CN101427106A - 用于连杆的位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种位移传感器(100)。位移传感器(100)包括具有不规则磁性分级区域(105)的连杆(103)，接近不规则磁性分级区域(105)定位的磁性传感器(110)。该磁性传感器(110)产生与不规则磁性分级区域(105)相对于该磁性传感器(110)的位置有关的位置信号。

Description

用于连杆的位移传感器
背景技术
1、技术领域
本发明涉及一种位移传感器，特别是一种用于连杆的位移传感器。
2、技术问题
为了产生例如作用于流体的压力或使流体流动的机械功，活塞包括能够在腔室中线性移动的装置。此外，活塞能够响应于将流体引入腔室或者从腔室排出而移动。结果，活塞广泛地用于将流体运动转换成活塞的机械运动以及将活塞的机械运动转换成流体运动。
活塞广泛地用于工业应用中。活塞用于使流体运动。活塞用于阀门装置中来控制流体包括液体和气体的流动。由于这些用途，经常需要知道活塞连杆的精确和瞬时位移。
解决方法
根据本发明的实施例提供一种位移传感器。位移传感器包括具有不规则磁性分级区域的连杆以及接近该不规则磁性分级区域定位的磁性传感器。磁性传感器产生与不规则磁性分级区域相对于磁性传感器的位置有关的位置信号。
根据本发明的实施例提供一种位移传感器。位移传感器包括具有不规则磁性分级区域的连杆以及接近该不规则磁性分级区域定位的磁性传感器。磁性传感器包括耦合元件，该耦合元件具有两个支柱和一个顶端；固定到耦合元件的两个支柱的底部支柱端的两个磁铁；以及固定到耦合元件的顶端的霍尔效应传感器。霍尔效应传感器与两个磁铁磁性连接。磁性传感器产生与不规则磁性分级区域相对于磁性传感器的位置有关的位置信号。
根据本发明的实施例提供一种位移传感器。位移传感器包括具有不规则磁性分级嵌入物的连杆以及接近该不规则磁性分级嵌入物定位的磁性传感器。磁性传感器产生与不规则磁性分级嵌入物相对于该磁性传感器的位置有关的位置信号。
根据本发明的实施例提供一种位移传感器。位移传感器包括具有分级腔室部分的实质上磁性的连杆以及接近该分级腔室部分定位的磁性传感器。磁性传感器产生与分级腔室部分相对于该磁性传感器的位置有关的位置信号。
根据本发明的实施例提供一种位移传感器。位移传感器包括具有不规则磁性分级区域的实质上磁性的连杆，以及接近该不规则磁性分级区域定位的磁性传感器。磁性传感器产生与不规则磁性分级区域相对于该磁性传感器的位置有关的位置信号。
发明内容
在位移传感器的一个实施例中，不规则磁性分级区域至少部分地位于连杆内。
在位移传感器的另一个实施例中，不规则磁性分级区域实质上完全位于连杆内。
在位移传感器的又一个实施例中，不规则磁性分级区域实质上在轴向上以连杆为中心。
在位移传感器的又一个实施例中，不规则磁性分级区域包括分级磁性响应嵌入物。
在位移传感器的又一个实施例中，连杆包括空心部分，不规则磁性分级区域包括位于该空心部分中的分级磁性响应嵌入物。
在位移传感器的又一个实施例中，连杆实质上是磁性的，不规则磁性分级区域包括分级空腔部分。
在位移传感器的又一个实施例中，连杆实质上是磁性的，不规则磁性分级区域由连杆形成。
在位移传感器的另一个实施例中，磁性传感器包括耦合元件，该耦合元件具有两个支柱和一个顶端；固定于耦合元件的两个支柱的底部支柱端的两个磁铁；以及固定于耦合元件的顶端的霍尔效应传感器，其中霍尔效应传感器与两个磁铁磁性连接。
在位移传感器的又一个实施例中，两个磁铁实质上沿着与连杆表面相应的弧线设置。
在位移传感器的又一个实施例中，两个磁铁包括两个实质上相反的磁体。
附图说明
在所有附图中，相同的附图标记代表相同的元件。应当理解，附图没必要是成比例的。
附图1表示根据本发明实施例的磁性传感器。
附图2表示根据本发明实施例的活塞位移传感器。
附图3表示根据本发明另一个实施例的活塞连杆。
附图4表示根据本发明另一个实施例的活塞连杆。
附图5表示根据本发明另一个实施例的活塞连杆。
附图6表示根据本发明另一个实施例的活塞连杆。
附图7表示活塞连杆，其中部分插入不规则磁性分级嵌入物。
附图8表示根据本发明另一个实施例的活塞连杆。
附图9表示根据本发明另一个实施例的活塞连杆。
具体实施方式
附图1-9和下面的描述描绘了教导本领域技术人员制造和使用本发明的最佳方式的特例。为了教导发明的原理，简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员根据这些例子可以理解落入本发明的范围内的变型。本领域技术人员应当理解，可以将下述的技术特征以不同的方法组合以形成本发明的多种变型。结果，本发明不限于下述特例，本发明仅由权利要求及其等价物限定。
附图1表示根据本发明实施例的磁性传感器110。磁性传感器110是位移传感器100(参见附图2)的组件。位移传感器100在下文的活塞连杆中论述。然而，应当理解，任何实施例的位移传感器100都可以与任何样式的可替换的连杆或元件一起使用。
磁性传感器110包括两个耦合元件111，该耦合元件包括两个支柱112a和112b。支柱112a和112b接收两个相应的磁铁114a和114b。每个支柱112都有顶端120，其中霍尔效应传感器116在两个顶端120a和120b之间接收。霍尔效应传感器116可以仅定位在两个顶端120a和120b之间或者可以以一些方式固定、粘结或夹紧在两个顶端120a和120b之间。可替换地，耦合元件111可以具有一个包括多个支柱112的零件。
在这个实施例中，磁铁114实质上沿弧线(参见虚线)设置。该弧线对应于活塞连杆表面(参见附图2)。这样，磁铁114的整个表面区域接近活塞连杆103和不规则磁性分级区域105放置。因此，提升了磁铁114和不规则磁性分级区域105之间的相互作用。
在一个实施例中，两个磁铁114a和114b在不规则磁性分级区域105周围的位置实质上是相对的(例如，间隔180度)。这样，可以使磁路最佳生效。然而，应当理解，当使用多个磁铁时，它们可以位于不规则磁性分级区域105周围任何需要的位置或者布局。
附图2表示根据本发明实施例的活塞位移传感器100。活塞位移传感器100包括作为活塞连杆103一部分的不规则磁性分级区域105，以及接近不规则磁性分级区域105(接近活塞连杆103)的磁性传感器110。然而，应当理解，可以通过任何移动连杆103的方式使用位移传感器100，而不限于应用于活塞。
磁性传感器110不需要接触活塞连杆103。替代地，磁性传感器110维持其与不规则磁性分级区域105之间的工作间隙G(参见附图9)。在一些实施例中，由于活塞连杆103相对于磁性传感器110轴向移动，因而改变工作间隙G的大小。还应当理解，在一些实施例中，在磁性传感器110和活塞连杆103之间维持固定间隙，而不依赖于工作间隙G。
磁性传感器110产生与不规则磁性分级区域105的位置有关的位置信号，这是因为磁阻依赖于磁性传感器110和不规则磁性分级区域105的位置。位置信号是由磁性传感器110和不规则磁性分级区域105之间的磁性相互作用如霍尔效应而产生的。不规则磁性分级区域105实际上形成了用于磁性传感器110的磁路。工作间隙G的大小控制磁路的效力。因此，可以通过增加工作间隙G减少由磁性传感器110接收并且测量的磁通量。如果活塞连杆103向附图左侧移动，则磁性传感器110测量到较低水平的磁通量。相反，当活塞连杆103向附图右侧移动时，工作间隙G减小，磁性传感器110测量到较高水平的磁通量。
不规则磁性分级区域105可以包括以一些方式响应于磁通量的任何材料。不规则磁性分级区域105能够传导或传递磁通量。例如，如果不规则磁性分级区域105具有高磁渗透性，则不规则磁性分级区域105能够传导磁通量。因此，磁性传感器110能够接收和检测更多的磁通量。可替换地，不规则磁性分级区域105能够支配磁性水平使其大于或小于围绕活塞连杆103的磁性。因此，由于不规则磁性分级区域105是磁性不规则的，磁性传感器110能够检测不同的位置信号，从而确定活塞连杆103的位置。
在一个实施例中，不规则磁性分级区域105包括嵌入物，其铸入或者插入活塞连杆103中(还参见附图4和6-8)。可替换地，不规则磁性分级区域105可以是插入并位于空心部分102中的嵌入物。不规则磁性分级区域105可以包括实心嵌入物，例如磁响应金属、金属化合物、磁响应陶瓷或陶瓷化合物。可替换地，不规则磁性分级区域105可以包括填充有磁响应流体的空心容器。在另一个替换方案中，不规则磁性分级区域105包括活塞连杆103中的分级腔室部分105(参见附图3)，其中腔室或成型区域与磁性传感器110相互作用。在又一个实施例中，不规则磁性分级区域105包括由活塞连杆103形成的不规则磁性分级区域105(参见附图5)。
在活塞位移传感器100的一个实施例中，不规则磁性分级区域105至少部分地位于活塞连杆103中。在另一个实施例中，不规则磁性分级区域105实质上完全位于活塞连杆103中。在又一个实施例中，不规则磁性分级区域105实质上轴向上以活塞连杆103为中心。
不规则磁性分级区域105以一些方式分级。在所示的实施例中，不规则磁性分级区域105实质上是锥形的。然而，也可以使用其它形状(参见附图6-8)。因此，磁性传感器110能够产生相对于不规则磁性分级区域105变化的位置信号。当磁性传感器110位于不规则磁性分级区域105较大的一端时，在一个实施例中，不规则磁性分级区域105将传导更多的磁通量，因此增加了位置信号。相反，当磁性传感器110位于较小的一端时，由于更多的磁通量通过耦合元件111传导到霍尔效应传感器116，因而增加了位置信号。
本发明的一个好处在于：可以通过位置信号确定活塞的绝对位置。由于不规则磁性分级区域105上的分级，即使活塞没有移动，或者在相关的外部控制器或处理器复位或失去电力之后，也可以确定绝对位置。
本发明的另一个好处在于：可以精确地确定活塞的运动方向。运动方向可以通过位置信号的信号水平来确定，其中信号水平随着不规则磁性分级区域105的分级大小的增大或减小而改变。
本发明的又一个好处在于：可以提供活塞的速度和加速度。速度和加速度可以根据位置信号随时间的变化来确定。
磁性传感器110具有霍尔效应传感器116和相关的线束117、包括两个支柱的耦合单元111，以及对应于该两个支柱的两个磁铁114。应当理解，可以使用两个以上的支柱和磁铁。可以将整个磁性传感器110和不规则磁性分级区域105装入活塞或阀门的内部。
耦合元件111包括软磁或磁导材料。例如，耦合元件111可由铁，钢或铁素体钢形成。然而，也可以使用其它的磁导材料。结果，由一个或多个磁铁114产生的磁通量通过耦合元件111传导到霍尔效应传感器116。同时，如果磁性传感器110接近，则一个或多个磁铁114与不规则磁性分级区域105相互作用。当一个或多个磁铁114靠近不规则磁性分级区域105时(即当工作间隙G较小时)，磁路较强，耦合元件111将大量的磁通量从一个或多个磁铁114传导到霍尔效应传感器116。当一个或多个磁铁114远离时(即工作间隙G较大)，不规则磁性分级区域105将从一个或多个磁铁114传导非常少的磁通量，其中减少了由耦合元件111传递到霍尔效应传感器116的磁性量。这样，霍尔效应传感器116能够产生与磁响应嵌入物相对于磁性传感器110的位置有关的位置信号。
在这个实施例中，活塞连杆103包括空心部分102，不规则磁性分级区域105具有不规则磁性分级嵌入物105。不规则磁性分级嵌入物105位于空心部分102中。空心部分102可以是任何所需的尺寸或形状。在一个实施例中，不规则磁性分级嵌入物105胶合或粘结在空心部分102中。可替换地，不规则磁性分级嵌入物105能够通过压配合或摩擦配合保持，或者能够通过塞子或其它密封装置(未在附图中表示)阻塞。为此，不规则磁性分级嵌入物105可以包括圆柱形部分107。圆柱形部分107能够在空心部分102中提供摩擦配合，或者提供用于在空心部分102中粘结不规则磁性分级嵌入物105的区域。
在一个实施例中，可以将磁性传感器110插入非磁响应材料本体130中。本体130可以包括任何非导磁材料，例如塑料。本体130可以用于将磁性传感器110的组件作为一个单元保持。此外，本体130可以用于将磁性传感器100安装或固定到附近的结构。另外，本体130可以用于保护和/或密封磁性传感器110。
附图3表示根据本发明另一个实施例的活塞连杆103。在这个实施例中，活塞连杆103实质上是磁性的。活塞连杆103包括直的腔室部分104和分级的腔室部分105。分级的空腔部分105包括磁性减小的分级区域。因此，如前所述，分级的空腔部分105与磁性传感器110相互作用，以便产生位置信号。因此，位置信号与分级腔室部分105相对于磁性传感器110的位置有关。
附图4表示根据本发明另一个实施例的活塞连杆103。在这个实施例中，不规则磁性分级区域105实质上轴向插入活塞连杆103。在这个实施例中，在插入区域108中，活塞连杆103的直径不是均匀的。可替代地，活塞连杆103的直径在插入区域108的一端较大，其中在不规则磁性分级区域105周围，活塞连杆103具有实质上均匀的活塞连杆材料的横截面积。结果，这个实施例不会遭受插入区域108中减少的连杆强度。
附图5表示根据本发明另一个实施例的活塞连杆103。在这个实施例中，活塞连杆103实质上是磁性的，并且包括由活塞连杆103形成的不规则磁性分级区域105。在这个实施例中，不规则磁性分级区域105可以任何方式形成，例如铸造或机械加工。不规则磁性分级区域105可以具有小于活塞连杆103的标准直径D的直径。不规则磁性分级区域105可以具有大于活塞连杆103的标准直径D的直径。此外，如图所示，不规则磁性分级区域105可以从小于标准直径D的直径向大于标准直径D的直径张开。不规则磁性分级区域105与磁性传感器110相互作用，以产生位置信号。因此，位置信号与不规则磁性分级区域105相对于磁性传感器110的位置有关。
附图6表示根据本发明另一个实施例的活塞连杆103。在这个实施例中，不规则磁性分级区域105包括楔形嵌入物105。楔形嵌入物105可以实质上是矩形轮廓，或者可以包括任何分级的楔形。如图所示，楔形嵌入物105可部分插入活塞连杆103，或者全插入活塞连杆103。当然，该图(以及附图7-8)的楔形嵌入物要求限制活塞连杆103的旋转，从而使磁性传感器110正确和有效地运行。
附图7表示了活塞连杆103，其中部分插入不规则磁性分级嵌入物105。结果，在本实施例中，不规则磁性分级嵌入物105从活塞连杆103延伸。
附图8表示根据本发明另一个实施例的活塞连杆103。在这个实施例中，不规则磁性分级区域105包括包含多个台阶106的阶梯状嵌入物105。台阶106可以具有任何需要的形状或大小。如图所示，阶梯状嵌入物105可完全插入活塞连杆103中，或者也可以部分插入。
附图9表示根据本发明另一个实施例的活塞位移传感器100。在这一实施例中，不规则磁性分级区域105包括弯曲的圆锥形。因此，不规则磁性分级区域105包括实质上凸出的或凸起的圆锥形。在本实施例中，可促使该形状实质上线性化工作间隙中磁场强度的依赖性。结果，霍尔传感器116的磁场在绝对直边的圆锥形中不会快速下降。

Claims (37)

1、一种位移传感器(100)，包括：
具有不规则磁性分级区域(105)的连杆(103)；以及
接近所述不规则磁性分级区域(105)定位的磁性传感器(110)，其中磁性传感器(110)产生与所述不规则磁性分级区域(105)相对于所述磁性传感器(110)的位置有关的位置信号。
2、如权利要求1所述的位移传感器(100)，所述不规则磁性分级区域(105)至少部分地位于所述连杆(103)内。
3、如权利要求1所述的位移传感器(100)，所述不规则磁性分级区域(105)实质上完全位于所述连杆(103)内。
4、如权利要求1所述的位移传感器(100)，所述不规则磁性分级区域(105)实质上轴向上以所述连杆(103)为中心。
5、如权利要求1所述的位移传感器(100)，所述不规则磁性分级区域(105)包括分级磁性响应嵌入物(105)
6、如权利要求1所述的位移传感器(100)，所述连杆(103)包括空心部分(102)，所述不规则的磁性分级区域(105)包括位于所述空心部分(102)中的分级磁性响应嵌入物(105)。
7、如权利要求1所述的位移传感器(100)，所述连杆(103)实质上是磁性的，所述不规则磁性分级区域(105)包括分级的腔室部分(105)。
8、如权利要求1所述的位移传感器(100)，所述连杆(103)实质上是磁性的，所述不规则磁性分级区域(105)由所述连杆(103)形成。
9、如权利要求1所述的位移传感器(100)，所述磁性传感器(110)包括：
耦合元件(111)，所述耦合元件(111)具有两个支柱(112)和一个顶端(120)；
固定于所述耦合元件(111)的两个支柱(112)的底部支柱端的两个磁铁(114)；以及
固定于所述耦合元件(111)的顶端(120)的霍尔效应传感器(116)，其中所述霍尔效应传感器(116)与所述两个磁铁(114)磁性连接。
10、如权利要求9所述的位移传感器(100)，所述耦合元件(111)包括两个顶端(120)和接收两个相应的磁铁(114)的两个支柱部分(112)，所述霍尔传感器(116)固定在所述两个顶端(120)之间，其中所述两个磁铁(114)实质上沿着对应于连杆表面的弧线设置。
11、如权利要求9所述的位移传感器(100)，所述两个磁铁(114)包括两个实质上相反的磁铁。
12、一种位移传感器(100)，包括：
包括不规则磁性分级区域(105)的连杆(103)；以及
接近所述不规则磁性分级区域(105)定位的磁性传感器(110)，所述磁性传感器(110)包括：
耦合元件(111)，所述耦合元件(111)包括两个支柱(112)和一个顶端(120)；
固定于所述耦合元件(111)的两个支柱(112)的底部支柱端的两个磁铁(114)；以及
固定于所述耦合元件(111)的顶端(120)的霍尔效应传感器(116)，其中所述霍尔效应传感器(116)与所述两个磁铁(114)磁性连接。
其中，所述磁性传感器(110)产生与所述不规则磁性分级区域(105)相对于所述磁性传感器(110)的位置有关的位置信号。
13、如权利要求12所述的位移传感器(100)，所述不规则磁性分级区域(105)至少部分地位于所述连杆(103)内。
14、如权利要求12所述的位移传感器(100)，所述不规则磁性分级区域(105)实质上完全位于所述连杆(103)内。
15、如权利要求12所述的位移传感器(100)，所述不规则磁性分级区域(105)实质上轴向上以所述连杆(103)为中心。
16、如权利要求12所述的位移传感器(100)，所述不规则磁性分级区域(105)包括分级磁性响应嵌入物(105)。
17、如权利要求12所述的位移传感器(100)，所述连杆(103)包括空心部分(102)，所述不规则磁性分级区域(105)包括位于所述空心部分(102)中的分级磁性响应嵌入物(105)。
18、如权利要求12所述的位移传感器(100)，所述连杆(103)实质上是磁性的，所述不规则磁性分级区域(105)包括分级的腔室部分(105)
19、如权利要求12所述的位移传感器(100)，所述连杆(103)实质上是磁性的，所述不规则磁性分级区域(105)由所述连杆(103)形成。
20、如权利要求12所述的位移传感器(100)，所述两个磁铁(114)实质上沿着对应于连杆表面的弧线设置。
21、如权利要求12所述的位移传感器(100)，所述两个磁铁(114)包括两个实质上相反的磁铁。
22、一种位移传感器(100)，包括：
包括不规则磁性分级嵌入物(105)的连杆(103)；以及
接近所述不规则磁性分级嵌入物(105)定位的磁性传感器(110)，其中所述磁性传感器(110)产生与所述不规则磁性分级嵌入物(105)相对于所述磁性传感器(110)的位置有关的位置信号。
23、如权利要求22所述的位移传感器(100)，所述不规则磁性分级嵌入物(105)至少部分地位于所述连杆(103)内。
24、如权利要求22所述的位移传感器(100)，所述不规则磁性分级嵌入物(105)实质上完全位于所述连杆(103)内。
25、如权利要求22所述的位移传感器(100)，所述不规则磁性分级嵌入物(105)实质上轴向上以所述连杆(103)为中心。
26、如权利要求22所述的位移传感器(100)，所述连杆(103)包括空心部分(102)，所述不规则磁性响应分级嵌入物(105)位于所述空心部分(102)中。
27、如权利要求22所述的位移传感器(100)，所述磁性传感器(110)包括：
耦合元件(111)，所述耦合元件(111)包括两个支柱(112)和一个顶端(120)；
固定于所述耦合元件(111)的两个支柱(112)的底部支柱端的两个磁铁(114)；以及
固定于所述耦合元件(111)的顶端(120)的霍尔效应传感器(116)，其中所述霍尔效应传感器(116)与所述两个磁铁(114)磁性连接。
28、如权利要求27所述的位移传感器(100)，所述两个磁铁(114)实质上沿着对应于连杆表面的弧线设置。
29、如权利要求27所述的位移传感器(100)，所述两个磁铁(114)包括两个实质上相反的磁铁。
30、一种位移传感器(100)，包括：
具有分级腔室部分(105)的实质上磁性的连杆(103)；以及
接近所述分级腔室部分(105)定位的磁性传感器(110)，其中所述磁性传感器(110)产生与所述分级腔室部分(105)相对于所述磁性传感器(110)的位置有关的位置信号。
31、如权利要求30所述的位移传感器(100)，所述磁性传感器(110)包括：
耦合元件(111)，所述耦合元件(111)包括两个支柱(112)和一个顶端(120)；
固定于所述耦合元件(111)的两个支柱(112)的底部支柱端的两个磁铁(114)；以及
固定于所述耦合元件(111)的顶端(120)的霍尔效应传感器(116)，其中所述霍尔效应传感器(116)与所述两个磁铁(114)磁性连接。
32、如权利要求30所述的位移传感器(100)，所述两个磁铁(114)实质上沿着对应于连杆表面的弧线设置。
33、如权利要求31所述的位移传感器(100)，所述两个磁铁(114)包括两个实质上相反的磁铁。
34、一种位移传感器(100)，包括：
实质上磁性的连杆(103)，包括由所述连杆(103)形成的不规则磁性区域(105)；以及
接近所述不规则磁性分级区域(105)定位的磁性传感器(110)，其中所述磁性传感器(110)产生与所述不规则磁性分级区域(105)相对于所述磁性传感器(110)的位置有关的位置信号。
35、如权利要求34所述的位移传感器(100)，所述磁性传感器(110)包括：
耦合元件(111)，所述耦合元件(111)包括两个支柱(112)和一个顶端(120)；
固定于所述耦合元件(111)的两个支柱(112)的底部支柱端的两个磁铁(114)；以及
固定于所述耦合元件(111)的顶端(120)的霍尔效应传感器(116)，其中所述霍尔效应传感器(116)与所述两个磁铁(114)磁性连接。
36、如权利要求34所述的位移传感器(100)，其中所述两个磁铁(114)实质上沿着对应于连杆表面的弧线设置。
37、如权利要求35所述的位移传感器(100)，所述两个磁铁(114)包括两个实质上相反的磁铁。
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