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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Verschiebungsmessungen, insbesondere einen Messkopf einer Sensorvorrichtung zur Messung der Verschiebung eines magnetisch-induktiven, zu messenden Gegenstandes.
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Stand der Technik
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Bei der industriellen Automatisierung ist die Messung der Position eines Objektes eine wichtige Aufgabe. Beispielsweise ist bei CNC-Maschinen, Bohreinsätzen, Roboterarmen und Laserschneidgeräten eine präzise Positionsmessung für die Rückopplungsreglung erforderlich. Es ist wünschenswert, mit einer hohen Tastrate (englisch: sampling rate) die Position zu messen und damit die Rückkopplungsreglung durchführen zu können.
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Beispielsweise wird ein optischer Codierer zur Messung einer absoluten oder relativen Position verwendet. Typischerweise wird ein Maßstab mit regelmäßig beabstandeten Markierungen zusammen mit einem Sensor eingesetzt, um die relaltive Position zwischen zwei Objekten zu messen. Die verbreiteten optischen Codierer werden nach der Funktion wesentlich in ein inkrementales Längenmessgerät, einen Relativ-Weggeber und einen Absolut-Weggeber aufgeteilt. Das inkrementale Längenmessgerät kann nur eine relative Position innerhalb der Markierungen auf dem Maßstab messen. Der Relativ-Weggeber verfolgt ununterbrochen die Anzahl der überquerten Markierungen, um die relative Position festzustellen. Der Absolut-Weggeber kann die absolute Position feststellen und ohne Speicher und Strom die letzte Position speichern, sodass er für bestimmte Anwendungen gut geeignet ist. Weiterhin kann der Absolut-Weggeber beim Starten eine absolute Position bereitstellen, und der Relativ-Weggeber muss typischerweise den Anfangspunkt positionieren, was für bestimmte Anwendungen möglicherweise nicht praktisch ist.
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Der herkömmliche Absolut-Weggeber benötigt für die Messung jeder Position ein spezielles Codiermuster. Bei einem solchen Absolut-Weggeber wird zwar ein Maßstab verwendet, jedoch wird eine Positionsänderung nur bei einer Musteränderung festgestellt. In diesem Fall ist die Auflösung der Positionsabschätzung auf die Auflösung des Musters eingeschränkt.
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Gleichfalls wird beim herkömmlichen Längenmessgerät eine Markierung auf dem Maßstab optisch erfasst, um eine lineare Position zu messen, wobei die Markierung parallel zum Lesekopf an einer vorgegebenen Stelle befestigt ist. Jedoch ist die Auflösung der ermittelten Position auf den Abstand der Markierungen auf dem Maßstab beschränkt. Beispielsweise werden Markierungen auf dem Maßstab möglicherweise mit einem Abstand von 40 Mikrometern gedruckt, sodass die Präzision bei diesen Markierungen im Bereich von unter 40 Mikrometern eingeschränkt ist und die Auflösung nicht höher als 40 Mikrometer sein kann.
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Um die Auflösung zu erhöhen, wurde vorgeschlagen zwei Maßstäbe einzusetzen, die in der Messrichtung miteinander fluchten und ein zyklisches Maßstabmuster, z.B. mit weißen und schwarzen Markierungen, aufweisen. Die Maßstäbe werden an einer Seite beleuchtet, und eine Photodiode erfasst Lichtstrahlen, die die beiden Maßstäbe durchdringen und an die andere Seite der Maßstäbe gelangen, wobei sich das Signal der Photodiode mit dem Verschieben der beiden Maßstäbe relativ zueinander zwischen einem maximalen Intensitätswert und einem minimalen Intensitätswert verändert. In einem Demodulationsprozess wird die Phase des Signals festgestellt, die in eine relative Position umgewandelt wird, die so mit einer Auflösung ermittelt werden kann, die höher als die Auflösung der Maßstäbe ist.
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Jedoch stellen solche herkömmliche Messgeber nur relative Positionen bereit. Um eine absolute Position feststellen zu können, werden zusätzliche Maßstäbe bei bestimmten Kombinationsmessgebern verwendet, was jedoch zu erhöhten Kosten und einer größeren Komplexität des Systems führt. Bei einem solchen Kombinationsmessgeber wird ein einzelner Maßstab eingesetzt, um eine inkrementale Position und eine absolute Position zu messen. Jedoch benötigt der Kombinationsmessgeber zwei Leseköpfe, wobei der erste Lesekopf zum Ablesen der inkrementalen Position und der zweite Lesekopf zum Ablesen der absoluten Position verwendet wird.
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An dem Aufbau und den Einschränkungen der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Messgebern ist zu erkennen, dass der Messgeber, auch wenn er ein magnetischer Messgeber ist, zusammen mit einem Maßstab verwendet werden muss. Bei den herkömmlichen Messgebern ist es nicht möglich, mit einem einzigen Messgeber ein einziges Messsignal zu erhalten und gleichzeitig eine relative Position und eine absolute Position auszugeben. Zudem reagieren die optischen oder magnetischen Messgeber empfindlich auf Sauberkeit und Umgebungstemperatur, von denen die Messgenauigkeit abhängt.
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Des Weiteren werden Hallsensoren häufig für das herkömmliche Verfahren zur Messung der Verschiebung eines Objektes durch Veränderung des Magnetfeldes eingesetzt, wie dies beispielsweise in der Druckschrift
CN 100376872 C (im Folgenden Druckschrift
C1 genannt) der Fall ist. Der Aufbau in
C1 zeichnet sich dadurch aus, dass an einem zu messenden Gegenstand ein Magnetelement angeordnet werden muss, wobei der Hallsensor durch das vom Magnetelement erzeugte Magnetfeld ausgelöst wird, wobei der Aufbau in der Druckschrift
C1 jedoch folgende Mängel aufweist:
- 1. bei einem zu messenden Gegenstand, an dem kein Magnetelement zusätzlich angebracht werden kann, ist die Lehre gemäß Druckschrift C1 nicht ausführbar,
- 2. das Magnetfeld des Magnetelements an dem zu messenden Gegenstand wird sehr leicht durch die eigene magnetisch-induktive Struktur der Einrichtung so beeinflusst, dass ein Erreichen eines magnetischen Flusses, der groß genug ist, um den Hallsensor auszulösen, nicht möglich ist, wobei es aus diesem Grunde nötig ist, im Vorgang der Anordnung den zu messenden Gegenstand lokal baulich so zu gestalten bzw. verbessern, dass ein ausreichender magnetischer Fluss des Magnetelements sichergestellt wird,
- 3. wenn der zu messende Gegenstand mit einem Magnetelement versehen ist und bei der Verarbeitung von Metallen eingesetzt wird, wird dieser Metallspäne magnetisch anziehen,
- 4. eine Verzerrung des Hallsensors entsteht leicht durch Störungen aus der Umgebung, z.B. bei einer Kompensation einer nicht-linearen Temperaturverschiebung, und
- 5. die Bandbreite eines Hallsensors ist begrenzt, sodass es zu einer Abweichung führen kann, wenn eine große Vorspannung beim Messen eines elektrischen Stroms mit kleiner Messspanne gefordert wird. So wird der Hallsensor leicht von einem äußeren Magnetfeld beeinflusst.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messkopf einer Sensorvorrichtung zu schaffen, dessen Aufbau eine Erfassung einer geringen Bewegung eines zu messenden Gegenstandes ermöglicht.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Messkopf einer Sensorvorrichtung zu schaffen, durch dessen Aufbau die beim herkömmlichen optischen oder magnetischen Messgeber vorhandenen baulichen Mängel beseitigt werden und die Einschränkungen bei der Bereitstellung von Messinformationen behoben werden.
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Technische Lösung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Messkopf einer Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Messkopf einer Sensorvorrichtung, der zur Messung der Verschiebung eines magnetisch-induktiven, zu messenden Gegenstandes dient. Der Messkopf umfasst ein Permanentmagnetelemet, dessen N-Pol und S-Pol beide im Wesentlichen parallel zu einer Messungsstirnseite des Messkopfes angeordnet sind, wobei am Ober- und Unterende der vom S-Pol bis zum N-Pol des Permanentmagnetelements verlaufenden Magnetfeldlinien jeweils ein oberes Magnetfeld und ein unteres Magnetfeld ausgebildet sind, wobei das obere Magnetfeld dadurch, dass der zu messende Gegenstand sich in unterschiedlichem Maße der Messungsstirnseite annähert, entsprechend magnetisch gezogen wird, wodurch die Verteilung der Magnetkraft des oberen Magnetfeldes verändert wird, wobei das untere Magnetfeld im Normalzustand stabil ist. Der Messkopf umfasst ferner eine Vielzahl von Magnetfeldmessungseinheiten, die mindestens eine erste und eine zweite Magnetfeldmessungseinheit umfassen, die jeweils dem oberen und unteren Magnetfeld entsprechend angeordnet sind, wobei durch die Veränderung des oberen und des unteren Magnetfeldes jeweils ein erstes und ein zweites magnetoelektrisches Signal ausgegeben werden. Einer nachgeschalteten Vorrichtung wird die Variation des ersten magnetoelektrischen Signals in Bezug auf das zweite magnetoelektrische Signal als Rückkopplung einer geringen Verschiebung des zu messenden Gegenstandes bereitgestellt.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messkopfes,
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines magnetoelektrischen Signals gemäß der Erfindung,
- 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Umwandlung des magnetoelektrischen Signals gemäß 2 und
- 4 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung anhand der detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele und die beigefügten Zeichnungen beschränkt.
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Wie in 1 bis 3 gezeigt ist, umfasst der erfindungsgemäße Messkopf 100 einer Sensorvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ein Permanentmagnetelement 10 und eine Vielzahl von Magnetfeldmessungseinheiten, wobei im ersten Ausführungsbeispiel zwei Magnetfeldmessungseinheiten, nämlich eine erste und eine zweite Magnetfeldmessungseinheit V1, V2, vorgesehen sind.
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Der N-Pol und der S-Pol des Permanentmagnetelements 10 sind im Wesentlichen parallel zu einer Messungsstirnseite 102 des Messkopfes 100 angeordnet. Ist die Messungsstirnseite 102 beispielsweise eine Ebene, so ist eine gedachte, gerade Verbindungslinie zwischen dem N-Pol und dem S-Pol des Permanentmagnetelementes 10 im Wesentlichen parallel zu der Messungsstirnseite 102 orientiert. Vorzugsweise ist der Verlauf der Magnetfeldlinien des oberen Magnetfeldes 12 bezüglich der Mitte der Messungsstirnseite 102 annähernd symmetrisch. Am Ober- und Unterende der vom S-Pol bis zum N-Pol des Permanentmagnetelements 10 verlaufenden Magnetfeldlinien sind jeweils ein oberes Magnetfeld 12 und ein unteres Magnetfeld 14 ausgebildet, wobei das obere Magnetfeld 12 die Messungsstirnseite 102 des Messkopfs 100 sowie das Außenumfeld der Messungsstirnseite 102 abdeckt und das untere Magnetfeld 14 das Unterende des Permanentmagnetelements 10 abdeckt.
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Bei der Anwendung des Messkopfes 100 wird das obere Magnetfeld 12 abhängig davon, wieweit ein zu messender Gegenstand P sich der Messungsstirnseite 102 annähert, entsprechend magnetisch gezogen, wodurch die Magnetkraft (darstellbar durch die Magnetfeldliniendichte) des oberen Magnetfeldes 12 entsprechend verändert wird. Zudem ist das untere Magnetfeld 14 im Normalzustand stabil und ändert sich nicht beliebig, wobei das untere Magnetfeld 14 durch eine bauliche Gestaltung des Messkopfs 100 eingezogen werden kann, um den Umfang des unteren Magnetfeldes 14 zu verkleinern und somit eine Stabilität des unteren Magnetfeldes 14 sicherzustellen.
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Die erste und zweite Magnetfeldmessungseinheit V1, V2 sind gleiche Bauteile und jeweils dem oberen und unteren Magnetfeld 12, 14 entsprechend und an das Ober- und Unterteil des N-Pols des Permanentmagnetelements 10 angrenzend angeordnet, sodass entsprechend der Änderung des oberen und unteren Magnetfeldes 12, 14 jeweils ein erstes und ein zweites magnetoelektrisches Signal MS1, MS2 ausgegeben werden. Insbesondere sind die erste und zweite Magnetfeldmessungseinheit V1, V2 Schaltkreise mit magnetoresistiven Elementen.
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Im Folgenden werden die besonderen Eigenschaften der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Zuerst misst die zweite Magnetfeldmessungseinheit V2 das untere Magnetfeld 14. Da das untere Magnetfeld 14 im Normalzustand stabil ist, wird das bei einer durch die zweite Magnetfeldmessungseinheit V2 erfassten Änderung des unteren Magnetfeldes 14 zweite magnetoelektrische Signal MS2 in einem sehr kleinen Änderungsbereich aufrechterhalten, wobei das stabile magnetoelektrische Signal MS2 als Bezugswert dienen kann.
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Des Weiteren misst die erste Magnetfeldmessungseinheit V1 das obere Magnetfeld 12. Dadurch, dass der zu messende Gegenstand P sich der Messungsstirnseite 102 des Messkopfes 100 in unterschiedlichem Maße annähert, wird das obere Magnetfeld entsprechend magnetisch gezogen, wodurch die Verteilung der Magnetkraft des oberen Magnetfeldes 12 verändert wird.
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Wenn sich der zu messende Gegenstand P beispielsweise der ersten Magnetfeldmessungseinheit V1 annähert, messen die erste und die zweite Magnetfeldmessungseinheit V1, V2 jeweils das obere und das untere Magnetfeld 12, 14 und geben somit jeweils ein erstes und ein zweites magnetoelektrisches Signal MS1, MS2 aus, wobei diese beiden magnetoelektrischen Signale MS1, MS2 gleich (z.B. MS1=MS2) sein oder in einem bestimmten mehrfachen Verhältnis stehen können. Nähert sich der zu messende Gegenstand P der Messungsstirnseite 102 an, wird das obere Magnetfeld 12 durch den zu messenden Gegenstand P so magnetisch gezogen, dass die Magnetkraft des oberen Magnetfeldes 12 verändert wird, wobei das von der ersten Magnetfeldmessungseinheit V1 ausgegebene erste magnetoelektrische Signal MS1 nun kleiner als das zweite magnetoelektrische Signal MS2 sein wird (i.e. MS1<MS2). Durch die Änderung des ersten magnetoelektrischen Signals MS1 in Bezug auf das zweite magnetoelektrische Signal MS2 wird einer nachgeschalteten Vorrichtung eine Rückkopplung als die Verschiebung des zu messenden Gegenstandes P bereitgestellt.
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Im Ausführungsbeispiel aus 2 und 3 steht die x-Koordinate für die Größe des Werts M eines magnetoelektrischen Signals (je größer die Zahl ist, desto stärker ist der Wert M des magnetoelektrischen Signals) und die y-Koordinate für die Entfernung des zu messenden Gegenstandes P von der Messungsstirnseite 102 des Messkopfes 100 mit Verschiebungsweg S (je größer die Zahl ist, desto größer ist die Entfernung). Da die Größe des ersten magnetoelektrischen Signals MS1 und die Entfernung des zu messenden Gegenstandes P zur Messungsstirnseite 102 des Messkopfes 100 in einem umgekehrten Verhältnis stehen, wird das erste magnetoelektrische Signal MS1 mit einer tendenziell abwärts verlaufenden, ununterbrochenen Kurve dargestellt.
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Sobald die ununterbrochene Kurve des ersten magnetoelektrischen Signals MS1 ermittelt worden ist, kann ein bestimmter Abschnitt der Kurve abgeschnitten werden, um die dem zu messenden Gegenstand P mit dem Verschiebungsweg S entsprechende absolute Position des Messkopfes 100 oder die relative Position des zu messenden Gegenstandes P in Bezug auf den Messkopf 100 zu definieren bzw. zu codieren. Da alle Punkte des zu messenden Gegenstandes P mit einem Verschiebungsweg S definierbar bzw. codierbar sind, muss der zu messende Gegenstand P bei einer wiederhergestellten Stromversorgung nach einer Unterbrechung der Stromversorgung nicht zum ursprünglichen Punkt zurückkehren. Dabei kann die nachgeschaltete Vorrichtung durch den Messkopf 100 eine bebiebige Position des zu messenden Gegenstandes P mit einem Verschiebungsweg S feststellen.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist es möglich, dass die erste und zweite Magnetfeldmessungseinheit V1, V2 des Messkopfes 100 weiterhin an eine Wellenformverarbeitungseinheit 30 und eine Einheit zur linearen Optimierung 40 elektrisch angeschlossen werden. Durch die Wellenformverarbeitungseinheit 30 werden Störsignale des empfangenen ersten und zweiten magnetoelektrischen Signals MS1, MS2 entfernt, und das erste und zweite magnetoelektrische Signal MS1, MS2 außerhalb des Abtastintervalls werden entfernt, um Störungen aufgrund von Störsignalen und eine Unrichtigkeit der nachfolgenden Umwandlung der magnetoelektrischen Signale MS1, MS2 durch virtuelle Arbeitsschritte, wie beispielsweise Berechnungen, Signalumformungen etc., zu vermeiden. Des Weiteren wird die Variation des ersten und zweiten magnetoelektrischen Signals MS1, MS2 durch Berechnen mittels der Einheit zur linearen Optimierung 40 zu einer linearen Änderung, die der nachgeschalteten Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden kann, optimiert. Insbesondere ist es möglich, die Wellenformverarbeitungseinheit 30 und die Einheit zur linearen Optimierung 40 in den Messkopf 100 zu integrieren oder extern an den Messkopf 100 anzuschließen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die Offenbarung der vorliegenden Erfindung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Messkopf
- 102
- Messungsstirnseite
- 10
- Permanentmagnetelement
- 12
- oberes Magnetfeld
- 14
- unteres Magnetfeld
- V1
- erste Magnetfeldmessungseinheit
- V2
- zweite Magnetfeldmessungseinheit
- 30
- Wellenformverarbeitungseinheit
- 40
- Einheit zur linearen Optimierung
- MS1
- erstes magnetoelektrisches Signal
- MS2
- zweites magnetoelektrisches Signal
- P
- zu messender Gegenstand
- M
- Wert eines magnetoelektrischen Signals
- S
- Verschiebungsweg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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