DE19822516C1 - Wirbelstromsensorkopf einer Vorrichtung zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsmessung - Google Patents

Abstract

Der Wirbelstromsensorkopf (1) weist ein Substratplättchen (10) auf, auf dessen beiden Flächen (Vorder- und Rückseite) jeweils eine Sensor-/Gradiometerspule (11) angeordnet ist. Das Plättchen (10) ist dabei senkrecht zur Spur eines Testkörpers (20) angeordnet. Der Sensorkopf ist dür Drehzahl-/Drehwinkel-Messer verwendbar.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die konstruktive Ausgestaltung eines Wirbelstromsensorkopfes, wie er in prin­ zipiell bekannter Weise zur für Drehzahl- und Drehwinkeler­ fassung verwendet wird.

Aus der GB 2 167 563 A ist das Prinzip der Drehwinkel- und/oder Drehzahlerfassung bekannt, das mit einer Erregung von Wirbelströmen in einem Testkörper und der Signalantwort des Testkörpers auf diese Wirbelstromerzeugung hin arbeitet. Die Signalantwort wird von einem Sensor aufgenommen, von dem ausgehend auch die Wirbelstromerregung vorgenommen sein kann. Der Testkörper und der Sensor sind relativ zueinander beweg­ lich, wobei es eine longitudinale Bewegung oder auch eine Ro­ tationsbewegung, vorzugsweise des Testkörpers, sein kann, dessen Drehzahl/ Rotationsgeschwindigkeit gemessen werden kann. Die genannte Relativbewegung kann auch derart sein, daß die Messung einer nur kleinen Longitudinalverschiebung oder respektive einer Drehwinkeländerung des Testkörpers zu erfas­ sen ist.

Eine weitere Veröffentlichung zum Stand der Technik ist die DE 195 04 307 A1. Die dort beschriebene Einrichtung zur Posi­ tions- oder Geschwindigkeitserfassung enthält einen Informa­ tionsträger mit mindestens einer Spur mit Informationsab­ schnitten. Die mit den Informationsabschnitten in Wechselwir­ kung kommende Sensorvorrichtung ist dieser Spur nahe benach­ bart gegenüberstehend positioniert. Zur Sensorvorrichtung ge­ hören signalverarbeitende Mittel. Die Informationsabschnitte der Spur sind z. B. aus einem elektrisch leitenden Material bestehend und sind innerhalb der Spur voneinander durch Zonen mit verminderter elektrischer Leitfähigkeit getrennt. Zu die­ ser bekannten Einrichtung gehören die Mittel zur Erzeugung von Wirbelströmen in den elektrisch leitenden Informationsab­ schnitten der Spur. Die Sensorvorrichtung ist ausgebildet für ein induktives Erfassen der in diesen einzelnen Informations­ abschnitten induktiv erzeugten Wirbelströme, d. h. der mit diesen Wirbelströmen verbundenen Magnetfelder. Entsprechend dem periodischen Abwechseln von Informationsabschnitten und dazwischenliegenden inaktiven Zonen detektiert die Sensorvor­ richtung bei Relativbewegung zwischen der Spur und der Sen­ sorvorrichtung entlang der Spur entsprechend periodisch das Vorhandensein dieser örtlich erregten Magnetfelder. Auch die­ se bekannte Vorrichtung dient als Dreh- oder Linearpositions­ geber, Dreh- oder Lineargeschwindigkeitsgeber und derglei­ chen.

Diese bekannte Sensorvorrichtung umfaßt mindestens einen Sen­ sor, der so angeordnet ist, daß die bewegte Spur der Informa­ tionsabschnitte an diesem Sensor vorbeilaufend ist. Im Falle von zwei Sensorspulen der Vorrichtung, ist z. B. eine der Spu­ len, in Bewegungsrichtung der Spur gesehen, vor und die ande­ re nach dem Mittel zur Erregung der Wirbelströme in den In­ formationsabschnitten vorgesehen.

Eine weitere Sensorvorrichtung mit einem Wirbelstromsensor­ kopf zur Positionsmessung eines Testkörpers geht aus der DE 44 11 759 C2 hervor. Der Sensorkopf weist dabei ein Sub­ stratplättchen auf, auf dem Sensorspulen und Erregerspulen angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfaßt zwei einzelne Sensoren, die in einem gewählten Abstand voneinander angeord­ net sind und die Informationsabschnitte an diesen beiden Sen­ soren nacheinander entlanglaufen. Je dichter zueinander be­ nachbart diese Sensoren positioniert sind, umso größer ist (bei entsprechend angepaßter geringer Periodenlänge der In­ formationsabschnitte auf der Spur) das Auflösungsvermögen, mit dem die Sensorvorrichtung arbeiten kann. Die erwähnte Er­ regervorrichtung ist so ausgebildet, daß sie auf der Spur den Wirkungsbereich der beiden einzelnen Sensoren der Sensorvor­ richtung überdeckt und in (wenigstens) zwei benachbarten In­ formationsabschnitten die Erregung mit dem Ergebnis der Wir­ belstromerzeugung bewirken kann. Somit können für den Vorgang der Messung mit der Sensorvorrichtung die jeweils in den In­ formationsabschnitten erzeugten Wirbelstrom-Magnetfelder er­ faßt werden. Steht die Sensorvorrichtung über der Zone bzw. dem Spalt, der verminderte elektrische Leitfähigkeit hat und zwei benachbarte Informationsträger der Spur voneinander trennt, kann aufgrund der bekannten geometrischen Anordnung der Sensoren in der Sensorvorrichtung vom einen Sensor haupt­ sächlich das Magnetfeld des einen Informationsträgers und vom anderen Sensor hauptsächlich das Magnetfeld des benachbarten Informationsträgers erfaßt werden. Bei einem Durchlauf der Spur durch den Sensorbereich tritt dieser beschriebene selek­ tive Zustand periodisch mit der Relativbewegung auf. Aus den bekannten geometrischen Abmessungen der Spur und ihren Infor­ mationsträgern und den Abmessungen innerhalb der Sensorvor­ richtung kann der Absolutwert der Relativgeschwindigkeit mit elektronischer Auswertung in bekannter Weise bestimmt werden. Geht es um Messung von linearen Stellgrößen oder Drehwinkeln, erfolgt die Absolutwertbestimmung aus der differentiellen Än­ derung der Signale der beiden Sensoren der Sensorvorrichtung gegeneinander.

Ersichtlich hängt das Auflösungsvermögen der jeweiligen Ein­ richtung davon ab, wie nahe benachbart die Wirkungsschwer­ punkte der beiden Sensoren der Sensorvorrichtung voneinander beabstandet sind, ohne daß gegenseitige Störungen auftreten (denn der jeweilige Abstand zwischen benachbarten Informati­ onsträgern auf der Spur kann im Regelfall demgegenüber pro­ blemlos kleiner gehalten werden).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Kon­ struktionsweise bzw. einen Aufbau für eine an sich einschlä­ gige Sensorvorrichtung mit zwei benachbarten Sensoren mit je­ doch hoher Auflösung anzugeben, wobei als wesentlich auch ei­ ne preiswerte Herstellungsmöglichkeit der Sensorvorrichtung als Teil der Aufgabe zu berücksichtigen ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und in Weiterbildung mit den Merkmalen von Unteransprüchen gelöst.

Erfindungsgemäß ist ein Substratplättchen mit einer Dicke d vorgesehen, dessen jeweils eine Substratplättchenfläche so groß bemessen ist, daß auf dieser Fläche - je nach Ausführung als einfache Sensorspule oder als Gradiometersensorspule - dort außer für die Spule eines der Sensoren auch für eine ge­ gebenenfalls separat vorgesehene Erregerspule ausreichend Platz ist. Auf jeder der beiden einander gegenüberstehenden Substratplättchenflächen des Substratplättchens kann somit eine solche Sensorspule/ Gradiometersensorspule und auf we­ nigstens der einen dieser beiden Flächen auch noch die (eine) Erregerspule untergebracht sein. Durch die Dicke d des Plätt­ chens ist der Abstand der beiden somit einander gegenüberste­ henden Sensorspulen/Sensorgradiometerspulen zuverlässig be­ stimmt.

Ohne Einbuße an Stabilität kann ein relativ dünnes Substrat­ plättchen verwendet werden, so daß die Sensorspulen mit sehr kleinem Abstand d voneinander beabstandet positioniert sein können. Das Plättchen besteht aus einem nichtmagneti­ schen/magnetisch nicht-permeablen und elektrisch isolierenden Material.

Weitere Erläuterungen werden anhand der Beschreibung der Fi­ guren gegeben.

Die beiden Fig. 1 und 2 zeigen zwei Ansichten einer bei­ spielhaften Ausführungsform, wobei diese Ansichten aus zwei im Winkel von 90° zueinander stehenden Richtungen zu sehen sind.

Mit 10 ist das Substratplättchen aus elektrisch isolierendem Material mit der Dicke d bezeichnet. Vorzugsweise ist ein Ma­ terial ausgewählt, das für das insbesondere Aufdrucken oder eine dergleichen Herstellung von Flachspulen geeignet ist. Der in den Figuren unteren Randseite 15 des Substratplätt­ chens 10 gegenüberstehend ist der Testkörper 20 positioniert, der z. B. ein sich drehendes Rad ist, dessen Drehwinkel bzw. dessen Drehzahl-/Rotationsgeschwindigkeit mit dem erfin­ dungsgemäßen Sensorkopf erfaßt werden soll. Dieser Testkörper umfaßt in einer Spur 121 als Informationsträger Abschnitte 21, die in irgendeiner Weise elektrisch leitend sind. Dies kann dadurch erreicht sein, daß dort eine örtlich begrenzte elektrisch leitende Beschichtung 23 vorgesehen ist. Die Zonen 22 zwischen den Abschnitten 21 des Testkörpers 20 sind dage­ gen elektrisch nicht-leitend. Diese Abschnitte sind so posi­ tioniert, daß sie bei der vorgesehenen Bewegung des Testkör­ pers den Sensoren des Plättchens (zeitweise) nahestehend sind.

Vorzugsweise ist bei einer Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 eine solche Beschichtung 23 nicht nur vorderseitig und auf der Stirnfläche, sondern auch auf der in Fig. 1 auf der Rückseite liegenden Fläche des jeweiligen Abschnittes 21 vor­ gesehen.

Mit dem Pfeil ist in Fig. 1 als Beispiel eine Drehrichtung des Testkörpers 20 angezeigt. Es kann dies im Falle einer Longitudinalbewegung die entsprechende Bewegungsrichtung sein.

Die (momentan) benachbart gegenüberstehenden Flächen des Testkörpers 20 und des Substratplättchens 10 sind im Abstand a voneinander beabstandet. Die Wahl des Abstandes a ist ab­ hängig von den Anforderungen an die Meßgenauigkeit und das Auflösungsvermögen unter Berücksichtigung des Ausmaßes an vorgesehener/aufzuwendender Präzision der gesamten Anordnung (Halterung des Plättchens 10, Lagerung des Testkörpers 20) zu treffen.

In das Maß der zu erreichenden Auflösung geht außer der Dicke d des Substratplättchens auch dieser Abstand a zu einem ge­ wissen Maß ein.

In Fig. 2 ist eine Ansicht der Spule(n) darge­ stellt, die gegenüber der Ansicht gemäß Fig. 1 um 90° ge­ dreht ist. Das Ausführungsbeispiel zeigt in Fig. 2 eine Gra­ diometerspule 11. Statt dessen kann dies auch eine einfache Spule sein, jedoch wird mit Rücksicht auf Störunempfindlich­ keit im Regelfall eine Gradiometerspule bevorzugt verwendet. Der Spule 11 der Vorderseite 101 des Substratplättchens 10 (Fig. 2) ist auf der gegenüberliegenden Rückseite 102 des Substratplättchens eine vorzugsweise genau gleich ausgeführte Spule - hier also wieder eine Gradiometerspule - vorgesehen. Von dieser rückseitigen Spule sind in Fig. 2 nur die An­ schlüsse 111a und 111b zu sehen, die den Anschlüssen 11a und 11b der Spule 11 der Vorderseite 101 entsprechen. Auf der Vorderseite in Fig. 2 ist außerdem noch eine Erregerspule 12 gezeigt. Auf der Rückseite kann eine ebensolche Erregerspule vorgesehen sein, jedoch genügt im Regelfall eine einseitig vorgesehene Erregerspule.

Bei Betrieb der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit Dreh­ winkeländerung/Rotation (oder Longitudinalbewegung) des Test­ körpers wird fortlaufend mit Hilfe der Erregerspule 12 jewei­ liger Wirbelstrom in jeweils denjenigen Informationsabschnit­ ten 21 (Vorderseite und Rückseite) erzeugt, die sich augen­ blicklich im Wirkungsbereich der Erregerspule(n) befinden.

Die Periodenlänge L und die Dicke des Substratplättchens d sind aufeinander so abgestimmt bemessen, daß gilt:
d/L = größer als 0,5 und kleiner als 1.

Dies bedeutet, daß allensfalls zwei benachbarte Abschnitte 21 wirbelstromerregt werden können. Bei Durchlauf zweier aufein­ anderfolgender Abschnitte 21 am Plättchen 10 erfolgt durch die Spulen/Gradiometerspulen 11 der gegenüberliegenden Flä­ chen des Substratplättchens 10 ein jeweiliger Signalempfang mit Auftreten einer elektrischen Signalspannung zwischen den Anschlüssen 11a und 11b einerseits und 111a und 111b anderer­ seits. Diese Signalspannungen werden in einer elektronischen Auswertung 30 in an sich bekannter Weise ausgewertet. Vor­ zugsweise enthält diese Auswertung 30 auch noch die Vorrich­ tung (31) zur Speisung der Erregerspule 12.

Es war bereits oben darauf hingewiesen worden, daß Gradiome­ terspulen (wie dargestellt) vorteilhaft zu verwenden sind. Der Grund dafür liegt darin, daß stets im Umgebungsbereich Störfelder vorhanden sind, die mit Hilfe der Sensorspulen 11 ebenso wie die Nutzsignale aufgefangen werden. Wegen der in den Figuren, insbesondere in Fig. 2, gezeigten Übereinander­ positionierung der unteren Gradiometer-Teilspule 11 ₁ und der oberen Gradiometer-Teilspule 11 ₂ und wegen des sehr viel ge­ ringeren Abstandes der unteren Gradiometer-Teilspule vom Testkörper, vergleichsweise zum Abstand der oberen Gradiome­ ter-Teilspule zu diesem, nimmt die untere Gradiometer- Teilspule zum überwiegenden Anteil das an den Anschlüssen 11a und 11b resultierende Empfangssignal auf. Das Gleiche gilt für die Gradiometerspule auf der Rückseite. Störungen aus dem Fernfeld werden jedoch von den beiden Anteilen der Gradiome­ terspulen 11 (beider Seiten) gleichermaßen aufgenommen und - dem Prinzip der Gradiometerspule entsprechend - weitestgehend eliminiert. Diese Selektion wird durch einen gering bemesse­ nen Abstand a begünstigt.

Claims (4)

1. Wirbelstromsensorkopf (1) einer Sensorvorrichtung zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsmessung eines bewegbaren Testkörpers (20), der eine Spur mit periodisch angeordneten Informationsabschnitten (21) aufweist,
mit einem Substratplättchen (10), auf dessen beiden einander gegenüberliegenden Substratflächen (101, 102) je eine Sensorspule (11) und auf wenigstens einer dieser Flächen auch eine Erregerspule (12) für Wirbelstromerregung in der Spur angeordnet sind,
wobei die Dicke (d) des Substratplättchens (10) zwischen dem 0,5- und 1-Fachen der Periodenlänge (L) der Informationsabschnitte (21) bemessen ist.

2. Wirbelstromsensorkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratplättchen (10) des Wirbelstromsensorkopfes mit seiner einen Randseite (15) dem Testkörper nahe gegenüberstehend und senkrecht orientiert zur Spur (121) der Informationsabschnitte (21) des Testkörpers (20) positioniert ist.

3. Wirbelstromsensorkopf (1) Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorspulen (11) Gradiometerspulen auf den Substratflächen (101, 102) derart orientiert sind, daß auf beiden Flächen die eine der Teilspulen (111) der jeweiligen Gradiometerspule der Spur (121) der Informationsabschnitte (21) gegenüber näher als die jeweils andere dieser Teilspulen (11 ₂) positioniert ist.

4. Wirbelstromsensorkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (11, 12) auf den Substratflächen des Substratplättchens (10) aufgedruckt sind.