CN110168318B - 位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位移传感器(1)，具有磁性的测量值指示器(2)和至少两个在不同位置处间隔开地布置的传感器单元(3，4)，其中，测量值指示器(2)可相对于传感器单元(3，4)滑动地安装，并且其中测量值指示器(2)被磁化，使得其具有一磁场，该磁场沿着测量值指示器(2)至少区段式地围绕旋转轴线旋转，其中，磁场的旋转轴线平行于测量值指示器(2)的滑动方向指向。在此提出，传感器单元(3，4)设计成，分别检测与磁场强度成比例的两个磁性的测量参量，其中两个测量参量由两个传感器单元(3，4)检测。

Description

位移传感器

技术领域

本发明涉及一种位移传感器，具有磁性的测量值指示器和至少两个传感器单元，其中，测量值指示器可相对于传感器单元滑动地安装，并且其中，测量值指示器被磁化，使得其沿测量值指示器具有一磁场，该磁场沿着测量值指示器至少区段式地围绕平行于测量值指示器的滑动方向指向的旋转轴线或在垂直于滑动方向的平面中旋转。

此外，本发明涉及一种用于运行这种位移传感器的方法。

背景技术

通用类型的位移传感器例如由专利EP 0 979 988 B1已知。该位移传感器具有螺旋磁化的测量值指示器以及两个测量传感器，这两个测量传感器在测量值指示器的滑动方向上并排地，也就是轴向地在相同的或几乎相同的高度上彼此间隔开地布置。测量值传感器分别测量一磁场分量，其中，由两个测定的磁场分量确定测量值指示器的滑动位置。

用于确定磁体的绝对位置的当前概念通常基于磁角的绝对测量原理，该磁角指示传感器单元处的磁场的方向。该磁场由测量值指示器产生，并且典型地随着测量值指示器的向前位移而旋转。磁角的检测通常通过霍尔或XMR传感器在一个位置进行。然而，这种测量技术对外部干扰场敏感。为了使测量对这种干扰场具有鲁棒性，还已知提供两个测量值传感器，每个传感器感测两个相互垂直的磁场分量，以及旋转的磁场。因此，总的来说，测量了四个磁场分量。在这种情况下，位置由所谓的差角产生，该差角由差分测量场经由ATAN形成，也就是说由两个测量值传感器的相同读出方向的场分量的差形成；这种传感器在下面被称为差角位移传感器。众所周知，传感器单元沿测量路径定位，并且磁场在滑动方向上旋转，使得磁场的旋转轴线横向于滑动或移动方向。换句话说，磁场在一平面内旋转，测量值指示器沿着该平面内移动。因为通常要检测差角的完整旋转，以便获得清晰的测量信号，所以该原理仅限于短移动距离，因为否则测量点和测量传感器之间产生的差值测量场小于典型的传感极限。

发明内容

根据本发明的位移传感器具有即使在较长的移动路径或测量路径下也对干扰场不敏感的优点。根据本发明提出，位移传感器能够进行差角测量。为此目的，至少两个传感器单元设计成，分别检测与磁场强度成比例的两个磁性的测量参量，其中两个测量参量由两个传感器单元检测。测量参量应被理解为测量值指示器要检测的特性。由于两个传感器单元布置在不同的位置，因此在检测相同的测量参量时，它们通常不能测定相同的测量值。相反，相同测量参量的两个测量值总是在不同位置测定。通过从相同测量参量的两个测量值简单地形成差值，因此可以始终检测测量值指示器的正确位置，而不依赖存在的外部的、特别是磁场无关，因为干扰场对测量参量的两个测量值具有相同的影响。由此确保了对测量值指示器的滑动位置的有利的相对于干扰场不敏感的检测，使得位移传感器也可以应用在其中预期有干涉场的应用中。

根据本发明的一个优选设计方案，位移传感器具有评估装置，该评估装置设计成与由两个传感器单元检测到的测量参量形成差值，并根据差值确定位置或滑动位置。由此获得已经提到的优点。

此外，优选地提出，每个传感器单元在至少两个相互垂直的测量方向上检测测量值指示器的磁场分量作为测量参量。如果坐标系统应用于位移传感器，特别是测量值指示器，其中三个轴(x，y，z)彼此垂直定向，则根据上述实施例的传感器单元或者检测x和y方向上的磁场分量，或者检测x-或y方向和z方向上的磁场分量，其中z方向平行于测量值指示器的滑动方向，使得y方向和x方向上的方向位于垂直于滑动方向的平面中或具有这样的平面。

优选地，两个测量方向在此垂直于滑动方向指向。由此测量了x和y方向上的测量参量。

可替换地，至少一个测量方向平行于滑动方向指向，并且至少一个另外的测量方向垂直于滑动方向指向，从而测定x和z或y和z方向上的测量值。这也允许有利地使测量值指示器的正确位置的确定成为可能。

根据本发明的一个优选的改进方案提出，传感器单元在滑动方向上并排布置。因此，两个测量值传感器在滑动方向上在相同或几乎相同的高度处并排或彼此平行，并且检测测量值指示器的磁场，该磁场现在不在滑动方向的平面中旋转，而是在与滑动方向垂直的平面中旋转。优选地(i)测量值传感器在相同高度处彼此并排地布置，或者在滑动方向上看彼此偏移。可替换地(ii)优选地提出，测量值传感器在滑动方向上前后地布置。在情况(i)和(ii)中，实现了一种设计方案，在该实施例中需要一钳位区段，在该钳位区段中尽管测量值指示器进一步移位，由传感器单元确定的差角仍保持恒定，其中，探测到的磁场的大小保持足够高以便探测。在此，可以增加剩余测量范围和/或总测量路径中的灵敏度。该设计方案具有进一步的优点，即两个测量方向的差分测量场具有非常相似的量，从而实现了测量路径上的总差分场强的均匀过程。根据本发明的一个优选改进方案，不仅评估一个差角，而是评估几个差角。由此，可以获得不依赖电的测量信号和/或可以提高特定位置的精度。

根据本发明的一个优选设计方案，测量值指示器的磁化至少区段式地具有恒定的斜率。磁化的斜率在此应理解为旋转磁场的路线沿着平行于测量值指示器的滑动方向的旋转轴线的走向的梯度。由此，确保了测量值指示器的位置或滑动的简单确定。这导致在传感器处测量的差角取决于位置的的线性走向。

根据本发明的另一设计方案优选地提出，斜率至少区段式地变化。由此可以使位移传感器的灵敏度适应测量值指示器的不同滑动位置或区段。因此，例如通过具有减小的斜率的区段，可以实现对测量值指示器的滑动的更高灵敏度。这意味着测量到的差角在确定的路径区段中变化得更快。由此，位移传感器可以有利地以简单的方式适应不同的边界条件。

优选地，斜率连续地或不连续地变化。在这两种情况下，都保证了有利的位移测量。

特别优选地，测量值指示器至少基本上螺旋地磁化。因此，测量值指示器由单个永磁体或磁体构成，其被磁化，从而获得具有在垂直于滑动方向的平面中或围绕平行于滑动方向指向的旋转轴线的旋转的预期磁场。这使得测量值指示器易于操作且不会或几乎不会出现故障。此外，通过螺旋磁化可以提供磁场沿测量值指示器相关于其取向的非常精确的走向，从而确保了高度准确的测量结果。另外，由此可以容易且成本有效地实现具有不同斜率的磁场的旋转走向，该磁场可以连续地或不连续地变化。

此外，优选地提出，传感器单元固定地安装在壳体上，并且测量值指示器可在壳体中滑动。因此，测量值指示器可相对于测量值传感器滑动，并在此优选地与物体连接或可与物体连接，其移动行程由位移传感器测定。

根据本发明的一个替代设计方案提出，测量值指示器固定地安装在壳体中并且传感器单元可滑动地安装在壳体中。在这种情况下，然后将传感器单元牢固地连接到要监视或测定其位移的物体上。为此，测量值传感器有利地布置在载体上，以确保它们彼此的指向和相对于测量值指示器的指向。载体和测量值指示器在此可以通过引导装置保持在一起，使得始终确保测量值指示器与载体和传感器单元的正确对准。引导装置例如可以是引导槽和接合在引导槽中的引导突起。

根据本发明的一个优选的改进方案提出，用于检测测量参量的传感器单元具有两维或多维测量传感器，或者用于每个测量参量的多个测量值传感器。因此，优选地提出，至少一个测量值传感器被设计为霍尔传感器。霍尔传感器被广泛使用，并且还可以成本有效地用于确定差分测量场。可替换的是，优选地提出，至少一个测量值传感器被设计为XMR传感器，即薄膜电阻传感器。而且，这种类型的传感器被广泛使用，因此可以廉价地使用。有利的是，两个测量值传感器被相同地设计。

根据本发明的一个优选的改进方案提出，测量值指示器由至少一个永磁体形成。为了实现有利的磁场，永磁体已经预先相应地被磁化，如上所述。

根据本发明的一个替代的设计方案，优选提出的是，测量值指示器由多个彼此连接的永磁体形成。这有利于例如实现期望的旋转磁场。在此，测量值指示器优选地具有作为支撑元件的基体，永磁体布置和保持在该基体上。

优选地，多个永磁体彼此邻接，由此确保了测量值指示器的特别紧凑的设计方案。在这样的设计方案中，可以省去附加的支撑元件或附加的基体。可替换的是，永磁体优选地布置成使得它们之间具有间隙。间隙尤其形成为气隙。在这种情况下，永磁体优选地布置在共同的基体或支撑元件上，以便可靠地确保永磁体彼此的对应关系以及磁场的指向。

根据本发明的一个优选设计方案还提出，测量值指示器被设计成使得其具有至少一个钳位区域(在其纵向延伸上看)，在该钳位区段中，磁场的旋转的斜率为零。由此产生了所谓的钳位区域，在该钳位区域内，由测量传感器检测到的信号不会改变。借助于钳位区域，例如，可以输出信息“开”或“关”而不是特定的测量值，由此进一步增加位移传感器的使用多样性。钳位区域优选地形成在测量值指示器的一端。可替换的是，优选地在测量值指示器的两端分别形成一个钳位区域。特别优选地，附加地或替代地在中间或两个区段之间形成具有不等于零的斜率。在此，邻接钳位区段的部段优选地各自具有相同的斜率或不同的斜率。

此外，优选地提出，测量值指示器具有三角形或多边形，圆的，圆形的或部分圆形的横截面。根据设计方案，横截面在此可证明是有利的。特别是对于测量值指示器相对于测量传感器的安全指向，当测量值指示器能穿过壳体本身滑动地支撑时，与圆形偏离的横截面是有优点的，以防止壳体和测量值指示器之间的旋转。

此外，优选地提出，测量值指示器被磁化，使得其磁化旋转至少270°，特别是360°。然而，当然较小的旋转角度是可能的。还可以考虑的是，沿着测量值指示器的磁场旋转超过360°。然而，如上所述，通过测量值指示器的有利设计方案，特别是利用磁场旋转的不同斜率能够在磁场旋转超过360°时在考虑到斜率的情况下也可以进行明确的测量。由此获得新的应用领域以及特别是长的位移测量路段。

如果测量值指示器由多个永磁体组成，使得磁场以多个步进逐步地旋转，则滑动方向上的这些步进优选地具有相同的长度，从而进一步增加差角位移传感器的特征曲线的线性度。可替换地，这些步进的长度不同。另外，为了影响特征曲线的线性度，可以将一个或多个软磁金属片安装到测量值指示器的一侧上。

用于运行位移测量传感器的根据本发明的方法的特征在于，借助于测量值传感器装置分别检测两个测量参量，其中两个测量参量由两个传感器单元检测，并且由两个传感器单元检测到的测量参量测定差值并且该差值被考虑用于确定测量值指示器的滑动位置。由此获得已经提到的优点。

其他优点和优选的特征以及特征组合尤其从前面的描述中得出。

附图说明

在下文中，将参考附图更详细地解释本发明。图中示出

图1以简化透视图示出了根据第一实施例的差角位移传感器，

图2示出了根据第一实施例的差角位移传感器的示例性特征曲线，

图3示出了根据另一实施例的差角位移传感器

图4示出了位移传感器的测量值指示器的另一实施例，

图5示出了根据第一实施例的位移传感器的传感器单元的有利布置，以及

图6示出了根据第二实施例的传感器单元的有利布置。

具体实施方式

图1以简化视图示出了位移传感器1，其具有测量值指示器2，该测量值指示器设计成杆状并且能够与物体，例如活塞等连接，以便检测其运动。在此，测量值指示器2被分配有两个测量传感器单元3，4，其在图2中被大大简化地示出。

测量值指示器2沿其纵向延伸或可轴向滑动地安装在壳体5中，壳体还承载传感器单元3，4。壳体5仅部分地在图1中示出。测量值指示器2的滑动方向由箭头6示出。

根据第一实施例，测量值指示器2被设计为永磁体7，其磁化方向围绕测量值指示器2的纵向轴线以90°的步进旋转。因此，磁场的旋转轴线或永磁体7的磁化平行于滑动方向指向，并且特别地对应于测量值指示器2的中心纵向轴线。磁化方向由图1中的箭头8示出。因此，磁化或磁场在此情况下沿测量值指示器2的滑动方向旋转360°。

图2为此示出了由位移传感器1的实施例给出的、在测量值指示器2的运动路径x上的测量特征曲线K。永磁体7通过90°的步进被分成四个步进A，B，C，D和E，在这些步进中磁方向指向分别一个方向。因此，区段A，B，C，D，E对应于这些步进，在这些步进中磁化方向发生改变。最后的步进或者测量值指示器2的或永磁体7的最后部段E在此被选择为比其余的步进A，B，C，D长。由此在特征曲线K结束时的平稳状态，从而产生具有宽钳位范围的输出信号。

图3示出了位移传感器1的另一个实施例，其中从前面的实施例中已知的元件具有相同的附图标记，并且参考上述说明。在下文中，基本上仅讨论差异。

根据第二实施例提出，测量值指示器2由多个单独的永磁体7_1，7_2，7_3和7_4形成，它们直接相互邻接。在这种情况下，永磁体7_1至7_4例如固定到基体9上。永磁体7_1和7_4被不同地磁化，如再次通过箭头8所示的那样。由此导致具有不同磁化方向的较少数量的区段A至D。永磁体7_1至7_4在此被磁化，使得当前磁场或磁化仅旋转270°，但也以90°的步进旋转。根据该设计方案，尽管差角位移传感器1具有较小的角度范围，但是初始位置和最终位置明显不同，而在图1的实施例中，第一和最后位置各自具有相同的磁化方向。此外，仅需要四个永磁体，这使得该系统总体上具有成本效益。然而，即使在第二实施例中，测量值指示器2也可以由具有不同磁化方向的单个永磁体7形成。为此，永久磁铁相应地被磁化。

因为在第二实施例中，最后一个永磁体7_4或部段D的轴向长度比另外的部段A，B，C的轴向长度长，所以在此也获得一平稳状态，其提供了具有根据特征曲线K的宽钳位区段或范围的输出信号。

虽然本实施例限于特定的旋转角度范围，但不言而喻，差角位移传感器1不限于这些旋转角度范围。相反，具有不同最大旋转角度的任何配置都是可能的。

为了进一步增加特征曲线K的线性度，还可以想到改变各个区段A，B，C，D和E的长度或者在传感器2的下方或侧面安装软磁金属片。

然而，优选地，永磁体7以螺旋方式磁化，如例如图4所示，以便获得旋转磁场和有利的特征曲线K。根据另一实施例有利地提出，磁体被螺旋磁化地直接喷注到支架上或基体9上。

在当前情况下，两个测量传感器单元3，4具有作为测量传感器的霍尔传感器或XMR传感器。其可以成本有效地集成到差角位移传感器1中。然而，当然可以使用用于测量传感器的其他传感器概念。

虽然图1和3的实施例均示出了具有矩形横截面的测量值指示器2，但是根据另一实施例，横截面是圆形，半圆形，三角形，椭圆形或多边形的。横截面形状的精确轮廓最终是任意的。优选地，测量值指示器2的横截面的轮廓对应于壳体3的引导轮廓，使得测量值指示器2可防止旋转地在壳体3中沿滑动方向6可滑动地安装。由此还确保了测量值指示器2的指向和根据箭头8至测量值传感器3和4的磁化方向总是正确的。

如上所述，永磁体7优选地是螺旋形的或螺旋形磁化的。图4以简化视图示出了用于制造这种类型的测量值指示器的有利方法。为此，图4以放大的局部视图示出了测量值指示器2，其被缠绕成螺旋线圈11的绕组线10包围。线圈11相对于永磁体7同轴地布置并且被激励以磁化，从而在其中输入有电流的绕组线产生北极N和其下方的南极S。原则上，在这种情况下特别是设计成圆柱形的永磁体的后侧表面上的每个极N，S确定完全相反的极。

一旦产生磁化，磁化的走向对应于线圈11的螺旋走向。因此，磁化或其磁场指向沿磁体或永磁体7螺旋地/螺旋形地延伸。随后，线圈11被移除并且壳体5中的永磁体被移除。

螺旋形的走向的斜率优选至少区段性地恒定。可选地或另外地，线圈11或磁场的走向至少区段性地具有变化的斜率，特别是连续或不连续变化的斜率。因此，永磁体7例如具有多个带有不同斜率的区段。如上所述，至少一个区段也可以形成为钳位区段，在该钳位区段中斜率等于零。因此，通过磁化同样也可以产生图2的特征曲线。虽然在图3中示出了钳位区段位于永磁体7的一端，但是根据替代实施例提出，钳位区域位于中心或至少与永磁体7的端部相距一定距离处。还可以提出多个钳位区域，在这些钳位区域之间尤其分别形成一个区段，该区段具有走向的不等于零的梯度。

根据图5和6，下面将更详细地解释用于确定测量值指示器2的滑动位置的差分测量原理。为此，图5和6分别示出了根据图4的实施例被螺旋磁化的测量值指示器2，以及与分配给测量值指示器2的两个传感器单元3和4。图5和6的两个所示的实施例的不同之处在于，传感器单元3，4沿滑动方向并排布置，并且在图6的实施例中前后地布置。

两个传感器单元3，4分别设计用于确定测量值指示器2的至少两个不同的测量参量，特别是在不同方向上起作用的磁场分量。因此，传感器单元被设计成根据图中所示的x，y，z坐标系来检测x，y和/或z方向上的磁场量。特别地，传感器单元3，4分别检测相同的两个测量参量，以便能够形成两个差值，然后从该差值确定差角。因此，根据第一实施例，差角是由一方面在x方向上记录的测量值和另一方面在y方向上记录的测量值(Bx3-Bx4，By3-By4)或者由y方向和z方向上的测量参量(By3-By4，Bz3-Bz4)测定的，其中，计算反正切以确定角度。所测定的传感器值的计算或评估在此由评估装置12接管，该评估装置连接到传感器单元3，4。评估装置12具有例如微处理器或ASIC电路，通过该微处理器或ASIC电路进行差异形成，传感器信号的评估。

通过差分测量尤其获得图3中所示的特征曲线。位移传感器也可以称为差角位移传感器1。通过由相同的测量参量的测量值形成差值，防止了外部干扰场对测量结果的影响，从而使得位移传感器1相对于外部干扰场特别稳定地运行，这允许位移传感器在很宽范围的条件下的广泛应用。有利地，在图5的变体中，利用彼此并排布置的传感器单元在x和y方向上检测测量参量，因为即使在滑动方向上的磁场方向变化非常小的情况下，也可以获得足够高的差分场信号用于评估，从而例如可以延长测量范围。如果需要具有高灵敏度的测量范围，即特别是具有平坦特征曲线的测量范围，则这提供了特别的优点。

替代地，借助于测量场传感器单元3，4，也可以利用仅仅一个3D传感器元件确定两个角度，该角度一次形成为垂直于滑动方向、尤其是y方向的平面中的磁场分量，并且一次由平行于滑动方向的磁场分量(z方向)形成。通过测量两个角度，可以实现特别高的测量精度。

Claims (14)

1.一种位移传感器(1)，具有磁性的测量值指示器(2)和至少两个在不同位置处间隔开地布置的传感器单元(3，4)，其中所述测量值指示器(2)能相对于所述传感器单元(3，4)滑动地安装，并且其中所述测量值指示器(2)被磁化，使得所述测量值指示器具有一磁场，所述磁场沿着所述测量值指示器(2)至少区段式地围绕旋转轴线旋转，其中所述磁场的旋转轴线平行于所述测量值指示器(2)的滑动方向指向，

其特征在于，

所述传感器单元(3，4)在所述滑动方向上彼此并排地布置并且被设计成分别检测与磁场强度成比例的两个磁性的测量参量，其中两个所述测量参量都由两个所述传感器单元(3，4)检测。

2.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于一评估装置(12)，所述评估装置设计成由两个所述传感器单元(3，4)检测到的所述测量参量形成两个差值，并且由所述差值确定滑动位置。

3.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，每个所述传感器单元(3，4)在至少两个相互垂直的测量方向上检测所述测量值指示器(2)的磁场分量作为测量参量。

4.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，至少两个测量方向垂直于所述滑动方向指向。

5.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，至少一个测量方向平行于所述滑动方向指向，并且至少一个另外的测量方向垂直于所述滑动方向指向。

6.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述测量值指示器(2)的磁化至少区段式地具有恒定的斜率。

7.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述测量值指示器(2)的磁化至少区段式地具有变化的斜率。

8.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述测量值指示器(2)的磁化具有连续变化或不连续变化的斜率。

9.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述测量值指示器螺旋地磁化。

10.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述测量值指示器(2)由至少一个永磁体(7)形成。

11.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述测量值指示器(2)由多个彼此连接的永磁体(7_1至7_4)形成。

12.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述测量值指示器(2)设计成，使得所述测量值指示器在纵向方向上看具有至少一个钳位区段，在所述钳位区段中所述磁场的旋转的斜率为零。

13.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述测量值指示器(2)由仅一个永磁体(7)形成。

14.一种用于运行根据权利要求1至13中任一项所述的位移传感器的方法，具有以下步骤：

-借助于相应的传感器单元(3，4)检测与磁场强度成比例的相应两个测量参量，其中，两个所述测量参量由两个所述传感器单元(3，4)检测，

-由两个所述传感器单元(3，4)检测到的所述测量参量测定差值，

-根据所述差值和其他的测量参量确定所述测量值指示器(2)的位置。

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