CN101779305A - 位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种位移传感器，其至少具有一个磁电转换元件和一个由至少一个导磁块(13)和至少一个磁体(10，11)构成的磁路，其中，通过导磁块(13)沿着检测方向(14)相对于磁电转换元件(20，21)的位置变化，对磁通进行影响，这种影响能够通过所述转换元件(20，21)测量。所述导磁块(13)能够围绕旋转轴线(16)旋转，该旋转轴线基本对应于检测方向(16)。
Description
技术领域
本发明涉及一种按照独立权利要求前序部分所述的位移传感器。
背景技术
由WO03/062741已知一种带有磁电转换元件的位移传感器。这种位移传感器包括一个磁电转换元件和一个磁路，该磁路至少由一个导磁块和一个磁体构成，其中，在结构很小的情况下通过元件的运动而影响磁通，这种影响可用该转换元件来测量。在位移测量过程中，导磁块和转换元件相对位置不变，而这些部件和所述至少一个磁体之间可以相对运动。能够由转换元件评价的磁场的变化是通过在磁体运动期间磁路中的气隙变化而产生。在这里，磁路的导磁块具有一种包围磁体的轨迹这样的轮廓，从而能够基于在轨迹曲线中气隙宽度的变化在转换元件中产生可预先确定的信号曲线。
发明内容
本发明的目的是提供一种传感器原理，其也可用于要检测能够围绕线性运动轴线转动的部件的位置这样的应用场合。该目的是通过独立权利要求的特征实现的。
根据独立权利要求的特征所述的本发明的位移传感器与现有技术相比具有以下优点：由于导磁块沿检测方向可旋转的布置，因此也可以检测可转动支承的部件的位移。另外，通过导磁块的相应设计，可以实现位移传感器的线性特征曲线。
根据一种有利的改进方案，导磁块沿着旋转轴线呈旋转对称。由此保证不管导磁块可能的转动如何，都能够可靠地检测导磁块的相应位置。气隙以同样的方式被影响，只与位移有关，而与旋转无关。
其他有利的改进方案由其他从属权利要求和说明书给出。
附图说明
附图示出了根据本发明的位移传感器的实施例，下面将对其进行详细描述。
图1是位移传感器的侧视图，
图2是位移传感器的平面图，
图3是一种替代实施例的平面图，该实施例带有两个转换元件和两个磁体，
图4是另一种替代实施例的平面图，该实施例带有错开90°的转换元件和磁体，
图5是带有呈L形的导磁元件的位移传感器的平面图，
图6是带有U形导磁元件的另一实施例的平面图，
图7是另一实施例的平面图，其中导磁是借助两个导磁元件实现，
图8是另一实施例的平面图，其中磁体和转换元件相互分开布置，
图9是借助两个转换元件进行冗余的信号检测的一种布置的平面图，
图10是导磁块支承在一个管件中的另一实施例，
图11是按照图10的实施例的相应平面图，
图12是基本为圆锥体形的导磁块的立体图，
图13是按照图12的布置带有一个导磁元件的另一立体图，
图14是信号-位移曲线图，
图15是一种替代的对称设计的带有两个转换元件的导磁元件的侧视图，
图16是按照图15的布置的转换元件的相应的信号-位置曲线，
图17是位移传感器与踏板连接的示意布置图。
具体实施方式
按照图1所示，横截面基本为抛物线形状的导磁块13相对于磁体10和从磁体伸出的转换元件20沿着检测方向14可移动地布置。该导磁块13除了沿检测方向14的运动外还可以绕着旋转轴线16旋转。旋转轴线16基本上平行于检测方向14。在转换元件20和导磁块13的外轮廓之间形成气隙L1。该气隙L1在导磁块13相对于转换元件20沿检测方向14移动时发生变化。但在导磁块13围绕旋转轴线16旋转而不沿检测方向14移动时，气隙L1不发生变化。按照图1所示的这种布置在图2的平面图中示出。可以看出，在该平面图中，导磁块13具有基本圆形的横截面，因此相对于旋转轴线16旋转对称地被设计成抛物线体。
图3与图2所示实施例的不同在于磁体10和转换元件20的冗余设计。在导磁块13的相对侧设有另一个转换元件21和位于该转换元件后面的另一个磁体11。这两个磁体10，11产生方向相同的场力线，就是说，两个磁体10，11的磁极N，S按照同一方式定向。第二个转换元件21和导磁块的外轮廓之间的最小距离限定了第二气隙L2。
图4所示的实施例与图3所示的实施例的不同之处仅在于磁体10和转换元件20相对于另一个磁体11及另一个转换元件21错开90°布置。
在图5所示的实施例中，磁路或者说磁通由导磁元件18有针对性地引导。该导磁元件18基本上呈L形，直接截取磁体10上的磁通，将磁通经由最靠近导磁块13的位置引向导磁块13。导磁块13朝向转换元件20地闭合磁路。
图6所示的实施例与图5所示实施例的不同特别在于，导磁元件18在此处基本为U形。磁体10位于导磁元件18的一端上，转换元件20位于相对端上。磁路经由导磁元件18、转换元件20、第二气隙L2、导磁块13、第一气隙L1和磁体10重新回到导磁元件18中。如果导磁块13沿着检测方向14移动，则磁体10与导磁块13之间的气隙L1以及转换元件20与导磁块13之间的气隙L2以相同方式变化。在导磁块13围绕旋转轴线16旋转时，上述的气隙L1和L2不改变。此外，磁体10和转换元件20相对靠近导磁块13设置，因此通过这些元件也使磁路闭合。
在图7所示的实施例中，导磁元件18包括两个部分。上部紧挨着磁体10布置，将磁通经由在导磁元件18的端部处的气隙引向导磁块13。磁路通过导磁元件18的下部闭合，该下部将磁通经由在导磁块13的下端处的另一气隙L2引导经过转换元件20。当导磁块13沿着检测方向14改变位置时，在导磁元件18和导磁块13的相应端部之间的气隙L1，L2以相同方式变化。
图8所示的实施例与图7所示的实施例的不同在于，此处转换元件20直接位于导磁块13和导磁元件18的下端之间。导磁元件18又被设计成两个部分，分别从上面和下面包围磁体10的相应磁极。
在图9所示的实施例中，除了转换元件20外，通过另一转换元件21冗余地检测磁通。该另一转换元件21位于转换元件20和导磁块13之间。磁体10位于转换元件20后面。
在图10所示的实施例中，设置了一个以横截面示出的管件24，该管件与导磁块13固定连接。管件24又可以支承在一个未示出的固定圆筒中，从而管件24和导磁块13能够沿着检测方向14线性运动或者围绕平行于检测方向14的旋转轴线16旋转运动。图11示出了相应的平面图，其中磁体10相应地布置在转换元件20后面。
图12示出了导磁块13的一种替代设计方案。该导磁块被设计成基本呈圆锥体形，且终止于圆柱形的端部区域。图中示意地示出了包围导磁块13的管件24。按照图13所示，除了转换元件20和磁体10外，还示出了基本为U形的导磁元件18。这种布置特别有利，因为如果导磁块13沿着两个转换元件20，21之间的一根假想轴线垂直于检测方向14移动，则总气隙L1+L2与导磁块13的位置无关。
图14示出了依赖于沿检测方向14的位移x的转换元件20的输出信号O。由于适当地设计导磁块13的外轮廓，可以看出位移x与转换元件20的输出信号之间的线性关系。
在图15所示的实施例中，导磁块13由端面相互靠置的两个抛物线体13，13’构成，它们的直径沿着检测方向14首先逐渐增大然后逐渐减小。此时沿着检测方向14有两个转换元件20，21布置在磁体10前面，并且关于对称轴22对称。从图16可以看出，图15所示的两个转换元件20，21的相应信号曲线。转换元件20，21的输出信号与位移有关地各具有一条先是线性增加紧接着又线性减小的曲线，两者间有相移。
从图17可以得知用于检测踏板28的位移的位移传感器的示意性结构。踏板28通过一个支座26大体上可摆动地支承，通过联合器30使导磁块13连同包围该导磁块的管件24相对磁体10及布置在磁体前面的转换元件20移动。
图中所示的实施例的工作方式如下。在将导磁块13外轮廓选定为抛物线体形状的情况下，导磁块13沿着检测方向14的位移变化导致转换元件20和导磁块13之间的气隙L1发生变化。根据气隙L1的大小，转换元件20例如霍尔元件所检测的磁通发生变化。磁体10例如永磁体也是相应磁路的组成部分，该磁体的磁极方向使磁力线通过转换元件20、气隙L1、导磁块13，然后再经由磁体10返回。导磁块13被构造成旋转对称体。其结果是，导磁块13绕旋转轴线16的旋转不会导致导磁块13的外轮廓与转换元件20之间的气隙L1发生变化。相应的旋转箭头示出了导磁块13绕旋转轴线16的支承。旋转轴线16基本上平行于检测方向14定向。如果导磁块13沿着检测方向14移动，则转换元件20按照图13所示特征曲线与导磁块13可能的旋转无关地改变输出信号，因为气隙L1变化了。优选的是，选定导磁块13的外轮廓，使转换元件20的输出信号O与位移x之间呈现线性关系。在此已经表明，导磁块13的抛物线外轮廓是特别有利的。导磁块13由铁磁材料构成，例如钢，作为磁路的组成部分。
图3和4所示的实施例中，可以冗余地检测磁通的信号。在此，适当设置另一个转换元件21，其中优选的是它与导磁块13的气隙L2等于第一转换元件20与导磁块13之间的气隙。因此，第一磁路通过第一磁体10，第一转换元件20，第一气隙L1以及导磁块13的相应区域构成，第二磁路通过第二磁体11，第二转换元件21，第二气隙L2构成，其中第二磁路通过导磁块13闭合。此时，这两个转换元件20，21相互独立且平行地以关于第一实施例所述的方式检测导磁块13的位置。两个磁路中的气隙L1，L2在导磁块13沿着检测方向14移动时以相同方式变化。当其中一个转换元件20出现故障时，另一个转换元件21检测导磁块13的位置，从而能够保证容错工作。
在具有两个转换元件20，21的实施例中，优选将两个转换元件20，21的输出信号相加然后取平均值。这样产生的输出信号用于求得位移x。如果第二转换元件21与第一转换元件20相对置，则保证了两个转换元件20，21的总信号的无关性。
在图5所示的实施例中，另外设置了一个导磁元件18，该导磁元件用于有针对性地引导磁场并将磁场引入导磁块13或从导磁块13中引出。因此，在那，有利地引导磁力线经过转换元件20，磁体10，L形导磁元件18，直至导磁元件的端部，在该端部处，克服经气隙L2到导磁块13的最小距离，由此闭合磁路。借助于导磁元件18，可以有针对性地影响这种布置的几何构造，并与不同的结构空间和情况相适应。因此，这种布置的灵活性非常大。此外，产生了大的磁行程，由此产生较大的测量信号。
类似的情况适用于图6。与图5不同的是，导磁元件18终止于与转换元件20相对的一侧，通过这一侧将磁场的磁力线导入导磁块13中。在图7所示的实施例中，设置了两个导磁元件18，它们分别在导磁块和磁体10之间以及在导磁块与转换元件20之间有针对性地引导磁力线。磁体10和转换元件20的几何布置的自由度可以通过导磁元件18相应地提高。从图8也可以看出，在哪个位置上，永磁体10在空间上与转换元件20分开布置并且仅通过导磁元件18与转换元件20磁连接。尤其，图3，6，7，8，13所示的布置是容错的，因为由第一气隙和第二气隙之和L1+L2构成的总气隙L1+L2在导磁块13垂直于检测方向14沿着两个气隙L1和L2之间的一条假想轴线的位移量很小时保持不变。如果例如导磁块13在绘图平面中稍微垂直向上移动，则气隙L1减小该位移量，而第二气隙L2增加了该位移量。而总气隙L1+L2不变。
图9中示出了检测信号的另一种冗余式设计方案，在这里，通过将两个转换元件20，21前后布置来实现。它们平行地检测受导磁块13的位置变化影响的磁场。
在图10和11所示的实施例中，另外还示出了包围导磁块13的管件24。通常与导磁块13固定相连的管件24不影响磁路，因为它由非铁磁材料构成，例如铝。管件24特别适于将位移传感器简单支承在一个圆筒形的配合件中。为了提高这种布置的自由度，要求即使在导磁块13绕旋转轴线16旋转时，也必须保证导磁块13的位置检测。这可以通过导磁块13的旋转对称结构来实现。
在按照图12和13所示的替代实施例中，导磁块13基本为具有圆柱形端部的圆锥体形。对导磁块13的设计重要的是，外径在沿着检测方向14移动过程中不断变化，从而影响待测磁场的相应气隙L1也持续地变化。圆锥体形可以特别简单地制造出来。圆柱形端部区域特别是用于使导磁块轮廓的测量区域得到充分利用，尤其是防止信号下降。这一点可以通过图示的圆柱形端部尽可能地得以避免。但另一方面，在该端部区域不能再进行位置检测。
正是为了减轻边缘部位的这种影响，图15中所选的导磁块13的形状更有利。一方面，在那可以在整个长度上都能够唯一地检测位移。另一方面，两个相邻布置的转换元件20，21能够用于冗余地检测信号。这些转换元件20，21中的每一个检测与位移相关的输出信号，该输出信号然后可以在一个上级控制装置中借助相应的信号处理算法转换成具有双倍信号范围的位移信号。两个转换元件20，21的相应的信号曲线在图16中示出。
上述位移传感器特别适于对踏板进行位移测量。为此，踏板28通过一个支承在支座26中的联合器30与管件24和位于管件中的导磁块13机械连接。踏板28的变化导致导磁块13沿着检测方向14的移动。因此，转换元件20和导磁块13之间的气隙发生改变。转换元件20的相应输出信号指示导磁块相对于转换元件20的相应位置，因此对应于踏板28的位置。由于导磁块13被构造成旋转对称的，因此可以允许管件24和导磁块13一起旋转，而同时保证可靠地检测导磁块13沿着检测方向14的位移。
Claims (10)
1.一种位移传感器，其至少具有一个磁电转换元件(20，21)和一个由至少一个导磁块(13)和至少一个磁体(10，11)构成的磁路，其中，通过导磁块(13)沿着检测方向(14)相对于磁电转换元件(20，21)的位移变化，对所述磁路的磁通进行影响，这种影响能够通过所述转换元件(20，21)测量，其特征在于，所述导磁块(13)能够围绕旋转轴线(16)旋转。
2.按照权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述旋转轴线(16)基本上平行于所述检测方向(14)。
3.按照前述权利要求中任一项所述的位移传感器，其特征在于，所述导磁块(13)构造为相对于所述旋转轴线(16)呈旋转对称。
4.按照前述权利要求中任一项所述的位移传感器，其特征在于，所述导磁块(13)至少部分被设计成抛物线体或圆锥体。
5.按照前述权利要求中任一项所述的位移传感器，其特征在于，所述导磁块(13)至少部分被一个管件(24)包围。
6.按照前述权利要求中任一项所述的位移传感器，其特征在于，所述导磁块(13)至少在端部区域是圆柱形的。
7.按照前述权利要求中任一项所述的位移传感器，其特征在于，所述导磁块(13)的形状使所述转换元件(20)根据所述导磁块(13)沿着检测方向(14)的位移(x)产生线性输出信号(0)。
8.按照前述权利要求中任一项所述的位移传感器，其特征在于，至少设有另一个转换元件(21)和/或另一个磁体(11)。
9.按照前述权利要求中任一项所述的位移传感器，其特征在于，设有至少一个导磁元件(18)，该导磁元件是所述磁路的一部分。
10.按照前述权利要求中任一项所述的位移传感器，其特征在于，所述磁路的组成部分如转换元件(20，21)，磁体(10，11)或导磁元件(18)相对于所述导磁块(13)的布置使所述导磁块(13)垂直于检测方向(14)的移动对总气隙(L1+L2)不产生影响。
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Open date: 20100714 |