DE4237416A1

DE4237416A1 - Sensor output signal peak detection and processing circuit - includes two peak-value-holding circuits operating on phase-adjusted input and differential output of bridge

Info

Publication number: DE4237416A1
Application number: DE4237416A
Authority: DE
Inventors: Hideki Kamioka; Kazunori Senzaki; Masahiko Isezaki Gumma Jp Shimamura
Original assignee: Japan Electronic Control Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1991-11-05
Filing date: 1992-11-05
Publication date: 1993-05-06
Also published as: JP2529979Y2; US5419206A; JPH0540847U

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Erfassungs- und Verarbeitungs-Schaltung für eine Sensorvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Allgemein befaßt sich die Erfindung mit einer Erfassungs- und Verarbeitungs-Schaltung zum Erfassen und Verarbeiten von Ausgangssignalen einer Sensorvorrichtung, wie beispielsweise eines Drehmomentsensors des magnetostriktiven Types, eines Dehnungsmeßsensors oder eines Differentialübertrager-Wand lers.

Verschiedene Arten von Verarbeitungsschaltungen für Sensor vorrichtungen wie beispielsweise für einen Drehmomentsensor des magnetostriktiven Types wurden bereits vorgeschlagen. Beispiele derartiger bekannter Verarbeitungsschaltungen für Sensorvorrichtungen sind in der japanischen Patentanmeldung mit der ersten Veröffentlichtungs-Nr. Showa 61-1 91 930, Heisei 2-1 51 739 und Heisei 2-2 71 229 mit den Veröffentli chungsdaten 26. August 1986, 11. Juni 1990 und 6. November 1990 beschrieben.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Erfassungs- und Verarbeitungs- Schaltung für eine Sensorvorrichtung anzugeben, die eine verbesserte Erfassungsgenauigkeit hat.

Diese Aufgabe wird durch eine Erfassungs- und Verarbei tungs-Schaltung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Erfassungs- und Verarbeitungs-Schaltung zum Erfassen und Verarbeiten eines Signales von einer Sen sorvorrichtung umfaßt folgende Merkmale: a) eine Brücken schaltung mit einer Ersatzschaltung der Sensorvorrichtung; b) einen Oszillator zum Erzeugen eines Wechselspannungsein gangssignales für die Brückenschaltung; c) einen Differen tialverstärker, der eine Änderung der Ausgangsspannung auf grund einer elektrischen Änderung in der Ersatzschaltung der Sensorvorrichtung von der Brückenschaltung erfaßt; d) eine erste Spitzenwerthalteschaltung zum Halten eines Spitzen wertes der Eingangsspannung von dem Oszillator über eine Phaseneinstellschaltung; e) eine zweite Spitzenwerthalte schaltung zum Halten eines Spitzenwertes der Ausgangsspan nung des Differentialverstärkers; f) einen Analog/Digital- Wandler zum Digitalisieren eines Spitzenwertes der zweiten Spitzenwerthalteschaltung; g) einen Vorzeichendiskriminator zum Unterscheiden eines Vorzeichens gemäß Spitzenwerten der ersten und zweiten Halteschaltung; und h) eine Signalaus gangsschaltung zum ausgangsseitigen Erzeugen eines Signales, welches eine Variable der Ersatzschaltung der Sensorvorrich tung darstellt, wobei das Vorzeichen von dem Vorzeichendis kriminator abgeleitet ist.

Gemäß dem Gegenstand eines Unteranspruches schafft die Er findung eine Schaltung für die Verarbeitung und Erfassung eines Signales von einem Drehmomentsensor des magnetostrik tiven Types, die folgende Merkmale hat: a) eine Brücken schaltung mit einer Ersatzschaltung des Drehmomentsensors; b) einen Oszillator zum Erzeugen eines Wechselspannungsein gangssignales für die Brückenschaltung; c) einen Differen tialverstärker, der eine Änderung der Ausgangsspannung auf grund einer elektrischen Änderung der Ersatzschaltung von der Brückenschaltung erfaßt; d) eine erste Spitzenwerthalte schaltung zum Halten eines Spitzenwertes einer Eingangs spannung von dem Oszillator über eine Phaseneinstellschal tung; e) eine zweite Spitzenwerthalteschaltung zum Halten eines Spitzenwertes einer Ausgangsspannung von dem Diffe rentialverstärker; f) einen Analog/Digital-Wandler zum Digitalisieren eines Spitzenwertes der zweiten Spitzenwert halteschaltung; g) einen Vorzeichendiskriminator zum Unter scheiden eines Vorzeichens gemäß den Spitzenwerten von der ersten und zweiten Halteschaltung; und f) eine Signalaus gangsschaltung zum ausgangsseitigen Erzeugen eines Signales, das eine erfaßte Variable der Ersatzschaltung des Drehmo mentsensors darstellt, wobei das Vorzeichen von dem Vor zeichendiskriminator geliefert wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Explosionsdarstellung eines Drehmomentsensors des magnetostriktiven Types als Anwendungsfall einer Erfassungs- und Verarbeitungs-Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 2 ein Schaltungsblockdiagramm einer bereits vorge schlagenen Erfassungs- und Verarbeitungs-Schaltung für eine Sensorvorrichtung, wie beispielsweise einen Drehmomentsensor, wie er in Fig. 1 gezeigt ist;

Fig. 3 bis 5 Signaldiagramme der Spannungen bezüglich der Zeit bei der in Fig. 2 gezeigten Erfassung- und Verarbeitungs-Schaltung für die Sensorvorrichtung;

Fig. 6 ein Schaltungsblockdiagramm einer Erfassungs- und Verarbeitungsschaltung für eine Sensorvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 7 bis 11 Signaldiagramme der Spannungsänderungen be züglich der Zeit für das in Fig. 6 gezeigte Aus führungsbeispiel.

Nachfolgend wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, um das Verständnis des Erfindungsgegenstandes zu erleichtern. Bevor eine Erfassungs- und Verarbeitungs-Schaltung für eine Sen sorvorrichtung gemäß der Erfindung erläutert wird, wird eine bereits vorgeschlagene Erfassungs- und Verarbeitungs-Schal tung für eine Sensorvorrichtung diskutiert.

Fig. 1 zeigt einen Sensorkörper eines Drehmomentsensors, der die Magnetostriktion als Erfassungsprinzip verwendet.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt der Sensorkörper 1 eine magnetostriktive Welle, die aus einem magnetostriktiven Material hergestellt ist, wie beispielsweise aus Chrommolyb den-Stahl. Die magnetostriktive Welle 1 liegt beispielsweise mitten in einer Antriebsachse.

Die Enden der magnetostriktiven Welle 1 werden durch einen eingangsseitigen Anbringungsabschnitt 1A und einem ausgangs seitigen Anbringungsabschnitt 1B gebildet.

Ein Zwischenabschnitt der Welle 1 besteht aus einem mit Schlitzen versehenen Abschnitt 1C. Die äußere Peripherie des mit Schlitzen versehenen Abschnittes hat eine Mehrzahl von Paaren von aufeinanderfolgend angeordneten schrägen Schlitzen 2, 3, wobei jedes Schlitzpaar 2, 3 derart einge arbeitet ist, daß die Schlitze einander in einem 90°-Winkel gegenüberliegen, wie dies in Fig. 1 verdeutlicht ist. Jedes Ende der Schlitze 2, 3 ist bezüglich des entgegengesetzten Endes der Schlitze 2, 3 um 45° nach oben gerichtet, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.

Ein Spulenbefestigungsteil 4 ist um die äußere Peripherie des mit Schlitzen versehenen Abschnittes 1C mit einem Paar von Lagern 5, 5 angebracht. Das Spulenbefestigungsteil 4 ist bezüglich der magnetostriktiven Welle 1 drehbeweglich.

Es sei jedoch angemerkt, daß das Spulenbefestigungsteil 4 an einem äußeren, nicht dargestellten Befestigungsglied derart angebracht ist, daß eine Drehung des Befestigungsgliedes 4 selbst verhindert wird. Ein ringförmiges Kernteil 6 ist an der inneren Peripherie des Spulenbefestigungsteiles 4 be festigt. Das Kernteil 6 hat Erfassungsspulenteile 7, 8 in vorbestimmten Positionen, welche den Paaren von Schlitzen 2, 3 gegenüberliegen. Die Eigeninduktivitäten der Erfassungs- spulen 7, 8 sind mit den Bezugszeichen L1, L2 bezeichnet.

Fig. 2 zeigt die bereits früher vorgeschlagene Erfassungs und Verarbeitungs-Schaltung für die Sensorvorrichtung unter Verwenden des in Fig. 1 gezeigten Drehmomentsensors.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist eine Brückenschaltung 9 als Erfassungsschaltung vorgesehen, wobei ein erster Brückenarm durch das Erfassungsspulenteil 7 mit der Eigeninduktivität L1 und einem Eisenverlustwiderstand r1 gebildet ist, ein zweiter Arm, der an den ersten Arm anschließt, durch das Erfassungsspulenteil 8 mit der Eigeninduktivität L2 und dem Eisenverlustwiderstand r2 gebildet ist, und ein dritter und vierter Arm, welche dem ersten und zweiten Arm gegenüber liegen, durch veränderliche Widerstände R, R gebildet sind.

Ein Oszillator 10, der später beschrieben werden wird, ist zwischen einem ersten Verbindungspunkt a und einem zweiten Verbindungspunkt b angeschlossen. Der erste Verbindungspunkt a verbindet den ersten Arm mit dem zweiten Arm. Der zweite Verbindungspunkt b verbindet den dritten Arm mit dem vierten Arm. Ein dritter Verbindungspunkt c verbindet den ersten Arm mit dem dritten Arm. Ein vierter Verbindungspunkt d verbin det den zweiten Arm mit dem vierten Arm.

Der dritte Verbindungspunkt c dient als Ausgangsanschluß für die Ausgangsspannung V, die von der Erfassungsspule 7 abge leitet wird. Der vierte Verbindungspunkt d dient als Aus gangsanschluß zum Erzeugen der Ausgangsspannung V 2, die von der Erfassungsspule 8 geliefert wird. Der dritte und vierte Verbindungspunkt c, d sind an Eingangsanschlüsse eines Differentialverstärkers 11 angeschlossen, wie nachfolgend erläutert werden wird.

Die Erfassungs- und Verarbeitungs-Schaltung umfaßt allgemein einen Oszillator 10, einen Differentialverstärker 11, eine Phaseneinstellschaltung 13, eine Erfassungs- (Modulations-) und Verarbeitungs-Schaltung 14 und einen Integrator 15.

Der Oszillator 10 erzeugt eine Wechselspannung mit einem Spitzenwert V0 und einer Frequenz f (von beispielsweise 30 KHz). Der Ausgangsanschluß des Oszillators 10 ist mit dem Verbindungspunkt a der Brückenschaltung 9 verbunden und steht mit der Phaseneinstellschaltung 13 in Verbindung.

Der Differentialverstärker 11 wird durch einen Operations verstärker gebildet, dessen positiver und negativer Ein gangsanschluß mit dem dritten bzw. vierten Verbindungspunkt c, d verbunden sind und dessen Ausgangsanschluß 12 mit der Erfassungs- (Modulations-) und Verarbeitungs-Schaltung 14 verbunden ist, die eine Ausgangsspannung EO erzeugt.

Die Phaseneinstellschaltung 13 ist mit der Ausgangsseite des Oszillators 10 verbunden. Die Eingangsseite der Phasenein stellschaltung 13 empfängt eine Wechselspannung V mit sinus förmigem Signalverlauf mit dem Spitzenwert VO und der Fre quenz f von dem Oszillator 10.

Die Phaseneinstellspannung Vp von der Phaseneinstellschal tung 13 ist eine Bezugssignalform 18, die in Fig. 3 gezeigt ist und nachfolgend erläutert wird. Die Phaseneinstell spannung Vp ist mit der Ausgangsspannung V1 (= V2) synchro nisiert, die ausgangsseitig von der Brückenschaltung 9 er zeugt wird und um einen Phasenwinkel α1 (= α2) verzögert ist, falls kein Drehmoment T an der magnetostriktiven Welle 1 anliegt.

Die Erfassungs- (Modulations-) und Verarbeitungs-Schaltung 14 hat ein Paar Eingangsanschlüsse, von denen einer die Ausgangsspannung E0 vom Ausgangsanschluß des Operations verstärkers (Differentialverstärkers) 11 und der andere die Ausgangsspannung Vp der Phaseneinstellschaltung 13 empfängt.

Die Erfassungs- (Modulations-) und Verarbeitungs-Schaltung 14 synchronisiert und erfaßt einen Teil der Ausgangsspannung E0 in Synchronisation mit der Phaseneinstellspannung VP und führt den Erfassungsanteil der Integrationsschaltung 15 zu.

Die Integrationsschaltung bzw. der Integrator 15 dient zur Integration der Eingangsspannung von der Erfassung- und Verarbeitungs-Schaltung 14 zum Erzeugen einer Gleichspannung E für eine Anzeigeeinheit 16, die beispielsweise ein Gleich spannungsmeßgerät sein kann.

Es sei angemerkt, daß jegliche Einstellung der veränder lichen Widerstände R, R in der Brückenschaltung 9 dazu führt, daß die Brückenschaltung 9 ausgeglichen wird oder in einen Gleichgewichtszustand derart kommt, daß die Ausgangs spannungen V1, V2 am dritten bzw. vierten Verbindungspunkt die gegenseitig gleiche Signalform liefern, wenn das Dreh moment T, das an die Welle 1 angelegt wird, 0 ist.

In dieser Situation ist die Ausgangsspannung E0 an der Aus gangsklemme 12 des Differentialverstärkers 11 derart einge stellt, daß hier eine Spannung mit 0 Volt geliefert wird.

Ein Drehmomentsensor mit zwei Spulenteilen wird nachfolgend erläutert. Wenn die Wechselspannung V von dem Oszillator 10 an die Erfassungsspulen 7, 8 angelegt wird, wird ein magne tischer Weg auf der Oberfläche der magnetostriktiven Welle 1 gebildet. Da jedoch die Mehrzahl von Schlitzen 2, 3 auf der Oberfläche des mit Schlitzen versehenen Abschnittes IC aus gebildet sind, verläuft der magnetische Weg, der durch das magnetische Oberflächenfeld gebildet wird, längs der Schlitze 2, 3. Da andererseits das Drehmoment T, welches durch die Pfeile gemäß Fig. 1 (im Gegenuhrzeigersinn) an den eingangsseitigen Anbringungsabschnitt 1A der magnetostrik tiven Welle 1 angelegt wird, wird eine Dehnungsspannung + σ an jeden Schlitz 2 und eine Druckspannung - σ an dem entge gengesetzten Schlitz 3 erzeugt. Wenn ein positives magneto striktives Material für die magnetostriktive Welle 1 ver wendet wird, wird eine Permeabilität µ gemäß der Dehnungs spannung + σ erhöht und eine Permeabilität µ gemäß einer Druckspannung - σ vermindert.

Die Eigeninduktivitäten L1, L2 der Erfassungsspulen 7, 8 können durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

L = k·µN² S/l (1)

wobei in dieser Gleichung µ die Permeabilität, N die Anzahl der Wicklungen des entsprechenden Spulenteiles, S die Quer schnittsfläche des magnetischen Weges und l die durch schnittliche Länge des magnetischen Weges bezeichnen.

Da in der Brückenschaltung 9 das Erfassungsspulenteil 7 mit der Selbstinduktivität L1 und der Eisenverlustwiderstand r1 in Reihe zu dem veränderlichen Widerstand R und da das Er fassungsspulenteil 8 mit der Eigeninduktivität L2 und dem Eisenverlustwiderstand r2 in Reihe zu dem veränderlichen Widerstand R geschaltet sind, können die Ströme i1, i2, die durch die Spulenteile 7, 8 fließen, durch folgende Glei chungen ausgedrückt werden:

Die Ausgangsspannungen V₁, V₂ an dem dritten und vierten Verbindungspunkt c, d können durch folgende Gleichungen ausgedrückt werden:

V₁ = i₁R sin (2πft - α1)

V₂ = i₂R sin (2πft - α2)

In diesen Gleichungen bezeichnen α1, α2 Phasenwinkel.

Die Ausgangsspannung E0, die ausgangsseitig an dem Anschluß 12 des Differentialverstärkers 11 erzeugt wird, wird durch folgende Gleichung wiedergegeben:

E0 = A x (V₁ - V₂) (4)

In dieser Gleichung bezeichnet A einen Verstärkungsfaktor.

Die Erfassungswirkungsweise der Brückenschaltung 9, des Differentialverstärkers 11 und der Erfassungs- und Verar beitungs-Schaltung 14 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 beschrieben.

In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen 17 ein Wechselspan nungssignal V des Oszillators 10 mit einer Schwingungsfre quenz f (f = 1/T) (von beispielsweise 30 KHz) mit einem Spitzenwert von V0.

Andererseits bezeichnet das Bezugszeichen 18 Bezugssignal verläufe der Ausgangsspannungen V1 und V2 an dem dritten und vierten Knotenpunkt c und d in einem Anfangszustand des Drehmomentsensors, bei dem kein Drehmoment T angelegt wird.

Die Bezugssignalverläufe 18 sind Sinus-Signalformen mit Spitzenwerten i₁R (i₂R) und der Frequenz f und mit einer Phasendifferenz von α1 (= α2) gegenüber dem Signalverlauf 17 des Oszillators 10. Da kein Drehmoment T an die magneto striktive Welle 1 angelegt wird, stimmen die Signalverläufe der Ausgangsspannungen V1 und V2 miteinander überein. Der Bezugssignalverlauf 18 liefert die Phaseneinstellspannung Vp.

Als nächstes werden die Signalverläufe der Ausgangsspannun gen V1 und V2 unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 erläu tert, die vorliegen, wenn ein Drehmoment T in einer Rück wärtsrichtung zu der durch den Pfeil markierten Richtung ge mäß der Darstellung von Fig. 1 angelegt wird.

In Fig. 4 bezeichnen das Bezugszeichen 19 den Signalverlauf der Ausgangsspannung V1 und das Bezugszeichen 20 den Signal verlauf der Ausgangsspannung V2.

Da der Signalverlauf 19 der Ausgangsspannung V1 durch Schlitze 2 beeinträchtigt wird, so daß die Permeabilität durch die Druckspannung - σ vermindert wird, wird die Ei geninduktivität L1 des Erfassungsspulenteils 7 gegenüber dem Schlitz 2 gemäß Gleichung (1) vermindert, wodurch die Ampli tude des Stromes i₁, der durch die Erfassungsspule 7 fließt, gemäß Gleichung (2) ansteigt, wodurch der Spitzenwert i₁R gemäß Gleichung (3) erhöht wird.

Da ferner der Signalverlauf 20 der Ausgangsspannung V2 durch die gegenüberliegenden Schlitze 3 derart verändert wird, daß die Permeabilität µ gemäß der Druckspannung + σ ansteigt, wird die Eigeninduktivität L2 des Erfassungsspulenteiles 8 gemäß Gleichung (1) erhöht. Demzufolge wird die Amplitude des Stromes i₂, der durch die Erfassungsspule 7 fließt, gemäß Gleichung (2) vermindert, wodurch der Spitzenwert i₂R gemäß Gleichung (3) vermindert wird.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, liefert der Differentialverstär ker 11 den Signalverlauf 21 der Ausgangsspannung E₀ gemäß einer Differenz der Signalverläufe 19, 20 der Ausgangs spannungen V1, V2 und verstärkt den Signalverlauf 21 der Ausgangsspannung E0 mittels des Verstärkungsfaktors A. Dann wird die Ausgangsspannung E0 in eine relativ große Span nungsamplitude (einem großen Spannungsfeld) derart umgewan delt, daß das Erfassungssignal proportional zu dem Dreh moment in der Richtung der Pfeilmarkierung T ausgangsseitig von der Erfassungs- und Verarbeitungsschaltung 14 an ihrem Ausgang 12 erzeugt wird.

In der Erfassungs- (Modulations-) und Verarbeitungs-Schal tung 14 ist die Ausgangsspannung E0 des Differentialver stärkers 11 synchronisiert mit der Phaseneinstellspannung Vp der Phaseneinstellschaltung 13. Ein Abschnitt des Signal verlaufes 21, der dem positiven Abschnitt des Bezugssignal verlaufes 18 (Erfassungsbereich X in Fig. 5) entspricht, wird durch den Integrator 15 ausgangsseitig erzeugt. Der Integrator 15 wandelt diesen Anteil in eine entsprechende Gleichspannung E derart um, daß das Drehmoment T, welches auf die magnetostriktive Welle 1 einwirkt, auf der Anzeige einheit 18 als positive Gleichspannung E dargestellt wird.

Wenn jedoch das Drehmoment T in der durch die Pfeilmarkie rung (gegen Uhrzeigersinn) angegebenen Richtung an die magnetostriktive Welle 1 in Fig. 1 angelegt wird, wird die Permeabilität µ der Schlitze 2 gemäß der Dehnungsspannung + σ erhöht. Daher wird die Eigeninduktivität L1 des Erfas sungsspulenteiles 7 gegenüber den Schlitzen 2 erhöht, wo durch der Strom i₁ abnimmt und die Ausgangsspannung V1 ver mindert wird.

Da andererseits die Permeabilität µ an den entgegengesetzten Schlitz 3 gemäß der Druckspannung - σ vermindert wird, wird die Eigeninduktivität L2 des Erfassungsspulenteiles 8, wel ches den Schlitzen 3 gegenüberliegt, vermindert, wodurch der Strom i₂, der durch das Erfassungsspulenteil 8 fließt, an steigt und die Ausgangsspannung V2 gleichfalls ansteigt.

Daraufhin werden die Amplituden der Ausgangsspannungen V1, V2 auf der Grundlage einer Änderung der Permeabilität µ ge mäß den Gleichungen (1) und (3) verändert. Das Erfassungs signal proportional zu dem Drehmoment T in der durch den Pfeil markierten Richtung wird ausgangsseitig der Erfas sungs- und Verarbeitungs-Schaltung 14 als Ausgangsspannung E0 zugeführt (vergleiche die gestrichelte Signalform 22 von Fig. 5).

Die Erfassungs- und Verarbeitungs-Schaltung 14 führt eine Erfassung und Verarbeitung des Signalverlaufes 22 der Aus gangsspannung E0 derart durch, daß eine negative Gleich spannung E entsprechend des Drehmomentes T der Anzeigeein heit 16 über einen Integrator 15 zugeführt wird. Bei dieser früher vorgeschlagenen Erfassungs- und Verarbeitungs-Schal tung 14 ist die Ausgangsspannung E0 des Differentialver stärkers mit der Phaseneinstellspannung Vp synchronisiert, so daß lediglich ein Anteil der Ausgangsspannung E0 ent sprechend des positiven Anteiles der Phaseneinstellspannung Vp ausgangsseitig dem Integrator 15 zugeführt wird. Dann wandelt der Integrator 15 den Anteil der Ausgangsspannung E0 in die Gleichspannung E um.

Daher sind, wie man aus der Gleichung (3) erkennt, die Phasendifferenzen α1, α2 aufgrund der Änderung der Eigen induktivitäten L1, L2 vernachlässigbar.

Da ferner die Spannungsverläufe 19, 20 der Spannungen V1, V2 sich bezüglich des Signalverlaufes 18 zusammen mit Ände rungen der Amplituden der Ausgangsspannung V1, V2 ändern, erzeugt der Differentialverstärker 11 eine Ausgangsspannung E0 mit einem Phasenwinkel, wenn die Ausgangsspannungen V1, V2 eingangsseitig angelegt werden. Da eine Abweichung der Ausgangsspannung E0 gegenüber dem durch die Erfassungs- und Verarbeitungsschaltung 14 erfaßten Erfassungsbereich X auf tritt, kann keine genaue Drehmomenterfassung durchgeführt werden.

Fig. 6 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Er fassungs- und Verarbeitungs-Schaltung für eine Sensorvor richtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bezugs zeichen, wie sie in Fig. 1 verwendet wurden, bezeichnen bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform entsprechende Ele mente.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, sind in der Erfassungs- und Ver arbeitungs-Schaltung eine erste Spitzenwerthalteschaltung 31, eine zweite Spitzenwerthalteschaltung 32, eine Vor zeichenunterscheidungsschaltung 33, ein Analog/Digital- Wandler 34, eine Halteschaltung 35 und eine Signalausgangs schaltung 36 enthalten.

Die Fig. 7 bis 11 zeigen Signalverlaufsdiagramme, bei denen eine Position, bei der eine Phasendifferenz α (= α2) abge leitet wird, 0 ist (einem Bezugswert gleicht), wenn ein Drehmoment T an die magnetostriktive Welle 1 angelegt wird, wobei der Phasenwinkel α1 (= α2) vernachlässigt wird. Das Symbol A in Fig. 7 bezeichnet den Ausgangssignalverlauf der Phaseneinstellspannung Vp von der Phaseneinstellschaltung 13.

Die erste Spitzenwerthalteschaltung 31 ist mit dem Ausgang der Phaseneinstellschaltung 13 verbunden und hält den Spitzenwert der Wechselspannung V als ersten Spitzenwert P1 zum Ermitteln der Haltedauer der Zeit t, wie dies bei dem Bezugszeichen P1 in Fig. 7 dargestellt ist.

Die zweite Spitzenwerthalteschaltung 32 ist mit dem Aus gangsanschluß 14 des Differentialverstärkers 11 verbunden und hält den Spitzenwert der Ausgangsspannung E0 des Diffe rentialverstärkers 11 (vergleiche Bezugszeichen B, B′ in den Fig. 7 und 8) als zweite Spitzenwerte P2, P2′ mit einer vor bestimmten Haltezeit t, wie dies bei den Bezugszeichen P2, P2′ in den Fig. 8 und 9 bezeichnet ist.

Der Vorzeichendiskriminator 33 unterscheidet das Vorzeichen gemäß den Signalen der Spitzenwerthalteschaltungen 31, 32. Der Vorzeichendiskriminator 33 besteht aus Logikschaltungen, wie beispielsweise Gattern und NAND-Schaltungen.

Die Gatter-Schaltungen des Vorzeichendiskriminators 33 die nen zur Öffnung eines Erfassungsbereiches X, wie er in den Fig. 7 und 8 dargestellt ist.

Falls der Spitzenwert P2 in dem Erfassungsbereich X gemäß Fig. 7 vorliegt, dienen die NAND-Schaltungen des Vorzeichen diskriminators 33 zur Erzeugung eines negativen Vorzeichen signales C gemäß Fig. 10. Wenn andererseits der zweite Spitzenwert P2′ momentan außerhalb des Erfassungsbereiches x liegt, wie dies in Fig. 9 verdeutlicht ist, dienen die NAND-Schaltungen zur ausgangsseitigen Erzeugung eines posi tiven Vorzeichensignales C′ gemäß Fig. 11, welches der Sig nalausgangsschaltung 36 zugeführt wird.

Der Analog/Digital-Wandler 34 wandelt die zweiten Spitzen werte P2, P2′, die ausgangsseitig durch die zweite Spitzen werthalteschaltung 32 erzeugt werden, in ein entsprechendes Digitalsignal um. Das Digitalsignal wird der Halteschaltung 35 zugeführt.

Die Halteschaltung 35 dient als Puffer zum Übertragen des Digitalsignales von dem Analog/Digital-Wandler 34 für jeden zweiten Spitzenwert P2, P2′ der Signalausgangsschaltung 36.

Der Signalausgangsschaltung 36 werden das Digitalsignal von der Halteschaltung 35 und das Vorzeichensignal C oder C′ von dem Vorzeichendiskriminator 33 vorgeführt, wobei das Digi talsignal mit Vorzeichen zu der Anzeigeeinheit 16 zugeführt wird.

Fig. 7 zeigt den Ausgangssignalverlauf A (die phasenmäßig eingestellte Spannung bzw. Phaseneinstellspannung Vp) von der Phaseneinstellschaltung 13 sowie den ersten Spitzenwert P1.

Fig. 8 zeigt den Ausgangssignalverlauf B des Differential verstärkers 11 sowie den zweiten Spitzenwert P2, wenn das Drehmoment T in der Rückwärtsrichtung (Uhrzeigerrichtung) bezüglich der in Fig. 1 gezeigten Pfeilrichtung angelegt wird.

Fig. 9 zeigt den Ausgangssignalverlauf B′ am Ausgang des Differentialverstärkers 11, wenn das Drehmoment T in der durch den Pfeil markierten Richtung (gegen Uhrzeigerrich tung) an die magnetostriktive Welle 1 angelegt wird. Ferner ist der zweite Spitzenwert P2′ gezeigt.

Fig. 10 zeigt den ersten Spitzenwert P1, wenn das Eingangs signal des Vorzeichendiskriminators 33 der erste Spitzenwert P1 ist, und das Vorzeichensignal C, welches zu dem Zeitpunkt des Auftretens des zweiten Spitzenwertes P2 negativ ist.

Fig. 11 zeigt den ersten Spitzenwert P1 gemäß dem Eingang des Vorzeichendiskriminators 33 und das positive Vorzeichen signal C′, wenn der zweite Spitzenwert P2′ angezeigt wird.

Die Wirkungsweise der Brückenschaltung 9 und des Differen tialverstärkers 11 ist die gleiche, wie sie unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 erläutert wurde.

Für die Erfassung der Größe des Drehmomentes T ist der Aus gangssignalverlauf, der von dem Differentialverstärker 11 abgeleitet wird, ein Signalverlauf, dessen Amplitudenrich tung sich in Abhängigkeit von der Richtung des Drehmomentes T, das an die magnetostriktive Welle 1 angelegt wird, unter scheidet (Richtung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzei gersinn) wie dies durch die Ausgangssignalverläufe B, B′ in den Fig. 8 und 9 verdeutlicht ist. In Abhängigkeit von der Drehmomentgröße zeigen die Signalverläufe B, B′ gegenseitig unterschiedliche Spitzenwerte.

Die zweite Spitzenwerthalteschaltung 32 erfaßt die zweiten Spitzenwerte P2, P2′. Der Analog/Digital-Wandler 34 digi talisiert die zweiten Spitzenwerte P2, P2′. Die Anzeigeein heit 16 empfängt die digitalisierten zweiten Spitzenwerte durch die Halteschaltung 35 und die Signalausgangsschaltung 36.

Ferner erfaßt die zweite Spitzenwerthalteschaltung 32 die zweiten Spitzenwerte P2, P2′ in Abhängigkeit von der Höhe der Spitzenwerte unabhängig von der Richtung des an die mag netostriktive Welle 1 angelegten Drehmomentes. Daher ist es der zweiten Spitzenwerthalteschaltung 32 nicht möglich, die Richtung des Drehmomentes zu erfassen.

Der Vorzeichendiskriminator 33 erfaßt den ersten Spitzenwert P1 entsprechend dem Wert V0 des Ausgangssignalverlaufes A, welcher durch die erste Spitzenwerthalteschaltung 31 erfaßt wird, und erfaßt die Lage der zweiten Spitzenwerte P2, P2′ innerhalb des Erfassungsbereiches X mittels Gatter-Schal tungen.

Die NAND-Schaltung des Vorzeichendiskriminators 33 dient zur ausgangsseitigen Erzeugung des Vorzeichensignales C, das ein negatives Vorzeichen für die Signalausgangsschaltung 36 er zeugt, falls der zweite Spitzenwert P2 innerhalb des Erfas sungsbereiches X liegt, wobei diese Erfassung mittels des Vorzeichendiskriminators 33 erfolgt.

Falls der Spitzenwert der außerhalb des Erfassungsbereiches X liegende zweite Spitzenwert P2′ ist, wird das ein positi ves Vorzeichen anzeigende Vorzeichensignal C′ der Signal ausgangsschaltung 36 zugeführt.

Die Signalausgangsschaltung 36 erzeugt ausgangsseitig ein die Größe und die Richtung des Drehmomentes anzeigendes Signal, welches der Anzeigeeinheit 16 zugeführt wird, in Abhängigkeit von dem Digitalsignal von der Halteschaltung 35 sowie in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Vorzeichen diskriminators 33.

Der gesamte Drehmomentsensor des magnetostriktiven Types bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfaßt die Größe des an die magnetostriktive Welle 1 angelegten Drehmomentes mit tels der zweiten Spitzenwerthalteschaltung 32. Der Spitzen wert der Ausgangsspannung E0, die ausgangsseitig von dem Differentialverstärker 11 erzeugt wird, hat einen Wert, der der Größe des Drehmomentes entspricht. Daher kann die Dreh momentgröße auf genaue Weise erfaßt werden. Da ferner der Spitzenwert die Größe des Drehmomentes angibt, wird ein Einfluß einer Phasendifferenz beseitigt, wodurch die Dreh momenterfassung mit hoher Genauigkeit erfolgen kann.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugt die Signal ausgangsschaltung 36 ausgangsseitig ein Drehmomenterfas sungssignal für die Anzeigeeinheit 16.

Es sei jedoch angemerkt, daß die Signalausgangsschaltung 36 durch einen Seriell-Parallel-Wandler gebildet sein kann. Obwohl die erfindungsgemäße Erfassungs- und Verarbeitungs- Schaltung auf einen Drehmomentsensor des magnetostriktiven Types angewendet werden kann, ist der Erfindungsgegenstand gleichfalls auf andere Sensoren anwendbar, wie beispielswei se auf Dehnungsmeßvorrichtungen bzw. Dehnungsmeßstreifen oder auf Differentialwandlerübertrager bzw. auf Differen tialwandlerübertrager.

Da bei der erfindungsgemäßen Erfassungs- und Verarbeitungs- Schaltung für die Sensorvorrichtung, wie beispielsweise eine Drehmomentsensorvorrichtung des magnetostriktiven Types, der Spitzenwert der Eingangsspannung des Oszillators mittels der ersten Spitzenwerthalteschaltung über die Phaseneinstell schaltung erfaßt wird, da der Spitzenwert der Ausgangsspan nung des Differentialverstärkers durch die zweite Spitzen werthalteschaltung erfaßt wird, der Spitzenwert der zweiten Spitzenwerthalteschaltung mittels eines Analog/Digital-Wand lers digitalisiert wird und der Vorzeichendiskriminator das Vorzeichen in Abhängigkeit von den Spitzenwerten der ersten und zweiten Spitzenwerthalteschaltungen ermittelt und die Signalausgangsschaltung ausgangsseitig ein Signal erzeugt, daß die Änderungsgröße der Sensorvorrichtung mit ihrem Vor zeichen gemäß den Ausgängen des Analog/Digital-Wandlers und des Vorzeichendiskriminators erzeugt, werden Einflüsse der Phasendifferenz in Abhängigkeit von einer Veränderung der Sensorvorrichtung verhindert, so daß die Änderungsgröße in der Sensorvorrichtung auf genaue Weise durch die Signalaus gangsschaltung erfaßt werden kann.

Claims

1. Schaltung zum Erfassen und Verarbeiten eines Signales von einer Sensorvorrichtung, mit folgenden Merkmalen:

a) einer Brückenschaltung (9), die zumindest einen Teil der Schaltung der Sensorvorrichtung umfaßt;
b) einem Oszillator (10), der ein Wechselspannungssignal erzeugt, das der Brückenschaltung (9) eingangsseitig zugeführt wird;
c) einem Differentialverstärker (12), der Ausgangs spannungsänderungen aufgrund elektrischer Änderungen in der Schaltung der Sensorvorrichtung von der Brüc kenschaltung (9) erfaßt; und
d) einer Phaseneinstellschaltung (13);

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

d) eine erste Spitzenwerthalteschaltung (31) zum Halten eines Spitzenwertes eines von dem Oszillator (10) über die Phaseneinstellschaltung (13) erhaltenen Ein gangssignales
f) eine zweite Spitzenwerthalteschaltung (32) zum Halten eines Spitzenwertes einer Ausgangsspannung, die von dem Differentialverstärker (12) abgeleitet wird;
g) einen Analog/Digital-Wandler (34) zum Digitalisieren eines Spitzenwertes, der durch die zweite Spitzen werthalteschaltung (32) gehalten wird;
h) einen Vorzeichendiskriminator (33) zum Unterscheiden des Vorzeichens der Spitzenwerte, die durch die erste und zweite Spitzenwerthalteschaltung (31, 32) gehal ten werden; und
i) eine Signalausgabeschaltung (36) zum ausgangsseitigen Erzeugen eines Signales, das eine Variable der Sen sorvorrichtung darstellt, wobei das Vorzeichen von dem Vorzeichendiskriminator (33) erhalten wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Brückenschaltung (9) vier Arme hat, daß ein erster Arm eine ersten Eisenverlustwiderstand (r1) und eine erste Induktivität (L1), ein zweiter Arm einen zweiten Eisenverlustwiderstand (r2) und eine zweite Eigeninduktivität (L2) und ein dritter und vierter Arm jeweils veränderliche Widerstände (R) umfassen, und
daß der Differentialverstärker (12) einen invertierenden Eingang hat, der mit einem ersten Verbindungspunkt (d) verbunden ist, der den zweiten Arm mit dem veränderli chen Widerstand (R) des vierten Armes verbindet, und einen nicht-invertierenden Eingang hat, der mit einem zweiten Verbindungspunkt (c) verbunden ist, welcher den ersten Arm mit dem dritten Arm verbindet.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (10) mit einem dritten Verbindungs punkt (a) der Brückenschaltung (9) verbunden ist, wobei der dritte Verbindungspunkt (a) den ersten Arm mit dem zweiten Arm verbindet.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorvorrichtung durch einen Drehmomentsensor des magnetostriktiven Types gebildet ist.

5. Schaltung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet,
daß die Phaseneinstellschaltung (13) mit einem Ausgang des Oszillators (10) und dem dritten Verbindungspunkt (a) der Brückenschaltung (9) verbunden ist, und
daß die Phaseneinstellschaltung (13) ausgangsseitig eine Signalspannung erzeugt, die das Ausgangssignal des Oszillators (10) darstellt, wobei deren Phase von der jenigen der Spannung an dem dritten Verbindungspunkt (a) abweicht, wenn kein Drehmoment (T) an den Drehmoment sensor angelegt wird.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorzeichendiskriminator (33) ausgangsseitig das Vorzeichensignal erzeugt, welches das negative Vorzei chen für die Signalausgangsschaltung (36) anzeigt, wenn der Phasenbereich des Spitzenwertes, der durch die zwei te Spitzenwerthalteschaltung (32) gehalten wird, mit dem Phasenbereich des Spitzenwertes übereinstimmt, der durch die erste Spitzenwerthalteschaltung (31) gehalten wird, und daß die Schaltung ein Vorzeichensignal für das posi tive Vorzeichen erzeugt, wenn der Phasenbereich des Spitzenwertes, der durch die zweite Spitzenwerthalte schaltung (32) gehalten wird, nicht mit dem Phasenbe reich des Spitzenwertes übereinstimmt, der durch die erste Spitzenwerthalteschaltung (31) gehalten wird.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorvorrichtung ein Drehmomentsensor ist.

8. Schaltung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch
eine Halteschaltung (35), die zwischen dem Analog/Digi tal-Wandler (34) und der Signalausgabeschaltung (36) angeordnet ist, um den Digitalwert des zweiten Spitzen wertes zu halten, und
eine Anzeigeeinheit (16) zum Anzeigen eines mit einem Vorzeichen versehenen Signales des Digitalwertes des zweiten Spitzenwertes.