DE2832255A1

DE2832255A1 - Mechanical-electrical rotation angle measurement transducer - contains excitation and pick=up coils and twisting ferromagnetic wire clamped in holder

Info

Publication number: DE2832255A1
Application number: DE19782832255
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Dr Herden
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-07-22
Filing date: 1978-07-22
Publication date: 1980-01-31
Also published as: DE2832255C2

Abstract

The mechanical-electrical transducer produces a signal corresp. to a rotation angle and is relatively simple and economical to produce, and requires only a very simple evaluation circuit, if any. It has high angular resolution and is compact. One end of a ferromagnetic wing (13) is clamped in a holder (10), the other end (14) being mounted so as to be able to rotate. The wire is axially located in an excitation coil (16) and a pick-up coil (17) voltage pulses proportional to the wine rotation angle are induced in the pick-up coil when an alternating voltage is applied to the excitation coil.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Geber nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind schon derartige Geber bekannt, bei denen beispielsweise in Abhängigkeit von der Verdrehung eines Leitstückes der magnetische Widerstand eines magnetischen Kreises und damit die Induktivität einer diesem Kreis zugeordneten Spule verändert wird. Die Induktivitätsänderung kann mit bekannten elektrischen Schaltungen, beispielsweise mit Hilfe von Oszillatoren ausgewertet werden, so daß die Frequenz, mit welcher der Oszillator schwingt, ein Maß für den Drehwinkel ist.The invention is based on a donor according to the preamble of the main claim. Such donors are already known in which, for example, as a function from the rotation of a conductive piece, the magnetic resistance of a magnetic Circle and thus the inductance of a coil assigned to this circle changed will. The change in inductance can be made with known electrical circuits, for example be evaluated with the help of oscillators, so that the frequency with which the oscillator oscillates, which is a measure of the angle of rotation.

Derartige mechanisch-elektrische Wandler sind aufwendig in ihrem Aufbau und benötigen außerdem eine relativ aufwendige Auswerteschaltung. Außerdem ist zur Gewinnung eines brauchbaren Signales eine relativ große Änderung des magnetischen Widerstandes erforderlich.Such mechanical-electrical converters are complex in their structure and also require a relatively complex evaluation circuit. In addition, for Obtaining a usable signal involves a relatively large change in the magnetic Resistance required.

Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Wandler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß er relativ einfach und damit kostensparend in seinem Aufbau ist und daß die dem Wandler nachzuschaltende Schalteinrichtung, sofern überhaupt eine verwendet wird, außerordentlich einfach ist. Außerdem können die zu messenden Drehwinkel sehr klein sein und der Wandler ist klein herstellbar. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ist eine vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung des im Hauptanspruch angegebenen Wandlers möglich.Advantages of the Invention The converter according to the invention with the characterizing Features of the main claim has the advantage that it is relatively simple and thus cost-saving in its construction and that the converter to be connected downstream Switching device, if one is used at all, is extremely simple is. In addition, the angle of rotation to be measured can be very small and so can the converter can be made small. The measures listed in the subclaims are an advantageous development and improvement of the specified in the main claim Converter possible.

Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description.

Es zeigen Fig. 1 eine Magnetisierungskurve mit großen Barkhausensprüngen, in der die magnetische Induktion B über der magnetischen Feldstärke H aufgetragen ist, Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines mechanisch-elektrischen Wandlers und Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines mechanischelektrischen Wandlers, mit dem ein Druck in ein elektrisches Signal umwandelbar ist.1 shows a magnetization curve with large Barkhausen jumps, in which the magnetic induction B is plotted against the magnetic field strength H. Fig. 2 is a first embodiment of a mechanical-electrical converter and FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a mechanical-electrical converter, with which a pressure can be converted into an electrical signal.

Beschreibung der Erfindung In Fig. 1 ist eine Magnetisierungskurve dargestellt. In dieser Magnetisierungskurve ist die magnetische Induktion eines geeigneten Stoffes unter Zug- und/oder Torsionsspannung über der wirksamen Feldstärke aufgetragen. Der Verlauf der Magnetisierungskurve beruht auf einer Vielzahl von magnetischen Elementarvorgängen.Im entmagnetisierten Zustand ist ein ferromagnetischer Kristall durch sogenannte Bloch-Wände in Weißsche Bezirke bzw. Domänen unterteilt, deren spontane Magnetisierung in verschiedenen Richtungen liegt, so daß die mittlere Magnetisierung des gesamten Kristalls gleich Null ist. Beim Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes wird mit zunehmender Feldstärke eine Parallelstellung der spontanen Magnetisierung aller Weißschen Bezirke in Feldrichtung erzwungen. Dabei klappen im steilen Bereich der in Fig. 1 aufgetragenen Kurven ganze Volumenbereiche mit ihrer Magnetisierungsrichtung in günstigere Lagen. Dabei entstehen sogenannte Barkhausensprünge. Das sind unstetige Änderungen der magnetischen Induktion. Diese Barkhausensprünge können nahezu die doppelte Höhe der Sättigungsinduktion erreichen, wenn ein Draht entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 einer Zugspannung ausgesetzt wird. Die Ummagnetisierung wird also beim Erreichen einer Schwelle der Feldstärke H eines ummagnetisierenden magnetischen Feldes ausgelöst. Die Ummagnetisierungsgeschwindigkeit hängt dabei nicht von der Geschwindigkeit der Feldstärkeänderung ab und ist damit frequenzunabhängig.Description of the Invention In Fig. 1 is a magnetization curve shown. In this magnetization curve, the magnetic induction is one suitable substance under tensile and / or torsional stress above the effective field strength applied. The course of the magnetization curve is based on a large number of Magnetic elementary processes. In the demagnetized state is a ferromagnetic Crystal divided into Weiss districts or domains by so-called Bloch walls, whose spontaneous magnetization lies in different directions, so that the middle Magnetization of the entire crystal is zero. When creating an outer magnetic field becomes a parallel position of the spontaneous with increasing field strength Magnetization of all Weiss domains forced in the direction of the field. This will work in the steep area of the curves plotted in FIG. 1, whole volume areas are included their direction of magnetization in more favorable positions. This creates so-called Barkhausen jumps. These are discontinuous changes in magnetic induction. These Barkhausen jumps can almost double the level of saturation induction reach, when a wire according to the embodiment in FIG. 2 is under tension is exposed. The magnetization reversal is so when a threshold is reached Field strength H of a magnetizing magnetic field triggered. The rate of magnetization reversal does not depend on the speed of the change in field strength and is therefore frequency independent.

Die Ummagnetisierung erzeugt in einer dem Draht zugeordneten Spule ein Spannungssignal, dessen Amplitude und Breite mit wachsender Torsionsspannung des Drahtes anwächst.The magnetization reversal is generated in a coil assigned to the wire a voltage signal, its amplitude and width with increasing torsional stress of the wire grows.

In Fig. 2 ist eine Halterung 10, die auch als Gehäuse ausgebildet sein kann, dargestellt. Mit Hilfe der Halterung 10 ist bei 11 ein erstes Ende 12 eines ferromagnetischen Drahtes 13 fest eingespannt. Das zweite Ende 14 des Drahtes 13 ist mit Hilfe einer verdrehbaren Welle 15 gehalten.In Fig. 2, a holder 10, which is also designed as a housing can be shown. With the aid of the holder 10, there is a first end 12 at 11 a ferromagnetic wire 13 firmly clamped. The second end 14 of the wire 13 is held with the aid of a rotatable shaft 15.

Wird die Welle 15, wie durch einen Pfeil bei 18 angedeutet, gedreht, ändert sich die Torsionsspannung des Drahtes 13.If the shaft 15 is rotated as indicated by an arrow at 18, the torsional tension of the wire 13 changes.

Um den Draht 13 ist eine Erregerspule 16 gewickelt, an die eine Wechselspannung angelegt ist. Außerdem ist um den Draht 13 eine Aufnehmerspule 17 gewickelt.An excitation coil 16 is wound around the wire 13, to which an alternating voltage is applied is created. In addition, a pick-up coil 17 is wound around the wire 13.

Bei Anlegen einer Wechselspannung ausreichender Größe an die Erregerspule 16 wird der Draht 13 ständig ummagnetisiert.When applying an alternating voltage of sufficient magnitude to the excitation coil 16, the wire 13 is constantly reversed.

Dabei entstehen, wie weiter oben schon beschrieben, in der Aufnehmerspule 17 jeweils kurze Nadelimpulse, deren Höhe und Breite von der Torsionsspannung abhängt, welcher der Draht 13 ausgesetzt ist. Wertet man beispielsweise die an der Aufnehmerspule 17 abnehmbare Signalfolge derart aus, daß man die Impulse beispielsweise gleichrichtet und mit Siebmitteln den Mittelwert bildet, so ist diese so gewonnene Gleichspannung in ihrer Höhe ein Maß für die Torsionsspannung des Drahtes 13 und damit den Drehwinkel der Welle 15.As already described above, this occurs in the pick-up coil 17 each short needle impulses, the height and width of which depend on the torsional stress, to which the wire 13 is exposed. If one evaluates, for example, the one on the pick-up coil 17 removable signal sequence in such a way that the pulses are rectified, for example and forms the mean value with sieve means, this is the DC voltage obtained in this way its height is a measure of the torsional stress of the wire 13 and thus the angle of rotation of wave 15.

Mit dieser Anordnung ist auf einfach Weise eine Drehwinkelmessung und eine Ausgabe eines elektrischen Signales, das dem Drehwinkel entspricht; möglich. Die der Aufnehmerspule 17 nachgeschaltete Auswerteschaltung kann im einfachsten Fall eine Diode und ein Glättungskondensator sein.With this arrangement, a rotation angle measurement is easy and an output of an electrical signal corresponding to the rotation angle; possible. The evaluation circuit connected downstream of the pick-up coil 17 can in the simplest way Case be a diode and a smoothing capacitor.

Die beschriebene Anordnung ist außerordentlich einfach in ihrem Aufbau, sie kann auch außerordentlich klein gebaut werden, so daß der Wandler auch an Stellen mit begrenztem Raumangebot eingebaut werden kann.The arrangement described is extremely simple in its structure, it can also be built extremely small, so that the converter also in places can be installed with limited space.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das im Prinzip dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entspricht.In Fig. 3 an embodiment is shown, which in principle corresponds to the embodiment of FIG.

Anstelle der in Fig. 2 dargestellten Welle 15 ist ein Bourdon-Rohr 19 vorgesehen. Dieses Bourdon-Rohr 19 ist eine wendelförmige dünnwandige Röhre, z. B. aus Metall, die sich durch innere Druckbeaufschlagung elastisch verformt und damit den mit ihr verbundenen einseitig fest eingespannten Draht 13 in Abhängigkeit von dem zugeführten Druck verdreht.Instead of the shaft 15 shown in FIG. 2, there is a Bourdon tube 19 provided. This Bourdon tube 19 is a helical thin-walled tube, z. B. made of metal, which is elastically deformed by the application of internal pressure and thus the wire 13 connected to it on one side firmly clamped as a function twisted by the applied pressure.

Der Verdrehwinkel und damit die Torsionsspannung des Drahtes 13 ist damit proportional dem Druck. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 entsprechender Auswertung bzw. Umwandlung der Torsionsspannung in ein elektrisches Signal ist eine einfache Umwandlung eines Druckes in ein elektrisches Signal möglich. Der Wandler ist außerordentlich einfach und klein in seinem Aufbau und auch außerordentlich robust, so daß seine Störanfälligkeit sehr gering ist.The twist angle and thus the torsional stress of the wire 13 is thus proportional to the pressure. In the embodiment according to FIG. 2, more corresponding Evaluation or conversion of the torsional stress into an electrical signal is one simple conversion of a pressure into an electrical signal is possible. The converter is extremely simple and small in its structure and also extraordinary robust, so that its susceptibility to failure is very low.

Claims

Claims 9 1. \ Mechanical-electrical converter for the delivery of a a signal corresponding to an angle of rotation, characterized in that the first End of a ferromagnetic wire (13) firmly clamped in a holder and the second end of the wire is rotatably mounted, and that the ferromagnetic Wire (13) is assigned an excitation coil (15) and a pick-up coil (17), in the voltage pulses can be induced, which correspond to the twisting angle of the wire (13) are proportional.

2. Converter according to claim 1, characterized in that the Excitation coil (15) an alternating voltage is applied.

3. Converter according to claim 1 or 2, characterized in that the A receiver coil (17) is followed by a rectifier arrangement and smoothing means are.

4. Converter according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the rotatably mounted end of the wire with the free end of a Bourdon tube (19) is connected, the other end of which is fixedly mounted.