CN101897050B - 具有相移偏置脉冲串的磁致伸缩位移换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种组件(100)，包括提供换能器输出(122)的磁致伸缩换能器(116)。放大器电路(124)接收换能器输出并产生换能器输出脉冲串(126)和偏置输出脉冲串(128)。换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串在时间上交迭并且有相位差。脉冲串处理器(130)接收换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串。脉冲串处理器提供位移输出(118)，位移输出(118)是当换能器输出脉冲串与偏置输出脉冲串处于相同电压电平时的时间的函数。
Description
背景技术
以下讨论的内容仅仅是提供了背景信息，而不旨在用于帮助确定要求保护的主题的范围。
磁致伸缩位移换能器组件典型地安装在工业设备，以用于感测机器零件的位移或水位感测浮子的位移。典型地在安装于机器或罐的外壳中容纳磁致伸缩位移电子装置。随着磁致伸缩位移换能器的应用范围的扩大，需要在更低的位移抖动水平下对位移采样。抖动是所测量的位移的小的快速变化。根据沿磁致伸缩元件的声波时延间隔来测量位移。利用与正常固定偏压电平相交的换能器输出脉冲串来确定时延间隔的末尾。偏压电平和换能器输出脉冲串电压都包含噪声。噪声使得时延间隔的末尾的测量过度抖动。可以通过电路衰减来遮掩抖动，然而，衰减不期望地限制了位移测量的响应速度。希望提供一种稳定的低抖动位移测量，这种位移测量不会被磁致伸缩位移换能器组件中的衰减所减慢。
发明内容
提供了发明内容和摘要以采用简单的形式来引入一些构思，以下在详细描述中将进一步描述这些构思。发明内容和摘要不旨在限定要求保护的主题的关键特征和基本特征，也不旨在用于帮助确定要求保护的主题的范围。此外，本文提供的描述以及要求保护的主题不应被解释为用于解决背景技术中所讨论的任何缺点。
公开了一种组件。所述组件包括至少第一磁致伸缩换能器。第一磁致伸缩换能器提供第一换能器输出。
所述组件包括放大器电路。所述放大器电路接收第一换能器输出并产生换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串。换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串在时间上彼此交迭。换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串彼此之间有相位差。
根据另一实施例，所述组件包括脉冲串处理器电路。脉冲串处理器电路接收换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串。脉冲串处理器电路提供位移输出，所述位移输出是当换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串处于相同电压电平时的时间检测的函数。
附图说明
图1示出了换能器组件。
图2示出了与图1所示的换能器组件相关的时序图。
图3示出了具有固定偏置电平的换能器组件的位移输出的抖动。
图4示出了包括比较器在内的换能器组件的一部分，所述比较器将放大后的输出与模拟延迟线的输出相比较。
图5示出了在放大后的输出与图4的延迟后的输出之间的相交(crossover)的曲线图。
图6示出了包括比较器在内的换能器组件的一部分，所述比较器将放大后的输出与反相器的输出相比较。
图7示出了图6中放大后的输出与反相器输出之间的相交的曲线图。
图8示出了换能器组件的一部分，在该部分中，第一换能器和第二换能器沿着磁致伸缩元件隔开一定距离，该距离提供了换能器输出之间的延迟和相移。
图9示出了图8中换能器脉冲与偏置脉冲串之间的相交的曲线图。
图10示出了换能器脉冲串与固定偏压之间的相交的曲线图。
图11示出了具有λ/2相移的换能器脉冲串与偏置脉冲串之间的相交的曲线图。
图12示出了换能器组件的一部分，在该部分中具有抽头线圈的换能器产生具有λ/2相移的两个输出。
图13示出了换能器组件的一部分，在该部分中具有两个线圈的换能器产生具有λ/2相移的两个输出。
具体实施方式
在下述实施例中，减小了磁致伸缩换能器组件的位移输出的抖动，而不必采用过度的输出衰减，并且在保持采样速度的同时提高了分辨率。磁致伸缩换能器提供换能器输出。放大器电路接收换能器输出并产生换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串。换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串在时间上交迭并且具有相位差。脉冲串处理器接收换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串。脉冲串处理器提供位移输出，所述位移输出是当换能器输出脉冲串与偏置输出脉冲串在相同电压电平相交的时间的函数。
图1示出了耦合至磁致伸缩元件102的换能器组件100。磁致伸缩元件102在磁体106的位移路径104旁边延伸，并感测磁体106的位移。磁体106附加到移动零件，如，移动的机器零件或罐中移动的浮子(未示出)。磁体106相对于磁致伸缩元件102移动。磁致伸缩元件102延伸到换能器组件100。电引线108、110提供沿着磁致伸缩元件102的长度方向流动的一系列重复电流脉冲112。
磁体106产生延伸到磁致伸缩元件102的外部磁场。外部磁场在第一方向上将磁致伸缩元件102的相邻局部区域114磁化，所述第一方向近似横跨磁致伸缩元件102的长度方向。随着电流脉冲112经过磁致伸缩元件102，电流脉冲在磁致伸缩元件102中产生内部磁场。内部磁场足够大以至于可以克服来自磁体106的外部磁场。磁致伸缩元件102的局部区域114中的磁化方向突然地从近似横向方向变成围绕磁致伸缩元件102长轴的近似同心方向。由于磁致伸缩元件102的磁致伸缩特性，磁场方向的突然改变导致磁致伸缩元件102的相应的突然局部尺寸改变(机械脉冲)。
机械脉冲沿着磁致伸缩元件102以声速从局部区域114向换能器组件100传播，在换能器组件100处，由磁致伸缩换能器116来检测脉冲。磁致伸缩元件102起到声波延迟线的作用。在电脉冲112的施加与换能器116处机械脉冲的检测之间的声波时延表示磁体106的位移(位置)。换能器116可以包括偏置磁体和缠绕带绕磁芯的线圈、没有磁芯的线圈、压电传感器、磁电阻传感器、巨磁电阻(GMR)传感器、霍尔效应传感器、SQUID传感器或可以检测机械脉冲的其他已知的一个(或多个)传感器。换能器116根据所选的磁致伸缩换能器的类型来感测磁致伸缩元件102的磁干扰或机械干扰。换能器组件100包括产生重复脉冲112、测量时延并提供位移输出118的电路，所述位移输出118表示磁体106的位移。根据一方面，位移输出118包括根据数字通信协议(如，Profibus或Canbus协议)的数字总线信号。
换能器组件100包括换能器116，换能器116感测来自磁致伸缩元件102的重复脉冲120。换能器116提供至少一个换能器输出122。换能器输出122耦合至放大器电路124。放大器电路124对换能器输出122进行放大和滤波。放大器电路124提供换能器脉冲串输出126，换能器脉冲串输出126包括换能器输出脉冲串。放大器电路124提供偏置脉冲串输出128，所述偏置脉冲串输出128包括偏置输出脉冲串。本申请中所使用的术语“脉冲串”指的是输出波形的一部分，包括由若干正弦周期组成的组，所述正弦周期具有共同的波长和频率以及衰减的波形包络。包括多个正弦周期的每个组与单个电脉冲112相对应，但是相对于电脉冲112声波延迟。如图2、5、7和9所示，换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串在时间上彼此交迭并且具有相位差。
换能器脉冲串输出126和偏置脉冲串输出128耦合至脉冲串处理电路130。脉冲串处理电路130重复检测换能器脉冲输出126的定时。脉冲串处理电路128提供表示位移的输出118。
根据一方面，脉冲串处理电路130包括换能器电路132和时序电路134。时序电路134沿控制总线144耦合至换能器电路132。控制总线144包括输出138、140、142。换能器电路132接收偏置脉冲串输出128(例如，偏置输出脉冲串)和换能器脉冲串输出126(例如，换能器输出脉冲串)。换能器电路132提供位移输出118，位移输出118是当换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串相交(即，处于相同的电压电平)时的时间检测的函数。时序电路134接收换能器脉冲串输出126(例如，换能器输出脉冲串)通过使用控制总线144来控制换能器电路132的时序。
换能器电路132包括时间测量电路146。时间测量电路146相对于线108、110上的电流脉冲112的定时来测量换能器脉冲串输出128上的换能器输出脉冲串的定时。时间测量电路146根据相对定时以及沿着磁致伸缩元件110的脉冲传播的已知声速来计算位移输出118。可以通过测试磁致伸缩元件102或通过换能器电路132的校准来确定声速。
时序电路134检测换能器脉冲串输出126上的换能器输出脉冲串的早期部分，该早期部分触发时序电路134的控制输出时序的定时。时序电路134向换能器电路132提供控制输出140。控制输出140限定了时间窗，在所述时间窗期间可以检测到脉冲串的随后部分的定时。
换能器电路132包括NOR门148。NOR门148产生耦合至时间测量电路146的门输出150。电流脉冲112的产生开始了测量时间间隔(也称作测量周期)。门输出150结束了测量时间间隔。
时序电路134接收换能器脉冲串输出126。时序电路134接收来自换能器电路132的门输出142。时序电路134向换能器电路132提供时序控制输出138、140。将时序电路输入和输出138、140、142组成的组统称为控制总线144。以下通过图2中的示例时序图更详细地描述了换能器电路132、时序电路134以及控制总线144的功能和时序。
换能器电路132包括比较器152、反相器154和NOR门148。比较器152(也称作U1)将偏置脉冲串输出128与换能器脉冲串输出126相比较。当时序控制输出136使能比较器152时，比较器152提供门输出142，门输出142指示换能器脉冲串输出126已与偏置脉冲串输出128相交(即，具有相同电压)。比较器152的门输出142耦合至反相器154的输入。反相器154提供反相器输出，反相器输出耦合至NOR门148的第一输入。NOR门148的第二输入接收时序控制输出140。NOR门148的输出提供门输出150，门输出150耦合至时间测量电路146。
时序电路134包括固定阈值电压源156、比较器158、第一单触发电路160、第二单触发电路162以及NOR门164。阈值源156将实质上固定的阈值电压电平耦合至比较器158的第一输入。换能器脉冲串输出126耦合至比较器158的第二输入。比较器158产生比较器输出，比较器输出耦合至第一和第二单触发电路160、162的“A”输入。比较器输出触发第一和第二单触发电路160、162。比较器158的输出在换能器脉冲串输出126与阈值电压电平相交(即，相等)时切换。根据一方面，单触发电路(one-shot circuit)160、162包括National SemiconductorCorporation of Arlington，TX USA以及其他集成电路制造商的的双可再触发单触发型74x123。第一单触发电路160连接至第一RC电路R1-C1，以用作具有第一时间常数的第一定时器。第二单触发电路162连接至第二RC电路R2-C2，以用作具有第二时间常数的第二定时器。
第一单触发电路160的/Q(也称作“NOT Q”)输出产生时序控制输出140。第二单触发电路162的Q输出耦合至NOR门164的第一输入。来自比较器152的门输出142耦合至NOR门164的第二输入。NOR门164的输出产生时序输出136。
图2示出了图1的电路的示例时序图。图2中的时间轴由水平线来表示，沿时间轴垂直地示出了多个输出和条件。图2所示的时间的一部分表示在时序图2的左侧的电流脉冲112(图1)的起始时间处开始的测量周期。
在图1-2中，将电流脉冲202(图2)施加到磁致伸缩元件102上，从而开始测量周期。时间测量电路146(图1)产生消隐脉冲204(图2)。消隐脉冲204耦合至单触发160、162的/CLEAR(也称作“NOT CLEAR”)输入，以确保单触发160、162被清零并且准备好被触发。
在可变声波时延206(依赖于磁体106的位移)之后，在换能器脉冲串输出126(图2中的实线波形)处以及在偏置脉冲串输出128(图2中的虚线波形)处存在换能器脉冲串(也称作振铃脉冲)。当换能器脉冲串输出126在时间212首次超过固定电压阈值电平210(来自阈值源156)时，时序输出138(也称作CMP_enable)在时间214切换至高状态。
当换能器脉冲串输出126在时间220超过偏置脉冲串输出128时，门输出150(也称作Stop)在时间222改变。门输出150耦合至时间测量电路146并且在时间220停止在时间测量电路146中对所测量的声波延迟224计数。所测量的声波延迟224典型地与声波延迟206相差实质上固定的时间间隔，在校准期间从输出中消除该实质上固定的时间差，使得位移输出118精确。
在时间228，CMP_enable切换至低，在时间228，门输出150(Stop)切换至低。时间220的临界测量用于计算位移。
本领域技术人员将理解，时序图，如图2中的时序图是简化表示，并没有示出可以存在于各个输出上的所有噪声和其他伪信号。
图3示出了位移输出，位移输出包括抖动并且不包括图1所示的偏置脉冲串输出，而是包括固定偏置。在图3中，水平轴306表示以毫秒为单位的时间，垂直轴304表示以微米为单位的测量位移。在图3中，移动磁体处于固定位置。从图3中可以看出，位移抖动可以高达15微米峰到峰值。通过提供偏置脉冲串输出而实质上减小了例如图3所示的抖动。以下结合图10-11所示的示例更详细说明了抖动的这种减小。
图4示出了图1的放大器电路124的示例实施例400。放大器电路400包括接换能器输出122(图1)的放大器401。放大器401提供放大器输出404。放大器输出404耦合至比较器152(图1)作为换能器脉冲串输出126。放大器输出404耦合至偏置源电路402的输入。偏置源电路402包括模拟延迟线406。模拟延迟线406的输出耦合至比较器152作为偏置脉冲串输出128。根据一方面，偏置源402基于脉冲串(如图5所示的脉冲串)的正弦振荡频率来提供大约180度(λ/2)的延迟。如图5所示，在换能器脉冲串输出达到阈值电平502之后，检测到换能器脉冲串输出与偏置脉冲串输出的下一个相交504以停止时间测量。相交504停止所测量的声波延迟的计数。模拟延迟线406提供换能器脉冲串输出126与偏置脉冲串输出128之间的期望相位差。
图6示出了图1中的放大器电路124的示例实施例600。放大器电路包括接收换能器输出122(图1)的放大器601。放大器601提供放大器输出604。放大器输出604耦合至比较器152(图1)作为换能器脉冲串输出126。放大器输出604耦合至偏置源电路602的输入。偏置源电路402包括反相模拟放大器606。反相模拟放大器406的输出耦合至比较器152作为偏置脉冲串输出128。根据一方面，偏置源602基于脉冲串(如图7所示的脉冲串)的正弦振荡频率提供大约180度(λ/2)的反转。如图7所示，在换能器脉冲串输出达到阈值电平702之后，检测到换能器脉冲串输出与偏置脉冲串输出的下一个相交704以停止时间测量。相交704停止所测量的声波延迟的计数。模拟反相器606提供换能器脉冲串输出126与偏置脉冲串输出128之间的期望相位差。
图8示出了第一换能器822和第二换能器822的使用，其中第一换能器822与第二换能器820沿着磁致伸缩元件102相隔距离(N+λ’/2)，其中N是整数0，1，2，...，λ’是与脉冲串中的正弦振荡相关联的距离波长。距离波长λ’与时间波长λ的关系是以下公式：距离波长(λ’)等于速率(声速)乘以时间波长(λ)。两个隔开的换能器820和822提供彼此相类似的换能器输出，所述换能器输出在时间上交迭并且彼此之间有延迟。图8还示出了图1的放大器电路124的实施例800。
第一换能器822将第一换能器输出122耦合至第一放大器滤波器824。第一放大器滤波器824向比较器152提供换能器脉冲串输出126。第二换能器820将第二换能器输出802耦合至第二放大器滤波器826。第二放大器滤波器826向比较器152提供偏置脉冲串输出128。换能器脉冲串输出126和偏置脉冲串输出128在时间上彼此交迭并且有相位差。
图9示出了图8中换能器脉冲串输出126与偏置脉冲串输出128的交迭脉冲串的波形。
图10示出了换能器脉冲串输出1002与固定偏压1004的相交的放大图。在图10中，垂直轴1006表示电压，水平轴1008表示时间。放大后的输出具有额定斜率dV/dT＝ΔV/ΔT。固定偏压具有额定斜率dV/dT＝0。放大后的输出1002有噪声，并且具有由虚线指示的噪声幅度带1010。固定偏压1004有噪声，并且具有由虚线指示的噪声幅度带1012。根据瞬时噪声条件，在时间1014与时间1016之间的抖动窗中噪声幅度带1010、1012相交部分中的任何地方都可以发生相交。
图11示出了换能器脉冲串输出1102与λ/2相移偏置脉冲串输出1104的相交的曲线图。在图11中，垂直轴1106表示电压，水平轴1108表示时间。换能器脉冲串输出1102具有额定斜率dV/dT＝ΔV/ΔT，与图10中的换能器脉冲串输出1002的斜率值相同。λ/2相移偏置脉冲串输出1104具有额定斜率dV/dT＝-ΔV/ΔT。换能器脉冲串输出1102有噪声并且具有由虚线指示的噪声幅度带1110。λ/2相移偏置脉冲串输出1104有噪声并且具有由虚线指示的噪声幅度带1112。根据瞬时噪声条件，在时间1114与时间1116之间的抖动窗中噪声幅度带1110、1112相交部分中的任何地方都可以发生相交。从图10和11可以看出，对于相同的额定斜率，图11的抖动窗比图10的抖动窗小。当换能器信号在换能器信号动态范围的较低部分中时，斜率dV/dT较低，利用相移对抖动的改善是最大的。与使用固定偏置相比，使用偏置脉冲串输出减小了抖动窗的尺寸。
图12示出了第一换能器1202的使用，第一换能器1202包括中心抽头绕组1204。中心抽头绕组1204提供彼此相类似的换能器输出1206、1208，换能器输出1206、1208在时间上交迭并且彼此之间有180度(λ/2)相位差。图12还示出了图1的放大器电路124的实施例1200。实施例1200与图8所示的实施例800类似。换能器脉冲串输出126与偏置脉冲串输出128在时间上彼此交迭并且有相位差。
图13示出了第一换能器1302的使用，第一换能器1302包括两个绕组1304、1305，绕组1304、1305绕在公共磁芯上但是彼此电隔离。绕组1304、1305提供彼此相类似的换能器输出1306、1308，换能器输出1306、1308在时间上交迭并且彼此之间具有180度(λ/2)相位差。图13还示出了图1的放大器电路124的实施例1300。实施例1300与图8的实施例800类似。换能器脉冲串输出126和偏置脉冲串输出128在时间上彼此交迭并且有相位差。
尽管专用于结构特征和/或方法的表达方式描述了主题，然而将理解，在法院审理时所附权利要求所限定的主题并不限于上述特定特征或动作。上述特定特征和动作是作为实现权利要求的示例形式而公开的。
Claims (20)
1.一种磁致伸缩位移测量组件，包括：
至少第一磁致伸缩换能器，提供第一换能器输出；
放大器电路，接收第一换能器输出，并产生换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串，所述换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串在时间上彼此交迭并且有相位差；以及
脉冲串处理器电路，接收换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串，并提供表示位移的输出，所述位移输出是当换能器输出脉冲串与偏置输出脉冲串处于相同电压电平时的时间检测的函数。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩位移测量组件，其中，相位差实质上是N+λ/2，其中N是整数0，1，2，...，λ是换能器输出脉冲串中衰减正弦振荡的周期。
3.根据权利要求2所述的磁致伸缩位移测量组件，其中，N是0，相位差实质上是λ/2。
4.根据权利要求1所述的磁致伸缩位移测量组件，其中，放大器电路包括产生相位差的模拟延迟线。
5.根据权利要求1所述的磁致伸缩位移测量组件，其中，放大器电路包括产生相位差的反相器。
6.根据权利要求1所述的磁致伸缩位移测量组件，其中，第一磁致伸缩换能器提供第二换能器输出，所述第二换能器输出与第一换能器输出之间具有相位差并且所述第二换能器输出耦合至放大器电路。
7.根据权利要求6所述的磁致伸缩位移测量组件，其中，第一磁致伸缩换能器包括提供第一和第二换能器输出的中心抽头绕组。
8.根据权利要求6所述的磁致伸缩位移测量组件，其中，第一磁致伸缩换能器包括产生第一换能器输出的第一绕组以及产生第二换能器输出的第二绕组，所述第二绕组与第一绕组电隔离。
9.根据权利要求1所述的磁致伸缩位移测量组件，包括：
第二磁致伸缩换能器，向放大器电路提供第二换能器输出，以及
第二磁致伸缩换能器与第一磁致伸缩换能器隔开提供相位差的间隔。
10.一种磁致伸缩位移测量组件，包括：
至少第一磁致伸缩换能器，提供第一换能器输出；
放大器电路，接收第一换能器输出，并产生换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串，换能器输出脉冲串和偏置输出脉冲串在时间上彼此交迭并且有相位差；
换能器电路，接收偏置输出脉冲串和换能器输出脉冲串，所述换能器电路提供表示位移的输出，所述表示位移的输出是当换能器输出脉冲串与偏置输出脉冲串处于相同电压电平时的时间检测的函数；以及
时序电路，接收换能器输出脉冲串并控制换能器电路的时序。
11.根据权利要求10所述的磁致伸缩位移测量组件，其中，换能器电路包括将换能器输出脉冲串与偏置输出脉冲串相比较的第一比较器，比较器产生耦合至时序电路的门输出。
12.根据权利要求11所述的磁致伸缩位移测量组件，其中，时序电路包括将换能器输出脉冲串与阈值电压相比较的第二比较器以及至少一个单触发电路，第二比较器触发单触发电路。
13.根据权利要求10所述的磁致伸缩位移测量组件，还包括：控制总线，在换能器电路与时序电路之间耦合控制。
14.根据权利要求10所述的磁致伸缩位移测量组件，其中，放大器电路包括产生相位差的模拟延迟线。
15.根据权利要求10所述的磁致伸缩位移测量组件，其中，放大器电路包括产生相位差的反相器。
16.根据权利要求10所述的磁致伸缩位移测量组件，其中，第一磁致伸缩换能器提供与第一换能器输出之间有相位差的第二换能器输出，并且所述第二换能器输出耦合至放大器电路。
17.根据权利要求10所述的磁致伸缩位移测量组件，包括：
向放大器电路提供第二换能器输出的第二磁致伸缩换能器，以及
第二磁致伸缩换能器与第一磁致伸缩换能器隔开提供相位差的间隔。
18.一种磁致伸缩位移测量方法，包括：
从至少第一磁致伸缩换能器产生换能器输出；
根据换能器输出产生换能器输出脉冲串，以及产生与换能器输出脉冲串在时间上交迭并且与第一输出脉冲串之间有相位差的偏置输出脉冲串；以及
处理换能器输出脉冲串以提供表示位移的输出，所述表示位移的输出是当换能器输出脉冲串与偏置输出脉冲串处于相同电压电平时的时间检测的函数。
19.根据权利要求18所述的磁致伸缩位移测量方法，其中，相位差实质上是N+λ/2，其中N是整数0，1，2，...，λ是换能器输出脉冲串中衰减正弦振荡的周期。
20.根据权利要求19所述的磁致伸缩位移测量方法，其中，N是0，相位差实质上是λ/2。
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