DE102011085730A1 - Inductive displacement and angle sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen induktiven Wegsensor (4) zum Erfassen einer Position eines Messobjekts (12, 40) relativ zu einer Spule (38). Der induktive Wegsensor (4) umfasst die Spule (38) und einen permeablen und/oder permittiven Probekörper (36, 47, 62), wobei der Probekörper (36, 47, 62) in Abhängigkeit der relativen Position des Messobjekts (12, 40) zur Spule (38) einen Bereich der Spule (38) bedeckt.The invention relates to an inductive displacement sensor (4) for detecting a position of a measuring object (12, 40) relative to a coil (38). The inductive displacement sensor (4) comprises the coil (38) and a permeable and / or permittive test body (36, 47, 62), the test body (36, 47, 62) being dependent on the relative position of the test object (12, 40). to the coil (38) covers a portion of the coil (38).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Wegsensor zum Erfassen einer Position eines Messobjekts relativ zu einer Spule und ein Verfahren zum Bestimmen der Position des Messobjekts relativ zur Spule.The present invention relates to an inductive displacement sensor for detecting a position of a measurement object relative to a coil and a method for determining the position of the measurement object relative to the coil.
Ein Wegsensor zum Erfassen einer Position eines Messobjekts relativ zu einem Sensorelement ist beispielsweise aus der
Es ist Aufgabe der Erfindung, den bekannten Wegsensor zu verbessern.It is an object of the invention to improve the known displacement sensor.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is solved by the features of the independent claims. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung schlägt vor, den bekannten kapazitiven Wegsensor induktiv auszuführen.The invention proposes to carry out the known capacitive displacement sensor inductively.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der kapazitive Wegsensor teils starken Bauteilschwankungen unterliegt, die zu entsprechend hohen Messfehlern im Einsatz des kapazitiven Wegsensors führen. Der Erfindung liegt ferner die Überlegung zugrunde, dass diese hohen Messfehler ihre Ursache in der nicht unerheblichen Abhängigkeit des kapazitiven Wegsensors gegenüber Verunreinigungen haben, da Verunreinigungen Einfluss auf die dielektrischen Eigenschaften des Raums zwischen den beiden Kondensatorelektroden haben.The invention is based on the finding that the capacitive displacement sensor is partly subject to strong component fluctuations, which lead to correspondingly high measurement errors in the use of the capacitive displacement sensor. The invention is also based on the consideration that these high measurement errors are caused by the not inconsiderable dependence of the capacitive displacement sensor on contaminants, since impurities have an influence on the dielectric properties of the space between the two capacitor electrodes.
Zwar gibt es Ansätze, den kapazitiven Wegsensor gegenüber Verunreinigungen beispielsweise durch ein dichtes Gehäuse zu sichern, eine dauerhaft funktionssichernde Abdichtung ist jedoch aufwändig und kostenintensiv. Insbesondere gegenüber der Luftfeuchtigkeit ist ein sehr hoher Abdichtungsaufwand notwendig. Zudem unterliegt auch die Abdichtung gewissen Verfalls- und Abnutzungserscheinungen, die über lange Sicht gesehen keine hundertprozentige Sicherheit gegenüber Verunreinigungen bieten können.Although there are approaches to secure the capacitive displacement sensor against contamination, for example by a dense housing, a permanently functionally reliable sealing is complex and costly. In particular, relative to the humidity, a very high sealing effort is necessary. In addition, the seal is also subject to certain signs of deterioration and wear, which over the long term can not provide 100% protection against contamination.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Überlegung zugrunde, dass die meisten Verunreinigungen, insbesondere die Luftfeuchtigkeit, zwar die dielektrischen Eigenschaften des Raums in einem Wegsensor beeinflussen, jedoch kaum Auswirkungen auf seine permeablen Eigenschaften haben. Folglich ist ein induktives Messprinzip für den Wegsensor deutlich fehlerunanfälliger als das kapazitive Messprinzip.In contrast, the invention is based on the consideration that most impurities, in particular the humidity, although affect the dielectric properties of the space in a displacement sensor, but have little effect on its permeable properties. Consequently, an inductive measuring principle for the displacement sensor is significantly more error-prone than the capacitive measuring principle.
Die Erfindung gibt daher einen induktiven Wegsensor zum Erfassen einer Position eines Messobjekts relativ zu einer Spule an, der die Spule und einen permeablen und/oder permittiven Probekörper umfasst, wobei der Probekörper in Abhängigkeit der relativen Position des Messobjekts zur Spule einen Bereich der Spule bedeckt.The invention therefore provides an inductive displacement sensor for detecting a position of a measuring object relative to a coil, which comprises the coil and a permeable and / or permittive test specimen, the specimen covering a region of the coil in dependence on the relative position of the test object relative to the coil.
Über die Position des Probekörpers können Positionsänderungen des Probekörpers und damit zurückgelegte Wege des Messobjektes erfasst werden, wenn es mit dem Probekörper verbunden ist. Die Form des Weges ist dabei beliebig. So kann der Wegsensor ausgelegt sein, wie bei einem Lenkwinkelsensor einen Weg auf einer Kreisbahn zu erfassen oder auch einen geradlinig verlaufenden.The position of the test specimen can be used to detect changes in position of the specimen and thus paths traveled by the specimen when it is connected to the specimen. The shape of the path is arbitrary. Thus, the displacement sensor may be designed to detect a path on a circular path, as in the case of a steering angle sensor, or else to move in a straight line.
In einer Weiterbildung ist die Spule eine Planarspule und der Probekörper ein Metallband, das zum flächigen Bedecken der Planarspule in Abhängigkeit der relativen Position des Messobjekts zur Planarspule vorgesehen ist. Durch die Planarspule kann der iniduktive Wegsensor besonders platzsparend aufgebaut werden. In diesem Fall kann der Probekörper in Bewegungsrichtung der Planarspule gesehen parallel zu dieser angeordnet werden, wobei der Probekörper zur Messung in Bewegungsrichtung über die Planarspule geschoben werden kann. Auf diese Weise überdecken sich die Planarspule und der Probekörper auf einer Überdeckungsfläche, deren Größe von der Lage des Messobjektes zur Planarspule abhängig ist, wenn das Messobjekt mit dem Probekörper verbunden ist. Von der Größe dieser Überdeckungsfläche abhängig ist dann die Induktivität der Planarspule. In a development, the coil is a planar coil and the test specimen is a metal band which is provided for covering the planar coil in a manner dependent on the relative position of the measurement object relative to the planar coil. Thanks to the planar coil, the non-positive displacement sensor can be constructed in a particularly space-saving manner. In this case, the specimen in the direction of movement of the planar coil can be arranged parallel to this, wherein the specimen can be pushed over the planar coil for measurement in the direction of movement. In this way, the planar coil and the test specimen overlap on an overlap area whose size depends on the position of the test object relative to the planar coil when the test object is connected to the test specimen. The inductance of the planar coil is then dependent on the size of this overlap area.
In einer zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung ist die Planarspule aus Leiterbahnen einer mit der Planarspule elektrisch verbundenen Schaltung zum Erfassen der Induktivität und zum Ausgeben eines von der Induktivität der Planarspule abhängigen Signals gebildet. Auf diese Weise kann die Planarspule direkt auf die Schaltung durch reine Ausbildung der Leiterbahnen aufgebracht werden. Auf diese Weise entfällt eine extra Spule für den induktiven Wegsensor, was die Größe des induktiven Wegsensors weiter reduziert. Zudem lassen sich Produktions- und Materialkosten sparen, da weder eine extra Spule angeschafft noch in einem extra Herstellungsschritt auf die Schaltung aufgebracht werden muss.In an additional development of the invention, the planar coil is formed of conductor tracks of a circuit electrically connected to the planar coil for detecting the inductance and for outputting a signal dependent on the inductance of the planar coil. In this way, the planar coil can be applied directly to the circuit by pure formation of the tracks. This eliminates the need for an extra coil for the inductive displacement sensor, further reducing the size of the inductive displacement sensor. In addition, production and material costs can be saved, since neither an extra coil purchased nor must be applied in an extra manufacturing step on the circuit.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist eine Isolierung zwischen der Spule und dem Probekörper angeordnet. Diese Isolierung verhindert einen Kurzschluss der Elemente des Wegsensors und damit undefinierte Messzustände.In another embodiment of the invention, an insulation between the coil and the sample is arranged. This insulation prevents a short circuit of the elements of the displacement sensor and thus undefined measurement states.
In einer zusätzlichen Weiterbildung ist das Metallband aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Durch das ferromagnetische Material wird ein besonders hoher Permittivitätsunterschied über der Spule erzeugt, durch den sich selbst kleine Positionsänderungen bereits erfassen lassen können, so dass sich eine gute Empfindlichkeit für den induktiven Wegsensor erreichen lässt.In an additional development, the metal strip is formed from a ferromagnetic material. Due to the ferromagnetic material, a particularly high permittivity difference is generated across the coil, by which even small changes in position can already be detected, so that a good sensitivity for the inductive displacement sensor can be achieved.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist auf das ferromagnetische Material ein aus einem Stromleitermetall hergestelltes Band aufgebracht. Unter einem Stromleitermetall versteht man die Metalle, die in technischer Hinsicht aufgrund ihrer guten Leitfähigkeit zur Stromleitung herangezogen werden. Dabei handelt es sich vor allem um Kupfer und Aluminium, die sehr kostengünstig sind, aber auch um Gold oder Silber. Durch den Stromleiter können durch diese Spule zusätzliche Wirbelströme erzeugt werden, wodurch die Induktivität der Spule in einem noch stärkeren Maße vom Probekörper beeinflusst wird, so dass sich die Empfindlichkeit des Sensors weiter steigern lässt.In a preferred development, a band produced from a conductor metal is applied to the ferromagnetic material. Under a conductor metal is understood the metals, which are used in technical terms due to their good conductivity for power line. These are mainly copper and aluminum, which are very inexpensive, but also gold or silver. Through the conductor additional eddy currents can be generated by this coil, whereby the inductance of the coil is influenced to an even greater extent by the specimen, so that the sensitivity of the sensor can be further increased.
In einer anderen Weiterbildung ist das Metallband aufgerollt und vom Messobjekts auf einer Oberseite der Planarspule abrollbar. Auf diese Weise nimmt das Metallband wenig Bauraum im induktiven Wegsensor in Anspruch, so dass der induktive Wegsensor platzsparend aufgebaut werden kann.In another development, the metal strip is rolled up and unrolled from the measurement object on an upper side of the planar coil. In this way, the metal strip takes up little space in the inductive displacement sensor, so that the inductive displacement sensor can be constructed to save space.
In einer besonderen Weiterbildung ist ein Sensormagnetband auf einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite der Planarspule zum Anziehen des Metallbandes angeordnet. Mit dem Sensormagnetband kann das Metallband an die Planarspule angedrückt werden, wenn es über diese aufgrund der Bewegung des Messobjektes gelegt wird, so dass ein definierter Abstand zwischen der Planarspule und dem Metallband als Probekörper geschaffen ist. Zwar ändert das Sensormagnetband die Induktivität der Planarspule, dadurch dass das Sensormagnetband sich gegenüber der Planarspule nicht bewegt hat das Sensormagnetband bei der Bewegung des Messobjektes und damit bei der Wegeerfassung des Messobjektes auf die Induktivitätsänderung der Planarspule keinen Einfluss.In a particular embodiment, a sensor magnetic tape on an upper side opposite the underside of the planar coil for attracting the metal strip is arranged. With the sensor magnetic tape, the metal strip can be pressed against the planar coil, if it is placed over this due to the movement of the measurement object, so that a defined distance between the planar coil and the metal strip is provided as a specimen. Although the sensor magnetic band changes the inductance of the planar coil, characterized in that the sensor magnetic tape has not moved with respect to the planar coil, the sensor magnetic band has no influence on the inductance change of the planar coil during the movement of the measurement object and thus during the path detection of the measurement object.
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der induktive Wegsensor eine Probekörpertrommel, auf der das Metallband aufrollbar ist.In a preferred embodiment, the inductive displacement sensor comprises a sample drum on which the metal strip can be rolled up.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung umfasst der induktive Wegsensor ein um einen Umfang der Probekörpertrommel gelegtes Probekörpermagnetband zum Anziehen des Metallbandes an die Probekörpertrommel, so dass das Metallband im aufgerollten Zustand straff an der Probekörpertrommel anliegt.In a particularly preferred development, the inductive displacement sensor comprises a test body magnetic tape placed around a circumference of the test specimen drum for attracting the metal tape to the test specimen drum, so that the metal tape rests tightly against the test specimen drum in the rolled-up state.
In einer zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung umfasst der induktive Wegsensor eine Sensortrommel an dessen Innenumfang die Spule angeordnet ist. Dabei kann die Probekörpertrommel konzentrisch in der Sensortrommel angeordnet sein. Im Betrieb des induktiven Wegsensors wird die Probekörpertrommel und/oder die Sensortrommel entgegen der Aufrollrichtung des Metallbandes auf die Probekörpertrommel gedreht, so dass das Metallband von der Probekörpertrommel abgerollt und auf die Sensortrommel gedrückt wird.In an additional development of the invention, the inductive displacement sensor comprises a sensor drum on whose inner circumference the coil is arranged. In this case, the specimen drum can be arranged concentrically in the sensor drum. During operation of the inductive displacement sensor, the specimen drum and / or the sensor drum is rotated counter to the direction of curvature of the metal strip on the specimen drum, so that the metal strip is unrolled from the specimen drum and pressed onto the sensor drum.
Die Erfindung gibt auch einen Hauptzylinder zum Erzeugen eines hydraulischen Druckes für eine hydraulische Bremsanlage basierend der Lage eines Bremspedals an. Der Hauptzylinder umfasst ein Gehäuse mit der hydraulischen Flüssigkeit, einen durch das Bremspedal in dem Gehäuse axial beweglichen Druckkolben und einen erfindungsgemäßen induktiven Wegsensor zum Erfassen der axialen Stellung des Kolbens im Gehäuse an.The invention also provides a master cylinder for generating a hydraulic pressure for a hydraulic brake system based on the location of a brake pedal. The master cylinder includes a housing with the hydraulic fluid, a pressure piston axially movable by the brake pedal in the housing, and an inductive displacement sensor according to the invention for detecting the axial position of the piston in the housing.
Die Erfindung gibt auch ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Hauptzylinder an.The invention also provides a vehicle with a master cylinder according to the invention.
Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Messobjekts relativ zu einer Spule an, das den Schritt Bedecken eines Bereichs der Spule mit einem permeablen und/oder permittiven Probekörper umfasst, wobei der Bereich von der relativen Position des Messobjekts zu Spule abhängig ist. Ferner umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Bestimmen der Induktivität der Spule.The invention also provides a method for determining the position of a measurement object relative to a coil, comprising the step of covering a region of the coil with a permeable and / or permittive sample, the region being dependent on the relative position of the measurement object to coil. Furthermore, the specified method comprises the step of determining the inductance of the coil.
Weiterbildungen des Verfahrens können Verfahrensschritte sein, die die Merkmale des angegebenen Wegsensors oder des Hauptzylinders gemäß den Unteransprüchen sinngemäß realisieren.Developments of the method may be method steps that realize the features of the specified displacement sensor or the master cylinder according to the dependent claims mutatis mutandis.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:The above-described characteristics, features and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the exemplary embodiments, which are explained in more detail in conjunction with the drawings, in which:
Es wird auf
Der Tandemhauptzylinder
Da dem Fachmann die Funktionsweise eines Tandemhauptzylinders bekannt ist, soll auf eine detaillierte Darstellung dieser verzichtet werden.Since the person skilled in the art, the operation of a tandem master cylinder is to be dispensed with a detailed presentation of this.
Der erfindungsgemäße induktive Wegsensor
Es wird auf
In
Um den Halt der abgerollten Stahlfolie
Die Induktivität kann beispielsweise durch die noch zu beschreibende Schaltung
Es wird auf
Der induktive Wegsensor
Ein Federstahlband
Die Planarspule
Im Zuge einer relativen Drehbewegung zwischen dem Trommelelement
Dabei liegt das Federstahlband
In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden das erste und das zweite Band durch obig beschriebene spiralförmige Nut gemeinsam geführt und sind jeweils schräg gegenüber einer Basisfläche bzw. dem Gehäuseboden des Gehäuseelements befestigt. In a further embodiment, not shown, the first and the second band are guided together by the above-described spiral groove and are each mounted obliquely relative to a base surface or the housing bottom of the housing element.
Es wird auf
In
Desweiteren kann in nicht gezeigter Weise in der Nut
Es wird auf
In der vorliegenden Ausführung ist die Schaltung
Der Parallelschwingkreis
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R163 | Identified publications notified | ||
R163 | Identified publications notified |
Effective date: 20130819 |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |