EP1618352A2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von bewegungsparametern einer leitenden, vorzugsweise profilierten oberfl che - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von bewegungsparametern einer leitenden, vorzugsweise profilierten oberfl che

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EP1618352A2
EP1618352A2 EP04711559A EP04711559A EP1618352A2 EP 1618352 A2 EP1618352 A2 EP 1618352A2 EP 04711559 A EP04711559 A EP 04711559A EP 04711559 A EP04711559 A EP 04711559A EP 1618352 A2 EP1618352 A2 EP 1618352A2
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EP
European Patent Office
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coil
sensor
measuring
coupling impedance
imaginary part
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04711559A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stanislav Mednikov
Mark Netchaewskij
Felix Mednikov
Werner GRÖMMER
Martin Sellen
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Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
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Publication date
Priority claimed from DE10332761A external-priority patent/DE10332761A1/de
Application filed by Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG filed Critical Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Publication of EP1618352A2 publication Critical patent/EP1618352A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/2006—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the self-induction of one or more coils
    • G01D5/202—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the self-induction of one or more coils by movable a non-ferromagnetic conductive element
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/488—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by variable reluctance detectors

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining movement parameters of a conductive, preferably profiled surface relative to a sensor, the sensor comprising at least one coil for generating an electromagnetic alternating field, which due to the reaction as a result of changes in position between the surface and the sensor is subject to a change that is detected by means of the coil.
  • a distance sensor for a magnetic levitation vehicle is known from DE 32 44 420 C2.
  • This sensor has one transmitting and two receiving coils, the transmitting coil being designed as an elongated flat winding which is aligned with its coil axis obliquely to the direction of travel of the magnetic levitation vehicle.
  • This special arrangement partially reduces the so-called groove-tooth ripple. With this sensor, however, only distances in the range of 10 to 15 mm can be measured.
  • DE 199 27 759 A1 discloses a device for magnetic distance measurement between a toothed, ferromagnetic magnet wheel and a magnetically sensitive sensor positioned in the immediate vicinity of the magnet wheel, with which the movement of the toothed wheel is detected.
  • the crux of the invention is the use of a permanent magnet, the pole face of which facing the toothed object is sufficiently large in relation to the pole wheel module, so that the position of the neutral zone in the permanent magnet is almost unaffected by the respective position of the pole wheel teeth.
  • This device could also be used to determine the speed, speed and path of the magnet wheel.
  • a disadvantage of this device is the low accuracy, especially in the case of relatively large distances between the sensor and the magnet wheel.
  • the magnetic gap-dependent damping of the alternating magnetic field is used by eddy current effects in the reaction rail.
  • the inductive reactance of the coil system is completely compensated for with the aid of a capacitor operated in parallel or in series, and the distance signal is essentially determined from the effective resistance of the coil system.
  • the disadvantage here is that the tolerances of the parameters of the coil system and of the compensating capacitor that are unavoidable in real construction have a very strong influence on the measuring accuracy of the entire device.
  • the present invention is based on the object of specifying a method and a device for determining movement parameters of a conductive, preferably profiled surface relative to a sensor of the type mentioned at the beginning, according to which on the one hand the greatest possible distance between the profiled surface and the sensor can be measured and on the other hand the groove-tooth ripple, ie the signal changes that occur when driving over the teeth and grooves, as well as the influences caused by temperature fluctuations are largely eliminated.
  • measurement and evaluation of the relative speed between surface and sensor should be made possible at the same time.
  • a method for determining movement parameters of a conductive, preferably profiled surface relative to a sensor by means of a method having the features of patent claim 1.
  • a method of the type mentioned at the outset is designed such that the change in position is derived from the coupling impedance (Z c ) of the coil and the real part (R c ) and the imaginary part (X c ) of the complex coupling impedance (Z c ) of the coil are determined , wherein the distance d between the sensor and the surface is calculated on the basis of the values determined using an algorithm.
  • a device for determining movement parameters of a conductive, preferably profiled surface relative to a sensor is achieved by a device with the features of the claim 11 solved.
  • a device of the type mentioned at the outset is designed in such a way that the coupling impedance Z c of the coil can be measured, a special measuring arrangement for determining the real part R 0 and imaginary part X c of the complex coupling impedance Z c of the coil system and for calculating the distance and the relative Speed (or the speed) between the surface and the sensor is provided on the basis of the measurements mentioned.
  • the senor could also comprise a coil system with at least two coils, wherein the second coil could advantageously be used to compensate for drifts or other influences.
  • the distance d between the profiled surface and the sensor could be determined using function (1):
  • L denotes the sum of the length of a tooth and a groove (see FIG. 3a) and T (F X ) the period of the function F x .
  • the same coil could be used to generate the alternating electromagnetic field and as a receiver coil. This reduces the effort of the measuring process and makes the measuring device simple and easy to handle according to the invention, while at the same time possible sources of error are excluded.
  • d denotes the distance between the sensor and the surface, ⁇ the feed frequency and ⁇ and ⁇ the electrical conductivity or the magnetic permeability of the material of the surface.
  • phase angle ⁇ 0 of the complex coupling impedance Z c could be derived from these equations by the equation
  • phase angle ⁇ c is independent of the distance d.
  • the distance d between the conductive, preferably profiled surface and the sensor generating an alternating field is based on the equations (4) and (5) via the equation
  • the distance d calculated using equation (7) between the sensor and the profiled surface has essentially no groove-tooth ripple.
  • the senor could have a measuring coil, which is used both for generating an alternating field and as a receiving coil.
  • the measuring coil could be describable by the mathematical model according to equations (4) and (5), the measuring coil being able to be designed in such a way that the mathematical model can be used in the calculation of the coil parameters.
  • an embodiment has proven to be advantageous in which the magnetic field of the measuring coil rises monotonically in the direction of movement regardless of the distance to the center of the measuring coil and then drops monotonously again in the same way.
  • Such a course of the magnetic field could be realized, for example, in that the winding parts of the measuring coil running perpendicular to the direction of movement are designed in such a way that the inductive components of these parts are reduced very much and thus have hardly any influence on the measurement result.
  • the coil system could have a compensation coil (reference coil), the impedance of which is independent of the distance d. It is important that the quality of the reference coil at maximum distance d between the sensor and the surface is equal to the quality of the measuring coil if the surface has no influence on the measuring coil. These requirements could be met via the coil parameters, such as number of turns, wire diameter, etc. Weighted difference formation between the real and imaginary parts of the two coils then makes it possible to compensate for the influence of temperature.
  • the measuring coil and the compensation coil could be fed with alternating currents of the same fixed frequency.
  • the signal processing of real (R c ) and imaginary (X c ) the complex coupling impedance (Z c ) of the measuring coil could be carried out in two variants.
  • the real and imaginary part of the complex coupling impedance Z 0 could be determined, for example, in the following three steps:
  • Real part R c and imaginary part X 0 are determined from the complex coupling impedance Z c .
  • FIG. 1 is a schematic representation of a block diagram of a device according to the invention for determining motion parameters tern of a conductive, preferably profiled surface relative to a sensor,
  • FIG. 2a shows a schematic illustration of an inductive sensor according to a first exemplary embodiment of a device according to the invention for measuring the distance to a gear and for measuring the speed of the gear
  • FIG. 2b is a schematic representation of the sensor of FIG. 2a with greater accuracy
  • FIG. 3a shows a schematic illustration of an inductive sensor according to a second exemplary embodiment of a device according to the invention for measuring the distance of a magnetic levitation vehicle from its profiled roadway and for measuring its speed
  • 3b shows the sensor from FIG.
  • FIGS. 2 and FIGS. 3 in a schematic representation of a sensor according to FIGS. 2 and
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a sensor according to a further exemplary embodiment of a device according to the invention
  • Fig. 7 in a diagram the function F x depending on the position x at different distances d. 1 shows a block diagram of a device according to the invention for determining movement parameters of a conductive, preferably profiled surface relative to a sensor.
  • an oscillator 1 generates a sinusoidal voltage U ⁇ of a certain fixed frequency f and at the same time a second sinusoidal voltage U 2 _ of the same frequency f, which is 90 ° out of phase with the voltage U.
  • the voltage U is connected to the input of a driver 2, which feeds the sensor 3, consisting of a measuring coil and a reference coil, with current.
  • the difference is formed in an amplifier 4 from the measurement signals from the measuring and reference coils. This difference is multiplied in a multiplier 5 by the signal U ⁇ , and in a multiplier 6 by the signal U 2 _.
  • U c1 and U c2 result , U c1 being proportional to the real part (R c ) and U c2 to the imaginary part (X c ) of the complex coupling impedance Z c of the coil system.
  • the two voltages are digitized with the aid of an AD converter 9.
  • the distance d sought is calculated, for example, on the basis of equation (1).
  • the speed v can be calculated according to equations (2) and (3).
  • the characteristic curve for the distance d can be linearized.
  • Fig. 2a is a sensor 3 for simultaneous measurement of the distance d to a measurement object 12 in the form of a gear 13, e.g. to determine the unbalance, and to measure the speed of the gear 13.
  • the sensor 3 consists of a flat, ferromagnetic coil carrier 14, which is adapted to the curvature of the gear wheel 13, on the surfaces of which the coil system 15 is applied.
  • the coil system 15 is shown in more detail in FIG. 2b and comprises a measuring coil 16, which is constructed in such a way that in the case of the winding parts 17, which are oriented perpendicular to the direction of movement of the gear wheel (y direction), a plurality of wires are twisted together.
  • the length of the measuring coil 16 in the x direction corresponds approximately to a slot-tooth period of the gear wheel 13.
  • a compensation coil 18 is wound as a ring coil over the coil carrier 14, which results in the coil parameters being independent of the measurement object 12.
  • the one in Fig. 2a Electronics 19 further shown is connected to the measuring coil 16 via a cable 20.
  • FIG. 3a represents a sensor 3 designed for installation in a magnetic levitation vehicle.
  • both the distance d of the vehicle from the profiled roadway and the speed of the vehicle are to be determined.
  • the same components have the same reference numerals as in Fig.
  • the senor 3 comprises a flat, ferromagnetic coil carrier 14, on the surface of which a measuring coil 16 is applied in such a way that the winding parts 21, which are aligned in the x direction, are on the surface 22 facing side of the carrier 14.
  • the winding parts 17 arranged in the y direction are located on the side of the carrier 14 facing away from the profiled surface 22.
  • the reference coil 18 is arranged as a ring coil around the carrier 14.
  • FIG. 4 shows an arrangement according to FIGS. 2 or 3, the coils here being designed in a planar technique.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the sensor 3.
  • the magnetic field of the winding parts 17 of the measuring coil 16 extending in the y direction is canceled by an opposing field. This is achieved by two winding parts 23 which are wound in the y-z plane.
  • the field of the winding parts 17 is eliminated, so that only the field of the winding parts 21 is important for the measurement.
  • the remaining field of the winding parts 23 is no longer relevant for the measurement.

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Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungsparametern einer leitenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche (22) relativ zu einem Sensor (3), wobei der Sensor (3) mindestens eine Spule zur Erzeugung eines elektromag­netischen Wechselfeldes umfasst, welches aufgrund der Rückwirkung in Folge von Positionsänderungen zwischen der Oberfläche (22) und dem Sensor (3) einer Ver­änderung unterliegt, die mittels der Spule (16) erfasst wird, ist derart ausgestaltet, dass die Positionsänderung aus der Kopplungsimpedanz (Zc) der Spule (16) abge­leitet wird und der Realteil (Rc) und der Imaginärteil (Xc) der komplexen Kopplungs­impedanz (Zc) der Spule (16) ermittelt werden, wobei der Abstand d zwischen Sen­sor (3) und Oberfläche (22) auf Grundlage der ermittelten Werte unter Zugrundele­gung eines Algorithmus berechnet wird.

Description

„VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG VON BEWEGUNGSPARAMETERN EINER LEITENDEN, VORZUGSWEISE
PROFILIERTEN OBERFLÄCHE"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungsparametern einer leitenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche relativ zu einem Sensor, wobei der Sensor mindestens eine Spule zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes umfasst, welches aufgrund der Rückwirkung in Folge von Positionsänderungen zwischen der Oberfläche und dem Sensor einer Veränderung unterliegt, die mittels der Spule erfasst wird.
Verfahren und Vorrichtungen der in Rede stehenden Art sind bereits aus der Praxis bekannt und insbesondere dann von großer Bedeutung, wenn sich ein erstes Objekt relativ zu einem zweiten Objekt in einem definierten Abstand bewegt, wie dies beispielsweise bei magnetischen Lagern, Schwebeeinrichtungen, Zahnrad-Versatz- Erfassungseinrichtungen, usw. der Fall ist.
Aus der DE 32 44 420 C2 ist ein Abstandssensor für ein Magnetschwebefahrzeug bekannt. Dieser Sensor weist eine Sende- und zwei Empfangsspulen auf, wobei die Sendespule als langgestreckte flache Wicklung ausgelegt ist, die mit ihrer Spulenachse schräg zur Fahrtrichtung des Magnetschwebefahrzeugs ausgerichtet ist. Diese spezielle Anordnung reduziert teilweise den sogenannten Nut-Zahn-Rippel. Mit diesem Sensor können aber lediglich Abstände im Bereich von 10 bis 15 mm gemessen werden.
Die DE 199 27 759 A1 offenbart eine Vorrichtung zur magnetischen Abstandsmessung zwischen einem gezahnten, ferromagnetischen Polrad und einem magnetisch sensitiven, in unmittelbarer Nähe des Polrades positionierten Sensor, mit dem die Bewegung des Zahnrades detektiert wird. Kernpunkt der Erfindung ist die Verwendung eines Permanentmagneten, dessen dem gezahnten Objekt zugewandte Polfläche im Verhältnis zum Polradmodul genügend groß ist, so dass die Lage der neutralen Zone im Permanentmagneten nahezu unbeeinflusst von der jeweiligen Stellung der Polradzähne ist. Mit dieser Vorrichtung könnten auch Drehzahl, Geschwindigkeit und Weg des Polrades ermittelt werden. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist jedoch die niedrige Genauigkeit, insbesondere bei relativ großen Abständen zwischen Sensor und Polrad. Bei einer aus der DE 34 09 448 C2 bekannten Vorrichtung wird die magnetspaltab- hängige Bedämpfung des magnetischen Wechselfeldes durch Wirbelstromeffekte in der Reaktionsschiene ausgenutzt. Dabei wird der induktive Blindwiderstand des Spulensystems mit Hilfe eines in Parallel- oder Reihenschaltung betriebenen Kondensators vollständig kompensiert und das Abstandssignal wird so im Wesentlichen aus dem Wirkwiderstand des Spulensystems ermittelt. Als nachteilig wirkt sich dabei aus, dass die im realen Aufbau unvermeidlichen Toleranzen der Parameter des Spulensystems und des kompensierenden Kondensators die Messgenauigkeit der gesamten Vorrichtung sehr stark beeinflussen.
Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungsparametern einer leitenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche relativ zu einem Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, wonach einerseits ein möglichst großer Abstand zwischen der profilierten Oberfläche und dem Sensor gemessen werden kann und andererseits das Nut-Zahn-Rippel, d.h. die Signaländerungen, die beim Überfahren der Zähne und Nuten entstehen, sowie die durch Temperaturschwankungen hervorgerufenen Einflüsse weitestgehend eliminiert sind. Darüber hinaus soll gleichzeitig eine Messung und Auswertung der relativen Geschwindigkeit zwischen Oberfläche und Sensor ermöglicht sein.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe hinsichtlich eines Verfahrens zur Bestimmung von Bewegungsparametern einer leitenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche relativ zu einem Sensor durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist ein Verfahren der eingangs genannten Art derart ausgestaltet, dass die Positionsänderung aus der Kopplungsimpedanz (Zc) der Spule abgeleitet wird und der Realteil (Rc) und der Imaginärteil (Xc) der komplexen Kopplungsimpedanz (Zc) der Spule ermittelt werden, wobei der Abstand d zwischen Sensor und Oberfläche auf Grundlage der ermittelten Werte unter Zugrundelegung eines Algorithmus berechnet wird.
Des Weiteren ist die obige Aufgabe im Hinblick auf eine Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungsparametern einer leitenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche relativ zu einem Sensor durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Pa- tentanspruchs 11 gelöst. Danach ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart ausgestaltet, dass die Kopplungsimpedanz Zc der Spule messbar ist, wobei eine besondere Messanordnung zur Ermittlung von Realteil R0 und Imaginärteil Xc der komplexen Kopplungsimpedanz Zc des Spulensystems und zur Berechnung des Abstands und der relativen Geschwindigkeit (bzw. der Drehzahl) zwischen der Oberfläche und dem Sensor auf der Grundlage der genannten Messungen vorgesehen ist.
Anstelle einer einzelnen Spule könnte der Sensor auch ein Spulensystem mit mindestens zwei Spulen umfassen, wobei die zweite Spule in vorteilhafter Weise zur Kompensation von Drifts oder sonstigen Einflüssen eingesetzt werden könnte.
Auf Grundlage der gemessenen Werte könnte der Abstand d zwischen der profilierten Oberfläche und dem Sensor über die Funktion (1 ) ermittelt werden:
Mit Hilfe der Periodendauer der Funktion aus Gleichung (2) lässt sich dann über Gleichung (3) auf die relative Geschwindigkeit v bzw. die Drehzahl zwischen der profilierten Oberfläche und dem Sensor schließen:
*"* = (2)
v = (3)
T(FX)
Dabei bezeichnet L die Summe aus der Länge eines Zahns und einer Nut (vgl. Fig. 3a) und T(FX) die Periodendauer der Funktion Fx.
In einer bevorzugten Ausgestaltung könnte dieselbe Spule zur Erzeugung des e- lektromagnetischen Wechselfeldes und als Empfängerspule verwendet werden. Dies reduziert den Aufwand des Messverfahrens und macht die Messvorrichtung gemäß der Erfindung einfach und leicht handhabbar, während gleichzeitig mögliche Fehlerquellen ausgeschlossen werden.
Die Berechnung des Realteils (Rc) und Imaginärteils (Xc) der komplexen Kopplungsimpedanz (Zc) der Spule könnte unter Verwendung eines mathematischen Modells erfolgen, welches einerseits die Spule zur Erzeugung eines Wechselfeldes und andererseits den Einfluss der leitenden, profilierten Oberfläche auf die Kopplungsimpedanz Zc der Spule in Folge der Positionsänderungen zwischen Sensor und der Oberfläche beschreibt.
Real- und Imaginärteil der Kopplungsimpedanz Zc lassen sich nach der Theorie aus folgenden Gleichungen ermitteln:
-→d f2(k2,ω,σ,μ)
Xc = k0ω η e (5) f3(k3,ω,σ,μ)
Dabei bezeichnet d den Abstand zwischen dem Sensor und der Oberfläche, ω die Speisefrequenz und σ und μ die elektrische Leitfähigkeit bzw. die magnetische Permeabilität des Materials der Oberfläche.
Aus den Gleichungen (4) und (5) wird ersichtlich, dass sich Rc und X0 im Wesentlichen exponentiell mit dem Abstand d ändern.
Ebenso könnte aus diesen Gleichungen der Phasenwinkel Φ0 der komplexen Kopplungsimpedanz Zc durch die Gleichung
_ f2(k2,ω,σ,μ)
\Α\ φc - —— (6) f (kx,ω,σ,μ) berechnet werden. In erster Näherung ist der Phasenwinkel Φc unabhängig vom Abstand d.
Der Aufbau dieser Gleichungen und ihre verschiedenen Teile sollen hier nicht näher diskutiert werden, jedoch sei angemerkt, dass durch die Bestimmung von Rc, Xc und tan Φc der Abstand d und die relative Geschwindigkeit (bzw. Drehzahl) zwischen der profilierten Oberfläche und dem Spulensystem berechnet werden kann, wobei im Rahmen der Berechnung in vorteilhafter Weise die elektromagnetischen Eigenschaften μ und σ der Oberfläche berücksichtigt werden könnten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Abstand d zwischen der leitenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche und dem ein Wechselfeld erzeugenden Sensor auf Grundlage der Gleichungen (4) und (5) über die Gleichung
d = k ^ - ln(Xc) (7)
R c„
bestimmt werden kann. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass der über Gleichung (7) berechnete Abstand d zwischen dem Sensor und der profilierten Oberfläche im Wesentlichen kein Nut-Zahn-Ripple aufweist.
Gleichzeitig könnte die relative Geschwindigkeit v (bzw. Drehzahl) einer in regelmäßigen Abständen mit Zähnen und Nuten versehenen Oberfläche gegenüber dem Sensor über die Gleichungen (2) und (3) bestimmt werden.
Wie bereits oben erwähnt, könnte der Sensor eine Messspule aufweisen, die sowohl zur Erzeugung eines Wechselfeldes als auch als Empfangsspule dient. Denkbar wäre jedoch auch der Einsatz von zwei Spulen, wobei die eine zur Erzeugung des Wechselfeldes und die andere als Messspule eingesetzt wird. In beiden Fällen könnte die Messspule durch das mathematische Modell nach den Gleichungen (4) und (5) beschreibbar sein, wobei die Messspule so beschaffen sein könnte, dass das mathematische Modell bei der Berechnung der Spulenparameter einsetzbar ist. Durch Benutzung dieses mathematischen Modells ist es gelungen, den sog. Nut- Zahn-Ripple, d.h. die Impedanzänderungen der Messspule, die beim Überfahren der Zähne und Nuten entstehen, zu reduzieren.
Zur weiteren Reduzierung des Nut-Zahn-Ripple hat sich eine Ausgestaltung als vorteilhaft erwiesen, bei der das magnetische Feld der Messspule in Bewegungsrichtung unabhängig vom Abstand bis zur Mitte der Messspule hin monoton ansteigt und dann in gleicher Weise wieder monoton abfällt. Ein derartiger Verlauf des magnetischen Feldes könnte beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Windungsteile der Messspule so ausgestaltet sind, dass sich die induktiven Komponenten dieser Teile sehr stark reduzieren und somit kaum mehr Einfluss auf das Messergebnis haben.
Weiterhin ist es von Vorteil, den Einfluss der Temperatur auf die Kopplungsimpedanz bzw. auf Rc und Xc der Messspule zu kompensieren. Dazu könnte das Spulensystem zusätzlich zu der Messspule eine Kompensationsspule (Referenzspule) aufweisen, deren Impedanz unabhängig vom Abstand d ist. Dabei ist es wichtig, dass die Güte der Referenzspule bei maximalem Abstand d zwischen dem Sensor und der Oberfläche gleich der Güte der Messspule ist, wenn die Oberfläche keinen Einfluss auf die Messspule ausübt. Diese Anforderungen könnten über die Spulenparameter, wie z.B. Windungszahl, Drahtdurchmesser, usw. erfüllt werden. Durch eine gewichtete Differenzbildung der Real- und Imaginärteile der beiden Spulen ist es dann möglich, den Temperatureinfluss zu kompensieren. In einer konkreten Ausgestaltung könnten die Messspule und die Kompensationsspule mit Wechselströmen gleicher Festfrequenz gespeist werden.
Die signaltechnische Aufbereitung von Real- (Rc) und Imaginärteil (Xc) der komplexen Kopplungsimpedanz (Zc) der Messspule könnte in zwei Varianten durchgeführt werden. In einer ersten Variante könnte die Ermittlung von Real- und Imaginärteil der komplexen Kopplungsimpedanz Z0 beispielsweise in den folgenden drei Schritten erfolgen:
1. Es werden Realteil fle/Z und Imaginärteil /m Z der Impedanz Z0 der Messspule ohne Oberfläche erfasst. 2. Es werden Realteil Re[ZJ und Imaginärteil lm[ZJ der Impedanz Zm der Messspule unter Einfluss der Oberfläche gemessen
3. Aus den Werten aus Schritt 1 und 2 lassen sich nun durch Differenzbildung der Realteil und der Imaginärteil der komplexen Kopplungsimpedanz ZG über die Gleichungen
ermitteln.
In einer zweiten Variante könnte die Ermittlung von Real- und Imaginärteil der komplexen Kopplungsimpedanz Zcin den folgenden zwei Schritten erfolgen:
1. Es wird die komplexe Kopplungsimpedanz Zc = Zm - Z0 direkt durch eine ge- wichtete Differenzbildung aus den Impedanzen von Mess- und Referenzspule ermittelt.
2. Aus der komplexen Kopplungsimpedanz Zc werden Realteil Rc und Imaginärteil X0 ermittelt.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 11 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungsparame- tern einer leitenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche relativ zu einem Sensor,
Fig. 2a in einer schematischen Darstellung einen induktiven Sensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Abstandes zu einem Zahnrad und zur Messung der Drehzahl des Zahnrades,
Fig. 2b in einer schematischen Darstellung den Sensor aus Fig. 2a mit größerer Genauigkeit,
Fig. 3a in einer schematischen Darstellung einen induktiven Sensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Abstandes eines Magnetschwebefahrzeugs zu seiner profilierten Fahrbahn sowie zur Messung seiner Geschwindigkeit,
Fig. 3b in einer genaueren schematischen Darstellung den Sensor aus Fig.
3a,
Fig. 4 in einer schematischen Darstellung einen Sensor nach den Fig. 2 und
3 in planarer Technologie,
Fig. 5 in einer schematischen Darstellung einen Sensor gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 6 in einem Diagramm den berechneten Abstand in Abhängigkeit vom tatsächlich gemessenen Abstand bei verschiedenen Positionen x über der Oberfläche und
Fig. 7 in einem Diagramm die Funktion Fx in Abhängigkeit von der Position x bei verschiedenen Abständen d. Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungsparametern einer leitenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche relativ zu einem Sensor. Gemäß der Schaltung aus Fig. 1 erzeugt ein Oszillator 1 eine sinusförmige Spannung U^ einer bestimmten festen Frequenz f und gleichzeitig eine zweite sinusförmige Spannung U2_ derselben Frequenz f, welche zur Spannung U um 90° phasenverschoben ist. Die Spannung U ist mit dem Eingang eines Treibers 2 verbunden, der den Sensor 3, bestehend aus einer Messspule und einer Referenzspule, mit Strom speist.
Aus den Messsignalen von Mess- und Referenzspule wird in einem Verstärker 4 die Differenz gebildet. Diese Differenz wird in einem Multiplizierer 5 mit dem Signal U^, und in einem Multiplizierer 6 mit dem Signal U2_ multipliziert. Nach den Tiefpassfiltern 7 und 8 ergeben sich zwei Spannungen Uc1 und Uc2, wobei Uc1 dem Realteil (Rc) und Uc2 dem Imaginärteil (Xc) der komplexen Kopplungsimpedanz Zc des Spulensystems proportional ist. Mit Hilfe eines AD-Wandlers 9 werden die beiden Spannungen digitalisiert. Im Micro-Controller 10 wird der gesuchte Abstand d z.B. auf Grund von Gleichung (1) berechnet. Des Weiteren kann die Berechnung der Geschwindigkeit v nach den Gleichungen (2) und (3) erfolgen. Mit Hilfe eines EEPROMs 11 kann schließlich noch eine Linearisierung der Kennlinie für den Abstand d erfolgen.
In Fig. 2a ist ein Sensor 3 zur gleichzeitigen Messung des Abstandes d zu einem Messobjekt 12 in Form eines Zahnrades 13, z.B. zur Bestimmung der Unwucht, und zur Messung der Drehzahl des Zahnrades 13 dargestellt. Der Sensor 3 besteht aus einem flachen, der Krümmung des Zahnrades 13 angepassten, ferromagnetischen Spulenträger 14, auf dessen Oberflächen das Spulensystem 15 aufgebracht ist.
Das Spulensystem 15 ist in Fig. 2b genauer dargestellt und umfasst eine Messspule 16, die so aufgebaut ist, dass bei den Windungsteilen 17, die senkrecht zur Bewegungsrichtung des Zahnrades (y-Richtung) ausgerichtet sind, jeweils mehrere Drähte miteinander verdrillt sind. Dabei entspricht die Länge der Messspule 16 in x- Richtung in etwa einer Nut-Zahn-Periode des Zahnrades 13. Eine Kompensationsspule 18 ist als Ringspule über den Spulenträger 14 gewickelt, wodurch sich eine Unabhängigkeit der Spulenparameter vom Messobjekt 12 ergibt. Die in Fig. 2a noch weiter dargestellte Elektronik 19 ist über ein Kabel 20 mit der Messspule 16 verbunden.
Die in Fig. 3a dargestellte Anordnung stellt einen für den Einbau in ein Magnetschwebefahrzeug konzipierten Sensor 3 dar. Hierbei soll sowohl der Abstand d des Fahrzeugs zur profilierten Fahrbahn als auch die Geschwindigkeit des Fahrzeuges ermittelt werden. Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig.
2 versehen.
Wie in Fig. 3b zu erkennen ist, umfasst der Sensor 3 einen flachen, ferromagneti- schen Spulenträger 14, auf dessen Oberfläche eine Messspule 16 so aufgebracht ist, dass sich die Windungsteile 21 , die in x-Richtung ausgerichtet sind, auf der der Oberfläche 22 zugewandten Seite des Trägers 14 befinden. Die in y-Richtung angeordneten Windungsteile 17 befinden sich auf der der profilierten Oberfläche 22 abgewandten Seite des Trägers 14. Auch hier ist die Referenzspule 18 als Ringspule um den Träger 14 angeordnet.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung nach den Fig. 2 oder 3, wobei hier die Spulen in plana- rer Technik ausgeführt sind.
Fig. 5 stellt eine weitere Ausführung des Sensors 3 dar. Hierbei wird das Magnetfeld der in y-Richtung verlaufenden Wicklungsteile 17 der Messspule 16 durch ein Gegenfeld aufgehoben. Dies wird durch zwei Wicklungsteile 23 erreicht, die in der y-z-Ebene gewickelt sind. Hierbei wird das Feld der Wicklungsteile 17 eliminiert, so dass für die Messung nur noch das Feld der Wicklungsteile 21 von Bedeutung ist. Das verbleibende Feld der Wicklungsteile 23 ist für die Messung nicht mehr relevant.
In Fig. 6 ist der berechnete Wert für den Abstand d in Abhängigkeit des realen Abstandes z aufgetragen. Als Parameter sind verschiedene Positionen x des Sensors
3 über der profilierten Oberfläche 22 aufgetragen. Es wird deutlich, dass der berechnete Wert d annähernd unabhängig von der Position x des Sensors 3 relativ zur profilierten Oberfläche 22 ist. Folglich ist das erfindungsgemäße Verfahren zur genauen Bestimmung des gesuchten Abstands z geeignet. Wie in Fig. 7 deutlich wird, ist der Gleichanteil der Funktion Fx nahezu unabhängig vom Abstand d zwischen Sensor 3 und profilierter Oberfläche 22. Bei geeigneter Wahl des Komparatorpegels kann so die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden steigenden oder fallenden Flanken ermittelt werden. Mit diese Periodendauer T(FX) kann sodann nach Gleichung (3) die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl der profilierten Oberfläche 22 relativ zum Sensor 3 ermittelt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung von Bewegungsparametern einer leitenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche (22) relativ zu einem Sensor (3), wobei der Sensor (3) mindestens eine Spule zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes umfasst, welches aufgrund der Rückwirkung in Folge von Positionsänderungen zwischen der Oberfläche (22) und dem Sensor (3) einer Veränderung unterliegt, die mittels der Spule (16) erfasst wird, dad urch gekennzeichnet, dass die Positionsänderung aus der Kopplungsimpedanz (Zc) der Spule (16) abgeleitet wird und der Realteil (Rc) und der Imaginärteil (Xc) der komplexen Kopplungsimpedanz (Zc) der Spule (16) ermittelt werden, wobei der Abstand d zwischen Sensor (3) und Oberfläche (22) auf Grundlage der ermittelten Werte unter Zugrundelegung eines Algorithmus berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) ein Spulensystem (15) mit mindestens zwei Spulen umfasst, wobei die zweite Spule zur Kompensation von Drifts oder sonstigen Einflüssen dient.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Algorithmus die mathematische Funktion
dient, wobei die relative Geschwindigkeit (bzw. Drehzahl) zwischen der Oberfläche (22) und dem Sensor (3) ermittelt wird aus der Funktion
v =
T(FX) und wobei L die Summe der Längen eines Zahns und einer Nut und T(FX) die Periodendauer der Funktion
XXX > ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Real- (Rc) und Imaginärteils (Xc) der komplexen Kopplungsimpedanz (Zc) des Spulensystems (15) unter Verwendung eines mathematischen Modells erfolgt, welches ein zur Erzeugung des Wechselfeldes verwendetes Spulensystem (15) beschreibt und den Einfluss der Oberfläche (22) auf die Spulenimpedanz berücksichtigt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des elektromagnetischen Wechselfeldes und als Empfänger-(Mess-) Spule (16) unterschiedliche Spulen verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen zur Ermittlung des Real- (Rc) und Imaginärteils (X0) der komplexen Kopplungsimpedanz (Zc) der Messspule (16) in den folgenden drei Schritten vorgenommen werden:
a) Es werden Realteil Re [Z0] und Imaginärteil Im [Z0] der komplexen Impedanz Z0 der Messspule (16) ohne Einfluss der Oberfläche (22) gemessen, wobei
Z0 = Re [Z0] +j * lm [Z0]
b) Es werden Realteil Re [ZJ und Imaginärteil lm[Zm] der komplexen Impedanz Zm der Messspule (16) unter Einfluss der Oberfläche (22) gemessen, wobei
Zm = Re [ZJ +j * lm [ZJ
c) Es werden Realteil Rc und Imaginärteil X0 der komplexen Kopplungsimpedanz Zc = Re [ZJ+j * Im [ZJ berechnet über die Gleichungen:
R0 = Re [ZJ = Re [ZJ- Re [ZJ Xc = Im [ZJ = Im /ZJ - Im [ZJ
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit σ und die magnetische Permeabilität μ des Materials der Oberfläche (22) bei den Berechnungen von Rc und Xc berücksichtigt werden.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen über einen weiten Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 2 MHz durchgeführt werden.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Spulensystem (15) eine Messspule (16) und eine Referenzspule (18) aufweist, welche für die Temperaturkompensation und für die Ermittlung von Rc und Xc eingesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Güte Qm der Messspule (16) und die Güte QR der Referenzspule (18) bei maximalem Abstand d zwischen dem Sensor (3) und der Oberfläche (22) gleich sind.
11. Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungsparametern einer leitenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche (22) relativ zu einem Sensor (3), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Sensor (3) mindestens eine Spule zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes umfasst, welches aufgrund der Rückwirkung in Folge von Positionsänderungen zwischen der Oberfläche (22) und dem Sensor (3) einer Veränderung unterliegt, die mittels der Spule (16) erfassbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kopplungsimpedanz Zc der Spule (16) messbar ist, wobei eine besondere Messanordnung zur Ermittlung von Realteil Rc und Imaginärteil Xc der komplexen Kopplungsimpedanz Zc der Spule (16) und zur Berechnung des Abstands d und der relativen Geschwindigkeit (bzw. der Drehzahl) zwischen der Oberfläche (22) und dem Sensor (3) auf der Grundlage der genannten Messungen vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) ein Spulensystem (15) mit mindestens zwei Spulen umfasst.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) zur Erzeugung eines Wechselfeldes eine Messspule (16) enthält, die durch ein mathematisches Modell beschreibbar ist, wobei die Messspule (16) so beschaffen sein könnte, dass das mathematische Modell bei der Berechnung der Spulenparameter einsetzbar ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (16) nur eine Lage von Windungen hat.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des elektromagnetischen Wechselfeldes und als Empfänger- (Mess-)Spule (16) unterschiedliche Spulen einsetzbar sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Feld der Messspule (16) in Bewegungsrichtung unabhängig vom Abstand bis zur Mitte der Messspule (16) hin monoton ansteigt und danach wieder monoton abfällt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (16) einen flachen Träger (14) umfasst, wobei sich die in x- Richtung ausgerichteten Wicklungsteile (21) der Messspule (16) auf der der Oberfläche (22) zugewandten Fläche des Trägers (14) befinden, und die in y-Richtung verlaufenden Wicklungsteile (17) auf der der Oberfläche (22) abgewandten Fläche des Trägers (14) angeordnet sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des Trägers (14) in Fahrtrichtung etwa einer Zahn-Nut-Periode entspricht.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (14) aus einem ferromagnetischen, elektrisch schwach leitenden Material, wie z.B. Plastoferrit, hergestellt ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (14) aus dem gleichen ferromagnetischen Material wie die Oberfläche (22) hergestellt ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei den in y-Richtung verlaufenden Wicklungsteilen (17) jeweils mehrere Drähte miteinander verdrillt sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (16) in planarer Technologie hergestellt ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Feld der in y-Richtung verlaufenden Wicklungsteile (17) durch ein Gegenfeld kompensierbar ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Spulensystem (15) eine Referenzspule (18) aufweist, deren Parameter weitgehend unabhängig vom Einfluss der Oberfläche (22) sind.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspule (18) als Ringspule ausgebildet ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Güte der Referenzspule (18) der Güte der Messspule (16) bei maximalem Abstand zwischen Sensor (3) und profilierter Oberfläche (22) entspricht.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rechner und ein Speicher vorgesehen sind.
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