被測物相對于傳感器的位置和/或位置變化的測定方法及測定用的傳感器裝置的制作方法

專利名稱：被測物相對于傳感器的位置和/或位置變化的測定方法及測定用的傳感器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種被測物相對于傳感器的位置和/或位置變化的測定方法，該 傳感器優(yōu)選具有施加以交流電的傳感線圈。本發(fā)明還涉及一種相應(yīng)的傳感器裝置。
背景技術(shù)：
電磁感應(yīng)傳感器可廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。它們可用于，例如，監(jiān)控傳感器與 被測物之間的距離、測量轉(zhuǎn)動或閥門升程的動作、測定活塞的位置或檢測導(dǎo)電物。 這種不完全的列舉表明了這類通用傳感器廣泛應(yīng)用的可能性。
可沿軟磁鐵芯移動的永久磁鐵用作路徑傳感器中的被測物，己由DE 36 10 479 Al揭示。兩個相對地外露的激勵線圈以及二次線圈均纏繞在該鐵芯上。該軟磁 鐵芯的一位置上所產(chǎn)生的虛擬氣隙取決于被測物相對于傳感器的位置，其意味著該 二次線圈中所感應(yīng)的電壓隨被測物的位置而變化。該電壓與被測物相對于傳感器的 位置成比例。
EP 1 158 266 Al揭示一種包括感應(yīng)傳感器、換能器以及評估單元的路徑測 量系統(tǒng)。根據(jù)該申請的一實施例，位置可相對于該傳感器變化的磁鐵用作換能器。 該磁鐵的磁場使該傳感器的軟磁材料飽和。因為這種局部飽和效應(yīng)，傳感器的測量 線圈的電感會變化，該測量線圈與振蕩器連接，因而可檢測其頻率或幅度的變化。
DE 203 07 652 Ul揭示一種磁控路徑記錄裝置，該磁控路徑記錄裝置設(shè)有磁 場傳感器以及能夠沿移動軸線位移的磁鐵。軟磁材料條以與該移動軸線平行設(shè)置， 自軟磁材料條的端部，使磁場傳感器面對該端部和其傳感器裝置組合。該路徑記錄 裝置的測量范圍由該軟磁材料條的長度以及該磁鐵的寬度來確定。
US 4 926 122 A、 EP 0 729 589 Bl或DE 30 41 041 C2揭示一些帶有磁電 轉(zhuǎn)換器的傳感器，這些傳感器用于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的不接觸記錄。實際上，為了保證不受 干擾，這些轉(zhuǎn)換器與被測物為緊靠設(shè)置。在這有限的間隔(一般大致為1亳米)，特別是在實際的使用條件下，該傳感器可能被損壞。因此，以較大的基本間隔可靠地 記錄旋轉(zhuǎn)動作對于動態(tài)操作尤其重要。
DE 38 03 293 Al、 DE 38 03 253 Al或DE 36 10 479 Al揭示利用高磁導(dǎo)率 軟磁材料的飽和效應(yīng)的其它傳感器以及接近開關(guān)。然而，這些傳感器的反應(yīng)距離受 限制。為了達(dá)到較大的測量范圍，評估電路的放大系數(shù)必須大。然而，這會導(dǎo)致與 溫度相關(guān)的大誤差以及對安裝的公差要求高。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明主要的目的是提供了一種方法，用該方法能夠在靜態(tài)及動態(tài)操 作中以分辨率測量被測物相對于傳感器的位置或位置變化。本發(fā)明還提供了一種設(shè) 計可能最簡單的相應(yīng)裝置。
上述的目的通過根據(jù)本發(fā)明的權(quán)利要求1的特征來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的方
法，其特征在于通過分配給軟磁金屬薄片中被測物的磁鐵，其磁導(dǎo)率在磁場的作
用下隨磁場的場強變化而變化并安排在傳感器的作用范圍內(nèi)，使金屬薄片的磁導(dǎo)率 變化，而該金屬薄片的磁導(dǎo)率變化由傳感器上的反饋來確定并由其測定被測物相對 于傳感器的位置和/或位置變化。位置或位置變化的測定相當(dāng)于角度、角度變化的 測定或轉(zhuǎn)速的測量。
在裝置方面，上述的目的通過權(quán)利要求13的特征來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的傳
感器裝置，其特征在于在傳感器的作用范圍內(nèi)設(shè)置軟磁材料的金屬薄片，其中該 金屬薄片的磁導(dǎo)率在磁場的作用下隨磁場的場強的變化而變化，并且還設(shè)有評估電 路，利用該評估電路，再由傳感器上的反饋測定該金屬薄片的磁導(dǎo)率變化以及得出 關(guān)于被測物相對于傳感器的位置和/或位置變化的結(jié)果。本文還提及到位置或位置 變化的測定相當(dāng)于角度、角度變化的測定或轉(zhuǎn)速的測量。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置的另一實施例，以權(quán)利要求25來保護(hù)，該傳感器
裝置實現(xiàn)了上述的目的。根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置，其特征在于在傳感器的作用 范圍內(nèi)設(shè)置由軟磁材料制成的金屬薄片，其中該金屬薄片的磁導(dǎo)率在磁場的作用下 隨磁場的場強變化而變化，并且被測物的移動基本上在平行于該金屬薄片的伸縮方 向以及該金屬薄片的磁導(dǎo)率變化由傳感器上的反饋測定以及由此得出關(guān)于被測物相 對于傳感器的位置和/或位置變化的結(jié)果。本文還提及到位置或位置變化的測定相
7當(dāng)于角度、角度變化的測定或轉(zhuǎn)速的測量。
對于本發(fā)明的方法，最初認(rèn)識到軟磁材料的特性可用作高精度的位置測量。 軟磁材料的磁導(dǎo)率在外部磁場的作用下隨現(xiàn)存的場強變化而變化。
這特性可用于傳感器裝置中。為了這目的，將磁鐵分配給被測物，并記錄磁 鐵相對于傳感器的位置。因有這磁鐵，當(dāng)傳感器靠近被測物或當(dāng)被測物靠近傳感器 時，在軟磁材料范圍內(nèi)的磁場強度會增強。因而，使磁鐵的磁導(dǎo)率減少，這對設(shè)置 在軟磁材料附近的測量組件的性質(zhì)有影響并且可通過與測量組件連接的適合的評估 電路為該被測物的位置變化的位置賦于估值。適合的評估電路包括磁場傳感器，如 霍爾傳感器、相異性磁阻傳感器及大型磁阻傳感器、或感應(yīng)傳感器，例如感應(yīng)傳感 器的線圈或渦流傳感器或任何其它對磁導(dǎo)率變化敏感的測量組件。
根據(jù)本發(fā)明可進(jìn)一步認(rèn)識到傳感器裝置的敏感度的提高可以通過以下達(dá)到 將軟磁材料只設(shè)計成金屬薄片。因而，在很大程度上避免了體積效應(yīng)的形成，以致 于較低的場強對磁導(dǎo)率變化是必要的以及它們可在較短時間內(nèi)發(fā)生。這對傳感器裝 置的敏感度和原動力有較好的影響。另一方面，這意味著給被測物分配的磁鐵的磁 場在相對寬的測量范圍內(nèi)部對金屬薄片的磁導(dǎo)率有影響。
當(dāng)被測物與傳感器之間以基本上在與金屬薄片的伸縮方向平行的方向移動 時，則金屬薄片中形成較高磁導(dǎo)率區(qū)、磁導(dǎo)率減少區(qū)以及在該兩個區(qū)之間的過渡 區(qū)。依據(jù)傳感器與被測物之間的距離，該過渡區(qū)可沿金屬薄片位移。因而，在相當(dāng) 大的測量范圍內(nèi)對測量組件有較大的影響。
以這種方式配置的本發(fā)明的傳感器裝置特別有利，其中被測物的磁鐵的磁場 方向沿該金屬薄片的"較大"磁化軸。在這情況下，磁鐵的磁場在該金屬薄片的端 部僅與小表面耦合。此外，有效地利用該金屬薄片的不飽和區(qū)亦是有利的。
本發(fā)明的傳感器裝置的分辨率及準(zhǔn)確度取決于該金屬薄片的電磁性質(zhì)及磁性 質(zhì)。例如，可用由M-金屬、軟磁非晶合金或鐵氣體制成的金屬薄片。
透過，例如，用由納米晶體材料制成的金屬薄片來達(dá)到高機械強度及優(yōu)良的 電磁性質(zhì)的結(jié)合是有利的。優(yōu)良電磁性質(zhì)包括高磁導(dǎo)率(例如^50,000-500， 000)、較低的電導(dǎo)率以及在大的溫度和頻率范圍內(nèi)的小損耗。
上述的效果可根據(jù)以下所描述的本發(fā)明的實施例來實現(xiàn)。這些實施例的目的 是設(shè)計一種具有最大可能的檢測范圍的傳感器以及使該傳感器達(dá)到最高可能的敏感度。
本發(fā)明使用了由軟磁材料制成的金屬薄片，其磁導(dǎo)率變化對傳感線圈有影響。
磁導(dǎo)率變化在線圈上產(chǎn)生可檢測的反饋，其一般可透過線圈的阻抗變化來顯 示。線圈的阻抗或阻抗變化可以一般的方式透過交流電施加在該傳感器線圈上來測
然而，需要強調(diào)的是，磁導(dǎo)率變化還可由其它感應(yīng)的或磁場敏感的測量組件 來記錄。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選的實施例，以直流電激發(fā)的補償線圈設(shè)置在靠近以直流 電施加的傳感器線圈的軟磁金屬薄片的附近。因此，依據(jù)線圈的設(shè)計及安排，磁導(dǎo) 率在差不多金屬薄片的大范圍內(nèi)會受影響。這可用于為對被測物的檢測謹(jǐn)慎地形成 特別有利的測定條件。如果被測物位于較大的距離，給被測物分配的磁鐵的磁場僅 對金屬薄片具有輕微的作用，因為該傳感器裝置的敏感度位于不利的范圍內(nèi)。透過 以直流電施加在補償線圈上，可達(dá)到敏感度改變以及使在測量范圍的特定部分內(nèi)的 敏感度有意地提高。另一方面，如果，例如，被測物非常接近該傳感器時，場強的 值可能過高。然后，可透過補償線圈有意地降低場強，以致于該傳感器裝置能夠再 位于較有利的工作狀態(tài)。在這情況下，根據(jù)直流電的極性和強度可顯著地擴(kuò)大該測 量范圍以及改善該測量范圍的敏感度。再者，可透過調(diào)整補償線圈的磁場來補償或 修正安裝公差或慢變的干擾，例如溫度漂移或老化。
兩種實施例也可同時實施，以致于兩種實施例的積極效果相互相加。
在以直流電激發(fā)的補償線圈的實施例中，該直流電優(yōu)選為可調(diào)整的。這可能 僅僅與直流電的強度有關(guān)，或另一方面，也可改變直流電的極性。透過調(diào)整直流電 的強度，可改變軟磁金屬薄片的磁導(dǎo)率的影響程度。極性的改變意味著由傳感線 圈、補償線圈以及被測物的磁鐵的磁場所形成的合成磁場可增強或減弱。因此，可 對影響金屬薄片的磁導(dǎo)率的磁場產(chǎn)生特別大的影響。然后，可調(diào)節(jié)直流電，以致于 可建立基本上恒定的傳感線圈磁場。
具體地說，有利的是在第一次激活之前對該傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。為了這目的，
優(yōu)選地以以下步驟進(jìn)行。首先，對在相對于傳感器的多個位置h上的被測物定位。 單個位置h具有步寬Sh。優(yōu)先排列這些單個位置，以致于它們基本上位于公共線在每一位置h向傳感線圈供交流電。因此，該傳感線圈產(chǎn)生受軟磁金屬薄片 影響的電磁交變場。確定每一位置h上的傳感線圈的阻抗Z和/或相對阻抗變化A
z/z。為此，在實際應(yīng)用中揭示了不同的方法。從這樣所得的數(shù)值來確定該傳感線 圈的相對敏感度S與被測物相對于傳感線圈的位置h之間的相關(guān)性特征。然后，相 對敏感度S由S-^/幼得出。
由這特征確定位置ho，在該位置上假定相對敏感度S達(dá)最大值。將與這位置 ho相對應(yīng)的復(fù)阻抗Zo的值儲存在非易失性存儲器中。因此，可用這些步驟來確定 該傳感器特征。
在隨后的步驟中，測定測量結(jié)果對直流電的強度的相關(guān)性。為了這目的，將 直流電通入補償線圈。被測物再次放置在不同位置h以及在每一位置h上測定傳感 線圈的膽抗Z和/或相對阻抗變化AZ/Z。傳感線圈、補償線圈以及被測物的磁鐵的 磁場的疊加都作用在金屬薄片上。在下一個步驟中，使直流電的強度在測量范圍士 Ah內(nèi)變化。重復(fù)這步驟直至達(dá)到阻抗的預(yù)定及儲存的目標(biāo)值。由所獲得的數(shù)值來 確定直流電與被測物的位置變化的相關(guān)性。因而，透過測量范圍土Ah內(nèi)的補償線 圈可獲得位置h與直流電之間的基本上線性的關(guān)系。因此，在許多應(yīng)用中，只測定 及儲存位置變化與直流電之間的比例系數(shù)便足夠。
有利的是，是不是以被測物與傳感器之間的基距測定復(fù)阻抗的預(yù)定目標(biāo)值， 在該基距上被測物的位置變化會導(dǎo)致線圈組的最大阻抗變化。
通常，為了測定金屬薄片的磁導(dǎo)率變化在線圈上的反饋，則要測量其阻抗的 變化。然而，應(yīng)提及，原則上，磁導(dǎo)率的測量還可以用其它方法?？芍苯拥鼗蜷g接 地測量阻抗。例如，當(dāng)施加已知的電流時，可測量線圈上的電壓降并且通過該電壓 除以該電流求出該阻抗。然而，該阻抗還可透過并聯(lián)電容擴(kuò)大成自由擺動振蕩器， 其例如，通過PLL(鎖相環(huán))電路驅(qū)動。由PLL電路的初始信號得出關(guān)于傳感器線圈 的阻抗的結(jié)果。
由傳感線圈的復(fù)阻抗Z來確定該實部Re(Z)和虛部lm{Z}。該實部和虛部的 確定可以仿真或數(shù)字的方式發(fā)生。從實踐中足以得知相應(yīng)的方法。該實部Re(Z)和 該虛部lm(Z)的比率D可由D-Re(Z)/lm(Z)表示。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的變型，直流電的大小經(jīng)由跟蹤控制中的補償線圈由閉合控 制回路設(shè)定。該比率D用作該控制回路的目標(biāo)值，其中D可保持恒定。該虛部
lm(Z)可用于確定被測物相對于該傳感器的位置或位置變化。再者或作為一種選 擇，透過補償線圈，直流電的強度可用于位置確定。
最好這樣進(jìn)行控制，以致于傳感器的最大相對敏感度S在整個測量范圍內(nèi)或 部分測量范圍內(nèi)保持恒定。為了這目的，可使用從校準(zhǔn)所獲得的信息。位置ho上敏 感度最大，可通過選擇直流電由補償線圈位移該位置ho。
作為一種控制的選擇，直流電可以手動調(diào)節(jié)。特別是當(dāng)被測物以高動態(tài)特性 移動時，該控制對變化的反應(yīng)可能不夠快。直流電的手動調(diào)節(jié)可以各種方式完成。 因而，直流電的強度可通過，例如，鍵或鍵盤輸入。作為一種選擇或再者，還可使 用仿真或數(shù)字旋轉(zhuǎn)控制或移位控制。
在具有以直流電激發(fā)的補償線圈的傳感器裝置中，補償線圈及被測物的磁鐵 疊加成合成磁場。而各個磁場的方向及極性通常會不同。傳感線圈的磁場為交變 場，因為向傳感線圈供交流電，并且因此需要以交流電的兩倍頻率來改變該磁場的 極性。該補償線圈的磁場以控制或手動調(diào)節(jié)，取決于被測物相對于該傳感器的位 置。然后，可選擇激發(fā)該補償線圈的直流電的極性，以致于使磁場的靜磁場分量增 強或減弱。這取決于磁場方向，其中合成磁場將被位移以便達(dá)到可能最好或甚至理 想的位置測定條件。給被測物分配的磁鐵的磁場通常為不均勻的磁場并且取決于該 傳感器以及被測物之間的距離。
該傳感線圈與該補償線圈可相互在電流上隔離。因此，這兩組線圈通以相互 完全獨立的電流。然而，需要指出的是，該兩組線圈還可組合成單一線圈或兩組線 圈的其中一組可透過中間接點設(shè)計成另一組線圈的部分區(qū)段。在具有單個線圈的實
施例中，以直流電部分位移的交流電可供給線圈。還可透過控制電路或手動的方式 以兩組線圈電流隔離配置調(diào)整偏移。
被測物的磁鐵優(yōu)選為永久磁鐵。因此，可使用被測物，與任何附加的電源無 關(guān)。然而，該磁鐵還可由電磁鐵組成。因此，對測量有影響。例如，如果被測物比 較接近該傳感器，磁鐵的磁場可透過減少激發(fā)電流而減弱。當(dāng)被測物與傳感器之間 的間距大時，該激發(fā)電流也可提高。兩種磁鐵的實施例還可組合使用。
在一種傳感器的評估電路的可能的實施例中，該金屬薄片電容性地與傳感線
11圈耦合。在這實施例中，該金屬薄片具有電觸點與振蕩器連接。振蕩器的另一極與 傳感線圈的其中一端連接。在這情況下，能量以電容性與傳感線圈耦合。傳感線圈 的兩端與放大器的輸入端連接，其放大傳感線圈的電壓降。該放大器為評估電路的 一部分，用于測定金屬薄片的磁導(dǎo)率變化。線圈的電壓降由放大器放大并作為放大 信號U2提供。這信號U2與相對阻抗變化AZ/Z成比例。
作為這實施例的一種選擇，該振蕩器可直接與該傳感線圈連接。因此，交流 電可直接與該線圈耦合。然后，該金屬薄片，例如，可接地。在這實施例中，該傳 感線圈的電壓降也可被放大并可產(chǎn)生與相對阻抗變化AZ/Z成比例的信號U2。
在兩種情況下，可設(shè)有形成電壓信號u2的兩個正交分量的電子裝置。該兩 個分量與該傳感線圈的復(fù)阻抗的實部Re(Z)以及虛部lm(Z)成比例。該電子裝置產(chǎn)
生電壓信號U3和U4，其表示兩個正交電壓分量。該信號U4可用于使振蕩器同步， 而信號U3則用于控制向補償線圈供直流電的電壓源。
該電子裝置可從實踐得知的各種裝置來實現(xiàn)。優(yōu)選以數(shù)字分析該放大信號。 該電子裝置具有A/D變換器、處理器以及存儲器。為了使電子裝置與電源在電流上 隔離，可附加設(shè)有光耦合器，通過該光耦合器將控制信息傳送到電流去耦的電源。
在沒有補償線圈而將被測物的移動方向限制在平行于該金屬薄片的伸縮方向 的傳感裝置的實施例中，該磁鐵還可是永久磁鐵或電磁鐵。在使用電磁鐵的實施例 中，該傳感器的測量會再次受影響(如上所述)。
傳感裝置的校準(zhǔn)也可在這類的配置中進(jìn)行。為了這目的，上述的傳感器特征 的測定步驟會相應(yīng)地進(jìn)行。
與補償電路的實施例一樣，評估電路的實施例以可比較的方式想到。振蕩器 可直接向該金屬薄片的接觸點供電壓信號。然后，該電壓電容性地與傳感線圈耦 合。在線圈上發(fā)展的電壓可通過放大器放大并且可供給電子裝置以確定實部和虛
部。振蕩器的同步可由與該虛部成比例的電壓信號U4產(chǎn)生。
振蕩器也可直接與傳感線圈連接以及在線圈上發(fā)展的電壓降由放大器放大。 被放大的信號可供給電子裝置以便從該被放大的信號中提取實部和虛部。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置的兩種實施例中(即帶有或沒有補償線圈的傳感器 裝置)，傳感器可以不同的方式形成。該傳感器可放置在圓型或其它三維壓紋的支 撐件上。該傳感線圈、該金屬薄片以及可選擇的補償線圈可纏繞、粘合或以其它方
12式放置在該支撐件上。
在另一實施例中，傳感器可設(shè)計成扁平狀。然后，該傳感器優(yōu)選放置在扁平 的支撐件上。然而，傳感器還可呈弧形并適合于特別的工作環(huán)境。可在相應(yīng)的校準(zhǔn) 措施后沒有問題的情況下使用這樣的傳感器。
為了進(jìn)一步改進(jìn)傳感器裝置的敏感度，金屬薄片的厚度可適合于由傳感線圈 所產(chǎn)生的電磁場的穿透深度。因而，由傳感線圈所產(chǎn)生的電磁場優(yōu)選為高頻的電磁 場。以下公式用來表示導(dǎo)電材料中的穿透深度S:
其中，"=2Mf， f為該交變場頻率以及o為電導(dǎo)率以及y為該金屬薄片的磁導(dǎo)率。 從式中可見，S與該金屬薄片的磁導(dǎo)率p的平方根成反比例。如果因為外部磁場而
使該金屬薄片的磁導(dǎo)率下降，則該金屬薄片中的電磁場的穿透深度增大。如果金屬 薄片的厚度合適，電磁場在低磁導(dǎo)率的區(qū)穿過該金屬薄片。這效果也可用于提高敏 感度。可在面對遠(yuǎn)離靠近金屬薄片的傳感線圈一側(cè)上設(shè)置傳導(dǎo)面。這傳導(dǎo)面優(yōu)選具 有比軟磁金屬薄片更高的電導(dǎo)率。因此，在該傳導(dǎo)面中感應(yīng)的渦流較在軟磁金屬薄 片中感應(yīng)的為多。
尤其當(dāng)被測物的移動方向限制在基本上平行于該金屬薄片的伸縮方向時，會 達(dá)到軟磁金屬薄片使位于其后面的傳導(dǎo)面暴露的位置，隨被測物的位置而變。按照 被測物的位置，具有減少了磁導(dǎo)率的不同寬度的區(qū)域可使傳感線圈的電磁場能夠穿 過該軟磁金屬薄片。(顯然，這可想象成金屬薄片以類似百葉窗的方式露出部分不 同大小的窗口。)因此，按照被測物的位置，在傳導(dǎo)面上將感應(yīng)出不同程度的渦 流。這會對傳惑線圈的阻抗產(chǎn)生比軟磁金屬薄片中感應(yīng)的渦流更強的效果，其對傳 感器裝置的敏感度具有積極效果。
最好向傳感線圈提供高頻交流電。因此，傳感器的動力很高。因為頻率高，
導(dǎo)電材料中的渦流的穿透深度為小，然而，對于薄的金屬薄片(例如20um)來說， 這穿透深度已經(jīng)足夠。顯而易見，體積效應(yīng)并不需要，.甚至不希望，因為在體積大 的軟磁材料中，渦流也只在薄層中流過，以致于測量效果相對于體積受到限制。
如上所述，磁導(dǎo)率變化區(qū)取決于磁場強度。根據(jù)該磁鐵，該傳感器可在相對大的距離(例如30-50)并以非常高的分辨率(幾個U m)通過定位整個適合的裝置的最 高敏感區(qū)，以致于該工作點位于相對于該傳感器的磁鐵的規(guī)定的基距上測量該磁鐵 的位置。在一種磁路的適合實施例中，可到達(dá)的是所謂的冗余系數(shù)通常大約3。這 意味著被測物的移動路線較金屬薄片中磁導(dǎo)率分布的變化大3倍。因此，金屬薄片 的長度相對于該移動路徑縮短了該冗余系數(shù)。這是特別有利，因為這樣才有可能設(shè) 計出簡單而小型的傳感器。
所述的傳感器的實施例還可這樣實現(xiàn)金屬薄片及磁鐵固定，只有線圈可移動。
在另一有利的實施例中，該磁鐵可與該傳感器固定連接。為了在該傳感線圈 的位置獲得可按被測物位置變化的磁場，被測物必須由可影響磁場的材料組成。這 可為鐵磁材料。透過鐵磁被測物相對于傳感器以及與傳感器連接的磁鐵的位置變 化，可影響磁場線以及還在金屬薄片中磁導(dǎo)率分布產(chǎn)生變化。
現(xiàn)有不同的可能性可使本發(fā)明構(gòu)思以有利的方式構(gòu)成及改進(jìn)。為此， 一方面
可以參照權(quán)利要求l、 13和15,另一方面，可結(jié)合附圖參照本發(fā)明一些較佳實施例 作以下敘述。在結(jié)合


本發(fā)明一些較佳實施例的同時， 一般還對本發(fā)明構(gòu)思 的改進(jìn)及較佳實施例作敘述。

圖1為本發(fā)明的被測物的位置和/或位置變化的記錄裝置的示意圖2為沿軟磁金屬薄片的磁場分布與被測物的位置h的關(guān)系的曲線圖3為相對敏感度S隨相對于傳感器的被測物位置h而變的典型趨勢曲線
圖4為直流電I—隨被測物的位置h而變的趨勢曲線圖5為本發(fā)明的具有補償線圈的傳感器裝置的第一實施例示意圖； 圖6為本發(fā)明的具有補償線圈的傳感器裝置的第二實施例示意圖； 圖7為本發(fā)明的設(shè)有補償線圈以及加入固定的永久磁鐵的傳感器裝置的第三 實施例示意圖；以及
圖8為控制直流電線圈的控制電源的電路圖。 在每幅圖中的同一或等同的組件使用了同一標(biāo)號。
1具體實施例方式
圖1所示為一種記錄被測物2相對于電磁傳感器3的位置h和/或位置變化 的根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置1的方框圖。永久磁鐵4分配給被測物2，在所述變型 中，該磁鐵的幾乎所有側(cè)面均被被測物2包圍。傳感器3具有線圈組5，該線圈組 由傳感線圈6以及補償線圈7組成。于線圈組5的作用范圍內(nèi)設(shè)置軟磁材料的金屬 薄片8。傳感線圈6具有兩端K和K2。端^與可同步的振蕩器10連接，而端K2 與評估電路11的輸入端以及該金屬薄片的電觸點9連接。振蕩器10向該傳感線圈 6提供固定頻率和振幅的交流電壓。在這情況下，由該傳感線圈6產(chǎn)生電磁交變 場，其在金屬薄片8中感應(yīng)渦流。金屬薄片8的材料的電磁性質(zhì)，如電導(dǎo)率o以及 磁導(dǎo)率u，影響在交變場上的渦流的特性和反饋。通過被測物2與傳感器3之間的 距離變化，使金屬薄片8的磁導(dǎo)率u變化，該磁導(dǎo)率變化導(dǎo)致在線圈組5中的交變 場變化。結(jié)果，改變傳感線圈6的復(fù)阻抗Z，可利用評估電路11來測量該復(fù)阻抗Z 的變化。端K和K2之間的電壓降由差分放大器12放大，其中，在放大器12的輸 出端的電壓U2與傳感線圈6的阻抗Z成比例。透過電子裝置13測定電壓U2的兩 個正交分量Lb和U4。
電壓Lb用于控制可控的電壓源14，其向線圈組5的補償線圈7供直流電 I一。因此，補償線圈7所產(chǎn)生的恒定磁場，加上永久磁鐵4的磁場以及傳感線圈6 的交變場一起形成合成磁場。利用積分器16通過在穩(wěn)定電阻上的電壓降來測量直 流電I一的大小。在積分器16的輸出端"outl"的信號用于測定被測物2與傳感器 3之間的距離變化。
該可控的電壓源14可以不同的方式形成?？刹捎猛ㄟ^信號U3所驅(qū)動的D/A 變換器或數(shù)字電位計。圖8所示的一可能的實施例，以下將進(jìn)一步詳細(xì)描述。
從電壓U2透過電子裝置所產(chǎn)生的第二電壓分量U4用于使振蕩器10同步。 因此，由振蕩器所產(chǎn)生的電壓Lh和電壓U4為同步。
傳感器裝置1可用于閉合控制回路中，其中信號U3為控制量，該控制量確 定為在電子裝置13的儲存器中的目標(biāo)值與電壓U2的差。在另一控制回路的變型 中，信號U3被中斷并通過，例如，鍵盤手動控制該電壓源14以便達(dá)到直流電1_某 一數(shù)值。輸出信號由該電子裝置13的"out2"產(chǎn)生。將結(jié)合圖2(A)、 (B)及(C)來說明沿金屬薄片8的磁場分/i」以及磁鐵4的位置 h之間的關(guān)系。該金屬薄片8由放置在支撐件17的納米晶體材料組成，例如由陶瓷 組成。在圖2中，冗余系數(shù)的重要性是顯而易見的在被測物的位置從^至h4變 化中，金屬薄片中磁導(dǎo)率的分配只從路徑a-b變化到g-h。這路徑因相對于由被測 物所覆蓋的路徑h的冗余系數(shù)而縮短，其中該冗余系數(shù)值例如為3。
圖2(A)示出了一種由放置在支撐件17上的金屬薄片8組成的裝置，利用這 裝置，由永久磁鐵4所產(chǎn)生的磁場沿金屬薄片8的分配可間接地測定。寬度A-3mm 的測量線圈18以一層環(huán)繞該支撐件17以及金屬薄片8設(shè)置。該測量線圈18這樣 配置，以致于它可沿金屬薄片8的縱向方向移動。
圖2(B)中的曲線圖標(biāo)出了當(dāng)測量線圈18沿金屬薄片8的x方向移動時測量 線圈18的復(fù)阻抗量(金屬薄片的長度L=25mm、寬度為5 以及厚度為0. 02mm)。該 曲線圖揭示了于被測物2相對于金屬薄片8的不同位置h所獲得的幾個阻抗趨勢。 為使更清晰，位置被設(shè)定成數(shù)值，其中hf60mm、 h2=50mm 、 h3=40mm以及 h4=30mm。這也示出了這樣的裝置的測量范圍可設(shè)定多大。
圖2(C)中的示意圖標(biāo)出了該金屬薄片的范圍，在該范圍中設(shè)定采用軟磁金屬 薄片的傳感器的阻抗特性的最大斜度以及最大敏感度。圖中所示的范圍相對于位置 hf60,、 h2=50mm、 h3=40mm以及h4=30mm。顯而易見，范圍(a-b)、 (c-d) 、 (e-f) 以及(g-h)按比例地移到永久磁鐵4的位置h。
圖3較精確地繪制出相對敏感度S隨被測物2的位置h而變的曲線。傳感器 3的敏感度S以下式示出
其中AZ/Z為傳感器線圈(7)的相對阻抗變化以及Sh為單個位置h之間的步寬。圖 中不難見到，在位置ho上假定相對敏感度S達(dá)最大值。在位置ho前后的范圍土Ah 內(nèi)，相對敏感度S仍保持在較大的數(shù)值并且然后顯著地減少。
圖4示出了取決于被測物相對于基本位置ho的位置變化土 Ah的直流電趨勢 圖。圖中示出了在直流電1_與該永久磁鐵的位置變化士 Ah之間呈統(tǒng)性函數(shù)關(guān)系。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置的第一實施例，該傳感器裝置由被測物 2以及傳感器3組成。永久磁鐵4置于被測物2的包圍體中以致于磁場方向與被測物2的移動軸線 一致。傳感器3設(shè)計為扁平狀并且包括支撐件17，在該支撐件的兩側(cè)上設(shè)置兩個平 面線圈6禾口 7。
電路板或陶瓷基片可用于支撐件17以及該線圈6和7可由已知的方法合適 地制成，例如，利用絲網(wǎng)印刷印在支撐件17上或粘合在其上。
設(shè)有線圈6和7的支撐件17由兩塊以導(dǎo)電材料，優(yōu)選鋁或銅，制成的電路 板19、 20覆蓋。線圈6和7的寬度"A"僅為金屬薄片8的長度"I"的約百分之 二十五，該金屬薄片粘合在電路板20的一側(cè)上。向線圈6供給高頻交流電壓并用 作測量線圈。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器的第二實施例。傳感器3由以塑料制成的圓 型支撐件17組成。用作補償線圈7以及供給直流電的第一多層線圈纏繞在槽式圓 形支撐件17上。
由振蕩器供給高頻交流電的測量線圈6沿支撐件17繞一層并且圍住該補償
線圈7。
以納米晶體或非結(jié)晶體的材料制成的金屬薄片8粘合在管21的內(nèi)部。管21 由高電導(dǎo)率的材料組成并且同時地用作傳感器的殼體。在被測物2的一側(cè)上，管21 用以導(dǎo)電材料制成的覆蓋件23覆蓋。然而，該覆蓋件可被被測物2的永久磁場(H力 穿過。評估電子裝置24置于殼體25中，為了電磁兼容性的原因，殼體應(yīng)該與管 21以及金屬薄片8連接。
在這種變型中，有利的是，傳感器3被完全密封及屏蔽以及在沒有附加壓力 管的情況下直接放置在壓力空間中，例如液壓或氣壓缸。
圖7示出了傳感器3的第三變型，其中永久磁鐵4以與傳感器3的線圈組5 相距特定固定距離D設(shè)置并且不與被測物2 —起移動。
由鐵磁鋼組成的被測物2可移動，并且以與傳感器3的表面相距基距h設(shè)置。
在第一變型(A)中，永久磁鐵4設(shè)置在面對遠(yuǎn)離被測物2的線圈組5的一側(cè) 上。這安排對于傳感器3的大小受限制，例如直徑10mm以完全線性進(jìn)行較大的測 量范圍，例如15mm測量是特別有利。
在第二變型(B)中，永久磁鐵4設(shè)置在被測物2與線圈組5之間。當(dāng)以較大
17的基距h，例如25-30,以及該傳感器的直徑僅為10mm而測量小的位置變化Ah 時，釆用這種變型是有利的。
在第三變型中，由兩組線圈6和7組成的傳感器3的線圈組5同心纏繞在支 撐件17上。軟磁材料的金屬薄片8設(shè)置在線圈6和7之間并包圍線圈7。線圈6用 作測量線圈，線圈6的阻抗或該阻抗的虛部ImZ取決于距離h并被測量。向線圈7 供給直流電并且用作補償線圈。以導(dǎo)電材料，例如鋁或銅制成的管26位于線圈7 上面。殼體25因而可由非導(dǎo)電材料，例如塑料制成。直流電可這樣調(diào)整(或設(shè) 定)，以致于在傳感器3與被測物2之間位置變化Ah的時候，該阻抗或lmZ保持 恒定。在這情況下，直流電的程度與該位置變化Ah成比例。被測物還可具有齒形 面，例如齒輪或轉(zhuǎn)子以致于轉(zhuǎn)速和/或角度也可用傳感器測量。
圖8示出了用根據(jù)圖1的裝置驅(qū)動補償線圈的可控直流電電源的電路圖。該 直流電電源的電子可調(diào)數(shù)字電位計27通過控制線28由跟蹤控制或鍵盤驅(qū)動。該數(shù) 字電位計27由兩個運算放大器29、 30對稱地供給直流電壓，其中參考電壓URef位 于運算放大器29、 30的非反相輸入端之間。該數(shù)字電位計27的電位計滑動臂31 與附加的運算放大器32的非反相輸入端連接。通直流電I—的線圈33設(shè)置在該運算 放大器32的輸出端與它的非反相輸入端之間。該線圈33由根據(jù)圖1的電路的補償 線圈7形成。直流電I一的水平隨運算放大器32的輸出端的電壓而變并由電阻器34 測定，其又取決于數(shù)字電位計的電位計滑動臂31的位置。然后，定出電路的尺 寸，以致于在電位計滑動臂31的中間位置直流電I—等于零。根據(jù)電位計滑動臂的 位置可產(chǎn)生正或負(fù)電流。根據(jù)該傳感器的工作點的位置設(shè)定直流電I—的極性以及水 平，以致于傳感器的恒定敏感度可在范圍土Ah內(nèi)達(dá)到。
電阻器34的電壓降通過積分器測量，該積分器由操作放大器35、電阻器36 以及電容器37組成。
最后，應(yīng)該指出上述實施例僅僅說明權(quán)利要求的示教而非將所述示教限制于 這些實施例。標(biāo)號列表
1傳感器裝置
2被測物
3傳感器
4磁鐵
5線圈組
6傳感線圈
7補償線圈
8金屬薄片
9電觸點
10振蕩器
11評估電路
12放大器
13電子裝置
14電壓源
15 (測量)電阻器
16積分器
17支撐件
18測量線圈
19支撐件(圓型)
20管
21電觸點(管)
22殼體
23評估電路
24支撐件(扁平型)
25屏蔽罩
26傳導(dǎo)面
27數(shù)字電位計
28控制線29運算放大器
30運算放大器
31電位計滑動臂(電位計)
32運算放大器
33線圈
34電阻器
35運算放大器
36電阻器
37電容器
權(quán)利要求
1.一種被測物相對于傳感器(2)的位置和/或位置變化的測定方法，其中所述傳感器(2)優(yōu)選具有施加以交流電的傳感線圈(7)，其特征在于金屬薄片(4)的磁導(dǎo)率變化由分配給軟磁金屬薄片(4)中被測物(1)的磁鐵(5)所產(chǎn)生，其磁導(dǎo)率在磁場的作用下隨磁場的場強變化而變化并安排在傳感器(2)的作用范圍內(nèi)，而所述金屬薄片(4)的磁導(dǎo)率變化由傳感器(2)上的反饋來確定并由其測定被測物(1)相對于傳感器(2)的位置和/或位置變化。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于磁場由以直流電激發(fā)的補償線圈(8) 產(chǎn)生，通過磁場影響金屬薄片(4)或部分金屬薄片(4)的磁導(dǎo)率。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述直流電這樣調(diào)整，以致于傳感線 圈(7)建立基本上恒定的磁場。
4. 如權(quán)利要求1至3所述的方法，其特征在于以以下步驟對傳感器(2)進(jìn)行校準(zhǔn)
5.以步寛S h對在相對于傳感器(2)的多個位置h上的被測物(l)定位； 向傳感線圈(7)供交流電測定每一位置上的傳感線圈(7)的阻抗Z和/或相對阻抗變化A Z/Z;確定傳感線圈(7)的相對敏感度S對被測物(l)的位置h的相關(guān)性特征，其中確定特征中的位置ho,在該位置上假定相對敏感度S達(dá)最大值； 儲存復(fù)阻抗Zo的值，其相應(yīng)于在非易失性存儲器中的位置ho; 向補償線圈(8)供直流電；測定每一位置h上傳感線圈(7)的阻抗Z和/或相對阻抗變化AZ/Z，其中所述傳 感線圈(7)、所述補償線圈(8)以及磁鐵(5)的磁場都作用在金屬薄片(4)上；使直流電在測量范圍土 Ah內(nèi)變化直至達(dá)到已儲存的阻抗目標(biāo)值；以及 確定直流電與被測物(l)的位置變化的相關(guān)性。 5.如權(quán)利要求1至4中任何一項所述的方法，其特征在于對阻抗或它的變化進(jìn)行測定以檢測由所述金屬薄片(4)的磁導(dǎo)率變化而在傳感線圈(7)產(chǎn)生的反饋。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于確定傳感線圈(7)的復(fù)阻抗的實部Re(Z)和虛部lm(Z似及其比率D=Re{Z}/lm{Z}。
7. 如權(quán)利要求1至6中任何一項所述的方法，其特征在于直流電的大小經(jīng)由跟蹤控制中的補償線圈(8)由閉合控制回路設(shè)定。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述比率D用作所述控制回路的目標(biāo)值。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于所述虛部lm(Z)用于確定被測物 (1)與所述傳感器(2)之間的位置變化，其中D為保持恒定。
10. 如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于流經(jīng)所述補償線圈(8)的直流電 的強度用于位置確定。
11. 如權(quán)利要求7至10中任何一項所述的方法，其特征在于傳感器(2)的最大相 對敏感度S在整個測量范圍內(nèi)或部分受控測量范圍內(nèi)保持恒定。
12. 如權(quán)利要求1至6中任何一項所述的方法，其特征在于.直流電以手動調(diào)節(jié)。
13. —種被測物(l)相對于傳感器(2)的位置和/或位置變化測定用的傳感器裝置， 其中磁鐵(5)優(yōu)選分配給被測物(1)以及所述傳感器(2)優(yōu)選具有施加以交流電的傳感 線圈(7)，特別供根據(jù)權(quán)利要求1至12中任何一項所述方法應(yīng)用，其特征在于在傳 感器(2)的作用范圍內(nèi)設(shè)置軟磁材料的金屬薄片(4)，其中所述金屬薄片(4)的磁導(dǎo)率 在磁場的作用下隨磁場的場強變化而變化，并且還設(shè)有評估電路(IO)，利用所述評估 電路，再由傳感器(2)上的反饋測定所述金屬薄片(4)的磁導(dǎo)率變化以及得出關(guān)于被測 物(1)相對于傳感器(2)的位置和/或位置變化的結(jié)果。
14. 如權(quán)利要求13所述的傳感器裝置，其特征在于所述的傳感器裝置設(shè)有以直 流電激發(fā)的補償線圈(8)，利用所述的補償線圈(8)來影響金屬薄片(4)或部分金屬薄 片(4)的磁導(dǎo)率。
15. 如權(quán)利要求14所述的傳感器裝置，其特征在于所述傳感線圈(7)、補償線圈 (8)以及磁鐵(5)的磁場疊加成一合成磁場。
16. 如權(quán)利要求14或15所述的傳感器裝置，其特征在于所述傳感線圈(7)與所述 補償線圈(8)在電流上隔離。
17. 如權(quán)利要求13至16中任何一項所述的傳感器裝置，其特征在于所述直流電 的強度是可調(diào)整的。
18. 如權(quán)利要求13至17中任何一項所述的傳感器裝置，其特征在于所述磁鐵(5)包括永久磁鐵和/或電磁鐵。
19. 如權(quán)利要求13至18中任何一項所述的傳感器裝置，其特征在于所述金屬薄 片(4)電容性地與傳感線圈(7)耦合，并且具有電觸點(6)。
20. 如權(quán)利要求19所述的傳感器裝置，其特征在于金屬薄片(4)的觸點(6)與所 述傳感線圈(7)的接頭(17)之間連接振蕩器(14)。
21. 如權(quán)利要求19或20所述的傳感器裝置，其特征在于所述傳感線圈(7)的第二 接頭(18)與所述評估電路(10)的放大器(11)的輸入端連接，其中由所述放大器(ll)所 產(chǎn)生的信號U2與所述傳感線圈(7)的相對阻抗變化AZ/Z成比例。
22. 如權(quán)利要求21所述的傳感器裝置，其特征在于所述傳感器裝置設(shè)有測定電 壓U2的兩個正交分量的電子裝置(12)，其中所述兩個分量中的一分量與所述傳感線 圈(7)的復(fù)阻抗的實部Re(Z)成比例以及另一分量與所述傳感線圈(7)的復(fù)阻抗的虛部 lm(Z)成比例。
23. 如權(quán)利要求22所述的傳感器裝置，其特征在于所述電子裝置(12)產(chǎn)生信號113和1)4，由信號U4使振蕩器(14)同步，而信號U3則用于控制電壓源(13)。
24. 如權(quán)利要求22或23所述的傳感器裝置，其特征在于所述電子裝置(12)包括 A/D變換器、處理器以及存儲器，并且通過光耦合器與所述電壓源(13)的輸入端連 接。
25. —種被測物(1)相對于傳感器(2)的位置和/或位置變化測定用的傳感器裝置， 其中磁鐵(5)優(yōu)選分配給被測物(1)以及所述傳感器(2)優(yōu)選具有施加以交流電的傳感 線圈(7)，其特征在于在傳感器(2)的作用范圍內(nèi)設(shè)置由軟磁材料制成的金屬薄片 (4)，其中所述金屬薄片的磁導(dǎo)率在磁場的作用下隨磁場的場強變化而變化，并且被 測物(1)的移動基本上在平行于所述金屬薄片(4)的伸縮方向以及所述金屬薄片(4)的 磁導(dǎo)率變化由傳感器(2)上的反饋測定以及由此測定被測物(1)相對于傳感器(2)的位 置和/或位置變化。
26. 如權(quán)利要求25所述的傳感器裝置，其特征在于所述的傳感器裝置設(shè)有評估 電路(IO)，利用所述評估電路，由傳感線圈(7)上的反饋來測定所述金屬薄片(4)的磁 導(dǎo)率變化。
27. 如權(quán)利要求26所述的傳感器裝置，其特征在于所述磁鐵(5)包括永久磁鐵和/或電磁鐵。
28. 如權(quán)利要求26或27所述的傳感器裝置，其特征在于金屬薄片(4)電容性地 與傳感線圈(7)耦合，并且具有電觸點(6)。
29. 如權(quán)利要求28所述的傳感器裝置，其特征在于金屬薄片(4)的觸點(6)與傳 感線圈(7)的接頭(17)之間連接振蕩器(14)。
30. 如權(quán)利要求28或29所述的傳感器裝置，其特征在于傳感線圈(7)的第二接頭 (18)與所述評估電路(10)的放大器(11)連接，其中在所述放大器(ll)的輸出端的信號 U2與傳感線圈(7)的阻抗變化A Z/Z成比例。
31. 如權(quán)利要求13至30中任何一項所述的傳感器裝置，其特征在于所述傳感器 (17)施加于圓形支撐件(21)上。
32. 如權(quán)利要求13至30中任何一項所述的傳感器裝置，其特征在于所述傳感器 (34)呈扁平型并且施加于優(yōu)選扁平的支撐件上。
33. 如權(quán)利要求13至32中任何一項所述的傳感器裝置，其特征在于由所述傳感 線圈(7)所產(chǎn)生的電磁場的穿透深度隨所述金屬薄片的磁導(dǎo)率變化而增大，并且設(shè)定所 述金屬薄片(4)的厚度尺寸以致于所述電磁場能夠在低磁導(dǎo)率的范圍通過所述金屬薄 片(4)。
34. 如權(quán)利要求13至33中任何一項所述的傳感器裝置，其特征在于所述的傳感 器裝置設(shè)有傳導(dǎo)面(26)，所述的傳導(dǎo)面靠近金屬薄片(4)設(shè)置并在面對遠(yuǎn)離傳感線圈(7) 的一側(cè)上。
35. 如權(quán)利要求33或34所述的傳感器裝置，其特征在于通過所述金屬薄片(4) 的電磁場在所述傳導(dǎo)面中感應(yīng)渦流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種被測物相對于傳感器(2)的位置和/或位置變化的測定方法，其中所述傳感器(2)優(yōu)選具有施加以交流電的傳感線圈(7)，其特征在于軟磁金屬薄片(4)中與被測物(1)關(guān)聯(lián)的磁鐵(5)使金屬薄片(4)的磁導(dǎo)率產(chǎn)生變化，金屬薄片(4)的磁導(dǎo)率在磁場的作用下隨磁場的場強變化而變化并安排在傳感器(2)的作用范圍內(nèi)，而金屬薄片(4)的磁導(dǎo)率變化由被測物對傳感器(2)的反應(yīng)來確定并可用于測定被測物(1)相對于傳感器(2)的位置和/或位置變化。從而設(shè)計出一種傳感器裝置。
文檔編號H03K17/95GK101563585SQ200780047304
公開日2009年10月21日 申請日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月21日
發(fā)明者V·蒙德尼科夫 申請人:微-埃普西龍測量技術(shù)有限兩合公司