NL8900750A

NL8900750A - Inrichting voor het meten van een relatieve verplaatsing.

Info

Publication number: NL8900750A
Application number: NL8900750A
Authority: NL
Inventors: Johannes Leonardus G Bogaerts; Eduard Camerik
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1989-03-28
Filing date: 1989-03-28
Publication date: 1990-10-16
Also published as: KR0139904B1; DE69000943T2; EP0390261B1; EP0390261A2; JP3075727B2; JPH02291969A; EP0390261A3; DE69000943D1; KR900014889A; ES2040032T3; US5041785A

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Inrichting voor het meten van een relatieve verplaatsing.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het bepalen van de grootte en de richting van een relatieve verplaatsing van twee voorwerpen, bevattende enerzijds een op het eerst voorwerp aangebrachte, langgerekte, zich in de richting van de verplaatsing uitstrekkende schaalverdeling bestaande uit een opeenvolging van magnetische noord- en zuidpolen, en anderzijds een op het tweede voorwerp aangebrachte meetkop met ten minste een eerste en een tweede magneetveldopnemer die ten opzichte van de schaalverdeling zo geplaatst zijn, dat zij als gevolg van het door de relatieve verplaatsing veroorzaakte afwisselend passeren van noord- en zuidpolen de invloed ondervinden van een telkens wisselend magneetveld dat in elk van de opnemers een uitgangssignaal veroorzaakt, waarbij de uitgangssignalen van de beide opnemers als functie van de tijd nagenoeg hetzelfde verloop hebben, maar ten opzichte van elkaar in fase verschoven zijn.

Een dergelijke .inrichting is bekend uit GB-A 1,492,980.

Zulke inrichtingen kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden om lineaire verplaatsingen te meten, waarbij de schaal zich langs een rechte lijn uitstrekt, of om de omwentelingssnelheid en -richting van een wiel te meten, waarbij de schaal zich langs de omtrek van het wiel uitstrekt. Zoals aan de hand van figuur 3 van GB-A 1,492,980 beschreven is, kunnen de grootte en de richting van de relatieve verplaatsing op eenvoudige wijze bepaald worden uit de in fase verschoven uitgangssignalen van de opnemers. Om te bewerkstelligen, dat de signalen van de beide opnemers in fase verschoven zijn, is de opstelling van de opnemers in de bekende inrichting zo gekozen, dat de tweede opnemer over een nauwkeurig bepaalde, van λ afhankelijk afstand in de lengterichting van de schaalverdeling verschoven is ten opzichte van de eerste, waarbij λ de afstand tussen twee opeenvolgende gelijknamige polen van de schaalverdeling is. Daarvoor is het nodig dat de magneetpolen op onderling precies gelijke afstanden op de schaalverdeling zijn aangebracht en dat de afstand tussen de beide opnemers nauwkeurig ingesteld wordt en precies aangepast is aan λ. Daardoor is de bekende inrichting moeilijk te vervaardigen en duur. Een verder bezwaar van de bekende meetkop is, dat zijn afmeting in de lengterichting van de schaalverdeling betrekkelijk groot is.

De uitvinding heeft tot doel, een inrichting van de in de aanhef genoemde soort aan te geven, waarbij de afstand tussen de opeenvolgende poolparen op de schaalverdeling niet nauwkeurig bekend behoeft te zijn, en zelfs niet nauwkeurig constant behoeft te zijn over de lengte van de schaalverdeling, en waarbij de meetkop uiterst compact kan zijn.

De inrichting volgens de uitvinding heeft daartoe het kenmerk, dat de eerste en de tweede magneetveldopnemer zo opgesteld zijn, dat zij zich steeds tegenover eenzelfde punt op de schaalverdeling bevinden, en dat de eerste opnemer in hoofdzaak gevoelig is voor veranderingen in de evenwijdig met de lengterichting van de schaalverdeling verlopende component van het magneetveld, en de tweede opnemer in hoofdzaak gevoelig is voor veranderingen in de loodrecht op de lengterichting van de schaalverdeling en evenwijdig met de verbindingslijn tussen de schaalverdeling en de meetkop verlopende component van het magneetveld.

Indien de schaalverdeling gebogen is (bijvoorbeeld om de omtrek van een wiel te volgen), wordt onder zijn lengterichting de raaklijn aan de schaalverdeling in het punt recht tegenover de meetkop verstaan. Wanneer opeenvolgende poolparen de meetkop passeren, keert zowel de richting van de evenwijdig met de lengterichting van de schaalverdeling verlopende component van het magneetveld (hierna de evenwijdige component genoemd) als de richting van de andere genoemde component (hierna de loodrechte component genoemd) periodiek om. Dit omkeren gebeurt tegenover punten van de schaalverdeling die voor de evenwijdige en de loodrechte component op een afstand van λ/4 van elkaar verwijderd liggen. Het gevolg is, dat de uitgangssignalen van de beide opnemers het gewenste faseverschil vertonen zonder dat zij op een van de periode van de schaalverdeling afhankelijke afstand geplaatst zijn. Doordat de beide opnemers zich tegenover hetzelfde punt op de schaalverdeling bevinden (hetgeen, zoals uit het bovenstaande volgt, voor het verkrijgen van het faseverschil gewenst is) kan de meetkop zeer compact worden uitgevoerd.

Een eerste uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de magneetveldopnemers gevormd worden door langgerekte magnetoresistieve elementen die zich in een met de lengterichting van de schaalverdeling evenwijdig vlak uitstrekken in onderling loodrechte richtingen.

Een variant van de eerste uitvoeringsvorm heeft het kenmerk, dat voor het voormagnetiseren van de eerste en de tweede opnemer een gemeenschappelijke voormagnetiseringsinrichting aanwezig is, die een nagenoeg constant magneetveld opwekt, dat in hoofdzaak loodrecht op de lengterichting van de schaalverdeling en op de verbindingslijn tussen de schaalverdeling en de meetkop verloopt.

Een tweede uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de eerste en de tweede magneetveldopnemers gevormd worden door respectievelijk een eerste en een tweede solenoide spoel, waarvan de assen onderling loodrecht zijn, waarbij de as van de eerste spoel nagenoeg evenwijdig is met de lengterichting van de schaalverdeling en de as van de tweede spoel nagenoeg evenwijdig is met de verbindingslijn tussen de schaalverdelingen en de meetkop.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de tekening. Hierin is

Figuur 1 een schematische weergave van een inrichting volgens de uitvinding,

Figuren 2A en 2B een zijaanzicht, respectievelijk een bovenaanzicht van onderdelen van een eerste uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting volgens de uitvinding,

Figuur 3 een weergave van de meetkop van de uitvoeringsvorm volgens figuren 2A en 2B op vergrote schaal,

Figuren 4A en 4B een zijaanzicht, respectievelijk een bovenaanzicht van de inrichting volgens de uitvinding, en

Figuur 5 een grafische weergave van de uitgangssignalen van de meetkop van de inrichting volgens de uitvinding.

Figuur 1 toont schematisch een inrichting voor het meten van de draaisnelheid een -richting van een wiel 1 van een voertuig, dat bevestigd is op een as 3. Aan de binnenzijde van de velg 5 van het wiel 1 (bijvoorbeeld een autowiel) is een langgerekte, de omtrek van het wiel volgende, schaalverdeling aangebracht, bijvoorbeeld met behulp van een geschikte lijm. De schaalverdeling 7 bestaat uit een strookvormige drager van flexibel materiaal, waarop of waarin een zich in de lengterichting van de drager uitstrekkende, afwisselende reeks van magnetische noordpolen en magnetische zuidpolen is aangebracht. Zulke magnetisch schaalverdelingen zijn op zichzelf bekend.

Tegenover de schaalverdeling 7 is een meetkop 9 geplaatst, die bevestigd is aan de wielophanging van het voertuig (niet getekend), zodat tijdens het draaien van het wiel 1 de magnetische polen van de schaalverdeling 7 achtereenvolgens de meetkop passeren. Zoals verderop zal worden uiteengezet, bevat de meetkop 9 magneetveldopnemers die als gevolg van het afwisselend passeren van de magnetische noord- en zuidpolen de invloed ondervinden van een telkens wisselend magneetveld. De meetkop 9 is door middel van een kabel 11 elektrisch verbonden met een op een geschikte plaats in het voertuig bevestigde verwerkingsinrichting 13 voor het verwerken van de door de meetkop geproduceerde uitgangssignalen. De verwerkingsinrichting 13 kan een op zichzelf bekende schakeling bevatten, bijvoorbeeld een schakeling zoals beschreven in aan de hand van figuur 3 van GB-A 1,492,980.

De figuren 2A en 2B tonen meer in detail een klein gedeelte van de schaalverdeling 7 en een deel van de meetkop 9. De schaalverdeling 7 is in deze figuren weergegeven alsof hij zich volgens een rechte lijn uitstrekt in plaats van volgens een cirkel zoals m figuur 1. Dit is gedaan omdat voor de uitleg van de werking van de uitvinding het onmiddellijk tegenover de meetkop 9 gelegen gedeelte van de schaalverdeling 7 bij benadering als recht beschouwd nog worden (samenvallend met de raaklijn aan de genoemde cirkel ter plaatse van de meetkop 9). Bovendien is de inrichting volgens de uitvinding evenzeer geschik voor het meten van lineaire relatieve verplaatsingen (waarbij de schaalverdeling 7 zich werkelijk volgens een rechte lijn uitstrekt) als van het meten van rotaties. De verplaatsing van de velg 5 met de schaalverdeling 7 ten opzichte van de meetkop 9 is in figuren 2A en 2B aangegeven met een dubbele pijl 15. De magnetische noord- en zuidpolen zijn respectievelijk met N en S aangeduid. In figuur 2A zijn bovendien enkele magnetische krachtlijnen 17 getekend om bij benadering de vorm van het magneetveld in de nabijheid van de meetkop 9 aan te geven. Hierdoor blijkt duidelijk, dat het magneetveld in de onmiddellijke nabijheid van een magnetische pool nagenoeg loodrecht op de lengterichting van de schaalverdeling 7 en evenwijdig met de verbindingslijn 19 tussen de schaalverdeling en de meetkop 9 gericht is. Ter plaatse van een magnetische zuidpool S is het magneetveld naar de schaalverdeling 7 toe gericht en ter plaatse van een noordpool N van de schaalverdeling af. Ongeveer halverwege tussen een noord- en zuidpool is het magneetveld nagenoeg evenwijdig met de lengterichting van de schaalverdeling gericht, waarbij de richting steeds van de dichtsbijzijnde noordpool naar de dichtstbijzijnde zuidpool is. Nabij andere punten op de schaalverdeling 7 is het magneetveld samengesteld uit een volgens de verbindingslijn 19 gerichte component (de loodrechte component) en een evenwijdig met de lengterichting van de schaalverdeling gerichte component (de evenwijdige component). Wanneer de afstand tussen twee gelijknamige magneetpolen van de schaalverdeling 7 wordt aangeduid met λ keert dus de richting van zowel de loodrechte als de evenwijdige component van het magneetveld om na het afleggen van een afstand λ/2 langs de schaalverdeling, waarbij de omkeerpunten van de evenwijdige component over een afstand λ/4 verschoven liggen ten opzichte van de omkeerpunten van de loodrechte component.

De meetkop 9 bevat twee magneetveldopnemers, waarvan de eerste in hoofdzaak gevoelig is voor veranderingen in de evenwijdige component van het magneetveld en de tweede voor veranderingen in de loodrechte component. In het uitvoeringsvoorbeeld volgens de figuren 2A en 2B worden deze opnemers gevormd door respectievelijk een eerste magnetoresistief element 21 en een tweede magnetoresistief element 23.

Figuur 3 toont de beide magnetoresistieve elementen op vergrote schaal. Zij zijn gevormd uit een dunne laag ferromagnetisch materiaal met een anisotrope magnetoresistiviteit, bijvoorbeeld nikkel-cobalt, die is aangebracht op een elektrisch isolerend substraat 25, bijvoorbeeld een plaatje glas dat in de bedrijfstoestand evenwijdig is met de lengterichting van de schaalverdeling. Uit de dunne laag magnetoresistief materiaal zijn bijvoorbeeld door etsen de twee magnetoresistieve elementen 21, 23 gevormd. Elke van deze elementen bestaat uit een aantal evenwijdig naast elkaar liggende, lange stroken met korte dwarsverbindingen aan de uiteinden, zodat een meandervormig element ontstaan is. Aan de vrije uiteinden van de eerste en de laatste strook zijn aansluitvlakken 27 gevormd, waarop (niet getekende) aansluitdraden bevestigd zijn. De lengterichtingen van de beide magnetoresistieve elementen 21 en 23 (dat wil zeggen de lengterichtingen van de stroken, waaruit deze elementen zijn opgebouwd) staan loodrecht op elkaar.

Het substraat 25 met daarop de beide magnetoresistieve elementen 21 en 23 is omgeven door een solenoide spoel 29, waarvan de as 31 (zie figuur 2B) loodrecht op de lengterichting van de schaalverdeling 7 en loodrecht op de verbindingslijn 19 tussen de schaalverdeling en de meetkop 9 staat en die verbonden is met een (niet getekende) gelijkstroombron, zodat de spoel een volgens de as van de spoel en dus loodrecht op het substraat gericht, constant magneetveld opwekt voor het voormagnetiseren van de beide magneetveldopnemers. Daardoor zijn deze opnemers optimaal gevoelig voor veranderingen in de magneetveldcomponent die volgens hun lengterichting gericht is en nagenoeg ongevoelig voor veranderingen in een loodrecht op hun lengterichting gerichte magneetveldcomponent. De door de stroombron en de spoel 29 gevormde voormagnetiseringsinrichting kan desgewenst vervangen worden door een uit een permanente magneet bestaande voormagnetiseringsinrichting.

De figuren 4A en 4B tonen de principiële constructie van een tweede uitvoeringsvoorbeeld waarbij elk van de magneetveldopnemers 21' en 23' gevormd wordt door een solenoide spoel. Zoals bekend is, wordt in een spoel een elektrische spanning geïnduceerd wanneer de door de spoel omsloten magnetische flux verandert. Aangezien de door een solenoide spoel omsloten ruimte een betrekkelijk lange, nauwe cilinder is, wordt in een dergelijke spoel een elektrische spanning geïnduceerd, wanneer de met de as van de spoel evenwijdige component van het magneetveld een verandering in grootte of richting ondergaat. Zoals in de figuren 4A en 4B te zien is, zijn de beide solenoide spoelen 21' en 23' zo opgesteld, dat de as 33 van de eerste spoel 21' evenwijdig is met de lengterichting van de schaalverdeling 7, zodat deze spoel gevoelig is voor veranderingen in de evenwijdige component van het magneetveld. De as 35 van de tweede spoel 23' valt samen met de verbindingslijn tussen de schaalverdeling 7 en de (gestippeld aangeduide) meetkop 9', zodat deze spoel gevoelig is voor de veranderingen in de loodrechte component van het magneetveld.

Wanneer nu de schaalverdeling 7 met een constante snelheid van v m/s ten opzichte van de meetkop 9, 9' beweegt in de richting van de pijl 15, verandert ter plaatse van de magneetkop zowel de loodrechte als de evenwijdige component van het magneetveld sinusvormig met een frequentie ν/λ, zodat elk van de beide magneetveldopnemers 21 en 23, respectievelijk 2Γ en 23' een sinusvormig uitgangssignaal produceert. Doordat de omkeerpunten van de ene magneetveldcomponent een afstand

verschoven zijn ten opzichte van de omkeerpunten van de andere component, hebben de uitgangssignalen van de beide magneetveldopnemers onderling een faseverschil van

Een voorbeeld van de uitgangssignalen van de opnemers 21 en 23 als functie van de tijd t is in figuur 5 weergegeven. De kromme 37 toont de uitgangsspanning U21 van de eerste opnemer 21 en de kromme 39 de uitgangsspanning U23 van de tweede opnemer 23. Deze uitgangsspanningen worden verkregen, wanneer de schaalverdeling zich in de in figuur 2A getoonde situatie met een constante snelheid naar links beweegt ten opzichte van de meetkop 9. Wanneer de schaalverdeling zich naar rechts beweegt, verschuift het signaal U21 over een halve periode langs de tijdas terwijl het signaal U23 niet verandert. De verwerkingsinrichting 13 kan uit deze signalen de snelheid en richting van de verplaatsing berekenen, ook wanneer de snelheid niet constant is en de spanningen U21 en U23 dus niet zuiver sinusvormig zijn.

Claims

1. Inrichting voor het bepalen van de grootte en de richting van een relatieve verplaatsing van twee voorwerpen, bevattende enerzijds een op het eerst voorwerp aangebrachte, langgerekte, zich in de richting van de verplaatsing uitstrekkende schaalverdeling (7) bestaande uit een opeenvolging van magnetische noord- en zuidpolen, en anderzijds een op het tweede voorwerp aangebrachte meetkop (9) met ten minste een eerste en een tweede magneetveldopnemer (21, 23) die ten opzichte van de schaalverdeling zo geplaatst zijn, dat zij als gevolg van het door de relatieve verplaatsing veroorzaakte afwisselend passeren van noord- en zuidpolen de invloed ondervinden van een telkens wisselend magneetveld dat in elk van de opnemers een uitgangssignaal veroorzaakt, waarbij de uitgangssignalen van de beide opnemers als functie van de tijd nagenoeg hetzelfde verloop hebben, maar ten opzichte van elkaar in fase verschoven zijn, met het kenmerk, dat de eerste en de tweede magneetveldopnemer (21, 23) zo opgesteld zijn, dat zij zich steeds tegenover eenzelfde punt op de schaalverdeling (7) bevinden, en dat de eerste opnemer (21) in hoofdzaak gevoelig is voor veranderingen in de. evenwijdig met de lengterichting van de schaalverdeling verlopende component van het magneetveld, en de tweede opnemer (23) in hoofdzaak gevoelig is voor veranderingen in de loodrecht op de lengterichting van de schaalverdeling en evenwijdig met de verbindingslijn (19) tussen de schaalverdeling (7) en de meetkop (9) verlopende component van het magneetveld.

2 Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de magneetveldopnemers (21, 23) gevormd worden door langgerekte magnetoresistieve elementen die zich in een met de lengterichting van de schaalverdeling (7) evenwijdig vlak uitstrekken in onderling loodrechte richtingen.

3 Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat voor het voormagnetiseren van de eerste en de tweede opnemer (21, 23) een gemeenschappelijke voormagnetiseringsinrichting (29) aanwezig is, die een nagenoeg constant magneetveld opwekt, dat in hoofdzaak loodrecht op de lengterichting van de schaalverdeling (7) en op de verbindingslijn (19) tussen de schaalverdeling en de meetkop (9) verloopt.

4 Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste en de tweede magneetveldopnemers (2Γ, 23') gevormd worden door respectievelijk een eerste en een tweede solenoide spoel, waarvan de assen (33, 35) onderling loodrecht zijn, waarbij de as (33) van de ee,rste spoel (21') nagenoeg evenwijdig is met de lengterichting van de schaalverdeling (7) en de as (35) van de tweede spoel (23') nagenoeg evenwijdig is met de verbindingslijn (19) tussen de schaalverdelingen (7) en de meetkop (9).