DE102008024975A1

DE102008024975A1 - Verschiebungssensor

Info

Publication number: DE102008024975A1
Application number: DE102008024975A
Authority: DE
Inventors: Masahisa Kadoma Niwa; Yukiko Kadoma Nishida; Kunitaka Kadoma Okada
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-05-25
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2028-05-24
Also published as: CN101311666A; US8164325B2; US20080290861A1; CN101311666B; JP2008292376A; JP4960767B2; DE102008024975B4

Abstract

Ein Oszillatorschaltkreis gibt ein Oszillatorsignal mit einer Frequenz entsprechend einer Induktivität einer Verschiebungsdetektorspule aus. Ein Oszillatorzyklusmessschaltkreis misst einen Zyklus des Oszillatorsignals, welches von dem Oszillatorschaltkreis ausgegeben wird, und gibt ein Signal entsprechend dem gemessenen Zyklus aus. Ein Quadrierschaltkreis berechnet und gibt aus ein Quadrat des Signals, welches von dem Oszillationszyklusmessschaltkreis ausgegeben wird. Durch Berechnen und Ausgeben des Quadrates der Oszillatorsignalperiode wird eine Quadratwurzelkomponente des Produktes aus Induktivitäts- und Kapazitäts-Komponenten eliminiert, so dass das Ausgangssignal sich relativ zur Verschiebung eines Verschiebungskörpers linear ändert. Als Folge davon kann die Linearität des Ausgangssignals relativ zur Verschiebung des Verschiebungskörpers verbessert werden.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht den Vorteil der Priorität aus einer japanischen Patentanmeldung mit der Nummer TOKUGAN 2007-139607 , eingereicht am 25. Mai 2007, deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verschiebungssensor, welcher Verschiebungen eines Verschiebungskörpers durch Detektieren einer Induktivitätsänderung einer Verschiebungsdetektorspule detektiert, welche durch die Verschiebung des Verschiebungskörpers verursacht wird.
2. Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Ein Verschiebungsdetektiergerät ist bekannt, welches eine Verschiebungsdetektorspule und einen Verschiebungskörper umfasst und welches dazu ausgelegt ist, dass der Verschiebungskörper frei verschiebbar relativ zu der Verschiebungsdetektorspule ist, um eine magnetische Änderung dieser Verschiebungsdetektorspule zu bewirken, wie es in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 05-040002 offenbart ist. Dieses Verschiebungsdetektiergerät erzeugt ein Oszillatorsignal mit einer Frequenz, welche einer Induktivität der Verschiebungsdetektorspule entspricht, und gibt ein Ausgangssignal aus, welches einem Zyklus des Oszillatorsignals entspricht, wodurch die Verschiebung der Verschiebungsdetektorspule als die Induktivitätsänderung der Verschiebungsdetektorspule detektiert wird.
In diesem Verschiebungsdetektiergerät wird der Zyklus/die Periode des Oszillatorsignals ausgedrückt durch 2π(LC)^1/2, und demnach beinhaltet das Ausgangssignal eine Quadratwurzelkomponente des Produkts aus einer Induktivitätskomponente (L) und einer Kapazitätskomponente (C). Gemäß diesem Verschiebungsdetektiergerät ändert sich das Ausgangssignal, selbst wenn die Verschiebung des Verschiebungskörpers und die Induktivitätsänderung der Verschiebungsdetektorspule eine lineare Beziehung haben, nicht-linear zu der Verschiebung des Verschiebungskörpers, was es ungeeignet macht, das Ausgangssignal zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um dieses Problem zu lösen, und ein Ziel davon ist es, einen Verschiebungssensor bereit zu stellen, welcher die Linearität des Ausgangssignals relativ zu der Verschiebung des Verschiebungskörpers verbessert.
Abriss der Erfindung
Der Verschiebungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: Eine zylindrische Verschiebungsdetektorspule; einen elektrischen Leiter, welcher nahe zum Inneren oder Äußeren der Verschiebungsdetektorspule in einer radialen Richtung davon angeordnet ist und welcher in einer axialen Richtung der Verschiebungsdetektorspule frei verschiebbar ist; einen Oszillatorschaltkreis, welcher ein Oszillatorsignal mit einer Frequenz entsprechend einer Induktivität der Verschiebungsdetektorspule ausgibt; einen Oszillationszyklusmessschaltkreis, welcher ein Signal entsprechend einem Zyklus des Oszillatorsignals ausgibt, welches von dem Oszillatorschaltkreis ausgegeben wird; und eine Quadrierausgabeeinheit, welche ein Quadrat des Signals berechnet und ausgibt, welches von dem Oszillationszyklusmessschaltkreis ausgegeben wird.
Gemäß dem Verschiebungssensor in der vorliegenden Erfindung wird das Quadrat des Signals, welches einem Zyklus des Oszillatorsignals mit einer Frequenz entsprechend einer Induktivität der Verschiebungsdetektorspule entspricht, berechnet und ausgegeben, sodass das Ausgangssignal sich relativ zur Verschiebung des Verschiebungskörpers linear ändert, was die Verwendung des Ausgangssignals erleichtert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Beispiele der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen umfassender erkennbar sein. In dem Verständnis, dass diese Zeichnungen nur Beispiele darstellen und demnach nicht als den Umfang der vorliegenden Erfindung beschränkend anzusehen sind, werden die Beispiele der Erfindung mit zusätzlicher Genauigkeit und zusätzlichem Detail unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Struktur eines Verschiebungssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist ein schematisches Diagramm, welches eine Struktur des Verschiebungssensors aus 1 in einem Anwendungsbeispiel desselben zeigt;
3 ist ein schematisches Diagramm, welches eine Struktur des Verschiebungssensors nach 1 in einem Anwendungssbeispiel desselben zeigt;
4 ist ein Diagramm, welches Veränderungscharakteristiken in Quadraten relativ zur Größe der Verschiebung eines elektrischen Leiters unter verschiedenen Temperaturbedingungen darstellt;
5 ist ein Diagramm, welches eine Veränderung von Temperaturkoeffizienten der Quadrate relativ zu der Größe der Verschiebung des elektrischen Leiters darstellt;
6 ist ein Diagramm, welches Charakteristiken einer Temperaturkoeffizientenveränderung relativ zu der Größe der Verschiebung des elektrischen Leiters unter verschiedenen Temperaturbedingungen darstellt; und
7 ist ein Diagramm, welches Charakteristiken der Temperaturkoeffizientenänderung relativ zu der Größe der Verschiebung des elektrischen Leiters bei verschiedenen Versatzwerten darstellt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nachfolgend eine Struktur eines Verschiebungssensors und ein Verschiebungsdetektionsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
(Struktur des Verschiebungssensors)
Der Verschiebungssensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst hauptsächlich, wie in 1 gezeigt ist, eine Verschiebungsdetektorspule 1, einen elektrischen Leiter 2, einen Oszillatorschaltkreis 3, einen Oszillationszyklusmessschaltkreis 4, einen Quadrierschaltkreis 5, einen Temperaturkompensationsschaltkreis 6 und einen Signalverarbeitungsschaltkreis 7. In dieser Ausführungsform sind jeweils der Oszillationszyklusmessschaltkreis 4, der Quadrierschaltkreis 5, der Temperaturkompensationsschaltkreis 6 und der Signalverarbeitungsschaltkreis 7 aus Hardwareschaltkreiskomponenten hergestellt, können jedoch auch auf einer Softwarebasis konfiguriert sein, dadurch, dass ein Prozessor, beispielsweise ein Mikrocomputer, dazu veranlasst wird, ein Computerprogramm auszuführen, welches Funktionen des jeweiligen Schaltkreises beschreibt.
Die Verschiebungdetektorspule 1 weist eine zylindrische Form auf, deren axiale Länge größer als ein äußerer Durchmesser ist, um die Linearität der Induktivitätsänderung relativ zu der Verschiebung des elektrischen Leiters 2 sicherzustellen. Die Wicklungsdichte der Verschiebungsdetektorspule 1 ist in dieser Ausführungsform in einer axialen Richtung derselben gleichmäßig, kann jedoch in der axialen Richtung auch ungleichmäßig sein, wie in 2 gezeigt ist, worin die Wicklungsdichte an einer Endfläche der Spule hoch ist. Gemäß dieser Struktur kann die Linearität der Induktivitätsänderung relativ zu der Verschiebung des elektrischen Leiters 2 weiter verbessert werden. Die Verschiebungsdetektorspule 1 ist bevorzugt durch Wickeln eines leitfähigen Drahtes auf einen nicht-magnetischen Körper gebildet. Wenn die Verschiebungsdetektorspule 1 durch Wickeln eines leitfähigen Drahtes auf einen magnetischen Körper gebildet ist und ein externes magnetisches Feld in der axialen Richtung daran angelegt ist, läuft ein magnetischer Fluss des externen magnetischen Feldes hauptsächlich durch den magnetischen Körper. Wenn dieses externe magnetische Feld ein Wechselstrom ist, erzeugt der magnetische Fluss des externen magnetischen Feldes induzierte Spannung in der Verschiebungsdetektorspule 1, so dass die Ausgabe fluktuiert. Wenn das externe Magnetfeld ein Gleichstrom ist, entsteht ferner magnetische Sättigung des magnetischen Körpers in dem Falle, dass das externe magnetische Feld klein ist, oder dass der magnetische Körper dünn ist, so dass die Ausgabe fluktuiert. Demnach kann durch Bilden der Verschiebungsdetektorspule 1 mittels Winden eines leitfähigen Drahtes auf einen nicht-magnetischen Körper die Ausgabefluktuation, welche durch das externe magnetische Feld bewirkt wird, verhindert werden.
Der elektrische Leiter 2 ist aus einem leitfähigen Material hergestellt, wie etwa Aluminium, und weist eine zylindrische Hohlform auf und ist nahe dem Äußeren der Verschiebungsdetektorspule 1 in einer radialen Richtung derselben in solcher Weise angeordnet, dass der elektrische Leiter 2 relativ zu der Verschiebungsdetektorspule 1 in deren Axialrichtung verschoben werden kann. Wie in 3 gezeigt ist, kann ein magnetisches Schild 8 außerhalb der Verschiebungsdetektorspule 1 und des elektrischen Leiters 2 angeordnet sein, um diese vor elektromagnetischen Wellen zu schützen. Gemäß dieser Struktur kann, selbst wenn der Grad des Einführens der Verschiebungsdetektorspule 1 in den elektrischen Leiter 2 gering ist, ein Emissionsniveau reduziert werden. Darüber hinaus kann, selbst wenn der Verschiebungssensor in einem Metallloch bereitgestellt ist, der Sensor von dem umgebenden Metall weniger beeinträchtigt sein. Ferner ist der elektrische Leiter 2 in dieser Ausführungsform nahe dem Äußeren der Verschiebungsdetektorspule 1 in deren radialer Richtung angeordnet, kann jedoch alternativ hierzu nahe dem Inneren der Verschiebungsdetektorspule 1 in deren radialer Richtung angeordnet sein. Ferner kann der elektrische Leiter 2 an einem Zielobjekt angeordnet sein zum Messen des Verschiebungsgrades, und/oder kann Teil des Zielobjekts sein.
Der Oszillatorschaltkreis 3 ist ein wohlbekannter LC-Oszillator-Schaltkreis, wie etwa ein Hartley-artiger Schaltkreis, und gibt ein Oszillatorsignal mit einer Frequenz entsprechend einer Induktivität der Verschiebungsdetektorspule 1 aus. Der Oszillatorschaltkreis 3 umfasst bevorzugt einen Amplitudenbegrenzungsschaltkreis, welcher eine Amplitude des Oszillatorsignals auf einen vorbestimmten Wert begrenzt. Gemäß dieser Struktur kann ein Emissionsniveau unterdrückt und ein Leistungsverbrauch des Oszillatorschaltkreises 3 ebenfalls reduziert werden. Der Oszillationszyklusmessschaltkreis 4 misst einen Zyklus des Oszillatorsignals, welches von dem Oszillationsschaltkreis 3 ausgegeben wird, und gibt ein Signal entsprechend dem gemessenen Zyklus aus. Der Quadrierschaltkreis 5 berechnet und gibt aus ein Quadrat des Signals, welches von dem Oszillationszyklusmessschaltkreis 4 ausgegeben wird. Der Temperaturkompensationsschaltkreis 6 beschränkt Temperaturänderungen der Ausgabe, welche den Leitfähigkeiten des leitfähigen Drahtes, welcher die Verschiebungsdetektorspule 1 bildet, oder des elektrischen Leiters 2 zugeordnet sind. Der Signalverarbeitungsschaltkreis 7 berechnet die Größe der Verschiebung/den Verschiebungsgrad des elektrischen Leiters 2 mittels eines Ausgabesignals von dem Temperaturkompensationssschaltkreis 6.
(Verschiebungsdetektionsverfahren)
Der solchermaßen konfigurierte Verschiebungssensor detektiert die Größe der Verschiebung des elektrischen Leiters 2 durch Durchführen der nachfolgend beschriebenen Schritte. Speziell gibt der Oszillatorschaltkreis 3 zunächst ein Oszillatorsignal mit einer Frequenz (1/T_res) entsprechend einer Induktivität (L) der Verschiebungsdetektorspule 1 aus. Die Induktivität der Verschiebungsdetektorspule 1 variiert in Abhängigkeit von der Größe bzw. dem Grad der Verschiebung (des Einbringens) des elektrischen Leiters 2 in der axialen Richtung der Verschiebungsdetektorspule 1. Der Oszillationszyklusmessschaltkreis 4 misst dann einen Zyklus (T_res) des Oszillatorsignals, welches von dem Oszillatorschaltkreis 3 ausgegeben wird, und gibt ein Signal entsprechend dem gemessenen Zyklus (T_res) aus. Danach berechnet und gibt der Quadrierschaltkreis 5 ein Quadrat (T_res ²) des Signals aus, welches von dem Osziallationszyklusmesschaltkreis 4 ausgegeben wird. Da der Zyklus (T_res) des Oszillatorsignals ausgedrückt wird durch 2π(LC)^1/2, wird das Quadrat (T_res ²) des Signals, welches von dem Oszillationszyklusmesschaltkreis 4 ausgegeben wird, durch eine Formel 1, wie nachfolgend dargestellt, ausgedrückt. Durch Berechnen und Ausgeben der Oszillatorsignalperiode (T_res) wird eine Quadratwurzelkomponente des Produkts aus Induktivitäts-(L) und Kapazitäts-(C)Komponenten eliminiert, so dass das Ausgangssignal sich relativ zu der Verschiebung des Verschiebungskörpers linear ändert. T2 res = (2π√LC)2 (1)
Als nächstes kompensiert der Temperaturkompensationsschaltkreis 6 Temperaturänderungen des Quadrates (T_res ²), welche den Leitfähigkeiten des leitfähigen Drahtes, welcher die Verschiebungsdetektorspule 1 bildet, oder des elektrischen Leiters 2 zuschreibbar sind. In dem Verschiebungssensor dieser Ausführungsform wird die Induktivitätsänderung der Verschiebungsdetektorspule 1 relativ zu der Größe der Verschiebung des elektrischen Leiters 2 bestimmt, wenn ein Wirbelstrom, welcher in den elektrischen Leiter 2 fließt, einen magnetischen Fluss ausgleicht, welcher durch die Verschiebungsdetektorspule 1 erzeugt wird. Dieser Wirbelstrom (eddy current) wird mit zunehmender Temperatur gering. Demnach wird die Induktivität, wenn der Grad des Einführens des elektrischen Leiters 2 in die Verschiebungsdetektorspule 1 groß wird, kleiner und ein Temperaturkoeffizient wird größer. Im Gegensatz hierzu wird die Induktivität größer und der Temperaturkoeffizient wird kleiner, wenn der Einführungsgrad des elektrischen Leiters 2 in die Verschiebungsdetektorspule 1 kleiner wird. Spezieller betrachtet variieren die Charakteristiken der Quadrat-(T_res ²)-Änderung relativ zur Größe der Verschiebung des elektrischen Leiters 2 in Abhängigkeit von der Temperatur wie in 4 dargestellt, und der Temperaturkoeffizient davon ändert sich wie in 5 dargestellt. Demnach ist es schwer, einfach Temperaturänderungen des Quadrates (T_res ²) zu kompensieren.
In dieser Ausführungsform berechnet und gibt der Temperaturkompensationsschaltkreis 6 einen Paramter P aus, welcher durch eine Formel 2, die nachfolgend angegeben ist, ausgedrückt wird, um dadurch Temperaturänderungen des Quadrates (T_res ²) zu kompensieren. Dieser Parameter P wird durch Hinzuaddieren eines Offset-Wertes/Versatzwertes (T_ofs ²{1 + α(T_a – T₀)}) zum Quadrat (T_res ²) erhalten, worin T_ofs ² einen Versatz darstellt, α einen Temperaturkoeffizienten darstellt, T_a eine detektierte Temperatur darstellt und T₀ eine Bezugstemperatur (25°C) darstellt. Der Signalverarbeitungsschaltkreis 7 schließlich berechnet den Grad der Verschiebung des elektrischen Leiters 2 mit Hilfe des Ausgangssignals des Temperaturkompensationsschaltkreises 6. Gemäß diesem Parameter P kann durch Setzen des Versatzwertes T_ofs ² und des Temperaturkoeffizientens α auf deren geeignete Werte die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizientens von der Verschiebung reduziert werden, wie in 6 und 7 gezeigt ist. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass wenigstens der Versatzwert T_ofs ² oder der Temperaturkoeffizient α ein programmierbarer Paramter ist. Gemäß dieser Struktur ist es möglich, mit Unterschieden in Temperaturänderungen umzugehen, welche der Art der Verschiebungsdetektorspule 1 zuzuordnen sind, wie etwa der Form oder axialen Länge davon, oder der Vielzahl von Produkten zuzuordnen sind. Ferner ist es möglich, einen vorbestimmten Kompensationstemperpaturkoeffizienten anzulegen, um den Temperaturkoeffizienten α auszugleichen. Dies ermöglicht ein Kompensieren von Temperaturänderungen ungeachtet des Verschiebungsgrades des elektrischen Leiters 2. P = T2 res + Tofs{1 + α(Ta – T0)} (2)
Obwohl die vorliegende Erfindung, welche von den vorliegenden Erfindern gemacht worden ist, unter Bezugnahme auf ihre Ausführungsform beschrieben worden ist, sollten die Beschreibung und Zeichnungen, welche Teil der Offenbarung der vorliegenden Erfindung bilden, nicht als die vorliegende Erfindung beschränkend betrachtet werden. Demnach liegen verschiedene alternative Ausführungsformen, Beispiele, und Vorgehensweisen, welche vom Fachmann auf diesem Gebiet hergenommen werden, auf Basis der vorhergehenden Ausführungsform, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2007-139607 [0001]
- JP 05-040002 [0003]

Claims

Verschiebungssensor, welcher umfasst: – eine zylindrische Verschiebungsdetektorspule; – einen elektrischen Leiter, welcher nahe einem Inneren oder Äußeren der Verschiebungsdetektorspule in deren radialer Richtung angeordnet ist, wobei der elektrische Leiter in einer axialen Richtung der Verschiebungsdetektorspule frei verschiebbar ist; – einen Oszillatorschaltkreis, welcher ein Oszillatorsignal mit einer Frequenz entsprechend einer Induktivität der Verschiebungsdetektorspule ausgibt; – eine Oszillationszyklusmesseinheit, welche ein Signal entsprechend einem Zyklus des Oszillatorsignals ausgibt, welches von dem Oszillatorschaltkreis ausgegeben wird; und – eine Quadrierausgabeeinheit, welche ein Quadrat des Signals berechnet und ausgibt, welches von der Oszillationszyklusmesseinheit ausgegeben wird.
Verschiebungssensor nach Anspruch 1, welcher ferner umfasst: eine Temperaturkompensationseinheit, welche Temperaturänderungen des Quadrates kompensiert, welches von der Quadrierausgabeeinheit abgegeben wird.
Verschiebungssensor nach Anspruch 2, wobei die Temperaturkompensationseinheit einen Versatzbetrag mit einem vorbestimmten Temperaturkoeffizienten zu dem Quadrat, welches von der Quadrier-Ausgabeeinheit ausgegeben wird, hinzuaddiert, wodurch die Temperaturänderung des Quadrates kompensiert werden soll.
Verschiebungssensor nach Anspruch 3, wobei wenigstens der Temperaturkoeffizient oder der Versatzbetrag ein programmierbarer Parameter ist.
Verschiebungssensor nach Anspruch 3, wobei die Temperaturkompensationseinheit einen Kompensationstemperaturkoeffizienten auf das Quadrat anwendet, zu welchem der Versatzbetrag hinzuaddiert worden ist, um den vorbestimmten Temperaturkoeffizienten auszugleichen.
Verschiebungssensor nach Anspruch 5, wobei der Kompensationstemperaturkoeffizient ein programmierbarer Parameter ist.
Verschiebungssensor nach Anspruch 1, wobei ein nicht-magnetischer Körper in der Verschiebungsdetektorspule angeordnet ist.
Verschiebungssensor nach Anspruch 1, wobei der Oszillatorschaltkreis einen Amplitudenbegrenzerschaltkreis aufweist, welcher eine Amplitude des Oszillatorsignals auf einen vorbestimmten Wert beschränkt.
Verschiebungssensor nach Anspruch 1, wobei die Wicklung der Verschiebungsdetektorspule in der axialen Richtung ungleichmäßig verteilt ist.
Verschiebungssensor nach Anspruch 1, wobei die Verschiebungsdetektorspule und der elektrische Leiter von einem magnetischen Schild zum Schützen derselben vor elektromagnetischen Wellen umgeben sind.