DE19754524A1 - Wegsensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wegsensor zur Erfassung der
Stellung zweier relativ zueinander beweglicher Teile,
wobei dem ersten Teil wenigstens ein Sensor und dem zwei
ten Teil in Bewegungsrichtung eine Abfolge von Markierun
gen zugeordnet ist, die in deckungsgleicher Lage mit
einem Sensor diesen auslösen.
Wegsensoren werden überall dort benötigt, wo es aus rege
lungstechnischen Gründen erforderlich ist, die Stellung
zweier zueinander beweglicher Teile exakt zu erfassen.
Gewöhnlich werden dabei auf einem Maßstab in
gleichbleibenden Abständen Markierungen angebracht, die
optisch, elektrisch-kapazitiv, magnetisch oder mit einem
anderen Verfahren erkannt werden. Beim relativen
Verschieben der entsprechenden Sensoren zählen diese die
vorbeistreichenden Markierungen. Auf diese Weise erhält
man einen inkrementalen Wegsensor, der aber nicht in der
Lage ist, die Absolutposition zu bestimmen. Hierzu sind
zusätzliche Referenzmarkierungen erforderlich, die als
absolute Bezugspunkte erkannt werden können, von denen
aus dann relativ die Wegmarkierungen gezählt werden.
Beispielsweise ist es bekannt, eine hydraulische Kolben
stange aus magnetischem Material mit einem Feingewinde zu
versehen, das zur Glättung mit einem nicht magnetischen
Material gefüllt ist. Die Gänge des Feingewindes bilden
dabei die einzelnen Markierungen. Ein magnetischer Sen
sor, der z. B. magnetoresistiv oder als Hallsensor ausge
bildet ist, erfaßt beim Verschieben der Kolbenstange die
Anzahl der an ihm vorbeibewegten Gewindegänge, wobei der
Verschiebeweg gleich dem Produkt aus der Anzahl der Akti
vierungen des Sensors mal der Gewindesteigung ist. Ist
eine derartig markierte Kolbenstange in einem ringförmi
gen Lager geführt, ist es bekannt, auf dessen Umfang
mehrere magnetische Sensoren anzuordnen, die beim Ver
schieben der Kolbenstange mit einer gewissen Phasenver
schiebung auf die vorbeilaufenden Gewindegänge reagieren.
Durch diese Anordnung ist eine Steigerung der Auflösung
des inkrementalen Wegsensors möglich. Die Auflösung ent
spricht dabei der Steigung des Gewindes dividiert durch
die Anzahl der Sensoren auf dem Umfang. Aus der Reihen
folge des Ansprechens der Sensoren läßt sich bei dieser
Anordnung auch ein Rückschluß auf die Bewegungsrichtung
ziehen.
Bei einem derartigen Wegsensor werden z. B. Markierungen
im Gewinde eingebracht, die als Referenzposition erkannt
werden können. Jede zusätzliche Referenzmarkierung bedeu
tet jedoch einen erhebliche erhöhten Aufwand bei der Her
stellung und Auswertung des Wegsensors.
Problematisch bei derartigen Lösungen ist, daß nach einem
Bewegen der Kolbenstange im ausgeschalteten Zustand des
Wegsensors die Absolutposition nach dem Wiedereinschalten
zunächst unbekannt ist. Wird ein Wegsensor der zuvor be
schriebenen Art beispielsweise in Stoßdämpfer oder Feder
beine von Kraftfahrzeugen integriert, um mit Hilfe seiner
Meßwerte eine Niveauregulierung des Fahrzeuges oder eine
Leuchweitenregulierung zu beeinflussen, besteht das Pro
blem, daß nach dem Beladen eines Fahrzeuges bei ausge
schalteter Spannungsversorgung des Wegsensors beim Star
ten des Fahrzeuges eine völlig falsche Position angenom
men wird und die nach dem falsch angenommenen Absolutwert
einregulierten Scheinwerfer andere Verkehrteilnehmer
stark blenden. Bei langsamer Fahrt auf ebener Straße und
geringer Chassisbewegung ist es möglich, daß zunächst
keine Referenzposition überstrichen wird, da sich die
Sensoren genau zwischen zwei Referenzmarkierungen befin
den. Die falsche Scheinwerfereinstellung bleibt daher bei
Weiterfahrt erhalten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Wegsensor
zu schaffen, der ohne spezielle Referenzmarkierungen in
der Lage ist, die Absolutstellung zweier zueinander
beweglicher Teile zu bestimmen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß jede
Markierung einen individuellen Abstand zu ihren benach
barten Markierungen in Bezug auf die Bewegungseinrichtung
besitzt und ein Rechner aus der Phasenverschiebung der
Signale des Sensors bzw. der Sensoren errechnet, welchen
Abstand die sich im Sensorenbereich befindlichen Markie
rungen besitzen und durch Zuordnung des Abstands die
Absolutstellung der beiden Teile zueinander ermittelt.
Die Bestimmung des Abstands aus der Phasenverschiebung
der z. B. auf einer Ebene quer zur Bewegungsrichtung
angeordneten Sensoren läßt bei bekannter Geschwindigkeit
die Bestimmung der Absolutposition mit ausreichender
Genauigkeit zu, da die Ortsabhängigkeit der Abstände der
Markierungen bekannt ist und z. B. eine feste mathemati
sche Beziehung zwischen den Abständen und der Phasenver
schiebung der Signale existiert. Damit ist bereits nach
dem Überstreichen von wenigstens zwei Markierungen mit
bekannter Hubgeschwindigkeit eine definitive Bestimmung
der Absolutposition möglich.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist vorgese
hen, daß wenigstens einem der Sensoren ein weiterer, in
bestimmtem Abstand in Bewegungsrichtung liegender Sensor
zugeordnet ist, wobei der Rechner aus der Zeitverzögerung
zwischen diesen beiden Sensorsignalen die momentane Rela
tivgeschwindigkeit der Bewegung errechnet und diese zur
Ermittlung des Markierungsabstands bei der Auswertung der
Phasenverschiebung der Signale der übrigen Sensoren be
rücksichtigt.
Damit ist es möglich, die Hubgeschwindigkeit meßtechnisch
zu erfassen, so daß auch bei nicht bekannter Geschwindig
keit zwischen den beiden Teilen oder bei einer Beschleu
nigung während der Bewegung eine exakte Auswertung der
Absolutposition möglich ist. Je mehr Sensoren über einen
ihnen jeweils zugeordneten Sensor in bestimmtem Abstand
in Bewegungsrichtung verfügen, desto genauer lassen sich
dynamische Bewegungsvorgänge bei der Relativbewegung der
beiden Teile kompensieren. Auch bei beliebiger Rotation
des Sensorlagers gegen die Kolbenstange steht immer eine
Absolutreferenz zur Verfügung.
Die den auf der Querebene angeordneten Sensoren jeweils
zugeordneten Markierungen können von einer durchgängigen
Markierungslinie mit einer bestimmten Steigung gebildet
sein, wobei diese Linie eine Anzahl von Markierungen im
Sinne des Anspruchs 1 entsprechend der Anzahl der
Sensoren darstellt.
Die Markierungen können beispielsweise auch aus den ein
zelnen Gängen eines auf einer zylindrischen Fläche des
zweiten Teils vorgesehenen Wendels mit variabler Steigung
bestehen. Ein derartiger Wendel, der je nach Art des Sen
sors ein Gewindegang, ein Materialauftrag oder lediglich
eine optische Markierung sein kann, läßt sich maschinell
mit recht einfachen Mitteln erzeugen. Bei einem derarti
gen Wendel als Markierung sind die Sensoren zweckmäßiger
weise auf einem Kreisumfang des ersten Teils in bestimm
tem Winkelversatz zueinander angeordnet. Durch eine Erhö
hung der Anzahl der Sensoren auf dem Kreisumfang läßt
sich wie bei den vorbekannten Wegsensoren die Auflösung
um einen der Anzahl der Sensoren entsprechenden Faktor
erhöhen.
Grundsätzlich eignen sich für den erfindungsgemäßen Weg
sensor jegliche Art von Sensoren, wobei bevorzugt opti
sche, elektrischkapazitive oder magnetische Sensoren Ver
wendung finden, wobei z. B. eine optisch auslesbare
Codierung den Vorteil besitzt, daß ein größerer Abstand
zwischen Markierung und Detektor möglich ist und damit
der Sensor in größerem Abstand reibungs- und verschleiß
frei montiert werden kann. Magnetisch mit den Markierun
gen zusammenwirkende Sensoren verlangen zwar einen gerin
gen Abstand zwischen Sensor und Markierung, sind jedoch
beispielsweise sehr unempfindlich gegen Verschmutzungen.
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist das
zweite Teil zylindrisch, besteht aus magnetischem Mate
rial und in seiner Umfangsflache ist der Wendel in Form
eines Gewindes vorgesehen, dessen Gänge mit einem nicht
magnetischen Material gefüllt sind. Das zweite Teil, bei
spielsweise eine hydraulische Kolbenstange, weist damit
im Bereich seiner Oberfläche Zonen unterschiedlicher Per
meabilität auf, die von einem magnetoresistiv oder als
Hallsensor ausgebildeten Sensor erfaßbar sind.
Da die Oberfläche der Kolbenstange eine Dichtfläche bil
det, ist es in diesem Anwendungsfall meist erforderlich,
daß die Oberfläche des nicht-magnetischen Materials glatt
bündig mit der Umfangsfläche des zweiten Teils ab
schließt. Die Sensoren können dann beispielsweise auf der
Innenumfangsfläche eines Lagerrings angeordnet sein, der
das zweite Teil führt. Auf diese Weise kann der Wegsensor
in die Stoßdämpfer eines Kraftfahrzeuges integriert
werden, um über seine Signale eine Niveauregulierung oder
eine Leuchtweitenregulierung des Fahrzeuges zu steuern.
Allgemein sind aber auch Wegsensoren denkbar, bei denen
das erste Teil einem gefederten und das zweite Teil einem
ungefederten Bauteil eines Kraftfahrzeuges oder umgekehrt
zugeordnet ist.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnung näher
auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen.
Die Abbildung zeigt schematisch einen Wegsensor. Der Weg
sensor besteht im wesentlichen aus einer auf z. B. einer
Kolbenstange (nicht gezeigt) aufgebrachten schraubenlini
enförmigen Markierung 10, deren Steigung sich über die
Länge der Kolbenstange nach einem bestimmten mathemati
schen Zusammenhang verändert. Beispielsweise kann sich
die Steigung der Markierung 10 an einer aktuellen Posi
tion X nach dem Zusammenhang Px=P0×(1+x/s) errechnen,
wobei es die gesamte überstrichene Stangenlänge ist.
P0 beträgt dabei beispielsweise 2 mm. Auch andere
mathematische Zusammenhänge sind ohne weiteres denkbar.
Zur Erfassung der Markierung sind auf einer zylindrischen
Innenumfangsfläche, z. B. der Führungsfläche eines Füh
rungsrings (nicht gezeigt) der Kolbenstange, drei Senso
ren 12A, 14A, 16A, in bestimmtem Winkelversatz zueinander
vorgesehen. Jedem der Sensoren 12A, 14A, 16A ist ein
zweiter, jeweils in einem relativ kleinen axialen Abstand
angeordneter weiterer Sensor 12B, 14B, 16B zugeordnet.
Der gleichmäßige Winkelversatz zwischen den Sensoren 12A,
14A, 16A beträgt in abgebildeten Ausführungsbeispiel mit
drei Sensoren auf dem Umfang 120° und allgemein, bei n
Sensoren auf dem Umfang 360°/n zwischen zwei benachbarten
Sensoren. Grundsätzlich können aber auch beliebige Win
kelabstände zwischen zwei Sensoren vorgesehen sein, so
lange der Winkelversatz zwischen den einzelnen Sensoren
genau bekannt ist und bei der Auswertung der Sensorsi
gnale berücksichtigt werden kann.
Bei einem Hub der Kolbenstange, der z. B. bei
Kraftfahrzeug-Stoßdämpfern üblicherweise zwischen 80 mm
und 200 mm liegt, sprechen die Sensoren 12A, 14A, 16A mit
einer gewissen Phasenverzögerung auf die vorbeilaufende
schraubenlinienförmige Markierung 10 an. Auch zwischen
dem Ansprechen der mit axialem Abstand angeordneten
Sensoren 12A und 12B, 14A und 14B bzw. 16A und 16B, liegt
eine zeitliche Verzögerung. Aus diesem Abstand der
Signale läßt sich die momentane Hubgeschwindigkeit der
Kolbenstange an dieser Position ermitteln. Da die
Hubgeschwindigkeit an allen drei Winkelpositionen
ermittelt wird, können sich ergebende Veränderungen
zwischen den einzelnen Winkelpositionen berücksichtigt
und die Hubgeschwindigkeit gegebenenfalls interpoliert
werden.
Mit der bekannten Hubgeschwindigkeit kann nun aus dem
zeitlichen Versatz der Sensorsignale zweier benachbarter
Sensoren unmittelbar die Steigung der Markierung 10 an
der Stelle der Sensoren berechnet werden.
Zur Verdeutlichung sind in der Abbildung zwei verschie
dene Positionen der Sensoren 12A, B; 14A, B; 16A, B
bezüglich der Markierung 10 dargestellt. Während die
Steigung im Bereich der Position 1 ungefähr 2 mm beträgt,
ist diese im Bereich der Position 2 auf ungefähr 1 mm
reduziert. Dies bedeutet, daß bei einer - angenommen - glei
chen Hubgeschwindigkeit der zeitliche Versatz zwi
schen dem Ansprechen der Sensoren in Position 2 in Bezug
auf Position 1 halbiert ist. Die Genauigkeit der Sensoren
erlaubt es, die Hubgeschwindigkeit derart genau zu ermit
teln, daß jeder einzelne Gewindegang mit seiner individu
ellen Steigung beim Überstreichen exakt ermittelt werden
kann.
Bei einmal ermittelter Absolutlage zwischen der Ebene der
Sensoren und der Markierung 10 kann im weiteren Verlauf
die sich verändernde Absolutlage weiter nach dem vorste
hend beschriebenen Ablauf ermittelt werden, es kann
jedoch auch ein einfaches Zählen der an den einzelnen
Sensoren vorbeistreichenden Gänge der Markierung 10 vor
genommen werden, da der Abstand zweier aufeinander fol
gender Gänge der Markierung 10 - also die Steigung -
bekannt ist.
Ist der zuvor beschriebene Wegsensor beispielsweise in
den Stoßdämpfer eines Kraftfahrzeuges integriert, ist
bereits nach einem Hub der Kolbenstange von wenigen
Millimetern die Möglichkeit zur Errechnung der Absolutpo
sition gegeben.
Die Markierung 10 kann optisch, kapazitiv oder leitfähig
codiert sein und mit entsprechenden Sensoren zusammenwir
ken. Eine magnetische Markierung 10 wird z. B. bei hydrau
lischen Zylindern bevorzugt, wobei die Markierung 10 aus
einem nichtmagnetischen Material besteht, das in einen
entsprechend ausgebildeten Gewindegang auf der Kolben
stange eingefüllt ist und bündig mit deren Oberfläche
abschließt.
Claims (13)
1. Wegsensor zur Erfassung der Stellung zweier relativ
zueinander beweglicher Teile, wobei dem ersten Teil
wenigstens ein Sensor (12A, 14A, 16A) und dem zweiten
Teil in Bewegungsrichtung eine Abfolge von Markierun
gen zugeordnet ist, die in deckungsgleicher Lage mit
einem Sensor diesen auslösen, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Markierung (10) einen individuellen Abstand
zu ihren benachbarten Markierungen in Bezug auf die
Bewegungsrichtung besitzt und ein Rechner aus der
Phasenverschiebung der Signale des Sensors bzw. der
Sensoren (12A, 14A, 16A) errechnet, welchen Abstand
die sich im Sensorbereich befindlichen Markierungen
(10) besitzen und durch Zuordnung des Abstands die
Absolutstellung der beiden Teile zueinander ermit
telt.
2. Wegsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens einem der Sensoren (12A, 14A, 16A) ein
weiterer, in bestimmtem Abstand in Bewegungsrichtung
liegender Sensor (12B, 14B, 16B) zugeordnet ist, wo
bei der Rechner aus der Zeitverzögerung zwischen die
sen beiden Sensorsignalen die momentane Relativge
schwindigkeit der Bewegung errechnet und diese zur
Ermittlung des Markierungsabstands bei der Auswertung
der Phasenverschiebung der Signale der übrigen Senso
ren (12A, 14A, 16A) berücksichtigt.
3. Wegsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß wenigstens zwei Sensoren (12A, 14A,
16A) auf einer Ebene quer zur Bewegungsrichtung lie
gen, die jeweils mit Markierungen (10) zusammenwir
ken.
4. Wegsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens jeweils zwei Markie
rungen von einer Markierungslinie gebildet sind, die
eine Steigung besitzt.
5. Wegsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen von den
Schleifen eines auf einer zylindrischen Fläche des
zweiten Teils vorgesehenen Wendels (10) mit variabler
Steigung gebildet sind.
6. Wegsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoren (12A, 12B; 14A, 14B; 16A, 16B) auf einem
Kreisumfang des ersten Teil in bestimmtem Winkelver
satz zueinander angeordnet sind.
7. Wegsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen (10) mit
den Sensoren (12A, 12B; 14A, 14B; 16A, 16B) optisch, elek
trisch-kapazitiv oder magnetisch zusammenwirken.
8. Wegsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor (12A, 12B; 14A, 14B; 16A, 16B) magnetoresi
stiv oder als Hallsensor ausgebildet ist.
9. Wegsensor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das zweite Teil zylindrisch ist,
aus magnetischem Material besteht und in seiner
Umfangsfläche der Wendel (10) in Form eines Gewindes
vorgesehen ist, dessen Gänge mit einem nicht-magneti
schen Material gefüllt sind.
10. Wegsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche des nicht-magnetischen Materials
glattbündig mit der Umfangsfläche des zweiten Teils
abschließt.
11. Wegsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoren (12A, 12B; 14A, 14B; 16A, 16B) auf der
Innenumfangsfläche eines Lagerrings angeordnet sind,
der das zweite Teil führt.
12. Wegsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil einem
gefederten und das zweite Teil einem ungefederten
Bauteil eines Kraftfahrzeuges zugeordnet ist.
13. Wegsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste und zweite Teil Bestandteil eines Stoß
dämpfers eines Kraftfahrzeuges sind, wobei das zweite
Teil die Kolbenstange und das erste Teil dessen Füh
rung bildet.
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