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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wegmesssystem zur Verfolgung der Bewegung eines Gebers sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Wegmesssystems.
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Stand der Technik
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In vielen Anwendungen im Automobil ist die Position und Geschwindigkeit eines bewegbaren Gebers zu überwachen. Beispielsweise misst der Phasengeber die Bewegung eines Rades auf der Nockenwelle. Der Drehzahlgeber misst die Bewegung eines Rades auf der Kurbelwelle. Auch die Drehgeschwindigkeit der Fahrzeugräder sowie der Lenkeinschlag können auf diesem Wege gemessen werden.
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Die Messung erfolgt in der Regel berührungslos mit einem Hall-Sensor, der magnetisierte Bereiche auf dem Geber abtastet. Hall-Sensoren sind sehr robust, haben aber eine schlechte Ortsauflösung. Daher ist es wünschenswert, die Bewegung mit einem optischen Wegmesssystem zu überwachen.
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Ein solches optisches Wegmesssystem ist aus der
DE 10 2012 212 908 A1 bekannt. Es enthält einen Sensor, der den überwachten Geber mit einem Lichtstrahl beleuchtet und die Intensität des vom Geber reflektierten Lichts registriert. Bei einer Bewegung des Gebers ändert sich die Selbstmischinterferenz zwischen dem auf den Geber einfallenden Licht und dem von ihm reflektierten Licht. Die Position des Gebers kann damit bis auf eine Auflösung von ca. 1 Mikrometer bestimmt werden.
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Nachteilig ist, dass ein Automobil, und insbesondere dessen Motorraum, ein Ort ist, an dem der Sensor starker Verschmutzung ausgesetzt sein kann. Dadurch kann das Messergebnis eines optischen Wegmesssystems verfälscht werden, oder das System kann sogar ganz ausfallen. Ein im Motor angeordneter Sensor ist nur mit sehr hohem Aufwand zu reinigen oder auszutauschen. Für dieses Problem gibt es derzeit nur die Behelfslösung, bei der Signalauswertung ähnliche Fehlerkorrekturmechanismen einzusetzen wie beim Auslesen verschmutzter CDs oder DVDs.
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Aufgabe und Lösung
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein optisches Wegmesssystem zur Verfügung zu stellen, das weniger anfällig für Verschmutzungen ist als die Systeme nach dem bisherigen Stand der Technik.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wegmesssystem gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines Wegmesssystems gemäß Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es existieren Messmethoden, die im Vergleich zur Selbstmischinterferenz prinzipiell schmutzunempfindlicher sind, aber bei weitem eine nicht so gute Ortsauflösung haben. Ein Beispiel hierfür sind Hall-Effekt-Messungen. Die Erfindung ermöglicht es, die hochgenaue optische Messtechnik mit den Widrigkeiten einer unsauberen Umgebung zu kombinieren. Die Kernpunkte, die hierzu beitragen, sind:
- 1. Schmutzpartikel werden durch ein Abschirmelement von der optischen Oberfläche des Sensors ferngehalten, und optional wird durch die Einbaulage des Sensors (Gravitation) dafür gesorgt, dass dennoch eingedrungener Schmutz (Öltröpfchen) von selbst wieder abfließen kann. Das Abschirmelement kann bei der Anwendung in einer Flüssigkeit (zum Beispiel Motoröl) störende Turbulenzen reduzieren.
- 2. die Verwendung eines Sensors mit zwei Kanälen, die sich gegenseitig abgleichen, erhöht die Ausfallsicherheit deutlich. So kann bei Ausfalls eines Kanals, zum Beispiel wegen eines großen Partikels auf der optischen Oberfläche des Sensors, eine Warnmeldung ausgegeben und trotzdem weitergefahren werden.
- 3. Eichmarkierungen und Korrekturalgorithmen ermöglichen es, Fehlmessungen zu erkennen, fehlende oder verzerrte Messpunkte auszublenden oder zu rekonstruieren und somit letztendlich die Lage des Gebers zu jedem Zeitpunkt exakt zu bestimmen.
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein Wegmesssystem mit einem Sensor entwickelt, der durch seine optische Oberfläche einen bewegbaren Geber mit einem Lichtstrahl beleuchtet und die Intensität des vom Geber reflektierten Lichts registriert. Dabei trifft der Lichtstrahl unter einem derartigen Winkel auf den Geber ein, dass eine Bewegung des Gebers sich in einer Änderung der Selbstmischinterferenz zwischen dem auf den Geber einfallenden Licht und dem von ihm reflektierten Licht manifestiert. Der Geber kann insbesondere ein Rad oder ein ähnlicher runder Körper sein, der um eine Achse drehbar ist und dessen Drehwinkel bzw. Winkelgeschwindigkeit mit dem Wegmesssystem erfassbar ist. Daher führt mindestens eine Tangente an die Oberfläche des Gebers zur optischen Oberfläche des Sensors.
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Erfindungsgemäß ist zwischen dem Geber und der optischen Oberfläche ein Abschirmelement angeordnet, das diese Tangente unterbricht. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jede Tangente an die Oberfläche des Gebers, die zur optischen Oberfläche des Sensors führt, durch mindestens ein solches Abschirmelement unterbrochen.
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Es wurde erkannt, dass gerade bei Geberrädern und anderen rotierenden Gebern der überwiegende Anteil der Verschmutzungen, die auf den Sensor einfallen, durch die Drehbewegung des Gebers tangential von dessen Oberfläche weg beschleunigt wird. Tangenten, die von der Oberfläche des Gebers zur optischen Oberfläche des Sensors führen, sind daher Haupteinfallsrichtungen für solche Verschmutzungen. Werden diese Haupteinfallsrichtungen blockiert, kann die Verschmutzung der optischen Oberfläche am Sensor wesentlich verlangsamt werden.
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Das Abschirmelement kann außen am Sensor angebracht sein. Es kann beispielsweise eine umlaufende Schutzhülse sein, die im Bereich der optischen Oberfläche auf den Sensor aufgesetzt ist. Statt einer umlaufenden Schutzhülse kann aber beispielsweise auch ein einseitiger Schild als Abschirmelement vorgesehen sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich der Geber vorzugsweise nur in der einen Richtung dreht und nur in seltenen Fällen in der anderen. Der Sensor ist dann für eine Wartung und Reinigung einfacher zugänglich, als wenn er hinter einer umlaufenden Schutzhülse verborgen wäre. Alternativ oder in Kombination zu einer Schutzhülse oder einem Schild kann die optische Oberfläche auch in einen Kanal innerhalb des Sensors zurück versetzt sein. Arbeitet der Sensor in Öl, hat die Schutzhülse oder der Schild auch die Funktion eines Strömungsschildes, das Turbulenzen im Lichtwinkel reduziert und damit die Messgenauigkeit erhöht.
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Bei der Blockade der tangentialen Haupteinfallsrichtungen für Verschmutzung wirkt das Abschirmelement (Schutzhülse, Schild) mit der räumlichen Orientierung des Sensors relativ zum Geber sowie mit dem Abstand zwischen Sensor und Geber zusammen. Die Messung der Selbstmischinterferenz ist prinzipiell bei Arbeitsabständen bis zu einem Meter mit gleichbleibender Genauigkeit möglich. Der optimale Arbeitsabstand hängt, unter der Randbedingung des für die jeweilige Anwendung zur Verfügung stehenden Platzes, von den Gegebenheiten am Einbauort sowie insbesondere von der Art der Verschmutzungen ab. Ist der Geber beispielsweise heiß, kann der Sensor in zu geringem Abstand darunter leiden. Im Gegensatz zur ersten Intuition kann es außerdem kontraproduktiv sein, wenn der Zwischenraum zwischen einer Schutzhülse und dem Geber so eng ist, dass zufällig in die Schutzhülse eingedrungener Schmutz in der Schutzhülse gefangen ist und von selbst nicht mehr hieraus entweichen kann. In der Schutzhülse gefangener Schmutz beeinträchtig dann irreversibel die Funktion des Sensors. Ist der Sensor zu weit vom Geber entfernt angeordnet, muss wiederum das Licht gleich zweimal einen längeren Weg durch ein möglicherweise mit Schmutz belastetes Gebiet zurücklegen. Die nachteiligen Wirkungen auf das Licht hängen häufig mit einem Exponentialgesetz von der durchquerten Strecke ab (insbesondere die Abschwächung). So wird das Messergebnis schnell ungenau.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die normale auf die optische Oberfläche des Sensors gegenüber dem Schwerefeld der Erde um mindestens 10 Grad geneigt. Eine flüssige Verschmutzung, wie etwa Öl, läuft dann langsam von Ort des Auftreffens auf die optische Oberfläche in Richtung des Randes dieser Oberfläche. Dort stört sie den Sensor zunächst weniger. Am Rand kann sich außerdem im Laufe des Betriebes ein großer Tropfen der Verschmutzung bilden, der bei Erreichen eines kritischen Gewichts endgültig von der optischen Oberfläche abfällt. Dies ist ein Selbstreinigungseffekt.
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Dieser Selbstreinigungseffekt kann verstärkt werden, indem in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Abschirmelement unmittelbar an die optische Oberfläche angrenzt. Das Abschirmelement bietet dann einen Weg, auf dem die Verschmutzung durch Unterstützung der Gravitation unmittelbar von der optischen Oberfläche abgeführt werden kann.
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Vorteilhaft gibt es mindestens eine Strecke, die eine gemeinsame Normale auf die Oberfläche des Gebers und auf die optische Oberfläche des Sensors ist. Insbesondere bei einem radförmig ausgebildeten Geber kann das Abschirmelement dann besonders nah an den Geber herangeführt werden. Die Pfade, auf denen Schmutz zur optischen Oberfläche des Sensors gelangen kann, werden dann auf ein Minimum reduziert. Zur weiteren Reduzierung des Abstandes zwischen Abschirmelement und Geber kann vorteilhaft ein dem Geber zugewandtes Ende des Abschirmelementes in seiner Form an die Oberfläche des Gebers angelehnt sein. Beispielsweise kann an diesem Ende eine Aussparung vorgesehen sein, in der sich der Geber drehen kann. Die einzige Einschränkung liegt darin, dass insbesondere grober Schmutz, der zufällig den Spalt zwischen Geber und Abschirmelement überwunden hat, dies eventuell nicht sofort erneut schafft und dauerhaft in dem Abschirmelement (Schutzhülse) verbleibt.
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Für die Erzeugung von Selbstmischinterferenz ist es erforderlich, dass der Lichtstrahl nicht genau senkrecht auf die Oberfläche des Gebers eingestrahlt wird. Bevorzugt sollte die Einfallsrichtung des Lichtstrahls gegen die Normale auf die Oberfläche des Gebers um mindestens 10 Grad geneigt sein. Dies lässt sich auch dann erreichen, wenn die Normale auf die Oberfläche des Gebers auch die Normale auf die optische Oberfläche des Sensors ist: Der Lichtstrahl kann in einem entsprechend schrägen Winkel aus dieser optischen Oberfläche emittiert werden. Welcher Neigungswinkel maximal möglich ist, hängt von der Größe der optischen Oberfläche des Sensors sowie von der Entfernung zwischen Sensor und Geber ab. Die Randbedingung ist, dass der reflektierte Strahl diese optische Oberfläche trifft und vom Sensor registriert werden kann.
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Dreht sich der Geber nur in eine Richtung, kann anstelle einer umlaufenden Schutzhülse ein einseitiger Schild eingesetzt werden. Dann besteht nicht mehr die Gefahr, dass zufällig in das Abschirmelement eingedrungener Schmutz sich dort auf Dauer sammelt. Das Abschirmelement ist dann vorteilhaft als Abstreifer für Verschmutzungen auf dem Geber ausgebildet. Beispielsweise kann Öl direkt zurück in die Ölwanne abtropfen.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Geber mindestens eine Eichmarkierung auf, die die Intensität des von ihm reflektierten Lichts moduliert. Dabei kann diese Eichmarke vorteilhaft die Intensität des vom Geber reflektierten Lichts um mindestens einen Faktor 10 erhöhen oder erniedrigen. Unabhängig vom über die Selbstmischinterferenz gemessenen Weg kann der vom Geber zurückgelegte Weg auf diesem Wege ein zweites Mal gemessen werden. Mindestens kann ein Nullpunkt reproduzierbar bestimmt werden, und die über die Selbstmischinterferenz gemessenen Werte können plausibilisiert werden. Weiterhin ist es möglich, Punkte, an denen ein Schmutzpartikel oder eine sonstige Fehlstelle Messungen nicht erlaubt, unberücksichtigt zu lassen und/oder zu interpolieren. Dies ist möglich, da das Motorsystem relativ träge ist und sich Winkelgeschwindigkeiten „langsam“ ändern. Weiterhin lässt sich anhand der detektierten Fehlstellen während des Betriebes die Genauigkeit ausrechnen, mit der das Wegmesssystem gerade arbeitet. Das System kann eine Warnung ausgeben, falls die Genauigkeit einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Die Eichmarkierung kann beispielsweise mit einem Laserbeschriftungsgerät aufgebracht werden.
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Es ist sinnvoll, die Eichmarke als Kodierung auszubilden, zum Beispiel 3 oder 4 Eichmarken in einem definierten Abstand. Dadurch kann das System die „echten“ Eichmarken von scheinbaren Eichmarken, die zum Beispiel durch ein Schmutzpartikel entstehen können, unterscheiden. Die Kodierung stellt eine zusätzlich, redundante Information dar, die in der Informationstheorie verwendet wird, um Fehler zu korrigieren (Vorwärtsfehlerkorrektur).
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei Sensoren vorgesehen, die disjunkte Bereiche auf dem Geber beleuchten. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Wegmesssystems deutlich erhöht werden. Hat ein Sensor ein Fehlmessung oder ein anderes Problem, kann der zweite Sensor die Lücke füllen. Beide Sensoren können entweder dauernd parallel betrieben werden oder abwechselnd mit einer geeigneten Überlappzeit von zum Beispiel 5 s Überlapp, 500 s Überlapp. Da die Lichtquelle im Sensor häufig ein Laser ist, dessen Betriebsstundenzahl beschränkt ist, kann so die Gesamtlebensdauer des Lasersystems erhöht werden. Weiterhin können bei einem Betrieb des Wegmesssystems in Öl die durch Turbulenzen und Wärmegradienten im Öl bewirkten Verzerrungen, die von lokalen Dichteschwankungen des Öls herrühren, herausgemittelt werden.
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Es ist sinnvoll, für zwei Sensoren je mindestens eine Eichmarke an unterschiedlichen Winkelpositionen entlang des Gebers vorzusehen, zum Beispiel um 180° versetzt. Bei einer Messung entlang des Umfangs des Gebers hält man dann doppelt so oft einen Konsistenzabgleich.
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Beide Sensoren können auch arbeitsteilig an der Vorwärtsfehlerkorrektur mitwirken. Beispielsweise kann bei einem System mit zwei Sensoren und damit auch zwei Lasern der eine Laser primär die Oberfläche anhand der Selbstmischinterferenz abtasten (sehr hohe Auflösung: besser als ein Mikrometer), während der zweite Laser primär auf einer mit Eichmarken kodierten Spur anhand der Intensitätsunterschiede Informationen für die Fehlerkorrektur sammelt. Hierfür reicht eine Auflösung von wenigen mm. Dort, wo der zweite Laser zwischen den Eichmarken misst, kann er auch mit hoher Auflösung messen und die Gesamtgenauigkeit des Systems steigern.
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Die Eichmarkierungen können so ausgeführt werden, dass der Sensor (Laser) auch auf den Eichmarkierungen mit hoher Auflösung messen kann, aber anhand des Intensitätsunterschiedes erkennt, dass er sich auf einer Eichmarkierung befindet. Dadurch lässt sich die Gesamtgenauigkeit und Fehlerkorrektur weiter verbessern. Dies erreicht man zum Beispiel durch eine relativ flache Lasergravur im Markierungsbereich, im Gegensatz zu einer relativ tiefen Lasergravur, bei der praktisch kein Licht mehr zurückkommt.
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Anstatt mit hohem Kosten- und Zeitaufwand viele definierte Eichmarkierungen anzubringen, ist es vorteilhaft, den Geber mit einer relativ rauen Oberfläche auszustatten und diese Rauigkeit als Eichmarkierungen zu nutzen. Diese Rauigkeit kann beispielsweise durch grobe Schleifbearbeitung preiswert erzeugt werden. Es entsteht eine zufällige Kodierung, die das Wegmesssystem erlernen und nutzen kann. Auch Änderungen an der Oberfläche des Gebers, die sich mit der Zeit ergeben, können nachverfolgt und eingelernt werden. Wie „grob“ die Bearbeitung sein muss bzw. sein darf, lässt sich anhand der Randbedingungen abschätzen, dass
- – die Eichmarkierung Höhenunterschiede erzeugen muss, die tief und steil genug sind, um die Intensität des Lichtes merklich zu reduzieren, aber
- – die Eichmarkierung auch nicht so tief sein darf, das gar kein Licht mehr zurückkommt und keine Selbstmischinterferenz mehr stattfinden kann.
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Da die Selbstmischinterferenz auch mit sehr wenig rückreflektiertem Licht (bis 10–4 der Ursprungsintensität) arbeiten kann, gibt es ein breites Fenster, in dem die Rauigkeit der Oberfläche des Gebers liegen kann, um Eichmarkierungen zu erkennen und dennoch Selbstmischinterferenz betreiben zu können.
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Im Rahmen der Erfindung wurde auch ein Verfahren zum Betreiben eines Wegmesssystems entwickelt. Auch dieses Verfahren hat zum Ziel, die Empfindlichkeit des Wegmesssystems gegenüber Verschmutzungen deutlich zu vermindern. Das Verfahren bewirkt dies zum Einen bereits aus sich heraus. Zum Anderen wirkt es synergistisch mit dem erfindungsgemäßen Wegmesssystem zusammen. Besonders vorteilhaft wird daher ein erfindungsgemäßes Wegmesssystem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben. Es wird dann die von diesem Wegmesssystem nach dem zuvor Gesagten registrierte Lichtintensität registriert und weiter ausgewertet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mehrere Messwerte des Sensors zu einem Wert für die Position des Gebers verarbeitet, indem die Messwerte mit der jeweils vom Sensor registrierten Lichtintensität gewichtet werden. Insbesondere können Messwerte für die registrierte Lichtintensität mit dieser Lichtintensität selbst oder auch mit ihrem Verlauf gewichtet werden. Dieser Verlauf ist primär ein ortsabhängiger Verlauf, d.h. die Lichtintensität ändert sich abhängig von dem auf dem Geber beleuchteten Ort. Abhängig von der Geschwindigkeit, mit der der Geber sich bewegt, ändert sich hierdurch aber auch der zeitliche Verlauf der registrierten Lichtintensität. Für die Gewichtung kann wahlweise der ortsabhängige oder der zeitliche Verlauf herangezogen werden.
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Hierzu können beispielsweise Eichmarkierungen genutzt werden, die diese Lichtintensität gezielt modulieren. Die Eichmarkierungen können wahlweise so gestaltet sein, dass sie die Lichtintensität in besonderem Maße erhöhen oder aber abschwächen. Ist dann die registrierte Lichtintensität in dem Maße erhöht bzw. erniedrigt, wie dies auf Grund der Ausgestaltung der Eichmarkierungen am Ort einer solchen Eichmarkierung zu erwarten ist, wird der Messwert mit besonders hohem Gewicht dahingehend gewertet, dass gerade eine Eichmarkierung auf dem Geber beleuchtet wird. Eine solche Eichmarkierung kann insbesondere in einer Einbuchtung, beispielsweise einer Lücke, oder einer Hervorhebung, beispielsweise einem Zahn, an einem Geberrad bestehen.
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Die Gewichtung der Lichtintensität mit sich selbst kann alternativ oder in Kombination hierzu auch genutzt werden, um den Einfluss von Schmutzpartikeln und anderen Fehlstellen auf der Oberfläche des Gebers auf das Messergebnis zurückzudrängen. Derartige Fehlstellen machen sich in der Regel dadurch bemerkbar, dass sie das Reflexionsvermögen an diesem Ort an der Oberfläche des Gebers ändern. Beispielsweise kann ein Ort, an dem ein großer Schmutzpartikel fast keine Reflexion mehr zulässt, bei der Auswertung deutlich untergewichtet werden. Anhand der detektierten Fehlstellen während des Betriebes lässt sich außerdem ausrechnen, mit welcher Genauigkeit das Wegmesssystem gerade arbeitet. Sollte diese Genauigkeit eine vorher festgelegte Schwelle unterschreiten, kann eine Warnung ausgegeben werden. Anstelle mehrerer Messwerte eines einzigen Sensors können auch gleichzeitig aufgenommene Messwerte mehrerer Sensoren in der gleichen Weise weiter verarbeitet werden.
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Sollen gleichzeitig einerseits Eichmarken und andererseits Fehlstellen, wie etwa Schmutzpartikel, in die Gewichtung einbezogen werden, sind die Eichmarken vorteilhaft so ausgestaltet, dass ihr Einfluss auf die Lichtintensität sich deutlich von dem der Fehlstellen abhebt.
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In die Gewichtung kann nicht nur der Absolutwert der Lichtintensität einbezogen werden, sondern auch ihr ortsabhängiger oder zeitlicher Verlauf. Dies kann insbesondere genutzt werden, um Schmutzpartikel und andere Fehlstellen von Eichmarkierungen zu unterscheiden. Die Eichmarkierungen können hierzu beispielsweise so ausgestaltet werden, dass sie die Lichtintensität mit einer definierten Flankensteilheit ändern, die an Schmutzpartikeln und anderen Fehlstellen in der Regel nicht vorkommt.
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Es können auch andere Arten von Messwerten, die der Sensor als Maß für die Position des Gebers liefern kann, mit der Lichtintensität oder ihrem Verlauf gewichtet werden. Beispiele für solche Messwerte sind eine Phasenverschiebung oder ein Laufzeitunterschied zwischen dem auf den Geber einfallenden und dem von ihm reflektierten Licht, oder auch das Ergebnis einer Lasertriangulation.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung findet somit zur Positionsbestimmung des Geberrades in einer Auswerteeinheit eine Abstandsmessung der Eichmarkierung (etwa einer Einbuchtung oder Hervorhebung) mittels einer Laufzeitmessung des einfallenden und des reflektierten Lichts (elektromagnetische Wellen) oder bei Verwendung eines Lasers als Sendeeinheit mittels einer Lasertriangulation oder mittels einer Messung der Phasenverschiebung des reflektierten Laserstrahls gegenüber dem ausgesendeten Laserstrahl in dem Fachmann bekannter Weise statt. Die Sendeeinheit versendet die elektromagnetischen Wellen zu voneinander regelmäßig beabstandeten Zeiten, vorzugsweise in einem Pulsbetrieb. Bevorzugt wird dabei ein periodischer Pulsbetrieb der Sendeeinheit. Dabei kann die Sendeeinheit zur Versendung der elektromagnetischen Wellen von der Auswerteeinheit angesteuert werden, so dass die Sendezeiten für die elektromagnetischen Wellen in der Auswerteeinheit bekannt sind. Somit lassen sich die von der Empfangseinheit empfangenen elektromagnetischen Wellen, deren Empfangszeiten von der Empfangseinheit an die Auswerteeinheit mitgeteilt werden, von der Auswerteeinheit den jeweiligen Sendezeiten zuordnen. Auf diese Weise ermittelt die Auswerteeinheit beispielsweise die Laufzeit der von der Sendeeinheit emittierten und vom Geber reflektierten elektromagnetischen Wellen, die einer jeweiligen Sendezeit der Sendeeinheit zugeordnet sind. Treffen dabei die elektromagnetischen Wellen in eine Einbuchtung, so wird die entsprechende Laufzeit verlängert, und die Auswerteeinheit erkennt die Einbuchtung. Die Einbuchtung ist dabei so gewählt, dass sie von der Oberfläche des Gebers tiefer ins Innere des Gebers hineinragt als mögliche Unebenheiten an der Oberfläche des Gebers. Dabei ist die Tiefe der Einbuchtung vorbekannt. Im ersten Speicher der Auswertevorrichtung ist ein Schwellwert für die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen abgelegt, der mit der Tiefe der Einbuchtung korrespondiert und so gewählt ist, dass er nur dann von der ermittelten Laufzeit der elektromagnetischen Wellen übertroffen werden kann, wenn diese in der Einbuchtung reflektiert werden, nicht jedoch aufgrund von sonstigen Unebenheiten an der Oberfläche des Gebers. Die Auswerteeinheit vergleicht somit die jeweils ermittelte Laufzeit der elektromagnetischen Wellen für jeden Sendepuls mit dem im ersten Speicher abgelegten Schwellwert, um festzustellen, ob die Einbuchtung getroffen wurde.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens einem auf einer Eichmarkierung aufgenommener Messwert ein mindestens um einen Faktor 2, bevorzugt mindestens um einen Faktor 10, höheres Gewicht beigemessen wird als allen nicht auf einer Eichmarkierung aufgenommenen Messwerten im Mittel. Besonders vorteilhaft wird mindestens ein auf einer Eichmarkierung aufgenommener Messwert mindestens um einen Faktor 2, bevorzugt mindestens um einen Faktor 10, höher gewichtet als jeder nicht auf einer Eichmarkierung aufgenommene Messwert. Da die Eichmarkierung sich an einer bekannten Position befindet, ist ein auf ihr aufgenommener Messwert besonders vertrauenswürdig.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein definierter Abstand, in dem mehrere Eichmarken auf dem Geber zueinander angeordnet sind, zur Auswertung herangezogen, ob eine gemessene Modulation der Lichtintensität von einer Eichmarke herrührt. Die bekannte Information dieses definierten Abstands kann dann dazu genutzt werden, um Verschmutzungen und andere Störungen, die die Lichtintensität ähnlich stark modulieren, zu überstimmen.
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In der rauen Umgebung eines Automobils und insbesondere in dessen Motorraum wird der Geber in der Regel einer Abnutzung unterworfen sein. Das Verfahren kann sich diese Abnutzung zu Nutze machen. Dazu wird ein Ort auf dem Geber, dessen Reflexionsvermögen sich im Betrieb des Wegmesssystems geändert hat, in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als Eichmarkierung gewertet.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
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1 Haupteinfallsrichtung für Verschmutzung an der optischen Oberfläche eines Sensors;
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2 Abschirmung der Haupteinfallsrichtungen für Verschmutzung durch eine umlaufende Schutzhülse (a), durch einen einseitigen Schild (b) sowie durch die Kombination einer umlaufenden Schutzhülse mit einer speziellen räumlichen Orientierung des Sensors relativ zum Geber (c);
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3 Selbstreinigungsefffekt durch geeignete räumliche Orientierung des Sensors relativ zum Schwerefeld der Erde;
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4 Ausbildung des Abschirmelements als Abstreifer für Verschmutzungen.
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1 verdeutlicht die Haupteinfallsrichtung, in der in einem Wegmesssystem 1 Verschmutzungen von einem sich drehenden Geber 4 auf die optische Oberfläche 3 des Sensors 2 gelangen können. Aus der optischen Oberfläche 3 heraus wird ein Gebiet 4a auf dem Geber 4 mit einem Lichtstrahl 3a beleuchtet. Der reflektierte Lichtstrahl 3b fällt zurück in die optische Oberfläche 3 des Sensors 2 und wird ausgewertet. Das die Drehbewegung des Gebers 4 grundsätzlich eine beschleunigte Bewegung ist, wirken auf Verunreinigungen an der Oberfläche des Gebers 4 ständig Kräfte. Reißen dadurch Verschmutzungen von der Oberfläche ab, bewegen sie sich in Abwesenheit äußerer Kräfte in ihrer letzten Bewegungsrichtung beim Abreißen tangential weiter. Eine solche Tangente, entlang derer der Geber Schmutzteilchen emittiert, ist gestrichelt eingezeichnet und mit dem Zeichen 5 versehen. Diese Tangente 5 führt direkt auf die optische Oberfläche 3 des Sensors 2 zu. Gelingt es diese Haupteinfallsrichtung zu blockieren, bleibt der optischen Oberfläche 3 der größte Anteil der Verschmutzung erspart. Die Drehrichtung des Gebers 4, die der Betrachtung zu Grunde gelegt wurde, ist im Geber 4 mit einem Pfeil eingezeichnet.
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2a zeigt die Abschirmung der Haupteinfallsrichtung für Schmutzpartikel mit einer umlaufenden Schutzhülse 6. Die Drehrichtung des Gebers 4 ist wieder durch den Pfeil entgegen dem Uhrzeigersinn eingezeichnet. Bei dieser Drehrichtung gibt es in 2a eingezeichneten Zustand keine Tangente an den Geber 4 mehr, die zur optischen Oberfläche des Sensor 2 führt und nicht durch ein Abschirmelement 6 abgeschattet ist.
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2b verdeutlicht, dass bei dieser Drehrichtung ohne Verlust an Abschirmwirkung auf den oberen Teil der Abschirmhülse 6 verzichtet werden kann. Ein lediglich einseitiger Schild erzielt die gleiche Wirkung und lässt zugleich einen Zugang zum Sensor 2 und insbesondere seiner optischen Oberfläche 3 offen. Dann kann der Sensor leicht gereinigt oder ausgetauscht werden.
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2c verdeutlicht die Kombination einer umlaufenden Schutzhülse 6 mit einer vorteilhaften räumlichen Anordnung des Sensors 2 relativ zur Oberfläche des Gebers 4. Die Strecke 10 ist eine Normale sowohl auf der Oberfläche des Gebers 4 als auch auf der optischen Oberfläche 3 des Sensors 2. Das Licht 3a wird aus der optischen Oberfläche 3 heraus in einem schrägen Winkel auf die Oberfläche des Gebers 4 gestrahlt, so dass es auch in einem schrägen Winkel als Strahl 3b zurückreflektiert wird und Selbstmischinterferenz stattfinden kann. Die Abschirmwirkung der Schutzhülse 6 ist nun in beiden Drehrichtungen des Gebers 4 gleich gut. Der Abstand der Schutzhülse 6 zur Oberfläche des Gebers 4 ist in 2c stark überhöht eingezeichnet und in Wahrheit deutlich kleiner. Daher gibt es bei beiden Drehrichtungen des Gebers 4 keine Tangente mehr, die an der Schutzhülse 6 vorbei die optische Oberfläche 3 direkt erreichen könnte.
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Ein ähnlicher Effekt lässt sich ausgehend von dem in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel erzielen, indem beiderseits der optischen Oberfläche 3 zwei unterschiedlich lange einseitige Schilde vorgesehen werden. Die in beiden Drehrichtungen des Gebers 4 wirksame Abschirmwirkung der Schilde ist dann von dem Einstrahlwinkel des Strahls 3a auf den Geber 4 entkoppelt.
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3 verdeutlicht den Selbstreinigungseffekt, der durch geschickte Anordnung des Sensors 2 relativ zum Schwerefeld der Erde 9 erzielt werden kann. Die Normale 3c auf der optischen Oberfläche 3 des Sensors 2 ist gegenüber dem Schwerefeld der Erde 9, das senkrecht nach unten weist, um einen Winkel von mehr als 10 Grad geneigt. Sollte ein Schmutzteilchen auf die optische Oberfläche 3 des Sensors 2 treffen, befindet es sich an dieser Oberfläche an einem steilen Hang, an dem es keinen Halt findet. Insbesondere ein Öltröpfchen oder ein Ölfilm läuft die optische Oberfläche 3 entlang nach unten. Da die Schutzhülse 6 unmittelbar an die optische Oberfläche 3 angrenzt, bleibt die Verschmutzung auch nicht am Rand der optischen Oberfläche 3, sondern wird an der Innenwand der Schutzhülse 6 abgeführt. Diese Selbstreinigung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn, wie in einem Motor, der Sensor an einer unzugänglichen Stelle eingebaut ist.
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4 verdeutlich die Ausbildung des Abschirmelements 6 als Abstreifer für Verschmutzungen 8 auf der Oberfläche des Gebers 4. Insbesondere Öl kann direkt durch Gravitation nach unten in einen Ölsumpf zurückgeführt werden. Jenseits des Abstreifers 6 ist die Oberfläche des Gebers 4 fast ölfrei, so dass nicht nur ein Beschuss der optischen Oberfläche 3 des Sensors 2 mit Öltröpfchen vermieden wird, sondern auch die Ausbildung eines feinen Ölnebels, der den Lichtweg der Strahlen 3a und 3b beeinflussen könnte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012212908 A1 [0004]
