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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Messen einer Position,
eines Weges und/oder einer Bewegungsrichtung, auch Wegmesssensor
genannt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen
einer Position, eines Weges und/oder einer Bewegungsrichtung.
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Üblicherweise
sind derartige Wegmesssensoren, welche im Allgemeinen auf dem so
genannten Transformatorprinzip beruhen, mikromechanisch und teilweise
dünnfilmtechnisch
ausgeführt.
Der aus der
DE 42 01
721 C2 bekannte berührungslose
Wegmesssensor beinhaltet einen Stator, der sich in Leiterplatten-,
Dickfilm- oder Dünnfilmtechnik
herstellen lässt.
Der Läufer
ist nicht durch diese Techniken realisierbar. Unter Transformatorprinzip
wird hierbei verstanden, dass eine Bewegung oder Änderung
einer Position magnetisch-induktiv identifiziert wird. Dazu sind
beispielsweise mehrere Spulen vorgesehen, insbesondere eine Läuferspule
und eine Ständerspule,
an welche ein elektrisches Wechselfeld angelegt wird. Die Läuferspule
dient als Messspule und umfasst ferner ein magnetisches Joch, in
deren Spalt ein Ständer
angeordnet ist. Der Ständer
wiederum umfasst mehrere Ständerspulen,
die über
das magnetische Joch induktiv mit der Läuferspule gekoppelt sind, so
dass ein Magnetfeld erzeugt wird. Dabei wird je nach Position des
Läufers
und somit der Läuferspule
gegenüber
dem Ständer
durch das Magnetfeld im Läufer
eine entsprechende Spannung eingekoppelt, die eine Absolutmessung
ermöglicht.
Der hier beschriebene Wegmesssensor ist mikromechanisch ausgeführt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Messung einer
Position, eines Weges und/oder einer Bewegungsrichtung anzugeben, welcher
eine möglichst
hohe Auflösung
aufweist und möglichst
wenig Bauraum bedarf. Des Weiteren ist ein besonders einfa ches Verfahren
zur Messung einer Position, eines Weges und/oder einer Bewegungsrichtung
anzugeben.
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Die
bezüglich
des Sensors gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
1 gelöst.
Die bezüglich des
Verfahrens gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
17. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
Sensor oder das Messsystem umfasst in seiner einfachen Form einen
Läufer
und einen mindestens eine Messspule sowie eine Erregerspule umfassenden
Ständer,
die relativ zueinander beweglich sind, wobei der Läufer, insbesondere
ein diesem zugehöriges
magnetisches Rückschlusselement
derart zum Ständer
anordbar ist, dass bei einer zueinander relativen Bewegung mittels
der Messspule des Ständers
ein zur Läuferstellung
proportionales Messsignal ermittelt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ändert sich
das Messsignal als Funktion der Läuferstellung sinus- und/oder
kosinusförmig.
Das heißt,
in Abhängigkeit
von der Lage oder Stellung des Läufers wird
in der Messspule des Ständers
ein Messsignal erzeugt, welches einer Sinusfunktion oder Kosinusfunktion
entspricht. Bevorzugt ändert
sich die Signalamplitude des Messsignals als Funktion der Läuferstellung.
Dazu ist der Läufer,
insbesondere dessen zugehöriges
magnetisches Rückschlusselement zweckmäßigerweise
an eine vorgegebene Signalform des Messsignals geometrisch angepasst.
Beispielsweise ist das magnetische Rückschlusselement mit einer
geeigneten einfachen Kontur und Abmessung in Form eines Rechteckprofils
ausgeführt. In
einer bevorzugten Form ist das magnetische Rückschlusselement des Läufers aus
einer Reihe von diesen Profilen, z.B. Schenkeln, gebildet.
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Darüber hinaus
weist der Ständer
einen magnetischen Kern mit Polen zur magnetischen Flussführung auf.
Dabei ist der magnetische Kern mit Polen in Art eines E-Profils
ausgebildet, dessen Stege einzelne Pole bilden, die jeweils als
Kern oder magnetisches Joch einer oder mehrerer Messspulen und/oder
Erregerspulen dienen.
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Vorteilhafterweise
ist der Abstand zweier benachbarter magnetischer Rückschlusselemente
mindestens doppelt so groß wie
der Abstand zwischen benachbarten Kernelementen des magnetischen Kerns
einer einzelnen Messspule. Hierdurch ist sichergestellt, dass das
Messsignal in die jeweilige Messspule mehrfach mit immer gleicher
Flussrichtung übertragen wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind mindestens
zwei Messspulen vorgesehen, wobei der Läufer je Messspule ein zugehöriges magnetisches
Rückschlusselement,
z.B. eine magnetische Schenkelgruppe, umfasst. Vorzugsweise sind
zwischen zwei, beispielsweise spiralförmigen Messspulen des Ständers eine,
insbesondere mäanderförmige Erregerspule
angeordnet.
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Zweckmäßigerweise
sind die benachbarten Messspulen zugehörigen magnetischen Rückschlusselemente
(= Schenkgruppen) messspulenbezogen zueinander versetzt angeordnet.
D.h. die Schenkel sind um eine Viertelperiode der Kernelemente der
jeweiligen Messspule versetzt angeordnet. Eine derartige Anordnung
der als magnetische Rückschlusselemente
dienenden Schenkel zu den Polen des Kerns der Messspulen ermöglicht zudem
in einfachster Form die Erzeugung eines sinusförmigen Messsignals. Mit anderen
Worten: Die Signalform des Messsignals wird einerseits durch das
Breitenverhältnis zwischen
den Polen des Ständers
und den Schenkeln des Rückschlusses
des Läufers
bestimmt, anderseits durch entsprechende Kontur der Schenkel des
Läufers.
Eine mögliche
Kontur für
die Schenkel ist die Rechteckform, welche ein sägezahnartiges Signal erzeugt.
Alternativ können
die Schenkel mit veränderten
Querschnitten, beispielsweise mit gekrümmten Längsseiten, ausgeführt werden,
welche eine einer Sinusfunktion angenäherte Signalform bewirken.
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Ein
bekannter Ansatz zur Bestimmung einer Bewegungsrichtung ist die
gleichzeitige Auswertung von Kosinus- und Sinussignalen. Dabei ändert sich die
Phasenlage zwischen zwei Messsignalen in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung
eines Läufers.
Hierdurch kann nicht nur eine Bestimmung der Position, des Winkels
oder des Weges eines Objekts, welches mit dem Läufer verbunden ist, erfolgen.
Vielmehr ist zusätzlich
die Bewegungsrichtung eines Läufers
und somit des Objekts bestimmbar. Hierzu umfasst das hier beschriebene
System oder der Sensor in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mit
mindestens zwei Messspulen und einer Erregerspule einen Läufer, der
magnetische Rückschlusselemente
mit einem Schenkel je Messspule aufweist. Bevorzugt sind die magnetischen
Schenkel des Läufers
je nach Einleitung in die Messspule um ein Viertel des Abstandes
benachbarter Schenkel zueinander versetzt angeordnet. Dabei ändert sich
die Phasenlage zwischen zwei Messsignalen der Messspulen vorteilhafter
Weise in Abhängigkeit
von der Bewegungsrichtung des Läufers.
Hierdurch kann neben der Bestimmung der Position oder des Weges,
eines Objekts, welches mit dem Läufer
verbunden ist, zusätzlich
die Bewegungsrichtung ermittelt werden. Dabei eilt das Messsignal
der einen Messspule dem Messsignal der anderen Messspule voraus
oder nach. Darüber
hinaus ist durch einen mehrere Messspulen aufweisenden Sensor eine
höhere
Messsignalauflösung
möglich.
Hierzu wird sowohl das Sinus- als auch das Kosinussignal der Messsignale
ausgewertet, indem Amplitudenschwankungen aufgrund von Abstandsänderungen
oder Längenänderungen zwischen
dem festen Teil des Sensors (= Ständer) und dem beweglichen Teil
des Sensors (= Läufer)
minimiert werden. Dabei werden das Kosinus- und das Sinussignal
anhand einer Interpolation, insbesondere der Arcustangens-Interpolation
verarbeitet.
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Für eine möglichst
genaue, auch im μm-Bereich
hinreichend genaue Wegmessung sind der Läufer und der Ständer derart
zueinander angeordnet sind, dass diese in Längsrichtung geführt, insbesondere
in einem vorgegebenen Abstand zueinander bewegbar sind. Die Führung des
Läufers
erfolgt durch direkte Montage und Ausrichtung der Teile am zu vermessenden
System oder durch Einbau des Sensors in ein Gehäuse, dass eine translatorische oder
rotatorische Bewegung des Läufers
und des Ständers
zueinander zulässt.
Bei einer rotatorischen Auslegung des Systems ist die Anordnung
nicht linear, sondern kreisförmig
zu realisieren.
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Vorzugsweise
sind der Läufer
und der Ständer
derart zueinander bewegbar, dass sich diese nicht berühren. Neben
einer berührungslosen
Anwendung des Systems ist auch eine Betriebsart möglich, bei
der der Läufer
auf dem Ständer
gleitet. Für den
Fall eines Betriebes im Gleitmodus sind der Läufer und/oder der Ständer, insbesondere
deren Kontaktflächen
mit einer tribologischen Schicht, z.B. mit einer so genannten diamond-like-carbon-Schicht (kurz
DLC-Schicht genannt), versehen, um eine möglichst reibungsfreie und somit
eine hohe Messgenauigkeit ermöglichende
Bewegung beizubehalten.
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Für eine möglichst
an den Einsatz und die Funktion des Sensors angepasste Bauform sind
der Läufer
und der Ständer
in Dünnfilmtechnik
gefertigt und hybrid montiert. Dies ermöglicht, dass der im μm-Bereich
eingesetzte Wegmesssensor auch an kleineren bewegbaren Objekten
hinreichend gut angeordnet werden kann.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass ein aus einer Kombination von dünnfilmtechnisch hergestellten
Erreger- und Messspulen sowie magnetischen Jochen gebildeter Sensor
eine inkrementale Wegmessung ermöglicht
bei gleichzeitig hoher Messauflösung. Darüber hinaus
kann durch eine Sensoranordnung mit zwei Messspulen zusätzlich zur
eigentlichen Wegmessung auch noch die Bewegungsrichtung bestimmt
werden. Durch Verwendung mehrerer Sensorsysteme mit unterschiedlichen
Perioden ist es zudem möglich,
den Sensor mit kodierten Signalen für die absolute Wegmessung ohne
vorherige Kalibrierung einzusetzen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 schematisch einen Sensor
zur Messung einer Position, eines Weges und/oder einer Bewegungsrichtung
mit einem Läufer
und einem Ständer
in Draufsicht,
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2 schematisch eine Ausführungsform
eines Sensors in Dünnfilmtechnik
mit getrennter Darstellung von Ständer und Läufer,
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3A und 3B Diagramme für den Funktionsverlauf von
an Messspulen des Ständers
erfassten Messsignalen, und
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4 schematisch in perspektivischer
Darstellung den Läufer
und den Ständer
mit den Kontaktflächen.
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Sensor 1 zur,
insbesondere berührungslosen
Messung einer Position, eines Weges und/oder einer Bewegungsrichtung
P1 (im weiteren kurz Wegmesssensor 1 genannt). Der Wegmesssensor 1 umfasst
einen statisch angeordneten Ständer 2 und
einen beweglichen Läufer 4 und
arbeitet induktiv.
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Dazu
umfasst der Ständer 2 mindestens
eine Primär-
oder Erregerspule 6. Die Erregerspule 6 weist
beispielsweise eine Mäanderform
auf. Die Erregerspule 6 wird beispielsweise in nicht näher dargestellter
Weise mit Wechselstrom 1 gespeist. Des Weiteren umfasst
der Ständer 2 im
Ausführungsbeispiel als
Sekundärspulen
zwei Messspulen 8a, 8b, die spiralförmig ausgeführt sind.
Die Messspulen 8a, 8b sind gleich groß und räumlich voneinander
beabstandet auf dem Ständer 2 angeordnet.
Zwischen den Messspulen 8a, 8b ist die Erregerspule 6 angeordnet.
Mit anderen Worten: Die Messspulen 8a, 8b sind seitlich
von der Erregerspule 6 angeordnet.
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Zur
magnetischen Flussführung
als Teil des magnetischen Kreises des Wegmesssensors 1 umfasst
der Ständer 2 einen
magnetischen Kern 10 mit Polen 12. Der magnetische
Kern 10 mit Polen 12 umfasst mehrere Kernelemente 10a bis 10z,
welche jeweils als E-Profil ausgeführt sind, wobei die Stege einzelne
Pole 12 bilden, welche jeweils als Kern in den Messspu len 8a, 8b und
in der Erregerspule 6 angeordnet sind. Mit anderen Worten:
Jedes Kernelement 10a bis 10z weist drei Pole 12 auf,
die jeweils den Kern der Messspulen 8a, 8b und
der Erregerspule 6 bilden. Die Kernelemente 10a bis 10z sind
gleich groß und
in einem Abstand a2 voneinander oder parallel zueinander sowie quer
zur Längsausrichtung der
Messspulen 8a, 8b und der Erregerspule 6 angeordnet.
Ein derartig aufgebauter Ständer 2 umfasst somit
mehrere Lagen – eine
Kernlage und mehrere Spulenlagen.
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Der
Läufer 4 umfasst
zur Schließung
des magnetischen Kreises als magnetische Rückführungen magnetische Rückschlusselemente 14.
Die magnetischen Rückschlusselemente 14 sind
gleichförmig,
insbesondere als Rechteckprofil ausgeführt und in einer Reihe parallel
zueinander angeordnet. Insbesondere verlaufen die magnetischen Rückschlusselemente 14 quer
zur Längsausrichtung
der Erregerspule 6 und der Messspulen 8a, 8b.
Der Läufer 4 ist entlang
des Pfeiles P1 in beide Richtungen beweglich angeordnet. Der Wegmesssensor 1 entspricht somit
einem Transformator mit einem beweglichen Kern. Dabei umfasst der
magnetische Kreis des Transformators den magnetischen Kern 10 mit
den Polen 12, die in der Sekundärspule (= Messspulen 8a, 8b)
und der Primärspule
(= Erregerspule 6) angeordnet sind, und einen als beweglichen
magnetischen Rückschluss
ausgebildeten Läufer 4.
Der Läufer 4 umfasst
lediglich eine Lage – die
magnetische Rückschlusslage.
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Nachfolgend
wird das Messverfahren näher erläutert:
Im
Betrieb des Wegmesssensors 1 dient die Erregerspule 6 der
Erregung des Messsystems, indem die Erregerspule 6 mit
Wechselstrom 1 gespeist wird. Hierdurch wird ein magnetischer
Fluss ϕ erzeugt, der den magnetischen Kreis durch den magnetischen Kern 10 des
Ständers 2 und
die magnetischen Rückschlusselemente 14 des
beweglichen Läufers 4 in den
Messspulen 8a, 8b schließt. Dabei kommt es zu einer
Induzierung einer Wechselspannung U in den Messspulen 8a, 8b,
die als Messsignal M mittels einer nicht näher dargestellten Mess- und/oder Auswerteeinheit
erfasst wird. Die Größe der in
den Messspulen 8a, 8b induzierten Wechselspannung
U und somit des Messsignals M ist dabei abhängig von der Größe der induktiven
Kopplung zwischen der Erregerspule 6 und den Messspulen 8a, 8b und
damit von der Lage oder Position der beweglichen magnetischen Rückschlusselementen 14,
wodurch eine Bestimmung der Lage des Läufers 4 möglich ist.
Hierbei ist der Läufer 4 zu
dem Ständer 2 relativ
bewegbar zueinander angeordnet.
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Bevorzugt ändert sich
die Signalamplitude des Messsignals M als Funktion der Lage des
Läufers 4 sinus-
und/oder cosinusförmig.
Dazu ist der Läufer 4,
insbesondere dessen mag netische Rückschlusselemente 14 entsprechend
in den Abmessungen und der Kontur ausgeführt. Beispielsweise sind die
Abmessungen und die Kontur der magnetischen Rückschlusselemente 14 so
gewählt,
dass die Sinus- oder Kosinusfunktion als Funktion des Messsignals M
annähernd
eingestellt ist.
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Des
Weiteren ist die Signalform des Messsignals M durch das Breitenverhältnis der
Pole 12 des Kerns 10 zu den magnetischen Rückschlusselementen 14 bestimmt.
Weiterhin lässt
sich die Signalform durch eine Konturgestaltung der Rückschlusselemente 14 beeinflussen.
Neben einer lateralen Abänderung
der Rechteckform ist auch eine vertikale Änderung der Rechteckform möglich, um
Einfluss auf die Signalform zu nehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Abstand a1, z.B. 60 μm,
zwischen benachbarten magnetischen Rückschlusselementen 14 des
Läufers 4 doppelt
so groß wie
der Abstand a2, z.B. 30 μm,
zwischen benachbarten Kernelementen 10a bis 10z des
Ständers 2,
insbesondere den Polelementen 12. Mit anderen Worten: Der
Abstand zwischen den Mittellinien zweier benachbarter Rückschlusselemente 14 des
Läufers 4 entspricht dem
doppelten Abstand zwischen den Mittellinien zweier benachbarter
Kernelemente 10a bis 10e des Ständers 2.
Der doppelte Abstand der magnetischen Rückschlusselemente 14 bewirkt,
dass je nach Lage oder Position des Läufers 4 es immer zu
einer gleichphasigen induktiven Einkopplung im Sekundärteil des
Ständers 2,
d.h. in den Messspulen 8a, 8b, kommt. Dabei tritt
bei sich verändernder Überlappung
oder Überdeckung
der magnetischen Rückschlusselemente 14 des
Läufers 4 mit
den Polen 12 des Ständers 2 eine
veränderliche
induktive Kopplung auf, so dass eine Amplitudenänderung des Messsignals M erfasst
werden kann.
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Um
als Messsignal M an den Messspulen 8a, 8b Sinus-
und Kosinussignale, also in der Phasenlage um 90° versetzte Messsignale M zu
erfassen, sind die Schenkel der magnetischen Rückschlusselemente 14 derart
zueinander angeordnet, dass alle einer Messspule 8a oder 8b zugeordneten
Schenkel (Schenkelgruppe je Messspule) um die Hälfte des Abstandes a2 zwischen
benachbarten Polen 12 gegenüber der anderen Messspule 8b bzw. 8a zugeordneten
Schenkelgruppe versetzt angeordnet sind und sich somit um 90° versetzte
Phasenlage in den den Schenkelgruppen zugehörigen Messsignalen M ergibt.
Durch die gewählte
Anordnung der Messspulen 8a, 8b zueinander unter
Zwischenanordnung der Erregerspule 6 wird in den Messspulen 8a, 8b ein
sinus- und ein kosinusförmiges
Messsignal M mit entsprechend sinus- bzw. kosinusförmigen Amplitudenverlauf
erzeugt, so dass neben der Positionserkennung auch eine Erkennung
der Bewegungsrichtung des Läufers 4 möglich ist.
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Um
die Bewegungsrichtung des Läufers 4 zu bestimmen,
wird neben dem Messsignal M der einen Messspule 8a auch
das Messsignal M der anderen Messspule 8b ausgewertet.
Dabei wird durch die oben beschriebene Anordnung in der einen Messspule 8a ein
Sinussignal und in der anderen Messspule 8b ein Kosinussignal
und somit ein um 90°-versetztes
Messsignal M erzeugt. Je nach Bewegungsrichtung des Läufers 4 eilt
das phasenversetzte Messsignal M der einen Messspule 8a dem Messsignal
M der anderen Messspule 8b in der Phase voraus oder nach.
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Neben
der Richtungsbestimmung ist durch die Verwendung mehrerer Messspulen 8a, 8b und der
Anordnung dieser zueinander sowie der Art und Aufbau der induktiven
Kopplung des Wegmesssensors 1 eine gegenüber herkömmlichen
Wegmesssensoren höhere
Auflösung
des Messsignals M ermöglicht.
Dabei werden mittels der Auswertung des Sinus- und des Kosinussignals
anhand einer Interpolation, insbesondere einer Arcustangens-Interpolation
Amplitudenschwankungen aufgrund von Abstandsänderungen zwischen dem Ständer 2 und dem
Läufer 4 reduziert.
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2 zeigt eine Ausführungsform
für einen Wegmesssensor 1 in
Dünnfilmtechnik.
Dabei sind die dem Wegmesssensor 1 zugrunde liegenden Komponenten – Ständer 2 mit
Erregerspule 6, Messspulen 8a, 8b und
magnetischen Kern 10 sowie Läufer 4 mit magnetischen
Rückschlusselementen 14 – getrennt voneinander
dargestellt.
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3A zeigt ein Diagramm mit
einem beispielhaften Funktionsverlauf für das Messsignal M – der induzierten
Wechselspannung U als Funktion der relativen Verschiebung W zur
Bestimmung der Läuferposition
für verschiedene
Rückschlusselement-Konturen:
Funktionsverlauf 1 beschreibt die Signalform bei nicht
optimierter Rückschlusselement-Kontur
und Funktionsverlauf II beschreibt die Signalform bei optimierter
Rückschlusselement-Kontur.
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Die 3B zeigt das an der jeweiligen
Messspule 8a und 8b erfasste Messsignal M – ein Sinussignal
SS bzw. ein Kosinussignal KS.
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4 zeigt den Wegmesssensor 1 mit
dem an einem Objekt O angeordneten Läufer 4 und dem zugehörigen Ständer 2,
der ebenfalls ggf. an einem weiteren Objekt O' angeordnet sein kann. Der Läufer 4 ist
dabei an einem bewegbaren Objekt O befestigt, der Ständer 2 ist
fest an dem zugehörigen
Objekt O' befestigt,
wobei sich O relativ zu O' bewegen
kann. Wie ersichtlich, sind der Läufer 4 und der Ständer 2 an
Kontaktflächen
K zueinander bewegbar angeordnet, wobei der Läufer 4 und der Ständer 2 bevorzugt aneinander
gleiten. Hierzu sind die Kontaktflächen K mit einer tribologischen
Schicht S, z.B. mit einer so genannten diamond-like-carbon-Schicht
(kurz DLC-Schicht genannt), versehen.