DE3879700T2

DE3879700T2 - Entfernungsmessanordnung und -verfahren.

Info

Publication number: DE3879700T2
Application number: DE19883879700
Authority: DE
Inventors: Guenter Gerlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1988-10-14
Filing date: 1988-10-14
Publication date: 1993-07-01
Anticipated expiration: 2008-10-15
Also published as: EP0363517A1; EP0363517B1; DE3879700D1

Description

Die Erfindung betrifft das Messen von Entfernungen und ein entsprechendes Verfahren. Insbesondere eignet sie sich für hochgenaue Messungen, z.B. des Weges eines bewegten Teils einer Maschine.
Es ist häufig erforderlich, die Lage, z.B. des Kolbens eines Stellzylinders oder des Werkzeugkopfes einer Werkzeugmaschine, sehr genau (mit einer Genauigkeit unter 10 µm) zu messen. Dabei kann der Weg bzw. Hub bis zu 2 Meter betragen. Für diesen Zweck sind verschiedene Verfahren bekannt.
Üblicherweise wird ein mit einer Skala versehener Glasstab in Verbindung mit einer optischen Ableseeinrichtung benutzt. Der Teilstrichabstand beträgt 40 µm, die Auflösung 10 µm. Solche Stäbe sind aber sehr teuer, brechen leicht und verschmutzen. Außerdem ist die Toleranz gegen Relativbewegungen senkrecht zwischen Glasstab und Sensor geringer (± 3/10 mm), und daraus können in der Praxis Probleme resultieren.
Laser-Interferometer arbeiten sehr genau, sind aber für entsprechende Anwendungen zu teuer.
Bei einem weiteren Verfahren wird ein Magnetstreifen am festen Teil der Maschine befestigt und ein Positionsmagnet am beweglichen Teil. Der Positionsmagnet definiert seine jeweilige Position durch Änderung der magnetischen Eigenschaften des Streifens an der betreffenden Stelle. Wird ein magnetischer Impuls (magnetostriktive Schwingungswelle) durch eine Spule oder einen Magnetkopf an einem Ende des Streifens eingespeist, so wird ein elektrischer Impuls in einer Spule um den Streifen herum dann erzeugt, wenn der magnetische Impuls den Ort mit veränderten magnetischen Eigenschaften erreicht. Durch Messen des Zeitpunkts des Auftretens dieses elektrischen Impulses wird ein Entfernungsmaß für den magnetischen Impuls gewonnen.
In der Druckschrift FR-A-2 523 719 wird ein Sensor zum Messen von linearen Verschiebungen offenbart. Der Sensor enthält einen magnetostriktiven Kern und eine um den Kern gewickelte Spule. Eine Magnetisier-Vorrichtung ist in der Nähe des Kerns verschiebbar und zeigt die zu messende Verschiebung an. Eine Einrichtung zum Senden und Empfangen von HF-Impulsen ist an einem Ende der Spule angeschlossen, eine Impedanz am anderen Ende.
Die Magnetisier-Vorrichtung bewirkt örtliche Sättigung des magnetostriktien Kerns, und die HF-Impulse werden in diesem gesättigten Bereich teilweise reflektiert. Der andere Teil der HF-Impulse wird am Ende des Kerns reflektiert. Beide reflektierten Impulse werden in der Einrichtung zum Senden und Empfangen von HF-Impulsen empfangen. Durch Messen des Unterschieds zwischen den Laufzeiten kann die Position der Magnetisier-Vorrichtung berechnet werden.
Mit Hilfe eines Kerns mit speziellen Bereichen magnetischer Sättigung kann die Temperaturabhängigkeit gering gehalten werden.
Ein Positionsdetektor mit einem die Position bezeichnenden Stabmagneten und einem Magnetostriktions-Übertragungsmedium ist aus "Patent Abstracts of Japan JP-A-60 164 214" oder aus der Druckschrift EP-A1-0 130 578 bekannt.
Der Detektor besitzt zumindest ein einziges magnetostriktives Übertragungsmedium sowie eine erste und eine zweite Spule, die um das Medium so gewickelt sind, daß Signalaustausch zwischen den Spulen möglich ist. Die erste Spule erzeugt eine magnetostriktive Schwingungswelle, die sich durch das Medium fortpflanzt und ein Signal in der zweiten Spule erzeugt, dann, wenn die Schwingungswelle dem Stabmagneten nahe ist. Die Zeit zwischen den beiden Signalen wird zur Feststellung der Position des Stabes ausgewertet.
Bei einer nur in der patentschrift JP-A-60 164 214 beschriebenen Ausführungsart wird die Position des Stabes durch Messen des Zeitabstandes zwischen dem ersten Signal, das in der zweiten Spule dann, wenn die magnetostriktive Schwingungswelle den Stab passiert, induziert wird, und dem durch das reflektierte Signal induzierten Signal berechnet.
Die Verfahren nach JP-A-60 164 214 oder nach EP-A1-0 130 578 sind aber nicht ausreichend genau, da bei einer Streifenlänge von 2 Meter und angesichts des Temperaturkoeffizienten, beispielsweise von Permalloy, sich die Streifenlänge bei einer Temperaturänderung von 80ºC um 2,4 mm ändert.
Das aus der Patentschrift FR-A-2 523 719 bekannte Verfahren erfordert eine sehr spezielle Kernanordnung und ist daher zu aufwendig.
Die Erfindung gibt ein Verfahren nach Angabe in Anspruch 1 an.
Der zweite Impuls kann unabhängig am anderen Ende des Streifens eingespeist werden, oder es kann sich um den über den erwähnten Punkt hinauslaufenden und vom abgelegenen Ende des Streifens reflektierten ersten Impuls handeln.
Die Erfindung sieht zusätzlich eine Vorrichtung nach Angabe in Anspruch 4 vor.
Verschiedene beispielhafte Ausführungsarten der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die bekannte Vorrichtung zur Entfernungsmessung;
Fig. 2 die Spannungsverläufe in den Schaltungen;
Fig. 3 eine erste Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 die Spannungsverläufe bei einer modifizierten Form der Erfindung; und
Fig. 5 die Herstellung der Vorrichtung mit Beschichtungstechniken.
In der Fig. 1, einer bekannten Vorrichtung, ist ein Streifen 10 aus amorphem Metall (Permalloy) am festen Teil der Maschine befestigt, bei der die bewegliche Kompomente, z.B. ein Kolben, lagemäßig überwacht werden soll. Am Kolben ist ein Positionsmagnet 11 angebracht. Der Streifen 10 ist so lang, daß der Magnet 11 auf seinem vollen Weg mit ihm zusammenwirkt.
An einem Ende des Streifens ist eine Impuls-Einspeisungsspule 12 vorgesehen, um die verbleibende Länge ist eine Empfängerspule 13 gewickelt.
Der Magnet 11 verändert die magnetischen Eigenschaften des Streifens 10 in seiner unmittelbaren Nähe. Durch Erfassung der genauen Position dieser Veränderung wird somit ein Maß für die Position des Magneten und des Bauteils, an dem er befestigt ist, gewonnen.
Ein Spannungsimpuls 20 (Fig. 2) wird an die Einspeisungsspule 12 angelegt. Dadurch entsteht ein abrupter magnetoakustischer Impuls im Streifen 10, der sich im letzteren mit der Geschwindigkeit V fortpflanzt. Solange Amplitude und Geschwindigkeit des Impulses konstant sind, wird zwischen den Klemmen der Empfängerspule 13 eine wahrnehmbare Spannung nicht erzeugt. Sobald der Impuls den Bereich mit den durch den Magneten 11 veränderten magnetischen Eigenschaften erreicht, wird in der Spule 13 ein Spannungsimpuls 21 induziert. Der Zeitabstand t zwischen den Impulsen 20 und 21 ist proportional zu der Entfernung S zwischen der Spule 12 und dem Magneten 11.
Es wurde aber bereits darauf hingewiesen, daß die Genauigkeit dieser Messung durch die Ausdehnung S( ) infolge einer Temperaturänderung von º unannehmbar verringert wird. Mittel für eine entsprechende Kompensation sind erforderlich.
Eine erste Lösung dieses Problems ist in der Fig. 3 veranschaulicht. Die Vorrichtung ist der von Fig. 1 ähnlich, besitzt aber zusätzlich eine zweite Einspeisungsspule 14 am entgegengesetzten Ende des Streifens 10. Außerdem ist der Streifen an jedem Ende mit seinem Wellenwiderstand 15 abgeschlossen. Dadurch sollen Reflexionen des magnetoakustischen Impulses beim Erreichen des Streifenendes verhindert werden.
In Fig. 3 ist die Auswirkung der Temperaturausdehnung dargestellt. Die (bekannte) Gesamtlänge S hat eine Ausdehnung von S(θ), und dieser Wert setzt sich aus der Ausdehnung S1(θ) von S1, links vom Positionsmagneten 11 und S2(θ) von S2, rechts vom Positionsmagneten 11 zusammen.
Impulse werden in beiden Einspeisungsspulen 12 und 14 abwechselnd erzeugt und die Zeiten t1 und t2 wie in Fig. 1 für die Entfernungen S1 und S2 von den entgegengesetzten Enden des Streifens 10 gemessen. Diese Zeiten sind in Wirklichkeit t1 + t1(θ) und t2 + t2(θ). Die Meßwerte werden nun wie folgt verwendet.
Die Temperaturausdehnung beträgt:
S(θ) = [S1(θ) + S1(θ)] - S (1)
Außerdem:
S1(θ) = S1 + S1 S(θ)/S (2)
Aufgelöst nach S1:
Durch Einsetzen von (1) in (3) gewinnt man:
Somit wird durch Messen der tatsächlichen Werte von t1(θ) t2(θ), ohne Ableitung hinsichtlich des Wertes von t1(θ) oder t2(θ), der genaue Wert von S1 mit Gleichung (4) bei bekanntem S gewonnen. Die Impulsgeschwindigkeit V oder ihr korrigierter Wert V(θ) muß also nicht bekannt sein.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann ebenfalls benutzt werden, jedoch nach einem anderen Verfahren. In diesem Falle ist die zweite Einspeisungsspule 14 nicht erforderlich, der Abschluß 15 ebenfalls nicht. Der reflektierte Impuls wird zum Gewinnen von t2, wie in Fig. 4 dargestellt, benutzt. t1(θ)wird wie vorher gemessen, aber t2(θ) erscheint als 2t2(θ), nämlich als die Zeit nach t1(θ), die der Impuls braucht, um zum rechten Ende des Streifens 10 und zurück zum Magneten 11 zu laufen. Die Gleichung (4) wird dann wie vorher benutzt.
Die physische Realisierung des Streifens 10 und der Spule 13 erfolgt am zweckmäßigsten nach einer Dünnschicht- Beschichtungstechnik. Die Fig. 5 zeigt die Herstellung in drei getrennten Beschichtungsschritten, mit Isolierschichten über und unter dem Streifen 10. Die Grundstreifen 30 werden zuerst aufgebracht, danach der Streifen 10 und zuletzt Streifen 31. Nur die Überlappungsbereiche der Streifen 30 und 31 haben elektrischen Kontakt.

Claims

1. Verfahren zur Entfernungsmessung entlang einem länglichen Streifen (10) mit den Schritten: Veranlassen einer Änderung der magnetischen Eigenschaften des Streifens (10) an der Stelle des Streifens, die durch einen Positionsmagneten (11) gemessen werden soll, Einspeisen eines ersten magnetoakustiscen Impulses (20), der in einer Einspeisungsspule (12) erzeugt wird, die an einem Ende des Streifens (10) um den Streifen (10) gewickelt ist, und Erfassen der Zeit t1, zu der der Impuls den erwähnten Punkt erreicht, Veranlassen, daß ein zweiter magnetoakustischer Impuls den Streifen von seinem anderen Ende her durchläuft und daß die ersten und zweiten magnetoakustischen Impulse in einer zweiten Spule erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spule eine Empfängerspule (13) ist, die um den Streifen (10) gewickelt ist, und eine Zeit t2 entsprechend der Zeit, die der betreffende Impuls braucht, um den erwähnten Punkt zu erreichen, gemessen wird, und die Zeiten t1 und t2 zum Berechnen der Position der erwähnten stellen unabhängig von einer etwaigen Ausdehnung des Streifens (10) infolge von Temperaturänderungen, benutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte zweite Impuls (21) am anderen Ende des Streifens unabhängig eingespeist wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte zweite Impuls der erste Impuls (20) ist, der über die erwähnten Stelle hinaus läuft, das andere Ende des Streifens (10) erreicht und dort reflektiert wird, wobei die Zeit 2 x t2 anschließend an t1 gemessen wird und daraus Bestimmung von t2 erfolgt.

4. Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach dem Verfahren von Anspruch 2, mit einem Magnetstreifen (10), der eine um den Streifen (10) gewickelte Einspeisungsspule (12) an jedem Ende trägt, einer Detektorspule (13), die um den Streifen (10) über einen erheblichen Teil der Länge desselben gewickelt ist, einem Magneten (11), der entlang dem Streifen in dessen Nähe zum Variieren der magnetischen Eigenschaften des Streifens in seiner Umgebung beweglich ist, Mitteln zur Impulsansteuerung der zwei Einspeisungsspulen und Mitteln zum Erfassen der Signalimpulse in der Detektorspule (13).