DE10318482B3

DE10318482B3 - Acceleration measurement device, e.g. for machine tool use, comprises an eddy current generating assembly with planar sensor coils positioned so that their middle axis are coaxial with the center of secondary magnetic fields

Info

Publication number: DE10318482B3
Application number: DE2003118482
Authority: DE
Inventors: Bernhard Hiller; Lothar Dr. Wilhelmy
Original assignee: Baumer Huebner GmbH; Huebner Elektromaschinen GmbH
Current assignee: Baumer Huebner GmbH
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-04-17

Abstract

Device for measuring relative acceleration has an eddy current generating body (8), permanent magnets (2, 3, 4) of alternating polarity and planar sensor coils (6, 7) for detecting changes in secondary magnetic fields resulting from the movement of the eddy current generating body relative to the primary magnetic fields of the permanent magnets. The sensor coils are applied to the front faces of the permanent magnets so that the centers of the secondary magnetic fields essentially run along their middle axes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen relativer Beschleunigungen mit einem als Wirbelstromkörper ausgebildeten Messmittel, mit mehreren im wesentlichen senkrecht zum Messmittel angeordneten Permanentmagneten abwechselnder Polarität zur Erzeugung von aus ihren dem Messmittel zugewandten Stirnflächen austretenden primären Magnetfeldern sowie mit mehreren als Flachspulen ausgebildeten Sensorspulen, deren Mittenachsen ebenfalls im wesentlichen senkrecht zum Messmittel orientiert sind und die zur Erfassung der Veränderungen sekundärer Magnetfelder dienen, die bei Beschleunigungen des Messmittels durch die im Messmittel wirksamen Wirbelströme generiert werden.The invention relates to a device for measuring relative accelerations with an eddy current body Measuring means, with several substantially perpendicular to the measuring means Permanent magnets of alternating polarity to generate them from primary magnetic fields emerging from the end faces facing the measuring device and with several sensor coils designed as flat coils, the Center axes also oriented essentially perpendicular to the measuring equipment and are used to record changes in secondary magnetic fields serve when accelerating the measuring device by the in the measuring device effective eddy currents to be generated.

Aus der DE 101 25 097 A1 ist eine Vorrichtung der vorstehenden Art bekannt, bei der die Sensorspulen als auf eine Leiterplatte aufgebrachte, flache, spiralförmige Leiterbahnen ausgebildet sind und bei der die Leiterplatte zwischen jeweils benachbarten Sensorspulen mit Öffnungen versehen ist, die zur Aufnahme von Permanentmagneten dienen. Infolge der gewählten, durch Zwischenräume voneinander getrennten, reihenförmigen Anordnung der Sensorspulen und Permanentmagnete ist der Platzbedarf der bekannten Vorrichtung nicht eben klein. Der verhältnismäßig starke seitliche Versatz zwischen den aufeinanderfolgenden Sensorspulen und Permanentmagneten führt zudem dazu, dass die Schleifen, die die Wirbelströme bilden, in der Bewegungsrichtung des Messmittels betrachtet, vergleichsweise groß sind; letzteres aber bedeutet, dass die Zeitkonstante der bekannten Vorrichtung größer als zur Erzielung einer hohen Grenzfrequenz wünschenswert ist.From the DE 101 25 097 A1 A device of the above type is known in which the sensor coils are designed as flat, spiral conductor tracks applied to a printed circuit board and in which the printed circuit board is provided with openings between adjacent sensor coils which serve to receive permanent magnets. As a result of the selected row-shaped arrangement of the sensor coils and permanent magnets, which are separated from one another by gaps, the space requirement of the known device is not exactly small. The relatively large lateral offset between the successive sensor coils and permanent magnets also leads to the fact that the loops that form the eddy currents are relatively large when viewed in the direction of movement of the measuring device; the latter, however, means that the time constant of the known device is greater than is desirable for achieving a high cut-off frequency.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der in Betracht gezogenen Art zu schaffen, deren Aufbau kompakter als der Aufbau der bekannten Vorrichtung ist und bei der sich durch eine vom Herkömmlichen abweichende Anordnung der Sensorspulen eine besonders hohe Grenzfrequenz der Vorrichtung realisieren lässt.The invention has for its object a To create device of the type under consideration, its construction is more compact than the structure of the known device and in the different from the conventional deviating arrangement of the sensor coils has a particularly high cutoff frequency Device can be realized.

Gelöst wird die vorstehende Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Permanentmagnete unmittelbar nebeneinander angeordnet sind und mindestens jeweils ein Abschnitt der Wicklungen zweier Sensorspulen derart auf die Stirnfläche mindestens eines Permanentmagneten appliziert ist, dass die Zentren der sekundären Magnetfelder im wesentlichen durch die Mittenachsen der Sensorspulen verlaufen.The above task is solved according to the invention by that the permanent magnets are arranged directly next to each other and at least a portion of the windings of two sensor coils so on the face at least one permanent magnet is applied that the centers the secondary Magnetic fields essentially through the center axes of the sensor coils run.

Die Anbringung jeweils zweier Abschnitte von Sensorspulen an den Stirnflächen der Permanentmagnete macht Zwischenräume zwischen den Permanentmagneten entbehrlich und kommt somit einer kompakten Bauweise der Vorrichtung sehr entgegen. Die Art der Anordnung der Sensorspulen ermöglicht es, die von den Wirbelströmen erzeugten sekundären Magnetfelder bzw. deren Veränderungen optimal zu erfassen und somit die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu steigern. Da Zwischenräume zwischen den Permanentmagneten entbehrlich sind, lässt sich mit vergleichsweise kleinen Magneten eine intensive Durchflutung des Messmittels erreichen.The attachment of two sections of Sensor coils on the end faces the permanent magnet creates gaps between the permanent magnets dispensable and thus comes a compact design of the device very contrary. The type of arrangement of the sensor coils enables that of the eddy currents generated secondary Magnetic fields and their changes to capture optimally and thus the sensitivity of the device to increase. Because spaces between the permanent magnets are dispensable, can be compared with small magnets achieve an intensive flooding of the measuring equipment.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung mehrerer, in den beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellter Ausführungsformen der Erfindung.Other features and details the invention result from the dependent claims and the following Description of several, schematically in the accompanying drawings illustrated embodiments the invention.

Es zeigen:Show it:

1 die Seitenansicht der wesentlichen Teile einer ersten Ausführungsform, 1 the side view of the essential parts of a first embodiment,

2 eine Draufsicht auf das Messmittel der Vorrichtung gemäß 1, in der sowohl die durch die primären Magnetfelder der Permanentmagneten erzeugten Wirbelströme als auch die Summenvektoren der sekundären Magnetfelder dargestellt sind, 2 a plan view of the measuring device according to the device 1 , in which both the eddy currents generated by the primary magnetic fields of the permanent magnets and the sum vectors of the secondary magnetic fields are shown,

3 eine Draufsicht auf die Permanentmagnete und die Sensorspulen der Vorrichtung gemäß 1, 3 a plan view of the permanent magnets and the sensor coils of the device according to 1 .

4 die Seitenansicht einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung, 4 the side view of a particularly advantageous embodiment of the invention,

5 eine der 2 entsprechende Draufsicht auf das Messmittel der 4, 5 one of the 2 corresponding top view of the measuring equipment of the 4 .

6 eine der 3 entsprechende Draufsicht auf die Permanentmagnete und Sensorspulen der Ausführungsform gemäß 4, 6 one of the 3 corresponding top view of the permanent magnets and sensor coils according to the embodiment 4 .

7 die Seitenansicht einer Vorrichtung, die aus zwei Teilvorrichtungen besteht, von denen eine jede der Vorrichtung gemäß den 4 bis 6 entspricht und 7 the side view of a device consisting of two sub-devices, each of which the device according to the 4 to 6 corresponds to and

8 die Seitenansicht einer Ausführungsform, bei der die Sensorspulen und Permanentmagnete am Umfang eines zylindrischen Trägers angeordnet sind. 8th the side view of an embodiment in which the sensor coils and permanent magnets are arranged on the circumference of a cylindrical carrier.

In 1 ist 1 ein Träger für drei Permanentmagnete 2, 3, 4 wechselnder Polarität. Auf die Stirnfläche 5 der Permanentmagnete 2 bis 4 sind Abschnitte zweier Sensorspulen 6 und 7 appliziert. Die Sensorspulen 6, 7 sind als flache Luftspulen ausgebildet, ihre Wicklungen weisen, wie in 3 erkennbar, parallel zu den seitlichen Längskanten der Permanentmagnete 2 bis 4 verlaufende Längsschenkel auf, die außerhalb der Stirnflächen 5 der Permanentmagnete 2 bis 4 miteinander verbunden sind. Sowohl die Permanentmagnete 2 bis 4 als auch die Sensorspulen 6 und 7, die in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit in geringem Abstand voneinander dargestellt sind, können sich berühren. Die primären Magnetfelder der Permanentmagneten treten – wie in 1 angedeutet – senkrecht aus den Stirnflächen der Permanentmagnete aus.In 1 is 1 a carrier for three permanent magnets 2 . 3 . 4 changing polarity. On the face 5 of permanent magnets 2 to 4 are sections of two sensor coils 6 and 7 applied. The sensor coils 6 . 7 are designed as flat air coils, their windings have, as in 3 recognizable, parallel to the lateral longitudinal edges of the permanent magnets 2 to 4 running longitudinal legs on the outside of the end faces 5 of permanent magnets 2 to 4 are interconnected. Both the permanent magnets 2 to 4 as well as the sensor coils 6 and 7 , which are shown in the drawings for the sake of clarity, can touch each other. The primary magnetic fields of the permanent magnets occur - as in 1 indicated - vertically from the end faces of the permanent magnets.

Zur Befestigung der Sensorspulen 6, 7 auf den Stirnflächen 5 der Permanentmagnete 2 bis 4 dient ein geeigneter Kleber. Durch die Permanentmagnete 2 bis 4 werden bei einer Bewegung eines oberhalb der Sensorspulen 6 und 7 angeordneten Messmittels 8 im Messmittel 8 gegenläufige Wirbelstromfelder 9 bis 12 erzeugt, die zum Aufbau sekundärer Magnetfelder führen, deren Summenvektoren 13 bis 16 in 2 gezeigt sind. Man erkennt bei einem Vergleich der 2 und 3, dass die Form der Sensorspulen 6 und 7 im wesentlichen der Form der Wirbelstromfelder 10 und 11 entspricht und dass die Summenvektoren 14, 15 der durch die Wirbelstromfelder 10 und 11 erzeugten sekundären Magnetkreise praktisch durch die Fugen zwischen den Permanentmagneten 2 und 3 bzw. 3 und 4 verlaufen. Die angedeutete praktische „Deckungsgleichheit" der Sensorspulen 6, 7 und der infolge der gewählten Anordnung der Permanentmagnete 2 bis 4 „eingezwängten" Wirbelstromfelder wirkt sich nicht nur positiv auf die Grenzfrequenz der Vorrichtung, sondern auch auf deren Messempfindlichkeit aus. Jede Veränderung der Geschwindigkeit des Messmittels führt über die Beeinflussung der Wirbelstromfelder zu einer Veränderung der sekundären Magnetfelder und zu in den Sensorspulen 6, 7 induzierten, den Beschleunigungen des Messmittels 8 proportionalen Spannungen.For fastening the sensor coils 6 . 7 on the end faces 5 of permanent magnets 2 to 4 use a suitable adhesive. Through the permanent magnets 2 to 4 when moving one above the sensor coils 6 and 7 arranged measuring equipment 8th in the measuring device 8th opposite eddy current fields 9 to 12 generated, which lead to the formation of secondary magnetic fields, their sum vectors 13 to 16 in 2 are shown. You can see a comparison of the 2 and 3 that the shape of the sensor coils 6 and 7 essentially the shape of the eddy current fields 10 and 11 corresponds and that the sum vectors 14 . 15 through the eddy current fields 10 and 11 generated secondary magnetic circuits practically through the joints between the permanent magnets 2 and 3 respectively. 3 and 4 run. The suggested practical "congruence" of the sensor coils 6 . 7 and due to the chosen arrangement of the permanent magnets 2 to 4 "Constrained" eddy current fields not only have a positive effect on the cut-off frequency of the device, but also on its measuring sensitivity. Every change in the speed of the measuring device leads to a change in the secondary magnetic fields and in the sensor coils due to the influence of the eddy current fields 6 . 7 induced, the accelerations of the measuring equipment 8th proportional voltages.

Während im Falle der 1 bis 3 den n = 3 Permanentmagneten n – 1 = 2 Sensorspulen 6 und 7 zugeordnet sind, ist in den 4 bis 6 eine Ausführungsform mit n = 3 Permanentmagneten 2 bis 4 und n + 1 = 4 Sensorspulen 6, 7, 17, 18 dargestellt. Mit Hilfe der zusätzlichen Sensorspulen 17 und 18 lässt sich die Messempfindlichkeit der Vorrichtung deutlich steigern. Durch die Verwendung eines, aus ferromagnetischem Material bestehenden wannenförmigen Trägers 19 wird verhindert, dass die äußeren Bahnen der Wirbelströme der Wirbelstromfelder 9 und 12 die in 2 dargestellte, leicht bogenförmige Kontur haben. Der Wannenrand wirkt nämlich als zusätzlicher, die Wirbelstromfelder zusammendrückender Erregermagnet.While in the case of 1 to 3 the n = 3 permanent magnets n - 1 = 2 sensor coils 6 and 7 are assigned in the 4 to 6 an embodiment with n = 3 permanent magnets 2 to 4 and n + 1 = 4 sensor coils 6 . 7 . 17 . 18 shown. With the help of the additional sensor coils 17 and 18 the measuring sensitivity of the device can be increased significantly. By using a trough-shaped support made of ferromagnetic material 19 prevents the outer paths of the eddy currents from the eddy current fields 9 and 12 in the 2 shown, have a slightly arcuate contour. The tub rim acts as an additional excitation magnet that compresses the eddy current fields.

Der wannenförmige Träger 19 erweist sich im übrigen auch insofern als vorteilhaft, als sein von den Permanentmagneten 2 bis 4 und den Sensorspulen 6, 7, 17, 18 nicht genutzter Raum 20 durch eine Vergussmasse ausgefüllt werden kann, die nicht nur die Lage der vorgenannten Teile zueinander sichert, sondern auch einen Schutz dieser Teile vor Beschädigungen bietet.The tub-shaped support 19 also proves to be advantageous in that its permanent magnets 2 to 4 and the sensor coils 6 . 7 . 17 . 18 unused space 20 can be filled with a potting compound that not only secures the position of the aforementioned parts to each other, but also offers protection for these parts from damage.

Bei beiden dargestellten Lösungen haben die Wirbelstromfelder aufgrund der wechselnden magnetischen Polarität der Permanentmagnete 2 bis 4 – wie durch entsprechende Pfeile angedeutet – wechselnde Richtungen. Dies bedeutet, dass auch die sekundären, durch die Summenvektoren 13 bis 16 repräsentierten Magnetfelder eine wechselnde Polarität haben. Es versteht sich, dass der Wickelsinn der Windungen der Sensorspulen dem Drehsinn der Wirbelströme entsprechen muss.In both solutions shown, the eddy current fields have due to the changing magnetic polarity of the permanent magnets 2 to 4 - as indicated by corresponding arrows - changing directions. This means that the secondary, too, through the sum vectors 13 to 16 represented magnetic fields have an alternating polarity. It goes without saying that the winding direction of the windings of the sensor coils must correspond to the direction of rotation of the eddy currents.

In 7 ist ein Beschleunigungsmessvorrichtung dargestellt, die aus zwei Teilvorrichtungen besteht, von denen eine jede den in den 4 bis 6 gezeigten Aufbau hat und deren Permanentmagnetfelder sich gegenseitig verstärken.In 7 An acceleration measuring device is shown which consists of two sub-devices, each of which is shown in FIGS 4 to 6 structure shown and their permanent magnetic fields mutually reinforce each other.

Das neuartige Prinzip der in einer quasi zweiten Ebenen oberhalb der Stirnfläche der Permanentmagnete angeordneten Sensorspulen kann auch bei zylindrischen Ausführungsformen der in der 8 dargestellten Art genutzt werden. Hier sind auf einem Träger 21 mit polygoner Umfangsfläche Permanentmagnete 22 angeordnet, deren Stirnflächen wiederum Abschnitte benachbarter Sensorspulen 23 tragen. Wegen der geschlossenen Struktur ist die Anzahl der Sensorspulen 23 hier gleich der Anzahl der Permanentmagnete 22, wobei die Anzahl der Sensorspulen 23 wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wiederum geradzahlig ist, um Störfeldeinflüsse zu eliminieren. Die Sensorspulen aller Ausführungsbeispiele sind – wie bereits erwähnt – zur Erzielung einer hohen Grenzfrequenz als sogenannte Luftspulen, d. h. ohne Eisenkern ausgebildet. Wobei es im übrigen zweckmäßig sein kann, anstelle gewickelter Spulen Printspulen in Multilayer-Form zu verwenden. Durch die praktisch abstandslose Aufeinanderfolge der Permanentmagnete werden die Wirbelstrombahnen zur Erzielung einer kleinen Induktivität zusammengedrückt.The novel principle of the sensor coils arranged in a quasi-second plane above the end face of the permanent magnets can also be used in the case of cylindrical embodiments 8th shown type can be used. Here are on a carrier 21 with polygonal peripheral surface permanent magnets 22 arranged, the end faces in turn sections of adjacent sensor coils 23 wear. Because of the closed structure, the number of sensor coils is 23 here the number of permanent magnets 22 , the number of sensor coils 23 as in the previously described embodiments, is even in order to eliminate interference field influences. As already mentioned, the sensor coils of all exemplary embodiments are designed as so-called air coils to achieve a high cut-off frequency, ie without an iron core. Moreover, it may be useful to use multilayer-shaped print spools instead of wound spools. Due to the practically spaced succession of the permanent magnets, the eddy current paths are compressed to achieve a small inductance.

Claims

Device for measuring relative accelerations with a measuring device designed as an eddy current body, with several permanent magnets of alternating polarity arranged essentially perpendicular to the measuring device for generating primary magnetic fields emerging from their end faces facing the measuring device, and with several sensor coils designed as flat coils, the center axes of which are also essentially perpendicular to the Measuring devices are oriented and are used to record the changes in secondary magnetic fields that are generated when the measuring device is accelerated by the eddy currents effective in the measuring device, characterized in that the permanent magnets ( 2 - 4 ) are arranged directly next to each other and at least one section of the windings of two sensor coils ( 6 . 7 . 17 . 18 ; 23 ) on the face ( 5 ) at least one permanent magnet ( 2 - 4 ; 22 ) is applied that the centers of the secondary magnetic fields essentially through the center axes of the sensor coils ( 6 . 7 . 17 . 18 ; 23 ) run.

Device according to claim 1, characterized in that all permanent magnets ( 2 - 4 ) on each face two Ab arranged symmetrically to the center of their faces cuts of adjacent sensor coils ( 6 . 7 . 17 . 18 ; 23 ) wear.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the center axis of each sensor coil ( 6 . 7 . 17 . 18 ; 23 ), the windings of which each form part of the end faces ( 5 ) adjacent permanent magnets ( 2 - 4 ) cover through the joint between the adjacent permanent magnets ( 2 . 3 respectively. 3 . 4 ) runs.

Device according to Claim 3, characterized in that it comprises n permanent magnets ( 2 - 4 ) and n - 1 sensor coils ( 6 . 7 ) having.

Device according to Claim 3, characterized in that it comprises n permanent magnets ( 2 - 4 ) and n + 1 sensor coils ( 6 . 7 . 17 . 18 ) having.

Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that it has an even number of sensor coils ( 6 . 7 . 17 . 18 ; 23 ) having.

Device according to one of claims 2 to 6, characterized in that in each case one of the outer permanent magnets ( 2 . 4 ) sensor coils assigned to a permanent magnet series ( 17 . 18 ) next to one the end face ( 5 ) of the respective outer permanent magnet ( 2 . 4 ) covering section laterally over its end face ( 5 ) has the preceding section.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the windings of the sensor coils ( 6 . 7 . 17 . 18 ; 23 ) parallel to the longitudinal edges of the permanent magnets ( 2 - 4 ) have longitudinal legs that extend outside the end faces ( 5 ) of permanent magnets ( 2 - 4 ) are connected.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that that the adjacent permanent magnets touch each other.

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that that the neighboring sensor coils touch each other.

Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the shape of the sensor coils ( 6 . 7 . 17 . 18 ) largely with the shape of the eddy current fields ( 9 - 12 ) in the measuring equipment ( 8th ) matches.

Device according to one of claims 8 to 11, characterized in that the distance between the parallel legs of each sensor coil ( 6 . 7 . 17 . 18 ) is small.

Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the width of the sensor coils ( 6 . 7 . 17 . 18 ) essentially equal to the width of the permanent magnets ( 2 - 4 ) is.

Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the sensor coils ( 6 . 7 . 17 . 18 ; 23 ) are designed as air coils.

Device according to one of claims 1 to 14, characterized in that it consists of two identically constructed sub-devices which on opposite sides of the measuring means ( 8th ) are arranged.

Device according to one of claims 1 to 15, characterized in that the permanent magnets ( 2 - 4 ) on a magnetically conductive carrier ( 19 ; 21 ) are arranged.

Device according to claim 16, characterized in that the magnetically conductive carrier ( 19 ) is trough-shaped.

Device according to one of claims 1 to 17, characterized in that the permanent magnets ( 2 - 4 ) and the sensor coils ( 6 . 7 . 17 . 18 ) are embedded in a sealing compound.