DE4326766C2 - Method and circuit arrangement for operating an angle or displacement sensor - Google Patents
Method and circuit arrangement for operating an angle or displacement sensorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum Betreiben eines Winkel- oder Wegsensors und mit einer Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens.The present invention relates to a method for Operating an angle or displacement sensor and with one Circuit arrangement for performing the method.
Wegsensoren werden beschrieben in dem Aufsatz von Prof. Dr. Wolf-Jürgen Becker und Thomas Wendt: "Mit Wirbelstrom Abstände bestimmen" in der Zeitschrift Meßtechnik, Heft 9, 1990, Seiten 8 bis 11.Displacement sensors are described in the article by Prof. Dr. Wolf-Jürgen Becker and Thomas Wendt: "With eddy current gaps determine "in the journal Meßtechnik, Heft 9, 1990, Seiten 8 to 11.
Zwei ausgewählte Beispiele für die genannten Wegsensoren sind in Fig. 3 und Fig. 4 zur vorliegenden Beschreibung gezeigt.Two selected examples of the displacement sensors mentioned are shown in FIG. 3 and FIG. 4 for the present description.
In Fig. 3 sind zwei gleiche Spulen mit Induktivitäten L1 und L2 fest nebeneinander angeordnet. Dazwischen befindet sich ein in Richtung der Pfeile bewegbares Element B.In Fig. 3 two identical coils with inductors L1 and L2 are arranged side by side. In between there is an element B which can be moved in the direction of the arrows.
In Fig. 4 sind zwei gleiche Spulen mit Induktivitäten L3 und L4 ebenfalls fest nebeneinander angeordnet. Dazwischen befindet sich ein bewegbares Element B, das drehbar ist, wie die Pfeile andeuten.In FIG. 4, two identical coils with inductances L3 and L4 are also fixedly arranged side by side. In between is a movable element B, which is rotatable, as indicated by the arrows.
Unterhalb der Figuren sind jeweils Querschnitte der dargestellten Anordnungen gezeichnet, die die Lage der Elemente verdeutlichen sollen. Below the figures are cross sections of the shown arrangements drawn, the location of the To clarify elements.
Das Element B ist so angeordnet, dass sich jeweils die beiden Induktivitäten gegenläufig und annähernd linear ändern, wenn sich entweder in der Anord nung nach Fig. 3 das Element B, das die magnetischen Felder der Induktivitä ten L1 und L2 beeinflusst, nach rechts oder links bewegt oder wenn es sich in der Anordnung nach Fig. 4 um den Drehpunkt dreht.The element B is arranged so that the two inductances change in opposite directions and approximately linearly, if either in the arrangement according to FIG. 3, the element B, which influences the magnetic fields of the inductors L1 and L2, moves to the right or left moves or when it rotates in the arrangement of FIG. 4 about the pivot point.
Der Induktivitätsverlauf ist in Fig. 5 dargestellt, wo über dem Winkel oder Weg s, den das bewegbare Element B zurücklegt, jeweils die Größen dei Induktivitä ten L1, L2, L3, L4 eingezeichnet sind.The inductance curve is shown in FIG. 5, where the sizes of the inductances L1, L2, L3, L4 are shown in each case over the angle or path s which the movable element B travels.
Durch Bestimmen der Abweichungen von der ursprünglichen Größe lassen sich die Ortsveränderungen der bewegbaren Elemente B ermitteln.By determining the deviations from the original size determine the changes in location of the movable elements B.
Die in der eingangs genannten Veröffentlichung beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Ortsveränderungen sind recht umständlich und erfordern einen hohen Aufwand.The procedures for Determining the changes of location are quite cumbersome and require a lot of effort.
In der Entgegenhaltung DE 40 17 846 A1 ist eine Auswerteschaltung für einen induktiven Wegaufnehmer beschrieben. Diese Auswerteschaltung verwendet einen Differentialtransformator, der eine zusätzliche, in unmittelbarer Nähe von Sensorspulen anzuordnende Speisespule benötigt. Hier führt eine grund sätzlich immer vorhandene Unsymmetrie dieser Speisespule verstärkt zu einer Nichtlinearität und einem Offset-Fehler der Messung.Document DE 40 17 846 A1 describes an evaluation circuit for one described inductive displacement transducers. This evaluation circuit used a differential transformer, which is an additional, in close proximity supply coil to be arranged by sensor coils is required. Here's a reason In addition, the asymmetry of this supply coil is always increased to one Non-linearity and an offset error of the measurement.
Weiterhin ist aus E. Schiessle: Sensortechnik und Meßwertaufnahme, 1. Auf lage, Würzburg, Vogel, 1992, Seiten 93 bis 98, eine induktive Halb brückenschaltung für einen Differenz-Längsanker-Induktivaufnehmer bekannt. Bei dieser Schaltung wird als zur Messgröße proportionale Ausgangsgröße eine Wechselspannung erzeugt, die nur durch eine synchrone, aktive Gleichrich tung, beispielsweise mittels einer S/H-Schaltung, ausgewertet werden kann. Eine solche Schaltung ist jedoch für Frequenzen von einigen MHz aufwendig und wirft größere Realisierungsprobleme auf, was insbesondere dann gilt, wenn Messungen mit geringen Messfehlern gewünscht werden.Furthermore, from E. Schiessle: Sensor technology and measurement recording, 1. Auf location, Würzburg, Vogel, 1992, pages 93 to 98, an inductive half bridge circuit for a differential longitudinal armature inductive transducer known. In this circuit, an output variable proportional to the measured variable is used AC voltage generated only by a synchronous, active rectifier device, for example by means of an S / H circuit, can be evaluated. However, such a circuit is complex for frequencies of a few MHz and poses major implementation problems, especially when Measurements with small measurement errors are desired.
Aus Pallas-Areny, Webster: Sensors and signal conditioning, Wiley, 1991, Seiten 215 bis 217, ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die auf einem ähn lichen Prinzip beruht, das auch bei E. Schiessle (s. a. o.) verwendet wird. From Pallas-Areny, Webster: Sensors and signal conditioning, Wiley, 1991, Pages 215 to 217, a circuit arrangement is known which is similar on one principle, which is also used by E. Schiessle (see above).
Zusätzlich wird aber hier noch auf die Möglichkeit einer aktiven Gleichrichtung hingewiesen und es werden verschiedene integrierte Schaltungen beschrieben. Diese integrierten Schaltungen vereinfachen zwar die Realisierung einer Schal tungsanordnung, benötigen aber auch einen erhöhten Fertigungsaufwand, was durch das zur Anwendung gelangende Differenzialtransformatorprinzip und die dadurch bedingten Wickelgüter hervorgerufen ist.In addition, the possibility of active rectification is also mentioned here pointed out and various integrated circuits are described. These integrated circuits simplify the realization of a scarf tion arrangement, but also require an increased manufacturing effort, what due to the differential transformer principle used and the resulting winding goods is caused.
Schließlich ist in DE 41 41 264 C1 ein induktiver Annäherungssensor beschrie ben, dessen Messmethode auf der Dämpfung beruht, welche ein magnetisches Wechselfeld einer Spule durch ein magnetisierbares und/oder elektrisch leitfä higes Material erfährt. Diese Dämpfung ist stark von Materialeigenschaften und damit von der Temperatur und vom Einsatzzweck des Annäherungssensors ab hängig.Finally, an inductive proximity sensor is described in DE 41 41 264 C1 ben, whose measurement method is based on the damping, which is a magnetic Alternating field of a coil by a magnetizable and / or electrically conductive experienced material. This damping is strong from material properties and thus on the temperature and purpose of the proximity sensor pending.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und Schaltungsanord nungen anzugeben, die die Auswertung der Messgrößen von Winkel- oder Wegs ensoren, wie in Fig. 3 oder 4 beschrieben oder ähnlichen, wesentlich einfacher gestalten.The object of the present invention is to provide a method and circuit arrangement which make the evaluation of the measured variables of angular or displacement sensors, as described in FIG. 3 or 4 or the like, much simpler.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird in den Patentansprüchen 1 und 2 beschrieben, während Patentanspruch 3 eine vorteilhafte Weiterbindung der Erfindung angibt.The solution to this problem according to the invention is described in patent claims 1 and 2 described, while claim 3 an advantageous binding of the invention.
Näher dargestellt ist diese Lösung in den Fig. 1 und 2.This solution is shown in more detail in FIGS. 1 and 2.
Fig. 1 zeigt Induktivitäten L10 und L20, die in Reihe mit einer Kapazität C1 von einem Wechselstrom aus einer potenzialfreien Wechselspannungsquelle UHF durchflossen werden. Die Größe der Kapazität wird so gewählt, dass der Wech selstrom Alls eingeprägt gelten kann. Die Spannung UHF wird symmetrisch zu einem Bezugspotenzial angelegt. Jeweils die Spannung jeder Induktivität L10 bzw. L20 gegen das Bezugspotential wird gleichgerichtet durch die Gleichrichter D1 bzw. D2. Die so erzeugten Gleichspannungen liegen zwischen Punkten a bzw. b und dem Bezugspotential. Über einen Pufferverstärker V1 und einen Anpassungswiderstand R4 wird die Gleichspannung von Punkt a an einen Eingang eines Vergleichsverstärkers V2 geführt, während die Gleichspannung von Punkt b über einen Spannungsteiler R2/R3 an den anderen Eingang des Vergleichsverstärkers V2 gelegt ist. Die Verstärker V1 bis V3 können zusätzlich als Tiefpaß beschaltet sein. Fig. 1 shows inductors L10 and L20, which are flown through in series with a capacitance C1 of an alternating current from a floating AC voltage source U HF. The size of the capacitance is chosen so that the alternating current can be impressed. The voltage U HF is applied symmetrically to a reference potential. The voltage of each inductor L10 or L20 against the reference potential is rectified by the rectifiers D1 or D2. The direct voltages generated in this way lie between points a and b and the reference potential. The DC voltage from point a is fed to an input of a comparison amplifier V2 via a buffer amplifier V1 and an adaptation resistor R 4 , while the DC voltage from point b is connected to the other input of the comparison amplifier V2 via a voltage divider R 2 / R 3 . The amplifiers V1 to V3 can additionally be connected as a low pass.
Am Ausgang A steht eine Meßspannung als Maß für die Verschiebung s des bewegbaren Elementes B. Die Widerstände R1, R2, R3 sind so ausgelegt, daß die Belastungen der Punkte a und b untereinander gleich sind.At the output A there is a measuring voltage as a measure of the Displacement s of the movable element B. The resistors R1, R2, R3 are designed so that the loads on points a and b are equal to each other.
Die Gleichspannung an den Punkten a und b wird über den Spannungsteiler R6/R7 gemittelt und durch einen Vergleichsverstärker V3 mit einer festen Referenzspannung UV verglichen. Der Vergleichsverstärker V3 ist über R8 und C6 gegengekoppelt. Seine Ausgangsspannung UR dient als Regelspannung für die Amplitude der Wechselspannung UHF. Damit wird die Abhängigkeit von Umgebungseinflüssen verringert.The DC voltage at points a and b is averaged over the voltage divider R 6 / R 7 and compared with a fixed reference voltage UV by a comparison amplifier V3. The comparison amplifier V3 is fed back via R 8 and C6. Its output voltage UR serves as a control voltage for the amplitude of the alternating voltage U HF . This reduces the dependence on environmental influences.
Fig. 2 zeigt eine andere Art der Einspeisung der Wechselspannung UHF über einen Übertrager TR. An C4 und C5 werden die Potentiale für die Vergleichsverstärker V1 und V2 abgegriffen. Ein Kondensator C3 kann alternativ oder zusätzlich zu C2 vorgesehen sein. Die Kapazitäten und Induktivitäten bilden einen Schwingkreis. Fig. 2 shows another type of feeding the alternating voltage U HF via a transformer TR. The potentials for the comparison amplifiers V1 and V2 are tapped at C4 and C5. A capacitor C3 can be provided as an alternative or in addition to C2. The capacitors and inductors form a resonant circuit.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß beide Induktivitäten L10 und L20 von ein und demselben Wechselstrom durchflossen werden. So ist das Verhältnis der an den Induktivitäten abfallenden Wechselspannungen nur vom Verhältnis der Induktivitäten abhängig, die Größe der Wechselspannungen im wesentlichen nur von C1, wenn C1 << C2, C3, C4, C5.An essential feature of the method according to the invention is that both inductors L10 and L20 of one and flow through the same alternating current. That's how it is Ratio of those falling at the inductors AC voltages only from the ratio of the inductances dependent, the size of the AC voltages essentially only from C1 if C1 << C2, C3, C4, C5.
Die Messung des Weges bzw. des Winkels ist um so einfacher, je genauer jeweils die Innenwiderstände und Eigenkapazitäten (und deren Temperaturabhängigkeiten) von beiden Induktivitäten bei der Weglänge bzw. dem Winkel Null übereinstimmen.The measurement of the path or the angle is the easier, ever the internal resistances and capacities (and their temperature dependencies) from both inductors the path length or the angle zero.
Die symmetrische Anordnung und die Amplitudenregelung bewirken, daß weder die Länge eines Kabels zwischen Sensor (d. h. den Induktiviäten mit D1, D2, C1, C2) und dem Rest der Schaltung (also der Auswerteschaltung) noch elektrische oder magnetische Einstrahlungen Einfluß auf das Ausgangssignal haben.The symmetrical arrangement and the amplitude control cause neither the length of a cable between the sensor (i.e. the inductors with D1, D2, C1, C2) and the rest of the Circuit (i.e. the evaluation circuit) still electrical or magnetic radiation influences the output signal to have.
Die aus den Kapazitäten und Induktivitäten gebildeten Schwingkreise werden durch die nachfolgende Auswerteschaltung bedämpft und haben dadurch eine relativ große Bandbreite. Dadurch wird die Wirkung einer Frequenzänderung auf das Ausgangssignal sehr gering.The ones formed from the capacitors and inductors Oscillating circuits are created by the following evaluation circuit damped and therefore have a relatively wide range. This will affect the effect of a frequency change on the Output signal very low.
Durch geeignete Wahl der Kapazitätswerte kann einer der Kondensatoren C3, C4, C5 entfallen, bei geeigneter Wahl der Wechselspannungsquelle UHF ebenso C2.By a suitable choice of the capacitance values, one of the capacitors C3, C4, C5 can be omitted, and with a suitable choice of the AC voltage source U HF , C2 can also be omitted.
Zwei weitere Schaltungsvarianten sind in den Fig. 6 und 7 angegeben.Two further circuit variants are shown in FIGS. 6 and 7.
Wichtig für die Genauigkeit des beschriebenen Verfahrens ist das Maß der Oberwellenfreiheit der Wechselspannungsquelle. Die ungeradzahligen Frequenzvielfachen bewirken einen Offset, die geradzahligen einen Verstärkungsfehler; bei der Schaltung nach Fig. 7 sind die Verhältnisse umgekehrt.The degree of harmonic freedom of the AC voltage source is important for the accuracy of the described method. The odd frequency multiples cause an offset, the even ones a gain error; in the circuit of FIG. 7, the relationships are reversed.
Claims (3)
- a) die beiden Induktivitäten (L10, L20) und ein in Reihe zwischen diesen liegender Kondensator (C1) werden von ein und demselben Wechselstrom durchflossen, so daß die Differenz der an den beiden Induktivitäten (L10, L20) abfallenden Wechselspannungen nur von der Differenz der Induktivitätswerte dieser Induktivitäten und die Größen dieser Wechselspannungen nur vom Kapazitätswert des Kondensators (C1) abhängig sind,
- b) die dadurch an den Induktivitäten (L10, L20) entstehenden Wech selspannungen werden jede für sich gleichgerichtet,
- c) die Differenz der so gewonnenen Gleichspannungen wird als dem Drehwinkel bzw. der Verschiebung des bewegbaren Elementes (B) proportiona les Signal weiterverarbeitet.
- a) the two inductors (L10, L20) and a series between these capacitor (C1) are flowed through by one and the same alternating current, so that the difference in the AC voltages dropping at the two inductors (L10, L20) only from the difference of Inductance values of these inductances and the magnitudes of these AC voltages only depend on the capacitance value of the capacitor (C1),
- b) the alternating voltages thus created on the inductors (L10, L20) are each rectified individually,
- c) the difference between the DC voltages obtained in this way is further processed as the angle of rotation or the displacement of the movable element (B) proportional signal.
- - an eine Serienschaltung der ersten Induktivität (L10) mit dem Konden sator (C1), der einen Wechselstromwiderstand aufweist, der ähnlich demjenigen der Summe beider Induktivitäten ist, und mit der zweiten Induktivität (L20) eine Wechselspannungsquelle (UHF) gelegt ist,
- - parallel zum Kondensator (C1) die Reihenschaltung zweier Gleichrich ter (D1, D2) gelegt ist, deren Verbindungspunkt auf ein der Gesamtschaltung gemeinsames Bezugspotential gelegt ist, und
- - die Potentiale, die proportional zu den Spannungsabfällen sind, welche jeweils an den Reihenschaltungen einer der Gleichrichter und einer der Induk tivitäten abfallen, an die Eingänge (a, b) einer Differenzschaltung (V1, V2) ge legt sind, deren Ausgangsspannung (A) ein Maß für den Unterschied zwischen der ersten und zweiten Induktivität und damit für den zurückgelegten Winkel bzw. Weg (s) des bewegbaren Elementes (B) ist.
- a series circuit of the first inductor (L10) with the capacitor (C1), which has an AC resistance that is similar to that of the sum of the two inductors, and with the second inductor (L20) an AC voltage source (U HF ) is connected,
- - In parallel to the capacitor (C1), the series circuit of two rectifier ter (D1, D2) is placed, the connection point of which is connected to a reference potential common to the overall circuit, and
- - The potentials, which are proportional to the voltage drops, which drop across the series circuits of one of the rectifiers and one of the inductivities, are applied to the inputs (a, b) of a differential circuit (V1, V2), the output voltage (A) is a measure of the difference between the first and second inductance and thus of the angle or path (s) of the movable element (B).
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