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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors, insbesondere eines Brückensensors und eine Sensoranordnung.
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Positionssensoren basieren auf kapazitiven, magnetischen, induktiven, optischen oder resistiven Messprinzipien. Für Anwendungen, die eine sehr hohe Auflösung und Zuverlässigkeit bei gleichzeitig geringen Kosten erfordern, ist die Verwendung von induktiven Sensoren bevorzugt. Dieser Sensortyp zeichnet sich durch geringe Langzeitdriften und Alterungseffekte aus. Neben kostspieligen optischen Interferometern bieten sich induktive Sensortypen besonders an, wenn eine kontaktlose Messung im Nanometer- oder Mikrometerbereich durchgeführt werden soll.
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Differentialtransformatoren (linear variable differential transformer, LVDT) sind seit zirka einem Jahrzehnt als induktiver Sensortyp zur Positionsbestimmung bekannt. Diese Sensoren haben jedoch Linearitätsprobleme im Zentralbereich und erfordern die Verwendung exotischer und damit meist teurer Materialien. Zudem sind komplexe Sensorschnittstellen zur Spulenanregung und zur Messwertkonvertierung der Empfangsspulen notwendig. Die darauf folgende Signalverarbeitung ist ebenfalls aufwendig und muss wenigstens eine AC Signalkonvertierung und anschließende Analog-Digital-Wandlung vorsehen.
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Die Druckschrift
DE 11 2008 000 208 T5 zeigt ein Gerät zum Bereitstellen eines Signals, das mit einer Position eines Kopplerelements in Zusammenhang steht. Dabei umfasst das Gerät eine Erregerspule, wobei die Erregerspule so funktioniert, dass sie einen magnetischen Fluss erzeugt, wenn die Erregerspule mit Strom versorgt wird. Ferner ist eine Empfängerspule vorgesehen, die so funktioniert, dass sie infolge einer induktiven Kopplung zwischen der Empfängerspule und der Erregerspule ein Empfängersignal erzeugt, wenn die Erregerspule mit Strom versorgt wird. Die induktive Kopplung ist dabei durch die Bewegung des Kopplerelements so modifiziert wird, dass das Empfängersignal mit der Position des Kopplerelements korreliert ist.
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US 7,562,591 B2 zeigt eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Winkelposition einer Welle, beispielsweise eine Lenksäule. Ferner ist eine Spulenanordnung gezeigt, die einen Spulenträger und ein Kopplungselement mit einem Kuppler Winkelposition mit der Winkelposition der Welle korreliert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors, insbesondere eines Brückensensors, und eine entsprechende Sensoranordnung anzugeben, die bei hoher Messauflösung und Zuverlässigkeit eine einfachere Signalaufbearbeitung aufweist.
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Die Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand abhängiger Ansprüche.
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In einer Ausführungsform umfasst eine Anordnung zum Betreiben eines Sensors, insbesondere eines Brückensensors, einen Sensoreingang zum Versorgen des Sensors. Ein getakteter Signalgeber ist mit dem Sensoreingang gekoppelt. Ein Verstärker ist eingangsseitig mit einem Signaleingang verbunden, um den Sensor an der Anordnung anschließen zu können. Weiterhin ist eine Signalverarbeitungsvorrichtung vorgesehen, die mit einem Ausgang des Verstärkers verbunden ist.
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Der Sensor generiert in Abhängigkeit einer physikalischen Messgröße, wie etwa einer Position oder eines Drehmoments, ein Sensorsignal. Über einen geeigneten Sensorausgang ist der Sensor mit dem Sensoreingang der Anordnung verbunden und stellt die aufgezeichneten Sensorsignale am Sensoreingang bereit. Das Sensorsignal wird auf den Verstärker geführt und dort verstärkt. Dies erfolgt in Abhängigkeit des Taktes des Signalgebers. Auf diese Weise können aus dem Sensorsignal aufeinander folgende Sensorwerte generiert werden.
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Das so verstärkte Sensorsignal beziehungsweise die Sensorwerte werden am Ausgang des Verstärkers bereitgestellt und so der Signalverarbeitungsvorrichtung zugeführt. Die Signalverarbeitungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, die gemäß dem Takt aufeinanderfolgenden Sensorsignale zu demodulieren. Dies erfolgt gemäß einer Demodulationsvorschrift. Die Signalverarbeitungsvorrichtung umfasst bevorzugt Bauelemente zur Zwischenspeicherung von Signalwerten, etwa aufbauend auf logischen Elementen oder Speicherbausteinen.
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Die vorgeschlagene Anordnung stellt eine allgemeine Messschnittstelle dar, die mit einer Vielzahl von Sensortypen verwendbar ist. Dazu zählen bevorzugt Brückensensoren, insbesondere auf Basis induktiver und/oder resistiver Messprinzipien. Aufgrund der Vielzahl möglicher Sensortypen, kann die Anordnung beispielsweise zur Signalverarbeitung bei linearen und differentiellen Positionssensoren, Näherungssensoren, sowie bei Dehnungs- und Drucksensoren verwendet werden.
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Dabei führen die Modulation mittels des Signalgebers, etwa bei einer Spulenanregung eines induktiven Brückensensors, und die folgende Demodulation mittels der Signalverarbeitungsvorrichtung zu mehreren Vorteilen. Durch geeignete Demodulation der aufeinanderfolgenden Sensorsignale wird ein Offset und niederfrequentes Rauschen kompensiert. Dazu können beispielsweise die Sensorwerte gemäß dem Takt mit einem alternierenden Vorzeichen versehen werden. Berücksichtigt die Demodulation beispielsweise einen Mittelwert, so fallen Offset- und niederfrequente Komponenten in der Summenbildung heraus. Die Anordnung verfügt so über eine hohe Nullpunkt-Stabilität. Die Anordnung verfügt aufgrund der differentiellen Verarbeitung aufeinander folgender Sensorsignale über eine gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMC).
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Die Anordnung ermöglicht eine hohe Linearität bei gleichzeitig hoher Auflösung, die im Wesentlichen nur durch die Signalverarbeitungsvorrichtung und den Verstärker begrenzt ist. Durch die Offsetkompensation ist auch eine Temperaturdrift deutlich reduziert. So sind zuverlässige Messungen wie beispielsweise Positionsmessungen mit induktiven Brückensensoren im Bereich von wenigen Nanometern oder Mikrometern, mit hoher Zuverlässigkeit möglich. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn geringe und kleinste mechanische Deformationen gemessen werden sollen. Die Anordnung ist somit vorteilhaft in Drehmoment- und Dehnungsmessvorrichtungen verwendbar.
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Der Takt des Signalgebers ist im Folgenden definiert durch ein periodisches Taktsignal, das sich entsprechend einer konstanten Frequenz beziehungsweise des Taktes wiederholt. Der Takt kann auf Basis der Periode zwischen zwei aufeinanderfolgender Maxima oder Minima sowie durch die Frequenz definiert sein, die zwischen dem Auftreten zweier Funktionswerte, beispielsweise ”high” und ”low” einer binären Rechteckfunktion. Als Taktsignal kann jede periodische Funktion dienen. Bevorzugt beträgt die Taktfrequenz wenige kHz.
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Mittels des Signalgebers werden gewissermaßen die Sensorsignale moduliert und nur entsprechende Sensorwerte berücksichtigt. Sofern nicht anderweitig angegeben, werden im Folgenden die Begriffe Sensorwert und gemäß des Taktes aufeinanderfolgende Sensorsignale in diesem Sinne verstanden.
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In einer Weiterbildung der Anordnung weist der Signaleingang einen ersten Signalanschluss und einen zweiten Signalanschluss auf. Entsprechend verfügt der Verstärker über einen ersten Verstärkereingang und einen zweiten Verstärkereingang. Dabei ist der erste Verstärkereingang mit dem ersten Signalanschluss und der zweite Verstärkereingang mit dem zweiten Signalanschluss verbunden.
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Die gewählte Ausgestaltung mit zwei Signaleingängen ist dazu eingerichtet, einen Brückensensor anzuschließen. Dazu verfügt ein Brückensensor über einen ersten und zweiten Sensorausgang und lässt sich entlang seines Brückzweiges an die Sensoranordnung anschließen.
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Mittels des Signalgebers erfolgt die Anregung des Brückensensors an den Sensoreingängen der Anordnung. Als Brückensensor können beispielsweise induktive oder resistive Messbrücken sowie Kombinationen aus diesen Sensortypen verwendet werden. Die Anregung erfolgt bevorzugt mit einer Anregungsfrequenz von wenigen kHz.
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In einer Weiterbildung der Anordnung ist der getaktete Signalgeber eingerichtet, ein Wechselsignal, insbesondere ein Rechtecksignal, zum Betreiben des Sensors zu generieren.
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In einer Weiterbildung der Anordnung weist die Signalverarbeitungsvorrichtung einen Analog-Digital-Konverter auf, der mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist. Ferner ist ein Demodulator vorgesehen, der mit dem Analog-Digital-Konverter verbunden ist. Der Analog-Digital-Konverter ist bevorzugt als monotoner Sigma-Delta-Modulator ausgeführt.
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Der Analog-Digital-Konverter konvertiert die analogen Sensorsignale zu einem jeweiligen Takt des Signalgebers in digitale Signalwerte zur weiteren Signalverarbeitung. Der Demodulator ist eingerichtet, eine digitale Demodulation der Sensorwerte gemäß einer Demodulationsvorschrift durchzuführen. Dazu wird bevorzugt ein Mittelwert aus den Signalwerten gebildet, wobei zwei gemäß dem Takt aufeinander folgende Signalwerte jeweils alternierende Vorzeichen aufweisen. Auf diese Weise wird gewissermaßen eine dem Takt mitlaufende Mittelungsfunktion implementiert.
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Die Digitalisierung und folgende Demodulation berücksichtigt auf robuste Art und Weise eine Kompensation von Offset und niederfrequentem Rauschen. Damit werden ein von der Temperatur unabhängiger Nullpunkt im Signalverarbeitungspfad sowie eine hohe Auflösung erreicht.
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Durch Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers nach dem Prinzip eines Sigma-Delta-Modulators kommt es zudem kaum zu Linearitätsfehlern.
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In einer Weiterbildung der Anordnung ist der Signalgeber mittels eines Synchronisierungsausgangs mit dem Analog-Digital-Konverter und mit dem Demodulator verbunden. Ferner koppelt der Demodulator den Signalgeber mit dem Sensoranschluss.
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Mittels des Synchronisierungsausgangs beziehungsweise des Signalgebers werden Sensor, Analog-Digital-Konverter und Demodulator auf den Takt synchronisiert.
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In einer Weiterbildung der Anordnung ist ein Signalausgang des Demodulators mit einer digitalen Schnittstelle der Anordnung verbunden.
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In einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensors, insbesondere eines Brückensensors, erfolgt zunächst ein Bereitstellen eines getakteten Signals mittels eines Signalgebers. In Abhängigkeit einer aufzunehmenden physikalischen Messgröße, beispielsweise einer Position oder Torsion, wird ein Sensorsignal erfasst. Gemäß dem Takt des Signalgebers werden aus dem Signalsignal zeitlich aufeinander folgende Sensorwerte abgeleitet. Die jeweils gemäß dem Takt aufeinanderfolgende Sensorwerte werden demoduliert zu einem kombinierten Sensorsignal.
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Das Verfahren ermöglicht eine hohe Linearität bei gleichzeitig hoher Auflösung. Insbesondere ist das kombinierte Sensorsignal Offset-kompensiert und dadurch eine Temperaturdrift deutlich reduziert. So sind zuverlässige Positionsmessungen, beispielsweise mit induktiven Brückensensoren, im Bereich von wenigen Nanometern oder Mikrometern mit hoher Zuverlässigkeit möglich. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn geringe und kleinste mechanische Deformationen gemessen werden sollen. Die Anordnung ist somit vorteilhaft in Drehmoment- und Dehnungsmessvorrichtungen zu verwenden.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens werden zunächst die detektierten Sensorsignale digitalisiert. Je zwei gemäß dem Takt aufeinanderfolgende Sensorsignale werden dann zu dem kombinierten Sensorsignal demoduliert.
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Alternativ oder ergänzend können auch mehr als zwei aufeinanderfolgende Sensorsignale berücksichtigt werden.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgt das Erfassen und Demodulieren mittels des getakteten Signals synchron. Dazu wird bevorzugt ein Mittelwert aus den Signalwerten gebildet, wobei zwei gemäß dem Takt aufeinander folgende Signalwerte jeweils alternierende Vorzeichen aufweisen. Auf diese Weise wird gewissermaßen eine dem Takt mitlaufende Mittelungsfunktion definiert, die auf robuste Art und Weise sowohl einen Offset wie niederfrequentes Rauschen herausrechnet. Nach einer Ausführungsform einer Sensoranordnung umfasst diese eine oben beschriebene Anordnung und einen Sensor.
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In einer Weiterbildung der Sensoranordnung umfasst der Sensor einen Brückensensor.
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Gemäß einer Weiterbildung der Sensoranordnung kann der Brückensensor sowohl eine induktive Messbrücke, eine resistive Messbrücke oder eine Kombination, das heißt eine induktiv resistive Messbrücke aufweisen.
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Nach einer Weiterbildung der Sensoranordnung ist der Brückensensor als Drehmomentsensor ausgeführt.
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Nach einer Weiterbildung der Sensoranordnung dient der Brückensensor zur Erfassung des auf eine Welle wirkenden Drehmoments. Dazu ist an der Welle ein Geber angeordnet und der Brückensensor als induktive Messbrücke ausgeführt. Der Geber weist in Achsrichtung der Welle zwei äußere Gebersegmente und ein zentrales Gebersegment auf. Der Brückensensor ist dabei den Gebersegmenten zugeordnet und bildet so die Messbrücke.
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Die äußeren und das zentrale Gebersegment wirken derart zusammen, dass eine Torsion der äußeren Gebersegmente gegeneinander eine Bewegung des zentralen Gebersegments in Achsrichtung erzeugt. In Abhängigkeit dieser Torsion generiert der Brückensensor die Sensorsignale, die als ein differentielles Sensorsignal am Signaleingang der Anordnung bereitstehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Insoweit sich Schaltungsteile oder Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen:
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1A eine beispielhafte Ausführungsform einer Anordnung zum Betreiben eines Sensors nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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1B beispielhafte Brückensensoren zur Verwendung mit der Anordnung zum Betreiben eines Sensors nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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2 ein beispielhaftes Taktschema zum Betreiben der Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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3 einen beispielhaften Verfahrensablauf zum Betreiben einer Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip und
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4 eine beispielhafte Sensoranordnung zur Torsionsmessung nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
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1A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Anordnung zum Betreiben eines Sensors. Der verwendete Sensor Brdg umfasst eine Brückenschaltung aus induktiven und resistiven Elementen. Je ein Spannungsteiler aus einstellbaren Induktivitäten L1, L2 und Widerständen R1, R2 ist zu einer Vollbrückenschaltung verbunden. Die induktiven und resistiven Spannungsteiler sind jeweils mit Sensoreingängen Vin1, Vin2 verbunden. Der Verbindungszweig des Brückensensors Brdg ist mittels Sensorausgängen IN+, IN– auf einen Verstärker Amp geführt. Dazu verfügt der Verstärker Amp über geeignete Verstärkereingänge AIN+, AIN–. Der Verstärker Amp ist wiederum mittels zweier Verstärkerausgänge AOUT–, AOUT+ mit einem Analog-Digital-Wandler ADC verbunden. Der Analog-Digital-Wandler ADC ist mit einem Demodulator DEMOD gekoppelt, der mit einem digitalen Interface INT verbunden ist.
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Weiterhin ist ein Signalgeber Osc vorgesehen, der zum Takten des Analog-Digital-Wandlers ADC und Synchronisieren des Demodulators DEMOD sowohl mit dem Analog-Digital-Wandler ADC und, bevorzugt mittels eines Teilers DIV, auch mit dem Demodulator DEMOD verbunden ist. Der Teller DIV dient zum Teilen beziehungsweise Skalieren der Frequenz des Signalgebers Osc. Diese Frequenz beträgt beispielsweise 2 MHz, Der Teiler DIV teilt diese entsprechend eines Teilungsfaktoren, etwa 1024 oder 512, so dass am Demodulator DEMOD eine für diesen besser verarbeitbare Frequenz beispielsweise von 2 kHz anliegt. Ein Ausgang des Demodulators DEMOD ist mit den Sensoreingängen Vin1, Vin2 gekoppelt. Diese Kopplung erfolgt über einen ersten und zweiten Treiber 1, 2, die jeweils mit Versorgungsspannungen V+, V– versorgt werden. Dabei ist beispielsweise der zweite Treiber 2 invertierend. In einer Ausführungsform umfassen die Treiber 1, 2 eine H-Brückenansteuerung, um den Sensor Brdg mit einer Wechselspannung zu beaufschlagen.
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Im Allgemeinen ist eine Drift der Anordnung definiert als Drift des Analog-Digital-Konverters ADC multipliziert mit der Verstärkerdrift. Im Fall, dass die Referenz des Analog-Digital-Konverters ADC eine Repräsentation des getakteten Signals ist, verbleibt nur die Verstärkerdrift als Einflussgröße.
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Optional ist der Sensor Brdg beispielsweise mittels des Sensoreingangs Vin2 und eines Hilfsverstärkers Aux an eine Referenzeinheit gekoppelt. Diese umfasst einen Hilfsverstärker AUX, zwischen dessen Eingängen ein Messwiderstand RAUX verbunden ist. Ein Ausgang des Hilfsverstärkers AUX moduliert einen Referenzgenerator REF_GEN, der auf dem Analog-Digital-Konverter ADC geführt ist.
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Im Betrieb der Schaltung geht der Signalgeber Osc einen Takt T vor. Der Takt hat beispielsweise eine Frequenz von einigen kHz, die durch die Bandbreite des Analog-Digital-Konverters ADC begrenzt ist. Gleichzeitig ist die Frequenz aber hoch genug, damit die Induktivitäten L1, L2 die Funktion eines induktiven Spannungsteilers aufweisen.
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In Abhängigkeit des Taktes liegt an den Sensoreingängen Vin1, Vin2 eine Wechselspannung zwischen den Versorgungsspannungsgrenzen V–, V+ an. Beispielsweise generiert der Signalgeber Osc mittels der Treiber 1, 2 eine Rechteckspannung vor mit Flanken V–, V+. Allgemein können Wechselströme oder Wechselspannungen verwendet werden.
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In Abhängigkeit des Taktes T liegt also ein in der Polarität sich änderndes Versorgungssignal an den Sensoreingängen Vin1, Vin2 an. Der Brückensensor Brdg generiert in Abhängigkeit des Anregungssignals ein Messsignal Sn.
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Das so generierte Sensorsignal Sn wird mittels des Brückensensors Brdg an dessen Sensorausgängen IN–, IN+ bereitgestellt und der beispielsweise integrierten Messschaltung eingespeist. Mittels der Verstärkereingänge AN+, AN– wird das Sensorsignal Sn auf den Verstärker Amp geführt und dort mit einem Verstärkungsfaktor g verstärkt. Diese Verstärkung erfolgt analog. An den Verstärkerausgängen AOUT+, AOUT– liegt nunmehr das verstärkte Sensorsignal Sn → Sn·g an und wird auf den Analog-Digital-Konverter ADC geführt. Im Analog-Digital-Konverter ADC erfolgt eine Digitalisierung des Sensorsignals synchron mit dem Takt T des Signalgebers Osc. Die zum Takt T erfassten digitalen Sensorwerte S(n) werden nacheinander auf den Demodulator DEMOD geführt, der ebenfalls entsprechend des Taktes T des Signalgebers Osc synchronisiert ist.
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Die Demodulierung im Demodulator DEMOD erfolgt jeweils auf Basis zwei aufeinanderfolgender Sensorwerte S(n), S(n + 1). Dazu verfügt der Demodualtor über geeignete Verzögerungselemente, wie Speicher oder Register beziehungsweise entsprechender Logik. Ein kombiniertes demoduliertes Signal Rn wird an einem Ausgang des Demodulators DEMOD auf ein digitales Interface Int geführt und einer weiteren Signalauswertung zur Verfügung gestellt.
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Die Referenzschaltung REF dient als Referenz für den Analog-Digital-Wandler ADC und kann optional durch eine Messung des Stroms des Sensors Brdg, beispielsweise durch Messung eines Brückenstroms, in einer Wiese moduliert werden, dass Temperaturabhängige ohmsche Anteile, etwa in den Induktivitäten des Sensors Brdg, kompensiert werden. Die Temperaturdrift des Sensors, beispielsweise der ohmschen Anteile der Induktivitäten oder eine mechanische Dehnung der Widerstände eines Brückensensors, kann auch berücksichtigt werden, indem ein Versorgungsstrom des Sensors gemessen wird und mit einem Ausgangssignal, multipliziert mit einem Kalibrierfaktor, an der digitalen Schnittstelle Int verglichen wird.
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1B zeigt beispielhafte Brückensensoren nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Neben dem in 1A vorgestellten Brückensensor aus Induktivitäten L1, L2 und Widerständen R1, R2 sind auch weitere Brückensensoren möglich. Dabei kann ein geeigneter Brückensensor Brdg auch aus zwei einstellbaren Spannungsteilern auf Basis von weiteren Induktivitäten L3, L4 bestehen oder auch zwei Spannungsteiler auf Basis von Widerständen R1, R2, R3, R4 aufweisen. Bevorzugt werden integrierte Vollbrückenschaltungen wie Dehnungsmessstreifen mit den vorgestellten Elementen verwendet.
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2 zeigt ein beispielhaftes Taktschema zum Betreiben einer Sensoranordndung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Gezeigt ist ein getaktetes Signal Vosc, das in Abhängigkeit des Signalgebers Osc mit einem Takt T auf den Brückensensor Brdg geführt wird. In Abhängigkeit dieses Anregungssignals erfasst der Brückensensor Brdg entsprechend dem Takt T aufeinanderfolgende Sensorwerte. Entsprechend der Takte TN – 1, TN, TN + 1 werden so aufeinanderfolgende Signalwerte S(n – 1), S(n) und S(n + 1) generiert. Ebenfalls synchron zu diesen aufeinanderfolgenden Signalen wird aus je zwei aufeinanderfolgenden Signalen ein kombiniertes Signal R(n) demoduliert.
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3 zeigt den Verfahrensablauf nach dem vorgeschlagenen Prinzip in weiterem Detail. Entsprechend des Anregungssignals Vosc werden beispielsweise aus einem Sensorsignal Sin zwei aufeinanderfolgende Sensorsignale Sn und Sn + 1 generiert. Diese werden im Verstärker Amp entsprechend des Verstärkerfaktors g zu analogen Signalen g·(Sn + Off) und g·(–Sn + 1 + Off) verstärkt. Dabei ist während der Verstärkung ein Offsetfaktor OFF zu berücksichtigen. Aufgrund der schnellen Anregung im Bereich weniger Kilohertz ist dieser Offsetfaktor OFF für beide aufeinanderfolgenden Signale als konstant anzusehen. Mittels des Analog-Digital-Konverters ADC werden die Sensorsignale zu Sensorwerten S(n) und S(n + 1) digitalisiert. Diese Information wird im Demodulator DEMOD wieder hergestellt indem der jeweils folgende negative Sensorwert S(n + 1) mit dem Faktor –1 multipliziert wird und mit dem vorhergehenden Sensorsignal S(n) addiert wird, indem ein kombiniertes Sensorsignal Rn = [S(n) + (–1)·S(n + 1)]/2.
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Aufgrund der gewissermaßen mit dem Takt T mitlaufenden Mittelwertbildung wird eine gleiche Polarität der Signale Sn, Sn + 1 hergestellt und der Offsetfaktor OFF herausgerechnet. Ergebnis ist ein vom Offset befreites Sensorsignal Rn mit einer zum Takt T doppelten Abtastrate.
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4 zeigt eine beispielhafte Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Der gezeigte Brückensensor Brdg ist speziell dafür ausgelegt, Drehmomente beziehungsweise Torsionen einer drehbaren Achse oder Welle rot zu messen. Dazu ist eine Trägeranordnung vorgesehen, die zwei äußere Gebersegmente X1, X2 umfasst, die fest mit der Welle rot verbunden sind. Zwischen diesen beiden äußeren Gebersegmenten befindet sich ein zentrales bewegliches Geberelement X.
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Die Trägeranordnung ist von einer magnetischen Messbrücke aus zwei Induktivitäten L1, L2 umgeben. Diese sind in Reihe als Spannungsteiler verbunden. Die Induktivitäten L1, L2 sind koaxial um die Welle und die Trägeranordnung geführt. Dabei weisen die Induktivitäten L1, L2 jeweils Magnetkerne auf und sind von Magnetfeldkonzentratoren MC umfasst. Die zwei Induktivitäten L1, L2 sind beispielsweise mit Widerständen R1, R2 zur Messbrücke ergänzt (nicht gezeigt).
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Im Betrieb der Sensoranordnung moduliert der Signalgeber Osc in der mit Bezug auf die 1 bis 3 beschriebenen Weise die vorgestellte Messbrücke. Unter Last der Welle rot ist dieser einen gewissen Drehmoment beziehungsweise einer Torsion ausgesetzt, die auf die äußeren Geber X1, X2 übertragen wird. Die äußeren Geber sind so geformt, dass sie die Torsion der Welle rot aufnehmen und in eine Drehbewegung der äußeren Gebersegmente umsetzt. Dazu weisen die äußeren Geber X1, X2 eine hülsenförmige Trägeranordnung auf, die so ausgebildet ist, dass wellenseitig die beiden Endbereiche fest mit der Welle verbunden sind, während der mittlere Bereich frei von der Welle liegt. Auf der der Welle abgewandten Seite ist die Trägeranordnung entsprechend der Verbindung mit den drei Gebersegmenten in drei Segmentbereiche strukturiert.
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Bei Auftreten der Torsion bewegt sich somit das zentrale Gebersegment X zwischen den äußeren Gebersegmenten X1, X2. Die im Ruhezustand ausgeglichene Messbrücke wird somit aus diesem Grundzustand geführt und ein differentielles Sensorsignal Sn, Sn + 1 generiert. Dieses Sensorsignal hängt in linearer Art und Weise von der Auslenkung des zentralen Gebersegments X ab und lässt Rückschlüsse auf die Torsion beziehungsweise das anliegende Drehmoment zu.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Treiber
- 2
- Treiber
- ADC
- Analog-Digital-Konverter
- AIN+
- Verstärkerausgang
- AIN–
- Verstärkereingang
- Amp
- Verstärker
- AOUT+
- Verstärkerausgang
- AOUT–
- Verstärkerausgang
- Brdg
- Sensor
- DEMOD
- Demodulator
- g
- Verstärkungsfaktor
- In+
- Sensoreingang
- In–
- Sensoreingang
- Int
- digitale Schnittstelle
- L1
- Induktivität
- L2
- Induktivität
- L3
- Induktivität
- L4
- Induktivität
- mc
- Magnetfeldkonzentrator
- Off
- Offset
- Osc
- Signalgeber
- PROC
- Signalverarbeitungsvorrichtung
- R1
- Widerstand
- R2
- Widerstand
- R3
- Widerstand
- R4
- Widerstand
- Rn
- kombiniertes Sensorsignal
- rot
- rotierbare Welle
- Raux
- Messwiderstand
- Ref_Gen
- Referenzgenerator
- Sadc
- Sensorsignal
- Sin
- Sensorsignal
- Sn – 1
- Sensorsignal
- Sn
- Sensorsignal
- Sn + 1
- Sensorsignal
- V+
- Versorgungsspannung
- V–
- Versorgungsspannung
- Vin1
- Sensoreingang
- Vin2
- Sensoreingang
- Vosc
- Taktsignal
- X1
- Gebersegment
- X2
- Gebersegment
- X
- Gebersegment
