Verfahren und Vorrichtungen der in Rede stehenden Art sind bereits aus der Praxis bekannt und insbesondere dann von großer Bedeutung, wenn sich ein erstes Ob- jekt relativ zu einem zweiten Objekt in einem definierten Abstand bewegt, wie dies beispielsweise bei magnetischen Lagern, Schwebeeinrichtungen, Zahnrad-Versatz- Erfassungseinrichtungen, usw. der Fall ist.

Aus der DE 32 44 420 C2 ist ein Abstandssensor für ein Magnetschwebefahrzeug bekannt. Dieser Sensor weist eine Sende-und zwei Empfangsspulen auf, wobei die Sendespule als langgestreckte flache Wicklung ausgelegt ist, die mit ihrer Spulen- achse schräg zur Fahrtrichtung des Magnetschwebefahrzeugs ausgerichtet ist. Die- se spezielle Anordnung reduziert teilweise den sogenannten Nut-Zahn-Rippel. Mit diesem Sensor können aber lediglich Abstände im Bereich von 10 bis 15 mm ge- messen werden.

Die DE 199 27 759 A1 offenbart eine Vorrichtung zur magnetischen Abstandsmes- sung zwischen einem gezahnten, ferromagnetischen Polrad und einem magnetisch sensitiven, in unmittelbarer Nähe des Polrades positionierten Sensor, mit dem die Bewegung des Zahnrades detektiert wird. Kernpunkt der Erfindung ist die Verwen- dung eines Permanentmagneten, dessen dem gezahnten Objekt zugewandte Pol- fläche im Verhältnis zum Polradmodul genügend groß ist, so dass die Lage der neutralen Zone im Permanentmagneten nahezu unbeeinflusst von der jeweiligen Stellung der Polradzähne ist. Mit dieser Vorrichtung könnten auch Drehzahl, Ge- schwindigkeit und Weg des Polrades ermittelt werden. Nachteilig bei dieser Vorrich- tung ist jedoch die niedrige Genauigkeit, insbesondere bei relativ großen Abständen zwischen Sensor und Polrad.

Bei einer aus der DE 34 09 448 C2 bekannten Vorrichtung wird die magnetspaltab- hängige Bedämpfung des magnetischen Wechselfeldes durch Wirbelstromeffekte in der Reaktionsschiene ausgenutzt. Dabei wird der induktive Blindwiderstand des Spulensystems mit Hilfe eines in Parallel-oder Reihenschaltung betriebenen Kon- densators vollständig kompensiert und das Abstandssignal wird so im Wesentlichen aus dem Wirkwiderstand des Spulensystems ermittelt. Als nachteilig wirkt sich da- bei aus, dass die im realen Aufbau unvermeidlichen Toleranzen der Parameter des Spulensystems und des kompensierenden Kondensators die Messgenauigkeit der gesamten Vorrichtung sehr stark beeinflussen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungsparametern einer leiten- den, vorzugsweise profilierten Oberfläche relativ zu einem Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, wonach einerseits ein möglichst großer Abstand zwi- schen der profilierten Oberfläche und dem Sensor gemessen werden kann und an- dererseits das Nut-Zahn-Rippel, d. h. die Signaländerungen, die beim Überfahren der Zähne und Nuten entstehen, sowie die durch Temperaturschwankungen her- vorgerufenen Einflüsse weitestgehend eliminiert sind. Darüber hinaus soll gleichzei- tig eine Messung und Auswertung der relativen Geschwindigkeit zwischen Oberflä- che und Sensor ermöglicht sein.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe hinsichtlich eines Verfahrens zur Bestimmung von Bewegungsparametern einer leitenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche relativ zu einem Sensor durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist ein Verfahren der eingangs genannten Art derart ausgestaltet, dass die Positionsänderung aus der Kopplungsimpedanz (ZJ der Spule abgeleitet wird und der Realteil (Rc) und der Imaginärteil (XJ der komple- xen Kopplungsimpedanz (Z) der Spule ermittelt werden, wobei der Abstand d zwi- schen Sensor und Oberfläche auf Grundlage der ermittelten Werte unter Zugrunde- legung eines Algorithmus berechnet wird.

Des Weiteren ist die obige Aufgabe im Hinblick auf eine Vorrichtung zur Bestim- mung von Bewegungsparametern einer leitenden, vorzugsweise profilierten Ober- fläche relativ zu einem Sensor durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Pa- tentanspruchs 11 gelöst. Danach ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart ausgestaltet, dass die Kopplungsimpedanz Zc der Spule messbar ist, wobei eine besondere Messanordnung zur Ermittlung von Realteil Rc und Imaginärteil Xc der komplexen Kopplungsimpedanz Zc des Spulensystems und zur Berechnung des Abstands und der relativen Geschwindigkeit (bzw. der Drehzahl) zwischen der Oberfläche und dem Sensor auf der Grundlage der genannten Messungen vorge- sehen ist.

Anstelle einer einzelnen Spule könnte der Sensor auch ein Spulensystem mit min- destens zwei Spulen umfassen, wobei die zweite Spule in vorteilhafter Weise zur Kompensation von Drifts oder sonstigen Einflüssen eingesetzt werden könnte.

Auf Grundlage der gemessenen Werte könnte der Abstand d zwischen der profiler- ten Oberfläche und dem Sensor über die Funktion (1) ermittelt werden : Mit Hilfe der Periodendauer der Funktion aus Gleichung (2) lässt sich dann über Gleichung (3) auf die relative Geschwindigkeit v bzw. die Drehzahl zwischen der profilierten Oberfläche und dem Sensor schließen : Dabei bezeichnet L die Summe aus der Länge eines Zahns und einer Nut (vgl. Fig.

3a) und T (FX) die Periodendauer der Funktion Fx.

In einer bevorzugten Ausgestaltung könnte dieselbe Spule zur Erzeugung des e- lektromagnetischen Wechselfeldes und als Empfängerspule verwendet werden.

Dies reduziert den Aufwand des Messverfahrens und macht die Messvorrichtung gemäß der Erfindung einfach und leicht handhabbar, während gleichzeitig mögliche Fehlerquellen ausgeschlossen werden.

Die Berechnung des Realteils (Rc) und Imaginärteils (Xc) der komplexen Kopplungs- impedanz (Zc) der Spule könnte unter Verwendung eines mathematischen Modells erfolgen, welches einerseits die Spule zur Erzeugung eines Wechselfeldes und an- dererseits den Einfluss der leitenden, profilierten Oberfläche auf die Kopplungsim- pedanz Zc der Spule in Folge der Positionsänderungen zwischen Sensor und der Oberfläche beschreibt.

Real-und Imaginärteil der Kopplungsimpedanz Zulassen sich nach der Theorie aus folgenden Gleichungen ermitteln : Dabei bezeichnet d den Abstand zwischen dem Sensor und der Oberfläche, o) die Speisefrequenz und c und A die elektrische Leitfähigkeit bzw. die magnetische Permeabilität des Materials der Oberfläche.

Aus den Gleichungen (4) und (5) wird ersichtlich, dass sich R und X im Wesentli- chen exponentiell mit dem Abstand d ändern.

Ebenso könnte aus diesen Gleichungen der Phasenwinkel C der komplexen Kopp- lungsimpedanz Zc durch die Gleichung berechnet werden. In erster Näherung ist der Phasenwinkel (D, unabhängig vom Abstand d.

Der Aufbau dieser Gleichungen und ihre verschiedenen Teile sollen hier nicht näher diskutiert werden, jedoch sei angemerkt, dass durch die Bestimmung von Rc, Xc und tan (D, der Abstand d und die relative Geschwindigkeit (bzw. Drehzahl) zwischen der profilierten Oberfläche und dem Spulensystem berechnet werden kann, wobei im Rahmen der Berechnung in vorteilhafter Weise die elektromagnetischen Eigen- schaften dz und o der Oberfläche berücksichtigt werden könnten.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Abstand d zwischen der leitenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche und dem ein Wechselfeld er- zeugenden Sensor auf Grundlage der Gleichungen (4) und (5) über die Gleichung bestimmt werden kann. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass der über Gleichung (7) berechnete Abstand d zwischen dem Sensor und der profilierten Oberfläche im Wesentlichen kein Nut-Zahn-Ripple aufweist.

Gleichzeitig könnte die relative Geschwindigkeit v (bzw. Drehzahl) einer in regel- mäßigen Abständen mit Zähnen und Nuten versehenen Oberfläche gegenüber dem Sensor über die Gleichungen (2) und (3) bestimmt werden.

Wie bereits oben erwähnt, könnte der Sensor eine Messspule aufweisen, die so- wohl zur Erzeugung eines Wechselfeldes als auch als Empfangsspule dient. Denk- bar wäre jedoch auch der Einsatz von zwei Spulen, wobei die eine zur Erzeugung des Wechselfeldes und die andere als Messspule eingesetzt wird. In beiden Fällen könnte die Messspule durch das mathematische Modell nach den Gleichungen (4) und (5) beschreibbar sein, wobei die Messspule so beschaffen sein könnte, dass das mathematische Modell bei der Berechnung der Spulenparameter einsetzbar ist.

Durch Benutzung dieses mathematischen Modells ist es gelungen, den sog. Nut- Zahn-Ripple, d. h. die Impedanzänderungen der Messspule, die beim Überfahren der Zähne und Nuten entstehen, zu reduzieren.

Zur weiteren Reduzierung des Nut-Zahn-Ripple hat sich eine Ausgestaltung als vor- teilhaft erwiesen, bei der das magnetische Feld der Messspule in Bewegungsrich- tung unabhängig vom Abstand bis zur Mitte der Messspule hin monoton ansteigt und dann in gleicher Weise wieder monoton abfällt. Ein derartiger Verlauf des mag- netischen Feldes könnte beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Windungsteile der Messspule so ausgestaltet sind, dass sich die induktiven Komponenten dieser Teile sehr stark reduzieren und somit kaum mehr Einfluss auf das Messergebnis haben.

Weiterhin ist es von Vorteil, den Einfluss der Temperatur auf die Kopplungsimpe- danz bzw. auf Rc und Xc der Messspule zu kompensieren. Dazu könnte das Spu- lensystem zusätzlich zu der Messspule eine Kompensationsspule (Referenzspule) aufweisen, deren Impedanz unabhängig vom Abstand d ist. Dabei ist es wichtig, dass die Güte der Referenzspule bei maximalem Abstand d zwischen dem Sensor und der Oberfläche gleich der Güte der Messspule ist, wenn die Oberfläche keinen Einfluss auf die Messspule ausübt. Diese Anforderungen könnten über die Spulen- parameter, wie z. B. Windungszahl, Drahtdurchmesser, usw. erfüllt werden. Durch eine gewichtete Differenzbildung der Real-und Imaginärteile der beiden Spulen ist es dann möglich, den Temperatureinfluss zu kompensieren. In einer konkreten Ausgestaltung könnten die Messspule und die Kompensationsspule mit Wechsel- strömen gleicher Festfrequenz gespeist werden.

Die signaltechnische Aufbereitung von Real- (Rc) und Imaginärteil (Xc) der komple- xen Kopplungsimpedanz (ZJ der Messspule könnte in zwei Varianten durchgeführt werden. In einer ersten Variante könnte die Ermittlung von Real-und Imaginärteil der komplexen Kopplungsimpedanz 4 beispielsweise in den folgenden drei Schrit- ten erfolgen : 1. Es werden Realteil Re [ZOl und Imaginärteil/m [Z01 der Impedanz Z0 der Mess- spule ohne Oberfläche erfasst.

2. Es werden Realteil Re [Zj und Imaginärteil/m [Zm] der Impedanz Zm der Messspule unter Einfluss der Oberfläche gemessen 3. Aus den Werten aus Schritt 1 und 2 lassen sich nun durch Differenzbildung der Realteil und der Imaginärteil der komplexen Kopplungsimpedanz Zc über die Gleichungen Rc=Rm-R0 Xc = XmXo ermitteln.

In einer zweiten Variante könnte die Ermittlung von Real-und Imaginärteil der kom- plexen Kopplungsimpedanz Zc in den folgenden zwei Schritten erfolgen : 1. Es wird die komplexe Kopplungsimpedanz 4 = Zm-Zo direkt durch eine ge- wichtete Differenzbildung aus den Impedanzen von Mess-und Referenzspule ermit- telt.

2. Aus der komplexen Kopplungsimpedanz Zc werden Realteil Rc und Imaginär- teil Xc ermittelt.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 11 nachgeordneten Patentansprüche und anderer- seits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfin- dung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 in einer schematischen Darstellung ein Blockschaltbild einer erfin- dungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungsparame- tern einer leitenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche relativ zu ei- nem Sensor, Fig. 2a in einer schematischen Darstellung einen induktiven Sensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung zur Messung des Abstandes zu einem Zahnrad und zur Messung der Drehzahl des Zahnrades, Fig. 2b in einer schematischen Darstellung den Sensor aus Fig. 2a mit größe- rer Genauigkeit, Fig. 3a in einer schematischen Darstellung einen induktiven Sensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung zur Messung des Abstandes eines Magnetschwebefahrzeugs zu seiner profilierten Fahrbahn sowie zur Messung seiner Geschwindig- keit, Fig. 3b in einer genaueren schematischen Darstellung den Sensor aus Fig.

3a, Fig. 4 in einer schematischen Darstellung einen Sensor nach den Fig. 2 und 3 in planarer Technologie, Fig. 5 in einer schematischen Darstellung einen Sensor gemäß eines weite- ren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 6 in einem Diagramm den berechneten Abstand in Abhängigkeit vom tatsächlich gemessenen Abstand bei verschiedenen Positionen x über der Oberfläche und Fig. 7 in einem Diagramm die Funktion Fx in Abhängigkeit von der Position x bei verschiedenen Abständen d.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Blockschaltbild einer erfin- dungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungsparametern einer lei- tenden, vorzugsweise profilierten Oberfläche relativ zu einem Sensor. Gemäß der Schaltung aus Fig. 1 erzeugt ein Oszillator 1 eine sinusförmige Spannung Seiner bestimmten festen Frequenz f und gleichzeitig eine zweite sinusförmige Spannung U2-derselben Frequenz f, welche zur Spannung U1-um 90° phasenverschoben ist.

Die Spannung Ul ist mit dem Eingang eines Treibers 2 verbunden, der den Sensor 3, bestehend aus einer Messspule und einer Referenzspule, mit Strom speist.

Aus den Messsignalen von Mess-und Referenzspule wird in einem Verstärker 4 die Differenz gebildet. Diese Differenz wird in einem Multiplizierer 5 mit dem Signal U1-, und in einem Multiplizierer 6 mit dem Signal U2-multipliziert. Nach den Tiefpassfil- tern 7 und 8 ergeben sich zwei Spannungen Ucl und Uc2, wobei uc1 dem Realteil (RJ und Uc2 dem Imaginärteil (Xc) der komplexen Kopplungsimpedanz Zc des Spu- lensystems proportional ist. Mit Hilfe eines AD-Wandlers 9 werden die beiden Spannungen digitalisiert. Im Micro-Controller 10 wird der gesuchte Abstand d z. B. auf Grund von Gleichung (1) berechnet. Des Weiteren kann die Berechnung der Geschwindigkeit v nach den Gleichungen (2) und (3) erfolgen. Mit Hilfe eines EEPROMs 11 kann schließlich noch eine Linearisierung der Kennlinie für den Ab- stand d erfolgen.

In Fig. 2a ist ein Sensor 3 zur gleichzeitigen Messung des Abstandes d zu einem Messobjekt 12 in Form eines Zahnrades 13, z. B. zur Bestimmung der Unwucht, und zur Messung der Drehzahl des Zahnrades 13 dargestellt. Der Sensor 3 besteht aus einem flachen, der Krümmung des Zahnrades 13 angepassten, ferromagnetischen Spulenträger 14, auf dessen Oberflächen das Spulensystem 15 aufgebracht ist.

Das Spulensystem 15 ist in Fig. 2b genauer dargestellt und umfasst eine Messspule 16, die so aufgebaut ist, dass bei den Windungsteilen 17, die senkrecht zur Bewe- gungsrichtung des Zahnrades (y-Richtung) ausgerichtet sind, jeweils mehrere Dräh- te miteinander verdrillt sind. Dabei entspricht die Länge der Messspule 16 in x- Richtung in etwa einer Nut-Zahn-Periode des Zahnrades 13. Eine Kompensations- spule 18 ist als Ringspule über den Spulenträger 14 gewickelt, wodurch sich eine Unabhängigkeit der Spulenparameter vom Messobjekt 12 ergibt. Die in Fig. 2a noch weiter dargestellte Elektronik 19 ist über ein Kabel 20 mit der Messspule 16 ver- bunden.

Die in Fig. 3a dargestellte Anordnung stellt einen für den Einbau in ein Magnet- schwebefahrzeug konzipierten Sensor 3 dar. Hierbei soll sowohl der Abstand d des Fahrzeugs zur profilierten Fahrbahn als auch die Geschwindigkeit des Fahrzeuges ermittelt werden. Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig.

2 versehen.

Wie in Fig. 3b zu erkennen ist, umfasst der Sensor 3 einen flachen, ferromagneti- schen Spulenträger 14, auf dessen Oberfläche eine Messspule 16 so aufgebracht ist, dass sich die Windungsteile 21, die in x-Richtung ausgerichtet sind, auf der der Oberfläche 22 zugewandten Seite des Trägers 14 befinden. Die in y-Richtung an- geordneten Windungsteile 17 befinden sich auf der der profilierten Oberfläche 22 abgewandten Seite des Trägers 14. Auch hier ist die Referenzspule 18 als Ring- spule um den Träger 14 angeordnet.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung nach den Fig. 2 oder 3, wobei hier die Spulen in plana- rer Technik ausgeführt sind.

Fig. 5 stellt eine weitere Ausführung des Sensors 3 dar. Hierbei wird das Magnet- feld der in y-Richtung verlaufenden Wicklungsteile 17 der Messspule 16 durch ein Gegenfeld aufgehoben. Dies wird durch zwei Wicklungsteile 23 erreicht, die in der y-z-Ebene gewickelt sind. Hierbei wird das Feld der Wicklungsteile 17 eliminiert, so dass für die Messung nur noch das Feld der Wicklungsteile 21 von Bedeutung ist.

Das verbleibende Feld der Wicklungsteile 23 ist für die Messung nicht mehr rele- vant.

In Fig. 6 ist der berechnete Wert für den Abstand d in Abhängigkeit des realen Ab- standes z aufgetragen. Als Parameter sind verschiedene Positionen x des Sensors 3 über der profilierten Oberfläche 22 aufgetragen. Es wird deutlich, dass der be- rechnete Wert d annähernd unabhängig von der Position x des Sensors 3 relativ zur profilierten Oberfläche 22 ist. Folglich ist das erfindungsgemäße Verfahren zur genauen Bestimmung des gesuchten Abstands z geeignet.

Wie in Fig. 7 deutlich wird, ist der Gleichanteil der Funktion Fx nahezu unabhängig vom Abstand d zwischen Sensor 3 und profilierter Oberfläche 22. Bei geeigneter Wahl des Komparatorpegels kann so die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden steigenden oder fallenden Flanken ermittelt werden. Mit diese Periodendauer T (Fx) kann sodann nach Gleichung (3) die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl der profilierten Oberfläche 22 relativ zum Sensor 3 ermittelt werden.