专利名称：被测物相对于传感器的位置和/或位置变化的测定方法及测定用的传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种被测物相对于传感器的位置和/或位置变化的测定方法，该 传感器优选具有施加以交流电的传感线圈。本发明还涉及一种相应的传感器装置。
背景技术：
电磁感应传感器可广泛应用于工程领域。它们可用于，例如，监控传感器与 被测物之间的距离、测量转动或阀门升程的动作、测定活塞的位置或检测导电物。 这种不完全的列举表明了这类通用传感器广泛应用的可能性。
可沿软磁铁芯移动的永久磁铁用作路径传感器中的被测物，己由DE 36 10 479 Al揭示。两个相对地外露的激励线圈以及二次线圈均缠绕在该铁芯上。该软磁 铁芯的一位置上所产生的虚拟气隙取决于被测物相对于传感器的位置，其意味着该 二次线圈中所感应的电压随被测物的位置而变化。该电压与被测物相对于传感器的 位置成比例。
EP 1 158 266 Al揭示一种包括感应传感器、换能器以及评估单元的路径测 量系统。根据该申请的一实施例，位置可相对于该传感器变化的磁铁用作换能器。 该磁铁的磁场使该传感器的软磁材料饱和。因为这种局部饱和效应，传感器的测量 线圈的电感会变化，该测量线圈与振荡器连接，因而可检测其频率或幅度的变化。
DE 203 07 652 Ul揭示一种磁控路径记录装置，该磁控路径记录装置设有磁 场传感器以及能够沿移动轴线位移的磁铁。软磁材料条以与该移动轴线平行设置， 自软磁材料条的端部，使磁场传感器面对该端部和其传感器装置组合。该路径记录 装置的测量范围由该软磁材料条的长度以及该磁铁的宽度来确定。
US 4 926 122 A、 EP 0 729 589 Bl或DE 30 41 041 C2揭示一些带有磁电 转换器的传感器，这些传感器用于转子旋转的不接触记录。实际上，为了保证不受 干扰，这些转换器与被测物为紧靠设置。在这有限的间隔(一般大致为1亳米)，特别是在实际的使用条件下，该传感器可能被损坏。因此，以较大的基本间隔可靠地 记录旋转动作对于动态操作尤其重要。
DE 38 03 293 Al、 DE 38 03 253 Al或DE 36 10 479 Al揭示利用高磁导率 软磁材料的饱和效应的其它传感器以及接近开关。然而，这些传感器的反应距离受 限制。为了达到较大的测量范围，评估电路的放大系数必须大。然而，这会导致与 温度相关的大误差以及对安装的公差要求高。
发明内容
因此，本发明主要的目的是提供了一种方法，用该方法能够在静态及动态操 作中以分辨率测量被测物相对于传感器的位置或位置变化。本发明还提供了一种设 计可能最简单的相应装置。
上述的目的通过根据本发明的权利要求1的特征来实现。根据本发明的方
法，其特征在于通过分配给软磁金属薄片中被测物的磁铁，其磁导率在磁场的作
用下随磁场的场强变化而变化并安排在传感器的作用范围内，使金属薄片的磁导率 变化，而该金属薄片的磁导率变化由传感器上的反馈来确定并由其测定被测物相对 于传感器的位置和/或位置变化。位置或位置变化的测定相当于角度、角度变化的 测定或转速的测量。
在装置方面，上述的目的通过权利要求13的特征来实现。根据本发明的传
感器装置，其特征在于在传感器的作用范围内设置软磁材料的金属薄片，其中该 金属薄片的磁导率在磁场的作用下随磁场的场强的变化而变化，并且还设有评估电 路，利用该评估电路，再由传感器上的反馈测定该金属薄片的磁导率变化以及得出 关于被测物相对于传感器的位置和/或位置变化的结果。本文还提及到位置或位置 变化的测定相当于角度、角度变化的测定或转速的测量。
根据本发明的传感器装置的另一实施例，以权利要求25来保护，该传感器
装置实现了上述的目的。根据本发明的传感器装置，其特征在于在传感器的作用 范围内设置由软磁材料制成的金属薄片，其中该金属薄片的磁导率在磁场的作用下 随磁场的场强变化而变化，并且被测物的移动基本上在平行于该金属薄片的伸縮方 向以及该金属薄片的磁导率变化由传感器上的反馈测定以及由此得出关于被测物相 对于传感器的位置和/或位置变化的结果。本文还提及到位置或位置变化的测定相
7当于角度、角度变化的测定或转速的测量。
对于本发明的方法，最初认识到软磁材料的特性可用作高精度的位置测量。 软磁材料的磁导率在外部磁场的作用下随现存的场强变化而变化。
这特性可用于传感器装置中。为了这目的，将磁铁分配给被测物，并记录磁 铁相对于传感器的位置。因有这磁铁，当传感器靠近被测物或当被测物靠近传感器 时，在软磁材料范围内的磁场强度会增强。因而，使磁铁的磁导率减少，这对设置 在软磁材料附近的测量组件的性质有影响并且可通过与测量组件连接的适合的评估 电路为该被测物的位置变化的位置赋于估值。适合的评估电路包括磁场传感器，如 霍尔传感器、相异性磁阻传感器及大型磁阻传感器、或感应传感器，例如感应传感 器的线圈或涡流传感器或任何其它对磁导率变化敏感的测量组件。
根据本发明可进一步认识到传感器装置的敏感度的提高可以通过以下达到 将软磁材料只设计成金属薄片。因而，在很大程度上避免了体积效应的形成，以致 于较低的场强对磁导率变化是必要的以及它们可在较短时间内发生。这对传感器装 置的敏感度和原动力有较好的影响。另一方面，这意味着给被测物分配的磁铁的磁 场在相对宽的测量范围内部对金属薄片的磁导率有影响。
当被测物与传感器之间以基本上在与金属薄片的伸縮方向平行的方向移动 时，则金属薄片中形成较高磁导率区、磁导率减少区以及在该两个区之间的过渡 区。依据传感器与被测物之间的距离，该过渡区可沿金属薄片位移。因而，在相当 大的测量范围内对测量组件有较大的影响。
以这种方式配置的本发明的传感器装置特别有利，其中被测物的磁铁的磁场 方向沿该金属薄片的"较大"磁化轴。在这情况下，磁铁的磁场在该金属薄片的端 部仅与小表面耦合。此外，有效地利用该金属薄片的不饱和区亦是有利的。
本发明的传感器装置的分辨率及准确度取决于该金属薄片的电磁性质及磁性 质。例如，可用由M-金属、软磁非晶合金或铁气体制成的金属薄片。
透过，例如，用由纳米晶体材料制成的金属薄片来达到高机械强度及优良的 电磁性质的结合是有利的。优良电磁性质包括高磁导率(例如^50,000-500， 000)、较低的电导率以及在大的温度和频率范围内的小损耗。
上述的效果可根据以下所描述的本发明的实施例来实现。这些实施例的目的 是设计一种具有最大可能的检测范围的传感器以及使该传感器达到最高可能的敏感度。
本发明使用了由软磁材料制成的金属薄片，其磁导率变化对传感线圈有影响。
磁导率变化在线圈上产生可检测的反馈，其一般可透过线圈的阻抗变化来显 示。线圈的阻抗或阻抗变化可以一般的方式透过交流电施加在该传感器线圈上来测
然而，需要强调的是，磁导率变化还可由其它感应的或磁场敏感的测量组件 来记录。
根据本发明的一优选的实施例，以直流电激发的补偿线圈设置在靠近以直流 电施加的传感器线圈的软磁金属薄片的附近。因此，依据线圈的设计及安排，磁导 率在差不多金属薄片的大范围内会受影响。这可用于为对被测物的检测谨慎地形成 特别有利的测定条件。如果被测物位于较大的距离，给被测物分配的磁铁的磁场仅 对金属薄片具有轻微的作用，因为该传感器装置的敏感度位于不利的范围内。透过 以直流电施加在补偿线圈上，可达到敏感度改变以及使在测量范围的特定部分内的 敏感度有意地提高。另一方面，如果，例如，被测物非常接近该传感器时，场强的 值可能过高。然后，可透过补偿线圈有意地降低场强，以致于该传感器装置能够再 位于较有利的工作状态。在这情况下，根据直流电的极性和强度可显著地扩大该测 量范围以及改善该测量范围的敏感度。再者，可透过调整补偿线圈的磁场来补偿或 修正安装公差或慢变的干扰，例如温度漂移或老化。
两种实施例也可同时实施，以致于两种实施例的积极效果相互相加。
在以直流电激发的补偿线圈的实施例中，该直流电优选为可调整的。这可能 仅仅与直流电的强度有关，或另一方面，也可改变直流电的极性。透过调整直流电 的强度，可改变软磁金属薄片的磁导率的影响程度。极性的改变意味着由传感线 圈、补偿线圈以及被测物的磁铁的磁场所形成的合成磁场可增强或减弱。因此，可 对影响金属薄片的磁导率的磁场产生特别大的影响。然后，可调节直流电，以致于 可建立基本上恒定的传感线圈磁场。
具体地说，有利的是在第一次激活之前对该传感器进行校准。为了这目的，
优选地以以下步骤进行。首先，对在相对于传感器的多个位置h上的被测物定位。 单个位置h具有步宽Sh。优先排列这些单个位置，以致于它们基本上位于公共线在每一位置h向传感线圈供交流电。因此，该传感线圈产生受软磁金属薄片 影响的电磁交变场。确定每一位置h上的传感线圈的阻抗Z和/或相对阻抗变化A
z/z。为此，在实际应用中揭示了不同的方法。从这样所得的数值来确定该传感线 圈的相对敏感度S与被测物相对于传感线圈的位置h之间的相关性特征。然后，相 对敏感度S由S-^/幼得出。
由这特征确定位置ho，在该位置上假定相对敏感度S达最大值。将与这位置 ho相对应的复阻抗Zo的值储存在非易失性存储器中。因此，可用这些步骤来确定 该传感器特征。
在随后的步骤中，测定测量结果对直流电的强度的相关性。为了这目的，将 直流电通入补偿线圈。被测物再次放置在不同位置h以及在每一位置h上测定传感 线圈的胆抗Z和/或相对阻抗变化AZ/Z。传感线圈、补偿线圈以及被测物的磁铁的 磁场的叠加都作用在金属薄片上。在下一个步骤中，使直流电的强度在测量范围士 Ah内变化。重复这步骤直至达到阻抗的预定及储存的目标值。由所获得的数值来 确定直流电与被测物的位置变化的相关性。因而，透过测量范围土Ah内的补偿线 圈可获得位置h与直流电之间的基本上线性的关系。因此，在许多应用中，只测定 及储存位置变化与直流电之间的比例系数便足够。
有利的是，是不是以被测物与传感器之间的基距测定复阻抗的预定目标值， 在该基距上被测物的位置变化会导致线圈组的最大阻抗变化。
通常，为了测定金属薄片的磁导率变化在线圈上的反馈，则要测量其阻抗的 变化。然而，应提及，原则上，磁导率的测量还可以用其它方法。可直接地或间接 地测量阻抗。例如，当施加已知的电流时，可测量线圈上的电压降并且通过该电压 除以该电流求出该阻抗。然而，该阻抗还可透过并联电容扩大成自由摆动振荡器， 其例如，通过PLL(锁相环)电路驱动。由PLL电路的初始信号得出关于传感器线圈 的阻抗的结果。
由传感线圈的复阻抗Z来确定该实部Re(Z)和虚部lm{Z}。该实部和虚部的 确定可以仿真或数字的方式发生。从实践中足以得知相应的方法。该实部Re(Z)和 该虚部lm(Z)的比率D可由D-Re(Z)/lm(Z)表示。根据本发明优选的变型，直流电的大小经由跟踪控制中的补偿线圈由闭合控 制回路设定。该比率D用作该控制回路的目标值，其中D可保持恒定。该虚部
lm(Z)可用于确定被测物相对于该传感器的位置或位置变化。再者或作为一种选 择，透过补偿线圈，直流电的强度可用于位置确定。
最好这样进行控制，以致于传感器的最大相对敏感度S在整个测量范围内或 部分测量范围内保持恒定。为了这目的，可使用从校准所获得的信息。位置ho上敏 感度最大，可通过选择直流电由补偿线圈位移该位置ho。
作为一种控制的选择，直流电可以手动调节。特别是当被测物以高动态特性 移动时，该控制对变化的反应可能不够快。直流电的手动调节可以各种方式完成。 因而，直流电的强度可通过，例如，键或键盘输入。作为一种选择或再者，还可使 用仿真或数字旋转控制或移位控制。
在具有以直流电激发的补偿线圈的传感器装置中，补偿线圈及被测物的磁铁 叠加成合成磁场。而各个磁场的方向及极性通常会不同。传感线圈的磁场为交变 场，因为向传感线圈供交流电，并且因此需要以交流电的两倍频率来改变该磁场的 极性。该补偿线圈的磁场以控制或手动调节，取决于被测物相对于该传感器的位 置。然后，可选择激发该补偿线圈的直流电的极性，以致于使磁场的静磁场分量增 强或减弱。这取决于磁场方向，其中合成磁场将被位移以便达到可能最好或甚至理 想的位置测定条件。给被测物分配的磁铁的磁场通常为不均匀的磁场并且取决于该 传感器以及被测物之间的距离。
该传感线圈与该补偿线圈可相互在电流上隔离。因此，这两组线圈通以相互 完全独立的电流。然而，需要指出的是，该两组线圈还可组合成单一线圈或两组线 圈的其中一组可透过中间接点设计成另一组线圈的部分区段。在具有单个线圈的实
施例中，以直流电部分位移的交流电可供给线圈。还可透过控制电路或手动的方式 以两组线圈电流隔离配置调整偏移。
被测物的磁铁优选为永久磁铁。因此，可使用被测物，与任何附加的电源无 关。然而，该磁铁还可由电磁铁组成。因此，对测量有影响。例如，如果被测物比 较接近该传感器，磁铁的磁场可透过减少激发电流而减弱。当被测物与传感器之间 的间距大时，该激发电流也可提高。两种磁铁的实施例还可组合使用。
在一种传感器的评估电路的可能的实施例中，该金属薄片电容性地与传感线
11圈耦合。在这实施例中，该金属薄片具有电触点与振荡器连接。振荡器的另一极与 传感线圈的其中一端连接。在这情况下，能量以电容性与传感线圈耦合。传感线圈 的两端与放大器的输入端连接，其放大传感线圈的电压降。该放大器为评估电路的 一部分，用于测定金属薄片的磁导率变化。线圈的电压降由放大器放大并作为放大 信号U2提供。这信号U2与相对阻抗变化AZ/Z成比例。
作为这实施例的一种选择，该振荡器可直接与该传感线圈连接。因此，交流 电可直接与该线圈耦合。然后，该金属薄片，例如，可接地。在这实施例中，该传 感线圈的电压降也可被放大并可产生与相对阻抗变化AZ/Z成比例的信号U2。
在两种情况下，可设有形成电压信号u2的两个正交分量的电子装置。该两 个分量与该传感线圈的复阻抗的实部Re(Z)以及虚部lm(Z)成比例。该电子装置产
生电压信号U3和U4，其表示两个正交电压分量。该信号U4可用于使振荡器同步， 而信号U3则用于控制向补偿线圈供直流电的电压源。
该电子装置可从实践得知的各种装置来实现。优选以数字分析该放大信号。 该电子装置具有A/D变换器、处理器以及存储器。为了使电子装置与电源在电流上 隔离，可附加设有光耦合器，通过该光耦合器将控制信息传送到电流去耦的电源。
在没有补偿线圈而将被测物的移动方向限制在平行于该金属薄片的伸縮方向 的传感装置的实施例中，该磁铁还可是永久磁铁或电磁铁。在使用电磁铁的实施例 中，该传感器的测量会再次受影响(如上所述)。
传感装置的校准也可在这类的配置中进行。为了这目的，上述的传感器特征 的测定步骤会相应地进行。
与补偿电路的实施例一样，评估电路的实施例以可比较的方式想到。振荡器 可直接向该金属薄片的接触点供电压信号。然后，该电压电容性地与传感线圈耦 合。在线圈上发展的电压可通过放大器放大并且可供给电子装置以确定实部和虚
部。振荡器的同步可由与该虚部成比例的电压信号U4产生。
振荡器也可直接与传感线圈连接以及在线圈上发展的电压降由放大器放大。 被放大的信号可供给电子装置以便从该被放大的信号中提取实部和虚部。
根据本发明的传感器装置的两种实施例中(即带有或没有补偿线圈的传感器 装置)，传感器可以不同的方式形成。该传感器可放置在圆型或其它三维压纹的支 撑件上。该传感线圈、该金属薄片以及可选择的补偿线圈可缠绕、粘合或以其它方
12式放置在该支撑件上。
在另一实施例中，传感器可设计成扁平状。然后，该传感器优选放置在扁平 的支撑件上。然而，传感器还可呈弧形并适合于特别的工作环境。可在相应的校准 措施后没有问题的情况下使用这样的传感器。
为了进一步改进传感器装置的敏感度，金属薄片的厚度可适合于由传感线圈 所产生的电磁场的穿透深度。因而，由传感线圈所产生的电磁场优选为高频的电磁 场。以下公式用来表示导电材料中的穿透深度S:
其中，"=2Mf， f为该交变场频率以及o为电导率以及y为该金属薄片的磁导率。 从式中可见，S与该金属薄片的磁导率p的平方根成反比例。如果因为外部磁场而
使该金属薄片的磁导率下降，则该金属薄片中的电磁场的穿透深度增大。如果金属 薄片的厚度合适，电磁场在低磁导率的区穿过该金属薄片。这效果也可用于提高敏 感度。可在面对远离靠近金属薄片的传感线圈一侧上设置传导面。这传导面优选具 有比软磁金属薄片更高的电导率。因此，在该传导面中感应的涡流较在软磁金属薄 片中感应的为多。
尤其当被测物的移动方向限制在基本上平行于该金属薄片的伸縮方向时，会 达到软磁金属薄片使位于其后面的传导面暴露的位置，随被测物的位置而变。按照 被测物的位置，具有减少了磁导率的不同宽度的区域可使传感线圈的电磁场能够穿 过该软磁金属薄片。(显然，这可想象成金属薄片以类似百叶窗的方式露出部分不 同大小的窗口。)因此，按照被测物的位置，在传导面上将感应出不同程度的涡 流。这会对传惑线圈的阻抗产生比软磁金属薄片中感应的涡流更强的效果，其对传 感器装置的敏感度具有积极效果。
最好向传感线圈提供高频交流电。因此，传感器的动力很高。因为频率高，
导电材料中的涡流的穿透深度为小，然而，对于薄的金属薄片(例如20um)来说， 这穿透深度已经足够。显而易见，体积效应并不需要，.甚至不希望，因为在体积大 的软磁材料中，涡流也只在薄层中流过，以致于测量效果相对于体积受到限制。
如上所述，磁导率变化区取决于磁场强度。根据该磁铁，该传感器可在相对大的距离(例如30-50)并以非常高的分辨率(几个U m)通过定位整个适合的装置的最 高敏感区，以致于该工作点位于相对于该传感器的磁铁的规定的基距上测量该磁铁 的位置。在一种磁路的适合实施例中，可到达的是所谓的冗余系数通常大约3。这 意味着被测物的移动路线较金属薄片中磁导率分布的变化大3倍。因此，金属薄片 的长度相对于该移动路径縮短了该冗余系数。这是特别有利，因为这样才有可能设 计出简单而小型的传感器。
所述的传感器的实施例还可这样实现金属薄片及磁铁固定，只有线圈可移动。
在另一有利的实施例中，该磁铁可与该传感器固定连接。为了在该传感线圈 的位置获得可按被测物位置变化的磁场，被测物必须由可影响磁场的材料组成。这 可为铁磁材料。透过铁磁被测物相对于传感器以及与传感器连接的磁铁的位置变 化，可影响磁场线以及还在金属薄片中磁导率分布产生变化。
现有不同的可能性可使本发明构思以有利的方式构成及改进。为此， 一方面
可以参照权利要求l、 13和15,另一方面，可结合附图参照本发明一些较佳实施例 作以下叙述。在结合
本发明一些较佳实施例的同时， 一般还对本发明构思 的改进及较佳实施例作叙述。
图1为本发明的被测物的位置和/或位置变化的记录装置的示意图2为沿软磁金属薄片的磁场分布与被测物的位置h的关系的曲线图3为相对敏感度S随相对于传感器的被测物位置h而变的典型趋势曲线
图4为直流电I—随被测物的位置h而变的趋势曲线图5为本发明的具有补偿线圈的传感器装置的第一实施例示意图； 图6为本发明的具有补偿线圈的传感器装置的第二实施例示意图； 图7为本发明的设有补偿线圈以及加入固定的永久磁铁的传感器装置的第三 实施例示意图；以及
图8为控制直流电线圈的控制电源的电路图。 在每幅图中的同一或等同的组件使用了同一标号。
1具体实施例方式
图1所示为一种记录被测物2相对于电磁传感器3的位置h和/或位置变化 的根据本发明的传感器装置1的方框图。永久磁铁4分配给被测物2，在所述变型 中，该磁铁的几乎所有侧面均被被测物2包围。传感器3具有线圈组5，该线圈组 由传感线圈6以及补偿线圈7组成。于线圈组5的作用范围内设置软磁材料的金属 薄片8。传感线圈6具有两端K和K2。端^与可同步的振荡器10连接，而端K2 与评估电路11的输入端以及该金属薄片的电触点9连接。振荡器10向该传感线圈 6提供固定频率和振幅的交流电压。在这情况下，由该传感线圈6产生电磁交变 场，其在金属薄片8中感应涡流。金属薄片8的材料的电磁性质，如电导率o以及 磁导率u，影响在交变场上的涡流的特性和反馈。通过被测物2与传感器3之间的 距离变化，使金属薄片8的磁导率u变化，该磁导率变化导致在线圈组5中的交变 场变化。结果，改变传感线圈6的复阻抗Z，可利用评估电路11来测量该复阻抗Z 的变化。端K和K2之间的电压降由差分放大器12放大，其中，在放大器12的输 出端的电压U2与传感线圈6的阻抗Z成比例。透过电子装置13测定电压U2的两 个正交分量Lb和U4。
电压Lb用于控制可控的电压源14，其向线圈组5的补偿线圈7供直流电 I一。因此，补偿线圈7所产生的恒定磁场，加上永久磁铁4的磁场以及传感线圈6 的交变场一起形成合成磁场。利用积分器16通过在稳定电阻上的电压降来测量直 流电I一的大小。在积分器16的输出端"outl"的信号用于测定被测物2与传感器 3之间的距离变化。
该可控的电压源14可以不同的方式形成。可采用通过信号U3所驱动的D/A 变换器或数字电位计。图8所示的一可能的实施例，以下将进一步详细描述。
从电压U2透过电子装置所产生的第二电压分量U4用于使振荡器10同步。 因此，由振荡器所产生的电压Lh和电压U4为同步。
传感器装置1可用于闭合控制回路中，其中信号U3为控制量，该控制量确 定为在电子装置13的储存器中的目标值与电压U2的差。在另一控制回路的变型 中，信号U3被中断并通过，例如，键盘手动控制该电压源14以便达到直流电1_某 一数值。输出信号由该电子装置13的"out2"产生。将结合图2(A)、 (B)及(C)来说明沿金属薄片8的磁场分/i」以及磁铁4的位置 h之间的关系。该金属薄片8由放置在支撑件17的纳米晶体材料组成，例如由陶瓷 组成。在图2中，冗余系数的重要性是显而易见的在被测物的位置从^至h4变 化中，金属薄片中磁导率的分配只从路径a-b变化到g-h。这路径因相对于由被测 物所覆盖的路径h的冗余系数而縮短，其中该冗余系数值例如为3。
图2(A)示出了一种由放置在支撑件17上的金属薄片8组成的装置，利用这 装置，由永久磁铁4所产生的磁场沿金属薄片8的分配可间接地测定。宽度A-3mm 的测量线圈18以一层环绕该支撑件17以及金属薄片8设置。该测量线圈18这样 配置，以致于它可沿金属薄片8的纵向方向移动。
图2(B)中的曲线图标出了当测量线圈18沿金属薄片8的x方向移动时测量 线圈18的复阻抗量(金属薄片的长度L=25mm、宽度为5 以及厚度为0. 02mm)。该 曲线图揭示了于被测物2相对于金属薄片8的不同位置h所获得的几个阻抗趋势。 为使更清晰，位置被设定成数值，其中hf60mm、 h2=50mm 、 h3=40mm以及 h4=30mm。这也示出了这样的装置的测量范围可设定多大。
图2(C)中的示意图标出了该金属薄片的范围，在该范围中设定采用软磁金属 薄片的传感器的阻抗特性的最大斜度以及最大敏感度。图中所示的范围相对于位置 hf60,、 h2=50mm、 h3=40mm以及h4=30mm。显而易见，范围(a-b)、 (c-d) 、 (e-f) 以及(g-h)按比例地移到永久磁铁4的位置h。
图3较精确地绘制出相对敏感度S随被测物2的位置h而变的曲线。传感器 3的敏感度S以下式示出
其中AZ/Z为传感器线圈(7)的相对阻抗变化以及Sh为单个位置h之间的步宽。图 中不难见到，在位置ho上假定相对敏感度S达最大值。在位置ho前后的范围土Ah 内，相对敏感度S仍保持在较大的数值并且然后显著地减少。
图4示出了取决于被测物相对于基本位置ho的位置变化土 Ah的直流电趋势 图。图中示出了在直流电1_与该永久磁铁的位置变化士 Ah之间呈统性函数关系。
图5示出了根据本发明的传感器装置的第一实施例，该传感器装置由被测物 2以及传感器3组成。永久磁铁4置于被测物2的包围体中以致于磁场方向与被测物2的移动轴线 一致。传感器3设计为扁平状并且包括支撑件17，在该支撑件的两侧上设置两个平 面线圈6禾口 7。
电路板或陶瓷基片可用于支撑件17以及该线圈6和7可由已知的方法合适 地制成，例如，利用丝网印刷印在支撑件17上或粘合在其上。
设有线圈6和7的支撑件17由两块以导电材料，优选铝或铜，制成的电路 板19、 20覆盖。线圈6和7的宽度"A"仅为金属薄片8的长度"I"的约百分之 二十五，该金属薄片粘合在电路板20的一侧上。向线圈6供给高频交流电压并用 作测量线圈。
图6示出了根据本发明的传感器的第二实施例。传感器3由以塑料制成的圆 型支撑件17组成。用作补偿线圈7以及供给直流电的第一多层线圈缠绕在槽式圆 形支撑件17上。
由振荡器供给高频交流电的测量线圈6沿支撑件17绕一层并且围住该补偿
线圈7。
以纳米晶体或非结晶体的材料制成的金属薄片8粘合在管21的内部。管21 由高电导率的材料组成并且同时地用作传感器的壳体。在被测物2的一侧上，管21 用以导电材料制成的覆盖件23覆盖。然而，该覆盖件可被被测物2的永久磁场(H力 穿过。评估电子装置24置于壳体25中，为了电磁兼容性的原因，壳体应该与管 21以及金属薄片8连接。
在这种变型中，有利的是，传感器3被完全密封及屏蔽以及在没有附加压力 管的情况下直接放置在压力空间中，例如液压或气压缸。
图7示出了传感器3的第三变型，其中永久磁铁4以与传感器3的线圈组5 相距特定固定距离D设置并且不与被测物2 —起移动。
由铁磁钢组成的被测物2可移动，并且以与传感器3的表面相距基距h设置。
在第一变型(A)中，永久磁铁4设置在面对远离被测物2的线圈组5的一侧 上。这安排对于传感器3的大小受限制，例如直径10mm以完全线性进行较大的测 量范围，例如15mm测量是特别有利。
在第二变型(B)中，永久磁铁4设置在被测物2与线圈组5之间。当以较大
17的基距h，例如25-30,以及该传感器的直径仅为10mm而测量小的位置变化Ah 时，釆用这种变型是有利的。
在第三变型中，由两组线圈6和7组成的传感器3的线圈组5同心缠绕在支 撑件17上。软磁材料的金属薄片8设置在线圈6和7之间并包围线圈7。线圈6用 作测量线圈，线圈6的阻抗或该阻抗的虚部ImZ取决于距离h并被测量。向线圈7 供给直流电并且用作补偿线圈。以导电材料，例如铝或铜制成的管26位于线圈7 上面。壳体25因而可由非导电材料，例如塑料制成。直流电可这样调整(或设 定)，以致于在传感器3与被测物2之间位置变化Ah的时候，该阻抗或lmZ保持 恒定。在这情况下，直流电的程度与该位置变化Ah成比例。被测物还可具有齿形 面，例如齿轮或转子以致于转速和/或角度也可用传感器测量。
图8示出了用根据图1的装置驱动补偿线圈的可控直流电电源的电路图。该 直流电电源的电子可调数字电位计27通过控制线28由跟踪控制或键盘驱动。该数 字电位计27由两个运算放大器29、 30对称地供给直流电压，其中参考电压URef位 于运算放大器29、 30的非反相输入端之间。该数字电位计27的电位计滑动臂31 与附加的运算放大器32的非反相输入端连接。通直流电I—的线圈33设置在该运算 放大器32的输出端与它的非反相输入端之间。该线圈33由根据图1的电路的补偿 线圈7形成。直流电I一的水平随运算放大器32的输出端的电压而变并由电阻器34 测定，其又取决于数字电位计的电位计滑动臂31的位置。然后，定出电路的尺 寸，以致于在电位计滑动臂31的中间位置直流电I—等于零。根据电位计滑动臂的 位置可产生正或负电流。根据该传感器的工作点的位置设定直流电I—的极性以及水 平，以致于传感器的恒定敏感度可在范围土Ah内达到。
电阻器34的电压降通过积分器测量，该积分器由操作放大器35、电阻器36 以及电容器37组成。
最后，应该指出上述实施例仅仅说明权利要求的示教而非将所述示教限制于 这些实施例。标号列表
1传感器装置
2被测物
3传感器
4磁铁
5线圈组
6传感线圈
7补偿线圈
8金属薄片
9电触点
10振荡器
11评估电路
12放大器
13电子装置
14电压源
15 (测量)电阻器
16积分器
17支撑件
18测量线圈
19支撑件(圆型)
20管
21电触点(管)
22壳体
23评估电路
24支撑件(扁平型)
25屏蔽罩
26传导面
27数字电位计
28控制线29运算放大器
30运算放大器
31电位计滑动臂(电位计)
32运算放大器
33线圈
34电阻器
35运算放大器
36电阻器
37电容器
权利要求
1.一种被测物相对于传感器(2)的位置和/或位置变化的测定方法，其中所述传感器(2)优选具有施加以交流电的传感线圈(7)，其特征在于金属薄片(4)的磁导率变化由分配给软磁金属薄片(4)中被测物(1)的磁铁(5)所产生，其磁导率在磁场的作用下随磁场的场强变化而变化并安排在传感器(2)的作用范围内，而所述金属薄片(4)的磁导率变化由传感器(2)上的反馈来确定并由其测定被测物(1)相对于传感器(2)的位置和/或位置变化。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于磁场由以直流电激发的补偿线圈(8) 产生，通过磁场影响金属薄片(4)或部分金属薄片(4)的磁导率。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于所述直流电这样调整，以致于传感线 圈(7)建立基本上恒定的磁场。
4. 如权利要求1至3所述的方法，其特征在于以以下步骤对传感器(2)进行校准
5.以步寛S h对在相对于传感器(2)的多个位置h上的被测物(l)定位； 向传感线圈(7)供交流电测定每一位置上的传感线圈(7)的阻抗Z和/或相对阻抗变化A Z/Z;确定传感线圈(7)的相对敏感度S对被测物(l)的位置h的相关性特征，其中确定特征中的位置ho,在该位置上假定相对敏感度S达最大值； 储存复阻抗Zo的值，其相应于在非易失性存储器中的位置ho; 向补偿线圈(8)供直流电；测定每一位置h上传感线圈(7)的阻抗Z和/或相对阻抗变化AZ/Z，其中所述传 感线圈(7)、所述补偿线圈(8)以及磁铁(5)的磁场都作用在金属薄片(4)上；使直流电在测量范围土 Ah内变化直至达到已储存的阻抗目标值；以及 确定直流电与被测物(l)的位置变化的相关性。 5.如权利要求1至4中任何一项所述的方法，其特征在于对阻抗或它的变化进行测定以检测由所述金属薄片(4)的磁导率变化而在传感线圈(7)产生的反馈。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于确定传感线圈(7)的复阻抗的实部Re(Z)和虚部lm(Z似及其比率D=Re{Z}/lm{Z}。
7. 如权利要求1至6中任何一项所述的方法，其特征在于直流电的大小经由跟踪控制中的补偿线圈(8)由闭合控制回路设定。
8. 如权利要求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标值。
9. 如权利要求7或8所述的方法，其特征在于所述虚部lm(Z)用于确定被测物 (1)与所述传感器(2)之间的位置变化，其中D为保持恒定。
10. 如权利要求7或8所述的方法，其特征在于流经所述补偿线圈(8)的直流电 的强度用于位置确定。
11. 如权利要求7至10中任何一项所述的方法，其特征在于传感器(2)的最大相 对敏感度S在整个测量范围内或部分受控测量范围内保持恒定。
12. 如权利要求1至6中任何一项所述的方法，其特征在于.直流电以手动调节。
13. —种被测物(l)相对于传感器(2)的位置和/或位置变化测定用的传感器装置， 其中磁铁(5)优选分配给被测物(1)以及所述传感器(2)优选具有施加以交流电的传感 线圈(7)，特别供根据权利要求1至12中任何一项所述方法应用，其特征在于在传 感器(2)的作用范围内设置软磁材料的金属薄片(4)，其中所述金属薄片(4)的磁导率 在磁场的作用下随磁场的场强变化而变化，并且还设有评估电路(IO)，利用所述评估 电路，再由传感器(2)上的反馈测定所述金属薄片(4)的磁导率变化以及得出关于被测 物(1)相对于传感器(2)的位置和/或位置变化的结果。
14. 如权利要求13所述的传感器装置，其特征在于所述的传感器装置设有以直 流电激发的补偿线圈(8)，利用所述的补偿线圈(8)来影响金属薄片(4)或部分金属薄 片(4)的磁导率。
15. 如权利要求14所述的传感器装置，其特征在于所述传感线圈(7)、补偿线圈 (8)以及磁铁(5)的磁场叠加成一合成磁场。
16. 如权利要求14或15所述的传感器装置，其特征在于所述传感线圈(7)与所述 补偿线圈(8)在电流上隔离。
17. 如权利要求13至16中任何一项所述的传感器装置，其特征在于所述直流电 的强度是可调整的。
18. 如权利要求13至17中任何一项所述的传感器装置，其特征在于所述磁铁(5)包括永久磁铁和/或电磁铁。
19. 如权利要求13至18中任何一项所述的传感器装置，其特征在于所述金属薄 片(4)电容性地与传感线圈(7)耦合，并且具有电触点(6)。
20. 如权利要求19所述的传感器装置，其特征在于金属薄片(4)的触点(6)与所 述传感线圈(7)的接头(17)之间连接振荡器(14)。
21. 如权利要求19或20所述的传感器装置，其特征在于所述传感线圈(7)的第二 接头(18)与所述评估电路(10)的放大器(11)的输入端连接，其中由所述放大器(ll)所 产生的信号U2与所述传感线圈(7)的相对阻抗变化AZ/Z成比例。
22. 如权利要求21所述的传感器装置，其特征在于所述传感器装置设有测定电 压U2的两个正交分量的电子装置(12)，其中所述两个分量中的一分量与所述传感线 圈(7)的复阻抗的实部Re(Z)成比例以及另一分量与所述传感线圈(7)的复阻抗的虚部 lm(Z)成比例。
23. 如权利要求22所述的传感器装置，其特征在于所述电子装置(12)产生信号113和1)4，由信号U4使振荡器(14)同步，而信号U3则用于控制电压源(13)。
24. 如权利要求22或23所述的传感器装置，其特征在于所述电子装置(12)包括 A/D变换器、处理器以及存储器，并且通过光耦合器与所述电压源(13)的输入端连 接。
25. —种被测物(1)相对于传感器(2)的位置和/或位置变化测定用的传感器装置， 其中磁铁(5)优选分配给被测物(1)以及所述传感器(2)优选具有施加以交流电的传感 线圈(7)，其特征在于在传感器(2)的作用范围内设置由软磁材料制成的金属薄片 (4)，其中所述金属薄片的磁导率在磁场的作用下随磁场的场强变化而变化，并且被 测物(1)的移动基本上在平行于所述金属薄片(4)的伸缩方向以及所述金属薄片(4)的 磁导率变化由传感器(2)上的反馈测定以及由此测定被测物(1)相对于传感器(2)的位 置和/或位置变化。
26. 如权利要求25所述的传感器装置，其特征在于所述的传感器装置设有评估 电路(IO)，利用所述评估电路，由传感线圈(7)上的反馈来测定所述金属薄片(4)的磁 导率变化。
27. 如权利要求26所述的传感器装置，其特征在于所述磁铁(5)包括永久磁铁和/或电磁铁。
28. 如权利要求26或27所述的传感器装置，其特征在于金属薄片(4)电容性地 与传感线圈(7)耦合，并且具有电触点(6)。
29. 如权利要求28所述的传感器装置，其特征在于金属薄片(4)的触点(6)与传 感线圈(7)的接头(17)之间连接振荡器(14)。
30. 如权利要求28或29所述的传感器装置，其特征在于传感线圈(7)的第二接头 (18)与所述评估电路(10)的放大器(11)连接，其中在所述放大器(ll)的输出端的信号 U2与传感线圈(7)的阻抗变化A Z/Z成比例。
31. 如权利要求13至30中任何一项所述的传感器装置，其特征在于所述传感器 (17)施加于圆形支撑件(21)上。
32. 如权利要求13至30中任何一项所述的传感器装置，其特征在于所述传感器 (34)呈扁平型并且施加于优选扁平的支撑件上。
33. 如权利要求13至32中任何一项所述的传感器装置，其特征在于由所述传感 线圈(7)所产生的电磁场的穿透深度随所述金属薄片的磁导率变化而增大，并且设定所 述金属薄片(4)的厚度尺寸以致于所述电磁场能够在低磁导率的范围通过所述金属薄 片(4)。
34. 如权利要求13至33中任何一项所述的传感器装置，其特征在于所述的传感 器装置设有传导面(26)，所述的传导面靠近金属薄片(4)设置并在面对远离传感线圈(7) 的一侧上。
35. 如权利要求33或34所述的传感器装置，其特征在于通过所述金属薄片(4) 的电磁场在所述传导面中感应涡流。
全文摘要
本发明涉及一种被测物相对于传感器(2)的位置和/或位置变化的测定方法，其中所述传感器(2)优选具有施加以交流电的传感线圈(7)，其特征在于软磁金属薄片(4)中与被测物(1)关联的磁铁(5)使金属薄片(4)的磁导率产生变化，金属薄片(4)的磁导率在磁场的作用下随磁场的场强变化而变化并安排在传感器(2)的作用范围内，而金属薄片(4)的磁导率变化由被测物对传感器(2)的反应来确定并可用于测定被测物(1)相对于传感器(2)的位置和/或位置变化。从而设计出一种传感器装置。
文档编号H03K17/95GK101563585SQ200780047304
公开日2009年10月21日 申请日期2007年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者V·蒙德尼科夫 申请人:微-埃普西龙测量技术有限两合公司