DE102021103515A1

DE102021103515A1 - Induktiver Wegsensor mit verschiebbarem Messkopf

Info

Publication number: DE102021103515A1
Application number: DE102021103515.5A
Authority: DE
Inventors: Sándor Páli; András Fodor
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2021-02-15
Filing date: 2021-02-15
Publication date: 2022-08-18
Also published as: US20240118113A1; WO2022171897A1; CN116888433A

Abstract

Bei einem Induktiver Wegsensor mit einem auf einem länglichen Träger (103) verschiebbar und/oder drehbar angeordneten, magnetisch permeablen Messkopf (100), mit mindestens einer Messschleife (130), deren geometrische Form sich in Abhängigkeit von der Längs-/Drehverschiebung des Messkopfes (100) entlang des Trägers (103) ändert, und mit mindestens einer Erregerschleife (125), mittels der ein magnetischer Fluss in dem Messkopf (100) erzeugbar ist, ist insbesondere vorgesehen, dass wenigstens zwei Messschleifen (310, 320) vorgesehen sind, wobei die erste Messschleife (310) geometrisch so ausgebildet ist, dass sich bei einer Längs-/Drehverschiebung des Messkopfes (305) entlang des Trägers (300) eine möglichst linear ändernde Antwort auf eine magnetische Anregung des Messkopfes (305) ergibt, und wobei die wenigstens zweite Messschleife (320) geometrisch so ausgebildet ist, dass sich bei einer Längs-/Drehverschiebung des Messkopfes (305) entlang des Trägers (300) eine sich periodisch ändernde Antwort auf eine magnetische Anregung des Messkopfes (305) ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Wegsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
In US 2003/206 007 A1 ist ein induktiver Wegsensor mit einem verschiebbaren oder drehbaren, magnetisch permeablen Messkopf beschrieben. Der Wegsensor umfasst mindestens eine Messschleife, deren geometrische Form sich in Abhängigkeit von der Längs-/Drehverschiebung des Messkopfes ändert sowie mindestens eine Erregerschleife, mittels der ein magnetischer Fluss in dem Messkopf erzeugbar ist. Der magnetische Fluss durchdringt dabei die mindestens eine Messschleife an einem beliebigen Punkt der Längs-/Drehverschiebung des Messkopfes, im Wesentlichen im Bereich des Messkopfes, und induziert an diesem ein elektrisches Messsignal. Der Messkopf weist einen passiven Resonanzkreis auf, der als nach außen elektrisch entkoppelter Schwingkreis ausgebildet ist und der nach einer Anzahl von z.B. 10 bis 20 freien Schwingungen durch einen kurzen Spannungsimpuls phasenrichtig angeregt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schlägt einen hier betroffenen induktiven Wegsensor mit einem verschiebbaren Messkopf vor, der im Gegensatz zum Stand der Technik mindestens zwei Paare von Messschleifen aufweist, deren geometrische Form sich bei einer Längs-/Drehverschiebung des Messkopfes linear bzw. kontinuierlich ändert. Der Messkopf umfasst zudem mindestens eine Anregungsschleife, durch die ein eingangs genannter Resonanzkreis des Messkopfes durch Erzeugung eines magnetischen Flusses angeregt werden kann.
Die ersten beiden Messschleifen des Messschleifenpaares sind bevorzugt dreieckförmig und symmetrisch gegeneinander gespiegelt ausgebildet. Dadurch wird erreicht, dass wenn die erste Messschleife ein ansteigendes, elektrisches Ausgangssignal liefert, die jeweils andere Messschleife ein entsprechend abnehmendes Ausgangssignal liefert. Die geometrische Form und die Position der beiden Messschleifen werden dabei insbesondere so gewählt, dass die Summe der Ausgangssignale der beiden Messschleifen im Wesentlichen konstant ist.
Die beiden zweiten Messschleifen des Messschleifenpaares besitzen dagegen eine geometrische Form, die geeignet ist, um bei einer Längs-/Rotationsverschiebung des Messkopfes ein sinus- bzw. cosinusförmiges Ausgangssignal zu liefern. Die Geometrien der beiden Messschleifen sind dabei im Wesentlichen identisch, jedoch so angeordnet, dass bei einer Längs-/Rotationsverschiebung des Messkopfes eine der beiden Messschleife ein sinusförmiges Ausgangssignal und die jeweils andere Messschleife ein cosinusförmiges Ausgangssignal liefert. Die sinus- bzw. cosinusförmigen Ausgangssignale besitzen bevorzugt eine feste Phasenverschiebung zueinander, wodurch die Geometrien der beiden Messschleifen periodisch wiederholt werden.
Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass die Segmente einer entsprechenden Sinus- bzw. Cosinus-Periode der zweiten Messschleifen des Messschleifenpaars sich im Bereich von 50 bis 200 mm, bevorzugt 100 mm, periodisch wiederholen.
Das erste, bevorzugt dreieckförmige Messschleifenpaar gibt die sogenannte «Grobverschiebung» des Messkopfes wieder, während das zweite sin/cos-Messschleifenpaar die sogenannte «Feinverschiebung» des Messkopfes wiedergibt. Die so gemessene Auslenkung des Messkopfes setzt sich somit aus den Messergebnissen der Grob- und Feinverschiebung zusammen.
Eine genannte, vollständige Schleifenanordnung ist beispielhaft in der 2 dargestellt.
Der vorgeschlagene Wegsensor weist insbesondere einen schwebenden bzw. schwimmenden Messkopf sowie selbstregelnde Funktionen auf und ermöglicht dadurch eine Messauflösung im Submikron-Bereich.
Im Gegensatz zu dem eingangs genannten Stand der Technik ist ein solches sinus- bzw. cosinusförmiges Messschleifenpaar zur Messung der Feinposition des Messkopfes von der Position des Messkopfes und von der Länge der Messschleife unabhängig.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Wegsensor, insbesondere der schwimmende Messkopf und die Messschleifen, ermöglichen eine vollständig digitale Verarbeitung bzw. Auswertung der jeweiligen Messsignale mittels einer digitalen Auswerteschaltung. Ein sich bei der Auswertung ergebender Ausgangswert setzt sich somit aus den Messsignalen der dreieckförmigen und der sinus- bzw. cosinusförmigen Messschleifenpaare zusammen. Die Messsignale werden mittels eines üblichen ADC (Analog-Digital-Wandlers) und mittels einer nachfolgend beschriebenen digitalen Schaltung verarbeitet.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine isometrische Darstellung eines Wegsensors gemäß dem Stand der Technik;
2 zeigt schematisch eine seitliche Ansicht eines hier betroffenen, erfindungsgemäßen Wegsensors;
3 zeigt eine elektronische Steuerungs-/Auswerteeinheit für einen in 2 dargestellten, erfindungsgemäßen Wegsensor, anhand eines Blockdiagramms;
4a, b zeigen an Messschleifen eines sinus- bzw. cosinusförmigen Messschleifenpaares (4a) und an Messschleifen eines dreieckförmigen Messschleifenpaares (4b) gemessene Signalamplituden.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in 1 in einer isometrischen Darstellung gezeigte Wegsensor umfasst einen auf einem länglichen Träger 103 angeordneten, in Längsrichtung des Trägers 103 beweglichen Messkopf 100. Auf dem Messkopf 100 ist ein (hier nicht gezeigter) passiver Schwingkreis angeordnet. Der Messkopf 100 ist in dem gezeigten Szenario in einer mittleren Position 105 an dem Träger 103 positioniert. Bei seiner Bewegung in der Längsrichtung kann er die weiteren, nur angedeuteten beiden Positionen 110, 115 einnehmen.
Zusätzlich kann der Messkopf 100 bei seiner Bewegung gegenüber dem Träger 103 verkippt werden, was einer zusätzlichen, hier nicht dargestellten rotatorischen Bewegungskomponente entspricht.
Der Messkopf 100 ist mit einer Schubstange 120 starr verbunden, so dass sich bei einer Verschiebung der Schubstange 120 in der Längsrichtung des Trägers 103 der Messkopf entsprechend mitbewegt. Die Wegmessung eines zu messenden Objekts erfolgt somit mittels der mit dem jeweiligen Objekt fest verbundenen Schubstange 120.
Auf dem Träger 103 ist eine sich über die gesamte Längsrichtung des Trägers 103 erstreckende, rechteckförmige Erregerspule 125 aufgebracht, z.B. mittels der an sich bekannten Methode der „Imprint Lithografie“ aufgedruckt. Zudem ist auf dem Träger 103 eine sich ebenfalls über die gesamte Längsrichtung des Trägers 103 erstreckende, dreieckförmige Empfängerspule 130 aufgebracht.
Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, induktiven Wegsensors mit einem länglichen Träger 300, an dem ein aus einem ferritischen Werkstoff hergestellter, verschiebbarer Messkopf 305 in der Längsrichtung des Träger 300 beweglich angeordnet ist. Der Messkopf 305 weist wiederum einen an sich bekannten (hier nicht gezeigten) Resonanzkreis auf.
Im Gegensatz zum Stand der Technik weist der in 2 gezeigte Wegsensor in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Paare von Messschleifen 310, 315 und 320, 325 auf.
Das erste Messschleifenpaar weist zwei dreieckförmige Messschleifen 310, 315 auf, deren geometrische Form sich bei einer Längsverschiebung des Messkopfes 305 jeweils sukzessive so ändert, dass der Abstand der beiden jeweiligen Leiter senkrecht zur Verschiebungsrichtung des Messkopfes variiert.
Der Wegsensor weist zudem zwei rechteckförmige Anregungsschleifen 330, 335 auf, mittels derer der Resonanzkreis des Messkopfes 305 durch Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem Resonanzkreis angeregt werden kann. Die beiden Anregungsschleifen 330, 335 sind insbesondere so ausgebildet, dass der magnetische Fluss an jeder Stelle der beiden Messschleifen 310, 315 eindringt.
Das gezeigte erste Messschleifenpaar 310, 315 hat eine geometrische Form, um eine entlang des Wegsensors sich möglichst linear ändernde Antwort auf eine magnetische Anregung zu erhalten. So gilt bei der Messschleife 310 bei einer Bewegung des Messkopfes 305 von links nach rechts in der vorliegenden Darstellung der lineare Zusammenhang: $Ausgangswert (Resonanzkreis) = a * x + b,$

wobei x = Position des Messkopfes 305 in longitudinaler Messrichtung x des Wegsensors und a, b empirisch ermittelbare Konstanten sind.
Die beiden Messschleifen 310, 315 des ersten Messschleifenpaares sind zueinander symmetrisch und gegeneinander gespiegelt ausgebildet. Wenn somit die erste Messschleife 310 einen ansteigenden Ausgabewert erzeugt, dann erzeugt die zweite Messschleife 315 einen abnehmenden Ausgabewert. Die genaue geometrische Form und die Position der beiden Messschleifen 310, 315 müssen dabei so gewählt werden, dass die Summe der Ausgangswerte der beiden Messschleifen 310, 315 konstant ist.
Das bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zusätzlich vorgesehene, zweite Messschleifenpaar 320, 325 hat eine gegenüber dem ersten Messschleifenpaar 310, 315 unterschiedliche geometrische Form, um einen sinus- bzw. cosinusförmigen Ausgangswert als Reaktion auf eine Längs- bzw. Rotationsverschiebung des Messkopfes 305 zu liefern. Die Geometrien dieser beiden Messschleifen 320, 325 sind dabei identisch. Jedoch befindet sich die erste Messschleife 320 so in einer x-Position, dass die erste Messschleife 320 einen sinusförmigen Ausgabewert liefert und die zweite Messschleife 325 einen cosinusförmigen Ausgangswert, als Reaktion auf eine Längs- bzw. Rotationsverschiebung des Messkopfes 305 in der gezeigten x-Richtung.
In der 2 sind mit „Ex1“ und „Ex2“ die elektrischen Anschlüsse der beiden Anregungsschleifen 330, 335 bezeichnet. Mit TA+ und TA- sind die elektrischen Anschlüsse der ersten dreieckförmigen Messschleife 310 und mit TB+ und TB-: die Anschlüsse der zweiten dreieckförmigen Messschleife 315 bezeichnet. Mit Sin+ und Sin- sind die Anschlüsse der sinusförmigen Messschleife 320 und mit Cos+ und Cosdie Anschlüsse der cosinusförmigen Messschleife 325 bezeichnet.
Die erste Messschleife 320 und die zweite Messschleife 325 des zweiten Messschleifenpaares sind um einen festen Wert gegeneinander phasenverschoben, und zwar in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel um den Wert 100 mm. Der entsprechende Periodenverlauf der beiden Messschleifen 320, 325 wiederholt sich entsprechend entlang der x-Richtung des Wegsensors 300.
Mittels des ersten, dreieckförmigen Messschleifenpaars 310, 315 lässt sich die Grobverschiebung des Messkopfes 305 entlang des Wegsensors 300 in der gezeigten x-Richtung ermitteln, wohingegen das sinus- bzw. cosinusförmige Messschleifenpaar 320, 325 die Feinverschiebung des Messkopfes 305 liefert. Die tatsächliche Verschiebung des Messkopfes 305 setzt sich aus den Ergebnissen der Grob- und der Feinverschiebung zusammen.
Entsprechende, beispielhafte Messsignale sind in den beiden 4a und 4b gezeigt. So zeigt die 4a gemessene Signalamplituden der Sinus- und cosinusförmigen Messschleifen 320, 325 in Abhängigkeit von der Position des Messkopfes in der in 2 gezeigten x-Richtung. Die in x-Richtung relativ eng liegenden, periodenförmigen Signalverläufe ermöglichen die genannte Ermittlung der Feinverschiebung des Messkopfes 305.
Die in 4b gezeigten, gemessenen Signalamplituden der beiden, dreieckförmigen Messschleifen 310, 315 in Abhängigkeit von der Position des Messkopfes 305 ermöglichen aufgrund ihres relativ flachen Verlaufs in x-Richtung (im Gegensatz zu den Signalverläufen in 4a) nur eine grobe Ermittlung des Wertes der Verschiebung des Messkopfes 305.
Die 3 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen, elektronischen Steuerungs-bzw. Auswerteeinheit zur Ansteuerung eines in der 2 gezeigten Wegsensors 200 sowie zur Auswertung der von dem Wegsensor gelieferten Messsignale.
Die Erregung der in 2 gezeigten beiden Anregungsschleifen 330, 335 erfolgt mittels eines Reglers 225, der mittels eines Digital-Analog-Wandlers (DAC) 220 eine Erregerspannung 210 bereitstellt. Der Regler ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als programmierbare Spannungsquelle ausgebildet und sendet sogenannte „Burst“-Abfragesignale an die Anregungsschleifen 330, 335, und zwar bei einem zuvor eingestellten Spannungspegel und einer zuvor gemessenen Oszillatorfrequenz.
Die jeweilige Anregungsschleife 330, 335 erzeugt Schwingungen in dem auf dem Messkopf 205 angeordneten (nicht gezeigten) Resonanzkreis. Der somit schwingende Resonanzkreis erzeugt wiederum ein Signal in den beiden Messschleifenpaaren, d.h. sowohl in dem sinus- bzw. cosinusförmigen Messschleifenpaar 320, 325 als auch in dem dreieckförmigen Messschleifenpaar 310, 315.
Die Demodulation der mittels der Messschleifenpaare 310, 315 und 320, 325 gemessenen Signale erfolgt mittels jeweiliger, miteinander synchron arbeitender Synchrondemodulatoren (SD-Schaltungen) 270, 280. Mittels der beiden SD-Schaltungen 270, 280 werden die beiden Signale (das SIN/COS- sowie das Dreiecksignal) gleichgerichtet und demoduliert, während die Erregung inaktiv ist („diskontinuierliches“ Messprinzip). Die Ausgangssignale der beiden SD-Schaltungen 270, 280 werden jeweils einem Demodulator/Kondensator (bzw. „DK-Schaltung“) 275, 285 zugeführt, deren Ausgangsspannungen proportional zur aktuellen Position des Messkopfes 205 sind. Die Ausgangsspannung der ersten DK-Schaltung 275 entspricht dabei der genannten Grobverschiebung des Messkopfes 205 und die Ausgangsspannung der zweiten DK-Schaltung 285 der genannten Feinverschiebung des Messkopfes 205.
Die Berechnung der Position des Messkopfes 205 erfolgt dadurch, dass die Ausgangsspannungen der beiden DK-Schaltungen 275, 285 einem (oder mehreren) Analog-Digital-Wandler(n) (ADC) 290 zugeführt werden. Der Regler 225 liest den ADC 290 aus und berechnet den aktuellen Positionswert des Messkopfes 205 gemäß den folgenden Gleichungen:
Die Feinposition des Messkopfes 205 errechnet sich wie folgt: $p o s f i n e - l p e r / 2 π + {tan}^{- 1} (s i n / c o s)$
wobei „Iper“ die geometrischen Perioden der sinus- bzw. cosinusförmigen Messschleifen 320 325, „sin“ das Ausgangsergebnis der sinusförmigen Messschleife 320 und „cos“ das Ausgangsergebnis der cosinusförmigen Messschleife darstellen.
Die Grobposition des Messkopfes 205 errechnet sich dagegen wie folgt: $p o s c o a r s e = l m o m * [(T A - T B) / (T A - T B)],$
wobei „TA“ und „TB“ die Ausgangsergebnisse der beiden dreieckförmigen Messschleifen 310, 315 sind und „Inom“ die Nennlänge der beiden dreieckförmigen Messschleifen 310, 315 darstellen.
Es ist anzumerken, dass sich der dabei ergebende Wert „poscoarse“ der Grobposition des Messkopfes 205 eine ratiometrische Zahl darstellt, welche der tatsächlichen Länge der Messschleifen entspricht, jedoch den Längenwert lediglich aus dem Verhältnis der beiden Größen (TA - TB) und (TA + TB) zueinander ableitet. Durch Zusammensetzen der beiden Werte „posfine“ und „poscoarse“ ergibt sich die tatsächliche, absolute Position des Messkopfes 205. Der Regler 225 sendet dieses Ergebnis an eine von dem Benutzer gewünschte Schnittstelle 295, z.B. analog, SSI, lO-Link oder einem beliebigen BUS-System.
Die genannte Regelung der Signalerkennung erfolgt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels einer programmierbaren Verstärkung 215. Der Messkopf 205 ist dabei schwimmend gelagert, so dass die Höhe des Messkopfes 205 verändert werden kann. Diese Höhen- und Seitenverschiebung hat einen großen Einfluss auf die Signalamplitude der Messschleifenpaare 310, 315 bzw. 320, 325 und verursacht Rauschen oder Auflösungsprobleme der jeweiligen Ausgangssignale 260, 265.
Zum Erreichen einer hohen Ortsauflösung des Wegsensors 200, bzw. einem entsprechend geringen Rauschpegel, müssen die Amplituden der beiden Messschleifensignale 260, 265 auf einem möglichst konstanten Signalpegel gehalten werden. Dies kann mittels der programmierbaren Verstärkung 215 erreicht werden, welche mit einer programmierbaren Spannungsquelle (PVS) realisiert wird. Dabei wird der Spannungspegel des Anregungstreibers der PVS so eingestellt, dass eine ausreichende Signalamplitude in den Messschleifen 310, 315 bzw. 320, 325 erreicht wird. Der höhere Pegel der Anregungsspannung 210 bedeutet aber auch eine höhere Signalamplitude der beiden Messschleifensignale 260, 265.
Es ist hierzu anzumerken, dass alternativ auch die Anzahl der „Burst“-Abfragesignale geändert werden kann, um den gewünschten Signalpegel zu erreichen. Eine entsprechende, alternative Signalamplitudenregelung kann durch Variation der Erregungsenergie durch Änderung der Anzahl der Erregungsperioden ausgewertet werden. Denn wenn die PVS ihre Spannungsgrenze erreicht hat, dann wird eine Erhöhung der Erregungsanzahl die PVS-Grenzen erweitern. Dieser alternative Ansatz ist insbesondere bei langen Antennen mit höherer Induktivität von Vorteil.
Der erforderliche Anregungsspannungspegel Vexc wird mittels des genannten DACs 220 erzeugt und berechnet sich als $Vfix * k = Vexc,$
wobei „Vfix“ eine feste Spannung ist, „k“ ein vom Regler berechneter Wert und eine Funktion von sqrt(sin² + cos²), und wobei „sin“ und „cos“ die Ergebnisterme des sinus- bzw. cosinusförmigen Messschleifenpaares darstellen.
Es ist dabei anzumerken, dass zur Vereinfachung anstelle von „sin² + cos²“ auch der Summenwert „TA + TB verwendet werden kann, wobei „TA“ und „TB“ die Ergebnisterme des dreieckförmigen Messschleifenpaars 310, 315 darstellen.
Der genannte k-Wert kann zusammen mit den Ergebnistermen „sin“ und „cos“ zur Berechnung der Signalqualität, und zwar gemäß der nachfolgenden Gleichung, herangezogen werden: $Signalqualit \ddot{a} t = l o g_{2} [(\sqrt s i n^{2} + c o s^{2}) / k]$
Die so berechnete Signalqualität kann dazu verwendet werden, ein zuverlässiges Warn- und Fehlersignal zu erhalten. Dabei besitzt der so berechnete Wert der Signalqualität eine lineare Korrelation zur Fehlausrichtung des Messkopfes 205.
Die Frequenz des Oszillators wird mittels eines Frequenzmessers 245 erfasst. Das von einem Frequenzgenerator 250 erzeugte Anregungssignal 210 umfasst einen oder mehrere Anregungsimpulse, die mit hoher Frequenzauflösung bei der gleichen Frequenz wie die des auf dem Messkopf 205 angeordneten Resonanzkreises erzeugt werden. Es handelt sich bei dieser Anregung um eine Zwangsanregung, wobei die Frequenz von dem Regler 225 bei inaktiver Erregung der Erregerspule zyklusweise gemessen wird. Das entsprechende Erregersignal wird einem Nulldurchgangsdetektor (ZCD) 235 zugeführt 230, wobei die Periodendauer des ZCD 235 die Periode des Oszillators bestimmt.
Die Anregungsfrequenz wird kontinuierlich, entsprechend der gemessenen Frequenz, aktualisiert, um die Schwankungen des Resonanzkreises zu kompensieren. Diese Schwankungen werden durch Temperaturänderungen, Kopplungsänderungen zwischen der Erregerspule und dem Messkopf, Alterung, und/oder durch Metallgrate auf der aktiven Oberfläche des Messkopfes 205 verursacht. Die gemessene Frequenz muss zudem gefiltert und gemittelt werden.
Es ist hierbei anzumerken, dass die beschriebene Frequenzmessung auch zur sicheren Erkennung des Messkopfes, z.B. mit Hilfe eines „Frequenz-Sweeps“, angewendet werden kann, wobei nur gültige (d.h. „eigene“ oder kompatible) Messköpfe akzeptiert bzw. angenommen werden.
Der ZCD 235 verwendet die Signale der Erregerspule auf differentielle Weise, um positions- und temperaturunabhängige Komparatorsignale zu erhalten und um Signalrauschen möglichst zu unterdrücken. Auf diese Weise weist der ZCD 235 einen geringen Phasenfehler auf.
Die produktionsbedingte Abweichung der Messköpfe wird automatisch durch Selbstregelung, z.B. Frequenzanpassung und Amplitudenregelung der Erregerspule durch PVS, kompensiert.
Die Auswertung der von dem Wegsensor 200 gelieferten beiden Messsignale 260, 265 erfolgt mittels der in 3 dargestellten, beispielhaften Auswerteschaltung. Dabei werden die beiden Messsignale 260, 265 zunächst den beiden parallel und miteinander synchron arbeitenden Synchrondemodulatoren (SD) 270, 280 zugeführt, mittels derer die Messsignale bezüglich der durch die jeweiligen Messschleifenpaare 310, 315 und 320, 325 vorgegebenen dreieckförmigen Charakteristik als auch der ebenfalls vorgegebenen sinus- bzw. cosinusförmigen Charakteristik zunächst dekodiert bzw. demoduliert werden.
Es ist anzumerken, dass die Auswerteschaltung in diesem Ausführungsbeispiel keinen Vorverstärker aufweist, um den Phasenfehler bei der Auswertung der beiden Signale 260, 265 möglichst gering zu halten.
Die beiden, entsprechend dekodierten Signale werden schließlich einem (oder mehreren) AD-Wandler(n) 290 zugeführt, jedoch mittels zweier Multiplexer 275, 285 gemultiplext, um für die unterschiedlichen Messsignale 260, 265 eine übereinstimmende Kanalkette zu erhalten, wodurch Linearitäts- und Temperaturfehler verringert werden.
Es ist hierbei anzumerken, dass die Schaltfrequenz der in 3 gezeigten Auswerteschaltung 270 bis 290 durch das hochauflösende Frequenzmessmodul 245 einstellbar ist.
Die beiden Synchrondemodulatoren (SD) 270, 280 werden in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in den folgenden beiden Betriebsmodi (a. und b.) betrieben:

a. Die beiden Synchrondemodulatoren 270, 280 werden gemeinsam von dem Nulldurchgangsdetektor (ZCD) 235 angesteuert, wodurch sich eine Selbstsynchronisation zwischen diesen ergibt;
b. die beiden Synchrondemodulatoren 270, 280 werden anhand der gemessenen Frequenzen 260, 265 mittels des Reglers 225 gemeinsam angesteuert, wodurch sich eine Zwangssynchronisation zwischen diesen ergibt.

Die Selbstsynchronisation (Betriebsmodus a.) ermöglicht einen höheren Signalpegel, wohingegen die Zwangssynchronisation (Betriebsmodus b.) eine höhere EMV-Unterdrückung ermöglicht. Um das geringste Signalrauschen zu erreichen, schalten die beiden Synchrondemodulatoren 270, 280 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel automatisch zwischen den beiden Betriebsmodi a.und b. um.
Durch geeignete Wahl der Frequenz des Resonanzkreises kann die Messrate, je nach Bedarf, geändert werden, um eine höhere Aktualisierungsrate oder eine bessere Stabilität zu erreichen. Eine Frequenz von 100kHz hat sich dabei als ein guter Kompromiss ergeben.
Um eine hohe Messrate > 10 kHz zu erreichen, kann ein „Field-Programmable Gate-Array“ (FPGA) verwendet werden, um die beschriebenen Messungen und die Auswertung der Messergebnisse in Echtzeit parallel ausführen zu können.
Durch die Verwendung der genannten, symmetrischen Spulenanordnungen sowie der entsprechend, symmetrisch betriebenen Demodulatoren 270, 280 können ein sehr niedriger „Jitter“-Wert (6a ≤ 0,4 µm) sowie eine sehr hohe Messauflösung (< 0,1 µm) bei der Ermittlung der Position des Messkopfes erreicht werden.
Im Vergleich zu dem im Stand der Technik gemäß der Druckschrift US 2003/206 007 A1 bekannten Wegsensor ergeben sich somit die folgenden Unterschiede:

- Die erfindungsgemäße Messschleifenanordnung weist mindestens ein zusätzliches, sinus- bzw. cosinusförmiges Messschleifenpaar auf zur zusätzlichen, fein auflösenden Messung der Position des Messkopfes;
- die Positionsauflösung des Wegsensors ist von der Länge seiner länglichen Ausdehnung unabhängig;
- die Lagerung des Messkopfes ist schwebend;
- es können mehr Anregungsimpulse in einem Messzyklus vorhanden sein;
- die Anregungsrückkopplung erfolgt über sin/cos-Spulen;
- der Ausgabewert der Auswerteschaltung wird mittels eines AD-Wandlers und einer digitalen Schaltung aus den Messsignalen des dreieckförmigen und des sinus- bzw. cosinusförmigen Messschleifenpaares zusammengesetzt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2003206007 A1 [0002, 0057]

Claims

Induktiver Wegsensor mit einem auf einem länglichen Träger (103) verschiebbar und/oder drehbar angeordneten, magnetisch permeablen Messkopf (100), mit mindestens einer auf dem Träger (103) angeordneten Messschleife (130), deren geometrische Form sich in Abhängigkeit von der Längs-/Drehverschiebung des Messkopfes (100) entlang des Trägers (103) ändert, und mit mindestens einer auf dem Träger (103) angeordneten Erregerschleife (125), mittels der ein magnetischer Fluss in dem Messkopf (100) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Messschleifen (310, 320) vorgesehen sind, wobei wenigstens eine erste Messschleife (310) geometrisch so ausgebildet ist, dass sich bei einer Längs-/Drehverschiebung des Messkopfes (305) entlang des Trägers (300) sich eine möglichst linear ändernde Antwort auf eine magnetische Anregung des Messkopfes (305) ergibt, und wobei wenigstens eine zweite Messschleife (320) geometrisch so ausgebildet ist, dass sich bei einer Längs-/Drehverschiebung des Messkopfes (305) entlang des Trägers (300) eine sich periodisch ändernde Antwort auf eine magnetische Anregung des Messkopfes (305) ergibt.
Wegsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Messschleife (310) entlang des Trägers (300) dreieckförmig und die wenigstens eine zweite Messschleife entlang des Trägers (300) sinus- und/oder cosinusförmig ausgebildet sind.
Wegsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Messschleifenpaare (310, 315, 320, 325) vorgesehen sind, wobei das wenigstens eine erste Messschleifenpaar (310, 315) wenigstens zwei symmetrisch zueinander angeordnete, dreieckförmige Messschleifen (310, 315) und das wenigstens eine zweite Messschleifenpaar (320, 325) wenigstens zwei sinus- bzw. cosinusförmig ausgebildete Messschleifen (320, 325) aufweisen.
Wegsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei dreieckförmigen Messschleifen (310, 315) spiegelbildlich zueinander angeordnet sind.
Wegesensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Messschleife (320) und die wenigstens eine zweite Messschleife (325) des zweiten Messschleifenpaares (320, 325) um einen vorgegebenen Phasenwert gegeneinander phasenverschoben angeordnet sind.
Wegsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente einer Sinus- bzw. Cosinus-Periode des wenigstens einen, zweiten Messschleifenpaars (320, 325) sich im Bereich von 50 bis 200 mm, bevorzugt 100 mm, periodisch wiederholen.
Wegsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Form und die Position der Messschleifen (310, 315, 320, 325) so gewählt sind, dass die Summe der Ausgangswerte der Messschleifen eines Messschleifenpaars (310, 315 bzw. 320, 325) möglichst konstant ist.
Wegsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Anregungsschleifen (330, 335) vorgesehen sind, welche so ausgebildet sind, dass der magnetische Fluss an jeder Stelle der jeweiligen Messschleife (310, 315, 320, 325) eindringt.
Wegsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des ersten Messschleifenpaars (310, 315) die Grobverschiebung des Messkopfes (305) entlang des Träger (300) und mittels des zweiten Messschleifenpaars (320, 325) die Feinverschiebung des Messkopfes (305) entlang des Trägers (300) ermittelt werden.
Wegsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächliche Verschiebung des Messkopfes (305) aus den Ergebnissen der Grobverschiebung und der Feinverschiebung ermittelt wird.
Steuerungs-/Auswerteeinheit zum Betrieb eines induktiven Wegsensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Regler (225), zur Erzeugung einer Erregerspannung (210) zur Erregung der wenigstens zwei Erregerschleifen (330, 335) mittels eines Digital/Analog-Wandlers (220) und durch wenigstens zwei Demodulatoren (270, 280) zur Dekodierung der mittels der wenigstens zwei Messschleifen (310, 320) gemessenen Signale (260, 265).
Steuerungs-/Auswerteeinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Demodulatoren (270, 280) als miteinander synchron arbeitende Synchrondemodulatoren ausgebildet sind, mittels derer die wenigstens zwei Messsignale (260, 265) dekodiert werden.
Steuerungs-/Auswerteeinheit nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (225) als programmierbare Spannungsquelle ausgebildet ist.
Steuerungs-/Auswerteeinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (225) „Burst“-Abfragesignale an die wenigstens zwei Anregungsschleifen (330, 335) sendet, und zwar bei einem zuvor eingestellten Spannungspegel und einer zuvor gemessenen Oszillatorfrequenz.
Steuerungs-/Auswerteeinheit nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale der Demodulatoren (270, 280) jeweils einem Demodulator/Kondensator (275, 285) zugeführt werden, deren Ausgangsspannungen proportional zur aktuellen Position des Messkopfes (205) sind, wobei die Ausgangsspannung des ersten Demodulator/Kondensators (275) der Grobverschiebung des Messkopfes (205) und die Ausgangsspannung des zweiten Demodulator/Kondensators (285) der Feinverschiebung des Messkopfes (205) entsprechen.
Steuerungs-/Auswerteeinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 15, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Multiplexer (275, 285), mittels derer die dekodierten Signale gemultiplext einem Analog/Digital-Wandler (290) zugeführt werden, um für die wenigstens zwei Messsignale (260, 265) eine übereinstimmende Kanalkette zu erhalten.