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Die Erfindung bezieht sich auf eine Messanordnung zur Bestimmung des Abstands zu einer magnetischen Wechselfeldquelle, mit einer Magnetsensoranordnung, mittels der ein charakteristisches magnetisches Wechselfeldsignal der magnetischen Wechselfeldquelle erfassbar ist, und einer Auswertevorrichtung, die an die Magnetsensoranordnung angeschlossen ist und mittels der die von der Magnetsensoranordnung erfassten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale der magnetischen Wechselfeldquelle auswert- und in den Abstand zwischen der magnetischen Wechselfeldquelle einerseits und der Magnetsensoranordnung andererseits umrechenbar sind, sowie auf ein entsprechendes Verfahren zur Messung des Abstands zwischen einer Magnetsensoranordnung und einer magnetischen Wechselfeldquelle, bei dem mittels der Magnetsensoranordnung ein charakteristisches magnetisches Wechselfeldsignal der magnetischen Wechselfeldquelle erfasst, an eine Auswertevorrichtung weitergeleitet und in der Auswertevorrichtung in den Abstand umgerechnet wird.
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Beispielsweise in der
DE 10 2006 046 372 B3 ist eine Messanordnung zur Bestimmung des Abstands zu einer magnetischen Wechselfeldquelle bekannt, bei der eine der magnetischen Wechselfeldquelle zugeordnete Referenzfeldquelle vorgesehen ist, die in einem festen Abstand zur magnetischen Wechselfeldquelle oder zu dem zur Messung des Abstands vorgesehenen Magnetfeldsensor angeordnet ist.
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Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung zur Bestimmung des Abstands zu einer magnetischen Wechselfeldquelle bzw. ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei der bzw. bei dem mit einem vergleichsweise geringen technisch-konstruktiven Aufwand Distanzen in einem Bereich von Millimetern bis zu einigen hundert Zentimetern zuverlässig und genau erfasst werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Messanordnung zur Bestimmung des Abstands zu einer magnetischen Wechselfeldquelle dadurch gelöst, dass die Magnetsensoranordnung zumindest zwei Magnetfeldsensoren aufweist, die in einem festen Abstand zueinander auf einer Bewegungsachse angeordnet sind, auf und längs derselben die magnetische Wechselfeldquelle in Bezug auf die Magnetsensoranordnung bewegbar ist, und dass in der Auswertevorrichtung die in den zumindest zwei Magnetfeldsensoren erfassten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale empfangbar und in ein Verhältnis zueinander setzbar sind, und das Verhältnis zwischen den zumindest zwei charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignalen in den Abstand zwischen der magnetischen Wechselfeldquelle einerseits und der Magnetsensoranordnung andererseits umrechenbar sind.
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Hinsichtlich des Verfahrens zur Messung des Abstandes zwischen einer Magnetsensoranordnung und einer magnetischen Wechselfeldquelle wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass das charakteristische magnetische Wechselfeldsignal mittels zumindest zweier in einem festen Abstand zueinander auf einer Bewegungsachse der magnetischen Wechselfeldquelle angeordneter Magnetfeldsensoren der Magnetsensoranordnung erfasst wird, und dass in der Auswertevorrichtung die charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale der zumindest zwei Magnetfeldsensoren erfasst und in ein Verhältnis zueinander gesetzt werden und das Verhältnis in den Abstand zwischen der magnetischen Wechselfeldquelle einerseits und der Magnetsensoranordnung andererseits umgerechnet wird.
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Mittels der vorstehend geschilderten Messanordnung bzw. dem vorstehend geschilderten Verfahren zur Messung des Abstands zwischen einer Magnetsensoranordnung und einer magnetischen Wechselfeldquelle ist es möglich, beispielsweise im Fahrwerk von Kraftfahrzeugen den Abstand zwischen verschiedenen Fahrwerksteilen ohne zusätzliche bewegliche Elemente sicher und ohne Verschleiß exakt und zuverlässig zu messen. Die Abstandsmessung ist im Bereich von Millimetern bis zu einigen hundert Zentimetern exakt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung ist deren Auswertevorrichtung so ausgestaltet, dass das Verhältnis der zumindest zwei charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale analogtechnisch bildbar und in eine abstandsabhängige Spannung transformierbar ist. Hierbei werden die beiden charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale logarithmiert, dann subtrahiert, wobei die sich bei der Subtraktion ergebende Differenz anschließend wieder delogarithmiert wird. Auf die Delogarithmierung kann in bestimmten Fällen verzichtet werden, nämlich dann, wenn die der Auswertevorrichtung nachgeschaltete Applikation mit einer logarithmischen Weg- bzw. Abstandsinformation arbeiten kann.
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Alternativ ist es möglich, die Auswertevorrichtung mit einem Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller auszugestalten, mittels dem das Verhältnis der zumindest zwei charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale berechenbar und dem berechneten Verhältnis der bestimmte Abstand zuordnungsbar ist. Hierbei findet dann vor der Signalverarbeitung im Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller eine analoge Signalvorverarbeitung statt, mittels der die charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale durch Verstärkung und/oder Logarithmierung in einen für den Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller geeigneten Spannungsbereich transformiert werden. Die Bildung des Verhältnisses bzw. des Quotienten und die Zuordnung zu einem Abstand wird dann digitaltechnisch im Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller ausgeführt.
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Es ist möglich, in der Auswertevorrichtung eine Tabelle abzuspeichern, mittels der dem berechneten Verhältnis der zumindest zwei charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale der bestimmte Abstand zuordnungsbar ist, wobei die abgespeicherte Tabelle applikationsspezifisch ausgestaltet sein kann.
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Jedem Magnetfeldsensor kann ein Verstärker, vorzugsweise ein Lock-In-Verstärker, und/oder ein Filter, vorzugsweise ein Lock-In-Filter, zugeordnet sein, wobei mittels des Filters fremde Signalanteile aus den erfassten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignalen entfernt werden können. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung ist deren Magnetsensoranordnung an einem Körper angeordnet, in Bezug auf den ein zweiter Körper bewegbar ist, an dem die magnetische Wechselfeldquelle angeordnet ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um zwei zueinander auf einer Achse bewegliche Bauteile einer Stoßdämpfervorrichtung handeln.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung des Abstands zwischen einer Magnetsensoranordnung und einer magnetischen Wechselfeldquelle wird das Verhältnis der zumindest zwei charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale analogtechnisch ausgebildet und in eine abstandsabhängige Spannung transformiert.
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Alternativ ist es möglich, das Verhältnis der zumindest zwei charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale mittels eines Mikroprozessors bzw. Mikrocontrollers der Auswertevorrichtung zu berechnen und dem Abstand zuzuordnen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Stoßdämpfervorrichtung, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung; und
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2 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung zur Bestimmung des Abstands zwischen zwei längs einer Achse zueinander beweglichen Bauteilen der Stoßdämpfervorrichtung.
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Eine in 1 gezeigte Stoßdämpfervorrichtung 1 hat insbesondere auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik eine weite Verbreitung und kommt üblicherweise zum Einsatz, wenn unterschiedliche Fahrwerksteile in einem vorgebbaren Ausmaß zueinander beweglich angeordnet werden sollen.
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Die in 1 gezeigte Ausführungsform der Stoßdämpfervorrichtung 1 hat zwei Bauteile 2, 3, die längs einer Achse Z zueinander beweglich angeordnet sind. Die Achse Z wird im gezeigten Ausführungsbeispiel der Stoßdämpfervorrichtung 1 durch die Achse einer Kolbenstange 4 gebildet. Des Weiteren ist zwischen den beiden zueinander beweglichen Bauteilen 2, 3 der Stoßdämpfervorrichtung 1 eine Schraubenfeder 5 angeordnet.
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Die in 1 gezeigte Stoßdämpfervorrichtung 1 ist mit einer in 2 prinzipiell dargestellten Messanordnung 6 ausgerüstet, die der Bestimmung des Abstandes zwischen den beiden längs der Achse Z zueinander beweglichen Bauteilen 2, 3 der Stoßdämpfervorrichtung 1 dient.
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Hierzu ist am in 1 unteren Bauteil 3 der Stoßdämpfervorrichtung 1 eine magnetische Wechselfeldquelle 7 vorgesehen, die am Bauteil 3 ortsfest angeordnet bzw. angebracht ist. Am Bauteil 2 der Stoßdämpfervorrichtung 1 ist eine Magnetsensoranordnung 8 vorgesehen, die am Bauteil 2 ebenfalls ortsfest angeordnet bzw. angebracht ist. Für die Anordnung der magnetischen Wechselfeldquelle 7 am Bauteil 3 und der Magnetsensoranordnung 8 am Bauteil 2 ist wesentlich, dass diese auf einer in 2 gezeigten Bewegungsachse X sitzen, welche zur Achse Z, längs der die beiden Bauteile 2, 3 der Stoßdämpfervorrichtung 1 zueinander beweglich sind, parallel verläuft.
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Die magnetische Wechselfeldquelle 7 erzeugt ein elektromagnetisches Feld mit einer bekannten Signalfrequenz. Hierzu dienen eine in den Figuren nicht im Einzelnen dargestellte Spule sowie ein Generator, wobei die Spule ortsfest mit dem Bauteil 3 der Stoßdämpfervorrichtung 1 verbunden ist.
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Die Magnetsensoranordnung 8 zur Messung des elektromagnetischen Felds der magnetischen Wechselfeldquelle 7 ist so ausgestaltet, dass sie in demjenigen Bereich sensitiv ist, der dem Bereich der Signalfrequenz der magnetischen Wechselfeldquelle 7 entspricht. Wie bereits erwähnt, ist die Magnetsensoranordnung 8 ortsfest mit dem Bauteil 2 der Stoßdämpfervorrichtung 1 verbunden.
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Zu der Magnetsensoranordnung 8 gehören zumindest zwei Magnetfeldsensoren 9, 10. Diese beiden Magnetfeldsensoren 9, 10 können in beliebiger Weise als magnetfeldempfindliche Sensorelemente ausgestaltet sein, z. B. als Hall-Sensoren, Induktionsspulen oder auch AMR-, GMR- oder ähnliche Sensoren.
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Die beiden Magnetfeldsensoren 9, 10 der Magnetsensoranordnung 8 sind auf der in 2 gezeigten Bewegungsachse X der magnetischen Wechselfeldquelle 7 in einem festen Abstand B zueinander angeordnet. Die beiden Magnetfeldsensoren 9, 10 der Magnetsensoranordnung und die magnetische Wechselfeldquelle 7 sitzen somit sämtlich auf der in 2 gezeigten Bewegungsachse X.
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Das von den beiden Magnetfeldsensoren 9, 10 der Magnetsensoranordnung 8 jeweils empfangene charakteristische magnetische Wechselfeldsignal der magnetischen Wechselfeldquelle 7 wird mittels eines Filters, z. B. mittels eines Lock-In-Filters 11, von fremden Signalanteilen getrennt.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Feldstärke eines Magnetfeldes im Nahbereich in Luft mit dem Faktor 1/r3 abfällt, wobei r den Abstand zwischen der Quelle des Magnetfelds einerseits und dem magnetempfindlichen Sensorelement andererseits bezeichnet. Entsprechend ist bekannt, dass der Gradient eines Magnetfelds im Nahbereich in Luft mit dem Faktor 1/r4 abfällt.
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Indem nun der Quotient bzw. das Verhältnis der beiden von den beiden Magnetfeldsensoren 9, 10 der Magnetsensoranordnung 8 empfangenen charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale der magnetischen Wechselfeldquelle 7 gebildet wird, wird ein entfernungsabhängiger Wert erhalten, der von der Feldstärke der magnetischen Wechselfeldquelle 7 unabhängig ist.
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Für die Signalverarbeitung und -auswertung weist die Messanordnung 6 eine Auswertevorrichtung 12 auf, die der am Bauteil 3 der Stoßdämpfervorrichtung 1 vorgesehenen Magnetsensoranordnung 8 zugeordnet bzw. an diese Magnetsensoranordnung 8 angeschlossen ist.
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Der Quotient bzw. das Verhältnis der von den beiden Magnetfeldsensoren 9, 10 der Magnetsensoranordnung 8 erfassten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale kann anlogtechnisch gebildet werden. Hierzu werden die beiden magnetischen Wechselfeldsignale logarithmiert, dann subtrahiert, wobei die sich bei dieser Subtraktion ergebende Differenz anschließend wieder delogarithmiert wird. Entsprechend steht dann eine lineare entfernungsabhängige Spannung zur Verfügung.
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Auf die vorstehend genannte Delogarithmierung kann dann verzichtet werden, wenn die nachgeschaltete Applikation mit einer logarithmischen Weginformation arbeiten kann. Alternativ ist es möglich, die Signalauswertung bzw. -verarbeitung mittels eines Mikroprozessors bzw. Mikrocontrollers 13 durchzuführen. Vor der Verarbeitung der charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale im Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller 13 findet dann eine analoge Signalvorverarbeitung statt. Mittels dieser Signalvorverarbeitung werden die charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale durch Verstärkung und/oder Logarithmierung in einen für den Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller 13 geeigneten Spannungsbereich transformiert. Das Bilden des Quotienten bzw. des Verhältnisses und die Zuordnung des so ermittelten Werts zu einer Entfernung bzw. zu einem Abstand A zwischen der magnetischen Wechselfeldquelle 7 einerseits und der Magnetsensoranordnung andererseits und damit zwischen den beiden Bauteilen 2, 3 der Stoßdämpfervorrichtung 1 wird dann digitaltechnisch im Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller 13 ausgeführt.
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Für die vorstehend erwähnte Verstärkung kann z. B. ein Lock-In-Verstärker 14 eingesetzt werden.
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Bei der anhand der 1 und 2 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung 6 wird eine weitere technische Verbesserung dadurch erreicht, dass das charakteristische magnetische Wechselfeldsignal der magnetischen Wechselfeldquelle 7 bzw. das Sendesignal der magnetischen Wechselfeldquelle 7 ein mit einem Nutzsignal moduliertes, vorzugsweise amplitudenmoduliertes Trägersignal ist. Die magnetische Wechselfeldquelle 7 wird mittels einer im dargestellten Ausführungsbeispiel der Auswertevorrichtung 12 der Messanordnung 6 zugeordneten Steuereinheit 15 mit dem Trägersignal gespeist. Die Frequenz des in die magnetische Wechselfeldquelle 7 eingespeisten Trägersignals ist erheblich größer, typischerweise einhundertmal größer, als die Frequenz eines niederfrequenten Nutzsignals, das dem charkteristischen magnetischen Wechselfeldsignal der magnetischen Wechselfeldquelle 7 entspricht.
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Aufgrund der hohen Frequenz des Trägersignals ergibt sich eine gute magnetische Kopplung, wobei die Signalverarbeitung des die niedrige Frequenz aufweisenden Nutzsignals im niederfrequenten Bereich möglich ist. Die Rückgewinnung des dem charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignal entsprechenden Nutzsignals kann mittels aller bekannten Demodulationsverfahren in einer in der Auswertevorrichtung 12 vorgesehenen Demodulationsstufe 16 erfolgen. Aufgrund der Verarbeitung des Nutzsignals im niederfrequenten Bereich ist es möglich, den Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller 13 der Auswertevorrichtung 12 relativ langsam und damit preiswert zu gestalten.
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Der bei der Auswertung der charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale der magnetischen Wechselfeldquelle 7 ermittelte Gradient wird bei einer Anordnung der Messanordnung 6 an einer Stoßdämpfervorrichtung wesentlich durch die Kolbenstange 4, die meist aus einem ferromagnetischen Stahl besteht, beeinflusst. Entsprechend ist dieser Gradient des charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignals unterschiedlich zu dem entsprechenden Gradienten des charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignals in Luft. Von daher ist beispielsweise in der Magnetsensoranordnung 8 oder der Auswertevorrichtung 12 eine applikationsspezifische Entfernungstabelle abgelegt, um die erforderlichen Anpassungen vorzunehmen.
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Um die Betriebssicherheit der vorstehend geschilderten erfindungsgemäßen Messanordnung 6 zu erhöhen und um einen störsicheren Betrieb zu gewährleisten, ist es möglich, die Auswertevorrichtung 12 so auszugestalten, dass mittels ihrer Steuereinheit 15 die Frequenz des in die magnetische Wechselfeldquelle 7 eingespeisten Trägersignals umgeschaltet werden kann. Entsprechend können dann Messungen mit unterschiedlichen Frequenzen des Trägersignals durchgeführt werden. In der Auswertevorrichtung 12 ist ein einfacher Voting Algorhitmus gespeichert, mittels dem dann mit großer Sicherheit auf ein ungestörtes charakteristisches magnetisches Wechselfeldsignal geschlossen werden kann.
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Im Betrieb der Stoßdämpfervorrichtung 1 kann sich die Feldstärke der magnetischen Wechselfeldquelle 7 z. B. durch Temperatureinflüsse erheblich verändern. Aufgrund der im Falle der erfindungsgemäßen Messanordnung 6 vorgenommenen Messung der Signalspannungen und des Bildens des Verhältnisses bzw. des Quotienten aus in beiden Magnetfeldsensoren 9, 10 der Magnetsensoranordnung 8 empfangenen charkteristischen magnetischen Wechselfeldsignalen wird eine sehr genaue Entfernungsmessung möglich, die von der absoluten Feldstärke der magnetischen Wechselfeldquelle 7 unabhängig ist.
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Wenn z. B. eine Niveauregulierung eines Kraftfahrzeugs im Stand durchgeführt werden soll, ist es möglich, das vorstehend geschilderte Mess- und Auswertungs- sowie Verarbeitungsverfahren mittels eines preiswerten Mikroprozessors bzw. Mikrocontrollers vorzunehmen, wobei die charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignale beider Magnetfeldsensoren 9, 10 berücksichtigt werden können.
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Sofern jedoch dynamische Bewegungen von Fahrwerkskomponenten im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs erfasst werden sollen, muss die vorstehend geschilderte Messanordnung bzw. müssen ihr nachgeschaltete Applikationseinheiten mit Bewegungsfrequenzen von ca. 20 bis 30 Hz arbeiten können. Daher kann die vorstehend geschilderte erfindungsgemäße Messanordnung in zwei Betriebsmodi betrieben werden.
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Mittels der Auswertevorrichtung 12 wird im ersten Betriebsmodus auf der Grundlage der von den zumindest zwei Magnetfeldsensoren 9, 10 erfassten charakteristischen magnetischen Wechselfeldsignalen der magnetischen Wechselfeldquelle 7 der Abstand A ermittelt, wobei bei dieser Messung im ersten Betriebsmodus die Absolutwerte der Messspannungen erfasst und der vorstehend bereits mehrfach erwähnte Quotient bzw. das vorstehend bereits mehrfach erwähnte Verhältnis gebildet wird, um eine von der absoluten Feldstärke der magnetischen Wechselfeldquelle 7 unabhängige Entfernungsinformation in Form des Abstandes A zu bekommen.
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Aus den derart gewonnenen Daten kann wiederum auf die momentane absolute Feldstärke der magnetischen Wechselfeldquelle 7 rückgeschlossen werden. In dem nunmehr nachfolgenden zweiten Betriebsmodus der Messanordnung 6 kann für eine schnelle und dynamische Messung nur noch ein charakteristisches magnetisches Wechselfeldsignal eines der beiden Magnetfeldsensoren 9, 10 erfasst werden. Dieses erfasste magnetische Wechselfeldsignal wird entsprechend der rückgeschlossenen bzw. berechneten absoluten Feldstärke bzw. Quellfeldstärke der magnetischen Wechselfeldquelle 7 skaliert und dann dem jeweils sich ergebenden Abstand zwischen der Magnetsensoranordnung 8 einerseits und der magnetischen Wechselfeldquelle 7 andererseits zugeordnet.
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Die Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Betriebsmodi der Messanordnung 6 kann z. B. durch ein externes Steuersignal oder durch einen in der Signalverarbeitung der Auswertevorrichtung 12 hinterlegten Algorithmus erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006046372 B3 [0002]
