用于非接触式行程测量特别是位置和运动测量的装置

摘要

本发明涉及一种用于非接触式行程测量，尤其是用于位置和运动测量的装置(10)，具有一用来提供交流电和计算其变化的传感器电子装置以及一带有至少一个线圈(15)的电感式传感器(13)，其中每个线圈(15)用一螺旋形设置在一个平面内的导线(22)制成，并且其两个平的表面(19)中的一个构成一测量表面(14)，一离开一定距离设置的测量对象(11)随着其平行于测量表面(14)的运动不同程度地遮盖此测量表面。

说明书

本发明涉及一种用于非接触式行程测量，特别是位置和运动测量的装置，具有一用来提供交流电和计算其变化的传感电子装置，以及一带有至少一个线圈的电感式传感器。

已知各种类似的，但是与本申请的行程测量装置不同的测量距离的装置。

例如由DE19642699A1所知，它述及一种非接触式距离测量的方法和装置，其中在一测量头内设有一柱形线圈，测量头的端面位于离测量对象例如一涡轮机轴小的距离处，以进行测量。

在这种涡流传感器中从传感器中发出的磁场随着离待测量对象，下面也称为测量对象或带阻尼凸条(Bedaempfungsfahne)、测量带、目标等等的测量物的距离而衰减。也就是说，衰减正比于测量对象到线圈的距离，因此可以测量沿线圈轴线或纵轴方向的运动。为了例如测量涡轮机轴的径向振动，可以给轴径向配置一带有相应取向的纵轴线的相应的电感式传感器。根据物理关系在规定的线圈直径时和合理的测量范围-在现有技术中这是线圈端面到测量对象之间的距离-内造成对测量对象本身很高的尺寸要求。因此虽然也可以测量涡轮机轴的轴向位移，此时相应的传感器以其纵轴沿轴向配置于轴的端面。但是这里上述的关系仍然适用，因此对于一个要求的测量范围-在现有技术中这是距离-要求测量对象有很大的尺寸。尽管如此涡流传感器有利地由于其耐用性和高的可能的工作温度以及高的极限频率很好地被使用。

在现有技术中众所周知，这样来测量轴向延伸长度，即使已知的距离传感器相对于测量对象成一规定角度设置。但是这里也存在上述问题。

也就是说，按涡流原理的非接触式行程传感器很适合距离测量，但用这种传感器进行位置测量要求例如也许在测量对象上有一个倾斜的平面，以使用距离信号同时得到一个行程分量。

在1986年Düsseldorf VDI出版社出版的Dieter Kohn的专题论文“电感式螺旋传感器作为行程传感器的试验和该传感元件在微电子系统中的应用”(Untersuchung eines induktiven Spiralsensors als Wegaufnehmer undAnwendung des Sensorelementes in Mikroelektronik-Systemen”，VDI进展报告第8辑120号中试验了用印刷电路板技术制造的扁平线圈。目标是，将一简单的和原理相近的传感器与一微型计算机电子装置相结合，其中在微型计算机内应该进行线性化，温度补偿和校定。扁平线圈同样用来测量距离。但是这里还力求，线圈的整个磁场在测量方向对准测量对象。由线圈磁场引起的在测量对象内产生的涡流通过对测量线圈的反作用促使测量线圈损耗电阻加大。在已知方法中损耗电阻的这种变化通常作为振荡回路内的阻尼变化而被分析计算。这时同时出现的电感的变化(在非磁性测量对象时电感减小，在磁性测量对象时电感加大)不加考虑。因此这里实际上也只进行一距离测量，此外在现有技术中几乎没有使用过用于涡流传感器的扁平线圈，因为由于导线的中间空隙磁场的集束性比普通的绕线线圈差很多。

但是这在通常用涡流传感器测量距离时特别重要。因为从传感器线圈出发通过传出的磁场在测量对象内产生涡流，因此磁场应该尽可能强。这里测量对象必须是导电的，并且也可以是磁性的，由涡流产生的磁场形成一与励磁磁场反方向的磁场。这时测量对象离传感器线圈越近，作用就越强。很难测量的理论关系式例如可以从在Bblingen的Ehningen的专业出版社1992出版的由Horst Rudolf Loos编著的“电感式行程和力传感器，传感器和连接装置的系统技术”(Systemtechnik induktiver Weg-undKraftaufnehmer，Aufnehmer und Anschlussgeraet)一书第52页中找到。按这个关系式所产生的涡流与励磁磁场起反作用，并减小励磁线圈的自感。这里短路圈的损耗电阻取决于测量对象材料的导电性和励磁线圈与测量对象之间的距离。如果测量对象是磁性的，那么对励磁线圈的这种反作用通过有效导磁率加以考虑。

传感器线圈通常是具有1至2兆赫的相当高的共振频率的振荡回路的组成部分。测量对象的涡流引起振荡回路的取决于到测量对象的距离的衰减，然后算出这个衰减。在现有技术中已知的所有电感式传感器都按照上述原理工作，也就是说从线圈中发出的磁场的干扰/衰减取决于其离测量对象的轴向距离。

由Otto Danz在能量和技术杂志，1969年10月，第406至408页上的论文“用于监测涡轮机的相对伸长的传感器”(Relativedehnungsaufnehmer zur Turbinenueberwachung)得知一种用于行程测量的差动传输原理，按照这个原理涡轮机轴的测量带形成一低欧磁阻，使得测量线圈上的电压与测量带的位置有关。这样只要在次级线圈的接线柱上测量输出信号，如果对称性受到干扰的话。当测量带离开中心位置时，便发生这种情况。在使用一个相控整流器时还可以识别偏移的方向。这种复杂的原理适用于高达350℃的工作温度和约40mm的待测量行程。

其次由在1983年5月17至19日在Basel研讨会上D.Krause发表的“Robuste Wegsensoren fuer extreme Belastung.SENSOR 83Transducer-Technik：Entwicklung und Anwendung”和在1981年1月/2月测试/自动化博览会，第43/45页上由D.Krause发表的“用于大行程以及高温和动态载荷的线性、非接触式变换器”(Linearer，KontaktloserUmformer fuer grosse Wege sowie hohe thermische und dynamischeBelastung”已知非接触式纵向行程传感器。在这种传感器中采用一短路环作为测量对象，它通过传感器的一条臂非接触地运动。然而在这种行程传感器中特别不利地出现由物理原理决定的非线性特性。

由DE19832854A1已知一种借助于一同心设置在管内的杆状传感器测量管子线性位移的装置，这种传感器很难与测量对象耦合。

因此在现有技术中已知的装置和电感式传感器只是很有限地适合于，令人满意地实现作为本发明基础的目的。

本发明的目的是，提供一种用于非接触式行程测量，特别是位置和运动识别的装置，它用集成技术特别简单地制造，并完全与离测量对象的非接触距离无关地直接测量其垂直于线圈轴线的运动或位置。

按照本发明这个目的通过这样的方法来实现，即每个线圈做得带有螺旋形设置在一个平面内的导线，并且这两个平面形的表面之一构成一测量表面，它随着测量对象平行于测量表面的运动不同程度地遮盖该间隔一定距离设置的测量对象。

事实令人惊讶地显示，如果目标或测量物与采用普通的(用于距离测量的)传感器不同距扁平线圈表面一恒定的距离移动，其中只有被目标遮盖的区域被阻尼的话，得到对于行程测量的良好测量结果。可以简单地通过扁平线圈测量表面的几何形状确保一线性特性。

其次按照本发明设想，测量表面具有带螺旋形导线结构的三角形或正方形或矩形或圆形或椭圆形基面。由此可以用简单的方法根据应用目的的不同形成一保证线性特性的测量表面。

此外按照本发明设想，传感器具有一支架和/或铁氧体板，铁氧体板直接支承扁平线圈或一安装该扁平线圈的支承板。因此扁平线圈可以直接安装在铁氧体板上，铁氧体板用来改善线圈磁场并屏蔽背面的干扰磁场。其次在铁氧体板和扁平线圈之间可以设一支承板。支承板特别用来在高温区内的应用，此外可以设想，铁氧体板安装在一支架上。支架通常用于铁氧体板的牢固支承。

此外有利地设想，支架由金属或陶瓷或塑料或印刷电路板材料组成，铁氧体板由一铁氧体材料或具有相应电、磁性能的陶瓷组成，支承板由玻璃或陶瓷组成。如上所述，支架用于牢固的支承，并几乎可以由任意的材料制成。因此它可以很好地集成在例如现有的结构中。铁氧体板由上述材料组成，以便特别是保证电磁屏蔽，因此支架也可以由金属制成，因为否则金属支架将具有测量对象对扁平线圈的影响。代替铁氧体板也可以使用一特定的陶瓷，它具有相应的电、磁性能。支承板通过所用的材料具有对高温，例如小于等于约380℃，的良好的适应性。

其次有利地设想，扁平线圈溅射在或印刷在铁氧体板或支承板上，支承板在扁平线圈区域内完全贴合在铁氧体板上，由此可以得到特别简单和精确但定位在低成本区内的制造方法，其中正是多平面技术可以导致磁场简单而精确的强化。

其次按照本发明设想，传感器电子装置是电感式传感器的集成(一体)组件。特别是因为可以采用溅射和印刷技术以及标准的印制导线传感器电子装置的集成特别方便。

其次有利地设想，电子控制装置是电感式传感器和扁平线圈的集成组件。由此甚至可以将传感器电子装置位置节省地直接设置在扁平线圈区域内。

此外有利地设想，扁平线圈是振荡电路的一个组成部分，并具有一集成在传感器电子装置内的用于其在千赫至兆赫的频率时的阻尼(衰减)和求值的桥式电路。由此可以利用与薄膜技术有关的几乎所有优点。因此传感器电子装置可以方便地制造，并且由于是桥式电路也可以配备适合于所述频率的简单元件。

其次有利地设想，扁平线圈完全或部分直接印刷或溅射在一硅芯片上，硅芯片还具有所有其它的电路。由此按照本发明可以直接采用最高质量和精度的标准构件。

其次有利地设想，影响测量表面的测量对象是导电的，或者测量对象具有一导电的目标或测量带，并且根据其位置的不同遮盖扁平线圈的几何形状预先确定的线圈表面。由此导电的测量对象，它附带地可以是磁性的，可以直接影响测量表面。在涡轮机轴纵向延伸的情况下遮盖不断加大。也可以设想，在测量对象不导电的情况下在它上面设置一个目标并充分利用它或使之相应地发挥作用。然而也可以设想，采用一窄的，类似于一条带的目标，它运动经过测量表面，并根据测量表面的几何形状遮盖不同线圈表面。这样不同的阻尼(衰减)量便成为运动的尺度。

其次按本申请设想，矩形测量表面具有沿对角线分开的每一个三角形扁平线圈，其中其电感和电阻构成一桥式线路的一半，其带有电阻的另一半补充成一个完整的电桥。这种结构特别有利，因为它同时用来补偿距离的影响。也就是说在测量对象产生不希望的径向运动时，两个线圈的电感和电阻发生相反的变化，在和电阻补充成一个完整的电桥后，这使得可以进行与距离无关的测量。

其次按照一种特殊的结构方案设想，这样地设置第二个具有沿对角线分成两个扁平线圈的测量表面的传感器，使得测量对象对称地位于两个传感器之间，并且每个传感器的每两个扁平线圈构成桥式回电路的每半个的电感和电阻。由此可以在补偿不希望的径向距离影响的同时使信号(强度)加倍。与一相位正确的整流器相结合可以由此显示测量对象偏离零位的正负号(方向)正确的运动。

其次有利地设想，矩形测量表面具有沿对角线一分为二的三角形扁平线圈，其中一个扁平线圈的电感和电阻和一个补充电阻构成一桥式回路的一半，沿对角线带有电感和电阻以及另一个补充电阻的另一半补充成一完整的电桥。特别是在相应地分开的扁平线圈越来越接近完全遮盖的情况下这种对角线电桥显示出高质量和完全无失真的计值(算)，它以合适的方式考虑对于两个扁平线圈越来越加大的遮盖。

其次按本发明设想，目标或测量带与测量对象匹配和/或是矩形和/或圆弧形和/或环形。由此特别是在测量压缩空气或气动缸的活塞位置以及流量测量仪的锥体时可以方便地与测量目的相适应。

其次按本发明设想，用来测量轴承中的滚珠或滚柱的运动的传感器的测量表面安装在其中心附近，并具有比测量对象小的横截面。由此这种装置甚至适合于，保证可靠地测量最小的零件的运动，而不需要其它技术费用。

此外有利地设想，传感器的测量表面是圆弧形的，以便测量在一个圆弧形上的运动。由此可以进行自身的角度测量，也就是该沿一条圆弧的行程测量。

其次有利地设想，传感器的测量面在一个希望的最大分辨率的区域内具有一大的表面变化。由此例如在一定的成形件例如硬币旁移过时可以实现特征性的信号图象，因此本发明的装置也适合于用于例如硬币的分类。

其次按照本发明设想，整流器是传感器电子装置的一个一体(集成)组成部分。已经提到过，结合相位正确的整流器它可以毫无问题地显示测量对象偏离零位的正负号正确的运动。

有利地设想，一施密特触发器电子装置(Schmitt-Trigger-Elektronik)是传感器电子装置的集成组成部分，并且传感器电子装置发出一阈值信号。由此可以形成一阈值开关。

其次有利地设想，本装置完全安装在一个壳体内，因此它紧凑并免受外界环境影响，即使在最恶劣的环境条件下也可以可靠地使用。

因此综上所述本发明的基础是做成扁平线圈的测量线圈，它非接触横跨设置在离测对象一个恒定的小的距离处。例如为了线性特性，测量表面可以做成三角形。因此可以和涡轮机轴上的一个测量带一起测量涡轮机轴的轴向伸长。这里充分利用，对每根导线在其周围形成的磁场由于测量对象的局部遮盖仅仅相应于遮盖面积地通过涡流效应施加影响。在测量对象从一个位置向另一个位置运动时随着测量行程的不同测量线圈的导线部分越来越多地或越来越少地被遮盖。这里测量对象可以作为条纹横跨测量线圈，但是也可以作为例如矩形的测量对象越来越多地完全遮盖测量线圈。在已知方法中测量行程通过一振荡回路转变成测量电信号，振荡回路的电感由测量线圈组成并由一振荡器供电。对于本发明采用一交流桥式电路证明是特别有利的。例如三角形扁平线圈代表一电感和电阻，另一个相对的与它拼成一矩形的三角形扁平线圈代表另一个电感和电阻。在测量对象从一个位置向另一个位置运动时在扁平线圈内的电感和电阻产生相反的变化。这些电感和电阻构成桥式电路的一半，并且可以用带电阻抗的另一半部补充成一完整的电桥。因此可以在桥式电路的测量点之间测出与测量对象的位移成正比的测量电压。结合一相位正确的整流器可以由此显示测量对象偏离零位的正负号(方向)正确的运动。桥式电路的优点特别在于减小测量结果与温度的相关性和与距离的相关性。为此可以设置另一对称的传感装置，以使测号信号增大一倍。对角形桥式电路具有较前所述的优点。

本发明另一些优选的结构方案由从属权利要求得到。

下面借助于附图对本发明的一个实施例作较详细的说明。其中表示：

图1示意表示有关一个测量对象连同一传感器的按本发明的装置，

图2示意表示一按本发明的带两个传感器的按图1的装置，

图3示意表示一按本发明的装置的传感器的测量表面，和

图4用来得到在多线圈传感器时的测量结果的桥式电路的等效电路图。

图1表示一按本发明的用于例如对一轴11进行非接触式行程测量的装置，轴可以是一涡轮机轴，并沿其纵向在图1中从右向左运动，如用虚线12和箭头D所示。装置10具有一电感式传感器13，它设置在离轴11一定距离处。传感器13有一平的测量表面14，它由一扁平线圈15构成。

扁平线圈15可以直接设置在一铁氧体板16上，或者先安装在一支承板17上，支承板本身再安装在该铁氧体板16上，该铁氧体板16自身又安装在一支架18上，它将铁氧体板固定并可以由几乎任意的材料制成，例如金属、塑料、印刷电路板材料或陶瓷。铁氧体板16由铁氧体材料或具有相应电磁性能的陶瓷组成。它用来屏蔽支架18一侧的电磁效应，因此支架也可以由金属制成。也就是说扁平线圈15的背向测量表面14的第二个表面19固定安装在一基面上，并且不受任何电磁辐射。支承板17通常用作扁平线圈15的耐热支承。通过采用用于支承板17的玻璃或陶瓷可以可靠地达到小于等于380℃的温度。

在特别地选择材料的情况下一种特别简单的装置10甚至可以仅仅由铁氧体板16和直接设置在它上面的扁平线圈15组成。不用支承板17和支架18。

然而此外装置10还包括未具体画出的一带有振荡回路等的传感器电子装置、一桥式电路20和一带有要求的元件和连接的整流电路。

轴11沿箭头D方向运动，其上带有一测量带目标21，该测量带目标必须是导电的和也可以是磁性的。在沿箭头D方向运动时轴11和从而还有目标21平行和正交于测量表面14运动。扁平线圈15的测量表面14对于每个扁平线圈15具有至少一根导线22，它螺旋形设置在测量表面14的平面内。导线22可以有利地螺旋形这样设置，使测量表面14的基面是三角形的。不看图3便已经可以想象，在三角形的测量表面14的情况下在目标21运动时或多或少的导线22被目标21遮盖，由此在目标21内产生或多或少的涡流。它们最终阻尼地作用到电感式传感器21上，并可以进行位置信号的计算。在一定的材料选择的情况下轴21本身通过测量表面14或强或弱的覆盖也可以产生相应的信号。

在其它待测量的运动的情况下导线22可以布置成其它几何形状，例如形成正方形或矩形或圆形或椭圆形测量表面14。但是事实有利地显示，在所示的测量轴11的纵向长度测量的情况下径向运动(由于轴11本身的振动等等)导致测量波动，因为到扁平线圈15的电磁场与距离有很大的关系。这个影响按照本申请可通过这样的方法特别方便地消除，即将另一个三角形测量表面14和第一个扁平线圈15一起这样地设置，使得形成一沿对角线分开的矩形或正方形总测量表面14。在相应地处理后反方向的线圈信号的变化可以消除距离的影响。

图2表示两个装置10，其测量表面14相互平行并离开一定距离地面对面设置。测量表面14之间的距离这样选择，使得轴11可以对称地设置在两个装置10之间。由此在单个装置10以及带目标21的轴11其它结构不变的情况下可以用最简单的方法达到信号加倍。自然也可以，将另一个装置10相应地设置在轴11的周围区域内，并在外部将由装置10获得的各个数据输送给一个处理装置。由此不仅可以达到输出信号的加强，而且还可以提高测量精度，以及还可以测量在一个物体上的，例如在任意物体拉伸试验时形成的整个表面移动。

图3以测量表面14的俯视图表示装置10。可以清楚看到两个分别带一分别具有三角形基面的导线22的扁平线圈15，其中扁平线圈15组合成一矩形总测量表面14。这里也表示出目标21，它沿箭头D方向运动，直至虚线表示的位置21，这时测量或者遮盖许多不同的线圈段，最终是扁平线圈15的整个表面。对应于几何形状这个过程反向地进行，也就是说一个线圈被遮盖得越来越多，同时另一个线圈则对应地减少。这里平的测量表面14安装在支承板17的中央，支承板又固定在更大的铁氧体板16上。铁氧体板16总是具有比测量表面14大的尺寸，支承板17也比测量表面大，以确保可靠地完全屏蔽测量表面14，也就是在朝支架18的表面19一侧屏蔽电感式传感器13。

尽管没画出来，带有所有元件，包括振荡回路、桥式电路20，某些情况下还有施密特触发器等等的控制电子装置可以用象扁平线圈15同样的工艺制作，并直接设置在测量表面14上。对此溅射工艺证明是特别有利的，或者是印刷电路工艺，也包括直接印刷在硅芯片上，之后它便也可包含电路。这两种工艺都是可以做成单层或多层的并在低的价格的情况下可以得到高的质量的工艺。

图4表示一桥式电路20。此桥式电路20由一按A-A线的带有在下面的支路中按a-a线和b-b线两者择一的第一个半部23和一按B-B线或C-C线或D-D线的第二个半部24组成。尤其是涉及一种用于交流电的威斯顿电桥(Wheatstonesche Brueckenschaltung)。在只有一个按图1的带有两个按图3的平面线圈15的总测量表面14和一个窄的目标21的装置的情况下，这样一种桥式电路20证明是有利的，在这种桥式电路中按A-A线和a-a线的第一个半部23中的第一个扁平线圈15的电感25和电阻26与第二个扁平线圈15的电感27和电阻28接通。所示的插头42接通。随着按照图3目标21的运动对应的电感25和27以及电阻26和28发生相反的变化。在这种情况下电阻29和30构成在桥式电路20按B-B线的第二个半部24中的补充(元件)，成为一完整的电桥。在测量点31、32之间可以得到与测量对象的位移成正比的测量电压。在这种情况下所示的插头33接通。

在两个按图2的每个总测量表面14分别具有两个扁平线圈15的传感器13的情况下，按照一种优良而特别简单的桥式电路20在连接的第一个半部23不变的情况下代替按B-B的第二个半部24通过插头34接通按C-C的第二个半部24，它将按A-A和a-a线的桥式电路20的第一个半部23补充成为完整的电桥。电感35和电阻36代表第二个传感器13的第一个扁平线圈15的特征值，电感37和电阻38代表第二个传感器13的第二个扁平线圈15的特征值。在这里也可以在测量点31和32之间测出正比于测量对象位移的测量电压。和一相位正确的、未示出的整流器相结合可以显示测量对象11偏离零位的正负号(方向)正确的运动。

在一个带有两个按图3的扁平线圈15的按图2的传感器13和一个不断加大或不断减小地遮盖总测量表面14的目标21的情况下，一个对角形桥式电路20证明是特别有利的，在这种桥式电路中按A-A线的第一个半部23的第一个扁平线圈15的电感25和电阻26设置在电桥上分支内，按D-D线的第二个半部24的第二个线圈15的电感27和电阻28设置在电桥下分支内，其中第二个半部通过插头44接通。其中补充桥式电路的电阻39和40通过插头43连接或设置在按A-A和b-b线的第一个半部23内，或在第二个半部24的电桥上分支内。在这种对角形桥式电路20时可以在测量点31和32之间测出与测量对象的位移成正比的测量电压。

所推荐的桥式电路20的优点特别在于减小测量效果的温度相关性和距离相关性。

在上述说明中，在图1至4以及在权利要求中公开的本发明的特征不管是单独的还是其任意的组合对于以不同的实施形式实现本发明都是重要的。