测量距离的电感测量传感器和 测量角度的装置
本发明首先涉及一种如权利要求1和2前序部分所述的电感测量传感器。电感测量传感器具有定子和可以相对于定子移动的滑架，具有一个电感传感器元件和相关的电子测定仪器，其输出信号表示的是对托架相对于定子位置的测量。定子具有一个励磁线圈，其在测量距离上延伸并受到交流电流的馈送。该励磁线圈的磁场穿过传感器元件，该传感器元件与托架连接并且是软磁芯和/或线圈的形式；磁场接下来穿过与定子连接的次级绕组，并在此处感应出取决于滑架位置的电压。该次级绕组由一匝组成，通过分散在测量距离中的适当的分接头从其中获得电压成分。将电压成分均分后产生取决于滑架位置地电压。通过电阻器或通过其他电子元件可以完成均分。也可以利用电阻层或电容器板代替离散的元件。在一个具体的优选实施例中，磁场绕组由单匝构成，其中外壳和导杆可以用来作为线圈。通过将传感器元件设计为调谐电路来获得进一步的改进，并且这将极大地减少漏磁场的形成。在这种情况下，通过利用调谐电路作为定义振荡器频率的元件，有利于传感器在该调谐电路的谐振频率下工作。
此外，本发明还涉及如权利要求13、14和16前序部分中所述的用于测量角度的装置。
电感距离/角度传感器的优点在于，对灰尘和其它环境影响具有很低的灵敏度。通常已知差动的电感器，在这些电感器中，软磁芯位于两个线圈中，并且其位置影响两个线圈的电感，因此可以在这两个线圈之间分接出取决于位置的电压，其中两个线圈串联连接并且与AC电压连接。该结构的缺点在于，线圈的实际长度总计为测量距离的至少两倍，此外线圈的机械连接也超出最终位置的测量距离，因此需要至少三倍于测量距离的安装长度。此外，测量结果受绕组电阻的温度反应和所使用磁铁材料的导磁率的影响。
此外，已经提出解决方案，其中在线圈中插入短路圆柱或者高导磁率的磁芯，其中线圈的电感变化用来作为对磁芯位置的测量。这些解决方案与差动的变压器相比所具有的优点在于，它们的实际长度短。但是，当延长测量杆时，仍然需要至少两倍的测量距离。此外，绕组电阻和磁芯的温度反应在温度特性上具有更显著的影响。
从德国专利DE-A-2511683中知道，通过经由高导磁率的磁芯将电压从磁场绕组引入到测量绕组中，增加匝的密度，来产生合适的测量信号。该方法的优点在于具有短的实际长度。但是其缺点在于，磁场在测量线圈的面积上的分布和测量线圈的结构必须满足严格的要求。
此外，从WO 94/03778中已知一个实施例，依靠线圈上的短路环，在线圈区域部分内产生减小的电压降；并且通过来自线圈分接头的电阻器或电容器，形成取决于短路环的位置的信号。由此得到具有短的实际长度的传感器。不利的特点在于绕组电阻和寄生电感的影响。
本发明的目的在于克服上述装置的缺点，并且提出一种距离传感器，其可以利用简单的方法而构成并且具有高精确度。
通过独立权利要求1、2、13、14和16的结构来完成该目的。优选实施例是与这些权利要求有关的从属权利要求的主题。
在下文中参照附图对本发明的优选实施例进行描述，其中：
图1和1a是根据本发明的传感器的结构示意图；
图2是由该传感器在测量绕组上、在绕组长度上产生的磁通和电压的分布图；
图3是以单匝作为磁场绕组的优选实施例；
图4a和4b是优选实施例的剖面图，其中减少了有害的漏磁场的影响；
图5a和5b表示一个实施例，其中通过磁场绕组的适当设置使得来自漏磁场的耦合影响变得无效；
图6表示一个实施例，其具有带附加绕组的测量磁芯和电容器以形成调谐电路；
图7是设计方框图，其中使用调谐电路作为限定振荡器电路频率的元件；
图8是直接从磁场绕组中分接测量电压的实施例的示意图；
图9是根据本发明的角度传感器，其具有安装在旋转点的环形线圈和测量磁芯；
图10是根据本发明的角度传感器的优选实施例，其具有安装在远离旋转点的环形线圈和测量磁芯；
图11是具有对称设计的角度传感器，和
图12简要表示根据本发明的具有平面线圈的角度传感器。
图1是根据本发明的传感器的示意图。由AC电压源4向磁场绕组1供电，磁场绕组1的线圈部分贯穿传感器的整个长度1。线圈磁芯2由高导磁率材料组成并具有以移动的方式形成的空气缝隙d，使得磁芯穿过线圈1，使得分压器元件3的一部分位于该空气缝隙中。分压器元件3包括导体5，其沿着底部边缘伸展超出分压器元件3；导体8，其在上部边缘延伸超出分压器元件；另一个导体7，其与导体5平行分布；和导电涂层9，其位于导体8和导体7之间并且形成电阻，该电阻沿着整个测量距离分布，位于导体8和7之间，大体上具有比由导体5和8所形成的感应回路的阻抗要高的阻抗。
由AC电压源4提供的电流流经线圈1以产生磁通量，该磁通量穿过位于磁芯2部分中的分压器元件3，同时只有一小部分磁通量穿过分压器元件3的其余部分。
图2中所示的图表表示磁场场强和测量传感器的整个长度上的电压的理想化分布。该分布没有考虑边缘的影响或漏磁场。磁通量φ在磁芯的区域中产生并且穿过电阻元件9。
相对于导体5和7，磁芯2的空气缝隙部分中的磁场随时间的变化在导体8中感应出AC电压U(x)。AC电压U(x)与磁通量φ对面积的积分成比例。结果，在导体8上形成的相对于导体5的电压分布位于位置x上，该电压最初在与磁芯2的接头相反的位置上为零，在由磁芯2覆盖的区域上线性递增，而在磁芯后面直到接头处保持恒量(图2)。遍布在距离1之上的区域中并被初始认为电阻层的电阻形成总电阻R0，R0可以在相对于导体5、或导体8的导体接头处检测到。
如果将电阻层看作是由相同大小的单个电阻器组成，这些电阻器并联并每个与不同的电压源相连，然后输出电压变为：UA=Rn*Σi=1nUiR=RO*Σi=1nUiRO*n=Σi=1nUin]]>如果允许将n增加到无穷大，其结果为：UA=1I*∫x=0lUxdx]]>
由于电压分布如图2所示，则这导致的结果是，在输出电压中范围为0＞s＜(1-b)〔原始文本在第8页上的等式〕。UA=UO*b2l+UO*l-s-bl]]>
由此产生可移动的磁芯2的位置s和输出电压Ua之间的线性关系。
导电涂层可以形成为电阻材料的连续表面；或者可以以足够数量的均匀分布的离散电阻器或电容器表面、或以单个的电容器、或它们的组合的形式形成。
由于测量线圈仅由一匝组成，输出电压相当低。需要穿过分压器元件的适当高的磁通量，以便产生可以用于测定的信号，在这种情况中将来自初级线圈1的漏磁通量尽可能小地耦合到分压器元件中。感应电压是频率、在初级线圈1中产生的磁场强度、线圈2的导磁率和横截面、磁芯2的空气缝隙d、以及空气缝隙范围中磁芯面积的函数。
为了利用低电流产生高感应电压，选择尽可能高频率是有利的。但是，对于长的移动距离，频率受到绕组电容的限制。此外，合适的线圈的生产相对复杂并且很难将移动磁芯插入到线圈中。通过一种设计可以克服这些困难，在这种设计中，初级线圈设计成单匝的形式，并且与用于产生电源电压的电路匹配，该电源电压依靠变压器来提供。图3表示的是一个优选实施例部分剖掉的示意图。
通过变压器11将来自电压源10的电压减小到合适的较低电压。变压器11的次级绕组的一个接头与外壳12连接；另一个接头与导轨13连接，导轨13位于外壳12的内部，与内壁平行，并且在相反的一端与外壳电连接。因此变压器次级线圈中的电流流经导轨13并经过外壳12返回。磁芯14位于导轨13和外壳12之间，使得磁通量穿过分压器元件15，该磁通量由流经导轨13和外壳12的电流产生。将反向线路设计成尽可能的宽，并且布置在离外壳较近距离的位置上。与普通的线绕线圈相反，该装置提供了设计几何结构的可能性，使得在磁芯14以外的区域中的电感尽可能的小，使得由于其较低的磁阻，主要在磁芯14的区域中存在电压降。该装置具有高出该装置所需频率许多的谐振频率。
在磁芯14以外的区域出现并且由磁场绕组产生的磁场在分压器中产生感应电压，该电压添加到在磁芯14中感应的所期望信号的相关位置。最初，这仅导致零点的偏移。但是，由于软磁芯材料的导磁率由温度决定，可以导致温度响应的衰弱。因此由漏磁场在分压器中感应的电压尽可能小。
下面的测量可以克服这个问题：
--位于足够距离的分压器装置。该方法使得设计简单，但是需要比较大的空间。
--将分压器元件15移动到对开绕组中的一个的低压区域中(图4a和4b)。励磁线圈仅有一匝的设计尤其适合于该目的。图4a和图4b是通过相应装置的剖面图。使用外壳15作为正向导体，轮廓16用来作为励磁电流的反向导体。将轮廓16设计成分压器元件17能够放入到类似于槽的开口中。磁芯18由具有高磁导率的材料组成并将轮廓16封闭，具有设在轮廓的类似于槽的开口中的空气缝隙，接下来分压器元件17放在空气缝隙中。
图4a和4b表示磁力线的分布，其由流经外壳15的轮廓和轮廓16(反向线路)的电流产生。在这种设计中，励磁电流最好在相对表面的表面区域中流动。只要磁芯不影响磁通量，类似槽的开口区域可以远离任何磁场。
图4a表示没有任何磁芯的磁力线分布。在这种情况中，实际上没有磁力线穿过分压器元件17。
在图4b中，由于所说磁芯18的高导磁率-在磁芯18的区域中-磁力线最好流经磁芯18，并且主要穿过空气缝隙区域中的分压器元件17，以便在此产生所需要的感应电压。由于磁阻较少，磁通量比没有磁芯18的区域要高。此处也肯定存在漏磁场，并且导致输出信号的减少。但是，它们与所期望磁场的比率总是相同的。
这种设计的一个优点在于，磁芯18以外的区域中的初级绕组的电感非常低，同时在磁芯18区域中的电感相当高。结果，穿过测量磁芯区域外部中的磁场绕组只存在较低的电压降。此外，由于轮廓的形状，结构非常有刚性，因此形成良好的机械强度。但是，磁芯18的复杂设计是一个缺点。
对分压器元件进行设计，使得不想要的漏磁场相互抵偿(图5a和图5b)。在用来作为正向导体的外壳19中，反向导体20相对于分压器元件设置，使得当没有磁芯存在时，磁力线穿过分压器元件，使得分压器元件面积上的磁通量的积分趋向零(图5a)，其没在磁芯22的区域中形成。图5b表示磁芯22的区域，在此处将磁通转向，使得磁通量仅以一个方向经过分压器元件21，并因此在测量绕组中产生一个相应的感应电压。
由于分压器元件仅由一匝组成，其中感应出待测定的电压，输出电压相当低。利用所使用的实际尺寸，具有2mm空气缝隙的磁芯横截面可以是大约0.5cm2。100KHz左右区域中的工作频率和至少0.1伏特的输出电压是所需要的。(较低的电压肯定给出更可利用的结果。但是，如果需要的精确性比较高，输出电压的计算更复杂并且噪音的影响也是值得注意的)。由此可以估算磁通所需要的励磁电流。将得到大约5A的值。这需要变压器以及正向和反向线路的合适设计。可以通过增加频率、减小空气缝隙和扩大空气缝隙面积来减少电流。
尤其是利用长的测量长度时，由于在这种情况中存在电压降，使得供电复杂。此外，高的电源电流产生相当强的不希望得到的漏磁场。因此希望励磁电流集中在测量磁芯的区域上。这可以如图6所示操作，如果测量磁芯23设有与电容器25连接的绕组24。线圈的电感和电容构成调谐电路，通过励磁电流JE对该调谐电路进行通电。电流JLC在调谐电路中流动，并且当增加线圈中的匝数时，在磁芯23的空气缝隙中产生相应的磁场强度。如果调谐电路在其谐振频率下工作，只需要励磁电流JE来维持线圈上的电压，该励磁电流JE是弥补调谐电路的损耗所需要的。依靠调谐电路的Q因子，通过10到50的因子就可以减小励磁电流。
励磁电流JE经由导体27流经磁芯。测量绕组26中感应的电压主要由流经绕组24和电容器25的电流JLC控制。当估算测量电压时，仍然需要记住，当调谐电路处于共振时，励磁电流JE相对于调谐电路电流JLC发生了90°的相移。此外，还减少了漏磁场的影响。
调谐电路满足工作条件的一个先决条件在于，它以谐振频率工作。可以通过调整振荡器的频率而完成调谐电路频率的调整，反之亦然。这种方法不会阻止振荡器和调谐电路相互间取消调谐。因此权宜之计是将测量调谐电路用来作为控制振荡器频率的元件。图7表示的是一种装置的方框图，该装置将来自磁芯30、线圈31和电容器32的调谐电路用来作为限定频率的元件。通过改变测量回路34中的磁通量，磁芯30产生由放大器36对其进行放大的感应电压UO，和产生穿过变压器35的初级绕组的电流。变压器35的次级绕组产生穿过磁场绕组33的电流，接下来产生穿过调谐电路磁芯30的磁通。在谐振频率上，电流和电压是同相的，并且假定电压是最大值。如果增益是足够的，该电路以由线圈31和电容器32形成的调谐电路的频率振荡。
电压加法器41的输出和整个次级绕组34的输出之间的电压比率用来作为磁芯相对于定子的位置的测量。有利的是，在由整流器电路38整流之后，通过利用来自电压源40的参考电压UR与穿过次级绕组34的电压进行比较，通过利用调整器41减少差别至零，和通过影响振荡器电路的增益来调节振荡器的振幅，使得其以需要的振幅进行振荡，来将穿过次级绕组34的电压调整为恒值。该方法具有的优点在于，如果进行合适的设计，振荡器电路不限制周期，并因此具有低的谐波含量。
在许多情况中，测量传感器的优点在于具有尽可能少的接头，例如假如它们试图以绝缘的方式穿过容器壁。如果可以估算出作用给电源线的电压，就可以减少所需要的接头数。图8表示这种实施例的一个例子。AC电压源48经由变压器42为包括导体43和44的导体回路供电。其中一个导体穿过可移动的磁芯45。电阻层46与导体43连接，并且与导体47的相对的末端连接。将尺寸设计成使得沿着导体43的电压降在没有磁芯45的区域中比磁芯45区域中的电压降要低。在这种情况中，明显的优点在于以调谐电路的形式形成磁芯45，其以谐振频率工作。电阻元件46在导体43上增加电压分布，并且通过导体47输出。这种设计的问题在于，由测量传感器的馈电电流引起的导体43和44上的电压降包括在输出电压中。其自己表现为零点的漂移和输出信号的减少。因此，如果需要，可以通过依赖于电流的校正电压来提供补偿。
下文描述角度传感器形式的电感测量传感器。
在角度传感器的情况中，能够将励磁铁心设成固定的和直接由振荡器供电。因此该处没有磁场绕组，并且没有与振荡器匹配的变压器。根据测量范围和所需要的精确性，有多种可能的物理形式。
最好涉及具有环形线圈的角度传感器。
具有环形线圈的装置的明显优点在于测量的角度超过90°，其中环形线圈相对于测量轴的旋转点同心布置。在这种情况中，需要依次在具有固定在测量轴旋转点的测量磁芯的装置，与偏心安装(远离旋转点)的并具有连续测量轴(空心轴)的测量磁芯之间进行识别。尽管不限制旋转角，但需要同心的环形线圈。
图9表示一种角度传感器，具有环形线圈和固定在旋转点的测量线圈，用于大约90°的角度测量范围。测量磁芯1’由两个同样的铁氧体磁芯组成，铁氧体磁芯包括环形芯棒、与其相邻的矩形网膜和与后者相邻并且利用空气缝隙d彼此相对的环形部分。测量磁芯1’与轴200’机械连接，打算测量其相应于固定测量元件3’的角度。将固定测量元件3’位于两个对开磁芯之间。导电导轨4’以导体回路的形式形成在扁平安装板2’上，并与接头5’和6’的末端连接。从圆弧7’和8’及其间的接头到接头5’和6’产生导体回路。另一个圆弧形式的导体导轨9’与接头10’连接。电阻层11’作用到导体导轨7’和9’之间的安装板上。环形线圈12’同样布置在安装板2’上，并如同将安装板2’布置在测量磁芯1’的两个对开磁芯之间。
当交流电流经线圈12’时，产生磁通，其最好流经铁氧体磁芯和穿过测量磁芯1’的空气缝隙。因此，以已知的方式，在导体回路4’中产生电压，并且该电压取决于角度，由电阻层增加，并且经过接头10’。
除了要测量的磁通φm之外，还存在不想要的漏磁通φs(其不取决于角度)，这将消耗额外的励磁能和减小所希望的信号。为保持低的漏磁通，将该线圈布置成尽可能与测量磁芯接近，并且将其布置成如圆柱形线圈。内部磁芯的直径和线圈的直径必须限制在所需要的范围内。
线圈与电接头13’和14’连接。为补偿感应的无功电流，以已知的方式将电容器15’与线圈并联连接。在以谐振频率工作期间，所需要的电流量只是为了弥补调谐电路的损耗所需要的。
误差分析表明轴偏移是导致测量误差的主要因素。因此努力使得有效半径R与可以假定的轴偏移之间的比率尽可能的大，其中有效半径R描述的是测量磁芯磁极片。这可能导致相当大的必须使用的测量磁芯。如果不这样做，所增加的复杂性对于精确的处理或调整必须是可以接受的。
如果测量角度小于180°，为减小来自轴偏移的误差，设计可以是对称的。然后测量磁芯具有两个成对的分支，在180°内进行补偿，其由普通的环形线圈供电，并且在适当布置的测量回路上作用，每个具有一个电阻元件。
图11描述的是这样一种设计。轴32’安装在外壳30’中，使得其能够旋转。软磁芯33’安装在轴32’上。磁芯33’由圆柱中心部分34’和由此伸出的四个分支35’组成，每个分支都成对以相互间成180°的角度布置。每个分支对35’形成一个空气缝隙，空气缝隙中放有印刷电路板31’。
结合图9以上述实施例中印刷电路板2’的相同方法对印刷电路板31’进行设计。它也具有导体导轨的第二装置37；电阻元件和用于形成现有导体导轨的镜像的电接头；电阻层和电接头36’。交流电流经励磁线圈38’，并且在两个空气缝隙中产生大约相同尺寸的磁通量。对两个电阻元件36’和37’的输出电压进行估算，使得它们以同样的方式提供给测量结果。如果存在轴偏移，一个部件36’的输出电压肯定具有误差。但是，通过其它部件37’中相应的相对误差对其进行极大的补偿。
该装置不但允许对由印刷电路板中相对于旋转点漂移产生的误差进行极大补偿，而且允许对转子或轴承平面的离心率产生的误差进行极大补偿。
另一个优点在于，对称设计避免了任何不平衡。
对于较大的轴直径和较大的测量半径R，尤其是在空心轴传感器中，由于较大的测量磁芯，上述角度传感器的构造通常是不经济的。此外，由于磁芯圆周上的较长距离，存在相当大的漏磁通量，导致所希望的信号减少。
作为它的一种替换，能够利用一种磁芯，其中铁氧体磁芯仅穿过线圈圆周区域的一部分。如果磁芯材料具有较高的导磁率，由于线圈、空气缝隙区域和长度中具有相同的励磁电流，将在测量回路中感应出相同的电压。这种装置的缺点在于形成了非常强的漏磁通，使得需要增加励磁能；此外还感应与测量回路中的角度无关的电压。
这个缺点可以得到极大的克服，通过利用测量磁芯外部的短路环来产生相反的磁场，该磁场导致漏磁场的减小并且减小测量回路中与角度有关的感应电压。
图10表示的是这种类型的具体实施例。利用支撑体19’的帮助，将磁芯17’安装在轴18’的侧边上，轴18’具有相当大的直径。磁芯17’由软磁材料制成。由两个同样的对开磁芯形成，其中每个包括一个内环部分和外环部分以及它们之间的连接网膜，在轴的末端没有任何空气缝隙的将其相互连接。短路环20’位于磁芯和轴之间，并且靠在磁芯17’外的区域中的支撑体19’的圆周上，但是在磁芯区域中穿过磁芯17’和轴18’之间。
与磁芯17’外环部分的内侧一起，形成一个其中放有安装板16’的空气缝隙。圆柱线圈30’也布置在安装板16’上并且包围轴18’、支撑体19’、磁芯17’的内环部分和具有小缝隙的短路环20’。具有接头26’和24’的导体回路21’、具有接头25’的导体导轨22’、电阻导轨23’、线圈接头27’和28’以及调谐电路电容器29’也布置在安装板16’上，。这些元件的作用从参照图9所做的描述中很显而易见。
由于其材料的相当高的导磁率因素和较短的空气缝隙，磁芯17’形成相对低的磁阻。因此，当电流流经线圈20’时，最好穿过空气缝隙的区域形成磁通量。但是，由于磁芯20’具有较大的直径，另外该轴具有不确定的磁性能，没有短路环20’时形成干扰的漏磁场。如果交流电流经线圈30’，在短路环20’中感应出电压，并且导致电流以与励磁电流IE相反的方向流动。由此形成抵消线圈磁场的磁场，使得产生的磁场遭到非常大的衰减。但是，由于短路环在此处穿过磁芯后面的部分，在磁芯17’中就不存在这种情况。
如上所述，为了减小由于轴的偏移而引起的误差，可以为小于大约120°的测量角度构造对称设计，该设计具有两个磁芯和一个普通的励磁线圈。
尤其是如果测量角度范围较小时，为了减小轴偏移引起的误差，在旋转点和电阻元件之间提供较大的距离是有利的。如果轴之间的间隔比较大，由于该目的需要较大直径的线圈和磁芯，就不再值得以同心的形式使用励磁线圈和调谐电路线圈。
在这种情况中，对于短测量距离，使用改进的线性距离的编码器是有利的。在这种情况中固定励磁线圈，并且直接由振荡器供电。与一个电容器一起，形成调谐电路。励磁线圈产生穿过测量磁芯的磁通，经由支架与轴机械连接，该轴相对于外壳的角度是待测量。测量磁芯依次穿过磁通，该磁通穿过具有电阻层的已知测量回路，因此产生取决于角度的输出信号。
图12是在上述功能原理基础上的角度传感器一个实施例的示意图。轴41’安装在外壳40’中，使得其能够旋转。支臂42’与轴牢固地连接。当轴旋转时，软磁芯43’与支臂的末端连接并且作圆弧运动。磁芯43’形成一个由空气缝隙断开的长方形。线圈45’和印刷电路44’与外壳牢固地连接。线圈45’布置成使得测量磁芯的直翼43’穿过它。印刷电路板44’设在测量磁芯43’的空气缝隙中。如果超出预期的测量范围移动，由测量磁芯的空气缝隙覆盖的区域就是测量回路47’，对此不用再进行详细的描述。线圈的横截面尽可能小，使得穿过测量磁芯的外部测量回路的的漏磁通保持尽可能小。此外，将绕组设计成十分扁平，使得其可以穿过磁芯43’的空气缝隙。因此能够使用整体磁芯。