DE102012008699B4 - Method for increasing the measuring range of a device for non-contact measurement of a distance - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein induktives Wegmeßsystem zur proportionalen und berührungslosen Erfassung von linearen und rotatorischen Bewegungsvorgängen als auch deren Überlagerungsformen. Die Überlagerungstypen machen ein im Abstands-Volumenmodell der Meßstrecke integrierendes System notwendig, welches ohne mechanische Ankopplung an die Meßaufgabe ausgeführt ist. Als Meßelement dient ein halbseitig offener, ferritischer Schalenkern mit Spule, mit dem der Abstand zu beliebigen, metallischen Targets detektiert werden kann. Zunächst werden Ausführungsformen beschrieben, mit denen die in einem elektrischen Schwingsystem (30) befindliche Schalenkernspule L mit ideal hoher Güte und in Konsequenz daraus maximaler Reichweite betrieben wird. Darüber hinaus wird die Einführung einer geregelten Energierückführung (50) in den Schwingkreis vorgeschlagen, die eine weitere und einstellbare Erhöhung der Schwingkreisgüte gestattet. Damit kann die Meßreichweite eines solchen, nach dem induktiven Prinzip arbeitenden Sensors nochmals erheblich gesteigert werden.The invention relates to an inductive position measuring system for the proportional and contactless detection of linear and rotary motion processes as well as their forms of superposition. The types of superimposition require a system that is integrated in the volume model of the distance to be measured and that is implemented without mechanical coupling to the measurement task. A ferritic pot core with a coil, open on one side, serves as the measuring element, with which the distance to any metallic target can be detected. First of all, embodiments are described with which the pot core coil L located in an electrical oscillating system (30) is operated with an ideally high quality and, as a consequence, maximum range. In addition, the introduction of a regulated energy return (50) into the resonant circuit is proposed, which allows a further and adjustable increase in the resonant circuit quality. The measuring range of such a sensor, which works on the inductive principle, can thus be increased again considerably.

Description

Die Erfindung betrifft ein induktives Wegmeßsystem zur proportionalen und berührungslosen Erfassung von linearen und rotatorischen Bewegungsvorgängen als auch deren Überlagerungsformen. Insbesondere finden solcherlei Sensoren in der Kraftfahrzeug- als auch in der industriellen Automatisierungstechnik Anwendung. Hier besteht die Notwendigkeit zur sowohl quasi-statischen als auch dynamischen Messung von Abständen, Wegen und Winkeln. Häufig treten aufgrund der mechanischen Auslegung in der Applikation Überlagerungstypen dieser Bewegungsformen auf, so dass ein im Abstands-Volumenmodell der Meßstrecke integrierendes System notwendig wird, welches in Konsequenz und darüber hinaus in bevorzugter Weise ohne mechanische Ankopplung an die Meßaufgabe ausgeführt werden sollte.The invention relates to an inductive measuring system for the proportional and non-contact detection of linear and rotary motion processes as well as their overlay forms. In particular, such sensors are used in motor vehicle technology as well as in industrial automation technology. Here, there is a need for both quasi-static and dynamic measurement of distances, paths and angles. Frequently occur due to the mechanical design in the application overlay types of these forms of motion, so that in the distance-volume model of the measuring section integrating system is necessary, which should be carried out in consequence and beyond in a preferred manner without mechanical coupling to the measurement task.

In den genannten Anwendungsgebieten, insbesondere aber in der Kraftfahrzeugtechnik, werden ausgesprochen flexible Sensorkonzepte benötigt, die sich möglichst einfach an verschiedene Gehäusebauformen und Applikationssituationen anpassen lassen und darüber hinaus klein und leicht bauen. Des weiteren wird eine abgestimmte Entwicklung von Aufnehmern für die unterschiedlichsten Bewegungsformen zur dezidierten Erfassung diesbezüglicher Messgrößen gefordert. Technische Notwendigkeiten entstehen aus den Bereichen Getriebe, Kupplungen, Fahrwerke, Bremssysteme sowie den Brems-, Kupplungs- und Gaspedalen. Die sensorische Erfassung der einhergehenden Positionswerte ist oder wird erforderlich, da die Systeme zunehmend elektrisch gesteuert und geregelt oder sogar komplett elektrifiziert werden sollen.In the mentioned fields of application, but especially in automotive engineering, very flexible sensor concepts are needed that can be adapted as easily as possible to different housing designs and application situations and, moreover, are small and lightweight. Furthermore, a coordinated development of transducers for the most varied forms of motion for the dedicated detection of relevant measured variables is required. Technical requirements arise from the areas of transmissions, clutches, chassis, brake systems and the brake, clutch and accelerator pedals. The sensory acquisition of the associated position values is or becomes necessary as the systems are to be increasingly electrically controlled and regulated or even electrified completely.

In der Automatisierungstechnik dominieren Näherungsschalter, die auf unterschiedlichen, physikalisch-technischen Prinzipien basierend aufgebaut sind. Die Geräte üben durchgehend Schaltfunktionen mit fest definierten Schaltabständen und -hysteresen aus. Mit der zunehmenden Elektronifizierung in der Steuerungstechnik und damit einhergehend immer anspruchsvoller werdenden Regelvorgängen zur exakten Ablaufsteuerung der Anlagen- und Automatisierungskomponenten werden allerdings zunehmend Sensorsignale mit proportionalem Positionserfassungscharakter gefordert.In automation technology, proximity switches, which are based on different physical-technical principles, dominate. The devices consistently operate switching functions with fixed switching distances and hystereses. However, with the increasing electronification in the control technology and the associated increasingly demanding control processes for the exact sequence control of the plant and automation components, increasingly sensor signals with a proportional position detection character are required.

Es wird also ein Weg- und Winkelmeßsystem vorgeschlagen, welches meßtechnische Eigenschaften aufweist, welche um etwa Faktor zwei bis drei über denen vergleichbarer Systeme liegen und darüber hinaus Anwendungsbereiche erschließt, die sich mit heutigen Systemen noch gar nicht abdecken lassen.Thus, a displacement and angle measuring system is proposed which has metrological properties which are about two to three times higher than comparable systems and, moreover, opens up application areas which can not yet be covered by today's systems.

Stand der TechnikState of the art

In der Weg- und Winkelsensorik haben sich für Anwendungen in der Kraftfahrzeug- und der industriellen Automatisierungstechnik in der Hauptsache folgende, technisch-physikalische Wirkprinzipien durchgesetzt: Induktiv spulenbasiert, wobei hier das Wirbelstromprinzip und das PLCD-Prinzip (Permanentmagnetic Linear Contactless Displacement-Sensor) zu nennen sind, kapazitiv, optisch, Ultraschall und HALL-Effekt. Die Automatisierungstechnik verwendet diese Prinzipien hauptsächlich, um berührungslose Positions- und Endlagenschalter aufzubauen. Im Kraftfahrzeug fand der HALL-Effekt als berührungsloser Schalter weite Verbreitung, heute auch als linearer Sensor in weg- und winkelproportionalen Meßaufgaben im Einsatz. Induktive und PLCD-Sensoren finden im Fahrzeug breite Anwendung, kapazitiv und optisch werden hier so gut wie nicht eingesetzt. Ultraschall findet als Fernfeldmeßsystem für die PDC (Park Distance Control) Anwendung.In motion and angle sensors, the following technical-physical principles of action have prevailed for applications in motor vehicle and industrial automation technology: inductively coil-based, in which case the eddy-current principle and the PLCD principle (permanent-magnetic linear contactless displacement sensor) apply are called, capacitive, optical, ultrasound and HALL effect. Automation technology mainly uses these principles to build non-contact position and limit switches. In the motor vehicle, the HALL effect as a non-contact switch was widely used, today also as a linear sensor in weg- and angle-proportional measurement tasks in use. Inductive and PLCD sensors are widely used in vehicles, capacitive and optical are hardly used here. Ultrasound is used as a remote field measuring system for the PDC (Park Distance Control) application.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass widerstandspotentiometrische Prinzipien als Weg- aber insbesondere Winkelsensoren zahlreiche Anwendungssegmente bedienten, sie befinden sich aber nicht mehr im Fokus von Forschung und Entwicklung und stellen nicht mehr den aktuellen Stand der Technik dar.For the sake of completeness, it should be mentioned that resistance-potentiometric principles as path-but in particular angle sensors served numerous application segments, but they are no longer in the focus of research and development and no longer represent the current state of the art.

Die weitverbreiteten Prinzipien HALL-Effekt und PLCD benötigen für ihre Ansteuerung vom Grundsatz her einen entlang der Meßstrecke beweglichen Magneten und sollen von daher für eine weitere Beurteilung entfallen.The widely used principles of HALL effect and PLCD basically require a magnet which is movable along the measuring path for their control and should therefore be dispensed with for further evaluation.

Im folgenden wird der Fokus nun auf das induktive Prinzip gelegt, da die Erfindung hierauf basiert.In the following, the focus is now placed on the inductive principle, since the invention is based thereon.

Ein induktiv arbeitender Linearsensor ist in DE 20 2008 008 477 beschrieben, bei dem das Meß- und Auswerteelement als Stator in einem stabförmigen Gehäuse untergebracht ist. Ein ringförmiges Indexelement bewegt sich entlang des stabförmigen Gehäuses und erzeugt somit seine Positionsinformation relativ zu dem Meßelement.An inductively operating linear sensor is in DE 20 2008 008 477 described, in which the measuring and evaluation element is housed as a stator in a rod-shaped housing. An annular index element moves along the rod-shaped housing and thus generates its position information relative to the measuring element.

Ebenfalls induktiv und einen linearen Weg detektierend findet sich in DE 10 2006 055 409 eine Konfiguration aus zwei Sende- und einer Empfangsspule, die entlang des zu messenden Weges in einem Sensorgehäuse untergebracht und als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte realisiert sind. Zur Positionsbestimmung und folglich Messwegerfassung dienen zwei Resonatorkreise, die sich parallel und längsseitig zur Oberfläche der Spulenanordnung bewegen.Also inductive and detecting a linear path can be found in DE 10 2006 055 409 a configuration of two transmitting and one receiving coil, which are housed along the path to be measured in a sensor housing and realized as conductor tracks on a printed circuit board. For determining the position and consequently measuring path detection, two resonator circuits are used, which move parallel and longitudinally to the surface of the coil arrangement.

Das Konzept von gedruckten oder geätzten Leiterbahnspulen auf Leiterplatten zur Umsetzung des induktiven Prinzips als Drehwinkelgeber greift DE 101 56 238 auf, in der jeweils eine Erreger- und zwei Empfangsspulen vorgeschlagen werden, die sämtlich kreisförmig und entlang des Messwinkels als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Zur Positionsbestimmung und folglich Messwinkelerfassung dienen zwei Resonatorkreise, die parallel zur Oberfläche der Spulenanordnung dem Drehwinkel folgen. Eine solche Konfiguration findet sich auch in DE 199 41 464 , wobei hier zur Erhöhung der Messgenauigkeit eine spezielle Ausgestaltung der Empfangsspulengeometrien vorgeschlagen wird. Der Sensor soll insbesondere zur Torsionsmessung an Wellen eingesetzt werden. Das grundsätzlich identische Wirkprinzip wird auch in DE 197 38 841 beschrieben, wobei hier ein dualer Aufbau zweier Systeme zur gegenseitigen Synchronisation und Erfüllung der Redundanzbedingung vorgeschlagen wird. Weitergehend setzt DE 197 38 836 ebenfalls auf dem Prinzip gekoppelter Leiterplattenspulen auf, wobei das Koppelelement als Kurzschlußleitung in periodisch wiederholter Schleifenstruktur ausgebildet ist. DE 197 38 834 beschreibt einen Aufbau, bestehend aus einer Erreger- und drei Empfangsspulenkonfigurationen mit einem beweglichen Koppelelement, die Anmeldung zielt auf eine ,weiche' Oszillatorschaltung zur Ansteuerung der Erregerspule ab. The concept of printed or etched trace coils on printed circuit boards to implement the inductive principle as a rotary encoder engages DE 101 56 238 in which in each case one excitation and two receiving coils are proposed, all of which are arranged in a circle and along the measuring angle as printed conductors on a printed circuit board. For determining the position and consequently measuring angle detection, two resonator circuits are used, which follow the angle of rotation parallel to the surface of the coil arrangement. Such a configuration can also be found in DE 199 41 464 , wherein a special embodiment of the receiving coil geometries is proposed here to increase the accuracy of measurement. The sensor should be used in particular for torsion on waves. The fundamentally identical mode of action is also used in DE 197 38 841 Here, a dual structure of two systems for mutual synchronization and fulfillment of the redundancy condition is proposed. Continue sets DE 197 38 836 also on the principle of coupled circuit board coils, wherein the coupling element is designed as a short-circuit line in periodically repeated loop structure. DE 197 38 834 describes a structure consisting of an exciter and three receiver coil configurations with a movable coupling element, the application aims at a 'soft' oscillator circuit for driving the exciter coil from.

Ebensolche leiterplattenbasierten Spulen können auch zum Aufbau von induktiven Linearsensoren eingesetzt werden, was in DE 100 26 019 mit einer Erreger- und mehreren Empfangsspulen realisiert ist, die entlang des zu messenden Weges im Sensorgehäuse angeordnet sind. Zur Positionsbestimmung und folglich Messwegerfassung dient ein Resonatorkreis, der sich parallel und längsseitig zur Oberfläche der Spulenanordnung bewegt. Insbesondere wird hier noch berücksichtigt, dass bei fehlendem Resonator die Spulenausgangsspannung zu Null wird. In DE 199 20 190 wird eine Optimierung dergestalt vorgeschlagen, dass eine spezielle Ausgestaltung des Resonatorkreises vorgesehen ist, mit der sich Inhomogenitäten in den Koppelmagnetfeldern minimieren lassen.Such PCB-based coils can also be used for the construction of inductive linear sensors, which in DE 100 26 019 is realized with an exciter and a plurality of receiving coils, which are arranged along the path to be measured in the sensor housing. For determining the position and consequently measuring path detection, a resonator circuit is used, which moves in parallel and longitudinally to the surface of the coil arrangement. In particular, it is also taken into account here that in the absence of a resonator, the coil output voltage becomes zero. In DE 199 20 190 an optimization is proposed such that a special configuration of the resonator circuit is provided with which inhomogeneities in the coupling magnetic fields can be minimized.

Mit den besagten leiterplattenbasierten Spulen lassen sich ebenso induktive Näherungsschalter realisieren, was DE 10 2006 053 023 als Vorschlag zur Anordnung dreier Spulen, einer Hauptsende-, einer Kompensations- und einer Empfangsspule sowie deren entsprechender Signalbeaufschlagung mit dem Ziel maximaler Störfestigkeit beschreibt. DE 103 50 733 zeigt eine Anordnung aus einer Sende-, einer Kompensations- und zweier Empfangsspulen mit dem Ziel eines erhöhten Schaltabstands. In DE 103 62 165 wird eine Anordnung aus einer Sende- und einer Vielzahl miteinander verbundener Empfangsspulen beschrieben, die die Sendespule überlappen. Im Schaltabstand ergibt sich der in den Empfangsspulen induzierte, magnetische Fluss gerade zu Null. Ebenso beschreibt DE 103 18 350 einen Vorschlag einer speziellen Geometrie für eine Sende- und eine Empfangsspule sowie deren entsprechende Positionierung zueinander. Im Schaltabstand ergibt sich der in der Empfangsspule induzierte, magnetische Fluss gerade zu Null. Letztlich werden in DE 100 57 773 eine Sende- und zwei Empfangsspulen mechanisch und örtlich getrennt aufgebaut, wobei die als Leiterbahnen auf Leiterplatten aufgebrachten Empfangsspulen wiederum aus einer Vielzahl einzelner Teilspulen bestehen.Inductive proximity switches can also be realized with said printed circuit board-based coils DE 10 2006 053 023 as a proposal for the arrangement of three coils, a Hauptsende-, a compensation and a receiving coil and their corresponding signal loading with the aim of maximum immunity describes. DE 103 50 733 shows an arrangement of a transmitting, a compensation and two receiving coils with the aim of increased switching distance. In DE 103 62 165 an arrangement of a transmitting and a plurality of interconnected receiving coils is described, which overlap the transmitting coil. In the switching distance, the magnetic flux induced in the receiver coils is just zero. Likewise describes DE 103 18 350 a proposal of a special geometry for a transmitting and a receiving coil and their corresponding positioning to each other. In the switching distance, the magnetic flux induced in the receiver coil is just zero. Ultimately, in DE 100 57 773 a transmitting and two receiving coils constructed mechanically and locally separate, wherein the applied conductor tracks on printed circuit boards receiving coils in turn consist of a plurality of individual coil sections.

Eine andere Klasse von Realisierungskonzepten beinhaltet ferritische Halbschalenkerne als induktives Sensorelement, allerdings sind diese durchweg als induktive Näherungsschalter und nicht als Linearweggeber aufgebaut. Sie seien dennoch der Vollständigkeit halber erwähnt, da sich die vorliegende Erfindung den Einsatz einer Ferritspule als Sensorelement zunutze macht.Another class of realization concepts includes ferrite half-shell cores as an inductive sensor element, but these are consistently constructed as inductive proximity switches and not as Linearweggeber. However, they are mentioned for the sake of completeness, since the present invention utilizes the use of a ferrite coil as a sensor element.

So beschreibt DE 10 2004 006 901 eine Oszillatorschaltung für die Ferritspule mit einer Oszillatorspeisung, die mit einem aus vier Dioden bestehenden Temperaturfühler ausgestattet ist. Die Temperatursensierung greift dergestalt in die Oszillatorspannungsversorgung ein, dass eine temperaturkompensierte Schaltschwelle und ein damit einhergehend kompensierter Auslöseabstand erzielt werden können.So describes DE 10 2004 006 901 an oscillator circuit for the ferrite coil with an oscillator supply, which is equipped with a temperature sensor consisting of four diodes. The temperature sensing intervenes in such a way in the oscillator voltage supply that a temperature-compensated switching threshold and a compensated release distance associated therewith can be achieved.

Weitere induktive Näherungsschalter: DE 43 05 385 – Automatische Detektion der Ausgangsbeschaltung in entweder Zwei- oder Dreidrahtbetrieb. Nach der Detektion stellt sich das Gerät automatisch auf den vom Benutzer angeschlossenen Lastzustand ein und betreibt den Sensor dauerhaft in dieser Konfiguration. DE 41 41 264 – LC-Schwingkreis mit Meßspule L im oberen und einer steuerbaren Strom- oder Spannungsquelle im unteren Halbzweig einer Vollbrückenschaltung. Die Strom- oder Spannungsquelle wird vom Brückenspannungsverstärker je nach den Impedanzverhältnissen an der Meßspule so nachgeregelt, dass sich die Brückenspannung immer zu Null ergibt. DE 41 07 457 – Sensorspule auf einem Amorphmetallkörper, welche diesen mit dem durch sie angeregten Magnetfeld durchflutet. Nähert man nun einen magnetischen Auslöser (Permanentmagnet) an die Spule an, so wird der Amorphmetallkörper rasch in die magnetische Sättigung getrieben. Dies hat zur Folge, dass der Amorphmetallkörper – mit entsprechend steiler Hysteresekurve versehen – bereits für sich einen definiten Zustandswechsel erfährt und damit allein schon ein Schaltverhalten hervorruft, in Konsequenz die nachfolgende Schaltung sehr einfach gehalten werden kann. Darüber hinaus lässt sich mit dem Konzept eine gute Temperaturstabilität erzielen. DE 41 02 542 – LC-Oszillator, wobei die Spule hier nicht als Meßspule fungiert sondern nur zur Erzeugung der Basis-Schwingfrequenz verwendet wird. Zur Messung enthält die Anordnung zwei weitere Sensorspulen, die gegensinnig verschaltet und so ausgelegt sind, dass deren Differenzwechselspannung beim gewünschten Schaltabstand zu Null wird. Die Anordnung dient zur Erreichung eines möglichst großen Schaltabstands.Further inductive proximity switches: DE 43 05 385 - Automatic detection of the output circuit in either two- or three-wire operation. After detection, the device automatically adjusts to the load state connected by the user and operates the sensor permanently in this configuration. DE 41 41 264 - LC resonant circuit with measuring coil L in the upper and a controllable current or voltage source in the lower half branch of a full bridge circuit. The current or voltage source is readjusted by the bridge voltage amplifier depending on the impedance conditions at the measuring coil so that the bridge voltage always results in zero. DE 41 07 457 - Sensor coil on an amorphous metal body, which flooded this with the excited magnetic field. If one now approaches a magnetic trigger (permanent magnet) to the coil, the amorphous metal body is rapidly driven into magnetic saturation. This has the consequence that the amorphous metal body - provided with a correspondingly steep hysteresis curve - already undergoes a definite change of state for itself and thus alone causes a switching behavior, as a consequence, the subsequent circuit can be kept very simple. In addition, can be with the concept achieve a good temperature stability. DE 41 02 542 - LC oscillator, wherein the coil does not function here as a measuring coil but is used only to generate the basic oscillation frequency. To measure the arrangement contains two more sensor coils, which are connected in opposite directions and are designed so that the differential AC voltage at the desired switching distance is zero. The arrangement serves to achieve the largest possible switching distance.

Aus der Analyse des Standes der Technik wird folgende, technische Segmentierung bei den induktiven Sensoren deutlich:
Ferritkerne kommen in der Bauform ,halboffener Schalenkern' als Sensorelemente ausschließlich in induktiven Näherungsschaltern zum Einsatz. Diese Geräte werden als berührungslos arbeitende Schalter ausgeführt und entsprechend so eingesetzt. Ausführungsformen mit einer analogen Wegkennlinie als Übertragungscharakteristik existieren nur in einigen wenigen, unterrepräsentierten Produktsegmenten, womit sie als durchweg uninteressant für die weitere Betrachtung gewichtet werden können. Darüber hinaus sind diese keinesfalls für die angedachten Anwendungen in der Automobilindustrie geeignet.
From the analysis of the prior art, the following technical segmentation in inductive sensors becomes clear:
Ferrite cores are used in the design of semi-open pot core as sensor elements only in inductive proximity switches. These devices are designed as non-contact switches and used accordingly. Embodiments with an analog path characteristic as a transmission characteristic exist only in a few, under-represented product segments, so that they can be weighted as uninteresting for further consideration. In addition, these are by no means suitable for the intended applications in the automotive industry.

Moderne Positionsgeber für die Weg- oder Winkelerfassung arbeiten durchweg berührungslos und sind in Konsequenz entweder nach dem induktiven Prinzip, oder als Unterkategorie hiervon induktiv-leiterplattenspulenbasiert, aufgebaut. Reine induktive Geber besitzen Langspulen mit einer, zwei oder drei Drahtwicklungen, in der sich ein metallischer oder ferromagnetischer Kern bzw. Tauchanker bewegt. Arbeitet man hier mit einer einzigen Wicklung, so wird das Dämpfungsprinzip ausgenutzt, im Falle zweier Wicklungen handelt es sich um die Wirkungsweise des sogenannten Differentialtransformators und drei Wicklungen sind zum Aufbau eines LVDT (Linear Variable Differential Transducer) notwendig. Als Konstruktionsmerkmal ist all diesen Sensoren gemeinsam, dass sie aufgrund des bevorzugt geraden Aufbaus der Spule nur als Linearweggeber eingesetzt werden können.Modern position encoders for path or angle detection work consistently without contact and are consequently constructed either on the inductive principle or as a subcategory of these inductively-based on a coil plate. Pure inductive sensors have long coils with one, two or three wire windings, in which a metallic or ferromagnetic core or plunger armature moves. If one works here with a single winding, the damping principle is exploited, in the case of two windings it is the mode of operation of the so-called differential transformer and three windings are necessary for the construction of an LVDT (Linear Variable Differential Transducer). As a design feature is common to all these sensors that they can be used only as Linearweggeber due to the preferred straight construction of the coil.

Des weiteren ist ihre Funktionsweise nur bedingt als berührungslos zu bezeichnen, da der Kern immer in die Spule eintauchen muß, infolge dessen eine gewisse örtliche Nähe zwischen Spule und Kern erforderlich ist und folglich keine echte Wirkung über Distanz erzielt wird. Anwendungen finden solcherlei aufgebaute Produkte ausschließlich in speziellen Meßaufgaben der Automatisierungstechnik, sie sind durchweg auch relativ groß, schwer und teuer.Furthermore, their operation is limited to call contactless, since the core must always immerse in the coil, as a result of which a certain local proximity between coil and core is required and consequently no real effect is achieved over distance. Applications find such structured products exclusively in special measuring tasks of automation technology, they are consistently also relatively large, heavy and expensive.

Induktive Sensoren mit Leiterplattenspulen stellen den letzten Stand der Technik dar und können sowohl als Linearweg- oder Drehwinkelgeber realisiert werden. Hier werden die Spulen in Form von Leiterbahnen auf Leiterplatten ausgeführt, womit dann keine Spulen- oder Drahtwickelkörper mehr erforderlich sind. Die Leiterplattenspulen senden und empfangen hochfrequente Wechselfelder. Gegenüber der Leiterplatte befindet sich ein als Target oder Resonator bezeichnetes Gegenstück, dessen Position der Meßposition entspricht. Dieses kann wiederum auch als einfaches Leiterplättchen mit einigen Kurzschlußleiterbahnen ausgeführt sein. Bewegt man nun das Target parallel zur Leiterplatte, so kann man bei entsprechender Auslegung der Leiterplattenspulengeometrie die Position des Targets relativ zur Leiterplatte bestimmen.Inductive sensors with printed circuit board coils represent the latest state of the art and can be realized both as Linearweg- or rotary encoder. Here, the coils are designed in the form of printed conductors on printed circuit boards, which then no more coil or wire wound body are required. The PCB coils send and receive high frequency alternating fields. Opposite the circuit board is a designated as a target or resonator counterpart whose position corresponds to the measuring position. This in turn can be designed as a simple circuit board with some short circuit conductors. If you now move the target parallel to the circuit board, so you can determine the position of the target relative to the circuit board with appropriate design of the PCB coil geometry.

Entsprechende Leiterbahngeometrien und Targetkonstruktionen in kreisrunder Form ermöglichen den Aufbau von Drehgebern, in Längsform entsprechend den Aufbau von Lineargebern.Corresponding conductor track geometries and target constructions in circular form allow the construction of encoders, in longitudinal form corresponding to the structure of linear encoders.

Hier ist als Einschränkung allerdings wie oben zu nennen, dass diese Anordnungen nicht ohne Nahfeldkopplung zwischen den Spulen und den Targets auskommen. Somit kann zwar der Nahbereich zwischen Spule und Target ohne mechanische Berührung konstruiert werden, die eigentliche Meßstrecke kann jedoch nicht in berührungsloser Form bzw. ohne mechanische Hilfsteile oder Aktoren überwunden werden.Here, however, as a restriction, as mentioned above, these arrangements can not manage without near-field coupling between the coils and the targets. Thus, although the close range between the coil and the target can be constructed without mechanical contact, the actual measuring path can not be overcome in non-contact form or without mechanical auxiliary parts or actuators.

Aufgabenstellungtask

Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, die Vorteile der Magnetfelderzeugung mit einer Ferritspule zur induktiven Wegmessung für die Umsetzung in einen vollkommen berührungslos arbeitenden Weg- und Winkelsensor zu nutzen und durch geeignete, schaltungs-, spulen- und aufbautechnische Maßnahmen so auszuführen, dass nicht nur die Grundfunktion einer berührungslosen Wegmessung über Abstand optimal ist, sondern auch die technischen Eigenschaften im zum jeweils entsprechenden Parameter anderer Wirkprinzipien weit über den vergleichbaren Parametern dieser jeweils bekannten Wirkprinzipien liegen.The invention makes it its mission to use the advantages of magnetic field generation with a ferrite coil for inductive displacement measurement for the implementation in a completely non-contact displacement and angle sensor and perform by appropriate, circuit, coil and construction measures so that not only the basic function of a non-contact distance measurement over distance is optimal, but also the technical properties in each case corresponding parameters of other principles of action are far above the comparable parameters of these respective known principles of action.

Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässig arbeitende Vorrichtung zu schaffen, welche den Abstand zu einem bevorzugt axial zur Ferritspulenoberfläche bewegten Meßobjekt detektiert. Durch eine geeignete Anordnung zwischen Spule und Meßobjekt lassen sich mit dem System aufgrund des durch die Magnetfeldeigenschaften hervorgerufenen Integrationsverhaltens im Abstands-Volumenmodell der Meßstrecke jedoch mit gleicher Genauigkeit auch Drehbewegungen erfassen. Das Meßobjekt wird im folgenden als Target bezeichnet.In addition, the invention has for its object to provide a reliable working device which detects the distance to a preferably axially moved to the ferrite coil surface object to be measured. However, due to a suitable arrangement between the coil and the object to be measured, rotational movements can be detected with the same accuracy due to the integration behavior caused by the magnetic field properties in the distance-volume model of the measuring section. The measured object will be referred to as a target hereinafter.

Weiterhin soll sich der Sensor durch ausgesprochen geringe Baugröße und ein geringes Gewicht auszeichnen. Ein relativ einfacher Aufbau und die Möglichkeiten einer – gegebenenfalls mehrstufigen – Integration der Sensorelektronik ermöglichen a priori geringe Kosten. Das System soll hermetisch komplett gekapselt herstellbar sein, so dass einer ganzen Reihe von Umweltanforderungen wie mechanischer Robustheit und Dichtigkeit gegen Verschmutzungen und Fremdstoffeinträgen jeglicher Art, beispielsweise Festkörpern, Stäuben, Flüssigkeiten oder Ölen, Rechnung getragen werden kann. Auch soll das Problem der Vereisung, speziell im Fall von Außenanwendungen wie beispielsweise im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, hier nachhaltig gelöst werden können.Furthermore, the sensor should be characterized by extremely small size and low weight. A relatively simple construction and the possibilities of integration of the sensor electronics, which may be multi-stage, allow a priori low costs. The system should be hermetically sealed complete, so that a whole range of environmental requirements such as mechanical robustness and impermeability to contamination and foreign substance inputs of any kind, such as solids, dusts, liquids or oils, can be accommodated. Also, the problem of icing, especially in the case of outdoor applications such as in the chassis of a motor vehicle, can be solved here sustainable.

Weiterhin sollen der elektronische und elektro-mechanische Aufbau so gehalten werden, dass eine hohe Immunität gegenüber elektrischen – leitungsgebundenen als auch eingestrahlten – Störungen erreicht werden kann. Umgekehrt sind die elektrischen Spannungen und Ströme im System so gering und niederfrequent wie möglich auszulegen, so dass die Anordnung keine oder nur sehr geringe elektrische Störungen an die Umwelt abgibt.Furthermore, the electronic and electro-mechanical structure should be kept so that a high immunity to electrical - conducted as well as irradiated - interference can be achieved. Conversely, the electrical voltages and currents in the system must be interpreted as low and as low frequency as possible, so that the arrangement emits no or very little electrical interference to the environment.

Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß mit den in den Patentansprüchen 1 bis 8 angegebenen Merkmalen. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.The solution of these objects is achieved according to the invention with the features specified in the claims 1 to 8. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.

Vorzugsweise wird für die Sensorspule ein ferritischer, einseitig halboffener Schalenkern verwendet, da diese Bauform von ihrer geometrischen Auslegung her bereits auf eine besonders günstige, örtliche Verteilung des zwischen Sensoroberfläche und Meßobjekt (= Target) abgestrahlten Magnetfelds ausgelegt ist. Diese Bauformen sind auch sehr einfach herstellbar. Der Schalenkern benötigt zum Betrieb eine gewickelte Spule, deren Wickel- und Materialparameter im Hinblick auf eine optimale Funktion des Sensors optimiert werden müssen. Die Induktivität der Schalenkernspule soll im folgenden mit L bezeichnet werden. Da es sich um ein Wechselstrom-Schwingsystem handelt, ist noch ein geeignet zu dimensionierender Kondensator erforderlich. Dieser soll im folgenden mit C bezeichnet werden.Preferably, a ferritic, one-sided semi-open shell core is used for the sensor coil, since this design is designed from its geometrical design forth already on a particularly favorable, local distribution of the radiated between the sensor surface and object to be measured (= target) magnetic field. These designs are also very easy to produce. The shell core requires a wound coil for its operation, the winding and material parameters of which have to be optimized with regard to the optimal functioning of the sensor. The inductance of the shell core coil will be referred to below as L. Since it is an AC oscillating system, a suitable sized capacitor is still required. This will be referred to below with C.

Hierbei ist der grundsätzliche, elektrische Aufbau des Schwingkreises – seriell, parallel oder als geteiltes System – zunächst von untergeordneter Bedeutung. Wichtig ist, und dies ist für die Auslegung solcher Systeme bekannt, dass die elektrische Güte der Verschaltung so hoch wie möglich zu treiben ist, da sich dies günstig auf die erzielbare Reichweite des Sensors auswirkt. Im Gegenzug müssen hier wiederum andere, und zwar gegenläufige Parameter wie elektronische Stabilitätskriterien und die Systembandbreite, Berücksichtigung finden.Here, the basic electrical structure of the resonant circuit - serial, parallel or as a split system - initially of secondary importance. It is important, and this is known for the design of such systems, that the electrical quality of the interconnection as high as possible to drive, since this has a favorable effect on the achievable range of the sensor. In turn, other parameters, such as electronic stability criteria and system bandwidth, must be taken into account.

Vorzugsweise besteht das Target aus einer ebenen Metallfläche, wobei die genaue Form für die Funktion keine Rolle spielt. Das induktive Prinzip ist in der Lage, jede Form von metallischen Gegenständen zu erkennen. Hier gibt es nur Unterschiede in der Meßempfindlichkeit bezüglich der Art von Metall. So kann beispielsweise Eisen besser detektiert werden als Edelstahl, dieses wiederum besser als Messing, dieses wiederum besser Aluminium und dieses wiederum besser als Kupfer. Nicht ferromagnetische Materialien, wie zum Beispiel Kunststoffe, organische Materialien oder die meisten Flüssigkeiten, beeinflussen das System nicht, werden bei ihrer Anwesenheit also nicht mitgemessen und sind somit nicht störend.Preferably, the target consists of a flat metal surface, the exact shape of which does not matter for the function. The inductive principle is able to detect any form of metallic objects. Here, there are only differences in the measurement sensitivity with respect to the type of metal. For example, iron can be detected better than stainless steel, which in turn is better than brass, which in turn is better aluminum and this better than copper. Non-ferromagnetic materials, such as plastics, organic materials or most fluids, do not affect the system, so are not measured in their presence and are therefore not disturbing.

Um aufwändige Simulationsprozesse, die die komplexe Magnetfeldverteilung vor der Spule sowie die Wirbelstromeffekte im metallischen Target beinhalten müssten, für die Auslegung des Schwingkreises inklusive des abgestrahlten Magnetfelds zur Optimierung der Schwingkreisgüte zu vermeiden, soll vorzugsweise folgende Methodik eingesetzt werden: Die Spule habe die Induktivität L, der Wickelwiderstand sei RI. Die elektrischen Verluste um den Schwingkreis setzen sich aus zwei Komponenten zusammen: 1) Die Abstrahlung des Magnetfelds benötigt Energie. Diese kann als Feldverlustwiderstand dargestellt und auf die Klemmenseite der Spule transformiert werden. 2) Da die Spule notwendigerweise in einer realen Schaltungsumgebung betrieben wird, hat man hier nur eine endlich ideale Quelle zur Einspeisung der elektrischen Energie als auch nur einen endlich hochohmigen Signalabgriff zur Signalgewinnung vorliegen. Beide Verlusteffekte 1) und 2) können im Ersatzschaltbild als Parallelwiderstand zur Spule dargestellt werden. Dieser sei mit Rv bezeichnet. Der eingesetzte Kondensator habe die Kapazität C.In order to avoid complex simulation processes, which would have to include the complex magnetic field distribution in front of the coil and the eddy current effects in the metallic target, for the design of the resonant circuit including the radiated magnetic field to optimize the resonant circuit quality, the following methodology should preferably be used: The coil has the inductance L, the winding resistance is RI. The electrical losses around the resonant circuit are composed of two components: 1) The radiation of the magnetic field requires energy. This can be represented as field loss resistance and transformed to the terminal side of the coil. 2) Since the coil is necessarily operated in a real circuit environment, one has here only a finite ideal source for feeding the electrical energy as well as only a finely high-impedance signal tap for signal recovery. Both loss effects 1) and 2) can be represented in the equivalent circuit as a parallel resistor to the coil. This is called Rv. The capacitor used has the capacity C.

Zunächst sind alle Parameter als Variable anzusehen. Allerdings verhält es sich nun so, dass die beiden Größen L und RI miteinander verknüpft sind und sich somit nicht beliebig getrennt einstellen lassen. Man muß diese also wiederum unter anderen Optimierungskriterien bestimmen. In die Auslegung gehen ein: Die gewünschte Induktivität und die gewünschte Stromaufnahme. Beide Größen hängen wiederum mit Parametern wie Schwingfrequenz, Ferritkernmaterialeigenschaften und Wicklungsauslegung zusammen. Ebenso ist Rv magnetfeldseitig durch die Schalenkerngeometrie und elektrischerseits durch die Schaltungsauslegung beeinflusst, man erhält hier nach Auswahl gewisser Konfigurationen für die Spule feste Werte. Auf der Seite der elektronischen Schaltung lassen sich diese, wie weiter unten noch beschrieben wird, jedoch optimieren. Ziel ist, all diese Parameter so hochohmig wie möglich zu legen, um eine möglichst geringe Bedämpfung des Schwingkreises zu erhalten. Der transformierte Feldverlustwiderstand kann beispielsweise für eine gegebene Konfiguration durch einige, relativ einfache Messungen ermittelt werden.First of all, all parameters are to be regarded as variables. However, it is the case that the two variables L and RI are linked with each other and thus can not be set arbitrarily separately. One must therefore determine these under other optimization criteria. In the interpretation go: The desired inductance and the desired current consumption. Both quantities in turn are related to parameters such as vibration frequency, ferrite core material properties and winding design. Likewise, Rv on the magnetic field side is influenced by the shell core geometry and, on the electrical side, by the circuit design; here, after selecting certain configurations for the coil, fixed values are obtained. On the side of the electronic circuit, however, these can be optimized as will be described below. The aim is to set all these parameters as high-impedance as possible in order to obtain the lowest possible damping of the resonant circuit. For example, the transformed field loss resistance may be determined for a given configuration by a few relatively simple measurements.

Nun bleibt als Variable nur noch die Schwingkreiskapazität C übrig. Man errechnet im folgenden den Dämpfungsfaktor d der aus L, RI, C und Rv gebildeten Konfiguration, differenziert diesen nach C (lokales Minimum) und erhält dann eine Berechnungsgleichung für C. Für einen einfachen Parallelschwingkreis lautet diese beispielsweise: C = L/(RI × Rv). Damit hat man zunächst die Auslegung der Schwingkreiskomponenten güteoptimiert. Andere Methoden sind selbstverständlich denkbar. Ziel ist allerdings immer, eine möglichst hohe Inertialgüte des Schwingsystems zu erhalten. Now only the resonant circuit capacitance C remains as a variable. In the following, one calculates the damping factor d of the configuration formed by L, RI, C and Rv, differentiates it to C (local minimum) and then obtains a calculation equation for C. For a simple parallel resonant circuit, this is for example: C = L / (RI × Rv). This has initially quality-optimized the design of the resonant circuit components. Other methods are of course conceivable. However, the goal is always to obtain the highest possible inertial quality of the vibration system.

Die durch die elektronische Beschaltung beeinflusste Komponente des Verlustwiderstands Rv hängt davon ab, wie der Schwingkreis elektrisch angesteuert und das Schwingkreissignal, welches die Weginformation des Sensors enthält, elektrisch abgegriffen wird. Im folgenden soll nur auf die Verwendung eines Parallelschwingkreises aus L und C eingegangen werden, da die verwendete Schaltungstechnik hierauf abgestimmt und optimiert wurde. Für einen solchen Schwingkreis wäre die Ansteuerung über eine ideale Wechselstromquelle optimal, da diese unendlich hochohmig einkoppelt. Für die Signalauskopplung wiederum wäre ein unendlich hochohmiger Verstärkereingangswiderstand der Bestfall. Beides lässt sich in der Realität nicht erreichen. Setzt man jedoch als Bedingung an, dass alle angeschlossenen, elektrischen Impedanzen um etwa sechs Größenordnungen (also Faktor 106) über der Schwingkreisimpedanz im Resonanzfall liegen, so kommt man den Idealbedingungen eines freilaufenden Resonanzkreises schon sehr nahe.The component of the loss resistance Rv influenced by the electronic circuit depends on how the resonant circuit is electrically driven and the resonant circuit signal containing the path information of the sensor is electrically tapped. In the following, only the use of a parallel resonant circuit of L and C will be discussed, since the circuit technology used has been tuned and optimized to this end. For such a resonant circuit, the control would be optimal over an ideal AC power source, since this couples infinite high impedance. For the signal extraction in turn, an infinite high-impedance amplifier input resistance would be the best case. Both can not be achieved in reality. However, assuming as a condition that all connected, electrical impedances are about six orders of magnitude (ie factor 10 6 ) above the resonant circuit impedance in the case of resonance, one comes very close to the ideal conditions of a free-running resonant circuit.

Des weiteren besteht die Forderung, den Schwingkreis unabhängig von der durch das Target erzeugten Bedämpfungssituation immer in Resonanz zu betreiben, da hier die Gütewerte natürlicherweise am höchsten sind.Furthermore, there is a requirement to always operate the resonant circuit independently of the damping situation generated by the target, since the quality values are naturally highest here.

All diese Forderungen lassen sich vorzugsweise dadurch erreichen, dass man den Schwingkreis in einem freilaufenden Oszillator dergestalt verschaltet, dass der erste Anschluß <A1> in einem entsprechend im Oszillator realisierten Regelreis zwar nur endlich hochohmig angesteuert wird, der zweite Anschluß <A2> jedoch durch den Regelkreis invertiert so mit Energie versorgt wird, dass die durch die nichtideale Ansteuerung bedingten Verluste exakt wieder kompensiert werden können. Die Ansteuerung des zweiten Anschlusses <A2> kann durch eine Wechselspannungsquelle, also niederohmig erfolgen. Damit bleibt nur noch die Ungenauigkeit der Regelstrecke als Verlustmerkmal übrig, die entsprechend der obigen Forderung sehr klein gehalten werden kann.All these requirements can be achieved preferably by connecting the resonant circuit in a free-running oscillator such that the first terminal <A1> in a correspondingly implemented in the oscillator control loop, although only finely high-impedance is driven, the second terminal <A2> but by the Inverted control circuit is supplied with energy so that the losses caused by the non-ideal control can be exactly compensated again. The control of the second terminal <A2> can be done by an AC voltage source, ie low impedance. This leaves only the inaccuracy of the controlled system as a loss feature left, which can be kept very small according to the above requirement.

Für den Signalabgriff und gleichzeitig als Eingangsverstärker des Regelkreises mit dem Oszillator lässt sich vorzugsweise ein Operationsverstärker einsetzen, dessen Eingangsimpedanz die geforderten sechs Größenordnungen über der Resonanzimpedanz des Schwingkreises liegt. Der Schwingkreis sollte so dimensioniert sein, dass seine eigene Maximalimpedanz – die Impedanz ohne Bedämpfungswirkung durch ein Target – in der Größenordnung von 1 MOhm liegt. Damit benötigt man einen Verstärkereingangswiderstand von etwa 1 TOhm, was mit handelsüblichen Operationsverstärkern ohne großen Aufwand und Kosten erreichbar ist.For the signal tap and at the same time as an input amplifier of the control loop with the oscillator, preferably an operational amplifier can be used whose input impedance is the required six orders of magnitude above the resonance impedance of the resonant circuit. The resonant circuit should be dimensioned so that its own maximum impedance - the impedance without a damping effect by a target - in the order of 1 Mohm. This requires an amplifier input resistance of about 1 TOhm, which can be achieved with commercial operational amplifiers without much effort and expense.

Die Schaltung, bestehend aus dem Oszillator mit dem Regelkreis zum Schwingkreisbetrieb, soll unter allen Bedingungen frei- und selbstanschwingend sein und darüber hinaus immer auf der Resonanzfrequenz des Schwingkreises laufen. Die Selbstschwingbedingung ist bekannter weise bei hohen Schwingkreisbedämpfungen, also geringen Meßabständen schwierig, da hier alle Nutzsignalamplituden im System sehr klein werden. Hier muß darauf geachtet werden, dass es nicht zu einem sogenannten ,Abreißen' der Schwingung kommt, da infolgedessen die Sensorkennlinie nicht mehr durchgehend geschlossen und stetig – also sprungfrei – wäre. Durch die Rückkanal-Regelstrecke im Regelkreis werden die genannten Bedingungen erfüllt. Diese greift die Oszillatorausgangsspannung Uo ab und führt sie als Synchronsignal zum Ansteuern des L-C-Schwingkreises wieder in den Oszillator bzw. den Schwingkreis zurück. Unter anderem wird in dieser Rückkanalstrecke eine Signalkonditionierung von Uo durchgeführt, z. B. eine Sinus-Rechteck-Wandlung.The circuit, consisting of the oscillator with the control circuit for resonant circuit operation, should be free and self-starting under all conditions and also always run on the resonant frequency of the resonant circuit. The self-oscillation condition is known to be difficult at high resonant circuit attenuations, ie small measuring distances, since all useful signal amplitudes in the system become very small. Here it must be ensured that it does not come to a so-called 'tearing' the vibration, as a result, the sensor characteristic is no longer closed continuously and steadily - so jump-free. The back-channel controlled system in the control loop fulfills the stated conditions. This picks up the oscillator output voltage Uo and returns it as a synchronizing signal for driving the L-C resonant circuit back into the oscillator or the resonant circuit. Among other things, a signal conditioning of Uo is carried out in this return path, z. B. a sine-square conversion.

Unter Berücksichtigung der oben aufgeführten Kriterien, also Optimierung der L-RI-C-Konfiguration der Ferritspule und optimale Schwingkreisbeschaltung, hat man nun zunächst ein System geschaffen, welches die Idealkonfiguration für den güteoptimierten Betrieb der Sensorspule darstellt. Damit erzielt man optimale Reichweiteergebnisse bezüglich des Meßwegs des Systems, die jetzt schwerpunktmäßig nur noch durch die durch den Schwingkreis verursachten, internen Verluste begrenzt werden.Taking into account the criteria listed above, ie optimization of the L-RI-C configuration of the ferrite coil and optimal resonant circuit, it has now been created a system that represents the ideal configuration for the quality-optimized operation of the sensor coil. This achieves optimal range results with respect to the measuring path of the system, which are now mainly limited by the caused by the resonant circuit, internal losses.

Um diese zu überwinden, muß man weitergehende Überlegungen anstellen. Für den Aufbau des Magnetfelds, welches zwischen Sensorspule und Target zur Wegmessung benötigt wird, wird natürlicherweise immer Energie verbraucht. Die hierdurch erzeugte Schwingkreisbedämpfung liegt um einige Größenordnungen über die durch interne Verluste im Ferritmaterial und in der Spulenwicklung erzeugten Bedämpfungseffekte. Die immanenten Magnetfeldverluste kann man nun vorzugsweise auf der elektrischen Seite kompensieren, da das System voll-reversibel ist, das heißt Effekte im Magnetfeld bilden sich auf der elektrischen Seite ab und umgekehrt. Aufgrund der Tatsache, daß die oben beschriebenen Schaltungseigenschaften ja bereits ideal mit der Schwingkreisankopplung umgehen, müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, mit denen die im Magnetfeld verbrauchte Energie kompensiert werden kann. Hierzu wird vorzugsweise – aktiv und schaltungstechnisch gesteuert – zusätzliche Hilfsenergie in den Schwingkreis zurückgeführt.To overcome these, one must make further considerations. For the construction of the magnetic field, which is needed between the sensor coil and the target for path measurement, naturally energy is always consumed. The resonant circuit damping produced as a result is several orders of magnitude greater than the damping effects produced by internal losses in the ferrite material and in the coil winding. The immanent magnetic field losses can now be compensated preferably on the electrical side, since the system is fully reversible, that is to say effects in the magnetic field are formed on the electrical side and vice versa. Due to the fact that the circuit properties described above are already ideal with the Avoiding resonant circuit coupling, additional measures must be taken, with which the energy consumed in the magnetic field can be compensated. For this purpose is preferably - active and circuitry controlled - additional auxiliary energy fed back into the resonant circuit.

Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass man das Signal am zweiten Anschluss des Schwingkreises <A2> oder das Signal Uo abgreift. Das ist leicht und ohne Aufwand möglich, da hier jeweils Wechselspannungsquellen liegen und man hier niederohmig ist. Nun wird durch eine entsprechende Schaltungstechnik ein geringer Zusatzstrom erzeugt, der als phasenrichtiges Überlagerungssignal in den Schwingkreis (Anschluß <A1>) eingesteuert wird. Da hier wiederum In-Phase-Bedingung vorliegt, sind die Anforderungen an die Hochohmigkeit nur bedingt gegeben. Man wird einen Impedanzwert für die Stromquelle wählen, der in etwa bei der Resonanzimpedanz des Schwingkreises liegt (sogenannte Leistungsanpassung). Die zusätzliche Energie dieser Energierückführung kompensiert die internen Feldverluste, erhöht elektrisch gesehen somit die Güte des Systems und trägt damit zu einer Vergrößerung der Meßreichweite des Sensors bei.This can be done, for example, by picking up the signal at the second terminal of the resonant circuit <A2> or the signal Uo. This is easily and effortlessly possible, since here each AC sources are and you are here low impedance. Now, a small additional current is generated by an appropriate circuit technology, which is controlled as a phase-correct superposition signal in the resonant circuit (terminal <A1>). Since this is again in-phase condition, the requirements for the high resistance are given only conditionally. One will choose an impedance value for the current source which is approximately at the resonance impedance of the resonant circuit (so-called power adjustment). The additional energy of this energy return compensates for the internal field losses, thus increasing the quality of the system, thus contributing to an increase in the measuring range of the sensor.

Die Oszillatorausgangsspannung Uo steht als Wechselspannungssignal an, welches in der Eigenfrequenz des Schwingkreises oszilliert und in seiner Amplitude die Abstandsinformation des Sensors enthält. Dieses Signal wird für fast alle Anwendungen noch nicht brauchbar sein, muß also dementsprechend elektronisch nachbearbeitet werden. Man wird vorzugsweise, unabhängig vom technischen Einsatzgebiet, einen Mikrocontroller (uC) einsetzen, um verschiedene Signalverarbeitungsaufgaben zu erledigen. Hierbei kann Uo beispielsweise in einem Synchrongleichrichter in eine Gleichspannung umgewandelt und einem ADC-Eingang des uC zugeführt werden (ADC = Analog-Digital-Converter). Eine andere Möglichkeit ist eine phasenfeste, aber nicht in jeder Periode erfolgende Abtastung von Uo und Messung im ADC, die eine Synchrongleichrichtung einspart und nur entsprechend dem Abtasttheorem zur Sicherstellung der Systembandbreite ausgelegt sein muß. Einen Synchrontakt erhält man zum Beispiel aus dem Ausgangssignal der Rückkanal-Regelstrecke.The oscillator output voltage Uo is available as an alternating voltage signal which oscillates in the natural frequency of the resonant circuit and contains in its amplitude the distance information of the sensor. This signal will not be usable for almost all applications, so it must be reworked accordingly. It is preferable to use a microcontroller (uC), irrespective of the technical field of application, to perform various signal processing tasks. Here, Uo can be converted into a DC voltage in a synchronous rectifier, for example, and fed to an ADC input of the μC (ADC = Analog-to-Digital Converter). Another possibility is a phase-locked, but not every period sampling of Uo and measurement in the ADC, which saves a synchronous rectification and must be designed only according to the sampling theorem to ensure the system bandwidth. A synchronous clock is obtained, for example, from the output signal of the return path controlled system.

Des weiteren kann ein NTC-Thermistor eingesetzt werden, um die Sensor- und die Umgebungstemperatur zu messen. Dessen Werte werden vorzugsweise ebenfalls in den uC eingelesen. Der uC besitzt Algorithmen zur Temperaturkompensation des Systems und gegebenenfalls zur Linearisierung von Kennlinien, sofern dies – je nach Charakteristik der Übertragungsfunktion des Sensors in der Applikation – erforderlich sein sollte.Furthermore, an NTC thermistor can be used to measure the sensor and ambient temperatures. Its values are preferably also read into the μC. The uC has algorithms for temperature compensation of the system and, if necessary, for the linearization of characteristics, if this is necessary, depending on the characteristics of the transfer function of the sensor in the application.

Das Ausgangssignal des Sensors kann ebenfalls über die Software im uC entsprechend aufbereitet und am Ausgang zur Verfügung gestellt werden. Gängig sind: Analoge Spannungs- oder Strompegel, PWM (Pulse Width Modulation) und diverse Bus-Systeme, wie LIN (Local Interconnection Network), LAN (Local Area Network), SENT (Single Edge Nibble Transmission) oder PSI (Peripheral Component Interconnect).The output signal of the sensor can also be processed in the uC via the software and made available at the output. Common: Analog voltage or current levels, PWM (Pulse Width Modulation) and various bus systems, such as LIN (Local Interconnection Network), Local Area Network (LAN), SEN (Single Edge Nibble Transmission) or PSI (Peripheral Component Interconnect) ,

Ausführungsbeispielembodiment

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail with reference to the drawings.

Es zeigen:Show it:

1: den Zusammenhang zwischen Oszillatorausgangsspannung Uo und Meßabstand x des erfindungsgemäßen Systems, Parameter ist die Schwingkreisgüte Q. 1 : the relationship between oscillator output voltage Uo and measuring distance x of the system according to the invention, parameter is the resonant circuit quality Q.

2: den Zusammenhang zwischen Schwingkreisimpedanz Z und Kreisfrequenz ω des erfindungsgemäßen Systems, Parameter ist der Meßabstand x. 2 : the relationship between resonant circuit impedance Z and angular frequency ω of the system according to the invention, parameter is the measuring distance x.

3: das Blockschaltbild der elektronischen Verschaltung für den Sensor mit den zur Erzielung der erforderlichen Systemeigenschaften notwendigen Schaltungsblöcken. 3 : The block diagram of the electronic interconnection for the sensor with the necessary to achieve the required system properties circuit blocks.

4: eine schematische Darstellung der Meßwege x zwischen drei Schalenkernspulen und Targets zum Vergleich verschiedener, induktiver Systeme. 4 : A schematic representation of the measuring paths x between three shell core coils and targets for comparing various inductive systems.

5: die Übertragungskennlinien der in 4 dargestellten Konfigurationen. 5 : the transfer characteristics of in 4 illustrated configurations.

In 1 ist zunächst der Zusammenhang zwischen der Oszillator-Ausgangsspannung Uo und dem Meßabstand x aufgetragen. Hierbei ist die verwendete Oszillatorschaltung oder die exakte Schwingkreisbeschaltung zunächst weitgehend unerheblich. Verwendet man einen Oszillator, dessen Ausgangsspannung Uo der Resonanzimpedanz des Schwingkreises folgt, so entspricht dieser Verlauf ergo der Schwingkreisimpedanzkurve über Meßweg x. Da die Werte der Schwingkreiselemente L, RI und C fest gegeben sind, entspricht der Verlauf des weiteren auch dem Verlauf des transformierten Feldwiderstands. Die Form der Kurve folgt exakt einer tanhyp-Funktion. Für große Werte von x – entsprechend des Zustands ,kein Target' – erreicht die Funktion ihr Maximum, der Schwingkreis läuft hier quasi ohne äußere Bedämpfung.In 1 First, the relationship between the oscillator output voltage Uo and the measuring distance x is plotted. In this case, the oscillator circuit used or the exact resonant circuit circuit is initially largely irrelevant. If one uses an oscillator whose output voltage Uo follows the resonance impedance of the resonant circuit, then this curve corresponds to the resonant circuit impedance curve over the measuring path x. Since the values of the resonant circuit elements L, RI and C are fixed, the course of the further also corresponds to the course of the transformed field resistance. The shape of the curve follows exactly a tanhyp function. For large values of x - corresponding to the state, no target '- the function reaches its maximum, the resonant circuit runs here virtually without external damping.

Der Bereich für kleine x ist allerdings in der Realisierung wesentlich anspruchsvoller: Für ein Wegsensorsystem kann nur eine Kennlinie akzeptabel sein, die durchgehend geschlossen und stetig ist, also einen sprungfreien Verlauf zeigt. Dies hat wiederum zur Folge, dass der Oszillator unter allen Betriebsbedingungen nicht-abreißende Schwingeigenschaften aufzuweisen hat. Für x = 0, dass heißt im worst-case auf dem Schalenkern aufliegendes Target, können die Schwingamplituden im Oszillator durch die hohen Dämpfungswerte sehr klein werden. Als Funktionsbedingung kann man hier 0,1 ... 1‰ vom Endwert ansetzen. Nimmt man an, dass in einem mit 5 V versorgten System die sinusförmige Oszillatorausgangsspannung Uo = 2 Vss beträgt, so müssen hier 0,2 ... 2 mVss einer Signalregenerierung unterzogen werden, um eine permanente Rückspeisung für ein selbstschwingendes System zu erhalten.The area for small x, however, is much more demanding in the realization: for one Position sensor system can be acceptable only a characteristic that is continuously closed and continuous, so shows a jump-free course. This in turn means that the oscillator has to exhibit non-disruptive rocker characteristics under all operating conditions. For x = 0, that is, in the worst case on the pot core resting target, the oscillation amplitudes in the oscillator can be very small due to the high attenuation values. The functional condition can be set here to 0.1 ... 1 ‰ of the final value. Assuming that in a system supplied with 5 V, the sinusoidal oscillator output voltage Uo = 2 Vss, then 0.2 ... 2 mVss of signal regeneration must be subjected here to obtain a permanent feedback for a self-oscillating system.

Als Parameter ist in den Kurven der 1 der Einfluß der Güte Q aufgetragen. Die durchgezogene Linie stellt eine Anordnung mit niedriger Inertialgüte dar, die gestrichelte Linie beschreibt eine mittlere und die gepunktete Linie ein hohe Güte. Der Begriff Inertialgüte steht hier für den jeweilige Basisparameter, also für ein System ohne äußere Bedämpfung (ohne Target, x → ∞). Mit steigender Schwingkreisgüte werden die Wegkurven immer flacher. Das bedeutet in Konsequenz, dass der erzielbare Meßweg, bei sonst exakt gleicher Konfiguration der Schalenkernspule, zunimmt. Dabei ist es unerheblich, über welche Parameter die Güte beeinflußt wird, also elektrisch, durch Materialwahl oder Magnetfeldeigenschaften.As a parameter is in the curves of 1 the influence of quality Q is plotted. The solid line represents a low inertial arrangement, the dashed line describes a middle and the dotted line a high quality. The term inertial quality here stands for the respective basic parameter, ie for a system without external damping (without target, x → ∞). As the resonant circuit quality increases, the travel curves become ever flatter. This means in consequence that the achievable measuring path, otherwise exactly the same configuration of the shell core coil, increases. It is irrelevant which parameters affect the quality, that is to say electrically, by choice of material or magnetic field properties.

2 zeigt Verläufe der L-C-Schwingkreisimpedanz Z über der Kreisfrequenz ω. Parameter ist hier der Meßweg x, also der Abstand zwischen Spule und Target. Mit steigendem Meßweg steigt auch die Güte Q des Systems, die grundsätzlich als Q = ω0/B (Resonanzfrequenz ω0, –3 dB-Bandbreite B) definiert ist. Da die Gesamtschaltung als Selbstschwinger ausgelegt ist, wird die Resonanzbedingung jederzeit erfüllt, das heißt die Schwingkreisimpedanz liegt immer bei der Resonanzfrequenz ω0 und damit immer im Maximum. Mit kleiner werdendem x, also zunehmender Bedämpfung, verschieben sich die Kurven durch eine relativ spontan und nichtlinear einsetzende Vergrößerung der Induktivität L zwar geringfügig zu niedrigeren Werten von ω0 hin, der Effekt ist aber im Bereich weniger ppm und kann darüber hinaus vernachlässigt werden, da immer in den Resonanzbetrieb nachgeregelt wird. 2 shows curves of the LC resonant circuit impedance Z over the angular frequency ω. The parameter here is the measuring path x, ie the distance between the coil and the target. As the measuring path increases, the quality Q of the system, which is basically defined as Q = ω 0 / B (resonance frequency ω 0, -3 dB bandwidth B), also increases. Since the overall circuit is designed as a self-oscillator, the resonance condition is fulfilled at all times, that is, the resonant circuit impedance is always at the resonant frequency ω 0 and thus always at the maximum. With decreasing x, ie increasing damping, the curves shift slightly towards lower values of ω 0 due to a relatively spontaneous and non-linear increase in the inductance L, but the effect is in the range of less than ppm and can also be neglected always readjusted to resonance mode.

Die über den Meßweg x variable Güte des Systems ist einerseits der eigentliche, signalgebende Effekt, andererseits zeigt sich hier eine Besonderheit in den Systemeigenschaften: Die Frequenzbandbreite verhält sich aussteuerungsabhängig, also abhängig vom gerade gemessenen Weg x. Frequenzgangmäßig betrachtet verhält sich der Sensor damit wie ein variabler Tiefpass erster Ordnung, wobei dessen –3 dB-Grenzfrequenz beim jeweiligen Meßabstand x der –3 dB-Bandbreite der Gütekurve entspricht.On the one hand, the quality of the system, which is variable over the measuring path x, is the actual signaling effect; on the other hand, a special feature in the system properties is shown here: The frequency bandwidth behaves in a control-dependent manner, ie depending on the currently measured displacement x. In terms of frequency response, the sensor thus behaves like a first-order variable low-pass filter, with its -3 dB cut-off frequency at the respective measuring distance x corresponding to the -3 dB bandwidth of the quality curve.

Die in 2 dargestellten Kurvenverläufe gelten für eine bestimmte Konfiguration der Schaltungs- und Schwingkreisparameter. Bei anderer Auslegung, insbesondere der Güteerhöhung durch die Implementierung der Energierückführung, verschieben sich die Kurven dementsprechend zu höheren Werten und geringeren Bandbreiten hin. Die Resonanzfrequenz ω0 wird immer durch die L-C-Kombination vorgegeben und bleibt unter allen Umständen nur von dieser abhängig.In the 2 Curves shown are for a particular configuration of the circuit and resonant circuit parameters. With a different design, in particular the increase in quality due to the implementation of the energy return, the curves accordingly shift towards higher values and lower bandwidths. The resonant frequency ω 0 is always given by the LC combination and remains under all circumstances only dependent on this.

In 3 ist eine bevorzugte Schaltungskonfiguration 10 zur Erzielung der beschriebenen Systemeigenschaften als Blockschaltbild wiedergegeben. Der Oszillator 20 ist mit seinen Eingangsklemmen 21 und 22 mit den Klemmen 31 und 32 des L-C-Schwingkreises 30 verbunden, wobei die Stromverläufe mit den Strompfeilen angedeutet sind. Hierbei ist es völlig unerheblich, ob 30 als Reihen- oder Parallelschwingkreis oder aus mehreren, geteilten Spulen aufgebaut ist. Klemme 21 dient als Signalabgriff für das Schwingkreissignal und ist die steuernde Größe in den gesamten, späteren Regelprozessen. Die sinusförmige Oszillatorausgangsspannung Uo steht an Klemme 23 an und enthält in ihrer Amplitude die zu messende Weginformation Uo(x).In 3 is a preferred circuit configuration 10 reproduced to obtain the system properties described as a block diagram. The oscillator 20 is with its input terminals 21 and 22 with the clamps 31 and 32 of the LC resonant circuit 30 connected, the current waveforms are indicated by the current arrows. Here it is completely irrelevant whether 30 is constructed as a series or parallel resonant circuit or a plurality of divided coils. clamp 21 serves as a signal tap for the oscillating circuit signal and is the controlling variable in the entire, later control processes. The sinusoidal oscillator output voltage Uo is connected to terminal 23 and in amplitude contains the path information Uo (x) to be measured.

Um den Schwingkreis nun möglichst schwach durch die Beschaltung zu bedämpfen, liegt die Eingangsimpedanz an Klemme 21 um etwa sechs Größenordnungen (also Faktor 106) über der Schwingkreisimpedanz im Resonanzfall. Typischerweise wird letztere im Bereich 0,1 ... 1 MOhm liegen, so dass an Klemme 21 etwa 0,1 ... 1 TOhm erzielt werden müssen. Dies ist mit herkömmlichen Operationsverstärkern gut umsetzbar.To dampen the resonant circuit as weak as possible through the wiring, the input impedance is connected to terminal 21 by about six orders of magnitude (ie a factor of 10 6) via the resonant circuit impedance at resonance. Typically, the latter will be in the range 0.1 ... 1 MOhm, so that at terminal 21 about 0.1 ... 1 TOhm must be achieved. This is easy to implement with conventional operational amplifiers.

Klemme 22 stellt eine Wechselspannungsquelle bzw. -senke dar, deren zeitliches Signal konform mit dem Signalverlauf an Klemme 23 verläuft. Schaltungstopologisch kann 22 auch mit 23 gleichgesetzt werden. Da der Schwingkreis 30 im Resonanzfall mit allen Verlusteffekten einen rein ohmschen Widerstand darstellt, sind die Signale an <A1> und <A2>, von geringen Laufzeiteffekten im Oszillator 20 abgesehen, exakt invertiert, also um 180° phasenverschoben. Damit kann die Regelbedingung für eine permanente und immer in Resonanzfrequenz betriebene Oszillation bei gleichzeitig optimal dämpfungsfreier Schwingkreisbeschaltung jederzeit sichergestellt werden.clamp 22 represents an alternating voltage source or sink, the temporal signal conforming to the waveform at terminal 23 runs. Circuit topology can 22 also with 23 be equated. As the resonant circuit 30 in the case of resonance with all loss effects is a purely ohmic resistance, the signals at <A1> and <A2>, of low running time effects in the oscillator 20 apart, exactly inverted, ie phase-shifted by 180 °. Thus, the control condition for a permanent and always operated in resonance frequency oscillation can be ensured at the same time optimally damping-free Schwingkreisbeschaltung at any time.

Um das System nun zu einem permanent und konstant erregten Selbstschwinger auszubauen, ist eine Rückkanal-Regelstrecke 40 eingeführt. Deren Eingangsimpedanz an Klemme 41 ist unerheblich, die Ausgangsimpedanz an Klemme 42 sollte wie folgt hochohmig sein: Durch den aktiv-inversen Betrieb des Resonanzkreises 30 durch den Oszillator 20 wird eine störende Bedämpfung durch die Verschaltung von Klemme 42 an Klemme 21 zwar um den Faktor der Regelverstärkung reduziert, durch die realen Verhältnisse hat man hier allerdings Einschränkungen. Als günstig hat sich erwiesen, wenn die Ausgangsimpedanz an 42 etwa um Faktor 2 ... 3 über der ungedämpften Schwingkreisresonanzimpedanz (ohne Target) liegt. Dann kann von einem nahezu idealen und durch die angeschlossenen Schaltungen 20 und 40 ungestörten Betrieb des Resonators ausgegangen werden.To expand the system now to a permanent and constantly excited self-oscillator, is a feedback channel controlled system 40 introduced. Their input impedance at terminal 41 is irrelevant, the output impedance at terminal 42 should like follows to be highly resistive: through the active-inverse operation of the resonant circuit 30 through the oscillator 20 is a disturbing damping by the interconnection of terminal 42 at terminal 21 Although reduced by the factor of the control gain, by the real conditions you have here, however, limitations. As low has been proven when the output impedance to 42 is about the factor 2 ... 3 above the undamped resonant circuit resonance impedance (without target). Then it can be almost ideal and connected by the circuits 20 and 40 undisturbed operation of the resonator can be assumed.

Die Rückkanalstrecke 40 dient gleichzeitig der Signalkonditionierung von Uo. Im vollbedämpften Betrieb des Resonanzkreises 30, also bei x = 0, betragen die Wechselspannungsamplituden nur noch wenige mV. Diese werden durch die Schaltung 40 so aufbereitet, dass an Klemme 42 jederzeit eine konstante Wechselstromamplitude zur Rückspeisung in den Schwingkreis 30 zur Verfügung steht.The return channel route 40 Simultaneously serves the signal conditioning of Uo. In fully damped operation of the resonant circuit 30 , ie at x = 0, the AC amplitudes are only a few mV. These are through the circuit 40 so prepared that at terminal 42 at any time a constant alternating current amplitude for feeding back into the resonant circuit 30 is available.

Aufgrund der 180°-Phasenbedingung zwischen <A1> und <A2> müssen auch die Signal an 41 und 42 exakt um 180° phasenverschoben sein. Geringfügige Laufzeiteffekte, wie sie bei der Umsetzung in eine reale Schaltungstechnik vorkommen, sind dabei zulässig.Due to the 180 ° phase condition between <A1> and <A2>, the signal must also be on 41 and 42 be exactly 180 ° out of phase. Minor run-time effects, as they occur in the implementation in a real circuit technology, are allowed.

Durch die beschriebene Auslegung der entsprechenden Schaltungsparameter in Oszillator 20 und Rückkanal 40 wird der Resonanzkreis 30 nun zunächst im Zustand optimaler Güte betrieben. Eine weitere Erhöhung wäre durch wie auch immer geartete Maßnahmen zur Optimierung der Schwingkreisparameter und der angeschlossenen Schaltungstechnik nicht realisierbar. Die Verluste werden durch den Energieverbrauch im Magnetfeld und den Dämpfungseffekten im Target und den Schwingkreiselementen definiert.By the described interpretation of the corresponding circuit parameters in the oscillator 20 and return channel 40 becomes the resonant circuit 30 now initially operated in the condition of optimum quality. A further increase would not be feasible by whatever measures are taken to optimize the resonant circuit parameters and the connected circuit technology. The losses are defined by the energy consumption in the magnetic field and the damping effects in the target and the oscillating circuit elements.

Um dennoch eine weitere Erhöhung der Güte des Systems zu erzielen, wird durch die Energierückführung 50 weitere Energie phasenrichtig so in den Resonator 30 eingespeist, dass die darin auftretenden Verluste weiter minimiert, die Güte des Systems damit erhöht und folglich die Reichweite des Sensors signifikant verbessert werden können.To still achieve a further increase in the quality of the system, is due to the energy return 50 More energy in the right way in the resonator 30 fed, that the losses occurring therein further minimized, the quality of the system increased and thus the range of the sensor can be significantly improved.

Dazu greift die Energierückführung 50 über ihre Eingangsklemme 51 das Signal Uo an der Ausgangsklemme 23 des Oszillators 20 ab und konditioniert es dergestalt, dass es als konstanter und aussteuerungsproportionaler Hilfsstrom über die Ausgangsklemme 52 in den Resonatoreingang 31 eingespeist wird. Durch diese Maßnahme wird die elektrische Güte von 30 weiter erhöht, was gleichzeitig zu einer Vergrößerung des Sensormeßwegs führt. Die Ausgangsimpedanz der ausgangsseitigen Stromquelle an Klemme 52 sollte hierbei Idealerweise in der Größenordnung der ungedämpften Schwingkreisresonanzimpedanz (ohne Target) liegen.In addition, the energy return takes effect 50 via its input terminal 51 the signal Uo at the output terminal 23 of the oscillator 20 It conditions and conditions it as a constant and displacement proportional auxiliary current through the output terminal 52 in the resonator input 31 is fed. By this measure, the electrical quality of 30 further increased, which at the same time leads to an increase in the Sensormeßwegs. The output impedance of the output side power source to terminal 52 should ideally be of the order of magnitude of the undamped resonant circuit resonance impedance (without target).

Aufgrund der Möglichkeit zur individuellen Einstellung der rückgeführten Energiemenge ist die Meßreichweite des Sensors nun keine, ausschließlich von den genannten Optimierungsparametern für Spule und Schaltung quasi-statische Größe mehr, sondern lässt sich dynamisch und vor allem rein elektrisch in relativ weiten Grenzen einstellen. Die in 2 dargestellten Resonanzkurven sind infolge dessen für eine gegebene Spule-Schaltungs-Konfiguration nicht mehr allein vom Meßabstand x abhängig, sondern auch von der durch die Energierückführung eingestellten Inertialgüte des Systems. Da die Güte Q und die Systembandbreite B direkt miteinander verknüpft sind, lässt sich darüber hinaus also auch das dynamische Verhalten des Sensors beeinflussen.Due to the possibility of individual adjustment of the amount of energy returned, the measuring range of the sensor is now no longer quasi-static, solely by the mentioned optimization parameters for coil and circuit, but can be set dynamically and, above all, purely electrically within relatively wide limits. In the 2 As a result, resonant curves shown are no longer dependent solely on the measuring distance x for a given coil-circuit configuration, but also on the inertial quality of the system set by the energy feedback. Since the quality Q and the system bandwidth B are directly linked with one another, the dynamic behavior of the sensor can also be influenced beyond that.

4 zeigt einen Vergleich der durch verschiedene Systeme erzielbaren Meßreichweiten. Hier sind mit 61, 62, und 63 jeweils halbseitig offene Schalenkernspulen dargestellt, die aus jeweiligen Ferritkernen 64, 65 und 66 bestehen, in die die Sensorspulen 67, 68 und 69 eingebettet sind. Die Schalenkerne strahlen ihre Magnetfelder 71, 72 und 73 zur offenen Seite hin ab. 71, 72 und 73 sind nur stark vereinfacht schematisch dargestellt. Die entsprechenden Targets sind mit 81, 82 und 83 bezeichnet, ihr Durchmesser oder ihre Kantenlänge (bei quadratischem Metallstück) entspricht dem Schalenkerndurchmesser D, also eine Standard-Meßkonfiguration. Die Targets 81, 82 und 83 sind dergestalt eingezeichnet, dass sie sich auf jeweils maximaler Meßreichweitenposition befinden. 4 shows a comparison of achievable by different systems Meßreichweiten. Here are with 61 . 62 , and 63 each half-side open shell core coils shown, consisting of respective ferrite cores 64 . 65 and 66 exist, in which the sensor coils 67 . 68 and 69 are embedded. The shell cores radiate their magnetic fields 71 . 72 and 73 off to the open side. 71 . 72 and 73 are shown only schematically simplified. The corresponding targets are with 81 . 82 and 83 denotes their diameter or their edge length (square metal piece) corresponds to the pot core diameter D, so a standard measurement configuration. The targets 81 . 82 and 83 are drawn in such a way that they are located at the respective maximum measuring range position.

Die obere Konfiguration (61, 71, 81) steht für einen typischen induktiven Näherungsschalter, wie sie im Stand der Technik ausführlich beschrieben wurden. Die Schaltabstände solcher Geräte liegen bei etwa einem Drittel des Schalenkerndurchmessers D, hier mit sn bezeichnet, sn = 0,3 D. Die mittlere Konfiguration (62, 72, 82) steht für ein proportional messendes System, welches auf eine möglichst bedämpfungsarme Arbeitsweise des Resonators 30 ausgelegt ist. Dies entspricht einer Schaltung aus 20, 30 und 40 gemäß 3. Der maximale Meßweg xm1 entspricht hier in etwa dem Schalenkerndurchmesser D, xm1 = D.The upper configuration ( 61 . 71 . 81 ) represents a typical inductive proximity switch as described in detail in the prior art. The switching distances of such devices are about one third of the pot core diameter D, denoted here sn, sn = 0.3 D. The average configuration ( 62 . 72 . 82 ) stands for a proportional measuring system, which is based on a possible low-damping operation of the resonator 30 is designed. This corresponds to a circuit 20 . 30 and 40 according to 3 , The maximum measuring path xm1 here corresponds approximately to the pot core diameter D, xm1 = D.

Die untere Konfiguration (63, 73, 83) entsteht nun durch Hinzufügen der Energierückführung 50 in die Sensorschaltung 10. Hier ist der maximale Meßweg xm2 nun auf etwa das Doppelte des Schalenkerndurchmessers D eingestellt, xm2 = 2 D. Da das Maß an zurückgeführter Energie elektrisch einstellbar ist, lassen sich je nach Anwendung auch andere Werte einstellen, also beispielsweise xm2 = 1,5 D oder xm2 = 2,5 D. Eine technische Grenze ist dort erreicht, wo Stabilitätskriterien höherer Ordnung in der Schaltung nicht mehr sicher eingehalten werden können.The lower configuration ( 63 . 73 . 83 ) is created by adding the energy feedback 50 into the sensor circuit 10 , Here, the maximum measuring path xm2 is now set to about twice the pot core diameter D, xm2 = 2 D. Since the amount of energy returned is electrically adjustable, other values can also be set depending on the application, for example xm2 = 1.5 D or xm2 = 2.5 D. A technical limit is reached where higher-order stability criteria in the circuit can no longer be safely met.

Die zu den Anordnungen der 4 gehörenden Übertragungskennlinien der Sensoren sind in 5 zusammengefaßt. Hierbei zeigt die gestrichelte Kurve die Schaltkennlinie des Näherungsschalters nach 61, 71, 81 mit sn = 0,3 D. Diese Schaltfunktionen haben in der Praxis natürlich immer eine Schalthysterese, was aus Gründen der Vereinfachung hier nicht dargestellt ist. Die durchgezogene Linie steht für die Anordnung 62, 72, 82 mit xm1 = D, die gepunktete Linie letztlich für die Anordnung 63, 73, 83 mit xm2 = 2 D. Man erkennt an der durchgezogenen Linie den bereits großen, proportionalen Meßweg, der durch einen näherungsweise idealen Betrieb des Resonators, nämlich weitestgehend äußerlich unbedämpft, realisiert werden kann, während die gepunktete Linie die nochmalige Verbesserung, die durch die Einführung einer kontrollierten Energierückspeisung erzielt werden kann, ausweist.The to the arrangements of the 4 belonging transmission characteristics of the sensors are in 5 summarized. The dashed curve shows the switching characteristic of the proximity switch 61 . 71 . 81 with sn = 0.3 D. Of course, these switching functions always have a switching hysteresis in practice, which for reasons of simplification is not shown here. The solid line represents the arrangement 62 . 72 . 82 with xm1 = D, the dotted line ultimately for the arrangement 63 . 73 . 83 with xm2 = 2 D. It can be seen on the solid line the already large, proportional measuring path, which can be realized by an approximately ideal operation of the resonator, namely largely externally undamped, while the dotted line the further improvement, by introducing a controlled energy recovery can be achieved.

Claims (10)

Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Abstands (x) zu einem frei beweglichen metallischen Gegenstück (81, 82, 83), welche als physikalisch-elektrisches Meßmittel einen ein entsprechendes Magnetfeld aussendenden, halbseitig offenen Schalenkern (61, 62, 63) eines Schwingkreises (30) einsetzt und welche jederzeit von einer Schaltungskonfiguration (10) in derjenigen Resonanzfrequenz betrieben wird, die durch den, den halbseitig offenen Schalenkern beinhaltenden Schwingkreis (30) vorgegeben wird, wobei die Schaltungskonfiguration (10) einen Oszillator (20) und einen Rückkanal (40) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungskonfiguration (10) eine gesteuerte Energierückführung (50) aufweist und dass mit Hilfe der gesteuerten Energierückführung (50) eine Maximierung der Güte des Schwingsystems (10, 30), bestehend aus dem Schwingkreis (30) und einer damit verbundenen Schaltungskonfiguration (10) herbeigeführt wird, die in Konsequenz eine Vergrößerung der Meßreichweite (x) der Vorrichtung bewirkt.Device for non-contact measurement of the distance (x) to a free-moving metallic counterpart ( 81 . 82 . 83 ), which as a physical-electrical measuring means a corresponding magnetic field emitting, half-open shell pot ( 61 . 62 . 63 ) of a resonant circuit ( 30 ) and which at any time of a circuit configuration ( 10 ) is operated in the resonant frequency, by the resonant circuit comprising the half-open shell core ( 30 ), the circuit configuration ( 10 ) an oscillator ( 20 ) and a return channel ( 40 ), Constitutes characterized in that the circuit configuration ( 10 ) a controlled energy return ( 50 ) and that by means of the controlled energy return ( 50 ) maximizing the quality of the vibration system ( 10 . 30 ), consisting of the resonant circuit ( 30 ) and an associated circuit configuration ( 10 ), which in consequence causes an enlargement of the measuring range (x) of the device. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungskonfiguration (10) grundsätzlich den, den halbseitig offenen Schalenkern beinhaltenden Schwingkreis (30) dergestalt elektrisch ansteuert, dass eine möglichst geringe Bedämpfung desselben durch die Ansteuerung und in Folge dessen eine maximale Systemgüte der Anordnung erzielt werden kann.Device according to claim 1, characterized in that the circuit configuration ( 10 ) basically the, the half-side open shell core containing resonant circuit ( 30 ) so electrically controls that the lowest possible damping of the same by the control and as a result, a maximum system quality of the arrangement can be achieved. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungskonfiguration (10) grundsätzlich den, den halbseitig offenen Schalenkern beinhaltenden Schwingkreis (30) dergestalt elektrisch abgreift, dass eine möglichst geringe Bedämpfung desselben durch den Signalabgriff und in Folge dessen eine maximale Systemgüte der Anordnung erzielt werden kann.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the circuit configuration ( 10 ) basically the, the half-side open shell core containing resonant circuit ( 30 ) so electrically tapped that the lowest possible attenuation of the same by the signal pickup and consequently a maximum system quality of the arrangement can be achieved. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß an zurückgeführter Energie einstellbar ist und dass durch die Energierückführung (50) die elektrische Güte des Schwingkreises (30) und damit die Güte des Gesamtsystems (10, 30), über die Maßnahmen aus Ansprüchen 2 und 3 hinaus, dergestalt erhöhbar ist, dass sie um ein einstellbares und signifikantes Maß über derjenigen Güte liegt, die durch die Konfiguration nur aus Oszillator (20) und Rückkanal (40) erzielbar wäre.Device according to one of claims 2 to 3, characterized in that the amount of recirculated energy is adjustable and that by the energy return ( 50 ) the electrical quality of the resonant circuit ( 30 ) and thus the quality of the overall system ( 10 . 30 ), beyond the measures of claims 2 and 3, can be increased in such a way that it is an adjustable and significant measure above the quality, which by the configuration only from oscillator ( 20 ) and return channel ( 40 ) would be achievable. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der halbseitig offene Schalenkern (61, 62, 63) mit der Induktivität (L) in Verbindung mit dem Schwingkreiskondensator (C) einen Parallelschwingkreis, einen Reihenschwingkreis oder ein beliebiges, elektrisch resonanzfähiges System ausbildet, welches ein meßempfindliches Magnetfeld abzustrahlen in der Lage ist.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the half-open shell pot ( 61 . 62 . 63 ) with the inductance (L) in conjunction with the resonant circuit capacitor (C) a parallel resonant circuit, a series resonant circuit or any electrically resonant system is formed, which is capable of emitting a measuring magnetic field capable. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (42) der Rückkanal-Regelstrecke (40) dem elektrischen Verhalten nach einer Wechselstromquelle mit einer Quellimpedanz vom 2- bis 3-fachen der ungedämpften Resonanzimpedanz des Schwingkreises (30) entspricht, der in der Resonanzfrequenz arbeitet.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the output ( 42 ) of the return channel controlled system ( 40 ) the electrical behavior of an AC source with a source impedance of 2 to 3 times the unattenuated resonance impedance of the resonant circuit ( 30 ), which operates at the resonant frequency. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (52) der Energierückführung (50) dem elektrischen Verhalten nach einer Wechselstromquelle mit einer Quellimpedanz in der Größenordnung der ungedämpften Resonanzimpedanz des Schwingkreises 30 entspricht, der in der Resonanzfrequenz arbeitet.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the output ( 52 ) of the energy return ( 50 ) the electrical behavior of an AC source with a source impedance on the order of the undamped resonant impedance of the resonant circuit 30 corresponds, which works in the resonant frequency. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines mehr oder minder planparallelen Targets in axialer und paralleler Richtung zur Spulenoberfläche eine lineare Bewegungsform detektiert wird.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that by means of a more or less plane-parallel target in the axial and parallel direction to the coil surface, a linear movement shape is detected. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung zur Spulenoberfläche eine rotatorische, also drehende Bewegungsform detektiert wird, indem die Drehbewegung mittels einer über den Drehwinkel verlaufenden, geeigneten Targetgeometriekontur in eine Linearbewegung umgesetzt wird.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the axial direction to the coil surface, a rotational, ie rotating movement form is detected by the rotational movement is converted by means of a running over the rotation angle, suitable target geometry contour in a linear movement. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung zur Spulenoberfläche eine rotatorische, also drehende Bewegungsform detektiert wird, indem der Kippwinkel der Drehbewegung lateral außerhalb der Fluchtrichtung des ausgesendeten Magnetfelds liegt und mittels des mehr oder minder planparallelen Targets eine Mischform aus Linear- und Kippbewegung erzeugt wird.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the axial direction to the coil surface a rotatory, ie rotating movement shape is detected by the tilt angle of the rotational movement is laterally outside the escape direction of the emitted magnetic field and by means of more or less plane-parallel target a mixed form of linear and tilting movement is generated.
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