DE102004047436A1 - Inductive sensor apparatus with pulse synchronization and having a sample and hold member connected to the output of a pulse source - Google Patents

Inductive sensor apparatus with pulse synchronization and having a sample and hold member connected to the output of a pulse source Download PDF

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Abstract

The apparatus has at least one coil whose inductance changes in dependence on the position of a core and which is connected to a pulse source. The apparatus also has at least one measuring device which can detect the current through the coil and/or the voltage across the coil. The apparatus further includes a sample and hold member whose analog input is connected to the output of the measuring device. The switching input of the sample and hold member is also connected to the output of the pulse source. Independent claims also cover a method of inductive sensing.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren eines induktiven Sensors mit Pulsanregung und pulssynchroner Messwertabtastung.The The invention relates to an apparatus and a method of an inductive Sensors with pulse excitation and pulse-synchronous measured value sampling.

Es sind verschiedene induktive Sensoren bekannt, die die Nähe eines leitfähigen Gegenstands als Funktion der Induktanz einer Spule messen, die sich im Sensor befindet. Solche Sensoren stützen sich auf die bekannte Beziehung zwischen der Induktanz eines elektrischen Leiters und der Nähe des Leiters zu einem leitfähigen Gegenstand, siehe Khazan, A.D., Prentice Hall, New Jersey (1994). US 5 798 462 z.B. beschreibt einen induktiven Positionssensor mit einem Magnetfeldschirm. Ein spiralförmig auf einem Dielektrikum befestigter Leiter ist parallel zu einer leitfähigen Membran angeordnet. Fließt ein Wechselstrom, dessen Frequenz groß genug ist, durch den Leiter und ist die leitfähige Membran dick genug, so induziert das Magnetfeld des Stroms Skineffekt-Wirbelströme auf der Oberfläche der leitfähigen Membran, so dass die Membran als Abschirmung für das Magnetfeld wirkt und somit das Volumen für das Magnetfeld begrenzt. Ändert sich der Abstand zwischen dem Leiter und der Membran, so ändert sich das Volumen, in dem das Magnetfeld besteht, was zu einer sich ändernden magnetischen Energiedichte führt. Bewegt sich die Membran auf den Leiter zu, so verringert sich die effektive Induktanz des Leiters. Bewegt sich die Membran vom Leiter weg, erhöht sich die Induktanz. Die Induktanz könnte mit einer Induktanzbrücke oder einer anderen die Induktanz erfassende Schaltung ermittelt und ausgewertet werden. DE 42 37 879 A1 beschreibt eine Auswerteschaltung für einen Induktivsensor mit 2 Spulen, deren Induktivitäten sich in Abhängigkeit von einer zu ermittelnden Lage gegensinnig ändern und mit einem Oszillator, der mit einem Analogschalter abwechselnd mit den beiden Induktivitäten verbunden wird. Somit wird eine differentielle Auswertung möglich.Various inductive sensors are known that measure the proximity of a conductive object as a function of the inductance of a coil located in the sensor. Such sensors rely on the known relationship between the inductance of an electrical conductor and the proximity of the conductor to a conductive article, see Khazan, AD, Prentice Hall, New Jersey (1994). US 5,798,462 eg describes an inductive position sensor with a magnetic field screen. A conductor mounted spirally on a dielectric is arranged parallel to a conductive membrane. If an alternating current whose frequency is high enough flows through the conductor and the conductive membrane is thick enough, the magnetic field of the current induces skin effect eddy currents on the surface of the conductive membrane, so that the membrane acts as a shield for the magnetic field and thus the magnetic field Volume limited to the magnetic field. As the distance between the conductor and the diaphragm changes, the volume in which the magnetic field exists changes, resulting in a changing magnetic energy density. As the membrane moves toward the conductor, the effective inductance of the conductor decreases. If the membrane moves away from the conductor, the inductance increases. The inductance could be detected and evaluated with an inductance bridge or other inductance sensing circuit. DE 42 37 879 A1 describes an evaluation circuit for an inductive sensor with 2 coils whose inductances change in opposite directions depending on a position to be determined and with an oscillator which is connected to an analog switch alternately with the two inductors. Thus, a differential evaluation is possible.

Ein Nachteil dieser induktiven Sensoren ist die Empfindlichkeit gegenüber externen, variierenden, inhomogenen magnetischen und elektrischen Feldern, wie sie z. B. in der Nähe von Elektromotoren, Netztransformatoren, etc. vorkommen..One Disadvantage of these inductive sensors is the sensitivity to external, varying, inhomogeneous magnetic and electric fields, as they are z. B. nearby of electric motors, mains transformers, etc. occur ..

Ausgehend von diesem Nachteil liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit denen ein induktiver Sensor auch in inhomogenen, variierenden Feldern betrieben werden kann.outgoing From this disadvantage, the invention has the object, a Device and to provide a method by which an inductive sensor can also be operated in inhomogeneous, varying fields.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des 4. Patentanspruchs gelöst.According to the invention this Task by a device having the features of the first claim and by a method having the features of the fourth claim solved.

Ein Grundgedanke der Erfindung ist, durch breitbandige Anregung des induktiven Sensors mit Pulssynchronisation bei der Messwertaufnahme und der Messwertermittlung über eine große Anzahl von Pulsen den Einfluss von Störfeldern zu minimieren. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines induktiven Sensors mit Pulssynchronisation. Die Pulse werden in einem Pulsgenerator (1) erzeugt und aus dessem Ausgang einerseits an den Eingang des Messsolenoids (3) geleitet. Der Kern (2) taucht in den Messsolenoiden ein. Er ist mit der Messmechanik verbunden, die durch ihre Ausführung den Messparameter, wie z.B. Wegmessung, Kraftmessung, etc., bestimmt. Der Ausgang des Messsolenoids ist mit dem Eingang eines Messwandlers (4) für entweder Spannung oder/und Strom verbunden. Das Ausgangssignal des Messwandlers wird über dessen Ausgang an den Eingang eines Abtast-Halte-Glieds (5) geführt. Das Abtast-Halte-Glied ist mit seinem Schalteingang mit dem Ausgang des Pulsgenerators (1) verbunden, so dass es synchron zum Anregungspuls geschaltet wird. Die Impulsantworten des Messsolenoids addieren sich in einer nachgeschalteten Integration so kohärent zum Ausgangssignal auf und steht am Ausgang (6) des Abtast-Halte-Glieds zur Verfügung, während sich die inkohärenten Störsignale gegenseitig aus dem Ausgangssignal auslöschen. Die Pulsfolge kann dabei auch nicht äquidistant sein, so dass sie im Frequenzspektrum nur als breitbandiges Rauschen auftritt.A basic idea of the invention is to minimize the influence of interference fields by broadband excitation of the inductive sensor with pulse synchronization during the measurement pickup and the measurement value determination over a large number of pulses. 1 shows schematically the construction of an inductive sensor with pulse synchronization. The pulses are generated in a pulse generator ( 1 ) and from its output on the one hand to the input of the measuring solenoid ( 3 ). The core ( 2 ) dives into the messsolenoids. It is connected to the measuring mechanism, which determines the measuring parameters, such as distance measurement, force measurement, etc., by its execution. The output of the measuring solenoid is connected to the input of a transducer ( 4 ) for either voltage or / and current. The output signal of the transducer is fed via its output to the input of a sample-and-hold element ( 5 ) guided. The sample-and-hold element has its input to the output of the pulse generator ( 1 ) so that it is switched synchronously with the excitation pulse. The impulse responses of the measuring solenoid add up coherently to the output signal in a downstream integration and stand at the output ( 6 ) of the sample and hold circuit while the incoherent noise cancel each other out of the output. The pulse sequence can also not be equidistant, so that it only occurs in the frequency spectrum as broadband noise.

Eine Ausführungsform ist in 2 dargestellt. Als Pulsgenerator (1) dient ein Portpin eines Mikro-Controllers, der zum einen an einen Anschluss des Messsolenoids (2) angeschlossen ist. Der andere Anschluss des Messsolenoids ist mit dem Kollektor und der Basis eines Transistors (3) verbunden. Der Emitter ist über einen Widerstand (4) an die Bezugsmasse (17) angebunden. Die Basis eines weiteren Transistors (6), dessen Emitter ebenfalls über einen Widerstand (7) an die Bezugsmasse angebunden ist, ist an die Basis des ersten Transistors angeschlossen, so dass diese beiden Transistoren einen Stromspiegel bilden.One embodiment is in 2 shown. As a pulse generator ( 1 ) is a port pin of a micro-controller, on the one hand to a terminal of the measuring solenoid ( 2 ) connected. The other terminal of the measuring solenoid is connected to the collector and the base of a transistor ( 3 ) connected. The emitter is over a resistor ( 4 ) to the reference mass ( 17 ). The base of another transistor ( 6 ), whose emitter also has a resistor ( 7 ) is connected to the reference ground is connected to the base of the first transistor, so that these two transistors form a current mirror.

Der Kollektorwiderstand (5) des zweiten Transistors, der einseitig an die Betriebsspannung (15) angeschlossen ist, ist zusätzlich mit dem anderen Anschluss mit der Basis eines dritten Transistors (10) verbunden, dessen Emitter ebenfalls über einen Widerstand (9) und parallel dazu über einen Kondensator (12) an die Betriebsspannung angeschlossen ist. Der Kollektor dieses Transistors ist mit dem Kollektor eines vierten Transistors (11) verbunden, dessen Basis über den Widerstand (8) an den Ausgang des Pulsgenerators angeschlossen ist. Der Emitter des vierten Transistors liegt an der Bezugsmasse. Somit bilden die Transistoren (10) und (11) ein nachlaufendes Abtast-Halte-Glied. Das Potential am Emitter des dritten Transistors wird über einen Widerstand (13) an den Ausgang der Schaltung (16) geführt. Ein Kondensator (14), der zwischen dem Ausgang und der Bezugsmasse geschaltet ist, bildet mit dem Widerstand (13) einen Tiefpass. In der Ausführungsform wurde der Ausgang der Schaltung mit dem Eingang eines sich in dem Mikro-Controller befindlichen Analog-Digital-Wandlers verbunden, dessen gewandelte Signale somit zur weitern digitalen Auswertung genutzt werden konnten. Eine analoge Nutzung der Ausgangssignale, z.B. für eine Regleranordnung, ist aber ebenso möglich.The collector resistance ( 5 ) of the second transistor, the one-sided to the operating voltage ( 15 ) is additionally connected to the other terminal with the base of a third transistor ( 10 ) whose emitter is also connected via a resistor ( 9 ) and in parallel via a capacitor ( 12 ) is connected to the operating voltage. The collector of this transistor is connected to the collector of a fourth transistor ( 11 ) whose basis is based on the resistance ( 8th ) is connected to the output of the pulse generator. The emitter of the fourth transistor is located at the reference ground. Thus, the transistors ( 10 ) and ( 11 ) a trailing sample-and-hold member. The potential at the emitter of the third transistor is via a resistor ( 13 ) to the output of the circuit ( 16 ge leads. A capacitor ( 14 ), which is connected between the output and the reference ground, forms with the resistor ( 13 ) a low pass. In the embodiment, the output of the circuit was connected to the input of an analog-to-digital converter located in the microcontroller, the converted signals of which could thus be used for further digital evaluation. An analogous use of the output signals, for example for a controller arrangement, but is also possible.

3 zeigt eine Variante der Ausführungsform mit zwei Spulen, deren Induktivität sich in Abhängigkeit der Position eines Kernes gegensinnig ändern. Als Pulsgenerator (1) dient ein Portpin eines Mikro-Controllers, der jeweils an einen Anschluss der Messsolenoide (2) und (18) angeschlossen ist. Die jeweils andere Anschlüsse der Messsolenoide sind jeweils an einen Stromspiegel aus den Transistoren (3) und (6) bzw. (19 und (22) und den Widerständen (4) und (7) bzw. (20) und (23) angeschlossen. Die Kollektorwiderstände (5) bzw. (21), die einerseits jeweils mit der Betriebsspannung (15) verbunden sind, sind mit dem anderen Anschluss zusätzlich jeweils über die Widerstände (24) bzw. (25) mit den Eingängen eines Differenzverstärkers (27) und den Widerständen (26) bzw. (28) verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist mit dem analogen Eingang eines nachlaufenden Abtast-Halte-Glieds, das aus den Transistoren (10) und (11), den Widerständen (8) und (9) und dem Kondensator (12) besteht, zusammengeschlossen. Der Schalteingang am Widerstand (8) ist an dem Ausgang des Pulsgenerators angebunden. Der Ausgang des Abtast-Halte-Glieds ist über einen Tiefpass bestehend aus dem Widerstand (13) und dem Kondensator (14) an den Ausgang (16) der Schaltung angeschlossen, der in der Ausführungsform mit dem Eingang eines sich in dem Mikro-Controller befindlichen Analog-Digital-Wandlers verbunden wurde, dessen gewandelte Signale somit zur weitern digitalen Aus wertung genutzt werden konnten. Eine analoge Nutzung der Ausgangssignale, z.B. für eine Regleranordnung, ist ebenfalls möglich. 3 shows a variant of the embodiment with two coils whose inductance change in dependence on the position of a core in opposite directions. As a pulse generator ( 1 ) is a port pin of a micro-controller, each of which is connected to a terminal of Messsolenoide ( 2 ) and ( 18 ) connected. The respective other terminals of the measuring solenoids are each connected to a current mirror of the transistors ( 3 ) and ( 6 ) respectively. ( 19 and ( 22 ) and the resistors ( 4 ) and ( 7 ) respectively. ( 20 ) and ( 23 ) connected. The collector resistances ( 5 ) respectively. ( 21 ), on the one hand each with the operating voltage ( 15 ) are connected to the other terminal in addition in each case via the resistors ( 24 ) respectively. ( 25 ) with the inputs of a differential amplifier ( 27 ) and the resistors ( 26 ) respectively. ( 28 ) connected. The output of the differential amplifier is connected to the analog input of a trailing sample-and-hold element consisting of the transistors ( 10 ) and ( 11 ), the resistors ( 8th ) and ( 9 ) and the capacitor ( 12 ), joined together. The switching input at the resistor ( 8th ) is connected to the output of the pulse generator. The output of the sample-and-hold element is a low pass consisting of the resistor ( 13 ) and the capacitor ( 14 ) to the exit ( 16 ) Connected to the circuit, which was connected in the embodiment with the input of a located in the microcontroller analog-to-digital converter, the converted signals could thus be used for further digital evaluation evaluation. An analogous use of the output signals, eg for a controller arrangement, is also possible.

Claims (6)

Vorrichtung eines induktiven Sensors mit wenigstens einer Spule, dessen Induktivität sich in Abhängigkeit der Position eines Kernes ändert und die an eine Impulsquelle angeschlossen ist, mit wenigstens einer Messeinrichtung, die wenigstens den Strom durch die Spule oder der Spannung über der Spule oder beides erfassen kann, und wenigstens einem Abtast-Halte-Glied, dessen analoger Eingang mit dem Ausgang der Messeinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalteingang des Abtast-Halte-Glieds ebenfalls mit dem Ausgang der Impulsquelle zusammengeschlossen ist.Device of an inductive sensor having at least one coil whose inductance changes in dependence on the position of a core and which is connected to a pulse source, with at least one measuring device which can detect at least the current through the coil or the voltage across the coil or both, and at least one sample-and-hold element whose analog input is connected to the output of the measuring device, characterized in that the switching input of the sample-and-hold element is also connected to the output of the pulse source. Vorrichtung eines induktiven Sensors mit wenigstens zwei Spulen, deren Induktivitäten sich in Abhängigkeit der Position eines Kernes gegensinnig ändern und die jeweils an eine Impulsquelle angeschlossen sind, mit wenigstens jeweils einer Messeinrichtung, die wenigstens den Strom durch jeweils eine Spule oder der Spannung über jeweils einer Spule oder beides erfassen kann, mit wenigstens einem Differenzverstärker, dessen Eingänge an den Ausgang jeweils einer Messeinrichtung und dessen Ausgang an den analogen Eingang wenigstens eines Abtast-Halte-Glied angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalteingang des Abtast-Halte-Glieds ebenfalls mit der Impulsquelle verbunden ist.Device of an inductive sensor with at least two coils, their inductances in dependence Change the position of a core in opposite directions and each one to a Pulse source are connected, with at least one measuring device, the at least the current through one coil or the voltage across each a coil or both, with at least one differential amplifier whose inputs to the output of a measuring device and its output connected to the analog input at least one sample-and-hold element are, characterized in that the switching input of the sample-and-hold member also connected to the pulse source. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Abtast-Halte-Glieds an den Eingang eines Integrators angeschlossen ist, dessen Ausgang das Ausgangssignal bereit stellt.Device according to Claim 1 or 2, characterized that the output of the sample-and-hold circuit is applied to the input of an integrator is connected, whose output provides the output signal. Verfahren eines induktiven Sensors mit wenigstens einer Spule, dessen Induktivität sich in Abhängigkeit der Position eines Kernes ändert und die an eine Impulsquelle angeschlossen ist, mit wenigstens einer Messeinrichtung, die wenigstens den Strom durch die Spule oder der Spannung über der Spule oder beides erfassen kann, und wenigstens einem Abtast-Halte-Glied, dessen analoger Eingang mit dem Ausgang der Messeinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine nicht zwangsläufig äquidistante Folge von Pulsen zum einen die Spule bestromt und zum anderen synchron das Abtast-Halte-Glied schaltet. Method of an inductive sensor with at least one coil, its inductance in dependence the position of a nucleus changes and which is connected to a pulse source, with at least one Measuring device that at least the current through the coil or the Tension over the coil or both, and at least one sample-and-hold member, whose analog input is connected to the output of the measuring device is, characterized in that a not necessarily equidistant Sequence of pulses to one coil energized and the other synchronously the sample-and-hold member on. Verfahren eines induktiven Sensors mit wenigstens zwei Spulen, deren Induktivitäten sich in Abhängigkeit der Position eines Kernes gegensinnig ändern und die jeweils an eine Impulsquelle angeschlossen sind, mit wenigstens jeweils einer Messeinrichtung, die wenigstens den Strom durch jeweils eine Spule oder der Spannung über jeweils einer Spule oder beides erfassen kann, mit wenigstens einem Differenzverstärker, dessen Eingänge an den Ausgang jeweils einer Messeinrichtung und dessen Ausgang an den analogen Eingang wenigstens eines Abtast-Halte-Glied angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine nicht zwangsläufig äquidistante Folge von Pulsen zum einen die Spule bestromt und zum anderen synchron das Abtast-Halte-Glied schaltet.Method of an inductive sensor with at least two coils, their inductances in dependence Change the position of a core in opposite directions and each one to a Pulse source are connected, with at least one measuring device, the at least the current through one coil or the voltage across each a coil or both, with at least one differential amplifier whose inputs to the output of a measuring device and its output connected to the analog input at least one sample-and-hold element are characterized in that a not necessarily equidistant Sequence of pulses to one coil energized and the other synchronously the sample-and-hold circuit switches. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal aus der Überlagerung der Pulsantworten der Spule mindestens zweier Impulse gebildet wird.A method according to claim 4 or 5, characterized in that the output signal from the overlay the pulse responses of the coil of at least two pulses is formed.
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