СЕНСОРНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И/ИЛИ ИЗМЕНЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА ИЗМЕРЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01D5/20 

Изобретение относится к сенсорному устройству для определения положения и/или изменения положения объекта измерения относительно сенсора, причем с объектом измерения сопоставлен магнит. Изобретение также относится к соответствующему способу.

Сенсорные устройства и способы для определения положения и/или изменения положения находят широкое применение на практике. Определяется положение поршней, клапанов, кареток или других подвижных элементов. Области применения охватывают от бытовых приборов, автомобилей и до точного приборостроения или промышленных технологических линий. Часто бывает важным иметь возможность определять положение или изменение положения объекта измерения с высокой чувствительностью.

Часто применяются емкостные или индуктивные сенсоры, которые определяют реакцию объекта измерения на сенсор. Классические магнитные сенсоры используют ферромагнитные свойства объекта измерения или вихревые токи, которые индуцируются в объекте измерения. Наряду с этим известен другой класс сенсоров, в которых на магнитомягкий сердечник оказывает влияние магнит, сопоставленный с объектом измерения. Так, например, в DE 36 10479 А1 раскрыт сенсор, в котором магнит локально приводит в насыщение магнитомягкий сердечник и тем самым формирует виртуальный воздушный зазор. Положение воздушного зазора может считываться.

Другая возможность измерения положения, которая также использует воздействие магнита на магнитомягкие материалы, раскрыта в ЕР 1721130 В1. Там посредством проводящего шлейфа формируется переменное поле, которое в синусообразной проводящей структуре, действующей как вторичная катушка, индуцирует напряжение. Посредством суперпозиции нескольких синусообразных структур можно определить направление перемещения и положение объекта измерения. Однако недостатком является то, что проводящая структура имеет относительно сложную конструкцию, должна изготавливаться с высокой точностью, сенсор выполняется довольно широким, и необходима подложка с размещенными с двух сторон проводниками. Отсюда следуют относительно высокие затраты при изготовлении и неуниверсальность в использовании.

Другой сенсор положения, который работает по сопоставимому принципу, известен из DE 39 14787 A1. Сенсор имеет первичную и по меньшей мере одну вторичную катушку, которые навиты на общий магнитомягкий сердечник. С объектом измерения сопоставлен магнит, который в зависимости от положения объекта измерения локально приводит сердечник в насыщение. Возникающий при этом виртуальный воздушный зазор влияет на импеданс катушек и их коэффициент трансформации, что можно обнаружить методами измерения. Для линеаризации характеристики форма сердечника в продольном направлении варьируется. Для этого сердечник должен механически обрабатываться, и катушки должны наматываться на косо проходящий сердечник, что делает дорогостоящим изготовление сенсора. К тому же сенсор относительно велик, что затрудняет или полностью делает невозможным его использование во многих областях.

Поэтому в основе изобретения лежит задача выполнить и дополнительно усовершенствовать сенсорное устройство вышеназванного типа таким образом, чтобы получить надежный в эксплуатации сенсор, который может изготавливаться с незначительными затратами на изготовление и является универсальным в использовании.

В соответствии с изобретением вышеуказанная задача решается признаками пункта 1 формулы изобретения. В соответствии с этим упомянутое сенсорное устройство выполнено таким образом, что сенсор содержит первый проводник и расположенный с продольной стороны первого проводника второй проводник, и что в зоне влияния первого и второго проводников размещена магнитомягкая пленка, магнитная проницаемость которой под влиянием магнитного поля изменяется и которая оказывает влияние на электромагнитную связь между первым и вторым проводниками.

В отношении способа, вышеуказанная задача решается признаками пункта 15 формулы изобретения. В соответствии с этим соответствующий изобретению способ отличается тем, что переменный ток, протекающий через первый проводник сенсора, формирует переменное поле, которое в расположенном с продольной стороны первого проводника втором проводнике индуцирует напряжение, причем на электромагнитную связь между первым и вторым проводниками оказывается влияние посредством магнитомягкой пленки, магнитная проницаемость которой под влиянием магнитного поля изменяется.

В соответствующем изобретению решении прежде всего было обнаружено, что можно отказаться от сложного выполнения проводников сенсора. Для этого в соответствии с изобретением применяется проводник, с продольной стороны которого на некотором расстоянии размещен второй проводник. Это расстояние гарантирует, что омический контакт между первым и вторым проводниками отсутствует. При этом проводники выполнены сравнительно просто. Во всяком случае, несмотря на очень простую конструкцию, может быть создан на удивление хорошо работающий сенсор. В области влияния первого и второго проводников размещена магнитомягкая пленка, магнитная проницаемость которой под влиянием магнитного поля изменяется. За счет размещения магнитомягкой пленки в области влияния проводников пленка оказывает влияние на электромагнитную связь между первым и вторым проводниками. Так как магнитная проницаемость под влиянием магнитного поля изменяется, можно за счет наличия поля магнита изменять электромагнитную связь между первым и вторым проводниками. Если с объектом измерения сопоставлен магнит, этот эффект может быть сенсорно использован и оценен. За счет этого создается сенсор, который может быть сконструирован с очень малой шириной, благодаря чему обеспечивается возможность применения в пространственно ограниченных областях. Благодаря очень простой основной структуре, получается просто и экономично изготавливаемый сенсор, который пригоден для определения абсолютного положения.

Особенно предпочтительным образом первый и второй проводники для оценки имеют по меньшей мере один отвод, с помощью которого соответствующий проводник разделяется на по меньшей мере две части. За счет этого и без того уже хорошее соотношение между конструктивной длиной сенсора и его диапазоном измерений может быть дополнительно улучшено. За счет оценки электромагнитной связи в соответственно определенном частичном участке можно определить положение и/или изменение положения объекта измерения. Сопоставленный с объектом измерения магнит приводит в зависимости от его положения непрерывно к влиянию на электромагнитную связь. При сильном влиянии магнита магнитомягкая пленка приходит в насыщение и становится прозрачной для электромагнитных полей. Тем самым электромагнитная связь в области или вблизи насыщения сильно снижается или не существует. Чем дальше уменьшается напряженность поля магнита, тем сильнее магнитное поле может перекрещиваться с одного проводника к другому проводнику. Так как этот процесс непрерывно продолжается, можно из значений, которые представляют электромагнитную связь в отдельных частичных участках, делать выводы относительно положения и/или изменения положения объекта измерения.

Следует отметить, что насыщение магнитомягкой пленки не обязательно должно иметь место. Напротив, достаточно, что вследствие магнита оказывается влияние на магнитную проницаемость. Это влияние при сильном магните может привести к насыщению. Более слабые или дальше расположенные магниты, которые не вводят насыщение, все равно могут использоваться для сенсора. В этом случае магнитомягкая пленка не будет полностью прозрачной для электромагнитных полей. Однако все еще оказывается достаточное зависимое от положения влияние на электромагнитную связь.

Кроме того, следует отметить, что вместо магнитомягкой пленки также может применяться магнитомягкий тонкий слой. Этот тонкий слой может напыляться на конструкцию или наноситься иным известным на практике способом. Выбор магнитомягкого слоя или магнитомягкого тонкого слоя зависит от соответствующей области применения и процесса изготовления сенсора. В качестве магнитомягкого материала, который может использоваться для формирования магнитомягкой пленки или магнитомягкого тонкого слоя, могут использоваться аморфные или нанокристаллические материалы.

Предпочтительным образом первый и второй проводники нанесены на подложку. Подложка может быть образована посредством самых различных материалов. В качестве подложки пригодны плата, а также керамика, пластиковые детали или синтетические пленки. В принципе, даже металлы могут служить в качестве подложки. Здесь только нужно обеспечить достаточную электрическую изоляцию по отношению к структурам проводников, что, однако, в общем случае, может быть реализовано без затруднений. Предпосылкой для подложки является только то, что подложка должна иметь свойства, позволяющие ей нести на себе структуры проводников. Подложка может быть жесткой или гибкой, массивной или типа пленки. Тонкие гибкие подложки обеспечивают, например, возможность того, что сенсор относительно любым образом может быть приклеен к основанию, и что сенсор оптимально согласуется с любым контуром. За счет этого сенсор может применяться в изогнутой форме. То, какая подложка должна быть выбрана, и какие механические свойства должна иметь подложка, диктуется конкретным применением сенсора.

В зависимости от применения, можно даже отказаться от подложки, за счет того что магнитомягкая пленка сама применяется в качестве носителя проводников. Если сенсор, например, не подвергается большим механическим нагрузкам или при нормальных условиях работы приклеен к основанию, то тем самым можно реализовать особенно экономичное и простое в изготовлении выполнение. Пленка должна быть надлежащим образом изолирована от проводников, чтобы гарантировать функцию сенсора. Это может обеспечиваться, например, нанесением слоя лака на магнитомягкую пленку, прежде чем проводники будут размещены на пленке.

Предпочтительным образом первый и второй проводники размещены на расстоянии один от другого. Это расстояние, с одной стороны, может быть постоянным вдоль проводника, с другой стороны, расстояние может изменяться. За счет изменения расстояния можно сравнительно просто настраивать характеристику сенсора. В общем случае справедливо, что сенсор на участках с меньшим взаимным расстоянием имеет более высокую чувствительность, чем на участках с большим взаимным расстоянием. С другой стороны, сенсор также мог бы быть выполнен таким образом, что он в определенной области имеет более высокую чувствительность, чем в другой области. За счет этого могли бы, например, области вокруг установки на нуль быть выполнены особенно чувствительными по отношению к изменению положения, в то время как внешние области имеют меньшую чувствительность.

Дополнительно или в качестве альтернативы изменению взаимного расстояния, могли бы также первый и второй проводники уравновешиваться посредством лазера. Тем самым можно целенаправленно влиять на характеристику проводников сенсора, за счет чего возможна калибровка каждого сенсора для компенсации допусков на изготовление.

Согласно варианту выполнения изобретения, первый и/или второй проводники могут выполняться прямыми, то есть как прямой элемент. При этом оба прямых элемента могут размещаться по существу параллельно один другому. В общем случае также возможно, что один из обоих проводников или оба проводника в одном или нескольких местах имеют перегиб, за счет чего может быть реализовано изменение расстояния между обоими проводниками. Проводники могли бы в этом случае выполняться как последовательность прямых элементов.

В качестве альтернативы, проводники могли бы быть выполнены как кривые. При этом кривая выполняется в общем случае просто. Например, возможен круговой участок. Оба проводника могли бы представлять собой размещенные один в другом, например, концентричные круги или круговые дуги. За счет этого с помощью сенсорного устройства можно было бы детектировать также нелинейные перемещения. Таким способом могут детектироваться вращательные движения объекта измерения или перемещения по круговой траектории. Сенсор, таким образом, мог бы использоваться для угловых измерений.

Кроме того, оба описанных варианта выполнения могли бы комбинироваться. Так первый проводник мог бы быть выполнен прямым, а второй проводник - как часть кривой, или наоборот. Предпосылкой при этом является то, что, как и в предыдущих описанных вариантах выполнения, оба проводника проходят на относительно малом расстоянии друг от друга. При этом целесообразно применять расстояния в нижнем из разделенного на две части миллиметрового диапазона.

При применении криволинейных проводников подложка могла бы быть выполнена соответственно проводникам. Так, например, в случае проводников, которые представляют участки двух концентрических кругов, подложка выполняется в соответствии с формой проводников также круговой формы, т.е. как сегмент кольца. Тем самым можно реализовать подложку с минимальными затратами материала. К тому же могут учитываться ситуации монтажа, например, размещение сенсора вокруг вала или оси.

Для реализации особенно хорошего влияния магнита, можно по обе стороны проводников разместить, соответственно, магнитомягкую пленку. Магнитомягкие пленки тогда экранировали бы оба проводника с двух сторон и обеспечивали бы путь с определенным магнитным сопротивлением. Тем самым электромагнитные поля, которые формируются обоими проводниками, могли бы через образованный магнитомягкими пленками магнитный контур ответвляться в другой проводник. Если объект измерения с магнитом находится вблизи сенсора, то оказывается влияние на обе магнитомягкие пленки, из-за чего магнитное сопротивление изменяется в более сильной степени, чем только с одной пленкой. Это приводит к заметно более сильному эффекту измерения, что улучшает определение положения и/или изменения положения объекта измерения.

Предпочтительным образом первый проводник связан с источником переменного тока. Этот источник переменного тока формирует переменный ток в первом проводнике, который имеет следствием переменное поле. Это переменное поле излучается первым проводником и достигает через магнитомягкую(ие) пленку(и) второго проводника, который для детектирования может быть связан со схемой оценки. При этом оказалось благоприятным устанавливать частоту возбуждения от 1 МГц до 20 МГц. За счет относительно высокой частоты возбуждения получается очень высокая ширина полосы сенсора, которая не достижима в известных сенсорах с катушками.

Сопоставленный с объектом измерения магнит мог бы быть выполнен различным образом. Так магнит может быть образован постоянным магнитом или катушкой, через которую протекает постоянный ток. В обоих случаях магнит мог бы быть размещен таким образом, что направление север-юг магнита по существу параллельно проводникам, а в случае криволинейного выполнения проводников или изогнутого или выпуклого сенсора по существу тангенциально проводникам. За счет такого расположения можно по сравнению с расположением магнита поперек проводников, реализовать больший диапазон измерения. В любом случае магнит может все же располагаться поперек к проводникам. Перемещение магнита и, тем самым, объекта измерения может в обоих случаях осуществляться в продольном направлении проводников.

Магнит может также размещаться в различных местах по отношению к проводникам. Предпосылкой является, что магнит располагается в достаточной близости от сенсора, чтобы иметь возможность в достаточной степени оказывать влияние на магнитомягкую(ие) пленку(и). Магнит может размещаться в области плоскости, которая охватывается обоими проводниками. Альтернативно, магнит может находиться над обоими проводниками в области средней плоскости обоих проводников. Кроме того, также возможны и промежуточные положения.

При применении единственного отвода он может находиться в середине соответствующего проводника. Отвод имел бы тогда функцию среднего отвода, который подразделяет проводник на два частичных участка по существу одинаковой величины. Тем самым обеспечивается использование в качестве дифференциального сенсора, в одинаковых частичных участках которого устанавливается почти одинаковая электромагнитная связь, если магнит находится в среднем положении. Сенсор имеет тогда S-образную характеристику и предоставляет дополнительные преимущества относительно диапазона измерения и компенсации помеховых влияний, таких как температурные или электромагнитные помехи.

При двух или нескольких отводах отводы могут располагаться эквидистантно. За счет этого проводник подразделяется на несколько частичных участков одинаковой величины. Это имеет вновь следствием то, что между каждым частичным участком одного проводника и другим проводником без оказания влияния со стороны магнита объекта измерения имеет место сопоставимая электромагнитная связь. За счет этого вновь снижаются затраты, которые потребовались бы на меры линеаризации и согласования. Для достижения особенно выраженной характеристики отводы могут также располагаться не эквидистантно. В более коротких частичных участках индуцируется более низкое напряжение, чем в более длинных частичных участках, в любом случае можно за счет более коротких частичных участков в этой области повысить пространственное разрешение. В общем случае справедливо, что за счет большего количества отводов - независимо от их взаимного расстояния относительно друг друга - можно повысить отношение конструктивной длины сенсора к его диапазону измерения.

Для оценки сенсора в распоряжении имеются различные возможности. Так отводы на втором проводнике, который применяется для детектирования электромагнитных волн, излученных первым проводником, могут быть связаны с соответствующим сопротивлением. Противоположные сенсору выводы сопротивлений могут быть связаны с устройством суммирования, которое образует сумму напряжений, приложенных на отдельных входах. За счет подходящего выполнения сопротивлений можно таким способом получить аналоговый выходной сигнал, который представляет положение объекта измерения однозначным образом. При альтернативном выполнении отводы непосредственно соединены с устройством суммирования. Соответствующая оценка описана в документе ЕР 0916075 В1, на который здесь дается ссылка. Другая альтернатива использует соответствующий усилитель на каждом отводе. Усиленные с соответствующим коэффициентом усиления сигналы подаются затем на устройство суммирования.

В качестве альтернативы, частичные участки второго проводника могут внешним образом так соединяться друг с другом, что индуцированные в отдельных частичных участках напряжения могут по существу взаимно компенсироваться, если магнит и, тем самым, объект измерения находится в положении нулевой установки. Если объект измерения перемещается от этой нулевой установки, то равновесие нарушается, и выдается напряжение, представляющее положение объекта измерения. Этот принцип оценки известен, например, из области LVDT (линейный переменный дифференциальный трансформатор). За счет комбинации двух проводников с магнитомягкой пленкой эффект измерения, однако, заметно больше, чем при классическом LVDT или сопоставимых сенсорных устройствах.

При использовании сенсорного устройства реализуемы различные возможности. Так первый проводник, через который протекает переменный ток, может быть снабжен одним или несколькими отводами. В этом случае отдельные образованные отводами или выводами первого проводника частичные участки могут последовательно друг за другом нагружаться переменным током. Пространственное разрешение возникает за счет того, что только в определенном частичном диапазоне оценивается электромагнитная связь между первым проводником и вторым проводником. Этот частичный диапазон определяется посредством образованных посредством токовой цепи отводов или концом проводника и отводом. При этом, с одной стороны, для пропускания тока могут использоваться непосредственно соседние отводы, однако также было бы возможным переменный ток ввести в один отвод/вывод и снять с не являющегося непосредственно соседним отвода/вывода.

При этом один или несколько отводов могли бы на втором проводнике использоваться для пространственного разрешения оценки, причем второй проводник использовался бы для оценки электромагнитной связи. При этом образованные отводами или концом проводника и отводом частичные участки могли бы оцениваться последовательно друг за другом. Для этого можно отдельные частичные участки последовательно друг за другом подключать к схеме оценки. В качестве альтернативы, могут быть предусмотрены несколько схем оценки или несколько входов схемы оценки, с помощью которых отдельные участки оцениваются по существу параллельно. Первая показанная возможность предоставляет преимущество, состоящее в том, что необходима только одна схема оценки и, таким образом, электроника может быть изготовлена более благоприятным образом. Параллельная оценка нескольких частичных участков обеспечивает более высокую динамику детектируемого перемещения объекта измерения, так как здесь на измерения из-за перемещения объекта измерения во время цикла измерений не оказывается или почти не оказывается влияния.

Таким образом, имеются различные возможности, чтобы решение, предусматриваемое изобретением, осуществить предпочтительным образом и дополнительно усовершенствовать. Для этого могут быть даны ссылки, с одной стороны, на пункты, подчиненные пункту 1 и пункту 16 формулы изобретения и, с другой стороны, на последующее объяснение предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на чертежи. В связи с объяснением предпочтительных примеров выполнения со ссылками на чертежи будут также пояснены в общем предпочтительные реализации и дальнейшие развития представленного решения. На чертежах показано следующее:

Фиг.1 - сечение соответствующего изобретению сенсора,

Фиг.2 - вид сбоку сенсора по фиг. 1 с магнитами, а также диаграмма устанавливающейся магнитной проницаемости магнитомягкой пленки,

Фиг.3 - диаграмма с семейством кривых, которое воспроизводит относительную связь M_d(x)/M₀(d) между первым и вторым проводником вдоль области х измерения в зависимости от расстояния d между проводниками,

Фиг.4 - вид сенсора по фиг. 1 в первой форме выполнения с отводом в середине второго проводника,

Фиг.5 - вид сенсора по фиг. 1 во второй форме выполнения с четырьмя отводами на втором проводнике, а также примерная схема оценки,

Фиг.6 - вид структуры проводников сенсора с отводом в середине первого проводника с постоянным и варьирующимся расстоянием,

Фиг.7 - выходная характеристика сенсора со структурами проводников по фиг.6,

Фиг.8 - выполнение соответствующего изобретению сенсора для измерения круговых движений и

Фиг.9 - примерная схема оценки для оценки соответствующего изобретению сенсорного устройства.

Фиг.1 показывает соответствующий изобретению сенсор 1 в котором первый проводник 2 и второй проводник 3 размещены на подложке 4 на расстоянии d. Подложка 4 образована платой, и проводники выполнены как проводящие дорожки на плате. По обе стороны от проводников 2 и 3, то есть выше и ниже проводников, нанесена соответствующая магнитомягкая пленка 5 и 6, которая направляет выработанное первым проводником электромагнитное поле к второму проводнику 3. Устанавливающийся вследствие протекания тока в первом проводнике магнитный поток Ф обозначен для примера пунктиром. Между магнитомягкой пленкой 5 и проводниками 2 и 3 размещен изолирующий слой, который обеспечивает электрическую изоляцию между проводниками 2 и 3. Изолирующий слой на фиг. 1 для наглядности чертежа не показан, а только магнитомягкая пленка 5 изображена на некотором расстоянии относительно проводников 2 и 3.

Фиг.2а) представляет вид сбоку сенсора 1 по фиг.1. На подложке 4 показан продолжающийся влево и вправо проводник 2 или 3, который покрыт сверху магнитомягкой пленкой 5 и на стороне которого, противолежащей подложке, также размещена магнитомягкая пленка 6. В качестве эффективно действующего проводника следует при этом рассматривать часть проводника, которая покрыта магнитомягкой пленкой. В не покрытых магнитомягкой пленкой частях электромагнитная связь настолько незначительна, что они лишь в незначительной степени влияют на связь между обоими проводниками и, следовательно, ими можно пренебречь.

Вблизи сенсора 1 над обоими проводниками размещен магнит 7, направление север-юг которого ориентировано вдоль сенсора или вдоль проводников. На фиг.2а) представлено несколько силовых линий магнита. Магнит 7 оказывает влияние на магнитомягкие пленки 5, 6, из-за чего пленки 5, 6 по отношению к электромагнитным полям испытывают разное по величине влияние из-за магнитомягкой пленки. Устанавливающаяся магнитная проницаемость µ одной из магнитомягких пленок представлена под сенсорными устройством на фиг. 2b), причем можно видеть, что в непосредственной близости от магнита магнитная проницаемость заметно ниже, чем в краевых областях. За счет этого в данной области электромагнитная связь между первым и вторым проводниками почти устраняется, в то время как магнитомягкие пленки на краю сенсора еще заметно способствуют связи между проводниками. Из того факта, что в минимуме устанавливается значение, не равное нулю, можно видеть, что пленки не приводятся в насыщение, но находятся довольно близко к этому состоянию. Следует отметить, что кривая, показанная на фиг. 2b), является только иллюстративной и фактическую характеристику магнитной проницаемости воспроизводит лишь приближенно.

Фиг.3 показывает для примерного сенсора распределение относительной связи M_d(x)/M₀(d) между первым и вторым проводником вдоль области х измерения. При этом параметром показанного семейства кривых является расстояние d между проводниками. С изменением расстояния d относительная связь M_d(x)/M₀(d) изменяется практически экспоненциально. Фиг. 3 показывает, что на характеристику сенсора с изменением расстояния может оказываться влияние. Тем самым может достигаться линеаризация или формирование желательной характеристики.

Фиг. 4 показывает вид сверху сенсора по фиг.1, причем в середине второго проводника 3 предусмотрен отвод 8. Первый проводник 2 соединен через выводы 9 с не показанным источником переменного тока, который вырабатывает в первом проводнике 2 переменный ток. Переменный ток вырабатывает электромагнитное поле, которое через магнитомягкие пленки 5 и 6 индуцирует во втором проводнике 3 напряжение той же частоты. Степень магнитной связи между первым проводником 2 и вторым проводником 3 зависит от магнитного поля магнита, сопоставленного с объектом измерения, которое оказывает влияние на магнитную проницаемость магнитомягких пленок. Второй проводник 3 через оба вывода 10 и отвод 8 связан со схемой оценки, которая оценивает электромагнитную связь между первым и вторым проводниками.

Фиг. 5 показывает другое выполнение соответствующего изобретению сенсора 1'. На подложке 4 на расстоянии d размещены первый проводник 2 и второй проводник 3, причем по обе стороны проводников 2 и 3 размещена соответствующая магнитомягкая пленка 5 и 6. Верхняя на чертеже пленка для наглядности чертежа, как и на фиг. 4, показана лишь частично. Однако эта пленка продолжается до конца пленки 6. Соответствующее условие справедливо для подложки 4.

Первый проводник 2 через выводы 9 соединен с не показанным источником переменного тока, который формирует ток и, тем самым, электромагнитное поле вокруг первого проводника 2. Электромагнитное поле через магнитомягкие пленки 5 и 6, в зависимости от вызванного магнитом объекта измерения изменения магнитной проницаемости, вводится во второй проводник, из-за чего нам индуцируется напряжение. Через выводы 10 второго проводника и четыре эквидистантно по второму проводнику распределенных отвода 8 может оцениваться электромагнитная связь между первым проводником 2 и вторым проводником 3 в частичных участках 11.1 - 11.5, определяемых отводами 8.

На фиг. 5 в верхней части дополнительно показана примерная схема оценки. Отводы 8 и выводы 10 второго проводника 3 соответственно связаны с операционным усилителем 12, который приложенное напряжение усиливает с коэффициентом усиления К₁,…, К₅ или К₆. При этом коэффициенты усиления могут быть выбраны таким образом, что получается линейная характеристика всего устройства. Выходы усилителей подключены к входам устройства 13 суммирования, которое выдает сумму входных сигналов как выходной сигнал 14 из схемы оценки. При этом выполнении схемы оценки отдельные частичные участки 11 оцениваются параллельно. В качестве альтернативы, вместо операционных усилителей можно было бы также применять сопротивления и выполнять оценку в соответствии с ЕР 0916075 В1.

Фиг. 6 показывает ряд конфигураций проводников, которые соответственно различаются по характеристике расстояния d между первым и вторым проводниками. На всех чертежах отвод 8 на втором проводнике 3 показан как средний отвод. Магнитомягкая пленка указана пунктиром. Вблизи сенсора размещен магнит 7 в форме постоянного магнита, который может смещаться в продольном направлении относительно проводников 2 и 3. Магнит 7 находится в плоскости, охватываемой обоими проводниками 2 и 3.

Фиг. 6а) показывает конфигурацию проводников, в которой первый проводник 2 и второй проводник 3 размещены параллельно и на постоянном расстоянии d друг от друга. В конфигурации проводников по фиг. 6b) второй проводник 3 имеет места перегиба, благодаря чему возникает проводник 3, в котором отдельные участки параллельны выполненному прямым первому проводнику 2. Все части первого и второго проводников размещены в одной плоскости. На фиг. 6с) изменение расстояния сформировано тем, что первый проводник 2 описывает кривую в форме круговой дуги. Второй проводник 3 выполнен прямым.

Фиг. 7 показывает соответствующие характеристики сенсоров по фиг. 6. Характеристикой 15 воспроизводится взаимосвязь между положением магнита и выходным напряжением в сенсоре по фиг. 6а). Прямая 16 представляет характеристику сенсора по фиг. 6с). Характеристика сенсора по фиг. 6b) дает не полностью линейную характеристику, но проходит довольно близко к ней. Можно видеть, что линеаризация характеристики путем варьирования расстояния может быть реализована.

На фиг. 8 показана другая форма выполнения соответствующего изобретению сенсора 1”. Выполненный в круговой форме первый проводник 2 и концентрично ему выполненный второй проводник 3 размещены на подложке 4. По обе стороны от проводников вновь размещены соответствующие магнитомягкие пленки 5 и 6. Выводы проводников 2 и 3 соединены со схемой 17 оценки, которая определяет положение объекта измерения. Объект измерения на фиг. 9 представлен магнитом 7, который может перемещаться по круговой траектории. Средний отвод 8 соединен с вторым проводником. Представленный на фиг. 9 сенсор пригоден для измерения углового перемещения. Принцип измерения соответствует описанному выше в связи с линейными сенсорами.

Фиг. 9 показывает другое выполнение схемы 17 оценки, с помощью которой могут оцениваться сигналы соответствующего изобретению сенсора 1. Сенсор 1 согласно фиг. 4, который образован из первого проводника 2 и второго проводника 3 и имеет отвод 8 в середине второго проводника 3, со стороны входа, то есть на выводах первого проводника 2, нагружен переменным током. Для этого осциллятор 18 через возбудитель 19 сенсора возбуждает первый проводник двумя комплементарными напряжениями U₁ и U₂. Магнит 7, который сопоставлен объекту измерения, не показанному на чертеже, оказывает влияние на магнитную проницаемость двух магнитомягких пленок 5 и 6, которые воспринимают влияние на электромагнитную связь между первым проводником 2 и вторым проводником 3 в зависимости от положения магнита 7.

Индуцированное во втором проводнике 3 напряжение через два диода D₁ и D₂ добавляется в токовую цепь. В точке соединения между диодами D₁ и D₂ включено сопротивление R, второй вывод которого соединен с конденсатором С, действующим как фильтр нижних частот, и с которого выдается выходной сигнал 14 схемы 17 оценки. Второй вывод конденсатора С соединен с массой и отводом 8 второго проводника 3.

Выработанное возбудителем 19 сенсора синусоидальное переменное напряжение вырабатывает электромагнитное поле, которое через магнитомягкие пленки 5 и 6 вводится во второй проводник 3. Там индуцируется напряжение, которое при показанном на фиг. 6 положении равновесия приводит к взаимной компенсации напряжений. Если магнит 7 перемещается из этого положения равновесия, то в обоих определяемых средним отводом частичных участках второго проводника 3 вызывается различная магнитная связь, из-за чего индуцируемые в частичных участках напряжения изменяются. За счет этого возникает отличающееся от нуля выходное напряжение, которое, будучи подвергнуто фильтрации нижних частот, выдается как выходной сигнал 14 из схемы 17 оценки. При этом устанавливается S-образная характеристика, подобно обозначенной на фиг. 8 ссылочной позицией 12.

Относительно других предпочтительных вариантов осуществления соответствующего изобретению сенсорного устройства и соответствующего способа, во избежание повторения можно сослаться на общую часть описания, а также на прилагаемую формулу изобретения.

Наконец, можно сослаться на то, что ранее описанные примеры выполнения соответствующего изобретению устройства служат только объяснению заявленного решения, которое, однако, не ограничивается данными примерами выполнения.

Перечень ссылочных позиций

1 - сенсор

2 - первый проводник

3 - второй проводник

4 - подложка

5 - магнитомягкая пленка

6 - магнитомягкая пленка

7 - магнит

8 - отвод

9 - выводы

10 - выводы

11 - частичный(е) участок(ки)

12 - операционный усилитель

13 - устройство суммирования

14 - выходной сигнал

15 - нелинеаризованная характеристика

16 - линеаризованная характеристика

17 - схема оценки

18 - осциллятор

19 - возбудитель сенсора

Изобретение относится к сенсорному устройству для определения положения и/или изменения положения объекта измерения относительно сенсора, причем с объектом измерения сопоставлен магнит. Изобретение также относится к соответствующему способу. Сенсорное устройство для определения положения и/или изменения положения объекта измерения относительно сенсора, причем с объектом измерения сопоставлен магнит (7), причем сенсор (1) содержит первый проводник (2) и расположенный с продольной стороны первого проводника (2) второй проводник (3), отличающееся тем, что в зоне влияния первого и второго проводников (2, 3) размещена магнитомягкая пленка (5, 6), магнитная проницаемость которой под влиянием магнитного поля изменяется и которая оказывает влияние на электромагнитную связь между первым и вторым проводниками (2, 3), и что первый и второй проводники (2, 3) размещены в первой плоскости, и магнитомягкая пленка (5, 6) размещена во второй плоскости. Технический результат - повышение надежности и упрощение конструкции устройства. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Сенсорное устройство для определения положения и/или изменения положения объекта измерения относительно сенсора, причем с объектом измерения сопоставлен магнит (7), причем сенсор (1) содержит первый проводник (2) и расположенный с продольной стороны первого проводника (2) второй проводник (3), отличающееся тем, что в зоне влияния первого и второго проводников (2, 3) размещена магнитомягкая пленка (5, 6), магнитная проницаемость которой под влиянием магнитного поля изменяется и которая оказывает влияние на электромагнитную связь между первым и вторым проводниками (2, 3), и что первый и второй проводники (2, 3) размещены в первой плоскости, и магнитомягкая пленка (5, 6) размещена во второй плоскости.

2. Сенсорное устройство по п.1, отличающееся тем, что первый или второй проводник (2, 3) имеет по меньшей мере один отвод (8), и что посредством оценки электромагнитной связи в определенном посредством отвода(ов) (8) частичном участке (11) можно определить положение и/или изменение положения объекта измерения.

3. Сенсорное устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй проводники (2, 3) нанесены на подложку (4).

4. Сенсорное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что первый и второй проводники (2, 3) размещены на расстоянии d один от другого.

5. Сенсорное устройство по п.4, отличающееся тем, что расстояние d между первым и вторым проводниками (2, 3) изменяется.

6. Сенсорное устройство по п.5, отличающееся тем, что за счет изменения расстояния d устанавливается желательная характеристика сенсора (1).

7. Сенсорное устройство по п.1, отличающееся тем, что для регулировки сенсора (1) первый и второй проводники (2, 3) уравновешиваются посредством лазера.

8. Сенсорное устройство по п.1, отличающееся тем, что первый (2) и/или второй проводники (3) выполнены прямыми и/или размещены параллельно один другому.

9. Сенсорное устройство по п.1, отличающееся тем, что первый проводник (2) и/или второй проводник (3) выполнены как кривая, в особенности, как круговой участок.

10. Сенсорное устройство по любому из пп.1-3, 5-9, отличающееся тем, что по обе стороны обоих проводников (2, 3) размещена магнитомягкая пленка (5, 6).

11. Сенсорное устройство по п.1, отличающееся тем, что первый проводник (2) для формирования переменного поля связан с источником тока.

12. Сенсорное устройство по п.1, отличающееся тем, что сопоставленный с объектом измерения магнит (7) образован постоянным магнитом или катушкой, через которую протекает постоянный ток.

13. Сенсорное устройство по п.2, отличающееся тем, что отводы (8) размещены эквидистантно, причем в случае единственного отвода он расположен в середине первого или второго проводника (2, 3).

14. Сенсорное устройство по п.2, отличающееся тем, что отводы (8) на втором проводнике (3) связаны с соответствующими сопротивлениями, другие выводы которых связаны с устройством суммирования.

15. Сенсорное устройство по любому из пп.2, 3, 5-9, 11-14, отличающееся тем, что отводы (8) на втором проводнике (3) подключены таким образом, что индуцированные в отдельных частичных участках напряжения взаимно компенсируются в положении нулевой установки объекта измерения.

16. Способ определения положения и/или изменения положения объекта измерения относительно сенсора, в особенности с применением сенсорного устройства по любому из пп.1-15, причем с объектом измерения сопоставлен магнит (7), при этом переменный ток, протекающий через первый проводник (2) сенсора (1), формирует переменное поле, которое в расположенном с продольной стороны первого проводника (2) втором проводнике (3) индуцирует напряжение, отличающийся тем, что на электромагнитную связь между первым и вторым проводниками (2, 3) оказывается влияние посредством магнитомягкой пленки (5, 6), магнитная проницаемость которой под влиянием магнитного поля изменяется, и что первый и второй проводники (2, 3) размещаются в первой плоскости, и магнитомягкая пленка (5, 6) размещается во второй плоскости.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что посредством по меньшей мере одного отвода (8) на первом или втором проводнике (2, 3) определяются по меньшей мере два частичных участка (11) проводника (2, 3), и что из электромагнитной связи с одним из этих частичных участков (11) определяется положение объекта измерения.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что при одном или нескольких отводах (8) на первом проводнике (2) отдельные частичные участки обтекаются током последовательно друг за другом.

19. Способ по п.17 или 18, отличающийся тем, что при одном или нескольких отводах (8) на втором проводнике (3) отдельные частичные участки оцениваются последовательно друг за другом или одновременно.