利用戈澤爾算法在差動變壓器位移傳感器中進行幅度估算的制作方法
【專利摘要】一種位移傳感器裝置，包括至少一個初級線圈（1）、至少一個第一和第二次級線圈（3、4）以及至少一個軟磁耦合件（2），所述軟磁耦合件（2）將所述初級線圈（1）和所述兩個次級線圈（3、4）磁耦合，其中所述位移傳感器被設計為使得位置和/或偏移根據在所述初級線圈（1）與至少所述第一和第二次級線圈（3、4）之間的磁耦合而被獲得，其中所述位移傳感器裝置包括信號處理單元（5），所述信號處理單元（5）被設計為使得所述信號處理單元實施對所述兩個次級線圈（3、4）的至少一個電氣變量的數字信號處理并且確定所述位置和/或偏移，其中，所述信號處理單元（5）具有至少一個戈澤爾濾波器（6）。
【專利說明】利用戈澤爾算法在差動變壓器位移傳感器中進行幅度估算
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種按照權利要求1的前序的位移傳感器裝置以及位移傳感器裝置在機動車中的應用。
【背景技術】
[0002]在文獻EP0693673A2、EP0238922A1以及DE2325752中描述了一種具有一個初級線
圈和兩個次級線圈的磁位移傳感器裝置，該磁位移傳感器裝置與一個軟磁耦合件相關聯，通過定位磁鐵的磁場為了位移測量局部影響該軟磁耦合件以使得可以確定在定位磁鐵與耦合件之間的相對位置。
[0003]此外已知差動變壓器位移傳感器。該差動變壓器位移傳感器例如設計為LVDT“線性差動變壓器”，其中設置了移動初級和次級側線圈的軟磁芯并且獲得該軟磁芯的移動偏移。
[0004]對于數字位移測量已知的是，分別數字化在第一和第二次級線圈上的交流電壓，并且根據通過一個或多個初級線圈/在一個或多個初級線圈上的激勵電流和/或激勵電壓的頻率對其進行數字分析處理，并且由此確定位置或偏移或待獲得的位移。
【發明內容】
[0005]本發明提供的目標在于，提出一種位移傳感器裝置，其實施對兩個次級線圈的至少一個電氣變量的數字分析處理，并且由此以相對簡單和/或低成本的方式根據初級線圈的電激勵獲得位置和/或偏移或待獲得的位移。
[0006]該目標按照本發明通過按照權利要求1的位移傳感器裝置解決。
[0007]優選分別將在兩個次級線圈上的電氣變量理解為在第一和第二次級線圈上的電壓。
[0008]優選地，所述位移傳感器裝置具有至少一個第一移動件，所述至少一個第一移動件包括至少一個第一定位磁鐵，其中所述第一移動件沿測量方向相對于所述軟磁耦合件可移動地設置，并且所述初級線圈和所述次級線圈與所述軟磁耦合件磁耦合，并且其中通過所述第一定位磁鐵產生的磁場至少局部地影響所述耦合件，以使得通過所述次級線圈中的至少一者直接或間接檢測在所述第一移動件與所述軟磁耦合件之間的相對位置或所述移動件的偏移或位移。
[0009]優選將定位磁鐵理解為永磁鐵或者備選優選地為電磁鐵。
[0010]備選優選地，所述位移傳感器被設計為差動變壓器位移傳感器，特別是LVDT “線性差動變壓器”，其中所述軟磁耦合件被設計為可移動的，并且獲得該耦合件的所述位置和/或偏移。
[0011]有利地，位移傳感器裝置設計如下:位移傳感器裝置，包括至少一個初級線圈、至少兩個次級線圈、至少一個軟磁耦合件以及至少一個第一移動件，該至少一個第一移動件包括至少一個第一定位磁鐵，其中所述第一移動件沿測量方向相對于所述軟磁耦合件可移動地設置，并且所述初級線圈和所述次級線圈與所述軟磁耦合件磁耦合，并且其中通過所述第一定位磁鐵產生的磁場至少局部地影響所述耦合件，以使得通過所述次級線圈中的至少一者直接或間接檢測所述第一移動件與所述軟磁耦合件之間的相對位置，其中所述位移傳感器裝置包括信號處理單元，所述信號處理單元被設計為使得所述信號處理單元實施所述兩個次級線圈的至少一個電氣變量的數字信號處理并且確定在所述第一移動件與軟磁耦合件之間的相對位置，其中所述信號處理單元包括至少一個戈澤爾(Goertzel)濾波器。
[0012]優選地，所述信號處理單元被設計為使得以所述至少一個戈澤爾濾波器所述兩個次級線圈的所述至少一個電氣變量根據所述初級線圈的電激勵信號而被評估和/或分析，其中特別是所述至少一個戈澤爾濾波器的中心頻率基本上對應于在所述初級線圈上/通過所述初級線圈的激勵電壓和/或激勵電流的頻率。
[0013]有利地，所述信號處理單元具有至少一個戈澤爾濾波器，以便分別用于為了評估和/或分析所述第一和第二次級線圈的至少一個電氣變量。
[0014]優選地，所述信號處理單元具有至少一個模數轉換器，通過所述模數轉換器將所述兩個次級線圈的至少一個電氣變量數字化為第一數字次級線圈信號和第二數字次級線圈信號，其中所述信號處理單元具有窗函數，特別是漢寧窗函數，通過所述漢寧窗函數分別實施所述第一和第二數字次級線圈信號的加窗。特別優選地，所述信號處理單元被設計為使得在所述第一和第二數字次級線圈信號的加窗之后由所述戈澤爾濾波器分別對至少這兩個信號進行濾波，隨后實施所述戈澤爾濾波器的結果的求和以及求差，隨后由差信號除以和信號求商。
[0015]戈澤爾濾波器優選被設計為使得該戈澤爾濾波器關于中心頻率實施帶通濾波和抽取。
[0016]通過優選以窗函數例如漢寧窗函數的加窗，除此之外特別是存在的可能在于，通過計算分析處理干擾的邊頻率。如果邊帶和中心頻率的幅度比例不一致，那么信號會受到干擾。
[0017]優選地,所述信號處理單元包括時鐘生成單元,其中根據該時鐘生成單元的時鐘信號不僅產生在/通過所述初級線圈的所述激勵電壓和/或所述激勵電流，而且限定所述至少一個戈澤爾濾波器的中心頻率。
[0018]優選地，所述位移傳感器裝置是冗余地設計的、并且具有兩個第一次級線圈和兩個第二次級線圈，所述次級線圈與所述信號處理單元連接、或者所述次級線圈中的各個次級線圈各自與一個信號處理單元連接。
[0019]優選地，所述至少一個戈澤爾濾波器如此設計，使得所述戈澤爾濾波器關于一個唯一的頻率濾波。
[0020]有利地，所述至少一個戈澤爾濾波器如此設計，使得所述戈澤爾濾波器用作抽取帶通濾波器。
[0021]位移傳感器裝置優選包括附加的第二軟磁耦合件，特別地，該第二軟磁耦合件被不可移動地設置，該第二軟磁耦合件被設置為使得該第二軟磁耦合件用于改善通過第一軟磁耦合件和線圈的磁場的磁軛。
[0022]軟磁耦合件(特別是與線圈直接耦合的軟磁耦合件)優選具有縱向擴展，該軟磁耦合件相對于該縱向擴展基本上平行于位移傳感器裝置的測量方向設置。[0023]兩個次級線圈優選相對于測量方向在初級線圈的繞組體的兩個端部上設置。
[0024]優選地，第一定位磁鐵是關聯的移動件的一部分，其中移動件特別設計為活塞；和/或第一定位磁鐵裝入到移動件中特別是活塞中和/或固定在其上。
[0025]移動件優選設計為活塞或操作件或操作桿并且特別是用于力傳遞。
[0026]位移傳感器裝置有利地是機動車制動系統的一部分，其中該(第一)移動件(其包括第一定位磁鐵)與操作裝置或制動踏板裝置耦合和/或連接。
[0027]至少三個線圈即初級線圈和至少第一和第二次級線圈有利地包圍軟磁耦合件，并且特別是設計并且設置為直接纏繞到其上，并且由此特別優選地以電絕緣材料澆注或者以一種漆固定。
[0028]初級線圈優選連接到交流電流源或交流電壓源，其驅動具有電流或電壓的基本上恒定的幅度和限定的交變頻率的交流電流或交流電壓。
[0029]優選將戈澤爾濾波器理解為電子單元和/或軟件單元，其實現戈澤爾算法。
[0030]優選將戈澤爾濾波器或戈澤爾算法理解為按照限定的算法的I點離散的傅里葉變換，其提供輸送的信號的幅度作為結果。在此可以不用考慮相位信息。如果應該分析處理已知的離散的頻率，那么相對于FFT即快速傅里葉變換總是提供戈澤爾算法。這是在位移傳感器裝置中的情況。隨后特別是也可以在簡單的低成本的μc上實現陡峭的頻率選擇的幅度計算。
[0031]位移傳感器裝置優選被設計為使得以至少兩個不同的疊加的頻率、亦即第一和第二激勵頻率激勵初級線圈，并且第一次級線圈、一個附加的第一次級線圈、一個第二次級線圈以及一個附加的第二次級線圈(它們與初級線圈都經由軟磁耦合件磁耦合)與初級線圈關聯。第一和第二信號處理單元分別與兩個第一次級線圈以及兩個第二次級線圈相關聯，每個信號單元包括一個戈澤爾濾波器，其中第一信號處理單元的戈澤爾濾波器具有第一激勵頻率作為中心頻率，而第二信號處理單元的戈澤爾濾波器具有第二激勵頻率作為中心頻率。特別是第一次級線圈和附加的第一次級線圈與第一信號處理單元的組合基于第一激勵頻率獲得和計算位置和/或偏移，并且另外冗余地，第二次級線圈和附加的第二次級線圈與第二信號處理單元的組合基于第二激勵頻率獲得和計算位置和/或偏移。第一和第二信號處理單元在此特別優選地包括兩個分別的前置于戈澤爾濾波器的窗函數(例如漢寧窗函數)以及分別特別優選地包括求差以及求和，其用于計算相應信號的位置和/或偏移的后置的求商。
[0032]附圖標記:
[0033]I初級線圈
[0034]2軟磁耦合件
[0035]3或3a第一次級線圈
[0036]3b附加的第一次級線圈
[0037]4或4a第二次級線圈
[0038]4b附加的第二次級線圈
[0039]5信號處理單元
[0040]6戈澤爾濾波器
[0041]7定位磁鐵[0042]8窗函數、特別是漢寧窗函數
[0043]9 求和
[0044]10 求差
[0045]11 求商
[0046]12時鐘生成單元
[0047]13A/D 轉換器
[0048]14電氣激勵源
【專利附圖】
【附圖說明】
[0049]示例性地在示意圖中示出:
[0050]圖1示出了作為位移傳感器裝置的差動變壓器位移傳感器，其被設計具有用于標記或獲得位移長度的永磁鐵；
[0051]圖2示出了按照本發明的在一個用于電壓器次級電壓Ul?、U2?的同步整流的雙重實施方案中具有同步解調器的信號處理單元，在此為具有數字信號處理器的示例性的實現；
[0052]圖3示出了具有例如以軟件形式的實現的戈澤爾濾波器或戈澤爾算法的位移傳感器裝置的按照本發明的信號處理單元的示例性的方框圖；
[0053]圖4示出了以圖3的該位移傳感器裝置及其信號處理單元實現的過濾響應(示例設置)作為幅度響應；
[0054]圖5示出了具有冗余設計的位移傳感器裝置，其中兩個第一和兩個第二次級線圈與初級線圈相關聯，并且信號處理單元分別與兩個第一和兩個第二次級線圈相關聯；以及
[0055]圖6示出了兩個路徑I和2的借助于相應的戈澤爾濾波器濾波的信號的幅度響應，這兩個路徑分別作為信號處理路徑通過兩個信號處理單元實現，并且所述路徑具有戈澤爾濾波器的不同的中心頻率。通過濾波器的高度選擇性，例如大約60dB，其中完全獨立的信號處理單元或路徑也在另一路徑的激勵頻率失靈的情況下保持不受影響。
【具體實施方式】
[0056]圖1示例性地示出設計為差分變壓器的位移傳感器裝置，其中定位磁鐵7設置為定位磁鐵，其固定在一個未示出的移動件上，例如操作桿或活塞。初級線圈I與第一和第二次級線圈3、4經由軟磁耦合件2磁耦合，其中示例性的位移傳感器裝置還具有一個附加的軟磁耦合件，該軟磁耦合件被設計和設置為使得該軟磁耦合件用于改善通過第一軟磁耦合件2和線圈1、3和4的磁場的磁軛。
[0057]軟磁耦合件2具有縱向擴展，該軟磁耦合件關于該縱向擴展基本上平行于位移傳感器裝置的測量方向m設置。
[0058]定位磁鐵7的位置P或位移傳感器裝置的擴展從兩個次級線圈的電信號產生，例如根據兩個次級電壓Ul?、U2?產生，其中位置P如按照公式闡明的那樣基本上為或取決于兩個電壓Ul和U2的差除以它們的和的商，這兩個電壓作為電壓的值根據初級線圈I的激勵頻率來確定或計算。
[0059]圖3在此示出了位移傳感器裝置的信號處理單元5的示例性的示意的實現，該信號處理單元示例性地設計為數字信號處理器。
[0060]兩個信號例如第一和第二次級線圈的電壓信號作為輸入信號借助于模數轉換裝置13數字化。
[0061]這兩個數字信號分別輸送給窗函數8，例如漢寧窗函數，通過該函數分別實施第一和第二數字次級線圈信號(即上和下信號路徑)的加窗。
[0062]在第一和第二數字次級線圈信號的加窗8之后分別由一個戈澤爾濾波器6對這兩個信號進行濾波并且獲取幅度，隨后分別實施兩個信號的戈澤爾濾波器6的結果的求和9和求差10，隨后由差信號除以和信號求商11，其中求商例如對應于歸一化。此外，在函數框11中實現特性曲線校正。隨后，在信號處理單元提供輸出信號之前進行信道編碼。時鐘生成單元12不僅提供用于計算兩個戈澤爾濾波器6的中心頻率的時鐘，而且提供未示出的初級線圈的激勵頻率的計算。在此戈澤爾濾波器6的中心頻率和初級線圈的激勵頻率一致。
[0063]根據圖5示出了位移傳感器裝置的一個實施例，其中初級線圈I以至少兩個不同的疊加的頻率也就是第一和第二激勵頻率由電氣激勵源14 (例如交流電壓源)激勵。在此第一次級線圈3a、一個附加的第一次級線圈3b、第二次級線圈4a以及一個附加的第二次級線圈4b (它們都與初級線圈I經由軟磁耦合件2磁耦合)與初級線圈I相關聯。信號處理單元5分別與兩個第一次級線圈3a、3b以及兩個第二次級線圈4a、4b相關聯，每個信號單元包括一個戈澤爾濾波器，其中第一信號處理單元的戈澤爾濾波器具有第一激勵頻率作為中心頻率，而第二信號處理單元的戈澤爾濾波器具有第二激勵頻率作為中心頻率。第一次級線圈3a和附加的第一次級線圈3b與第一信號處理單元5、μ Cl的組合基于第一激勵頻率獲得和計算位置和/或偏移，并且另外冗余地，第二次級線圈4a和附加的第二次級線圈4b與第二信號處理單元5、μ C2的組合基于第二激勵頻率計算位置和/或偏移。第一和第二信號處理單元在此分別包括A/D轉換器13，該A/D轉換器13對第一和附加的第一或第二和附加的第二次級線圈的數字化信號進行數字化。隨后將這兩個信號分別(在信號處理單元內上和下信號路徑)被提供給窗函數8 (例如設計為漢寧窗函數)，隨后將作為結果的信號分別通過戈澤爾濾波器6濾波。幅度(作為該經濾波的信號的結果)隨后提供給求差10和求和9連同后置的求商11用于計算相應信號的位置和/或偏移，隨后示例性地分別實現信道編碼。兩個信號處理單元5的時鐘生成單元12生成不同的時鐘信號、不同的頻率，其中電氣激勵源14在這兩個頻率的疊加驅動下操作，并且相應的信號處理單元5的戈澤爾濾波器分別由自身的時鐘生成單元12獲得其中心頻率。
【權利要求】
1.一種位移傳感器裝置，包括至少一個初級線圈(I)、至少一個第一和第二次級線圈(3,4)以及至少一個軟磁耦合件(2)，所述軟磁耦合件(2)將所述初級線圈(I)和兩個次級線圈(3、4)磁耦合，其中所述位移傳感器被設計為使得位置和/或偏移根據在所述初級線圈(I)與至少所述第一和第二次級線圈(3、4)之間的磁耦合而被獲得，其中所述位移傳感器裝置包括信號處理單元(5)，所述信號處理單元(5)被設計為使得所述信號處理單元實施對所述兩個次級線圈(3、4)的至少一個電氣變量的數字信號處理并且確定所述位置和/或偏移，其特征在于，所述信號處理單元(5)包括至少一個戈澤爾濾波器(6)。
2.根據權利要求1所述的位移傳感器裝置，其特征在于，所述位移傳感器裝置具有至少一個第一移動件，所述至少一個第一移動件包括至少一個第一定位磁鐵(7)，其中所述第一移動件沿測量方向(m )相對于所述軟磁耦合件(2 )可移動地設置，并且所述初級線圈(I)和所述次級線圈(3、4)與所述軟磁耦合件(2)磁耦合，并且其中通過所述第一定位磁鐵(7)產生的磁場至少局部地影響所述耦合件(2)，以使得通過所述次級線圈(3、4)中的至少一個直接或間接檢測所述第一移動件與所述軟磁耦合件(2)之間的相對位置。
3.根據權利要求1所述的位移傳感器裝置，其特征在于，所述位移傳感器被設計為差動變壓器位移傳感器，特別是LVDT “線性可變差動變壓器”，其中所述軟磁耦合件(2)被設計為可移動的，并且所述耦合件的位置和/或偏移被獲得。
4.根據權利要求1至3中至少任一項所述的位移傳感器裝置，其特征在于，所述信號處理單元(5)被設計為使得所述兩個次級線圈(3、4)的所述至少一個電氣變量根據所述初級線圈(I)的電激勵信號通過所述至少一個戈澤爾濾波器(6)而被評估和/或分析，其中特別是所述至少一個戈澤爾濾波器(6)的中心頻率基本上對應于在所述初級線圈(I)上/通過所述初級線圈(I)的激勵電壓和/或激勵電流的頻率。
5.根據權利要求1至4中至少任一項所述的位移傳感器裝置，其特征在于，所述信號處理單元(5)具有至少各一個戈澤爾濾波器(6)，以便分別用于評估和/或分析所述第一和第二次級線圈(3、4)的至少一個電氣變量。
6.根據權利要求1至5中至`少任一項所述的位移傳感器裝置，其特征在于，所述信號處理單元(5)具有至少一個模數轉換器(13)，通過所述模數轉換器將所述兩個次級線圈(3、4)的至少一個電氣變量數字化為第一數字次級線圈信號和第二數字次級線圈信號，其中所述信號處理單元具有窗函數(8)，特別是漢寧窗函數，通過所述窗函數分別實施對所述第一數字次級線圈信號和所述第二數字次級線圈信號的加窗。
7.根據權利要求6所述的位移傳感器裝置，其特征在于，所述信號處理單元被設計為使得在對所述第一數字次級線圈信號和所述第二數字次級線圈信號加窗(8)之后由所述戈澤爾濾波器(6)分別對至少這兩個信號進行濾波，隨后實施所述戈澤爾濾波器(6)的結果的求和(9)和求差(10),隨后由差信號除以和信號求商(11 )。
8.根據權利要求1至7中至少任一項所述的位移傳感器裝置，其特征在于，所述信號處理單元(5)包括時鐘生成單元(12),其中根據該時鐘生成單元(12)的時鐘信號不僅產生在所述初級線圈(I)上的/通過所述初級線圈(I)的所述激勵電壓和/或所述激勵電流，而且限定所述至少一個戈澤爾濾波器(6)的中心頻率。
9.根據權利要求1至8中至少任一項所述的位移傳感器裝置，其特征在于，所述位移傳感器裝置是冗余地設計的、并且具有兩個第一次級線圈(3a、3b)和兩個第二次級線圈(4a、4b)，所述次級線圈與所述信號處理單元(5)連接、或者所述次級線圈中的各個次級線圈各自與一個信號處理單兀(5)連接。
10.根據權利要求1至9中至少任一項所述的位移傳感器裝置，其特征在于，所述至少一個戈澤爾濾波器(6)被設計為使得所述戈澤爾濾波器關于唯一的頻率進行濾波。
11.根據權利要求1至10中至少任一項所述的位移傳感器裝置，其特征在于，所述至少一個戈澤爾濾波器(6)被設計為使得所述戈澤爾濾波器用作抽取帶通濾波器。
12.—種對根據權利要求1至11中至少任一項所述的位移傳感器裝置在機動車中的應 用。
【文檔編號】G01D5/22GK103782134SQ201280043693
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年9月7日 優先權日:2011年9月9日
【發明者】F·格倫瓦爾德, S·萊曼 申請人:大陸-特韋斯貿易合伙股份公司及兩合公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
