感应式位置-或角度测量装置的制作方法

专利名称：感应式位置-或角度测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种感应式位置-或角度测量装置，其带有两个、三个或 四个数字振荡器，这些数字振荡器总是包含一个测量线圈或者一个基准线 圈。测量-或基准线圈排成一个线圈列，在其附近的运动测量元件占据了 一个确定的位置或一个确定的角度。测量元件可以属于诸如一个安装在汽 车变速箱上的变速箱传感器。在此种应用情况下测量元件和变速箱内部的 选档-控制装置机械的连接在一起。选档-控制装置尤其可以是双向离合器 变速箱的一根换档摇杆。测量元件可以适应控制装置的直线运动或者比如 换档摇杆所做的圆弧形运动。在第二种情况下，被导入到一个圆弧形线圈 列上的测量元件根据运动方向作相应的弯曲。位置感应测量装置可以反馈 出自动变速箱刚刚被置于哪一个档位。此外它还可以即时定位变速箱内部 档位转换流程的大概时间和精确位置，比如说上述换档摇杆在双向离合器变速箱内"啮合变速器同步环A"、"中间"和"啮合变速同步环B"这些位置之 间的移动。
背景技术：
感应测量装置优选按照涡电流传感器的原理工作。在本发明框架内， 也可以用软磁性物质比如说铁氧体来制造测量元件以获得自感改变。不过 下面要举例考虑的不是磁场的强化，而是磁场的衰减。测量线圈的磁场在 一个导电测量元件里产生涡电流，此涡电流反作用于线圈。此外测量线圈 的电感也会受到测量元件相对于线圈的空间位置的影响。这个可变的电感 和一个电容器的电容一起决定一个相应振荡器的固有频率，举例来说，此 振荡器可以设计成科尔皮兹振荡器。固有频率的计算允许位置测量(i) 在比如24毫米的测量范围内具有很好的位置精度和(ii)达到比如1毫秒 的时间精度。文件DE42 37 897 Al公开了类似设计的一种感应传感器的一个计算回路。两个测量线圈被设置成差分传感器，也就是说，两个线圈的电感做出的反向变化与芯线的包入位置(erfasstenStellung)有关。每个测量线圈 和两个电容组成一个振荡器，通过反相放大器可完成一个数字科尔皮兹振 荡器。此振荡器的输出信号可以直接在一个数字计算回路中进行进一步处 理。振荡器的振荡时间由以下方法确定，即一个计数器被振荡器信号开启 并且在比如两个振荡周期结束后停止。计数器的计数提高到与一个时钟脉 冲频率同步，这个时钟脉冲频率由一个额外的振荡器提供，并且必然比传 感器振荡器的频率高。最后将两个反向的传感器振荡器的计数相减并给出 数字测量结果。文件DE40 38 515 A1公开了另一种长度-或角度测量装置。比如在机 动车上它可以用于调整车身高度或者测量曲轴的角度位置。作为测量装置 的问题，大的温度范围还有环境情况造成的其他负面影响是众所周知的。 扫描线圈总是LC-振荡回路的一部分，LC-振荡回路就它自身而言要由一 个可控的扫描振荡器来驱动。振荡器线路和振荡回路作为模拟电路产生交 变电压，其频率由振荡回路决定，但此频率在测量期间不是必需变化的。 更确切的说，要使用几个并排的扫描振荡器，其振荡回路在振幅上受到由 几条平行编码带产生的衰减或非衰减的影响。为了避免不同扫描线圈之间 的干扰，振荡回路被协调成几个不同的谐振频率。每一个扫描线圈的衰减 各需要使用一个用长度单位校准过的、交替由金属导电板和非导电板组成 的二进制编码带。为了在大的温度范围内获得准确的测量结果，设置了一 个基准振荡器。此基准振荡器本质上与扫描振荡器构造相同，其空间位置 暴露于和扫描振荡器相同的环境条件中。基准振荡器一直保持在不被衰减 的状态；此外它被模拟调整以恒定振幅运行。其反映了环境影响的调整强 度可以用于扫描振荡器的振幅控制，并可以由此为扫描振荡器的电压提供 比较值。在使用这种或与此类似的用于变速箱的感应测量装置时，除了众所周 知的温度依赖性以外，还有五个表现明显并相互强化的问题。第一，在变 速箱内部，振荡器和按目的制造的计算回路要安装在一块导体板上，但是 此导体板的建造空间太狭窄，而且要受到感应测量原则的限制。第二，平 面分布在导体上剧烈震动的线圈以及振荡器和计算回路的普通构件不但 要承受通常的温度偏移，还必须要在变速箱里-4(TC到+15(TC的工作温度范围内同运动测量元件一起可靠运转。第三，除了由上述原因产生的热膨 胀之外，变速箱内的机械公差也会影响到平面探测线圈和平板状测量元件 之间对运行很重要的间隔高度，而测量元件应在测量线圈上方尽量保持恒 定间隔运动。此外因为感应传感技术要解决选档-控制装置沿着运动轨迹 上多个中间位置或多个角位的测量，所以第四个问题是传感器的特性曲线 需要在一个相对较大的测量范围内是线性的。最后第五个问题是，在变速 箱油槽内由于摩擦而聚集的金属泥不应影响到测量(比如用霍尔传感器时 的情况是，随工作时间的增长，它的永久磁体会被铁屑包围)。发明内容因此本发明的任务是，给出一个能节省空间的位置-或角度测量装置， 它可以在一个大的温度范围内使用，能够承受测量物的机械公差和污物摩 擦，而且具有尽可能大的位置-或角度测量范围，在此范围内特性曲线是 线性的。这个任务可以由具有权利要求1所述特征的位置-或角度测量装置来 解决。从属权利要求给出了按照目的进行的进一步设计。如权利要求l所 述的测量装置将其特征按如下方式组成一个符合目的的整体解决方案和在文件，879和'515中一样，在现有技术情况下，LC-振荡回路作为 振荡器使用。此外，和文件'879不同的是，振荡器不共享采用时分多路方 式的相同的电容器，而是各自平行运转，振荡线圈不进行调换。和文件'515不同的是，对于绝对位置测量来说， 一个单独的测量振荡器或两个采用差 分接法的测量振荡器就足够了，，这样做的优点在于，可以采用一个本身没 有结构化的、相对膨大并结实的、只要外形设计符合目的的测量元件，来 代替用一排振荡器扫描多个平行的、分成小部分校准过的二进制编码带。 本发明的振荡器按如下方式进行数字工作，它提供一个脉冲状的、振 幅受限的输出信号，其脉冲频率依赖于所在位置。这样做的优点在于，可 以在没有模/数转换器或解调器的情况下直接对输出信号进行进一步的数 字处理。和文件'515不同的是，不需要生成一个模拟振荡振幅作为对线圈 衰减的量度。和文件'879不同的是，振荡器的脉冲频率在25到60MHz 的范围内，因此可以直接(也就是说不需要一个附加的时钟振荡器)输入计算回路进行计算。在一个带有测量线圈的振荡器旁边，另一个如权利要求1所述的振荡 器也可包含一个基准线圈，由此成为一个基准振荡器。这样一个基准振荡器的脉冲频率——和文件'879中测量线圈和测量振荡器的不一样——不依赖于线圈被运动测量元件的覆盖程度，而是单独吸收了位置测量的干扰 影响，此干扰影响同样会作用于测量线圈。依据待补偿的干扰大小，基准 线圈在运动测量元件的整个测量范围内要么是完全被覆盖/被衰减的(高 频振荡器)，要么是完全不被覆盖/不被衰减的(低频振荡器)。这样的话，特性曲线"脉冲频率作为测量路径的函数"的温度依赖性就 可以通过一个简单的算法补偿了。为了获得好的结果需要将测量-振荡器的脉冲频率和低频振荡器的基准-脉冲频率相减。和文件'515的区别是， 不需要为了使基准振荡器处于稳定状态而设置标准回路，而且基准振荡器 产生的基准值也不需要输入测量振荡器。另外一种类型的基准振荡器在文件'879和'515中都没有出现过，其用 于补偿机械公差，此公差能敏感的影响到线圈列和平板状测量元件之间的 间隔高度。优选的是将所有线圈，其至少是能被测量元件覆盖且被制作成 平面状，即其作为平面线圈蚀刻在导体板上。在将测量装置安装入变速箱 过程中产生的统计公差会导致间隔高度对于不同的变速箱在0.5毫米到3 毫米之间变动。此外还有在测量装置工作时产生的间隔高度公差。它源自 变速箱的热膨胀，并引起另外+/- 0.5毫米的变动。振动所引起的外形上 的动力学扰动也会改变测量元件与线圈列间的距离。这个干扰影响可被基 准线圈消除，此基准线圈在测量范围内的任何位置都会被运动的测量元件 完全覆盖。由此产生的最大衰减会通过涡电流形成基准线圈上的一个最小 电感和附属基准振荡器的一个最大脉冲频率。在这种情况下，为了补偿干 扰影响，简单地用测量振荡器脉冲频率减去基准-脉冲频率即可。不过还 有一种更好的可能性，那就是将两个基准线圈的脉冲频率相减。这个差值 提供了一个在控制的测量环境下可能取得的最大值，它作为标准值可用于 调整合适的测量时间。在自适应的确定测量时间内，不仅是测量振荡器的 脉冲频率，还有两个基准振荡器的脉冲频率都被计数。对此合适的为三个 振荡器安装的测量-和基准线圈列是特别优选的。所有振荡器的数字信号都被导入一个集成计算回路，此集成计算回路可以被制作成门阵列(GA)或者是可由操作者编程的门阵列(FPGA)或 者是专用集成电路(ASIC)。每一个传递来的脉冲频率都在一个异步频率 计数器的输入级里计数。计数器的开始-和停止信号将由一个控制器生成。 测量时间，即异步计数器开始-和结束信号之间的时间差，将由控制器通 过上述基准测量预先设定。如果需要的话，异步计数器的计数可被暂存在一个寄存器里然后再被 计算，尤其是成对相减。对本发明的实施形式有意义的每一对频率的信号 差，要在计算回路中为它们设计一个减法器。计算回路的同步部分将借助一个系统频率被内部施以时钟信号。和文 件'879不同的是不特别设置时钟发生器，系统频率来源于带有未被覆盖的 基准线圈的振荡器的脉冲频率。通过利用一个振荡器频率作为系统时钟， 可以不用再考虑为那些在振荡器内部同样出现的温度偏移作温度补偿。此 外， 一个特别的时钟发生器作为计算回路的一个部件被节省下来后，在使 用ASIC芯片时所需的芯片面积减小了。本发明的任务可以通过一个装配有正好三个振荡器的感应式位置-或 角度测量装置以特别有利的方式解决。第一个振荡器作为测量振荡器包含 开头提到的测量线圈，此测量线圈在测量路径的部分被运动测量元件覆 盖。第二个振荡器作为低频振荡器包含一个不被覆盖基准线圈，同时第三 个振荡器作为高频振荡器使用一个被完全覆盖的基准线圈。这种三元线圈 列和两元线圈列相比具有以下优点，它们可以确立全部基准值，这些基准 值在不利的运行环境下对于位置测量值的补偿来说也是必需的。同时，三 元线圈列和四元线圈列相比具有以下优点，在测量电路板上的空间需求更 小。用第四个线圈(第二个测量线圈)可获得的将特性曲线线性化的优点 也可以通过一个简单的方法达到，即将平面测量线圈原本矩形的尾端扩大 成梯形。线圈在覆盖住测量元件的区域是平面线圈；不被覆盖的、位置有 些远离的基准线圈也可以用SMD-制造方法作为分立的三维构件来制造。数字振荡器的一个优选构造包括在科尔皮兹线路中测量-或基准线圈 附近的两个电容器，此时一个带有负荷电阻的反馈逆变器将模拟LC-振荡 信号转化为数字脉冲信号。通过对脉冲频率进行计数和相减来完成进一步 的处理，此时数字计算回路的系统频率由低频振荡器的脉冲频率导出。振荡器信号作为测量信号和作为计算回路系统频率信号的双重应用，其优点也可以用于在相对不受干扰的环境中用两个测量振荡器工作的测 量仪器上。在这里计算回路将按照一个系统频率作为时钟来运行，此系统 频率源自于其中一个测量振荡器的脉冲频率。只要测量频率-由此也即主 导的系统频率-的变化在测量范围内，计算回路的步骤不会被打乱。两个测量线圈在测量过程处于覆盖状态的部分相互交替。它们的测量 信号之差使得特性曲线斜率加倍，可将其以熟知的方法用于推导结果或用 于测量范围或用于测量动力学。


本发明的实施例将依据图1至IJ17C进行解释。如下图la —个带有测量元件的二元线圈列，二元线圈列是位置测量装置的 一部分；图lb 另一个带有测量-或衰减元件的二元线圈列，二元线圈列是位置测量装置的一部分； 图lc图lb所示传感器l和2的输出信号的特性曲线族，此特性曲线族是衰减元件对传感器覆盖程度的函数，并以衰减元件的倾斜为参量；图2 —个带有测量元件的四元线圈列，四元线圈列是位置测量装置的一部分；图3 —个三元线圈列，作为位置测量装置的一部分；图4 依据图3的三元线圈列，因两个在不同位置上的运动测量元件衰减；图4a —个被部分衰减的线圈列和一个被完全覆盖的高度测量线圈，俯视图和侧视图如图4所示； 图5 —个原型为矩形的线圈和一个原为矩形扩展成梯形的线圈； 图6 按照本发明的测量振荡器的特性曲线图； 图7 在不同测量情况下基准振荡器的频率计数图； 图8 第一种实施例用于计算回路中结果计算的一张方框电子线路图；图9 第一种实施例的一张方框电子线路图，用于计算回路中的标准图9 第一种实施例的一张方框电子线路图，用于计算回路中的标准值-和测量时间；图IO 如图7那样的计数图，用于解释计算回路的第二种实施形式；图ll 第二种实施例的一张方框电子线路图，用于计算回路的结果计算；图12第二种实施例的一张方框电子线路图，用于计算回路中的标准值-和测量时间的计算； 图13—张用于确定分频因子的图，分频因子在第二种实施形式中是必需的。图14a —个多线圈列，可以和图4a中的线圈列相比较，其中图4a中的高度测量线圈被四个高度测量线圈代替。 图14b 如图6中特性曲线的线性区域那样的一条线性特征曲线，但是包含了测量元件在任意方向上倾斜的一个附加效应。 图15a —个多线圈列，与图2中的线圈列类似，其中图2中的高度测量线圈被两个高度测量线圈代替。 图15b 如图6中特性曲线的线性区域那样的一条线性特征曲线，但是包含了测量元件在主要方向上倾斜的一个附加效应。 图16 按照本发明的一个测量线圈的一个排列，带有一个冗余的、分开的测量线圈列。图17a-c依据图16的冗余线圈列，带有一个处于三个不同的覆盖位置的 运动测量元件。
具体实施方式
图1显示了一个部分被涡电流-衰减元件覆盖的测量线圈的基本原理。 一个线圈在这种情况下同样被用作测量线圈；它的覆盖部分和另一个测量 线圈的覆盖部分做相反运动。两个线圈都以熟知的方式平面安装在导体板 上；线圈-导线的接口要与电容器和其他线路零件连接在一起组成振荡器。 对于每一个线圈来说一个螺旋就足够了；不过也可采用多个螺旋构成平螺线圈。两个平线圈具有矩形原型，先后排列在测量方向上。在平线圈上方一 个预先设定距离的高度内有一个导电的涡电流衰减元件作为运动测量元件使用。根据另一个可选择的测量原理，测量元件也可以由软磁性材料比 如铁素体制成。在测量范围内，即从测量线圈几乎被完全覆盖到此线圈几 乎完全露出的范围内，将有一个测量路径被走过，测量元件的实际位置是 在此路径上确定的。对于特性曲线陡峭的测量装置，按照图1的这种带有 反向效应的二元线圈列是特别合适的，而且有很高的灵敏度。图la和图lb显示的是依据图1的涉及线圈衔接的一种可选择的差分 线圈列，这在本发明中同样有利于投入使用。测量线圈以熟知的方式显示 为三角形基本形态，并组成一个沿对角线分开的矩形排列。依赖于测量元 件位置的信号走势是逆向的，另一方面差分信号将被确定。在这种情况下， 按照图1C的特性曲线有助于补偿间距的统计(取决于公差的)或动力学(取决于运动的)偏差和/或测量元件的倾斜度。如按照图la的侧视图所示，位置测量结果敏感地依赖于一个均匀平行的距离高度h的偏移。在按照图lc的特性曲线族中，对于一个均匀平行间隔高度h的情况，传感器l和2依赖于地点-即覆盖情况的反向特性曲线如实线所示。作为比较，虚线特性曲线显示的是带倾斜度时理想化的信号走势。在这个实施例中，衰 减元件的右边缘高于衰减元件的左边缘。在图2中，按照图1的二元线圈列扩展成了一个四元线圈列。运动的 测量元件与图1中的相比也相对较长；在这里它可以覆盖两个相邻的平线 圈。线圈在垂直于测量方向上的偏移是非强制性的；线圈也可以按照图15a 排成一条直线。当运动测量元件停留在左半边测量范围内时，位于上方的线圈i和ni承担起测量线圈的功能，和图1类似。位于下方的线圈中II是被完全覆盖的，IV是完全不被覆盖的。它们的信号可以在计算回路中 被当作基准信号来使用。 一直处于被衰减状态的线圈II属于一个高频振荡 器，它的信号可用于测量运动测量元件在整个线圈列上方的间隔高度的量 度。 一直处于不被衰减状态的线圈IV属于一个低频振荡器，它的信号可 用于测量环境温度和其他的干扰变量比如部件老化。当四元线圈列的运动测量元件位于右半边测量范围内时，线圈功能发 生交换。位于下方的线圈II和IV此时作为差分测量线圈并被反向覆盖， 而位于上方的线圈I和III现在可作为基准线圈使用。当有足够的空间可 供测量装置占有时，并且实施的是特别精确和特别无干扰的测量时，这个 线圈列是适用的。图3描述了另一种带有一个测量线圈、 一个高频线圈和一个低频线圈 的线圈列的优选可能性。图4描述了位于测量范围内两个不同位置的附属 于此线圈列的测量元件。测量线圈的衰减依赖于覆盖程度，因此他们的第 一列的信号是位置S的函数f(S)。不过这个测量信号也包括干扰在内，此 干扰来自于不稳定的间隔高度h和一个变化的工作温度T。为了获得补偿这些干扰的信号，可以在测量线圈附近安装一个测度函数为f (h)的高频 线圈，并在远离测量线圈的地方安装一个测度函数为f (T)的低频线圈。 在图4a中也给出了受测量-或衰减元件影响的高频线圈以及测量线圈的侧 视图，用于说明参量间隔高度h。在实践中既由于公差限制又由于机械负 载的动力学因素，衰减元件会发生倾斜，。在一些变速箱传感器上只考虑 在测量方向s上的倾斜即可，在有其他的变速箱传感器时，则会发生多个 轴上的倾斜。图5给出了一种可能性，改变按照图1的测量线圈的矩形原型并以此 改善了特性曲线。图6准确给出了特性曲线的象征性图示(在图5中也一 样有)。特性曲线图中横坐标为运动测量元件的位置s，纵坐标为数字振荡 器的脉冲频率f，振荡器包含被部分覆盖的测量线圈。振荡器频率f基本 上随测量线圈被测量元件覆盖的长度s的增大而增大。作为测量范围，能很好利用的只是具有近似线性特性曲线的过渡区的一部分。为了尽量拓宽 此测量范围并改善测量范围内的线性程度，可以采用图5所示的对测量线 圈矩形原型的修改。通过在测量范围左端末尾对平面图进行梯形扩展，特 性曲线尾端的弯曲变为折线状。图5中喇叭-或梯形可以由此示范性的理 解；专家可以通过简单的尝试确定有利的平面图型。为应用目的而选出的线圈列要和其余的振荡器部件还有数字计算回 路一起安装在一个导体板上。整个的导体板线路可以被安装并嵌入一个铝 盒子里面。这样安装起来的测量装置具有紧凑的外形，不带有活动部件。 运动测量元件可简单地根据外形和材料来决定，这样它可以按一个完全不 同的制造流程(比如说可作为小旗铸在换档摇杆上)来生产，而且还可以 同嵌入的导体板线路安全并无干扰的一起运转。按照图8和图9的方框电子线路图显示，信号是如何输入计算回路中 的振荡器的。每一个振荡器信号将被引入一个频率计数器的输入级，它将 在一个确定的测量时间内对脉冲进行计数。从图7中的附图中可得知，两个基准振荡器的计数在测量时间内是如何走高的。没有被衰减的低频振荡 器的计数F—增长得最慢。高频振荡器的增长要快一些，因为它被完全覆 盖了 (小的电感意味着高的振荡器频率)。3毫米的间隔高度被定义为标准 情况，它可以保证必要的空间位置的分辨率。在这个测量条件下将预置一 个最大测量值，所有的后续计数值都用它来被标准化。最大测量值为高频 振荡器和低频振荡器的计数差，此差值在测量时间内会上升。被部分覆盖 的测量线圈的计数会位于这两个由环境定义的边界值之间。由于上面讨论过的独立于线圈列安装的测量元件的干扰影响，间隔高 度可从3毫米降低到2毫米或者1毫米。在这个测量条件下，高频振荡器 的计数会上升得更快。因为计算回路保留了用于标准化的最大测量值，所 以在这个测量条件下的测量时间将会縮短。在计算回路的第一种实施例(图8和图9)中举例说明了在测量仪器校准过程中和此后的测量过程中， 间隔高度和测量时间都在确定的标准范围附近。因此依据图8和9的实施 例足以用作计算回路。依据图10到13，后面还将讨论第二种实施例，在 偏离正常测量情况时，它将产生一个分频结果。在图8中，测量振荡器和低频振荡器的信号被处理为位置测量结果。 脉冲频率在输入级被计数。此外"结果"控制器为计数器提供开始-和停止信 号，为此它需要一个通用的系统频率F^和关于测量时间的信息，它们两 个都可以从图9的线路中引出。低频振荡器的异步计数器在最大测量时间 内按照图7走高并提供一个参考值，此参考值反映了环境温度。测量振荡 器的信号在其异步计数器的计数中额外包括了被测量元件部分覆盖的影响。按照图8的减法器提供了一个与温度无关的差分值。为了补充校准或 者调整测量时间，需要用到图9中描述的计算回路部件。系统频率F^将 从低频振荡器频率F^中引出，它将为"标准值"控制器(图9)禾n"结果"控 制器(图8)提供时钟信号。 一个特别的时钟振荡器是没有必要的。低频 振荡器的脉冲频率可以直接作为系统频率F^使用，或者也可以中间接入 一个分频器。图9中最低的振荡器频率将被除以2，以产生系统频率。图9中输入级和减法器中的异步计数器类似于图8中的，不过是高频 基准振荡器而非测量振荡器提供最大可能计数值(参看图7)。当差值达到 一个预置的最大值时， 一个比较器将提供一个关于测量时间的信息(停止 测量计数器)。图8和图9中的控制器需要这个测量时间信息，以确定在减法器之前和之后给计数器输入开始-和停止信号和给存储器输入存入信号。按照图8和图9的计算回路可以制作成门阵列(GA)、可编程门阵列 (FPGA)或者是专用集成电路(ASIC)。在优选的实施形式中，门阵列 被设计成接近传感器的、异步运行的计算回路。图IO描述了另一种测量时间计算方法，当机械公差会使间隔高度减 小到2毫米或者1毫米时，就釆用这种方法。在这种情况下计数会超过预 定的最大值。这种情况将在计算回路的第二个实施例中通过结果分频运算 来处理。为了使计数在似乎延长了的测量时间内保持有可比性，并且不会 超过预定的标准值，将按照图ll的计算方法，通过对减法器结果进行分 频来完成。对于频段f3内的高频来说，可使用分频因子4 (参看图13)， 对于频段G中的次高频来说，可在计算过程中输入分频因子2 (同样参看 图13)。在正常产生的频段fl内，分频因子1是合适的，也就是说，可以 采用已经依据图8解释过的方法计算。第二个实施例中测量时间的计算是比较复杂的(参看图12)。在这种 情况下，高频振荡器和低频振荡器之间差值的计算超出了图13中的频段1 并引出两条路径。第一，要根据这个差值确定因子的值，图ll中的分频 过程将用到这个值。第二，要通过一个特殊的计算确定测量时间信息，这 个信息将被输入"标准值"和"结果"控制器。在作为变速箱传感器使用时，运动测量元件不与带传感器的导体板在 一起装配。最好是将这个小薄片安装在双向离合器变速箱的摇杆上。它与 传感器线圈之间对运行很重要的距离在安装到一起后是相对易变的，还要 考虑测量元件的一个相对倾斜，它们可以导致测量元件到测量线圈的距离 比到基准线圈的距离更小。需要在每个倾斜方向上至少设置一个基准线圈 进行补偿，借助这些基准线圈可得到在测量线圈范围内的实际间隔。当测 量运动和平线圈的平面不完全平行时，扰动的间隔高度和倾斜甚至是动态 的，也就是说，在运行条件下的测量运动过程中会改变，图14a描述了一个功能上与图4b类似的线圈列，用这个线圈列不但 可以补偿平行间隔高度h的改变所造成的干扰，还可以补偿倾斜角所造成 的附加干扰。按照图4a的一个高度测量线圈在这里被三个或者更多高频 线圈代替，优选实施例中是四个高频线圈S1到S4。在两个轴上的倾斜可以通过测量元件在高频线圈Sl到S4上方的不同高度得出。要测量的仍然是信号差。在附图14b中分别描述了按照图5和图6的特性曲线的线性部 分。在图例中，在传感器S3-S4方向上的倾斜大于在传感器S1-S2方向上 的倾斜。相应的S3-S4信号差在按照图14b的附属特性曲线族中更大。借 助于预置倾斜，可以从倾斜情况下的一个实际信号走势反推出非倾斜情况 下一个理论上的、无干扰的、理想的信号走势。在这里真实测量信号描述 了测量振荡器的频率和其中一个高频振荡器频率比如在基准线圈S3中的 频率之间的差值。图15a和15b以类似方式描述了只在一个主要方向上的倾斜补偿。经 常发生的倾斜是图14b中Sl-S2的倾斜信号差为零。因此图15a中将有多 个线圈排成一列并按以下方式运转，每次都是被部分覆盖的线圈(例如 S3)用于路径测量，而被完全覆盖的线圈(例如S1和S2)确定测量元件 的间隔。在另一种实施式中，线圈Sl到S4也可以安装在一个圆弧或者圆 周上，这样就从位置测量装置变成了一个角度测量装置。在衰减元件发生倾斜时，倾斜角可以通过完全衰减的线圈Sl和S2所 提供的不同高度hl和h2来算出。线圈S3的路径信号可以由此被修正。 有越多的线圈被完全覆盖，这个高度测量和修正就会越准确。在图15a中所描述的测量位置上，(被完全覆盖的)线圈S1和S2可 被看作是高度测量线圈，而其后的S3、 S4和S5则用作分段路径测量，因 为它们将先后被部分覆盖。如图16所描述的那样，这样一个带分段路径 测量的高度线圈组合也可作为备用路径测量的一部分。备用路径测量在这 里意味着，除正常测量线圈1之外，在另一个平面上——第一个测量线圈 之上或之下——在同一个测量范围内再安装另一个线圈列。两个备用线圈 列的测量范围也可以部分重合，这可由图16中的测量线圈4看出。图17a到17c描述了图16的备用线圈列，它们在三个不同的位置测 量状态上被运动测量元件覆盖。测量-或操作元件的三个图示位置覆盖了 主测量线圈l的测量范围。此外，备用线圈2和3被用作分段线圈列，它 们显示有和主测量线圈1一样的测量范围。在测量线圈1发生故障时，借 助于备用的测量线圈2和3仍可迸行位置测量。测量线圈4在此范围内可作为高度测量线圈对间隔变化进行修正，如 上所述。在按照图17c的最后一个位置上(还有从图17b的中间位置到图17c的最终位置的过程中)，一直被覆盖的测量线圈3将承担起高度测量线 圈的功能。此外通过图16和17可总结性的确定，利用一个高度测量线圈可大体确定一个运动衰减-或测量元件的存在。利用多个高度线圈也可以得知衰减元件较粗略的位置。涉及到与安全相关的系统，在IEC-61508标准中按照 SIL1到3进行了分类，要求设置独立的软件-程序和独立的硬件线路，以使 系统在计算线路发生故障时可恢复到原来状态。考虑到真正的路径传感器 可能发生故障，但至少要确定促动器的粗略位置(右，中，左)，这个需 求可由按照图16和17的可被用于变速箱传感器的备用线圈列来实现。在按 照图17a的位置中，路径线圈1只被少量覆盖而高度线圈4被完全覆盖。这 样通过高度线圈4可额外地确定，系统位于右部区域。当衰减元件位于中 间时(图17b)，路径线圈l被部分衰减，而线圈3和4作为高度线圈被完全 覆盖。这样通过高度线圈3、 4可备用地确定系统位于中部区域。当衰减元 件位于左侧时(图17c)，路径线圈1被完全衰减而且高度线圈2和3也被完 全衰减。由此可以通过高度线圈2、 3备用地或额外地确定，系统位于左侧 区域。
权利要求
1. 带有两个或多个数字振荡器的感应式位置-或角度测量装置，振荡器至少含有一个测量线圈(I、II、III、IV)，第一类振荡器作为测量振荡器包含一个测量线圈(I，II，III，IV)，通过一个运动测量元件产生的依赖于测量线圈和测量元件之间覆盖程度的自感改变，可改变测量振荡器的脉冲频率(f作为s的函数；F Mess)，第二类振荡器作为测量-或基准振荡器包含一个测量-或基准线圈(I，II，III，IV)，其中基准线圈由以下方式定义，它要么被测量元件完全覆盖，要么完全不被覆盖，这样附属基准振荡器(Ref-High；Ref-Low)的脉冲频率(f作为h的函数；f作为T的函数)不依赖于覆盖程度，此外还带有一个数字计算回路，脉冲频率(f；F)在里面被计数和计算。
2、 如权利要求l所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于计算回路的计算借助于一个系统频率(FSys)提供的时钟信号，此时钟信 号源自于其中一个振荡器的脉冲频率(FLow)。
3、 如权利要求1或2中任一项所述的感应式位置-或角度测量装置， 其特征在于在数字计算回路中被计数的脉冲频率(F Mess， F Ref， F High， FLow)被成对计算。
4、 如权利要求1到3中任一项所述的感应式位置-或角度测量装置， 其特征在于至少有一个基准线圈(1、 II、 III、 IV)。
5、 如权利要求4所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于 作为低频基准振荡器(Ref Low)的一个第二类振荡器包含一个不被运 动测量元件覆盖的基准线圈(1、 II、 III、 IV)，这样低频基准振荡器(Ref Low)的一个脉冲频率(f作为T的函数；FLow)可用于补偿影响频率的 参量例如环境温度(T)和零件老化。
6、 如权利要求4所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于 作为高频基准振荡器(Ref High)的一个第二类振荡器包含一个被运动 测量元件覆盖的基准线圈(1、 II、 III、 IV)，这样高频基准振荡器(Ref High) 的一个脉冲频率(f作为h的函数；FHigh)可用于补偿线圈(1、 II、 III、 IV)到测量元件的间隔高度(h)的不希望发生的变化。
7、 如权利要求4所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于作为低频基准振荡器(RefLow)的一个第二类振荡器包含一个不被 运动测量元件覆盖的基准线圈(1、 II、 III、 IV)，这样低频基准振荡器(Ref Low)的一个脉冲频率(f作为T的函数；FLow)可用于补偿影响频率的 参量例如环境温度(T)和零件老化，作为高频基准振荡器(RefHigh)的另一个第三类振荡器包含一个被 运动测量元件覆盖的基准线圈(1、 II、 III、 IV)，这样高频基准振荡器(Ref High)的一个脉冲频率(f作为h的函数；FHigh)可用于补偿线圈(1、 II、 III、 IV)到测量元件的间隔高度(h)的不希望发生的变化。
8、 如权利要求1所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于 作为高频基准振荡器的第二类振荡器和一个第三类振荡器总是包含一个 被运动测量元件完全覆盖的基准线圈，这样高频基准振荡器的脉冲频率可 用于补偿线圈到测量元件的间隔高度的不希望发生的变化，以及补偿测量 元件在测量方向上不希望发生的倾斜。
9、 如权利要求8所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于 作为高频基准振荡器的一个第四类振荡器包含一个被运动测量元件完全 覆盖的基准线圈，这样此高频基准振荡器的脉冲频率可用于补偿线圈到测 量元件的间隔高度的不希望发生的变化，以及补偿测量元件在任意方向上 不希望发生的倾斜。
10、 如权利要求1所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于在测量元件运动方向上这样先后安装有两个测量线圈，即其中一个测 量线圈的覆盖部分增大时，另外一个测量线圈的覆盖感应减小，这样用于 计算的脉冲频率会反向变化。
11、 如权利要求9所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于测量线圈和一个不被覆盖的基准线圈的脉冲频率被计算尤其是相减 后得到一个测量结果，在此结果中影响频率的参量例如环境温度和零件老 化已被补偿。
12、 如权利要求2所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于系统频率源自于带有不被覆盖的基准线圈的振荡器的脉冲频率。
13、 如权利要求7所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于不被覆盖的基准线圈和完全被覆盖的基准线圈的脉冲频率被计算后得到一个最大测量结果，此结果作为标准值用于调整振荡器脉冲频率计数 的测量时间。
14、 如权利要求7所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于: 三个线圈平面安装在一块导体板上。
15、 如权利要求7所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于: 三个线圈中至少要有一个作为分立构件装配在导体板上，尤其是按照SMD-安装方法焊接在上面。
16、 如权利要求15所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于两个线圈平面蚀刻在导体板上。
17、 如权利要求8所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于平面测量线圈显示有矩形原型，在一个被部分覆盖的尾端区域被扩展 尤其是扩展成梯形了。
18、 如权利要求1到17中任一项所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于每一个在测量-或基准线圈附近的数字振荡器包含两个决定频率的电 容器、 一个电阻和一个逆变器。
19、 如权利要求1到18中任一项所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于数字振荡器的脉冲频率在一个异步计数器内被计数。
20、 如权利要求2所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于:计算回路同步部分的运转借助于一个系统频率提供的时钟信号，此时 钟信号直接或通过一个数字分频器从振荡器的一个脉冲频率中引出。
21、 如权利要求9所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于作为高频振荡器的一个第五类振荡器包含另一个被运动测量元件完全覆 盖的基准线圈，通过四个间隔的测量可得到一个中间间隔和一个倾斜度以 达到补偿，并在计算上使其转移到测量线圈的范围内。
22、 如权利要求7或9或21所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于作为测量振荡器的另一个振荡器包含一个测量线圈，其中在测量元件运动方向上这样先后安装有两个测量线圈，即其中一个测量线圈的 部分覆盖率增大时，另外一个测量线圈的部分覆盖率减小，这样用于计算 的脉冲频率会反向变化。
23、 如权利要求22所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于: 在测量元件的运动方上有另一个测量线圈。
24、 如权利要求23或24或25所述的感应式位置-或角度测量装置， 其特征在于平面测量线圈显示有矩形原型(图l)。
25、 如权利要求22或23所述的感应式位置-或角度测量装置，其特 征在于平面测量线圈显示有矩形原型，在一个被部分覆盖的尾端区域被 扩展(图5)。
26、 如权利要求25所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于: 测量线圈在一个尾端区域被梯形扩展(图5)。
27、 如权利要求22或23所述的感应式位置-或角度测量装置，其特 征在于测量线圈显示有一个三角形原型，它们相互嵌合成一个带对角分 界线的差分线圈(图la)。
28、 如权利要求1所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于 第二个振荡器包含一个备用测量线圈(2)，也就是说在其测量范围内，第 二个测量线圈(2)安装在第一个测量线圈(1)之上或之下。
29、 如权利要求28所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于 另外的一个或多个测量线圈(3， 4)与第二个测量线圈(2)排成一列。
30、 如权利要求29所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于: 备用测量线圈(2， 3， 4)允许一个分段路径测量(图15a中的S3， S4， S5;图16中的2， 3， 4)。
31、 如权利要求30所述的感应式位置-或角度测量装置，其特征在于: 备用的分段线圈列(图16中的2， 3， 4)和第一个测量线圈(1)部分重 合。
32、 如权利要求28到31中任一项所述的感应式位置-或角度测量装 置，其特征在于备用的分段线圈列(2， 3， 4)在测量方向上比运动测 量元件长。
全文摘要
本发明涉及一种感应式位置-或角度测量装置，带有二到至少五个数字振荡器，数字振荡器总包含测量线圈或者基准线圈。作为变速箱传感器应用时，为三个或四个振荡器设置一个线圈列是特别有利的，此线圈列包括两个测量线圈和/或两个基准线圈。当一个容许涡电流的平板状测量元件穿过测量区域时，一个平面安装的测量线圈被逐渐覆盖。一个基准线圈被这样安装，即不触及测量元件的运动轨迹，但和测量线圈处于相同的环境条件(温度)中。另一个基准线圈被这样安装，即在总的测量范围内被测量元件覆盖，因此可以补偿平面线圈列和测量元件之间间隔高度在运行过程中的波动。用另外的高度基准线圈也可以补偿测量元件的倾斜。数字振荡器信号的脉冲频率被异步计数，并在一个数字计算回路中成对相减。计算回路的运行借助于一个系统频率提供的时钟信号，此时钟信号直接或通过一个数字分频器从一个基准振荡器的脉冲频率中引出。
文档编号G01D5/249GK101275857SQ200710169148
公开日2008年10月1日 申请日期2007年11月21日 优先权日2006年11月22日
发明者米夏埃尔·施赖伯, 约瑟夫·哈本沙登, 马库斯·艾斯纳 申请人:切瑞有限公司