DE102011107651A1

DE102011107651A1 - Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung und Verfahren zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE102011107651A1
Application number: DE201110107651
Authority: DE
Inventors: Thomas Burkhardt; Dr. Zern Achim
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-01-17

Abstract

Ein magnetostriktiver Wegaufnehmervorrichtung zur Erfassung des Wegs eines Positionsgebers (120) umfassend einen als Wellenleiter (101) ausgebildeten Messfühler, einen relativ zum Messfühler beweglichen Positionsgeber (120) und einen nahe dem einen Ende des Messfühlers angeordneten Signalwandler, dessen Ausgangssignale auswertbar sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Signalwandler wenigstens zwei in einem vorgegebenen Abstand (d) zueinander 20) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder von Bewegungsgrößen eines Positionsgebers nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
In der Patentschrift US 3 898 555 A ist eine Positions-Messvorrichtung beschrieben, die einen Wellenleiter mit magnetostriktiven Eigenschaften aufweist. Der Wellenleiter wird mit Stromimpulsen beaufschlagt, die zu einem Magnetfeld führen, dessen Feldlinien konzentrisch im Wellenleiter verlaufen und den Wellenleiter außen konzentrisch umgeben. Benachbart zum Wellenleiter ist ein verschiebbarer Permanentmagnet vorgesehen, dessen Pole derart angeordnet sind, dass der Magnet ein örtlich begrenztes, hauptsächlich in axialer Richtung innerhalb des Wellenleiters verlaufendes Magnetfeld verursacht. Der Permanentmagnet ist an demjenigen Objekt angeordnet, dessen Position oder Bewegung letztlich gemessen werden soll. Die im Bereich des Magnetfelds des Permanentmagneten örtlich begrenzte Überlagerung mit dem zirkularen, während des Stromimpulses auftretenden Magnetfeld führt zu einer örtlich begrenzten Änderung des resultierenden Magnetfeldes, die aufgrund des magnetostriktiven Effekts eine Längenänderung des Wellenleiters verursacht, die sich als Schallwelle in beiden Richtungen bewegt. An einem Ende des Wellenleiters ist ein Dämpfungselement angeordnet, welches die dort auftreffende Welle absorbiert und eine Reflexion verhindert. Am anderen Ende des Wellenleiters ist eine Wellen-Erfassung angeordnet, welche die Schwingung des Wellenleiters mit zwei Metallzungen abgreift, auf denen jeweils Magnetspulen gewickelt sind. Die Schallwelle des Wellenleiters wird in eine longitudinale Auslenkung der Metallzungen umgesetzt, die ebenfalls aus magnetostriktivem Material gefertigt sind. Im Zusammenwirken mit dem Feld eines zwischen den Metallzungen angeordneten Hilfs-Permanentmagneten führt das aufgrund des magnetostriktiven Effekts infolge der Welle kurzzeitig auftretende Magnetfeld zu einer induzierten Signalspannung. Die Signale werden einer Signal-Bewertungsanordnung zugeführt, die aus der Laufzeit der Welle, die der Zeit zwischen dem Auftreten des Stromimpulses und dem Auftreten des induzierten Spannungssignals entspricht, die Position des Permanentmagneten und des damit verbundenen Objekts ermittelt.
In der Offenlegungsschrift DE 33 43 410 A1 ist eine Positions-Messvorrichtung beschreiben, die ebenfalls auf dem magnetostriktiven Effekt beruht. Anstelle der vergleichsweise aufwendigen, in der zuvor beschriebenen Positions-Messvorrichtung vorgesehenen Wellen-Erfassung ist bei der hier beschriebenen Positions-Messvorrichtung die Wellen-Erfassung als Magnetspule realisiert. Die Magnetspule umgibt den Wellenleiter an einem Ende auf einer kurzen Strecke, während am anderen Ende wieder das Dämpfungselement angeordnet ist. Der Hilfs-Permanentmagnet ist durch ein stets vorhandenes Magnetfeld des Wellenleiters ersetzt, das als Remanenzmagnetfeld bezeichnet werden kann. Die kurzzeitige Änderung des (Remanenz-)Magnetfelds induziert eine Mess-Spannung in die Magnetspule. Die Position des Permanentmagneten wird wieder aus der Laufzeit der Welle im Wellenleiter ermittelt, die zwischen dem Auftreten des Stromimpulses und dem Auftreten der Mess-Spannung liegt.
Aufgrund der erforderlichen zeitlichen Abstände zwischen den Stromimpulsen muss bei einem bewegten, mit dem Permanentmagneten verbundenen Objekt bei bewegten Objekten damit gerechnet werden, dass die tatsächliche Position des Objekts nicht mehr mit der gemessenen Position übereinstimmt. Bei der in der Patentschrift 10 2004 025 388 B4 beschriebenen magnetostriktiven Positions- und Bewegungs-Messvorrichtung ist zusätzlich zu dem zuvor beschriebenen zeitdiskreten Messverfahren eine kontinuierlich messende Positionsvorrichtung vorgesehen, die eine zeitlich hoher aufgelöste und damit genauere Positionsmessung bei entsprechend erhöhtem Aufwand ermöglicht.
In der Offenlegungsschrift DE 101 64 121 A1 wird zur Erhöhung der Genauigkeit ein anderer Weg beschritten. Die entsprechend der bereits beschriebenen Positionsvorrichtungen realisierte Positions-Messvorrichtung erhöht die Messgenauigkeit dadurch, dass eine Vielzahl von Positionen und von Stromimpuls-Korrekturwerten einander zugeordnet werden, und dass in Abhängigkeit von der ermittelten Position des Permanentmagneten und aus dem aus der Tabelle zugehörigen Stromimpuls-Korrekturwert die Dauer des nächsten Stromimpulses verändert wird. Diese Vorgehensweise beruht auf der Erkenntnis, dass die Eigenschaften der entstehenden Welle, welche die Messgenauigkeit beeinflussen, von der Dauer des Stromimpulses abhängen.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2010 008 495.6 der Anmelderin geht ein Verfahren zur Positionsmessung eines Objekts hervor,

– bei dem ein dem Objekt zugeordneter Magnet entlang eines magnetostriktiven Wellenleiters bewegt wird,
– bei dem der Magnet in einem Feldbereich im Wellenleiter eine erste Magnetfeldkomponente verursacht,
– bei dem ein Stromsignal mit einem Stromimpuls bereitgestellt wird, das im Wellenleiter ein Strom-Magnetfeld verursacht, das zumindest eine Feldkomponente im Wellenleiter aufweist, die von der vom Magneten verursachten Feldkomponente abweicht,
– bei dem im Feldbereich aufgrund der Feldänderung während des Stromimpulses im Wellenleiter infolge des magnetostriktiven Effekts eine Welle entsteht, die erfasst wird und
– bei dem die Position des Objekts aus der Laufzeit der Welle im Wellenleiter ermittelt wird.

Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Stromsignal mit einer gezielt vorgegebenen Strom-Anstiegsrampe beginnt, deren zeitlicher Verlauf derart festgelegt ist, dass keine Welle detektiert wird, und dass im Anschluss an die Strom-Anstiegsrampe der Stromimpuls bereitgestellt wird, der zum Entstehen einer detektierbaren Welle führt. Hierdurch wird ohne konstruktive Änderung der Positions-Messvorrichtung die Messgenauigkeit erhöht. Diese Erhöhung der Messgenauigkeit kann ausschließlich durch eine Änderung des Stromsignals, die mit vergleichsweise einfachen Mitteln erreicht werden kann, realisiert werden.
Bei derartigen magnetostriktiven Wegaufnehmervorrichtungen wird aus der Laufzeit einer mechanischen Welle auf die Position des Positionsgebers geschlossen. Die Welle entsteht durch Überlagerung eines Magnetfeldes aus dem Stromimpuls mit dem Magnetfeld des Positionsgebers. Die Signaldetektion hat hierbei einen ganz entscheidenden Einfluss auf die Messgenauigkeit. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Signalwandlern wird hierzu eine Spule benutzt, in der die mechanische Welle zweimal eine Spannung induziert. Die mechanische Welle wird nach dem Durchlaufen der Spule reflektiert und erzeugt dann zum zweiten Mal eine Spannung. Durch eine geeignete geometrische Anordnung der Komponenten, das heißt der Spule und des Reflexionsendes, lassen sich die beiden Signale so addieren, dass ein optimales Nutzsignal, insbesondere ein etwa doppelt so großes Nutzsignal entsteht. Dabei wird im Stand der Technik eine charakteristische Größe des Signals, beispielsweise ein Nulldurchgang ausgewertet. Ein solcher Nulldurchgang kann heute bei Berücksichtigung des Rauschens im Nanosekundenbereich ausgewertet werden, was einer Messgenauigkeit von einigen μm entspricht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung zu vermitteln, welche bei verringerten Materialkosten weiter verbesserte Signaleigenschaften ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung zur Erfassung des Wegs eines Positionsgebers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder von Bewegungsgrößen mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Grundidee der Erfindung ist es, einen Signalwandler mit wenigstens zwei in einem vorgegebenen Abstand zueinander an dem Messfühler angeordneten Spulen vorzusehen. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die in den Spulen induzierte Spannung unterschiedliche Ursachen hat. Die Torsionswelle, die als Nutzsignal dient, weist nämlich eine zeitliche und räumliche Auflösung auf. Entsprechend weist das induzierte Signal eine räumliche und zeitliche Komponente auf. Durch den Stromimpuls, den die Torsionswelle auslöst, wird ein Störsignal mit nur einer zeitlichen Auflösung induziert. Dieses Störsignal weist keine räumliche Auflösung auf. Es ist gleichzeitig überall auf der Messstrecke vorhanden. Dadurch, dass die aus dem Stand der Technik bekannte Spule in mehrere, zum Beispiel zwei, Teilspulen aufgetrennt wird, entstehen in beiden Spulen induzierte Signale, die den zeitlichen und räumlichen Verlauf der induzierten Spannungen abbilden. Diese beiden Signale können verglichen werden und in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden. Durch diese Auswertung können die zeitlichen und räumlichen Komponenten ermittelt werden.
Die Spulen müssen dabei in einem vorgegebenen Abstand von 12 bis 16 mm voneinander angeordnet sein, um hier optimale Signalauswertung zu ermöglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Maß für die Position des Positionsgebers ein Differenzsignal durch Subtraktion der Ausgangssignale der beiden Spulen in der Auswerteeinrichtung gebildet wird. Bei einer Differenzbildung der beiden Signale heben sich die Anteile, die keine räumliche Komponente aufweisen, zum Beispiel die Störung durch den Stromimpuls, auf. Bei einer Summenbildung sind zusätzlich zu den zeitlichen Verhältnissen auch die räumlichen Verhältnisse der Torsionswelle in den Signalen abgebildet.
Das Differenzsignal wird bevorzugt in der Auswerteinrichtung durch einen Fit-Algorithmus approximiert. Dabei wird die Position des Positionsgebers relativ zum Messfühler aus dem mit Hilfe des Fit-Algorithmus gefundenen zeitlichen Verlaufs der das Differenzsignal charakterisierenden Funktion ermittelt.
In der Auswerteeinrichtung wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus der Formel, welche den zeitlichen Verlauf des Differenzsignals charakterisiert, ein Referenzvektor gebildet, der mit einem Messvektor kreuzkorreliert wird, wobei dann, wenn der Korrelationskoeffizient einen vorgebbaren Wert überschreitet, das Signal als erkannt charakterisiert wird. Dies erlaubt eine schnelle Auswertung des gemessenen Signals. Bevorzugt werden diese Schritte für jedes vorgebbare Messfenster durchgeführt, wobei die zeitliche Position der einzelnen Messfenster durch einen Auslöseimpuls einer in dem Wellenleiter ausgebildeten magnetostriktiven Welle definiert wird.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Messvorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in einem geringeren Signalrauschen. Darüber hinaus werden die Einflüsse aufgrund von Reflexionen der Welle minimiert. Die Abstandsabhängigkeit der Linearität wird reduziert. Die Linearität des Signals wird durch magnetische Inhomogenitäten gestört. Infolge magnetischer Inhomogenitäten ist der Wellenleiter entlang seiner Erstreckung nicht homogen. Es gibt Stellen mit geringer magnetischer Anisotropie und Stellen mit hoher magnetischer Anisotropie. Dies führt zu unterschiedlich breiten Signalen und damit während der Bewegung des Positionsgebers entlang dem Wellenleiter zu einem Pulsieren des Ausgangssignals. Eine Störung der Linearität des Signals ist deshalb besonders problematisch, da zur Positionsermittlung ein Nulldurchgang des Signals benutzt wird. Es ist auch zu beobachten, dass bei großen Positionsgeberabständen, d. h. bei schwächeren äußeren Feldstärken am Wellenleiter, das Pulsieren des Signals stärker ausfällt. Dies hängt vermutlich mit dem Größenverhältnis der inneren Felder (intrinsischer Anisotropien) zu der Feldstärke des äußeren Feldes (Positionsgeber) zusammen. Bei hohen Positionsgeberabständen gewinnen die inneren Felder quasi immer mehr an Einfluss und die Inhomogenitäten machen sich starker bemerkbar. Dieses Phänomen wird als Abstandsabhängigkeit der Linearität bezeichnet. Durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung und insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Position werden diese Störeinflüsse erheblich reduziert. Darüber hinaus wird auch die Abstandsabhängigkeit der Position reduziert. Diese wird dadurch verursacht, dass sich das Feld des Positionsgebers mit Veränderung des senkrechten Abstands zum Wellenleiter hinsichtlich seiner Größe und Verteilung ändert. Dies führt zu einer Änderung der Breite des Signals.
Der Einfluss der Temperaturkoeffizienten wird reduziert. Das sogenannte Schwing-Schockverhalten wird verbessert und der Einfluss von äußeren Magnetfeldern auf die Messgenauigkeit wird verringert gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Wegaufnehmervorrichtungen. Darüber hinaus können sehr vorteilhaft beliebige Magneten zum Einsatz kommen.
Das vorerwähnte erfindungsgemäße Verfahren kann rein prinzipiell als Computerprogramm ausgestaltet sein. Der Programmcode ist vorteilhafterweise auf einem Computerprogrammprodukt, beispielsweise einer CD-ROM, einem Speicherstick oder dergleichen gespeichert. Das Programm kann rein prinzipiell auch auf einem EPROM gespeichert sein, der in Form eines digitalen Signalprozessors oder als speicherprogrammierbare Schaltung oder dergleichen realisiert sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung;
2a bis c der Signalverlauf der in 1 dargestellten Wegaufnehmervorrichtung bei einer in einem ersten Abstand vom offenen Ende angeordneten Spule;
3a bis c der Signalverlauf der in 1 dargestellten Wegaufnehmervorrichtung bei einer in einem zweiten Abstand vom offenen Ende angeordneten Spule;
4 schematisch eine erfindungsgemäße magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung;
5a bis f die zeitabhängigen Signale der beiden, den Signalwandler in 4 bildenden Spulen über der Zeit;
6 ein mit Hilfe eines Fit-Algorithmus berechnetes Einzelsignal über der Zeit;
7 ein mit Hilfe des Fit-Algorithmus berechnetes Differenzsignal über der Zeit
8 schematisch das Differenzsignal und ein Messfenster zur Erfassung des Differenzsignals.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Bei einem magnetostriktiven Wegaufnehmer wird aus der Laufzeit einer mechanischen Welle auf die Position eines Positionsgebers geschlossen. Die Welle entsteht durch Überlagerung eines Magnetfeldes aus einem „Stromimpuls” mit dem Magnetfeld des Positionsgebers. Hierzu weist der Positionsgeber einen Magneten auf. Einen entscheidenden Einfluss auf die Messgenauigkeit übt dabei die Signaldetektion aus. Hierzu wird eine Spule L1 110 verwendet, an der eine Spannung U1 abgegriffen wird. In dieser Spule 110 induziert die mechanische Welle zweimal eine Spannung. Dies geschieht durch Reflexion an dem offenen Ende, an dem die mechanische Welle reflektiert wird. Durch eine geeignete Anordnung der Komponenten Spule 110 und offenes Ende 102, insbesondere durch Optimierung des Abstandes s1 , beispielsweise des Mittelpunktes, der Spule 110 von dem offenen Ende 102, kann der Signalverlauf optimiert werden. Aufgrund dieses Signalverlaufs wird auf die Position und/oder die Bewegungsgrößen eines Positionsgebers 120 entlang eines Wellenleiters 101 geschlossen. In 2a) ist die direkt von der Spule registrierte Welle, in 2b) ist das Signal der Welle, welche von dem offenen Ende 102 reflektiert wurde, dargestellt und schließlich ist in 2c) die Überlagerung der beiden Signale dargestellt. Dabei wurde in 2 von einem optimalen Abstand der Spule 110 von dem offenen Ende 102, das heißt von einer optimalen Länge s1 ausgegangen. Bei einer optimalen Wahl dieser Länge überlagern sich die beiden Signale mit hoher Amplitude.
Wird diese Länge s1 zu groß gewählt, entsteht der in 3 dargestellte Signalverlauf, bei dem wiederum in 3a) die direkt von der Spule 110 registrierte Welle, in 3b) das Signal der Welle, die von dem offenen Ende 102 reflektiert wurde, und schließlich in 3c) die Überlagerung der beiden Signale dargestellt sind. Ist der Abstand der Spule 110 vom offenen Ende 102 zu groß, findet in dem überlagerten Signal eine Aufspaltung des zentralen Peaks statt, die Amplitude verringert sich gegenüber dem in 2 dargestellten überlagerten Signal. Dies führt zu einer verschlechterten Detektion.
Bei der erfindungsgemäßen magnetostriktiven Wegaufnehmervorrichtung ist nun vorgesehen, den Signalwandler durch wenigstens zwei Spulen auszubilden. Dies ist schematisch in 4 dargestellt, wo gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in 1. Der Signalwandler wird hier nicht durch eine Spule L1, sondern durch zwei Spulen, eine erste Spule L1 410 und einer zweite Spule L2 420, gebildet. Der Mittelpunkt der ersten Spule 410, an der die Spannung U1 abgreifbar ist, ist in einem Abstand s1 vom offenen Ende 102 des Wellenleiters 101 angeordnet. Der Mittelpunkt der zweiten Spule 420, an der die Spannung U2 abgreifbar ist, weist von der ersten Spule 410 einen Abstand d auf. Eine von dem Positionsgeber 120 auf dem Wellenleiter 101 erzeugte Welle führt bei dieser Anordnung zu einem Signalverlauf, der in 5 dargestellt ist. In 5 sind dabei in 5a und 5d die Signale an der Spule 410, in 5b und 5e die Signale an der Spule 420 und in 5c und 5f die Differenzsignale U_diff = U1 – U2 von erster Spule 410 und zweiter Spule 420 dargestellt. Dabei liegt der linken Spalte, 5a, b und c, ein Abstand der beiden Spulen d = 5 μs zugrunde, das entspricht etwa 15 mm Abstand der beiden Spulen. Der rechten Spalte, 5d, 5e und 5f, liegt ein Abstand von d = 15 μs zugrunde, das entspricht etwa 45 mm Abstand der beiden Spulen bei einer angenommenen Geschwindigkeit der Welle von etwa 3000 m/s. Die 5 zeigt, dass nur bei einem optimalen Spulenabstand ein optimales Differenzsignal zu einem hohen Gesamtsignal detektierbar ist. Im rechten Falle ist das Differenzsignal schlechter detektierbar.
Dieses Signal weist eine konstante Gestalt auf. Die Form wird mit der Position des Positionsgebers 120 zeitlich verschoben. Die Gestalt des Signals wird nun durch eine mathematische Funktion F, die entlang der Zeitachse verschoben werden kann, dargestellt. Beispielsweise durch F(t – x/v), wobei t die Zeit, x die Position des Positionsgebers und v die Geschwindigkeit der Welle bedeuten. Um dieses Signal mathematisch beschreiben zu können, sind vier Einzelsignale F_einzel(1) bis F_einzel(4) für jede der beiden Spulen 410, 420 erforderlich. Für jede der beiden Spulen ergibt sich ein Signal der von rechts einlaufenden Welle und ein Signal, das in den beiden Spulen durch die rücklaufende Welle erzeugt wird, wobei diese Welle einen Phasensprung, das heißt einen Vorzeichenwechsel aufweist. Die Signale entsprechen den in 5a, 5b bzw. 5d und 5e gezeigten Einzelsignalen. Die experimentell ermittelten Einzelsignale können nun durch folgende Gleichung dargestellt (approximiert) werden: F_einzel(i) = A_iexp(–b(t – a_pos – a_vi)²)sin(ω₀(t – a_pos – a_vi)), wobei hier der Phasensprung noch nicht berücksichtigt ist. Dabei bedeuten A eine Amplitude, die zum Beispiel von der Temperatur abhängen kann oder dem Abstand des Positionsgebers Rechnung trägt, und ω₀ entspricht der Frequenz des Signals. In beiden Fällen verändert sich die Höhe des gemessenen Signals. Der Dämpfungsfaktor b dämpft die beliebig breiten Schwingungen des Sinusterms der Funktion F_einzel(i). Dieser Faktor b wird so angepasst, dass das rechnerisch ermittelte Signal mit dem experimentell ermittelten Signal möglichst gut übereinstimmt. Dies kann bereits anhand der Einzelsignale durchgeführt werden. Der Faktor b unterdrückt die Schwingungsneigung des Sinusterms; a_pos stellt die Position (als Laufzeit) dar und ist für alle vier Einzelsignale gleich, die Größen a_vi regeln den (zeitlichen) Abstand der vier Einzelsignale zueinander, wobei i von 1 bis 4 läuft. Sie werden vorgegeben, das heißt festgelegt, und bleiben dann konstant. Die a_vi werden so festgelegt, dass sich die Form in 5 links unten ergibt, also die Form des optimalen Signals. F = F_einzel(1) – F_einzel(2) + F_einzel(3) – F_einzel(4)
In 6 ist der Zeitverlauf eines berechneten Einzelsignals mit b = 4·10¹⁰·1/s² und ω₀ = 2π·10⁵·1/s dargestellt.
In 7 ist ein optimales Differenzsignal mit den in Verbindung mit 6 erläuterten Werten dargestellt. Die „Frequenz” des Signals bleibt nahezu konstant bei ω₀. In der Praxis beträgt sie 2π10⁵·1/s.
Da der Einfluss der mechanischen Vibrationen in einem tieferen Frequenzbereich liegt, kann durch einen solchen Fit-Algorithmus die Schwing-Schockstabilität des Positionsmesswertes verbessert werden.
Ein Fit-Algorithmus wird nachstehend in Verbindung mit 8 erläutert. Die eigentliche Aufgabe besteht in der Anpassung der Fit-Parameter a_pos (T) und A_i. Dies ist der einfachste mögliche Fall, Parameter wie ω₀ und der Abstand der vier Einzelsignale zueinander werden hier als konstant angenommen, das heißt nicht angepasst oder „gefittet”.
Bei einer „verfeinerten” Version, die allerdings mit höherem Rechenaufwand verbunden ist, könnten auch noch solche „sekundären” Größen in gewissen Bereichen angepasst werden. Auf diese Weise können dann Messfehler, wie zum Beispiel Temperaturabweichungen oder Signalverfälschungen durch unterschiedliche Abstände der Positionsgeber korrigiert werden.
Zur Anwendung des Fit-Algorithmus wird das Signal zuerst digitalisiert, es liegt also nur an einzelnen Zeitpunkten vor. Das optimale Signal U_diff wird beispielsweise im 1 μs-Takt abgetastet. Die Digitalisierung findet zweckmäßigerweise in Fenstern 810 statt, die sich überlappen. Dies ist schematisch in 8 dargestellt. Für jedes dieser Fenster 810 erhält man einen Messvektor M mit n Komponenten. Die Zahl n ergibt sich dabei aus der zeitlichen Länge des Fensters dividiert durch den zeitlichen Abstand der einzelnen Samples. Die Samples sollten dicht zueinander liegen. Aus der vorstehend beschriebenen analytischen Formel für F lässt sich ein Referenzvektor R ermitteln. R soll ebenfalls n Komponenten besitzen. Der Messvektor M wird nun mit dem Referenzvektor R kreuzkorreliert gemäß folgender Gleichung:
Überschreitet der Korrelationskoeffizient g_m einen definierten Wert, wird das Signal als erkannt angenommen. Diese Prozedur wird für jedes Messfenster 810 durchgeführt. Die zeitliche Position der einzelnen Messfenster 810 ist bekannt, der Auslöseimpuls der magnetostriktiven Welle dient hierfür als Bezug. Wenn weitere Parameter der Funktion F berücksichtigt werden sollen, können mehrere Referenzvektoren simultan berechnet werden. Für jeden erhält man dann einen Korrelationsvektor g. Der Größte kann ausgewählt werden. Hierdurch erhält man Informationen über weitere Fit-Parameter und kann gegebenenfalls Kompensationen durchführen.
Das vorbeschriebene Verfahren ermöglicht eine Reduktion des Rauschens durch eine höhere Auflösung. Nachdem das Signal durch mehrere Spulen abgetastet wird und es in jeder Spule angepasst wird (Fit-Algorithmus), ist durch Mittelwertbildung der verschiedenen rechnerischen Positionen eine weitere Reduktion des Rauschens möglich.
Jede Torsionswelle erzeugt am Ende des Wellenleiters Reflexionen. Je nach Dämpfung sind die Reflexionen unterschiedlich groß. Die Dämpfungswirkung wiederum ist temperaturabhängig. Die Position der Reflexion ist abhängig von der Messfrequenz, der Nennlänge und der Gruppengeschwindigkeit. Dabei gilt, dass es praktisch keine Signalbeeinflussung gibt, wenn sich das reflektierte Signal an einer anderen Position als das Nutzsignal befindet. Wenn sich das reflektierte Signal über das Nutzsignal hinwegbewegt, wird allerdings der in dem Stand der Technik beispielsweise ausgewertete Nulldurchgang deutlich verschoben. Dies wirkt sich als eine positionsabhängige Linearitätsabweichung aus. Bei dem vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren durch mehrfache Abtastung wird dieser Einfluss der Reflexion aus den vorstehend genannten Gründen deutlich geringer ausfallen.
Noch bessere Ergebnisse sind zu erwarten, wenn das reflektierte Signal auch gemessen und „verfolgt” wird. Dann lasst sich das reflektierte Signal vom gemessenen Nutzsignal subtrahieren und damit weitgehend kompensieren. Mit dieser Methode muss auf die reflektierten Signale keine Rücksicht genommen werden. Mit jedem mit Impuls entsteht eine gewünschte torsionale Welle und eine nicht gewünschte longitudinale Welle mit deutlich höherer Ausbreitungsgeschwindigkeit. Die Reflexionen der longitudinalen Welle wirken sich auf die Linearität aus. Mit Hilfe des vorbeschriebenen Verfahrens können die Auswirkungen der longitudinalen Welle deutlich reduziert werden.
Durch das vorbeschriebene Verfahren können auch unterschiedliche Bauarten von Magneten, die im Positionsgeber 120 angeordnet sind, berücksichtigt werden. Diese unterschiedlichen Magneten haben gewöhnlich einen Einfluss auf das Nutzsignal.
Auch die Reduktion des Temperaturkoeffizienten infolge der Änderung der Gruppengeschwindigkeit ist möglich. Mit der Temperatur ändert sich die Gruppengeschwindigkeit. Bei der Auswertung des Nutzsignals in mindestens zwei Spulen lässt sich aus der Änderung der Zeitdifferenz auf die geänderte Gruppengeschwindigkeit schließen. Hierfür ist allerdings eine hohe zeitliche Auflösung nötig.
Schließlich ist auch eine Reduzierung des Einflusses von Schwing-Schockstörungen, wie oben beschrieben, möglich, da diese in einem Frequenzbereich von 4 bis 20 KHz liegen, wohingegen das Nutzsignal im Bereich von 100 KHz liegt.
Auch der Einfluss äußerer Magnetfelder wird reduziert. Äußere Magnetfelder beeinflussen das Gruppensignal. Der Verlauf ist nicht mehr symmetrisch, sondern leicht geneigt. Bei dem vorbeschriebenen Verfahren wird die sich hierdurch ergebene Auswirkung geringer sein, da die Position aus mehreren Messwerten bestimmt wird.
Im Ergebnis ist festzustellen, dass mit der vorgeschlagenen Wegaufnehmervorrichtung und dem Verfahren zur Positionsbestimmung eine Signalauswertung mit geringeren Materialkosten bei gleichzeitig deutlich verbesserten Messergebnissen realisierbar ist. Es ergibt sich eine höhere Auflösung, ein geringeres Rauschen, eine höhere Abtastrate, ein geringerer Einfluss von Positionsgebermagneten und ein verbessertes Schwing-Schockverhalten. Die Signalauswertung kann sehr vorteilhaft durch ein Computerprogramm implementiert werden, das leicht in der entsprechenden Auswerteinrichtung auch nachgerüstet werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3898555 A [0002]
DE 3343410 A1 [0003]
DE 10164121 A1 [0005]
DE 102010008495 [0006]

Claims

Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung zur Erfassung des Wegs eines Positionsgebers (120) umfassend einen als Wellenleiter (101) ausgebildeten Messfühler, einen relativ zum Messfühler beweglichen Positionsgeber (120) und einen nahe dem einen Ende des Messfühlers angeordneten Signalwandler, dessen Ausgangssignale auswertbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalwandler wenigstens zwei in einem vorgegebenen Abstand (d) zueinander an dem Messfühler (101) angeordnete Spulen (410, 420) umfasst.
Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) zwischen den Spulen (410, 420) 12 bis 16 mm beträgt.
Wegaufnehmervorrichtung, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Subtraktion der Ausgangssignale der beiden Spulen (410, 420) in der Auswerteeinrichtung als Maß für die Position des Positionsgebers (120) relativ zum Messfühler (101) ein Differenzsignal (U_diff) gebildet wird.
Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzsignal (U_diff) in der Auswerteeinrichtung durch einen Fit-Algorithmus approximierbar ist und dass die Position des Positionsgebers (120) relativ zum Messfühler (101) aus dem mit Hilfe des Fit-Algorithmus gefundenen zeitlichen Verlauf der das Differenzsignal (U_diff) charakterisierenden Funktion ermittelbar ist.
Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder von Bewegungsgrößen eines Positionsgebers (120) bei einer magnetostriktiven Wegaufnehmervorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale eines durch wenigstens zwei in einem vorgegebenen Abstand (d) zueinander angeordneten Spulen (410, 420) gebildeten Signalwandlers voneinander subtrahiert werden und aufgrund des zeitlichen Verlaufs des Differenzsignals (U_diff) auf die Position und/oder die Bewegungsgrößen des Positionsgebers (120) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Approximation des Differenzsignals (U_diff) mit Hilfe eines Fit-Algorithmus gemäß folgender Gleichung vorgenommen wird. F = F_einzel(1) – F_einzel(2) + F_einzel(3) – F_einzel(4) mit F_einzel(i) = A_iexp(–b(t – a_pos – a_vi)²)sin(ω₀(t – a_pos – a_vi)) wobei A_i eine Amplitude, b ein Dämpfungsfaktor, a_pos eine Konstante, a_vi den Abstand der Einzelsignale zueinander und ω₀ die Signalfrequenz charakterisierende Größen bedeuten.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinrichtung aus der Formel F ein Referenzvektor R ermittelt wird, der mit einem Messvektor M kreuzkorreliert wird gemäß folgender Formel:
und dass dann, wenn der Korrelationskoeffizient g_m einen vorgebbaren Wert überschreitet, das Signal als erkannt charakterisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Messfenster (810) vorgegeben werden und dass die vorstehenden Schritte für jedes vorgebbare Messfenster (810) durchgeführt werden, wobei die zeitliche Position der einzelnen Messfenster (810) durch einen Auslöseimpuls einer in dem Wellenleiter ausgebildeten magnetostriktiven Welle definiert wird.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8 ausführt, wenn es auf einem Computer abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.