DE2448950B2 - Einrichtung zum Messen von Lagefinderungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Es ist schon eine große Anzahl von grundsätzlichen Patenten auf mit Hochfrequenz arbeitende, induktive Lageabfühleinrichtungen erteilt "vorden. Auch sind bereits zahlreiche Verbesserungen in den verschiedensten Teilen der Schaltung, der Anordnung der verschiedenen Teile in der Vorrichtung, patentiert worden.

Dieser Stand der Technik betrifft ganz allgemein Hochfrequenzübertrager für die induktive Lageabfühlung und zeigt dabei Verbesserungen in den verschiedensten Bereichen auf, durch die ganz allgemein die Auflösung dieser Vorrichtung verbessert, der Einfluß von induktiven Streufeldern und Störsignalen vermindert und auch die Anwendung solcher Lageabfühlübertrager in Steuersystemen usw. verbessert wird.

Ein gemeinsames Merkmal des Standes der Technik kann wohl darin gesehen werden, daß man die Abmessungen bei der Herstellung der Primärwicklung und der Sekundärwicklung sehr genau eingehalten hat und daß auch ein sehr präzises Einhalten des gegenseitigen Abstandes zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung ein wesentliches Erfordernis war. Diese Faktoren sind insbesondere deswegen von Bedeutung, weil Änderungen in der gegenseitigen Anordnung von Primärwicklung zu Sekundärwicklung Schwankungen des aufgenommenen oder abgefühlten Signals zur Folge haben, welche wiederum in der Vorrichtung zur Lagefeststellung Fehler erzeugen, die nicht zugelassen werden können.

In gleicher Weise haben die bisher bei hochfrequenten induktiven Anordnungen auftretenden Schwierigkeiten meist dazu geführt, daß man vorzugsweise die Maxima des induzierten Signals für die Anzeige benutzt hat. Das hat natürlicherweise dazu geführt, daß man sorgfältig aufgebaute Detektorschaltungen für die Maximalamplitude benötigte und aufbaute, mit deren Hilfe man in der Lage war, den Zeitpunkt und die Lage des Auftretens des Maximums des Spannungsignals sicher festzustellen. Solche Schaltungen sind im allgemeinen viel komplizierter und teurer, als erwünscht.

In Präzisionsanwendungsgebieten, auf die sich die meisten zum Stand der Technik bekannten Veröffentlichungen beziehen, sind die zusätzlichen Kosten enger Toleranzen und sonstiger Einschränkungen der tatsächlichen Konstruktion zulässig, da diese Systeme im allgemeinen in Werkzeugmaschinen oder in anderen ίο Apparaten, die ein hohes, investiertes Kapital darstellen, benutzt werden, so daß die zusätzlichen Kosten zum Erzielen der erforderlichen Präzision tragbar sind. Die bisher bekannten Vorrichtungen lassen sich jedoch nicht bei Ausführungsformen mit niedriger Toleranz, geringen Abmessungen und im allgemeinen geringen Kosten verwirklichen, da durch die verschiedenen Auswirkungen eines veränderlichen Abstandes zwischen Primär- und Sekundärwicklung oder durch induzierte Felder im Hintergrund oder ähnliche Schwierigkeiten Fehler auftreten.

Die zuvor dargelegten Schwierigkeiten nehmen mit zunehmender Frequenz des der Primärwicklung zugeführten Eingangssignals zu. Im Hochfrequenzbereich bei etwa 10 M Hz finden sich im Stand der Technik keine Lösungen, entweder weil die oben geschilderten schwierigen, technischen Probleme auftreten oder aber, weil bei diesen hohen Frequenzen die Signalmaxima sehr schwer feststellbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es also, einen Hochfrejo quenzübertrager für einen Lagedetektor zu schaffen, bei dem die Einflüsse der von der Umgebung auf die Primärwicklung induzierten Störsignale auf neuartige Weise umgangen werden, so daß sich an Stelle der Maxima die Minima eindeutig feststellen lassen.
Diese Aufgabe wird in der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Weise gelöst.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungeil im einzelnen beschrieben.
In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 schematisch eine allgemeine Ausführungsform zum Stand der Technik,

Fig. 2 ein Signal, das in dem Verstärkerdetektor

festgestellt würde, wenn man in der Primärwicklung eine Hochfrequenz von etwa 5 MHz benutzt und wenn dieses Signal in der Sekundärwicklung einer gemäß dem Stande der Technik aufgebauten Schaltung festgestellt würde, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wenn eine Relativbewegung zwischen Primär- und Sekundärwick-

w lung stattfindet,

Fig. 3 die Orte längs der Längsausdehnung der Primärwicklung, bei der durch die Schaltung gemäß Fi^. 1 Nulldurchgänge in der amplitudenmodulierten Einhüllenden des in der Sekundärwicklung erzeugten und induzierten Signals beobachtet würden und zeigt außerdem die Punkte, an denen die Maxima auftreten,

F i g. 4 schematisch die relativen Stellungen zwischen einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung bei zwei verschiedenen Ausrichtungen, bei denen das μ Maximalsignal und das Minimalsignal durch induktive Kopplung zwischen den beiden Wicklungen übertragen wird,

F i g. 5 schematisch eine verallgemeinerte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig.6 die Einhüllende eines amplitudenmodulierten Signals, wie es durch eine Schaltung gemäß Fig. 5 festgestellt wird,

Fig. 7 den Ort der Nulldurchgänge des Signals in

Fig, 6,

F i g. 8A bis 8D das in der Primärwicklung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Hochfrequenzsignal und die als Funktion der Relativposition der beiden Wicklungen zueinander in der Sekundärwicklung induzierten Signale,

Fig.9 das gleichgerichtete Ausgangssignal des Verstärker-Detektors.

In F i g. 1 ist eine typische Ausführungsform des Standes der Technik dargestellt, bei der ein Hochfrequenzoszillator 1, der im allgemeinen im Bereich zwischen 1 und 100 kHz arbeitet, mit einer Primärwicklung 2 verbunden ist, die aus einer Anzahl mäanderförmiger Schleifen 3 besteht Die einzelnen Schleifen 3 haben im allgemeinen voneinander einen gleich großen Abstand, der hier mit Δ bezeichnet ist, und die einzelnen Leiter 4, die die einzelnen Schleifen 3 bilden, weisen im allgemeinen einen Abstand auf, der durch einen konstanten Faktor Σ gegeben ist. Die Primärwicklung 2 ist im allgemeinen auf einem Träger befestigt, der entweder flach und langgestreckt oder zylinderförmig sein kann und die Sekundärwicklung 5 ist auf einem entsprechenden, parallel auf Abstand angeordneten Träger befestigt, der entweder feststehend oder beweglich sein kann. Die Sekundärwicklung 5 besteht aus gleichartigen, einzelnen Schleifen 3, die aus Leitungsstücken 4 bestehen und in denen ein induziertes Signal ei entsprechend der relativen, linearen Position zwischen Primärwicklung 2 und Sekundärwicklung 5 erzeugt wird. Ein Verstärker-Deteiktor 6 nimmt das Eingangssignal ei auf und liefert daraus ein verstärktes Ausgangssignal ei.

Im Stand der Technik ergab sich eine Reihe von konstruktiven Schwierigkeiten, die erkannt und zum Teil auch gelöst wurden. F i g. 2 zeigt ein Signal, wie es typisch am Eingang des Verstärkers 6 in Abhängigkeit von einem hochfrequenten Eingangssignal in der Größenordnung zwischen 1 und 10 MHz auftritt, das vom Oszillator 1 an die Primärwicklung 2 der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung abgegeben wird, wenn ein solches Signai in der Sekundärwicklung 5 induziert wird.

In Fig. 2 ist die Signaleinhüllende ei, die in der Abnahmespule oder Sekundärwicklung 5 induziert und dem Eingang des Verstärkers 6 zugeführt wird, in senkrechter Richtung als Funktion der Horizontalposition der Sekundärwicklung 5 in bezug auf die Primärwicklung 2 dargestellt. Bewegt man die Sekundärwicklung 5, wenn sie sich z. B. auf einem bewegbaren Element eines Lagedetektoisystems befindet, dann wird durch Induktion in der Sekundärwicklung 5 eine Einhüllende eines Signals, wie sie hier dargestellt ist, erzeugt. Dabei treten verschiedene Maxima und Minima mit einem Abstand auf, der von dem Abstand Δ zwischen den einzelnen Schleifen 3 der Wicklungen 2 und 5 abhängt. Man sieht in Fig. 2, daß die Maximalamplitude ganz präzise in Abständen von Λ auftritt, während die mit 7 bezeichneten Minima nicht mit einem regelmäßigen Abstand auftreten, was auf die Amplitudenschwankungen als Funktion der Stellung der Wicklungen 5 und 2 zueinander zurückzuführen ist. Die Gründe dafür werden später erläutert.

In F i g. 3 ist das Ausgangssignal des Verstärkers 6, das Signal e?, in seiner Amplitude über der Verschiebung zwischen den Wicklungen 2 und 5 aufgetragen. Es sei dabei angenommen, daß der Verstärker 6 derart aufgebaut ist, daß er die Maximalamplitude in jedem Abschnitt der Signaleinhüllenden feststellt und einen verstärkten einzigen Impuls zu dem Zeitpunkt abgibt, an dem das Maximum der Einhüllenden festgestellt wird, wie dies in F i g. 3 durch die typischen Ausgangsimpulse 8 dargestellt ist. Man sieht, daß der Abstand zwischen diesen Impulsen 8 etwa gleich groß ist und in der Theorie exakt gleich sein und dem halben Absland zwischen benachbarten Schleifen der Primär- und Sekundärwicklungen 2 bzw. 5 entsprechen sollte. Diesen Impulsen überlagert, sind in F i g. 3 gestrichelt die Orte der Minima- oder Nullpunkte der Signaleinhüllenden

ίο von Fig.2 dargestellt, die durch einen entsprechend aufgebauten Detektorverstärker feststellbar sind, über den dann die Nulldurchgänge des Signals ermittelt werden können. Diese Ausgangssignale sind dann als Impulse 9 in F i g. 3 gezeigt Man sieht, daß der Abstand der Impulse 9 als Funktion der Verschiebung unregelmäßig ist und den Nulldurchgängen 7 in Fig.2 entspricht

In Fig.4 sind schematisch die zwei Positionen zwischen einer Primärwicklung 2 und einer Sekundärwicklung oder Abnahmewicklung 5 dargestellt In der ersten Position A sind die einzeln'.-./ Schleifen 3 der Sekundärwicklung oder Abnahmewickiuig 5 genau mit den gegenüberliegenden Schleifen 3 der Primärwicklung 2 ausgerichtet. Zur schematischen Darstellung der Fig.4 ist zu sagen, daß die Sekundärwicklung 5 allgemein über der Primärwicklung liegend angeordnet sein wird, wie dies aus F i g. 1 deutlich zu erkennen ist, so daß die volle Länge der Leiter 4 miteinander induktiv gekoppelt ist. Die Position A ist die Stellung, bei der

jo zwischen den Wicklungen 2 und 5 eine maximale Kopplung besteht und das in der Abnahmewicklung oder Sekundärwicklung 5 induzierte Maximasignal ist durch die Orte der Maxima 8 in Fig. 3 dargestellt. Dieses Verhältnis ist immer dann richtig, wenn die

i> einzelnen Schleifen 3 der beiden Wicklungen 2 und 5 miteinander exakt ausgerichtet sind. In der Position S ist die Wicklung 5 gegenüber der Wicklung 2 um die Strecke 'Λ Σ verschoben und das Minimumsignal 9 in F i g. 3 würde zum Zeitpunkt 7 in F i g. 2 erzeugt, da in diesem Fall eine nur sehr lose Kopplung besteht. Theoretisch wird in der bei fl dargestellten Position die Eneigie null übertragen. Man erkennt jedoch aus Fig. 2, daß die Signaleinhüllende in Wirklichkeit am Punkt 7 nicht auf null zurückgeht, der den Positionen B in F i g. 4

·»·> entspricht. Das ist auf eine Reihe von Gründen zurückzuführen, insbesondere auf den Aufbau eines Streufeldes, das von der Primärwicklung 2 ausgeht und durch die Sekundär- oder Abnahmewicklung 5 praktisch unabhängig von der gegenseitigen, jeweiligen Verschie-

)(i bung in bezug auf die Wicklung 2 aufgenommen wird. Das Streufeld ist auch für die Verstärkung des in der Sekundärwicklung induzierten Signals in den Positionen A verantwortlich und liefert die Abschnitte hoher Ampli''jJe des in Fig.2 gezeigten Signals e,. Dieses

■ dieser Anordnung eigentümliche Problem wird mit wachsendem Abstar.d zwischen den Wicklungen 2 und 5 in zueinander parallelen Ebenen schlimmer und hat im Stand der Technik zu den zahlreichen Versuchen geführt, den Spalt oderAbstand zwischen den Wicklun-

Wi gen zu verringern, und man hat in manchen Fällen sogar zusätzliche Abschirmungen oder geerdete Elemente benutzt, um das Hintergrundfeld zu unterdrücken.

Beträgt die Frequenz, bei der der Oszillator 1 schwingt, nicht wie beim Stand der Technik 1 —100KHz, sondern 1 bis 10MHz, so kann man dadurch die zwischen den Wicklungen 2 und 5 erforderliche Abstandstoleranz herabsetzen, die erfüllt werden muß, da ein zum Abfühlen brauchbares Signal

bei höheren Frequenzen über einen Luftspalt wirksamer ausgekoppelt werden kann. LaQt man jedoch einen größeren Abstand zwischen den Wicklungen zu, so erhöht man dadurch auch den Betrag des Streufeldes, der in der Wicklung induziert wird und erhöht damit die ι abwechselnde Verstärkung und Dämpfung des in F i g. 2 dargestellten induzierten Signals e\.

Im Zusammenhang mit F i g. 5 wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, die die zuvor erwähnten Schwierigkeiten des Standes der Technik verringert und gleichzeitig die Forderungen auf ein sorgfältiges Einhalten des Abstands zwischen Wicklungen 2 und 5 reduziert und außerdem die Einwirkung des Streufeldes des in F ι g. 2 gezeigten induzierten Signals <?i i euu/.ici i uu'ei uesemgi. > ">

In F i g. 5 ist ein Verstärker-Detektor 6 mit der Wicklung 5 in üblicher Weise verbunden, jedoch ist ein zusätzlicher Anschluß an einer Mittelanzapfung 10 der Sekundärwicklung 5 am Verstärker 6 hochfrequenzmäßig auf Eriipoteniiai angeschlossen. Diese zusätzliche -"' Mittelanzapfung IO liefert ein vollständig anderes und unerwartetes Ergebnis, wenn sie mit dem hochfrequenzmäßig geerdeten Punkt des Hochfrequenzoszillators 1 verbunden wird. Die Einwirkung des Streufeldes auf das induzierte Signa! ei verschwindet, wie dies aus F i g. 6 zu .'"> erkennen ist und man erhält regelmäßige Abstände der einzelnen Abschnitte der Signaleinhüllenden mit ungefähr gleich großen Maximal- bzw. Minimalamplituden und mit einem tatsächlich auftretenden Nullpunkt oder Nulldurchgang zwischen den einzelnen Maxima. Wie i" aus Fig. 7 zu erkennen, liefert der Verstärker 6 am Nullpunkt, wenn der Verstärker 6 so aufgebaut ist. daß er die Spannung null oder den Nulldurchgang der Signaleinhüllenden ei feststellt, ein Ausgangssignal, wie es in F i g. 7 dargestellt ist. Man erhält also eine >> Impulsfolge mit regelmäßigem, gleichförmigem Abstand, welche den Nulldurchgängen entspricht, statt — wie bisher — einen unregelmäßigen Abstand, den man erhalt, wenn man die Nulldurchgänge oder Signalminima als Auslösepunkt für den Verstärker-Detektor 6 ■>" benutzt.

F ι g. 8A bis 8D zeigen schematisch die verschiedenen Signale ais Funktion einer Verschiebung zwischen Sekundärwicklung 5 und Primärwicklung 2. wobei das Eingangssignal der Primärwicklung in F i g. 8A darge- ^J> stellt ist. Das in F i g. 8B dargestellte, in der Sekundärwicklung 5 induzierte Signal prgiht sich, wenn diese Wicklungen so angeordnet sind, daß die Leiter 4 der Wicklungen 5 and 2 miteinander ausgerichtet sind, wie dies dort gezeigt ist. in F ι g. 8C ist das in der Wicklung 5 v> induzierte Signal e-, für die Position dargestellt, bei der die Wicklung 5 gegenüber der Primärwicklung 2 um den Abstand '¹UA verschoben ist. Wie dargestellt, wird der Signalpegel in dieser Position zu null, w=nn die Mittelanzapfung 10 hochfrequenzmäßig an Eroe ange- schlossen ist und dieses Nullpotential wird durch die waagrechte Achse in F i g. 8C angedeutet. In F i g. 8D ist das Signal ei gezeigt das dann auftritt, wenn die Sekundärwicklung 5 um den Abstand ΔΙι aus seiner Anfangsposition in Fig.8A bewegt worden ist. Wie man ganz eindeutig aus den einzelnen Pfeilen erkennt, die den Stromfluß in der Wicklung 2 darstellen (der dem in Wicklung 5 induzierten Strom entspricht), ergibt sicr hierbei eine Phasenumkehr um 180°, wenn man die Sekundärwicklung aus der Position in Fig. 8B in die Position der F i g. 8D bewegt, so daß der amplitudenmo· dulierte Signalpegel durch null gehen muß, stat zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwer zu schwanken, wie dies für den Stand der Technik in Fig. 2 dargestellt ist. Man erhält dadurch bessere und eindeutiger definierte Nulldurchgänge des so erzeugter Signals und dies trägt zusammen mit der gleichförmigen Amplitude des in F i g. 6 dargestellten Signals, das untet Verwendung der Mittelanzapfung 10 erzeugt wird spürbar zur Genauigkeit und dem Gesamtbetriebsver halten einer Einrichtung zum Feststellen einer Positior uci, die ΜΊ dieser Weise aufgebaut ist. Um die Wirkung der Nulldurchgänge noch weiter zu verbessern, wird da? verstärkte Signal ej gleichgerichtet und gefiltert zurr Signal ei. Zwischen den eigentlichen Signalamplituder des Signals ei sind die einzelnen Niilldtirchgänge sehr genau definiert. Verwendet man die N'uiipunkte der amplitudenmodulierten Einhüllenden von F i g. 9. die denen der Einhüllenden in F i g. 6 entsprechen, au welchen dann das Ausgangssignal der F i g. 7 abgeleitei wird, dann wird die Genauigkeit beträchtlich erhöht.

Der Grund dafür ist leicht aus den F i g. 8 und 9 zu erkennen, wobei das wichtigste Merkmal des festgestellten Signals C₂ der scharf definierte Einschnitt an N'illpunkt ist. Mii der Ausnahme von kleinen, aus dei Umgeb :.λ£ aufgenommenen Störsignalen geht da amplitudenmodulierte Signal an diesem Punkt aus der in Zusammenhang mit F i g. 8A bis 8D dargestellten unc dargelegten Gründen tatsächlich durch null. Al? weiterer Vorteil dieser Lösung, bv;i der die Mittelanzapfung 10 hochfrequenzmäßig geerdet ist. besteht darin daß die Relativposition zwischen Primärwicklung 2 und Sekundärwicklung 5 beim Auftreten des endgültig abgegebenen Ausgangsimpulses nicht so empfindlich auf den Spalt zwischen Primär und Sekundärwicklung reagiert, wie dies beim Stand der Technik der Fall war Der Grund für diese verringerte Empfindlichkeit für den Spaltabstand liegt darin, daß bei höheren Frequenzen eine bessere Kopplung erzielt wird, wie dies bereits erläutert wurde und daT die stark verbesserte Auflösung durch Verwendung der Nullpunkte oder Nulldurchgänge bei der Feststellung der Relativposition zwischen Primär- und Sekundärwicklung sehr genau arbeitet wenn diese gegeneinander bewegt werden.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß Primär- und Sekundärwicklung in einfachster Weise auf gedruckten Schaltungskarten aufgebracht werden können, da eine genaue Überwachung der Abstandstoleranzen nicht erforderlich ist. Gedruckte Schaltungskarten können trotz ihrer etwas unebenen Oberfläche benutzt werden. Außerdem können der Hochfrequenzoszillator 1 und die Verstärker-Detektorschaltung 6 auf den gleichen Schaltungskarten wie die Primär- und Sekundärwicklung untergebracht werden da sich Verstärker und Detektoren für Hochfrequenzsignale in der Größenordnung von 1 bis 10 MHz, wie sie bei vorliegender Erfindung benutzt werden, leicht in Form von integrierten Schaltungen aufbauen lassen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Einrichtung zum Feststellen von Lageänderungen zwischen relativ zueinander verschiebbaren Bautei- : len unter Verwendung einer mäanderförmigen, von einem Hochfrequenzoszillator gespeisten Primärwicklung, einer damit gekoppelten mäanderförmigen Sekundärwicklung und einem an diese angeschlossenen Verstärker-Decoder, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenzgenerator mit einer Frequenz zwischen 1 und 10 MHz an der Primärwicklung (2) angeschlossen ist, daß zur genau definierten Ermittlung der Nulldurchgänge an den Steilen der durch eine Relativ-Bewegung zwischen Primärwicklung (2) und Sekundärwicklung (5) erzeugten Minima des in der Sekundärwicklung (5) induzierten Signals eine Mittenanzapfung der Sekundärwicklung mit einem hochfrequenzmäßig geerdeten Punkt des Verstärker-Detektors (6) und außerdem mit einem hochfrequenzmäßig geerdeten Punkt des Hi-Oszillators verbunden ist und daß der Abstand zwischen Primär- und Sekundärwicklung etwa 40—50% so groß ist wie die Periode (A) jeder der beiden Wicklungen.