DE3931423A1 - Sensor measuring position in earth's gravitational field - has hollow chamber partly filled with ferromagnetic or dielectric liq. in body carrying reactances - Google Patents

Sensor measuring position in earth's gravitational field - has hollow chamber partly filled with ferromagnetic or dielectric liq. in body carrying reactances

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Abstract

A position sensor has an arrangement for determining the relative position of a body to the earth's centre of gravity. The body of the position sensor (3) contains a hollow chamber (2) which is partly filled with a ferromagnetic or dielectric liquid (1). Reactances (L1,L1') arranged closed to the hollow chamber are mounted on the sensor so as to enable two-dimensional or three-dimensional position measurement. The reactances can be coils or capacitors. USE/ADVANTAGE - Biomedicine, e.g. measuring position of human body. Enables accurate measurment free of ambient influences and without mechanical parts.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lagesensor zur Ermittlung der Position eines Gerätes im Schwerefeld der Erde.The invention relates to a position sensor for determining the Position of a device in the gravitational field of the earth.

Ein Lagesensor hat die Aufgabe, die Position eines Gerätes im Schwerefeld der Erde zu ermitteln. Bekannte Lagesenso­ ren lösen diese Aufgabe durch mechanische Mittel, wie bei­ spielsweise mit Quecksilberschaltern oder mit Pendeln.A position sensor has the task of determining the position of a device to be determined in the earth's gravitational field. Known location sensor  Ren solve this task by mechanical means, as with for example with mercury switches or with pendulums.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lagesensor anzugeben, der frei von Umwelteinflüssen unter Vermeidung von mechanischen Teilen eine exakte Lagebestimmung ermög­ licht.The invention has for its object a position sensor specify that free from environmental influences while avoiding precise determination of the position of mechanical parts light.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.This object is achieved by the specified in claim 1 Features solved. Advantageous further training of the Erfin are given in the subclaims.

Erfindungsgemäß wird ein Lagesensor angegeben, der die Re­ aktanzänderung für die Lagebestimmung ausnutzt, die durch Verlagerung einer ferromagnetischen oder dielektrischen Flüssigkeit hervorgerufen wird. Der Körper des Lagesensors enthält einen Hohlraum, der zum Teil mit der Flüssigkeit gefüllt ist. Die relative Lage des Körpers zum Schwerpunkt der Erde wird durch gegensinnige Veränderung der Reaktanz von auf dem Lagesensor aufgebrachten Reaktanzen durch eine Auswerteschaltung bestimmt. Die Auswertung des durch den Lagesensors erzeugten Signals kann durch eine Brücken­ schaltung oder mittels eines Mikroprozessors erfolgen. Es wird das Prinzip des induktiven bzw. kapazitiven Wegauf­ nehmers, auch als linear variabler Differential-Transfor­ mator bekannt, auf einen zwei- bzw. dreidimensionalen La­ gesensor übertragen. Der bei einem induktiven Wegaufnehmer verwendete bewegliche ferromagnetische Kern wird bei dem erfindungsgemäßen Lagesensor durch eine ferromagnetische Flüssigkeit, sogenanntes Ferrofluid, ersetzt. According to the invention, a position sensor is specified that the Re exploitation change of position for the position determination, which by Relocation of a ferromagnetic or dielectric Liquid is caused. The body of the position sensor contains a cavity that is partially in contact with the liquid is filled. The relative position of the body to the center of gravity of the Earth is due to opposing changes in reactance of reactances applied to the position sensor by a Evaluation circuit determined. The evaluation of the by the Position sensor generated signal can through a bridge circuit or by means of a microprocessor. It becomes the principle of inductive or capacitive path nehmers, also as a linear variable differential transformer mator known, on a two- or three-dimensional La transmit sensor. The one with an inductive displacement sensor Movable ferromagnetic core is used in the position sensor according to the invention by a ferromagnetic Liquid, so-called ferrofluid, replaced.  

Anwendung findet der erfindungsgemäße Lagesensor bevorzugt in biomedizinischen Geräten, in denen die Position des menschlichen Körpers oder Teilen davon in mehreren Raum­ richtungen erfaßt werden muß. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind beispielsweise elektronische Wasserwaagen für Bau- oder Installationsbereich, Alarmanlagen oder als Beschleu­ nigungsaufnehmer. Insbesondere vorteilhaft bei dem erfin­ dungsgemäßen Lagesensor sind seine geringe Baugröße als auch der große Meßbereich von 90° in jeder Achsrichtung.The position sensor according to the invention is preferably used in biomedical devices where the position of the human body or parts thereof in multiple space directions must be recorded. Other uses are, for example, electronic spirit levels for construction or installation area, alarm systems or as an accelerator level sensor. Particularly advantageous for the inventor Position sensor according to the invention are its small size as also the large measuring range of 90 ° in each axis direction.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Lagesensors sowie vorteilhafte Auswerteschaltungen anhand der Zeichnung wiedergegeben. Es zeigen:Below is an embodiment of an invention appropriate position sensor and advantageous evaluation circuits reproduced from the drawing. Show it:

Fig. 1 einen Lagesensor, Fig. 1 shows a position sensor,

Fig. 2 eine Signalauswerteschaltung, Fig. 2 is a signal evaluation circuit,

Fig. 3 eine erdsymmetrische Auswerteschaltung, Fig. 3 shows a balanced to ground evaluation circuit,

Fig. 4 eine Auswerteschaltung für eindimensionalen Lage­ sensor, Fig. 4 sensor, an evaluation circuit for the one-dimensional position,

Fig. 5 eine mikroprozessorgesteuerte Auswerteschaltung so­ wie Fig. 5 is a microprocessor-controlled evaluation circuit so as

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung bei dem Kapazitäten als Reaktanzen verwendet werden. Fig. 6 shows another embodiment of the invention in which capacities are used as reactances.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Lagesensor 3. Der La­ gesensor 3 besteht aus einem in einem Plexiglaswürfel ein­ gebetteten kugelförmigen Hohlraum 2, der zur Hälfte mit einer ferromagnetischen Flüssigkeit 1 gefüllt ist. Als ferromagnetische Flüssigkeit eignet sich z.B. APG 513A von Ferrofluidics. Ferromagnetische Flüssigkeiten werden üblicherweise zur Kühlung von Schwingspulen in hochwerti­ gen Lautsprechern oder als Dichtungsmedium in Hochvakuum- Drehdurchführungen eingesetzt. Fig. 1 shows a position sensor 3 of the invention. The load sensor 3 consists of a spherical cavity 2 embedded in a plexiglass cube, half of which is filled with a ferromagnetic liquid 1 . APG 513A from Ferrofluidics is a suitable ferromagnetic liquid. Ferromagnetic liquids are usually used to cool voice coils in high-quality loudspeakers or as a sealing medium in high-vacuum rotary unions.

Auf der Außenseite des Plexiglaswürfels sind Spulenpaare L1, L1′ angeordnet. Es können je nach Anwendungsfall zwei oder drei Spulenpaare sein, die orthogonal zueinander auf dem Plexiglaswürfel aufgebracht sind.Coil pairs L 1 , L 1 'are arranged on the outside of the plexiglass cube. Depending on the application, there can be two or three pairs of coils that are applied orthogonally to each other on the plexiglass cube.

Die ferromagnetische Flüssigkeit 1 stellt einen durch die Schwerkraft verschiebbaren ferromagnetischen Kern dar, der die Induktivität der beiden Spulen L1 und L1′ gegensinnig ändert.The ferromagnetic liquid 1 represents a gravitationally displaceable ferromagnetic core, which changes the inductance of the two coils L 1 and L 1 'in opposite directions.

Erfindungsgemäß können anstelle von Spulen auch Kondensa­ toren verwendet werden. Die Lage des Lagensensors wird dann aus der Änderung der Kapazität abgeleitet. Die nach­ folgenden Auswerteschaltungen beziehen sich auf eine Ände­ rung der Induktivität. Bei der Verwendung von Kondensato­ ren können äquivalente Schaltungen für die Auswertung der Kapazitätsänderung verwendet werden.According to the invention, condensates can also be used instead of coils gates can be used. The location of the position sensor will then derived from the change in capacity. The after The following evaluation circuits refer to a change inductance. When using condensate equivalent circuits for the evaluation of the Capacity change can be used.

Bei der Herstellung des Sensors werden die Hälften des Plexiglaskörpers nach Füllung der einen Hälfte mittels Klebung verbunden. Es wird ein solcher Kleber verwendet, der ein Unterwandern des Klebers durch die extrem kriech­ fähige ferromagnetische Flüssigkeit 1 verhindert. Als fer­ romagnetische Flüssigkeit 1 wird vorteilhaft eine Flüssig­ keit auf Ölbasis verwendet, da bei dieser Flüssigkeit ein Entmischen der Eisenoxidpartikel vermieden wird.In the manufacture of the sensor, the halves of the plexiglass body are connected by gluing after filling one half. Such an adhesive is used which prevents the adhesive from being infiltrated by the extremely creepable ferromagnetic liquid 1 . An oil-based liquid is advantageously used as the ferromagnetic liquid 1 , since segregation of the iron oxide particles is avoided with this liquid.

Durch Änderung der Viskosität der ferromagnetischen Flüs­ sigkeit 1 kann die Eigendämpfung bzw. Ansprechgeschwindig­ keit des Sensors eingestellt werden. Bei niedrigviskosen Flüssigkeiten ist jedoch der Eisenoxidgehalt geringer, so daß die sich daraus ergebende geringere Induktivitätsän­ derung durch die nachgeschaltete Auswerteschaltung kompen­ siert wird.The natural damping or response speed of the sensor can be adjusted by changing the viscosity of the ferromagnetic liquid 1 . In the case of low-viscosity liquids, however, the iron oxide content is lower, so that the resultant lower inductance change is compensated for by the downstream evaluation circuit.

Bedingt durch den anwendungsgemäßen Einbau des Sensors und seiner Lage zum Erdmagnetfeld kann es erforderlich werden, zur Kompensation bzw. Abschirmung des Magnetfeldes der Er­ de den Sensor mit einer entsprechenden Schirmung zu verse­ hen, z.B. diesen in ein Mu-Metall-Gehäuse einzukapseln.Due to the application of the sensor and its location in relation to the earth's magnetic field it may be necessary to compensate or shield the magnetic field of the Er de to provide the sensor with appropriate shielding hen, e.g. encapsulate it in a mu-metal housing.

Fig. 2 zeigt eine Signalauswerteschaltung. Zur Erfassung der Induktivitätsänderungen der Sensorspulen L1, L1′ sind diese in einer Brückenschaltung angeordnet, bestehend aus den Spulen L1, L1′ sowie Widerständen 11, 12. Der Verbin­ dungspunkt der Spule L1 und des Widerstandes 11 ist mit einer Wechselspannungsquelle 10 mit einer Frequenz von z.B. 1 MHz verbunden. Der Verbindungspunkt der Spule L1′ und des Widerstandes 12 ist mit Masse verbunden. Die Wider­ stände 11, 12 haben gleiche Werte. Die verstimmungsabhän­ gige Ausgangsspannung der Brücke wird Eingängen eines Dif­ ferenzverstärkers 13 zugeführt. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 13 wird einem Synchrondemodulator 14 zugeführt, dem zur Synchronisation das Wechselspannungssi­ gnal der Wechselspannungsquelle 10 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Synchrondemodulators 14 wird auf einen Tiefpaßfilter 15 gegeben, an dessen Ausgang eine der aktu­ ellen Lage des Sensors entsprechende Gleichspannung UA abgreifbar ist. Fig. 2 shows a signal evaluation circuit. To detect the changes in inductance of the sensor coils L 1 , L 1 ', these are arranged in a bridge circuit consisting of the coils L 1 , L 1 ' and resistors 11 , 12 . The connec tion point of the coil L 1 and the resistor 11 is connected to an AC voltage source 10 with a frequency of 1 MHz, for example. The connection point of the coil L 1 'and the resistor 12 is connected to ground. The resistors 11 , 12 have the same values. The detuning dependent output voltage of the bridge is fed to inputs of a dif ferential amplifier 13 . The output signal of the differential amplifier 13 is fed to a synchronous demodulator 14 , which is supplied with the AC voltage signal 10 of the AC voltage source 10 for synchronization. The output signal of the synchronous demodulator 14 is passed to a low-pass filter 15 , at the output of which a DC voltage U A corresponding to the current position of the sensor can be tapped.

Fig. 3 zeigt eine erdsymmetrische Auswerteschaltung. Die beiden Sensorspulen L1, L1′ werden von exakt gleichgroßen, gegenphasigen Spannungsquellen 20, 21 gespeist. Die Erzeu­ gung dieser Spannungen kann vorteilhaft durch ein Flipflop geschehen. Durch diesen erdsymmetrischen Aufbau der Aus­ werteschaltung wird der in Fig. 2 erforderliche Differenz­ verstärker 13 nicht benötigt. Die der aktuellen Lage des Sensors entsprechende Gleichspannung UA ist entsprechend Fig. 2 abgreifbar. Fig. 3 shows a balanced to ground evaluation circuit. The two sensor coils L 1 , L 1 'are fed by voltage sources 20 , 21 of exactly the same size, in opposite phases. The generation of these voltages can advantageously be done by a flip-flop. Due to this earth-symmetrical structure of the evaluation circuit, the differential amplifier 13 required in FIG. 2 is not required. The DC voltage U A corresponding to the current position of the sensor can be tapped in accordance with FIG. 2.

Die Auswertung weiterer Sensorspulenpaare kann vorteilhaft durch Umschalten der Brückenspeisespannung erfolgen. Vor­ teilhaft kann dazu ein CMOS-Tristate-Treiber wie 74HCl25 verwendet werden. Die Ausgänge der Brücken können dann ge­ meinsam an den Eingang des Sychrondemodulators 14 geschal­ tet werden.The evaluation of further sensor coil pairs can advantageously be carried out by switching the bridge supply voltage. A CMOS tristate driver such as 74HCl25 can be used to some extent. The outputs of the bridges can then be switched to the input of the synchronous demodulator 14 .

Fig. 4 zeigt eine Auswerteschaltung für eindimensionalen Lagesensor. Ein RC-Oszillator, bestehend aus einem Konden­ sator 31 an Eingängen eines Gatters 37 und einem Wider­ stand 32, der den Ausgang des Gatters 37 mit seinen Ein­ gängen verbindet, erzeugt eine Frequenz von 2 MHz. Der Ausgang des Gatters 37 ist mit einem Takt-Eingang eines D-Flipflops 33 verbunden. Ein D-Eingang des D-Flipflops 33 ist mit einem invertierenden Q-Ausgang des D-Flipflops 33, einem Steuereingang eines Schalter 43 und Eingängen eines Gatters 38 verbunden. Ein Q-Ausgang des D-Flipflops 33 ist mit Eingängen eines Gatters 34 und einem Steuereingang ei­ nes Schalters 48 verbunden. Ein Ausgang des Gatters 34 führt auf die Spule L1, ein Ausgang des Gatters 38 auf die Spule L1′. Die Spulen L1 und L1′ sind mit einem Potentiome­ ter 36 verbunden, dessen Abgriff zum einen mit einem nach Masse geschalteten Kondensator 40, zum anderen mit dem Schalter 43 und einem Schalter 48 verbunden sind. Ausgänge der Schalter 43, 48 führen je über einen nach Masse ge­ schalteten Kondensator 47, 50 und einem Widerstand 42, 49 auf Eingänge eines Differenzverstärkers 44. Der nichtin­ vertierende Eingang des Differenzverstärkers 44 ist zu­ sätzlich mit einem Spannungsteiler 45, 46 verbunden. Zur Verstärkungseinstellung des Differenzverstärkers 44 dient ein Widerstand 41. Am Ausgang des Differenzverstärkers 44 ist eine der Lage des Sensors entsprechende Gleichspannung UA abgreifbar. Fig. 4 shows an evaluation circuit for the one-dimensional position sensor. An RC oscillator, consisting of a capacitor 31 at the inputs of a gate 37 and an opposing 32 , which connects the output of the gate 37 with its inputs, generates a frequency of 2 MHz. The output of the gate 37 is connected to a clock input of a D flip-flop 33 . A D input of the D flip-flop 33 is connected to an inverting Q output of the D flip-flop 33 , a control input of a switch 43 and inputs of a gate 38 . A Q output of the D flip-flop 33 is connected to inputs of a gate 34 and a control input of a switch 48 . An output of the gate 34 leads to the coil L 1 , an output of the gate 38 to the coil L 1 '. The coils L 1 and L 1 'are connected to a potentiometer ter 36 , the tap of which is connected on the one hand to a capacitor 40 connected to ground, on the other hand to the switch 43 and a switch 48 . Outputs of the switches 43 , 48 each lead via a capacitor 47 , 50 connected to ground and a resistor 42 , 49 to inputs of a differential amplifier 44 . The non-inverting input of the differential amplifier 44 is additionally connected to a voltage divider 45 , 46 . A resistor 41 is used to adjust the gain of the differential amplifier 44 . At the output of the differential amplifier 44 of a position of the sensor corresponding DC voltage U A can be tapped.

Die vom RC-Oszillator erzeugte Frequenz wird durch das D-Flipflop in zwei gegenphasige Signale mit der halben Fre­ quenz umgesetzt. Diese Signale werden zum einen zur An­ steuerung der Schalter 43, 48 verwendet, die als Synchron­ demodulator dienen, zum anderen über die Gatter 34, 38, die als Treiber dienen, den Spulen L1, L1′ des Sensors zu­ geführt. Der Nullpunkt , d.h. die Symmetrie des Sensors kann über das Potentiometer 36 eingestellt werden. Die Ausgangsspannung des Sensors wird mit den Schaltern 43, 48 synchron doppelweg-gleichgerichtet. Die gleichgerichteten Signale werden durch die nachgeschalteten Tiefpässe ge­ siebt und durch den Verstärker 44 verstärkt. The frequency generated by the RC oscillator is converted by the D flip-flop into two antiphase signals with half the frequency. These signals are used on the one hand to control the switches 43 , 48 , which serve as a synchronous demodulator, on the other hand via the gates 34 , 38 , which serve as drivers, the coils L 1 , L 1 'of the sensor. The zero point, ie the symmetry of the sensor, can be set via the potentiometer 36 . The output voltage of the sensor is synchronized with the switches 43 , 48 in a two-way rectification. The rectified signals are sifted through the downstream low-pass filters and amplified by the amplifier 44 .

Diese vorgeschlagene Auswerteschaltung ist vorteilhaft in einem IC zu realisieren, was zu einem besonders einfachen und kompakten Aufbau führt.This proposed evaluation circuit is advantageous in to realize an IC, which becomes a particularly simple one and compact structure leads.

Eine Erweiterung auf mehrdimensionale Auswertung läßt sich wie folgt realisieren. Jedes Spulenpaar L1, L1′ wird über Tristate-Treiber angeschlossen und mittels einer Ablauf­ steuerung nacheinander an die Speisespannung anschalten. Die jeweiligen Ausgangssignale werden für jede Achse in einem Abtast-Halteglied gespeichert und stehen danach als Gleichspannungswert für die jeweilige Lage zur Verfügung.An extension to multi-dimensional evaluation can be implemented as follows. Each pair of coils L 1 , L 1 'is connected via tristate drivers and connected to the supply voltage one after the other by means of a sequence control. The respective output signals are stored in a sample and hold element for each axis and are then available as a DC voltage value for the respective position.

Fig. 5 zeigt eine mikroprozessorgesteuerte Auswerteschal­ tung. Vorteilhaft ist eine digitale Weiterverarbeitung der Daten des Lagesensors. Die Mikroprozessor-Auswerteschal­ tung ist für mehrdimensionale Sensoren beschrieben, die neben der Ablaufsteuerung auch eine Digitalisierung der Meßwerte und bei Bedarf eine Entzerrung der Sensorkennli­ nie vornimmt. Fig. 5 shows a microprocessor-controlled evaluation circuit. Digital processing of the data of the position sensor is advantageous. The microprocessor evaluation circuit is described for multi-dimensional sensors which, in addition to the sequential control system, also digitize the measured values and, if necessary, equalize the sensor characteristics.

Einem Mikroprozessor 60 wird von einem Quarz 63 ein Takt von z.B. 4 MHz zugeführt. Dieser Takt wird einem als Tei­ ler arbeitendes D-Flipflop 66 zugeführt, der als D-Flipflop ausgebildet ist. Der Q-Ausgang und der invertierte Q- Ausgang des D-Flipflops 66 führen auf Eingänge eines Tri­ state-Treibers 67. Durch den Tristate-Treiber 67 werden jeweils eine Sensorbrücke bestehend aus Spulen L1, L1′, und Potentiometer 68 oder Spulen L2, L2′, und Potentiome­ ter 69 an Spannung gelegt. Das Ausgangssignal der Brücke wird wie in Fig. 4 einem Synchrondemodulator 70 zugeführt. An den Synchrondemodulator 70 schließt sich ein vom Mikro­ prozessor 60 gesteuerter Schalter 71 an, über den das Aus­ gangssignal des Synchrondemodulators 70 einem Kondensator 71, einer Stromquelle 65 und dem nichtinvertierenden Ein­ gang eines Komparators 62 zugeführt wird. An die Strom­ quelle 65 schließt sich ein nach Masse geschalteter Schal­ ter 84 an, der durch den Mikroprozessor 60 gesteuert wird.A clock of 4 MHz, for example, is supplied to a microprocessor 60 by a quartz 63 . This clock is supplied to a D-flip-flop 66 which operates as a divider and is designed as a D-flip-flop. The Q output and the inverted Q output of the D flip-flop 66 lead to inputs of a tri-state driver 67 . Through the tristate driver 67 , a sensor bridge consisting of coils L 1 , L 1 ', and potentiometer 68 or coils L 2 , L 2 ', and potentiometer ter 69 are each applied to voltage. The output signal of the bridge is fed to a synchronous demodulator 70 as in FIG. 4. The synchronous demodulator 70 is followed by a switch 71 controlled by the microprocessor 60 , via which the output signal from the synchronous demodulator 70 is fed to a capacitor 71 , a current source 65 and the non-inverting input of a comparator 62 . At the current source 65 is connected to a grounded switch ter 84 , which is controlled by the microprocessor 60 .

An den invertierenden Eingang des Komparators 62 kann eine Referenzspannung anstelle des Spannungsteilers entspre­ chend Fig. 4 angelegt werden. An den Mikroprozessor 60 ist eine Anzeigeeinrichtung 61 angeschlossen.At the inverting input of the comparator 62 , a reference voltage can be applied instead of the voltage divider corresponding to FIG. 4. A display device 61 is connected to the microprocessor 60 .

Der Kondensator 71 wird bei geschlossenem Schalter 71 ge­ laden. Nach Ladung des Kondensators 71 wird der Schalter 71 geöffnet und der Tristate-Treiber in Neutralstellung gebracht; damit sind die Sensorspulen zwecks Stromerspar­ nis abgetrennt. Der Kondensator 71 wird dann über den Schalter 84 durch die Stromquelle 65 mit konstantem Strom entladen. Der Mikroprozessor 60 mißt die Entladezeit des Kondensators bis zu einer Entladung auf die Referenzspan­ nung des Komparators 62.The capacitor 71 is charged with the switch 71 closed. After the capacitor 71 has been charged, the switch 71 is opened and the tristate driver is brought into neutral position; the sensor coils are separated to save electricity. The capacitor 71 is then discharged via the switch 84 by the current source 65 with constant current. The microprocessor 60 measures the discharge time of the capacitor until a discharge to the reference voltage of the comparator 62 .

Als Mikroprozessor 60 kann z.B. ein Einchip-Mikroprozes­ sor des Typs 8748 von Intel eingesetzt werden. Dieser Mi­ kroprozessor erzeugt ein Taktsignal, dessen Frequenz von dem angeschlossenen Quarz 63 bestimmt wird. Der Mikropro­ zessor 60 steuert die zyklische Anschaltung der Spulenpaa­ re L1, L1′ bzw. L2, L2′, führt eine Analog-Digital-Wandlung des Sensorsignals mit dem externen Komparator 62 durch und formatiert die aus der Analog-Digital-Wandlung erzeugten Digitalwerte für z.B. eine Ausgabe auf einer LCD-Anzeige. As a microprocessor 60 , for example, a single-chip microprocessor type 8748 from Intel can be used. This microprocessor generates a clock signal, the frequency of which is determined by the connected quartz 63 . The microprocessor 60 controls the cyclical activation of the coil pairs L 1 , L 1 'or L 2 , L 2 ', performs an analog-digital conversion of the sensor signal with the external comparator 62 and formats the analog-digital Conversion generated digital values for, for example, an output on an LCD display.

Softwaremäßig kann durch den Mikroprozessor 60 eine Ent­ zerrung der Sensorkennlinie mit einer für jedes Spulenpaar getrennt gespeicherten Korrekturtabelle, ein automatischer Nullabgleich des Sensors sowie serielle Ausgabe der Meßda­ ten zur Weiterverarbeitung durchgeführt werden.Using software, the microprocessor 60 can perform an equalization of the sensor characteristic curve with a correction table stored separately for each pair of coils, an automatic zero adjustment of the sensor and serial output of the measurement data for further processing.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Bei einer mit Kapazitäten arbeitenden Ausführung werden die Induktivitäten L1 bis L1′ gemäß Fig. 5 durch entsprechend bemessene Kapazitäten ersetzt.The invention is not limited in its implementation to the preferred exemplary embodiment given above. In an embodiment working with capacitors, the inductors L 1 to L 1 'according to FIG. 5 are replaced by appropriately dimensioned capacitors.

Bei einem entsprechenden, in Fig. 6 im Schnitt darge­ stellten Ausführungsbeispiel füllt eine dielektrisch wirk­ same Flüssigkeit (Öl, Wasser), deren relative Dielektrizi­ tätskonstante εr groß gegen eins ist, einen Behälter teil­ weise aus, der von zwei konzentrischen kugel- oder ring­ förmigen nichtleitenden Wandungen begrenzt ist. An diesen Wandungen sind außen und innen jeweils entsprechend ge­ krümmte Platten von Kondensatoren C1, C1′, C2 und C2′ vor­ gesehen. Diese Kondensatoren können in entsprechenden Schaltungen betrieben werden wie die Induktivitäten der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Der Flüssig­ keitsstand erhöht jeweils den Wert der Kapazität der Kon­ densatoren, deren Platten der Flüssigkeit benachbart sind.In a corresponding embodiment shown in Fig. 6 in section Darge fills a dielectric liquid (oil, water) whose relative dielectric constant ε r is large against one, a container partially from two concentric spherical or ring shaped non-conductive walls is limited. On these walls are seen outside and inside each corresponding GE curved plates of capacitors C 1 , C 1 ', C 2 and C 2 ' before. These capacitors can be operated in appropriate circuits like the inductors of the previously described exemplary embodiments. The liquid level increases the value of the capacitance of the condensers, the plates of which are adjacent to the liquid.

Weiterhin ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.A number of variants are also conceivable, which of the solution shown, even with other types Makes use of explanations.

Claims (17)

1. Lagesensor mit Mitteln zur Bestimmung der relativen Lage eines Körpers zum Schwerpunkt der Erde, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Lagesensors (3) einen Hohlraum (2) auf­ weist, der zum Teil mit einer ferromagnetischen oder die­ lektrischen Flüssigkeit (1) gefüllt ist und daß Reaktanzen (L1, L1′ bzw. C1, C1′) dem Hohlraum benachbart angebracht sind.1. Position sensor with means for determining the relative position of a body to the center of gravity of the earth, characterized in that the body of the position sensor ( 3 ) has a cavity ( 2 ) which is partially filled with a ferromagnetic or the dielectric liquid ( 1 ) is and that reactances (L 1 , L 1 'or C 1 , C 1 ') are attached adjacent to the cavity. 2. Lagesensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reaktanzen (L1, L1′) so auf den Lagesensor aufgebracht sind, daß eine zweidimen­ sionale Lagebestimmung ermöglicht ist.2. Position sensor according to claim 1, characterized in that the reactances (L 1 , L 1 ') are applied to the position sensor so that a two-dimensional positional determination is possible. 3. Lagesensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reaktanzen (L1, L1′; L2, L2′) so auf den Lagesensor aufgebracht sind, daß eine dreidimensionale Lagebestimmung ermöglicht ist.3. Position sensor according to claim 1, characterized in that the reactances (L 1 , L 1 '; L 2 , L 2 ') are applied to the position sensor so that a three-dimensional position determination is possible. 4. Lagesensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktanzen Spulen vorgesehen sind. 4. Position sensor according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that coils are provided as reactances.   5. Lagesensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktanzen Kondensatoren (C1, C1′, C2, C2′) vorgesehen sind.5. Position sensor according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that capacitors (C 1 , C 1 ', C 2 , C 2 ') are provided as reactances. 6. Lagesensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Lagesensors (3) aus einem Kunststoff be­ steht.6. Position sensor according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the body of the position sensor ( 3 ) is made of a plastic be. 7. Lagesensor nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Körper des Lagesensors (3) aus zwei Hälften besteht, die nach Füllung mit der ferromagnetischen bzw. dielektrischen Flüssigkeit mittels Klebung verbunden worden sind.7. Position sensor according to claim 6, characterized in that the body of the position sensor ( 3 ) consists of two halves which have been connected by filling with the ferromagnetic or dielectric liquid by means of adhesive. 8. Lagesensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine ferromagnetische bzw. dielektrische Flüssigkeit auf Ölbasis vorgesehen ist.8. Position sensor according to claim 1, characterized ge indicates that a ferromagnetic or dielectric oil-based liquid is provided. 9. Lagesensor nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigendämpfung bzw. Ansprechgeschwindigkeit des Lagesensors durch die Visko­ sität der ferromagnetischen bzw. dielektrischen Flüssig­ keit derart eingestellt wird, daß ein Nachschwingen - in Form eines Hin- und Herschwappens der Flüssigkeit - ape­ riodisch abklingt. 9. Position sensor according to claim 1 or 8, characterized characterized that the internal damping or Response speed of the position sensor through the visco sity of the ferromagnetic or dielectric liquid speed is set such that a ringing - in Form of a back and forth sloshing of the liquid - ape decays periodically.   10. Lagesensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Kompensation bzw. Ab­ schirmung des Magnetfeldes der Erde der Lagesensor mit ei­ ner entsprechenden Schirmung versehen ist.10. Position sensor according to claim 1, characterized ge indicates that for compensation or Ab shielding the earth's magnetic field the position sensor with egg appropriate shielding is provided. 11. Auswerteschaltung für einen Lagesensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß zur Auswertung der Reaktanzänderungen die Reak­ tanzen (L1, L1′) in einer, insbesondere erdsymmetri­ schen, Brückenschaltung betrieben werden, wobei die Brücke mit einer Wechselspannungsquelle (10) verbun­ den ist,
daß die verstimmungsabhängige Ausgangsspannung der Brücke Eingängen eines Differenzverstärkers (13) zu­ geführt wird,
daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (13) einem Synchrondemodulator (14) zugeführt wird, der mit dem Wechselspannungssignal der Wechselspannungs­ quelle (10) synchronisiert wird und
daß das Ausgangssignal des Synchrondemodulators (14) dem Eingang eines Tiefpaßfilters (15) zugeführt wird, an dessen Ausgang eine die aktuelle Lage des Sensors repräsentierende Gleichspannung (UA) abgreifbar ist. 11. Evaluation circuit for a position sensor according to one of the preceding claims, characterized in that
that for the evaluation of the reactance changes, the reactances (L 1 , L 1 ') are operated in a, in particular earth-symmetrical, bridge circuit, the bridge being connected to an AC voltage source ( 10 ),
that the detuning-dependent output voltage of the bridge is fed to inputs of a differential amplifier ( 13 ),
that the output signal of the differential amplifier ( 13 ) is fed to a synchronous demodulator ( 14 ) which is synchronized with the AC signal of the AC voltage source ( 10 ) and
that the output signal of the synchronous demodulator ( 14 ) is fed to the input of a low-pass filter ( 15 ), at the output of which a DC voltage (U A ) representing the current position of the sensor can be tapped. 12. Auswerteschaltung für einen Lagesensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 10, da­ durch gekennzeichnet,
daß jeweils zwei in einem Brückenzweig befindlliche Reaktanzen (L1, L1′) mit gegenphasigen Wechselspan­ nungen (20, 21) gleicher Amplitude gespeist werden,
daß das Ausgangssignal des Verbindungspunktes Reak­ tanzen (L1, L1′) einem Synchrondemodulator (14) zuge­ führt wird, der mit dem Wechselspannungssignal der Wechselspannungsquelle (20) synchronisiert wird, und
daß das Ausgangssignal des Synchrondemodulators (14) dem Eingang eines Tiefpaßfilters (15) zugeführt wird, an dessen Ausgang eine die aktuelle räumliche Lage des Sensors repräsentierende Gleichspannung (UA) ab­ greifbar ist.12. Evaluation circuit for a position sensor according to one or more of claims 1 to 4 or 6 to 10, characterized in that
that in each case two reactances (L 1 , L 1 ') located in a bridge branch are fed with opposite-phase alternating voltages ( 20 , 21 ) of the same amplitude,
that the output signal of the connection point Reak dance (L 1 , L 1 ') a synchronous demodulator ( 14 ) is supplied, which is synchronized with the AC signal of the AC voltage source ( 20 ), and
that the output signal of the synchronous demodulator ( 14 ) is fed to the input of a low-pass filter ( 15 ), at the output of which a direct voltage (U A ) representing the current spatial position of the sensor is available. 13. Lagesensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einer Auswerteschaltung ein RC- Oszillator eine Frequenz für ein D-Flipflop (33) liefert, daß ein D-Eingang des D-Flipflops (33) mit einem invertie­ renden Q-Ausgang des D-Flipflops (33), einem Steuereingang eines Schalters (43) und Eingängen eines Gatters (38) ver­ bunden sind, daß ein Q-Ausgang des D-Flipflops (33) mit Eingängen eines Gatters (34) und einem Steuereingang eines Schalters (48) verbunden ist, daß ein Ausgang des Gatters (34) auf die Reaktanz (L1), ein Ausgang des Gatters (38) auf die Reaktanz (L1′) führt, daß die Reaktanzen (L1, L1′) mit einem Potentiometer (36) verbunden sind, dessen Abgriff zum einen mit einem nach Masse geschalteten Kondensator (40), zum anderen mit dem Schalter (43) und einem Schalter (48) verbunden sind, daß die Ausgänge der Schalter (43, 48) je über einen nach Masse geschalteten Kondensator (47, 50) und einem Widerstand (42, 49) auf Eingänge eines Differenz­ verstärkers (44) führen, an dessem Ausgang eine der Lage des Sensors entsprechende Gleichspannung (UA) abgreifbar ist.13. Position sensor according to one or more of claims 1 to 4 or 6 to 10, characterized in that in an evaluation circuit, an RC oscillator supplies a frequency for a D flip-flop ( 33 ) that a D input of the D flip-flop ( 33 ) with an inverting output of the D flip-flop ( 33 ), a control input of a switch ( 43 ) and inputs of a gate ( 38 ) are connected to a Q output of the D flip-flop ( 33 ) with inputs a gate ( 34 ) and a control input of a switch ( 48 ) is connected that an output of the gate ( 34 ) to the reactance (L 1 ), an output of the gate ( 38 ) to the reactance (L 1 ') leads that the reactances (L 1 , L 1 ') are connected to a potentiometer ( 36 ), the tap of which is connected on the one hand to a capacitor ( 40 ) connected to ground, on the other hand to the switch ( 43 ) and a switch ( 48 ), that the outputs of the switches ( 43 , 48 ) each have a capacitor connected to ground gate ( 47 , 50 ) and a resistor ( 42, 49 ) lead to inputs of a differential amplifier ( 44 ), at whose output a DC voltage (U A ) corresponding to the position of the sensor can be tapped. 14. Lagesensor nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei mehrdimensionaler Aus­ wertung je ein Paar von Reaktanzen (L1, L1′; L2, L2′) über Tristate-Treiber angeschlossen und mittels einer Ablauf­ steuerung nacheinander an die Speisespannung anschalten werden und daß die jeweiligen Ausgangssignale der Reaktan­ zenpaare (L1, L1′; L2, L2′) für jede Achse in einem Abtast-Halteglied gespeichert werden und als Gleichspan­ nungswert für die jeweilige Lage zur Verfügung stehen.14. Position sensor according to claim 13, characterized in that in multi-dimensional evaluation from a pair of reactances (L 1 , L 1 '; L 2 , L 2 ') connected via tristate drivers and by sequential control sequentially to the supply voltage be turned on and that the respective output signals of the react zenpaare (L 1 , L 1 '; L 2 , L 2 ') for each axis are stored in a sample-and-hold element and are available as a DC voltage value for the respective position. 15. Lagesensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einer Auswerteschaltung
ein getakteter Mikroprozessor (60), aus dessen Takt eine die Reaktanzen (L1, L1′; L2, L2′) beaufzuschla­ gende Spannung erzeugt wird, Tristate-Treibers (67) steuert, die die Spannung an die jeweiligen Reaktan­ zenpaare (L1, L1′; L2, L2′) schaltet,
das Ausgangssignal der Brücke einem Synchrondemodula­ tor und Verstärker (70) zugeführt wird,
dem Synchrondemodulator und Verstärker (70) ein vom Mikroprozessor (60) gesteuerter Schalter (71) nachge­ schaltet ist, über den das Ausgangssignal des Syn­ chrondemodulators und Verstärker (70) einem Kondensa­ tor (71), einer Stromquelle (65) und dem nicht­ invertierenden Eingang eines Komparators (62) zuge­ führt wird, und
die Stromquelle (65) an einen nach Masse geschalteten Schalter (84) angelegt ist, der durch den Mikropro­ zessor (60) angesteuert wird.15. Position sensor according to one or more of claims 1 to 4 or 6 to 10, characterized in that in an evaluation circuit
a clocked microprocessor ( 60 ), from the clock of which the reactances (L 1 , L 1 '; L 2 , L 2 ') voltage is generated, tristate driver ( 67 ) controls zenpaare the voltage to the respective reactants (L 1 , L 1 ′; L 2 , L 2 ′) switches,
the output signal of the bridge is fed to a synchronous demodulator and amplifier ( 70 ),
the synchronous demodulator and amplifier ( 70 ) is switched by a microprocessor ( 60 ) controlled switch ( 71 ), via which the output signal of the synchronous demodulator and amplifier ( 70 ) is a capacitor ( 71 ), a current source ( 65 ) and the non-inverting one Input of a comparator ( 62 ) is supplied, and
the current source ( 65 ) is applied to a grounded switch ( 84 ) which is controlled by the microprocessor ( 60 ). 16. Lagesensor nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Mikroprozessor (60) der Auswerteschaltung eine Anzeigeeinrichtung (61) nachge­ schaltet ist, welche ein lageproportionales Anzeigesignal erzeugt.16. Position sensor according to claim 15, characterized in that the microprocessor ( 60 ) of the evaluation circuit is connected to a display device ( 61 ) which generates a position-proportional display signal. 17. Lagesensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ver­ wendung von Kapazitäten (C1, C1′, C2, C2′) als Reaktanzen deren beide Platten jeweils paarweise einandergegenüber­ liegend an den konkaven Innen- bzw. der konvexen Außen­ seite eines Hohlkörpers vorgesehen sind, der mit der die­ lektrischen Flüssigkeit gefüllt ist, deren relative Die­ lektrizitätskonstante um einen mindestens ganzzahligen Faktor größer als eins ist.17. Position sensor according to one of the preceding claims, characterized in that when using capacitances (C 1 , C 1 ', C 2 , C 2 ') as reactances, the two plates of which lie opposite one another in pairs on the concave interior or the Convex outer side of a hollow body are provided, which is filled with the dielectric liquid, the relative The dielectric constant is greater than one by an at least integer factor.
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