DE102009020076A1 - Vorrichtung zur Positionsmessung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10; 100) zur Positionsmessung. Sie umfasst eine physikalische Maßverkörperung (20; 110), welche einen einzigen Grundkörper (20; 110) enthält, der lichtdurchlässige und/oder optisch reflektierende Bereiche (50; 145, 147, 155, 157) sowie magnetische und/oder magnetisierbare Bereiche (40; 131, 132) aufweist. Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, welche wenigstens eine Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung sowie wenigstens einen magnetischen Sensor (82, 83; 190) und wenigstens einen optischen Sensor (81, 84; 170, 180), die physikalisch getrennt angeordnet sind, aufweist. Der magnetische Sensor (82, 83; 190) und der optische Sensor (81, 84; 170, 180) sind derart bezüglich der physikalischen Maßverkörperung (20, 110) angeordnet sind, dass sie die lichtdurchlässigen und/oder optisch reflektierenden Bereiche sowie magnetischen und/oder magnetisierbaren Bereiche gleichzeitig abtasten können. Die Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung kann die entsprechenden Ausgangssignale des optischen Sensors (81, 84; 170, 180) und des magnetischen Sensors (82, 83; 190) auswerten und/oder verarbeiten.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionsmessung gegebenenfalls mit einer Materialprüfung.
  • Auf dem Gebiet der Positionsmessung werden vorzugsweise physikalische Maßverkörperungen verwendet werden, die entweder optisch oder magnetisch codierte Spuren tragen. Die codierten Spuren können beispielsweise mit einem Fotosensor bzw. einem Hallsensor abgetastet werden. Die Ausgangssignale des Foto- bzw. Hallsensors werden dann in einer separaten Auswerteeinrichtung ausgewertet und verarbeitet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Positionsmessung gegebenenfalls mit Materialprüfung bereit zu stellen, mit denen unterschiedliche physikalische Signale gleichzeitig detektiert werden können.
  • Das oben genannte technische Problem wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Diese Merkmale umschreiben eine Vorrichtung zur Positionsmessung gegebenenfalls mit einer Plausibilitäts- und/oder Materialprüfung. Die Vorrichtung weist eine physikalische Maßverkörperung auf. Die physikalische Maßverkörperung enthält einen einzigen Grundkörper, der lichtdurchlässige und/oder optisch reflektierende Bereiche sowie magnetische und/oder magnetisierbare Bereiche aufweist. Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, welche wenigstens eine Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung sowie wenigstens einen magnetischen Sensor und wenigstens einen optischen Sensor aufweist. Der optische Sensor und der magnetische Sensor sind physikalisch getrennt angeordnet. Die physikalische Maßverkörperung, der magnetische Sensor und der optische Sensor sind derart zueinander angeordnet, dass der optische Sensor die lichtdurchlässigen und/oder optisch reflektierenden Bereiche und der magnetische Sensor die magnetischen und/oder magnetisierbaren Bereiche gleichzeitig abtasten kann. Die Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung kann die entsprechenden Ausgangssignale des optischen Sensors und des magnetischen Sensors beispielsweise als zusammengehörende Signale auswerten und/oder verarbeiten.
  • Die Vorrichtung kann in einem Sicherheitssystem implementiert sein, um sicherheitsrelevante Komponenten zu überwachen.
  • Der Grundkörper kann ein zumindest teilweise lichtdurchlässiger oder optisch reflektierender Körper mit magnetisch beschichteten Bereichen sein. Ein solcher Grundkörper kann ein Glas- oder Kunststoffkörper sein.
  • Der Grundkörper kann auch als Rad, zum Beispiel als Zahnrad, als Scheibe oder als Streifen ausgebildet sein. Bei der Scheibe kann es sich um eine Lochscheibe und bei dem Streifen um einen Lochstreifen handeln.
  • Der Grundkörper kann aus magnetisierbarem oder magnetischem Material hergestellt sein, beispielsweise Stahl oder Eisen.
  • Vorteilhafter Weise bilden die magnetischen und/oder magnetisierbaren Bereich wenigstens eine codierte magnetische Spur und die lichtdurchlässigen und/oder optisch reflektierenden Bereiche wenigstens eine codierte optische Spur.
  • Die lichtdurchlässigen und/oder optisch reflektierenden Bereiche sowie die magnetischen und/oder magnetisierbaren Bereiche des Grundkörpers können unterschiedliche, gleiche, komplementäre, redundante oder ergänzende Information tragen.
  • Die Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung kann unter Ansprechen auf die Ausgangssignale des optischen Sensors und des magnetischen Sensors eine Plausibilitätsprüfung, eine Positionsmessung und/oder eine Materialprüfung hinsichtlich des Grundkörpers durchführen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine beispielhafte Positionsmess- und/oder Materialprüfvorrichtung, in welcher die Erfindung verwirklicht ist, und
  • 2 eine alternative Positionsmess- und/oder Materialprüfvorrichtung.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Positionsmess- und/oder Materialprüfvorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 kann zwei separate optische Sensoren 81 und 84 sowie zwei separate magnetische Senoren 82 und 83 aufweisen, die mit einer nicht dargestellten Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung verbunden sind. Die optischen Sensoren 81 und 84 können Fotosensoren sein, während die magnetischen Sensoren 82 und 83 Hallsensoren sein können. Die Vorrichtung 10 weist ferner zum Beispiel ein als physikalische Maßverkörperung 20 ausgebildetes Zahnrad auf, welches oberhalb der optischen und magnetischen Sensoren 81 bis 84 angeordnet sein kann. Das Zahnrad 20 kann beispielsweise aus einem magnetisierbaren Material hergestellt sein. Die Stirnseiten der Zähne 40 des Zahnrades 20 können mit einem optisch reflektierenden Material 50 beschichtet sein. Das Zahnrad weist in der Mitte ein Loch 30 auf, durch das beispielsweise eine nicht dargestellte Antriebsachse durchgesteckt sein kann. Im vorliegenden Beispiel sind links und rechts neben den Sensoren 81 bis 84 jeweils eine Lichtquelle 60 bzw. 70 angeordnet. Unterhalb der Sensoren 81 bis 84 ist ein Vormagnetisierungsmagnet, ein sogenannter Bias-Magnet 90 angeordnet, der ein Magnetfeld erzeugt, das in Verbindung mit dem Zahnrad 20 bei dessen Bewegung magnetische Signale liefert, die von den Hallsensoren 82 und 83 detektiert werden. Bei der dargestellten Anordnung sind also die Sensoren 81 bis 84 zwischen dem Zahnrad 20 und dem Bias-Magnet 90 angeordnet.
  • Die Sensoren 81 bis 84 sind derart angeordnet, dass zum Beispiel gleichzeitig die Position des Zahnrades 20 und der Materialzustand, zum Beispiel der Abrieb des Zahnrades 20 überwacht werden kann. Demzufolge können beispielsweise aus den vom Zahnrad 20 und vom Bias-Magnet 90 hervorgerufenen magnetischen Signalen die Winkelposition des Zahnrades 20 ermittelt werden, während die optisch reflektierenden Bereiche 50 Informationen über den Zustand des Zahnrads 20 enthalten, die von der Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung entsprechend ausgewertet werden können. Die von den optisch reflektierenden Bereichen 50 zurückgeworfenen Lichtstrahlen werden von den Fotosensoren 81 und 84 detektiert. Die vom Zahnrad 20 und vom Bias-Magnet 90 erzeugten magnetischen Signale werden von den Hall-Sensoren 82 und 83 detektiert. Aus den Ausgangssignalen der optischen Sensoren 81 und 84 ermittelt die Auswerte- und Verarbeitungseinrichtung dann den Zustand des Zahnrads 20. Beispielsweise kann dadurch ein durch Abrieb verformter Zahn entdeckt werden. Die Hallsensoren 82 und 83 hingegen liefern Ausgangssignale, aus denen die Auswerte- und Verarbeitungseinrichtung die Winkelposition des Zahnrads 20 berechnen kann.
  • 2 zeigt eine weitere beispielhafte Vorrichtung 100 zur Materialprüfung und/oder Positionsmessung.
  • Als Maßverkörperung wird beispielsweise eine Plastikscheibe 110 verwendet, die im vorliegenden Beispiel eine äußere codierte magnetische Spur 130 sowie zwei innen liegende optische Spuren 140 und 150 aufweist. Die magnetische Spur 130 kann magnetische Bereiche 131 und 132 enthalten, welche magnetische Nordpole bzw. magnetische Südpole bilden. Die kodierte optische Spur 140 weist lichtdurchlässige Bereiche 147 und lichtundurchlässige Bereiche 145 definierter Länge auf. Die innerste kodierte optische Spur 150 weist ebenfalls lichtdurchlässige Bereiche 155 und lichtundurchlässige Bereiche 157 auf. Unterhalb der Maßverkörperung 110 können zwei optische Sensoren 170, 180 und ein magnetischer Sensor 190 angeordnet sein. Der magnetische Sensor 190 kann wiederum ein Hall-Sensor sein. Die Sensoren 170, 180 und 190 können derart unterhalb der Maßverkörperung 110 angeordnet sein, dass der optische Sensor 170 die innen liegende kodierte optische Spur 150 abtasten kann, der optische Sensor 180 die zweite optische Spur 150 abtasten kann und der Hall-Sensor 190 die außen liegende magnetische kodierte Spur 130 abtasten kann. Oberhalb der Maßverkörperung 110 kann eine Lichtquelle 120 positioniert sein, die die Maßverkörperung 110 beleuchtet, so dass auf der Rückseite der Maßverkörperung, dass heißt auf der den Sensoren zugewandten Seite optische Signale abgetastet werden können. Die Maßverkörperung 110 weist eine zentrisch angeordnete Öffnung 200 auf, durch die eine Welle geführt sein kann.
  • Die magnetische Spur 130 kann Informationen zur Positionsmessung tragen und/oder zur Materialprüfung der Maßverkörperung 110 verwendet werden. Die Kodierung der optischen Spuren 140 und 150 kann Informationen darstellen, welche eine Bestimmung der Winkelposition der Welle, auf der die Maßverkörperung 110 sitzt, ermöglicht.
  • Die beim Rotieren der Maßverkörperung 110 durch die magnetische Spur 130 erzeugten magnetischen Signale werden vom Hall-Sensor 190 detektiert und die durch die optischen Spuren 140 und 150 erzeugten optischen Signale werden von dem optischen Sensor 170 bzw. dem optischen Sensor 180 abgetastet bzw. detektiert. Eine Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung (nicht dargestellt) ist mit den Sensoren 170, 180 und 190 verbunden. Unter Ansprechen auf die Ausgangssignale der optischen Sensoren 170 und 180 kann die Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung einen Messwert berechnen, aus welchem ein Gesamtpositionswert der Welle ermittelt wird. Unter Ansprechen auf das Ausgangssignal des Hall-Sensors 190 kann die Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung den physischen Zustand oder die Grobposition der Maßverkörperung 110 nach einem grundsätzlich unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzip überwachen. Eine Beschädigung der Maßverkörperung 110 im Außenbereich würde ein entsprechendes Ausgangssignal des Hall-Sensors 190 hervorrufen, welches von der Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung als Beschädigung der Maßverkörperung 110 interpretierbar würde. Eine von der optischen Messung abweichende und nicht plausible magnetisch bestimmte Grobposition würde als Systemfehler erkannt und verarbeitet werden können.
  • Denkbar ist auch, dass die optischen Spuren 140 und 150 und die magnetische Spur 130 derart kodiert sind, dass die optischen Sensoren 170, 180 sowie der Hall-Sensor 190 Ausgangssignale erzeugen, aus denen die Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung Steuersignale erzeugen kann, die zur Kompensation, Regelung und/oder Steuerung insbesondere von Einflussgrößen wie zum Beispiel der Temperatur, der Alterung und mechanischer Kräfte verwendet werden können.
  • Die optischen Spuren 140 und 150 sowie die magnetische Spur 130 können auch derart kodiert sein, dass die optischen Sensoren 170 und 180 sowie der Hall-Sensor 190 Ausgangssignale liefern, die die Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung in Steuersignale umsetzen kann, um die optischen Sensoren 170 und 180 und/oder den magnetischen Sensor 190 kalibrieren oder um deren Arbeitskennlinie linearisieren zu können.
  • Die optischen Spuren 140 und 150 sowie die magnetische Spur 130 können auch Informationen tragen, die von den optischen Sensoren 170 und 180 und dem Hall-Sensor 190 in Ausgangssignale umgewandelt werden, aus denen die Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung eine Plausibilitätsprüfung durchführen kann. Die Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung kann also derart ausgebildet sein, dass sie feststellen kann, ob die gelieferten physikalischen Signale zu gültigen Messergebnissen geführt haben.
  • Denkbar ist ferner, dass die innen liegende optische Spur 150 eine optische Information trägt, die zur Materialprüfung der Maßverkörperung 110 herangezogen werden kann. Die äußere optische Spur 140 und die magnetische Spur 130 können redundante Informationen tragen, aus denen die Winkelposition der Welle berechnet werden kann. In diesem Fall eignet sich die dargestellte Vorrichtung 100 zum Einsatz in sicherheitsbezogenen Automatisierungssystemen, da sowohl der optische Sensor 180 als auch der magnetische Sensor 190 im fehlerfreien Fall die gleichen Positionswerte liefern müssten. Stellt die Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung jedoch fest, dass die vom optischen Sensor 180 und vom Hall-Sensor 190 gelieferten Ausgangssignale nicht übereinstimmen, könnte ein Warnsignal erzeugt werden, welches die sicherheitsrelevante Automatisierungsanlage oder die entsprechenden Komponenten in einen sicheren Zustand fährt.
  • Lediglich der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass einer der optischen Sensoren 170 und 180 oder der Hall-Sensor 190 durch einen kapazitiven Sensor ersetzt werden kann. Alternativ könnte auch zusätzlich noch wenigstens ein kapazitiver Sensor eingesetzt werden. Angemerkt sei ferner, dass in 2 nur beispielhaft zwei optische Sensoren 170, 180 und ein magnetischer Sensor 190 dargestellt sind. Auch die Maßverkörperung 110 kann weitere magnetische und/oder optische Spuren aufweisen.

Claims (8)

  1. Vorrichtung (10; 100) zur Positionsmessung, umfassend – eine physikalische Maßverkörperung (20, 110), welche einen einzigen Grundkörper (20; 110) enthält, der lichtdurchlässige und/oder optisch reflektierende Bereiche (50; 145, 147, 155, 157) sowie magnetische und/oder magnetisierbare Bereiche (40; 131, 132) aufweist, – eine Schaltungsanordnung, welche wenigstens eine Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung sowie wenigstens einen magnetischen Sensor (82, 83; 190) und wenigstens einen optischen Sensor (81, 84; 170, 180), die physikalisch getrennt angeordnet sind, aufweist, wobei der magnetische Sensor (82, 83; 190) und der optische Sensor (81, 84; 170, 180) derart bezüglich der physikalischen Maßverkörperung (20, 110) angeordnet sind, dass sie die lichtdurchlässigen und/oder optisch reflektierenden Bereiche sowie die magnetischen und/oder magnetisierbaren Bereiche gleichzeitig abtasten können, wobei die Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung die entsprechenden Ausgangssignale des optischen Sensors (81, 84; 170, 180) und des magnetischen Sensors (82, 83; 190) auswerten und/oder verarbeiten kann.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper ein Rad, eine Scheibe oder ein Streifen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper ein zumindest teilweise lichtdurchlässiger oder optisch reflektierender Körper (110) mit magnetisch beschichteten Bereichen (131, 132) ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus magnetischem oder magnetisierbarem Material hergestellt ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen und/oder magnetisierbaren Bereiche wenigstens eine codierte magnetische Spur und die lichtdurchlässigen und/oder optisch reflektierenden Bereiche wenigstens eine codierte optische Spur bilden.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtdurchlässigen und/oder optisch reflektierenden Bereiche sowie die magnetischen und/oder magnetisierbaren Bereiche unterschiedliche, gleiche, komplementäre, redundante oder ergänzende Informationen tragen.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und/oder Verarbeitungseinrichtung unter Ansprechen auf die Ausgangssignale des optischen Sensors und magnetischen Sensors eine Plausibilitätsprüfung, eine Positionsmessung und/oder eine Materialprüfung hinsichtlich des Grundkörpers durchführen kann.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einem Sicherheitssystem implementiert ist.
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