CN102648399B - 线性位置传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及位置传感器领域，特别是涉及所谓的感应传感器的领域。本发明的主题设备包括轨道，该轨道包括由高频交流电供给的初级绕组(513)、以及多个次级绕组(511，512)。所述设备测量目标(500)的前缘(510)在所谓的纵向方向(5000)上在第一位置和第二位置之间的位置，所述目标(500)在所述第一位置和第二位置之间完全地覆盖所述轨道(550)。令人惊异地，此配置允许极为明显地增大这种轨道(550)的有效测量长度。

Description

线性位置传感器

技术领域

本发明涉及位置传感器领域，涉及到非接触式线性位置传感器。此传感器在测量范围内输出大致与目标位置成比例的信号。在本发明的情形中，此测量范围被称为是线性的，即：传感器仅根据空间坐标来输出位置信息，此坐标可为笛卡儿坐标，或极坐标，在极坐标的情况下称为环形传感器或旋转变压器（英文为“resolver”）。在下文中，“线性传感器”所指的是无论目标的位移是直线的还是旋转的都根据唯一一个坐标来输出位置信息的任何类型传感器。

此类型的传感器在所有需要确定机械元件的位置的领域有非常多的工业应用；可引举机床的测量尺、机动车变速杆的位置传感器、航空或航海构造领域的油门操纵杆或舵面控制器的位置传感器，该名单不是详尽的。

更具体地，本发明涉及到所谓的感应传感器领域。此类型的传感器已被本领域的技术人员所知，在下文中只说明了解本发明优点所必需的元件。

背景技术

术语“绕组（enroulement）”指的是任何由导电体所形成的环状图案（motif）。绕组可以按照围绕轴线的螺旋轨迹、或者按照在平面上的涡旋轨迹、亦或按照在一个或多个平行平面上延伸的重复图案形成这些环。

传感器INDUCTOSYN®或者于欧洲专利EP0182085中描述的传感器均为感应传感器的示例。所有这些传感器的共同之处在于测量目标的位移并包括了由高频交流电供给的初级绕组，所述高频交流电在次级绕组中感应出电压。目标的位移改变了初级绕组和次级绕组之间的耦合，从次级绕组的端子电压的测量中来推断出该目标的位置。

EP0182085就此描述了一种位置传感器，其中初级绕组和次级绕组被置于轨道之上。图1示意地示出了这种传感器的构成。目标由导电体材料构成，并且相对于两个绕组进行移动。在图1A中，根据一个简单的实施例，轨道100包括初级绕组10和次级绕组11，其中所述初级绕组由高频交流电供给，该高频通常介于数千赫与数兆赫之间。在此示例中，次级绕组11包括两个环110、111。相对于电流15的方向，次级绕组的环110、111的绕组方向是相反的，从而使得由在初级绕组10中流通的电流15在每个所述环中所感应出的电压幅度相同，但极性相反。在没有目标的情况下，次级绕组11的两个环110、111中的电压彼此平衡，而在此绕组的端子处测量的电压则为零。在图1B中，当有由导电体材料构成的目标200时，由在初级绕组10中流通的电流15所产生的磁场在目标200中感应出电场，该电场转而产生形成磁场的电流强度，该磁场与由初级绕组10所产生的磁场相反。

在图1B中，当此目标200相对于轨道进行移动时，在次级绕组的端子处测量的电压幅度根据在每个环110、111上被目标200覆盖的面积之差而发生变化。根据图1B的示例，目标200在其移动过程中首先逐步覆盖次级绕组11的第一环110，继而覆盖此绕组的第二环111。最初（位置Ⅰ）目标没有覆盖任何环，并且在次级绕组的端子处测量的电压幅度为零，两个环中的电压彼此平衡。根据此实施例，环110、111在轨道表面上遵循雉堞状（créneau）的几何图案，目标200则具有矩形的形状，其长度大致等同于所述雉堞的间距。由此，当目标全部地覆盖次级绕组11的第一环110时，在次级绕组的端子处测量的电压幅度等于在第二环111中感应出的电压的幅度。当目标200覆盖（位置Ⅱ）两个环110、111的相同面积时，在次级绕组的端子处测量的电压幅度为零。然后，当目标200完全覆盖第二环111时，在次级绕组11的端子处测量的电压幅度等于在第一环110中感应出的电压的幅度。最后（位置III），当目标200不再覆盖第二环111并且两个环中的电压再次地彼此平衡时，在次级绕组11的端子处测量的电压幅度再次趋于零。

这种传感器通过解调在次级绕组的端子处测量的电压从而输出随目标200的位移而变化的、在-V和+V之间的电压102的理论变化信号103，其中所述位移的变化为次级绕组被目标200覆盖的面积的函数。在所述环呈雉堞状并且目标具有矩形的形状的实施例中，此理论函数103为线性的。然而，实际响应104明显地偏离此理论函数。由此在端部处，当目标仅覆盖次级绕组的一个环时，在次级绕组的端子处测量的电压幅度的变化则与当目标200部分地覆盖该绕组的两个环时所观察到的变化不同。此外，边缘效应不允许利用极限位置（位置Ⅰ和位置III），使得此类传感器的使用范围（信号可以被解译的范围）取决于所期望的精确度但大约为轨道长度的一半。

该明显比测量范围更大的尺寸使得难以集成这种传感器。

为了限制这一缺陷，由现有技术已知的是增加次级绕组的数量并且尤其是借助于模拟工具来优化次级绕组的形状。

示例地，同样关于现有技术的图2示出了一个实施例，该实施例包括两个在空间上错开相位的次级绕组211、212。此配置通过减小环间距以及结合在两个绕组的端子处的电压测量值来允许减低端部效应的相对重要性，以及增大有效测量范围230。然而，实际信号204、204'一方面由于上述边缘效应而在端部处与理论信号203、203'不同，而且每当在目标200仅覆盖次级绕组的一个环的情况和目标覆盖次级绕组的两个环的情况之间转换时也与理论信号203、203'不同。实际上，在此区域中的电压的变化204、204'对于环之间的连接部的几何形状是敏感的。因此，依据该现有技术的解决方案，有效测量范围230的增大是有限的，大约为10%至20%，而且体现为传感器的超额实施费用，绕组的形状以及其实施方法变得更加复杂，并且/或者由于在环之间的连接部处的过渡现象而伴有传感器精度的降低。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的不足，尤其是旨在增大具有给定尺寸的所述传感器的有效测量范围，这是通过经济的方式实现的并且不损失现有技术的传感器的构造优点，特别是在可移动目标上没有电连接、测量连接或供电连接。

为此，本发明提出一种用于测量目标沿着纵向方向的位置的设备，所述设备包括：

• 轨道，该轨道沿着平行于测量方向的纵向轴线延伸，所述轨道包括初级绕组，该初级绕组能够在次级绕组中感应出电流，次级绕组按照周期性的几何构造来安排，使得在轨道长度上由绕组的至少两个环来覆盖轨道的表面；

• 目标，该目标包括前缘，并相对于轨道可以在轨道的上方在第一点和第二点之间纵向移动，所述第一点和第二点限定测量幅度，所述目标能够在所述两个点之间改变由初级绕组在次级绕组之中感应出的电流；

• 从而使得所述目标自其前缘沿着纵向方向延伸以及在目标在第一点和第二点之间的相对移动过程中，轨道被目标覆盖的面积严格地递增。

无论次级绕组的周期性几何图案如何，此配置都输出形状类似于正弦曲线的信号。根据该正弦响应来确定目标位置允许极其明显地增大这种轨道的有效测量长度，信号在该有效测量长度上可以以给定精度来解译。示例地，当利用与现有技术的轨道相同的轨道（例如：专利EP 0182085中所介绍的），但用本发明所提出的目标来替换现有技术中的目标时，有效测量长度增大的比例介于50%至80%之间，并没有损失分辨率以及测量精度。

本发明可根据下文所述的各种实施例来实施，所述各种实施例可以单独地考虑，或者按照在技术上可操作的任意组合来考虑。

本发明不限于直线轨道，并且轨道的纵向轴线有利地可以为环周轴线，本设备因此可以被用于构成旋转变压器。

对目标的性质所要求的唯一条件是该目标由导电体材料构成。由此，目标可以由无论是铁磁性还是顺磁性的任意金属材料构成，例如钢，其中可包括奥氏体不锈钢，或铝合金。

有利地，轨道由印刷电路构成，这允许轨道具有紧凑的构造。

根据一个优选的实施例，本设备包括两个次级绕组。不与任意理论有关地，假设被目标覆盖的轨道的覆盖效应可视同积分，这导致使信号变化平滑，尤其是在环之间过渡的时候。此效果解决了现有技术关于环之间过渡的不足之处，并且允许享有多个次级绕组的所有优势。

有利地，所述两个次级绕组依照环在轨道表面上的两种周期性分布来安排，其中所述两个周期性分布在空间上相位错开四分之一周期。由此，由每个绕组输出的信号在绕组各自的端子处测量的电压解调之后根据目标的位移而形成类似于正弦或余弦的函数，通过电子或电脑装置可方便地计算所述函数的比值，然后计算反正切，从而在给定范围中获得近乎线性的信号，该近乎线性的信号是目标的前缘在轨道长度上的相对位置的函数。

根据一个有利的变型，目标前缘相对于平行于目标表面并垂直于目标纵轴线的轴线倾斜角度α。此特征加强了轨道被目标覆盖的渐进性，并且无论周期性绕组环的几何形状如何均使获得的信号接近正弦函数，同时特别地改善了在环之间过渡时的信号形状。

根据此实施例，本发明尤其适合于实施能够测量自动变速箱的变速杆位置的传感器，目标由变速杆的分度“鸡冠”构成。由此，变速杆的所谓“鸡冠”的分度装置有利地被用作目标，这允许通过避免添加特殊目标而大大简化该传感器的构造。

根据本发明主题设备的一个特定实施例，当次级绕组的环的周期性几何构造在轨道表面描绘出正弦函数时，所获得的信号质量是最优的。

本发明还涉及使用根据一个实施例的本发明主题设备来测量目标位置的方法，其中所述实施例包括两个次级绕组，所述次级绕组的周期性几何构造在空间上相位错开四分之一周期，此方法包括如下步骤：

a. 测量第一次级绕组和第二次级绕组的端子处的电压；

b. 输出第一测量值，其与第一次级绕组的端子处的交流电压幅度和第二次级绕组的端子处的电压幅度之间的比值成比例；

c. 输出第二测量值，其与由第一测量值所表示的比值的数值的反正切函数成比例。

因此，表示反正切函数的信号可被调节以产生与目标前缘在轨道有效长度上的相对位置成比例的线性信号。

附图说明

现在通过非限制性的优选实施例以及图1至图8来更为详尽地介绍本发明。在这些附图中:

• 关于现有技术的图1以俯视图示出目标位置测量设备，在图1A中，一个轨道示例包括1个初级绕组和具有雉堞形周期性几何构造的次级绕组，在图1B中，一个示意性的实施例使用这种轨道、矩形目标、以及这种传感器的理论输出信号和实际输出信号；

• 同样是关于现有技术的图2以俯视图示出了一个实施例以及由这种传感器根据目标位置来输出的理论信号和实际信号，此实施例包括轨道，该轨道包括两个次级绕组；

• 图3以俯视图示出了本发明的一个实施例，该实施例包括轨道，该轨道包括两个次级绕组：

－ 在图3A中，目标位于轨道的有效测量范围的一端，

－ 在图3B中，目标位于有效测量范围的另一端，和

－ 在图3C中的是在两个次级绕组的端子处获得的理论信号；

• 图4为本发明的主题设备的一个特定实施例的俯视图，在该实施例中，目标的前缘以角度α倾斜；

• 图5以俯视图示出了本发明的主题设备的一个实施例，在该实施例中，轨道沿着相对于该轨道的相对圆形轨迹；

• 图6示意地示出了在每个次级绕组的端子处的信号的形状（它是目标的角位置θ的函数），以及基于这些信号计算的反正切函数；

• 图7为自动变速箱的位置传感器的一个实施例，其中所述自动变速箱包含了根据本发明的实施例中的一个的设备：

－ 图7A以整体俯视透视图示意地示出了传感器，

－ 图7B以俯视图示出了测量轨道和目标在传感器中的安排；

• 以及，图8为根据本发明的一个实施例的、用于测量作动筒的杆位置的设备的一个应用示例的侧视图。

具体实施方式

在图3A中，根据一个实施例，本发明的主题设备包括轨道350，该轨道沿着纵轴线1000延伸，并包括初级绕组10以及两个次级绕组211、212，所述两个次级绕组在初级绕组10内遵循相位错开的周期性图案形成环状。该设备包括目标300，该目标包括前缘310。该目标300同样沿着纵轴线1000延伸，该目标在宽度上覆盖轨道的次级绕组211、212的环，该目标的宽度优选地大致等于轨道的宽度。目标300的表面优选地大致平行于轨道的表面。在此实施例中，轨道为平面的。目标由优选地为金属材料的导电体材料构成，使得由电流在初级绕组10中的流通所感应出的磁场能够在目标300中感应出磁场。目标仅包括一个前缘，该前缘位于目标面对轨道350的端部。

该设备还包括用于以高频交流电来为初级绕组供电的装置（未示出）、能够测量在次级绕组211，212的端子处的电压的装置（未示出），以及能够实现对在次级绕组的端子处测量的信号进行操作的信号处理装置（未示出）。

该设备优选地包括用于在平行于轨道350的表面的纵向方向1000上引导在目标300和轨道350之间的相对移动的装置（未示出）。此移动在目标300和轨道350不接触的情况下进行，目标300和轨道350相面对的表面之间的距离在此移动过程中通过这些引导装置来保持大致恒定。

在图3B中，根据本发明，目标300的长度至少等于所期望的测量幅度的长度，以使得当在目标300和轨道350之间的相对移动将目标前缘310从轨道350的有效测量范围的一端处的相对位置330带到该范围的另一端340时，被目标300覆盖的轨道350的面积严格递增。目标相对于轨道的这两个相对位置330、340之间的距离确定了传感器的测量幅度。目标300在轨道350对面具有闭合表面，该闭合表面在包括在测量幅度的两个极端点330、340之间的范围上无任何开口。

在图3C中，对应于在两个次级绕组211、212的端子处测量的电压幅度102的信号303、303'在所述两个点330、340之间根据目标300的前缘310的相对位置101来沿着大致正弦的函数变化。对应于两个次级绕组211、212的两个信号303、303'存在相位差，并且此正弦曲线上的相位差反映了在轨道350表面的两个次级绕组211、212的环的周期性重复图案的相位差。由此，如果两个绕组的环遵循在空间上相位错开四分之一周期的周期性图案，那么由这些绕组根据目标300在轨道的纵轴线1000上的相对位置来输出的信号303、303'就可以当作正弦或余弦来处理。

对于给定轨道，该配置允许在同等精度及线性下显著地增大轨道的有效长度。由此，EP0182085中所述的根据现有技术的、包括长度为28毫米的轨道的位移传感器允许在14毫米的移动幅度上测量目标位置。通过优化绕组从而最小化边缘效应，可测量长度达到16毫米。而通过使用本发明所述的目标的配置，对于同样的轨道，有效测量长度达到25毫米。

在图4中，根据一个有利的实施例，目标300的前缘410相对于垂直于纵向方向1000的方向以角度α倾斜。

在图5中，根据一个实施例，本发明的主题设备可被配置为构成旋转变压器。在此配置的一个示例中，轨道550沿着环周轴线5000延伸，并以与上述相同的方式包括初级绕组513，该初级绕组围绕两个次级绕组511、512，所述两个初级绕组的环形成周期性几何图案，所述周期性几何图案的相位优选地沿着所谓纵轴线的轴线5000错开四分之一周期，所述纵轴线5000此处为环周轴线。目标500同样为环周形的，并且包括前缘510，该前缘优选地相对于径向以角度α倾斜。未示出的装置允许引导与纵轴线5000同心的、围绕共同轴线530的相对圆周运动。由次级绕组511、512在目标500和轨道550的相对旋转过程中输出的信号允许确定目标500相对于轨道的相对位置θ。

根据一个有利的实施例，环周形轨道550的次级绕组511、512的环遵循相位按照角坐标θ错开四分之一周期的周期性图案。根据此实施例，如图6所示，来自于这些次级绕组511、512的信号根据目标500的位置θ601而遵循可看作正弦603'和余弦603的变化。通过计算这两个信号603'、603的比值以及此比值的反正切函数获得信号605，该信号随着目标500相对于轨道550的相对角位置601的变化是近乎线性的。

信号之间的比值的计算以及反正切函数的计算可以通过集成在所述设备中的电子电路来完成。

此示例是在旋转变压器的情况下说明的，但反正切信号可以被调节为对应给出目标的前缘310、410、510的物理位置的笛卡尔坐标或者角坐标。此调节/标定同样可以通过集成在所述设备中的电子电路来完成，标定数据存在存储器EEPROM中。

在图7中，根据本发明的主题设备的一个应用示例，该设备可以被用于构成自动变速箱变速杆的位置传感器。

在图7A中，根据一个实施例，这种传感器700由盒710和旋转装置720构成，其中所述盒相对于所述变速杆是固定的，所述旋转装置包括用于将该旋转装置旋转地与变速杆连接的装置721。包括通常称为“鸡冠”的棘轮730的分度装置与装置720连接，并且允许通过与棘爪（未示出）协作来对变速杆的位置进行分度。变速杆的这些位置对应于自动变速箱的指令，例如“泊车”、“前进”、“倒车”、“空挡”等。电子驾驶辅助装置要求了解变速杆的位置，这是为了细化车辆的驾驶状况。根据现有技术，使用磁性目标的特定传感器固定在轮毂上，并且相对于棘轮730来定位，以识别棘轮730的位置。

在图7B中，通过使用本发明的主题设备，棘轮730可被用作目标，其沿着轴线5000的角位置通过环周轨道550来测量，其中所述环周轨道与盒710连接，并且相对于轮毂是固定的。由此，相对于现有技术，传感器的部件的数量减小，并且尤其由于没有目标相对于棘轮730的定位而简化了该传感器的安装，这使这种传感器的极大规模生产成本更低，同时改善了该传感器的可靠性。需要注意的是，棘轮的前缘731可有利地相对于径向以角度α倾斜。

在图8中，根据一个应用例，本发明的主题设备根据所述特定实施例中的一个可以被用于直接测量作动筒820的杆800的位置。在此配置中，作动筒的杆800直接作为目标，轨道的长度大致等于杆在其极端位置830、840之间的行程。

上述描述清楚地展示了通过本发明的各种特征以及这些特征的优点，本发明达到其预期的目标。特别地，与现有技术相比，本发明允许极为显著地增大具有同等尺寸的感应传感器的测量幅度。

Claims (9)

1.一种用于测量目标（300，500）沿纵向方向（1000，5000）的位置的设备，其中所述目标（300，500）由导电体材料构成，所述设备包括：

轨道（350，550），所述轨道沿着平行于测量方向的纵轴线（1000，5000）延伸，所述轨道包括初级绕组（10，513），所述初级绕组能够在次级绕组（211，212，511，512）中感应出电流，所述次级绕组按照周期性几何构造来安排，使得在所述轨道的长度上由绕组的至少两个环来覆盖所述轨道（350，550）的表面；

目标（300，500），所述目标包括前缘（310，410，510），并能够相对于所述轨道（350，550）在所述轨道的上方在第一点（330）和第二点（340）之间纵向地移动，所述第一点和所述第二点限定测量幅度，所述目标在所述两个点之间能够改变由所述初级绕组（10，513）在所述次级绕组（211，212，511，512）之中感应出的电流；

所述目标（300，500）自其前缘（310，510）开始在所述纵向方向（1000，5000）上延伸；并且

在所述目标（300，500）在所述第一点（330）和所述第二点（340）之间相对移动的过程中，被所述目标（300，500）覆盖的轨道（350，550）面积严格地递增，

所述设备的特征在于，所述目标（300，500）的所述前缘（410，510）相对于平行于所述目标的表面并垂直于所述目标的所述纵轴线（1000，5000）的轴线以角度α倾斜。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述轨道（550）的纵轴线（5000）为环周轴线。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述目标（300，500）由顺磁性的材料构成。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述轨道（350，550）由印刷电路构成。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括两个次级绕组（211，212，511，512）。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述两个次级绕组（211，212，511，512）按照环在所述轨道（350，550，850）的表面上的两种周期性分布来安排，所述两种周期性分布在空间上相位错开四分之一周期。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述次级绕组（211，212，511，512）的环的周期性几何构造在所述轨道的表面上描绘出正弦函数。

8.一种传感器（700），所述传感器用于测量自动变速箱的变速杆的位置，其特征在于，所述传感器包括如权利要求1所述的设备，所述目标由所述变速杆的分度“鸡冠”（730）构成。

9.一种利用如权利要求6所述的设备测量目标（300，500）的位置的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a. 测量第一次级绕组（211，511）和第二次级绕组（212，512）的端子处的电压，

b. 输出第一信号，所述第一信号与所述第一次级绕组（211，511）端子处的交流电压的幅度和所述第二次级绕组（212，512）端子处的交流电压的幅度之间的比值成比例，

c. 输出第二信号（605），所述第二信号与所述第一信号的数值的反正切函数成比例。