DE102007055155A1 - Sensor structure e.g. brake disc, speed and direction measuring device for e.g. motor cycle, has planar coils, where each coil has breadth corresponding to tooth module of sensor elements and is connected with evaluation circuit - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven, berührungslosen Messen der Drehung eines Zahnrades oder einer Bremsscheibe mit planaren Spulen auf einem Sensorkopf bis zum Stillstand, mit einer Auflösung bis zu Bruchteilen von Zahnmodul 1 unabhängig vom Abstand. Die Messung erfolgt mit zwei kleinen, planaren Spulen auch über einige Millimeter hinweg, wobei das in einem Gerät oder einer Maschine vorhandene Zahnrad oder eine Bremsscheibe mit regelmäßigen Löchern als Geber verwendet werden kann. Die Messung kann ebenso in linearen Anordnungen erfolgen. Mit der Taktsteuerung und differentiellen Auswerteschaltung, erfolgt die Messung bimodal vom Stillstand des Gebers bis zu höheren Frequenzen mit Strompulsen veränderbarer Dauer und Phasenwinkel, und nutzt die Rückwirkung unterschiedlich induzierter Wirbelströme. Mit einer einzigen Spule ist es so möglich, den Abstand induktiv sehr genau zu bestimmen, indem die Messung für unterschiedliche Pulsdauern differentiell durchgeführt wird und eine Messart als Referenz dient.The The present invention relates to a device for inductive, contactless Measuring the rotation of a gear or a brake disc with planar Coils on a sensor head to a stop, with a resolution up to to fractions of tooth module 1 regardless of the distance. The measurement takes place with two small, planar coils even over a few millimeters, being that in one device or a machine existing gear or a brake disc with regular holes as Encoder can be used. The measurement can also be in linear Arrangements are made. With the clock control and differential Evaluation circuit, the measurement takes place bimodal from the standstill of the encoder up to higher Frequencies with current pulses changeable Duration and phase angle, and uses the feedback differently induced Eddy currents. With a single coil, it is possible, the distance inductive to determine very accurately by making the measurement differential for different pulse durations carried out and a measurement type serves as a reference.
Sie ist anwendbar als Ersatz von bekannten induktiven Näherungsschaltern sowie inkrementellen Drehgebern der industriellen Messtechnik oder Radsensoren im Automobil, und hat einen mechanisch und elektronisch denkbar einfachen Aufbau. In einer weiteren Ausgestaltung des Sensors, werden die planaren Spulen auf der Außenseite einer hochfesten Keramik angeordnet, so dass die Dicke dieser Schutzkeramik nicht zum Abstand zum Geber beiträgt und die Messung auch bei hohen Drücken und Temperaturen in aggressiven Umgebungen erfolgen kann.she is applicable as a replacement of known inductive proximity switches as well as incremental encoders of industrial metrology or Wheel sensors in the automobile, and has a mechanical and electronic conceivably simple construction. In a further embodiment of the sensor, The planar coils are on the outside of a high strength ceramic arranged so that the thickness of this protective ceramic is not to the distance contributes to the donor and the measurement even at high pressures and temperatures in aggressive Environments can be done.
In bekannten Vorrichtungen zum induktiven Messen des Abstandes und Drehgebern werden mit Spulen und Kondensatoren Schwingkreise oder Oszillatoren hergestellt, deren Güte, Amplitude oder Frequenz durch die Annäherung eines Geberelementes an das Feld der Spule und den damit verbundenen Wirbelstromverlusten geringfügig verändert werden.In known devices for inductive measuring of the distance and Encoders are used with coils and capacitors or resonant circuits Manufactured oscillators, their quality, amplitude or frequency through the approach a donor element to the field of the coil and the associated Eddy current losses slightly to be changed.
Der offensichtliche Nachteil dieser Lösungen besteht darin, dass diese Veränderung der Spannung des Schwingkreises sehr klein ist im Verhältnis zur Amplitude und mit wachsendem Abstand rasch im Bereich der Toleranzen der elektronischen Bauteile verschwindet. Verbesserungen dieser Systeme beschäftigen sich deshalb meist mit der Verbesserungen der Präzision des Oszillators.Of the obvious disadvantage of these solutions is that this change the voltage of the resonant circuit is very small in relation to Amplitude and with increasing distance quickly in the range of tolerances the electronic components disappears. Improvements to this Employ systems Therefore, usually with the improvements of the precision of the oscillator.
In einfachen Ausführungen ist zudem die Messung im Stillstand nicht direkt durchführbar, oder der Abstand zwischen Sensorspule und Geber wird mit erheblichem Aufwand möglichst gering gemacht und konstant gehalten. Zudem wird der mögliche Arbeitsabstand durch die Dicke der Schutzgehäuse vermindert. Sofern der Abstand im Arbeitsbereich variabel ist, sind alle bekannten Geber auf die Bestimmung von 1 Takt je Geberelement beschränkt und erreichen bei sicherem Betrieb nur die Auflösung von Zahnmodul 2, ohne Richtungserkennung. Bei Anordnungen in denen der Abstand proportional zur Drehstellung ist, wird die erzielbare Genauigkeit wegen der prinzipbedingten Nichtlinearitäten ohnehin fragwürdig.In simple designs In addition, the measurement at standstill is not directly feasible, or the Distance between sensor coil and encoder is considerable expense preferably made small and kept constant. In addition, the possible working distance reduced by the thickness of the protective housing. If the distance in the work area is variable, all known Encoder limited to the determination of 1 clock per donor element and achieve only the resolution of tooth module 2 in safe operation, without Direction detection. For arrangements in which the distance is proportional is the rotational position, the achievable accuracy due to the principle nonlinearities questionable anyway.
Andere Lösungen, wie magnetische Polräder arbeiten auch über etwas größere Abstände mit guter Auflösung. Ein offensichtlicher Nachteil besteht nun darin, dass die Kosten für einen magnetischen Geber und Sensor recht hoch sind. Hinzu kommt die Empfindlichkeit gegen hohe Temperaturen und mechanische Belastungen sowie die Neigung, ferromagnetische Stäube in ihrer Umgebung einzusammeln. Auch dies führt zu Fehlmessungen über der Lebensdauer und Einschränkungen bei der Verwendung.Other Solutions, like magnetic pole wheels work over too slightly longer distances with good Resolution. An obvious disadvantage now is that the costs for one magnetic encoder and sensor are quite high. Added to this is the sensitivity against high temperatures and mechanical loads as well as the tendency ferromagnetic dusts to collect in their environment. This also leads to incorrect measurements over the Lifespan and limitations in use.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung vorteilhaft auszubilden, mit welcher die Drehung eines Polrades oder linearen Gebers bis zum Stillstand induktiv und berührungslos bis zu etwa 1/16 des Zahnmoduls 1 bei mindestens 2 mm Abstand bestimmt wird und der Einfluss des veränderlichen Abstandes im Arbeitsbereich kompensiert wird, wobei der Durchmesser der planaren Sensorspulen etwa dem zu messenden Zahnmodul entspricht, bei Modul 1 also lediglich 3,5 mm beträgt.task It is therefore advantageous for the present invention to have a sensor arrangement form, with which the rotation of a pole wheel or linear Encoders to standstill inductive and contactless up to about 1/16 of the tooth module 1 is determined at a distance of at least 2 mm and the Influence of the changeable Distance in the work area is compensated, with the diameter the planar sensor coil corresponds approximately to the tooth module to be measured, So in module 1 is only 3.5 mm.
Auf einem ebenen Trägermaterial werden nebeneinander zwei planare Spulen mit 4 oder 5 Windungen, einer Breite von etwa 3,5 mm und einer Länge von etwa 5 mm nebeneinander angeordnet. Für den Zahnmodul 1 beträgt der Abstand der Mittelpunkte 1 Modul plus 180°, also 6/4 M oder 4,7 mm, und die Form sei weitgehend rechteckig. Das Polrad mit Zahnmodul 1 hat mit seinen Zähnen einen Abstand von 1 bis 3 mm zu den Spulen, kann nach links oder rechts gedreht werden und besteht aus einem ferromagnetischen oder elektrisch leitfähigem Material. Es kann auch ein linearer Geber zum Einsatz kommen. Der Zahnabstand oder Modul entspricht jetzt einer Periode und die relative Lage der linken Spule dem Sinus und die der rechten dem Sinus von φ + 180°.On a flat substrate are two planar coils with 4 or 5 turns next to each other, a width of about 3.5 mm and a length of about 5 mm next to each other arranged. For the tooth module 1 is the distance between the centers 1 module plus 180 °, ie 6/4 M or 4.7 mm, and the shape is largely rectangular. The pole wheel with tooth module 1 has with his teeth a distance of 1 to 3 mm to the coils, can be left or be turned right and consists of a ferromagnetic or electrically conductive Material. It can also be a linear encoder used. Of the Distance between teeth or module now corresponds to a period and the relative Position of the left coil to the sine and that of the right to the sine of φ + 180 °.
Jede der beiden Spulen ist über eine elektrisch leitende Verbindung, wie eine Leiterbahn, einen Steckverbinder oder ein Kabel, mit der Auswerteschaltung verbunden. Jede Spule wird mit einem ohmschen Widerstand und einem Schaltelement in Reihe geschaltet. Der ohmsche Widerstand begrenzt den Strom im eingeschalteten Zustand und über das Schaltelement kann der Strom jeder Spule von einer Steuerung individuell ein- bzw. ausgeschaltet werden.Each of the two coils is connected via an electrically conductive connection, such as a conductor, a connector or a cable to the evaluation circuit. Each coil is connected in series with an ohmic resistor and a switching element. The ohmic resistance limits the current in the switched-on state and over the Switching element, the current of each coil can be individually switched on or off by a controller.
Der Strom durch die Spule erzeugt ein elektromagnetisches Feld mit einer bestimmten Energie. Bei Veränderung des Stromes durch Ein- und Ausschalten werden in elektrisch leitfähigen Materialien Wirbelströme induziert und die Energie des magnetischen B-Feldes einer Spule wird im Schaltvorgang um den Betrag der Energie der Wirbelströme vermindert und messbar. Dabei ist die Größe dieser Wirbelströme quadratisch proportional zu dem Abstand zwischen den Stromleitern der Spulen und der leitfähigen Fläche, der Oberfläche des Polrades, und nach dem Induktionsgesetz, der Dauer des Schaltvorgangs. Zudem entwickelt der Wirbelstrom ein eigenes B-Feld, das dem der Spule entgegensetzt ist und klingt erst nach einiger Zeit ab. Deshalb ist der Einfluss auf das zu messende B-Feld der Spulen auch abhängig von der Zeit zwischen Einschalten und Ausschalten des Spulenstroms.Of the Current through the coil generates an electromagnetic field with a certain energy. In case of change the current by switching on and off are induced in electrically conductive materials eddy currents and the energy of the magnetic B field of a coil is reversed in the switching process reduces the amount of energy of the eddy currents and measurable. Here is the size of this eddy currents square proportional to the distance between the conductors the coils and the conductive Area, the surface of the pole wheel, and according to the law of induction, the duration of the switching operation. In addition, the eddy current develops its own B-field, which is the Spool is opposite and sounds only after some time off. Therefore the influence on the B field of the coils to be measured is also dependent on the time between switching on and off the coil current.
Zudem sind die Spulen benachbart und abhängig von der Richtung der Ströme werden die B-Felder der Spulen in dem benachbarten Teil addiert, bzw. subtrahiert. Durch gleichzeitiges Schalten, bzw. entgegengesetztes Ein- und Ausschalten und zeitversetztes Schalten wird die Induktion der Wirbelströme weiter steuerbar. Durch die zeitliche Abfolge des Ein- und Ausschaltens der Ströme durch die Spulen kann die elektrodynamische Wechselwirkung mit dem Wirbelstrom und die Überlagerung der B-Felder benutzt werden, um mit den gleichen Spulen in der gleichen Geometrie voneinander unabhängige Messungen in rascher Folge durchzuführen.moreover the coils will be adjacent and dependent on the direction of the currents the B-fields of the coils in the adjacent part are added or subtracted. By simultaneous switching, or opposite switching on and off and time-shifted switching will continue to induce eddy currents controllable. Through the chronological sequence of switching on and off the streams through the coils, the electrodynamic interaction with the Eddy current and the overlay The B fields are used to work with the same coils in the same Geometry independent of each other Perform measurements in rapid succession.
Erfolgt nun ein 1. Messung mit einer sehr kurzen Dauer zwischen Ein- und Ausschalten des Spulenstroms und so, dass immer nur eine Spule bestromt wird, so ist die Rückwirkung des induzierten Wirbelstroms viel stärker als bei einer 2. Messung mit gleichzeitigem Schalten des Stroms in beiden Spulen, weil die Spulenströme im benachbarten Teil gegensinnig geführt werden wirken beide Spulen wie eine größere, die zu den Geberelementen eine Phasenlage von 90°, also dem Kosinus, hat. Durch den Vergleich der 1. und der 2. Messung kann so die Drehstellung erheblich genauer bestimmt werden, unabhängig von dem Abstand zwischen Sensorkopf und Geber, bzw. die Bewertung erfolgt differentiell und es können größere Verstärkungen sicher genutzt werden.He follows now a 1st measurement with a very short duration between on and off Turn off the coil current and so that only one coil is energized is, so is the retroactive effect of the induced eddy current much stronger than in a second measurement with simultaneous switching of the current in both coils, because the coil currents in the adjacent part are guided in opposite directions both coils act like a bigger one, that to the donor elements has a phase angle of 90 °, ie the cosine. By the comparison of the 1st and the 2nd measurement can be as the rotational position be determined much more accurately, regardless of the distance between Sensor head and encoder, respectively the evaluation takes place differentially and it can bigger reinforcements be safely used.
Wenn der Winkel innerhalb einer Periode zwischen Sensorkopf und Geberelement Null ist, kommen ein Geberelement und die linke Spule optimal zur Deckung. In dieser Position werden Wirbelströme optimal induziert. Bei der Bewegung um eine halbe Periode weiter, ist die Induktion von Wirbelstrom minimal. Im Verlauf der Drehung entsteht so ein periodischer Signalverlauf, der in etwa einem Sinus entspricht. Die Amplitude dieses Signals ist sehr stark und nichtlinear vom Abstand abhängig und dem des eigentlichen B-Feldes der Spule überlagert. Durch die Anordnung der zweiten Spule mit einem Versatz, der 180° in der Periode des zu messenden Moduls entspricht, wird ein Signalverlauf erzeugt, der dem negativen Sinus entspricht.If the angle within a period between the sensor head and the sensor element Zero is an encoder element and the left coil to optimally Cover. In this position, eddy currents are optimally induced. In the Movement about half a period further, is the induction of eddy current minimal. As the rotation progresses, a periodic waveform is created which corresponds approximately to a sinewave. The amplitude of this signal is very strong and nonlinear depending on the distance and that of the actual B field of coil superimposed. By the arrangement of the second coil with an offset 180 ° in the period corresponds to the module to be measured, a waveform is generated, which corresponds to the negative sine.
Durch Subtraktion der Messung der linken Spule von der rechten wird der Gleichanteil von den Signalen entfernt und durch Division von Sinus mit dem Kosinus kann der Winkel unabhängig von der Amplitude der Signale bestimmt werden. Die Genauigkeit wird dabei nur begrenzt durch den erforderlichen Dynamikbereich und die verfügbare Auflösung eines Analog-Digital-Wandlers. Zwischen 1 und 3 mm wird beispielsweise ein Signalhub von 60 mV bis herab zu 1 mV für Zahnmodul 1 beobachtet. Mit einer Verstärkung um den Faktor 10 und einen ADC mit 1 mV Auflösung, kann der Winkel bis auf 1/16 der Periode, also etwa 20° bestimmt werden, ohne genaue Kenntnis des Abstandes.By Subtraction of the measurement of the left coil from the right becomes the DC component removed from the signals and by dividing sinewave with the cosine, the angle can be independent of the amplitude of the Signals are determined. The accuracy is limited only due to the required dynamic range and the available resolution of a Analog to digital converter. For example, between 1 and 3 mm observed a signal swing of 60 mV down to 1 mV for tooth module 1. With a reinforcement by a factor of 10 and an ADC with 1 mV resolution, the angle can be up 1/16 of the period, that is about 20 ° determined be without exact knowledge of the distance.
Die Energie der B-Felder der Spulen und der Einfluss der Verluste durch die Wirbelströme wird mit einer neuartigen Schaltung bestimmt. Durch die beschriebene Reihenschaltung von Widerstand und Induktivität wird ein bestimmter Strom eingeprägt, wobei die Spule an einer Seite direkt mit einer Speisespannung verbunden ist. Das Abschalten dieses Stroms erfolgt mit realen Schaltern mit endlicher Schaltgeschwindigkeit und erzeugt gemäß dem Induktionsgesetz einen Spannungspuls proportional zu Strom, Induktivität und Schaltgeschwindigkeit. An dem anderen Anschluss der Spule wird nun ein Kondensator angebracht, der über eine Diode in Flussrichtung mit einem weiteren Kondensator, dem Messkondensator, verbunden ist. Der Spannungspuls bewirkt nun einen Spannungsanstieg an dem Kondensator an der Spule, so dass mit dem Fluss von Ladungsträgern über die Diode in den Messkondensator ein Strom entsteht. Wenn man parasitäre Effekte zunächst vernachlässigt, entspricht so der zeitliche Verlauf des Produktes aus Spannungspuls und Strom der Energie des B-Feldes der Spule, die den Messkondensator bis zu der Spannung auflädt, bei der die Energie entsprechend seiner Kapazität der der Spule entspricht. Damit wird zunächst die Energie einer Spule als Spannung an einem Kondensator für einige Zeit messbar. Der Vorteil ist, dass die Dauer des Schaltvorgangs von Transistoren sehr kurz sein kann und dieses sehr hohe dl/dt als Verstärkung wirkt. Trotz der sehr geringen Induktivität werden einige Volt Signalhub erreicht und die durch Wirbelströme verursachten Änderungen des B-Feldes, so einfach und schnell messbar.The Energy of the B fields of the coils and the influence of the losses through the eddy currents is determined with a novel circuit. By the described Series connection of resistor and inductor becomes a certain current imprinted, the coil being directly connected to a supply voltage on one side is. The switching off of this current takes place with real switches finite switching speed and generates according to the law of induction Voltage pulse proportional to current, inductance and switching speed. At the other terminal of the coil, a capacitor is now attached, the over a diode in the flow direction with another capacitor, the Measuring capacitor, is connected. The voltage pulse now causes a Voltage rise on the capacitor on the coil, so that with the Flow of charge carriers over the Diode in the measuring capacitor a current arises. If parasitic effects are neglected at first so the time course of the product of voltage pulse and current the energy of the B-field the coil that charges the measuring capacitor up to the voltage at the the energy corresponding to its capacity corresponds to that of the coil. This will be first the energy of a coil as a voltage across a capacitor for some Time measurable. The advantage is that the duration of the switching process of transistors can be very short and this very high dl / dt acts as a reinforcement. Despite the very low inductance, a few volts signal swing achieved and by eddy currents caused changes of the B-field, so easy and fast measurable.
Vor dem Ausschalten ist es zweckmäßig, den Strom zunächst einzuschalten. Dabei werden die stromlose Spule und der erste Kondensator kurz bis auf das Massepotential des Schalters gebracht. Die andere Seite dieses Koppelkondensators weist nun ein negatives Potenzial auf, das über den Zustrom von Ladungsträgern über eine weitere Diode an Masse ausgeglichen wird. Damit stehen beim nächsten Abschalten wieder Ladungsträger zum Aufladen des Messkondensators zur Verfügung und es können mehrere solcher Pulse nacheinander ausgeführt werden und führen zu einer weiteren Verstärkung der messbaren Spannung.Before switching off, it is advisable to turn on the power first. The currentless coil and the first capacitor are briefly brought to the ground potential of the switch. The other side of this coupling capacitor now has a negative potential, which is compensated by the influx of charge carriers via another diode to ground. As a result, charge carriers are again available for charging the measuring capacitor at the next switch-off and several such pulses can be executed one after the other and lead to a further amplification of the measurable voltage.
Tatsächlich folgt diese Verstärkung über mehrere Pulse empirisch einer e-Funktion, asymptotisch gegen einen Grenzwert, der der Spannung des Abschaltpulses der Spule entspricht.Actually follows this gain over several Pulses empirically of an e-function, asymptotic against a limit, which corresponds to the voltage of the turn-off pulse of the coil.
Um einen definierten Anfangszustand herzustellen, ist es zweckmäßig, den Messkondensator über ein weiteres Schaltelement vor der Messung zu entladen. Jedoch zeigt die praktische Prüfung, dass auch die dauernde, geringe Entladung über einen sehr hohen Parallelwiderstand gute Signalpegel und Dynamik erreicht.Around To establish a defined initial state, it is appropriate to the Measuring capacitor over to discharge another switching element before the measurement. However, shows the practical exam, that also the continuous, low discharge over a very high parallel resistance good signal level and dynamics achieved.
Wird diese Schaltung jeweils für eine Spule vorgesehen, so kann die Differenz der Spannungen an den Messkondensatoren analog weiter verstärkt und gemessen werden. Im Falle des Drehgebers mit Richtungserkennung sind so Messungen mit simultaner und getrennter Bestromung erforderlich. Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass Schwankungen von Bauteiletoleranzen und Änderungen im Temperaturbereich, wie etwa das Schaltverhalten der Transistoren, sehr gut kompensiert werden.Becomes this circuit for each provided a coil, the difference of the voltages to the Measuring capacitors analog further amplified and measured. in the Trap of the encoder with direction detection are so measurements with simultaneous and separate energization required. Especially advantageous It is there that fluctuations in component tolerances and changes in the temperature range, such as the switching behavior of the transistors, be very well compensated.
Die Schaltung kann auch vorteilhaft so erweitert werden, dass die beiden Messungen mit unterschiedlichen Einschaltdauern für nur eine Spule direkt analog möglich wird. Dazu wird die Diode, über welche der Ladungsausgleich erfolgt mit einem Schalter versehen, so dass über die Steuerung der Ladungsausgleich ein- bzw. ausgeschaltet werden kann. Damit wird das Aufladen des Messkondensators ein- und ausgeschaltet.The Circuit can also be advantageously extended so that the two Measurements with different duty cycles for only one Coil directly analog possible becomes. To do this, the diode, over which the charge balance is provided with a switch so that over the Control the charge balance can be switched on or off. In order to the charging of the measuring capacitor is switched on and off.
Bringt man diese „Messschaltung" aus Kondensatoren, Dioden und Schaltern ein zweites Mal, parallel zur ersten an der Spule an, so können kurze Pulse in der einen und längere in der anderen gespeichert werden und sind so direkt differentiell messbar. Besonders vorteilhaft ist, dass durch diese bimodale Messung der kritische Schalter des Spulenstroms für beide Messschaltungen gleich wirkt und Toleranzen so sehr gut kompensiert werden.bring one this "measuring circuit" from capacitors, Diodes and switches a second time, parallel to the first at the Coil on, so can short pulses in one and longer be stored in the other and are thus directly differentially measurable. It is particularly advantageous that by this bimodal measurement the critical switch of the coil current is the same for both measuring circuits acts and tolerances are compensated so well.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn zwischen Versorgungsspannung und Spule ein weiterer Schalter eingefügt wird. Damit kann eine zweite Spule mit einem eigenen Schalter parallel zur ersten Spule angebracht und die Spulen so von der Steuerung gemultiplext werden. Das Ergebnis ist eine weitere Verbesserung der Stabilität und damit der Genauigkeit der Messung.moreover It is advantageous if between supply voltage and coil another switch inserted becomes. This allows a second coil with its own switch in parallel attached to the first coil and the coils so from the controller be multiplexed. The result is a further improvement stability and therefore the accuracy of the measurement.
Ist die Messung des Abstandes mit nur einer Spule erforderlich, so kann die zweite, elektrisch gleiche Spule so angeordnet und gemultiplext werden, dass Veränderungen der Umgebung auf sie nicht oder anders wirken. Damit können Störeinflüsse noch weiter kompensiert und die Genauigkeit der Messung erhöht werden. Oder die Verstärkung wird erhöht, um die Reichweite, bzw. Auflösung zu verbessern.is the measurement of the distance required with only one coil, so can the second, electrically identical coil is arranged and multiplexed in this way be that change the environment does not look or act differently on them. This can still disturbing further compensated and the accuracy of the measurement can be increased. Or the reinforcement will be raised, around the range, or resolution to improve.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Teilen durch die Patentansprüche (1) und (6) gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gerätes ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.These The object is achieved with the characterizing parts by the claims (1) and (6) solved. Advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the measures in the dependent Claims.
Die erfindungsgemäße Anordnung zweier planarer Spulen und der elektronischen Auswerteschaltung hat im Vergleich zu bislang bekannten Lösungen den Vorteil, dass damit der mechanische Aufbau einfacher und kostengünstiger ist, große Spulen und Ferritkerne entfallen.The inventive arrangement two planar coils and the electronic evaluation circuit Compared to previously known solutions has the advantage that it the mechanical structure is simpler and less expensive, large coils and Ferrite cores omitted.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass diese Anordnung mit zwei kleinen planaren Spulen eine wesentliche Verbesserung der geometrischen Auflösung bietet und die Messung so voll differentiell ausgestaltet werden kann, oder die planaren Spulen als Teil des Gehäuses näher an den Messort gebracht werden können.Farther It is advantageous that this arrangement with two small planar Coils provides a significant improvement in geometric resolution and the measurement can be made fully differential, or the planar coils are brought closer to the measuring location as part of the housing can.
Es ist auch vorteilhaft, dass die Anordnung sowohl mit Geberelementen aus ferromagnetischen Materialien, als auch mit solchen aus elektrisch leitfähigem Material oder solcher Beschichtung funktioniert.It is also advantageous that the arrangement with both encoder elements made of ferromagnetic materials, as well as those of electrical conductive Material or coating works.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung besteht darin, dass eine Spule, bzw. eine Kombination von elektrisch gleichen Spulen, bimodal gemessen wird und eine 1. Messart als Referenz für die 2. Messart dient.Of the particular advantage of the evaluation circuit according to the invention exists in that a coil, or a combination of electrically identical coils, bimodal is measured and a 1st type of measurement as a reference for the 2. Measuring mode 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
Diese Geberstruktur kann ebenso eine Bremsscheibe oder Flügelrad sein.These Encoder structure may also be a brake disc or impeller.
Dazu ist es erforderlich, dass beim Einschalten des Schalters (T1) dem Koppelkondensator (C1) wieder Ladungsträger über die Diode (D2) zugeführt werden, bis seine Spannung ausgeglichen ist. Dies ist möglich, weil beim Einschalten die Spannung der Spule (L) und damit des Koppelkondensators (C1) kurz bis auf das Potential des Schalters (T1) gelegt wird, bis ein Strom durch den Widerstand (R) fließt. Damit wird das Potential der anderen Seite des Koppelkondensators (C1) entsprechend der vorher abgegebenen Ladung negativer, Ladungen fließen über die Diode (D2), während Diode (D1) den Rückfluss aus dem Messkondensator sperrt.To it is necessary that when turning on the switch (T1) the Coupling capacitor (C1) again charge carriers are supplied via the diode (D2), until its tension is balanced. This is possible because at power up the voltage of the coil (L) and thus of the coupling capacitor (C1) short is placed to the potential of the switch (T1) until a current through the resistor (R) flows. In order to is the potential of the other side of the coupling capacitor (C1) according to the previously discharged charge of negative, charges flow over the Diode (D2) while Diode (D1) from the reflux the measuring capacitor blocks.
Entsprechend
der häufig
geringen Wechselwirkung zwischen Spulen (L) und Geberstruktur (
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass bei dieser sequentiellen, bimodalen Messung alle Bauteile gleich eingehen und letztlich nur die unterschiedliche Erzeugung des Wirbelstroms wirksam wird. Damit sind erheblich genauere Messungen im Vergleich zum Stand der Technik möglich. Ebenfalls tragen die sehr kleinen Induktivitäten zu einer deutlich höheren Messfolge bei, so dass auch die Dynamik um etwa den Faktor 10 bis 100 höher ist. Die Stromstärke im Puls durch die Spulen ist in der Größenordnung von nur 1 mA bis etwa 100 mA.Especially It is advantageous that in this sequential, bimodal Measurement of all components equal and ultimately only the different generation the eddy current is effective. This is considerably more accurate measurements possible in comparison to the prior art. Also carry the very small inductors to a much higher measurement sequence at, so that the dynamics by about a factor of 10 to 100 is higher. The current strength in the pulse through the coils is on the order of only 1 mA to about 100 mA.
Der Parallelwiderstand (Ry) dient dem Entladen, dass über ein weiteres Schaltelement (T4) auch zeitlich genau gesteuert werden kann, um den Messkondensator in den definierten Anfangszustand zu bringen. Vorteilhaft werden all diese Erweiterungen, bis hin zu einem Analog-Digital-Wandler und der Ablaufsteuerung in einem Schaltkreis integriert. Die Ausgabe des gemessenen Taktes und der Bewegungsrichtung erfolgt mit bekannten Mitteln.Of the Parallel resistor (Ry) is used to discharge that over one another switching element (T4) are also accurately controlled in time can to bring the measuring capacitor in the defined initial state. Advantageous are all these extensions, up to an analog-to-digital converter and the flow control integrated in a circuit. The edition the measured clock and the direction of movement takes place with known Means.
Die
Geberelemente (
Im
Experiment geprüft
ist, dass diese Wechselwirkung beim Vorschub der Geberstruktur (
Werden
hingegen zahnartige Strukturen als Geberelemente (
Diese
zweite Spule (L2) hat möglichst
die gleichen elektrischen Eigenschaften wie die erste (L1) und ist
ganz außerhalb
des Einflussbereichs der Geberstruktur (
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 wird mit dem neuartigen Messverfahren bestimmbar und die
Größe der Wirbelströme wird
als eine Änderung
der Messspannung Uc am Messkondensator erlebbar. Die Energie des Spulenfeldes
wird als Strom-Spannungspuls
genutzt, um den Messkondensator aufzuladen. Den Zusammenhang zwischen
dem Feld der Spule und der Messspannung beschreibt bei Vernachlässigen parasitärer Verluste
die Formel zur Energie der Ladung eines Kondensators:
Diese
Spannung wird für
die beiden Spulen (
Dabei
beschreibt O den Offsett oder die Grundspannung der Messung und
a die Amplitude der Schwingung über
einer vollen Periode. Durch Subtraktion ergibt sich
Durch
Subtraktion ergibt sich
Durch
weiteres Einsetzen von (7) in (10) und einfaches Umformen ergibt
sich
Besonders hervorzuheben ist, dass hier der Zahnmodul benutzt wird, weil er in technischen Anwendungen mit Zahnrädern etc. eine bekannte Größe ist. Nun ist es freilich so, dass die „Reichweite" von induktiven Sensoren auch proportional zum Durchmesser der Spulen ist, besonders bei planaren Spulen. Abhängig von der Messaufgabe kann in der erfindungsgemäßen Sensoranordnung der Durchmesser der Spulen und ihr Abstand innerhalb weiter Grenzen vergrößert und verkleinert werden.Especially It should be emphasized that here the tooth module is used because he In technical applications with gears, etc. is a known size. Now, of course, that is the "range" of inductive sensors also proportional to the diameter of the coils, especially at planar coils. Dependent from the measuring task in the sensor arrangement according to the invention, the diameter the coils and their distance within wide limits increases and be downsized.
Eine Grenze der Vergrößerung ist dann erreicht, wenn die die Spule beim Abschalten mit parasitären Kapazitäten einen Schwingkreis bildet. Dies ist nicht schädlich, solange die Amplituden der Folgeschwingungen rasch abfallen, aber auch nicht hilfreich, weil es eine Verzögerung bis zum Beginn der nächsten Messung erforderlich macht. Dies wird besonders dann erforderlich, wenn herkömmliche Spulen mit oder ohne ferromagnetischen Kern und größerer Induktivität zum Einsatz kommen.A Limit of magnification is then reached when the coil when switching off with parasitic capacitances a Resonant circuit forms. This is not harmful as long as the amplitudes the subsequent vibrations drop quickly, but also unhelpful, because there is a delay until the beginning of the next Measurement required. This is especially necessary if conventional Coils with or without ferromagnetic core and greater inductance for use come.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Spulen auf oder in einer hochfesten technischen Keramik als Träger angeordnet werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen induktiven Näherungssensoren, die stets innerhalb eines Gehäuses angebracht sind, können die Spulen so näher an die Geberstruktur gebracht werden. Bei einer Dicke des Trägers von etwa 2 mm und einer maximalen Reichweite von etwa 3 mm bei Zahnmodul 1 ist dies ein erheblicher Vorteil, der für eine weitere Erhöhung der Taktzahl/Pol und damit der Auflösung verwendet werden kann.Farther It is advantageous if the coils are on or in a high strength technical ceramics as a carrier to be ordered. Unlike conventional inductive proximity sensors, always inside a case are attached, can the coils so closer be brought to the encoder structure. At a thickness of the carrier of about 2 mm and a maximum range of about 3 mm with tooth module 1, this is a significant advantage, which will further increase the Number of bars / pole and thus the resolution can be used.
Weitere
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors ergeben sich aus
der Betrachtung, dass es häufig
wünschenswert
ist, die Amplitude a genau zu bestimmen, um darüber den Abstand zu einer Geberstruktur
(
Mit
einem Einschaltvorgang wird abhängig vom
Abstand ein Wirbelstrom in die Geberstruktur induziert. Entsprechend
der Leitfähigkeit
der Geberstruktur (
Weitere Verfeinerungen mit diesen bimodalen Mehrfachmessungen sind bis zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Materials möglich.Further Refinements with these bimodal multiple measurements are up to Determination of conductivity of the material possible.
Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ergibt sich, wenn man alle Komponenten auf einem einzigen Träger anordnet. Die Lösung der Messaufgabe erfolgt unverändert.A further design options the sensor arrangement according to the invention results when arranging all components on a single carrier. The solution the measuring task is unchanged.
Zudem kann die erfindungsgemäße Schaltung mehrfach ausgeführt werden und beispielsweise einen Indexpuls als absolute Position erkennen oder mit mehreren Kanälen eine absolute Codierung auf der Geberstruktur erkennen, wie beispielsweise einen Gray-Code oder einen rekursiven binären Zufallscode, der es erlaubt die absolute Position nach n Takten auf 2n-1 Teilungen zu bestimmen. Ebenso kann die erfindungsgemäße Messschaltung eingesetzt werden, um Veränderungen im B-Feld einer Spule zu bestimmen, die anderen Messaufgaben entsprechen, etwa dem Bestimmen der Schichtdicke von elektrisch leitenden Materialien, der Ausbildung von Rissen in Oberflächen oder dem Messen der Leitfähigkeit in organischen und anorganischen Stoffen, sowie der Veränderung der relativen Permeabilität durch Interaktion mit anderen Stoffen und Molekülen.In addition, the circuit according to the invention can be executed several times and recognize, for example, an index pulse as an absolute position or recognize with multiple channels an absolute coding on the encoder structure, such as a Gray code or a recursive binary random code, which allows the absolute position after n clocks 2 n -1 divisions to be determined. Likewise, the measurement circuit according to the invention can be used to determine changes in the B field of a coil that correspond to other measurement tasks, such as determining the layer thickness of electrically conductive materials, the formation of cracks in surfaces or measuring the conductivity in organic and inorganic materials , as well as the change in relative permeability through interaction with other substances and molecules.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200710055155 DE102007055155A1 (en) | 2007-11-18 | 2007-11-18 | Sensor structure e.g. brake disc, speed and direction measuring device for e.g. motor cycle, has planar coils, where each coil has breadth corresponding to tooth module of sensor elements and is connected with evaluation circuit |
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Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=40576802
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