DE69007802T2

DE69007802T2 - Linearer Positionssensor.

Info

Publication number: DE69007802T2
Application number: DE69007802T
Authority: DE
Inventors: Clyde Miin Arng Kentwood Michigan 49508 Ko; Carl Andrew Reed City Michigan 49677 Munch; David Wendel Big Rapids Michigan 49307 Shank
Original assignee: Nartron Corp
Current assignee: Nartron Corp
Priority date: 1989-01-11
Filing date: 1990-01-10
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2010-01-11
Also published as: JPH02264814A; EP0378402B1; EP0378402A1; US5216364A; EP0592849B1; DE69007802D1; US5642043A; EP0592849A1; DE69026391D1; CA2007496A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Positionssensor, im besonderen einen Sensor zum Erfassen der relativen Längsverschiebung zweier Elemente, indem einer Sensorsonde ein Signal zugeführt wird und ein elektrischer Parameter gemessen wird, der sich proportional zur relativen Verschiebung zweier Teile der Sonde ändert.
Die Aufhängung von Kraftfahrzeug-Fahrsteuersystemen reagiert aktiv auf die Straßenbedingungen, indem sie Kräften, die die Aufhängungselemente leicht komprimieren, entgegenwirkt. Dazu ist eine Realzeitmessung der Position verschiedener Teile des Aufhängungssystems, wie z.B. jeder Radaufhängung, bezüglich des Fahrzeugrahmens, erforderlich. Diese relativen Positionsvariablen werden einem Fahrsteuercomputer als Eingabe zugeführt, der durch Verstellen des Fluiddrucks in den entsprechenden Stoßdämpfern dynamisch reagiert.
Ein derartiger Positionssensor wird bevorzugt im Inneren des dazugehörenden Stoßdämpfers angebracht, wo die Bewegung jeder Radeinheit durch die relative Bewegung der Teleskop- Stoßdämpferelemente überwacht werden kann. Die Bedingungen im Inneren eines Stoßdämpfers sind sehr ungünstig und setzen einen innen montierten Sensor einem Druck von bis zu 6500 psi (1psi=0,69 Ncm&supmin;²) und Temperaturen bis zu 135ºC aus. Demzufolge muß ein innen angebrachter Sensor kompakt, widerstandsfähig und sehr robust sein. Doch auch ein außerhalb des Stoß dämpfers angebrachter Sensor, wie z.B. ein zusammen mit einem Kraftfahrzeug-Fahrsteuersystem verwendeter Positionssenor, ist harten Bedingungen ausgesetzt, die Verschleißfestigkeit des Sensors gegen verschiedene Kraftfahrzeugfluide sowie Temperaturstabilität bei großen Außentemperaturschwankungen voraussetzen. Um im Kfz-Bereich Verwendung zu finden, muß ein derartiger Positionssensor außerdem billig in der Produktion, zuverlässig sowie über lange Zeit hinweg extrem verschleißfest sein.
Die DE-A-2 914 083 offenbart einen Positionssensor zum Messen der Veschiebungen relativ zueinander bewegbarer Elemente mit längs um das erste Element gewickelten Primär- und Sekundärwicklungen und einer Kopplungseinrichtung in Form einer Hülse um das zweite Element, die teilweise um die Wicklungen herum angeordnet ist, um die Magnetkopplung zwischen den Wicklungen während der relativen Bewegung der Elemente zueinander zu variieren.
Nach Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung hat eine lineare Positionssensorvorrichtung einen Sensor mit Primär- und Sekundärwicklungen und eine Kopplungsverstelleinrichtung, die mit dem Element, dessen Lage festgestellt werden soll, zur Veränderung der Transformatorkopplung zwischen den Wicklungen bewegbar ist. Jede der Wicklungen umfaßt einen länglichen Kern und eine radial um diesen Kern gewickelte Spule. Jede der Spulen enthält eine Vielzahl von Windungen, die im wesentlichen über die gesamte Länge des jeweiligen Kerns beabstandet sind. Die Kerne sind im wesentlichen übereinander angeordnet.
Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Schaltvorrichtung mit Mitteln zum Zuführen eines zyklisch variierenden Signals zur Primärwicklung und eine Meßvorrichtung zum Messen des entlang der Sekundärwicklung entstehenden, von der Primärwicklung ausgekoppelten Signals. Da die Kopplungsverstelleinrichtung entlang dem Element, dessen Lage festgestellt wird, rückgesetzt oder versetzt wird, variiert das entlang der Sekundärwicklung entstehende Signal proportional zum Verschiebungsbetrag der Veränderung der Transformatorkopplung zwischen den Wicklungen, und gibt so die Lage des abgetasteten Elements an.
Die um den Umfang gewickelten Spulen ermöglichen es, die Linearität des Sensorausgangs abzustimmen oder einzustellen, indem der relative Abstand zwischen den Spulenwindungen entlang des Kerns wahlweise festgelegt wird.
Der Gebrauch von im wesentlichen übereinanderliegenden länglichen Kernteilen, die im wesentlichen mit Spulenwindungen bedeckt sind, liefert bei mehr als 90 Prozent (90%) der Hublänge der Sensorsondenteile eine Signalantwort.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die lineare Positionssensorvorrichtung ein Sensorelement und eine damit verbundene elektronische Einheit mit einem Sinuswellengenerator zum Erregen des Sensors und eine Meßvorrichtung zum Messen eines elektrischen Sensorparameters. Die Positionssensorvorrichtung umfaßt ferner Mittel, die zusammen mit dem Element, dessen Position festgestellt werden muß, bewegbar sind, um den Wert des dazu proportionalen elektrischen Sensorparameters zu verstellen. Der Sinuswellengenerator enthält einen Rechteckwellengenerator zur Erzeugung eines Rechteckwellensignals sowie einen Tiefpaßfilter zur Umwandlung des Rechteckwellengenerator-Ausgangssignals in eine Sinuswelle mit geringer Verzerrung.
Ein Sinuswellengenerator nach diesem Aspekt der Erfindung nützt die Amplituden- und Frequenzstabilität des Rechteckwellengenerators, und weist somit eine außergewöhnliche Temperaturstabilität auf. Außerdem kann eine elektronische Einheit, wie sie nach diesem Aspekt der Erfindung vorgesehen ist, in außergewöhnlich kompakter Form hergestellt werden. Die kompakte Ausgestaltung der elektronischen Einheit und die hervorragende Temperaturstabilität des Sinuswellengenerators erleichtern die Aufnahme des gesamten elektronischen Steuerstromkreises in eine kompakte Einheit, die zusammen mit dem Sensorelement in einer eigenen Einheit untergebracht werden kann, welche wiederum in einer Umgebung mit rauhen Bedingungen angebracht werden kann. Ein linearer Positionssensor nach diesem Aspekt der Erfindung kann vom elektrischen System eines Fahrzeugs ungefilterte Gleichstromspannung empfangen und ein zur Lage des festgestellten Elements proportionales Gleichstrom-Ausgangssignal erzeugen. Das System ist eine kompakte Einheit, das direkt mit einem Fahrsteuercomputer verbunden werden kann, ohne daß "Anpassungseinstellungen" oder Kalibrieren zwischen dem Positionssensor und dem Computer erforderlich sind. Daher kann jegliche Kalibrierung in der Fabrik ausgeführt werden, und die Sensorvorrichtung kann innnerhalb oder außerhalb der Fabrik am Fahrzeug installiert oder ersetzt werden und an den Fahrsteuercomputer ohne Kalibrieren außerhalb der Fabrik, wie dies bei Positionssensoren nach dem Stand der Technik üblich ist, angeschlossen werden.
Ein linearer Positionssensor nach der Erfindung weist einen kompakten Aufbau und eine widerstandsfähige Konstruktion auf, um unter den rauhen Bedingungen in einem Kraftfahrzeug-Fahrsteuersystem zu funktionieren. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der bewegliche Bereich der Sensorsonde sich überdeckende Primär- und Sekundärwicklungen, die parallel zueinander und voneinander beabstandet sind. Der andere bewegliche Bereich der Sensorsonde enthält eine Kopplungsverstelleinrichtung, die aus einem Kopplungserhöhungselement, welches um beide Spulen herum angeordnet ist, besteht, so daß das in der Sekundärspule erzeugte Signal zunimmt je weiter die Kopplungsverstelleinrichtung die Wicklungen überlappt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die übereinander liegenden Primär- und Sekundärwicklungen konzentrisch angeordnet und durch eine ringförmige Aussparung oder eine Lücke voneinander getrennt. Die Kopplungsverstelleinrichtung enthält ein Kopplungsunterbrechungselement, das in dem Zwischenraum zwischen den Wicklungen so angeordnet ist, daß die Transformatorkopplung durch das Vorhandensein der Kopplungsverstelleinrichtung zwischen den Wicklungen abnimmt, wodurch das an der Sekundärwicklung erzeugte Signal abnimmt je weiter die Kopplungsverstelleinrichtung die Wicklungen überlappt. In einem weiteren außerhalb des Fahrzeugstoßdämpfers vorgesehenen Ausführungsbeispiel der Erfindung, enthält die Kopplungsverstelleinrichtung ein inneres Metallelement, das in ein äußeres Trägerelement eingefügt ist, und eine zwischen dem äußeren Trägerelement und der röhrenförmigen Bohrung angeordnete Antireibungsvorrichtung. Die Wicklungen befinden sich in der Bohrung in der die Kopplungsverstelleinrichtung der Länge nach verschiebbar ist.
Die vorliegende Erfindung kann für viele verschiedene Zwecke angewandt werden. Die folgende Beschreibung mit den dazugehörigen Figuren erläutert diese und weitere damit in Zusammenhang stehende Gegenstände, Vorteile und Merkmale der Erfindung.
Es zeigen:
Figur 1 eine Teilseitenansicht eines kontaktlosen lineraren Positionssensors nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 eine vergrößerte Teilansicht des in Figur 1 mit II gekennzeichneten Bereichs;
Figur 3 eine Teilansicht entlang der in Figur 2 mit III-III gekennzeichneten Leitungen;
Figur 4 ein graphisches Diagramm des Spannungsübertragungsverhältnisses und wie sich dieses zur relativen Lage der Bereiche der Sensorsonde nach dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 verhält;
Figur 5 ein elektrisches Blockschaltdiagramm des elektrischen Steuerstromkreises der Erfindung;
Figur 6 ein elektrisches Schaltdiagramm, das den Steuerstromkreis von Figur 5 schematisch darstellt;
Figur 7 ein Diagramm, das den für eine Sensorsonde nach dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 6 equivalenten Schaltkreis darstellt.
Figur 8 eine Teilseitenansicht des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Figur 9 eine vergrößerte Ansicht des in Figur 8 mit IX gekennzeichneten Bereichs;
Figur 10 eine Teilansicht entlang der in Figur 9 mit X- X bezeichneten Leitungen;
Figur 11 ein elektrisches Schaltdiagramm, teilweise in Blockform, teilweise schematisch, des Steuermoduls des in den Figuren 8-10 gezeigten Ausführungsbeispiels;
Figur 12 ein Diagramm, das den für eine Sensorsonde nach dem Ausführungsbeispiel der Figuren 8 bis 10 equivalenten Schaltkreis darstellt;
Figur 13 eine Teilseitenansicht des dritten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung; und
Figur 14 eine vergrößerte Teilansicht entlang der Leitungen XIV-XIV von Figur 13.
Unter besonderer Bezugnahme auf die Zeichnungen und die darin gezeigten anschaulichen Ausführungsbeispiele, enthält eine kontaktfreie lineare Positionssensoreinrichtung, die im allgemeinen mit 10 bezeichnet wird, ein Basisteil 12, das mit einem Teil des Fahrzeuges verbunden ist, wie z.B. der Teil eines Stoßdämpfers, der mit der Fahrzeugkarosserie verbunden ist, und ein Spurführungsteil 16, welches mit einem Teil des Fahrzeugs verbunden ist, dessen Lage festgestellt werden soll, wie z.B. der Teil des Stoßdämpfers, der mit der Radaufhängung verbunden ist (Figur 1). Die Spurführungs- und Basisteile 16 und 12 sind relativ zueinander in Längsrichtung bewegbar und können innerhalb oder außerhalb des entsprechenden Stoßdämpfers angebracht werden.
Die Sensoreinheit 10 enthält ferner ein durch ein Kabel 27 mit dem Basisteil 12 verbundenes Steuermodul 28. Ein für den Eingrif in eine Gegensteckverbindung (nicht dargestellt) vorgesehener elektrischer Stecker 29 für die Verbindung zum Fahrsteuercomputer sorgt für die Eingangs- und Ausgangsverbindung des Steuermoduls 28. Das Basisteil 12 enthält ein Schutzelement 26, welches eine innere runde Kammer bildet, in der eine Wicklungseinheit 32 fest angebracht ist. Die Wicklungseinheit 32 enthält ein Endteil 34, welches sich in einem verbreiterten Teil 25 des Schutzelements 26 befindet, und ein Sensorteil 36, welches sich in einem verengten Teil des Schutzelements 26 befindet. Der verbreiterte Teil 25 wird an dem Endelement des Stoßdämpfers angebracht und durchdringt dieses (nicht gezeigt). Das Spurführungsteil 16 enthält ein Endteil 40 und eine Transformator-Kopplungsverstelleinrichtung mit einem länglichen röhrenförmigen Teil 42. Das röhrenförmige Teil 42 hat einen Innendurchmesser, der so gewählt ist, daß er leicht über den Sensorbereich 36 der Wicklungseinheit 32 gleitet. Das Endteil 40 enthält ein Befestigungselement 18 zum Befestigen des Spurführungsteils 16 an dem Fahrzeugteil, dessen Lage festgestellt werden soll. Das Sensorteil 36 und das röhrenförmige Teil 42 bilden zusammen die Sensorsonde 35. Die relativ zueinander bewegbaren Teile der Sensorsonde können mit genau eingehaltenen Toleranzen bezüglich der Abmessungen zusammengebaut werden, und wenn sie in einem Stoßdämpfer angebracht werden, wirkt das im Stoßdämpfer befindliche Hydraulikfluid als schmierende Gleitpassung zwischen diesen bewegbaren Teilen.
Die Wicklungseinheit 32 umfaßt eine Primärwicklung 44 und eine Sekundärwicklung 46, die zusammen im Umhüllungsmaterial 48 (Figuren 2 und 3) eingeschlossen sind. Die Primär- und Sekundärspulen liegen im wesentlichen auf der gesamten Länge der Wicklungseinheit 32 übereinander bzw. nebeneinander und sind im allgemeinen parallel zueinander und beabstandet voneinander. Die Primärwicklung 44 umfaßt einen länglichen zylindrischen Kern 50 und eine Spule 52, die von einem einadrigen Magnetdraht gebildet wird und im wesentlichen um die gesamte Länge des Kerns 50 gewickelt ist. Die Sekundärwicklung 46 enthält einen länglichen zylindrischen Kern 54 mit einer aus einem einadrigen Magnetdraht gebildeten Spule 56, der radial um den Kern 54 entlang dessen gesamter Länge gewickelt ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Kerne 50 bis 54 Eisenmagnetstäbe mit einem Durchmesser von 0,13 cm (0,05 inch), die mit einer Teflonschicht oder einem anderen isolierenden Werkstoff mit einer Dicke von 0,005 cm (0,002 inch) isoliert sind und 18,3 cm (7,2 inch) lang sind. Die Spulen 52 und 56 haben jeweils eine Doppelschicht von 71,1 um (41 AWG) und 56,4 um (43AWG), die kompakt um den dazugehörenden isolierten Kern gewickelt ist, der für jede Spule eine Induktivität von 3 bis 4 Millihenry erzeugt. Die Primär- und Sekundärwicklungen 44 und 46 sind jeweils mit einer Schutzschicht wie einer Mylarumhüllung überzogen (nicht gezeigt) und sind zusammen in einem Werkstoff 48 eingeschlossen, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Flüssigkristallpolymer ist, z.B. Celanese Corporation Vectra B-130 ist.
Das röhrenförmige Teil 42 des Spurführungsteils 16 umgibt eine variierende Länge der übereinanderliegenden, beabstandeten, parallelen Primär- und Sekundärwicklungen 44 und 46 und bildet ein Transformator-Kopplungsverstellelement für die Wicklungen, die einen Transformator darstellen. In dem in den Figuren 1-3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das röhrenförmige Teil 42 ein Transformator-Kopplungserhöhungselement, das die Transformatorkopplung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen erhöht, wenn das Sensorteil 36 und das röhrenförmige Teil 42 durch die Bewegung der Fahrzeugradaufhängung zum Fahrzeugrahmen teleskopisch übereinander liegen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das röhrenförmige Element 42 ein Nichteisenmetall, wie z.B. Aluminium, das die Transformatorkopplung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen durch einen radialen Schleifenstrom erhöht, der durch eine Erregung in der Primärwicklung in dem röhrenförmigen Teil entsteht.
Die Ergebnisse dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung sind in Figur 4 gezeigt. In dieser Figur kann man sehen, daß das entlang der Sekundärwicklung erzeugte, zum Spannungsübertragungsverhältnis direkt proportionale Signal im wesentlichen linear mit dem Überlappungsbetrag des röhrenförmigen Teils 42 und des Sensorteils 36 der Wicklungsanordnung in Zusammenhang steht. Ein weiteres wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, die radial gewickelten Spulen mit vorher festgelegten nicht konstanten Windungsabständen mit einer handelsüblichen numerisch gesteuerten Wicklungsvorrichtung so zu wickeln, daß eine verbleibende Nichtlinerarität im wesentlichen eliminiert werden kann und daß dies vom Fachmann ausgeführt werden kann.
Alternativ dazu könnte es für eine bestimmte Anwendung wünschenswert sein, ein besonders charakteristisches nichtlineares Spannungsübertragungsverhältnis zu erhalten. Der Windungsabstand kann so angeordnet werden, daß das Spannungsübertragungsverhältnis auf die gewünschte Eigenschaft "abgestimmt" werden kann.
In Figur 5 wird der Aufbau des Steuermoduls 28 beschrieben. Ein Rechteckwellengenerator 58 gibt an seiner Ausgangsleitung 60 eine Rechteckwellensignal ab. Das Rechteckwellensignal, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel bei 12,8 KHz liegt, wird einem Sinuswellen-Formungsstromkreis 62 zugeführt, welcher das Rechteckwellensignal in ein Sinuswellensignal mit geringer Verzerrung und derselben Frequenz wie an seinem Ausgang 64 umwandelt. Das Sinuswellensignal wird von einem Verstärker- und Treiberkreis 66 verstärkt und der Primärwicklung 44 der Sensorsonde 35 durch die Leitung 67 zugeführt. Das der Primärwicklung zugeführte Sinuswellensignal ist im Verhältnis zur relativen Längsüberlappung der Wicklungseinheit und der Kopplungsverstelleinrichtung der Sensorsonde an die Sekundärwicklung gekoppelt. Das entlang der Sekundärwicklung erzeugte Signal wird durch die Leitung 68 einem Trennverstärker 70 mit hoher Eingangsimpedanz zugeführt, der das entlang der Sekundärwicklung erzeugte relativ schwache Signal verstärkt. Der Trennverstärker 70 umfaßt ferner Mittel, um das induzierte Hochfrequenzrauschen und einen Gleichstromoffset zu eliminieren. Das Ausgangssignal 72 des Trennverstärkers wird einem Präzisionsgleichrichter 74 zugeführt, der an seinem Ausgang 76 eine Gleichstromanalogspannung erzeugt, die proportional zur entlang der Sekundärwicklung erzeugten mittleren Wechselstromspannung ist. Die analoge Wechselstromspannung wird vom Verstärker 78 verstärkt und auf der Ausgangsleitung 80 als Eingangssignal einem Fahrsteuercomputer des Fahrzeugs zugeführt (nicht dargestellt).
Das Ausgangssignal 60 des Rechteckwellengenerators 58 wird außerdem als Eingangssignal einer negativen Stromquelle 82 zugeführt, die an ihrem Ausgang 83 eine Spannung erzeugt, die bezüglich des Fahrzeugrahmens negativ ist und dem Präzisionsgleichrichter 74 und dem Wechselstromverstärker 78 als zusätzliche Versorgungsspannung zugeführt wird. Die negative Spannung, die neben der herkömmlichen positiven Versorgungsspannung im elektrischen System eines Fahrzeugs normalerweise nicht vorhanden ist, wird diesen Teilen des Steuermoduls zugeführt, um die Linearität des Ausgangssignals, besonders auf niedrigen Signalpegeln zu verbessern, und gleichzeitig den Gleichstromoffset des Sensorergebnisses auf einen gewünschten Pegel, der Null oder sogar eine negative Spannung sein kann, einzustellen. Zusätzlich sind durch Zuführen einer Spannung zum Präzisionsgleichrichter und zum Gleichstromverstärker, die bezüglich des Fahrgestellrahmens negativ ist, Mittel zum Feststellen bestimmter innerer Fehlfunktionen dieser Teile des Stromkreises vorgesehen, wobei die Polarität der Spannung am Ausgang 80 kontrolliert wird. Wird die Polarität am Ausgang negativer als ein vorbestimmtes Maß, wird dem Fahrsteuercomputer eine Nachricht über die Fehlfunktion des Positionssensors geliefert.
Eine detaillierte Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels des elektrischen Steuersystems gibt Figur 6. Die Versorgungsspannung des Fahrzeugs ist mit dem Steuersystem über den Stift 85 des Steckers 29 verbunden und wird durch einen Eingangsfilter 86 und eine Polaritätsumkehr-Schutzdiode 88 geregelt. Die geregelte Versorgungsspannung wird durch die Spannungsregelschaltung 90, welche eine beliebige Vorrichtung nach dem bekannten Stand der Technik ist und als Präzisions- Nebenschlußreferenzschaltung gezeigt ist, auf eine konstante Spannung VCC reguliert. Die Spannung VCC wird auf dem Bus 92 erzeugt und als Versorgungsspannung ausgewählten Komponenten des Stromkreises zugeführt.
Der Rechteckoszillator 58 des gezeigten Ausführungsbeispiels ist ein Taktgeber 94 vom Typ 555 CMOS, dessen Frequenz durch einen Kondensator 96 bei 12.8 KHz gehalten wird, wobei der Kondensator zwischen den Taktanschluß des Taktgebers 94 und der Signalerde und mit den Widerständen 97 bis 100 und dem VCC-Bus 92 in Reihe geschaltet ist. Einer der Widerstände 100 ist verstellbar, so daß die Frequenz des Taktgebers 94 in der Fabrik eingestellt werden kann. Fachleute werden feststellen können, daß der CMOS-Taktgeber 94 unter verschiedensten Temperaturbedingungen stabile Frequenzen und Amplitudenwerte aufweist. Das Ausgangssignal des Taktgebers 94 auf der Leitung 60 wird von zwei in einer Spannungsteilungsanordnung an die Leitung 104 geschalteteten Präzisionswiderständen 101 und 102 heruntergesetzt. Die Leitung 104 bildet den Eingang 64 zum Verstärker- und Treiberschaltkreis 66 über einen Widerstand 106. Die Signaleigenschaften in der Leitung 104 werden durch den zwischen der Leitung 104 und der Erde geschalteteten Sinuswellenformer 62, der als "aktiver" Tiefpaßfilter zum Kurzschließen der Hochfrequenzoberwellen des Rechtecksignals gegen Erde dient, signifikant geändert. Dadurch wird im wesentlichen nur die Niederfrequenzkomponente der Rechteckwelle zur Sensorsonde durchgelassen, die eine Sinuswelle mit einer mit dem Impulswiederholungstakt des Rechteckwellengenerators übereinstimmenden Frequenz ist.
Der Sinuswellenformer 62 enthält einen Operationsverstärker 108 mit einem nicht invertierenden Eingangssignal an der Leitung 110, die durch einen Spannungsteiler, der aus zwei Zwischen einer positiven Gleichstromquelle V+ und der Signalerde in Reihe geschalteten Widerständen 112 und 114 besteht, auf einer konstanten Spannung gehalten wird. Der Verstärker 108 umfaßt ferner einen invertierenden Eingang 116, der mit der Leitung 104 über einen Kondesator 118 verbunden ist. Der Verstärker 108 erzeugt auf einer Leitung 120, die mit dem invertierenden Eingang 116 über einen Widerstand 122 und mit der Leitung 104 über einen Kondensator 124 verbunden ist, ein Ausgangssignal. Der besondere Aufbau des Sinuswellenformers 62 bewirkt, daß er Komponenten höherer Frequenz des Rechteckwellengenerators aktiv durch die besondere Rückkopplungs-Anordnung zwischen der Ausgangsleitung 120 und dem invertierenden Eingang 116 sowie dem Widerstand 122 und den Kondensatoren 118 und 124 gegen Erde kurzschließt, wobei eine relativ hohe Impedanz für die Grundfrequenz der vom Zeitgeber 94 erzeugten Rechteckwelle vorhanden ist und so das Signal geformt wird. Dementsprechend ist das resultierende Signal eine Sinuswelle mit einer dem Impulswiederholungstakt des Zeitgebers 94 entsprechenden Frequenz.
Das Sinuswellensignal wird über einen Wiederstand 106 der Leitung 64 dem Verstärker und Treiber 66 als Eingangssignal zugeführt. Der Verstärker und Treiber 66 ist ein Operationsverstärker 126 mit einem nicht invertierenden Eingang 128, der vom Spannungsteiler mit einer konstanten Spannungshöhe versorgt wird, wobei der Spannungsteiler aus den Widerständen 112 und 114 besteht und dem invertierenden Eingang 130, der mit der Eingangsleitung 64 verbunden ist, das zuvor beschriebene sinusförmige Signal zugeführt wird. Der Verstärker 126 hat einen Ausgang 132, der direkt mit dem Basisanschluß eines Transistors 134 verbunden ist, dessen Kollektor direkt mit V+ und dessen Emitter mit der Leitung 136 verbunden ist. Ein Rückkopplungswiderstand 138 verbindet die Leitung 136 mit dem invertierenden Eingang 130, um die kombinierte Verstärkung des Verstärkers 126 und des Transistors 134 und die Funktion dieser Kombination als linearer Verstärker zu bewirken. Ein Widerstand 139 zwischen der Leitung 136 und der Signalerde ist ein Belastungswiderstand für den Verstärker 126 und unterdrückt das Rauschen der von äußeren Quellen induzierten Hochfrequenzsignale.
Die Leitung 136 ist mit der Parallelschaltung eines Widerstandes 140 und eines Kondensators 142 verbunden. Die Parallelschaltung dient dazu, die Gleichstromkomponente des Signals, das der Primärwicklung 44 zugeführt wird, zu reduzieren, während die Wechselstromkomponente des Signals in die Primärwicklung eingekoppelt wird. Der Widerstand 140 kann zur Kompensation der Temperaturschwankungen im Gleichstromwiderstand der Primärwicklung 44 ein Varistor sein. Die Parallelschaltung des Kondensators 142 und des Widerstands 140 ist über einen Filterkreis 144 mit einem Anschluß der Primärwicklung 44 verbunden, deren anderer Anschluß mit der Signalerde verbunden ist.
Die Erregung der Primärwicklung 44 in der zuvor beschriebenen Schaltung erzeugt einen Magnetfluß, der durch die Kopplungsverstelleinrichtung 42 mit der Sekundärwicklung 46 gekoppelt ist, wodurch an der Sekundärwicklung ein Signal erzeugt wird. Die Wicklung 46 ist zwischen der Leitung 68 und der Signalerde angeschlossen. Die Leitung 68 ist mit einem Anschluß des Reihenkondensators 146 verbunden, um nur die Wechselstromkomponenten des an der Sekundärwicklung 46 erzeugten Signals mit den verbleibenden Teilen des Stromkreises zu koppeln. Ein zweiter Anschluß 149 des Kondensators 146 ist mit einem Kondensator 148 verbunden, der einen geerdeten Hochfrequenz- Nebenschlußwiderstand zur Reduzierung des in den Wicklungen der Sensorsonde induzierten Hochfrequenzrauschens hat. Der Anschluß 149 ist mit dem Eingang des Trennverstärkers 70 durch eine Reihenschaltung bestehend aus einem Verstärkungs-Einstellwiderstand 150 und einem Widerstand 152 verbunden.
Der Pufferverstärker 70 enthält einen Verstärker 156 mit einem invertierenden Eingang 154, um das Signal vom Widerstand 152 zu empfangen. Der Verstärker 156 hat außerdem einen nicht invertierenden Eingang 158, welcher an eine Konstant-Spannungsquelle, gebildet durch einen Spannungsteiler, bestehend aus den zwischen V+ und der Signalerde in Reihe geschaltenen Widerständen 160 und 162, angeschlossen ist, um dem Signal eine feste Gleichstromvorspannung zu geben. Ein Rückkopplungskreis bestehend aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes 164 und eines Kondensators 166 ist zwischen dem Ausgang 168 des Verstärkers und seinem invertierenden Eingang 154 angeschlossen. In dieser Konfiguration liefert der Pufferverstärker 70 eine hohe Eingangsimpedanz für den niedrigen, an der Sekundärwicklung 46 erzeugten Signalpegel und verstärkt das Signal. Das Ausgangssignal des Verstärkers 70 ist eine Wechselspannung, die über den Reihenkondensator 170 und den Widerstand 178 zum Eingang 72 des Präzisionsgleichrichters 74 gekoppelt wird.
Der Präzisionsgleichrichter 74 enthält einen Operationsverstärker 172 mit einem nicht invertierenden, durch einen Widerstand 175 geerdeten Eingang 174 und einen mit der Eingangsleitung 72 verbundenen invertierenden Eingang 176. Eine Diode 180 dient als Rückkopplungspfad zwischen dem Ausgang 182 und dem Eingang 176 des Verstärkers 172 und bewirkt, daß der Verstärker 172 die positiven Signalteile des Wechselstromsignals, jedoch nicht die negativen Signalteile, leitet. Außerdem ist der Ausgang 182 über eine in Vorwärtsrichtung vorgepolte Diode 184 und einen Widerstand 186 mit der Ausgangsleitung 76 verbunden. Die Diode 184 ist außerdem über einen Widerstand 188 mit dem invertierenden Eingang 176 verbunden. Durch diesen Aufbau ergibt sich ein Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung, der im wesentlichen niedriger als der eines herkömmlichen Gleichrichters ist, indem der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung im wesentlichen durch die Leerlaufverstärkung des Verstärkers 172 geteilt wird. Außerdem bietet dieser Aufbau eine außergewöhnliche Temperaturstabilität, da in der Rückkopplungsschleife zwei entgegengesetzt gepolte Dioden verwendet werden.
Die Leitung 76 führt vom Präzisionsgleichrichter 74 zum Gleichstromverstärker 78, der einen Verstärker 190 umfaßt. Der Ausgang 76 ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 190 verbunden. Ein invertierender Eingang 192 des Verstärkers 190 ist über einen Reihenwiderstand 194 mit einem Spannungsteiler, der aus den zwischen VVC und der Signalerde in Reihe geschaltenen Widerständen 195, 196, 197 und 198 besteht, verbunden. Der Widerstand 197 kann verstellt werden und hat Mittel zum Verstellen des Gleichstrom-Offsets am Ausgang des an der Leitung 199 angebrachten Verstärkers 190. Eine Parallelschaltung, bestehend aus einem Widerstand 200 und einem Kondensator 202, ist als Rückkopplungspfad zwischen dem Ausgang 199 und dem invertierenden Eingang 192 geschaltet und definiert somit die Verstärkungseigenschaften des Verstärkers 190 und gleichzeitig die Tiefpassfiltereigenschaften zur Reduzierung der Welligkeit des Wechselstroms auf der Ausgangsleitung 199. Der Ausgang 199 des Wechselstromverstärkers 78 ist über einen Widerstand 204 mit der Ausgangsleitung 80 verbunden, die wiederum mit einem Ausgangsstift 206 des Stekkers 29 verbunden ist. Eine Diode 208 zwischen der Ausgangsleitung 80 und der Signalerde bildet eine Umkehrspannungsklemmschaltung zur Eliminierung übermäßig negativer Spannungsschwingungen, die ansonsten an den Fahrsteuercomputer weitergeleitet werden könnten. Eine zusätzliche Tiefpaß-Ausgangssignalfilterung erfolgt durch die Kondensatoren 209 und 210.
Der Ausgang 60 des Rechteckwellengenerators 58 ist zusätzlich mit dem nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers 212 verbunden, dessen invertierender Eingang 214 durch einen Spannungsteiler, bestehend aus den zwischen VCC und der Erde in Reihe geschaltenen Widerständen 216 und 218, auf einem konstanten Spannungspegel gehalten wird. Der Verstärker 212 bildet eine Quelle niederer Impedanz, die einem Gleichrichterstromkreis 82 mit einem Reihenkondensator 220, einer Reihendiode 222, einer Nebenschlußdiode 224 und einem Nebenschlußkondensator 226 ein zyklisch variierendes Signal zuführt. Das Ausgangssignal des Gleichrichterstromkreises 82 ist auf der Leitung 83 eine Gleichstromspannung, die bezüglich der Signalerde negativ ist. Die negative Spannung der Leitung 83 wird den Verstärkern 172 und 190 zusätzlich zur positiven Spannung, die diesen Verstärkern von V+ zugeführt wird, als Versorgungsspannung geliefert. Auf diese Weise können die Verstärker 172 und 190 selbst bei niedrigen Signalpegeln in einem linearen Bereich arbeiten, und der Gleichstrom-Offset in der Ausgangsleitung 199 des Verstärkers 190 kann auf Null eingestellt werden, oder wenn dies gewünscht wird, sogar auf eine negative Spannung. Ein weiterer Vorteil der Zufuhr einer negativen Spannung an die Verstärker 172 und 190 besteht darin, daß ein interner Ausfall eines Verstärkers zu einer negativen Spannung in der Ausgangsleitung 199 führen kann, was vom Fahrsteuercomputer als Fehlfunktion des Steuermoduls interpretiert werden könnte.

Betrieb

Im Betrieb erzeugt der Rechteckwellengenerator 58 auf der Leitung 60 eine Rechteckwelle mit stabiler Frequenz und Amplitude, die eine Niederfrequenzkomponente und harmonisch dazu abgestimmte Komponenten höherer Frequenz hat, und durch die Widerstände 101 und 102 herabgesetzt wird. Die herabgesetzte Rechteckwelle wird durch die aktive Hochfrequenz-Nebenschlußwirkung des Sinuswellenformers 62 in eine Sinuswelle mit geringer Verzerrung umgewandelt. Der Sinuswellenformer 62 bildet einen Niederimpedanz-Nebenschluß für die Komponenten höherer Frequenz und eine Hochimpedanzlast für die Niederfrequenzsignale der Rechteckwelle. Außerdem verfeinert er die Form des resultierenden Signals. Somit wird eine Sinuswelle mit geringer Verzerrung und stabiler Amplitude erzeugt. Das Sinuswellensignal wird vom Verstärker und Treiber 66 verstärkt und der Primärwicklung 44 über den Widerstand 140, den Kondensator 142 und das Filter 144 zugeführt.
Die Erregung der Primärwicklung 44 induziert im röhrenförmigen Teil 42 einen radialen Schleifenstrom. Der Schleifenstrom im röhrenförmigen Teil 42 wiederum verursacht eine in der Sekundärwicklung 46 induzierte Spannung, die proportional zur Länge des Sensorteils 36 ist, welches sich mit dem röhrenförmigen Teil 42 teleskopartig zusammenschiebt. Das röhrenförmige Teil 42 bewirkt somit eine Transformatorkopplung zwischen der Primär- und Sekundärwicklung. Die an der Sekundärwicklung 46 erzeugte Spannung wird vom Pufferverstärker 70 verstärkt und vom Präzisionsgleichrichter 74 auf einen Gleichspannungspegel gleichgerichtet, der gleich dem Mittelwert des Wechselstromsignals ist. Das Ausgangssignal des Präzisionsgleichrichters 74 wird verstärkt und vom Verstärker 78 weiter gefiltert. Die Verstärkung des Steuermoduls kann durch den Verstellwiderstand 150 verstellt werden, und der Offset des Ausgangssignals auf dem Stift 206 kann durch Verstellung des Verstellwiderstands 197 verstellt werden.
Die Wirkung des röhrenförmigen Teils auf das Sensorteil 36 der Wicklungsanordnung ist in Figur 7 dargestellt:
K steht für das Spannungsübertragungsverhältnis in Vorwärtsrichtung,
R ist der effektive Eingangswiderstand der Sonde,
X ist die effektive Eingangsreaktanz der Sonde,
V&sub1; ist das der Primärwicklung 44 zugeführte Eingangsspannungssignal,
V&sub2; ist das an der Sekundärwicklung 46 erzeugte Ausgangsspannungssignal, und
Is ist der im röhrenförmigen Teil 42 induzierte Schleifenstrom.
Die Wicklungen 44 and 46 bilden lange, schlanke Spulen. Ein Strom in einer solchen Spule erzeugt einen Magnetfluß, der im Inneren der Spule dicht ist und außerhalb der Spule mit zunehmenden Abstand schnell abnimmt. Daher würde, abgesehen von der Wirkung des röhrenförmigen Teils 42, im wesentlichen kein V&sub2;-Signal an der Wicklung 46 auf die Erregung der Wicklung 44 hin erzeugt werden, da die Wicklungen nebeneinander liegen. Da der röhrenförmige Teil 42 einen Abschnitt der Wicklungseinheit überlappt, wird der von der Primärwicklung erzeugte Magnetfluß von der Rohrwand geschnitten und somit in diesem Rohr ein Radialstrom induziert. Dieser induzierte Strom erzeugt einen Fluß im Rohr, der dem Primärfluß entgegengesetzt ist und diesen teilweise aufhebt. Hat dieser entgegengesetzte Fluß beispielsweise den Wert des ursprünglichen Flusses in der Primärwicklung mal 0,3, so hat die Amplitude des Flusses in der Primärwicklung im nicht überlappten Bereich den ursprünglichen Wert, im überlappten Bereich beträgt sie jedoch nur 70% ihres ursprünglichen Werts. Dies reduziert sowohl R als auch X , die so reagieren, als ob der überlappte Bereich der Primärwicklung teilweise gekürzt oder aus dem Stromkreis entfernt wurde.
Da die gleiche Länge der Sekundärwicklung 46 im röhrenförmigen Teil 42 liegt, erfährt dieser Bereich der Sekundärwicklung in diesem Beispiel einen Fluß, der 30% des ursprünglichen Amplitudenflußes in der Primärwicklung entspricht, während der nicht überdeckte Teil der Sekundärwicklung praktisch keinen Fluß erfährt. V&sub2; ist direkt proportional zu V&sub1; mal dem Verhältnis des Sekundärflusses und des Primärflusses. Man erhält eine in der Sekundärwicklung induzierte Spannung, die proportional zur der im röhrenförmigen Teil 42 befindlichen Länge der Wicklungseinheit ist.

Erstes alternatives Ausführungsbeispiel

Ein erstes alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren 8 bis 12 gezeigt, wobei die Primär- und Sekundärwicklungen konzentrisch angeordnet und durch eine ringförmige Aussparung oder Lücke voneinander getrennt sind, und wobei die Kopplungsverstelleinrichtung ein Kopplungsunterbrechungsteil umfaßt, welches in der Lücke zwischen den Wicklungen in Längsrichtung angeordnet werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel liegen die Kopplungsverstelleinrichtung und die Sensorsonde in teleskopischer Weise flächendeckender übereinander und die an der Sekundärwicklung erzeugte Spannung nimmt aufgrund der an die Primärwicklung angelegten Spannung ab, da die Kopplungsverstelleinrichtung die Transformatorkopplung zwischen den Wicklungen verhindert oder reduziert.
In diesem Ausführungsbeispiel umfaßt eine kontaktfreie lineare Positionssensoreinrichtung 310 ein Basisteil 312 und ein Spurführungsteil 316, die in Längsrichtung teleskopisch ineinander verschiebbar sind (Figur 8). Das Basisteil 312 hat Befestigungsmittel (nicht gezeigt) für dessen Befestigung an ein ortsfestes Teil des Fahrzeugs, und das Spurführungsteil 316 hat Befestigungsmittel 318 zur Befestigung an ein bewegliches Teil des Fahrzeugs, wie eine Radaufhängung. Das Basisteil 312 hat ein Sensorteil 336 mit einer Primärwicklung 344, die eine radial um einen Kern 350 gewickelte Spule 352 hat (Figuren 8, 9 und 10). Die Primärwicklung 344 ist konzentrisch in der Sekundärwicklung 346 angeordnet, die einen Kern 354 mit einer Wand hat, in der eine mittige Bohrung mit einem Innendurchmesser definiert ist, der im wesentlichen größer als der Außendurchmesser des Kerns 350 ist. Die Sekundärwicklung 346 enthält ferner eine radial um den Kern 354 gewickelte Spule 356. Die Abmessungen der Primär- und Sekundärwicklungen sind so gewählt, daß zwischen den konzentrisch angeordneten Wicklungen eine ringförmige Aussparung oder Lücke 338 definiert wird. Ein röhrenförmiges Teil 342 des Spurführungsteils 316 kann in Längsrichtung in der Lücke 338 angeordnet werden. Das röhrenförmige Teil 342 und das Sensorteil 336 definieren die Sensorsonde
Der Kern 350 hat ein größeres Endteil 334, das so bemessen ist, daß es mit dem Kern 354 reibend ineinanderpaßt, und dieser Kern paßt wiederum reibend in das im Basisteil 312 enthaltene Rahmenteil 326 (Figur 8). Der Positionssensor 310 hat ferner ein Entlastungsteil 230, das in den Rahmen 326 eingreift und eine Anzahl von elektrischen Führungen hält, die sich zum Steuermodul 328 erstrecken, welches wiederum mit einem elektrischen Stecker 329 an der Fahrsteuercomputer (nicht gezeigt) angeschlossen ist.
Der Kern 350 besteht aus eisenmagnetischem Werkstoff, wie z.B. Eisen, und der zweite Kern 354 aus einem nicht magnetischen Werkstoff, wie z.B. Strukturpolymer. Wie man in Figur 8 am besten sehen kann, erstrecken sich die Primär- und Sekundärspulen nicht über die gesamte Länge ihrer entsprechenden Kerne. Die Spulen sind vielmehr so um ihre Kerne angeordnet, daß eine Schnittstelle zwischen der Kopplungseinrichtung und den Spulen über die gesamte Wegstrecke des röhrenförmigen Teils 342 entsteht, sowie über eine zusätzliche Länge des Kern, die ungefähr 10% der inneren Primärspule und 5% der äußeren Sekundärspule entspricht. Die Primär- und Sekundärwicklung ist jeweils aus einem einzigen Drahtstück radial um ihren Kern gewickelt und mit einer Schutzumhüllung, z.B. Mylar oder einem andereren isolierenden Werkstoff, überzogen.
Da die Primärwicklung 344 innerhalb der Sekundäreinheiten 346 angeordnet ist, induziert die Erregung der Primärwicklung durch die Spannung V&sub1; in der Sekundärwicklung eine Spannung V&sub2; (Figur 12). Das Kopplungsverstellteil dieses Ausführungsbeispiels, das durch das röhrenförmige Teil 342 definiert wird, wirkt als Magnetschutz, welcher diese Transformatorkopplung zwischen der Primärwicklung 344 und der Sekundärwicklung 346 unterbricht. Das röhrenförmige Teil 342 wirkt als Kurzschlußwicklung und schafft so einen variablen Reluktanzweg für den Magnetfluß. Dieser variable Reluktanzweg vermindert die in der Sekundärwicklung induzierte Strommenge proportional. Der zur Induktion einer Spannung in der Sekundärwicklung verfügbare Fluß ist proportional zur Länge der Lücke 338, in der das röhrenförmige Teil 342 nicht vorhanden ist. Erstreckt sich das röhrenförmige Teil 342 in teleskopischer Weise zusätzlich in die Lücke 338, so reduziert die Magnetschutzwirkung des röhrenförmigen Teils die Magnetkopplung zwischen den Wicklungen, wodurch die an der Sekundärwicklung erzeugte Spannung des an die Primärwicklung angelegten Signals reduziert wird. Deshalb reagiert das Ausgangssignal der Sensorsonde auf die relative Lage der Positionssensorteile in entgegengesetzte Weise wie in dem in Figuren 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das röhrenförmige Teil 342 aus magnetischem Metall wie z.B. Eisen.
Das in diesem Ausführungsbeispiel in Figur 11 gezeigte Steuermodul 328 ist im wesentlichen dasselbe wie in den Figuren 4 and 5, und hat außerdem einen invertierenden Verstärker 232, der mit dem Ausgang 80 des Gleichstromverstärkers 78 verbunden ist. Der invertierende Verstärker 232 hat einen Operationsverstärker 234 mit einem sich zwischen dem Ausgang 238 des Verstärkers und dem invertierenden Eingang 240 erstreckenden Rückkopplungswiderstand 236 zur Festlegung seiner Verstärkung. Der nicht invertierende Eingang 241 des Verstärkers 232 wird vom Spannungsteiler, der die zwischen VCC und der Erde in Reihe geschalteten Widerstände 244, 245 und 246 und einen Reihenwiderstand 242 umfaßt, mit einem konstanten Spannungspegel versorgt. Der Widerstand 245 des in Figur 11 gezeigten Ausführungsbeispiels ist verstellbar. Dem Verstärker 234 wird sowohl eine positive Spannung V+ als auch eine negative Spannung zugeführt, letztere von der Leitung 83. Der Betrieb des in Figur 11 gezeigten Steuermoduls ist im wesentlichen genauso wie in Figuren 5 und 6. Das Ausgangssignal 80 des Verstärkers 78 wird jedoch aufgrund einer weiteren Ausgangsstufe im invertierenden Verstärker 234 verstärkt und invertiert.

Zweites alternatives Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeipiel nach der Erfindung für die Verwendung in einem Fahrsteuercomputersystem, das außerhalb des entsprechendem Stoßdämpfers angeordnet ist, ist in den Figuren 13 und 14 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel hat denselben elektrischen Aufbau und arbeitet auf dieselbe Weise wie das in Figuren 1 bis 7 gezeigte Ausführungsbeispiel, mit der grundsätzlichen Ausnahme, daß die Länge der Primär- und Sekundärwicklung im gezeigten Ausführungsbeispiel auf 12,2 cm (4,8 inch) reduziert ist.
Eine lineare Positionssensoranordnung, wie die mit dem Bezugszeichen 410 bezeichnete, umfaßt ein Basisteil 412, welches mittels eines Befestigungsteils 414 an ein Fahrzeugteil, wie z. B. den Rahmen, befestigt ist, und ein Spurführungsteil 416, welches an dem Fahrzeugteil befestigt ist, dessen Position festgestellt werden soll, wie z.B die Radaufhängung an einem zweiten Befestigungsteil 418 (Figur 13). Das Spurführungsteil 416 und das Basisteil 412 sind relativ zueinander in Längsrichtung verschiebbar und sind durch eine in Längsrichtung flexible Umhüllung 420 flexibel abgeschlossen. Die Umhüllung 420 enthält ein erstes Ende 422, das mit dem Basisteil 412 mit geeigneten Haltemitteln, z.B. einem Kabelbinder 500, dicht verbunden ist, und ein zweites Ende 424, welches mit dem Spurführungsteil 416 mit geeigneten Haltemitteln, z.B. einem Kabelbinder (nicht dargestellt), dicht verbunden ist.
Das Basisteil 412 umfaßt einen Rahmen 426 und ein Steuermodul 28, welches mit dem Rahmen 426 in einer gemeinsamen Umhüllung eingeschlossen ist, wie z.B. ein gegen verschiedene Fahrzeugfluide resistentes Umhüllungsmaterial. Ein elektrischer Stekker 429, der in den dazupassenden Stecker (nicht gezeigt) zum Anschluß an der Fahrsteuercomputer paßt, sorgt für die Verbindung von Eingang und Ausgang am Steuermodul 28. Der Rahmen 426 hat eine Innenfläche 427, die eine innere runde Kammer 430 bildet, in der die Wicklungseinheit 432 befestigt ist. Die Wicklungseinheit 432 enthält Primär- und Sekundärwicklungen 444 und 446, die in einer strukturellen Polymerhülle eingeschlossen sind, und hat ein Endteil 434, das so bemessen ist, daß es in die Fläche 427 reibend eingreift. Die Wicklungseinheit 432 hat ferner ein von der Fläche 427 beabstandetes Sensorteil 436 und definiert dazwischen eine ringförmige Aussparung oder Lücke 438. Das Spurführungsteil 416 hat ein Endteil 440 an dem ein Befestigungsteil 418 angebracht ist, sowie eine Kopplungsverstelleinrichtung mit einem länglichen röhrenförmigen Teil 442.
Das röhrenförmige Teil 442 ist so konfiguriert, daß es in der Aussparung 438 zwischen dem Sensorteil 436 der Wicklungseinheit 432 und der Oberfläche 427 frei gleitet. Das röhrenförmige Teil 442 umfaßt ein fest in die Polymerhalteröhre 496 eingepaßtes Transformatorkopplungsteil 495 aus Nichteisenmetall. Eine Anzahl von Rippen 497 sind ringförmig um die Außenfläche der Röhre 496 angeordnet und stellen beim gleitenden Eingriff mit der Fläche 427 (Figur 14) Führungsmittel mit geringer Reibung dar. Eine Anzahl von Öffnungen 498 erstrekken sich durch das Wandteil des Rahmens 426 und stellen Luftdurchlaßmittel zum Druckausgleich in der Lücke 438 dar, wenn sich das röhrenförmige Teil 442 längs darin bewegt.
Die Werte der verschiedenen Komponenten in dem gezeigten Ausführungsbeispiel des Steuermoduls 28 (Figur 6) sind wie folgt:
Bezugszeichen Wert
Widerstand 101 15K, 1%
Widerstand 102 5.11K, 1%
Widerstand 112 110K
Widerstand 114 24K
Kondensatoren 118, 124 0.0022uF, Typ NPO
Widerstand 122 10K, 1%
Widerstand 139 10K
Widerstand 140 180
Kondensator 142 4.7uF
Kondensator 146 0.1uF
Kondensator 148 0.001uF
Widerstand 160 180K
Widerstand 162 100K
Widerstand 164 274K, 1%
Kondensator 166 10pF, Typ NPO
Kondensator 170 0.1uF
Widerstand 175 1K
Widerstand 178 1K, 1%
Widerstand 186 10K, 1%
Widerstand 188 2.1K, 1%
Widerstand 194 47.5K, 1%
Widerstand 195 237
Widerstand 196 2.1K, 1%
Widerstand 198 200, 1%
Widerstand 200 274K, 1%
Kondensator 202 680pF
Kondensator 209 1uF
Kondensator 210 0.001uF

Zusammenfassung

Die vorliegende Erfindung kann sofort für kostengünstige automatische Einrichtung angewandt werden. Die Wicklungen können radial auf den entsprechenden Kernen angebracht werden, indem die Kerne einfach gedreht werden und die Drahtwindungen mit einer numerisch gesteuerten Vorrichtung aufgewickelt werden. Die Ausgangssignaleigenschaften der Sensoreinheit können hinsichtlich der relativen Lage der Teile der Sensorsonden durch selektive Einstellung der Windungsabstände der Spulen an den verschiedenen Abschnitten der jeweiligen Kerne eingestellt werden. Dank dieser Vielseitigkeit kann der Positionssensor auf die Eigenschaften eines speziellen Aufhängungssystems eines Fahrzeugs "abgestimmt" werden. Einstellungen der elektronischen Schaltung, wie z.B. Verstärkung und Offset, können aufgrund der gemeinsamen Umhüllung von Sensorsonde und elektronischem Modul bereits in der Fabrik vorgenommen werden, ehe die Komponenten eingeschlossen werden. Danach kann die Positionssensoreinheit leicht am Fahrzeug angebracht und mit dem Fahrsteuercomputer verbunden werden, ohne daß weitere Einstellungen außerhalb der Fabrik notwendig sind. Die Struktur der verschiedenen Komponenten reduziert außerdem das Gewicht und die Größe und trägt zur Haltbarkeit der Anordnung bei. Der herausragende Aspekt des Steuermoduls nach der Erfindung ist eine geringere Komponentenanzahl, die ferner die Kompaktheit der Anordnung verbessert, und neben der hohen Temperaturstabilität des Stromkreises die Verwendung der gesamten Sensorsonde unter harten Bedingungen erlaubt. Außerdem sind die Komponenten der Sensorsonde für eine schmiergleitende Passung vorgesehen, für die das Hydraulikfluid eines Stoßdämpfers sorgt, in dem sie nach gewissen Ausführungsbeispielen angeordnet werden soll.
Eine lineare Positionssensoreinheit nach der Erfindung kann so konfiguriert werden, daß sie bei über 90 % der Hublänge des Spurführungsteils bezüglich dem Basisteil anspricht. Dadurch verringert sich der durch die Einheit benötigte Platz erheblich. Neben der Anordnung innerhalb eines Stoßdämpfers kann die Erfindung auch für die Anbringung außerhalb des Stoßdämpfers parallel zu dessen Bewegungsrichtung erfolgen. Die Erfindung findet weiterhin Anwendung für die Feststellung der Position anderer Fahrzeugteile als dem Aufhängungssystem, sowie im Bereich von Werkzeugmaschinen oder dergleichen.
Weitere Änderungen und Modifizierungen der genauer beschriebenen Ausführungsbeispiele können vorgenommen werden, ohne sich von den Grundsätzen der Erfindung abzuwenden, die nur durch den Umfang der nachfolgenden Ansprüche begrenzt werden soll.

Claims

1. Linearer Positionssensor (10), umfassend eine Primärwicklung (44, 342) mit einem ersten länglichen Kern (50) und einer Spule (52) mit einer Vielzahl von Windungen um den Umfang des ersten Kerns (50), die im wesentlichen längs des Kerns (50) beabstandet sind, eine Sekundärwicklung (46) mit einem zweiten länglichen Kern (54), der sich im wesentlichen entlang dem ersten Kern (50) erstreckt, und mit einer Spule (56) mit einer Vielzahl von Windungen um den Umfang des zweiten Kerns (54), die im wesentlichen längs des zweiten Kerns (54) beabstandet sind, und eine Kopplungsverstelleinrichtung, die zusammen mit einem Element (16) bewegbar ist, dessen Lage bezüglich der Wicklungen (44, 46) festgestellt werden soll, und welches eine Veränderung der Transformatorkopplung zwischen den Wicklungen (44, 46) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (44, 46) parallel zueinander liegen und voneinander beabstandet sind und daß die Kopplungsverstelleinrichtung ein Kopplungserhöhungselement (42) umfaßt, das um mindestens eine der Spulen (52, 56) herum angebracht wird, derart, daß ein Signal, das in der Sekundärwicklung (46) aufgrund einer Erregung der Primärwicklung (44) entsteht, zunimmt, je weiter das Kopplungserhöhungselement (42) die Primär- und die Sekundärwicklung (44, 46) überlappt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungserhöhungselement (42) elektrisch leitendes, nicht ferromagnetisches Material umfaßt.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungserhöhungselement einen ring- oder rohrförmigen Leiter umfaßt.

4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungserhöhungselement eine vielfach gewundene Spule umfaßt, die spiralförmig um eine Form mit gesteuerter Dichte angeordnet ist, um einen länglichen Leiter zu bilden.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter parallel zu den Wicklungen eine geringere Länge hat als die Wicklungen, und daß er mit dem beweglichen Element verbunden ist, um entlang einer Bewegungsbahn parallel zu den Wicklungen bewegt zu werden, wobei er diese überlappt.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen in einer gemeinsamen Umhüllung (48) eingeschlossen sind.

7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kern aus ferromagnetischem Material besteht.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner umfaßt Mittel (58, 62, 66) zum Zuführen eines zyklisch variierenden Signals zu der Primärwicklung (44) und eine Meßvorrichtung (70, 74, 78) zum Messen des entlang der Sekundärwicklung (46) entstehenden, von der Primärwicklung (44) ausgekoppelten Signals.

9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin umfaßt: ein röhrenförmiges Rahmenelement (426) mit einer Innenflächenvorrichtung (427), die eine Bohrung (430) bildet, in der sich die Wicklungen (44, 46) befinden, wobei die Kopplungserhöhungseinrichtung in der Bohrung verschiebbar ist und ein inneres Metallelement (495) umfaßt, das in eine äußere Polymerhalterung (496) eingefügt ist, und eine Antireibungsvorrichtung, die Rippen (497) umfaßt, welche von der äußeren Polymerhalterung und von der Innenflächenvorrichtung ausgehen und voneinander beabstandet ringförmig um diese herum angeordnet sind.

10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das röhrenförmige Rahmenelement Mittel umfaßt, die eine Vielzahl von Öffnungen (498) bilden, die voneinander beabstandet entlang dem röhrenförmigen Element angeordnet sind, um einen Druckausgleich in der Bohrung zu ermöglichen, wenn das Kopplungsverstellelement darin bewegt wird.

11. Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem röhrenförmigen Rahmenelement und dem Kopplungsverstellelement eine Schutzhülle erstreckt.

12. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die um den Umfang mindestens einer Wicklung liegende Spule auf einen magnetisch permeablen Kern aufgebracht ist.

13. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die um den Umfang mindestens einer Wicklung liegende Spule aus einer leitfähigen Schicht geätzt ist, die von einer magnetisch permeablen Form getragen wird.

14. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen gerad- oder krummlinig sind.