DE102004002649A1 - Positionstolerante Weg- und Winkelmessung - Google Patents

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Thomas Kerdraon
Manfred Busch
Peter Cisar
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Abstract

Ein Geber, der je nach Anordnung aus magnetischem oder ferromagnetischem Material gefertigt werden kann, bestimmt durch seine Lage zu einem Doppel-Hall-Sensor dessen Ausgangsspannung. Durch die Differenzanordnung erhält man bei maximaler Induktion in der Magnetmitte (Wirklinie) ein Null-Volt Ausgangssignal. Da bei verschiedenen Einflussfaktoren wie z. B. Temperaturdrift, Luftspaltänderung oder externem Störfeld die Steigung der Kennlinie bei der maximalen Induktion gleich Null ist, erhält man am Differenzausgang eine hochgenaue Aussage über die Lage des Gebers. Der Vorteil dieser Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die größte Genauigkeit bei Null-Ausgangsspannung erreicht wird. DOLLAR A Bei Verwendung eines vorgespannten Sensors und einer entsprechenden Modellierung der Flanken des Gebers ist eine lineare Ausgangsspannung über den gesamten Messbereich gewährleistet.

Description

  • Aus einschlägiger Literatur sind verschiedene magnetfeld-empfindliche absolute Winkel-, bzw. Wegmesssysteme bekannt. Das bekannteste Messverfahren stellt hierbei die Sensierung eines drehbar gelagerten diametral durchmagnetisierten Ringmagnets durch einen radial positionierten linearen Hall-IC dar. Die sinusförmige Ausgangsspannung des Hall-ICs wird zur absoluten Winkelmessung mit einem festen Wertevorrat verglichen. Nachteilig an diesem Verfahren ist insbesondere der Sachverhalt, dass Temperaturschwankungen, Abstandsschwankungen zwischen Sensor und Magnet sowie einwirkende magnetische Störfelder, die erzielbare Genauigkeit des Messverfahrens unmittelbar beeinträchtigen.
    •
  • Vorteile der Erfindung:
  • Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Messverfahrens liegen insbesondere darin, dass durch Differenzbildung eine relative Messung realisiert wird, bei der die Amplitudeninformation unanhängig wird von den Störgrößen Temperatur, Luftspaltschwankung und homogenes Störfeld. Hierdurch ist man in der Lage einen Referenzpunkt mit hoher Präzision zu detektieren, da dort die Ausgangsspannung des linearen Differenz-Hall-ICs OV ist. Diese OV-Referenzposition kann dann zur Signalnormierung eines einzelnen linearen Hall-ICs verwendet werden. Auch gibt es Systems, die lediglich einen Referenzpunkt mit hoher Präzision erfassen sollen und bei denen mit zunehmendem Abstand zum Referenzpunkt niedrigere Präzision akzeptabel sind. Solche Systeme findet man z.B. im Bereich der Niveau-Regulierung, der Gewichtsmessung auf Sitzen z.B. zur Airbag-Ansteuerung oder bei Gaspedalen.
  • Allgemeiner Aufbau
  • Im einfachsten Fall steuert ein axial durchmagnetisierter Magnet unipolar einen magnetfeldempfindlichen Sensor mit 2 aktiven Sensorelementen an. Hierdurch entsteht magnetzentrisch ein Induktionspeak. Bei Beschattung der Sensoren in Differenzanordnung – wodurch quasi die Induktionssteigung ermittelt wird – erscheint dieser Induktionspeak als Null-Volt Ausgangssignal.
  • Da der Peak als solches, bezogen auf seine zentrische Position Luftspalt-, Temperatur- und Störfeldunabhängig ist, besitzt das Differenz-Ausgangssignal dieselbe Charakteristik.
    •
  • Ausführungsbeispiel 1:
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 1 in einer Ansicht von oben in der linken Bildhälfte und in einer Ansicht von der Seite in der rechten Bildhälfte dargestellt.
  • Der in 1 nachfolgend im Ganzen mit 1 bezeichnete Magnet wird durch den 2-fachen Hall-IC 2 sensiert. Der Sensor befindet sich in durch einen Luftspalt gebildeten Abstand 8 zum Magneten 1. Hierbei ist der Hall-IC 2 zum Magneten 1 in der Art angeordnet, dass die beiden aktiven Sensorelemente 3 und 4 sich auf der Wirkungslinie 5 befinden. Bei mittiger Position zur Wirkungslinie 6 detektiert der Doppelsensor 2 bei Beschattung der beiden Ausgänge in Differenzanordnung den Induktionspeak. Bewegt sich der Magnet in den in 7 gezeigten Richtung, so erhält man ein zunächst ansteigendes, bzw. abfallendes Differenz-Ausgangssignal.
  • In 2 ist in Graph 11 der Induktionsverlauf 12 dargestellt. Kennlinie 14 zeigt den Verlauf der Induktion ΔB.
  • Kurve 13 zeigt den Induktionsverlauf bei einer gedämpften induktiven Amplitude. Die Dämpfung kann durch ein externes Störfeld, eine Temperaturerhöhung oder eine Luftspaltvergrößerung erfolgen.
  • In jedem Fall bleibt die Position der Amplitude und somit der Nulldurchgang 16 der Referenzinduktion hiervon unberührt.
  • Die Messung wird durch diese Anordnung unabhängig von Luftspaltänderungen, Temperaturänderungen oder Störfeldeinflüssen.
  • Ausführungsbeispiel 2:
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 3 in einer Ansicht von oben in der linken Bildhälfte und in einer Ansicht von der Seite in der rechten Bildhälfte dargestellt.
  • In dem weiteren Ausführungsbeispiel wird das System bei Nutzung eines magnetisch vorgespannten Differenzsensors erläutert. Hierbei wird zu der im Ganzen mit 21 bezeichneten ferromagnetischen Gebergeometrie der im Ganzen mit 22 bezeichneten magnetisch vorgespannten linearen Differenz-Hall-IC, bestehend aus den Einzelelementen 23 und 24 und des Vorspannungsmagneten 25 in der Art angeordnet, dass der Sensor weitgehend mittig zur Wirklinie 26 angeordnet ist. Die dem Sensor gegenüberstehende Metallspitze 27 bewirkt hierbei einen Induktionspeak, der durch den Sensor 22 als Null-Differenz Ausgangsspannung erkannt wird. Die Flanken 28 der Gebergeometrie werden hierbei so gewählt, dass der Abfall, bzw. Anstieg der Differenzinduktion bei Verschiebung der Geberstruktur oder des Sensors in der Wirkungslinie 26 linearisiert wird.

Claims (15)

  1. Vorrichtung zur positionstoleranten Weg- und/oder Winkelmessung dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetisch aktiver oder magnetisch passiver Geber (1, 21) vorgesehen ist, dass ein magnetfeldempfindlicher Sensor (22) mit zwei aktiven Sensorelementen (23, 24) vorgesehen ist, und dass Geber und Sensor relativ zueinander beweglich angeordnet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Geber ein Magnet (1) vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber ein ferromagnetischer Geber ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Sensorelemente Hallelemente (3, 4, 23, 24) sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein magnetoresistiver Sensor ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vrhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber auf einer Welle montiert ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle in ein Lenksystem eingesetzt ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle in ein Getriebesystem eingesetzt ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle in ein Hydrauliksystem eingesetzt ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle in ein Antriebsystem eingesetzt ist.
  11. Verfahren zur positionstoleranten Weg- und/oder Winkelmessung mit Hilfe einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Geber (1) in den beiden Sensorelementen (3, 4) induzierte Magnetfeld als Messwerte ermittelt, die Differenz aus den beiden Messwerten berechnet und aus der Differenz der Weg oder der Winkel abgeleitet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber oder der Sensor (2) translatorisch bewegt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber oder der Sensor rotatorisch bewegt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor und der Geber relativ zueinander bewegt und die Differenzen aus den Messwerten der in den Sensorelementen induzierten Magnetfelder gegen den zurückgelegten Weg aufgetragen werden (12, 13), und dass das Maximum der Differenzen gegen den Weg als Referenzpunkt gewählt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor und der Geber relativ zueinander bewegt und die Differenzen aus den Messwerten der in den Sensorelementen induzierten Magnetfelder gegen den zurückgelegten Weg aufgetragen werden, die erste Ableitung nach dem Weg gebildet (14, 15) und der Nulldurchgang (16) als Referenzpunkt gewählt wird.
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