DE2448950C3 - Einrichtung zum Messen von Lageänderungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Es ist schon eine große Anzahl von grundsätzlichen Patenten auf ;.iit Hochfrequenz arbeitende, induktive Lageabfühleinrichtungen ertei.¹' worden. Auch sind bereits zahlreiche Verbesserungen in den verschiedensten Teilen der Schaltung, cW 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 m der Vorrichtung zur Lagefeststellung Fehler erzeugein, 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 Maximalamplitüde benötigte und aufbaute, mit deren Hilfe man in der Lage war, den Zeitpunkt und die Lage des Auftretens des Maximums des SpannungsSgnals sicher festzustellen. Solche Schaltungen sind im allgemeinen viel komplizierter und teurer, als erwünscht.

In Präzisionsanwendungsgebieten, auf die sich die ϊ 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 lu 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, : ί 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 2i) Schwierigkeiten Fehler auftreten.

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

Aufgabe der Erfindung ist es also, einen Hochfresn quen/ubertrager 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,
η Diese Aufgabe wird in der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Weise gelöst.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben,
•fii 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

t> 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 /wischen Primär- und Sekundärwick-

i'i lung stattfindet.

Fig. 3 die Orte längs der I.angsausdehnung der Primärwicklung, bei der durch die Schaltung gemäß F i g. 1 Nulldurchgänge in der amplitudenmodulierten Einhüllenden des in der Sekundärwicklung erzeugten Vi 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 mi Maximalsignal und das Minimalsignal durch induktive Kopplung /wischen den beiden Wicklungen übertragen wird,

Fig,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

F i g. 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 Fig. 1 ist eine typische Ausführungsform des Standes der 'i echnik dargestellt, bei der ein Hochfre- in quenzoszillator 1, der im allgemeinen im Bereich zwischen 1 und 100 kHz arbeitet, mit einer Primärwicklung 2 verbunden ist, die aus einer Anzahl rnäanderförmiger Schleifen 3 besteht. Die einzelnen Schleifen 3 haben im allgemeinen voneinander einen gleich großen ι > 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 m 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-Detektor 6 nimmt das so Eingangssignal ei auf und liefert daraus ein verstärktes Ausgangssignal e2.

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 r> 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 F i g. 1 dargestellten Einrichtung abgegeben wird, wenn ein >» solches Signal in der Sekundärwicklung 5 induziert wird.

In Fig. 2 ist die Signaleinhüllende ei. die in der Abnahmespule oder Sekundärwicklung 5 iiiduziert und dem Eingang des Verstärkers 6 zugeführt wird, in senkrechter Richtung als Funktion der Horizontalposi- >~. tion der Sekundärwicklung 5 in bezug auf die Primärwicklung 2 dargestellt. Bewegt man die Sekundärwicklung 5. wenn sie sich /. B. auf einem bewegbaren Element eines l.agedetekiorsystems befindet, darin 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 ■ Maximalamplttude ganz präzise in Abständen von Δ auftritl. 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 mi Gründe dafür werden später erläutert.

In Fig.3 ist das Ausgangssignal des Verstärkers 6, das Signal e?, in seiner Amplitude über der Verschie^ bung 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 Fi 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 Abstand zwischen benachbarten Schleifen der Primär- und Sekundärwicklungen 2 bzw. 5 entsprechen sollte. Diesen Impulsen überlagert, sind in Fig.3 gestrichelt die Orte der Minima- oder Nullpunkte der Signaleinhüllenden 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 ader Abnahmewicklung 5 dargestellt. In der ersten Position A sind die einze! ..n Schleifen 3 der Sekundärwicklung oder Äbnahmewickhng 5 genau mit den gegenüberliegenden Schleifen 3 der Primärwick lung 2 ausgerichtet. Zur schematischen Darstellung der Fig.4 ist zu sagen, daß die Sekundärwicklung 5 allgerr sin 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 zwischen den Wicklungen 2 und S eine maximale Kopplung besteht und das in der Abnahmewicklung oder Sekundärwicklung 5 induzierte Maximasignal ist durch die Orte der Maxima 8 ir Fig. 3 dargestellt. Dieses Verhältnis ist immer dann richtig, wenn die einzelnen Schleifen 3 der beiden Wicklungen 2 und 5 miteinander exakt ausgerichtet sind. In der Position B ist die Wicklung 5 gegenüber der Wicklung 2 um die Strecke U₂ Σ verschoben und das Minimumsignal 9 in F ι g. 3 würde zum Zeitpunkt 7 in F i g. 2 Lrzeug;. da in diesem Fall eine nur sehr lose Kopplung besteht. Theoretisch wird in der bei B dargestellten Position die E.iergie null übertragen. Man erkennt jedoch aus F i g. 2. daß die Signaleinhüllende in Wirklichkeit am Punkt 7 nicht auf null zurückgeht, der den Positionen Sin Fi 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 Verschiebung in bezug auf die Wicklung 2 aufgenommen wird. Das Streufeld ist such für die Verstärkung des in der Sekundärwicklung induzierten Signals in den Positionen A verantwortlich und liefert die Abschnitte hoher Arr-.iiiude des in Fig. 2 gezeigten Signals ei. Dieses dieser Anordnung eigentümliche Problem wird mir wachsendem Absund zwischen den Wicklungen 2 und 5 in zueinander parallelen Ebenen schlimmer und hat im Stand der Technik zu den zahlreichen Versuchen geführt, den Spnlt oderAbstand zwischen den Wicklun 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 — 100 KHz, sondern 1 bis 10 MHz, so kann man dadurch die zwisciien 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, Läßt man jedoch einen größeren Abstand zwischen den Wicklungen zu, so erhöht man dadurch auch den Betrag des Stfeufeldes, der in der Wicklung induziert wird und erhöht damit die *> 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 Fig. 2 gezeigten induzierten Signals ei reduziert oder beseitigt.

In Fig.5 ist ein Verstärker-Detektor 6 mit der Wicklung 5 in üblicher Weise verbunden, jedoch ist ein zusätzlicher Anschluß an einer iviiiteianzapfung iö der Sekundärwicklung 5 am Verstärker 6 hochfrequenzmäßig auf Erdpotential angeschlossen. Diese zusätzliche Mittelanzapfung 10 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 Signal er verschwindet, wie dies aus F i g. 6 zu 2^r> 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 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 erhält, wenn man die Nulldurchgänge oder Signalmini· ma als Auslösepunkt für den Verstärker-Detektor (5 benutzt

F i g. 8A bis 8D zeigen schematisch die verschiedenen Signale als Funktion einer Verschiebung zwischen Sekundärwicklung 5 und Primärwicklung 2, wobei das Eingangssignal der Primärwicklung in Fig. 8A dargestellt ist. Das in Fig.8B dargestellte, in der Sekundärwicklung 5 induzierte Signal ergibt sich, wenn diese Wicklungen so angeordnet sind, daß die Leiter 4 der Wicklungen 5 und 2 miteinander ausgerichtet sind, wie dies dort gezeigt ist. In F i g. 8C st das in der Wicklung 5 induzierte Signal ei für die Position dargestellt, bei der die Wicklung 5 gegenüber der Primärwicklung 2 um den Abstand Ά Δ verschoben ist. Wie dargestellt, wird der Signalpegel in dieser Position zu null, wenn die Mittelanzapfung 10 hochfrequenzmäßig an Erde angeschlossen ist und dieses Nullpotential wird durch die waagrechte Achse in Fi g. 8C angedeutet. In F i g. 8D ist das Signal ei gezeigt, das dann auftritt wenn die Sekundärwicklung 5 um den Abstand Ali 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 sich 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 amplitüdenmodulierte Signalpegel durch null gehen muß, statt zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert zu schwanken, wie dies für den Stand der Technik in Fig.2 dargestellt ist. Man erhält dadurch bessere und eindeutiger definierte Nülldufchgärigc des so erzeugten Signals und dies trägt zusammen mit der gleichförmigen Amplitude des in F i g. 6 dargestellten Signals, das unter Verwendung der Mittelanzapfung 10 erzeugt wird, spürbar zur Genauigkeit und dem Gesamtbetriebsverhalten einer Einrichtung zum Feststellen einer Position bei, die in dieser Weise aufgebaut ist. Um die Wirkung der Nulldurchgänge noch weiter zu verbessern, wird das verstärkte Signal ο gleichgerichtet und gefiltert zum Signa! cV. Zwischen den eigentlichen Sigriaiaiiipüiuuen des Signals lV sind die einzelnen Nulldurchgänge sehr genau definiert. Verwendet man die Nullpunkte der amplitudenmodulierten Einhüllenden von Fig.9. die denen der Einholenden in Fig.6 entsprechen, aus welchen dann das Ausgangssignal der F i g. 7 abgeleitet wird, dann wird die Genauigkeit beträchtlich erhöht.

Der Grund dafür ist leicht aus den Fig. 8 und 9 zu erkennen, wobei das wichtigste Merkmal des festgestellten Signals e? der scharf definierte Einschnitt am Nullpunkt ist. Mit der Ausnahme von kleinen, aus der Umgebung aufgenommenen Störsignalen geht das amplitudenmodulierte Signal an diesem Punkt aus den in Zusammenhang mit F i g. 8A bis 8D dargestellten und dargelegten Gründen tatsächlich durch null. Als weiterer Vorteil dieser Lösung, bei der die Mittelanzapfung 10 hochfrequenzmäßig geerdet ist, besteht darin, daß die Rclativposition 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 Freauenzen eine bessere Kopplung erzielt wird, wie dies bereits erläutert wurde und daß 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 au.gebracht 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 '.η 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 Zeichnuneen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Einrichtung zum Feststellen von Lageänderungen zwischen relativ zueinander verschiebbaren Bauteilen 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 Stellen 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 Hf-Oszillators verbunden ist und daß der Abstand zwischen Primär- und Sekundärwicklung etwa 40-50% so groß ist wie die Periode (Δ) jeder der beiden Wicklungen.