DE2723564C2 - Electromechanical transducer for measuring mechanical displacements - Google Patents

Electromechanical transducer for measuring mechanical displacements

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DE2723564C2 DE19772723564 DE2723564A DE2723564C2 DE 2723564 C2 DE2723564 C2 DE 2723564C2 DE 19772723564 DE19772723564 DE 19772723564 DE 2723564 A DE2723564 A DE 2723564A DE 2723564 C2 DE2723564 C2 DE 2723564C2
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Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Meßumformer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an electromechanical measuring transducer according to the preamble of claim 1.

Ein derartiger Meßumformer ist beispielsweise aus Chr. Rohrbach, Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen (1967), Seiten 170-173, bekannt.Such a measuring transducer is known, for example, from Chr. Rohrbach, Handbook for electrical measurement of mechanical quantities (1967), pages 170-173.

Variable Reluktanzen sind in bekannten Meßsystemen in verschiedenen Weglängenmeßumformern verwendet worden. In Umformern, wo ein großer Linearbereich erwünscht ist, ist es bekannt, eine Verschiebung von einem magnetisch leitfähigen Joch in zwei Feldwege zu verwenden, so daß die Areale für die Feldlinien und damit die Impedanzen von zwei Spulen der Verschiebung proportional vermindert bzw. vergrößert werden. Die Spulen läßt man in einer Wheatstone-Brücke eingehen, wo das Ungleichgewicht als Spannungsunterschied in einer Diagonale gemessen wird. In einer solchen Schaltung kann in der Regel in einem begrenzten Bereich gute Linearität zwischen Verschiebung und Spannung erreicht werden. Die Empfindlichkeit gegenüber Verschiebungen des Joches quer zur Meßrichtung ist aber unangenehm groß, und große Bauhöhe ist ein anderer Nachteil bei diesen bekannten Meßsystemen.Variable reluctances have been used in known measuring systems in various path length measuring transducers. In transducers where a large linear range is desired, it is known to use a displacement of a magnetically conductive yoke in two field paths so that the areas for the field lines and thus the impedances of two coils are reduced or increased proportionally to the displacement. The coils are included in a Wheatstone bridge where the imbalance is measured as a voltage difference in a diagonal. In such a circuit, good linearity between displacement and voltage can usually be achieved in a limited range. However, the sensitivity to displacements of the yoke transverse to the measuring direction is uncomfortably high, and large installation height is another disadvantage of these known measuring systems.

Es ist auch bekannt, für die Messung von sehr kleinen Verschiebungen ein Prinzip zu verwenden, wobei ein Joch über einem E- oder U-förmigen Kern so bewegt wird, daß der Abstand zum Kern verändert wird. Der Vorteil dabei ist, daß eine größere Empfindlichkeit in der Meßrichtung erreicht wird, während die Querempfindlichkeit niedrig gehalten werden kann. Übrigens kann die Bauhöhe kleiner gemacht werden als in dem erstgenannten Fall. Meßsysteme mit Veränderung der Länge eines Luftspaltes haben aber bisher Nichtlinearitäten zur Folge gehabt, weil die Empfindlichkeit bei größer werdendem Luftspalt vermindert wird.It is also known to use a principle for measuring very small displacements in which a yoke is moved over an E- or U-shaped core in such a way that the distance to the core is changed. The advantage of this is that greater sensitivity is achieved in the measuring direction, while the cross-sensitivity can be kept low. Incidentally, the height can be made smaller than in the first case. However, measuring systems with changes in the length of an air gap have so far resulted in non-linearities because the sensitivity is reduced as the air gap increases.

Diese Nichtlinearitäten werden in einem gewissen Maße in einer Brücke mit zwei Kernen und Spulen ausgeglichen, aber es werden immer noch nur kleine relative Abweichungen des Gleichgewichts erlaubt, und die Bauhöhe wird vergrößert. Bekannte Ausführungsbeispiele dieser Art fordern eine recht genaue und zeitraubende mechanische Eichung, bevor eine Messung ausgeführt werden kann.These nonlinearities are compensated to some extent in a bridge with two cores and coils, but still only small relative deviations from the balance are allowed and the overall height is increased. Known embodiments of this type require a fairly precise and time-consuming mechanical calibration before a measurement can be carried out.

In den bisher bekannten Ausführungen von Meßsystemen mit variabler Reluktanz wird eine Brückenschaltung verwendet, wo das Element zur Messung der Änderung eine höhere Impedanz im Verhältnis zu den Brückenimpedanzen hat, wodurch es in Wirklichkeit die Spannungsänderungen über eine Spule oder einem Spulenpaar sind, die gemessen werden. Der nichtlineare Zusammenhang zwischen Verschiebung und magnetischem Widerstand erweist sich also bei den bekannten Meßumformern als äußerst nachteilig.In the previously known designs of measuring systems with variable reluctance, a bridge circuit is used where the element for measuring the change has a higher impedance in relation to the bridge impedances, so that in reality it is the voltage changes across a coil or a pair of coils that are measured. The non-linear relationship between displacement and magnetic resistance therefore proves to be extremely disadvantageous in the known measuring transducers.

Der Erfindung liegt gegenüber diesem Stand der Technik deshalb die Aufgabe zugrunde, den eingangs beschriebenen Meßumformer derart zu verbessern, daß eine weitgehend lineare Messung bzw. eine lineare Variierung zur Verschiebung möglich wird.Compared with this prior art, the invention is therefore based on the object of improving the measuring transducer described at the outset in such a way that a largely linear measurement or a linear variation for displacement becomes possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Anspruch 1 gekennzeichneten Meßumformer gelöst. Überraschenderweise löst also das erfindungsgemäß eingesetzte strommessende Meßelement als Meßgerät die Probleme des Standes der Technik. Erfindungsgemäß wird dabei berücksichtigt, daß die Eingangsimpedanz des strommessenden Elementes im Verhältnis zu den Impedanzen der Brückenzweige verschwindend gering ist.This object is achieved according to the invention by the measuring transducer characterized in claim 1. Surprisingly, the current-measuring measuring element used according to the invention as a measuring device solves the problems of the prior art. According to the invention, it is taken into account that the input impedance of the current-measuring element is negligible in relation to the impedances of the bridge branches.

Es wird in Verbindung mit der detaillierten Erklärung der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen nachgewiesen, warum die Verwendung eines strommessenden Elementes mit kleiner Eingangsimpedanz eine weitgehende Linearisierung der Messung hervorbringt, so daß die Nachteile der bekannten Meßsysteme vermieden werden.In conjunction with the detailed explanation of the invention with reference to the drawings, it is demonstrated why the use of a current measuring element with a small input impedance brings about a substantial linearization of the measurement, so that the disadvantages of the known measuring systems are avoided.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung hat die Spule eine reihengeschaltete Kapazität, die Impedanz von welcher gleich die Spulenimpedanz mit abgenommenem Joch ist. Dadurch wird die Wirkung des Streufeldes der Spule aufgehoben, die sonst die Nichtlinearität bei großen Luftspaltvariationen vergrößern würde.In one embodiment of the invention, the coil has a series-connected capacitance, the impedance of which is equal to the coil impedance with removed yoke. This cancels out the effect of the coil's stray field, which would otherwise increase the nonlinearity for large air gap variations.

Bei einer geänderten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Impedanz als Spule mit Kern und Joch ausgestaltet, wodurch die Messung des Unterschiedes zwischen den Luftspaltlängen ermöglicht ist.In a modified embodiment of the invention, the second impedance is designed as a coil with core and yoke, which enables the measurement of the difference between the air gap lengths.

Bei einer weiteren Ausführungsform haben die zwei Kerne das Joch gemeinsam, so daß sich die Ströme gegensätzlich ändern, was besonders vorteilhaft ist, wenn große Dauerstabilität des Stromgleichgewichts erforderlich ist.In a further embodiment, the two cores have the yoke in common, so that the currents change in opposite directions, which is particularly advantageous when great long-term stability of the current balance is required.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Impedanz manuell oder automatisch veränderbar sein, was die Einstellung eines passenden Anfangspegels ermöglicht.In a further embodiment, the second impedance can be changed manually or automatically, allowing the setting of an appropriate initial level.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind eine willkürliche Anzahl Spulen mit Kernen und Jochen parallel in den zwei Brückenzweigen geschaltet. Dadurch wird es möglich, eine Verschiebungsmessung von der durchschnittlichen Verschiebung einer Anzahl von Punkten gegenüber der durchschnittlichen Verschiebung anderer Punkte durchzuführen.In a further embodiment of the invention, an arbitrary number of coils with cores and yokes are connected in parallel in the two bridge branches. This makes it possible to perform a displacement measurement of the average displacement of a number of points compared to the average displacement of other points.

Die Erfindung wird im Folgenden näher erläutert unter Hinweis auf die Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. In the drawing:

Fig. 1 eine Schaltung der einfachsten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 1 shows a circuit of the simplest embodiment of the invention and

Fig. 2, 3 und 4 Schaltungen geänderter Ausführungsformen. Fig. 2, 3 and 4 circuits of modified embodiments.

Fig. 1 zeigt einen Kern (1) mit Joch (2) aus hoch durchlässigem Material mit einem Luftspalt mit Länge (d), die bei Bewegung des Joches bei Verschiebungs- oder Längenmessungen geändert werden kann. Der Hauptfeldweg ist mit einer gestrichelten Linie gezeigt und ist von einer Spule (3) umgeben. Die Selbstinduktion (L) ändert sich bei Änderung der Länge (d), die vorzugsweise den größten magnetischen Widerstand im magnetischen Kreis bedeutet. (4) ist eine Wechselstromquelle mit der Winkelfrequenz ω und mit einer Abzweigung (A), so daß die Spannungen V G &sub1; und V G &sub2; gegenphasig der Abzweigung gegenüber sind. Der Bauteil (5) mit der Impedanz Z B ist eine Abgleichsimpedanz, die zusammen mit der Spule (3) ein Zweigpaar in einer Brücke sind, in der die Wechselstromquelle (4) mit ihrer Abzweigung das andere Zweigpaar bildet, welches eine im Verhältnis zu dem ersten Zweigpaar verschwindend kleine Impedanz aufweist. Das Ungleichgewicht in der Brücke wird in der Diagonale AB mit einem strommessenden Element gemessen, das ideell einen Kurzschluß zwischen A und B bildet. Es wird bei (6) gezeigt und kann ein gegengekoppelter Verstärker sein, der eine Ausgangsspannung V O proportional zum Eingangsstrom hat, und eine Eingangsimpedanz, die verschwindend gegenüber den Impedanzen von L und Z B ist. Fig. 1 shows a core ( 1 ) with yoke ( 2 ) made of highly permeable material with an air gap of length (d) which can be changed by moving the yoke during displacement or length measurements. The main field path is shown with a dashed line and is surrounded by a coil ( 3 ). The self-induction (L) changes by changing the length (d) which preferably represents the greatest magnetic resistance in the magnetic circuit. ( 4 ) is an alternating current source with the angular frequency ω and with a branch (A) so that the voltages V G 1 and V G 2 are in antiphase with respect to the branch. The component ( 5 ) with the impedance Z B is a balancing impedance which, together with the coil ( 3 ), forms a pair of branches in a bridge in which the alternating current source ( 4 ) with its branch forms the other pair of branches, which has an impedance that is negligible compared to the first pair of branches. The imbalance in the bridge is measured in the diagonal AB with a current-measuring element that ideally forms a short circuit between A and B. It is shown at ( 6 ) and can be a negative feedback amplifier having an output voltage V O proportional to the input current and an input impedance that is negligible compared to the impedances of L and Z B.

Im übrigen sind Kapazitäten C 1 und C 2 gezeigt worden, die keinen Einfluß auf die prinzipielle Wirkungsweise haben.Furthermore, capacitances C 1 and C 2 have been shown which have no influence on the basic mode of operation.

Die Wirkungsweise gemäß der Erfindung wird im Folgenden beschrieben:The mode of operation according to the invention is described below:

Impedanzänderungen in einem Brückenzweig beeinflußt nicht Spannung oder Strom in dem anderen Brückenzweig, denn AB ist prinzipiell von (6) kurzgeschlossen, wodurch I L =V G &sub1;:Z L und I ZB =V G &sub2;:Z B ist. Der resultierende Strom I AB ist die vektorielle Summe von I L und I ZB und wird vorzugsweise aber nicht notwendigerweise Null sein beim Anfang einer Messung. Änderungen in I L oder I ZB werden in I AB gespiegelt. Der Ausdruck für die Selbstinduktion ist: L=4π · 10-9 · @O:°Kn°k¥:&udf57;°Kr&udf56;&udf54;¤=¤@O:°KK°k:&udf57;°Kr&udf56;,&udf54; wo ρ die Reluktanz von dem magnetischen Kreis ist und von ρ=@O:&udf57;°Ke&udf56;:°KuF°k&udf54; + @O:°Kd:F&dlowbar;°k&udf54; berechnet werden kann. Hier ist ε die Mittelfeldlinienlänge durch Kern und Joch, F der Querschnitt von Kern und Joch, d die Länge des Luftspaltes und F&min; Querschnitt des Luftspaltes. Das erste Glied wird im Idealfall aber nicht notwendigerweise vernachlässigbar dem zweiten Glied gegenüber sein. Man bekommt °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;wo L als nicht lineare Funktion von d erkennbar ist. Stattdessen wird @O:1:°KL°k&udf54; betrachtet, und da I L =V g &sub1; : L ω ist, bekommt man I L =K&sub1;+K&sub2; · d mit °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;und °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;als Konstanten.Impedance changes in one bridge branch do not affect voltage or current in the other bridge branch because AB is in principle shorted by ( 6 ) so that I L = V G 1 : Z L and I ZB = V G 2 : Z B. The resulting current I AB is the vector sum of I L and I ZB and will preferably but not necessarily be zero at the start of a measurement. Changes in I L or I ZB are mirrored in I AB . The expression for the self-induction is: L =4 π · 10 -9 · @O:°Kn°k¥:&udf57;°Kr&udf56;&udf54;¤=¤@O:°KK°k:&udf57;°Kr&udf56;,&udf54; where ρ is the reluctance of the magnetic circuit and ρ =@O:&udf57;°Ke&udf56;:°KuF°k&udf54; + @O:°Kd:F&dlowbar;°k&udf54; Here ε is the mean field line length through the core and yoke, F is the cross section of the core and yoke, d is the length of the air gap and F' is the cross section of the air gap. The first term will ideally not necessarily be negligible compared to the second term. One gets °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54;&udf53;vu10&udf54;where L is a non-linear function of d . Instead, @O:1:°KL°k&udf54; is considered, and since I L = V g ∆1 : L ω is, one gets I L = K 1 + K 2 · d with °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54;&udf53;vu10&udf54;and°=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54;&udf53;vu10&udf54;as constants.

K&sub1; ist als konstanter Strom erkennbar und kann von dem Strom in Z B in AB ausgeglichen werden. Ebenso wird der Hauptanteil von K&sub2; · d ausgeglichen, so daß die Nettoänderung in d, Δ d, in A-B als Δ I L =K&sub2; · Δ d- gemessen wird, die eine lineare Funktion von Δ d ist. K 1 is seen as a constant current and can be balanced by the current in Z B in AB . Likewise, the major contribution of K 2 · d is balanced so that the net change in d, Δ d , in A - B is measured as Δ I L = K 2 · Δ d - which is a linear function of Δ d .

In der Praxis ist ein Streufeld vorhanden, das als Reihenselbstinduktion zu L, L s auftritt und in Nichtlinearität bei relativ großen Werden von d resultiert. C 1 ist eine Kapazität mit einer solchen Größe, daß @O:1:°KC°k¤1&udf57;°Kw&udf56;&udf54; ≈ -L s · ω ist, wodurch der Einfluß von L s aufgehoben wird.In practice, a stray field is present which appears as series self-induction to L, L s and results in non-linearity at relatively large values of d . C 1 is a capacitance with a size such that @O:1:°KC°k¤1&udf57;°Kw&udf56;&udf54; − L s · ω , which cancels out the influence of L s .

In Fig. 2 wird eine Ausführung gezeigt, in der (5) eine Spule mit Kern und Joch wie L&sub1; ist. In dieser Schaltung wird der Strom I A-B proportional zu dem Unterschied zwischen d&sub1; und d&sub2; sein. Die Impedanz von (5) kann manuell oder automatisch variabel sein und zur Einstellung eines passenden Anfangspegels dienen.In Fig. 2 an embodiment is shown in which ( 5 ) is a coil with core and yoke like L1 . In this circuit the current I A - B will be proportional to the difference between d1 and d2 . The impedance of ( 5 ) can be manually or automatically variable and can be used to set a suitable initial level.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform nach einem anderen Prinzip, bei welchem ein gemeinsames Joch die Luftspalte d&sub1; und d&sub2; zu zwei Kernen 1 und 7 ändert, so daß sich die Ströme in den zwei Spulen entgegengesetzt ändern. Diese Schaltung ist günstig, wenn Dauerstabilität erwünscht ist. Fig. 3 shows an embodiment according to a different principle, in which a common yoke changes the air gaps d 1 and d 2 to two cores 1 and 7 , so that the currents in the two coils change in opposite directions. This circuit is advantageous if permanent stability is desired.

Fig. 4 zeigt eine Anzahl von Umsetzern in einer Schaltung nach Fig. 2. Der resultierende Strom in A-B ist I AB =ΣΔ I L =ΣI L und ist nicht von der Parallelschaltung beeinflußt, und man bekommt daher einen Ausdruck für d=ΣΔ d-ΣΔ d', wodurch es möglich wird, eine Verschiebungsmessung von der durchschnittlichen Verschiebung einer Anzahl von Punkten gegenüber der durchschnittlichen Verschiebung anderer Punkte durchzuführen. Fig. 4 shows a number of converters in a circuit according to Fig. 2. The resulting current in A - B is I AB = ΣΔI L = ΣΔI L and is not affected by the parallel connection, and one therefore obtains an expression for d = ΣΔd -ΣΔd ' which makes it possible to make a displacement measurement from the average displacement of a number of points against the average displacement of other points.

Claims (7)

1. Elektromechanischer Meßumformer, der kleine mechanische Bewegungen in elektrisch proportionale Meßgrößen umformt, insbesondere für die Messung von mechanischen Toleranzen sowie Makro- und Mikroprofilen,
a) mit einem Kern (1) und einem Joch (2) aus magnetisch leitendem Material, die zusammen mit einem dazwischen befindlichen, durch mechanische Verschiebung des Joches variablen Luftspalt (d) einen geschlossenen magnetischen Feldweg bilden; b) mit einem magnetischen Widerstand, der im wesentlichen von dem Luftspalt bestimmt wird, und mit einer Spule (3), die den Feldweg umschließt, und c) die eine elektrische Schaltung zusammen mit einer zweiten Impedanz (5) und einer Wechselspannungsquelle (4) mit Abzweigung (A) zur gegensinnigen Stromspeisung der beiden Impedanzen (3) und (5) und einem Meßgerät (4) bilden, derart, daß die Spulenimpedanz (3) und die zweite Impedanz (5) durch Reihenschaltung jeweils ein Zweigpaar in einer elektrischen Brücke mit der Wechselstromquelle (4) bilden und das Meßgerät zwischen Abzweigung (A) und Knotenpunkt (B) der Reihenschaltung geschaltet ist, 1. Electromechanical measuring transducer which converts small mechanical movements into electrically proportional measured quantities, in particular for the measurement of mechanical tolerances as well as macro and micro profiles,
a) with a core ( 1 ) and a yoke ( 2 ) made of magnetically conductive material, which together with an air gap (d) therebetween, which is variable by mechanical displacement of the yoke, form a closed magnetic field path; b) with a magnetic resistance which is essentially determined by the air gap, and with a coil ( 3 ) which encloses the field path, and c) which form an electrical circuit together with a second impedance ( 5 ) and an alternating voltage source ( 4 ) with a branch (A) for supplying current in opposite directions to the two impedances ( 3 ) and ( 5 ) and a measuring device ( 4 ), such that the coil impedance ( 3 ) and the second impedance ( 5 ) each form a pair of branches in an electrical bridge with the alternating current source ( 4 ) by being connected in series and the measuring device is connected between the branch (A) and the node (B) of the series connection, gekennzeichnet durch die Verwendung eines strommessenden Meßelementes als Meßgerät mit einer Eingangsimpedanz, die näherungsweise gleich Null ist und die Impedanzen der Brückenzweige (3, 5) kurzschließt. characterized by the use of a current-measuring measuring element as a measuring device with an input impedance which is approximately equal to zero and short-circuits the impedances of the bridge branches ( 3, 5 ). 2. Elektromechanischer Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz einer mit der Spule (3) in Reihe geschalteten Kapazität der Spulenimpedanz mit abgenommenem Joch (2) entspricht. 2. Electromechanical measuring transducer according to claim 1, characterized in that the impedance of a capacitance connected in series with the coil ( 3 ) corresponds to the coil impedance with the yoke ( 2 ) removed. 3. Elektromechanischer Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Impedanz (5) als Spule mit Kern (7) und Joch (2) ausgestattet ist. 3. Electromechanical measuring transducer according to claim 1, characterized in that the second impedance ( 5 ) is equipped as a coil with core ( 7 ) and yoke ( 2 ). 4. Elektromechanischer Meßumformer nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Kerne (1, 7) das Joch (2) gemeinsam haben. 4. Electromechanical measuring transducer according to claims 1 and 3, characterized in that the two cores ( 1, 7 ) have the yoke ( 2 ) in common. 5. Elektromechanischer Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Impedanz (5) manuell oder automatisch veränderbar ist. 5. Electromechanical measuring transducer according to claim 1, characterized in that the second impedance ( 5 ) can be changed manually or automatically. 6. Elektromechanischer Meßumformer nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine willkürliche Anzahl Spulen (3) mit Kernen (1, 7) und Jochen (2) parallel in den zwei Brückenzweigen geschaltet sind. 6. Electromechanical measuring transducer according to claims 1 and 3, characterized in that an arbitrary number of coils ( 3 ) with cores ( 1, 7 ) and yokes ( 2 ) are connected in parallel in the two bridge branches.
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