DE19931318C2 - Wegmeßsystem für stromsparende Meßgeräte - Google Patents

Abstract

Ein insbesondere für Handmessgeräte geeignetes Wegmesssystem weist einen auf magnetischer Basis arbeitenden Signalgeber mit Schwachfeldsensor und eine Maßverkörperung auf. Zur Erzeugung eines Magnetfelds ist der Signalgeber mit einem Permanentmagneten versehen, dessen Feld die Maßverkörperung erreicht. Zwischen dem Permanentmagneten und der Maßverkörperung ist eine Sensoranordnung vorgesehen. Diese wird durch die Maßverkörperung abgeschirmt. Die Maßverkörperung ist selbst unmagnetisch. Das Wegmesssystem ist als Absolut-Wegmesssystem ausgebildet, indem die Maßverkörperung mehrere Spuren unterschiedlicher Teilung aufweist.

Description

Längenmessgeräte wie bspw. Handmessgeräte (Schieblehren) benötigen häufig einen elektrischen Sensor zur Wegmessung, um die gemessene Länge bequem ablesbar elektronisch erfassen und anzeigen zu können.

Bspw. ist aus der EP 0644401 B1 ein kapazitiver Weg­ aufnehmer bekannt, der sich zwischen Kondensatorplatten infolge der Verschiebung auftretende Kapazitätsänderungen auswertet.

Verschmutzungen und insbesondere Feuchtigkeit setzt dem kapazitiven Messprinzip Grenzen.

Es sind deshalb magnetische Wegaufnehmer, sogenannte magnetische Encoder, entwickelt worden. Dazu ist bspw. aus der EP 0840095 A1 ein Wegmesssystem bekannt, das eine magne­ tische Maßverkörperung und einen zugeordneten Lesekopf aufweist. Die Maßverkörperung und der Lesekopf sind gegen­ einander bewegbar. Als Maßverkörperung ist eine längliche, magnetisch polarisierte Anordnung vorgesehen, an deren dem Lesekopf zugewandten Seite Nord- und Südpole periodisch abwechseln. Von der Maßverkörperung geht somit ein relativ starkes Magnetfeld aus, das von dem Lesekopf erfasst wird. Der Lesekopf zählt bei einer Langsverschiebung der Maß­ verkörperung die sich an seinem Sensor ergebenden Polari­ tätswechsel und erhält somit ein Maß für die zurückgelegte Wegstrecke.

Um bei der Verschiebung keinen Polaritätswechsel zu verpassen, muss der Sensor im Wesentlichen ständig aktiv sein.

Aus der WO 95/14213 A1 ist ein lineares Wegmesssystem bekannt, das als Positionsmelder für die Automation dient. Das Wegmesssystem weist einen weichmagnetischen Maßstab mit ein- oder mehreren Spuren auf. Die Spuren werden je­ weils durch eine Folge von Aussparungen in dem Material gebildet. Dem Maßstab ist eine Sensoranordnung zugeordnet, zu der ein Permanentmagnet und vier Sensorelemente gehö­ ren. Die Sensorelemente sind zu Paaren zusammengefasst, wobei die beiden sich ergebenden Paare um eine halbe Tei­ lung des Maßstabs gegeneinander versetzt sind. Die magne­ tischen Sensorelemente eines Paars bilden jeweils einen Brückenzweig, dessen Mittenspannung gegen die Mittenspan­ nung eines aus Festwiderständen aufgebauten Brückenzweigs ein Signal liefert.

Aus der EP 0580207 A1 ist ein magnetisches Messsystem ebenfalls mit weichmagnetischem Maßstab und einem Perma­ nentmagneten bekannt, der zwei Sensorelemente trägt. Die beiden Sensorelemente sind magnetoresistive Widerstände. Sie sind in einem Abstand voneinander angeordnet, der etwa der Größe einer Aussparung in dem Maßstab entspricht. Die Abstände zwischen den Aussparungen sind deutlich größer als die Aussparungen selbst. Auf diese Weise kann eine richtungsabhängige Zahlung der an den Sensoren vorbeilau­ fenden Aussparungen mit nur zwei Sensorelementen erfolgen.

Aus der EP 0554518 A1 ist darüber hinaus eine Posi­ tionsmesseinrichtung mit magnetempfindlichen Elementen bekannt, wobei als Maßstab ein axial wechselnd polarisier­ ter Maßstab dient. Die Sensoren sind jeweils zu viert in Reihe geschaltet, wobei zwei Reihenschaltungen jeweils parallel geschaltet sind. Auf diese Weise werden Teilungs­ fehler unwirksam gemacht.

Schließlich ist aus der WO 95/30128 A1 ein Positionssen­ sor bekannt, der an jeder Stelle einen charakteristischen Binärcode erzeugt. Dazu weist er mehrere Spuren auf, die jeweils sehr unterschiedliche Teilungen aufweisen. Dieses Prinzip erfordert eine Entkopplung der Wirkung der Mess­ spuren voneinander. Bei magnetischen Schwachfeldsensoren ist dies in der Regel kaum möglich, weil allen Messspuren ein gemeinsamer Permanentmagnet zugeordnet ist und sich Wechselwirkungen zwischen den Spuren somit nicht ganz aus­ schließen lassen.

Insbesondere für Handmessgeräte vorgesehene Längen­ messsysteme müssen stromsparend ausgelegt sein, um Batteriebetrieb zu ermöglichen. Außerdem müssen sie feuchtig­ keits- und verschmutzungsunempfindlich sein.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Weg­ messsystem zu schaffen, das stromsparend arbeitet und we­ nig verschmutzungsanfällig ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Wegmesssystem gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.

Das erfindungsgemäße Wegmesssystem ist ein Absolut- Wegmesssystem und weist einen Signalgeber und eine Maß­ verkörperung auf, die gegeneinander beweglich angeordnet sind. Der Signalgeber ist aktiv, d. h. er erzeugt ein Feld, das zur Abfrage der Position der Maßverkörperung geeignet ist. Diese ist vorzugsweise passiv, d. h. sie erzeugt kein eigenes, die Sensoranordnung beeinflussendes Feld, sondern beeinflusst lediglich das von den entsprechenden Element des Signalgebers ausgehende Feld in charakteristischer Weise. Hierbei ist die Maßverkörperung vorzugsweise derart gestaltet, dass das von dem Signalgeber ausgehende (vor­ zugsweise konstante) Feld in jeder Verschiebeposition spe­ zifisch beeinflusst wird. Wenigstens eine Sensoranordnung erfasst dies, so dass daraus die erreichte Absolutposition bestimmbar ist. Es handelt sich somit um ein Absolut-Weg­ messsystem, das sehr stromsparend betrieben werden kann.

Das Messsystem arbeitet mit einem Schwachfeldsensor, bei dem die Sensoranordnung zwischen dem felderzeugenden Element und der Maßverkörperung angeordnet ist, wobei der Sensor und das felderzeugende Element ortsfest zueinander, bspw. auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Das Magnetfeld dreht sich nur um wenige Grad und ändert seine Stärke. Bei einer Bewegung der Maßverkörperung polt es jedoch nicht um (dreht sich nicht um 180°). Das Feld ist relativ schwach, was für den Einsatz in nicht ganz saube­ rer Umgebung von Vorteil ist. Ein wesentlicher Vorteil ist weiter, dass die benachbarten Spuren sich gegenseitig nur wenig (fast nicht) beeinflussen, d. h. eine Spur beein­ flusst das von der Nachbarspur geformte Magnetfeld kaum. Die Spuren können dadurch sehr dicht beieinander angeord­ net werden, dichter als es bei aktiven (permanent polari­ sierten) Maßverkörperungen möglich ist. Damit lassen sich Platzvorteile Erzielen, die insbesondere bei Handmessgerä­ ten, wie Messschiebern Bedeutung haben. Außerdem lassen sich feinere Strukturen erzeugen, wodurch die Auflösung besser wird.

Außerdem muss das von dem Element erzeugte Feld somit lediglich eine Ausdehnung haben, die etwas größer ist als die Sensoranordnung. Die Maßverkörperung ist somit weit­ gehend unpolarisiert. Sie kann relativ lang ausgebildet werden und zieht, weil sie feldfrei ist, keinen Schmutz an.

Vorteilhafterweise ist das Feld ein Magnetfeld, das von einem Permanentmagnet erzeugt wird. Das Messsystem kann dadurch unempfindlich gegen Schmutz und Feuchtigkeit sein. Das Magnetfeld ist vorzugsweise etwa quer zu der Be­ wegungsrichtung gerichtet und im Bereich der Sensoranord­ nung näherungsweise homogen. Die Maßverkörperung weist eine Folge von magnetisch unterschiedlich leitenden Berei­ chen auf, die eine von den Sensorelementen zu erfassende Struktur bilden. Es wird dabei als vorteilhaft angesehen, eine gleichmäßige Teilung der Struktur vorzusehen, d. h. die magnetisch besser leitenden Bereiche und die magnetisch schlechter leitenden Bereiche sind in Verschiebe­ richtung jeweils etwa gleich groß. In Verschieberichtung sind dann zur Erfassung der Struktur mehrere, bspw. vier Sensorelemente angeordnet, die die periodische Struktur der Maßverkörperung mit bspw. 90° Phasenversatz gegenein­ ander abgreifen, so dass eine Sinusfunktion und eine Kosi­ nusfunktion der Verschiebung erfasst werden.

Die Ausbildung der Maßverkörperung mit einer nicht­ magnetischen Struktur, die lediglich besser und schlechter leitende Bereiche unterscheidet, ermöglicht eine hohe Auf­ lösung. Besser und schlechter leitende magnetische Berei­ che können genauer ausgebildet werden als eine wechselnde Magnetisierung, wie es bei sogenannten Starkfeldsensoren der Fall ist, die als Maßverkörperung einen periodisch wechselnd polarisierten Träger nutzen. Außerdem sind die bei der Erfindung angewendeten Maßverkörperungen sehr ein­ fach und preisgünstig herzustellen. Bspw. kann die magne­ tische Leitfähigkeitsstruktur erzeugt werden, indem Aus­ nehmungen in ein Weicheisenband geätzt oder geschnitten oder anderweitig eingebracht werden.

Der nichtmagnetische Maßstab ist unempfindlich gegen Fremdfelder insoweit, als er nicht entmagnetisiert oder bleibend magnetisiert werden kann. Außerdem zieht er kei­ nen Schmutz an. Schließlich hat er im Zusammenhang mit der Anordnung der Sensoren zwischen dem felderzeugenden Bau­ element (Permanentmagnet) und dem Weicheisenband als Maß­ stab noch Abschirmfunktion, so dass Fremdfelder nur sehr geschwächt zu den Sensoren gelangen können.

Die Maßverkörperung weist mehrere nebeneinander an­ geordnete streifenförmige magnetische Strukturen unterschiedlicher Teilung auf. Die unterschiedliche Teilung ist anders als bei polarisierten Maßstäben ohne Weiteres und einfach realisierbar, indem bspw. Lochreihen oder ander­ weitige Ausnehmungen mit unterschiedlicher Teilung an dem Maßstab angebracht werden. Die genau Form der Ausnehmungen spielt dabei keine nennenswerte Rolle. Bspw. können deren Seitenwände gegen deren Boden geneigt sein, ohne dass dies die Messgenauigkeit wesentlich beeinträchtigen würde. Auch kann die Tiefe der Ausnehmungen variieren. Dadurch können die Maßverkörperungen kostengünstig hergestellt werden.

Die Ausbildung des Wegmesssystems als Absolutmesssys­ tem infolge gleichzeitiger Erfassung mehrerer parallel nebeneinander angeordneter Strukturen unterschiedlicher Teilung ermöglicht den Aufbau extrem stromsparender Mess­ systeme und somit den Batteriebetrieb, wie er bspw. für Messschieber erforderlich ist. Es genügt die Positions­ erfassung und somit die Ansteuerung der Sensoren in rela­ tiv großen Zeitabständen (bei Messschiebern etwa 10 mal pro Sekunde). Während der Ruhephasen, in denen die Positi­ on nicht abgefragt wird, können der Signalgeber und die Maßverkörperung gegeneinander verschoben werden, ohne dass der Signalgeber dies erfasst. Bei der nächsten Abfrage erkennt er seine neue Position ohne Erfassung der zwischenzeitlich durchlaufenen Zwischenpositionen. Durch die geringe Abtastfrequenz an dem Signalkopf, die durch den Aufbau als Absolutmesssystem ermöglicht wird, werden die Sensorelemente nicht nur stromsparend betrieben, son­ dern sie altern auch deutlich langsamer als es im Dauer­ betrieb der Fall wäre. Bei einem Tastverhältnis, d. h. ei­ nem Ein/Ausverhältnis von bis zu 1 : 10000 unterliegen die Sensorelemente praktisch keiner stromflussbedingten Erwär­ mung und stromflussbedingten Alterung.

Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Er­ findung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Unteransprüchen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Wegmesssystem in schema­ tisierter Darstellung,

Fig. 2 eine Maßverkörperung für das Wegmesssystem nach Fig. 1, in schematisierter perspektivischer Darstellung in einem anderen Maßstab,

Fig. 3 die Maßverkörperung nach Fig. 2, in einer aus­ schnittsweisen Perspektivdarstellung,

Fig. 4 das Wegmesssystem nach Fig. 1, mit Signalgeber und Maßverkörperung, in einer schematisierten Schnittdar­ stellung,

Fig. 5 eine zu dem Signalgeber gehörige Sensoranord­ nung für eine vierzeilige Maßverkörperung in einer schema­ tisierten Draufsicht,

Fig. 6 die Verschaltung von vier Sensorelementen der Sensoranordnung, die einer Spur (Struktur) der Maßverkör­ perung zugeordnet sind, als schematisches Schaltbild,

Fig. 7 die räumliche Zuordnung von Sensorelement und Maßverkörperung als schematisches Diagramm,

Fig. 8 eine Auswerteschaltung zur Bestimmung von Weg­ längen anhand der von dem Signalgeber abgegebenen Sensor­ signale,

Fig. 9 Teile der Schaltung nach Fig. 8,

Fig. 10 eine abgewandelte Ausführungsform einer Sen­ soranordnung und die räumliche Zuordnung, von deren Sen­ sorelementen zu der Maßverkörperung,

Fig. 11 die Verschaltung der Sensorelemente nach Fig. 10, in einer übersichtlicheren Darstellung,

Fig. 12 eine abgewandelte Auswerteschaltung zur Be­ stimmung von Weglängen anhand der von dem Signalgeber ab­ gegebenen Sensorsignale, und

Fig. 13 Teile der Auswerteschaltung nach Fig. 12 als Schaltbild.

In Fig. 1 ist ein Wegmesssystem 1 veranschaulicht, das bspw. ein Längenmessgerät bildet oder zu einem solchen gehört. Das Wegmesssystem 1 weist einen Signalgeber 2 auf, dem eine Maßverkörperung 3 zugeordnet ist. Der Signalgeber 2 und die Maßverkörperung 3 sind in Verschieberichtung V relativ zueinander verschiebbar. An den Signalgeber 2 ist eine Auswerteeinheit 4 angeschlossen, die mit dem Signal­ geber 2 verbunden oder in diesen integriert ist. Die Aus­ werteeinheit 4 weist eine Anzeigeeinrichtung 5 auf, die den gemessenen Weg anzeigt. Bedienelemente, z. B. zum Ein­ schalten, Ausschalten, zur Nullung u. a., sind nicht ver­ anschaulicht.

Das Wegmesssystem 1 ist ein Absolut-Wegmesssystem, das die Relativposition zwischen der Maßverkörperung 3 und dem Signalgeber 2 an jedem eingestellten Ort direkt und ohne Zählung von Zwischenschritten bestimmt. Der Aufbau ergibt sich insbesondere aus den Fig. 2 bis 4. Der Signalgeber 2 arbeitet nach dem magnetischen Prinzip. Auf einer Lei­ terplatte 6 oder einem sonstigen Träger ist an der von der Maßverkörperung 3 abgewandten Seite ein Permanentmagnet 7 angeordnet, der ungefähr senkrecht zu der Leiterplatte 6 polarisiert ist. Das Magnetfeld ist in dem Zwischenraum zwischen der Leiterplatte 6 und der Maßverkörperung 3 un­ terhalb des Permanentmagneten 7 homogen. Dies wird er­ reicht, wenn der Permanentmagnet wesentlich breiter ist als die darunter befindlichen Sensoren. In diesem Bereich ist eine Sensoranordnung 9 an der Leiterplatte 6 angeord­ net. Die Sensoranordnung 9 dient der Erfassung von Ände­ rungen des Magnetfelds, die durch die Maßverkörperung 3 hervorgerufen werden.

Die Maßverkörperung 3 ist bspw. in Fig. 2 gesondert veranschaulicht. Sie wird im Ausführungsbeispiel durch ein aus Weicheisen hergestelltes Band 10 gebildet, das vier Reihen 11, 12, 13, 14 von Ausnehmungen 15 aufweist. Die Reihen 11, 12, 13, 14 bilden die zu erfassende Struktur S. die an jeder Stelle für den Signalgeber ein charakteri­ sistisches Bild liefert. Die Ausnehmungen 15 können durch­ gehende Öffnungen oder, wie Fig. 3 und 4 veranschauli­ chen, in die der Sensoranordnung 9 zugewandte Seite des Bands 10 eingebrachte Vertiefungen sein. Die in der Ver­ schieberichtung V gemessene Länge der Vertiefungen 15 ent­ spricht etwa deren Abstand. Die Vertiefungen können in einem Ätzverfahren, durch plastische Verformung, mit Laser oder auf ähnliche Weise hergestellt werden. Im vorliegen­ den Beispiel sind die Vertiefungen in Verschieberichtung V etwa einen halben Millimeter lang. Die genaue geometrische Form der Ausnehmungen 15 spielt dabei keine Rolle. Sie bilden Bereiche, die den magnetischen Fluss weniger gut leiten als zwischen den Ausnehmungen 15 vorhandene Berei­ che 16, die eine hohe Permeabilität aufweisen und den mag­ netischen Fluss besser leiten. Infolge der hohen Permeabi­ lität der Bereiche 16 können die Ausnehmungen 15 in ihrer Tiefe und, bezüglich der senkrecht zu der Maßverkörperung gerichteten Z-Achse, in ihrer Form variieren, ohne die Messergebnisse wesentlich zu beeinträchtigen. Es ändert sich die Signalamplitude, nicht jedoch der Signaloffset. Außerdem betrifft die Amplitudenänderung sowohl das Sinus- als auch das Kosinussignal, so dass die zu errechnende Phase nicht betroffen ist.

Das Band 10 kann mit einem Abdeckband 17 versehen sein. Alternativ ist es möglich, die Oberfläche mit einem insbesondere auch die Ausnehmungen 15 ausfüllenden Lack oder Füllmaterial zu versehen. Das Band 10 kann steif oder flexibel sein.

Die Reihe der Vertiefungen 15 und der dazwischen blei­ benden Bereiche 16 bildet eine periodische Struktur, die in Fig. 4 anhand der Reihe 11 veranschaulicht ist. Die übrigen Reihen 12, 13, 14 sind ebenso aufgebaut, wobei die Teilung P jedoch etwas abweicht. Im vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel sind die Teilungen jeweils um etwa 1/16 der Teilung verschieden. Es ergibt sich damit eine Gesamtperi­ ode und somit eine maximale Maßstablänge von über 4096 mm und es lässt sich eine Auflösung von bis zu 1 µm erzielen. Bedarfsweise können auch weniger oder mehr Reihen vorgese­ hen werden. Zur Schaffung eines Absolut-Wegmesssystems sind wenigstens zwei Reihen vorgesehen. Eine größere An­ zahl gestattet eine größere maximale Maßstablänge.

Die Sensoranordnung 9 zur Erfassung der von der Maß­ verkörperung hervorgerufenen Änderungen des Magnetfelds ist schematisch in Fig. 5 veranschaulicht. Den vier Rei­ hen 11, 12, 13 der Maßverkörperung 3 sind vier Reihen 21, 22, 23, 24 mit jeweils vier Sensorelementen 25, 26, 27, 28 zugeordnet. (Lediglich zur Unterscheidung sind die Bezugs­ zeichen der Sensorelemente der Reihen 22, 23, 24, jeweils mit einem Buchstabenindex versehen. Bezugnahmen auf Sen­ sorelemente ohne Buchstabenindex geltend entsprechend auch für alle anderen Sensorelemente.) Die Sensorelemente 25, 26, 27, 28 sind bspw. magnetoresistive Widerstände. Sie sind, wie Fig. 4 veranschaulicht, bezüglich der durch die Ausnehmungen 15 vorgegebenen Teilung der Reihe 11 jeweils um 90° phasenversetzt. Diese Zuordnung ist in Fig. 7 nochmals veranschaulicht. In einem ersten Diagramm (Fig. 7 oben) ist mit einer Kurve I das Signal veranschaulicht, das ein Sensorelement der Reihe 21 bei Durchlauf einer Vertiefung 15 bzw. eines Bereichs 16 ungefähr abgibt. Die Sensoren 25 bis 28 sind gegeneinander um 1/4 der Wellen­ länge versetzt, die sich aus der Teilung der Reihe 11 er­ gibt. Entsprechendes gilt für die Reihen 22, 23 und 24, wobei hier jedoch aufgrund der etwas geringeren Teilung P, die durch die Kurven II, III und IV veranschaulicht ist, ein geringfügig größerer Sensorabstand eingestellt ist. Bedarfsweise können die Sensorabstände jedoch auch ein­ heitlich festgelegt werden, wobei dann jedoch die Auswer­ tung der abgegebenen Signale nicht mehr ganz so einfach ist, weil sich die Phasenverschiebung zwischen Sinus und Kosinus um einen konstanten Betrag ändert.

An die Sensorelemente 25, 26, 27, 28 ist eine aus Fig. 8 und 9 ersichtliche Auswerteschaltung angeschlossen. Wie Fig. 6 veranschaulicht, sind die Sensorelemente 25, 26, 27, 28 paarweise und um ein Viertel der Teilung P ver­ setzt zusammengeschaltet. Bspw. bilden die Sensorelemente 25 und 27 einen Spannungsteiler und es bilden die Sensor­ elemente 26, 28 einen Spannungsteiler zwischen einer Be­ triebsspannung und Masse oder einer positiven und einer negativen Betriebsspannung. An dem jeweiligen Verbindungs­ punkt steht somit ein 90° phasenverschobenes Signal, d. h. mit anderen Worten, ein Sinussignal und ein Kosinussignal des Winkels an, um das die Teilung der Maßverkörperung 3 (d. h. der betreffenden Reihe 11, 12, 13 oder 14) gegen die Teilung verschoben ist, die von den betreffenden Sensor­ elementen 25 bis 28 bestimmt wird. Das Sinussignal und das Kosinussignal können durch einander dividiert werden, wo­ durch der Tangens des Winkels der Verschiebung erhalten wird. Amplitudenänderungen, die sich bspw. aufgrund von Abstandsschwankungen zwischen der Maßverkörperung 3 und dem Signalgeber 2 ergeben, gehen gleichermaßen in das Sinus- und das Kosinussignal ein und kürzen sich somit beim Dividieren. Auf diese Weise wird ein robustes unemp­ findliches und dabei präzises Messverfahren erhalten.

Die in Fig. 8 veranschaulichte Auswerteschaltung 4 ist auf niedrigen Stromverbrauch und niedrige Betriebs­ spannung ausgelegt. Ein erster Block 31 stellt in dem Schaltbild nach Fig. 8 vier aus den Sensorelementen 25 bis 28c jeweils nach Fig. 6 zusammengeschaltete Sensor­ brücken dar, die für jede Reihe 11, 12, 13, 14 der Maß­ verkörperung 3 ein Sinus- und ein Kosinussignal erzeugen. Der Block 31 gibt somit insgesamt vier Sinus- und vier Kosinussignale ab. Diese werden einem achtkanaligen Ver­ stärker 32 zugeführt. Das Verstärkerausgangssignal wird an eine durch einen Block 33 veranschaulichte Sample-and- Hold-Stufe gegeben. Diese ist ein 8 : 1 Analog-Multiplexer 34 nachgeschaltet, an dessen Ausgang ein A/D-Wandler 35 angeschlossen ist, dessen Ausgangsbitbreite 8 bis 12 Bit betragen kann. Die Wortlänge wird der geforderten Auflö­ sung entsprechend festgelegt.

Wenn die Schaltung aus lediglich einer Spannungsquelle zu betreiben ist, ist zur Erzeugung einer virtuellen Masse eine entsprechende Schaltung 37 vorgesehen.

Die Schaltung arbeitet getaktet. Die Schalter und Taktgeber 38 gibt den Brücken aus den magnetoressistiven Widerständen lediglich gelegentlich einen Stromimpuls. Bspw. werden die Sensoren alle 100 ms kurz (für etwa 50 µs) eingeschaltet. Bei 3 Volt beträgt der Stromverbrauch nie­ derohmiger Sensoren (500 Ω) dann etwa 3 µA. Das Tastverhältnis auf der entsprechenden Taktleitung (Fig. 8) be­ trägt 1 : 2000.

Die nachgeordnete Schaltung kann mit einem abweichen­ den Takt und anderen Tastverhältnis von bspw. 1 : 10 arbei­ ten. Die entsprechenden Schaltungen sind stromsparend aus­ legbar. Sie sind bspw. als ASIC und als Mikroprozessor aufgebaut. Fig. 4 veranschaulicht dies schematisch mit zwei Blöcken 41, 42.

Das insoweit beschriebene Wegmesssystem 1 arbeitet wie folgt:
Das Wegmesssystem arbeitet absolut, d. h. nach dem Ein­ schalten erzeugen die beide Sensorbrücken der Zeile 21 ein Sinus- und ein Kosinussignal, das eine bestimmte Phasen­ verschiebung der Sensorzeile zu der Struktur der Reihe 11 kennzeichnet. Entsprechend erzeugen die beiden Brücken der Reihen 22 ein Sinus- und ein Kosinussignal, wie auch die Brücken der Reihen 23 und 24. Aufgrund der unterschiedli­ chen Teilung der vier Reihen 11, 12, 13, 14 ergibt sich aus dem Sinus und dem Kosinus jeder Sensorreihe 21 bis 24 jeweils ein bestimmter Phasenverschiebungswinkel. Die vier somit gemessenen Winkel kennzeichnen die Position des Sig­ nalgebers 2 auf der Maßverkörperung innerhalb deren Ge­ samtperiode (von etwa 4096 mm) eindeutig. Dementsprechend wird aus den vier Winkeln die Position errechnet und mit der Anzeigeeinrichtung 5 angezeigt.

Nach einer Verschiebung von Signalgeber 2 und Maßver­ körperung 3 gegeneinander wird jeder neue Messwert auf gleiche Weise erneut berechnet und angezeigt. Die Verschiebegeschwindigkeit zwischen Maßverkörperung 3 und Sig­ nalgeber 2 spielt deshalb keine Rolle.

Der Stromverbrauch der Sample-and-Hold-Stufe kann ebenfalls durch Taktung, insbesondere der am Ausgang an­ geordneten Impedanzwandler erreicht werden. Als Verstärker (Block 32) können, um eine gute Stabilität zu erreichen, Chopper-Verstärker eingesetzt werden.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 8 ist in Fig. 9 veranschaulicht. Die Sample-and- Hold-Stufe wird hier lediglich durch einen Kondensator C gebildet, dem Schalter S1, S2 vor- und nachgeschaltet sind. Der nachgeschaltete A/D-Wandler weist eine 8-Bit- Auflösung auf und hat eine sehr kleine Referenzspannung von bspw. lediglich 2 Millivolt. Die Verstärkung wird nur durch ein Größenverhältnis von 2 Kondensatoren festgelegt. Der erste größere Kondensator hat eine Kapazität von 50 pF und wird mit der Spannung der magnetoresistiven Messbrücke geladen. Der Integrator des nachgeschalteten SigmaDelta- A/D-Wandlers verwendet einen sehr kleinen Kondensator (0,5 pF), so dass die Ladung des 50 pF-Kondensators ausreicht, um eine komplette Wandlung durchzuführen. Die absolute Amplitude der Eingangsspannung ist uninteressant. Deshalb ist es hinzunehmen, wenn der 50 pF-Kondensator durch die A/D-Wandlung etwas entladen wird. Bei höheren Auflösungen von bspw. 10-Bit, kann der Eingangskondensator bedarfs­ weise auch durch kurzes Einschalten der magnetoressistiven Brücke und Schließen des Schalters S1 kurz nachgeladen werden. Dies setzt allerdings voraus, dass während der Messung keine Bewegung zwischen der Maßverkörperung 3 und dem Signalgeber 2 stattfindet. Eine solche Schaltung kann auf Verstärker und Impedanzwandler verzichten, welche bei Temperaturänderungen häufig zu große Offsetdrifts haben.

In den Fig. 10 und 11 ist eine weiter abgewandelte Ausführungsform des Wegmesssystems 1 schematisch veran­ schaulicht. Zur Erfassung der Phasenbeziehung zwischen der Maßverkörperung 3 und dem Signalgeber 2 sind hier insge­ samt acht Sensorelemente 25, 25', 26, 26', 27, 27', 28, 28' vorgesehen. Die Sensorelemente 25' bis 26' sind, wie insbesondere Fig. 11 veranschaulicht, zu einer Vollbrücke zusammengeschaltet. Gleiches gilt für die Sensorelemente 27' bis 28'. Die Sensorbrücken liefern den Sinus und dem Kosinus des Verschiebungswinkels der Maßverkörperung 3, die hier durch ein mit Öffnungen versehenes weichmagneti­ sches Band gebildet ist.

In Fig. 12 ist eine abgewandelte Auswerteschaltung veranschaulicht, bei der die Sample-&-Hold-Schaltung 33 durch eine spezielle Integratorschaltung 33a ersetzt ist, wie sie aus Fig. 13 hervorgeht. Die spezielle Schaltung erfüllt mehrere Funktionen, wie aus der nachfolgenden Be­ schreibung hervorgeht. Sie ist relativ leicht integrierbar und kann so mit einem Chip realisiert werden.

Die Integratorschaltung beruht auf einem Operations­ verstärker, in dessen Gegenkopplungszweig ein Kondensator C2 als Integrationskondensator angeordnet ist. In Reihe zu dem Kondensator C2 ist ein Schalter S22 angeordnet, der bspw. durch elektronische Bauelemente, wie einen Feldef­ fekttransistor oder dgl., gebildet sein kann. Ein weiterer Schalter S11 überbrückt die Reihenschaltung aus dem Schal­ ter S22 und dem Kondensator C2.

Eingangsseitig führt ein Kondensator C1 zu dem inver­ tierenden Eingang des Operationsverstärkers der Massepo­ tential führt, solange der Operationsverstärker in seinem aktiven Bereich ist. Der Kondensator C1 weist eine größere Kapazität auf als der Kondensator C2, um eine Signalver­ stärkung zu erzielen.

Über Schalter S3 und S4 ist der Kondensator C1 mit seinem anderen Anschluss an die aus magnetoresistiven Ele­ menten gebildete Brücke angeschlossen. Die Brückenschal­ tung kann eine Brücke nach Fig. 11 sein. Die durch die unterschiedliche Bemessung der Kondensatoren C1, C2 er­ reichte Verstärkung des Nutzsignals kann vorteilhafter­ weise zum Ausgleich von Schwankungen des Sensorsignals herangezogen werden. Das Nutzsignal der magnetoresistiven Brücke ist stark abhängig vom Abstand der Sensoroberfläche zu der Maßverkörperung. Durch eine Abstandsänderung von 1/10 der Maßstabsperiode halbiert sich das Nutzsignal. Aufgrund der bei der Fertigung von Messschiebern anfallen­ den mechanischen Toleranzen kann somit die Amplitude des Nutzsignals um einen Faktor vier schwanken. Eine variable Verstärkung des Nutzsignals kann dies ausgleichen.

Dazu weist die Schaltung nach Fig. 13 folgende Funk­ tionen auf:
In einer Ausgangsstellung zwischen zwei Datenerfas­ sungszyklen wird der als Integrationskondensator dienende Kondensator C2 entladen. Die Schalter S11, S22 und S4 sind geschlossen. Die Schalter S3 und der Schalter S5, über den die magnetoresistive Brücke mit Strom versorgt wird, sind offen.

Im nächsten Schritt findet eine Ladungsverstärkung mit mehreren Schritten ("n" Zyklen) statt. Die Verstärkung kann über die Zyklenzahl "n" bzw. alternativ über Paral­ lelschaltung von Kondensatoren reguliert werden. Zu dem Zyklus gehören folgende Schritte:

• a) Die Schalter S11, S22, S4 und S5 sind geschlossen und der Schalter S3 ist offen. Dabei ist die Brücke einge­ schaltet und der Kondensator C2 wird entladen.
• b) Die Schalter S11 und S3 sind offen, die Schalter S22, S4 und S5 sind geschlossen. Dadurch wird der Konden­ sator C1 geladen.
• c) Die Schalter S4 und S11 sind offen, die Schalter S22, S3 und S5 sind geschlossen. Es wird nun die Ladung des Kondensators C1 in den Kondensator C2 verschoben. Durch die kleinere Kapazität des Kondensators C2 im Ver­ gleich zu dem Kondensator C1 entsteht an dem Ausgang des Integrators eine entsprechend höhere Spannung als an dem Eingang.
• d) Vor jeder A/D-Wandlung laufen "n" Schaltzyklen b) und c) ab, wobei "n" die gewünschte Verstärkung festlegt.
• e) Die Schalter S11, S3, S4 und S5 sind offen, der Schalter S22 ist geschlossen. Die Brücke wird sofort aus­ geschaltet. Die Ladung hält bis die A/D-Wandlung aller Sensoren abgeschlossen ist.

Bei dieser Schaltung ist der Verstärkungsfaktor durch das Verhältnis von C11 und 012 sowie die Anzahl der Takt­ zyklen gegeben. Es ergibt sich V = C11/C12 . n. Die Anzahl "n" der Zyklen ist programmierbar und somit variabel ein­ stellbar, so dass sich eine programmierbare variabel ein­ stellbare Verstärkung V ergibt.

Durch die n Zyklen wird ein Mittelwert der Eingangs­ spannung gebildet. Die n Zyklen müssen deshalb in weniger als 1/20 der kürzestmöglichen Periodendauer des Sinussig­ nals ausgeführt werden. Bei einer Verfahrgeschwindigkeit (Geschwindigkeit zwischen Maßverkörperung und Sensor) von 2 m/s und einer Maßstabsunterteilung von 1 mm beträgt die Periodendauer der Sinus-Kosinus-Signal 500 µs. Die n Zyklen müssen dann innerhalb von 25 µs ablaufen. Die magnetore­ sistive Brücke wird nur während dieser Zeit eingeschaltet. Wenn die Anzeige zehnmal pro Sekunde erneuert wird, ergibt sich ein Impulslängenverhältnis von 1 : 4000. Bei einer Zyk­ lenzahl n von 8 (n = 8) beträgt die Zyklusperiode ca. 3 µs und die Schaltfrequenz ca. 300 kHz. Während eines Taktes von 1 : 4000 werden n Impulse, im vorliegenden Fall acht Impulse gebraucht.

Für den geringen Strombedarf der Messung ist ein gro­ ßes Impulslängenverhältnis von vorzugsweise 1 : x mit x < 1000 vorteilhaft.

Bei praktischen Anwendungsfällen hat die Zyklenzahl n Werte von 2 bis 16.

Nach Abschluss aller AD-Wandlungen können der Biass­ trom und der Ruhestrom der Integratoren ausgeschaltet wer­ den, weshalb die 1 : 10 Leitung auch zu den Integratoren geführt ist, wie aus Fig. 12 hervorgeht.

Ein insbesondere für Handmessgeräte geeignetes Weg­ messsystem 1 weist einen auf magnetischer Basis arbeiten­ den Signalgeber 2 mit Schwachfeldsensor und eine Maßver­ körperung 3 auf. Zur Erzeugung eines Magnetfelds ist der Signalgeber 2 mit einem Permanentmagneten 7 versehen, des­ sen Feld die Maßverkörperung 3 erreicht. Zwischen dem Per­ manentmagneten 7 und der Maßverkörperung 3 ist eine Sen­ soranordnung 9 vorgesehen. Diese wird durch die Maßverkör­ perung 3 abgeschirmt. Die Maßverkörperung 3 ist selbst unmagnetisch. Das Wegmesssystem 1 ist als Absolut-Wegmess­ system ausgebildet, indem die Maßverkörperung mehrere Spu­ ren unterschiedlicher Teilung aufweist.

Claims (22)

1. Wegmesssystem (1) zur Absolutwegmessung, insbeson­ dere für Längenmessgeräte,
mit einem Signalgeber (2), der einen ein Magnetfeld erzeugenden Permanentmagneten (7) und wenigstens eine Sen­ soranordnung (9) aufweist, die zu dem Permanentmagenten (7) unbeweglich angeordnet ist und die das Magnetfeld des Permanentmagneten (7) erfasst und ein elektrisches Signal abgibt, das von der Stärke des Magnetfelds abhängig ist,
mit einer Maßverkörperung (3), die wenigstens eine das Magnetfeld beeinflussende, festgelegte Struktur (S) mit wenigstens zwei streifenförmigen Bereichen (11, 12, 13, 14) aufweist, in denen Gebiete (15, 16) mit abwechselnd besserer und schlechterer Leitfähigkeit und nur wenig ver­ schiedener Teilung vorgesehen sind, deren Gesamtperiode größer ist als die Länge der Maßverkörperung (3), wobei
der Signalgeber (2) und die Maßverkörperung (3) in Bezug aufeinander beweglich angeordnet sind,
die Sensoranordnung (9) zwischen dem Permanentmagneten (7) und der Maßverkörperung (3) angeordnet ist und
die Sensoranordnung (9) für jeden streifenförmigen Bereich (11, 12, 13, 14) jeweils wenigstens acht Sensor­ elemente (25, 25', 26, 26', 27, 27', 28, 28') aufweist, von denen jeweils vier zur Erzeugung eines Sinussignals und vier zur Erzeugung eines Kosinussignals zu jeweils einer Vollbrücke (25, 25', 26, 26'; 27, 27', 28, 28') zu­ sammengeschaltet sind.

2. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass das Magnetfeld die Sensoranordnung (9) quer zu der Bewegungsrichtung (V) im Wesentlichen homogen durch­ setzt.

3. Wegmesssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, dass das Magnetfeld im Bereich der Sensoranordnung (9) eine Hauptkomponente rechtwinklig zu der Bewegungs­ richtung (V) und eine vergleichsweise geringere Hilfskom­ ponente in Bewegungsrichtung aufweist.

4. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die das Feld beeinflussend Struktur (S) in we­ nigstens zwei streifenförmigen Bereichen angeordnete Ge­ biete (15, 16) mit abwechseln besserer und schlechterer Feldleitfähigkeit aufweist.

5. Wegmesssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, dass die Gebiete (15) schlechterer Leitfähigkeit un­ tereinander gleich groß ausgebildet sind.

6. Wegmesssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, dass die Gebiete (15) schlechterer Leitfähigkeit un­ tereinander in gleichen Abständen angeordnet sind.

7. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die das Feld beeinflussende Struktur (S) neben­ einander vier streifenförmige Bereiche (11, 12, 13, 14) mit unterschiedlicher Teilung aufweist.

8. Wegmesssystem nach Anspruch 1 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Abstände der unterschiedlichen Ge­ biete (15, 16) in jedem streifenförmigen Bereich (11, 12, 13, 14) jeweils regelmäßig und zwischen den Bereichen (11, 12, 13, 14) jeweils unterschiedlich festgelegt sind.

9. Wegmesssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, dass die Gebiete (15) mit schlechterer und die Gebie­ te (16) mit besserer Leitfähigkeit eines Bereichs (11, 12, 13, 14) untereinander jeweils gleich groß ausgebildet sind.

10. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Maßverkörperung (3) aus einem Material mit einer relativen Permeabilität µ_r aufweist, die größer als Eins ist.

11. Wegmesssystem nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Maßverkörperung (3) durch ein Weichei­ senband gebildet ist, das zur Ausbildung von Gebieten (16, 15) höherer und geringerer magnetischer Leitfähigkeit in einer Reihe angeordnete Vertiefungen (15) aufweist, die die feldbeeinflussende Struktur (S) bilden.

12. Wegmesssystem nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Vertiefungen (15) regelmäßig angeordnet und im Ätzverfahren hergestellt sind.

13. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Sensoranordnung (9) jeweils wenigstens ein Sensorelement (25) aufweist, das an eine Auswerte­ schaltung (4) angeschlossen ist, die aus den Sensorsigna­ len die Verschiebung der Maßverkörperung (3) gegen den Signalgeber bestimmt.

14. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Sensorgruppen (25-28; 25a-28a; 25b -28b; 25c-28c) von dem Magnetfeld des gleichen Perma­ nentmagneten (7) durchdrungen sind, der den Sensoranord­ nungen (25-28; 25a-28a; 25b-28b; 25c-28c) gemeinsam zugeordnet ist.

15. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Sensorelemente (25-28c) magnetore­ sistive Elemente oder Hall-Sensoren sind.

16. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Auswerteschaltung (4) A/D-Wandlerschal­ tungen zur Umwandlung der Brückenausgangsspannung der Sen­ soranordnungen (25-28; 25a-28a; 25b-28b; 25c-28c) in ein Digitalsignal enthält.

17. Wegmesssystem nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Auswerteschaltung (4) die Sensorsignale mit einer Abtastrate abfragt und auswertet, die geringer ist, als die sich an der Sensoranordnung (9) bei maximaler Verschiebegeschwindigkeit zwischen Signalgeber (2) und Maßverkörperung ergebende Signalfrequenz.

18. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Sensoranordnung (9) getaktet betrieben wird.

19. Wegmesssystem nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Sensoranordnung (9) während des Be­ triebs über einen Zeitraum stromlos ist, der deutlich grö­ ßer ist als der Zeitraum, in der die Sensoranordnung stromführend ist.

20. Wegmesssystem nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Auswerteschaltung (4) zur Verarbeitung der Sensorsignale eine Integratorschaltung (33a) mit einem durch getaktete Schalter (S11, S22) umschaltbarem Konden­ sator (C2) aufweist.

21. Wegmesssystem nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Integratorschaltung (33a) ein Kondensa­ tor (C1) vorgeschaltet ist, dessen Kapazität größer ist als die Kapazität des Kondensators (C2) des Integrators.

22. Batteriebetriebenes Handmessgerät mit einem Weg­ messystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21.