DE4141545A1 - Vorrichtung zur messung von wegen, positions- oder winkelaenderungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Wegen, Positions- oder Winkeländerungen und dergl., die mit einem Sensorelement ausgerüstet ist, das eine elektrisch meßbare Eigenschaft besitzt, die sich in Abhängigkeit von der zu messenden Größe ändert, und die eine elektronische Auswerteschaltung besitzt.

Es sind bereits sehr unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren zur Messung von Längen und Winkeln bekannt. Es gibt sowohl auf digitale als auch auf analoge Prinzipien beruhende Meßverfahren. Zur analogen Technik gehört das Messen mit Hilfe von Schiebewiderständen (Potentiometern) und mit Hilfe von veränderlichen Induktivitäten. Hierzu zählen die nach dem Wirbelstromprinzip arbeitenden Verfahren: Es handelt sich dabei im Prinzip um kurzgeschlossene Transformatoren; über eine Spule wird ein Rohr aus elektrisch leitendem Material geschoben; die Stärke der in dem Rohr induzierten Wirbelströme ändert sich mit der Anzahl der vom Rohr überdeckten Spulenwindungen; dieser Effekt wird meßtechnisch ausgewertet.

Ferner sind nach dem Drosselprinzip arbeitende Meßverfahren bekannt: In eine Spule wird ein Kern mit hoher relativer Permeabilität eingetaucht; die Induktivität der Spule in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe des Kerns wird zur Wegmessung ausgewertet.

Differentialtransformatoren werden ebenfalls zur Wegmessung verwendet. Der Transformator hat eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung mit Mittenabgriff; die Primärseite wird mit einer Wechselspannung bestimmter Frequenz gespeist; die Sekundärspannungen der beiden Wicklungen werden demoduliert, gefiltert und gegeneinander geschaltet; wenn ein in der Sekundärwicklung eingetauchter Kern sich exakt in der Mittelstellung befindet, wird die resultierende Ausgangsspannung 0; bei Verschiebung des Kerns gibt die Polarität der Spannung die Verschieberichtung an; die Größe der Spannung ändert sich mit dem Verschiebeweg. Die bekannten, nach den vorstehenden Prinzipien aufgebauten Meßvorrichtungen sind relativ aufwendig und mechanisch empfindlich.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine vergleichsweise einfache, mit geringem Aufwand herzustellende und zuverlässig arbeitende Meßvorrichtung zu schaffen, die sich wegen dieser Eigenschaften u. a. auch zur Verwendung in Kraftfahrzeugen eignet. Bei einem solchen Einsatz wird vor allem auf geringen Preis und auf eine hohe mechanische Stabilität großen Wert gelegt.

Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe mit einer Meßvorrichtung der eingangs genannten Art zu lösen ist, deren Besonderheit darin besteht, daß als Sensorelement eine in Form einer Feder oder ähnlich einer Feder ausgebildete, aus elastischem, elektrisch leitfähigem Werkstoff bestehende Spule vorgesehen und derart angeordnet ist, daß die Spule entsprechend der zu messenden Größe auseinandergezogen oder verkürzt wird, wobei sich der Selbstinduktionskoeffizient der Spule in Abhängigkeit von der Spulenlänge ändert und in der Auswerteschaltung als Maß für die zu messende Größe ermittelt wird.

Erfindungsgemäß wird also als Meßelement eine einfache, sehr stabile Feder, z. B. eine Stahlfeder, verwendet. Der Selbstinduktionskoeffizient oder, kürzer, die Induktivität einer solchen Spule ist bekanntlich abhängig von der Spulenlänge. Beim Belasten und Entlasten einer solchen, als Sensorelement dienenden Feder, die elektrisch als Spule geschaltet ist, ändert sich daher die Induktivität. Daraus läßt sich mit Hilfe der Auswerteschaltung die zu messende Größe, nämlich der Weg, eine Winkeländerung oder dergl., ermitteln.

Durch die Verwendung einer Feder als Meßelement erhält man eine sehr preiswert herzustellende und robuste Vorrichtung. Die Kennlinie des Sensorelements, nämlich die Abhängigkeit der Induktivität von der Zug- oder Druckbelastung, verläuft hysteresefrei. Im allgemeinen ist die Kennlinie nichtlinear, jedoch sehr gut reproduzierbar. Die Steilheit ist hoch, so daß sich eine gute Meßauflösung erzielen läßt. In Verbindung mit der heute üblichen mikrocomputergesteuerten Datenverarbeitung läßt sich die Kennlinie für die gewünschten Messungen exakt auswerten. Es ist z. B. möglich, die Kennlinie mit Hilfe von abgespeicherten Korrekturtabellen zu linearisieren.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung ist die Spule in Gestalt einer zylinder-, einer schrauben- oder spiralförmigen Feder ausgebildet und besteht aus Stahl, aus einem elastischen, elektrisch leitfähigen Kunststoff oder aus einem geeigneten Verbundwerkstoff. Als Spule und Sensorelement kann auch eine Kegelstumpffeder, eine Doppelkonusfeder, eine Feder mit ungleichem Windungsabstand oder ein Gebilde aus mehreren hintereinander angeordneten Federn dienen.

Eine weitere Ausführungsart der Erfindung besteht darin, daß als Sensorelement eine schlauchförmige, ggf. über Führungsrollen umlenkbare Zugfeder vorgesehen ist. Es kann sich dabei auch um eine langgestreckte, an beiden Enden befestigte, durch eine mittig angreifende Zugkraft dehnbare Spule handeln. Es ist manchmal zweckmäßig, die Zugkraft über eine Umlenkrolle auf diese Spulenausführung zu übertragen.

Des weiteren ist es in vielen Fällen vorteilhaft, wenn das Sensorelement aus mehreren, parallel angeordneten oder aus koaxial angeordneten Spulen besteht. Es kann eine bauliche Vereinigung einer Druckfeder mit einer Zugfeder vorgenommen werden, wobei dann die beiden Federn elektrisch in Reihe geschaltet sind, um ein von der Induktivitätsänderung abhängiges Meßsignal ausreichender Amplitude zu erhalten.

Zur Messung der Winkelbewegung eines drehbaren Körpers, z. B. einer Rolle oder Scheibe, ist nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung das Sensorelement in Form einer langgestreckten, schlauchförmigen Spule ausgebildet, die über die Peripherie der Rolle oder Scheibe geführt und an einem Ende an der Peripherie, am anderen Ende an einem Fixpunkt derart befestigt ist, daß sich bei der Drehbewegung oder Winkelbewegung die Spulenlänge ändert. Es ist dabei auch möglich, eine zweite Spule in gleicher Weise anzuordnen, aber derart, daß bei einer Drehbewegung eine gegensinnige Längenänderung der beiden Spulen hervorgerufen wird. Die elektrische Auswertung eines solchen Signals ist besonders günstig.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung eignet sich wegen ihres robusten Aufbaus, der dadurch erreichbaren hohen Lebensdauer und des geringen Preises auch für den Einbau in die Schwingungsdämpfer eines Kraftfahrzeuges. Die Meßvorrichtung dient in diesem Fall zur Ermittlung des Dämpferwegs und der Dämpfergeschwindigkeit, also von Meßgrößen, die z. B. für eine Fahrwerksregelung oder Fahrzeughöhenregelung benötigt werden.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der beigefügten Abbildungen hervor.

Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Vereinfachung eine Meßvorrichtung nach der Erfindung mit einem schlauchförmigen, beidseitig eingespanntem Sensorelement,

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Induktivität des Sensorelementes in Abhängigkeit von der Spulenlänge,

Fig. 3, 4 und 5 verschiedene, jeweils aus zwei Federn bestehende Bauformen eines Sensorelementes nach der Erfindung,

Fig. 6 ein Sensorelement im Inneren eines auch als Abschirmung dienenden Gehäuses,

Fig. 7, 8 und 9 verschiedene Ausführungen einer Meßvorrichtung zur Messung von Drehwinkeländerungen.

Fig. 1 zeigt eine sehr günstige Ausbildungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung. Es handelt sich dabei um eine zur Messung des Hubs eines Schwingungsdämpfers vorgesehene Vorrichtung, die in das Innere eines solchen Schwingungsdämpfers eingebaut werden kann. Die Meßvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Sensorelement 1, das hier in Form einer langgestreckten, schlauchförmigen Feder - deren Windungen (2) in einem Ausschnitt A in vergrößertem Maßstab zu erkennen sind - ausgebildet ist. Die Feder 1 ist an ihren beiden Enden 3, 4 auf einer Grundfläche 5 ortsfest angebracht. Eine Zugkraft, die in Richtung eines Pfeiles 6 wirkt, wird über eine Umlenkrolle 7, 7′, die mittig an dem schlauchförmigen Sensorelement 1 angreift, übertragen.

Die Feder 1 besteht hier aus Stahl. An den beiden Enden 3, 4, nämlich den Befestigungspunkten, ist die Feder, die hier als Meßspule dient, mit elektrischen Kontakten und entsprechenden Zuleitungen 8 verschweißt oder verlötet. Die Kontakte sind elektrisch isoliert über ein Zwischenstück 9, das gleichzeitig zur Befestigung der beiden Enden 3, 4 der Feder 1 auf der Grundfläche 5 dient, angeordnet und über die Zuleitungen 8 mit einer elektronischen Auswerteschaltung 10 verbunden. Diese Auswerteschaltung oder Teile dieser Auswerteschaltung können im Inneren des Schwingungsdämpfers untergebracht werden. Der Ausgang für das Meßsignal ist mit V_s symbolisiert.

In dem Ausführungsbeispiel, das der Fig. 1 zugrundeliegt, gilt es, einen Hub im Bereich zwischen 20 und 30 cm zu messen. Die untere und die obere Position der Umlenkrolle 7, 7′ zur Messung einer bestimmten Wegstrecke ds sind angedeutet. In der praktischen Ausführung wurde ein federförmiger Schlauch mit einer Länge von ca. 16 cm verwendet. Der Durchmesser des schlauchförmigen Sensorelementes betrug 2,5 mm; der Durchmesser des Stahldrahtes, der für das Sensorelement verwendet wurde, besaß einen Durchmesser von etwa 0,25 mm. Im ungespannten Zustand lagen die Windungen 2 aneinander an. Deshalb wurde die Feder nach dem Umlenken über die Rolle 7, 7′ leicht vorgespannt. In der nach Anlegen der Vorspannung erreichten Grundstellung befand sich die Rolle ca. 11 cm über dem Isolierstück 9. Durch die mechanische Vorspannung und die geringe Masse der Feder pro Längeneinheit, reagiert die Feder auf starke Querbeschleunigungen nur mit sehr geringen Querauslenkungen.

Das Diagramm nach Fig. 2 veranschaulicht den Meßeffekt bei einer Streckung von maximal 20 cm gegenüber der Grundstellung bei einer Feder der in Fig. 1 gezeigten Art. Es wurde die elektrische Impedanz der Feder bei einer Betriebsfrequenz, von 1 Megahertz gemessen. Der Reproduzierbarkeitsfehler lag unter etwa 1 Promille.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Veränderung von Induktivitäten elektrisch zu messen und auszuwerten. Solche Verfahren sind allgemein bekannt und bedürfen daher keiner eingehenden Erläuterung. Beispielsweise ist es möglich, die Induktivität des Sensorelementes als frequenzbestimmendes Element eines Oszillators zu schalten. Die Änderung der Oszillatorfrequenz als Folge der Induktivitätsänderung läßt sich dann als Meßsignal weiterverarbeiten.

Eine andere Meßmöglichkeit besteht darin, dem Sensorelement einen Wechselstrom konstanter Amplitude und Frequenz einzuprägen. Die Amplitude der an dem Wechselstromwiderstand, den das Sensorelement darstellt, abgreifbaren Signalspannung ist dann proportional zu der Induktivität L, die sich beim Strecken und Verkürzen der Spule bzw. des Sensorelementes ändert.

In Fig. 1 wurde auf die Darstellung einer Abschirmung verzichtet. Beim baulichen Vereinigen einer solchen Meßvorrichtung mit dem Schwingungsdämpfer eines Kraftfahrzeuges übernimmt das metallische Dämpfergehäuse die Funktion der elektrischen Abschirmung.

Nach Fig. 3 werden als Sensorelemente 11, 12 zwei parallel angeordnete, schlauchförmige Federn 11, 12 verwendet. Die beiden Federn 11, 12 sind wiederum auf einer Grundfläche 13 mit Hilfe von Kontaktelementen 14, 15 befestigt; die Auswerteschaltung und die zu dieser führenden Anschlußdrähte sind, da kein grundsätzlicher Unterschied zur Ausführungsart nach Fig. 1 besteht, in den anhand der Fig. 3 ff. erläuterten Varianten nicht dargestellt. An der Oberseite in der Darstellung nach Fig. 3 sind die beiden Federn 11, 12 durch eine elektrisch leitende Brücke 16 mechanisch und elektrisch verbunden. Die von der zu messenden Größe abhängige Zugkraft greift in Richtung des Pfeiles 17 an der Brücke 16 an.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsart der Erfindung dargestellt, bei der das Sensorelement aus zwei koaxial angeordneten Federn 18, 19 besteht. Die beiden Federn sind hier gegensinnig gewickelt und stecken, ohne sich zu berühren, ineinander. Sie sind am beweglichen Ende durch eine elektrisch leitende Brücke 20 verbunden und am ortsfesten Ende an der Grundfläche 21 mit koaxialen Kontaktstücken 22, 23 (22 umgibt hier als Kontaktring den Mittelkontakt 23) befestigt und kontaktiert.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, das Fig. 5 zeigt, werden eine kegelstumpfförmige Druckfeder 24 und eine vorgespannte Zugfeder 25 zur Ausbildung des Sensorelementes verwendet. Die Druckfeder 24 und die Zugfeder 25 stecken ineinander. Die beiden Federn 24, 25 sind am beweglichen Ende wiederum durch eine elektrisch leitende Brücke 26 verbunden. Bei dieser Ausführungsart der Erfindung wird die zu messende Wegänderung durch eine Druckkraft, die in Richtung eines Pfeiles wirkt, hervorgerufen. Bei Belastung in Richtung des Pfeiles 27 werden beide Federn 24, 25 gleichsinnig komprimiert. Die Spulenlängen nehmen also ab. Die Gesamtinduktivität der Anordnung nach Fig. 6 ergibt sich aus der Summe der Teilinduktivitäten beider Federn 24, 25.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine einzige langgestreckte, schlauchförmige Feder 28 verwendet wird. Die Feder 28 ist über einen Anschluß 29 am unteren, feststehenden Ende mit einer elektronischen Vorstufe 30 - symbolisiert durch einen Transistor - und über einen zweiten Kontakt 31 am beweglichen Ende der Vorrichtung und über ein elektrisch leitfähiges Gehäuse 32′, 32′′ mit einer (nicht gezeigten) Auswerteschaltung verbunden. Das Gehäuse 32′, 32′′ besteht in diesem Fall aus zwei teleskopartig ineinandergreifenden zylinderförmigen Teilen 32′, 32′′. Das Gehäuse wirkt gleichzeitig als elektrische Abschirmung.

Fig. 7 veranschaulicht, auf welche Weise die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur Messung von Dreh- bzw. Winkeländerungen verwendet werden kann. Nach Fig. 7 ist zu diesem Zweck eine langgestreckte, schlauchförmige Feder 33 über eine Rolle oder Scheibe 34 geführt. In der mechanisch unbelasteten Grundstellung liegt ein Kontakt 36, der sich an dem beweglichen Ende der Feder 33 befindet, an einem Kontakt 37 an. Bei einer Winkelverdrehung beta ändert sich die Länge der Feder 33 und damit deren Induktivität L. Der Arbeitsbereich ist durch einen zweiten Anschlag 37′ begrenzt.

Nach Fig. 8 werden zwei schlauchförmige Federn 38, 39 verwendet, die mit einem Mittenkontakt 40 und Fußkontakten 41, 42, die die mechanische und ggf. auch elektrische Verbindung zu der ortsfesten Grundfläche herstellen, verbunden sind. Beide Federn 38, 39 sind so vorgespannt, daß sich der Mittenkontakt 40 zwischen zwei Anschlägen 43, 44 bewegen kann, ohne daß sich die einzelnen Windungen der schlauchförmigen Federn 38, 39 gegenseitig berühren. Bei der Anordnung nach Fig. 8 kann zusätzlich die Differenz zweier gegensinniger Induktivitätsveränderungen ausgewertet werden.

Statt der Scheibe 34 kann auch eine anders geformte Kurvenscheibe verwendet werden, um bei einer Winkeländerung eine Änderung der Spulenlängen und damit der Induktivitäten als Meßgrößen hervorzurufen.

In Fig. 9 ist schließlich noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem an einem drehbar gelagerten Hebel 45 zwei schlauchförmige oder zylinderförmige, langgestreckte Federn 46, 47, die als Sensorelemente dienen, angebracht sind. Die beiden Federn 46, 47 sind zwischen einem ortsfesten Kontakt und Befestigungspunkt 48 und ihren Befestigungsstellen 49, 50 an dem Hebel 45 mit mechanischer Vorspannung montiert. Bei Verdrehung des Hebels 45 um einen Winkel beta kann wiederum die Differenz zweier gegensinniger Induktivitätsänderungen, nämlich der durch die Längen der beiden Federn 46, 47 vorgegebenen Induktivitäten, zur Bestimmung des Drehwinkels ausgewertet werden.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Messung von Wegen, Positions- oder Winkeländerungen und dergl., mit einem Sensorelement, das eine elektrisch meßbare Eigenschaft besitzt, die sich in Abhängigkeit von der zu messenden Größe ändert, und mit einer elektronischen Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorelement eine in Form einer Feder oder ähnlich einer Feder ausgebildete, aus elastischem, elektrisch leitfähigem Werkstoff bestehende Spule (1, 11, 12, 18, 19, 24, 25, 28, 33, 38, 39, 46, 47) vorgesehen und derart angeordnet ist, daß die Spule entsprechend der zu messenden Größe auseinandergezogen oder verkürzt wird, wobei sich der Selbstinduktionskoeffizient (L) der Spule in Abhängigkeit von der Spulenlänge ändert und in der Auswerteschaltung (10) als Maß für die zu messende Größe ermittelt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1, 11, 12, 18, 19, 24, 25, 28, 33, 38, 39, 46, 47) in Gestalt einer zylinder-, schrauben- oder spiralförmigen Feder ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1, 11, 12, 18, 19, 24, 25, 28, 33, 38, 39, 46, 47) aus Stahl, aus Kunststoff oder aus einem Verbundwerkstoff besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule in Gestalt einer Kegelstumpffeder (24), einer Doppelkonusfeder, einer Feder mit ungleichem Windungsabstand oder mehrerer hintereinander angeordneter Federn ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorelement eine schlauchförmige, gegebenenfalls über Führungsrollen (7, 7′, 34) umlenkbare Zugfeder (1, 11, 12, 18, 19, 25, 28, 33, 38, 39, 46, 47) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorelement eine langgestreckte, an beiden Enden befestigte, durch eine mittig angreifende Zugkraft dehnbare Spule (1) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugkraft über eine Umlenkrolle (7, 7′) auf die Spule (1) übertragbar ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement aus mehreren parallel angeordneten Spulen (11, 12) oder aus koaxial angeordneten Spulen (18, 19, 24, 25) besteht.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (24, 25) aus einer baulichen Vereinigung einer Druckfeder mit einer Zugfeder besteht und daß die beiden Federn elektrisch in Reihe geschaltet sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Winkelbewegung einer Rolle oder Scheibe (34) das Sensorelement in Form einer langgestreckten, schlauchförmigen Spule (33, 38, 39) ausgebildet, über die Peripherie der Rolle oder Scheibe geführt und an einem Ende an der Peripherie, am anderen Ende an einem Fixpunkt derart befestigt ist, daß sich bei einer Winkelbewegung die Spulenlänge ändert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Spule (38, 39) derart über die Peripherie der Rolle oder Scheibe (34) geführt und derart befestigt ist, daß eine Drehbewegung der Rolle oder Scheibe eine gegensinnige Längenänderung der beiden Spulen (38, 39) hervorruft.

12. Vorrichtung nach einem der mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteschaltung (10) die dem Selbstinduktionskoeffizienten (L) entsprechenden Meßwerte anhand von gespeicherten Tabellen in Längen- oder Winkelmaße umgesetzt werden.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement in dem Gehäuse eines Schwingungsdämpfers für Kraftfahrzeuge angeordnet ist und zur Bestimmung des Dämpferwegs und der Dämpfergeschwindigkeit dient.