电感式传感器装置和用于操作这种传感器装置的方法与流程

1.本发明涉及一种用于确定可移动物体沿传感器装置的敏感轴的纵向位置 的电感式传感器装置、一种用于操作传感器装置的方法以及一种用于数据处理 装备的程序。


背景技术：

2.从实践中已知，在电感式位置传感器的情况下，励磁线圈的磁场作用在金 属物体上，金属物体转而产生磁场，所述磁场在一个或多个接收线圈中感应出 电压。传感器装置与物体之间的位置可以根据所感应的电压确定。通常，励磁 线圈沿纵轴定向，所述纵轴同时对应于传感器装置的敏感轴。接收线圈应以这 种方式进行设计：如果附近不存在物体，则在接收线圈中所感应的电压为零。
3.来自neuhausen auf den fildern的balluff公司的电感式位置传感器装置 bip cd2-t017-04-bp02配置有一系列具有铁氧体芯的基本上相同的绕线线 圈。每个线圈依次与电容器并联并作为lc振荡器操作。每个线圈的振荡幅度 根据金属物体的接近而改变，并且物体的纵向位置从振荡幅度的变化中计算。
4.来自neuhausen auf den fildern的balluff公司的电感式位置传感器装置 bip ed2-b133-03-s75是一种电感式传感器装置，其具有作为串联传感器的线 圈系统，所述线圈系统以印刷电路板技术形成。传感器装置具有一个励磁线圈 和若干串联的接收线圈，所述接收线圈具有交叉绕组和非交叉绕组。物体相对 于传感器装置的位置的确定利用物体磁场的垂直分量。接收线圈中感应电压的 相对电压和绝对电压以及相位取决于对应于正弦函数和余弦函数的物体位置。 传感器装置可在固定激励频率下操作。纵向测量范围为约130毫米(mm)。
5.wo 2019/063679 a1中描述的电感式传感器装置的线圈系统具有一个励 磁线圈和两个接收线圈。励磁线圈可通过作为lc电路元件的振荡电路来激励。 第一接收线圈具有在纵向方向上连续布置的两个区段，所述两个区段相对定 向。第二接收线圈具有在纵向方向上对称布置的三个区段。中间区段的面积与 在线圈系统的端部处在纵向方向上布置的另外两个区段的总区域的面积一样 大。励磁线圈围绕着两个接收线圈。基于两个接收线圈的信号，导电或金属物 体的纵向位置是可识别的，并且相应地可以输出开关信号。
6.将上述传感器装置小型化成例如总长度为15mm其中测量范围为至少10 mm是特别困难的。一方面，难以以恒定的激励频率操作小型化的传感器装置， 因为在较小的传感器装置的情况下，励磁线圈的复阻抗在物体附近变化显著， 这在谐振操作中导致降低谐振频率。另一方面，当用恒定数量的线圈使线圈布 置小型化时，难以在非常大幅减少的空间内提供电线、通过印刷电路板的开口 等。此外，适当地减少传感器装置的端部处的非敏感或非线性化盲区并产生可 接受的感测范围也是有问题的。
7.因此，需要具有尺寸粗略地对应于其测量范围的小型传感器装置的新概念 和新操作模式。


技术实现要素：

8.本发明要解决的问题是提供一种尺寸粗略地对应于其测量范围的小型传 感器装置。
9.根据第一方面，一种电感式传感器装置，所述电感式传感器装置被提供用 于确定物体沿所述传感器装置的敏感轴的纵向位置，所述物体可在距所述传感 器装置的端面一定距离处移动并且是至少部分地导电和/或可磁极化的，其中 所述传感器装置具有线圈布置和传感器电子器件，其中所述线圈布置具有：基 本上平面的励磁线圈，借助于所述励磁线圈可在所述物体中产生用于感应涡流 和/或磁极化的交变磁场；以及第一基本上平面的接收线圈，所述第一基本上 平面的接收线圈布置成基本上平行于所述励磁线圈并与所述励磁线圈重叠，其 中所述励磁线圈和所述第一接收线圈布置成基本上平行于所述传感器装置的 所述端面，其中所述传感器电子器件布置成：确定所述励磁线圈的电信号的至 少一个参数，所述参数可由于所述物体的反向效应而变化，以及由于所述物体 的所述反向效应在所述第一接收线圈中可感应的电压的至少一个参数；以及根 据所述励磁线圈的感应电信号的确定的所述至少一个参数以及所述第一接收 线圈的所述感应电压的确定的所述至少一个参数确定所述纵向位置。
10.在电感式传感器装置的线圈布置的励磁线圈中，可产生时间交变磁场，其 转而可在可以是至少部分地导电的可移动的物体中产生涡流，并且/或者可产 生可以是至少部分地可磁极化的物体的磁极化。时间交变的涡流和/或磁极化 转而产生交变磁场，使得物体可在线圈布置的励磁线圈上和第一接收线圈上两 者施加电感反向效应。在此上下文中，“反向效应”可以理解为由于在物体中 产生的涡流和/或物体的磁极化而对位于物体附近的线圈的电效应。因此，由 于物体在线圈布置附近的存在，励磁线圈的电信号的振荡参数(例如电流或电 压幅值、振荡频率)可能是可变的，并且在接收线圈中可能感应出电压。励磁 线圈的振荡参数可以与从第一接收线圈的感应电压获得的参数一起用于确定 物体沿敏感轴特别是相对于传感器装置的参考点(例如中点)的纵向位置。
11.线圈布置特别地可仅具有一个励磁线圈。
12.第一接收线圈可以有利地被配置为使得第一接收线圈的感应电压的确定 参数至少在传感器装置的中点附近单调地取决于物体的纵向位置。例如，至少 一个参数可以是纵向位置的单调递增或单调递减函数。
13.敏感轴可对应于励磁线圈的电信号的至少一个参数和/或第一接收线圈的 感应电压的至少一个参数可沿其发生变化的方向。线圈布置可布置在传感器外 壳的端面的远离物体的一侧上，线圈布置可以被容纳在所述传感器外壳中。物 体可以沿轨迹移动或可移动，所述轨迹距传感器外壳例如距离传感器外壳的端 面一定距离。所述距离特别地可以在传感器外壳的端面与物体的表面之间竖直 地测量。与无物体状态相比，励磁线圈的电信号参数的变化和第一接收线圈的 感应电压的变化两者由物体相对于线圈系统的三维布置确定，特别地由纵向位 置和距离确定。只要物体沿恒定的纵向轨迹移动，例如在距端面固定距离处移 动，纵向位置可以在接收线圈中的感应电压的参数的单调性区域内确定。在距 离可变的情况下，物体的纵向位置与接收线圈中感应电压的参数之间的关系可 能不再是明确的。换句话说，在这种情况下，物体的每个纵向位置也可能取决 于距离。例如，与在较小距离处相比，在较远距离处第一接收线圈的感应电压 的幅度通常更小。
14.电感式传感器装置可具有特别小的配置，因为传感器装置可以利用物体的 电感反向效应，至少部分导电和/或可磁化的物体可以施加在传感器装置的整 个线圈布置上并且特别地施加在励磁线圈上，使得励磁线圈本身也可视为附加 的传感器线圈并且可以用于评估。对于物体的每个纵向位置，与在较小距离处 相比，在远距离处励磁线圈的电信号参数的变化通常更小。因此，通过将励磁 线圈用作传感器线圈，可以补偿接收线圈感应电压的信号参数的距离依赖性， 而不必在线圈布置中使用附加的接收线圈。
15.此外，传感器装置可具有特别小的配置，因为它可以具有很少的部件并且 线圈布置可具有平面的配置因此线圈所需的三维空间可以很小。特别地，传感 器装置可以这种方式制成：其可以被配置为沿敏感轴具有小于或等于约15mm 的尺寸(例如外壳尺寸)并且在横向上小于或等于约10mm，其中纵向测量范围 大于或等于约10mm。垂直于传感器装置的端面测量的传感器装置的深度对于 小型化的传感器电子器件(例如专用集成电路(asic))可以为约12mm。
16.由于传感器装置的大小，这可以以各种方式使用，例如在用于确定夹具位 置的抓取系统中等，并且随后可以简单的方式集成在现有装备中。传感器装置 还可适用于确定旋转速度例如超过每分钟40000转的旋转物体(例如旋转主轴) 的位置，因为由于对励磁线圈的信号和第一接收线圈的联合评估，传感器装置 可具有较短的响应时间，因此具有用于位置确定的高输出传输速率。传感器装 置例如由于其大小可以与表面齐平地安装。
17.第一接收线圈可布置成其表面在其线圈的平面中延伸，平行于励磁线圈的 表面的延伸并且朝向传感器装置的端面因此朝向物体。替代地，励磁线圈也可 布置成朝向传感器装置的端面因此朝向物体，而第一接收线圈可布置在励磁线 圈的远离端面的一侧上。替代地，励磁线圈可以基本上在其自己的线圈的平面 中围绕第一接收线圈，或者两个线圈可以缠绕在相同的线圈架上。
18.在一个实施方案中，传感器电子器件可以被配置用于根据已确定的励磁线 圈的电信号的至少一个参数和已确定的第一个接收线圈的感应电压的至少一 个参数来确定物体的在传感器装置的端面与物体之间的竖直距离。因此，传感 器装置的多功能用途是可能的。
19.在一个实施方案中，第一接收线圈可具有反对称可极化配置。例如，在第 一接收线圈中感应的电压可以在沿敏感轴的不同方向上、在物体距测量范围的 中点的相等距离和相等的纵向距离处具有基本上相同的幅度和相反的相位，这 可由接收线圈的中点限定。因此，可以根据感应电压的相位和幅度来进行位置 确定和可选地距离确定。
20.然后敏感轴可以由第一接收线圈的反对称极化定义，其中敏感轴可以在线 圈的平面中并且沿第一接收线圈的中心线延伸，因此沿敏感轴观察，一个一半 线圈可具有第一极化而第二一半线圈可具有相反的极化。
21.在一个实施方案中，线圈布置可具有第二基本上平面的并且可选地也是反 对称可极化配置的接收线圈，其可以布置成基本上平行于励磁线圈并与励磁线 圈重叠，其中第二接收线圈可(特别地仅)在其一个或多个端部区域中与第一接 收线圈重叠并且可与第一接收线圈串联电连接。换句话说，沿敏感轴观察，第 二接收线圈的绕组可以布置成与第一线圈的绕组的一个端部区域或两个端部 区域重叠。因此，可以在线圈系统的两个端部区域中提供增大的感应电压，使 得可以拉长纵向测量范围。
22.第一接收线圈和第二接收线圈两者可以由若干部分线圈组成，并且接收线 圈的部分线圈可以正确极化的任何顺序串联连接。
23.此外，第二接收线圈可以布置在励磁线圈与第一接收线圈之间或相邻于第 一接收线圈，朝向传感器装置的端面。
24.在一个实施方案中，线圈布置可具有第三基本上平面的接收线圈，所述第 三基本上平面的接收线圈可布置成基本上平行于励磁线圈并与励磁线圈重叠 并且可限定传感器装置的附加敏感轴，所述附加敏感轴可基本上可垂直于第一 接收线圈的敏感轴延伸，其中传感器电子器件可被配置为确定由于物体的电感 反向效应在第三接收线圈中感应的电压的至少一个参数，并且根据励磁线圈的 电信号的已经确定的至少一个参数以及第三接收线圈的感应电压的已经确定 的至少一个参数来确定物体沿附加敏感轴的横向位置和可选地竖直距离。第三 接收线圈也可具有反对称可极化配置。敏感轴和附加敏感轴可以特别地在平行 于端面的平面中延伸。换句话说，第一接收线圈和第三接收线圈可以在它们各 自的线圈平面中相对于彼此转动90度。以此方式，可以检测物体在平行于传 感器装置的端面的平面中的二维移动。
25.附加敏感轴可以像敏感轴一样对应于附加方向，沿所述附加方向，励磁线 圈的电信号的至少一个参数和/或第三接收线圈的感应电压的至少一个参数可 能发生变化。附加敏感轴可以由第三接收线圈的反对称极化定义，其中附加敏 感轴可以在线圈的平面中并且沿第三接收线圈的中心线延伸，因此沿敏感轴观 察，第三接收线圈的一半线圈可具有第一极化，而第三接收线圈的第二一半线 圈可具有相反的极化。
26.横向位置的确定可以类似于纵向位置的确定来执行。此外，第一接收线圈 的感应电压的至少一个参数在可行信号处理中可以替换为第三接收线圈的感 应电压的至少一个参数。
27.在一个实施方案中，线圈布置可具有第四基本上平面的并且可选地也是反 对称可极化配置的接收线圈，其可以布置成基本上平行于励磁线圈并与励磁线 圈重叠，其中第四接收线圈可(特别地仅)在其一个或多个端部区域中与第三接 收线圈重叠并且可与第二接收线圈串联电连接。换句话说，沿附加敏感轴观察， 第四接收线圈的绕组可以布置成与第三接收线圈的一个端部区域或两个端部 区域重叠。因此，可以在线圈系统的两个端部区域中提供增大的感应电压，使 得可以扩展横向测量范围。
28.在一个实施方案中，励磁线圈、第一接收线圈、第二接收线圈、第三接收 线圈和/或第四接收线圈可以布置在印刷电路板的一层或多层上或其中。(特别 地唯一地)基于印刷电路板技术制造传感器装置可以是特别经济的。
29.在一个实施方案中，励磁线圈、第一接收线圈、第二接收线圈、第三接收 线圈和/或第四接收线圈可以通过绕线技术制成。将线圈缠绕为线环可使传感 器装置的简单小型化成为可能。
30.优选地，所有接收线圈可以一种且相同的方式制成。
31.缠绕的线圈可以在线圈架上制成，或者在没有线圈架的情况下制成。线圈 架可以通过3d打印技术生产。
32.在一个实施方案中，第一接收线圈、第二接收线圈、第三接收线圈和/或 第四接收线圈的线圈区段(例如一半线圈)的绕组，沿着它们各自的敏感轴观 察，可以相对指向。因
此，接收线圈可具有反对称可极化配置，使得通过在线 圈的一个或另一个一半线圈中存在物体，可以感应出具有相反极性的电压，而 对于物体的中心纵向或横向位置，感应电压可能几乎为零。
33.在一个实施方案中，第一接收线圈、第二接收线圈、第三接收线圈和/或 第四接收线圈，沿它们各自的敏感轴观察，可具有基本上居中交叉的绕组。此 措施还可具有以下效果：相应的接收线圈可具有反对称可极化配置，使得通过 在线圈的一个或另一个一半线圈中存在物体，可以感应出具有相反极性的电 压，而对于物体的中心纵向位置，感应电压可能几乎为零。
34.在可以缠绕第一接收线圈、第二接收线圈和/或第三接收线圈的情况下， 具有交叉绕组或具有借助于电线彼此连接的相对缠绕的线圈区段的此线圈可 以呈蝶形线圈的形式。
35.所描述的两种类型的反对称可极化接收线圈也可以允许将传感器装置安 装在金属环境中，因为与具有非反对称性质的接收线圈相比，由于其安装，接 收线圈中可能只出现很小的背景信号(如果有的话)。
36.在一个实施方案中，传感器装置还可包括第一导电屏蔽元件，其可以横向 地、特别是完全地围绕线圈布置。屏蔽元件可形成为带状，特别是连续的带状。 第一屏蔽元件可被配置为一个或多个金属箔或传感器装置外壳的外壳壁上的 金属涂层或多层印刷电路板的边缘金属化，并且/或者基本上垂直于传感器装 置的端面延伸。因此可以将传感器装置齐平地安装在金属环境中，传感器装置 周围只有非常小的或没有无金属区域。
37.在一个实施方案中，传感器装置还可包括第二导电平面屏蔽元件，其可布 置在线圈布置的远离物体的一侧上。第二屏蔽元件可以形成为金属板，或者如 果线圈被配置在印刷电路板的层中，则形成在印刷电路板的单独的层上。传感 器电子器件还可布置在第二屏蔽元件的远离励磁线圈的一侧上。
38.线圈布置和传感器电子器件以及可选地第一屏蔽元件和/或第二屏蔽元件 (如果存在)可容纳在一个外壳中。
39.在一个实施方案中，在垂直于敏感轴的方向上观察，对称地并且在线圈布 置的任一侧上，在每种情况下，可以相邻于第一屏蔽元件提供宽度为第一屏蔽 元件的(特别是内部)开口宽度的至少10％的无线圈区域。没有所述距离或距离 太小，屏蔽元件将大大降低激励效率以及接收线圈的感应电压。特别地，可以 在线圈布置的所有侧上提供与第一屏蔽元件相同或相似的间距。
40.在一个实施方案中，励磁线圈可以基本上用周期性的特别是基本上正弦的 电流或周期性的特别是基本上正弦的电压来激励，使得可以在励磁线圈中产生 交变磁场，其可以作用于物体上。励磁线圈的激励可以借助于传感器电子器件 的振荡电路，特别是lc振荡电路来执行。换句话说，在一个实施方案中，励 磁线圈可以是振荡电路的一部分。在一个实施方案中，励磁线圈作为lc电路 的电感元件，可以是自振荡lc振荡电路的一部分，使得励磁线圈连同电容器 可以形成谐振电路，所述电容器可以充当lc电路的电容元件。
41.在一个实施方案中，根据励磁线圈的的至少一个电信号(例如来自电流或 电压)确定的至少一个参数可以例如但不完全地是相应电信号的频率或幅度。 这些类型的参数可能对距离敏感，使得励磁线圈可以用作距离传感器的一部 分。
42.在一个实施方案中，传感器电子器件可以被配置为根据由物体的存在引起 的励磁线圈的电信号的可确定参数的变化来计算(特别是无量纲的)接近信号， 其指示由物体的存在引起的至少一个参数的变化。接近信号可以具体地定义为 a*(u
d0-ud)或b*(f
osc0-f
osc
)或a*(u
d0-ud)+b*(f
osc0-f
osc
)。在前述内容中，a、b 可以表示缩放因子并且u
d0
和f
osc0
可以表示解调电压的幅值ud或振荡频率 f
osc
的无物体值。
43.此外，接近信号还可以取决于纵向或横向位置。
44.在一个实施方案中，传感器装置可以被配置为根据励磁线圈的电信号确定 至少一个参考信号，所述至少一个参考信号的相位可以与励磁线圈的电信号的 相位具有预先确定的比率。
45.在第一选项中，传感器电子器件可以被配置用于借助于使用参考信号从感 应电压同步解调来确定感应电压的至少一个参数。所述至少一个参数然后可以 是相敏解调感应电压的幅度，并且相位相关的相位参考信号的相位可以与励磁 线圈的电信号的相位具有预先确定的关系。
46.在第二选项中，传感器电子器件可以被配置为通过使用参考信号对感应电 压进行正交解调来确定感应电压的至少一个参数。感应电压的至少一个参数然 后可以是正交解调感应电压的相位相关幅度。
47.用于获得至少一个参数的信号处理的这些实施方案使得可以使用常规技 术来连续解调感应电压并且可以有助于传感器装置的快速响应时间。
48.在一个实施方案中，传感器电子器件可以被配置为根据感应电压的至少一 个参数和可选地横向位置以及可选地距离来确定(特别是无量纲的)纵向位置 信号。纵向位置信号然后可以基于接收线圈的感应电压的至少一个参数。就这 一点而言，至少一个参数可以是正交解调的感应电压的相位相关的幅度，特别 是假如可以使用同步解调来确定至少一个参数。至少一个参数也可以是放大的 感应电压的同相分量和正交相位分量，特别是假如可以使用正交解调来确定至 少一个参数。纵向位置信号可以特别地定义为s
p
＝c*ui、s
p
＝d*uq、s
p
＝c*u
i +d*uq、s
p
＝e*u
φ
，并且a、b、c、d和e表示缩放因子。u
φ
表示正交解调感 应电压的相位相关的幅度。ui表示放大的感应电压的同相分量，并且uq表示 正交相位分量。
49.在一个实施方案中，传感器电子器件可以被配置为将减小的纵向位置信号 确定为纵向位置信号和接近信号的比率，以便根据减小的纵向位置信号确定纵 向位置。特别地，减小的纵向位置信号vm可以计算为vm＝s
p
/sn。
50.在一个实施方案中，传感器装置可以被配置为借助于线性化函数根据减小 的纵向位置信号确定纵向位置，以确保更精确的位置确定。
51.其中减小的纵向位置信号是确定的评估方法的第一变体因此可以基于将 同步解调或正交解调电压除以接近信号，使得与对应的电压相比，合成信号可 以较少依赖于物体的距离。合成信号可另外取决于物体的纵向或横向位置，并 且可以通过线性化和缩放转换成纵向或横向位置。
52.在一个实施方案中，在评估方法的第二变体中，传感器装置可以被配置为 根据减小的纵向位置信号和接近信号乘以在之前的学习过程中确定的缩放因 子，将机械相位确定为arctan2，以便根据机械相位确定纵向位置和可选地横 向位置以及可选地距离。特别地，可以计算arctan2(vm,b*sn)。在前述内容中， b表示缩放因子。
53.缩放因子可以确保arctan2函数可以表示物体在一定范围内移动的单调 性。如果已知物体在什么竖直距离处将可能以什么预先确定的性质移动，则缩 放因子可以例如在工厂处事先建立。替代或另外地，缩放因子可以借助于学习 过程来确定，其中物体可以至少移动例如通过传感器装置的感测范围的中间， 因此可以针对当前时间以及从此时间点在物体的恒定竖直距离处确定接近信 号的量级或数量级。对于计算，可以假定arctan2函数的两个参数可以作为无 量纲值提供。由于电流或电压信号由a/d转换器数字化，振荡频率可以由微 控制器测量，并且提供无量纲值不需要任何特殊措施。
54.在一个实施方案中，传感器装置可以被配置为线性化机械相位(例如借助 于线性化函数)，然后根据线性化的机械相位确定纵向位置，从而确保更精确 的位置确定。
55.此外，接近信号可用于确定距离。需要指出的是，接近信号不仅取决于距 离，还取决于物体的材料性质和几何性质(例如宽度)。例如，在存在小物体的 情况下，与存在大物体的情况相比，在相同条件下可能会产生更小的接近信号。
56.在替代实施方案中，可以根据物体的材料类型来执行线性化。
57.在替代实施方案中，传感器电子器件可以被配置为基于励磁线圈的电信号 的至少一个参数或感应电压的至少一个参数来确定物体的材料类型。特别地， 传感器电子器件可以被配置为基于接收线圈中物体感应的电压的典型相位相 对于励磁线圈的电信号的相位来确定物体的材料类型。典型相位可以在一段时 间内定义为感应电压最常出现的相位值(或平均值)。此外，可以假定太窄的幅 度不能阻止相位的确定。可能有必要考虑到感应电压的符号也取决于物体位 置，并且可以在确定平均值之前校正对应的相移。替代或另外地，传感器电子 器件可以被配置为基于由物体的存在引起的幅度变化与振荡器电压的频率变 化之间的典型关系来确定物体的物体材料的类型。对于已知的物体材料，然后 可以使用上述两种评估变体中的一种和可选的、合适的线性化方法来进行可能 的非常精确的位置确定。例如，与解调电压变化相反，使用振荡频率变化可以 具有以下优点：可以特别好地检测含铝物体，因为此类物体可能引起解调电压 的轻微变化。也可以识别物体材料，因为对于不同的材料，振荡器电压的幅度 变化与频率变化之间的关系的典型值是已知的，并且可以与测量值进行比较。 可以假定无论位置如何，此值是恒定且已知的。由于减小的纵向位置信号的相 应位置相关关系的特性可能是非线性的，因此可以执行材料相关线性化。这可 以通过使用特性的反函数来获得并且可以例如由可插值查找表、多项式或一些 其他解析近似函数来定义，其内容、系数或参数可以是评估算法的参数。
58.在确定一个或多个位置和可选地距离之前，可以在某个移动范围(例如参 考行程或安装行程)中执行用于物体移动的学习过程。传感器装置可以获取、 存储和/或处理用于确定物体材料的测量数据。
59.可以使用多变量非线性函数(例如人工神经网络)来代替上述评估方法的 两种变体。神经网络的训练可能需要先前学习过程，所述先前学习过程可能特 定于传感器的类型和/或传感器的环境。训练可以在传感器设计阶段和/或传感 器生产期间在工厂进行。函数的输入变量可以是励磁线圈的电信号的至少一个 参数以及感应电压的至少一个参数，并且函数的输出变量可以是纵向位置和可 选地距离以及可选地物体的横向位置。
60.在一个实施方案中，传感器电子器件可以实施自参数化评估算法。
61.在一个实施方案中，传感器电子器件可以被配置为自适应地参数化评估算 法、自
适应地确定物体的物体材料的类型和/或自适应地识别测量布置的变化。
62.在一个实施方案中，传感器电子器件可以被配置为确定并临时或永久地存 储至少一个参数的一个或多个值，用于评估算法的自适应参数化。
63.通过所有这些措施，可以减少位置确定和可选地距离确定的处理时间。
64.可以在相对于传感器装置的一个或多个固定竖直距离处移动物体，并且可 以执行传感器装置关于竖直距离和相关联的物体纵向位置的组合的(自)校准。 因此，可以简化位置确定，可以提高位置确定的精度并且/或者可以补偿传感 器装置的故障。
65.可以在实际距离确定之前进行校准。例如，可以确定物体沿固定轨迹的移 动，例如在两个维护时间点期间或者也在传感器寿命期内观察的取决于应用在 延长期内例如在固定物距或固定纵向位置上的移动。在这种情况下，传感器装 置可以执行其自校准，其中可以将物体的轨迹确定为竖直距离和纵向位置的组 合。为物体轨迹的竖直距离和纵向位置确定的所有组合可以通过位置相关的例 如线性函数来描述，所述函数可以在校准过程中确定。在实际位置确定的情况 下，竖直距离和纵向位置的联合确定可以减少为确定这两个量中的一个，特别 是纵向位置。此外，如果与轨迹存在显著偏差，则可以发出维护信号，或者可 以返回校准功能。
66.替代或另外地，校准可以在调试传感器装置以及执行实际位置确定时执 行。可以使用在操作过程中确定的函数，所述函数可能取决于竖直距离和纵向 位置的组合，以便提高位置确定的精度，其中所述函数用于重新确定位置并且 将所确定的位置与所述函数的值进行比较，并且如果存在偏差，则可以可选地 根据所获取的测量信号再次确定该位置。
67.根据第二方面，提供了一种用于操作电感式传感器装置的方法，所述电感 式传感器装置用于确定物体沿所述传感器装置的敏感轴的纵向位置，所述物体 可在距所述传感器装置的端面一定距离处移动并且是至少部分地导电和/或可 磁极化的，其中所述方法包括：产生所述传感器装置的线圈布置的基本上平面 的励磁线圈的交变磁场，以用于在所述物体中感应涡流和/或磁极化；借助于 所述传感器装置的传感器电子器件确定：所述励磁线圈的电信号的至少一个参 数，所述参数被所述物体的电感反向效应改变；以及由于物体的所述电感反向 效应在所述线圈布置的第一接收线圈中感应的电压的至少一个参数，其中所述 第一接收线圈是基本上是平面的配置并且布置成基本上平行于所述励磁线圈 并与所述励磁线圈重叠，其中所述励磁线圈和所述第一接收线圈布置成基本上 平行于所述传感器装置的所述端面；以及借助于所述传感器电子器件，基于所 述励磁线圈的所述电信号的所述至少一个参数以及所述第一接收线圈的所述 感应电压的所述至少一个参数确定所述纵向位置。
68.根据第三方面，提供了一种用于数据处理装备的程序，特别是用于如第一 方面所述的传感器装置的传感器电子器件的程序，所述程序被配置为如果由数 据处理装备执行，执行如第二方面所述的方法的步骤。所述程序可具有指令并 形成控制代码，所述控制代码包括用于执行所述方法的算法。
69.传感器电子器件可包括至少一个可编程部件，例如微控制器和至少一个非 易失性存储器，其中存储了用于执行如第二方面所述的方法的算法的程序，并 且可选地所述算法的参数。所述程序可以例如是如第三方面所述的程序。
附图说明
70.本发明的实施方案实例描绘在附图中并且在以下描述中更详细地解释。附 图显示：
71.图1示意性地示出根据实施方案实例的传感器装置和物体；
72.图2a至图2c以分解图、透视图和剖视图示出图1中的传感器装置的线 圈系统和屏蔽元件的实施方案实例；
73.图3a、图3b以分解图和剖视图示出图1中的传感器装置的另一实施方 案实例；
74.图4a至图4d示出图3a、图3b中传感器装置的励磁线圈和第一接收线 圈的实现方式；
75.图5示意性地示出图1中的传感器装置10的线圈布置在传感器装置的第 一屏蔽元件内部的布置；
76.图6a、图6b以分解图、透视图和顶视图示出图1中的传感器装置的另 一实施方案实例的线圈布置；
77.图7示出图1中的传感器装置的传感器电子器件的示意图，所述传感器电 子器件电连接到图2、图3或图6中的传感器装置的励磁线圈和接收线圈；
78.图8示出图7中的传感器电子器件的实施方案实例；
79.图9示出图7中的传感器电子器件的另一实施方案实例；
80.图10示意地示出接收线圈中感应的电压的正交相位分量和同相分量之间 的相关性；以及
81.图11a至图11e示出图表，所述图表示出解调电压、接近信号、在接收 线圈中感应的电压的正交相位分量、正交相位分量与接近信号之间的关系以及 作为不同物距的纵向物体位置的函数的机械相位。
具体实施方式
82.相同或相似的部件或元件用相同的参考符号表示。
83.图1示出根据实施方案实例的传感器装置10，其被配置用于确定可移动 物体11沿传感器装置10的第一敏感轴s1的纵向位置。物体11可沿距传感器 装置10的端面12竖直距离的轨迹移动。在传感器装置10的端面12与物体 11的面向传感器装置10的表面13之间测量距离d。传感器装置10还可任选 地被配置用于确定沿第二敏感轴s2的位置l，所述第二敏感轴s2垂直于第一 敏感轴s1延伸。第一敏感轴s1与第二敏感轴s2彼此垂直定向。传感器装置 10可另外可选地被配置用于确定距离d。
84.传感器装置10用线圈布置和可选地由导电材料例如金属制成的屏蔽体制 成，所述线圈布置和屏蔽体在图2a至图6b中示出。线圈布置和屏蔽体布置 在传感器装置10的端面的背离物体11的一侧上。
85.如图2a至图2c所示，在第一实施方案实例中，传感器装置10具有线圈 布置14，所述线圈布置14具有平面的矩形励磁线圈16和平面的蝶形接收线 圈18，两者被配置为绕线导体回路并且重叠。接收线圈18的沿敏感轴s1定 向的相对绕组区段20a、20b在线圈的中间交叉，使得接收线圈18被配置为蝶 形线圈并且线圈区段21a、21b(即半线圈21a、21b)是反对称可极化的。屏蔽 体22的第一屏蔽元件22a在所有侧面上围绕线圈布置14。接收线圈18
布置 成其在其线圈平面中的表面延伸平行于励磁线圈16的矩形表面并且朝向传感 器装置10的端面12因此朝向物体11的端面13。励磁线圈16、接收线圈18 和第一屏蔽元件22a形成传感器装置10的“头部”。替代地，励磁线圈16也 可朝向传感器装置10的端面12因此朝向物体11的端面13布置，或者励磁线 圈16可基本上在其自身的线圈平面中围绕接收线圈18，或者两个线圈16、18 可缠绕在相同的线圈架(未示出)上。
86.如图2c所示，印刷电路板24布置在第一屏蔽元件22a远离端面12的一 侧上。励磁线圈16的连接部26a、26b和接收线圈18的连接部28a、28b电连 接到印刷电路板24。传感器电子器件30布置在印刷电路板24的远离线圈布 置14的一侧上。替代地，此表面可仅具有用于与设置在另一印刷电路板上的 传感器电子器件接触的焊接点。屏蔽体22的第二屏蔽元件22b可以可选地被 配置为在印刷电路板24的至少一层上的铜层。屏蔽元件22a和屏蔽元件22b(如 果存在)、励磁线圈16、接收线圈18和传感器电子器件30封闭在外壳34中。 连接电缆36穿过外壳34延伸到外部并且可连接到电源。此外，连接电缆36 可包括用于一个或多个输出信号的引线。传感器装置10的端面12对应于外壳 34的朝向物体11的端面。
87.根据图3a、图3b中所示的第二实施方案实例的传感器装置10以印刷电 路板技术被配置，即作为多层印刷电路板38。线圈16、18a、18b被描绘为矩 形表面区域(图3a)或虚线(图3b)。为清楚起见，未示出线圈16、18a、18b的 绕组。平面的矩形励磁线圈16以及第一平面的矩形接收线圈18a和第二平面 的矩形接收线圈18b在相互平行的印刷电路板层中重叠。沿轴s1观察，第一 接收线圈18a和第二接收线圈18b在每种情况下具有相对指向的绕组。第一接 收线圈18a的线圈区段21a、21b和第二接收线圈18b的线圈区段40a、40b重 叠，使得线圈区段40a或40b平行于线圈区段21a或30b的边缘区域。线圈区 段21a、40a的极化和线圈区段21b、40b的极化在每种情况下是相同的并且用
ꢀ“
﹢”或“﹣”表示。换句话说，接收线圈18a、18b具有反对称可极化配置。 第一接收线圈18a和第二接收线圈18b串联电连接，并且在电路工程术语中可 以在电方面被视为单个接收线圈。
88.屏蔽体22的第一屏蔽元件22a被制成在传感器装置10的外壳34的内表 面上的金属层。金属层完全围绕线圈布置14。屏蔽体22的第二屏蔽元件22b 被配置为线圈布置16、18a、18b的层与传感器电子器件30的层之间的金属化 层。励磁线圈16、接收线圈18a、18b和屏蔽元件22a、22b形成传感器装置 10的“头部”。传感器装置10的端面12对应于外壳34的朝向物体11的端 面。传感器电子器件30具有第一印刷电路板层42和第二印刷电路板层44， 用于激励接收线圈16以及对励磁线圈16和第一接收线圈18a和第二接收线圈18b的一个信号或若干信号进行信号调节和信号处理的一个或多个电路和/或 逻辑部件安装在所述层上或所述层中。
89.图4a至图4d示出图3a至图3b中的线圈布置14的实现方式。图4a、 图4b中所示的励磁线圈16布置在印刷电路板38的两个叠合层46、48中， 其边缘示出为短划线。两个层50或52中的励磁线圈14的绕组46或48在每 种情况下借助于通路孔54连接在一起。接收线圈18a或18b的绕组56和58 由印刷电路板24的两个层60或62中的电路板导体形成，并用通路孔63连接 在一起。在两个层60、62上，线圈区段21a或40a和21b或40b的绕组56、 58在每种情况下是相对配置的，而在附图平面中所示的线圈区段21a、21b的 绕组56和线圈区段40a、40b的绕组58在左侧和右侧两者上在两个层60、62 上在相同方向上指向。用于连接到传感器电子器件的接收线圈16的连接部 26a、26b以及第一接收线圈18a和第二接收线圈18b的连接
部28a、28b在每 种情况下被配置为通路孔，用于传感器电子器件的引线也可以焊接到所述通路 孔上。
90.图5示出布置在第一屏蔽元件22a内的线圈布置14的顶视图。线圈布置 14可以例如是图2a至图2c、图3a、图3b中的线圈布置14中的一个。线圈 布置14与侧向屏蔽元件22a间隔开，使得线圈布置14在其中延伸的区域与侧 向屏蔽元件22a之间存在距离d，所述距离d是第一屏蔽元件22a的内部开口 64的宽度b的至少10％，垂直于敏感轴a1测量，并且形成对应的无线圈区域 66。
91.图6a、图6b示出根据第四实施方案实例的用于传感器装置10的线圈布 置14，其被配置为类似于图3a、图3b中的线圈布置。线圈布置14的线圈 16、18a、18b被描绘为矩形表面区域。为清楚起见，未示出线圈16、18、68 的绕组。然而，与第一接收线圈18旋转90度的第二接收线圈68布置成使得 传感器装置10具有两个敏感轴s1、s2而不是一个敏感轴s1。接收线圈68的 半线圈具有参考符号69a、69b。接收线圈18可例如像图3a、图3b中的线圈 18a、18b那样配置。因此，传感器装置10被配置用于确定物体11沿敏感轴 s1的纵向位置p和物体11沿敏感轴s2的横向位置l。此外，所有线圈16、 18、68具有方形横截面。因此，在第一屏蔽元件22a与线圈布置14之间的无 线圈区域66被设置为相邻于相应线圈16、18、68的边缘。可以选择距离d， 如图5所示。第二屏蔽元件(未示出)和传感器电子器件的印刷电路板具有矩形 配置。第一接收线圈18a和第二接收线圈68彼此独立地电连接。
92.就像在图3a、图3b中一样，线圈布置14还可包括在第一接收线圈18 的端部区域中的附加接收线圈和在接收线圈68的端部区域中的附加接收线 圈，在每种情况下，附加接收线圈增加相应接收线圈18、68的端部区域中的 灵敏度。
93.图7中所示的传感器电子器件30具有振荡单元70，其通过电容器71电 连接到图2a至图2c、图3a、图3b或图6a、图6b中的励磁线圈16。传感 器电子器件30的呈解调器形式的解调单元72电连接到线圈布置14的一个或 多个接收线圈18、68。由于线圈18a和18b串联连接，并且不必单独电连接 到解调单元72的电子电路，在下文中，参考图7至图9，用于纵向敏感轴s1 的接收线圈被指定为接收线圈18。
94.此外，评估单元74耦接到振荡单元70和解调单元72。
95.振荡单元70被配置为从励磁线圈16的为电压或电流的电信号中确定并发 射指示线圈布置14附近存在物体11的第一参数dss，特别是在固定的纵向位 置中，在传感器端面12与物体11之间的竖直距离d处。第一参数dss还取 决于物体11的纵向位置p和横向位置l(如果物体11的横向位移是可能的)。 振荡单元70还可能被配置为使得根据励磁线圈16的电信号确定不是一个而是 若干信号参数并发射。在这种情况下，dss表示第一组参数。振荡单元70还 被配置为确定参考信号pha并将其输出到解调单元72，所述参考信号pha 的相位与励磁线圈16中的电压或电流的相位具有预先确定的关系。
96.解调单元72被配置为根据在接收线圈18中感应的电压确定第二参数pss 并将其输出到评估单元74。此外，第二参数pss取决于距离d，以及物体11 的横向位置l(如果物体11的横向位移是可能的)。解调单元72被配置为基于 参考信号pha确定参数pss。解调单元72还可被配置为使得根据接收线圈 18的感应电压确定不是一个而是若干信号参数并将其输出。在这种情况下， pss表示第二组参数。
97.评估单元74被配置用于联合评估第一参数dss和第二参数pss或第一组 参数dss
和第二组参数pss，并且用于确定物体11的纵向位置p和可选地物 体11的竖直距离d。
98.应注意，为了通过图6a、图6b中的接收线圈68形成第二敏感轴s2以 及为了确定第三参数lss(未示出)，需要第二解调单元，或者可使用第一解调 单元72用于在时分多路操作中解调两个接收线圈18、68的电压。类似于可根 据接收线圈18的感应电压确定参数pss，可根据第三接收线圈68的感应电压 确定第三参数lss，并且类似于第一参数pss可处理用于确定纵向位置p，第 三参数lss可处理用于确定横向位置l。
99.在图8所示的传感器电子器件30的第一实施方案实例中，振荡单元70 形成为图7中的振荡电路80，其被配置为向励磁线圈16供应能量，使得励磁 线圈16可操作作为lc电路的电感元件自振荡，并且电容器71可操作作为 lc电路的电容元件自振荡。振荡单元70的解调器82被形成为电路并且被配 置为振荡器电压u
osc
的幅度检测器，以输出作为振荡器幅度特性的解调电压 ud，并且/或者被配置为频率检测器，以输出振荡器电压u
osc
的振荡频率f
osc
作为第一参数或第一组参数dss。此外，解调电压与振荡器幅度之间存在线性 关系。也可能使用振荡器电流代替振荡器电压u
osc
，并且用表征振荡器电流 幅度的另一个电压来代替解调电压ud。在这种情况下，解调器82还被配置为 幅度检测器。替代地，解调器82可被配置为振荡器电流的振荡频率的频率检 测器。
100.振荡单元70的正交相位检测器84形成为电路并被配置为输出二进制信 号，即方波信号i
ref
、q
ref
，其相对于振荡器电压u
osc
的相位对应于同相参考 信号i
ref
或正交相位参考信号q
ref
。这两个信号i
ref
、q
ref
一起形成参考信号pha。
101.解调单元72被配置为相敏解调器86，其使用i
ref
、q
ref
进行正交解调，并 且具有对应的电路。解调器86的一个输入信号是在接收线圈18中感应的电压， 其被放大器88放大。相敏解调器86的另一输入信号是正交相位检测器64的 输出信号，即i
ref
、q
ref
。解调器86的一个输出信号是第二参数pss或第二组 参数pss，其代表解调电压。解调电压可具有放大感应电压的两个分量，即同 相分量ui和正交相位分量uq。
102.图9中所示的传感器电子器件30的第二实施方案实例在图7中被配置为 类似于图8中的传感器电子器件。然而，正交相位检测器84被配置为相位检 测器85，其输出信号是相位参考信号φ
ref
，其与振荡器电压u
osc
的相位具有 预先确定的关系。代替双通道相敏解调器86，提供了相敏解调器87，其使用 相位参考信号φ
ref
执行同步解调，并且输出与相位相关的幅度u
φ
作为第二参 数pss，而不是同相分量ui或正交相位分量uq。
103.在传感器装置10的操作中，传感器装置10的振荡电路70被供应有正弦 电流。励磁线圈16中形成磁场，从而在物体11中产生涡流和磁极化。由于物 体11对励磁线圈16的反向作用，励磁线圈中的电信号改变。此外，由于物体 11的反向效应，在接收线圈18、68中感应出电压。第一参数dss或第一组 dss以及相位参考信号pha借助于振荡单元70确定。相位参考信号pha被 输出到解调单元72，解调单元72使用相位参考信号pha根据放大的接收线 圈18的感应电压确定第二参数pss，并且可选地根据放大的接收线圈68的感 应电压确定第三参数lss。信号dss和信号pss、lss被输出到评估单元74。
104.为了确定位置p和距离d，执行在传感器电子器件30的评估单元74中实 现的算法，利用所述算法从第一参数dss形成无量纲的接近信号sn。接近信 号sn可以具体地定义为sn＝a(u
d0-ud)或sn＝b(f
osc0-f
osc
)或sn＝a(u
d0-ud)+ b(f
osc0-f
osc
)。在前述内容中，a和b表示缩放因子，并且u
d0
和f
osc0
在每种情 况下表示解调电压ud和振荡频率f
osc
的无物体值。
105.此外，由第二参数pss形成无量纲的纵向位置信号s
p
，其具体确定为s
p
＝ c*ui、s
p
＝d*uq、s
p
＝c*ui+d*uq、s
p
＝e*u
φ
，其中c、d和e为缩放因子。 假定此时已经减去电压ui、uq或的可能背景信号。
106.然后，减小的纵向位置信号v
p
形成为纵向位置信号s
p
与接近信号sn之 间的v
p
＝s
p
/sn形式的关系。
107.此外，机械相位pm可以可选地由arctan2函数形成，定义为pm＝arctan2(v
p
, b*sn)，其中b为缩放因子。
108.比率v
p
和机械相位pm可进一步可选地被缩放和线性化，以便确定纵向位 置p。
109.如果已知物体11预期在什么竖直距离d处移动，则可例如在工厂处事先 建立缩放因子b。替代或另外地，b可借助于在方法之前执行的学习过程来确 定，其中物体11移动至少通过传感器装置10的纵向测量范围的中间并且从接 近信号sn中检测绝对量s
nl
，例如其最大值，或其在纵向位置信号v
p
为零的 点处的值。b可以与s
nl
成反比，即b＝k/s
nl
，其中k是另外的缩放因子，结 果是arctan2函数表示单调函数，特别地性质是物体在一定范围内尽可能线性 运动。
110.由于振荡参数的变化因此接近信号sn，以及接收线圈18的感应电压因此 纵向位置信号s
p
两者由同一物体11的电感反向效应决定，减少的纵向位置信 号v
p“相对”独立于距离d。通过计算机械相位pm来确定位置的前提是物体 11与传感器装置10的端面12之间的距离d与确定缩放因子b处的距离没有 明显偏差。
111.为了确定横向位置l，可以完全相同的方式检查和评估第三参数lss而不 是pss。
112.为了确定距离，可以针对不同的距离d执行传感器装置相对于纵向位置p 和可选的横向位置l的先前校准。
113.在可由评估单元74实施的另一评估方法中，可能使用上述参数dss、pss 和lss中的一者或多者的多变量、非线性函数。例如，可以使用人工神经网 络，所述人工神经网络先前已经被训练来确定位置p和可选地横向位置l和/ 或可选地距离d。人工神经网络的训练可能需要先前学习过程，其针对传感器 装置10的类型(例如针对其大小或其设计)或者针对在设计阶段或传感器装置 的单独生产中传感器装置在其中使用的环境(例如在工厂处)执行。
114.图11示出当物体11行进穿过纵向测量范围的中间时，例如不同材料结构 钢、不锈钢和铝的ui(任意单位的x轴90)与uq(任意单位的y轴92)之间的相 关性关系(曲线94a-9c)。通过比较确定的参数pss(这里是ui、uq)与不同的物 体位置，可能得出关于材料类型的结论。替代或另外地，可以基于物体11在 一个或多个接收线圈18、68中感应的电压的典型相位来确定物体的材料类型。 如果可以假定相位的确定不能被过窄的幅度阻止，则典型相位可以在时间段内 定义为感应电压的最频繁出现的相位值(或平均值)。可能有必要考虑到感应电 压的符号也取决于物体位置，并且可以在确定平均值之前校正对应的相移。替 代或另外地，可以根据振荡器电压u
osc
的幅度变化与相位变化之间的典型关 系来确定物体的材料类型。就这一点而言，可将典型比率视为常数，并假定其 事先已知。由于可能的测量不准确，在接近信号或纵向位置信号的较大值处或 在一段时间内确定上述关系是有利或必要的。
115.图11a至图11e示出上述信号评估步骤中的各种量。这些量是当物体11 沿图1中的
传感器装置10的敏感轴s1移动时，不同的竖直物距d＝0.25mm(曲 线98a、100a、102a、104a、106a；实线)、d＝0.50mm(曲线98b、100b、102b、 104b、106b；短划线)和d＝0.75mm(曲线98c、100c、102c、104c、106c；虚 线)的物体位置p(x轴96a-96e，单位为毫米(mm))的函数。y轴108a-108e在每 种情况下对于对应的量以任意单位给出。
116.图11a和图11b示出在不同情况下量ud和sn，其中在这种特殊情况下， 接近信号形成为sn＝(u
d0-ud)。u
d0
和ud是对应电压的数字值，并且可视为 无量纲值。图11c示出感应电压的正交分量uq的变化。在图11a、图11b和 图11c中，应注意曲线的形状取决于距离d。相比之下，如图11d所示，比 率v
l
基本上不依赖于物体位置p。比率v
l
的确定不需要学习过程，但只有在 每种情况下事先在每个物距d处执行了学习操作时，才可能确定图11e中所 示的机械相位pm。然而，如果对于具有15mm纵向延伸的外壳，假定线圈布 置14的总长度为12.5mm，与图11d中vm曲线的约10mm的线性化测量范 围相比，通过确定机械相位pm来确定纵向位置p提供了更大的测量范围或约 18mm的线性化范围。图11e中所示的每条曲线106a-106c是在具有距离特定 的b值的对应单独学习操作之后计算的，因此b值被计算为b＝k/s
nl
，其中 物体特定的k因子相同。