专利名称：非接触速度测量的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用根据涡电流原理工作的近程传感器对旋转速度进行非接触测量的方法和设备，其中该近程传感器包括并联的电感器和电容器，形成可由外部激励的振荡电路，当被测对象靠近该近程传感器时，该振荡电路的谐振频率发生可感知的变化。
根据经验，对于高速旋转涡轮(尤其是对于涡轮增压器)的旋转速度的非接触测量的最有效的测量原理是使用根据涡电流原理工作的传感器从每个单独涡轮叶片获取数据。该种方法的优点如下除了别的优点以外，有一个优点是，即使在极低的旋转速度下也存在有测量信号；另一个优点是，最高允许旋转速度在理论上是无限制的。这很重要，因为在现代涡轮增压器中，根据增压器的大小，可以达到最高400,000转每分钟的旋转速度。在该旋转速度之下，在转子外直径处的圆周速度超过600m/s。此外，该测量几乎没有延迟。
根据涡电流原理的非接触测量方法的其它优点是归因于不对涡轮增压器的效率产生影响并且只对增压器的几何外形存在最小的干扰。此外，该测量原理对污垢不敏感、不产生泄漏问题、并且可以容易地控制在涡轮增压器的压缩机端产生的-40℃至200℃的温度。
通常涡轮(尤其是涡轮增压器)根据应用领域的不同存在各种大小。通常情况下的增压器大小范围从小型旅客车辆引擎中大约25mm的压缩机轮直径到商用车辆中的超过200mm。与此同时，通常的叶片厚度范围从大约0.2mm直到2mm。根据这些给出的尺寸，在单个叶片之间获得的检测距离是大约0.2mm到2mm。
除了现有涡轮增压器的不同几何外形、尺寸以及规格外，也需要考虑到材料成分的不同。在大多数涡轮增压器中，叶片是由铝制成的，而钛正被越来越多地开始使用。在通常情况下，传感器设计必须适配于涡轮增压器的特定结构以及特定材料成分。传感器设计对特定测量环境的不恰当适应在某种情况下会导致测量精度的骤降。
本发明的目的是给出用于对介绍中所罗列出的旋转速度类型进行非接触测量的方法和设备，其中可以对多个不同几何外形的待测对象的进行旋转速度测量，并且其灵敏度几乎保持恒定。
本发明的对旋转速度的非接触测量方法通过权利要求1的特征达到了上述目的。由此，该方法特征在于振荡电路的谐振频率和/或振荡电路的激励频率被控制为始终使用振荡电路的谐振频率或使用接近于其谐振频率的频率对振荡电路进行激励。
关于设备，通过权利要求14的特征实现了介绍所列出的目的。由此，用于旋转速度的非接触测量的设备的特征在于振荡电路的谐振频率和/或振荡电路的激励频率被控制为始终使用振荡电路的谐振频率或使用接近于它的谐振频率的频率对振荡电路进行激励。
根据本发明，可以理解的是对旋转速度的测量的灵敏度很大程度上取决于近程传感器在理想状态下适配于待测对象的几何外形和材料成分。此外，可以认识到的是，无视于以前的实践，由于不同几何外形和规格的涡轮增压器需要多种不同的传感器设计，可以使用一种单一的传感器设计来实现在不同涡轮增压器的测量中的灵敏度尽可能保持为常量。为此，根据本发明将振荡电路的谐振频率和/或振荡电路的激励频率控制为始终使用振荡电路的谐振频率或至少使用接近于它的谐振频率对振荡电路进行激励。这样，近程传感器一直工作在最大灵敏度的范围内。这样可以补偿并消除制造误差、不同安装环境、由安装导致的感应误差、缓慢、关于温度的变化、长期效果等产生的影响，并可以探测到由于单个叶片经过时产生的高速变化。
在特定实施例的较佳形式中，对谐振频率和/或激励频率的控制是在调节中完成的。调节提供了如下优点使用合适的调节变量，可以获得高精度的谐振频率适配以及足够的速度，而没有外界的干扰。
有优势的是通过振荡器来激励振荡电路。为了探测谐振频率的变化，可以测量振荡器信号和振荡电路信号之间的相位差。尤其是，可以通过鉴相器对相位差进行测量，鉴相器可以形成为最简单的形式，诸如乘法器。相位差信号可随后被提供为测量信号。
可将相位差信号与电路元件产生的理论值进行比较。有优势的是，提供对应于零相位差的理论值。
对于特别的高灵敏度，尤其需要考虑振荡线路的线圈质量。与此同时，有优势地选择传感器线圈和传感器电容器使得谐振频率的变化尽可能的大，该变化是由涡轮叶片靠近近程传感器而造成的。
尤其是，由待测的最高旋转速度、最小传感器、最窄叶片、以及最大探测距离导致的信号持续时间在大约一微秒范围内。为了在振荡电路的信号解调时容易地探测到一微秒区间内的信号变化，有优势的是将谐振频率选择为相对高，即，较佳地大于1MHz。在实际操作中大约3MHz的谐振频率已经被证明是合适的。
关于振荡电路谐振频率的重新调节，可想到有多种方法。因此，例如，可以将可控电容器集成在振荡电路中，可控电容器的电容根据从相位差信号和理论值的比较产生的参考值而变化。例如，可控电容器可以是可变电容二极管。
振荡电路谐振频率的重新调节的另一个可能方法是连接一个可控电感器，可控电感器的电感也可改变(参考先前所述的可控电容器)。两种方法，可控电容器和可控电感器，都提供了连续调节的优势。可控电感器和可控电容器可以以并联电路和串联电路的形式被集成在振荡电路中。
在一个更详细的实施例的结构中，可以连接或断开具有不可变电容的附加电容器和/或具有不可变电感的线圈。连接或断开也是根据相位差信号和理论值之间的比较获得的参考值来完成的。由此，以离散增量对谐振频率进行调节是可行的。同样在该变化中，并联电路和串联电路都是可行的。
除了谐振频率，振荡电路的激励频率也可根据相位差信号和理论值之间的比较获得的参考值来改变，其中，为此振荡器可以被特别实现为压控或流控振荡器。或者，振荡器可以是数字信号处理器(DSP)。因为DSP的高分辨率，可以对振荡电路的激励频率进行高精度适配。一个将振荡器实现为DDS(直接数字合成)发生器的实施例也可达到相同效果。
有各种可行方式来有优势地发展并扩展本发明的教导。为此，一方面参考从属于权利要求1和14的权利要求，另一方面在附图的帮助下参考下文对本发明的实施例示例的解释。根据对本发明的较佳实施例示例的解释并参考附图，也大致地解释了本教导的较佳发展和扩展。在附图中
图1是示出使用根据涡电流原理工作的近程传感器对旋转速度进行非接触测量的布置的基本设计的示意图；图2是示出根据本发明的包括可控电容器的设备的第一实施例的框图；图3是示出根据本发明的包括可控电感器的设备的第二实施例的框图；图4是示出根据本发明的包括可连接电容器的设备的第三实施例的框图；图5是示出根据本发明的包括可连接电感器的设备的第四实施例的框图；图6是示出根据本发明的包括可控振荡器的设备的第五实施例的框图；图7是示出根据本发明的包括数字信号处理器的设备的第六实施例的框图。
图1是示出使用根据涡电流原理工作的近程传感器对旋转速度进行非接触测量的布置的基本设计的示意图。图中表示的是涡轮增压器的旋转涡轮1。距离涡轮1的叶片2一段距离放置有近程传感器3，近程传感器3包括线圈4和平行电容器5。线圈4和平行电容器5形成了振荡电路6，振荡电路6的谐振频率被选择为谐振频率的变化尽可能的大，该变化是由增压器叶片2的靠近而产生的。
振荡电路6受到振荡器7的激励。通过阻抗8向振荡电路6提供振荡器信号。阻抗8较佳地实现为欧姆电阻。然而，也可使用电感器或电容器或不同阻抗的组合。
为了探测谐振频率的变化，使用鉴相器11测量振荡器信号9和振荡电路6的信号10之间的相位差。鉴相器11被实现为模拟乘法器。鉴相器11的输出提供相位差信号12，用于后续处理。
图2示意性示出根据本发明的用于对旋转速度进行非接触测量的设备的第一实施例的框图。与图1中相同的组件由相同的标号来表示。将鉴相器11输出处提供的相位差信号12与理论值13进行比较。理论值13是使用电路元件14而生成的并对应于相位差零。当相位差信号12偏离理论值13时，调节或控制电路15重新调节或重新控制振荡电路6的谐振频率，直到相位差再次为零或接近零。当涡轮1的单个叶片2在正常操作中通过时，产生一平均相位偏移，该平均相位偏移也由调节或控制电路15补偿为零。因此，最大可能灵敏度经常被自动设置而独立于在特定实际单个情况中有效的所有因素。测量方法因此允许在多个不同的涡轮增压器中使用相对小型的近程传感器3。
为了改变振荡电路6的谐振频率，所述振荡电路6被扩展为包括可控电容器16。在所示实施例中，并联可控电容器16(实现为可变电容二极管17)其中串联电路也是可行的。根据本发明，要求的调节或控制时间在最优化情况下在大约0.1到1秒范围内。相位的高速变化(在叶片2通过的时候发生的)由合适的电路18来进一步处理以形成实际测量信号19。
概括来说，图3基本示出了与图2相同的设计。对比于图2中实施例的形成，对振荡电路6的谐振频率的调节或控制不通过可变电容二极管17来完成，而是通过可控电感器20来完成。串联电感器20，在此并联连接也是可行的。
图4示出附加实施例，其中振荡电路6的谐振频率也可被调节或控制。对比于图2和图3中振荡电路6的谐振频率可以连续变化的实施例，在图4所示的实施例示例中，谐振频率的变化实现为离散增加。为此，振荡电路6被扩展为包括多个电容器21，其中每个电容器的电容都是不可改变的。为了重新调节振荡电路6的谐振频率，可以根据所探测的相位差连接或断开一个或多个电容器21。示出了电容器21的并联电路，其中串联电路，或者并联和串联电路的组合也都是可行的。
图5基本示出了与图4的实施例示例相同的方法，但是替代电容器21，可以连接或断开附加线圈22。组合可连接的电容器21和可连接的线圈22的实施例也是可行的。无论如何，所需的是，通过连接或断开电容器21和/或线圈22，可以以尽可能细致的增量改变振荡电路6的谐振频率。
图6示出一实施例示例，其中不改变振荡电路6的谐振频率，而是改变激励振荡电路6的振荡器的频率。其中，振荡器7被形成为压控振荡器(VCO)(23)，在其它方面，测量方法按照图2所述的方法。
最后，图7示出一实施例示例，其中数字振荡器7被用于激励振荡电路6。尤其是，数字振荡器7被实现为数字信号处理器(DSP)24。DSP 24允许执行高分辨率的频率调节。或者，数字振荡器7可以是，例如，DDS信号发生器。
最后，可以理解的是在此所讨论的实施例示例仅仅解释了所要求的教导，但不将该教导限制在所描述的实施例示例中。
权利要求
1.一种使用根据涡电流原理工作的近程传感器(3)对旋转速度进行非接触测量的方法，其中所述近程传感器(3)包括并联的电感器和电容器，形成可由外部激励的振荡电路(6)，当待测对象靠近所述近程传感器(3)时，所述振荡电路(6)的谐振频率发生可被探测的变化，其特征在于，所述振荡电路(6)的谐振频率和/或所述振荡电路(6)的激励频率被控制为始终使用所述振荡电路(6)的谐振频率或使用接近于所述谐振频率的频率对所述振荡电路(6)进行激励。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制是以调节形式执行的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述振荡电路(6)由振荡器(7)来激励。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，测量振荡器信号(9)和所述振荡电路的信号(10)之间的相位差以探测所述谐振频率的变化。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过鉴相器(11)来测量所述相位差。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在鉴相器(11)的输出处提供相位差信号(12)。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述相位差信号(12)与理论值(13)进行比较。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述理论值(13)对应于所述相位差为零。
9.如权利要求1到8中一个所述的方法，其特征在于，将所述谐振频率选择为高，以使对所述振荡电路(6)的信号(10)的解调期间，可以评估测量信号的幅度在预定时间期间内的变化。
10.如权利要求1到9中一个所述的方法，其特征在于，通过改变已连接的可控电容器(16)的电容，根据所述相位差信号(12)与所述理论值(13)的偏移调节所述谐振频率。
11.如权利要求1到10中一个所述的方法，其特征在于，通过改变已连接的可控电感器(20)的电感，根据所述相位差信号(12)与所述理论值(13)的偏移调节所述谐振频率。
12.如权利要求1到11中一个所述的方法，其特征在于，通过连接或断开附加电容器(21)和电感器(22)，根据所述相位差信号(12)与所述理论值(13)的偏移调节所述谐振频率。
13.如权利要求1到12中一个所述的方法，其特征在于，根据所述相位差信号(12)与所述理论值(13)的偏移调节所述激励频率。
14.一种使用根据涡电流原理工作的近程传感器(3)对旋转速度进行非接触测量的设备，其中所述近程传感器(3)包括并联的电感器(4)和电容器(5)，形成可由外部激励的振荡电路(6)，当待测对象靠近所述近程传感器(3)时，所述振荡电路(6)的谐振频率发生可被探测的变化，所述设备较佳地用于权利要求1至13中一个的方法的应用，其特征在于，所述振荡电路(6)的谐振频率和/或所述振荡电路(6)的激励频率被控制为始终使用所述振荡电路(6)的谐振频率或使用接近于所述谐振频率的频率对所述振荡电路(6)进行激励。
全文摘要
本发明涉及以非接触方法测量速度的方法和设备，包括根据涡电流原理工作的近程传感器(3)。该近程传感器(3)包括电感器和并联的电容器，形成可由外部激励的振荡电路(6)，当待测对象靠近所述近程传感器(3)时，所述振荡电路(6)的谐振频率发生可被探测的变化。关于用于多个不同几何外形的待测对象的测量速度的常量灵敏度，本发明特征在于振荡电路(6)的谐振频率和/或所述振荡电路(6)的激励频率被控制为始终使用所述振荡电路的谐振频率或使用接近于所述谐振频率的频率对振荡电路进行激励。振荡电路的频率离开激励振荡器频率的偏移被相位比较器探测得到。控制电路控制可变或可切换电容器或电感器。或者，振荡器可以实现为VCO。
文档编号H03K17/95GK1922492SQ200580005463
公开日2007年2月28日 申请日期2005年3月7日 优先权日2004年3月8日
发明者F·赫鲁布斯 申请人:微-埃普西龙测量技术有限两合公司