CN101194144B - 具有共模修正线圈和简化信号调整的电感位置传感器 - Google Patents
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Abstract
用于旋转运动的感应位置传感器包括发射线圈和接收线圈，当所述发射线圈被交流电源激励时，所述接收线圈产生接收信号。可移动的耦合器元件修改发射线圈与接收线圈之间的电感耦合，使得接收信号对耦合器元件位置是敏感的。接收信号与参考信号之比对耦合器元件位置是敏感的，然而对共模因子基本是不敏感的。位置传感器的角度或位置范围可以利用多个接收线圈来增加。
Description
相关申请参考
本申请要求于2005年4月7日提交的美国临时专利申请60/669,145的优先权。
技术领域
本发明涉及用于测量可移动部件如绕轴旋转节流踏板的位置的非接触型电感传感器。
背景技术
机动车辆如汽车具有控制引擎速度的使用者操纵的控制。典型地，使用者操纵的控制包括踏板臂，在该踏板臂的较低端部具有脚踏板，其通常被称为加速器踏板。加速器踏板提供节流控制信号，该节流控制信号从加速器踏板被传输到与引擎相连的引擎节流控制。常规地，在加速器踏板与引擎节流控制之间具有机械连接，并且节流控制信号是机械信号。然而，近来存在朝着电控的节流控制系统发展发展的趋势，该电控节流控制系统有时被称为电传操纵系统(fly-by-wiresystem)，在该系统中，加速器踏板或其它使用者操纵的控制与引擎节流控制处于电通信，节流控制信号是电子信号。对于商业可接受性，此类电子节流控制系统应当是可靠的且制造成本不会太高。
发明内容
用于确定可移动部件的部件中的装置包括：发射线圈，当该发射线圈被电能源激励时，该发射线圈产生电磁辐射；一个或多于一个邻近所述发射线圈布置的接收线圈，当所述发射线圈由于接收线圈与发射线圈之间的电感耦合而被激励时，所述接收线圈产生接收信号；和耦合器元件。该耦合器元件是可移动的，并且具有与所述部件位置相互关联的耦合器元件位置，例如通过机械连接或其它机械耦合。
耦合器元件修改发射线圈与接收线圈之间的电感耦合，使得接收信号与部件位置发生关联，并且耦合器元件可以是金属板、导电回路或者包括多于一个导电回路。
耦合器元件的旋转或线性运动可以用来修改发射线圈与接收线圈之间的电感耦合，例如通过修改自接收线圈得到的接收信号，通过修改发射线圈与接收线圈之间的通量耦合为耦合器元件角位置的函数。耦合器元件位置可以与踏板位置发生关联，例如踏板移动被机械耦合至耦合器元件的角位置。可以有两个或多个接收线圈，并且线圈的输出结合起来延伸传感器的角度或位置范围。角范围或其它位置范围可以被分为分段，其中各分段的接收信号根据该分段的角范围进行选择。通过保留分段历史的轨迹，延伸的角范围和多圈传感器得以发展。
当发射线圈由于发射线圈与参考线圈之间的电感耦合而被激励时，参考线圈产生参考信号，该参考信号基本独立耦合器元件位置。所述参考信号可以用来补偿与耦合器元件位置变化无关的接收信号的任何变化，例如由于共模因子如温度、发射器的激励电压以及相关线圈和耦合器分离的变化所引起的。可以提供电子电路以形成计量比信号(ratiometric signal)，该计量比信号为接收信号与参考信号之比。计量比信号对旋转耦合器元件的角位置敏感，但对共模因子不敏感。旋转耦合器元件与线圈组件之间的间隙距离也可以利用参考线圈来补偿。
在示例装置中，输出信号源自在位置范围的第一分段之内的第一接收信号，以及源自在位置范围的第二分段之内的第二接收信号。更多的接收信号(来自其它接收线圈，或者第一和第二接收信号的反转形式)可以被用于其它分段。对于各分段，优选具有至少一个接收信号，其允许输出信号与要得到的位置具有良好的线性关系。分段历史可以被追踪并存储，并且所存储的分段信息被用于选择最好的接收信号来使用。所选择的接收信号可以选自一组非反转和反转接收信号。输出信号与在位置范围之内(例如，θ度的位置角范围)的部件位置呈基本线性关系，输出电压根据位置范围的分段通过调整值来调整，使得在一个分段内的输出电压平滑地转变为邻近分段之内的输出电压。对于可转动的传感器，随着位置角范围由于转动部件具有多圈或多匝而重复，输出可以是锯齿形的。
附图说明
图1A图解说明参考线圈；
图1B图解说明包含分段电子导体的耦合器元件；
图2显示一对接收线圈；
图3显示从中可以选择线性分段的传感器输出信号；
图4显示由多于一个线性分段组成的线性输出信号；
图5显示可以被用于限制线性分段的交叉点；
图6显示系统的结构图，以及信号流动；和
图7显示多圈传感器系统的结构图。
具体实施方式
本发明的实施例包括电感位置传感器，其适合用在机动车辆的节流踏板位置检测器中，或者其它可移动物体的位置处。在代表性的实施例中，所述传感器包括发射线圈和接收线圈，它们都通过印刷电路技术在印刷电路板上形成。当发射线圈例如通过交流电源被激励或通电时(例如，通过可替换的电流源)，发射线圈与接收线圈之间的电感耦合诱发接收信号。连接在可移动物体上的耦合器元件空间修改发射线圈与接收线圈之间的电感耦合，使得接收信号可被用于找到可移动物体的位置。
电感位置传感器可以包括由交流电源驱动的发射线圈或激励线圈；用于产生电感信号的接收或捡拾线圈(pickup coil)，其响应由所述发射线圈产生的时间变化磁场或交变磁场；以及邻近所述线圈安置的导电元件，使得时间变化磁场在耦合器元件中产生涡流，其将在接收线圈中感应的电流修改为耦合器元件位置的函数。
耦合器元件可以被连接至位置要进行测量的可移动部件，如机动车辆的节流踏板，使得耦合器的角(或旋转)位置是节流元件的位置的函数。因此，在接收器或捡拾线圈中感应的电压是变化的；通过检测接收到的电压，耦合器元件的位置以及因此节流板的位置是可以确定的。该信号可用于控制车辆引擎的速度。
概括描述
示例电感位置传感器包括连接至激励交流电源的发射线圈和接收线圈。所述发射线圈和接收线圈被支撑在与线圈组件相同的印刷电路板上，或者是基本共面的，或者在同一板的不同侧面或层上。可移动的耦合器元件邻近所述板被支撑，并修改发射线圈与接收线圈之间的电感耦合。在一个示例中，耦合器元件围绕旋转轴旋转，所述旋转轴可以是发射线圈和接收线圈之一或两者的中心轴。通过修改发射线圈与接收线圈之间的电感耦合，耦合器元件位置可修改由发射线圈感生的接收信号的振幅。更多的示例描述在我们同时待审的美国专利申请KSR-12902中。
接收信号的振幅是耦合器元件与印刷电路板之间的间隙的函数，其在生产情况下在某种程度上固有地变化。为修正由间隙变化所产生的接收信号以及其它共模信号，如激励器变化或电源电压变化、EMC变化或温度变化，可以使用参考线圈，其可以在与发射线圈和接收线圈相同的印刷电路板上形成。参考线圈接收与接收线圈相同的信号，但是其以某种方式被设定，使得参考信号对耦合器元件的旋转位置的变化不敏感。信号调节电路(或信号调节器)接收接收信号和参考信号，并形成比信号(ratio signal)，代表接收信号和参考信号之比。比信号与耦合器元件位置相关联，但在合理的变化内可以基本独立于间隙变化和其它共模因子，如在下面进一步讨论的。
印刷电路板可以被配置为具有电能的输入以及提供接收信号和参考信号的输出。可选地，在该板上的电路可以被用于产生比信号，其为接收信号与参考信号之比。信号处理电路可以被用于由参考信号来分开接收信号，以便基本消除并非耦合位置的函数的信号变化。
根据本发明实施例的电感传感器包括连接至交流电源如Colpitts振荡器的发射线圈(其也被称为激励线圈)、接收线圈和所支撑的耦合器元件，所述耦合器元件与发射线圈和接收线圈物理关联，使得耦合器元件的位置影响发射线圈与接收线圈之间的电感耦合的强度。由接收线圈提供的接收信号可以与耦合器元件的位置发生关联。
发射线圈
发射线圈可以是常规圆线圈设计的一个或多于一个回路，或者可以使用其它构造。发射线圈，也被称为激励线圈，是通过交流电源激励的。激励源或交变流可以是电子振荡器，如Colpitts振荡器，或者其它电子振荡器。
当通过电能激励时，发射线圈产生电磁场。在发射线圈与任何其它最近的线圈之间存在电感耦合，其在该线圈中的诱发一信号。发射线圈可以是具有一匝或多于一匝的圆线圈。激励信号通过交流电源被提供给发射线圈。发射线圈与接收线圈之间的电感耦合在接收线圈中产生接收信号。
耦合器元件
耦合器元件修改发射线圈与接收线圈之间的电感耦合。耦合器元件不需要被放置在发射线圈与接收线圈之间，尽管如果那是方便的构造，它可以放置在发射线圈与接收线圈之间。此外，耦合器元件不需要修改发射线圈与接收线圈之间的全部通量耦合，但可以仅修改通量耦合的空间分布。耦合器元件如果是导电板也可以被称为涡流板。
耦合器元件可以是导电元件，其形状通常是平面的，并且其可以包括一个或多于一个放射状延伸的波瓣，以及可以被支撑着围绕发射和接收线圈的中心线旋转，其一个或多于一个波瓣与印刷电路板平行且与印刷电路板紧密隔开。波瓣的构造可以主要取决于接收线圈的构造。耦合器元件连接至或者机械耦合至可移动的物体，使得其旋转位置是该可移动物体的位置的函数。在下面进一步讨论的接收线圈的构造可以使得电压在接收线圈的输出处产生，其为耦合器元件位置的函数。在示例车辆应用中，耦合器元件连接至或者机械耦合至可移动踏板臂或其它车辆控制臂，使得其旋转位置为可移动臂的位置的函数。
耦合器元件可以具有相对于接收线圈的初始位置，在该处接收器信号最小。随着耦合器元件从初始位置移动，其修改发射线圈与接收线圈之间的电感耦合。在本发明的实施例中，在耦合器元件的初始构造中，接收线圈内的感生电势具有类似的量级和相反相位，因此，它们趋于抵消掉。随着耦合器元件旋转，发射线圈与第一回路构造之间的电感耦合被修改，接收线圈内的感生电势不再抵消，因此接收信号增加。
接收线圈
一个或多于一个接收信号由具有差动结构的接收线圈(一个或多于一个)提供。接收信号可含有来自各种电势的贡献，所述电势通过通量耦合至发射线圈而在回路构造中被感生。接收线圈可以包括分别提供第一和第二电势的第一回路构造和第二回路构造以及线圈构造，使得这些电势在缺乏耦合器元件时可抵消。在耦合器元件存在时，根据耦合器元件的角位置，第一和第二电势被不同地修改。
例如，第一和第二回路构造可被配置为产生具有相反相位的信号，接收信号为第一和第二信号的组合，因此当第一和第二信号具有相似量级时，接收信号具有最小值。接收信号也可以被称为差动信号，因为接收信号的量级是在第一回路构造中感生的第一信号振幅与第二回路构造中感生的第二信号振幅之间的差，这样的构造被称为差动结构。在本发明的其它实施例中，接收线圈可以从单独的回路结构提供单独的第一和第二信号至电子电路进行处理。
单一接收线圈的第一和第二回路构造可以被构造以提供通过接收线圈的特定磁通量变化的相反极性的第一和第二电压。接收线圈可以被构造以使在耦合器元件不存在时第一和第二信号趋于彼此抵消。耦合器元件也可以具有零位置，在该零位置，其相等地阻碍到达第一回路构造和第二回路构造的通量发射，以使第一信号和第二信号有效地相互抵消。随着耦合器元件相对于初始位置在第一方向移动，其阻碍更多感生第二信号的磁通量，而同时，阻碍较少感生第一信号的磁通量。因此，第一信号的量级升高，第二信号的量级降低，以及接收信号的量级升高。耦合器元件也可以在第二方向移动，其中第二信号的量级升高，而第一信号的量级降低。
延长的角范围和多匝线圈
本发明的实施例也包括延长的角范围传感器如多圈传感器。多杂传感器可以包括多个接收线圈，例如，使用两个或多个相互具有角偏移的多级线圈。传感器可以包括具有ASIC模块进行信号调节的电子模块。该电子模块可以包括支撑线圈如参考线圈、一个或复数个接收线圈以及发射线圈的印刷电路板，其通过交流电源激励时产生电磁场。对于多圈传感，可以针对转数(或者某旋转角的倍数)调整虚拟接地(virtual ground)，而传感器的旋转历史通过逻辑栈来控制。对于使用哪个接收信号的决定是通过逻辑电路决定。当达到预定信号电压时，使用多路转换器来选择多个接收线圈中的一个。
例如，使用3极耦合器元件，单个接收线圈的角范围可以近似为30度。虚拟接地电平可根据该角范围的倍数来设定。传感器系统的角范围可以是120度，其中使用三个接收线圈和分段控制。旋转历史可以存储在存储器中，例如使用具有链接的名单数据结构的栈操作。可以使用虚拟接地调节器，其与用于坪区电压调整的类似。
输出电源可能不完全线性依赖于位置。可以定义可用的线性范围，外推到虚拟接地，其相对于真正的接地可以是负压。可以将比信号形成为(接收信号+A)/(参考信号+B)，其中参考信号和接收信号指的是例如分别通过解调和低通滤波接收和参考信号而得到的直流电压。A和B指的是虚拟接地修正，原因在于假定稍微非线性响应为线性。可用线性范围的宽度可通过准确度规范来确定。修正项A和B有可能非常类似，并且对于A和B可以使用相同值。
输出电压范围可以被钳制到上平台和下平台。调节或微调被用来利用调节电阻将增益斜率调节至期望值。可以使用电阻的激光微调，例如通过烧掉碳条，或者在一些应用中也可以使用传统的旋转滑臂可变电阻。在汽车电子节流控制应用中，该调节步骤可以在工厂调节期间被一次完成。当使用计量比传感时，这可能是非常有效的。
图1A图解说明了具有差动结构的参考线圈10。对于通过线圈平面的磁通量变化，具有相反旋向性的电势在线圈的内圈12和外圈14中被感生。在径向结构如16上几乎没有电势产生。因为内圈具有比外部回路更小的直径，所以需要更多的内圈，以抵消在外圈(一个或多于一个)中感生的电势。如果参考线圈具有外径D0和内径Di.T，当移去耦合器元件时，参考线圈的构造允许参考输出为零。在输出(18)处的参考信号由在内圈(一个或多于一个)中产生的电势和在外圈(一或多于一个)中产生的相反电势引起。当邻近参考线圈放置时，耦合器元件阻断了部分到外圈导致得到的参考信号的电感耦合。参考信号基本独立耦合器元件的旋转位置，但对耦合器元件与参考线圈之间的间隙敏感，对小间隙的灵敏性更大。可以设计参考线圈，使得在线圈构造的径向部分的感生信号抵消。
近似公式，其假定均匀通量是niDi 2＝n0D0 2，其中ni是内圈的数目，n0是外圈的数目。在该实施例中，参考线圈具有一个外圈和两个内圈。在构建的设备中，已经发现通量强度朝向外圆周更强。示例线圈具有直径为17.7mm的两个内圈(或具有直径为14.4mm的3个内圈)和直径为25mm的外圈。参考线圈可以用试验方法来调整，使得当耦合器元件被分开时存在一个零参考信号，以及当耦合器接近参考线圈时存在一个最大的信号。在某些情况下，当耦合器被移走以便针对有效的间隙匹配相同的特征曲线时，其不必为零，这在一些应用中可能是有用的。
在本发明优选的实施例中，提供了优选具有差动构造的参考线圈，其提供基本独立耦合器元件位置的参考信号。然而，参考信号易受相同因子的影响，所述因子通常可以被称为共模因子，它们影响接收信号的强度。共模因子可以包括下列因子中的一个或多于一个：耦合器元件与发射(或接收)线圈之间的耦合间隙、施加在发射线圈的激励电压中的变化、诱发接收器噪声的环境电磁场、温度变化以及类似因子。
可以校准电感传感器，使得传感器采用独立于传感器形式上的产生变化的标准形式。在汽车系统中，线圈(其可以被承载在印刷电路板上)与耦合器元件(其被连接至加速器踏板)之间的耦合间隙强烈地影响接收线圈中的感生信号，并且该耦合间隙批量生产过程中难于精确地控制。但是，校准工艺可能是误差和费用的来源。
对于共模因子如温度，常规电感传感器需要扩展的校准曲线。例如，常规电感传感器可以包括温度传感器、温度修正引子的查对表和实现温度修正的电路。利用根据本发明的示例的计量比信号，可以避免很多此种额外的复杂性和相关的不可靠性。
通过确定作为接收信号与参考信号之比的比信号，可以极大地抑制共模因子的影响，因此比信号基本独立于共模因子，但与耦合位置相关联。比信号完全可以利用模拟电路来确定，避免了数字逻辑的复杂性和处理延迟，也避免了对高分辨率模拟-数字转换器的需要。
参考线圈在某种程度上类似于接收线圈，但可以以下述方式配置：使得通过发射线圈在参考线圈中感生的参考电压基本独立于耦合器元件的位置。发射线圈与参考线圈之间的电感耦合受到类似的共模因子的影响，正如影响发射线圈与接收线圈之间的电感耦合一样。这些因子包括耦合器元件与承载发射线圈和接收线圈的印刷电路板之间的间隙，或者耦合器元件与发射线圈之间的间隙，或者承载发射线圈的其它结构之间的间隙。可以利用参考线圈来补偿的其它共模因子包括：由供应发射线圈的交流电源的变化所产生的接收信号变化；由来自与传感器操作不相关的杂散电磁信号感应电源所产生的变化；温度变化以及类似变化。
图1B显示旋转传感器的耦合器元件，其包括位于非导电基底22上的分段导电区20。在缺乏耦合器元件时，没有来自参考线圈的信号。在某些情况下，当耦合器移走以便针对有效的间隙匹配相同的特征曲线时，其不必为零。然而，当参考线圈与耦合器元件平行且靠近放置时，参考线圈产生了参考信号，该参考信号与耦合器元件和参考信号之间的间隙有关系。
优选地，耦合器元件分段的内径近似等于接收线圈的内径。外径优选近似等于或小于发射线圈的直径。
耦合器元件可以被支撑在旋转盘上。在电子节流应用中，踏板下压引起耦合器元件的旋转，这通过根据本发明的电感传感器检测。
图2显示双接收线圈结构。该双接收线圈包括两个接收线圈(40和42)，它们被布置成使得它们的电相位彼此移置90度，而各接收线圈具有其自身的向前和向后线圈对，以产生差动信号(两种接收信号以不同相位(out of phase)得到)。两个或多个接收线圈的使用允许可超出第一线圈的线性区域来测量角位置。黑色圆圈(44)表示穿过线路板的柱，其中一些连接被隐藏起来。该图显示了以相反方向排列的两组稍微呈L-形的导体。
图3图解说明了从第一和第二接收线圈得到的信号(分别表示为#1和#2)。这两种信号显示了以粗体线强调的线性区域。此外，这两种信号可以被反转，以提供来自所述两个接收线圈的第三和第四信号(分别表示为#1′和#2′)。在该实施例中，第一接收线圈允许在0-30度范围内的线性位置测量。在30度的测量角处，来自第二接收线圈的信息允许延伸至60度的角范围，以及利用反转信号进一步延伸该角测量区多达120度。因此，传感器电子学可以用来根据角范围选择一个线性分段。虚拟接地(VG)电平也显示。
图4显示如何能够在延伸的角范围之内从传感器系统获得线性传感器输出。利用堆栈计数器(stack counter)来保存分段数的轨迹，并将电压补偿(voltage offset)加至输出电压以便从各种信号的线性部分获得延伸的线性输出。
逻辑电路(栈)推进或伸出(pop out)一个单元，因此电压转换器增大或减小了所显示的单位电压电平。沿着纵坐标显示的计数对应于栈中的值。相应于栈的深度，逻辑单元保持数字-模拟(DS)转换器的开关状态。使用3极耦合器元件，线性的最大合理范围是30度。根据所检测的交叉点的数量(如在下面关于图5所描述的)或移动通过的分段的数量可以设定电压电平。因此，线性信号的角范围可以是至少120度，具有3分段管理。可以借助连接的数据结构列的栈操作执行记录保持。
图5图解说明对各种信号之间的交叉点的选择，这些点为从一个信号转移到另一信号的点。在交叉点处(表示为XP)，对补偿电压进行调整，以得到线性输出。利用可调整的虚拟接地电路可以获得补偿电压，例如利用可操作的放大器，其具有针对一个输入的可开关分压器。如在图3中，图表显示了第一和第二接收信号(#1和#2)以及反转信号。
可以使用比较器/选择器电路来选择期望的信号。在该实施例中，第一决定点是在30°。比较器比较第一和第二接收信号，它们在一定容差内是相同的。然后，信号选择器选择第二接收信号的反转形式，以使信号在与前面相同的方向上线性增加。
对于多圈操作，根据分段(或圈)的数量调整虚拟接地，而分段历史(因此以及圈历史)通过栈管理。逻辑单元可以用来选择给定的计量比信号。当达到预定信号值时，利用多路转换器可以选择一种多重信号。
图6显示了根据本发明的多圈传感器的简化示意图。该示意图显示了第一和第二接收线圈40和42。各接收线圈被修正(通过修正器44和48)，被反转(通过倒相器46和52)。如在图5中所示，比较器52选择交叉点，以选择所用的信号。栈管理器用来保持正在使用的分段的轨道，电压电平移相器54将补偿电压增至信号中，以获得线性输出。
在下面右侧处的框总结了信号流。框58对应于利用来自栈管理器的数据移动具有VLA的信号。框60对应于利用外部可微调电阻的增益设置。框62对应于利用外部可微调电阻的坪区设置。坪区值为任一分段内得到的上限信号值和下限信号值。框64对应于通过利用齐纳击穿调整虚拟接地的信号校准。校准数据可以以数字形式存储，并且数字-模拟转换器用来将输出电压调整至期望范围。
图7显示多圈传感器系统的结构图。该系统包括线圈主体100，其包括发射线圈102、参考线圈104和两个接收线圈(106和108)。电子模块110包括用于参考信号的相敏修正器(112)、用于第一和第二接收信号的修正器/倒相器(114和116)、比较器118、加法器20、模拟除法器122、输出放大器126、驱动发射线圈的振荡器128、具有用于校准的输出电流的5-位DAC(130)、用于360度定位能力以及包括4位数字-模拟转换器(DAC)的电压电平调节器(132)、以及电压钳(voltageclamp)134。可微调电阻器136和138分别允许对增益和钳位电压进行调整。钳位电压定义了极限值，通过负载电阻(140)的输出电压不能超出该极限值。逻辑单元112包括齐纳击穿器114和计数器/栈116。外部校准装置124包括具有并行-串行转换器(118)的外部模拟-数字转换器，其利用串行-并行转换器118与逻辑单元通信，以及测量用于校准的输出电压的电压测量设备122。
发射线圈102通过连接至该发射线圈的交流电源128来通电。被通电的发射线圈产生电磁场，其包括在参考线圈104和两个接收线圈106和108中的通过电感耦合的信号。发射线圈和参考线圈以及两个接收线圈之间的电感耦合通过耦合器元件来修改(减少)，所述耦合器元件如其上具有导电区的旋转盘。然而，发射线圈与参考线圈之间的电感耦合对旋转耦合器元件的角位置不敏感。相反，接收信号对旋转耦合器元件的角位置敏感，因此通过模拟除法器122而形成的选择的接收信号与参考信号之比与旋转耦合器元件的角位置发生联系，同时对其共模因子进行修正，所述共模因子如发射线圈与旋转耦合器元件之间的间隙。旋转耦合器元件的旋转修改了发射线圈与两个接收线圈之间的电感耦合，但不会显著影响发射线圈与参考线圈之间的电感耦合。
对于多圈传感器，可以选择不同的输出形式。一种输出形式可以是360度锯齿信号，另一实施例可以是180度锯齿信号，而另一种可以是90度锯齿信号。对于汽车应用，输出电压可以在0.25V至4.75V范围内变化。单个线性锯齿信号由3一极接收线圈实施例中的12个30°线性传感器信号贡献的分段组成。如果使用6极接收线圈，单个锯齿信号将具有24个22.5°的分段。因此，电压电平调节器和逻辑/栈应当具有5位容量。
在可选的方法中，根据位置范围的分段，选择器(如多路转换器)用来选择来自多个接收信号的一个接收信号。后面的信息可以从包括计数器/栈排列的逻辑单元得到。所选择的接收信号然后通过相敏修正器到达模拟除法器。到达模拟除法器的第二输入是来自参考线圈的参考信号，其经过相敏修正器到达模拟除法器。逻辑单元也可以控制虚拟接地电平调节器，适当地调整位置范围各分段的输出电压以获得线性输出。例如，虚拟接地电平调节器可以包括4位DAC，其中4电阻阵列被用来控制模拟虚拟接地输出。利用第二虚拟接地电平调节器，例如利用6-位DAC，可以完成校准。在初始校准步骤中，可以检测初始值、下坪区电压和上坪区电压，并且逻辑单元被编程以确定电阻的适当组合，从而提供所需的坪区值。该校准仅需要在制造期间进行一次，这是优于很多常规设备的一大优势。
应用
本发明实施例的应用包括下面这样的装置：其耦合器元件被连接至可移动部件，期望对其位置进行监测，以及发射线圈、接收线圈和支撑电路被布置在基底如印刷电路板上。基底可容纳于壳体或其它结构中，或者邻近壳体或其它结构固定，可移动部件在该壳体或者其它结构中移动。例如，可移动部件可以是踏板，所述踏板壳体可以配置为容纳上面印制有线圈的印刷电路板。生产装配变动可能导致耦合器元件与印刷电路板之间的间隙的变化，而参考线圈的使用允许补偿此类制造变动而无需大量的校准工艺。在车辆应用中，耦合器元件机械连接至节流踏板，因此其旋转位置是节流踏板位置的函数。
线圈排列可以采用很多种方式。例如，线圈可以被缠绕成具有不同数目的极，其影响传感器的位置分辨率。配置接收线圈，使得耦合器元件的位置调制接收信号的振幅。参考线圈，如果使用的话，可以以如下方式下配置：使得参考信号基本独立于耦合器元件的位置，以便利用参考信号和接收信号得到的比信号也与耦合器元件的位置有关系，但基本独立于诸如温度这样的因子。
在一个实施例中，发射线圈、接收线圈和参考线圈形成在印刷电路板上，其可以是邻近耦合器元件放置的多层印刷电路板。在其它实施例中，所述线圈可以形成在单独的结构上。耦合器元件可以是位置待测量的可移动部件的固有部分，或者可以连接至可移动部件，或者另外机械耦合，以便耦合器元件位置与可移动部件位置发生联系。本发明的实施方式包括角传感器、旋转速度传感器和距离传感器，其中距离从可移动部件的总的角旋转确定。
根据本发明的电感传感器包括在汽车应用中使用的非接触型电感传感器，包括如下的传感器：该传感器采用借助交流电激励的发射线圈；接收线圈；连接至节流踏板的可旋转耦合器元件——其相对于所述线圈安置，用于改变在接收线圈中感生的发射信号的振幅；以及第三线圈，第三线圈接收类似于接收信号的信号，该信号基本独立于耦合器旋转位置，用于补偿耦合器与线圈之间间隙的变化的接收信号以及其它共模信号。
在车辆应用中，耦合器元件可以被机械连接至节流踏板，使得其旋转位置是节流踏板位置的函数。本发明实施例的应用包括下面这样的构造，其耦合器元件被固定到可移动部件，期望对其位置进行监测，以及发射线圈、接收线圈和支撑电路被布置在基底如印刷电路板上。基底可容纳于壳体或其它结构中，或者邻近壳体或其它结构固定，可移动部件在该壳体或者其它结构中移动。例如，可移动部件可以是踏板，所述踏板壳体可以配置为接收上面印制有线圈的印刷电路板。生产装配变动可能导致耦合器元件与印刷电路板之间的间隙的变化，而参考线圈的使用允许补偿此类制造变动而无需大量的校准工艺。位置传感器的其它应用包括电子节流控制、吸油管阀、制动控制、转向、油缸液位读数和变速杆轴(gear selector shaft)。
本发明的实施方式包括与非接触型电感传感器一起使用的信号调节系统，该传感器用于测量可移动部件如在汽车应用中绕轴旋转的节流踏板的位置，以及用于产生电信号，该电信号与控制车辆的部件的位置成正比，更具体而言，涉及用电感传感器操纵的这样一种信号调节系统。电感传感器优选具有至少三个线圈，包括用于产生载信号的发射线圈；用于检测该载信号的接收线圈，所述载信号通过耦合至其位置待测量的部件的耦合器元件来调制；以及参考线圈，其接收载信号，但以下述方式缠绕：使得其不受转子位置的影响，从而产生一种信号，该信号可以用来修正转子与所述三个线圈之间间隙变化的可旋转调制器信号以及其它共模信号如电源波动。本发明的实施例不需要存储温度校准数据，因为此种共模因子利用参考信号得到了补偿。
根据本发明的多圈传感器可以用作速度和/或距离传感器。可以使用诸如车轮直径这样的信息获得此类运动因素。
其它构造
线圈排列可以采用很多形式。例如，线圈可以被缠绕成具有不同数目的极，其影响传感器的位置分辨率。配置接收线圈，使得耦合器元件的位置调整接收信号的振幅。参考线圈如果使用的话，可以进行配置，使得参考信号基本独立于耦合器元件的位置，因此利用参考信号和接收信号得出的比信号也与耦合器元件的位置发生联系，但基本独立于诸如温度这样的因子。
在一个实施例中，发射线圈、接收线圈和参考线圈被印制在印刷电路板上，该印刷电路板可以是多层印刷电路板。在其它实施例中，线圈可以形成在单独的结构上。
在其它实施例中，发射线圈可以是具有一个或多于一圈的回路。在其它实施例中，可以包括第一回路构造和第二回路构造，所述第一回路构造和第二回路构造具有相反的缠绕方向，以使所发射的电磁通量具有磁场方向的空间变化，包括相反磁场方向区域。然后，可以使用耦合器元件来修改趋于在接收线圈中感生的相反信号的比值。
在本发明的其它应用中，其它机械元件可以被用来驱动耦合器。耦合器运动可以是线性的、旋转的，或者在一个或多于一个方向上的旋转和线性运动的结合。
因此，用于提供与可移动部件的部件位置——所述部件位置具有位置范围——相关联的输出信号的示例装置包括发射线圈，当该发射线圈通过激励器信号激励时产生电磁辐射；邻近所述发射线圈设置的多个接收线圈，当所述发射线圈被激励时，每个接收线圈产生接收信号；耦合器元件，其具有与部件位置相关联的位置，并且每个接收信号对该耦合器元件位置敏感；参考线圈，其提供基本独立于正被确定的部件位置的参考信号。线圈可以是在一个电路板上形成的线圈组件的一部分。信号调节器，例如在同一板上的电子电路，接收各种信号，根据位置范围的电流分段选择接收信号，以及提供与可移动部件的位置相关联的输出信号。信号调节器包括模拟除法器，所选择的接收信号被模拟除法器中的参考信号分开，从而从输出信号中消除共模噪声影响。
信号调节器可以包括模拟电路如ASIC，包括模拟除法器和电压调整，以及逻辑单元，其包括数字电子电路。逻辑单元可以用来存储分段信息和校准数据。存储在逻辑单元中的数据可以被传递到模拟电路，并用于进行适当调整至输出信号(包括给定分段的坪区值)，例如使用一个或多于一个数字-模拟转换器。用于选择已选择接收信号的选择器可以使用由逻辑单元提供的分段信息。根据接收信号的比较来确定分段信息，例如通过如别处所述的交叉点检测。
多个接收线圈可以是基本共面的，例如与参考线圈和发射线圈一起形成，作为线圈组件通过一个电路板来支撑。在一些实施例中，所有线圈基本共面，并且具有相同的中心轴。在旋转传感器中，耦合器元件可以围绕该中心轴旋转，并且包括金属板，该金属板修改发射线圈与接收线圈之间的通量耦合。耦合器元件可以固定到位置待测量的可移动部件或与该可移动部件连接。
确定可移动部件的代表性方法包括激励发射线圈；从多个接收线圈得到多个接收信号；根据可移动部件的近似位置(如分段)选择已选的接收信号；获取基本独立于可移动部件位置的参考信号，参考信号和已选的接收信号经历共同噪声因子；在模拟除法器电路中通过参考信号分割所选择的接收信号以提供计量比信号，从而消除共同噪声因子；以及利用所述计量比信号确定可移动部件的位置。分段可以是位置范围的预定部分，如固定的部分。
本发明不限于上述示例性实施例。实施例并无意作为对本发明范围的限制。在此所述的方法、装置、成分及类似物是示例性的且无意作为对本发明范围的限制。本领域技术人员将想到其中的变化和其它用途。本发明的范围通过权利要求书的范围来限定。
Claims (26)
1.一种用于提供与可移动部件的部件位置相关联的输出信号的装置，所述部件位置具有位置范围，所述位置范围可分成分段，所述装置包括：
发射线圈，当所述发射线圈被激励器信号激励时，所述发射线圈产生电磁辐射；
多个接收线圈，其邻近所述发射线圈设置，当所述发射线圈由于所述发射线圈与所述接收线圈之间的电感耦合而被激励时，各接收线圈产生接收信号；
耦合器元件，其具有与所述部件位置相关联的耦合器元件位置，所述发射线圈与各接收线圈之间的所述电感耦合对所述耦合器元件位置敏感；
参考线圈，其提供基本独立于所述部件位置的参考信号，当所述发射线圈由于所述发射线圈和所述参考线圈之间的第二电感耦合而被激励时，所述参考线圈产生所述参考信号；
信号调节器，其接收所述接收信号和所述参考信号，以及提供与所述可移动部件位置相关联的输出信号，
所述输出信号源自已选择的接收信号，所述已选择的接收信号根据所述位置范围的所述分段进行选择，
所述信号调节器包括模拟除法器，所述已选择的接收信号在所述模拟除法器中通过所述参考信号被分割，从而从所述输出信号中消除共模噪声的影响。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输出信号源自在所述位置范围的第一分段之内的第一接收信号，以及源自在所述位置范围的第二分段之内的第二接收信号。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述已选择的接收信号选自包含非反转接收信号和反转接收信号组中的信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输出信号在所述位置范围内对部件位置具有基本线性的相关性，所述输出信号根据所述位置范围的所述分段通过调整值进行调整。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述信号调节器包括逻辑单元，所述逻辑单元包括数字电子电路，分段信息被存储在所述逻辑单元中。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述输出信号通过调整电压进行调整，所述调整电压根据存储在所述逻辑单元中的所述分段信息通过数字-模拟转换器产生。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述信号调节器进一步包括选择器，所述选择器根据存储在所述逻辑单元中的所述分段信息选择接收信号。
8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述分段信息是根据接收信号的比较而确定的。
9.根据权利要求5所述的装置，其中，校准数据被存储在所述逻辑单元中，所述校准数据用于将所述输出信号修改成期望的形式。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述信号调节器进一步包括校准数字-模拟转换器，其接收存储在所述逻辑单元中的校准数据并产生应用于所述输出信号的电压调整。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个接收线圈是基本共面的。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述多个接收线圈和所述参考线圈形成在单个电路板上。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述单个电路板进一步承载模拟ASIC，所述模拟ASIC包括用于各接收信号和所述参考信号的所述模拟除法器和相敏修正器。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述部件位置是角位置，所述耦合器元件围绕耦合器轴旋转。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述位置范围是旋转θ度，所述输出信号对具有θ度周期的旋转角具有锯齿相关性。
16.根据权利要求15所述的装置，其中θ是360度。
17.根据权利要求14所述的装置，其中，所述部件位置是踏板的旋转位置，运动的所述踏板被机械耦合至所述耦合器元件的角位置。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述输出信号是引擎的速度控制信号。
19.一种用于提供与可移动部件的部件位置相关联的输出信号的装置，所述部件位置具有位置范围，所述装置包括：
发射线圈，当所述发射线圈被激励器信号激励时，所述发射线圈产生电磁辐射；
第一接收线圈，其提供第一接收信号；
第二接收线圈，其产生第二接收信号；
耦合器元件，其具有与所述部件位置相关联的耦合器元件位置，所述发射线圈与各接收线圈之间的电感耦合对所述耦合器元件位置敏感；
参考线圈，其提供基本独立于所述耦合器元件位置的参考信号，当所述发射线圈由于所述发射线圈和所述参考线圈之间的进一步的电感耦合而被激励时，所述参考线圈产生所述参考信号；
信号调节器，其接收所述第一和第二接收信号，以及提供与所述可移动部件位置相关联的输出信号，
所述输出信号源自在所述位置范围的第一分段内的所述第一接收信号，以及源自在所述位置范围的第二分段内的所述第二接收信号。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第一接收信号在所述第一分段内对部件位置具有基本线性的相关性，所述第二接收信号在所述第二分段内对部件位置具有基本线性的相关性。
21.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第一和第二接收线圈被配置成使所述第一和第二接收信号的相位相差近似90度。
22.根据权利要求19所述的装置，其中，所述输出信号源自在所述位置范围的第一分段内的所述第一接收信号，源自在所述位置范围的第二分段内的所述第二接收信号，源自在所述位置范围的第三分段内的反转第一接收信号，以及源自在所述位置范围的第四分段内的反转第二接收信号。
23.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第一和第二接收线圈、所述参考线圈以及所述信号调节器形成于单个印刷电路板上。
24.根据权利要求19所述的装置，其中，所述信号调节器包括逻辑单元，所述逻辑单元利用存储栈保持分段信息的轨迹，
所述接收信号的选择依赖于所述分段信息。
25.一种确定可移动部件位置的方法，所述方法包括：
激励发射线圈；
从多个接收线圈获取多个接收信号；
根据所述可移动部件的近似位置选择已选择的接收信号；
获取基本独立于可移动部件位置的参考信号，所述参考信号和所述已选择的接收信号经历共同噪声因子，所述参考信号和所述已选择的接收信号都是由于所述发射线圈的电感耦合而被激发的；
在模拟除法器电路中，通过所述参考信号分割所述已选择的接收信号以提供计量比信号，从而消除这些共同噪声因子；和
利用所述计量比信号确定所述可移动部件位置。
26.根据权利要求25所述的方法，根据所述可移动部件的所述近似位置选择接收信号包括选择从其可以确定对位置具有基本线性相关性的输出信号的接收信号，
所述近似位置为所述可移动部件的位置范围的一部分。
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