DE102013226203A1 - Offset compensated position measuring device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung mit einer Maßverkörperung (50) und einem Abtastkopf, der eine Auswerteelektronik (80) und eine Sensoranordnung (20) zur Abtastung der Maßverkörperung aufweist, wobei auf der Maßverkörperung (50) in Messrichtung ein Markierungsbereich (53) mit Markierungen (51) ausgebildet ist, wobei der Abtastkopf wenigstens eine Empfängerspule (40) und eine Kompensationsspule (41), die seriell geschaltet sind und denen jeweils eine Senderspule (30, 31) zugeordnet ist, aufweist, wobei die Empfängerspule (40) und die ihr zugeordnete Senderspule (30) dem Markierungsbereich (53) zugeordnet sind, wobei die Kompensationsspule (41) und die ihr zugeordnete Senderspule (31) nicht dem Markierungsbereich (53) zugeordnet sind.The invention relates to a position measuring device having a measuring graduation (50) and a scanning head, which has evaluation electronics (80) and a sensor arrangement (20) for scanning the material measure, wherein a marking region (53) with markings (53) is provided on the material measure (50) in the measuring direction. 51), wherein the scanning head at least one receiver coil (40) and a compensation coil (41), which are connected in series and each having a transmitter coil (30, 31) is associated, wherein the receiver coil (40) and its associated Transmitter coil (30) are associated with the marking area (53), wherein the compensation coil (41) and its associated transmitter coil (31) are not associated with the marking area (53).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung. The present invention relates to a position measuring device.
Stand der Technik State of the art
Induktive Sensoriken arbeiten häufig nach dem Übertragerprinzip. Dabei erzeugt eine bestromte Erregerstruktur ein magnetisches Wechselfeld, das von einer (i.d.R. galvanisch getrennten) Empfängerstruktur erfasst werden kann. Wird von außen Einfluss auf die Verteilung des magnetischen Feldes genommen – z.B. durch Anwesenheit von magnetisch oder elektrisch leitfähigen Materialien – so wirkt sich dies nach dem Induktionsgesetz auf die messbare Spannung der Empfängerspule aus. Mit diesem Prinzip wird eine berührungslose induktive Messung möglich. Inductive sensor systems often work according to the transformer principle. An energized exciter structure generates an alternating magnetic field that can be detected by a receiver structure that is galvanically isolated. If external influence is exerted on the distribution of the magnetic field - e.g. by the presence of magnetically or electrically conductive materials - this has an effect on the measurable voltage of the receiver coil according to the law of induction. With this principle, a non-contact inductive measurement is possible.
Die induktive Messung ist zunächst prinzipbedingt stark offsetbehaftet. Als Nutzsignal kann nämlich nur der Signalanteil bezeichnet werden, um den das empfangene Signal – durch die äußeren Einflüsse moduliert – schwankt. Typischerweise liegt der Anteil des Nutzsignals bei nur etwa 1 ‰ bis max. 10% des Gesamtsignals. Das restliche Signal ist Offset und i.d.R. unerwünscht. Initially, the inductive measurement is strongly offset-related in principle. Namely, only the signal component by which the received signal is modulated by the external influences fluctuates as the useful signal. Typically, the proportion of the useful signal is only about 1 ‰ to max. 10% of the total signal. The rest of the signal is offset and i.d.R. undesirable.
Zur Offsetbefreiung kann ein differentieller Aufbau gewählt werden. Beispielsweise können jeweils zwei Empfängerwindungen ein differentielles Paar bilden. Die beiden Windungen sind mit entgegengesetztem Wicklungssinn in Reihe verschaltet, sodass als messbares Signal nur die Differenz der beiden Spulensignale erhalten bleibt, ein Offset wird eliminiert. Anstelle einer differentiellen Empfängerspule ist es ebenso denkbar, die Senderspule differentiell zu gestalten, um eine Offsetfreiheit zu erreichen. Dadurch wirkt bereits das magnetische Wechselfeld differentiell auf die Empfängerspule. Das Empfangssignal einer Empfängerspule ist damit offsetfrei. For offset relief, a differential structure can be selected. For example, two receiver turns each can form a differential pair. The two windings are connected in series with opposite winding sense, so that as a measurable signal only the difference of the two coil signals is maintained, an offset is eliminated. Instead of a differential receiver coil, it is also conceivable to differentiate the transmitter coil in order to achieve offset freedom. As a result, the alternating magnetic field already acts differentially on the receiver coil. The received signal of a receiver coil is thus offset-free.
Aus der
Aus der
Die
Zur Offsetbefreiung sind bei den Messsystemen im Stand der Technik immer differentiell geschaltete Empfängerspulen im Sensor und Markierungen in mehreren Reihen zur absoluten Positionsbestimmung nötig, was einen relativ aufwändigen Aufbau bedingt. For offset relief, the measuring systems in the prior art always require differentially connected receiver coils in the sensor and markings in several rows for absolute position determination, which requires a relatively complex construction.
Es ist daher wünschenswert, eine Positionsmessvorrichtung anzugeben, bei dem eine einfachere Maßverkörperung und einfachere Konstruktion und Fertigung des Sensors erzielt werden. It is therefore desirable to provide a position measuring device in which a simpler material measure and simpler design and manufacture of the sensor can be achieved.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Positionsmessvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. According to the invention, a position measuring device with the features of
Eine erfindungsgemäße Positionsmessvorrichtung weist eine Maßverkörperung, insbesondere eine absolute Maßverkörperung, und einen gegenüber der Maßverkörperung in einer Messrichtung beweglich gelagerten Abtastkopf mit einer Auswerteelektronik und einer Sensoranordnung zur Abtastung der Maßverkörperung auf. Auf der Maßverkörperung sind in Messrichtung in einem Markierungsbereich Markierungen ausgebildet und der Abtastkopf weist wenigstens eine Empfängerspule und eine Kompensationsspule auf, die seriell geschaltet sind und denen jeweils eine Senderspule zugeordnet ist, wobei die Empfängerspule und die ihr zugeordnete Senderspule dem Markierungsbereich zugeordnet sind und wobei die Kompensationsspule und die ihr zugeordnete Senderspule nicht dem Markierungsbereich zugeordnet sind. A position measuring device according to the invention has a measuring standard, in particular an absolute measuring graduation, and a scanning head movably mounted relative to the material measure in a measuring direction, with evaluation electronics and a sensor arrangement for scanning the material measure. Markings are formed in the measurement direction in a marking region on the measuring direction and the scanning head has at least one receiver coil and a compensation coil which are connected in series and to each of which a transmitter coil is assigned, wherein the receiver coil and its associated transmitter coil are assigned to the marking region and wherein Compensation coil and its associated transmitter coil are not assigned to the marking area.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die Erfindung führt zu einer deutlichen Reduzierung einer Offsetspannung im Messsignal. Es wurde erkannt, dass vor der Signalverarbeitung keine komplette Offset-Befreiung nötig ist, sondern dass es ausreicht, eine Offsetspannung im Messsignal um einen so großen Betrag zu schwächen, dass die Pegel von Nutzsignal und verbleibender Offsetspannung etwa in der gleichen Größenordnung liegen. Damit kann das (nun im Pegel deutlich kleinere) Empfangssignal bereits analog deutlich höher verstärkt werden. Der eigentliche Nutzsignalanteil deckt damit den Eingangsspannungsbereich einer Signalverarbeitung (insbesondere Analog-Digital-Umsetzung) deutlich besser ab, sodass keine sehr hohe ADC-Eingangsauflösung nötig ist. Eine verbleibende Offsetspannung kann durch eine nachfolgende digitale Signalverarbeitung kompensiert werden (entweder dynamisch oder durch Kalibrierung). The invention leads to a significant reduction of an offset voltage in the measurement signal. It was recognized that before the signal processing, no complete offset-freeing is necessary, but that it is sufficient to weaken an offset voltage in the measurement signal by such a large amount that the levels of useful signal and remaining Offset voltage are about the same order of magnitude. Thus, the (now in the level much smaller) received signal can be amplified analogously much higher. The actual useful signal component thus covers the input voltage range of a signal processing (in particular analog-to-digital conversion) much better, so that no very high ADC input resolution is necessary. A remaining offset voltage can be compensated by subsequent digital signal processing (either dynamically or by calibration).
Vorteilhafterweise sind die Kompensationsspule und die ihr zugeordnete Senderspule einem markierungsfreien Bereich auf der Maßverkörperung, der frei von Markierungen ist, zugeordnet. Insbesondere ist dieser markierungsfreie Bereich parallel zu dem Markierungsbereich auf der Maßverkörperung ausgebildet. Dadurch können Kompensationsspule und Empfängerspule gemeinsam in der Sensoranordnung ausbildet sein und die Maßverkörperung ist einfach zu fertigen. Hierzu ist bspw. lediglich eine etwas breitere Maßverkörperung nötig. Advantageously, the compensation coil and the transmitter coil associated therewith are associated with a mark-free area on the material measure which is free of markings. In particular, this mark-free region is formed parallel to the marking region on the material measure. As a result, compensation coil and receiver coil can be formed together in the sensor arrangement and the material measure is easy to manufacture. For this purpose, for example, only a slightly wider scale is necessary.
Vorzugsweise ist die Kompensationsspule zusammen mit der Empfängerspule als eine gemeinsame Spule ausgebildet sein, d.h. ein Teil ein und derselben Spule wird als Kompensationsspule und ein anderer Teil als Empfängerspule genutzt. Insbesondere erstreckt sich diese eine Spule dann über beide Bereiche auf der Maßverkörperung. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau des Sensors, da keine gesonderte Kompensationsspule nötig ist. Preferably, the compensation coil is formed together with the receiver coil as a common coil, i. a part of the same coil is used as a compensation coil and another part as a receiver coil. In particular, this one coil then extends over both areas on the material measure. This allows a simple construction of the sensor, since no separate compensation coil is necessary.
Alternativ ist die Empfängerspule Teil der Sensoranordnung und die Kompensationsspule Teil der Auswerteelektronik. Hierbei sind zwei getrennte Spulen nötig, jedoch kann durch die räumliche Trennung eine bessere Offset-Reduzierung im Signal erreicht werden, da die Kompensationsspule nicht von neben der Kompensationsspule angeordneten Markierungen beeinflusst werden kann. Alternatively, the receiver coil is part of the sensor arrangement and the compensation coil part of the evaluation. In this case, two separate coils are necessary, but can be achieved by the spatial separation better offset reduction in the signal, since the compensation coil can not be influenced by arranged next to the compensation coil markings.
Vorteilhafterweise sind die der Empfängerspule und die der Kompensationsspule zugeordneten Senderspulen in Reihe geschaltet und mit derselben Stromquelle verbunden. Dadurch wird eine einfache Schaltungsanordnung ermöglicht. Advantageously, the receiver coil and the compensation coil associated transmitter coils are connected in series and connected to the same power source. This allows a simple circuit arrangement.
Alternativ sind die genannten Senderspulen mit verschiedenen Stromquellen verbunden, insbesondere ist die Stromquelle, von der die der Empfängerspule zugeordnete Senderspule mit Strom versorgt wird, zur Reduzierung einer Offsetspannung in einem Messsignal einstellbar. Damit kann eine bessere Offset-Reduzierung erreicht werden. Alternatively, the said transmitter coils are connected to different current sources, in particular the current source, from which the transmitter coil associated with the transmitter coil is supplied with power, adjustable to reduce an offset voltage in a measurement signal. This allows a better offset reduction can be achieved.
Es ist von Vorteil, wenn die Empfängerspule, die Kompensationsspule und die ihnen zugeordneten Senderspulen so geschaltet sind, dass eine in der Kompensationsspule von einem Magnetfeld induzierte Spannung eine in der Empfängerspule von demselben Magnetfeld induzierte Spannung reduziert bzw. kompensiert. Durch eine solche Abstimmung der einzelnen Spulen aufeinander kann eine weitere nötige Offset-Minimierung bereits vorab durch die Spulen an sich reduziert werden. It is advantageous if the receiver coil, the compensation coil and their associated transmitter coils are connected so that a voltage induced in the compensation coil by a magnetic field reduces or compensates for a voltage induced in the receiver coil by the same magnetic field. By such a vote of the individual coils successive another offset minimization can already be reduced in advance by the coils per se.
Vorteilhafterweise sind in dem Abtastkopf wenigstens zwei Empfängerspulen umfasst, wobei jeder Empfängerspule eine Kompensationsspule und entsprechend Senderspulen zugeordnet sind. Damit können mehrere Markierungen gleichzeitig erfasst werden und die Spulen können fest verschaltet werden. Advantageously, at least two receiver coils are included in the scanning head, each receiver coil being associated with a compensation coil and corresponding to transmitter coils. This allows multiple markers to be detected simultaneously and the coils can be permanently interconnected.
Alternativ umfasst der Abtastkopf nur eine Kompensationsspule, die mittels eines Multiplexers, der insbesondere zu einer Auswerteelektronik gehört, jeweils abwechselnd mit der Kompensationsspule verbindbar ist. Dadurch kann die Sensoranordnung einfacher und kompakter aufgebaut werden. Alternatively, the scanning head comprises only one compensation coil, which is in each case alternately connectable to the compensation coil by means of a multiplexer, which in particular belongs to evaluation electronics. As a result, the sensor arrangement can be made simpler and more compact.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. The invention is illustrated schematically by means of exemplary embodiments in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.
Figurenbeschreibung figure description
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung Detailed description of the drawing
In
Die Sensoranordnung
Die beiden Bauteile Sensoranordnung
In die Erregerspulen
Die Sensoranordnung
In
Im Wesentlichen stimmt die Ausgestaltung mit der der
In
Die Sensoranordnung
Die Kompensationsspule
In
Die Maßverkörperung
Die Sensoranordnung
Weiter umfasst die Sensoranordnung
Mittels Durchkontaktierungen
Die Funktionsweise der Positionsmessmessvorrichtung ist ansonsten im Wesentlichen wie die der anderen bisher dargestellten absoluten Positionsmessvorrichtungen in den
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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