专利名称：用于无接触式确定轴实际角位置的传感器装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于无接触式确定轴的实际角位置的传感器装置，所述传感器装置具有抗扭地设置在轴上的发送器，该发送器与至少一个相对于发送器位置固定安装的接收器共同作用。本实用新型的应用领域特别是涉及到调整驱动装置或调节驱动装置的电控气动的或纯电动的位置调节单元。为测量轴的角位置，通常采用无接触式的测量，以避免传感器装置的彼此相对运动的部件磨损。
背景技术：
为了无接触式检测轴的角位置，也就是无机械作用地进行检测，依据一般公知的现有技术，要么在轴的端面上安装永久磁铁并确定磁场的方向，要么按照另一种公知的技术方案，沿轴的圆周固定具有多个磁段的磁环，其中，确定一个磁段内部的位置并确定从一个磁段向下一个磁段的过渡并然后增量式计数，以取得360°的测量范围。DE 44 15 686 Al公开了另一种无接触式确定轴的角位置的技术方案。在这种情况下，轴既可以轴向移动也可以转动支承并可以占据确定的轴向位置和角位置。平行于轴地设置一个与固定在轴侧的永久磁铁共同作用的位移传感器。专用的永久磁铁在此这样固定在轴的圆周上，使该永久磁铁以其纵向沿一条螺旋线伸展，从而无论是轴的轴向移动还是轴的转动，均产生永久磁铁的对于位移传感器起作用的部分的不同位置。DE 42 39 635 Al公开了一种用于在电控气动的位置调节器的情况下检测阀杆运动的位移的方法，其中，在电感式工作的传感器中，在LC谐振电路内部激励高频振荡，以产生高频电磁交变场，该交变场通过被阀杆带动的导电体与位移相关地被衰减，并且在该交变场中振荡信号被解调地且未放大地输送到微处理器用以分析与位移相关的振荡幅值衰减。虽然该方法允许无接触式的位移测量，但用于实施该方法的仪器开支却非常高并且测量精度特别是在恶劣的设备运行中晃动的情况下证明不够。DE 42 39 635 Al此外作为现有技术公开了，为了阀杆的位移测量，使用电位计、 电容式传感器以及通过阀杆上的杆分支操作的差动变压器。这些解决方案的缺点各种各样。如电位计一般容易受到磨损，特别是在它们在强的机械振动或晃动的区域内使用的情况下。这种磨损通过电位计工作点上递增的损耗而变得明显。使用可变电容器非常昂贵， 因为在这种情况下必须采取防潮的高费用防护措施并还需要非常精密的机械轴承。使用差动变压器由于昂贵的机械支承而不利，因为必须抑制磁铁在线圈内的横向运动。供电相应所需的电子装置此外过于昂贵和能耗相对高。此外需要注意正确安装限制转角的接收器。所公开的转角传感器的问题在于它们的高能量需求。此外，大地测量的算法对传感器装置与典型发散、温度漂移等相关的机械误差和电气误差具有很高要求。由此测量值分辨率对于仅一个永久磁铁减小到最大14位
实用新型内容
[0008]因此本实用新型的目的在于，实现一种用于无接触式确定轴的实际角位置的传感器装置，其在低能量投入和少传感技术部件情况下提供精确的测量结果。从一种按权利要求1前序部分的传感器装置出发结合权利要求1的特征部分的特征达到所述目的。从属权利要求给出本实用新型的有利的进一步方案。本实用新型从一种传感器装置出发，该传感器装置包括一个抗扭地设置在轴上的发送器和至少一个用于确定轴的角位置的、相对于发送器位置固定地安装的接收器。依据本实用新型，位置固定的接收器通过第一和第二圆盘形成，它们彼此平面平行地定向并各自具有一个用于穿过轴的中心孔。第一圆盘分成构成为彼此绝缘的电极的四个相同的扇形段。第二圆盘作为第一圆盘的对应电极构成。发送器作为盘形的固定的电介质设置在两个圆盘之间并且基本上具有与轴刚性连接的半圆的形状。第一圆盘的每个电极与第二圆盘的对应电极形成一个电容器，其电容与间隙被电介质在第一圆盘的各扇形段与第二圆盘之间穿过的程度相关。在按规定使用的期间，轴在两个圆盘的孔内旋转，其中，电介质在两个圆盘之间被带动并且与位置相关地扫过彼此绝缘的电极。在此，第一圆盘的至少两个电极始终被电介质涉及并且至少一个电极是空闲的。轴的位置从四个电容器的电容中计算。本实用新型的传感器装置的优点在于其机械耐用性和测量机构的电气干扰影响小。按照本实用新型的另一特征，为使电容值数字化，四个电容器与开关电容型Σ -Δ 转换器连接。具有优点的是，在这种类型的转换器中，为确定轴的位置，将两个测量值数字化就足够了。在此，在每个象限内得到一个在90°上恒定的电容差值和一个随同转角线性变化的电容差值的组合。本实用新型的另一优点因此在于非常节能和高精度的模数转换。此外，本实用新型的传感器装置具有低的温度历程，因为具有部分重叠的电介质以及具有在空气绝缘下的电容与通过电介质完全覆盖的电容之间的电容值的每个电容器的电荷与一个具有通过电介质完全覆盖的电容值的电容器的电荷相关联。

下面借助实施例对本实用新型进行详细说明。为此需要的附图如下图1是用于无接触式确定轴的实际角位置的传感器装置的原理图；图2是传感器装置的每个电容的规范化的特性曲线图；图3是具有开关电容型Σ -Δ转换器的传感器装置的规范化的特性曲线图。附图标记如下10——轴，11——发送器，21、22——圆盘，210、220——孔，211、 212、213、214-扇形段，Cl、C2、C3、C4-电容器。
具体实施方式
图1以轴向和径向视图在原理上示出用于无接触式确定轴10的实际角位置的传感器装置。在轴10上抗扭设置发送器11。发送器11作为电介质构成。传感器装置此外具有相对于发送器11位置固定地安装的接收器。位置固定的接收器包括第一和第二圆盘21、22，它们彼此平面平行定向并各自具
4有一个用于穿过轴10的中心孔210、220。第一圆盘21分成构成为彼此绝缘的电极的四个相同的扇形段211、212、213、214。第二圆盘22作为第一圆盘21的对应电极构成。发送器 11作为盘形的固定的电介质设置在两个圆盘21、22之间并基本上具有与轴10刚性连接的半圆的形状。传感器装置因此按照具有活动电介质的圆形平板电容器的类型构成。平板电容器在此包括在其圆周上均勻分布的四个电容器Cl、C2、C3、C4。在相同的平板面积A、相同的平板距离d和相同的电介质ε r的前提下，电容器 Cl、C2、C3、C4首先具有相同的电容^,2,3,4=^0=^0-^--(1)
d根据发送器11的位置并因此根据当时起作用的电介质的位置，电容器C1、C2、C3、 C4的电容值在Q(此时，在平板之间仅存在空气，、 1)和按照公式(1)的电容值Cd(此时，电容器的平板整面覆盖电介质，、> 1)之间变化。Cl=S0--(2)
d图2在轴10的一整转上规范化地画出各个电容器(1丄2丄3、(4的电容。基本上半圆形的发送器11整面覆盖两个相邻的扇形段211、212、213、214，或整面覆盖一个扇形段 211、212、213、214以及互补地局部地覆盖两个直接相邻的扇形段211、212、213、214。因此， 轴11的转动总是提高一个扇形段211、212、213、214的电容器C1、C2、C3、C4的电容并以相同的程度降低与之相对置的扇形段213、214、211、212电容器C3、C4、C1、C2的电容。在本实用新型的进一步构成中，四个电容器C1、C2、C3、C4为使电容值数字化而与本身公知的开关电容型Σ -Δ转换器连接。在此，计值两个相关电容器C1、C2、C3、C4的电容的差值。在此特别具有优点的是，相对置的扇形段211/213、212/214的电容器C1/C3、C2/ C4构成关系。图3在轴10的一整转上画出相对置的扇形段211/213、212/214的电容器C1/C3、 C2/C4的规范化的电容差。在每个象限内，总是一个电容器对C1/C3、C2/C4的电容差值变化，而另一个电容器对C2/C4、C1/C3的电容差值则保持不变。因此，轴10的位置借助开关电容型Σ -Δ转换总是通过一个电容器对C1/C3、C2/C4的电容差值被确定。在本实用新型的一种特别的构成中，为将电容器C1/C3、C2/C4的电容进行数字化而设置本身公知的所谓的电容数字转换器。这种类型的转换器属于上述开关电容型Σ -Δ 转换器的类别。但按特别有利的方式，要测量的电容器C1/C3、C2/C4上的电荷直接用于使电容器电压数字化。在此，取消开关电容型Σ -Δ转换器中常见的输入电容器的充电，其再充电产生损耗并因此可能导致测量误差。
权利要求1.传感器装置，其包括一个抗扭地设置在轴(10)上的发送器(11)和至少一个用于确定轴(10)的角位置的、相对于发送器(11)位置固定地安装的接收器，其特征在于，位置固定的接收器通过第一和第二圆盘(21、2幻形成，它们彼此平面平行地定向并且各自具有一个用于穿过轴(10)的中心孔(210,220)；第一圆盘(21)分成四个相同的扇形段(211,212, 213、214)，这些扇形段构成为彼此绝缘的电极；第二圆盘02)构成为第一圆盘的对应电极；以及发送器(11)作为盘形的、固定的、基本上半圆形的、与轴(10)刚性连接的电介质设置在这两个圆盘(21、22)之间。
2.按权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，第一圆盘的每一个电极与第二圆盘02)的对应电极形成一个电容器(Cl、C2、C3、C4)，该电容器的电容与间隙被电介质在第一圆盘的相应的扇形段(211、212、213、214)与第二圆盘02)之间穿过的程度相关。
3.按权利要求2所述的传感器装置，其特征在于，所述四个电容器(C1、C2、C3、C4)为使电容值数字化而与开关电容型Σ-Δ转换器连接。
专利摘要本实用新型涉及一种传感器装置，其包括一个抗扭地设置在轴(10)上的发送器(11)和至少一个用于确定轴的角位置的、相对于发送器位置固定地安装的接收器。位置固定的接收器通过第一和第二圆盘(21、22)形成，它们彼此平面平行地定向并且各自具有一个用于穿过轴的中心孔(210、220)。第一圆盘(21)分成四个相同的扇形段(211、212、213、214)，这些扇形段构成为彼此绝缘的电极。第二圆盘(22)构成为第一圆盘的对应电极。发送器作为盘形的、固定的、基本上半圆形的、与轴刚性连接的电介质设置在这两个圆盘之间。
文档编号G01D5/24GK202255277SQ201120436620
公开日2012年5月30日 申请日期2011年8月25日 优先权日2010年8月25日
发明者H·普雷希特 申请人:Abb技术股份公司