CN101236064B - 一种测量气缸内活塞位置的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量气缸(1)内活塞(2)位置的装置，该装置沿轴线延伸，并且包括至少两个位置传感器(3，4)，该位置传感器分别包括：与连接到活塞(2)的支撑托盘(31)构成整体的第一传感器构件(20，40)，与气缸(1)构成整体的第二传感器构件(10，30)，每个传感器的第一和第二构件都设置成可沿着与气缸(1)轴线平行的轴线彼此相对平移运动，所述装置的特征在于：第一传感器构件(20，40)与支撑托盘(31)形成整体，该支撑托盘通过球窝接头连杆构件(50)连接到活塞(2)上。使用本发明的装置，可将位置传感器设置在气缸内，而又不会使作用在活塞上的横向应变力传递到该传感器上，同时，活塞可绕气缸轴线自由转动。

Description

一种测量气缸内活塞位置的装置

技术领域

本发明涉及位置传感器领域，用来测量气缸内活塞的位置，包括飞行器发动机上使用的活塞。

背景技术

对于位置传感器，诸如主动式(电感式)线性位移传感器(active(inductive)linearshift sensor)，所属领域的人员可能更多熟悉其英文缩写LVDT，意思为“线性可变差分变压器”，位置传感器可以确定气缸内活塞的纵向位置。

参考图1，LVDT型传感器100包括沿轴线100A固定到芯柱121上的活动式磁铁芯120，和由三个圆柱形线圈构成的固定式变压器110，这三个线圈与芯柱121的轴线100A同轴，形成了一个初级绕组111和两个次级绕组112，113。在工作时，芯柱121在其轴线100A上平移。磁铁芯120通过磁感应在绕组111，112，113间产生电压，该电压与变压器110内的磁铁芯120的位置成正比。传感器内芯柱121的位置从而可以推算得知。

参考图2，人们已知在起重装置(jack)200中使用LVDT型的传感器。这种起重装置200包括气缸201，其沿轴线200A延伸，活塞202在气缸内延伸，并在轴线200A上平移运行。活塞202在其下游端具有活塞头202A，活塞头的外径对应于气缸201的内径，传统技术中都是这样的。

在本发明说明书的其余部分，上游(upstream)和下游(downstream)的概念是相对于活塞202来定义的。活塞在其上游端承受传动力，而其下游部分则在气缸201内移动。换句话说，上游侧位于气缸201的一侧，活塞202经由该侧伸出。

LVDT型传感器的变压器210固定在气缸201的下游端，变压器210的轴线与气缸201的轴线200A相一致。传感器的磁铁芯220安装在芯柱221上，芯柱221与活塞202一体并且沿轴线200A延伸。

由于磁铁芯220与活塞202为一体，且变压器210与气缸201为一体，所以活塞202在气缸201内的位置就可以从变压器210内磁铁芯220的位置的测量结果推断得出。

在航空航天领域，安全标准要求测量和监测设备具有很高的可靠性。为此，为了测量活塞在起重油缸(jack cylinder)内的位置，就必须在起重装置内提供两个LVDT传感器，这样如果其中一个传感器出现故障，另一个传感器也可以进行测量。

从法国FR2594515号专利中得知，一种在起重装置气缸中测量活塞位置的装置，其包含两个LVDT型位置传感器。

图3示出了这种装置的功能剖面示意图，该装置安装在起重装置300上，起重装置300包含活塞302，活塞302可以沿轴线300A在气缸301内移动。支撑托盘303横向固定在空心活塞302内。传感器磁铁芯320，340安装在两个芯柱321，341上，固定在托盘303下游侧的芯柱的上游端。芯柱321，341与轴线300A并行延伸，磁铁芯320，340分别向变压器310，330方向呈同心延伸，变压器310，330固定在气缸301的下游端。

活塞302受驱动而在轴线300A上平移。此外，也可以绕轴线300A自由转动。为此，在法国FR25941515号专利所述的装置中，圆环轴承350设置在托盘303和活塞302之间，以便于使活塞302围绕轴线300A受驱转动，而不会引起托盘303和磁铁芯320，340转动。磁铁芯320，340在活塞302平移过程中保持与它们各自的变压器310，330成一体并与其对正。因此，传感器就可以测量气缸301内活塞302的位置。

工作时，活塞302一般承受横向力，使其能够伸缩并能够使芯柱321，341伸缩，且使得芯柱相对于气缸301的轴线300A而偏离中心。那么，磁铁芯320，340就不再相对于各自的变压器310，330而对正中心，并因此而会损坏，导致传感器寿命下降，测量精度也会降低。

发明内容

本发明的目的就是提供一种测量气缸内活塞位置的装置，其包括两个LVDT型传感器，以提供装置的可靠性，其使得活塞可以围绕其轴线自由转动，且不会因为活塞的任意弯曲而受到损坏。

为此，本发明涉及一种测量气缸内活塞位置的装置，该装置沿轴线延伸，并且包括至少两个位置传感器，位置传感器分别包括：

第一传感器构件，其与连接到活塞上的支撑托盘形成整体；

第二传感器构件，其与气缸形成整体；

每个传感器的第一和第二构件设置成可以沿着与气缸轴线平行的轴线彼此相对平移运动，所述装置的特征在于：第一传感器构件与支撑托盘形成整体，该支撑托盘通过球窝接头连杆机构(ball joint link)而连接到活塞上。

通过“球窝接头连杆机构”，可以理解为两个构件之间的连杆机构，其具有3个自由度的旋转运动，但没有平移运动。

使用本发明的装置，可以在气缸内设置一个位置传感器，而不将作用在活塞上的横向应变力传递给该传感器，与此同时，活塞保持可绕气缸轴线而自由转动。因此，对气缸内活塞位置的测量是精确的，传感器也没有会损坏的风险。

本发明克服了在两个位置传感器装置上发生的问题，但本发明还适用于具有两个以上传感器的装置。

此外，相对于法国FR2594515号专利所述装置，轴承抑制(bearing suppression)使装置的维护保养变得容易：因为球窝接头不容易被卡住。

本发明特别适用于起重装置，但是它更普遍地适用于任何包括气缸的装置，在该气缸中活塞平移运行并延伸。因此，本发明适用于，例如计量装置，其包括两个受气缸驱动的活塞，用于调节液体流速。这种计量装置将在下面进一步详细介绍。

较佳地，位置传感器是LVDT型传感器。在这种情况下，第一构件最好包括芯柱，用来支撑磁铁芯，第二传感器构件包括变压器。

较佳地，球窝接头连杆机构包括支撑在球形凸缘内的球形体。该球形体可以与活塞形成整体，也可以与第一传感器构件形成整体。

按照另一个实施例，球形凸缘可以压接成与第一传感器构件形成整体的部件。

本发明还涉及包括气缸、活塞和测量装置的组件，正如上面所介绍的那样，还涉及包括这种组件的飞机发动机。

本发明还涉及起重装置或者计量装置。

附图说明

下面参照附图，并结合有关本发明装置的最佳实施例的如下说明，可以更好地理解本发明，附图如下：

图1为LVDT型位置传感器的局部分解透视示意图；

图2为已有技术测量装置的方框图；

图3为已有技术另一个测量装置的方框图；

图4为本发明图5所述实施例的测量装置的方框图；

图5为本发明带有测量装置的起重装置的剖面图；

图6为本发明另一个实施例所述带有测量装置的起重装置的剖面图。

具体实施方式

参照图4，起重装置包括沿X轴线延伸的气缸1，活塞2就设置在该气缸1内，该活塞2包括活塞头2A，活塞头2A的外径对应于气缸1的内径。起重装置包括用于测量活塞2相对于气缸1的位置的装置，该装置包括两个LVDT型位置传感器3，4。

每个传感器3，4包括一个磁铁芯20，40，如前所述，其与变压器10，30相配合工作。变压器10，30在气缸1内沿轴线X纵向设置，并固定在气缸的下游端。变压器10，30封闭在保护套60内，保护套60在气缸1内纵向延伸，且其下游端与气缸1的下游端固定成一整体。保护套60在活塞2内同心延伸，并在其下游端包括保护套60的通孔6。

传感器3，4的每个磁铁芯20，40都由一个芯柱21，41支撑，芯柱21，41与轴线X平行并与相应的变压器10，30对正，在该变压器内，芯柱设置成同轴延伸。芯柱21，41的上游端与支撑托盘31的下游侧固定成一整体，支撑托盘31横向设置在活塞2内。托盘31整体上呈一个圆盘形状。

参照图5，活塞2为空心的，即它呈一种在气缸1内纵向延伸的护套的形状。支撑磁铁芯20，40的托盘31通过连接装置(此处为球窝接头连杆机构)与活塞2相连，该连杆机构在由活塞2形成的护套内。因为有球窝接头连杆机构50，托盘31可以相对于活塞2进行三个自由度的自由转动，但是在轴线X上平移时其与活塞始终保持成整体。

此处的球窝接头50包括球体51，其安装在具有球壳形状的球形凸缘52内。所属领域的技术人员知道这种球形凸缘52，并将其称之为术语“保持架”(cage)。其功能就是支持球体51，在平移时与其保持整体，但转动时可自由转动。球体51与活塞2构成整体，而凸缘52与托盘31构成整体。

此处的球体51支撑着拨爪511(finger)，该拨爪511在上游端延伸并与活塞2固定成整体。球形凸缘52最好压接到圆柱形部分37内，后者从托盘31的上游侧纵向延伸到下游端，圆柱形部分37的自由端在球形凸缘52处向下折，以便于牢固地支持它。

在对本发明所述装置的结构进行了介绍之后，下面介绍该装置的操作和实施。

在起重装置工作时，活塞2的上游端受驱动相对于气缸1在轴线X上平移运动。与活塞2成一体的球体51做平移运动；其驱动与其成一体的球形凸缘52，从而也驱动其所支撑的托盘31和磁铁芯20，40。因此，磁铁芯20，40在各自的变压器10，30内沿轴线X平移，变压器10，30与气缸1形成整体。因此，可以根据传感器3，4测量的磁铁芯30，40在其变压器10，30内的位置，推断出活塞2在气缸1内的位置。

此外，活塞2可以围绕其轴线X自由转动。在转动时，活塞2驱动球体51，而后者在球形凸缘52内自由转动。没有动作会被传递至磁铁芯20，40，它们始终在其各自的变压器10，30内保持对正。因此，球窝接头连杆机构50可以在活塞2围绕其轴线X转动时避免传感器3，4产生错位。

在工作时，横向力可能会额外施加给活塞2的上游部分，从而导致活塞2弯曲。通过球体51在凸缘52内转动可对这种弯曲给予补偿。没有动作会被传递至磁铁芯20，40，它们始终在其各自的变压器10，30内保持对正。因此，当在活塞2的上游端被施加有横向力时，球窝接头连杆机构50可以使传感器3，4得到保护。

当起重装置工作时，活塞2承受着会产生平移运动的力、使其围绕其轴线转动的力或者产生活塞2弯曲运动的力。通过球窝接头连杆机构50，只有在气缸1的轴线X上的平移运动被传递至磁铁芯20，40。

球窝接头连杆机构50一般不会被卡住，因为灰尘很少有可能会进入到球形凸缘52内。

在另一个实施例中，参考图6，球体51′与托盘31形成整体，球形凸缘52′与活塞2形成整体。球体51′包含轴孔X，螺丝531穿过该轴孔，螺丝531的下游端旋入支撑着传感器3，4的磁铁芯20，40的托盘31内。螺丝53l的上游端被螺母532夹紧，使得球体51′被固定在托盘31上。

球形凸缘52’固定在活塞2上，并被夹紧在与活塞2成一体的螺母53和楔形体54之间，楔形体54插在球形凸缘52’的下游部分上。

上面介绍了本发明在起重装置方面的应用，但本发明还可以应用于其它类型的，带有可在气缸内平移运动的活塞的装置，诸如计量装置或飞机发动机，它们包含的组件具有气缸，活塞，以及如本发明所述的测量装置。

在计量装置中，活塞移动在计量装置的气缸内进行平移运动。两个径向孔设置在气缸内，分别形成了液体的入口和液体的出口。

活塞包括两个塞头(plugging head)，其外径对应于气缸的内径，彼此同轴，且通过轴彼此连接，该轴受驱动沿气缸轴线进行平移运动。在计量装置的关闭位置，塞头完全插入孔内，阻止液体流通。在打开位置，活塞在计量装置的气缸内平移运动，从而使得孔局部或全部打开，形成了从入口到出口的液体流通。因此，活塞的平移可以“调节”或“计量”液体的流速。

为了确定活塞的位置，与前述实施例相似，将支撑托盘横向设置在活塞内，托盘支撑着两个芯柱，在芯柱上分别安装了LVDT型位置传感器的磁铁芯。这些磁铁芯分别与其各自的变压器相对正，并且固定在计量装置气缸的下游端。活塞的下游端上设有一个孔，供变压器穿过。支撑托盘通过球窝接头连杆机构与活塞相连，球体可以固定到活塞上，而球形凸缘则固定到支撑托盘上。

本发明同样适用于接近传感器(proximity sensor)，诸如Pierro型电容式接近传感器、电感式接近传感器、霍尔效应传感器、存在或红外接近传感器(presence orinfrared proximity sensor)等。

Claims (10)

1.一种测量气缸(1)内活塞(2)位置的装置，该装置沿气缸的轴线延伸，并包括至少两个位置传感器(3，4)，位置传感器分别包括：

第一传感器构件，其与连接到活塞上的支撑托盘(31)形成整体，

第二传感器构件，其与气缸(1)形成整体，

每个传感器的第一传感器构件和第二传感器构件设置成可以沿着与气缸轴线平行的轴线彼此相对平移运动，所述装置的特征在于：第一传感器构件与支撑托盘(31)形成整体，该支撑托盘(31)通过球窝接头连杆机构(50)与活塞(2)相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：至少一个位置传感器(3，4)是LVDT型传感器。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述位置传感器的第一传感器构件包括支撑着磁铁芯的芯柱(21)，第二传感器构件包括变压器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：球窝接头连杆机构(50)包括支撑在球形凸缘(52)内的球体(51)。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：球形凸缘(52)与第一传感器构件(20，40)形成整体。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：球形凸缘(52)被压接到与第一传感器构件(20，40)形成整体的部件(37)内。

7.一种包括根据权利要求1所述的气缸(1)、活塞(2)和测量装置的组件。

8.一种包括根据权利要求7所述组件的飞机发动机。

9.一种包括根据权利要求1所述测量装置的起重装置。

10.一种包括根据权利要求1所述测量装置的计量装置。

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