DE3443176C1 - Verfahren zur Kalibrierung eines elektronischen Positionsgebers - Google Patents
Verfahren zur Kalibrierung eines elektronischen PositionsgebersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zur berührungslosen Positionsmessung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Eine derartige Einrichtung ist aus der DE-OS 32 44 891 bekannt. Bei dieser Einrichtung werden die
jeweiligen Spannungswerte der einzeln abgefragten Sensoren über den gesamten Wirkungsbereich des Magneten
der vorgegebenen Magnetposition zuzuordnen. Damit erhält jede Magnetposition, gemessen in Längeneinheiten,
eine zugeordnete Spannungsverteilung, nachfolgend »Positionsspannungsverteilung« genannt. Mit
jeder Positionsverschiebung des Magneten ergibt sich eine neue Positionsspannungsverteilung. Diese Positionsspannungsverteilung
ist eindeutig, d. h. jedem Magnetpositionswert entspricht genau eine Positionsspannungsverteilung
und umgekehrt entspricht einer Positionsspannungsverteilung genau ein Magnetpositionswert.
In einem Kalibrierverlauf können den einzelnen Magnetpositionen die charakteristischen Positionsspannungsverteilungen
zugeordnet und abgespeichert werden. Wird in einem anschließenden Meßlauf ein Magnet
parallel zu den Sensoren bewegt, können den gemessenen Positionsspannungsverteilungen die im Speicher
abgelegten Positionsspannungsverteilungen zugeordnet werden und somit kann auf die unbekannte Position
des Magneten geschlossen werden. Ein Magnet, der nach diesem Verfahren mit einem bewegten Teil verbunden
ist, kann somit als Positionsindikator für ein bewegtes Teil dienen.
Wenn der Positionsindikator sehr große Wege zurücklegt, so müssen eine große Anzahl von Spannungswerten
über die gesamte Sensorstrecke abgespeichert werden. Dies kann einen gewissen Nachteil darstellen.
Unter Umständen können darüber hinaus Änderungen des Abstandes zwischen Positionsindikator (Magnet)
und Sensorlinie zu Änderungen der Positionsspannungsverteilung führen und schließlich spielt auch die
Stärke des für die Kalibrierung verwendeten Magneten eine Rolle für die Charakteristik der Spannungsverteilung.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß diese Schwierigkeiten vermieden werden und eine eindeutige Charakteristik der Positionsspannungsverteilung erhaltenwird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß diese Schwierigkeiten vermieden werden und eine eindeutige Charakteristik der Positionsspannungsverteilung erhaltenwird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das im Anspruch angegebene erfindungsgemäße Kalibrierungsverfahren.
Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezug auf die Diagramme erläutert werden.
Die Sensorcharakteristik, dargestellt als Spannung in Abhängigkeit von der Magnetposition in Relation zum
Sensor, hat den in Bild 3 dargestellten typischen Verlauf.
Steht der Magnet bei vorausgesetzter, gleichmäßiger Magnetfeldverteilung mittig über dem Sensor gibt
dieser einen charakteristischen Spannungswert ab, der hier durch entsprechende Spannungsvoreinstellung den
Wert 0 erhalten soll. Nähert sich einer der Pole des Magneten dieser Sensorposition, gibt es einen zunächst
linearen Anstieg bzw. Abfall der Spannung. Je nach Stärke des Magnetfeldes und Abstand des Magnetfeldes
vom Sensor geht dieser lineare Verlauf in einen alinearen Verlauf über, bis die maximale Ausgangsspannung
infolge des Magnetfeldeinflusses erreicht ist.
Für das hier beschriebene Verfahren werden vier charakteristische Eigenschaften der Wirkung von Magnet
auf magnetfeldempfindlichen Sensoren ausgenutzt:
1. Der Sensorausgangswert mit der Spannung 0 definiert
eine ganz bestimmte Position des Magneten.
2. In bestimmten Grenzen der Längsverschiehung des Magneten ist die Sensorkennlinie als linear anzusetzen.
3. Bei paralleler Abstandsveränderung des Magneten zu einem Sensor ändert sich im linearen Bereich
der Sensoren ausschließlich die Steigung der Kennlinie.
4. Bei genügend langen Magneten im Verhältnis zum durchschnittlichen Abstand der Sensoren können
benachbarte Sensoren mit ihren Spannungswerten jeweils im linearen Bereich der Kennlinie gehalten
werden.
Zur Kalibrierung des Meßsystems und zur genauen Feststellung von Längenpositionen von Magneten wird
daher folgendermaßen verfahren:
Ein Magnet wird mittels einer geeigneten, mechanischen Apparatur parallel zur Linie der magnetfeldempfindlichen
Sensoren in bestimmten, vorgegebenen Schrittweiten bewegt. Jedem Sensor wird mit diesem
Verfahren der Längenwert zugeordnet, der einem Ausgangssignal des Sensors mit dem Wert 0 oder einem
anderen charakteristischen Wert entspricht. Weiter werden Spannungen von benachbarten Sensoren zueinander
in Verhältnis gesetzt und bei Erreichen bestimmter Spannungsverhältnisse werden diesem Längeneinheiten
zugeordnet. Somit sind Magnetpositionen über Verhältnisse von Spannungswerten Längenpositionen
zugeordnet. Bei der Bestimmung einer unbekannten Position eines Magneten werden die entsprechenden
Spannungen der einzelnen vom Magneten beeinflußten Sensoren gemessen und das Verhältnis benachbarter
Gebersignale gebildet, wobei die Sensoren ausgewählt werden, deren Spannungswerte jeweils durch einen
Vorzeichenwechsel gekennzeichnet sind. Einem Spannungsverhältnis von Sensoren, welchem genau ein
Spannungsverhältnis des Kalibrierungsverfahrens entspricht, kommt eine bestimmte Position zu. Einem Spannungsverhältnis,
welches zwischen diesen Kalibrierwerten liegt, kann mittels eines geeigneten Interpolationsverfahrens eine bestimmte Magnetposition zugeordnet
werden.
Dieses beschriebene Verfahren kann abgewandelt werden, indem jeweils zu einer konstanten Schrittweite
der Positionsverschiebung des Magneten bestimmte Spannungsverhältnisse abgespeichert werden, womit
nicht wie vorstehend bei konstanten Spannungsverhältnissen Längeneinheiten abzuspeichern sind, sondern bei
bestimmten Längeneinheiten gefundene Spannungsverhältnisse abzuspeichern wären. Bei diesem Verfahren
ergäbe sich der Vorteil, daß für eine bestimmte Schrittweite des Kalibriersystems ein beliebig genaues Zahlenverhältnis
der Spannungswerte ermittelbar ist. Einsatzweise des zuvor beschriebenen Verfahrens:
Ein Stabmagnet wird fest mit einem Längensystem verbunden und schrittweise in vorgegebenen, genau
meßbaren Längeneinheiten parallel zur Sensorlinie verfahren. Ergeben sich für einen Sensor Ausgangsspannungen
mit dem Wert 0, während benachbarte Sensoren Plus- bzw. Minusabweichungen liefern, so wird diesem
Sensor ein Positionswert in Längeneinheiten zugeordnet und abgespeichert. Dies geschieht für alle Sensoren
über denen der verschiebbare Magnet mittig positionierbar ist. Ferner wird während der Positionsverschiebung
des Magneten bestimmt, wann benachbarte Sensorspannungswerte genau vorgegebene Verhältnisse
erzielen. Für diese Spannungsverhältnisse wird der Wert des Längensystems für den Magneten ebenfalls
abgespeichert. Dieses Verfahren ist in Bild 4 verdeutlicht.
Derart werden Positionen zwischen den Sensoren bestimmt, bei denen ein fiktiv sitzender Sensor das Ausgangssignal
0 hätte. Eine weitere Darstellung ist in Bild 5 gewählt. Das Verhältnis der Spannungswerte
der benachbarten Sensoren a, b entspricht genau einem Verhältnis aus dem Kalibrierlauf. Damit wird die virtuelle
Kennlinie dieses fiktiven Sensors an dieser Stelle genau durch die Kalibrierposition des Magneten verlaufen.
In Bild 6 ist dargestellt, wie die Verhältnisse sich darstellen, wenn die Spannungsverhältnisse zweier benachbarter
Sensoren a, b nicht einem Kalibrierverhältnis entsprechen. In diesem Falle ist die unbekannte Position
PX des Magneten durch Interpolation aus dem benachbarten Signalverhältnis zu gewinnen. Als benachbartes
Signalverhältnis kann die Kalibrierposition aus B i 1 d 5 verwendet werden. Es kann jedoch auch eine
linksseitige Kalibrierposition verwendet werden, wie es in Bild 6 angedeutet ist.
Mit der Abspeicherung von Spannungsverhältnissen, welche zu vorgegebenen Magnetpositionen zuzuordnen
sind bzw. von Magnetpositionen, welche vorgegebenen Spannungsverhältnissen entsprechen, läßt sich
ein System aufbauen, welches zur Positionsbestimmung von längsverschiebbaren Magneten benutzt werden
kann. Magnete, welche in beliebiger Position zur Sensorreihe gebracht werden, wirken auf magnetempfindliche
Sensoren, welche gemäß der OS 32 44 891 in ihren Spannungswerten abgefragt werden. Es werden erfindungsgemäß
nun aber solche Signalwerte von Sensoren zur genauen Positionsbestimmung herangezogen, die
einem Vorzeichenwechsel unterliegen. Die Verhältnisse von Spannungswerten der Sensoren werden bestimmt
und hieraus wird mittels geeigneter Interpolationsverfahren die genaue Position des Magneten bestimmt.
Beschreibung zu den Zeichnungen: Bild 1 und Bild 2 stellen unterschiedliche Positionsspannungsverteilungen
für eine Magnetpositionsverschiebung dar. Der Magnet ist schematisch als Stabmagnet
mit der Kennzeichnung für Nord- und Südpol dargestellt. Die Verschiebung ist gestrichelt eingezeichnet.
Die Sensoren wurden mit 51—58 ebenfalls schematisch
dargestellt und in Relation zum Stabmagneten positioniert. Für die beiden Positionen des Magneten ist
eine Positionsspannungsverteilung 1 in Bild 1 und eine
Positionsspannungsverteilung 2 in Bild 2 dargestellt. Zu den Positionen der einzelnen Sensoren ist die
jeweilige Spannung mit USA—US 6 bzw. mit
US2—US7 angegeben. Den einzelnen magnetfeldempfindlichen
Sensoren sind entsprechende Spannungswerte mit USi-USe in Bild 1 und mit US2-US7 in
B i 1 d 2 zugeordnet Dem Südpol wurden positive Spannungswerte, dem Nordpol negative Spannungswerte
zugeordnet.
In B i 1 d 3 ist die Charakteristik eines Sensors beispielsweise des Sensors 4, dargestellt Wird dem Sensor
S 4 der Nordpol angenähert, so wird der Spannungswert des Sensors aus der O-Position heraus negativer
werden, entsprechend positiver bei Annäherung des Südpols. In der Nähe der O-Position des Sensors kann
mit linearem Kurvenverlauf gerechnet werden.
In Bild 4 sind zwei Kennlinien für benachbarte Sensoren
η und /2+1 dargestellt. Geben die Sensoren jeweils Spannungssignale mit dem Spannungsausgangswert
0 ab, erhalten die Sensoren den Positionswert Pn bzw. Pn + 1. Wird der Magnet zwischen den beiden
Sensoren verschoben, stellen sich an den Sensoren bestimmte Spannungsverhältnisse ein, die in B i 1 d 4 mit
entsprechenden Brüchen dargestellt sind. Bei Erreichen bestimmter Zahlenverhältnisse der Spannungssignale
werden entsprechende Positionswerte, bezeichnet mit Pna —Pnc, abgelegt. Ergeben die Sensoren bei späteren
Messungen diese Signalverhältnisse, so können daraus die entsprechenden Positionen, wie in Bild 4 dargestellt,
ermittelt werden.
Bild 5 zeigt, wie die Verhältnisse sich darstellen, wenn das Spannungsverhältnis a, b genau einem Kalibrierungsverhältnis
entspricht, so daß sich die Kalibrierposition Pc ergibt Durch diesen Punkt Pc kann die virtuelle
Kennlinie eines fiktiven Sensors gezogen werden, der genau in dieser Position den Spannungswert 0 liefert.
In Bild 6 ist dargestellt, wie Spannungsverhältnisse
a, b vorliegen, die nicht einem Kalibrierpunkt Pc entsprechen. In diesem Falle handelt es sich um Spannungsverhältnisse, die dem unbekannten Positionswert Px des
Magneten entsprechen. Eine solche Position Px ist durch eine rechtsseitige Kalibrierposition bzw. durch
eine linksseitige Kalibrierposition eingeschlossen. Aus den Spannungsverhältnissen für diese rechts- bzw. linksseitige
Kalibrierposition kann der Wert ßcper Interpolationsverfahren
ermittelt werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
55
eo
Claims (2)
1. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zur berührungslosen Positionsmessung, bei der ein
bewegbares, der Positionsbestimmung unterworfenes Teil vorgesehen ist, dem ein Sensorträger räumlich
benachbart zugeordnet ist, der eine Mehrzahl von elektrisch und räumlich voneinander getrennten
Sensoren aufweist, von denen jeder an Spannung legbar ist und bei der eine Abfrage- und Auswerteeinrichtung
vorgesehen ist, mit der die Einzelsensoren zwecks Feststellung ihres von der Position des
bewegbaren Teils abhängigen Ausgangssignales verbindbar sind, wobei das bewegbare Teil als einen
Verbraucher darstellendes oder Feldlinien aussendender Positionsindikator ausgebildet ist und wobei
die bei dessen Positionsänderung erzeugten bzw. gewandelten Spannungssignale eine Information enthalten,
die ausgewertet werden kann, wobei ferner die Sensoren in definiertem Abstand auf dem Träger
angeordnet sind und in ihrer Position für die Auswertung zur Verfügung stehen und die Abfrage- und
Auswerteinrichtung mit jedem der Sensoren zwecks Feststellung seines von der Position und seiner geometrischen
und physikalischen Ausgestaltung des ortsveränderlichen oder ruhenden Positionsindikators
abhängigen Ausgangssignals verbunden ist, wobei außerdem ein elektronischer Multiplexer vorgesehen
ist, an den die einzelnen Sensoren zwecks getrennter Überleitung ihrer Ausgangssignale an die
Auswerteinrichtung anschließbar sind und wobei die elektronische Auswerteinrichtung einen charakteristischen
Punkt der Signale als Position für die Stellung des Positionsindikators nimmt und somit auch
Positionsbestimmungen zwischen den einzelnen Sensoren auslöst, dadurch gekennzeichnet,
daß der Positionsindikator parallel zur Linie der Sensoren bewegt wird und jedem Sensor jeweils
dann ein Längenwert zugeordnet wird, wenn das Ausgangssignal eines Sensors den Wert 0 oder einen
anderen charakteristischen Wert zeigt, während benachbarte Sensor Plus- bzw. Minusabweichungen
aufweisen und daß während der Positionsverschiebung des Positionsindikators weitere Längenwerte
abgespeichert werden, wenn benachbarte Spannungswerte der Sensoren genau definierte Verhältnisse
zeigen.
2. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zur berührungslosen Positionsmessung, bei der ein
bewegbares, der Positionsbestimmung unterworfenes Teil vorgesehen ist, dem ein Sensorträger räumlich
benachbart zugeordnet ist, der eine Mehrzahl von elektrisch und räumlich voneinander getrennten
Sensoren aufweist, von denen jeder an Spannung legbar ist und bei der eine Abfrage- und Auswerteinrichtung
vorgesehen ist, mit der die Einzelsensoren zwecks Feststellung ihres von der Position des bewegbaren
Teils abhängigen Ausgangssignals verbindbar sind, wobei das bewegbare Teil als einen
Verbraucher darstellendes oder Feldlinien aussendender Positionsindikator ausgebildet ist und wobei
die bei dessen Positionsänderung erzeugten bzw. gewandelten Spannungssignale eine Information enthalten,
die ausgewertet werden kann, wobei ferner die Sensoren in definiertem Abstand auf dem Träger
angeordnet sind und in ihrer Position für die Auswertung zur Verfügung stehen und die Abfrage- und
Auswerteinrichtung mit jedem der Sensoren zwecks Feststellung seines von der Position und seiner geometrischen
und physikalischen Ausgestaltung des ortsveränderlichen oder ruhenden Positionsindikators
abhängigen Ausgangssignals verbunden ist, wobei außerdem ein elektronischer Multiplexer vorgesehen
ist, an den die einzelnen Sensoren zwecks getrennter Überleitung ihrer Ausgangssignale an die
Auswerteinrichtung anschließbar sind und wobei die elektronische Auswerteinrichtung einen charakteristischen
Punkt der Signale als Position für die Stellung des Positionsindikators nimmt und somit auch
Positionsbestimmungen zwischen den einzelnen Sensoren auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß der
Positionsindikator parallel zur Linie der Sensoren mit konstanten Schrittweiten bewegt wird und die
bei dieser konstanten Positionsverschiebung auftretenden Spannungsverhältnisse abgespeichert werden.
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