用于表征轴的扭转、旋转和/或定位的装置、组件和方法与流程

本发明涉及一种用于表征轴的扭转状态和/或旋转状态和/或定位的装置、组件和方法。

背景技术：

在许多领域中，关于旋转轴的扭转、旋转和位置参数的认识是重要的，例如转速、施加的转矩或轴的位置或取向的认识。在许多领域中，例如在重型机械、交通运输业、真空设备、离心技术和汽车领域中，无接触地确定这些参数是有利的。对于无接触地感应地确定位置、转速或转矩，已知多种不同的原理。作为示例，在ep2549255b1中描述一种用于无接触地确定轴中的有效转矩的传感器组件；此外，从在ep2549255b1中提到的现有技术中已知另外的无接触的测量原理。但是，用于无接触地表征轴的传统原理经常需要复杂的结构，仅适用于小的应用范围(例如由于设计要求或由于仅限于唯一一个可检测的运行参数)，和/或提供非常不准确的测量结果。

技术实现要素：

通过本发明应提供一种用于无接触地表征轴的扭转状态、旋转状态和/或定位的不复杂的通用装置，借助该装置可以高精度地检测轴的运行参数。

根据本发明的第一方面，提供一种用于表征(例如检测或测量)(例如可旋转的)轴的扭转和/或旋转和/或定位的装置，其中，该装置在下文中也称为测量装置。

所述轴可以是空心轴或实心轴。轴具有铁磁性材料，即轴至少部分地(即部分地或完全地)由铁磁性材料组成。例如可以设置为，轴在其外圆周上具有带铁磁性材料的涂层(即涂层部分地或完全地由铁磁性材料组成)，其中，轴的其余部分由非铁磁性材料制成。此外，铁磁性材料优选是导电的。

该测量装置具有用于产生磁场的磁场发生器。该磁场发生器是如下装置：在由该装置施加电信号时，即在施加电流或电压时，根据该信号产生磁场(该信号在下文中也称为励磁信号(激励信号)或输入信号)。可以设置为，测量装置恰好具有一个唯一的磁场发生器。该磁场发生器例如可以是线圈(在下文中也称为励磁线圈或磁场发生器线圈)。当测量装置的磁场发生器构造为励磁线圈时，该励磁线圈如此构造，使得该励磁线圈具有直线的线圈轴线(也称为励磁线圈轴线)。

此外，测量装置具有用于检测磁场的至少一个第一磁场探测器和第二磁场探测器。第一磁场探测器优选地构造为与第二磁场探测器相同。还可以设置为，除第一磁场探测器和第二磁场探测器以外，测量装置还具有第三磁场探测器和第四磁场探测器。第三磁场探测器优选地构造为与第四磁场探测器相同。测量装置优选地具有偶数的磁场探测器。测量装置的所有磁场探测器优选地构造为相同的。磁场探测器是如下装置，在施加外部的磁场时，由所述装置根据外部的磁场产生电信号，即电流或电压(这些信号在下文中也称为输出信号或接收信号)。测量装置的磁场探测器例如可以构造为霍尔探测器。

作为另一示例，测量装置的每个磁场探测器例如可以是线圈(以下也称为接收线圈或磁场探测器线圈)。因此，第一磁场探测器可以是第一接收线圈和/或第二磁场探测器可以是第二接收线圈。当测量装置构造有第三磁场探测器和第四磁场探测器时，第三磁场探测器可以是第三接收线圈和/或第四磁场探测器可以是第四接收线圈。当测量装置的磁场探测器构造为接收线圈时，该接收线圈如此构造和布置，使得每个接收线圈具有直线的线圈轴线(也称为接收线圈轴线)，其中所有的接收线圈轴线彼此间隔开间距地相互平行地延伸。

当磁场发生器构造为励磁线圈并且磁场探测器构造为接收线圈时，所述线圈如此布置，使得它们的线圈轴线分别彼此间隔开间距地相互平行地延伸，使得接收线圈轴线平行于励磁线圈轴线延伸。励磁线圈和/或接收线圈例如可以分别构造为关于它们的线圈轴线旋转对称。然而，还可以设置为，励磁线圈和/或接收线圈不关于它们的线圈轴线旋转对称(而是例如构造为具有矩形的横截面)。此外，可以设置为，励磁线圈和接收线圈构造为彼此相同，使得励磁线圈尤其构造为与接收线圈相同。由此可以改善测量装置的测量精度。

可以设置为，测量装置的磁场发生器和磁场探测器组合成测量装置的共同传感器元件。因此可以设置为，测量装置具有传感器元件，其中该传感器元件具有测量装置的磁场发生器和磁场探测器。传感器元件用作测量装置的测量头并且在测量装置运行时在侧面地布置在待表征的轴旁边。

磁场发生器布置在第一磁场探测器与第二磁场探测器之间。因此，磁场发生器布置在第一磁场探测器与第二磁场探测器之间延伸的连接线上，其中，该连接线也称为主轴线或传感器主轴线。因此，第一磁场探测器和第二磁场探测器以及磁场发生器布置在传感器主轴线上的或沿着传感器主轴线的位置上。磁场发生器优选地居中地布置在第一磁场探测器与第二磁场探测器之间，使得第一磁场探测器和第二磁场探测器等距对称地布置在磁场发生器的两侧。当磁场发生器、第一磁场探测器和第二磁场探测器构造为线圈时，所述线圈如此优选地布置，使得它们的线圈轴线在共同的平面上相互平行延伸，其中，该平面延伸穿过传感器主轴线。磁场发生器尤其可以如此构造和布置，使得由它产生的磁场至少具有如下部分，该部分垂直于传感器主轴线，使得由磁场发生器产生的磁场具有垂直于传感器主轴线延伸的分量或完全垂直于传感器主轴线。

当磁场发生器构造为励磁线圈时，该励磁线圈优选地如此布置，使得励磁线圈轴线垂直于传感器主轴线。当磁场探测器构造为接收线圈时，该接收线圈优选地如此布置，使得接收线圈轴线垂直于传感器主轴线。

此外，当测量装置构造有第三磁场探测器和第四磁场探测器时，所述磁场发生器布置在第三磁场探测器和第四磁场探测器之间。在这种情况下，因此磁场发生器布置在第三磁场探测器和第四磁场探测器之间延伸的连接线上，其中，该连接线也称为辅助轴线或传感器辅助轴线。因此，第三磁场探测器和第四磁场探测器以及磁场发生器布置在传感器辅助轴线上或沿着传感器辅助轴线的位置上。磁场发生器优选地居中地布置在第三磁场探测器和第四磁场探测器之间，使得第三磁场探测器和第四磁场探测器等距对称地布置在磁场发生器的两侧。当磁场发生器、第三磁场探测器和第四磁场探测器构造为线圈时，所述线圈优选地如此布置，使得它们的线圈轴线在共同的平面上相互平行延伸，其中，该平面延伸穿过传感器辅助轴线。传感器辅助轴线优选地垂直于传感器主轴线延伸，使得传感器辅助轴线和传感器主轴线形成直角交叉。第一磁场探测器、第二磁场探测器、第三磁场探测器和第四磁场探测器优选地与磁场发生器等距地布置，即所有的磁场探测器都具有与磁场发生器相同的距离。磁场发生器尤其可以如此构造和布置，使得由其产生的磁场至少包括如下部分，该部分垂直于传感器辅助轴线，使得由磁场发生器产生的磁场具有垂直于传感器辅助轴线延伸的分量或完全垂直于传感器辅助轴线。磁场发生器优选地如此构造和布置，使得由其产生的磁场至少具有如下部分，该部分垂直于由传感器主轴线和传感器辅助轴线展开的平面(也称为传感器平面)，使得由磁场发生器产生的磁场具有垂直于该平面延伸的分量或完全垂直于该平面。

磁场发生器例如可以如此构造和布置，使得由其产生的磁场关于如下平面对称，该平面垂直于传感器主轴线或者与传感器主轴线和/或传感器辅助轴线形成45°的角度。磁场发生器例如可以如此构造，使得由其产生的磁场是旋转对称的，尤其关于垂直于传感器主轴线和/或传感器辅助轴线延伸的方向旋转对称，例如关于传感器平面的法线旋转对称。

当磁场发生器构造为励磁线圈时，该励磁线圈优选地如此布置，使得励磁线圈轴线垂直于传感器辅助轴线。当磁场探测器构造为接收线圈时，该接收线圈优选地如此布置，使得接收线圈轴线垂直于传感器辅助轴线。因此，励磁线圈和接收线圈可以如此布置，使得它们的线圈轴线垂直于传感器平面。

测量装置构造用于(例如借助为其构造的电源)将时间上周期性变化的电励磁信号施加到磁场发生器上，即用于将周期性变化的电流或周期性变化的电压施加到磁场发生器上。因此，测量装置构造用于将具有预给定频率的周期性励磁信号施加到磁场发生器上。测量装置例如可以构造用于将谐波励磁信号、即具有正弦形的时间变化曲线的电流或电压施加到磁场发生器上。励磁信号尤其可以是交流电流或交流电压，尤其是具有预给定频率的谐波交流电流或谐波交流电压。

在运行测量装置时，由测量装置将周期性励磁信号施加到磁场发生器上(例如构造为励磁线圈)，由此，由该磁场发生器产生具有时间上周期性变化的磁场强度的时间上周期性的磁场。由磁场发生器基于励磁信号产生的磁场也称为初级磁场或励磁磁场。当励磁信号构造为交流电流或交流电压时，励磁磁场是交变磁场。

由磁场发生器产生的励磁磁场与待表征的轴的铁磁性材料相互作用，由此产生另外的磁场(也称为感应磁场或次级磁场)。相互作用和次级磁场因此也与轴的扭转状态和旋转状态以及轴相对于测量装置的定位相关，其中通过初级磁场和次级磁场的叠加所得的总磁场与初级磁场在相位和/或幅度上是不同的。因此，次级磁场例如取决于轴的转速(通过切向速度或角速度表示)，施加在轴上的转矩和(例如因此伴随着的)轴的扭转，以及测量装置和轴之间的距离。

轴的旋转例如伴随着轴的铁磁导电材料在励磁磁场中的移动，这导致材料中的电流感应。由感应电流产生感应磁场，该感应磁场叠加在励磁磁场上并且在幅度和/或相位上改变该励磁磁场，其中幅度或相位的变化与轴在励磁器场中的转速是成比例的。

此外，转矩的传递例如可以伴随着轴的扭转。通过胡克定律描述了固体的弹性的和因此可逆的形变，根据该定律，在可弹性形变的主体上的力作用表现为在负荷下的主体的几何形状的变化。因此，加载了扭转的(圆柱对称的)轴经历相反的形变状态，其可以由拉力线和压缩应力线来表征。材料沿着拉力线伸展，反之沿着压力线被压缩。轴的铁磁性材料的压缩和拉伸引起应力状态的变化，这又伴随着铁磁轴材料的磁特性的变化。因此，如果拉出方向是预给定的，则在拉伸和压缩方向上铁磁轴材料的磁特性出现不同的变化。作为示例，在轴的铁磁涂层上(或在由铁磁性材料制成的旋转对称的空心圆柱体上)出现在拉伸方向上磁化率的增加以及在压缩方向上磁化率的减少。对于没有拉出方向的磁性材料，扭转载荷仅导致可磁化性的退化。例如，在由铁磁性材料制成的实心轴中，扭转基本上导致可磁化性的退化。这种测量或作用原理称为机械磁性变形原理。一般对于轴的机械无载荷和机械负载的应力状态，施加到铁磁轴材料的励磁磁场在幅度和相位上的分布不同。因此，一般次级磁场也取决于轴的扭转或转矩，其中该次级磁场叠加在励磁磁场上，并且因此该磁场根据扭转和转矩在幅度和/或相位上变化。

此外，励磁磁场和铁磁性材料之间的磁相互作用例如随着测量装置相对于轴的定位变化，例如随着测量装置与轴之间的距离变化。

从初级磁场与次级磁场的叠加得出总磁场，可以通过测量装置的磁场探测器来检测该总磁场。由于与铁磁轴材料的相互作用，总磁场在幅度和/或相位上与初级磁场不同。借助初级磁场与总磁场的比较，因此可以得出关于轴的扭转状态、旋转状态和定位的结论，尤其得出关于轴的转速和扭转、施加在轴上的转矩以及轴和测量装置之间的距离的结论。待测量的效果或作用有效地源自系统的参数，所述参数由例如磁导率、电导率和测量对象的速度之类的贡献量的乘积组成。在磁动力学中，将该参数称为“磁雷诺数”。

因此，励磁磁场由待表征的轴来修改，其中由修改过的磁场(即得出的总磁场)在每个磁场探测器上引起电输出信号，尤其在第一磁场探测器上引起第一电输出信号并且在第二磁场探测器上引起第二电输出信号。此外，在具有四个磁场探测器的测量装置的构型中，在第三磁场探测器上引起第三输出信号并且在第四磁场探测器上引起第四输出信号。

测量装置(例如借助为此构造的分析处理装置)构造用于，检测励磁信号和第一输出信号之间的幅度形式和/或相位形式的差作为第一测量参量，以及励磁信号和第二输出信号之间的幅度形式和/或相位形式的差作为第二测量参量。例如可以设置为，测量装置构造用于检测励磁信号、第一输出信号和第二输出信号以及用于基于所检测的信号求取第一测量参量和第二测量参量。

测量装置也可以构造用于检测励磁信号的幅度和第一输出信号的幅度之间的差作为第一测量参量，并且用于检测励磁信号的幅度和第二输出信号的幅度之间的差作为第二测量参量，其中通过幅度差给出所述第一测量参量和第二测量参量。替代或附加于此地，测量装置也可以构造用于检测励磁信号的相位和第一输出信号的相位之间的差作为第一测量参量，并且用于检测励磁信号的相位和第二输出信号的相位之间的差作为第二测量参量，其中通过相位差给出所述第一测量参量和第二个测量参量。

如果电流信号用作励磁信号，则第一输出信号和第二输出信号优选地也是电流信号。如果电压信号用作励磁信号，则第一输出信号和第二输出信号优选地也是电压信号。然而，也可以设置为(尤其对于检测作为第一和第二测量参量的相位差的情况)，励磁信号是电流信号并且输出信号是电压信号，或者励磁信号是电压信号并且输出信号是电流信号。

因此，借助测量装置检测在励磁信号与第一输出信号之间的幅度形式或相位形式的差作为第一通道，并且检测励磁信号与第二输出信号之间的幅度形式或相位形式的差作为第二通道。因此，测量装置例如可以构造用于执行双通道的测量，其中两个信号通道提供第一测量参量和第二测量参量。

此外，测量装置构造用于求取第一测量参量和第二测量参量的总和和/或求取第一测量参量与第二测量参量之间的差。借助第一测量参量和第二测量参量的总和与差，可以基于励磁磁场与轴的上述相互作用，得出待表征的轴的扭转状态、旋转状态和定位的结论，例如求取施加在轴上的转矩、轴的转速以及测量装置与轴之间的距离。

测量装置的简单和紧凑的结构是能够实现的，其方式是：用于磁场产生和磁场探测的测量装置仅需要一个布置在磁场探测器之间的磁场发生器，其中，例如用于磁场产生和磁场检测的所有元件可以组合在一个共同的传感器元件或测量头中。基于磁场发生器和磁场探测器的布置几何形状，将所有这些元件布置在待表征的轴的同一侧(例如，通过将传感器元件布置在轴的一侧的方式)，由此测量装置用途广泛并且在较低的空间需求时也可以没有问题地加装到现有的设备或轴上。测量装置附加地支持广泛的适用性，其方式是：该测量装置适用于表征实心轴、空心轴和铁磁涂层轴。实时地同时检测多个所提到的参数是能够实现的，其方式是：借助测量装置通过所检测的测量参量的总和以及差的形成可以求取不同的旋转参数和位置参数。此外，借助测量装置和所基于的测量方法，能够实现克服材料特定的迟滞效应的至今未解决的问题，以及限制在静态和动态运行中漂移和干扰影响。

根据一个实施例，测量装置构造用于求取第一测量参量与第二测量参量之间的差，并且基于该差求取轴的转速。

替代地或附加地，测量装置构造用于求取第一测量参量与第二测量参量的总和，并且用于基于该总和求取轴的扭转(例如用于求取施加在轴上的扭转力矩或转矩)。

替代地或附加地，测量装置构造用于基于第一测量参量和/或第二测量参量表征测量装置相对于轴的定位，例如用于求取磁场发生器或传感器元件与轴之间的距离。

在具有四个磁场探测器的测量装置的构型中，测量装置可以构造用于(例如借助分析处理装置)，检测励磁信号与第三输出信号之间的幅度形式和/或相位形式的差作为第三测量参量和/或检测励磁信号与第四输出信号之间的幅度形式和/或相位形式的差作为第四测量参量。例如可以设置为，测量装置构造用于检测励磁信号、第三输出信号和第四输出信号以及用于基于所检测的信号求取第三测量参量和第四测量参量。

测量装置也可以构造用于检测励磁信号的幅度和第三输出信号的幅度之间的差作为第三测量参量，并且用于检测励磁信号的幅度和第四输出信号的幅度之间的差作为第四测量参量，其中通过幅度差给出所述第三测量参量和第四测量参量。替代地或附加地，测量装置也可以构造用于检测励磁信号的相位和第三输出信号的相位之间的差作为第三测量参量，并且用于检测励磁信号的相位和第四输出信号的相位之间的差作为第四测量参量，其中通过相位差给出所述第三测量参量和第四测量参量。

如果电流信号用作励磁信号，则第三输出信号和第四输出信号优选地也是电流信号。如果电压信号用作励磁信号，则第三输出信号和第四输出信号优选地也是电压信号。然而，也可以设置为(尤其对于检测相位差作为第三测量参量和第四测量参量的情况)，励磁信号是电流信号并且输出信号是电压信号，或者励磁信号是电压信号并且输出信号是电流信号。

此外，测量装置构造用于求取第三测量参量和第四测量参量的总和。可以设置为，测量装置构造用于，基于第一测量参量和第二测量参量的总和以及基于第三测量参量和第四测量参量的总和求取磁场发生器或传感器元件与轴之间的距离和/或求取轴的扭转。因此，可以设置为，由测量装置检测第三测量参量和第四测量参量的总和作为第三通道。因此，测量装置例如可以构造用于进行三通道的测量，其中，通过第一测量参量给出第一信号通道，通过第二测量参量给出第二信号通道，以及通过第三测量参量和第四测量参量的总和给出第三信号通道。

替代地或附加地，测量装置可以构造用于求取第三测量参量和第四测量参量之间的差。

根据一个实施例，测量装置具有磁通引导结构(例如实施为磁通引导铁芯)，其中将磁场发生器和各个磁场探测器布置在磁通引导结构的各个磁极上。在将磁场发生器和/或磁场探测器作为线圈的构型中，例如可以设置为，相应的线圈围绕相关的磁极缠绕或磁极伸入到线圈内部空间中，使得磁极用作线圈的线圈芯。磁通引导结构可以是传感器元件的组成部分。磁通引导结构用于集中和引导磁通。

在具有两个磁场探测器的测量装置的构型中，磁通引导结构例如可以e形地构造有三个磁极和一个将磁极连接在它们的基底上的连接片，其中磁场发生器布置在中间的磁极上，第一磁场探测器布置在两个外磁极中的一个磁极上，并且第二磁场探测器布置在这两个磁极的另一个磁极上。在具有四个磁场探测器的测量装置的构型中，磁通引导结构例如可以构造有带有四个(优选地等长的)交叉臂的十字形基底，其中，在十字形基底的交叉点和四个端点中的每个端点上布置一个以直角从基底伸出的磁极。

借助磁通引导结构，可以改善磁场发生器、轴和磁场探测器之间的磁耦合，由此例如可以改善信号质量并且可以实现传感器和测量对象(轴)之间较小的距离。在通过测量对象(轴)维持的高磁导率以及因此在磁场发生器和磁场探测器之间出现的高耦合的情况下，可以可选地省去通过芯材料或磁通引导结构单独的磁通引导。

磁通引导结构例如可以由薄板状的芯材料(例如变压器芯薄板)、粉末冶金的芯材料(例如小粒径粉末芯)、无定形的芯材料(例如层压或带状高渗透金属)或流体的芯材料(例如铁磁流体)实现。通过磁通引导结构的磁场引导阻碍了漏磁场的形成并且有利于测量磁场与漏磁场的比率(即由磁场发生器产生的磁场与施加在磁场探测器上的磁场的比率)。此外，高渗透的磁通引导结构有利于磁场在测量对象中有针对性和局部的施加，并且能够相对于没有磁通引导结构的组件(例如以空气线圈组件的形式)实现传感器(例如线圈形式的磁通引导结构、磁场发生器和磁场探测器)与测量对象(轴)之间较大的距离。

由测量装置提供的测量结果可以是温度相关的，例如基于轴的(尤其是铁磁轴材料的)特性的温度相关性和/或磁通引导结构的特性的温度相关性。这种温度相关性例如可以导致热漂移，该热漂移影响第一测量参量、第二测量参量、第三测量参量和第四测量参量，使得可以通过校正这样的温度相关性来改善测量结果的准确性。替代地，可以通过防止这样的温度漂移来改善测量精度。

磁雷诺数和相互作用参数均可以不仅取决于温度相关的电导率而且取决于测量对象(轴)的温度相关的相对磁导率。因此，温度(例如轴温度)的变化可以通过测量对象导致测量系统的热诱导漂移。根据技术实施例，没有测量对象的传感器也可以具有热诱导漂移。高渗透性的磁通引导结构的使用例如可以通过其温度相关的电导率和磁导率导致传感器漂移。

根据一个实施例，测量装置具有磁通引导结构和调温装置，该调温装置用于将磁通引导结构的温度调节到预给定的温度。因此，借助调温装置可以将磁通引导结构的温度调到预给定的恒定值并且将其保持在该值上。由此，可以禁止测量结果的温度漂移，该温度漂移是通过磁通引导结构的材料特性的温度相关性引起的。调温装置例如可以是加热装置和/或冷却装置。

根据另一实施例，测量装置具有用于检测温度的温度传感器。该温度传感器例如可以如此构造和布置(例如在传感器元件上)，使得由该温度传感器检测测量装置周围存在的环境温度。当测量装置构造具有磁通引导结构时，温度传感器优选地如此构造和布置(例如与磁通引导结构物理接触)，以便由该温度传感器检测磁通引导结构的温度。磁通引导结构的温度也称为核心温度。可以设置为，测量装置构造用于根据借助温度传感器所检测的温度来求取校正参数，并且用于参考该校正参数来表征轴的扭转、旋转和/或定位。尤其可以设置为，测量装置构造用于求取第一测量参量和第二测量参量的总和，并且用于基于该总和与校正参数求取轴的扭转(例如用于求取施加在轴上的扭转力矩或转矩)。

根据另一实施例，测量装置构造用于向磁场发生器施加具有不同频率的多个(即两个或更多)时间上周期性变化的励磁信号。测量装置例如可以如此构造，使得在该测量装置运行时由测量装置向磁场发生器同时施加不同的励磁信号，其中每个励磁信号具有不同的频率，并且其中所述励磁信号优选地相互同步(即每个励磁信号相对每个其他的励磁信号设有固定的相位偏移)。作为另一示例，可以如此构造测量装置，使得在该测量装置运行时由测量装置向磁场发生器相继地施加不同的励磁信号，其中每个励磁信号具有不同的频率。测量装置尤其可以设置用于对于所述频率中的每个频率检测第一测量参量和/或第二测量参量和/或第三测量参量和/或第四测量参量。尤其可以设置为，测量装置构造用于对于所述频率中的每个频率检测第一测量参量和第二测量参量，用于对于所述频率中的每个频率求取第一测量参量和第二测量参量的总和，以及用于基于多个总和来求取轴的扭转(例如用于求取施加在轴上的扭转力矩或转矩)。

根据一个实施例，测量装置构造用于(或者同时地或者顺序地或时间上相继地)向磁场发生器施加具有第一频率的第一励磁信号和具有第二频率的第二励磁信号。此外，根据该实施例，测量装置构造用于检测对于第一频率存在的第一测量参量和第二测量参量，以及用于求取对于第一频率存在的第一测量参量和第二测量参量的总和作为第一总和。此外，测量装置构造用于检测对于第二频率存在的第一测量参量和第二测量参量，以及用于求取对于第二频率存在的第一测量参量和第二测量参量的总和作为第二总和。此外，根据该实施例，测量装置构造用于基于第一总和与第二总和来求取轴的扭转(例如用于求取施加在轴上的扭转力矩或转矩)。

第一测量参量、第二测量参量、第三测量参量和第四测量参量的温度相关性是频率相关的。因此，借助检测对于不同频率的相应的测量参量来求取并补偿测量结果的温度相关的偏差或误差，例如借助系统不变的传递函数g(ωi)，该传递函数例如可以计算地或实验地被求取用于测量装置(其中，g是传递函数并且带有i＝1到n的ωi是励磁信号的不同频率)。在此，不仅可以通过测量装置(例如磁通引导结构)而且可以通过轴来补偿产生的偏差。

根据本发明的另一方面，提供用于表征轴的扭转状态和/或旋转状态和/或定位的组件，其中，该组件在下文中也称为测量组件。该组件具有待表征的轴和测量装置。

在运行测量装置时，测量装置的磁场发生器和磁场探测器布置在待表征的轴旁边，例如通过将测量装置的传感器元件布置在轴旁边的方式。待表征的轴具有轴纵轴线。磁场发生器和磁场探测器相对于轴的定位将在下面根据轴的径向平面进行说明，其中将径向平面理解为如下平面：该平面由轴纵轴线与轴的半径展开。磁场发生器如此布置在轴旁边，使得该磁场发生器与轴的径向平面相交或位于该径向平面内，其中该径向平面在下文中也称为励磁径向平面或励磁平面(因为它表征径向平面，在该径向平面内布置有用作励磁的磁场发生器)。径向方向(励磁径向平面由该径向方向(与轴纵轴线的方向一起)展开)，也称为励磁平面径向方向。

磁场发生器优选地如此构造和布置，使得由该磁场发生器产生的磁场相对于励磁径向平面是对称的。磁场发生器例如可以如此构造和布置，使得由该磁场发生器产生的磁场相对于励磁平面径向旋转对称。

在磁场发生器作为励磁线圈和/或磁场探测器作为接收线圈的构型中，磁场发生器和磁场探测器例如可以如此布置，使得它们的线圈轴线平行于励磁平面径向方向。励磁线圈优选地如此布置，使得励磁线圈轴线垂直于轴纵轴线并且(在它们的延长线上)与轴纵轴线相交。此外，如果磁场探测器还构造为接收线圈，则优选地如此布置接收线圈，使得它们的接收线圈轴线平行于励磁线圈轴线。

第一磁场探测器和第二磁场探测器如此布置在轴旁边，使得第一磁场探测器布置在励磁径向平面的一侧，并且第二磁场探测器布置在励磁径向平面的另一侧。因此，第一磁场探测器和第二磁场探测器布置在励磁径向平面的不同侧上。换句话说，关于作为高度方向的励磁径向平面的法线方向，将磁场发生器布置在励磁径向平面的高度上，将两个磁场探测器中的一个(例如第一磁场探测器)布置在励磁径向平面的上方，并且将两个磁场探测器中的另外一个(例如第二磁场探测器)布置在励磁径向平面的下方。因此，尤其如此布置第一磁场探测器和第二磁场探测器，使得传感器主轴线不平行于轴纵轴线，或使得第一磁场探测器和第二磁场探测器不布置在励磁径向平面上(即不与励磁径向平面相交)。

在具有四个磁场探测器的测量装置的构型中可以设置为，第三磁场探测器和第四磁场探测器相对于延伸通过磁场发生器的励磁径向平面如此布置，使得励磁径向平面延伸通过所述第三磁场探测器和第四磁场探测器。

替代地，在具有四个磁场探测器的测量装置的构型中也可以设置为，第三磁场探测器和第四磁场探测器相对于延伸通过磁场发生器的励磁径向平面如此布置，使得该第三磁场探测器布置在励磁径向平面的与第一磁场探测器相同的侧上，并且使得该第四磁场探测器布置在励磁径向平面的与第二磁场探测器相同的侧上。因此，根据该实施例，如此布置第三磁场探测器和第四磁场探测器，使得它们不与励磁径向平面相交。

优选地如此布置第一磁场探测器和第二磁场探测器，使得传感器主轴线(所述传感器主轴线从第一磁场探测器向第二磁场探测器延伸)垂直于励磁平面径向方向。此外，在具有四个磁场探测器的测量装置的构型中，可以如此布置第三磁场探测器和第四磁场探测器，使得传感器辅助轴线(所述传感器辅助轴线从第三磁场探测器向第四磁场探测器延伸)垂直于励磁平面径向方向。一般可以设置为，测量装置的所有磁场探测器都布置在垂直于励磁平面径向方向的共同平面中。

根据一个实施例，如此布置第一磁场探测器和第二磁场探测器，使得传感器主轴线垂直于励磁径向平面，使得传感器主轴线垂直于轴纵轴线延伸(即在传感器主轴线和轴纵轴线的方向矢量之间存在90°的角度)。由此，实现第一磁场探测器和第二磁场探测器相对于轴的对称布置。根据该实施方式，在具有四个磁场探测器的测量装置的构型中，例如还可以如此布置第三磁场探测器和第四磁场探测器，使得传感器辅助轴线垂直于传感器主轴线并且垂直于励磁平面径向方向，使得传感器辅助轴线位于励磁径向平面内(使得相对于作为高度方向的励磁径向平面的法线方向，第三磁场探测器和第四磁场探测器布置在励磁径向平面的高度)。

根据另一实施例，第一磁场探测器和第二磁场探测器如此布置，使得传感器主轴线垂直于励磁平面径向方向，并且与励磁径向平面形成45°的角度，使得传感器主轴线也与轴纵轴线形成45°的角度(即在传感器主轴线的方向矢量与轴纵轴线的方向矢量之间存在45°的角度)。传感器主轴线的这种取向对于具有四个磁场探测器的测量装置的构型特别地重要(见下文)。此外，根据该实施例，在具有四个磁场探测器的测量装置的构型中，例如可以如此布置第三磁场探测器和第四磁场探测器，使得传感器辅助轴线垂直于传感器主轴线并且垂直于励磁平面径向方向，使得传感器辅助轴线与励磁径向平面形成45°的角度。

测量装置的磁场发生器和所有的磁场探测器优选地布置在轴的同一侧，例如通过将测量装置的传感器元件在侧面地布置在轴旁边的方式。换句话说，测量装置的磁场发生器和所有的磁场探测器相对于延伸穿过轴纵轴线的平面优选地布置在同一半空间内(即在该平面的同一侧)。通过测量装置相对于轴的这种单侧布置，测量装置可以在小的空间需求中相对于轴可变地定位。该组件尤其可以如此构造，使得轴不布置在磁场发生器和磁场探测器中的一个磁场探测器之间。因此，测量装置例如可以节省空间地构造有小尺寸。

根据一个实施例，磁场发生器和磁场探测器如此构造和布置，使得该磁场发生器和所述磁场探测器中的至少一个磁场探测器之间的距离小于待表征的轴的直径。例如可以如此构造测量装置，使得该磁场发生器与第一磁场探测器之间的距离和/或该磁场发生器与第二磁场探测器之间的距离和/或该磁场发生器与第三磁场探测器之间的距离和/或该磁场发生器与第四磁场探测器之间的距离小于待表征的轴的直径。由此，在紧凑的传感器构型中附加地支持高的测量精度。

在磁场发生器和/或磁场探测器作为线圈的构型中，可以设置为，如此构造所述线圈，使得所述线圈的横截面(内横截面和/或外横截面)小于轴的横截面，例如线圈的直径(内径和/或外径)小于轴的直径。由此，在紧凑的传感器构型中附加地支持高的测量精度。

替代地或附加地，可以如此构造测量装置，使得第一磁场探测器与第二磁场探测器之间的距离小于轴的直径。此外，测量装置可以如此构造，使得第三磁场探测器和第四磁场探测器之间的距离小于轴的直径。

对于一些可能的应用领域(汽车、特殊应用)可以设置为，传感器元件以平面技术构造有磁场发生器和磁场探测器，其中，该磁场发生器和/或该磁场探测器例如以线圈绕组的形式或者可以作为2d线圈安装在电路板上，或者可以通过层技术构建为3d线圈。这种线圈例如可以通过印刷的或蒸发的或插入的高渗透性的磁通引导结构实现。

根据本发明的另一方面，提供一种用于表征或测量轴的扭转和/或旋转和/或定位的方法，其中该方法在下文中也称为测量方法。前面关于测量装置和测量组件所描述的特征类似地适用于该测量方法，使得在下文中仅给出测量方法的相应构型的简要描述，并且此外在此参考关于测量装置和测量组件的相应说明。

根据该测量方法，产生至少部分地通过轴的，时间上周期性变化的磁场(例如具有时间上周期性变化的磁场强度的磁场)，其方式是：在磁场发生器上施加时间上周期性变化的电励磁信号，其中，该磁场至少部分地或表面上地穿过该轴。通过轴来修改磁场以形成总的磁场。在下一方法步骤中，检测励磁信号与第一电输出信号之间的幅度形式或相位形式的差作为第一测量参量，该第一电输出信号表示经修改的磁场的在第一位置处的强度，并且检测励磁信号与第二电输出信号之间的幅度形式或相位形式的差作为第二测量参量，该第二电输出信号表示经修改的磁场的在第二位置处的强度。如此布置第一和第二位置，使得它们不位于轴的同一径向平面中。在下一个方法步骤中，求取第一测量参量与第二测量参量的总和和/或第一测量参量与第二测量参量之间的差。

第一位置的定位对应于第一磁场探测器的定位，第二位置的定位对应于第二磁场探测器的定位。关于第一位置和第二位置相对于磁场发生器和相对于轴的定位因此类似地适用于上面参照第一磁场探测器和第二磁场探测器的定位阐述的特征。

尤其可以设置为，磁场发生器布置在第一位置和第二位置之间。此外可以设置为，根据上面的阐述第一磁场探测器布置在第一位置上并且第二磁场探测器布置在第二位置上，并且借助第一磁场探测器检测第一输出信号以及借助第二输出探测器检测第二输出信号。

磁场发生器例如可以像前面关于测量装置和测量方法所描述的那样进行构造和布置。

根据一个实施例，该测量方法还包括：检测励磁信号与第三电输出信号之间的幅度形式或相位形式的差作为第三测量参量，该第三电输出信号表示经修改的磁场的在第三位置处的强度，并且检测励磁信号与第四电输出信号之间的幅度形式或相位形式的差作为第四测量参量，该第四电输出信号表示经修改的磁场的在第四位置处的强度。此外，根据该实施例，求取第三测量参量与第四测量参量的总和和/或求取第三测量参量与第四测量参量之间的差。第三位置与第四位置之间的连接线优选地垂直于第一位置与第二位置之间的连接线。

第三位置的定位对应于第三磁场探测器的定位，第四位置的定位对应于第四磁场探测器的定位。关于第三位置与第四位置相对于磁场发生器、相对于轴和相对于第一位置和第二位置的定位，因此类似地适用于上面参照第三磁场探测器和第四磁场探测器的定位阐述的特征。

尤其可以设置为，磁场发生器布置在第三位置与第四位置之间。此外可以设置为，根据上面的阐述第三磁场探测器布置在第三位置并且第四磁场探测器布置在第四位置，并且借助第三磁场探测器检测第三输出信号以及借助第四输出探测器检测第四输出信号。

通过如下的方式：借助所描述的功能原理可以同时检测轴的不同运行参数(扭转、旋转和位置参数)，可以提供用于无接触地确定运行参数、例如转速(切向速度或角速度)、有效转矩(扭转)、传递的机械功率、效率以及用于具有铁磁组成部分(例如铁磁驱动部分或铁磁层压或涂层的驱动部分)的驱动部分(尤其是轴)的无接触的位置分析的多功能传感器组件和方法。借助所描述的功能原理，尤其可以实现实时地检测运行参数。轴具有铁磁性材料，例如铁、钢、镍、镍合金等，并且例如可以完全由铁磁性材料制成或者涂有铁磁性材料。轴例如可以是cfk轴，该cfk轴涂有一层铁磁导电材料(其中cfk称为碳纤维增强塑料)。由于无接触的测量，该组件适用于在重型机械、交通运输业中的特殊使用条件(高温、润滑剂和研磨剂)以及通常用于检测所述的参数，其中，无论如何都不必以任何方式处理或影响轴的表面。通过结合安全相关的运行状态监测方面，该技术的应用范围扩展到所述组件用于超真空装置或离心机技术的应用。基于技术物理的相互关系，通过功能性的单个元件的小型化使得在汽车领域中使用多功能系统是可以设想的。

所描述的组件和所基于的测量原理的优点在于克服材料特定的迟滞效应的至今未解决的问题，以及限制在静态和动态运行中漂移和干扰影响。(多功能)传感器的基本原理是电磁的类型，并且因此是无接触的类型。将外加在铁磁驱动元件上的磁场与由外加的场和感应磁场组成的接收磁场进行比较。可以通过例如轴的切向速度、作用的转矩(扭转)或测量对象(轴)的位置等影响参量来调制或改变接收磁场。外加的场和接收的场相对比较在幅度和相位变化中表示所述参数对测量对象的影响。借助磁场探测器可以探测引入的励磁信号和接收的输出信号之间的转矩或速度相关的幅度变化或相位偏移。待测量的效果或作用有效地源自系统的参数，所述参数组成为例如磁导率、电导率和测量对象的速度之类的贡献量的乘积。该参数在磁动力学中具有“磁雷诺数”的名称。速度测量基于导电主体在外部施加在测量对象(轴)上的磁场中的移动，在此期间，由测量对象的磁导率的变化产生扭转效应。磁雷诺数rm以及相互作用参数s分别不仅取决于温度相关的电导率而且取决于测量对象(轴)的温度相关的相对磁导率。磁雷诺数表征速度测量、相互作用参数表征扭转测量。基于磁导率和电导率的温度相关性可以预给定补偿。通过与轴速度与扭转的探测相结合的测量可以实现对驱动元件(轴)的位置分析。由于驱动元件或轴的半径是已知的，可以根据切向速度计算角速度。在实现分离之后，通过数学物理的相互关系对在幅度和相位上变化的各个贡献量进行换算，使得角速度[ms^-1]、扭转[nm]、传递的机械功率[watt]、效率和位置[m]可以用它们原始的单位和测量系统来表示。

因此，通过所描述的功能原理此外提供一种方法和组件，该方法和该组件作为多功能原理用于无接触地检测驱动元件的参数扭转、角速度、传递机械功率，效率和位置分析。确定在测量对象(轴)上传递的机械功率得出所求取的角速度与有效转矩的乘积。工作机的效率根据输出的功率比接收的功率的商来计算。测量对象(轴)与传感器之间相对的位置测量由根据xs的幅度或相位的时间上高分辨率的探测得出，并且将在进一步的进展中更详细地解释。相对的位置测量对应于感应的距离测量。对于具有铁磁特性的材料，表面或形态的操纵(恢复、结构化、of层、编码)是不必要的。对于没有铁磁特性的驱动元件(例如cfk轴)，可以设置具有在几纳米或微米厚度的范围内的铁磁性材料(例如镍等)的涂层用于应用调节。

取决于传感器的位置(传感器—轴的距离)、旋转速度以及最终作用在测量对象上的力(扭转/压力/拉力)，铁磁的测量对象(轴)改变磁场发生器和磁场探测器相互间的耦合。磁场的幅度和相位的位置分布可以通过材料中的位置变化、速度变化或应力变化(扭转/压力/拉力)来改变。外加的场和接收的场的相对比较在幅度和相位变化中表示所述参数对测量对象的影响。参数角速度与扭转的相互分离的测量的可能性可以通过测量系统的两个无量纲的特征数来描述。所谓的磁雷诺数rm对于轴的角速度的无接触的确定是至关重要的，与此同时，扭转应力对测量对象的作用通过相互作用参数s的变化来描述。

所描述的功能原理还涉及运行参数例如轴的扭转、角速度和位置/地点的无接触探测的可能性。除了上述参数的探测外，以下的构型也是可能的：

通过分别探测角速度和扭转(转矩)，可以实时示出传输的机械功率，

除了实时确定传输的机械功率外，还可以确定机器效率，

角速度的探测是符号导向的，即通过感应测量方法可以确定顺时针旋转和逆时针旋转，

暂时的高分辨率的位置测量可以实现无接触地确定驱动元件的振动，以及

在驱动轴非常缓慢地运行的情况下，则通过传感器的检测量可以执行非接触的轮廓测量。

附图说明

下面将根据参考附图的实施例解释本发明，其中，相同或相似的特征具有相同的附图标记，在此示意性地示出：

图1a、1b示出根据一个实施方式的测量组件，该测量组件具有带有两个磁场探测器的测量装置，

图2示出根据另一实施方式的测量组件，该测量组件具有带有四个磁场探测器的测量装置，

图3示出根据另一实施方式的测量组件，该测量组件具有带有四个磁场探测器的测量装置，以及

图4示出具有线圈的十字形磁通引导结构的俯视图。

具体实施方式

图1a和图1b示出当执行根据一个实施方式的测量方法时，根据一个实施方式的测量组件1。该测量组件1具有测量装置3和轴5。轴纵轴线7与在图中示出的xyz坐标系的z方向一致。轴5至少部分地由铁磁导电材料制成。作为示例，在根据图1a和1b的实施方案中，轴5是由铁磁导电材料制成的空心轴或实心轴。

测量装置3具有磁场发生器9、第一磁场探测器11和第二磁场探测器13。作为示例，磁场发生器9实施为线圈，该线圈也称为励磁线圈9。然而，磁场发生器也可以构造为其他的磁场产生装置的形式。作为示例，第一磁场探测器11和第二磁场探测器13均实施为线圈，所述线圈也分别称为第一接收线圈11和第二接收线圈13。然而，第一磁场探测器和第二磁场探测器也可以构造为其他磁场敏感的探测器的形式，例如作为霍尔探测器。励磁线圈9布置在第一接收线圈11和第二接收线圈13之间。

在图中示出的xyz坐标系的xz平面形成轴5的径向平面。励磁线圈9如此布置，使得该励磁线圈与xz平面相交或位于xz平面内，因此通过xz平面形成的径向平面也称为励磁径向平面。因此，励磁径向平面(与轴纵轴线一起)通过x方向作为励磁平面径向方向展开。励磁线圈9如此布置，使得该励磁线圈的线圈轴线15平行于x轴，其中该励磁线圈轴线15垂直于轴纵轴线7并且(在它的延长线上)与轴纵轴线7相交。由励磁线圈9产生的磁场(未示出)相对于励磁线圈轴线15旋转对称。

第一接收线圈11布置在励磁径向平面的一侧(即在xz平面的具有正的y值的一侧)，第二接收线圈13布置在励磁径向平面的另一侧(即在xz平面的具有负的y值的一侧)。第一接收线圈11和第二接收线圈13如此布置，使得所述接收线圈的接收线圈轴线17或19平行于励磁线圈轴线15延伸(并且因此平行于x轴或励磁平面径向方向)，其中所述三个线圈轴线15、17、19全部在与xy平面平行的平面中延伸。由第一接收线圈11与第二接收线圈13之间的连接线给出的传感器主轴线21平行于y轴延伸并且垂直于励磁径向平面(xz平面)。因此，在轴纵轴线7的方向矢量(z方向)与传感器主轴线21的方向矢量(y方向)之间存在90°的角度。

励磁线圈9和第一接收线圈11以及第二接收线圈13构造为彼此相同。第一接收线圈11和第二接收线圈13沿着传感器主轴线21等距对称地布置在励磁线圈9的两侧。因此，励磁线圈9居中地布置在第一接收线圈11与第二接收线圈13之间。

测量装置3可以可选地具有磁通引导结构23(在图1a中未示出)。根据图1b，磁通引导结构23构造为e形，其中励磁线圈9布置在磁通引导结构23的中间磁极上并且两个接收线圈11、13布置在磁通引导结构23的两个外磁极上。励磁线圈9和接收线圈11、13(以及可选的磁通引导结构23)形成测量装置的传感器元件25。在测量装置3运行时，传感器元件25在侧面布置在轴1旁边。

励磁线圈9与第一接收线圈11之间的距离小于轴5的直径。励磁线圈9与第二接收线圈13之间的距离也小于轴5的直径。每个线圈9、11、13的内横截面和外横截面小于轴5的横截面。此外，第一接收线圈11和第二接收线圈13之间的距离小于轴5的直径。

测量装置3具有电源27，该电源与励磁线圈9连接并且借助该电源在测量装置3运行时向励磁线圈9施加时间上周期性变化的电励磁信号。作为示例，测量装置3借助电源27构造用于，向励磁线圈9施加预给定频率的谐波交流电流，其中该交流电流用作励磁信号。替代于此地，与交流电流相关的交流电压可以用作励磁信号。通过励磁信号由励磁线圈9来产生磁场(未示出)，该磁场与轴5的铁磁导电材料相互作用，由此产生经修改的总磁场。

经修改的总磁场在每个接收线圈11、13中感应出与电流相关的电压。测量装置3构造用于，检测在第一接收线圈11上产生的电流作为第一输出信号并且检测在第二接收线圈13上产生的电流作为第二输出信号。替代于此地，测量装置3也可以构造用于，检测第一接收线圈11上产生的电压作为第一输出信号并且检测在第二接收线圈13上产生的电压作为第二输出信号。作为示例，测量装置3具有分析处理装置29，该分析处理装置与第一接收线圈11以及第二接收线圈13连接并且构造用于检测输出信号。

分析处理装置29与电源27连接。测量装置3借助该分析处理装置29构造用于，检测励磁信号与第一输出信号之间的幅度形式和/或相位形式的差作为第一测量参量，并且检测励磁信号与第二输出信号之间的幅度形式和/或相位形式的差作为第二测量参量。

测量装置3借助分析处理装置29构造用于求取第一测量参量与第二测量参量的总和。此外，测量装置3借助分析处理装置29构造用于求取第一测量参量与第二测量参量之间的差。此外，测量装置3构造用于，基于所求取的总和与所求取的差来表征轴的扭转状态、旋转状态和定位，如下所述。

第一测量参量xe/r1和第二测量参量xe/r2可以如下描述：

xe/r1＝be-br1＝xs+xr-xt(1)

xe/r2＝be-br2＝xs-xr-xt，(2)

其中，用脚注e表示磁场发生器9(在此：励磁线圈9)，用脚注r1表示第一磁场探测器11(在此：第一接收线圈11)，用脚注r2表示第二磁场探测器13(在此：第二接收线圈13)，用be表示励磁信号的参考值，用br1表示第一输出信号的参考值，用br2表示第二输出信号的参考值，其中参考值或者是相应信号的幅度或者是相应信号的相位。

用xe/r1表示第一测量参量，该测量参量对应于励磁信号的参考值与第一输出信号的参考值之间的差(即励磁信号与第一输出信号之间的幅度差或相位差)。用xe/r2表示第二测量参量，该测量参量对应于励磁信号的参考值与第二输出信号的参考值之间的差(即励磁信号与第二输出信号之间的幅度差或相位差)。第一测量参量和第二测量参量分别由贡献量xs，xr和xt组成，所述贡献量xs是静态贡献量并且取决于磁场发生器9或传感器元件25与轴5之间的距离a，所述贡献量xr取决于轴5的旋转速度，所述贡献量xt取决于轴5的扭转。传感器元件到测量对象(轴)需要的距离高度依赖于传感器元件与测量对象(轴)之间的磁耦合，并且通常在几毫米的范围内移动。根据测量对象的磁导率，必须设置合适的测量距离a。可以选择的测量距离a越小，则信号质量和动态性能就越好，这是尽可能无干扰的测量信号分析所必需的。

在第一磁场探测器11和第二磁场探测器13相对于轴5的当前对称的布置中，两个通道上的贡献量xs一样大。因此，通过贡献量xs可以确保第一磁场探测器11和第二磁场探测器13(或测量装置3的传感器元件25)相对于轴5对称地布置。

轴5的旋转伴随着在两个测量通道中的一个测量通道上检测到的参考值差增加了与转速相关的贡献量xr并且在两个测量通道中的另一个测量通道上检测到的参考值差减少了同样的贡献量xr。在如下的情况下：在轴5的面向磁场发生器9的那侧上，轴的切向速度从第二磁场探测器13指向第一磁场探测器11(在图1b中通过指示相关旋转方向的箭头31示出)，xr为正，其中第一通道或第一测量参量xe/r1增加了(转速相关的)贡献量xr，并且第二通道或第二测量参量xe/r2减少了相同的贡献量xr。在如下的情况下(未示出)：在轴5的面向磁场发生器9的那侧上，轴的切向速度从第一磁场探测器11指向第二磁场探测器13，xr为正，其中第一通道或第一测量参量xe/r1减少了贡献量xr，并且第二通道或第二测量参量xe/r2增加了相同的贡献量xr。因此，轴5的运行方向确定贡献量xr进入第一测量参量和第二测量参量中的符号，由此可以求取轴5的运行方向或旋转方向。例如可以将测量装置3如此构造，使得如果第一测量参量大于第二测量参量，则测量装置评估为存在第一旋转方向，并且如果第二测量参量大于第一测量参量，则测量装置评估为存在第二旋转方向，其中第一旋转方向与第二旋转方向相反。

轴5的扭转不仅可以存在于固定轴中而且可以存在于旋转轴中，该扭转表现为轴5的通过励磁磁场引起的磁化的变化以及伴随着在两个通道上检测到的参考值差相同变化了扭转相关的贡献量xt。

由第一测量参量和第二测量参量得出总和σx12

σx12＝xe/r1+xe/r2＝2(xs-xt)，(3)

并且得出第一测量参量和第二测量参量之间的差δx12：

δx12＝xe/r1–xe/r2＝2xr，

(4)

使得由于可以独立地求取静态的贡献量xs(见下文)，借助总和与差的形成，可以分离和求取转速相关的贡献量xr和扭转相关的贡献量xt。因此，可以求取转速相关的贡献量xr

xr＝δx12/2，(5)

以及求取与扭转相关的贡献量xt

xt＝xs–σx12/2.(6)

静态的贡献量xs例如可以借助于轴没有旋转并且没有扭转地在静止状态中的测量来求取或将该静态的贡献量xs设为零。

因此，可以由测量装置3根据等式(5)根据第一测量参量与第二测量参量之间的差来求取与转速vr相关的贡献量xr，并且可以基于当前的贡献量xr来求取转速vr，其中vr可以通过切向速度(单位为m/s)或角速度(单位为1/s)给出。在已知轴的直径时，切向速度和角速度可以无问题地相互换算。转速vr例如可以由测量装置3求取，其方式是：在测量装置中存储参考特性(参考特性曲线)，该参考特性给xr的每个值分配转速vr的相关值，例如借助赋值函数vr＝vr(xr)，该赋值函数将相关的转速vr作为函数值分配给作为函数参数的xr的预给定值。这样的参考特性或赋值函数例如可以借助校准，即借助已知的转速的有针对性的调节以及在相应转速下存在的xr值的接下来的测量求取。当运行测量装置3时，然后可以借助将检测到的xr值与这种参考特性的比较，将转速vr分配给检测到的值xr。

因此，测量装置3例如可以构造用于求取第一测量参量与第二测量参量之间的差δx12并且用于基于该差求取轴5的转速。

另外，根据等式(6)可以由测量装置3基于第一测量参量与第二测量参量的总和(以及基于已知的静态贡献量xs)求取扭转相关的贡献量xt，并且基于存在的贡献量xt求取例如施加在轴上的转矩或扭转力矩mt(单位为nm)。

例如可以求取扭转力矩mt，其方式是：在测量装置中存储参考特性，该参考特性将扭转力矩mt的相关值分配给xt的每个值，例如借助赋值函数mt＝mt(xt)，该赋值函数将相关的扭转力矩mt作为函数值分配给作为函数参数xt的预给定值。这种参考特性或赋值函数例如可以借助校准，即借助已知扭转力矩的有针对性的调节和在相应的扭转力矩时存在的xt值的接下来的测量求取。当运行测量装置时，然后可以借助将检测到的值xt与这种参考特性的比较，将扭转力矩mt分配给检测到的值xt。

因此，测量装置3例如可以构造用于求取第一测量参量和第二测量参量的总和σx12并且用于基于该总和求取轴的扭转(例如用于求取施加在轴上的转矩或扭转力矩)。

此外，测量装置可以构造用于，基于第一测量参量和第二测量参量来表征测量装置相对于轴的定位，例如用于求取磁场发生器或传感器元件与轴之间的距离和/或用于求取第一磁场探测器和第二磁场探测器或传感器元件是否相对于轴对称布置。

测量装置例如可以构造用于求取在轴没有旋转并且没有扭转的静止状态中的第一测量参量和第二测量参量。此外，可以将测量装置如此构造，使得如果在轴的静止状态中第一测量参量等于第二测量参量，由该测量装置评估为第一磁场探测器和第二磁场探测器相对于轴对称定位(并且因此评估为正确的定位)。

此外，测量装置3可以构造用于求取xs，例如借助轴5在没有旋转和扭转的静止状态下的测量。测量装置3还可以构造用于基于所求取的xs值来求取磁场发生器9或传感器元件25与轴5之间的距离a(例如借助所求取的xs值与对应的参考特性的比较，类似于上面关于xt和xr解释的过程)。

因此，可以通过测量装置3来求取xr、xt和xs，并且可以由此得出轴5的旋转状态和轴5相对于传感器元件25的定位的结论，其方式是：测量装置3构造用于，检测第一测量参量xe/r1和第二测量参量xe/r2，以及求取第一测量参量和第二测量参量的总和σx12和/或求取第一测量参量与第二测量参量之间的差δx12。

参考值或贡献量值xs换算成位置说明(单位m)、xt换算成扭转说明(单位为nm)以及xr换算成速度说明(单位m/s或1/s)，例如可以通过将这些值校准到已知的测量参量，例如位置或位置变化、扭转与速度来实现，和/或将通过这些测量到的值重新计算成机械值位置(单位为m)、扭转(单位为nm)和转速(单位为m/s或1/s)来实现，其中温度也可以作为参数包括在内。

此外，测量装置3可以构造用于求取由轴传递的机械功率p，根据

p＝mt(xt)·ω(xr)(7)

其中ω表示轴5的角速度。

测量装置3还可以构造用于求取驱动该轴的机器的效率η，根据

η＝p/pin(8)

其中p表示传递的功率并且pin表示使用的功率。

另外，测量装置可以构造用于，通过预给定的时间间隔求取上述参量(尤其是检测到的测量参量和/或检测到的第一测量参量与第二测量参量的总和和/或检测到的第一测量参量与第二测量参量之间的差和/或功率和/或效率)的时间上的平均值，由此可以获得时间平滑的测量值。

可以借助测量装置3来求取上述参数(例如xs、xr、xt、p、η的时间平均值以及由此计算出的旋转参数、位置参数和其他的操作参数)的时间平均值，其方式是：例如使用时间平均的测量参量＜xe/r1＞和＜xe/r2＞来代替在上述等式中的瞬时值xe/r1和xe/r2。方括号＜...＞表示时间平均值。

在作为空气线圈组件的测量装置3的构型中，即没有磁通引导结构，测量装置可以基本上不取决于热影响，其中测量结果不受热漂移的影响。

测量装置3可以具有用于传导磁通量的磁通引导结构23(例如作为传感器元件25的组成部分，参见图1b)。由此实现磁耦合的改善。通过改善轴5与传感器元件25之间的磁耦合，例如可以基于电测量参量的提高来增大传感器元件25到轴5的测量距离a。电测量参量的增大在许多应用情况中意味着信噪比(snr)的改善。

由测量装置3提供的测量结果可能受到热漂移的影响，这(例如当环境温度波动时)可能导致由测量装置3所求取的测量结果的误差。这种热漂移例如可以由磁通引导结构23和/或轴5的材料特性的温度相关性引起。因此，高渗透性的磁通引导结构23的引入可以对上述测量方法产生如下影响，使得热漂移叠加电测量参量xe/r1和xe/r2，所述热漂移随后可以被隔离和补偿以提高测量精度。可以借助温度相关的校正参数xθ(其中θ表示温度)来考虑该温度相关性，由此等式(1)和(2)采用以下形式：

xe/r1＝be–br1＝xs+xr-xt-xθ(9)

xe/r2＝be–br2＝xs-xr-xt-xθ。(10)

在这种情况下，从第一测量参量和第二测量参量中得出总和σx12

σx12＝xe/r1+xe/r2＝2(xs-xt-xθ)，(11)

以及得出第一测量参量和第二测量参量之间的差δx12

δx12＝xe/r1–xe/r2＝2xr，(12)

使得像之前一样求取旋转相关的贡献量xr

xr＝δx12/2，(13)

反之得出扭转相关的贡献量xt

xt＝xs–xθ–σx12/2。(14)

又可以直接求取幅度变化或相位变化的与速度成正比的贡献量xr。除了作为假设已知的贡献量xs之外，与扭转成正比的信号贡献量xt由与漂移成正比的信号贡献量xθ叠加。

在这方面可以设置为，测量装置3具有温度传感器33，并且构造用于基于由温度传感器33检测到的温度来求取温度相关的校正参数xθ的值。此外，根据第一测量参量与第二测量参量的总和σx12并且考虑所求取的值xθ，测量装置3还可以根据等式(14)构造用于求取与扭转相关的贡献量xt，其中，基于存在的贡献量xt，例如可以求取施加在轴上的扭转力矩mt(单位为nm)。

对于不同的温度θ的xθ值例如可以借助校准来求取，即借助已知温度的有针对性的调节和接下来在相应的温度处求取存在的xt值，并且作为参考特性存储在测量装置3中。根据图1b，将温度传感器33作为示例布置成与磁通引导结构23接触，使得通过温度传感器33检测磁通引导结构23的温度。

在上述等式(13)和等式(14)中也可以使用时间平均的测量参量＜xe/r1＞和＜xe/r2＞来代替瞬时值xe/r1和xe/r2，用于求取时间平均的测量结果。

作为借助温度测量对热引起的漂移校正的替代方案，可以设置为，测量装置3(例如通过相应地构造和操控能量源27的方式)构造用于向励磁线圈9施加至少两个不同的激励频率并且构造用于分析处理对于不同的励磁频率存在的测量参量。例如可以设置为，测量装置3构造用于检测每个励磁频率的总和σx12，并且构造用于根据所求取的总和来求取扭转相关的贡献量xt。

作为示例，测量装置3可以构造用于(同时地或顺序地)向励磁线圈9施加具有第一频率ω1的第一励磁器信号和具有第二频率ω2的第二励磁信号。然后，对于两个励磁频率ω1、ω2，存在第一测量参量和第二测量参量的总和：

利用系统不变的传递函数g(ω1，ω2)，该传递函数可以通过对测量组件进行计算或实验来求取，该线性方程组可以通过假设<xstat.>＝0或<xstat.>≠0对xθ进行求解，并且因此补偿可能的热漂移。借助这种基于频率的补偿方法，除了由磁通引导结构23的温度变化引起的测量参量变化之外，还可以补偿由轴5的温度变化引起的测量参量变化。

作为热漂移校正的替代方案，也可以设置为，从一开始就防止或限制这种漂移，例如通过调节测量装置3或传感器元件25或其部件的温度(恒温)。在这方面可以设置为，测量装置3具有用于将磁通引导结构调温到预给定的恒定温度的调温组件(未示出)。

在类似于图1a和1b的装置中，还可以借助矢量电压表设置分析处理装置(未示出)，如下简要描述。在此，操控信号由微控制器产生。信号产生通过“信号发生器”用“锁定表”来实现，在该“锁定表”中信号的时间的(相位、频率)和幅度的预给定值可变地预给定。将那些预给定值通过“直接数字合成”转换成离散电信号，所述预给定值离散地预给定时间的和幅度的信号形状。“数模转换器”在相应的时间步长内为加权的幅度分配电压值，并且因此形成在d-a转换器的输出端处可用的模拟信号。该模拟信号通过在恒流源电路中的放大器任意放大。由放大器提供的发射器电感le产生磁场，根据扭转和角速度等调制该磁场。发射器线圈的那些由测量对象调制的磁感应通过接收线圈lr转换为模拟电信号(d-a转换)。模数转换由相应的转换器执行。连接在下游的相位比较器分析相位指针的“随机”位置。参考通道的相位指针偏移90°，将测量通道的相位指针可变地重新调整到相对于该参考90°的相位，以便获得测量电压的正交系统。如果该正交系统的测量效果通过效应限定的相位偏移而失调，则可以从积分电压ux或uy中计算该电压。

图2示出具有根据另一实施方式的测量装置3的测量组件1。除参考图1a和1b阐述的元件之外，根据图2的测量装置3还具有第三磁场探测器35和第四磁场探测器37。为了清楚起见，在图2中未示出能量源27、分析处理装置29和可选的磁通引导结构23。作为示例，在根据图2的实施方案中，轴5是由铁磁导电材料制成的空心轴或实心轴。

作为示例，第三磁场探测器35和第四磁场探测器37均实施为线圈，所述线圈也分别称为第三接收线圈35和第四接收线圈37。然而，第三磁场探测器和第四磁场探测器也可以构造为其他磁场敏感的探测器的形式，例如构造为霍尔探测器。励磁线圈9布置在第三接收线圈35和第四接收线圈37之间。

根据图2，第三接收线圈35和第四接收线圈37如此布置，使得所述第三接收线圈和第四接收线圈与励磁径向平面(xz平面)相交或位于该励磁径向平面中。第三接收线圈35和第四接收线圈37如此布置，使得所述第三接收线圈和第四接收线圈的接收线圈轴线39或41平行于励磁线圈轴线15延伸(并且因此平行于x轴或励磁平面径向方向)。因此，所有四个接收线圈11、13、35、37的线圈轴线17、19、39、41相互平行延伸。传感器辅助轴线43根据图2平行于z轴延伸，所述传感器辅助轴线由第三接收线圈35和第四接收线圈37之间的连接线给出。因此，传感器辅助轴线43垂直于传感器主轴线21延伸。此外，不仅励磁线圈轴线15而且接收线圈轴线17、19、39、41都垂直于传感器辅助轴线43。因此根据图2，传感器主轴线21垂直于励磁径向平面(xz平面)延伸，而传感器辅助轴线23位于励磁径向平面内。

第三接收线圈35和第四接收线圈37相互相同并且构造为与其余的线圈9、11、13相同。第三接收线圈35和第四接收线圈37沿着传感器辅助轴线43等距对称地布置在励磁线圈9的两侧。因此，励磁线圈9居中地布置在第三接收线圈35与第四接收线圈37之间。另外，所有四个接收线圈11、13、35、37布置成与励磁线圈9等距。因此，在根据图2的实施方式中，四个接收线圈布置成十字形并且围绕励磁线圈等间距地布置。

根据图2的测量装置3可以可选地具有根据图4的带有五个磁极的十字形磁通引导结构(在图2中未示出)，其中励磁线圈9布置在中心的磁极45上并且每个接收线圈11、13、35、37布置在十字形磁通引导结构23的外围磁极47、49、51、53上。

励磁线圈9与第三接收线圈35之间的距离小于轴5的直径。励磁线圈9与第四接收线圈37之间的距离也小于轴5的直径。每个线圈9、11、13、35、37的内横截面与外横截面小于轴5的横截面。此外，第三接收线圈35和第四接收线圈37之间的距离小于轴5的直径。

经修改的总磁场也在第三接收线圈35和第四接收线圈37中感应出与电流相关的电压。分析处理装置29也与第三接收线圈35和第四接收线圈37(未示出)连接。测量装置3借助分析处理装置29构造用于，检测在第三接收线圈35上产生的电流作为第三输出信号并且检测在第四接收线圈37上产生的电流作为第四输出信号。替代于此地，测量装置3也可以构造用于，检测第三接收线圈35上产生的电压作为第三输出信号并且检测在第四接收线圈37上产生的电压作为第四输出信号。

类似于根据图1a、图1b的实施方案，根据图2的测量装置3构造用于，求取第一测量参量xe/r1作为第一测量通道，求取第二测量参量xe/r2作为第二测量通道，求取第一测量参量和第二测量参量的总和σx12，以及求取第一测量参量和第二测量参量之间的差δx12。

在根据图2的实施方式中，测量装置3(除参考图1描述的功能性之外)借助分析处理装置29还构造用于，检测励磁信号与第三输出信号之间的幅度形式和/或相位形式的差作为第三测量参量的，并且检测作为第四测量参量的励磁信号与第四输出信号之间的幅度形式和/或相位形式的差。

在根据图2的实施方式中，测量装置3(除参考图1描述的功能性之外)借助分析处理装置29还构造用于求取第三测量参量与第四测量参量的总和。此外，测量装置3借助分析处理装置29构造用于求取第三测量参量与第四测量参量之间的差。此外，测量装置3基于所求取的总和与所求取的差构造用于，表征轴的扭转状态、旋转状态和定位，如下所述。

第三测量参量的xe/r3和第四测量参量xe/r4可以如下描述：

xe/r3＝be–br3(17)

xe/r4＝be–br4，(18)

其中，用脚注e表示磁场发生器9(在此：励磁线圈9)，用脚注r3表示第三磁场探测器35(在此：第三接收线圈35)，用脚注r4表示第四磁场探测器37(在此：第四接收线圈37)，用be表示励磁信号的参考值，用br3表示第三输出信号的参考值，用br4表示第四输出信号的参考值，其中所述参考值或者是相应信号的幅度或或者是相应信号的相位。

对于根据图2的测量组件，总和σx34由第三测量参量xe/r3和第四测量参量xe/r4得出

∑x34＝xe/r3+xe/r4＝2(xs-xt)，(19)

其中，根据图2的实施方案作为示例构造用于检测作为第三测量通道的总和σx34。因此，利用等式(3)和(19)，存在用于两个未知数xs和xt的两个等式，使得不仅可以求取xt而且可以求取xs。因此，可以省略xs的校准。

因此，在根据图2的实施方案中，测量装置例如可以基于第一测量参量与第二测量参量的总和σx12以及第三测量参量与第四测量参量的总和σx34求取xs。另外，测量装置3可以构造用于基于所求取的xs值求取传感器元件25与轴5之间的距离a。

在根据图2的作为空气线圈组件的测量装置3的构型中，即没有磁通引导结构，该测量装置可以基本上与热影响或热漂移无关，其中测量结果不受热漂移的影响。然而，由根据图2的测量装置3提供的测量结果也可能受热漂移的影响，其中这种热漂移例如可以通过十字形磁通引导结构23和/或轴5的材料特性的温度相关性引起。这种热漂移例如可以类似于参考图1a和1b的实施方式描述的过程来校正或阻止。在具有温度传感器的测量装置3以及借助校正因数补偿热漂移的构型中，该校正因数根据借助温度传感器所求取的温度来求取，所需的测量通道的数量可以保留为三个。即使借助于通过调温装置产生的恒温来防止热漂移，所需的测量通道的数量也可以保留为三个。当通过使用带有不同频率的励磁信号来补偿热漂移时，可能需要第四测量通道。

另外，根据图2的测量组件的结构和工作方式对应于根据图1a、1b的测量组件的结构和工作方式，因此在这方面参考图1a和1b进行说明。

图3示出根据另一实施方式的测量组件1，其中，具有励磁线圈9和四个接收线圈11、13、35、37的线圈组件相对于根据图2的实施方案数学上正旋转了45°，即围绕作为旋转轴线的励磁线圈轴线15。同样在图3中为了清楚起见，未示出能量源27、分析处理装置29和可选的磁通引导结构23。

根据图3，将第一接收线圈11和第三接收线圈35布置在由xz平面给出的励磁径向平面的一侧(即在y值为正的xz平面的一侧)，其中将第二接收线圈13和第四接收线圈37布置在励磁径向平面的另一侧(即在y值为负的xz平面的一侧)。因此，在根据图3的实施方案中，传感器主轴线21与励磁径向平面形成45°的角度，其中传感器辅助轴线43与励磁径向平面也形成45°的角度，其中传感器辅助轴线43类似于图2垂直于传感器主轴线21延伸。

根据图3的测量组件和测量方法的实施方案特别地适用于轴5，该轴5在其外圆周上具有带有铁磁导电材料的涂层(其中，轴的其余部分可以由非铁磁性材料构成)。作为示例，在根据图3的实施方案中，轴5是由非铁磁性材料制成的空心轴或实心轴，该轴在其外圆周上涂覆有一层铁磁导电材料。

对于根据图3的测量组件1的几何形状，第一测量参量、第二测量参量、第三测量参量和第四测量参量然后可以如下所述：

xeir1＝xs+xr+xt(20)

xeir2＝xs-xr+xt(21)

xe/r3＝xs+xr-xt(22)

xe/r4＝xs-xr-xt，(23)

因为当将扭转力矩施加到轴5上并且因此存在轴的扭转时，轴的(均相的)铁磁涂层沿着第一方向(也称为拉伸方向)加载了拉力并且沿着第二方向(也称为压缩方向)加载了压力。这伴随着拉伸方向上的磁化率的增加和压缩方向上的磁化率的降低。

对于如下的情况：轴负载的拉伸方向在扭转时沿着传感器主轴线21延伸并且压缩方向沿着传感器辅助轴线43延伸，则xt为正，其中第一测量参量xe/r1和第二测量参量xe/r2增大了(扭转相关的)贡献量xt，并且第三测量参量xe/r3和第四测量参量xe/r4减少了相同的贡献量xt。

通过相应的总和的形成与差的形成，可以从等式(20)到(23)中将贡献量xs、xr和xt相互分离和求取。由于要求取xs、xr和xt三个参量，需要三通道的测量。如果静态贡献量xs是已知的(例如来自轴5的没有旋转和扭转的单独测量)，则双通道的测量就足够了。

在根据图3的测量装置3作为空气线圈组件的构型中，即没有磁通引导结构，测量装置可以基本上与热影响或热漂移无关，其中测量结果不受热漂移的影响。然而，由根据图3的测量装置3提供的测量结果也可能受热漂移的影响，其中这种热漂移例如可以通过十字形磁通引导结构23和/或轴5的材料特性的温度相关性引起。

这种温度相关性可以借助温度相关的校正参数xθ(其中θ表示温度)来考虑，由此在考虑温度相关的校正参数xθ的情况下，等式(20)至(21)采用以下形式：

xe/r1＝xs+xr+xt-xθ(24)

xe/r2＝xs-xr+xt-xθ(25)

xe/r3＝xs+xr-xt-xθ(26)

xe/r4＝xs-xr-xt-xθ.(27)

因此，(例如当使用磁通引导结构时由于其材料特性的温度相关性)参数空间增加了参量xθ，该参量必须与参量xs、xr和xt分开。

这种热漂移例如可以类似于参考图1a、图1b和图2的实施方式描述的过程来校正或防止。因为要求取xs、xr、xt和xθ四个参量，需要四通道的测量。如果静态贡献量xs是已知的(例如来自轴5的没有旋转和扭转的单独测量)，则三通道测量就足够了。在根据图3的具有温度传感器的测量装置3以及借助校正因数补偿热漂移的构型中，该校正因数根据借助温度传感器所求取的温度来求取，所需的测量通道的数量可以减少一个通道。即使借助于通过调温装置的恒温来防止热漂移，所需的测量通道的数量也可以减少一个通道。当借助于使用带有不同频率的励磁信号来补偿热漂移时，可能需要四个测量通道。

在如下的情况下：在根据图3的组件中，轴5是由非铁磁性材料制成的空心轴或实心轴，该轴在其外圆周上涂覆有一层铁磁导电材料(也称为层叠轴)，与线性的线圈组件相比，原则上仅需要三个线圈(包括发射器线圈)来检测速度、扭转和位置。因此，可以通过一半的组件来进行所述参数的测量。基本的关系如下：

xe/r1＝xs+xr+xt(28)

xe/r2＝xs-xr+xt(29)

xe/r3＝xs+xr-xt(30)

xe/r4＝xs-xr-xt，(31)

从等式(28)到(31)得出成对的等式对应的总和：

∑x14＝∑x32＝2xs.(32)

以及得出成对的方程对应的差：

δx14＝2(xr+xt)(33)

δx32＝2(xr-xt).(34)

因为信号在压缩方向上的减小对应于在拉伸方向上的增加，因此两个差δx14和δx32是相当的或等同的。

根据图3的组件也可以用于非层压的测量对象(没有功能层的轴)，例如用于完全由铁磁导电材料制成的实心轴或空心轴。在此，与线性的线圈组件相比，原则上仅需要三个线圈(包括励磁线圈)来检测速度、扭转和位置。因此，可以通过一半的组件来进行所述参数的测量。

基本的关系如下：

xe/r1＝xs+xr-xt(35)

xe/r4＝xs-xr-xt(36)

或者可选地

xe/r3＝xs+xr-xt(37)

xe/r2＝xs-xr-xt.(38)

从等式(35)到(38)得出成对的等式对应的总和：

∑x14＝∑x32＝2(xs-xt)(39)

以及得出成对的等式对应的差：

δx14＝δx32＝2xr.(40)。

附图标记列表

1测量组件

3测量装置

5轴

7轴纵轴线

9磁场发生器/励磁线圈

11第一磁场探测器/第一接收线圈

13第二磁场探测器/第二接收线圈

15励磁线圈的线圈轴线/励磁线圈轴线

17第一接收线圈的线圈轴线

19第二接收线圈的线圈轴线

21传感器主轴线

23磁通引导结构

25传感器元件

27电源

29分析处理装置

31轴的旋转方向

33温度传感器

35第三磁场探测器/第三接收线圈

37第四磁场探测器/第四接收线圈

39第三接收线圈的线圈轴线

41第四接收线圈的线圈轴线

43传感器辅助轴线

45-53十字形磁通引导结构的磁极

a传感器元件与轴的距离

xe/r1第一测量参量

xe/r2第二测量参量

xe/r3第三测量参量

xe/r4第四测量参量

σxnm第n个测量参量与第m个测量参量的总和

δxnm第n个测量参量与第m个测量参量的差