WO2021190689A1 - Induktiver linearwegsensor - Google Patents

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WO2021190689A1
WO2021190689A1 PCT/DE2021/100198 DE2021100198W WO2021190689A1 WO 2021190689 A1 WO2021190689 A1 WO 2021190689A1 DE 2021100198 W DE2021100198 W DE 2021100198W WO 2021190689 A1 WO2021190689 A1 WO 2021190689A1
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sensor
displacement sensor
coil
linear displacement
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PCT/DE2021/100198
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Thilo Stopfer
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • G01D5/2291—Linear or rotary variable differential transformers (LVDTs/RVDTs) having a single primary coil and two secondary coils
    • G—PHYSICS
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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
    • G01D18/00—Testing or calibrating apparatus or arrangements provided for in groups G01D1/00 - G01D15/00

Definitions

  • the invention relates to an inductive linear displacement sensor with a primary coil and two secondary coils, the secondary coils being inductively coupled to the primary coil. Furthermore, the invention relates to a system of a linear displacement sensor and a position encoder arranged above it, in particular in the linear direction with respect to the linear displacement sensor, as well as a method for linear displacement detection with a linear displacement sensor or a system consisting of a linear displacement sensor and a position transmitter arranged above it.
  • Such inductive linear displacement sensors are used, for example, in the automotive sector, in large machines and in automatic meter readings.
  • Various concepts are known, for example so-called linear variable differential transformers in which the signals, i.e. the voltages induced by the primary coil, of the secondary coils are subtracted from one another. Alternatively, it is possible to look at the relationship between the signals. A linear characteristic curve is generated from the signals, which can be used to determine the path.
  • an inductive linear displacement sensor with a primary coil and two secondary coils, the secondary coils being inductively coupled to the primary coil, the linear displacement sensor having a calibration coil which is inductively coupled to the primary coil, the calibration coil being arranged such that one of their generated signal has one and only one zero crossing in the middle of the linear position sensor.
  • the calibration coil is preferably provided in such a way that the signal generated by it assumes a different sign and particularly preferably a constant value on the two sides of the center.
  • a calibration with regard to the center of the linear displacement sensor or the center of the characteristic curve can advantageously be carried out unambiguously on the basis of the clear zero position of the signal from the calibration coil.
  • this calibration is made possible in a particularly simple manner, as a result of which complicated control electronics for evaluating the signal from the calibration coil can be dispensed with.
  • the calibration coil provides an additional diagnostic option for the linear position sensor.
  • a new calibration can be carried out in a simple and reliable manner at any time, even during the operating time of the linear displacement sensor.
  • this calibration option via the calibration coil is advantageously independent of other methods that are based on the evaluation of the signals from the secondary coils.
  • the linear travel sensor is planar, in particular the coils are planar.
  • coils should be understood to mean the primary coil, the secondary coils and the calibration coil.
  • the term sensor is used synonymously for the linear travel sensor in the following.
  • the fact that the sensor is designed to be planar means in particular that the coils are arranged in one plane, that is to say are designed to be flat.
  • the linear travel sensor preferably has a, in particular essentially, cuboid shape.
  • the linear travel sensor particularly preferably has a main plane of extent which corresponds to the plane in which the coils are arranged, as well as a main direction of extent corresponding to the linear direction along which the path is detected. As a result, the sensor advantageously requires little space and provides a flat surface along which a position transmitter can be moved.
  • the linear travel sensor is provided as a printed circuit board, the coils being designed as single or multi-layer conductor tracks.
  • Such circuit boards are also referred to as circuit boards and can be produced simply and inexpensively using proven techniques.
  • the printed circuit board is provided in multiple layers, the coils being provided in one plane of the printed circuit board, in particular in a top level, with at least one control electronics unit for operating the primary coil and / or in a further level, in particular below the top level. or is arranged for processing the signals generated by the secondary coils and / or the calibration coil, in particular the control electronics for processing the signals generated by the secondary coils being designed as an integrated circuit.
  • the control electronics are very particularly preferably designed at least partially as an application-specific integrated circuit (AS IC for short). Such chips are standard components, so that the control electronics can be implemented cost-effectively.
  • AS IC application-specific integrated circuit
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the primary coil is operated with an, in particular high-frequency, alternating field.
  • the person skilled in the art understands that this creates an inductive resonant circuit in which the Secondary coils, but in particular also the calibration coil, are inductively coupled to the primary coil.
  • the secondary coils are designed in a sinusoidal geometry shifted relative to one another, in particular by TT / 2, the primary coil preferably being designed in a rectangular geometry.
  • the primary coil preferably being designed in a rectangular geometry.
  • the secondary coils are particularly preferably designed with only one measuring period.
  • the corresponding geometries advantageously ensure that the secondary coils generate a sinusoidal or cosinusoidal signal.
  • these signals can be combined via their quotient and the arctangent function to form an, at least essentially, linear signal. This means that the secondary coils generate a linear characteristic curve, on the basis of which the linear path can be determined.
  • the calibration coil is designed in such a way that it runs essentially parallel to the primary coil on both sides of the center and changes side in the center of the linear displacement sensor transversely to the main direction of extent.
  • the signal generated by the calibration coil changes sign in the center of the linear displacement sensor, that is to say, for example, a positive voltage is measured to the left of the center and a negative voltage to the right of the center.
  • the signal from the calibration coil therefore has only one zero crossing, namely in the middle of the linear displacement sensor.
  • the calibration coil is preferably provided in a planar manner and / or embodied twice axially symmetrically, in particular with regard to an axis running in the main direction of extent and through the center and with regard to an axis running transversely to the main direction of extent and through the center.
  • the calibration coil has a maximum distance of its turns in a transverse direction at the ends of the linear displacement sensor that are maximally distant from one another with regard to the main direction of extent to the main direction of extent. According to the invention, it is crucial that the calibration coil has exactly one zero crossing over the entire measuring range. Different forms are conceivable.
  • the essentially rectangular shape described above a shape that essentially corresponds to two triangles touching one another at their apex, or also a sinusoidal shape that has only one zero crossing.
  • an unambiguous zero position is defined in a particularly advantageous manner, via which the linear displacement sensor can be calibrated with respect to its center in a simple manner.
  • the linear travel sensor is encapsulated, the linear travel sensor being surrounded in particular by a plastic material.
  • the circuit board has no direct contact with the environment, but is surrounded by a material that preferably has no influence on the magnetic fields. This advantageously provides a linear travel sensor which is protected from environmental influences such as dirt, heat, lubricants and liquids.
  • an analog circuit in particular an operational amplifier, is provided for recognizing and / or processing the signal generated by the calibration coil.
  • the ASIC chips available on the market usually only have two inputs, corresponding to the two secondary coils.
  • the use of an analog circuit, such as an operational amplifier advantageously means that no proprietary control circuit has to be provided.
  • the circuit of the calibration coil is advantageously provided independently of the circuit of the secondary coils.
  • An additional diagnostic option is therefore provided in a particularly advantageous manner, which is independent of the signal processing / availability at the sensor output or of the signals from the inputs of an ASIC chip, particularly in the case of a conventional construction of an inductive linear displacement sensor.
  • Another subject matter of the invention is a system comprising a linear travel sensor according to the invention and a position transmitter arranged above it, in particular in a linear direction with respect to the linear travel sensor.
  • a position transmitter is preferably made from a magnetic material, in particular a ferrite.
  • the position transmitter has a resonance circuit.
  • Such a resonance circuit can be implemented, for example, analogously to the linear displacement sensor, as a printed circuit board with a coil made of conductor tracks and particularly preferably a capacitor.
  • the position transmitter is very particularly preferably guided on the linear position sensor, for example via lateral grooves which extend over the length of the linear position sensor and engage in the corresponding guide rails of the position transmitter.
  • the person skilled in the art understands that other relative types of movable attachment between the linear position sensor and position encoder are also possible.
  • the position transmitter can be moved freely relative to the linear position sensor.
  • the inductive linear displacement sensor according to the invention is advantageously insensitive to movements of the position transmitter transversely to the measuring direction, in particular transversely to the main direction of extent of the linear displacement sensor.
  • Yet another object of the present invention is a method for linear displacement detection with a linear displacement sensor according to the invention or a system according to the invention, wherein the primary coil is operated with an alternating field and a characteristic curve of the linear displacement sensor is calibrated with respect to the center of the linear displacement sensor by means of the signal generated by the calibration coil.
  • the primary coil is operated with an alternating field and a characteristic curve of the linear displacement sensor is calibrated with respect to the center of the linear displacement sensor by means of the signal generated by the calibration coil.
  • FIG. 1 shows an inductive linear displacement sensor not according to the invention
  • FIG. 2 shows the (useful) signals of the secondary coils of the linear displacement sensor according to FIG. 1;
  • FIG 3 shows an inductive linear displacement sensor according to an advantageous embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows the (useful) signals of the secondary coils and the calibration coil of the linear displacement sensor according to FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a linear characteristic curve of the linear displacement sensor according to FIG. 3 generated from the (useful) signals of the secondary coils.
  • FIG. 1 an inductive linear displacement sensor 1 not according to the invention is shown.
  • the linear travel sensor 1 is designed here as a printed circuit board 5.
  • the Cartesian coordinate system shown is used in the following merely as an example, the x direction corresponding to a main extension direction of the linear displacement sensor 1 and the plane corresponding to a main extension plane of the linear displacement sensor 1 through the x and y axes.
  • further layers of the printed circuit board 5 are not shown, which include the control electronics and other elements required for operating the linear displacement sensor 1 but known to the person skilled in the art.
  • a primary coil 2 is provided in a rectangular shape, as well as two secondary coils 3, 3 'within the rectangle spanned by the primary coil 2, which are provided in a sinusoidal or cosinus shape, ie are phase shifted from one another in particular by a quarter period, in other words by TT / 2.
  • FIG. 2 shows a graph in which the (useful) signals of the secondary coils 3, 3 ‘of the linear travel sensor 1 according to FIG. 1 are plotted over the linear travel, here parallel to the x-axis. It can be seen that the signals have a sinusoidal or cosinusoidal profile, although in the present case less than one complete period is passed through. From the ratio of the signals of the secondary coils 3, 3 ‘, a linear characteristic curve can be obtained via the arctangent function or the arctan2 function, from which the linear path can in turn be determined.
  • an inductive linear displacement sensor 1 as is shown in accordance with an advantageous embodiment in FIG. 3.
  • the structure in terms of the coil geometry of the primary coil 2 and the secondary coils 3, 3 ′ essentially corresponds to the structure explained in connection with FIG. 1.
  • a calibration coil 4 is provided here, which here runs parallel to the upper conductor track of the primary coil 2 to the left of the center and parallel to the lower conductor track of the primary coil 2 to the right of the center. Exactly in the center, the calibration coil 4 crosses the circuit board.
  • the calibration coil 4 is provided in such a way that it has a zero crossing in its signal exactly in the center of the linear displacement sensor 1 and has a constant, but signed, value on both sides of the center. This clearly defines the center of the linear displacement sensor 1. Because there is an essentially constant amplitude on both sides of the center, complex control electronics can also advantageously be dispensed with.
  • Fig. 4 the (useful) signals of the secondary coils 3, 3 ‘and the calibration coil 4 of the linear displacement sensor 1 according to FIG. 3 are shown. It can be seen how the signal from the calibration coil 4 has an unambiguous zero crossing in the center and, in accordance with the geometry of the calibration coil, has a constant value on both sides of the center or the zero crossing.
  • FIG. 5 shows a linear characteristic curve of the linear displacement sensor 1 according to FIG. 3 generated from the (useful) signals of the secondary coils 3, 3.
  • the center can be determined exactly, which enables simple calibration of the linear displacement sensor.
  • the curve shown here was determined from the voltages induced and measured in the secondary coils by means of the arctangent2 function (also referred to as arctan2 or atan2 function).

Abstract

Die Erfindung betrifft einen induktiven Linearwegsensor (1 ) mit einer Primärspule (2) und zwei Sekundärspulen (3, 3'), wobei die Sekundärspulen (3, 3') mit der Primärspule (2) induktiv gekoppelt sind, wobei der Linearwegsensor (1) eine Kalibrierungsspule (4) aufweist, die mit der Primärspule (2) induktiv gekoppelt ist, wobei die Kalibrierungsspule (4) derart angeordnet ist, dass ein von ihr erzeugtes Signal einen und nur einen Nulldurchgang in der Mitte des Linearwegsensors (1) aufweist.

Description

Induktiver Linearwegsensor
Die Erfindung betrifft einen induktiven Linearwegsensor mit einer Primärspule und zwei Sekundärspulen, wobei die Sekundärspulen mit der Primärspule induktiv gekoppelt sind. Ferner betrifft die Erfindung ein System aus einem Linearwegsensor und einem darüber, insbesondere in lineare Richtung in Bezug auf den Linearwegsensor, beweglich angeordneten Positionsgeber sowie ein Verfahren zur Linearwegerfassung mit einem Linearwegsensor oder einem System aus einem Linearwegsensor und einem darüber beweglich angeordneten Positionsgeber.
Derartige induktive Linearwegsensoren kommen beispielsweise im Automobilbereich, in Großmaschinen sowie bei automatischen Zählerablesungen zur Anwendung. Dabei sind verschiedene Konzepte bekannt, beispielsweise sogenannte lineare variable Differentialtransformatoren, bei denen die Signale, d.h. die durch die Primärspule induzierten Spannungen, der Sekundärspulen voneinander subtrahiert werden. Alternativ ist es möglich, das Verhältnis der Signale zu betrachten. Aus den Signalen wird dabei eine lineare Kennlinie erzeugt, anhand derer auf den Weg geschlossen werden kann.
Vor der Verwendung eines derartigen induktiven Linearwegsensors ist dabei eine Kalibrierung notwendig, ein sogenannten „Einlernen“ des Sensors, wobei u.a. die Nulllage des Sensors festgelegt werden muss. Diese liegt üblicherweise in der Mitte des Messbereichs und somit in der Mitte der Kennlinie. Nachteilig ist dabei jedoch, dass diverse Parameter Einfluss auf den Sensor haben und somit auch auf die Kennlinie haben, so dass eine Nulllagenerkennung schlimmstenfalls nicht mehr möglich ist.
Vor diesem Hintergrund stellt sich daher die Aufgabe, einen induktiven Linearwegsensor derart zu verbessern, dass eine eindeutige Nulllagenerkennung ermöglicht wird, ohne jedoch das bewährte Sensordesign zu vergrößern. Die Aufgabe wird gelöst durch einen induktiven Linearwegsensor mit einer Primärspule und zwei Sekundärspulen, wobei die Sekundärspulen mit der Primärspule induktiv gekoppelt sind, wobei der Linearwegsensor eine Kalibrierungsspule aufweist, die mit der Primärspule induktiv gekoppelt ist, wobei die Kalibrierungsspule derart angeordnet ist, dass ein von ihr erzeugtes Signal einen und nur einen Nulldurchgang in der Mitte des Linearwegsensors aufweist. Vorzugsweise ist die Kalibrierungsspule derartig vorgesehen, dass das von ihr erzeugte Signal auf den beiden Seiten der Mitte ein anderes Vorzeichen und besonders bevorzugt einen konstanten Wert annimmt.
Bei dem erfindungsgemäßen Linearwegsensor kann auf Grund der eindeutigen Nulllage des Signals der Kalibrierungsspule in vorteilhafter Weise eindeutig eine Kalibrierung hinsichtlich der Mitte des Linearwegsensors bzw. der Mitte der Kennlinie vorgenommen werden. Ferner wird diese Kalibrierung in besonders einfacher Weise ermöglicht, wodurch auf komplizierte Steuerungselektronik zur Auswertung des Signals der Kalibrierungsspule verzichtet werden kann. Zudem wird durch die Kalibrierungsspule eine zusätzliche Diagnosemöglichkeit des Linearwegsensors bereitgestellt. Somit kann auch während der Betriebsdauer des Linearwegsensors bei Bedarf jederzeit eine erneute Kalibrierung in einfacher und zuverlässiger Weise vorgenommen werden. Insbesondere ist diese Kalibrierungsmöglichkeit über die Kalibrierungsspule vorteilhafterweise unabhängig von anderen Verfahren, die auf der Auswertung der Signale der Sekundärspulen beruhen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Linearwegsensor planar ausgebildet, wobei insbesondere die Spulen planar ausgebildet sind. Der Fachmann versteht, dass im vorliegenden Fall unter Spulen die Primärspule, die Sekundärspulen sowie die Kalibrierungsspule verstanden werden sollen. Ferner wird im Folgenden der Begriff Sensor synonym für den Linearwegsensor verwendet. Dass der Sensor planar ausgebildet ist bedeutet insbesondere, dass die Spulen in einer Ebene angeordnet sind, d.h. flach ausgebildet sind. Vorzugsweise weist der Linearwegsensor eine, insbesondere im Wesentlichen, quaderförmige Gestalt auf. Der Linearwegsensor weist dabei besonders bevorzugt eine Haupterstreckungsebene, die mit der Ebene, in der die Spulen angeordnet sind, übereinstimmt, sowie eine Haupterstreckungsrichtung auf, die der linearen Richtung entspricht, entlang derer der Weg erfasst wird. Hierdurch weist der Sensor vorteilhafterweise einen geringen Raumbedarf aus und stellt eine ebene Fläche bereit, entlang derer ein Positionsgeber bewegbar ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Linearwegsensor als Leiterplatte vorgesehen, wobei die Spulen als ein- oder mehrschichtige Leiterbahnen ausgebildet sind. Derartige Leiterplatten werden auch als Platinen bezeichnet und können mit bewährten Techniken einfach und kostengünstig hergestellt werden. Durch die Ausgestaltung der Spulen als Leiterbahnen können die Primärspule, die Sekundärspulen sowie die Kalibrierungsspule in einfacher und zuverlässiger Weise bereitgestellt werden.
Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Leiterplatte mehrschichtig vorgesehen ist, wobei die Spulen in einer Ebene der Leiterplatte vorgesehen sind, insbesondere in einer obersten Ebene, wobei in einer weiteren Ebene, insbesondere unterhalb der obersten Ebene, wenigstens eine Steuerelektronik zum Betrieb der Primärspule und/oder zur Verarbeitung der durch die Sekundärspulen und/oder die Kalibrierungsspule erzeugten Signale angeordnet ist, wobei insbesondere die Steuerelektronik zur Verarbeitung der durch die Sekundärspulen erzeugten Signale als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist. Ganz besonders bevorzugt ist die Steuerelektronik dabei wenigstens teilweise als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (engl application-specific integrated Circuit, kurz AS IC) ausgeführt. Derartige Chips sind Standardkomponenten, so dass die Steuerelektronik kostengünstig ausgeführt werden kann. Der Fachmann versteht, dass zwischen den verschiedenen Ebenen der Leiterplatte entsprechende elektrische Verbindungen vorzusehen sind. In vorteilhafter weise können somit in platzsparender Weise sowohl die Spulen als auch die Steuerelektronik in einer Leiterplatte bereitgestellt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei vor, dass die Primärspule mit einem, insbesondere hochfrequenten, Wechselfeld betrieben wird. Der Fachmann versteht, dass hierdurch ein induktiver Schwingkreis erzeugt wird, in dem die Sekundärspulen, aber insbesondere auch die Kalibrierungsspule, induktiv mit der Primärspule gekoppelt sind.
Gemäß noch einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Sekundärspulen in einer zueinander, insbesondere um TT/2, verschobenen Sinus-Geometrie ausgeführt sind, wobei vorzugsweise die Primärspule in einer Rechteck-Geometrie ausgeführt ist. Der Fachmann versteht dabei, dass dies insbesondere gleichbedeutend damit ist, dass eine Sekundärspule in einer Sinus-Geometrie ausgeführt ist und die andere Spule in einer Cosinus- Geometrie. Besonders bevorzugt sind die Sekundärspulen dabei mit nur einer Messperiode ausgeführt. Die entsprechenden Geometrien stellen dabei vorteilhafterweise sicher, dass die Sekundärspulen ein sinus- bzw. cosinus-förmiges Signal erzeugen. Der Fachmann versteht, dass diese Signale sich über ihren Quotienten und die Arkustangens-Funktion zu einem, wenigstens im Wesentlichen, linearen Signal kombinieren lassen. D.h. die Sekundärspulen erzeugen eine lineare Kennlinie, anhand derer der Linearweg ermittelbar ist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kalibrierungsspule dabei derart ausgebildet, dass sie zu beiden Seiten der Mitte im Wesentlichen parallel zu der Primärspule verläuft und in der Mitte des Linearwegsensors quer zur Haupterstreckungsrichtung die Seite wechselt. Dies bedeutet insbesondere, dass das durch die Kalibrierungsspule erzeugte Signal in der Mitte des Linearwegsensors das Vorzeichen wechselt, also beispielsweise links der Mitte eine positive Spannung gemessen wird und rechts der Mitte eine negative Spannung. Das Signal der Kalibrierungsspule weist mithin nur einen Nulldurchgang auf, nämlich in der Mitte des Linearwegsensors. Vorzugsweise ist die Kalibrierungsspule planar vorgesehen und/oder zweifach achsensymmetrisch ausgebildet, insbesondere hinsichtlich einer in Haupterstreckungsrichtung und durch die Mitte verlaufenden Achse und hinsichtlich einer quer zur Haupterstreckungsrichtung und durch die Mitte verlaufenden Achse. Besonders bevorzugt weist die Kalibrierungsspule an den hinsichtlich der Haupterstreckungsrichtung voneinander maximal entfernten Enden des Linearwegsensors eine maximale Entfernung ihrer Windungen in einer Richtung quer zur Haupterstreckungsrichtung aus. Entscheidend ist erfindungsgemäß, dass die Kalibrierungsspule über den gesamten Messbereich genau einen Nulldurchgang aufweist. Dabei sind verschiedene Formen vorstellbar. Beispielsweise die oben beschriebene im Wesentlichen rechteckige Form, eine Form die im Wesentlichen zwei sich an ihrer Spitze berührender Dreiecke entspricht oder auch einer Sinusform, die lediglich einen Nulldurchgang aufweist. Hierdurch ist in besonders vorteilhafter weise eine eindeutige Nulllage definiert, über die in einfacher Weise eine Kalibrierung des Linearwegsensors hinsichtlich seiner Mitte erfolgen kann.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Linearwegsensor verkapselt ist, wobei der Linearwegsensor insbesondere von einem Kunststoffmaterial umgeben ist. Damit ist insbesondere gemeint, dass die Leiterplatte keinen direkten Kontakt zur Umgebung hat, sondern durch ein Material, welches vorzugsweise keinen Einfluss auf die Magnetfelder hat, umgeben ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ein Linearwegsensor bereitgestellt, welcher gegenüber Umwelteinflüssen, wie Schmutz, Hitze, Schmierstoffen und Flüssigkeiten, geschützt ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Erkennung und/oder Verarbeitung des von der Kalibrierungsspule erzeugten Signals ein analoger Schaltkreis, insbesondere ein Operationsverstärker, vorgesehen ist. Die marktüblichen ASIC-Chips weisen in der Regel lediglich zwei Eingänge, entsprechend den beiden Sekundärspulen, auf. Durch die Verwendung eines analogen Schaltkreises, wie eines Operationsverstärkers, muss vorteilhafterweise keine proprietäre Steuerschaltung bereitgestellt werden. Insbesondere durch die besondere Ausgestaltung der Kalibrierungsspule ist es dabei in besonders vorteilhafter Weise möglich, dass lediglich die Amplitude des Kalibrierungsspulensignals ausgegeben werden muss. Dies bedeutet auch, dass in vorteilhafter Weise die Schaltung der Kalibrierungsspule unabhängig von der Schaltung der Sekundärspulen vorgesehen ist. Es wird also in besonders vorteilhafter Weise eine zusätzliche Diagnosemöglichkeit bereitgestellt, welche insbesondere bei einem üblichen Aufbau eines induktiven Linearwegsensors unabhängig von der Signalverarbeitung/-verfügbarkeit am Sensorausgang bzw. von den Signalen der Eingänge eines ASIC-Chips. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein System aus einem erfindungsgemäßen Linearwegsensor und einem darüber, insbesondere in lineare Richtung in Bezug auf den Linearwegsensor, beweglich angeordneten Positionsgeber. Vorzugsweise ist ein derartiger Positionsgeber aus einem magnetischen Material, insbesondere einem Ferrit, ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich weist der Positionsgeber einen Resonanzkreis auf. Ein derartiger Resonanzkreis ist dabei beispielsweise analog zu dem Linearwegsensor als Leiterplatte mit einer Spule aus Leiterbahnen und besonders bevorzugt einem Kondensator ausführbar.
Ganz besonders bevorzugt ist der Positionsgeber an dem Linearwegsensor geführt, beispielsweise über seitliche Nuten, die sich über die Länge des Linearwegsensors erstrecken, in die entsprechende Führungsschienen des Positionsgebers eingreifen. Der Fachmann versteht, dass auch andere relative Arten der beweglichen Befestigung zwischen Linearwegsensor und Positionsgeber möglich sind. Alternativ ist der Positionsgeber frei relativ zudem Linearwegsensors beweglich. Der erfindungsgemäße induktive Linearwegsensor ist dabei vorteilhafterweise unempfindlich gegenüber Bewegungen des Positionsgebers quer zur Messrichtung, insbesondere quer zur Haupterstreckungsrichtung des Linearwegsensors.
Bei dem erfindungsgemäßen System können dieselben Vorteile erreicht werden wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Linearwegsensors beschrieben worden sind. Die im Zusammenhang mit diesem Sensor erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale können, allein oder in Kombination, auch bei dem System zur Anwendung kommen.
Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Linearwegerfassung mit einem erfindungsgemäßen Linearwegsensor oder einem erfindungsgemäßen System, wobei die Primärspule mit einem Wechselfeld betrieben wird und wobei mittels des von der Kalibrierungsspule erzeugten Signals eine Kennlinie des Linearwegsensors hinsichtlich der Mitte des Linearwegsensors kalibriert wird. Der Fachmann versteht, dass dies durch die besondere Ausgestaltung der Kalibrierungsspule ermöglicht wird. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
Fig. 1 einen nicht-erfindungsgemäßer induktiver Linearwegsensor;
Fig. 2 die (Nutz-)Signale der Sekundärspulen des Linearwegsensors gemäß Fig. 1;
Fig. 3 einen induktiven Linearwegsensor gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 die (Nutz)-Signale der Sekundärspulen und der Kalibrierungsspule des Linearwegsensors gemäß Fig. 3; und
Fig. 5 eine aus den (Nutz-)Signalen der Sekundärspulen erzeugte lineare Kennlinie des Linearwegsensors gemäß Fig. 3.
In der Fig. 1 ist ein nicht-erfindungsgemäßer induktiver Linearwegsensor 1 dargestellt. Der Linearwegsensor 1 ist hier als Leiterplatte 5 ausgeführt. Dabei ist hier der Übersichtlichkeit halber lediglich eine obere Funktionsschicht dargestellt. Lediglich beispielhaft wird im Folgenden das dargestellte kartesische Koordinatensystem verwendet, wobei die x-Richtung einer Haupterstreckungsrichtung des Linearwegsensors 1 entspricht und die durch die x- und y-Achsen Ebene einer Haupterstreckungsebene des Linearwegsensors 1 entspricht. Nicht dargestellt sind dabei insbesondere weitere Schichten der Leiterplatte 5, die u.a. die Steuerelektronik und weitere zum Betrieb des Linearwegsensors 1 erforderliche, aber dem Fachmann bekannte, Elemente aufweisen.
In der Leiterplatte 5 sind beispielsweise in Form von Leiterbahnen verschiedene Spulen 2, 3, 3‘ realisiert. Dabei ist vorliegend eine Primärspule 2 rechteckig vorgesehen, sowie innerhalb des von der Primärspule 2 aufgespannten Rechteckes zwei Sekundärspulen 3, 3‘, die sinus-förmig bzw. cosinus-förmig vorgesehen sind, d.h. zueinander insbesondere um eine Viertel Periode, mit anderen Worten um TT/2, phasenverschoben sind.
Die Darstellung in Fig. 2 zeigt einen Graphen, in dem die (Nutz-)Signale der Sekundärspulen 3, 3‘ des Linearwegsensors 1 gemäß Fig. 1 über den Linearweg, hier parallel zur x-Achse, aufgetragen sind. Es ist dabei ersichtlich, dass die Signale einen sinus- bzw. cosinus-förmigen Verlauf aufweisen, wobei jedoch vorliegend weniger als eine vollständige Periode durchlaufen wird. Aus dem Verhältnis der Signale der Sekundärspulen 3, 3‘ kann dabei über die Arcustangens-Funktion, bzw. der arctan2- Funktion, eine lineare Kennlinie erhalten werden, aus der dann wiederum der Linearweg bestimmt werden kann.
Vor dem erstmaligen Einsatz eines derartigen induktiven Linearwegsensors 1 muss jedoch der komplette Messweg einmalig durchlaufen und vermessen werden, um den Sensor 1 zu kalibrieren, insbesondere hinsichtlich der Mitte des Sensors 1. Dabei ist diese Kalibrierung jedoch empfindlich gegenüber einer Vielzahl von Einflüssen und kann sich daher ggf. verschieben, was nicht wünschenswert ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit einem induktiven Linearwegsensor 1 gelöst, wie er gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform in Fig. 3 dargestellt ist. Dabei entspricht der Aufbau hinsichtlich der Spulengeometrie der Primärspule 2 und der Sekundärspulen 3, 3‘ im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Aufbau. Zusätzlich ist jedoch hier eine Kalibrierungsspule 4 vorgesehen, die hier links der Mitte parallel zu der oberen Leiterbahn der Primärspule 2 verläuft und rechts der Mitte parallel zu der unteren Leiterbahn der Primärspule 2. Exakt in der Mitte kreuzt die Kalibrierungsspule 4 die Leiterplatte. Mit anderen Worten ist die Kalibrierungsspule 4 derart vorgesehen, dass sie exakt in der Mitte des Linearwegsensors 1 in ihrem Signal einen Nulldurchgang aufweist und beidseitig der Mitte einen konstanten, aber vorzeichenverkehrten Wert aufweist. Hierdurch ist die Mitte des Linearwegsensors 1 eindeutig bestimmt. Dadurch, dass beidseitig der Mitte eine im Wesentlichen konstante Amplitude vorliegt, kann auch vorteilhafterweise auf eine komplexe Steuerelektronik verzichtet werden.
In Fig. 4 sind die (Nutz)-Signale der Sekundärspulen 3, 3‘ und der Kalibrierungsspule 4 des Linearwegsensors 1 gemäß Fig. 3 dargestellt. Es ist ersichtlich, wie das Signal der Kalibrierungsspule 4 mittig einen eindeutigen Nulldurchgang und entsprechend der Geometrie der Kalibrierungsspule beidseitig der Mitte bzw. des Nulldurchgangs einen konstanten Wert aufweist.
Schließlich ist in Fig. 5 eine aus den (Nutz-)Signalen der Sekundärspulen 3, 3‘ erzeugte lineare Kennlinie des Linearwegsensors 1 gemäß Fig. 3 abgebildet. Mithilfe des Signals der Kalibrierungsspule 4 kann dabei die Mitte exakt bestimmt werden, wodurch eine einfache Kalibrierung des Linearwegsensors ermöglicht wird. Dabei wurde der hier dargestellte Verlauf aus den in den Sekundärspulen induzierten und gemessenen Spannungen mittels der Arcustangens2-Funktion (auch als arctan2 oder atan2-Funktion bezeichnet) ermittelt.

Claims

Patentansprüche
1. Induktiver Linearwegsensor (1) mit einer Primärspule (2) und zwei Sekundärspulen (3, 3‘), wobei die Sekundärspulen (3, 3‘) mit der Primärspule (2) induktiv gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearwegsensor (1) eine Kalibrierungsspule (4) aufweist, die mit der Primärspule (2) induktiv gekoppelt ist, wobei die Kalibrierungsspule (4) derart angeordnet ist, dass ein von ihr erzeugtes Signal einen und nur einen Nulldurchgang in der Mitte des Linearwegsensors (1) aufweist.
2. Linearwegsensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearwegsensor (1) planar ausgebildet ist, wobei insbesondere die Spulen (2, 3, 3‘, 4) planar ausgebildet sind.
3. Linearwegsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearwegsensor (1) als Leiterplatte (5) vorgesehen ist, wobei die Spulen (2, 3, 3‘, 4) als ein- oder mehrschichtige Leiterbahnen ausgebildet sind.
4. Linearwegsensor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (5) mehrschichtig vorgesehen ist, wobei die Spulen (2, 3, 3‘, 4) in einer Ebene der Leiterplatte (5) vorgesehen sind, insbesondere in einer obersten Ebene, wobei in einerweiteren Ebene, insbesondere unterhalb der obersten Ebene, wenigstens eine Steuerelektronik zum Betrieb der Primärspule (2) und/oder zur Verarbeitung der durch die Sekundärspulen (3, 3‘) und/oder die Kalibrierungsspule erzeugten Signale angeordnet ist, wobei insbesondere die Steuerelektronik zur Verarbeitung der durch die Sekundärspulen (3, 3‘) erzeugten Signale als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist.
5. Linearwegsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearwegsensor (1) verkapselt ist, wobei der Linearwegsensor (1) insbesondere von einem Kunststoffmaterial umgeben ist.
6. Linearwegsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung und/oder Verarbeitung des von der Kalibrierungsspule (4) erzeugten Signals ein analoger Schaltkreis, insbesondere ein Operationsverstärker, vorgesehen ist.
7. Linearwegsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspulen (3, 3‘) in einer zueinander, insbesondere um TT/2, verschobenen Sinus-Geometrie ausgeführt sind, wobei vorzugsweise die Primärspule (2) in einer Rechteck-Geometrie ausgeführt ist.
8. Linearwegsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (2) mit einem, insbesondere hochfrequenten, Wechselfeld betrieben wird.
9. System aus einem Linearwegsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem darüber, insbesondere in lineare Richtung in Bezug auf den Linearwegsensor (1), beweglich angeordneten Positionsgeber.
10. Verfahren zur Linearwegerfassung mit einem Linearwegsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 -8 oder einem System gemäß Anspruch 9, wobei die Primärspule (2) mit einem Wechselfeld betrieben wird, wobei mittels des von der Kalibrierungsspule (4) erzeugten Signals eine Kennlinie des Linearwegsensors (1) hinsichtlich der Mitte des Linearwegsensors (1) kalibriert wird.
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