 – UL1
UL1 = Min.: φ = 180°; a = UL2 – UL1
UL2 = Min.: φ = 270°; a = UL1 – UL2
und kann für weitere Auswertungen gespeichert
werden. Damit ist die induktive Bestimmung des Drehwinkels dargestellt.Now the amplitude a is unknown. Checking the maximum values for U L1 and U L2 according to the sine function yields
U L1 = max .: φ = 0 °; a = U L1 - U L2
U L2 = max .: φ = 90 °; a = U L2 - U L1
U L1 = min .: φ = 180 °; a = U L2 - U L1
U L2 = min .: φ = 270 °; a = U L1 - U L2
and can be saved for further evaluation. This shows the inductive determination of the angle of rotation.
Weitere
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors ergeben sich aus
der Betrachtung, dass es häufig
wünschenswert
ist, die Amplitude a stets direkt zu bestimmen. Dies gelingt mit
der Sensoranordnung entsprechend
Durch
Einsetzen in Gleichung (4) und (5) ergibt sich durch einfache Umformung:
Eine
weitere Gestaltungsmöglichkeit
der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
ergibt sich, wenn man den Träger
(
Das
Messen der linearen Position wird mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
realisiert, in dem die Welle (
Zugunsten
einer nochmals kostengünstigeren
Herstellung, kann in einer weiteren Ausgestaltung der Wellen (
Werden anstelle elektrisch leitender Materialien ferromagnetische Stoffe mit geringer Remanenz eingesetzt, so sind zwar die gleichen Funktionen messbar, sie sind jedoch auf die Veränderungen im magnetischen Fluß in den Feldern der Spulen zurückzuführen. Die Messung von φ erfolgt identisch.Become instead of electrically conductive materials ferromagnetic substances used with low remanence, although the same functions are measurable, they are however on the changes in the magnetic flux in attributed to the fields of the coils. The Measurement of φ takes place identical.
Verwendung finden kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung praktisch in allen Anwendungen in denen Potentiometer zum Drehen oder Verschieben des Abgriffs und Drehgeber zum Einsatz kommen und über der Lebensdauer mechanischer Verschleiß vermieden werden soll. Weil der mechanische Aufwand für die Anpassung denkbar gering ist, kann der Sensor auch sehr kostengünstig hergestellt werden.use can find the sensor arrangement according to the invention Practical in all applications where potentiometers for turning or moving the tap and rotary encoder are used and over the Lifetime mechanical wear should be avoided. Because the mechanical effort for the adaptation is conceivably low, the sensor can also be produced very inexpensively become.
Weitere interessante Eigenschaften sind, dass bei einem Durchmesser der Welle von 6 mm sehr gute Resultate erzielt werden. Doch die Durchmesser der Spulen und Weilen sind in einem weiten Bereich skalierbar und erlauben so auch die mechatronische Miniaturisierung für neue Applikationen.Further interesting properties are that at a diameter of Wave of 6 mm can be achieved very good results. But the diameter the coils and wakes are scalable in a wide range and also allow mechatronic miniaturization for new applications.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200710022627 DE102007022627A1 (en) | 2007-05-13 | 2007-05-13 | Absolute angle inductive and contact-less measuring device, has electronic circuit measuring inductance of coils, energy of electromagnetic fields, performance of resonance circuit or phase angles between current and voltage of coils |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102007022627A1 true DE102007022627A1 (en) | 2008-11-20 |
Family
ID=39868694
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
DE200710022627 Withdrawn DE102007022627A1 (en) | 2007-05-13 | 2007-05-13 | Absolute angle inductive and contact-less measuring device, has electronic circuit measuring inductance of coils, energy of electromagnetic fields, performance of resonance circuit or phase angles between current and voltage of coils |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102007022627A1 (en) |
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-
2007
- 2007-05-13 DE DE200710022627 patent/DE102007022627A1/en not_active Withdrawn
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---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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