KR20210103427A - 인덕티브 센서 디바이스 및 대상물의 움직임을 검출하는 방법 - Google Patents

인덕티브 센서 디바이스 및 대상물의 움직임을 검출하는 방법 Download PDF

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안드레 파루지아
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자케 테크놀로지 그룹 아게
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Abstract

본 개시내용은 물체의 왕복운동 움직임을 검출하기 위한 인덕티브 센서 디바이스(4, 100)를 제공하며, 인덕티브 센서 디바이스는 물체에서 와전류들을 유도하기 위해 구성되는 감지 코일(11) 및 프로세싱 유닛(15, 120)을 포함하는 발진기 회로(13, 110)를 포함한다. 프로세싱 유닛(15, 120)은, 샘플링 기간들에서 검출되는 발진기 회로(13, 110)의 진동들을 카운트하고, 진동들의 미리 정해진 평균 값과 카운트된 진동들을 비교하고, 그리고 진동들의 미리 정해진 평균 값과 카운트된 진동들의 비교에 기초하여 물체의 속도 및 포지션 둘 모두를 결정하도록 구성된다.

Description

인덕티브 센서 디바이스 및 대상물의 움직임을 검출하는 방법 {INDUCTIVE SENSOR DEVICE AND METHOD OF DETECTING MOVEMENT OF AN OBJECT}
본 발명은 왕복운동 선형 방식으로 이동하는 대상물, 특히 엔진의 피스톤의 속도 및 포지션(스트로크)를 측정하기 위한 인덕티브 센서 디바이스, 및 대상물의 왕복운동 선형 움직임을 검출하는 방법에 관한 것이다.
예를 들어 연소 엔진의 실린더 피스톤 시스템과 관련하여 선형으로 움직이는 대상물의 위치(스트로크)와 속도를 정확하게 감지하는 것은 연소 엔진과 같은 기계의 적절한 작동을 제어하기위한 섬세한 작업입니다.
당해 분야에서, 광학 센서, 자기 홀 센서 및 유도 센서는 대상물의 선형 및 / 또는 회전 운동을 감지하는 것으로 알려져있다. 패러데이의 법칙에 따라 작동하는 유도 형 센서는 위치 감지의 정확성과 열악한 환경에 대한 견고성과 관련하여 이점을 제공한다. 와전류 센서는 특히 중요한 유도 형 센서의 한 종류입니다.
와전류 센서는 조정 된 주파수 발진기(탱크) 회로(예를 들어, 정현파 전류 신호 제공)를 형성하기 위해 커패시턴스에 연결된 검출기 코일과 교류 발생기(발진기)를 포함한다. 전류 발생기는 고주파 시변 자기장(1 차 자기장)과 관련된 검출기 코일에 고주파 교류 전류를 흐르게 한다. 이 1 차 자기장은 렌츠의 법칙에 따라 1 차 자기장과 반대 방향으로 향하는 2 차 자기장을 유도하는 전기 전도성 대상물에 와전류를 유도하여 감지한다. 이 2차 자기장은 임피던스 및 발진기 회로의 공진 주파수 f0에 영향을줍니다(f0 = 1/(2π(LC)1/2), L과 C는 각각 발진기 회로의 인덕턴스 및 커패시턴스를 나타냄). 임피던스 / 공진 주파수의 변화는 복조기와 증폭 장치를 포함 할 수있는 처리 장치에 의해 감지 될 수 있으며, 위치(스트로크) 및 속도에 대한 정보를 도출하는 데 사용할 수있는 임피던스 / 공진 주파수의 변화를 기반으로 신호를 생성한다.
그러나 일반적으로 선형으로 움직이는 대상물의 위치(스트로크)와 속도를 감지하기 위해서는 두 가지 다른 센서 장치가 필요하다. 측정에 대한 참조 값을 얻으려면 개체에 추가 마커가 필요하다. 더욱이, 내연 기관의 크랭크 샤프트에서의 실시간 토크는 당 업계에서 충분히 높은 정확도로 결정될 수 없다. 일반적으로 제조 공차는 내연 기관의 실린더에서 피스톤의 움직임과 같이 대상물의 움직임을 정확하게 측정하는 데 어려움을 겪습니다.
결과적으로, 대상물의 왕복 직선 운동을 감지하기위한 기술을 정확하고 쉽게 구현할 수있는 인덕티브 센서 디바이스가 필요하다.
전술 한 요구를 해결하기 위해 본 발명은 대상물(예를 들어, 내연 기관의 실린더에서 움직이는 피스톤)의 왕복 운동을 감지하기위한 유도 센서 장치를 제공합니다. 유도 성 센서 장치는 움직이는 대상물이 감지 코일의 감지 범위에있을 때 움직이는 대상물에 전기 와전류를 유도하도록 구성된 감지 코일과 처리 장치를 포함하는 발진기 회로를 포함한다. 프로세싱 유닛은, 샘플링 기간들에서 검출되는 발진기 회로의 진동들을 카운트하고, 진동들의 미리 정해진 평균 값과 카운트된 진동들을 비교하고, 그리고 진동들의 미리 정해진 평균 값과 카운트된 진동들의 비교에 기초하여 대상물의 속도 및 포지션 둘 모두를 결정하도록 구성된다. 대상물의 위치에 따라 대상물의 왕복 직선 운동 동안의 스트로크 (범위)가 여기에서 의미한다. 진동들은 감지 된 진동의 상승 또는 하강 에지를 계산하여 계산할 수 있다.
발진기 회로는 교류 발생기(발진기)에 의해 여자될(excited) 수 있다. 감지 코일의 감지 영역 내에 대상물이 있으면 감지 장치 (샘플링 기간의 진동 감지)에서 감지 할 수있는 공진 주파수 (감지 코일의 임피던스)가 수정된다. 비교 과정의 결과로 계산 된 발진의 수 (발진기 회로의 실제 공진 주파수를 나타냄)가 평균 값 (HIGH 시간주기)을 초과하고 두 번째 시간주기가 될 수있는 첫 번째 기간을 식별 할 수 있습니다. 계산 된 진동 수가 평균값 (LOW 기간)을 초과하지 않는 동안 식별된다. 이 기간의 합 (높은 기간 + LOW 기간의 기간)은 대상물의 왕복 운동 기간을 나타냅니다. 대상물의 왕복 운동 시간의 역수는 속도로 직접 변환되는 운동 빈도를 나타냅니다 (예 : 운동 빈도에 60을 곱하여 rpm 단위로 표시). 또한, 움직임의 듀티 사이클은 대상물의 왕복 운동 시간에 대한 HIGH 시간 기간의 비율에서 파생 될 수 있으며 대상물의 위치로 변환됩니다. 내연 기관의 실린더 (아래의 자세한 설명 참조).
이렇게 제공된 단일 유도 형 센서 장치를 사용하면 계수 된 진동과 미리 결정된 진동의 평균값을 높은 정확도로 비교하여 대상의 속도와 위치를 모두 결정할 수 있습니다 (검출 할 대상과 기계적으로 접촉하지 않음). .
저역 통과 필터(low-pass filter)를 더 포함할 수 있으며, 프로세싱 유닛(15, 120)은 상기 저역 통과 필터에 의해 저역 통과 필터링된 신호들에 기초하여 상기 평균 값을 결정하도록 구성될 수 있다. 저역 통과 필터를 사용하면 노이즈를 줄이고 위에서 언급 한 비교 프로세스에 사용되는 가중 평균 값 (과거 및 현재 진동 수)을 동적으로 얻을 수 있습니다.
처리 장치는 증가하도록 구성된 HIGH 시간 카운터를 더 포함 할 수 있습니다.
상기 카운트된 진동들의 수가 상기 평균 값과 적어도 동일함으로 상기 샘플링 기간들의 각각의 샘플링 기간에 대해 증가하도록 구성되는 하이 시간 카운터 및 상기 카운트된 진동들의 수가 상기 평균 값 미만이므로 상기 샘플링 기간들의 각각의 샘플링 기간에 대해 증가되도록 구성되는 로우 시간 카운터를 더 포함하며;
상기 카운트된 진동들의 수가 상기 평균 값과 적어도 동일함으로 상기 샘플링 기간들의 각각의 샘플링 기간에 대해 증가하도록 구성되는 하이 시간 카운터 및 상기 카운트된 진동들의 수가 상기 평균 값 미만이므로 상기 샘플링 기간들의 각각의 샘플링 기간에 대해 증가되도록 구성되는 로우 시간 카운터를 더 포함한다.
HIGH 시간 카운터는 위에서 언급 한 HIGH 시간주기를 제공 할 수 있고 LOW 시간 카운터는 위에서 언급 한 LOW 시간주기를 제공 할 수 있습니다.
더욱이, 처리 유닛은 결정된 HIGH 및 LOW 시간주기 및 이동의 이동의 듀티 사이클에 기초하여 대상물의 왕복 이동의 주파수를 계산하도록 구성된 주파수 계산 수단 및 듀티 사이클 계산 수단을 포함 할 수있다. 결정된 HIGH 및 LOW 기간을 각각 기반으로하는 개체입니다.
처리 유닛은 듀티 사이클 계산 수단에 의해 계산 된 듀티 사이클에 기초하여 이동 객체의 위치를 결정하도록 구성된 위치 결정 수단 및 다음에 의해 계산 된 주파수에 기초하여 객체의 속도를 결정하도록 구성된 속도 결정 수단을 더 포함 할 수있다. 주파수 계산 수단.
일 실시 예에 따르면, 유도 성 센서 장치는 듀티 사이클 계산 수단 및 속도 계산 수단에 의해 출력 된 신호에 기초하여 펄스 폭 변조 신호를 생성하도록 구성된 펄스 폭 변조 신호 발생기 (처리 유닛의 일부일 수 있음)를 포함하고, 여기서 위치 결정 수단은 펄스 폭 변조 신호의 첫 번째 신호 (객체 이동의 듀티 사이클에 대한 정보 포함)에 기초하여 객체의 위치를 결정하도록 구성되며 속도 결정 수단은 객체의 속도를 결정하도록 구성됩니다. 펄스 폭 변조 신호의 두 번째 신호 (대상의 움직임 주파수에 대한 정보 포함)를 기반으로합니다.
상기 언급 된 요구는 또한 발진기 회로를 포함하는 유도 센서 장치에 의해 대상물 (예를 들어, 내연 기관의 실린더에서 움직이는 피스톤)의 왕복 운동을 감지하는 방법을 제공함으로써 해결된다. 본 방법은,
샘플링 기간들에서 상기 발진기 회로의 진동들을 검출하고 그리고 카운트하는 단계;
미리 정해진 평균 값의 진동들과 상기 카운트된 진동들을 비교하는 단계, 및
진동들의 상기 미리 정해진 평균 값과의 상기 카운트된 진동들의 비교에 기초하여 상기 대상물의 속도 및 포지션 둘 모두를 결정하는 단계를 포함한다.
방법은 발진의 카운트를 나타내는 저역 통과 필터링 된 신호의 평균값을 결정함으로써 미리 결정된 평균값을 결정하는 단계를 포함 할 수있다.
일 실시 예에 따르면, 대상물의 왕복 운동을 감지하는 방법은 다음 단계를 포함한다.
샘플링 기간당 카운트들의 수가 상기 평균 값을 초과하거나 적어도 상기 평균 값과 동일함으로 시간 간격을 결정함으로써 하이 시간 기간을 결정하는 단계;
샘플링 기간당 카운트들의 수가 상기 평균 값을 초과하지 않거나 상기 평균 값 미만인 것으로 시간 간격을 결정함으로써 로우 시간 기간을 결정하는 단계;
상기 하이 시간 기간 및 상기 로우 시간 기간을 합산함으로써 상기 대상물의 움직임의 기간을 결정하는 단계; 및
상기 하이 시간 기간 및 상기 로우 시간 기간의 합 및 상기 하이 시간 기간의 비율에 기초하여 상기 대상물의 움직임의 듀티 사이클을 결정하는 단계를 포함한다.
또한, 대상물의 이동주기에 따라 대상물의 주파수 및 속도를 결정할 수 있고, 대상물의 이동 듀티 사이클에 따라 대상물의 위치 (스트로크)를 결정할 수있다.
감지 할 움직이는 대상물(예 : 연소 엔진의 실린더에서 움직이는 피스톤)을 포함하는 고려중인 각 구체적인 구성은 최소 스트로크에 해당하는 최소 듀티 사이클에서 최대 듀티 사이클에 이르는 고유 한 개별 듀티 사이클 범위를 나타냅니다. 미리 알려진 최대 스트로크에 해당합니다. 이러한 미리 규정된 지식을 통해, 실제로 결정된 듀티 사이클들은 전체/최대 스트로크의 백분율들로 변환된다.
전술 한 본 발명의 방법의 실시 예는 전술 한 본 발명의 유도 형 센서 장치의 실시 예에서 구현 될 수 있으며, 전술 한 본 발명의 유도 형 센서 장치의 실시 예는 전술 한 실시 예의 단계를 수행하도록 구성 될 수있다.
본 발명의 방법은 대상물이 감지 코일의 감지 범위에있을 때 유도 성 센서 장치에 포함 된 감지 코일에 의해 대상물의 전기 와전류를 유도하는 단계를 더 포함 할 수 있다. 와전류들은 인덕티브 센서 디바이스(4)의 발진기 회로의 임피던스 및 공진 주파수에 영향을 주는 2차 자기장을 유도한다. 와전류는 발진기 회로의 임피던스 및 공진 주파수에 영향을 미치는 2 차 자기장을 유도하여 발진 횟수에 영향을 준다.
또한, 처리 유닛, 특히 인덕티브 센서 디바이스의 처리 유닛에서 실행될 때 전술 한 실시 예 중 하나에 따른 방법의 단계를 수행하기위한 컴퓨터 실행 가능 명령을 갖는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.
본 개시내용의 이점들뿐만 아니라 추가의 특징들 및 예시적인 실시예들은 도면들에 대해 상세히 설명될 것이다. 본 개시내용이 다음의 실시예들의 설명에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않아야 하는 것이 이해된다. 다음에 설명되는 특징들 중 일부 또는 모두가 또한 대안적인 방식들로 조합될 수 있는 것이 더욱이 이해되어야 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 피스톤의 움직임을 검출하기 위한 구성을 도시한다.
도 2는 도 1a 및 도 1b에서 도시되는 구성의 인덕티브 센서 디바이스의 구성요소들을 예시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인덕티브 센서 디바이스의 프로세싱 유닛의 작동을 예시하는 흐름도이다.
도 4a 및 도 4b는 하이 타이머 및 로우 타이머를 조건부로 증가시키는 프로세스를 예시한다.
도 5는 요망되는 신호들을 출력하기 위한 펄스 폭 변조 신호 발생기(pulse width modulation signal generator)를 포함하는 인덕티브 센서 디바이스의 다른 실시예를 도시한다.
본 발명은 센서 디바이스 및 선형적으로 왕복운동하는 대상물의 움직임을 검출하기 위한 방법을 제공한다. 대상물의 스트로크 및 속도는 신호 인덕티브 센서 디바이스에 의해 결정될 수 있다. 다음의 상세한 설명에서, 대상물은 내연 기관의 실린더에서 이동하는 피스톤에 의해 표시된다. 이는, 본 발명이 이러한 특정 출원에 한정되지 않는다는 것을 언급하지 않고 진행한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 피스톤(1)의 움직임을 검출하기 위한 구성(10)을 예시한다. 피스톤(1)은, 예를 들어, 알루미늄으로 제조될 수 있고 그리고 크랭크샤프트(3)를 통해 움직임 발생기(2)에 의해 내연 기관의 실린더에서 이동된다. 피스톤(1)의 왕복운동 움직임의 방향들은 양방향 화살표들에 의해 예시된다. 피스톤(1)의 왕복운동 움직임은 센서 팁 요소(5)를 포함하는 인덕티브 센서 디바이스(4)에 의해 검출된다. 도 1a에서 도시되는 상황에서, 센서 팁 요소(4)는 부분적으로 피스톤(1)의 피스톤 홈(5)을 대면하는 반면, 도 1b에 도시되는 상황에서, 센서 팁 요소(4)는 검출 범위 내에서 피스톤(1)의 본체를 완전히 대면한다.
인덕티브 센서 디바이스(4)는 교류를 생성하는 발진기 회로 및 센서 팁 요소(5)에 위치결정되거나 센서 팁 요소를 부분적으로 나타내는 감지 코일을 포함한다. 코일은 이중 코일일 수 있고 그리고, 예를 들어 약 10mm의 직경을 가질 수 있다. 코일은 고전도성 재료, 예를 들어 구리로 제조될 수 있고, 그리고 예를 들어 폴리머 재료로 제조되는 적절한 지지 기판 상에 형성될 수 있다. 게다가, 인덕티브 센서 디바이스(4)는 프로세싱 유닛, 예를 들어 μ-제어기를 포함한다. μ-제어기는 8 비트 μ-제어기일 수 있다.
교류는 피스톤(1)의 전기 전도체에 전기 와전류들을 유도하는 1차 자기장을 생성한다. 와전류들은 인덕티브 센서 디바이스(4)의 발진기 회로의 임피던스 및 공진 주파수에 영향을 주는 2차 자기장을 유도한다. 단지 피스톤(1)의 본체의 일부만 센서 팁 요소(5)를 대면하거나 또는 본체의 일부가 센서 팁 요소를 대면하지 않는다면, 비교적 약한 2차 자기장이 유도되거나 2차 자기장이 유도되지 않는다. 피스톤(1)의 본체가 센서 팁 요소(5)를 완전히 대면하면, 비교적 강한 2차 자기장이 유도되고, 이에 따라, 발진기 회로의 임피던스 및 공진 주파수에서의 비교적 강한 변화가 관찰될 수 있다. 이러한 정보는, 아래에서 설명되는 바와 같이, 피스톤(1)의 스트로크 및 속도에 대한 정보로 직접적으로 변환될 수 있다.
도 2는 도 1a 및 도 1b에서 도시되는 인덕티브 센서 디바이스(4)의 구성요소들을 매우 개략적으로 예시한다. 인덕티브 센서 디바이스(4)는 도 1a 및 1b에 도시되는 팁 요소 부분(44)에 위치결정되는 감지 코일(11)을 포함한다. 추가적으로, 인덕티브 센서 디바이스(4)는 일부 컨덕티브 디바이스(12)를 포함한다. 공진 회로는 교류 전류를 생성하는 일부 발진기, 예를 들어 교류 발생기(13)(여기서 컨덕티브 디바이스(12)가 다른 예에 따라 통합될 수 있음)에 의해 전력공급된다.
감지 디바이스(14)는, 감지 코일(11)의 검출 영역, 즉 도 1a 및 도 1b에서 도시되는 예에서 피스톤(1)에서 검출될 대상물의 존재로 인한 발진기 회로(임피던스, 공진 주파수)의 변화들을 검출하기 위해 제공된다. 예를 들어, 감지 디바이스(14)는 전류들 또는 전압들을 측정하도록 구성될 수 있다. 감지 디바이스(14)는 신호들을 프로세싱 유닛(15)으로 출력한다. 프로세싱 유닛(15)은 μ-제어기이거나 이를 포함할 수 있다. 프로세싱 유닛(15)은 검출될 수 있는 대상물의 위치 및 속도 둘 모두를 결정하기 위해 감지 디바이스(14)에 의해 제공된 신호들을 처리한다.
일 실시예에 따른 도 2에 도시된 프로세싱 유닛(15)의 작동은 도 3의 흐름도에 예시된다. 발진기(13)는 일부 클록 주파수, 예를 들어 5 내지 20MHz의 클록 주파수에서 작동한다. 샘플링 기간(타이머 기간) 동안, 프로세싱 유닛(15)은, 검출될 대상물에 의해 영향을 받는 경우(또는 그렇지 않으면, 발진기 회로가 센서 코일의 검출 범위 내에 있지 않다면), 감지 디바이스(14)에 의해 제공되는 신호, 즉 발진기 회로의 공진 주파수의 양(positive)(또는, 대안적으로 음) 에지들(하나의 진동은 2개의 에지들, 다시 말해, 상승/양 및 하강/음 에지를 포함함)의 수를 카운트한다. 감지 디바이스(14)에 의해 제공되는 진동 신호는 전압 또는 전류 신호일 수 있다. 예를 들어, 10MHz의 클록 주파수가 제공되며 그리고 2560개의 증분들이 타이머 기간 동안 카운트되는 경우, 3906.25의 카운트들의 주파수(샘플링 주파수)가 초래된다. 다른 한편으로, 카운트들의 이러한 주파수는 1/3906.25 = 256μs의 타이머 기간으로 변환된다.
프로세싱 유닛(15)은 진동 신호들의 에지들을 카운트할뿐만 아니라, 각각의 타이머 기간에 대한 카운트를 다수의 이전 타이머 기간들 동안 획득되는 타이머 기간당 진동 신호들의 에지들의 평균 값과 비교한다(도 3의 단계(32)). 특정 실시예에 따르면, 평균 값은 평균 값을 결정하기 위해 사용되는 타이머 기간들에 걸친 카운트들의 저역 통과 필터링(low-pass filtering) 후에 결정될 수 있다. 이러한 종류의 신호 프리-컨디셔닝(pre-conditioning)에 의해, 미리 규정된 수의 이전 타이머 기간들에 걸친 가중 평균(weighted average)은 비교 절차를 위해 사용된다(도 3의 단계(32)). 특히, 신호 노이즈는 저역 통과 필터링에 의해 제거될 수 있다.
카운트가 평균 값 초과인지 아닌지의 여부에 대한 결정이 이루어진다(도 3의 단계(33)). 카운트가 평균값을 초과한다면, 하이(시간) 카운트가 증가되며(도 3의 단계(34)), 로우(시간)가 아니라면, 카운트가 증가된다(도 3의 단계(35)). 사실상, 평균 값과 동일한 카운트들이 원칙적으로 로우 타이머의 하이 타이머를 증가시키는데 기여하는지 여부가 미리 규정될 수 있다.
하이 타이머 및 로우 타이머를 증가시키는 단계들은 도 4a와 도 4b에 예시된다. 도 4a 및 도 4b의 상부 플롯들은 예를 들어 16개의 타이머 기간들(가로) 각각 동안 (일부 임의의 정규화에서) 증가들의 카운트들(세로)을 도시한다. 실제 적용들에서, 타이머 기간당 감지 디바이스(14)에 의해 제공되는 신호의 양 에지들(증가들)의 총 카운트의 값에 대한 단계 함수들이 사용될 수 있다. 수평선은 이전 기간들에 기초하여 획득된 평균 값을 나타낸다.
평균 값을 초과의 증가들의 카운트/수를 나타내는 각각의 타이머 기간에 대해 도 4a 및 4b의 하부 플롯들에서 예시되는 바와 같이, 하이 타이머가 증가하고(1씩 카운트 업됨) 그리고 평균값 미만인 증가들의 카운트를 나타내는 각각의 타이머 기간에 대해, 로우 타이머가 증가한다(1씩 카운트 업됨). 명백하게, 일부 타이머 기간들에 걸쳐 연장되는 기간들(시간 간격들)은 하이 타이머가 증가하는(하이 기간들) 동안 식별될 수 있으며, 그리고 로우 타이머가 증가하는(로우 기간들) 동안의 다른 기간들이 각각 식별될 수 있다.
이에 따라 획득된 하이 및 로우 타이머 카운트들에 기초하여, 도 1a 및 1b에 도시되는 피스톤(1)의 속도 및 스트로크는 다음과 같이 결정될 수 있다. 도 1a 및 도 1b의 인덕티브 센서 디바이스(4)의 검출 영역에서 피스톤(1)(의 본체)의 움직임의 (사이클) 기간(각각, 존재 및 부재)은 하이 타이머 카운트들 및 로우 타이머 카운트들의 합으로서 결정될 수 있으며, 그리고 듀티 사이클은, 선택적으로 요망되는 단위로 양자화를 위한 일부 정규화 인자, 예를 들어 100의 정규화 인자가 곱해지는, 하이 타이머 카운트들 및 사이클 기간의 비율로서 결정될 수 있다(도 3의 단계(36)). 피스톤(1)의 왕복운동 움직임의 기간은 감지된 공진 주파수의 3회의 주파수 변화들에 걸쳐 평균값 미만의 주파수들로부터 평균값 초과의 주파수들까지 연장하고 그리고 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
이러한 획득된 사이클 기간 및 듀티 사이클에 기초하여, 도 1a 및 도 1b에 도시되는 피스톤(1)의 속도 및 스트로크가 결정될 수 있다(도 3의 단계(37)). 피스톤(1)의 움직임의 (Hz 단위의) 주파수는 기간의 역수 값(reciprocal value)으로 주어지며, 그리고 속도는 예를 들어 이러한 주파수에 60을 곱함으로써 rpm으로 주어진다. 듀티 사이클은 실린더 내의 피스톤(1)의 전체 스트로크의 백분율로 직접적으로 변환한다. 각각의 콘크리트 피스톤-실린더 시스템은 최소 스트로크에 대응하는 듀티 사이클 최소로부터 미리 공지된 최대 스트로크에 대응하는 듀티 사이클 최대까지의 그의 자체 개별 듀티 사이클 범위를 나타낸다. 이러한 미리 규정된 지식을 통해, 실제로 결정된 듀티 사이클들은 전체/최대 스트로크의 백분율들로 변환된다.
그 결과, 하나의 단일 인덕티브 센서 디바이스(4)로, 피스톤(1)의 속도 및 스트로크가 동시에 높은 정확도로 결정될 수 있다. 피스톤에 의해 야기되는 부피의 공지된 압축뿐만 아니라 속도 및 스트로크로부터, 도 1a 및 1b에 도시되는 움직임 발생기(2)의 토크가 또한 직접적으로 결정될 수 있다. 검출될 대상물(즉, 전술된 예들에서 피스톤(1))에 대해 참조 마커들이 제공될 필요가 없다. 인덕티브 센서 디바이스(4)는 낮은 비용들으로 제조될 수 있고, 그리고 (최대 약 150℃의 온도를 갖는) 혹독한 환경들에서 작동하기에 적합하다.
왕복운동 움직임을 나타내는 대상물(200)의 움직임을 검출하도록 구성된 본 발명의 인덕티브 센서 디바이스(100)에 대한 다른 예가 도 5에 예시된다. 이러한 인덕티브 센서 디바이스(100)는 전술된 실시예들 모두에서 사용될 수 있다. 인덕티브 센서 디바이스(100)는 대상물(200)에 와전류들을 유도하고 그리고 유도된 2차 자기장에 기초하여 센서 검출 범위에서 대상물의 존재를 검출하기 위한 감지 코일을 포함하는 발진기 회로(110)를 포함한다(상기 설명 참조). 게다가, 인덕티브 센서 디바이스(100)는 예를 들어 μ-제어기를 포함하는 프로세싱 유닛(120)을 포함한다. 프로세싱 유닛(120)은 발진기 회로(110)에 연결된 신호 캡처링 수단(121)을 포함하며, 발진기 회로는 신호 캡처링 수단으로부터 진동 신호들을 수신하고 그리고 진동 신호의 에지들의 카운트들을 나타내는 신호들을 제공한다. 이에 따라 제공된 신호들은 일부 저역 통과 필터링 수단(122)에 의해 저역 통과 필터링될 수 있다.
추가적으로, 프로세싱 유닛(120)은 전술된 바와 같이 각각 하이 및 로우 카운트들을 획득하기 위한 하이 타이머(123) 및 로우 타이머(124)를 포함한다. 대상물(200)의 움직임의 주파수는 주파수 계산 수단(125)에 의해 결정될 수 있으며, 그리고 대상물(200)의 듀티 사이클은 전술된 바와 같은 방식으로 듀티 사이클 계산 수단(126)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 프로세싱 유닛(120)은 대상물(200)의 움직임의 주파수 및 듀티 사이클에 대한 정보를 전달하는 펄스 폭 변조 디지털 출력 신호들을 제공하기 위해 펄스 폭 변조 신호 발생기(127)를 포함한다. 이에 따라 획득된 펄스 폭 변조 디지털 출력 신호들은 전술된 바와 같은 방식으로 대상물(200)의 속도 및 대상물(200)의 포지션(스트로크)을 유도하기 위해 사용될 수 있다. PWMS(pulse width modulated digital output signal)들은 특히 속도와 스트로크에 대한 정확한 결정에 대해 적합하다. 대상물의 속도는 PWMS들에 기초하여 결정될 수 있으며, 그리고 이동하는 대상물의 포지션(스트로크)은 PWMS들에 기초하여 결정될 수 있다.
10 구성
1 피스톤
2 움직임 발생기
3 크랭크샤프트
4, 100 인덕티브 센서 디바이스
5 피스톤 홈
11 감지 코일
12 컨덕티브 디바이스
13, 110 발진기
14 감지 디바이스
15, 120 프로세싱 유닛
44 감지 팁 요소
121 신호 캡처링 수단
122 저역 통과 필터
123 로우 타이머
124 하이 타이머
125 주파수 계산 수단
126 듀티 사이클 계산 수단
127 펄스 폭 변조 신호 발생기
200 대상물
PWMS 펄스 폭 변조 신호

Claims (15)

  1. 대상물의 왕복운동 움직임을 검출하기 위한 인덕티브 센서 디바이스(inductive sensor device)로서,
    상기 대상물에서 와전류들을 유도하기 위해 구성되는 감지 코얼(11)을 포함하는 발진기 회로(oscillator circuit )(13, 110); 및
    프로세싱 유닛(processing unit)(15, 120)을 포함하며;
    상기 프로세싱 유닛은,
    샘플링 기간들에서 검출되는 상기 발진기 회로(13, 110)의 진동들을 카운트하고(count),
    미리 정해진 평균 값의 진동들과 상기 카운트된 진동들을 비교하고, 그리고
    진동들의 상기 미리 정해진 평균 값과의 상기 카운트된 진동들의 비교에 기초하여 상기 대상물의 속도 및 포지션 둘 모두를 결정하도록 구성되는,
    대상물의 왕복운동 움직임을 검출하기 위한 인덕티브 센서 디바이스.
  2. 제1 항에 있어서,
    저역 통과 필터(low-pass filter)를 더 포함하며, 상기 프로세싱 유닛(15, 120)은 상기 저역 통과 필터에 의해 저역 통과 필터링된 신호들에 기초하여 상기 평균 값을 결정하도록 구성되는,
    대상물의 왕복운동 움직임을 검출하기 위한 인덕티브 센서 디바이스.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 프로세싱 유닛(15, 120)은, 상기 카운트된 진동들의 수가 상기 평균 값을 초과함으로 상기 샘플링 기간들의 각각의 샘플링 기간에 대해 증가되도록 구성되는 하이 시간 카운터(HIGH time counter)(124) 및
    상기 카운트된 진동들의 수가 상기 평균 값을 초과하지 않으므로 상기 샘플링 기간들의 각각의 샘플링 기간에 대해 증가되도록 구성되는 로우 시간 카운터(LOW time counter)(123)를 더 포함하거나,
    상기 카운트된 진동들의 수가 상기 평균 값과 적어도 동일함으로 상기 샘플링 기간들의 각각의 샘플링 기간에 대해 증가하도록 구성되는 하이 시간 카운터(124) 및 상기 카운트된 진동들의 수가 상기 평균 값 미만이므로 상기 샘플링 기간들의 각각의 샘플링 기간에 대해 증가되도록 구성되는 로우 시간 카운터(123)를 더 포함하는,
    대상물의 왕복운동 움직임을 검출하기 위한 인덕티브 센서 디바이스.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 프로세싱 유닛(15, 200)은,
    상기 결정된 하이 및 로우 시간 기간들에 기초하여 상기 대상물의 왕복운동 움직임의 주파수를 계산하도록 구성되는 주파수 계산 수단(125); 및
    상기 결정된 하이 및 로우 시간 기간들에 기초하여 상기 이동하는 대상물의 움직임의 듀티 사이클을 계산하도록 구성되는 듀티 사이클 계산 수단(126)을 더 포함하는,
    대상물의 왕복운동 움직임을 검출하기 위한 인덕티브 센서 디바이스.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 프로세싱 유닛(15, 200)은 상기 계산된 듀티 사이클에 기초하여 상기 대상물의 포지션을 결정하도록 구성되는 포지션 결정 수단 및 상기 계산된 주파수에 기초하여 상기 대상물의 속도를 결정하도록 구성되는 속도 결정 수단을 더 포함하는,
    대상물의 왕복운동 움직임을 검출하기 위한 인덕티브 센서 디바이스.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 듀티 사이클 계산 수단(126) 및 상기 속도 계산 수단에 의해 출력되는 신호들에 기초하여 펄스 폭 변조 신호들을 발생시키도록 구성되는 펄스 폭 변조 신호 발생기(127)를 더 포함하며, 그리고 상기 포지션 결정 수단은 상기 펄스 폭 변조 신호들 중 제1 신호들에 기초하여 상기 대상물의 포지션을 결정하도록 구성되며, 그리고 상기 속도 결정 수단은 상기 펄스 폭 변조 신호들 중 제2 신호들에 기초하여 상기 대상물의 속도를 결정하도록 구성되는,
    대상물의 왕복운동 움직임을 검출하기 위한 인덕티브 센서 디바이스.
  7. 발진기 회로를 포함하는 인덕티브 센서 디바이스에 의해 대상물의 왕복운동 움직임을 감지하는 방법으로서,
    상기 방법은,
    샘플링 기간들에서 상기 발진기 회로(13, 110)의 진동들을 검출하고 그리고 카운트하는 단계;
    미리 정해진 평균 값의 진동들과 상기 카운트된 진동들을 비교하는 단계, 및
    진동들의 상기 미리 정해진 평균 값과의 상기 카운트된 진동들의 비교에 기초하여 상기 대상물의 속도 및 포지션 둘 모두를 결정하는 단계를 포함하는,
    발진기 회로를 포함하는 인덕티브 센서 디바이스에 의해 대상물의 왕복운동 움직임을 감지하는 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    진동들의 카운트들을 저역 통과 필터링하는 단계 및 상기 미리 정해진 평균 값으로서 진동들의 저역 통과 필터링된 카운트들의 평균 값을 결정하는 단계를 더 포함하는,
    발진기 회로를 포함하는 인덕티브 센서 디바이스에 의해 대상물의 왕복운동 움직임을 감지하는 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    샘플링 기간당 카운트들의 수가 상기 평균 값을 초과하거나 적어도 상기 평균 값과 동일함으로 시간 간격을 결정함으로써 하이 시간 기간을 결정하는 단계;
    샘플링 기간당 카운트들의 수가 상기 평균 값을 초과하지 않거나 상기 평균 값 미만인 것으로 시간 간격을 결정함으로써 로우 시간 기간을 결정하는 단계;
    상기 하이 시간 기간 및 상기 로우 시간 기간을 합산함으로써 상기 대상물의 움직임의 기간을 결정하는 단계; 및
    상기 하이 시간 기간 및 상기 로우 시간 기간의 합 및 상기 하이 시간 기간의 비율에 기초하여 상기 대상물의 움직임의 듀티 사이클을 결정하는 단계를 포함하는,
    발진기 회로를 포함하는 인덕티브 센서 디바이스에 의해 대상물의 왕복운동 움직임을 감지하는 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 대상물의 속도는 상기 대상물의 움직임의 결정된 기간에 기초하여 결정되며, 그리고 상기 대상물의 포지션은 상기 대상물의 움직임의 결정된 듀티 사이클에 기초하여 결정되는,
    발진기 회로를 포함하는 인덕티브 센서 디바이스에 의해 대상물의 왕복운동 움직임을 감지하는 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 대상물의 움직임의 기간에 대한 정보를 포함하는 PWMS(pulse width modulating signal)들 및 상기 대상물의 움직임의 듀티 사이클에 대한 정보를 포함하는 PWMS(pulse width modulating signal)들을 더 포함하며, 그리고
    상기 대상물의 속도 및 포지션은 PWMS들에 기초하여 결정되는,
    발진기 회로를 포함하는 인덕티브 센서 디바이스에 의해 대상물의 왕복운동 움직임을 감지하는 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 대상물의 왕복운동 움직임은 내연 기관의 실린더에서 피스톤(1)의 움직임이며, 그리고 포지션은 상기 피스톤(1)의 스트로크인,
    발진기 회로를 포함하는 인덕티브 센서 디바이스에 의해 대상물의 왕복운동 움직임을 감지하는 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 피스톤(1)의 스트로크는 최소 스트로크에 대응하는 미리 정해진 듀티 사이클 최소로부터 최대 스트로크에 대응하는 미리 정해진 듀티 사이클 최대까지 전체 또는 최대 스트로크의 백분율들로 결정되는,
    발진기 회로를 포함하는 인덕티브 센서 디바이스에 의해 대상물의 왕복운동 움직임을 감지하는 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 인덕티브 센서 디바이스(4, 100)에 포함되는 감지 코일(11)에 의해 상기 대상물에서 전기 와전류를 유도하는 단계를 더 포함하는,
    발진기 회로를 포함하는 인덕티브 센서 디바이스에 의해 대상물의 왕복운동 움직임을 감지하는 방법.
  15. 컴퓨터 프로그램으로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세싱 유닛(15, 120)에서 동작할 때, 제7 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 컴퓨터-실행가능한 지시들을 가지는 하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 매체를 포함하는,
    컴퓨터 프로그램.
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