DE10216635A1

DE10216635A1 - Bewegungsdetektor nach dem Ferrarisprinzip

Info

Publication number: DE10216635A1
Application number: DE10216635A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Daalmans; Roland Finkler; Viktor Wesselak
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2022-04-16
Also published as: DE10216635B4; US6851318B2; US20030193396A1

Abstract

Bei einem Bewegungsdetektor nach dem Ferrarisprinzip beaufschlagt ein Anregungselement (6) ein Induktionselement (2) mit einem inhomogenen, zeitveränderlichen magnetischen Wechselfeld. Dadurch wird bei einer Bewegung des Induktionselements (2) in diesem ein Wirbelstrom (10) induziert, dessen zeitliche Änderungen sowohl geschwindigkeits- als auch beschleunigungsabhängig sind. Ein Sensorelement (11) erfasst die Änderungen und führt sie einer Signalaufbereitungsschaltung (4) zu. Diese ermittelt mindestens ein geschwindigkeits- oder beschleunigungsproportionales Nutzsignal (M1, N2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bewegungsdetektor nach dem Ferrarisprinzip, mit einer Anregungsanordnung, einem elektrisch leitfähigen Induktionselement und einer Sensoranordnung.

Derartige Bewegungsdetektoren sind allgemein bekannt. Bei ihnen weist die Anregungsanordnung mindestens ein Anregungselement auf, mittels dessen das Induktionselement mit einem inhomogenen Magnetfeld beaufschlagbar ist. Bei einer Bewegung des Induktionselements wird dadurch aufgrund der Bewegung und des Magnetfeldes im Induktionselement ein Wirbelstrom induziert. Die Sensoranordnung weist mindestens ein Sensorelement auf, mittels dessen mindestens ein Messsignal erfassbar ist, das proportional zu Änderungen des in dem Induktionselement induzierten Wirbelstroms ist.

Bezüglich der Anregung durch das Anregungselement sind im wesentlichen zwei Verfahren bekannt.

Zum einen ist - z. B. aus der DE 37 30 841 A1 oder dem DE 298 13 276 U1 - bekannt, das Induktionselement durch das Anregungselement mit einem zwar inhomogenen, aber zeitkonstanten Magnetfeld zu beaufschlagen. In diesem Fall hängen Änderungen des Wirbelstroms ausschließlich von der Beschleunigung des Induktionselements ab. Auch das von dem Sensorelement erfasste Messsignal ist also proportional zur Beschleunigung des Induktionselements.

Es ist weiterhin bekannt, das Induktionselement mittels des Anregungselements mit einem inhomogenen, zeitveränderlichen magnetischen Wechselfeld zu beaufschlagen. Hierzu wird auf G. Behr: Wechselstrom-Tachometermaschinen nach dem Ferrarisprinzip, Zmsr Heft 8, 1959, Seiten 355 bis 360, und E. Habiger: Grundlagen für die Bemessung der Ferrarismaschine als regelungstechnisches Bauelement, Elektrie Heft 6 (1964), Seiten 170 bis 178 verwiesen. In diesem Fall hängen zeitliche Änderungen des Wirbelstroms sowohl von der Geschwindigkeit als auch von der Beschleunigung des Induktionselements ab. Durch entsprechende Dimensionierung, insbesondere geeignete Wahl der Anregungsfrequenz, kann dabei gewährleistet werden, dass das Messsignal vom Geschwindigkeitsanteil dominiert wird. Ein Beschleunigungsanteil ist aber immer enthalten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Bewegungsdetektor nach dem Ferrarisprinzip zu schaffen, bei dem das Induktionselement von der Anregungsanordnung mit einem zeitveränderlichen magnetischen Wechselfeld beaufschlagbar ist und von dem ein Nutzsignal abgebbar ist, das zur Geschwindigkeit oder zur Beschleunigung des Induktionselements (tatsächlich) proportional ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Messsignal einer Signalaufbereitungsschaltung zugeführt wird, mittels derer anhand des Messsignals mindestens ein Nutzsignal ermittelbar ist, das entweder zur Geschwindigkeit oder zur Beschleunigung des Induktionselements proportional ist. Die Geschwindigkeit und die Beschleunigung können dabei wahlweise translatorische oder rotatorische Größen sein.

Wenn das magnetische Wechselfeld eine Grundfrequenz aufweist, ist die Ermittlung des Nutzsignals besonders einfach. Dies gilt ganz besonders dann, wenn das magnetische Wechselfeld sinus- oder rechteckförmig ist.

Im letzteren Fall ist die Auswertung noch einfacher, wenn das magnetische Wechselfeld pro Periode während mindestens eines Zeitraums einen konstanten, von Null verschiedenen Wert aufweist und der Zeitraum größer als eine Anstiegs- bzw. Abklingzeit für eine durch eine Änderung des magnetischen Wechselfeldes verursachte Änderung des induzierten Wirbelstromes ist. Denn dann ist das Messsignal selbst zumindest kurz vor dem Ende des genannten Zeitraums direkt proportional zur Beschleunigung des Induktionselements.

Wenn die Signalaufbereitungsschaltung mindestens einen Demodulator aufweist, dem das Messsignal und ein Demodulationssignal zuführbar sind, das Demodulationssignal mit der Grundfrequenz sinusförmig ist und das Nutzsignal aus einem Ausgangssignal des Demodulators ermittelt wird, weist das Nutzsignal ein besonders gutes Signal-Rausch-Verhältnis auf.

Die Signalqualität kann dadurch noch erhöht werden, dass die Signalaufbereitungsschaltung ein Tiefpassfilter aufweist, das dem Demodulator nachgeordnet ist, und das Nutzsignal dem tiefpassgefilterten Ausgangssignal des Demodulators entspricht.

Wenn das Demodulationssignal gegenüber dem magnetischen Wechselfeld um ein ganzzahliges Vielfaches einer Viertelperiode phasenversetzt ist, kann - je nach Phasenversatz - anhand des Messsignals alternativ die Beschleunigung oder die Geschwindigkeit des Induktionselements ermittelt werden.

Es ist sogar möglich, dass das Nutzsignal zur Beschleunigung des Induktionselements proportional ist und mittels der Signalaufbereitungsschaltung ein weiteres, mit der Geschwindigkeit des Induktionselements korreliertes Nutzsignal ermittelt wird. Dies bietet den Vorteil, dass sowohl die Beschleunigung als auch die Geschwindigkeit für weitere Signalverarbeitungen, insbesondere für entsprechende Regelungen, zur Verfügung stehen.

Das weitere Nutzsignal kann von der Signalaufbereitungsschaltung aus dem Messsignal abgeleitet sein. Bei der Anwendung eines rechteckförmigen magnetischen Wechselfeldes ergibt sich z. B. kurz vor dem Pegelwechsel ein beschleunigungsproportionales Messsignal, dem beim und kurz nach dem Pegelwechsel ein Geschwindigkeitsanteil beigemischt ist. In diesem Fall ist das weitere Nutzsignal tatsächlich (nur) mit der Geschwindigkeit des Induktionselements korreliert. Alternativ ist beispielsweise aber auch möglich, das Messsignal in zwei unabhängigen Aufbereitungszweigen einmal mit einem Phasenversatz Null und einmal mit einem Phasenversatz von einer Viertelperiode zu demodulieren. In diesem Fall ist eines der beiden ermittelten Nutzsignale zur Geschwindigkeit und das andere zur Beschleunigung des Induktionselements proportional.

Es ist aber auch möglich, dass das weitere Nutzsignal von der Signalaufbereitungsschaltung aus mindestens einem weiteren Messsignal abgeleitet wird, das von mindestens einem weiteren Sensorelement der Sensoranordnung erfasst wird.

Wenn das weitere Sensorelement und das erstgenannte Sensorelement unterschiedlich ausgebildet sind, können die Sensorelemente bezüglich des von ihnen jeweils zu ermittelnden Nutzsignals optimiert werden.

Wenn die Anregungsanordnung mindestens ein weiteres Anregungselement aufweist, mittels dessen das Induktionselement mit einem weiteren inhomogenen, zeitveränderlichen magnetischen Wechselfeld beaufschlagbar ist, ist auch der im Induktionselement induzierte Wirbelstrom bezüglich der jeweils zu ermittelnden Nutzsignale optimierbar. Dies gilt ganz besonders wieder dann, wenn die Anregungselemente unterschiedlich zueinander ausgebildet sind.

Eine noch weitergehende Optimierung auf das jeweilige Nutzsignal ergibt sich, wenn das magnetische Wechselfeld des weiteren Anregungselements eine Grundfrequenz aufweist, die von der Grundfrequenz des magnetischen Wechselfelds des erstgenannten Anregungselements verschieden ist.

Die magnetischen Wechselfelder der Anregungselemente können aber auch die gleiche Grundfrequenz, zueinander aber einen Phasenversatz aufweisen. Insbesondere ist es in diesem Fall möglich, dass das Nutzsignal, gegebenenfalls auch das weitere Nutzsignal aus einer Linearkombination der Messsignale ermittelt wird bzw. werden. Die Ermittlung gestaltet sich dabei wieder besonders einfach, wenn der Phasenversatz ein ganzzahliges Vielfaches einer Viertelperiode ist.

Eine weitere Möglichkeit, ein Nutzsignal zu ermitteln, das zur Beschleunigung des Induktionselements proportional ist, besteht darin, dass das Messsignal bereits im wesentlichen geschwindigkeitsproportional ist, mittels der Signalaufbereitungsschaltung differenzierbar ist und das differenzierte Messsignal mittels der Signalaufbereitungsschaltung bandbegrenzbar ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung

Fig. 1 einen Bewegungsdetektor nach dem Ferrarisprinzip in der Seitenansicht,

Fig. 2 den Bewegungsdetektor von Fig. 1 in der Draufsicht,

Fig. 3 eine Signalaufbereitungsschaltung,

Fig. 4 und 5 weitere Bewegungsdetektoren nach dem Ferrarisprinzip,

Fig. 6 ein Signaldiagramm,

Fig. 7 und 8 weitere Bewegungsdetektoren nach dem Ferrarisprinzip und

Fig. 9 eine weitere Signalaufbereitungsschaltung.

Gemäß den Fig. 1 und 2 weist ein Bewegungsdetektor nach dem Ferrarisprinzip eine Anregungsanordnung 1, ein Induktionselement 2, eine Sensoranordnung 3 und eine Signalaufbereitungsschaltung 4 auf. Das Induktionselement 2 besteht aus nicht magnetischem, elektrisch leitfähigem Material, z. B. aus Kupfer. Es ist gemäß den Fig. 1 und 2 um eine Drehachse 5drehbar. Bei dem Bewegungsdetektor gemäß den Fig. 1 und 2 führt das Induktionselement 2 also eine rotatorische Bewegung aus. Prinzipiell könnte es aber auch eine translatorische Bewegung ausführen.

Gemäß den Fig. 1 und 2 weist die Anregungsanordnung 1 ein Anregungselement 6 auf. Das Anregungselement 6 ist gemäß Fig. 1 als Spule 6 ausgebildet, deren Magnetfeld durch einen U-förmigen Spulenkern 7 verstärkt und gerichtet wird. Die Schenkel des Spulenkerns 7 sind bei der Darstellung gemäß Fig. 2 links und rechts der Linie 8 angeordnet. Das Anregungselement 6 ist ferner in Fig. 2 gestrichelt dargestellt.

Das Anregungselement 6 wird aus einer Stromquelle 9 mit einem Strom I beaufschlagt, dessen zeitlicher Wert sich gemäß cos 2 πft ändert. f ist dabei die Grundfrequenz des Stromes I, t die Zeit.

Das Induktionselement 2 wird mittels des Anregungselements 6 somit mit einem inhomogenen, zeitveränderlichen magnetischen Wechselfeld beaufschlagt. Das Wechselfeld ändert sich dabei mit der Grundfrequenz f. Sein Verlauf entspricht einem offsetfreien Sinus (bzw. Cosinus). Bei einer Bewegung des Induktionselements 2 mit einer Winkelgeschwindigkeit ω werden somit aufgrund der Bewegung und aufgrund des magnetischen Wechselfeldes im Induktionselement 2 Wirbelströme 10 induziert. Die Größe der Wirbelströme 10 hängt vom Produkt des Magnetfeldes und der Winkelgeschwindigkeit ω ab. Änderungen der Wirbelströme 10 hängen somit sowohl von der Winkelgeschwindigkeit ω als auch von einer Winkelbeschleunigung α des Induktionselements 2 ab.

Die Sensoranordnung 3 weist ein Sensorelement 11 auf, mittels dessen ein Messsignal U erfasst wird. Das Sensorelement 11 ist gemäß Fig. 1 als Spule 11 ausgebildet. Das Messsignal ist proportional zu den Änderungen der Wirbelströme 10, die im Induktionselement 2 induziert werden. Seine Empfindlichkeit auf Wirbelstromänderungen wird durch einen - nicht mit dargestellten - Spulenkern erhöht. Das Sensorelement 11 ist in Fig. 2 durch die strichpunktierte Linie dargestellt.

Das Signal U des Sensorelements 11 weist die Funktionalität

U = k1 α cos - k2 ω sin (1)

auf. k1 und k2 sind dabei Proportionalitätskonstanten. In der oben stehenden Formel wurde ferner das Argument 2 πft bei der Cosinus- und der Sinusfunktion weggelassen, um die Lesbarkeit der Formel zu verbessern.

Das Messsignal U (d. h. die im Sensorelement 11 induzierte Spannung U) wird der Signalaufbereitungsschaltung 4 zugeführt. Diese ermittelt dann anhand des Messsignals U Nutzsignale N1, N2. Das Nutzsignal N1 ist proportional zur Winkelbeschleunigung α, das Nutzsignal N2 proportional zur Winkelgeschwindigkeit ω des Induktionselements 2. Die Ermittlung der Nutzsignale N1, N2 wird nachstehend in Verbindung mit Fig. 3 näher erläutert.

Gemäß Fig. 3 weist die Signalaufbereitungsschaltung 4 zwei Demodulatoren 12 und zwei Tiefpassfilter 13 auf. Die Tiefpassfilter 13 sind dabei ersichtlich den Demodulatoren 12 nachgeordnet. Das Messsignal U wird gemäß Fig. 3 den Demodulatoren 12 zugeführt. Den Demodulatoren 12 werden ferner Demodulationssignale zugeführt, die mit der Grundfrequenz f sinusförmig sind. Der Phasenversatz der Demodulationssignale zum magnetischen Wechselfeld beträgt dabei bei dem oberen Demodulator 12 Null, bei dem unteren Demodulator 12 eine Viertelperiode.

An den Ausgängen der Demodulatoren 12 stehen somit Signale an, die einerseits einen niederfrequenten Anteil enthalten, der proportional zur Winkelbeschleunigung α bzw. zur Winkelgeschwindigkeit ω ist, andererseits aber noch einen hochfrequenten Anteil enthalten. Die hochfrequenten Anteile werden mittels der Tiefpassfilter 13 ausgefiltert. Die Tiefpassfilter 13 weisen hierzu eine Grenzfrequenz auf, so dass die Ausgangssignale der Demodulatoren 12 mittels der Tiefpassfilter 13 im Ergebnis über mindestens eine halbe Periode der Grundfrequenz f gemittelt werden. Damit stehen an den Ausgängen der Tiefpassfilter 13 direkt die Nutzsignale N1, N2 zur Verfügung, die proportional zur Winkelbeschleunigung α bzw. der Winkelgeschwindigkeit ω sind.

Wenn die Demodulationssignale, die den Demodulatoren 12 zugeführt werden, rein sinusförmig sind, kommt es auf den exakten zeitlichen Verlauf des magnetischen Wechselfeldes nicht mehr an. Denn unabhängig von der genauen Form wird durch die Demodulatoren 12 die Grundfrequenz f mit der Phasenlage sinus bzw. cosinus ausgefiltert. Es ist also bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 3 möglich, dass das magnetische Wechselfeld andere zeitliche Feldverläufe aufweist, insbesondere z. B. sägezahnförmig oder rechteckförmig ist.

Die oben stehend in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 beschriebene Grundform der vorliegenden Erfindung arbeitet bereits recht gut. Sie kann aber noch durch weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbessert werden.

So weist die Sensoranordnung 3 gemäß Fig. 4 beispielsweise vier Sensorelemente 11 auf, die in Winkeln von 90° relativ zur Drehachse 5 gegeneinander versetzt sind. Jedem Sensorelement 11 ist ein eigenes Anregungselement 6 zugeordnet. Die Sensorelemente 11 sind dabei in Fig. 4 wieder strichpunktiert eingezeichnet, die Anregungselemente 6 gestrichelt.

Die magnetischen Wechselfelder einander gegenüberliegender Anregungselemente weisen die gleiche Grundfrequenz f1 auf, sind aber um eine halbe Periode gegeneinander phasenversetzt. Die Messsignale U1, U3 der korrespondierenden Sensorelemente 11 werden daher einem Differenzverstärker 14 zugeführt. Durch diese Differenzbildung können symmetrische Fehler eliminiert werden, die z. B. durch eine homogene Durchsetzung mit einem Störsignal hervorgerufen sind. Dem Differenzverstärker 14 ist wieder ein Demodulator 12 nachgeordnet, dem ein Demodulationssignal zugeführt wird, das gegenüber dem magnetischen Wechselfeld einen Phasenversatz von Null aufweist. Am Ausgang dieses Demodulators 12 bzw. am Ausgang des dem Demodulator 12 nachgeordneten Tiefpassfilters 13 steht somit wieder das Nutzsignal N1 an, das proportional zur Winkelbeschleunigung α ist.

Der andere Anregungs- und Messzweig ist prinzipiell gleichartig aufgebaut. Die Anregungselemente 6 generieren aber magnetische Wechselfelder, die eine Grundfrequenz f2 aufweisen. Diese Grundfrequenz f2 kann von der Grundfrequenz f1 verschieden sein. Auch können die Anregungselemente 6, die mit der Grundfrequenz f2 magnetische Wechselfelder erzeugen, unterschiedlich zu den Anregungselementen 6 ausgebildet sein, welche die magnetischen Wechselfelder mit der Grundfrequenz f1 erzeugen. Dies ist in Fig. 4 dadurch angedeutet, dass die gestrichelten Linien für diese Anregungselemente 6 anders geführt sind als für die Anregungselemente 6, die mit der Grundfrequenz f1 magnetische Wechselfelder generieren.

Auch die Sensorelemente 11, welche der Ermittlung des Nutzsignals N2 dienen, können auch anders ausgebildet sein als die Sensorelemente 11, welche der Ermittlung des Nutzsignals N1 dienen. Es ist somit eine Optimierung der Anordnung für die Ermittlung des geschwindigkeitsproportionalen Nutzsignals N2 unabhängig von der Optimierung der Anordnung für die Ermittlung des beschleunigungsproportionalen Nutzsignals N1 möglich.

Zwischen der Ausführungsform gemäß Fig. 4 und der Grundform gemäß den Fig. 1 bis 3 sind auch Zwischenformen möglich. So können insbesondere nur zwei Anregungselemente 6 und zwei Sensorelemente 11 vorgesehen sein. In diesem Fall können entweder (durch Differenzbildung) symmetrische Fehler eliminiert werden oder aber die Ermittlung der Nutzsignale N1, N2 in voneinander unabhängigen Anregungs- und Messzweigen erfolgen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 5 und 6 sind zwei Anregungselemente 6 und zwei, dem jeweiligen Anregungselement 6 zugeordnete Sensorelemente 11 vorhanden. Die Anregungselemente 6 werden gemäß Fig. 6 mit Strömen I1, I2 beaufschlagt, welche im wesentlichen einen offsetfreien rechteckförmigen Verlauf aufweisen. Für die erste Hälfte jeder Periode weisen der Strom I1 bzw. der Strom I2 also den Stromwert +I0 auf, für die zweite Hälfte der Periode den Wert -I0. Die von den Anregungselementen 6 generierten magnetischen Wechselfelder korrespondieren in etwa mit den Strömen I1, I2.

So lange der Strom I1 konstant ist, ist das Messsignal U1 des korrespondierenden Sensorelements 11 im wesentlichen proportional zur Winkelbeschleunigung α. Beim Wechsel des Stroms I1 vom Stromwert +I0 zum Stromwert -I0 oder umgekehrt hingegen umfasst das Messsignal U1 im wesentlichen nur einen Anteil, der geschwindigkeitsabhängig ist.

Der geschwindigkeitsabhängige Teil des Messsignals U1 klingt nach einer Abklingzeit T wieder auf Null ab. Von diesem Zeitpunkt bis zum erneuten Pegelwechsel des Stromes I1 ist das Messsignal U1 direkt proportional zur Winkelbeschleunigung α. Das Nutzsignal N1 ist also in diesem Zeitraum identisch mit dem Messsignal U1. Durch geeignete Wahl der Grundfrequenz f kann somit gewährleistet werden, dass das Nutzsignal N1 zumindest zeitweise, nämlich insbesondere kurz vor dem Umschalten bzw. beispielsweise auch in der Mitte zwischen zwei Umschaltpunkten, direkt ermittelt werden kann.

Aufgrund des schnellen Umschaltens zu den Umschaltzeitpunkten ist das Messsignal U1 zu diesen Zeitpunkten im wesentlichen geschwindigkeitsproportional. Der geringe beschleunigungsabhängige Anteil ist dabei in aller Regel vernachlässigbar, da der Übergang sehr schnell erfolgt. Zu diesen Zeitpunkten ist somit aus dem Messsignal U1 direkt die Winkelgeschwindigkeit ω ermittelbar.

Das oben stehend in Verbindung mit dem Strom I1 und dem Messsignal U1 Gesagte gilt analog auch für den Strom I2 und das Messsignal U2. Der Strom I2 ist aber gegenüber dem Strom I1 um eine Viertelperiode phasenversetzt. Auch das Messsignal U2 ist damit gegenüber dem Messsignal U1 um eine Viertelperiode phasenversetzt. Durch entsprechendes Ausgeben der Messsignale U1, U2 als Nutzsignale N1, N2 zu jedem Zeitpunkt, zu dem einer der Ströme I1, I2 seinen Pegel wechselt, stehen somit sowohl die Winkelgeschwindigkeit ω als auch die Winkelbeschleunigung α mit einer Rate zur Verfügung, die dem Vierfachen der Grundfrequenz f der Ströme I1, I2 entspricht. Das der Winkelbeschleunigung α proportionale Nutzsignal N1 kann gegebenenfalls sogar kontinuierlich ausgegeben werden.

In Fig. 7 ist eine Ausführungsform des Bewegungsdetektors dargestellt, die zwei Anregungselemente 6 und zwei diesen zugeordnete Sensorelemente 11 aufweist. Die Anregungselemente 6 beaufschlagen das Induktionselement 2 mit magnetischen Wechselfeldern, welche die gleiche Grundfrequenz f aufweisen, aber um einen Phasenversatz gegeneinander versetzt sind, der einer Viertelperiode der Grundfrequenz f entspricht. Für die Messsignale U1, U2 ergeben sich dann folgende Abhängigkeiten:

U1 = k1 α cos - k2 ω sin und (2)

U2 = k1 α sin + k2 ω cos. (3)

Durch die gegeneinander phasenversetzten magnetischen Wechselfelder ist es somit möglich, durch geeignete Linearkombinationen zu jedem Zeitpunkt aus den Messsignalen U1, U2 die momentane Winkelgeschwindigkeit ω und die momentane Winkelbeschleunigung α zu ermitteln. Insbesondere gilt zu jedem (!) Zeitpunkt t (also insbesondere auch ohne zeitliche Mittelung):

k1 α = U1 cos + U2 sin und (4)

k2 ω = -U1 sin + U2 cos. (5)

Fig. 8 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform von Fig. 7 mit vier Sensorelementen 11. Bei dieser Modifikation sind die Anregungselemente 6 über Kreuz angeordnet. Die Sensorelemente 11 übergreifen je zwei unmittelbar benachbarte Ausleger der Anregungselemente 6. In diesem Fall gelten für die Messsignale U1 bis U4 die Bedingungen

U1 = k1 α (cos - sin) - k2 ω (cos + sin), (6)

U2 = k1 α (cos + sin) + k2 ω (cos - sin), (7)

U3 = -U1 und (8)

U4 = -U2. (9)

Somit ergeben sich die Winkelbeschleunigung α und die Winkelgeschwindigkeit ω durch die Gleichungen

k1 α = (cos - sin)(U1 - U3) + (cos + sin)(U2 - U4) und (10)

k2 ω = -(cos + sin)(U1 - U3) + (cos - sin)(U2 - U4). (11)

Die Vorgehensweise gemäß Fig. 8 ist somit technisch aufwendiger aus die Vorgehensweise gemäß Fig. 7. Durch die Differenzbildung können aber - wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 - symmetrische Fehler wieder eliminiert werden.

Fig. 9 zeigt eine letzte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist durch geeignete, aus dem Stand der Technik bekannte Dimensionierung gewährleistet, dass das Messsignal U im wesentlichen proportional zur Winkelgeschwindigkeit ω ist, wenn auch ein Restanteil von der Beschleunigung α des Induktionselements 2 abhängt. Das Messsignal U wird gemäß Fig. 9 einem Differenzierer 15 zugeführt. Dieser differenziert das Messsignal U. Das differenzierte Messsignal U' wird einem nachgeordneten Tiefpassfilter 16 zugeführt. Dieses Filter 16 bewirkt, dass das differenzierte Messsignal U' unterhalb einer Grenzfrequenz im wesentlichen proportional zur Winkelbeschleunigung α ist.

Der Differenzierer 15 und das Tiefpassfilter 16 können in bekannter Weise - auch in einem gemeinsamen Block - realisiert sein.

Mittels der erfindungsgemäßen Bewegungsdetektoren ist somit auf einfache Weise mindestens ein Nutzsignal N1 ermittelbar, das trotz Anregung mit einem zeitveränderlichen magnetischen Wechselfeld rein proportional zur Winkelgeschwindigkeit ω bzw. rein proportional zur Winkelbeschleunigung α ist. Dabei ist - insbesondere für die Winkelbeschleunigung α - wegen der Modulation mit der Grundfrequenz f, f1 ein erheblich besseres Signal-Rausch-Verhältnis erreichbar als mit einer zeitunveränderlichen magnetischen Anregung.

Claims

1. Bewegungsdetektor nach dem Ferrarisprinzip, mit einer Anregungsanordnung (1), einem elektrisch leitfähigen Induktionselement (2), einer Sensoranordnung (3) und einer Signalaufbereitungsschaltung (4),
wobei die Anregungsanordnung (1) mindestens ein Anregungselement (6) aufweist, mittels dessen das Induktionselement (2) mit einem inhomogenen, zeitveränderlichen magnetischen Wechselfeld beaufschlagbar ist,
wobei bei einer Bewegung des Induktionselements (2) in dem Induktionselement (2) aufgrund der Bewegung und des magnetischen Wechselfeldes ein Wirbelstrom (10) induzierbar ist, dessen zeitliche Änderungen sowohl von einer Geschwindigkeit (ω) als auch von einer Beschleunigung (α) des Induktionselements (2) abhängig sind,
wobei die Sensoranordnung (3) mindestens ein Sensorelement (11) aufweist, mittels dessen mindestens ein Messsignal (U, U1 bis U4) erfassbar ist, das proportional zu Änderungen des in dem Induktionselement (2) induzierten Wirbelstroms (10) ist,
wobei das Messsignal (U, U1 bis U4) der Signalaufbereitungsschaltung (4) zuführbar ist,
wobei mittels der Signalaufbereitungsschaltung (4) anhand des Messsignals (U, U1 bis U4) mindestens ein Nutzsignal (N1, N2) ermittelbar ist, das entweder zur Geschwindigkeit (ω) oder zur Beschleunigung (α) des Induktionselements (2) proportional ist.

2. Bewegungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wechselfeld eine Grundfrequenz (f, f1, f2) aufweist.

3. Bewegungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wechselfeld sinusförmig ist.

4. Bewegungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wechselfeld im wesentlichen rechteckförmig ist.

5. Bewegungsdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wechselfeld pro Periode während mindestens eines Zeitraums einen konstanten, von Null verschiedenen Wert aufweist und dass der Zeitraum größer als eine Anstiegs- bzw. Abklingzeit (T) für eine durch eine Änderung des magnetischen Wechselfeldes verursachte Änderung des induzierten Wirbelstroms ist.

6. Bewegungsdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungsschaltung (4) mindestens einen Demodulator (12) aufweist, dem das Messsignal (U, U1 bis U4) und ein Demodulationssignal zuführbar sind, dass das Demodulationssignal mit der Grundfrequenz (f, f1, f2) sinusförmig ist und dass das Nutzsignal (N1, N2) aus einem Ausgangssignal des Demodulators (12) ermittelt wird.

7. Bewegungsdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungsschaltung (4) ein Tiefpassfilter (13) aufweist, das dem Demodulator 12 nachgeordnet ist, und dass das Nutzsignal (N1, N2) dem tiefpassgefilterten Ausgangssignal (11) des Demodulators (12) entspricht.

8. Bewegungsdetektor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Demodulationssignal gegenüber dem magnetischen Wechselfeld um ein ganzzahliges Vielfaches einer Viertelperiode phasenversetzt ist.

9. Bewegungsdetektor nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nutzsignal (N1) zur Beschleunigung (α) des Induktionselements (2) proportional ist und dass mittels der Signalaufbereitungsschaltung (4) ein weiteres Nutzsignal (N2) ermittelbar ist, das mit der Geschwindigkeit (ω) des Induktionselements (2) korreliert ist.

10. Bewegungsdetektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Nutzsignal (N2) von der Signalaufbereitungsschaltung (4) aus dem Messsignal (U) ableitbar ist.

11. Bewegungsdetektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Nutzsignal (N2) von der Signalaufbereitungsschaltung (4) aus mindestens einem weiteren Messsignal (U2, U4) ableitbar ist, das von mindestens einem weiteren Sensorelement (11) der Sensoranordnung (3) erfassbar ist.

12. Bewegungsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Sensorelement (11) und das erstgenannte Sensorelement (11) unterschiedlich ausgebildet sind.

13. Bewegungsdetektor nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsanordnung (1) mindestens ein weiteres Anregungselement (6) aufweist, mittels dessen das Induktionselement (2) mit einem weiteren inhomogenen, zeitveränderlichen magnetischen Wechselfeld beaufschlagbar ist.

14. Bewegungsdetektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Anregungselement (6) und das erstgenannte Anregungselement (6) unterschiedlich ausgebildet sind.

15. Bewegungsdetektor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wechselfeld des weiteren Anregungselements (6) eine Grundfrequenz (f2) aufweist, die von der Grundfrequenz (f1) des magnetischen Wechselfelds des erstgenannten Anregungselements (6) verschieden ist.

16. Bewegungsdetektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Wechselfelder der Anregungselemente (6) die gleiche Grundfrequenz (f), zueinander aber einen Phasenversatz aufweisen.

17. Bewegungsdetektor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Nutzsignal (N1), gegebenenfalls auch das weitere Nutzsignal (N2), aus einer Linearkombination der Messsignale (U1 bis U4) ermittelt wird bzw. werden.

18. Bewegungsdetektor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenversatz ein ganzzahliges Vielfaches einer Viertelperiode ist.

19. Bewegungsdetektor nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (U) im wesentlichen geschwindigkeitsproportional ist, dass das Messsignal (U) mittels der Signalaufbereitungsschaltung (4) differenzierbar ist und dass das differenzierte Messsignal (U') mittels der Signalaufbereitungsschaltung (4) bandbegrenzbar ist.

20. Bewegungsdetektor nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (3) als Spulenanordnung (3) ausgebildet ist.

21. Bewegungsdetektor nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsanordnung (1) als Spulenanordnung (1) ausgebildet ist.