DE102020128013B4 - Coil arrangement for a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device - Google Patents
Coil arrangement for a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device Download PDFInfo
- Publication number
- DE102020128013B4 DE102020128013B4 DE102020128013.0A DE102020128013A DE102020128013B4 DE 102020128013 B4 DE102020128013 B4 DE 102020128013B4 DE 102020128013 A DE102020128013 A DE 102020128013A DE 102020128013 B4 DE102020128013 B4 DE 102020128013B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- coil
- receiving
- sensor device
- excitation coil
- along
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 122
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 100
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000004323 axial length Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
- G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
- G01D5/2053—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable non-ferromagnetic conductive element
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
- G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
- G01D5/2046—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable ferromagnetic element, e.g. a core
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Spulenanordnung (10) für eine Sensorvorrichtung (40) zum Ermitteln einer Position (P) eines Objekts (O) entlang einer sensitiven Achse (S) der Sensorvorrichtung (40), wobei die Spulenanordnung (10) aufweist:
- eine flache Anregungsspule (12) und
- eine Mehrzahl von Empfangsspulen (14), wobei Windungen (18) der Mehrzahl von Empfangsspulen (14) um Windungen (16) der Anregungsspule (12) herum, im Wesentlichen senkrecht zur den Windungen (16) der Anregungsspule (12) und symmetrisch bezüglich einer Mittellinie (M) der Anregungsspule (12) angeordnet sind, die entlang der sensitiven Achse (S) der Sensorvorrichtung (10) verläuft, wobei eine erste Empfangsspule (14) der Mehrzahl von Empfangsspulen (14) um eine zweite Empfangsspule (14) der Mehrzahl von Empfangsspulen (14) herum angeordnet ist, wobei ein Abschnitt (34) der ersten Empfangsspule (14) mit einer ersten Windungsdichte einen Abschnitt (36) der zweiten Empfangsspule (14) mit einer zweiten, unterschiedlichen Windungsdichte bedeckt.
Coil arrangement (10) for a sensor device (40) for determining a position (P) of an object (O) along a sensitive axis (S) of the sensor device (40), the coil arrangement (10) comprising:
- a flat excitation coil (12) and
- a plurality of receiving coils (14), wherein turns (18) of the plurality of receiving coils (14) are arranged around turns (16) of the excitation coil (12), substantially perpendicular to the turns (16) of the excitation coil (12) and symmetrical with respect to a center line (M) of the excitation coil (12) which runs along the sensitive axis (S) of the sensor device (10), wherein a first receiving coil (14) of the plurality of receiving coils (14) is arranged around a second receiving coil (14) of the plurality of receiving coils (14), wherein a portion (34) of the first receiving coil (14) with a first winding density covers a portion (36) of the second receiving coil (14) with a second, different winding density.
Description
Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung für eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines Objekts entlang einer sensitiven Achse der Sensorvorrichtung, eine solche Sensorvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Sensorvorrichtung.The invention relates to a coil arrangement for a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device, such a sensor device and a method for operating the sensor device.
Stand der TechnikState of the art
Aus der Praxis ist es bekannt, dass bei induktiven Positionssensoren ein magnetisches Wechselfeld einer Anregungsspule derart auf ein elektrisch leitfähiges und/oder magnetisierbares Objekt wirkt, das in dem Objekt elektrische Wirbelströme und eine wechselnde magnetische Polarisierung erzeugt werden, die ein zeitlich sich veränderndes Magnetfeld des Objekts erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt wiederum auf eine oder mehrere Empfangsspulen des Positionssensors und induziert in diesen eine Spannung. Aus der bzw. den induzierten Spannung kann die Position des Objekts relativ zur Sensorvorrichtung bestimmt werden.It is known from practice that in inductive position sensors, an alternating magnetic field of an excitation coil acts on an electrically conductive and/or magnetizable object in such a way that electrical eddy currents and an alternating magnetic polarization are generated in the object, which generate a temporally changing magnetic field of the object. This magnetic field in turn acts on one or more receiving coils of the position sensor and induces a voltage in them. The position of the object relative to the sensor device can be determined from the induced voltage(s).
Die induktive Positionssensorvorrichtung mit der Produktbezeichnung BIP ED2-B133-03-S75 der Balluff GmbH, Neuhausen a.d.F, ist als serieller Sensor mit einem in Leiterplatten-Technologie gefertigten planaren Spulensystem ausgebildet. Das Spulensystem weist eine Anregungsspule und mehrere strukturierte planare Empfangsspulen auf. Um die Objektposition bezüglich der Sensorvorrichtung zu bestimmen, wird die auf die Spulenebene wirkende senkrechte Komponente des Magnetfelds des Objekts ausgenutzt. Die Amplitude und die Phase der induzierten Spannung in jeder der Empfangsspulen ist dabei von der Objektposition abhängig. Der Messbereich reicht bis etwa 130 Millimeter (mm).The inductive position sensor device with the product name BIP ED2-B133-03-S75 from Balluff GmbH, Neuhausen a.d.F, is designed as a serial sensor with a planar coil system manufactured using circuit board technology. The coil system has an excitation coil and several structured planar receiving coils. In order to determine the object position with respect to the sensor device, the vertical component of the object's magnetic field acting on the coil plane is used. The amplitude and phase of the induced voltage in each of the receiving coils depends on the object position. The measuring range extends to around 130 millimeters (mm).
Positionssensorvorrichtungen vom Typ z. B. der Produktbezeichnung BIP CD2-B014-01-EP02 und BIP LD2-T040-02-S4 der Balluff GmbH, Neuhausen a.d.F., sind mit Spulen realisiert, die in einer Reihe auf einen Ferritkern gewickelt sind. Jede Spule ist nacheinanderfolgend mit einem gleichen Kondensator kontaktiert, um entsprechende LC-Schwingkreis zu bilden. Jeder Schwingkreis wird durch eine gemeinsame Oszillatorschaltung in Schwingung gebracht, und aus erfassten Schwingungsamplituden wird eine relative Objektposition bestimmt. Ein Messbereich beträgt etwa 14 bis 40 mm und ist abhängig vom Sensortyp.Position sensor devices of the type BIP CD2-B014-01-EP02 and BIP LD2-T040-02-S4 from Balluff GmbH, Neuhausen a.d.F., for example, are made with coils wound in a row on a ferrite core. Each coil is successively contacted with an identical capacitor to form a corresponding LC oscillating circuit. Each oscillating circuit is set into oscillation by a common oscillator circuit, and a relative object position is determined from the recorded oscillation amplitudes. A measuring range is approximately 14 to 40 mm and depends on the sensor type.
Die auf die oben beschriebenen Technologien basierenden Positionssensorvorrichtungen weisen an beiden Endbereichen entlang der Empfangsspulen gesehen eine Blindzone auf, was zu einem begrenzten Messbereich-zu-Sensorgröße-Verhältnis führt. Eine Miniaturisierung solcher Arten von Sensorvorrichtungen ist deshalb schwer realisierbar.The position sensor devices based on the technologies described above have a blind zone at both end regions along the receiving coils, which leads to a limited measuring range to sensor size ratio. Miniaturization of such types of sensor devices is therefore difficult to achieve.
Ferner kann es schwierig sein, solche Arten von Sensorvorrichtungen bündig in eine Umgebung einzubauen, da bei dem Einbau der Sensorvorrichtung in die Umgebung eine metallfreie Zone um die Sensorvorrichtung herum bereitgestellt werden muss.Furthermore, it can be difficult to install such types of sensor devices flush into an environment because installing the sensor device into the environment requires providing a metal-free zone around the sensor device.
Es besteht folglich ein Bedürfnis nach einem neuen Konzept und einer neuen Betriebsweise einer Sensorvorrichtung, die eine kleine Größe und gleichzeitig einen großen Messbereich, beispielsweise eine Größe von etwa 15 mm Länge und etwa 10 mm Breite bei einem Messbereich von etwa 10 mm, aufweist.There is therefore a need for a new concept and a new mode of operation of a sensor device which has a small size and at the same time a large measuring range, for example a size of about 15 mm in length and about 10 mm in width with a measuring range of about 10 mm.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kleine Sensorvorrichtung bei gleichzeitig großem Messbereich, beispielsweise eine Größe von etwa 15 mm Länge und etwa 10 mm Breite bei einem Messbereich von etwa 10 mm, bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide a small sensor device with a large measuring range, for example a size of about 15 mm in length and about 10 mm in width with a measuring range of about 10 mm.
Die Erfindung ist durch eine Spulenanordnung gemäß Anspruch 1, eine Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 12 und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 16 definiert. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.The invention is defined by a coil arrangement according to
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Spulenanordnung für eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines Objekts entlang einer sensitiven Achse der Sensorvorrichtung vorgesehen, wobei die Spulenanordnung eine flache Anregungsspule und zumindest eine Empfangsspule aufweist, deren Windungen um Windungen der Anregungsspule herum, im Wesentlichen senkrecht zu den Windungen der Anregungsspule und symmetrisch bezüglich einer Mittellinie der Anregungsspule angeordnet sind, die entlang der sensitiven Achse der Sensorvorrichtung verläuft, wobei die Spulenanordnung eine Mehrzahl von Empfangsspulen aufweist, wobei Windungen der Mehrzahl von Empfangsspulen um die Windungen der Anregungsspule herum, im Wesentlichen senkrecht zur den Windungen der Anregungsspule und symmetrisch bezüglich der Mittellinie der Anregungsspule angeordnet sind, wobei eine erste Empfangsspule der Mehrzahl von Empfangsspulen um eine zweite Empfangsspule der Mehrzahl von Empfangsspulen herum angeordnet ist, wobei ein Abschnitt der ersten Empfangsspule mit einer ersten Windungsdichte einen Abschnitt der zweiten Empfangsspule mit einer zweiten, unterschiedlichen Windungsdichte bedeckt.According to a first aspect, a coil arrangement is provided for a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device, wherein the coil arrangement has a flat excitation coil and at least one receiving coil, the windings of which are arranged around windings of the excitation coil, substantially perpendicular to the windings of the excitation coil and symmetrically with respect to a center line of the excitation coil that runs along the sensitive axis of the sensor device, wherein the coil arrangement has a plurality of receiving coils, wherein windings of the plurality of receiving coils are arranged around the windings of the excitation coil, substantially perpendicular to the windings of the excitation coil and symmetrically with respect to the center line of the excitation coil, wherein a first receiving coil of the plurality of receiving coils is arranged around a second receiving coil of the plurality of receiving coils, wherein a portion of the first receiving coil with a first winding density covers a portion of the second receiving coil with a second, different winding density.
Die Spulenanordnung kann also eine Spulenebene aufweisen, die durch die flache Anregungsspule definiert sein kann. Die Mittellinie der Anregungsspule kann in der Spulenebene verlaufen und sich entlang der sensitiven Achse erstrecken. Die zumindest eine Empfangsspule kann die Anregungsspule umgeben, da die Windungen der zumindest einen Empfangsspule um die Windungen der Anregungsspule herum angeordnet sein können. Dabei können die Windungen der zumindest einen Empfangsspule um die Windungen der Anregungsspule herum angeordnet sein und sich mechanisch auf diesen abstützen. Alternativ können beide Spulen voneinander (beispielswiese geringfügig) beabstandet angeordnet sein, so dass die Anregungsspule die zumindest eine Empfangsspule mechanisch nicht trägt, sondern lediglich eine Lage eines Spulenkörpers der zumindest einen Empfangsspule bezüglich der Anregungsspule vorgeben kann. Ferner können die Windungen der zumindest einen Empfangsspule im Wesentlichen senkrecht zu den Windungen der Anregungsspule und damit im Wesentlichen senkrecht zur Mittellinie der Anregungsspule verlaufen. Die zumindest eine Empfangsspule kann symmetrisch um die Mittellinie der Anregungsspule herum angeordnet sein, so dass die Windungen der zumindest einen Empfangsspule in Draufsicht auf die zumindest eine Empfangsspule gesehen in der Spulenebene beidseitig der Mittellinie sich gleich weit von der Mittellinie aus erstrecken bzw. maximal entfernt sein können.The coil arrangement can therefore have a coil plane that can be defined by the flat excitation coil. The center line of the excitation coil can run in the coil plane and extend along the sensitive axis. The at least one receiving coil can surround the excitation coil, since the turns of the at least one receiving coil can be arranged around the turns of the excitation coil. The turns of the at least one receiving coil can be arranged around the turns of the excitation coil and can be mechanically supported on them. Alternatively, both coils can be arranged at a distance from one another (for example slightly), so that the excitation coil does not mechanically support the at least one receiving coil, but only one layer of a coil body of the at least one receiving coil. capture coil with respect to the excitation coil. Furthermore, the turns of the at least one receiving coil can run essentially perpendicular to the turns of the excitation coil and thus essentially perpendicular to the center line of the excitation coil. The at least one receiving coil can be arranged symmetrically around the center line of the excitation coil, so that the turns of the at least one receiving coil, viewed in plan view of the at least one receiving coil, can extend the same distance from the center line in the coil plane on both sides of the center line or can be at a maximum distance.
In einem Betrieb der Sensorvorrichtung kann die Spulenanordnung in der Nähe eines elektrisch leitfähigen und/oder magnetisierbaren Objekts derart angeordnet sein, dass die Mittellinie der Anregungsspule und damit die sensitive Achse parallel mit der angenommenen Bewegungslinie des Objekts ausgerichtet sein kann. Die Anregungsspule kann mit Wechselstrom, mit einem oszillierenden Strom (beispielsweise einem sinusförmigen Strom), Strompulsen oder einem Strom mit einem anderen zeitlichen Verlauf angeregt werden. Aufgrund dieser Anregung der Anregungsspule kann die Anregungsspule ein Magnetfeld ausbilden, das wiederum Wirbelströme und/oder eine magnetische Polarisation in dem Objekt induzieren kann. Das Objekt kann folglich ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld ausbilden, das auch in die Richtung der Mittellinie der Anregungsspule und damit der sensitiven Achse eine nichtverschwindende Komponente aufweisen kann. Da die Windungen der zumindest einen Empfangsspule im Wesentlichen senkrecht zu dieser Richtung angeordnet sein können, kann die in der Empfangsspule induzierbare Spannung gemäß der Längskomponente der Objektfeldlinien in der Empfangsspule auftreten.When the sensor device is in operation, the coil arrangement can be arranged in the vicinity of an electrically conductive and/or magnetizable object such that the center line of the excitation coil and thus the sensitive axis can be aligned parallel to the assumed line of movement of the object. The excitation coil can be excited with alternating current, with an oscillating current (for example a sinusoidal current), current pulses or a current with a different temporal profile. Due to this excitation of the excitation coil, the excitation coil can form a magnetic field, which in turn can induce eddy currents and/or magnetic polarization in the object. The object can therefore form a temporally changing magnetic field, which can also have a non-vanishing component in the direction of the center line of the excitation coil and thus the sensitive axis. Since the turns of the at least one receiving coil can be arranged substantially perpendicular to this direction, the voltage that can be induced in the receiving coil can occur in the receiving coil according to the longitudinal component of the object field lines.
Vorzugsweise kann die Anregungsspule im Betrieb mit einem harmonisch oszillierenden sinusförmigen Strom angeregt werden. Das Magnetfeld, das um das Objekt induziert werden kann, kann ähnlich einem magnetischen Dipol sein, der mit der gleichen Frequenz harmonisch oszillieren und eine Phase haben kann, die hauptsächlich durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Objekts bestimmt sein können. Bewegt sich das Objekt für den Fall genaue einer Empfangsspule in einem im Wesentlich konstantem Abstand von der Spulenebene bzw. von einer Stirnfläche eines die Spulenanordnung aufnehmenden Gehäuses der Sensorvorrichtung, die zum Objekt weist, in einen Überdeckungsbereich der Empfangsspule hinein, kann die sinusförmige Amplitude der induzierten Spannung in dieser Empfangsspule zuerst ans teigen und dann, wenn sich das Objekt zu einem Mittelpunkt der Empfangsspule hin bewegt, auf null abfallen. Bei einer Weiterbewegung des Objekts über einen Mittelpunkt der Empfangsspule hinaus kann die Amplitude der Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen oder entgegengesetzter Phase erneut ansteigen. Wenn sich das Objekt weiter weg von der Empfangsspule bewegt, kann die induzierte Spannung wieder abfallen. Durch eine Auswertung der induzierten Spannung zwischen den beiden Extremwerten ihrer Amplitude kann die Position des Objekts relativ zur Spulenanordnung und somit zur Sensorvorrichtung, die die Spulenanordnung aufweisen kann, bestimmt werden. Im Falle, dass eine Länge des die Empfangsspule umfassenden Teilbereichs der Anregungsspule im Verhältnis mit einem Abstand zwischen der beiden Extremwerten relativ klein sein, nennt man den zuvor beschriebene antisymmetrischen Verlauf der vorzeichenbehafteten Amplitude die „Einzelkennlinie“ der schmalen Empfangsspule. Sind mehr als eine Empfangsspule vorhanden, muss der Abstand zwischen dem Objekt und der Stirnfläche der Sensorvorrichtung entlang der Bewegungslinie des Objekts nicht notwendigerweise konstant sein, sondern der Abstand kann variieren.Preferably, the excitation coil can be excited during operation with a harmonically oscillating sinusoidal current. The magnetic field that can be induced around the object can be similar to a magnetic dipole, which can oscillate harmonically at the same frequency and have a phase that can be determined primarily by the electrical and magnetic properties of the object. If the object moves into an overlap region of the receiving coil in the case of a receiving coil at a substantially constant distance from the coil plane or from an end face of a housing of the sensor device that accommodates the coil arrangement and faces the object, the sinusoidal amplitude of the induced voltage in this receiving coil can first increase and then, as the object moves toward a center point of the receiving coil, drop to zero. If the object moves further beyond a center point of the receiving coil, the amplitude of the voltage can increase again with the opposite sign or opposite phase. If the object moves further away from the receiving coil, the induced voltage can drop again. By evaluating the induced voltage between the two extreme values of its amplitude, the position of the object relative to the coil arrangement and thus to the sensor device that the coil arrangement can have can be determined. If a length of the partial area of the excitation coil that includes the receiving coil is relatively small in relation to a distance between the two extreme values, the previously described antisymmetrical course of the signed amplitude is called the "single characteristic curve" of the narrow receiving coil. If more than one receiving coil is present, the distance between the object and the front face of the sensor device along the line of movement of the object does not necessarily have to be constant; the distance can vary.
Eine axiale oder longitudinale Position des Objekts entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen bezüglich der Sensorvorrichtung kann mittels einer Sensorelektronik der Sensorvorrichtung bestimmt werden, indem beispielsweise Techniken gemäß
Durch die simultane kontinuierliche Demodulation der in der Empfangsspule induzierten Spannung bzw. den in der Empfangsspulen induzierten Spannungen kann die Sensorvorrichtung eine geringe Ansprechzeit aufweisen, die auch zur Ermittlung einer Position eines rotierenden Objekts (beispielsweise einer Spindel) mit einer Rotationsgeschwindigkeit von beispielsweise über 40 000 Umdrehungen pro Minute (beispielsweise einer rotierende rotierenden Spindel) geeignet sein kann.Due to the simultaneous continuous demodulation of the voltage(s) induced in the receiving coil, the sensor device can have a short response time, which can also be suitable for determining a position of a rotating object (e.g. a spindle) with a rotation speed of, for example, more than 40,000 revolutions per minute (e.g. a rotating spindle).
Ferner kann die Sensorvorrichtung, die insbesondere eine Abschirmung aufweisen kann, in eine metallische Umgebung, beispielsweise eine Maschinenwand, mit einer geringen oder keiner metallfreien Zone bündig einbaubar sein, während die Sensorvorrichtung besonders klein ausgebildet sein kann.Furthermore, the sensor device, which can in particular have a shield, can be installed flush in a metallic environment, for example a machine wall, with little or no metal-free zone, while the sensor device can be designed to be particularly small.
Die Spulenanordnung mit einer Anregungsspule und einer oder mehreren Empfangsspulen kann auch in geringer Größe und günstigen Messbereich-zu-Sensorgröße-Verhältnis realisierbar sein. Insbesondere kann es möglich sein, eine Sensorvorrichtung mit einer Größe von etwa 15 mm Länge und etwa 10 mm Breite bei einem Messbereich von etwa 10 mm zu realisieren.The coil arrangement with an excitation coil and one or more receiving coils can also be implemented in a small size and with a favorable measuring range to sensor size ratio. In particular, it may be possible to implement a sensor device with a size of approximately 15 mm in length and approximately 10 mm in width with a measuring range of approximately 10 mm.
In einer Ausführungsform kann die Anregungsspule einen länglichen Querschnitt, insbesondere einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, aufweisen und die Mittellinie kann entlang einer Längserstreckung der Anregungsspule verlaufen. Mit anderen Worten können die Windungen der Anregungsspule entlang ihrer Längserstreckung verlaufen. Dabei kann die Bewegungslinie, entlang der sich das Objekt bewegen kann, entlang der Längsrichtung und parallel zur Mittellinie der Anregungsspule verlaufen.In one embodiment, the excitation coil can have an elongated cross-section, in particular a substantially rectangular cross-section, and the center line can run along a longitudinal extension of the excitation coil. In other words, the windings of the excitation coil can run along their longitudinal extension. The line of movement along which the object can move can run along the longitudinal direction and parallel to the center line of the excitation coil.
In einer Ausführungsform kann die Anregungsspule entlang ihrer Längserstreckung gesehen (insbesondere halbkreisförmig oder mit einer anderen monotonen Krümmungscharakteristik) gebogen oder gekrümmt ausgebildet sein. Die Bewegungslinie bzw. der Trajektorie des Objekts kann dann ebenfalls gebogen sein, um der gebogenen Mittellinie der Anregungsspule zu folgen. In einer solchen Ausführungsform kann beispielsweise ein Winkelversatz eines drehbaren Objekts erfassbar sein. In one embodiment, the excitation coil can be bent or curved along its longitudinal extension (in particular semicircular or with another monotonic curvature characteristic). The line of movement or the trajectory of the object can then also be bent in order to follow the curved center line of the excitation coil. In such an embodiment, for example, an angular offset of a rotatable object can be detected.
Folglich kann die Spulenanordnung gemäß den beiden zuvor genannten Ausführungsformen und somit die Sensorvorrichtung für eine Vielzahl von unterschiedlichen Objektanordnungen verwendbar sein.Consequently, the coil arrangement according to the two aforementioned embodiments and thus the sensor device can be used for a variety of different object arrangements.
In einer Ausführungsform kann eine Windungsdichte der zumindest einen Empfangsspule entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen in zumindest einem Teilbereich der zumindest einen Empfangsspule oder in der gesamten zumindest einen Empfangsspule konstant sein. Dadurch kann die Spulenanordnung konstruktiv sehr einfach ausgebildet sein. Die Länge des Teilbereichs bzw. die Länge der Empfangsspule sollte dabei entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen insbesondere kleiner als Abstand beider Extremwerte der Einzelkennlinie der Empfangsspule sein, so dass eine exakte Positionsbestimmung ermöglicht sein kann.In one embodiment, a winding density of the at least one receiving coil can be constant in at least a partial area of the at least one receiving coil or in the entire at least one receiving coil, as seen along the center line of the excitation coil. This allows the coil arrangement to be structurally very simple. The length of the partial area or the length of the receiving coil, as seen along the center line of the excitation coil, should in particular be smaller than the distance between the two extreme values of the individual characteristic curve of the receiving coil, so that an exact position determination can be made possible.
In einer Ausführungsform kann die Windungsdichte der zumindest einen Empfangsspule entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen variieren bzw. sich ändern. Die Variation der Windungsdichte entlang der Mittellinie kann beispielsweise einer periodischen ortsabhängigen Funktion (z.B. einer binären Funktion) folgen.In one embodiment, the winding density of the at least one receiving coil can vary or change along the center line of the excitation coil. The variation of the winding density along the center line can, for example, follow a periodic location-dependent function (e.g. a binary function).
In einer Ausführungsform kann die Windungsdichte der zumindest einen Empfangsspule entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen zwischen einer ersten Windungsdichte, insbesondere einer hohen Windungsdichte, und einer zweiten, unterschiedlichen Windungsdichte, insbesondere einer niedrigen Windungsdichte, abwechseln.In one embodiment, the winding density of the at least one receiving coil, viewed along the center line of the excitation coil, can alternate between a first winding density, in particular a high winding density, and a second, different winding density, in particular a low winding density.
In einer Ausführungsform kann eine Windungsrichtung der zumindest einen Empfangsspule entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen in zumindest einem Teilbereich der zumindest einen Empfangsspule oder in der gesamten zumindest einen Empfangsspule gleich sein. Dadurch kann die Spulenanordnung konstruktiv sehr einfach ausgebildet sein,In one embodiment, a winding direction of the at least one receiving coil, seen along the center line of the excitation coil, can be the same in at least a partial area of the at least one receiving coil or in the entire at least one receiving coil. As a result, the coil arrangement can be designed to be very simple in terms of construction,
In einer Ausführungsform kann die Windungsrichtung der zumindest einen Empfangsspule entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen variieren bzw. sich ändern. Mit anderen Worten kann die Windungsrichtung entlang der Mittellinie in unterschiedlichen Teilbereichen der Empfangsspule bzw. Spulenbereichen gegensinnig sein, Die in einer solchen Empfangsspule induzierte Spannung kann als eine Summe der räumlich versetzten Einzelkennlinien der Spulenteilen, je mit Vorzeichen nach Wicklungsrichtung, verstanden werden. Dadurch kann die induzierte Spannung eine weitere Charakteristik aufweisen, die zur Positionsbestimmung verwendet werden kann.In one embodiment, the winding direction of the at least one receiving coil can vary or change along the center line of the excitation coil. In other words, the winding direction along the center line can be opposite in different sub-areas of the receiving coil or coil areas. The voltage induced in such a receiving coil can be understood as a sum of the spatially offset individual characteristics of the coil parts, each with a sign according to the winding direction. The induced voltage can therefore have a further characteristic that can be used to determine the position.
Die Empfangsspule kann beispielsweise periodisch abwechselnde Teilbereiche mit Windungen und Teilbereiche ohne Windungen aufweisen. Es ist auch möglich, dass die Wicklungsrichtung in den nacheinander folgenden gewickelten Teilbereichen (oder Spulenteilen) gegensinnig sein kann. Die Kennlinie einer solchen Empfangsspule, d.h. die Objektpositionsabhängigkeit oder in anderen Worten die Ortsabhängigkeit der vorzeichenrichtig demodulierten, in der Empfangsspule induzierten Spannung kann dann eine Summe der räumlich versetzten Einzelkennlinien der Spulenteilen, je mit Vorzeichen nach Wicklungsrichtung, sein. Beispielsweise kann eine Empfangsspule mit periodisch angeordneten im Wesentlichen identischen Spulenteilen (bis aus die Spulenenden) eine im Wesentlichen periodische Kennlinie aufweisen.The receiving coil can, for example, have periodically alternating sub-areas with turns and sub-areas without turns. It is also possible that the winding direction in the successive wound sub-areas (or coil parts) can be opposite. The characteristic curve of such a receiving coil, i.e. the object position dependency or in other words the location dependency of the correctly signed demodulated voltage induced in the receiving coil, can then be a sum of the spatially offset individual characteristic curves of the coil parts, each with a sign according to the winding direction. For example, a receiving coil with periodically arranged essentially identical coil parts (up to the coil ends) can have an essentially periodic characteristic curve.
Die Sensorvorrichtung weist eine Mehrzahl von Empfangsspulen auf, wobei Windungen der Mehrzahl von Empfangsspulen um die Windungen der Anregungsspule herum, im Wesentlichen senkrecht zu den Windungen der Anregungsspule und symmetrisch bezüglich der Mittellinie der Anregungsspule angeordnet sind. Dabei kann jede der Mehrzahl der Empfangsspulen wie oben beschrieben ausgestaltet und optional bezüglich der Anregungsspule und/oder dem Objekt angeordnet sein. Dadurch kann ein breiter Bereich der Anregungsspule entlang ihrer Mittellinie mit einer Empfangsspule bedeckt sein und jede Empfangsspule eine deutliche Einzelkennlinie aufweisen, so dass insgesamt eine gute Positionsbestimmung über einen großen Bereich möglich sein kann.The sensor device has a plurality of receiving coils, wherein windings of the plurality of receiving coils are arranged around the windings of the excitation coil, substantially perpendicular to the windings of the excitation coil and symmetrically with respect to the center line of the excitation coil. Each of the plurality of receiving coils can be designed as described above and optionally arranged with respect to the excitation coil and/or the object. As a result, a wide area of the excitation coil along its center line can be covered with a receiving coil and each receiving coil can have a clear individual characteristic curve, so that overall a good position determination over a large area can be possible.
In einer Ausführungsform können Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen voneinander beabstandet angeordnet sein und um unterschiedliche Teilbereiche der Windungen der Anregungsspule herum angeordnet sein. Sind die mehreren Empfangsspulen mit ausreichend überlappenden Einzelkennlinien zueinander angeordnet, kann eine annähernd gleich gute Positionsermittlung für das Objekt bei reduzierten Baukosten durchgeführt werden, indem die induzierte Spannung von je zwei oder mehreren benachbarten Empfangsspulen ausgewertet werden kann. Beispielsweise wenn zur Ermittlung der longitudinalen Position des Objekts der Mehrphasen-Quadratur-Demodulationsalgorithmus, wie er in
Eine erste Empfangsspule (oder optional mehrere erste Empfangsspulen) der Mehrzahl von Empfangsspulen ist um eine zweite Empfangsspule (oder optional mehrere zweite Empfangsspulen) der Mehrzahl von Empfangsspulen herum angeordnet, und ein Abschnitt oder optional mehrere Abschnitte der ersten Empfangsspule(n) mit einer ersten Windungsdichte, beispielsweise einer hohen Windungsdichte oder einen geringen Windungsdichte, bedeckt bzw. optional können einen Abschnitt oder optional mehrere Abschnitte der zweiten Empfangsspule(n) mit einer zweiten Windungsdichte, beispielsweise einer geringen Windungsdichte oder einer hohen Windungsdichte, bedecken. Mit einer Spulenanordnung mit einer Anregungsspule und zwei ähnlichen, entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen mit einer Viertelperiode versetzten und wie oben beschrieben periodische Teilbereiche aufweisende Empfangsspulen (mit oder auch ohne Änderung der Windungsrichtung) kann eine hochauflösende inkrementelle Positionsbestimmung durchgeführt werden.A first receiving coil (or optionally a plurality of first receiving coils) of the plurality of receiving coils is arranged around a second receiving coil (or optionally a plurality of second receiving coils) of the plurality of receiving coils, and a section or optionally a plurality of sections of the first receiving coil(s) is covered with a first winding density, for example a high winding density or a low winding density, or optionally a section or optionally a plurality of sections of the second receiving coil(s) can be covered with a second winding density, for example a low winding density or a high winding density. A coil arrangement with an excitation coil and two similar receiving coils (with or without a change in the winding direction) that are offset by a quarter period along the center line of the excitation coil and have periodic sub-regions as described above can be used to carry out high-resolution incremental position determination.
Eine oder mehrere Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen können wie zuvor für die zumindest eine Empfangsspule beschrieben mit gleicher oder variierender Windungsdichte ausgebildet sind. In diesem Falle können eine andere oder mehrere andere Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen wie zuvor für die zumindest eine Empfangsspule beschrieben mit variierender oder gleicher Windungsdichte ausgebildet sind.One or more receiving coils of the plurality of receiving coils can be designed with the same or varying winding density as previously described for the at least one receiving coil. In this case, another or more other receiving coils of the plurality of receiving coils can be designed with the same or varying winding density as previously described for the at least one receiving coil.
Zusätzlich oder alternativ können eine oder mehrere Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen wie zuvor für die zumindest eine Empfangsspule beschrieben eine gleiche oder variierende Windungsrichtung aufweisen. In diesem Falle können eine andere oder mehrere andere Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen wie zuvor für die zumindest eine Empfangsspule beschrieben eine variierende oder gleiche Windungsrichtung aufweisen.Additionally or alternatively, one or more receiving coils of the plurality of receiving coils can have an identical or varying winding direction as previously described for the at least one receiving coil. In this case, another or several other receiving coils of the plurality of receiving coils can have a varying or identical winding direction as previously described for the at least one receiving coil.
Es ist auch möglich, dass alle Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen eine gleiche Windungsdichte und/oder eine gleiche Windungsrichtung aufweisen.It is also possible that all receiving coils of the plurality of receiving coils have the same winding density and/or the same winding direction.
Die Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen können auch gegenläufig entlang der Mittellinie angeordnet sein, so dass die Windungsdichte der beiden Empfangsspulen punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunkts der Anregungsspule ist und/oder die Windungsrichtung der beiden Empfangsspulen entlang der Mittellinie gesehen gegenläufig ist.The receiving coils of the plurality of receiving coils can also be arranged in opposite directions along the center line, so that the winding density of the two receiving coils is point-symmetrical with respect to the center of the excitation coil and/or the winding direction of the two receiving coils is opposite when viewed along the center line.
In einer Ausführungsform kann die Anregungsspule als (gewickelte) Drahtspule ausgebildet sein oder die Anregungsspule kann in und/oder auf einer Schicht oder mehreren Schichten einer Leiterplatte ausgebildet sein.In one embodiment, the excitation coil may be formed as a (wound) wire coil or the excitation coil may be formed in and/or on one or more layers of a circuit board.
In einer Ausführungsform kann die zumindest eine Empfangsspule (bzw. die oder alle Empfangsspulen der Mehrzahl der Empfangsspulen) als (gewickelte) Drahtspule ausgebildet sein oder die zumindest eine Empfangsspule (bzw. die oder alle Empfangsspulen der Mehrzahl der Empfangsspulen) kann in und/oder auf mehreren Schichten einer Leiterplatte ausgebildet sein.In one embodiment, the at least one receiving coil (or the or all receiving coils of the plurality of receiving coils) can be formed as a (wound) wire coil or the at least one receiving coil (or the or all receiving coils of the plurality of receiving coils) can be formed in and/or on several layers of a circuit board.
Während eine Drahtspule eine besonders hohe Windungsanzahl und damit eine große Amplitude der induzierten Spannung ermöglichen kann, können in Leiterplattentechnologie gefertigte Spulen, die fertigungstechnisch eine begrenzte maximale Windungsanzahl aufweisen können, besonders kostengünstig herstellbar sein. Aufgrund der begrenzten Windungszahl der in Leiterplattentechnologie gefertigten Empfangsspule kann diese Spule ebenfalls ein geringes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen.While a wire coil can enable a particularly high number of turns and thus a large amplitude of the induced voltage, coils manufactured using circuit board technology, which can have a limited maximum number of turns in terms of production technology, can be manufactured particularly cost-effectively. Due to the limited number of turns of the receiving coil manufactured using circuit board technology, this coil can also have a low signal-to-noise ratio.
Das Verwenden von mehreren Schichten einer Leiterplatte für die Anregungsspule kann die technisch herstellbare Anzahl der Windungen der Anregungsspule erhöhen. Dabei kann eine Spulenhälfte in einer ersten Schicht und eine weitere Spulenhälfte in einer direkt benachbarten zweiten Schicht realisiert sein. Bei Anregungsspulen mit vielen Windungen können diese auch in drei oder mehr Schichten der Leiterplatte gefertigt sein.Using multiple layers of a circuit board for the excitation coil can increase the technically producible number of turns of the excitation coil. One coil half can be in a first layer and another coil half in a directly adjacent second layer. layer. In the case of excitation coils with many turns, these can also be manufactured in three or more layers of the circuit board.
In einer Ausgestaltung kann die Anregungsspule in Leiterplattentechnologie (also in oder auf einer oder mehreren Schichten einer Leiterplatte) gefertigt sein, während die Empfangsspule bzw. die Empfangsspulen als Drahtspule ausgebildet sein kann bzw. können, die um die Leiterplatte herum angeordnet sein kann bzw. können. Diese hybride Realisierung der Spulenanordnung kann einerseits besonders kostengünstig sein und gleichzeitig ein große Spannungsamplitude zur Positionsermittlung ermöglichen.In one embodiment, the excitation coil can be manufactured using circuit board technology (i.e. in or on one or more layers of a circuit board), while the receiving coil or coils can be designed as a wire coil that can be arranged around the circuit board. This hybrid implementation of the coil arrangement can be particularly cost-effective and at the same time enable a large voltage amplitude for position determination.
Gemäß einem zweiten Aspekt ist eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines Objekts entlang einer sensitiven Achse der Sensorvorrichtung bereitgestellt, wobei die Sensorvorrichtung eine Spulenanordnung gemäß dem ersten Aspekt aufweist.According to a second aspect, a sensor device is provided for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device, wherein the sensor device comprises a coil arrangement according to the first aspect.
Die Sensorvorrichtung kann ferner eine Sensorelektronik aufweisen, mit der die Positionsermittlung durchführbar ist.The sensor device can further comprise sensor electronics with which the position determination can be carried out.
In einer Ausführungsform kann für jede separate Empfangsspule eine separate Schaltung der Sensorelektronik zur Verfügung stehen. Dadurch kann die Positionsermittlung vereinfacht werden, da die Signale der unterschiedlichen Empfangsspulen erfasst werden können.In one embodiment, a separate circuit of the sensor electronics can be available for each separate receiving coil. This can simplify position determination because the signals from the different receiving coils can be recorded.
In einer Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung ein seitliches, elektrisch leitfähiges Abschirmelement aufweisen, das die Spulenanordnung seitlich durchgängig bzw. kontinuierlich und symmetrisch umgibt. Die Spulenanordnung kann vollständig hinter der Deckfläche der seitlichen Abschirmung angeordnet sein. Das Abschirmelement kann im Wesentlichen senkrecht zur Stirnfläche der Sensorvorrichtung angeordnet sein. Ein Öffnung des Abschirmelements, das im Betrieb der Sensorvorrichtung zum Objekt hin weisen kann, kann parallel zur Stirnfläche der Sensorvorrichtung angeordnet sein.In one embodiment, the sensor device can have a lateral, electrically conductive shielding element that surrounds the coil arrangement laterally continuously and symmetrically. The coil arrangement can be arranged completely behind the cover surface of the lateral shield. The shielding element can be arranged substantially perpendicular to the front surface of the sensor device. An opening in the shielding element, which can point towards the object during operation of the sensor device, can be arranged parallel to the front surface of the sensor device.
In einer Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung ein planares, elektrisch leitfähiges Abschirmelement aufweisen, das auf einer Seite der Spulenanordnung angeordnet ist, die vom Objekt abgewandt ist. Dieses Abschirmelement kann als hintere Abschirmplatte ausgebildet sein. Das seitliche Abschirmelement und das planare Abschirmelement können aus einem Teil gefertigt sein. Das planare Abschirmelement kann im Wesentlichen parallel zur Stirnfläche des Sensorvorrichtung angeordnet sein.In one embodiment, the sensor device can have a planar, electrically conductive shielding element that is arranged on a side of the coil arrangement that faces away from the object. This shielding element can be designed as a rear shielding plate. The side shielding element and the planar shielding element can be made from one part. The planar shielding element can be arranged substantially parallel to the front surface of the sensor device.
Aufgrund des seitlichen Abschirmelements und/oder des planaren Abschirmelements können die Spulenanordnung in einem magnetischen Umfeld, beispielsweise in einer Maschinenwand, integrierbar sein, ohne dass ein störendes Hintergrundsignal durch die metallische Umgebung in der Empfangsspule induzierbar sein kann.Due to the lateral shielding element and/or the planar shielding element, the coil arrangement can be integrated into a magnetic environment, for example in a machine wall, without a disturbing background signal being able to be induced in the receiving coil by the metallic environment.
Gemäß einem dritten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines Objekts entlang einer sensitiven Achse der Sensorvorrichtung bereitgestellt, wobei die Sensorvorrichtung eine Spulenanordnung aufweist, die eine flache Anregungsspule und zumindest eine Empfangsspule aufweist, deren Windungen um Windungen der Anregungsspule herum, im Wesentlichen senkrecht zur den Windungen der Anregungsspule und symmetrisch bezüglich einer Mittellinie der Anregungsspule angeordnet sind, die entlang der sensitiven Achse der Sensorvorrichtung verläuft, wobei das Objekt beabstandet zur Sensorvorrichtung entlang einer Bewegungslinie bewegt wird, die im Wesentlichen senkrecht zu den Windungen der zumindest einen Empfangsspule verläuft, wobei die Spulenanordnung eine Mehrzahl von Empfangsspulen aufweist, wobei Windungen der Mehrzahl von Empfangsspulen um die Windungen der Anregungsspule herum, im Wesentlichen senkrecht zur den Windungen der Anregungsspule und symmetrisch bezüglich der Mittellinie der Anregungsspule angeordnet sind, wobei eine erste Empfangsspule der Mehrzahl von Empfangsspulen um eine zweite Empfangsspule der Mehrzahl von Empfangsspulen herum angeordnet ist, wobei ein Abschnitt der ersten Empfangsspule mit einer ersten Windungsdichte einen Abschnitt der zweiten Empfangsspule mit einer zweiten, unterschiedlichen Windungsdichte bedeckt.According to a third aspect, a method is provided for operating a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device, wherein the sensor device has a coil arrangement which has a flat excitation coil and at least one receiving coil, the windings of which are arranged around windings of the excitation coil, substantially perpendicular to the windings of the excitation coil and symmetrically with respect to a center line of the excitation coil which runs along the sensitive axis of the sensor device, wherein the object is moved at a distance from the sensor device along a line of movement which runs substantially perpendicular to the windings of the at least one receiving coil, wherein the coil arrangement has a plurality of receiving coils, wherein windings of the plurality of receiving coils are arranged around the windings of the excitation coil, substantially perpendicular to the windings of the excitation coil and symmetrically with respect to the center line of the excitation coil, wherein a first receiving coil of the plurality of receiving coils is arranged around a second receiving coil of the plurality of receiving coils, wherein a portion of the first receiving coil with a first winding density surrounds a portion of the second Receiving coil covered with a second, different winding density.
Wird die Anregungsspule mit einem oszillierenden Strom angeregt, kann die Phase der Oszillation des Magnetfelds des Objekts eine Phase definieren, in der die in der Empfangsspule(n) induzierten Spannung mit der größten Amplitude oszilliert. Bei einer Positionsbestimmung kann diese Phase der induzierten Spannung als die „Erfassungsphase“ festgelegt werden und die erfasste Spannungsamplitude kann als Vorzeichen-behaftete Größe definiert werden, die die gleiche Amplitude wie die Amplitude der induzierten Spannung in der Erfassungsphase und ein Vorzeichen gemäß der Polarität der induzierten Spannung in der Erfassungsphase aufweisen kann.When the excitation coil is excited with an oscillating current, the phase of the oscillation of the magnetic field of the object can define a phase in which the voltage induced in the receiving coil(s) oscillates with the largest amplitude. In a position determination, this phase of the induced voltage can be defined as the "detection phase" and the detected voltage amplitude can be defined as a signed quantity that can have the same amplitude as the amplitude of the induced voltage in the detection phase and a sign according to the polarity of the induced voltage in the detection phase.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 zeigt schematisch eine Spulenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines Objekts relativ zur Sensorvorrichtung in perspektivischer Ansicht; -
2 zeigt schematisch eine Spulenanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht; -
3 zeigt schematisch eine Spulenanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht; -
4A ,4B und4C zeigen schematisch eine Anregungsspule und eine erste und zweite Empfangsspule für eine Spulenanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in Draufsicht auf verschiedene Leiterplattenschichten und im Querschnitt; -
5 zeigt schematisch eine Spulenanordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel in Draufsicht; -
6A ,6B ,6C zeigen schematisch eine Spulenanordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel in Draufsicht; -
7 zeigt schematisch eine alternative Realisierung der Empfangsspule der in6B ,6C gezeigten Spulenanordnung in Draufsicht; -
8 zeigt schematisch eine Spulenanordnung gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel in Draufsicht; -
9 zeigt schematisch die Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer zu3 ähnlichen Spulenanordnung mit drei Empfangsspulen und einer Sensorelektronik; -
10 zeigt schematisch ein Abschirmelement und die Spulenanordnung der Sensorvorrichtung in9 ; -
11A ,11B ,11C zeigen schematische Diagramme, die Quadratur-Phase-Amplituden von erfassten Spannungen in Empfangsspulen der Spulenanordnung in9 , die in einer Maschinenwand bzw. alleinstehend ist, in Abhängigkeit einer Objektposition zeigen; und -
12 zeigt ein schematisches Diagramm, das die ermittelte longitudinale Position des Objekts in Abhängigkeit der reellen Objektposition zeigt.
-
1 schematically shows a coil arrangement according to a first embodiment of a sensor device for determining a position of an object relative to the sensor device in a perspective view; -
2 shows schematically a coil arrangement according to a second embodiment in a perspective view; -
3 shows schematically a coil arrangement according to a third embodiment in a perspective view; -
4A ,4B and4C schematically show an excitation coil and a first and second receiving coil for a coil arrangement according to a fourth embodiment in plan view of various circuit board layers and in cross section; -
5 shows schematically a coil arrangement according to a fifth embodiment in plan view; -
6A ,6B ,6C show schematically a coil arrangement according to a sixth embodiment in plan view; -
7 shows schematically an alternative realization of the receiving coil of the6B ,6C shown coil arrangement in plan view; -
8th shows schematically a coil arrangement according to a seventh embodiment in plan view; -
9 shows schematically the sensor device according to an embodiment with a3 similar coil arrangement with three receiving coils and sensor electronics; -
10 shows schematically a shielding element and the coil arrangement of the sensor device in9 ; -
11A ,11B ,11C show schematic diagrams showing quadrature phase amplitudes of detected voltages in receiving coils of the coil arrangement in9 which is in a machine wall or is freestanding, depending on an object position; and -
12 shows a schematic diagram showing the determined longitudinal position of the object as a function of the real object position.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Gleiche oder ähnliche Bauteile oder Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Identical or similar components or elements are provided with the same reference symbols.
Eine in
Das Objekt O ist von einer Ebene der Spulenanordnung 10 beabstandet auf einer Seite der Spulenanordnung in einem festen Abstand D anordbar. Es versteht sich, dass, wenn die Sensorvorrichtung ein Gehäuse aufweist, in dem die Spulenanordnung 10 aufgenommen ist, der Abstand D zwischen einer zum Objekt O weisenden Stirnfläche des Gehäuses und dem Objekt bemessen sein kann. Das Objekt O ist entlang einer festen Bewegungslinie bewegbar, die parallel Mittellinie M, die einer sensitiven Achse S der Sensorvorrichtung entspricht, verläuft. Die Sensorvorrichtung ist eingerichtet, eine axiale Position P des Objekts O entlang der sensitiven Achse S beispielsweise ausgehend von dem Mittelpunkt MP der Anregungsspule 12 zu ermitteln.The object O can be arranged at a distance from a plane of the
Das in
Die in
Die in
Die in
Eine in
Der in
Eine in
Es versteht sich, dass sich die Windungsrichtung bei zumindest einer oder allen Empfangsspulen 14 der in
Eine in
Wie in
In einem Betrieb der Sensorvorrichtung 40 ist das Objekt O in einem Abstand D zur Spulenebene der Anregungsspule 12 auf der Seite der offenen Deckfläche 48a des Abschirmelements 44 und, sofern vorhanden, der Stirnfläche des Sensorgehäuses, angeordnet. Es wird eine axiale Position P des Objekts O bezüglich der Sensorvorrichtung 40 mittels der Sensorelektronik 42 bestimmt, indem beispielsweise Techniken gemäß
In
Claims (16)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020128013.0A DE102020128013B4 (en) | 2020-10-23 | 2020-10-23 | Coil arrangement for a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020128013.0A DE102020128013B4 (en) | 2020-10-23 | 2020-10-23 | Coil arrangement for a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102020128013A1 DE102020128013A1 (en) | 2022-04-28 |
DE102020128013B4 true DE102020128013B4 (en) | 2024-05-29 |
Family
ID=81076960
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102020128013.0A Active DE102020128013B4 (en) | 2020-10-23 | 2020-10-23 | Coil arrangement for a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102020128013B4 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2326391A1 (en) | 1973-05-24 | 1974-12-12 | Foerster Inst Dr Friedrich | TEST COIL ARRANGEMENT FOR SCANNING THE SURFACE OF A METALLIC TEST PART |
DE19855685A1 (en) | 1997-12-03 | 1999-06-10 | Mitutoyo Corp | Inductive position measuring unit of inductive linear coder |
DE19833276A1 (en) | 1998-07-24 | 2000-02-03 | Busch Dieter & Co Prueftech | Eddy current probe for testing edges of metal objects |
DE69936262T2 (en) | 1999-10-13 | 2008-02-07 | Hilti Ag | Inductive measuring head for metal detectors |
CN106104210A (en) | 2014-02-18 | 2016-11-09 | 巴鲁夫公司 | Position measurement apparatus and the method for operating position measurement equipment |
US20170344878A1 (en) | 2014-12-16 | 2017-11-30 | Balluff Gmbh | Contactless position/distance sensor having an artificial neural network and method for operating the same |
-
2020
- 2020-10-23 DE DE102020128013.0A patent/DE102020128013B4/en active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2326391A1 (en) | 1973-05-24 | 1974-12-12 | Foerster Inst Dr Friedrich | TEST COIL ARRANGEMENT FOR SCANNING THE SURFACE OF A METALLIC TEST PART |
DE19855685A1 (en) | 1997-12-03 | 1999-06-10 | Mitutoyo Corp | Inductive position measuring unit of inductive linear coder |
DE19833276A1 (en) | 1998-07-24 | 2000-02-03 | Busch Dieter & Co Prueftech | Eddy current probe for testing edges of metal objects |
DE69936262T2 (en) | 1999-10-13 | 2008-02-07 | Hilti Ag | Inductive measuring head for metal detectors |
CN106104210A (en) | 2014-02-18 | 2016-11-09 | 巴鲁夫公司 | Position measurement apparatus and the method for operating position measurement equipment |
EP3108211B1 (en) | 2014-02-18 | 2019-11-06 | Balluff GmbH | Position measuring apparatus |
US20170344878A1 (en) | 2014-12-16 | 2017-11-30 | Balluff Gmbh | Contactless position/distance sensor having an artificial neural network and method for operating the same |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
BALLUFF GmbH: Induktive Sensoren - BIP CD2-B014-01-EP02. Neuhausen a.d.F., 2020 (BIP0008_0.28_2020-10-14). 3 S. - Datenblatt |
BALLUFF GmbH: Induktive Sensoren - BIP ED2-B133-03-S75. Neuhausen a.d.F., 2020 (BIP000R_0.2_2020-03-0). 3 S. - Datenblatt |
BALLUFF GmbH: Induktive Sensoren - BIP LD2-T040-02-S4. Neuhausen a.d.F., 2020 (BIP0004_0.29_2020-03-05). 4 S. - Datenblatt |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102020128013A1 (en) | 2022-04-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0742906B1 (en) | Use of a miniaturized planar-design coil assembly for the detection of ferromagnetic materials | |
DE102006026543B4 (en) | Position encoder and associated method for detecting a position of a rotor of a machine | |
EP2831549B1 (en) | Position detection device and method for detecting a position of a movable element in a drive device | |
DE69502283T2 (en) | TRAVELERS | |
DE69527887T2 (en) | Arrangement of magnets | |
DE69015526T2 (en) | Electromagnetic flow meter. | |
DE102005030358A1 (en) | Electromagnetic induction position sensor | |
DE102009014801A1 (en) | Inductive proximity switch | |
EP2037286A1 (en) | Measuring device for measuring a magnetic field | |
DE19816936A1 (en) | Antenna transponder arrangement for power transmission and angle measurement | |
DE4205957A1 (en) | REEL STRUCTURE | |
WO2020030322A1 (en) | Sensor system for determining at least one rotation characteristic of a rotating element | |
EP2149784B1 (en) | Magnetic path sensor system | |
DE3930958A1 (en) | POSITION SENSOR | |
DE112015000570T5 (en) | position sensor | |
DE102020128013B4 (en) | Coil arrangement for a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device | |
DE3615291A1 (en) | ELECTROMAGNETIC CONVERTER AND DEVICE FOR DETERMINING A RELATIVE SPEED AND / OR A FORM USING SUCH A CONVERTER | |
EP3695194B1 (en) | Electromagnetic measuring system for detecting length and angle on the basis of the magnetoimpedance effect | |
DE4442441C2 (en) | Miniaturized coil arrangement manufactured in planar technology for the detection of ferromagnetic substances | |
EP2884237A1 (en) | Inductive rotation angle sensor | |
DE102017123772B4 (en) | Electromagnetic measuring system for the detection of length and angle based on the magneto-impedance effect | |
DE102004026311A1 (en) | Position indicator has two transmitter coils and one receiver coil with inductive coupling and also one divisional structure whereby transmitter coil windings enclose two overlapping areas which generate different magnetic flow directions | |
DE102018222569A1 (en) | Measuring device for determining a path and / or angle change between the measuring device and an opposite position element and measuring method | |
DE102006000470A1 (en) | Electromechanical conversion device | |
DE102013225897A1 (en) | Inductive sensor with an arbitrarily long measuring path |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division |