專利名稱：導電且優選為齒形面的運動參數測定方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種導電且優選為齒形面相對一傳感器的運動參數的測定方法和裝置，而該傳感器包括至少一產生一交變電磁場的線圈，該電磁場由于在該齒形面和傳感器之間的位置變化引起的反饋而經歷一可通過該線圈測定的變化。
背景技術：
人們從實際運用，業已知道所討論的方法和裝置，而且它們具有特殊價值，特別是在一第一物體相對一第二物體在一限定距離內移動的時候，例如，磁性軸承、懸浮裝置、齒輪失調檢測裝置等等通常就是這樣的。
DE 32 44 420 C2揭示一種磁力懸浮車輛的距離傳感器。該傳感器包括一個發射線圈和兩個接收線圈，而該發射線圈設計成一長形扁平線圈，其線圈軸線向該磁力懸浮車輛的運動方向傾斜地延伸。該特別配置在某種程度上降低所謂的槽齒諧波。然而，該傳感器容許測量的距離僅僅由10mm到15mm。
DE 199 27 759 A1揭示一種裝置，其利用磁性來測量在一鐵磁極齒輪和一直接放置在該磁極輪附近的磁敏性傳感器之間的距離，而且該裝置可用來探測該齒輪的運動。該發明的要點是采用一永久磁鐵，其面對該齒狀物件的磁極面與該磁極齒輪組件按比例來說夠大，所以該永久磁鐵的中性區的位置保持不受該磁極齒輪的相應位置的影響。該裝置也可以用來測定該磁極齒輪的轉速、速度和路徑。然而，該裝置的缺點是其精確度低，尤其是在該傳感器和該磁極齒輪之間的距離較大的情況下。
在DE 34 09 448 C2中揭示的一種裝置，其由通過反應軌中的渦流作用的交變磁場的與磁隙相關的磁阻尼構成。關于這一點，該線圈系統的感抗在一可并聯或串聯操作的電容器的幫助下完全抵消，而且由于該電容器，基本上可自該線圈系統的有效電阻來測定該距離信號。在該情況下的一個缺點在于該整體裝置的測量精度極大地受到該線圈系統的參數和該補償電容器的公差的影響，而該些公差在實際的結構中是不可避免的。
發明內容
所以本發明的一個目的是提供一種導電且優選為齒形面相對一傳感器的運動參數的測定方法和裝置，其測定一導電且優選為齒形面相對一傳感器的運動參數，其中有可能在一方面測量一在一齒形面和一傳感器之間的最大的可能距離，而且在另一方面測量該槽齒諧波，即在該些齒和槽上面移動時產生的信號變化，并且盡可能排除由溫度波動產生的影響。另外的一個目的是使到在測量的同時可以計算該齒形面和該傳感器之間的相對速度。
根據本發明，上述的關于提供一導電且優選為齒形面相對一傳感器的運動參數的測定方法的目的可以通過一種具有以下步驟的方法來達成。所述方法為一種導電且優選為齒形面(22)相對一傳感器(3)的運動參數的一種測定方法，而所述傳感器包括至少一產生一交變電磁場的線圈(16)，所述電磁場由于在所述齒形面(22)和所述傳感器(3)之間的位置變化引起的反饋而經歷一可通過所述線圈(16)測定的變化，所述方法的特征在于所述位置變化由所述線圈(16)的耦合阻抗(Zc)導出，而且利用一在所述傳感器(3)和所述齒形面(22)之間的距離d來測定所述線圈(16)的復耦合阻抗(Zc)的實數部份(Rc)和虛數部份(Xc)，所述距離d基于所述測定值且同時采用一算法為基來計算。
此外，上述的關于提供一導電且優選為齒形面相對一傳感器的運動參數的測定裝置的目的可以通過一種具有以下技術特征的裝置來達成。所述裝置為一種導電且優選為齒形面(22)相對一傳感器(3)的運動參數的一種測定裝置，而所述傳感器包括至少一產生一交變電磁場的線圈(16)，所述電磁場由于在所述齒形面(22)和所述傳感器(3)之間的位置變化引起的反饋而經歷一可通過所述線圈(16)測定的變化，所述裝置的特征在于所述線圈(16)的耦合阻抗(Zc)可以測量，通過設置一特別排列的測量機構測量所述線圈(16)的復耦合阻抗(Zc)的實數部份(Rc)和虛數部份(Xc)，并且基于所述測量來計算所述傳感器(3)和所述齒形面(22)之間的距離d和相對速度或轉速。
該傳感器還可以包括一具有至少兩個線圈的線圈系統，其可代替一單一線圈。在該情況下，該第二線圈可以有利地用作補償漂移或其它的影響。
基于該些測量值，可以通過函數(1)來求出該齒形面和該傳感器之間的距離dd=f(Rc,Xc,XcRc)---(1)]]>通過自方程式(2)的函數的周期時間，于是就有可能通過方程式(3)來推斷出該齒形面和傳感器之間的相對速度v或轉速
Fx=f(XcRc)---(2)]]>v=LT(Fx)---(3)]]>其中L是一齒和一槽的長度的和(參照圖3a)，而T(Fx)是該函數Fx的周期時間。
在一較佳的配置中，有可能使用同一線圈產生交變電磁場和作為接收線圈。這樣可減少該測量方法要求的時間和材料和使該測量裝置簡單及易于操作，與此同時可預防一些可能的誤差源。
該復耦合阻抗(Zc)的實數部份(Rc)和虛數部份(Xc)的計算可以采用一數學模型來進行，該模型一方面描述該產生一交變場的線圈并且在另一方面描述該導電、齒形面對該線圈的由該傳感器和該齒形面之間的位置變化引起的耦合阻抗Zc的影響。
該耦合阻抗Zc的實數和虛數部份可以根據下列的方程式的理論來測定Rc=k0ωηe-32αdf1(k1,ω,σ,μ)f3(k3,ω,σ,μ)---(4)]]>
Xc=k0ωηe-32αdf2(k2,ω,σ,μ)f3(k3,ω,σ,μ)---(5)]]>其中d為該傳感器和該齒形面之間的距離，ω為激勵頻率，而σ和μ分別為該齒形面材質的電導率和磁導率。
從方程式(4)和(5)就可明顯看出Rc和Xc基本上與距離d按指數規律地變化。
從這些方程式，就可以同樣地通過以下方程式來計算該復耦合阻抗Zc的相角Фc 在一初步的概算中，相角Фc與距離d無關。
這些方程式的設置和其不同部份不會在此作更詳細的論述。然而，應該注意的是Rc、Xc和tanФc的測定可以用來計算該齒形面和該線圈系統之間的距離d和相對速度(或轉速)。在計算的范疇內來說，有可能考慮到該齒形面的電磁特性μ和σ。
根據方程式(4)和(5)且通過以下的方程式就可提供一有利的變型來測定該導電且優選為齒形面和該產生一交變場的傳感器之間的距離d
d=k1·XcRc-ln(Xc)---(7)]]>在該情況下，通過方程式(7)計算該傳感器和齒形面之間的距離d是特別有利的，因為基本上不會有槽齒諧波。
同時，通過方程式(2)和(3)有可能測定一具有均距相隔的齒和槽的表面相對于該傳感器的相對速度v(或轉速)。
如上所述，該傳感器可以包括一用來產生一交變場并作為一接收線圈的測量線圈。然而，也有可能采用兩個線圈，其中一個用來產生該交變場，而另一個可用作為一測量線圈。在該兩種情況下，該測量線圈皆可以由該根據方程式(4)和(5)的數學模型來描述。該測量線圈然后可以這樣制定以致于該數學模型可用于計算線圈參數。采用該數學模型使到有可能減少所謂的槽齒諧波，即在該些齒和槽上移動時產生的測量線圈阻抗變化。
為了進一步減少槽齒諧波，可產生一有利的變型，其中該測量線圈的磁場單一性地向該運動方向增加，與距離無關地，直到該測量線圈的中心，并且再以同一方式單一性地減少。這樣一種磁場圖可以實現，例如，使該測量線圈的部份繞組做成垂直于該運動方向以致于該些部份的電感份量可以大大地減小并且從而對該測量結果幾乎沒有影響。
此外，補償溫度對該測量線圈的耦合阻抗或Rc和Xc的影響是有利的。為此，該線圈系統除該測量線圈之外可以包括一補償線圈(參比線圈)，其阻抗與距離d無關。在該情況下，重要的是在該傳感器和齒形面之間的距離d達到最大且在該齒形面對該測量線圈沒有影響的時候，該參比線圈的質量相等于該測量線圈的質量。要滿足這些必要條件可以通過該些線圈參數，例如，諸如繞數、導線直徑等等。該兩個線圈的實數和虛數部份的一加權減法然后使到有可能補償溫度的影響。在一具體的配置中，該測量線圈和該補償線圈可以由具有一相同的固定頻率的交流電流來激勵。
根據該些信號，該測量線圈的復耦合阻抗(Zc)的實數部份(Rc)和虛數部份(Xc)的制備可以實現為兩種變型。在一第一變型中，該復耦合阻抗Zc的實數和虛數部份，例如，有可能由以下的三個步驟來測定1.在沒有該齒形面的情況下測定該測量線圈的阻抗Zc的實數部份Re[Zo]和虛數部份Im[Zo]。
2.在該齒形面的影響下測定該測量線圈的阻抗Zm的實數部份Re[Zm]和虛數部份Im[Zm]。
3.根據該步驟1和2的數值，然后就有可能通過以下的方程式以減法求出該復耦合阻抗Zc的實數部份和虛數部份Rc＝Rm-RoXc＝Xm-Xo。
在一第二變型中，該復耦合阻抗Zc的實數和虛數部份可以由以下的兩個步驟來進行測定1.通過一根據該些測量和參比線圈的阻抗的加權減法直接地求出該復耦合阻抗Zc＝Zm-Zo。
2.根據該復耦合阻抗Zc，求出該實數部份Rc和虛數部份Xc。
存在有各種各樣的以一有利的方式來改進和進一步發展本發明的啟示的可能性。為此，可以在一方面參照本發明的權利要求和在另一方面參照以下對本發明的較佳實施例及有關附圖的詳細敘述。通過本發明的較佳實施例與有關附圖的結合，還可更詳細地說明本發明的啟示的大體上的較佳改進和進一步發展。在附圖中圖1所示為一根據本發明的一導電且優選為齒形面相對一傳感器的運動參數的測定裝置的框圖的示意圖；圖2a所示為一根據本發明的一測量自一齒輪的距離和測量該齒輪的速度的裝置的一第一實施例的電感傳感器的示意圖；圖2b所示為該在圖2a中的傳感器的一更精密的示意圖；圖3a所示為一根據本發明的一測量一磁力懸浮車輛自其異型導軌的距離和測量該車輛速度的裝置的一第二實施例的電感傳感器的示意圖；圖3b所示為該在圖3a中的傳感器的一更精密的示意圖；圖4所示為一在圖2和圖3中且使用平面技術的傳感器的示意圖；圖5所示為一根據本發明的裝置的另一實施例的傳感器的示意圖；圖6所示為一說明該計算距離作為在該齒形面對面的不同位置x的實際測量距離的一函數的曲線圖；以及圖7所示為一顯示該函數Fx作為該在不同距離d的位置x的一函數的曲線圖。
具體實施例方式
圖1以示意圖示出一根據本發明的一導電且優選為齒形面相對一傳感器的運動參數的測定裝置的框圖。根據圖1所示的電路，一振蕩器1產生一具有某一固定頻率f的正弦電壓U1-和在同時產生一具有同一固定頻率f的第二正弦電壓U2-，其相對于電壓U1-有90°相差。該電壓U1-與一激勵器2的輸入端連接，該激勵器激勵一由一測量線圈和一參比線圈組成的傳感器3。
自該些測量和參比線圈的測量信號在一放大器4中形成一差。該差在一倍增器5中以信號U1-放大，并且在一倍增器6中以信號U2-放大。在通過低通濾波器7和8之后，產生兩個電壓Uc1和Uc2，Uc1與該線圈系統的復耦合阻抗Zc的實數部份(Rc)成比例，而Uc2則與虛數部份(Xc)成比例。該兩個電壓通過一模數轉換器9來數字化。在一微控制器10中，一要求的距離d可以，例如，基于該方程式(1)來計算。此外，有可能用方程式(2)和(3)計算速度v。最后，借助于一電可擦可編程只讀存儲器11，還可以使該距離d的特性線性化。
圖2a所示為一傳感器3，其可同時測量，例如為了測定不平衡性，其與一成一齒輪13形狀的測試物件12的距離以及該齒輪13的速度。傳感器3包括一扁平的鐵磁線圈支承件14，其可配合該齒輪13的曲率，而且其表面裝有一線圈系統15。
在圖2b中更精密地示出該線圈系統15，其并且包括一測量線圈16，該線圈這樣構造以致于在其每一繞組部份17皆垂直于該齒輪的運動方向(y方向)延伸的情況下，使多條導線絞合在一起。該測量線圈16在x方向上的長度大致相當于該齒輪13的一槽齒的間距。一補償線圈18在該線圈支承件14上繞成一環形線圈，從而使該些線圈參數與該測試物件12無關。在圖2中所示的另外的一電子部件19通過一電纜20與該測量線圈16連接。
圖3a所示的布置示出一設計來裝入一磁力懸浮車輛內的傳感器3。該布置計劃用來測定該車輛自一異型導軌的距離d和該車輛的速度。圖3a與圖2中的相同部件用相同的數字代表。
正如圖3b最佳地示出那樣，該傳感器3包括一扁平的鐵磁線圈支承件14，其表面裝有一測量線圈16以致于其定向于x方向的繞組部份21放置于該支承件14面對一齒形面22的表面上。該在y方向上布置的繞組部份17放置于該支承件14遠離該齒形面22的表面上。在該配置中，該參比線圈18同樣地在該支承件14上延伸為一環形線圈。
圖4所示為一在圖2和圖3中所示的布置，而該線圈則是采用平面技術來制成的。
圖5所示為該傳感器3的另一實施例，其中該測量線圈16的在y方向上延伸的繞組部份17的磁場由一相反磁場抵消。這可以通過兩個在y-z平面上卷繞的繞組部份23來實現。因此，該些繞組部份17的磁場被消除，所以只有該些繞組部份21的磁場仍然對該測量起重要作用。該些繞組部份23的其余磁場不再與該測量有關。
在圖6中，該距離d的計算值作為該實際距離z的一函數來繪制。當該傳感器3的參數、在該齒形面22上的不同位置x輸入后。就會變得顯而易見，即該計算值d大致上與該傳感器3相對于該齒形面22的位置x無關。所以，本發明的方法適合于對該要求距離z作一精確的測定。
正如圖7最佳地示出那樣，該函數Fx的穩恒部分幾乎與該傳感器3和該齒形面22之間的距離d無關。所以一合適的比較器電平可測定在兩連續的上升及下降坡道的時間。然后可用該周期時間T(Fx)且根據方程式(3)來測定該齒形面22相對于該傳感器3的速度或轉速。
權利要求
1.一種導電且優選為齒形面(22)相對一傳感器(3)的運動參數的測定方法，而所述傳感器包括至少一產生一交變電磁場的線圈(16)，所述電磁場由于在所述齒形面(22)和所述傳感器(3)之間的位置變化引起的反饋而經歷一可通過所述線圈(16)測定的變化，所述方法的特征在于所述位置變化由所述線圈(16)的耦合阻抗(Zc)導出，而且利用一在所述傳感器(3)和所述齒形面(22)之間的距離d來測定所述線圈(16)的復耦合阻抗(Zc)的實數部份(Rc)和虛數部份(Xc)，所述距離d基于所述測定值且同時采用一算法為基來計算。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述傳感器(3)包括一具有至少兩個線圈的線圈系統(15)，其中第二個線圈用來補償漂移或其它的影響。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于以下的數學函數d=f(Rc,Xc,XcRc)]]>作為算法，通過以下的函數v=LT(Fx)]]>求出所述齒形面(22)和傳感器(3)之間的相對速度v或轉速，其中L是一齒和一槽的長度的和，而T(Fx)是以下函數Fx的周期時間Fx=f(XcRc).]]>
4.根據權利要求2或3所述的方法，其特征在于采用一數學模型來計算所述線圈系統(15)的復耦合阻抗(Zc)的實數部份(Rc)和虛數部份(Xc)，所述模型描述一用來產生一交變場的線圈系統(15)并且考慮到所述齒形面(22)對所述線圈阻抗的影響。
5.根據權利要求1-4其中一項所述的方法，其特征在于把不同的線圈用于產生所述交變電磁場和用作為接收(測量)線圈(16)。
6.根據權利要求1-5其中一項所述的方法，其特征在于用以下三個步驟來測定所述測量線圈(16)的復耦合阻抗(Zc)的實數部份(Rc)和虛數部份(Xc)a)在沒有所述齒形面的影響下測量所述測量線圈(16)的復阻抗Zo的實數部份Re[Zo]和虛數部份Im[Zo]，而Zo＝Re[Zo]+j*Im[Zo]；b)在所述齒形面的影響下測量所述測量線圈(16)的復阻抗Zm的實數部份Re[Zm]和虛數部份Im[Zm]，而Zm＝Re[Zm]+j*Im[Zm]；c)通過以下的方程式計算所述復耦合阻抗Zc＝Re[Zc]+j*Im[Zc]的實數部份Rc和虛數部份XcRc＝Re[Zc]＝Re[Zm]-Re[Zo]Xc＝Im[Zc]＝Im[Zm]-Im[Zo]。
7.根據權利要求1-6其中一項所述的方法，其特征在于在計算所述Rc和Xc時考慮到所述齒形面(22)的材質的電導率σ和磁導率μ。
8.根據權利要求1-7所述的方法，其特征在于所述測量在10千赫至2兆赫之間的寬頻范圍內進行。
9.根據權利要求2-8所述的方法，其特征在于所述線圈系統(15)包括一測量線圈(16)和一參比線圈(18)，所述參比線圈用來補償溫度以及測定Rc和Xc。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于在所述傳感器(3)和所述齒形面(22)之間的距離d達到最大時，所述測量線圈(16)的質量Qm和所述參比線圈(18)的質量QR相同。
11.一種導電且優選為齒形面(22)相對一傳感器(3)的運動參數的測定裝置，具體地說為實施權利要求1-10其中一項所述的方法的裝置，而所述傳感器包括至少一產生一交變電磁場的線圈(16)，所述電磁場由于在所述齒形面(22)和所述傳感器(3)之間的位置變化引起的反饋而經歷一可通過所述線圈(16)測定的變化，所述裝置的特征在于所述線圈(16)的耦合阻抗(Zc)可以測量，通過設置一特別排列的測量機構測量所述線圈(16)的復耦合阻抗(Zc)的實數部份(Rc)和虛數部份(Xc)，并且基于所述測量來計算所述傳感器(3)和所述齒形面(22)之間的距離d和相對速度或轉速。
12.根據權利要求11所述的裝置，其特征在于所述傳感器(3)包括一具有至少兩個線圈的線圈系統(15)。
13.根據權利要求11或12所述的裝置，其特征在于為了產生一交變場，所述傳感器(3)包括一可通過一數學模型描述的測量線圈(16)，其中所述測量線圈(16)可以這樣構成以致于所述數學模型可用于計算所述線圈參數。
14.根據權利要求13所述的裝置，其特征在于所述測量線圈(16)只有一層繞組。
15.根據權利要求11-14其中一項所述的裝置，其特征在于不同的線圈可用于產生所述交變電磁場和用作為接收(測量)線圈(16)。
16.根據權利要求11-15其中一項所述的裝置，其特征在于所述測量線圈(16)的磁場單一性地向運動方向增加且與距離無關地直到所述測量線圈(16)的中心，此后磁場再單一性地減少。
17.根據權利要求11-16其中一項所述的裝置，其特征在于所述測量線圈(16)包括一扁平支承件(14)，而所述測量線圈(16)的定向于x方向的繞組部份(21)是放置于所述支承件(14)的面對所述齒形面(22)的表面上，而在y方向上延伸的繞組部份(17)則布置于所述支承件(14)的遠離所述齒形面(22)的表面上。
18.根據權利要求17所述的裝置，其特征在于所述支承件(14)在所述運動方向上的尺寸大體上相等于一齒槽的間距。
19.根據權利要求17或18所述的裝置，其特征在于所述支承件(14)由一鐵磁性且電導性差的材料制作，諸如塑性鐵素體。
20.根據權利要求17-19其中一項所述的裝置，其特征在于所述支承件(14)由與所述齒形面(22)相同的鐵磁性材料制作。
21.根據權利要求11-20其中一項所述的裝置，其特征在于在每一所述繞組部份(17)在y方向上延伸的情況下，使多條導線絞合在一起。
22.根據權利要求21所述的裝置，其特征在于所述測量線圈(16)采用平面技術制成。
23.根據權利要求11-22其中一項所述的裝置，其特征在于在y方向上延伸的所述繞組部份(17)的磁場可由一相反磁場抵消。
24.根據權利要求12-23其中一項所述的裝置，其特征在于所述線圈系統(15)包括一參比線圈(18)，所述參比線圈的參數基本上不受所述齒形面(22)的影響。
25.根據權利要求24所述的裝置，其特征在于所述參比線圈(18)做成一環形線圈。
26.根據權利要求24或25所述的裝置，其特征在于在所述傳感器(3)和所述齒形面(22)之間的距離達到最大時，所述測量線圈(16)的質量相當于所述參比線圈(18)的質量。
27.根據權利要求11-26其中一項所述的裝置，其特征在于設有一計算機和一存儲器。
全文摘要
一種導電且優選為齒形面(22)相對一傳感器(3)的運動參數的一種測定方法和裝置，而所述傳感器包括至少一產生一交變電磁場的線圈(16)，所述電磁場由于在所述齒形面(22)和所述傳感器(3)之間的位置變化引起的反饋而經歷一可通過所述線圈(16)測定的變化，所述方法和裝置這樣設置以致于所述位置變化由所述線圈(16)的耦合阻抗(Z
文檔編號G01B7/02GK1774615SQ200480010313
公開日2006年5月17日 申請日期2004年2月17日 優先權日2003年4月30日
發明者S·蒙德尼科夫, M·內特切維斯基, F·蒙德尼科夫, W·格羅瑪, M·瑟蘭 申請人:微-埃普西龍測量技術有限兩合公司