感應式路徑測量裝置的制作方法

專利名稱：感應式路徑測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種感應式路徑測量裝置，所述路徑測量裝置具有傳感器線圈；柱塞，其可相對于傳感器線圈移動；補償線 圈，其布置成與傳感器線圈同軸并與傳感器線圈串聯連接，以補償外部磁場在傳感器線圈中感生的噪聲電壓；以及測量電路，其用于根據柱塞的路徑來測量傳感器線圈和補償線圈的電感。確切地說,本發明涉及一種機動車輛的擋位傳感器(gear sensor)中的路徑測量
>J-U裝直。
背景技術：
WO 2010/006781 Al描述了一種擋位傳感器(gear sensor),用于檢測變速器當前的擋位。在此傳感器中，柱塞以機械方式連接到相對于變速器的換擋軸彈性偏置的止動部件，并檢查形成于換擋軸上的換擋釋放件(selector relief)。因此,換擋軸移動會轉變成柱塞的軸向移動，這種移動可以通過測量裝置進行檢測。根據所測量的柱塞路徑，可(例如)檢測變速器是處于空擋位、倒擋位還是前進擋位，因為這些擋位分別對應換擋釋放件的不同高度。在感應式路徑測量裝置中，柱塞具有相對較高的磁導率，因此傳感器線圈的電感關鍵取決于柱塞穿入傳感器線圈的深度。由此，可根據電感的測量結果來確定柱塞已行進的路徑。但是，當此路徑測量裝置用于機動車輛時，所述路徑測量裝置可能會受到在車輛中的其他位置所形成的磁場影響。在車輛變速器的某些安裝條件受到限制時，充分屏蔽外部磁場可能較為困難和繁瑣，但如果沒有充分屏蔽這些外部磁場，則存在一定風險，即外部磁場會在傳感器線圈中感生電壓，因此可能對測量結果造成折損。DE 103 20 716 Al描述了上述類型的感應式測量裝置，其中此類干擾影響由補償線圈抑制。補償線圈設置在感應線圈附近，具有與傳感器線圈相同的匝數和相同的尺寸，但纏繞方向相反。由于外部產生的磁場可視為基本上均勻的磁場，因此，此磁場在傳感器線圈中感生的電壓由補償線圈中感生的絕對值相等但極性相反的電壓進行補償。另一方面，由于補償線圈與傳感器線圈發生磁性去耦，因此兩個線圈的電感不會相互抵消，而是會相加。另外，補償線圈距離柱塞較遠，因此，其電感便不會受到柱塞移動的影響，或者至少與傳感器線圈的電感相比，受影響的程度明顯較小。

發明內容
本發明的目標是提高感應式測量裝置的精確度。根據本發明，此目標可通過以下特征實現，即與傳感器線圈相比，補償線圈環繞的區域更大且具有的匝數更少。均勻時變磁場在線圈中感生的電壓與此線圈環繞的區域以及匝數成比例。當補償線圈的區域增大且同時匝數減少時，可保持此線圈的補償作用。此測量的基本優勢在于，補償線圈的電感變小，因為電感與匝數的平方成比例。路徑測量原則的依據是，分別對傳感器線圈的電感變化和整個線圈系統的電感變化進行的檢測。但是，由于補償線圈的電感不會或幾乎不受到柱塞移動的影響，因此不會增加測量系統靈敏度，而是只增加系統的總電感。因此，如果與傳感器線圈的電感相比，補償線圈的電感盡可能小，則測量精確度會變高。這是通過本發明的特征實現的。關于本發明在進一步提高精確度方面的有用細節和進一步發展，所附權利要求進行了說明。在優選實施例中，傳感器線圈被套管緊密環繞，所述套管由具有較高磁導率的材料制成，例如，鐵磁材料。此套管可使原來均勻的外部磁場發生有利的畸變。一方面，傳感器線圈通過此套管在一定程度上被屏蔽，從而使傳感器線圈中感生的電壓變小。由于與傳感器線圈相比，補償線圈環繞的區域更大，從而半徑更大，因此，補償線圈的匝主要在套管半徑外，這樣套管會將外部磁場集中到補償線圈中，從而在補償線圈中感生相應較高的電壓。為了使感生的電壓進一步彼此抵消，可能且必需不同程度地減少補償線圈的匝數，從而進一步減小補償線圈的電感。


現在將結合

本發明的實施例實例，其中圖I是根據本發明的感應式路徑測量裝置的線圈布置的軸向截面圖；圖2是感應式路徑測量裝置的電路圖；圖3是用于說明磁屏蔽作用的簡圖；以及圖4所示為根據本發明的具有感應式路徑測量裝置的變速傳感器。
具體實施例方式圖I所示為線圈布置10，其具有圓柱形傳感器線圈12、空心線圈(在本例中)，以及同樣為圓柱形的補償線圈14。傳感器線圈12和補償線圈14采用同軸方式、相互間隔特定的距離纏繞在由非磁性材料制成的共用載體16上。在傳感器12與補償線圈14相對那端，所示為鐵磁柱塞18的一端，所述柱塞18在線圈布置的軸向方向上移動，而且穿入傳感器線圈12特定距離Smax，如圖I中的虛線所示。柱塞18影響傳感器線圈12的電感，這樣，通過測量此電感，就可測量柱塞18從原始位置，即圖I中所示的實線，行進到傳感器線圈的內部的路徑。傳感器線圈12環繞特定的環形區域Al。補償線圈14的匝位于傳感器線圈12的匝徑向向外的位置，且由此環繞較大的區域A2。另一方面，與傳感器線圈12相比，補償線圈14的匝數更少。在所示實例中，補償線圈14的長度也更小。但有利的情況是，纏繞成補償線圈14的金屬線具有比傳感器線圈12所使用的金屬線大的截面，因為這會減小補償線圈14的歐姆電阻。區域Al和A2以及兩個線圈的匝數適應彼此，從而當線圈布置10設置在時變均勻磁場中時，一方面在傳感器線圈12中感生的電壓以及另一方面在補償線圈14中感生的電壓具有相等的絕對量。傳感器線圈12和補償線圈14串聯連接并纏繞起來，從而使感生的電壓相互抵消這樣，當未提供磁屏蔽或此類屏蔽不完整時，測量裝置對外部磁場相對不太敏感。鑒于傳感器線圈12和補償線圈14之間的軸向距離，這兩個線圈發生磁性去耦，因此，其電感就不會相互抵消，而是基本上彼此相加。在任何情況下，在此處所示布置中，與傳感器線圈12的電感相比，補償線圈14的電感非常小。此外，在此布置中，補償線圈14 的電感幾乎不受柱塞18移動的影響。因此，對兩個線圈進行完全磁解耦較為有利，但并不強制。圖2所示為測量電路20，其用于測量傳感器線圈12和補償線圈14所構成的線圈布置的總電感。電阻器22與傳感器線圈12和補償線圈14串聯連接，且直流電壓源26的電壓可通過電子控制的開關24施加于該串聯連接。電壓接通時，由于這些線圈存在電感，因此該電壓只會形成在所述兩個線圈兩端。隨后，流經線圈的電流逐漸增大，直到其到達飽和值為止。此電流導致電阻器22發生壓降。可在電阻器22和傳感器線圈12之間的某點處檢測到電壓，并將其施加于電子處理和控制單元28。在所述電子處理和控制單元28中，可將電壓數字化，并進行進一步處理和/或存儲。具體而言，通過此方法可檢測電流是否已經到達恒定飽和值，所述飽和值具體取決于線圈12、14和電阻器22的歐姆電阻以及電壓源26的內部電阻，而且可檢測電流到達該飽和值的時間。當達到此飽和條件時，處理和控制單元28使開關24斷開。由此，線圈與電壓源26斷開連接，并發生短路。由于線圈存在感應率，因此仍有電流流動，且此電流隨著由總電感決定的時間常數按指數規律衰減。轉換開關24的同時，處理和控制單元28開始計時。在比較器30中，將表示流經線圈的電流的電阻器22的壓降與由電阻器32所構成的分壓器進行調節的固定電壓值進行比較。一旦電阻器22的壓降降低到參考值，那么比較器30將發送信號以使處理和控制單元28停止計時。線圈12、14的總電感隨后可根據所測量的時間進行計算。已知總電感和柱塞18所行進的路徑之間的關系，柱塞18的路徑可根據電感進行計算。此后，新的測量循環開始。例如，實際上，每秒可執行100次測量循環。上述電感的測量不可避免地產生測量誤差AL。這導致所測量的路徑產生相應的測量誤差AS。在第一近似值中，路徑S和電感L之間的關系可表示為以下等式L = L0+a*S(I)在此等式中，a是常數，且Ltl是“閑置電感”(idle inductance)，即線圈12、14在柱塞18最大程度地從傳感器線圈12中抽離時(S = 0)的總電感。實際上，要對布置進行選擇，以使閑置電感基本等于兩個線圈在柱塞18根本不存在時的總電感。對于柱塞的路徑，等式(I)推導出S = (L-L0) /a(2)路徑測量的測量誤差A S表示如下AS= (dS/dL)*AL= A L/a(3)但是，更能說明測量裝置質量的是相對測量誤差AS/S。表示如下AS/S = A L/ (L-L0)(4)從等式⑷中可看出，L0應盡可能小，以便使相關測量誤差盡可能小(尤其是在S的值較小時)。L0由兩個線圈12、14的閑置電感組成。傳感器線圈12的閑置電感無法降低，因為該線圈必須具有特定的電感，以便于能夠完全實現測量過程。
但是，圖I所示的線圈布置的幾何結構會導致補償線圈14的電感明顯小于傳感器線圈12的閑置電感。相應地，路徑測量的精確度會提高。
通過使用鐵磁套管34緊密環繞傳感器線圈12，可進一步提高測量精確度，如圖I所示。該套管34的作用在于，使可在傳感器線圈12中感生噪聲電壓的原本均勻的外部磁場畸變，這樣，該電壓可通過補償線圈14在其電感被進一步降低后進行補償。該作用在圖3中已進行說明。在圖3中，除了傳感器線圈12、補償線圈14和套管34外，還圖示了磁場的場線36，該場線是在遠程源上產生的，由此，當套管34不存在時，所述場線在測量裝置的位置處通常是均勻的。由于只有磁場與線圈軸平行的那部分與傳感器線圈12和補償線圈14中電壓的感應相關，因此，在不失一般性的前提下，本文可假定，磁場與線圈軸的方向平行。場線36的形狀顯示了套管34使場畸變的方式。一方面，此畸變的作用在于，減少通過傳感器線圈12的磁通量。根據磁場的時變感生的噪聲電壓相應降低。套管34的外徑小于補償線圈14的內徑。由此，場的畸變還具有以下作用使磁場被“吸入”補償線圈14中，這樣通過補償線圈的磁通量相應增加。補償線圈中感生的電壓相應增加。兩種作用導致的結果是，對傳感器線圈12中感生的電壓進行完全補償可通過補償線圈14實現，其中補償線圈14的匝數，且因此電感進一步減少。本發明的測量裝置的可能應用在圖4中已說明。該圖所示為所謂的止動螺桿38的軸向截面，所述止動螺桿38由金屬制成，且具有擰入變速箱(未圖示)箱壁的外部帶螺紋的部分40，所述止動螺桿用于將變速器的換擋軸固定在相應所選擇的擋位上。為此，止動部件44通過滾珠軸承42支撐在止動螺桿中，以便在所述止動螺桿中軸向移動。在從止動螺桿中伸出的端上，止動部件44具有止動滾珠46，止動滾珠46由較低的摩擦力支撐，并檢查換擋軸(未圖示)的換擋釋放件(selector relief)。彈簧48使止動部件相對于換擋釋放件偏置。當到達所需擋位時，止動滾珠46從而將陷入換擋軸的相應止動凹口(detentpit)中。連接到止動螺桿相對端的是塑料外殼48，其容納本發明的感應式測量裝置。線圈布置10用虛線表示。測量電路20也集成于外殼48中，且由此產生的測量信號通過觸點50傳輸到外部。柱塞18連接到止動部件44的頂端。對于不同的擋位，換擋軸的止動凹口具有不同的深度。由于這些凹口的深度確定了止動部件44的位置，且由此還確定了可使用測量裝置測量的柱塞18的位置，因此可確定所選擇的擋位。當通過帶螺紋的部分40將止動螺桿38擰入變速箱中時，容納測量裝置的塑料外殼將位于變速箱外部。因此，測量裝置不會完全屏蔽外部磁場。當柱塞18插入線圈布置10時，該柱塞也不會完全屏蔽外部磁場。由于柱塞由鐵磁材料制成，因此可導致外部磁場的畸變與圖3中套管34所造成的畸變類似。但是，柱塞18所造成的場畸變會導致外部場逐漸集中在傳感器線圈12中，且柱塞穿入線圈的深度增加。嚴格地說，傳感器線圈12中由外部磁場感生的噪聲電壓因此取決于柱塞18的路徑。為了通過補償線圈14實現對噪聲電壓的完全補償，補償線圈14的屬性由此應適合于柱塞相應的測量路徑。在圖2所示的電路中，這可通過阻抗網絡52實現，阻抗網絡52與補償線圈14并聯連接。該阻抗網絡52具有若干個阻抗元件，其可通過處理和控制單元28所傳遞的命令來接通和斷開。這樣，補償線圈14會發生不同程度的阻尼，具體取決于柱塞的路徑。當柱塞18穿入傳感器線圈12較深時，補償線圈14的阻尼降低或完全消除，從而感生相應較高的補償電壓。但是，當柱塞18進一步從傳感器線圈12中抽離時，柱塞的位置由處理和控制單元28進行測量，且補償線圈14的阻尼增加，因而補償電壓的量減小，其中傳感器線圈12中感生的電壓因場畸變減弱而減小這樣，對于柱塞18所處的任何位置，均可實現對噪聲電壓幾乎完全的補償在一個替代方案中，適應性補償可通過將補償線圈14接在一個或多個位置上來實現，這樣，根據柱塞18的位置，補償線圈中會有或多或少量的繞線發生短路。當測量裝置安裝在機動車輛的止動螺桿38中時，當機動車行駛時，變速器的溫度，且因此柱塞18的溫度可在相對較大的范圍內變動。根據柱塞18所選用的鐵磁材料，該柱塞的磁導率還將產生較小或較大的變化。當將所測量的電感轉換成柱塞相應的路徑時，處理和控制單元28應考慮這一影響。但由于直接測量柱塞18的溫度較為困難，因此在本文所提出的測量裝置中，會在線圈布置10至少靠近柱塞18的位置處測量溫度。但是，當止動螺桿38安裝在變速箱中時，該止動螺桿位于變速箱中的那端的溫度通常要比其向外的那端溫度高。因此，在止動螺桿38的長度上將呈現特定的溫度梯度，因而在線圈布置10的內部測量出的溫度不同于柱塞18的溫度。然而，為了能夠相對準確地確定柱塞18的溫度，在本文所提出的測量裝置中，在與柱塞18相距不同距離的兩點處測量線圈布置內的溫度。隨后，可根據兩個溫度值計算出溫度梯度，從而可推導出柱塞18的溫度。為了進行溫度測量，圖I所示的測量電路利用傳感器線圈12和補償線圈14的繞線的歐姆電阻也取決于溫度這一事實，從而使用這些線圈作為溫度傳感器。如上所述，處理和控制單元28檢測電阻器22和傳感器線圈12之間的電壓，從而測量在開關24斷開不久前流經線圈布置的飽和電流。這樣，就可獲得兩個線圈的歐姆電阻總和值。此外，如圖2所示，還檢測到傳感器線圈12和補償線圈14之間某點處的電壓，并將其施加給處理和控制單元28。因此，還可測量補償線圈14中的壓降，只要恒定飽和電流流動，所述壓降便與該線圈的歐姆電阻成比例。這樣，就可在處理和控制單元28中獲得兩個線圈的歐姆電阻的實際值。根據這些值，可計算出相應線圈的溫度，以及溫度梯度和柱塞18的溫度外推值。根據此外推值，處理和控制單元28選擇相應的函數以表示所測量的電感L與柱塞的路徑S之間的關系。例如，在等式(I)給定的近似值中，因數a是根據柱塞的估計溫度來選擇的。當然，在確定柱塞18的溫度外推值時，也可考慮柱塞相對于線圈布置10的實際位置，而且還可考慮柱塞處于該位置的持續時間。因此，例如，也可考慮以下情況，即當柱塞18在其最大程度地穿入傳感器線圈12的位置長時間停留時，所述柱塞18將冷卻到一定程度。通常，可創建數學模型來說明止動螺桿38內的溫度分布曲線。根據此模型，可根據所測量的傳感器線圈12和補償線圈14的溫度，計算出變速箱內的溫度和變速箱外部環境中的溫度，以及將根據止動螺桿38的長度創建的溫度分布曲線，從而獲得柱塞18的溫度的相對準確的估算值。對于給定的變速箱，此數學模型的參數可根據經驗確定。
權利要求
1.一種感應式路徑測量裝置，其具有傳感器線圈(12);柱塞(18)，其可相對于所述傳感器線圈移動；補償線圈(14)，其布置成與所述傳感器線圈(12)同軸并與所述傳感器線圈 (12)串聯連接，以補償外部磁場在所述傳感器線圈(12)中感生的噪聲電壓；以及測量電路 (20)，其用于根據所述柱塞(18)的路徑來測量所述傳感器線圈和所述補償線圈的電感，所述路徑測量裝置的特征在于，與所述傳感器線圈相比，所述補償線圈(14)環繞的區域(A2) 更大且具有的匝數更少。
2.根據權利要求I所述的路徑測量裝置，其中所述傳感器線圈(12)和所述補償線圈 (14)布置在共用載體(16)上，并構成集成單元。
3.根據權利要求I或2所述的路徑測量裝置，其中所述傳感器線圈(12)被套管(34) 緊密環繞，所述套管(34)由具有較高磁導率的材料制成。
4.根據前述權利要求中任一權利要求所述的路徑測量裝置，其中所述補償線圈(14) 由特定的金屬線纏繞而成，所述金屬線的截面比纏繞成所述傳感器線圈(12)的金屬線的截面大。
5.根據前述權利要求中任一權利要求所述的路徑測量裝置，其中所述傳感器線圈 (12)、所述補償線圈(14)以及所述測量電路(20)容納在共用外殼(48)中。
6.根據前述權利要求中任一權利要求所述的路徑測量裝置，其包括電子處理和控制單元(28)，用于根據所測量的電感來計算所述柱塞(18)已行進的路徑。
7.根據權利要求6所述的路徑測量裝置，其中所述處理和控制單元(28)經配置成根據所測量的所述柱塞(18)路徑來更改所述補償線圈(14)的電路配置。
8.根據權利要求7所述的路徑測量裝置，其中阻抗網絡(52)與所述補償線圈(14)并聯連接，且所述阻抗網絡經配置成響應于來自所述處理和控制單元(28)的命令而更改其阻抗。
9.根據權利要求6到8的任一權利要求所述的路徑測量裝置，其中所述處理和控制單元(28)經配置以測量所述傳感器線圈(12)和/或所述補償線圈(14)的歐姆電阻，并由此計算相應線圈的溫度值。
10.根據權利要求9所述的路徑測量裝置，其中所述處理和控制單元(28)經配置以計算所述傳感器線圈(12)和所述補償線圈(14)的溫度，并根據溫度之差來計算所述柱塞 (18)的溫度外推值，而且在根據所測量的電感計算路徑時，對所述柱塞(18)的溫度進行修正。
全文摘要
一種感應式路徑測量裝置，其具有傳感器線圈12；柱塞18，其可相對于所述傳感器線圈移動；補償線圈14，其布置成與所述傳感器線圈12同軸并與所述傳感器線圈12串聯連接，以補償外部磁場在所述傳感器線圈12中感生的噪聲電壓；以及測量電路，其用于根據所述柱塞18的路徑來測量所述傳感器線圈和所述補償線圈的電感，其中與所述傳感器線圈相比，所述補償線圈14環繞的區域A2更大且具有的匝數更少。
文檔編號G01D5/22GK102620754SQ20121005025
公開日2012年8月1日 申請日期2012年2月21日 優先權日2011年2月22日
發明者R·孟肯米勒 申請人:羅蘭克斯兩合有限公司