DE3100432A1

DE3100432A1 - Annaeherungssensor

Info

Publication number: DE3100432A1
Application number: DE19813100432
Authority: DE
Inventors: Sylvain Joseph 92700 Colombes Lumbroso
Original assignee: Jaeger SA
Current assignee: Jaeger SA
Priority date: 1980-01-11
Filing date: 1981-01-09
Publication date: 1982-01-21
Also published as: FR2473700A1; GB2067295B; AR226089A1; IT1167809B; FR2473700B1; DE3100432C2; ES498551A0; ES8202143A1; GB2067295A; IT8109309A0

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Annäherungesensor, genauer auf einen solchen, der mit einer wachselstromgespeisten Spule arbeitet und den Vorbeigang eines aus leitfÄhigem Werkstoff, bestehenden Teils in der Nähe der Spule durch eine Dämpfung der Schwingungen in der Spule (unter der Wirkung einer Erhöhung der Wirbelströme während der Annäherung des leitfähigen Teils) nachweisen kann.

Es sind Annäherungssensoren dieser Art bekannt, die als Oszillator einen LC-Resonanzkreis verwenden, dessen Spule die Induktivität bildet. Bei Fehlen eines leitfähigen Teils in der Nähe der Spule hat der Resonanzkreis einen großen Uber-Spannungskoeffizienten und der Oszillator schwingt leicht. Bei Vorhandensein eines leitfähigen Teils bewirken die in diesem Teil erzeugten Wirbelströme eine starke Dämpfung, d.h. eine starke Verminderung des Uberspannungskoeffizienten des Resonanzkreises. Daraus ergibt sich eine erhöhte Belastung für den Oszillator, der nicht mehr schwingen kann. Auf diese Weise übersetzt sich das Vorhandensein oder Fehlen eines leitfähigen Metallteils in der Nähe der Spule in ein Fehlen oder Vorhandensein von Schwingungen des Oszillators.

Die Nachteile dieser Art von bekannten Annäherungssensoren (bekannt als Schwingungsblockiersensoren) sind zweierlei: Wenn man sich einerseits hinsichtlich des nachzuweisenden Abstandes zwischen der leitfähigen Masse und der Spule nicht sicher ist, muß ein Oszillator verwendet werden, der sowohl für die größte als auch für die kleinste Entfernung, in der das Teil durchgehen kann, in der Lage ist aufzuhören zu schwingen, und dies im ganzen möglichen Temperaturbereich (denn der Uberspannungskoeffizient der Spule, der für die Berechnung des Oszillators wesentlich ist, hängt stark von der Temperatur und dem nachzuweisenden Luftspalt ab);

andererseits läßt sich eine Diskriminierung zwischen zwei

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Metallteilen, die in unterschiedlichem Abstand von der Spule durchgehen, nicht durchführen, was aber in gewissen Fällen notwendig oder zumindest wünschenswert wäre, so daß man dann gezwungen ist, zwei unterschiedlich eingestellte Sensoren zu verwenden.

Es wurde versucht, eine solche Diskriminierung zu bewirken, indem man auf den Oszillator seine gleichgerichtete Spannung in Gegenkopplung zurückführt. Die Spannung des Oszillators bleibt dann ungefähr konstant und diese gleichgerichtete Spannung bildet ein ungefähres Maß für den Abstand des Metallteils.

Eine solche Lösung ist jedoch nicht vollkommen zufriedenstellend. So macht diese direkte Gegenkopplung die Vorrichtung sehr empfindlich gegenüber äußeren Parametern wie die Temperatür, was erhebliche Schwankungen des Ausgangssignals nach sich zieht, und ferner funktioniert eine solche Vorrichtung nur für geringe Entfernungen des Metallteils und ermöglicht es nicht, eine Diskriminierung zwischen zwei Metallteile in einem relativ großen Variationsbereich durchzuführen.

Solche bekannte Vorrichtungen sind also nicht Anwendungen zur Verwirklichung von elektronischen Zündsysteraen angepaßt, bei denen die Umgebungsbedingungen und insbesondere die Temperaturschwankungen, die ganz in der Nähe für die Zündung notwendige Hochspannung und die Schwingungen des Motors eine erhebliche Rolle spielen.

Zur Verbesserung von Sensoren dieser Art schlägt die Erfindung einen Annäherungssensor vor, welcher einen Oszillator mit veränderbarem Verstärkungsfaktor, der einen Verstärkungssteuereingang und als Last einen LC-Resonanzkreis aufweist, dessen Induktivität durch eine elektrische Spule gebildet ist, einen Detektor für die Amplitude des elektrischen Signals an den Klemmen der Spule, einen Differenzverstärker zur Bildung der Differenz zwischen der Amplitude des elektrischen Signals und der Amplitude einesReferenzsignals, wobei der Ausgang des Verstärkers mit dem Verstärkungssteuereingang

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des Oszillators verbunden ist und gleichzeitig den Ausgang des Annäherungssensors bildet/ der ein der Entfernung der leitenden Masse proportionales Signal liefert, umfaßt.

Auf diese Weise ist der Oszillator zwischen seinem Ausgang (genommen an den Klemmen der Induktivität) und seinem Verstärkungssteuereingang in einer Weise verschleift, daß die Amplitude der elektrischen Spannung an den Klemmen der Spule stets auf einen im wesentlichen konstanten Wert zurückgeführt wird, der die Referenzamplitude ist, (abgesehen von einer Abweichung, welehe die Differenzspannung am Eingang des Differenzverstärkers ist und umso kleiner wird, je größer die Verstärkung des Verstärkers ist) .

In diesem verschleiften bzw. rückgekoppelten System wird die Verstärkung des Oszillators erhöht, wenn die Spannung an den Klemmen der Spule bezüglich der Referenzamplitude zu klein ist; im umgekehrten Fall wird sie vermindert. Die Verstärkunfssteuerepannung des Oszillators ist also für die Nähe des Teile aus leitendem Material repräsentativ: je näher das Teil zur Spule liegt, desto stärker ist die Dämpfung und umso stärker muß die Verstärkung des Oszillators erhöht werden, um die Schwingungen auf eine konstante Referenzamplitude zurückzuführen .

Das Vorhandensein einer Masse und seine mehr oder weniger große Nähe messen sich direkt über die Spannungsamplitude am Verstärkungssteuereingang des Oszillators.

Man erhält auf diese Weise einen Annäherungssensor, der in der Lage ist, sowohl den Durchgang eines leitenden Teils mit großem Spielraum hinsichtlich des Abstands, in dem das Teil bezüglich der Spule durchgeht,und hinsichtlich anderer variabler Parameter, wie Temperatur, Leer-t)berspa»nungskoeffizient des LC-Kreises usw., nachzuweisen,als auch den Durchgang von Teilen in verschiedenen Abständen zur Spule unterscheidend nachzuweisen. In letzterem Fall können zum Nachweis von Signalen, die einer gegebenen Entfernung oder einem gegebenen Entfernungsintervall entsprechen,Schwellenschaltungen vorgesehen werden.

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Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser zeigt

Pig. 1 ein Blockschaltbild mit geregeltem Oszillator gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Ausgangsspannung des Sensors, Fig. 3a eine Abwandlung der Verwendung des Sensors, Fig. 3b das entsprechende Ausgangssignal, und

Fig. 4 ein Detailschaltbild des Sensors.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Sensor für den Nachweis des Vorbeilaufens von Zähnen 10 aus elektrisch leitendem Material, die radial nach außen über den Rand einer sich drehenden Scheibe 12 vorspringen.

Hierzu weist der Sensor eine in der Nähe der Drehbewegungsbahn der Zähne 10 angeordnete elektrische Spule 14 auf. Die Spule 14 wird durch einen Oszillator 16 mit Wechselstrom gespeist, wobei dae Vorbeilaufen einer leitenden Hasse (Zähne 10) in der Nähe der Spule die Wirkung hat, daß die Schwingungen in der Spule umso mehr gedämpft werden, je näher die leitende Masse an der Spule vorbeiläuft und je höher die Frequenz ist. ^Γ

Gemäß der Erfindung ist der Oszillator 16 ein Oszillator mit veränderbarer Verstärkung. Er besitzt einen Verstärkungssteuereingang E zur Aufnahme einer Gleichspannung, wobei die Verstärkung des Oszillators umso größer ist, je höher die Spannung am Eingang E ist.

Die Schaltungsanordnung ist so getroffen, daß der Oszillator auf sich selbst zurückgeschleift ist, so daß, wenn die Spannung an den Klemmen der Spule 14 zu sehr abfällt, die

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Verstärkung erhöht wird und daß, wenn die Spannung zunimmt, die Verstärkung vermindert wird, womit schließlich für eine geeignete Schwankungsbreite der Verstärkung des Oszillators die Spannung an den Klemmen der Spule konstant bleibt, was auch immer die Dämpfung der Spule 14 ist.

Das Fehlen oder Vorhandensein einer leitenden Masse bzw. genauer,ihre größere oder geringere Nähe zur Spule, wird durch eine überprüfung der Spannung, die an den Verstärkungesteuereingang des Oszillators 16 gelegt werden muß, um einen bestimmten Wert für die Spannung an den Klemmen der Spule aufrechtzuerhalten, festgestellt.

Der Ausgang des Annäherungssensors gemäß der Erfindung wird also am Verstärkungssteuereingang E des Oszillators 16 abgenommen, während im Stande der Technik (wo der Oszillator eine feste Verstärkung hat) der Ausgang an den Klemmen der Spule 14 selbst abgenommen wird.

Um eine konstante Amplitude an den Klemmen der Spule trotz der durch die Annäherung oder Entfernung einer leitenden Masse hervorgerufenen Dämpfungsschwankungen zu erhalten, sieht man einen Amplitudendetektor 18 vor, der mit seinem Eingang mit den Klemmen der Spule 14 und mit seinem Ausgang mit einem Eingang eines Differenzverstärkers 20 verbunden ist, dessen anderer Eingang mit einer Referenzspannungsguelle 22 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 20 1st mit dem Ver-Stärkungssteuereingang E des Oszillators 16 verbunden. Der Verstärker 20 hat große Verstärkung, so daß die Differenzspannung zwischen diesen Eingängen stets gering ist, und folglich wird die Verstärkung des Oszillators 16 permanent so gesteuert, daß die Ausgangsspannung des Amplitudendetektors stets praktisch gleich der Spannung der Referenzspannungsguelle 22 ist (bis auf die Abweichungsspannung an den Eingangsklemmen des Verstärkers).

Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß die am Ausgang des Verstärkers 20, d.h. am Verstärkungssteuereingang E des Oszillators 16, abgenommene Ausgangsspannung

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Vs des Sensors zunimmt, wenn die Spannung an den Klemmen der Spule 14 abnimmt,d.h., wenn die Dämpfung derselben wegen der Annäherung einer leitenden Hasse zunimmt. Umgekehrt vermindert eich die Ausgangsspannung Vs, wenn die Spannung an den Klemmen der Spule infolge einer Verminderung der Dämpfung, d.h., infolge einer Entfernung einer leitenden Masse, zunimmt .

Fig. 2 zeigt die Ausgangsspannung Vs des Sensors, die man mit der Anordnung der Fig. 1 für eine Scheibe 12 erhält, die sich gleichmäßig dreht und regelmäßig über ihren Umfang verteilte Zähne 10 aufweist. Man erhält regelmäßige Rechteckimpulse, deren Höhen dem Vorbeigang der aufeinanderfolgenden Zähne vor der Spule 14 entsprechen.

Es ist zu beachten, daß man mit diesem Funktionsprinzip am Ausgang des Sensors eine Rechteckspannung Vs für einen sehr weiten Bereich von Nähen zwischen den Zähnen 10 und der Spule 14 erhält, so daß der Abstand zwischen der Spule 14 und der Bewegungsbahn der Zähne 10 nicht streng festgelegt werden muß, damit ein Nachweis des Vorbeilaufens der einzelnen Zähne möglich ist. Es ist einfach so, daß, wenn die Zähne in einem zu großen Abstand vorbeilaufen, die Rechteckimpulse Vs eine verhältnismäßig kleine Amplitude haben werden, während wenn die Zähne sehr nahe an der Spule 14 vorbeilaufen, die Rechteckimpulse eine größere Amplitude haben werden.

Die Erfindung gestattet nicht nur die Gewinnung eines Signals, das für einen großen Bereich von Abständen zwischen der Spule und der Bewegungsbahn der Zähne bezeichnend ist, sondern auch eine Diskriminierung von Zähnen unterschiedlicher Höhe, d.h. solchen, die in unterschiedlichem Abstand von der Spule 14 vorbeilaufen.

Bei dem in Fig. 3a dargestellten Beispiel ist eine Scheibe vorgesehen, die mit Zähnen 10' versehen ist, die mit Zähnen 10*' anderer Höhe abwechseln, so daß die Zähne 10* in einem Abstand d1 an der Spule vorbeilaufen, während die Zähne 10¹¹ in einem Abstand d2 an der Spule vorbeilaufen. Die

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durch die Zähne 10·' hervorgerufene Dämpfung ist stärker ale die durch die Zähne 10* hervorgerufene Dämpfung, weshalb es zur ZurückfUhrung des elektrischen Signals an den Klemmen der Spule 14 auf den durch die Referenzspannungsquelle 22 bestimmten konstanten Wert notwendig ist, eine höhere Oszillatorverstärkung vorzusehen, wenn Zähne 10'' vorbeilaufen, als wenn Zähne 10' vorbeilaufen.

Dies übersetzt sich in Fig. 3b in einen Rechtecksignalverlauf Vs mit abwechselnd unterschiedlich hohen Amplituden, wobei A1 die Rechteckamplitude beim Vorbeilaufen eines Zahns 10* und A2 die einem Vorbeilaufen eines Zahnes 10'' entsprechende Spannungsamplitude ist. Durch eine Detektion der Höhe der Rechteckimpulse läßt sich eine Diskriminierung zwischen den Zähnen 10* und 10'' bzw. allgemeiner zwischen Teilen, die in unterschiedlicher Nähe zur Spule 14 vorbeilaufen, durchführen.

Die Schaltung im Detail einer Ausführungsform des Sensors mit geregeltem Oszillator gemäß der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt.

Der Spule 14 ist einer Kapazität C1 parallel geschaltet und bildet mit dieser einen LC-Resonanzkreis, der dazu dient, eine Oszillation mit einer durch die Resonanzfrequenz des Kreises bestimmten Frequenz aufrechtzuerhalten, wobei ein Oszillator zwei Transistoren Q2 und Q4 aufweist, deren Kollektoren jeweils mit einer der Klemmen des LC-Kreises, im Falle des Transistors Q2 über zwei in Reihe liegende Dioden CR2 und CR3, verbunden sind. Die mit dem Kollektor des einen Transistors verbundene Klemme des LC-Kreises ist über einen Widerstand (R6 bzw. R3) außerdem mit der Basis des jeweilsanderenTransistors verbunden, um so die Schwingungsschaltung aufzubauen. Außerdem erhalten die Basen der Transistoren Q2 und Q4 über die Widerstände R2 und R5 eine positive Gleichvorspannung.

Die Last des Oszillators und damit seine Verstärkung kann mittels eines mit einem Emitterwiderstand R4 versehenen

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Transistors Q3, der mit den beiden anderen Transistoren Q2 und Q4 in Reihe liegt, geregelt werden, wobei die Basis des Transistors Q3 den Verstärkungssteuereingang E des Oszillators bildet, der mit dem Ausgang des Differenzverstärkers über die Reihenwiderstände R7 und R10 in Schaltung mit R8 und Q5, die eine gewisse Temperaturkompensation bilden, verbunden ist.

Der Verstärker 20 erhält an seinem invertierenden Eingang eine Gleichspannung, die mittels einer Zener-Diode CR6 und einer Spannungsteilerbrücke R30, R12, R13, R14 gebildet wird, wobei der Widerstand R13 ein veränderbarer Widerstand ist, der die Einstellung der so auf den invertierenden Eingang des Verstärkers gegebenen Referenzspannung gestattet.

Die Spannungsteilerbrücke wird nicht nur durch die Widerstände R30 und R12 bis R14 gebildet, sondern auch ausgehend von einer stabilisierten Spannung, die zwischen + und - durch einen Widerstand R1 und eine Zener-Diode CR1 bestimmt wird. Die Kathode derselben geht über einen Widerstand R28 einerseits an eine zum Minus-Pol führende Diode CR5 und andererseits an einen Widerstand R23, der im übrigen mit dem gemeinsamen Punkt von R13 und R14 verbunden ist. Der mit einem Widerstand R15 belastete nicht-invertierende Eingang ist mit einem Amplitudendetektor für die Schwingungen an den Klemmen des LC-Kreises verbunden, und dieser Detektor wird durch eine Lastkapazität C2 und einen Lastwiderstand R11 gebildet, die miteinander und mit einer Gleichrichtungsdiode CR4 in Reihe liegen. Die Spannung, die an die Klemmen dieser Serienschaltung gelegt wird, ist im wesentlichen diejenige, die an den Klemmen der Spule 14 abgenommen wird; ein Transistor Q6 in Kollektorschaltung und mit einem Emitterwiderstand R9 ist einfach vorgesehen, um eine unnötige Belastung des Oszillators durch den Amplitudendetektor zu vermeiden. Der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers 20 ist mit der einen Klemme der Lastkapazität Cl des Amplitudendetek-5 tors verbunden, und die an diesem Eingang erscheinende Spannung

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entspricht der Schwingungsspitzenspannung an den Klemmen der Spule 14. Die Gegenkopplung des Verstärkers 20 auf seinen nicht-invertierenden Eingang wird durch ein Parallelglied R29-C3 gebildet.

Es wurde eine besondere Ausführungsform des Sensors mit Oszillator mit geregelter Verstärkung beschrieben. Natürlich sind aber im Rahmen der Erfindung auch andere Ausführungsformen möglich.

Dieser Sensor kann seine Anwendung insbesondere bei der Verwirklichung von elektronischen Zündsystemen für Verbrennungsmotoren finden, wo Stellungssensoren zur Feststellung der Drehlage einer Motorwelle und zur entsprechenden Steuerung der Zündung des zündfähigen Gemische in den Zylindern des Motors benötigt werden.

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Claims

Priorität: 11. Januar 1980 - Frankreich -, Nr. 8000602

PATENTANSPRÜCHE

Annäherungssensor mit einem Oszillator/der durch einen LC-Resonanzkreis belastet ist, welcher eine elektrische Spule aufweist, mit der in einem in ihrer Nähe vorbeilaufenden leitfähigen Teil Wirbelströme unter Dämpfung der sie durchlaufenden elektrischen Schwingungssignale erzeugt werden können, wobei der Oszillator eine veränderbare Verstärkung hat und einen Verstärkungssteuereingang aufweißt, und eine Verschleifung zwischen seinem Ausgang und diesem Eingang zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Werts für die Schwingungsamplitude an den Klemmen der Spule vorgesehen

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ist, dadurch gekennzeichnet , daß ein Amplitudendetektor (18) für die elektrischen Schwingungen an den Klemmen der Spule (14) vorgesehen ist, wobei dieser Detektor mit den Klemmen der Spule verbunden ist, daß der Ausgang des Amplitudendetektors und der Ausgang einer Referenzspannungsquelle (22) entsprechend mit den Eingängen eines Differenzverstärkers (20) verbunden sind, und daß der Ausgang dieses Verstärkers, dessen Spannung sich proportional zur Dämpfung der Schwingungen ändert, mit dem Verstärkungssteuereingang (E) des Oszillators (16) verbunden ist, der auch den Ausgang des Sensors bildet und ein für den Abstand der leitfähigen Masse repräsentatives Signal liefert.
2. Annäherungssensor nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß der Amplitudendetektor (18) eine Filterschaltung aufweist, welche eine Spannung liefert, die gleich dem Seheitelwert der Wechselspannung an den Klemmen der Spule (14) ist.
3. Annäherungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Oszillator (16) durch eine veränderbare Stromquelle gespeist wird, welche durch den Ausgang des Differenzverstärkers (20) gesteuert wird.
4. Annäherungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Nachweiseinrichtung für die auf den Verstärkungssteuereingang (E) des Oszillators (16) gegebene Spannungsamplitude vorgesehen ist.
5. Annäherungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Sensors eine Einrichtung zur Amplitudendiskriminierung vorgesehen ist, mit der der differenzierte Nachweis des Vorbeilaufens von Teilen in unterschiedlichen Abständen zur Spule (14) möglich ist.

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