WO2006045210A1 - Induktiver wegaufnehmer (lvdt) mit kurzgeschlossner kopplunggsspule - Google Patents

Induktiver wegaufnehmer (lvdt) mit kurzgeschlossner kopplunggsspule Download PDF

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    • G01D5/2291—Linear or rotary variable differential transformers (LVDTs/RVDTs) having a single primary coil and two secondary coils

Definitions

  • the invention relates to a position transducer, which is based on the principle of "Linear Variable Differential Transformer” - known under the abbreviation "LVDT".
  • LVDT Linear Variable Differential Transformer
  • it consists of one or more primary windings and one or more secondary windings, which are usually magnetically coupled to each other via a movable core of ferromagnetic material.
  • the mutual inductance between primary and secondary windings is a function of the position of the core relative to the windings.
  • the mutual inductance - and thus indirectly a path, a position or a path change - can be measured.
  • the detour via the ferromagnetic core is thus avoided: the mutual inductance between the stationary coil (s) and the movable coil or coils is used directly.
  • the coils are in ferromagnetic yokes or
  • the subject of the present invention is an LVDT which manages without electrical connections to the moving part and, if desired, without ferromagnetic materials.
  • the basic idea is to accomplish the coupling between fixed primary and secondary coils via a movable, short-circuited coil.
  • the primary coils which are supplied with an alternating current, initially generate an alternating voltage in the moving coil. Because this coil is short-circuited, it generates a short-circuit alternating current. This in turn generates a voltage in the secondary coils, which can then be evaluated.
  • the drawing no. 1 shows a system according to the invention.
  • the inductive displacement sensor consists of a primary, for example, cylindrical coil (1). To the left and right of it, on a common axis, a secondary coil (2) and (3) are each arranged. Inside these three Coils is an axially displaceable coil (4), which is short-circuited via the conductor (5) in itself.
  • the coil (1) is connected to an AC power source. In the coil (4) therefore an AC voltage is induced.
  • This alternating voltage has an alternating current in the short-circuited coil (4). Therefore, the coil (4) induces an AC voltage both in the coil (2) and in the coil (3).
  • the magnitudes of these two alternating voltages depend on the position of the coil (4). If it is shifted towards the coil (3), the AC voltage in the coil (3) increases while it decreases in the coil (2). If coil (4) is displaced in the direction of coil (2), then the AC voltage in coil (2) increases while it decreases in coil (3).
  • the difference of the alternating voltages in the coils (2) and (3) is a measure of the position of the coil (4) and can therefore be converted by the known means into a path signal.
  • the LVDT according to the invention works without ferromagnetic parts.
  • the LVDT can be screened against foreign, alternating magnetic fields at most without ferromagnetic parts.
  • Good conductive screens for example, have the effect that alternating magnetic fields cause eddy currents, which counteract the generating alternating field and weaken it in this way. With this type of umbrellas, the advantages according to the invention are retained.
  • Such screens can also be used to prevent the propagation of systemic magnetic fields; this would allow the operation of closely spaced LVDTs operating at the same frequency.
  • elements such as resistors, coils and capacitors can be connected in series with the coil (4).
  • the material of the coil (4) itself or the material of the associated bobbin can be chosen so that they have favorable, temperature-dependent properties. In order to For example, it can be achieved that the transfer function of the sensor is largely independent of the temperature.
  • the linearity of the LVDT can be influenced or improved by making the winding density or the winding diameter of one or more coils into functions of the coordinates of the coil axes.

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Abstract

Der induktive Wegaufnehmer, auf dem Prinzip des -'Linear Variable Differential Transformer' beruhend, besteht aus einer primären Spule (1) Links und rechts davon befinden sich je eine sekundäre Spule (2) und (3) Im Inneren dieser drei Spulen befindet sich eine bewegliche Spule (4) , welche über den Leiter (5) in sich kurzgeschlossen ist.

Description

INDUKTIVER WEGAUFNEHMER (LVDT) MIT KURZGESCHLOSSENER KOPPLUNGSSPULE
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Wegaufnehmer, der auf dem Prinzip des „Linear Variable Differential Transformer" - bekannt unter dem Kürzel „LVDT" - beruht. Im Prinzip besteht er aus einer oder mehreren primären Wicklungen und einer oder mehreren sekundären Wicklungen, welche meist über einen beweglichen Kern aus ferromagnetischem Material miteinander magnetisch gekoppelt sind. Die Gegeninduktivität zwischen primären und sekundären Wicklungen ist eine Funktion der Lage des Kerns gegenüber den Wicklungen. Mit Hilfe von elektrischen Auswerteschaltungen kann die Gegeninduktivität - und damit indirekt ein Weg, eine Lage oder eine Wegänderung - gemessen werden.
Stand der Technik
Das Prinzip der LVDTs war schon in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts bekannt; es wird zum Beispiel geschildert in den Patentschriften US 2,313,989 oder US 2,364,237. Alle Systeme sind ähnlich aufgebaut; sie unterscheiden sich meist nur durch spezielle Anordnungen der Wicklungen oder durch eine besondere Gestalt des beweglichen ferromagnetischen Kerns - siehe zum Beispiel die Patentschriften US 3,376,533, US 3,221 ,281 , US 4,149,133, US 4,808,958, US 5,469,053 oder US 6,605,940. Besondere Formen - zum Beispiel bekannt aus den Patentschriften US 3,113,280 oder US 4,675,603 - verzichten auf den beweglichen ferromagnetischen Kern; er wird durch eine oder mehrere bewegliche Spulen ersetzt. Der Umweg über den ferromagnetischen Kern wird so vermieden: Es wird direkt die Gegeninduktivität zwischen der oder den unbeweglichen Spulen und der oder den beweglichen Spulen genutzt. Um die Kopplung zwischen den Spulen zu vergrössem, sind die Spulen in ferromagnetische Joche oder
Rückschlüsse eingebettet. Aber auch auf diese kann noch verzichtet werden; das Resultat ist dann ein LVDT, den man als „nicht ferromagnetisch" bezeichnen kann. In der Patentschrift US 4,030,085 ist ein solcher LVDT beschrieben. Er kommt vor allem für die Wegmessung in Anwesenheit von starken Magnetfeldern zum Einsatz. Auch in der Veröffentlichung WO 02/44647 wird ein solcher LVDT propagiert. Wegen der Abwesenheit von ferromagnetischen Materialien fehlt der so genannte Barkhausen-Effekt; deshalb ist das Rauschen solcher LVDTs um eine Grössenordnung kleiner als bei LVDTs mit ferromagnetischen Kernen. Sie eignen sich deshalb als Positionsgeber im Nanometerbereich - für Lithographieprozesse, Harddiskdrives, Atomic Force Microscopes oder Surface Scanning Microscopes. Der Nachteil all dieser LVDT ohne Kern oder ferromagnetische Joche ist, dass die beweglichen Spulen über elektrische Leiter angeschlossen sein müssen. Das hat unter anderem den Nachteil, dass der feste und bewegliche Teil nicht vollständig getrennt werden können, ohne elektrische Leiter aufzutrennen.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat einen LVDT zum Gegenstand, der ohne elektrische Verbindungen zum beweglichen Teil und - wenn gewünscht - ohne ferromagnetische Materialien auskommt. Die Grundidee ist, die Kopplung zwischen feststehenden primären und sekundären Spulen über eine bewegliche, in sich kurzgeschlossene Spule zu bewerkstelligen. Die mit einem Wechselstrom gespeisten primären Spulen erzeugen in der beweglichen Spule vorerst eine Wechselspannung. Weil diese Spule kurzgeschlossen ist, wird in ihr ein Kurzschluss-Wechselstrom erzeugt. Dieser erzeugt seinerseits in den sekundären Spulen eine Spannung, die dann ausgewertet werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer vorteilhaften Ausführungsform erläutert.
Die Zeichnung Nr. 1 zeigt ein erfindungsgemässes System. Der induktive Wegaufnehmer besteht aus einer primären, zum Beispiel zylindrischen Spule (1). Links und rechts davon, auf einer gemeinsamen Achse, ist je eine sekundäre Spule (2) und (3) angeordnet. Im Inneren dieser drei Spulen befindet sich eine axial verschiebbare Spule (4), welche über den Leiter (5) in sich kurzgeschlossen ist.
Die Spule (1) wird an eine Wechselstromquelle angeschlossen. In der Spule (4) wird deshalb eine Wechselspannung induziert. Diese Wechselspannung hat in der kurzgeschlossenen Spule (4) einen Wechselstrom zur Folge. Deshalb induziert die Spule (4) sowohl in die Spule (2) als auch in die Spule (3) je eine Wechselspannung. Die Grossen dieser beiden Wechselspannungen sind von der Lage der Spule (4) abhängig. Wird sie zur Spule (3) hin verschoben, so nimmt die Wechselspannung in der Spule (3) zu, während sie in der Spule (2) abnimmt. Wird Spule (4) in Richtung Spule (2) verschoben, dann nimmt die Wechselspannung in Spule (2) zu, während sie in Spule (3) abnimmt. Der Unterschied der Wechselspannungen in den Spulen (2) und (3) ist ein Mass für die Lage der Spule (4) und kann deshalb mit den bekannten Mitteln in ein Wegsignal umgewandelt werden. Der erfindungsgemässe LVDT funktioniert ohne ferromagnetische Teile. Natürlich können zur Verbesserung der magnetischen Kopplung der Spulen oder zum Zwecke der magnetischen Schirmung magnetische Joche, Rückschlüsse oder Kerne verwendet werden; dabei geht aber ein Teil der erfindungsgemässen Vorteile verloren. Der LVDT kann gegenüber fremden, magnetischen Wechselfeldern allenfalls auch ohne ferromagnetische Teile abgeschirmt werden. Gut leitende Schirme zum Beispiel haben den Effekt, dass magnetische Wechselfelder Wirbelströme verursachen, die dem erzeugenden Wechselfeld entgegenwirken und es auf diese Art und Weise schwächen. Mit dieser Art von Schirmen bleiben die erfindungsgemässen Vorteile erhalten. Solche Schirme können auch verwendet werden, um die Ausbreitung der systemimmanenten Magnetwechselfelder zu verhindern; dies würde den Betrieb von nahe beieinander liegenden LVDTs, die mit der gleichen Frequenz betrieben werden, ermöglichen. Um dem LVDT bestimmte von der Temperatur abhängige Eigenschaften zu verleihen, können in Reihe zur Spule (4) Elemente wie Widerstände, Spulen und Kondensatoren geschaltet werden. Auch das Material der Spule (4) selbst oder das Material des zugehörigen Spulenkörpers kann so gewählt werden, dass sie günstige, von der Temperatur abhängige Eigenschaften haben. Damit kann zum Beispiel erreicht werden, dass die Transferfunktion des Sensors von der Temperatur weitgehend unabhängig ist.
Des Weiteren kann die Linearität des LVDT beeinflusst oder verbessert werden, indem die Windungsdichte oder der Windungsdurchmesser einer oder mehrerer Spulen zu Funktionen der Koordinaten der Spulenachsen gemacht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Induktiver Wegaufnehmer - auch unter der Bezeichnung LVDT bekannt - mit einer oder mehreren primären und einer oder mehreren sekundären Spulen, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Kopplung zwischen den primären und sekundären Spulen durch eine bewegliche, in sich kurzgeschlossene Spule beeinflusst wird.
2. Induktiver Wegaufnehmer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die primären oder sekundären Spulen, die bewegliche Spule oder eine Kombination dieser Spulen Luftspulen sind.
3. Induktiver Wegaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit der beweglichen Spule ein Widerstand, ein Kondensator, eine Induktivität oder ein aus solchen Elementen gebildetes Netzwerk geschaltet ist.
4. Induktiver Wegaufnehmer nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturbeiwert des spezifischen Widerstandes des Drahtes der beweglichen Spule einen Wert hat, der zu einer von der Temperatur weitgehend unabhängigen Übertragungsfunktion des Wegaufnehmers führt.
5. Induktiver Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsdichte oder der Windungsdurchmesser einer oder mehrerer Spulen Funktionen der Koordinaten der Spulenachsen sind.
PCT/CH2005/000604 2004-10-25 2005-10-18 Induktiver wegaufnehmer (lvdt) mit kurzgeschlossner kopplunggsspule WO2006045210A1 (de)

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