DE19905847C2 - Weg- und/oder Winkelaufnehmer mit mäanderförmiger Meßwicklung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Weg- und/oder Winkelsensor.

Weg- und/oder Winkelsensoren sind aus dem Stand der Technik in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt und gehen beispielsweise aus der DT 1 638 119, der DE 28 17 544 C2, der DE 197 19 905 A1, der DE 695 02 283 T2 sowie der US 3,906,436 hervor.

Aus der Patentanmeldung WO 99/34170 A1 geht ein Verfah­ ren zur Messung von Wegen und/oder Winkeln hervor, das eine Meßschleife aufweist, in die ein beweglicher Meß­ kopf eine Spannung induziert, die durch Schaltungsmit­ tel so geteilt wird, daß eine wegabhängige Wechselspan­ nung an einen Meßausgang abgegriffen werden kann. Die Teilung erfolgt vorzugsweise mit Widerstandsnetzwerken oder einem Widerstandsbelag. Die Kennlinie einer derar­ tigen Anordnung kann über die Meßstrecke nur in eine Richtung verlaufen. In manchen Anwendungen ist es er­ wünscht, nichtlineare Kennlinien mit Richtungsumkehr, z. B. eine Sinuskurve über den Weg oder Winkel nachzu­ bilden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Weg- und/oder Winkelsensor, bei dem eine Teilung des Wertes nicht erforderlich ist, sondern bei dem die Induktions­ schleife so ausgebildet ist, daß an ihr eine Spannung entsteht, die von der Position des Meßkopfs abhängig ist und am Ende der Meßschleife abgegriffen werden kann.

Damit an einer Induktionsschleife eine wegabhängige in­ duzierte Spannung abgegriffen werden kann, muß das In­ tegral über das durch sie hindurchtretende Wechselfeld ebenfalls wegabhängig sein. Dies geschieht dadurch, daß der Meßkopf ein konstantes Wechselfeld erzeugt und die Meßschleife so ausgebildet wird, daß der durch sie hin­ durchtretende Anteil des Flusses, den der Meßkopf er­ zeugt, dem erwarteten positionsabhängigen Signal pro­ portional ist.

Dies wird bei dem aus der DT 25 11 681 A1 hervorgehen­ den Wegaufnehmer dadurch erreicht, daß auf einer Flä­ che, durch die der Fluß hindurchtritt, eine mit dem Ab­ stand vom Nullpunkt zunehmende Windungszahl aufgebracht wird und zusätzlich die einzelnen Windungen schräg in die Fläche hineinlaufen. Die Verwendung einer Meß­ schleife mit mehreren Windungen hat den Nachteil, daß die Wicklung vor allem bei einem Aufbau mit einer ge­ druckten Schaltung, wie sie vorzugsweise aus wirt­ schaftlichen und fertigungstechnischen Gründen ausge­ führt wird, sehr breit wird, wenn eine größere Anzahl von Windungen notwendig wird. Damit ein kontinuierli­ cher Anstieg der Meßspannung mit zunehmender Position erreicht wird, muß möglichst im Abstand der Meßkern­ breite eine weitere Windung aufgebracht werden. Der Meßkern muß die eine Seite der Spule so umfassen, daß alle Windungen durchflutet werden. Insbesonders bei großen Meßlängen kann dies dazu führen, daß der Meßkopf und die Meßschleife relativ groß werden, was sich so­ wohl auf die Kosten als auch auf die Einsatzmöglichkei­ ten ungünstig auswirkt.

Es besteht nun die Möglichkeit, die Windungen, welche durch den Bereich des Luftspaltes treten, schräg ver­ laufen zu lassen.

Weg- und/oder Winkelgeber, bei denen die Windungen schräg verlaufen, sind beispielsweise aus der DE 25 11 683 C3, der DE 39 13 861 A1 sowie der FR 2 682 760 A1 bekannt.

Schräg verlaufende Windungen haben den Nachteil, daß das Meßergebnis durch eine seitliche Verschiebung des Meßkopfs stark beeinflußt wird. Weiterhin ist es schwierig, die Steigung der Windung an den nicht aus­ reichend linearen Verlauf des induzierenden Magnetfelds anzupassen.

Ein weiterer Nachteil bei großen Meßlängen ergibt sich aus der Eigenkapazität und der Induktivität der Meß­ wicklung, welche dadurch eine relativ niedrige Reso­ nanzfrequenz aufweist. Ein Betrieb im Bereich oder über der Resonanzfrequenz würde schwer zu behebende Meßfeh­ ler verursachen.

Diese Nachteile lassen sich dadurch beseitigen, daß die Meßschleife aus nur einer oder relativ wenigen Windun­ gen besteht, die als Mäander ausgeführt sind. Der Mäan­ der weist über den Meßweg gleiche Teilung auf, die Breite der einzelnen Teilstücke ändert sich jedoch mit der Position in Meßrichtung. Die Teilstücke des Mäan­ ders, welche in den Bereich des Meßkerns hineinragen, werden vom Magnetfeld des Meßkerns durchflutet, während die übrigen Teile außerhalb des Magnetfelds liegen. Wenn nun das Verhältnis der Breite der Mäanderstücke, die in den Kernbereich hineinragen, zur Teilung des Mä­ anders proportional mit der gewünschten Kennlinie ver­ läuft, wird eine Kennlinie erzeugt, die der gewünschten Kennlinie angenähert ist. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß es möglich ist, fast beliebig viele Windungs­ abschnitte quer zur Meßrichtung vorzusehen, ohne daß eine extreme Verbreiterung der Meßspule und eine hohe Induktivität und Eigenkapazität der Meßwicklung ent­ steht. Dies erlaubt die Verwendung eines schmalen und kurzen Meßkerns. Wenn eine ausreichende Zahl von Win­ dungen vorliegt, ist es möglich, die Wicklung senkrecht zur Meßrichtung anzuordnen. Dadurch wird die Abhängig­ keit vom Verlauf des Magnetfelds quer zur Meßrichtung erheblich verringert.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung her­ vor.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Meßwertaufnehmers;

Fig. 2 schematisch die an dem in Fig. 1 dargestell­ ten Meßwertaufnehmer abgreifbare Spannung so­ wie die magnetische Induktion;

Fig. 3 schematisch die an dem in Fig. 1 dargestell­ ten Meßwertaufnehmer auftretende Induktion;

Fig. 4 eine andere Ausführungsform eines von der Er­ findung Gebrauch machenden induktiven Meß­ wertaufnehmers;

Fig. 5 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Meßwertaufnehmers.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung aus einem Kern 31 mit einem Luftspalt, in dem eine Leiterplatte 30 liegt. Im Kern wird durch eine stromdurchflossene Spule ein durch die Leiterplatte 30 hindurchtretendes Wechselfeld erzeugt. Mit den gestrichelten Linien sind die Linien gleicher Induktion gekennzeichnet. Die daneben und darunter lie­ genden Diagramme zeigen den Verlauf der Induktion in Richtung der Bewegung des Meßkopfs (x-Richtung) und quer dazu (y-Richtung). Ein streng linearer Verlauf läßt sich wegen der physikalischen Gegebenheiten nicht erzeugen. Dagegen läßt sich eine gute Symmetrie des Verlaufs in x-Richtung erreichen, nicht jedoch in y- Richtung. Um eine Empfindlichkeit gegenüber seitlichen Verschiebungen (y-Richtung) zu vermeiden, wird die In­ duktionsschleife so gestaltet, daß sie aus Leiterbahnen 32 besteht, die in Bewegungsrichtung des Meßkerns und senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufen, sodaß sie Rechtecke bilden, die tief in den Luftspalt des Meß­ kerns hineinragen und damit prakisch den ganzen Magnet­ fluß in diesem Bereich aufnehmen.

Fig. 1 zeigt einen derartigen Aufbau. Auf der Leiter­ platte 1 befindet sich eine mäanderförmige Leiterbahn 2, dessen eines Ende über die Leiterbahn 3 an einen elektrischen Anschluß 4 geführt wird, und dessen ande­ res Ende an den Anschluß 5 geführt wird. Der Meßkern 6 weist eine Wicklung 7 auf, durch welche ein Wechsel­ strom fließt. Die Erzeugung dieses Wechselstroms wird hier nicht näher beschrieben. Sie geht beispielsweise aus der DE 197 57 689.3-52 sowie aus der PCT/DE 98/03753 hervor, auf die vorliegend Bezug genommen wird.

Der Strom Iv in der Primärschleife 10 induziert über dem Meßkern 6 eine Spannung in der Wicklung 7, welche mit einem Kondensator 11 einen Resonanzkreis bildet. Der Erregerstrom kann allerdings auch anderweitig, z. B. durch Direktspeisung erzeugt werden. Der Kern umfaßt mit seinen Schenkeln die Leiterplatte 1, sodaß die Meß­ schleife von dem Magnetfluß des Meßkerns dort durchflu­ tet wird, wo sie in den Bereich des Kerns hineinragt (rechts dargestellt). Die Teilung dieses Mäanders ent­ spricht der magnetisch wirksamen Breite des Meßkerns 6 oder einem ganzzahligen Bruchteil davon. Zwischen den Anschlüssen 4 und 5 ergibt sich dann abhängig von der Position des Meßkerns eine Spannung Um1 wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei wird stark vereinfachend an­ genommen, daß sich das Feld nur über die Breite des Meßkerns ausdehnt und dort über die ganze Breite gleich bleibt. Die Spannung Um1 steigt hierbei von 0 am Anfang des Meßwegs bei Erreichen des ersten schmalen in den Kern hineinreichenden Mäanderbereichs um einen Betrag 1/n linear an und bleibt dann konstant bis zum nächsten Teil. Am Ende des Wegs umfaßt die Meßschleife das ganze Feld des Meßkerns und gibt die volle Spannung ab.

In der Praxis ist der Übergang zwischen den einzelnen Teilbereichen nicht ganz so wie in Fig. 2 dargestellt, bei dem ein Verlauf des Magnetflusses wie in Fig. 3 dar­ gestellt angenommen wurde; vielmehr verläuft das Feld, wie in Fig. 5 dargestellt: Wegen der unvermeidlichen Streufelder wird der Magnetfluß auch seitlich in den Randbereichen austreten. Dies führt zu einem Verlauf, wie in Fig. 3 gestrichelt dargestellt. Die durchgezoge­ ne Linie stellt den idealisierten Verlauf dar, während die gestrichelte Linie den tatsächlichen Verlauf wie­ dergibt. Dadurch wird die in Fig. 2 dargestellte Kenn­ linie verschliffen, was zu einer Annäherung an einen stetigen Verlauf, im obigem Beispiel an einen linearen Verlauf führt. Zusätzlich kann durch eine gezielte Ge­ staltung des Luftspalts und/oder des Kernquerschnitts im Luftspalt eine ausreichend genaue Annäherung der Kennlinie an den gewünschten Verlauf erreicht werden.

Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch die Verwen­ dung einer zweiten Meßschleife z. B. auf der Rückseite der Leiterplatte 1. Wenn diese einen Mäander bildet, welcher um eine halbe Teilung versetzt ist, wird die Zahl der Übergänge verdoppelt, wenn das Ausgangssignal aus beiden Meßschleifen gebildet wird.

In Fig. 1 ist eine solche Leiterbahn 9 gestrichelt dar­ gestellt. Sie ist an einem Ende an den gemeinsamen An­ schluß 4 über Leiterbahn 3 angeschlossen, am anderen Ende an einen Meßanschluß 8. Entsprechend der Durchflu­ tung der Leiterschleifen 3, 9 wird die Spannung Um2 in­ duziert, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Aus der Differenz zwischen den beiden Spannungen Um1 und Um2 wird die Spannung Um gebildet, welche die doppelte An­ zahl an Übergängen aufweist und die doppelte Ausgangs­ spannung ergibt. Der Fehler durch die Übergänge wird dadurch halbiert. Das gleiche Ergebnis erhält man, wenn die beiden Meßschleifen in Reihe geschaltet sind. In diesem Fall müssen die Steigungen für beide Meßschlei­ fen gleich verlaufen.

Eine weitere Verbesserung des Kurvenverlaufs ergibt sich durch eine engere Teilung des Mäanders, wobei die effektive Breite des Kerns ein ganzzahliges Vielfaches der Mäander-Teilung beträgt.

In der Praxis treten durch Temperatureinflüsse sowie seitliche Verschiebungen des Meßkerns Fehler auf. Diese Fehler können weitgehend vermieden werden, wenn nicht der Absolutwert der Meßspannung verwendet wird, sondern das Verhältnis aus einer Referenzspannung, welche den gesamten Fluß durch den Meßkern darstellt, und der an der Meßschleife anliegenden Meßspannung gebildet wird. Hier bietet es sich an, eine weitere Meßschleife vorzu­ sehen, welche in Fig. 1 aus der Zuleitung 3 und einer Leiterbahn 13, welche auf einen Anschluß 14 führt, ge­ bildet wird. Diese Schleife wird unabhängig von der Stellung des Meßkopf vom gesamten Fluß des Meßkopfs durchflutet, soweit er auch zur Induktion in die Meß­ schleife beiträgt. Die am Anschluß dieser Schleife lie­ gende Spannung dient als Referenz für die vom Meßkern induzierte Gesamtspannung.

Bei diesem Meßverfahren lassen sich die in der DE 197 57 689 A1 sowie der WO 99/34 170 A1 beschriebenen Techniken, auf die vorliegend vollinhaltlich Bezug ge­ nommen wird und die in die vorliegende Anmeldung einbe­ zogen wird, mitbenutzen:
Meßkern mit Resonanzspule
Anpassung an Oszillatorimpedanz mit Transformator Verwendung des Schwingkreises als frequenzbestimmendes Bauteil einer Oszillatorschaltung
Verhältnismessung mit Referenzwicklung
Kompensation der wegunabhängigen Induktionsspannung.

Die Methode der mäanderförmigen Induktionsschleife kann selbstverständlich auch mit einer Widerstandsschicht kombiniert werden, um z. B. eine Überprüfung der Funkti­ on des Sensors vorzunehmen oder weitere Steuerinforma­ tionen zu gewinnen. Es läßt sich z. B. eine Sollwertkur­ ve über den Weg, der mit dem Widerstandselement gemes­ sen wird, oder ein zusätzliches Endlagensignal oder ähnliches erzeugen. Vorteilhaft ist hierbei, daß es möglich ist, über den gesamten Weg auch Steigungen un­ terschiedlicher Richtung darzustellen, was mit einer Widerstandsschicht nicht ohne weiteres zu verwirklichen ist.

Der Meßweg ist, wie auch das Meßverfahren mit einem Wi­ derstandselement, nicht auf geradlinige Strecken be­ schränkt. Die Anordnung läßt sich ohne Schwierigkeiten in Kurvenverläufen einsetzen. Vorzugsweise sind dies Kreisbögen, etwa bei einer Winkelmessung.

Da das Flächenverhältnis des Mäanders über die Strecke beliebig variiert werden kann, ist es möglich, über den Meßweg hinweg beliebige Funktionen zu erzeugen, sofern die Steigung nicht einen Wert übersteigt, der durch die Kernbreite vorgegeben ist. Die maximal mögliche Stei­ gung ist dabei Umax/b, wobei Umax die maximal erreich­ bare Meßspannung und b die Breite des Meßkerns dar­ stellt.

Dies ist besonders in Anwendungen vorteilhaft, bei de­ nen ein Drehwinkel über 360° ohne Begrenzung des Dreh­ winkels gemessen wird. Hier ist es notwendig, zwei Funktionen darzustellen, um eine eindeutige Zuordnung über den vollen Winkelbereich zu erzielen. Bekannte Ausführungen, z. B. Resolver, verwenden hier ein Aus­ gangssignal mit Sinusverlauf und ein weiteres mit Cosi­ nusverlauf. Aus dem Verhältnis der beiden Ausgangsspan­ nungen zueinander läßt sich eindeutig der Winkel über den Drehbereich errechnen. Dieses Verfahren ist nicht auf eine Sinusfunktion beschränkt.

Fig. 4 zeigt einen schematischen Aufbau eines Winkel­ sensors zur Messung eines Winkels über einen Bereich von 360°. Auf einer drehbar gelagerten Welle 17 ist über eine Halterung 16a ein Meßkern 16 so angeordnet, daß eine feststehende ringförmige Leiterplatte 15, wel­ che konzentrisch zur Welle angeordnet ist, im Luftspalt des Meßkerns 16 liegt. Wenn die Welle gedreht wird, überstreicht der Meßkern 16 Leiterbahnen 18 und 19.

Die beiden Leiterbahnen 18, 19 sind auf jeweils gegen­ überliegenden Seiten der Leiterplatte 15 aufgebracht. Beide weisen eine gleiche Geometrie auf, sind jedoch um 90° versetzt. Auf der Oberseite ist die Leiterbahn 18 dargestellt. Diese ist in zwei Hälften aufgeteilt. In der Mitte ist sie über eine Leiterbahn 27, welche einen Kreis um die Leiterbahn 18 bildet und auf den Anschluß 23 geführt ist, an den elektrischen Bezugspunkt der Auswerteschaltung 28 angeschlossen. Die Leiterbahnen 18 und 27 sind auf ihrer den Anschlüssen 21, 22, 23, 24 gegenüberliegenden Seite durch eine Kontaktstelle 27a miteinander elektrisch leitend verbunden. An den zwei anderen Anschlüssen 21 und 22 wird das Meßsignal abge­ griffen und ebenfalls an die Auswerteschaltung geführt. Die Leiterbahn 18 ist so gestaltet, daß je eine Schlei­ fe durch die Leiterbahnen 27 und 18 gebildet wird. Die­ se Schleife wird abhängig von der Winkelstellung ganz, teilweise oder gar nicht vom Magnetfluß des Meßkerns durchflutet. Dementsprechend wird dann eine Spannung induziert. Die Spannungen an den Anschlüssen 21 und 22 zeigen jeweils über 180° einen einer Sinuskurve angenä­ herten Verlauf. Die korrespondierenden Meßschleifen auf der Rückseite (Anschlüsse 21a, 23a, 24a, 22a) zeigen eine um 90° versetzte Sinuskurve, was einer Cosinus­ funktion entspricht. Nach entsprechender Auswertung in einer nicht näher beschriebenen Elektronik läßt sich damit eine eindeutige Zuordnung des Winkels erreichen.

Zur genauen Anpassung an eine Sinuskurve oder einen an­ deren für die Auswertung vorgesehenen Verlauf kann ein entsprechend feineres Raster und/oder ein entsprechend geformter Meßkern und/oder eine elektronische Lineari­ sierung vorgesehen werden. Für eine elektronische Line­ arisierung ist ein stetig steigender Meßwert erforder­ lich, der durch ein ausreichend feines Raster und/oder einen entsprechend geformten Meßkern erreicht wird.

Claims (10)

1. Induktiver Meßwertaufnehmer zur Bestimmung der Po­ sition eines gegenüber einem feststehenden Gehäuse verschieblichen Körpers, wobei der verschiebliche Körper ein induktives Übertragungselement (6) auf­ weist, welches ein über einen begrenzten Bereich sich erstreckendes magnetisches Wechselfeld er­ zeugt und dieses Wechselfeld wenigstens eine mit dem Gehäuse verbundene sich über die Meßlänge er­ streckende Leiterschleife (2, 3, 9; 18, 19) ganz oder teilweise durchflutet, die eine Zuleitung (3; 20, 27) entlang des Meßwegs aufweist und deren Rückleitung (2, 9; 18, 18') so gestaltet ist, daß sie in regelmäßigen Abständen abwechselnd so ge­ führt ist, daß sie entweder nur geringfügig vom Wechselfeld des Übertragungselements durchflutet wird oder vom überwiegenden Teil des Wechselfelds durchflutet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückleitung (2, 9; 18; 18') in Bewegungsrichtung des verschieblichen Körpers und senkrecht zu die­ ser verlaufende mäanderförmige Bereiche aufweist, die eine Breite entlang der Messrichtung aufwei­ sen, welche proportional ist zu einem gewünschten Ausgangswert an der zugeordneten Position (s; ϕ) des induktiven Übertragungselements (6), und deren Ausgangsspannung (U_m1, U_m2) an einen Ausgang (4, 5; 21, 22, 23, 24) geführt ist.

2. Induktiver Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Leiter­ schleife (3, 13) vorgesehen ist, die das ganze von dem Übertragungselement erzeugte Wechselfeld ein­ schließt und deren Ausgangsspannung als Referenz für die von der Leiterschleife (3, 13) erzeugte Spannung dient (Referenzschleife).

3. Induktiver Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine weitere Leiterschleife (9) vorgesehen ist, welche gegenüber der ersten versetzt angeordnet ist und deren Ausgangsspannung zur Ausgangsspan­ nung der ersten Leiterschleife addiert wird.

4. Induktiver Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine weitere Leiterschleife mit umgekehrter Steigung vorgesehen ist, welche gegenüber der ersten ver­ setzt angeordnet ist und daß der Meßwert die Dif­ ferenz der beiden Ausgangsspannungen ist.

5. Induktiver Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere unabhängige Leiterschleifen zur Gewinnung von Meßwerten (Meßschleifen) vorgesehen sind.

6. Induktiver Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kern hoher Permeabilität zur Erzeugung des Wech­ selfelds so gestaltet ist, daß sich der Anstieg oder Abfall des Wechselfelds über die Breite (b) eines von dem Kern gebildeten Luftspalts in Meß­ richtung über eine Länge erstreckt, welche der Teilung der Meßschleife(n) entspricht, und daß die wirksame Länge der doppelten Teilung der Meß­ schleife oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.

7. Induktiver Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kern hoher Permeabilität zur Erzeugung des Wech­ selfelds so gestaltet ist, daß die Länge des von dem Kern gebildeten Luftspalts über die Breite des Kerns und seine Polflächen eine Form aufweisen derart, daß der Verlauf der Induktion in Meßrich­ tung so ansteigt oder abfällt, daß bei Überfahren eines den Kern enthaltenden Meßkopfs die über die Breite der Leiterschleife entlang einer Linie quer zum Meßweg gemittelte Induktion über einen Weg mit der Teilung der Meßschleife angenähert linear an­ steigt bzw. abfällt.

8. Induktiver Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß-, bzw Referenzschleife auf einer Kreisbahn angeordnet sind und der Meßkopf (16) drehbar ange­ ordnet ist, so daß die Anordnung zur Messung von Winkeln (ϕ) verwendet werden kann.

9. Induktiver Meßwertaufnehmer nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Meßschleifen (18, 18') vorgesehen sind, die sich über einen Winkel von 360° erstrecken und über diesen Meßwinkel zugeordnet Meßwerte abgeben, an deren Verhältnis zueinander der Meßwinkel eindeu­ tig bestimmbar ist.

10. Induktiver Meßwertaufnehmer nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ausgangs­ spannungen zweier oder mehrerer Meßschleifen pha­ senverschobenen Sinusfunktionen angenähert sind.