CN102706508B - 精确的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够精确地测量压力的压力传感器，更具体地，涉及一种压力传感器，其包括可选择地具有倾斜上表面的盒形磁铁，其右侧部分突出高于左侧部分，其中该磁铁构造来响应于沿着一条与N或者S极表面均匀间隔的直线的距离变化辐射线性磁通密度，从而该压力传感器能够精确地察觉距离（位置）上的位移以及基于该位移产生的压差。该压力传感器还包括一个连接负压和正压的导管，一个响应于负压和正压之间的差异可移动的膜片，一个连接到该膜片的一侧的膜片支撑件，一个连接到该膜片支撑件以辐射线性磁通密度的磁铁，一个支撑该磁铁和膜片的弹簧，和容纳这些部件的上下壳体。

Description

精确的压力传感器

技术领域

本发明涉及一种能够精确地测量压力的压力传感器，更具体地，涉及一种压力传感器，其包括可选择地具有倾斜上表面的盒形磁铁，其右侧部分突出高于左侧部分，其中该磁铁构造来响应于沿着一条与N或者S极表面均匀间隔的直线的距离变化辐射线性磁通密度，从而该压力传感器能够精确地察觉距离（位置）上的位移以及基于该位移产生的压差。 

背景技术

在描述压力传感器之前，将首先描述在此使用的磁铁的一般特性。 

磁铁由具有可吸引铁粉的磁力材料构成。一种强力的，工业上制造的磁铁称为永久磁铁，并且还简单地称为磁铁。 

放置在该磁铁旁边的铁粉被吸引到该磁铁上。在该磁力影响下的空间称为磁场。换句话说，该磁铁被认为能够产生相应的磁场。利用铁粉的图案能够显示该磁场的形状。当铁粉均匀地散布在放置于磁铁上的一张厚的白纸上时，磁力线通过具体的图案被观测到。沿着一个磁力线放置的小型指南针的指针根据从N极到S极的磁力线的方向进行定向。 

在两极之间的作用力的大小根据库伦定律确定，也就是说，它与两级之间距离的平方成反比，而与磁极的强度成正比。 因为磁极由一对具有相同强度的N和S极组成，所以磁矩被认为是比磁极强度更重要的物理量。该磁矩可以表示为直接从S极朝向N极的矢量。在两个磁矩之间计算的作用力与距离的二次方成反比。因此，当磁铁设置为彼此接近时，在两个磁铁之间的吸引力是较强的，但是当磁铁彼此分离时，该吸引力迅速下降。 

当磁性区域改变结构的性能，诸如它的形状，布置和方向时，磁化作用发生。一旦磁化，由于剩余磁化，该变化的结构很少改变它的状态或者回到它的初始状态，甚至在磁场已经完全去除之后。具有相当程度上的剩余磁化的材料称为永久磁铁。 

通过在垂直于它的方向的横截面上集成磁通密度或者磁感应强度可产生磁通量。该磁通量用CGS单位制中的麦克斯韦（其符号为Mx)或者在MKS或者国际单位制中的韦伯（其符号为Wb)表示。当穿过线圈的磁通量根据时间发生改变时，与变化率成正比的电压存在于线圈的两端处（例如，法拉第的电磁感应）。此电压在由电流产生的磁场中断磁通量的任何变化的方向中感应出。这称为楞次定律。由永久磁铁或者流过线圈的电流产生磁通量。 

根据检测磁场的方法可使用多种传感器。霍耳传感器大概是最著名的传感器。该霍耳传感器由应用于半导体器件（霍尔器件）的电极上的电流运行。在电流应用到电极上之后会垂直产生磁场，从而在垂直于电流和磁场两者的方向上产生一个电势。 

霍耳传感器是最简单的距离测量装置，利用永久磁铁和磁通量的检测器。霍耳传感器根据与永久磁铁的距离测量磁通密度的变化，并且根据由检测器产生的电势确定距离。 

然而，由于由永久磁铁产生的磁通密度按照距离不是线性的，该霍耳传感器应该装配有一个程序或者电子电路，以补偿非线性，以便作用为一个更精确的距离测量装置。此外，对产生一个能够测量线性磁通密度的结构已经实施了许多研究，以便于根据距离补偿磁通密度的非线性的分配。这种结构包括多种类型的磁铁以及它们的结合。 

近来，多种类型的无触点的距离测量装置得到了发展，以便于在测量线性和角位移的同时检测主体的绝对位置。 

无触点距离测量装置存在多种类型。一种利用滑动记录电位计的是最著名的，但是它不是足够可靠的。一种光学定位器是用于读出诸如裂缝的光学范围的光学传感器，但是具有复杂的结构。存在一种利用磁性传感器读出在磁介质上的磁性截面的方法，但是它具有复式构造并且不能察觉到绝对位置。 

也就是说，仅仅能够测量在两点之间的距离。本发明旨在利用一种具有线性磁通密度的磁铁，其能够探测到待测量的主体的绝对位置。通过利用具有非常简单的结构，长测量范围和高可靠性的磁铁，有可能利用便宜的传感器更精确地测量距离，而不需要使用补偿非线性的程序或者电子电路。 

本发明包括一个连接负压和正压的导管，一个响应于负压和正压之间的差异可移动的膜片，一个连接到该膜片的一侧的膜片支撑件，一个连接到该膜片支撑件以传播线性磁通密度的磁铁，一个支撑该磁铁和膜片的弹簧，和容纳这些部件的上下壳体。 

该术语“压力”表示作用在两个对象的接触面上的作用力，其中两个对象接触并且在垂直于该接触面的方向上彼此推动。该压力还可能是当内部部件彼此推动时作用在单个对象内部的作用力。在这种情况下，两个部件认为是彼此相对地应用作用力（应力）在该对象内部的单个表面上。如果该作用力没有垂直于该表面，该作用力被分成垂直于该表面的一个分力和平行于该表面的另一个分力，其中垂直于该表面的分力还称为压力（拉力称为“张力”）。 

由于压力均匀地作用在一个表面上，应用到该表面上的每个点的压强根据该表面的面积不同地确定，甚至在具有相同的合力（总压力）的情况下。当具有大小为P的作用力或者压力均匀地应用在大小为S的对象上时，该压强定义为P/S。当一个对象被放置于一个桌子上时，根据接触面的位置，压强通常是不同的。 该在接触面的每个点上的压强能够从包括该点的细微面积中获得。该压强还简单地称为“压力”。 

当前使用了几种类型的压力传感器，并且根据待测量的对象进行选择。 

该待测量的对象通常分为流体，固体和气体。应力仪是测量固体对象压力的一种典型的压力传感器。然而，一个膜片通常用来测量流体或者气体的压力，因为必须测量流体或者气体的相对压力。 

该相对压力基于结合一个弹簧的膜片的位移进行测量，其中膜片是按照相对的压差移动。 

本发明涉及一种利用膜片和弹簧测量相对压力的传感器，其能够以不同方式使用来测量流体或者气体的压力。 

本发明提供一个实施例，其可适用于具有能够测量流入空气流速的压力传感器的锅炉。按照惯例，采用一个开/关型压力传感器（风压传感器）来测量在锅炉中的气压（风压）。在该压力传感器（风压传感器）中，由鼓风机引入的空气的压力传递到传感器的膜片上，从而使得连接到隔片上的微型开关接通或者中断电子电路以调节空气的流速。然而，因为该压力传感器使用在一个固定的工作压力下，该压力传感器按照鼓风机的类型确定。 

此外，该压力传感器不能精确地测量流入空气的流速。通过根据流入空气的压力来调节鼓风机的转速，该压力传感器仅仅能够协助增加/降低流入空气的压力（流速）。 

各种型式的压力传感器用来检测流体的压力，并且已经采用能够利用流动压力（分压）检测流速的多种类型的压力传感器。 

图1示出了检测水位的传统的压力传感器，如在韩国实用新型No.0119708中公开。如图1所示，该压力传感器包括主体100，其具有顶盖110和底盖130以及设置在主体100内部的膜片140。该压力传感器基于膜片140的变化检测在水压室131中的压力，该膜片140的变化是由在水压室131中的压力变化引起的。该压力传感器还具有光屏元件200，其构造来与膜片140上的变化成比例地改变它的横截面，以便于控制穿过光屏元件200的光的数量值。一个诸如发光二极管（210）的光发射装置和光敏晶体管220相互设置在光屏元件200的升高通路的相对侧上。一个在内壁中具有螺纹151的管状体150设置在顶盖110中，并且具有预定弹性的弹簧160容纳在管状体150中。该弹簧160的弹性根据盖170的向上/向下移动是可调节的，其螺旋入管状体150的内壁中的螺纹151中。采用此装置，根据光敏晶体管220的输出电压能够检测水压室132中的压力，其根据从LED210施加的光的数量是可变的。因此，该压力传感器能够基于电压的变化检测水位，其是通过来自光耦合器件的光数量的变化进行确定。 

图2示出了另一类型的压力传感器，其在韩国实用新型No.0273056中公开。如图2所示，该压力传感器包括壳体元件10，该具有用于通过循环口11a和12a接收和排出的流体的空间13，和由响应于流体压力的弹性体的弹性产生的向上和向下弯曲的膜片14。该压力传感器还具有一个永久磁铁20，其响应于膜片14在一个工作范围内向上和向下移动，和一个敏感元件30，其设置接近于永久磁铁20的工作范围以检测它的磁力。利用该敏感元件30，该压力传感器能够检测到永久磁铁20的磁力变化，因为该敏感元件响应于流体压力的变化精确地移动，从而更精确地测量在流体流速和/或压力上的变化。 

发明技术问题的公开 

然而，由于磁铁的非线性，该永久磁铁和敏感元件30不能用于获得精确位置消息或者位置的测量值。

更详细地结合图2描述，非接触型装置用来测量膜片14的位移，其中该膜片14响应于密封内部中的压差移动。此装置仅仅是典型的无触点近程式传感器的改进，以便于测量磁场的强度。尽管浪费和复杂的转换算法用来线性地转换磁通密度的非线性的分布，也就是说，根据与距离的平方成反比的距离在密度上的减少，如在磁铁中通常观察到的，在算法或者测量装置中的基本误差不能完全克服。 

另一个方法提供一种具有四个（4）极的装置，如图3所示。在四个极的此装置中，测量永久磁铁20磁力的敏感元件30设置在永久磁铁20向上和向下移动的运行截面的一侧上。然而，磁铁的非线性性能还给予非线性到传感信息中，诸如磁通密度的测量结果。因此，该实际位置不能测量到，相反地，归因于非线性可获得该失真的位置信息。 

如上所述，失真的位置信息导致输入形式的不精确性，这是用于装置控制的基本信息。当一个锅炉或者装置基于不精确的信息控制时，一个装置或者设备无效率地运行。 

因此，需要一种能够更精确地检测位移以及压差的压力传感器。 

技术解决方案 

本发明已经解决现有技术的前述问题，并且因此本发明的目的在于提供一种能够更精确地测量压力的压力传感器，更具体的，涉及一种压力传感器，其包括可选择地具有右侧部分突出高于左侧部分的倾斜上表面的盒形磁铁，其中该磁铁被构造为响应于沿着一条与N或者S极表面均匀间隔的直线的距离变化辐射线性磁通密度，从而该压力传感器能够精确地察觉距离（位置）上的位移以及基于该位移产生的压差。

有利效果 

在通过检测压力来实施精确控制的精确控制装置中，由于传统位置传感器的不正确的位置信息不精确的控制已经是不可避免的。然而，本发明的压力传感器能够精确地检测压差，因此能够实施更精确地控制。

附图的简要说明 

图1是示出了利用光的传统压力传感器的剖视图；

图2是示出了利用磁铁的另一个传统的压力传感器的剖视图；

图3是示出了利用多个磁铁的进一步的传统的压力传感器的剖视图；

图4是根据本发明的实施例的磁铁结构和磁化结构的概念视图；

图5是根据本发明的另一个实施例的磁铁结构和磁化结构的概念视图；

图6是示出了根据本发明的三角形和四角形绘制的磁通密度变化的曲线图；

图7是示出了根据本发明采用辐射线性磁通密度的磁铁的、精确的压力传感器的剖视图；

图8是示出了根据本发明采用辐射线性磁通密度的磁铁的、精确的压力传感器的侧面图；以及

图9是示出了根据本发明采用辐射线性磁通密度的磁铁的、精确的压力传感器的平面图。

本发明的最佳实施方式 

本发明提供一种包括盒形磁铁的精确的压力传感器，其中该磁铁包括沿着对角方向以正弦波形式被磁化的N和S极，并且沿着平行于磁铁的极表面并且与之间隔的直线具有线性磁通密度，从而，使用这种盒形磁铁，精确的压力传感器能够精确地测量相对位移以来检测压力。

发明的实施方式 

在下文中，本发明的优选实施例将结合附图详细描述。

在附图中，图1是示出了利用光的传统压力传感器的剖视图；图2是示出了利用磁铁的另一个传统的压力传感器的剖视图，图3是示出了利用多个磁铁的另一个传统的压力传感器的剖视图，图4是根据本发明的实施例的磁铁结构和磁化结构的概念视图；图5是根据本发明的另一个实施例的磁铁结构和磁化结构的概念视图， 图6是示出了根据本发明的三角形和四角形绘制的磁通密度变化的曲线图，图7是示出了根据本发明采用辐射线性磁通密度的磁铁的，精确的压力传感器的剖视图， 图8是示出了根据本发明采用辐射线性磁通密度的磁铁的，精确的压力传感器的侧面图，以及图9是示出了根据本发明采用辐射线性磁通密度的磁铁的，精确的压力传感器的平面图。 

图1至3示出了如上所述的传统传感器。 并且图4示出了本发明的实施例的磁铁结构和它的磁化结构。 

如图4所示，当磁铁沿着虚线的对角线磁化时， N极的磁通密度根据位移的改变是与距离的平方成反比。当磁通量沿着该对角线分布，在与测量的N极距离lmm处的点处测量磁通密度时，磁通量的曲线图显示出磁通密度不会根据位移的变化发生线性地改变。因此，为了在预定区域中展现出线性，我们改变了该磁化结构，如图4中的实线所示。 

为了在预定范围内获得根据距离线性变化的磁通密度，该磁化结构沿着图4所示的对角线略微地变形。 

在图4中，沿着磁铁的0到12段进行位移，在各个位移点上传感器进行测量在与极轴垂直的磁极的表面上方保持一个特定的间隙d，其在平行于该磁极的表面的方向上移动。除了在0-12段的边缘段部分表现出细微的非线性之外，内部的2到10段可作为传感器更精确的段部分。 

为了测量磁通密度随距离的变化，可编程的霍尔集成电路用来测量磁通密度根据位移的变化。该可编程的霍尔集成电路可从Micronas获得，并且具有±.1%.的误差率。该测量结果由图6中的曲线呈现。 

图6示出了根据本发明的磁通密度变化曲线图，其中根据位移的磁通密度变化在全部的0到12段中都显示为线性的，特别地，在2到8段中基本上为完美的线性。 应该理解的是，我们改变磁化结构是为了在一些段中的每个单位位移上产生线性的磁通密度。然而，该磁化结构的设计应该根据所实施的测量的距离，因为磁通密度与测量距离的平方成正比例的。 

图5是根据本发明的另一个实施例的磁铁结构及其磁化结构的概念视图，其中N极设置在S极上。参考符号W表示磁铁底部的宽度，如果有需要的话它可以调节。参考符号Sd1表示S极的左边缘，并且Sd2表示S极的右边缘。参考符号Nd1表示N极的左边缘，并且Nd2表示N极的右边缘。因此， Sd1+Nd1表示N和S极的左边缘，同时Sd2+Nd2表示N和S极的右边缘。因此，这提供一种盒形的结构，其右边缘长于左边缘。 

以数目来表示磁铁的结构，S极的左边缘是1，S极的右边缘是2，N极的左边缘是1，N极的右边缘是2。 这样，在由S和N极组成的合成装置中，左边缘是2并且右边缘是4，其是左边缘的两倍。 

优选地，在N和S极中，右边缘与左边缘的比率优选的范围是1至4。 

磁铁被磁化而具有图5所示的结构，并且测量根据位移的磁通密度变化。在分别连接点A和点B1到B4的各个线上的各个点处进行测量，其中点A与磁铁的右边缘的顶端间隔距离d，并且点Bl到B4在从磁铁的左边缘延伸的线上，该线通常表示为B。 

在更详细的描述中，在，与N或者S极的磁场强度具有最高值处的边缘的末端间隔一预定长度的点A是传感器测量的起点，，且与N或者S极的磁场强度具有最低值处的相对边缘的末端间隔一预定长度的点B4是传感器测量的终点。 

从起点A到终点B，沿着平行于磁极表面的直线（连接起点A和终点B的直线）测量磁场强度是否是线性的。通过不断地增加从磁极表面到终点的距离直到达到B1点，该点B1具有与起点A相同的高度，这样来确定磁通密度的线性度，以便于发现磁通密度保持线性的最后点。 

因此，测量结果表示在图6中曲线中，在这些位置处显示出了优良的线性度。这种包括起点和终点的高度线性的结果可应用到传感器中。 

如图5所示，根据不同的角度选择不同的测量位置，以便于发现最高线性度的位置。还应该认识到较高的磁通密度具有较小的磁路，这会影响磁通量，但是较低的磁通密度具有较大的磁路，这也会影响磁通量。与磁极表面间隔的初始测量的点A可确定的不同。左边缘和右边缘之间的高度比可根据磁铁的尺寸和磁场强度进行改变，这样，磁铁的结构也会被改变。 

图6是示出了根据本发明的三角形和四角形绘制的磁通密度变化的曲线图， 其中通过修改盒形磁铁的磁性以产生更精确的线性磁通密度所获得的结果大体上与通过改变磁性的结构所获得的结果相同。在磁铁的实际有效的段部分中，线性度能够从磁通密度的改变中发现。这就产生了这样一种磁铁，其在连接起点和终点之间的直线上具有线性磁通密度，从而能够利用磁铁确定精确的绝对位置，并且因而能够实施精确的控制。 

图7示出了根据本发明采用辐射线性磁通密度的磁铁的，精确的压力传感器的剖视图，图8示出了根据本发明采用辐射线性磁通密度的磁铁的，精确的压力传感器的侧面图，以及图9示出了根据本发明采用辐射线性磁通密度的磁铁的，精确的压力传感器的平面图。 

该压力传感器包括上和下壳体72和74，它们彼此结合以限定一个内部空间，插入在上和下壳体74之间的膜片66，将该内部空间分成两个隔室。 

一个支架64设置在膜片66的下侧上，以可靠地将膜片66连接至膜片支撑件62上，从而使得膜片支撑件62和膜片66响应于压力的变化能够彼此一起移动。磁铁60连接到膜片支撑件62的下侧上，如上所述，该磁铁60被构造为沿着起点和终点的之间的直线辐射线性的磁通密度。磁铁60的N或者S极表面与膜片66的移动方向对齐，平行于磁性传感器68并且与其间隔一个预定距离，磁性传感器68诸如是一个可编程霍尔集成电路。 

该磁性传感器68根据压力传感器的最终用途，连接到PCB70上以传送电信号，诸如压力数据，到控制器上。 

弹簧82设置在膜片支撑件62下面并且用来保持正压力和负压力之间的平衡，并且膜片66响应于应用到其上的压差向上或者向下移动。根据压差，弹簧的变形程度不同，也就是说，正压力的程度大于负压力的程度。因此，磁性传感器68测量磁铁60的线性改变的磁通密度以检测弹簧的变形度，从而确定绝对变形位置。 

虽然本发明已经结合具体精确的压力传感器描述，其不限于此，并且通过附加的权利要求进行定义。应当理解的是本领域技术人员能够代替，改变或者修改实施例为不同的形式均不脱离本发明的范围和精神情况。 

工业实用性 

在通过检测压力来实施精确控制的精确控制装置中，由于传统的位置传感器的不正确的位置信息，到目前为止，不精确的控制已经是不可避免的。然而，根据本发明，该精确的控制装置能够基于精确的压力检测实施精确的控制。也就是说，本发明的压力传感器能够精确地检测压差，因此能够实施更精确地控制。

Claims (8)

1.一种精确的压力传感器，其包括：一个盒形磁铁，其中该磁铁包括沿着对角方向以正弦波形式被磁化的N和S极，沿着平行于磁铁的磁极表面并且与之间隔的直线具有线性的磁通密度，从而该传感器可精确地测量相对位移，因而，可利用该盒形磁铁检测压力。

2.如权利要求1所述的精确的压力传感器，其中响应于沿着平行于磁极表面的连接起点和终点的直线的距离变化，该磁铁具有从起点到终点的线性磁通密度， 其中传感器测量的起点间隔N或者S极的磁场强度具有最大值的边缘的端部一个预定的长度， 其中测量的终点间隔N或者S极的磁场强度具有最小值的相对边缘的端部一个预定的长度， 从而精确地测量沿着平行于磁极表面的直线的相对位移，以此来检测相对压力。

3.如权利要求2所述的精确的压力传感器，其中沿着与磁极表面平行并且与之间隔最佳距离的直线，本磁铁具有线性的磁通密度， 其中传感器测量的磁通密度相对于该直线上的位移保持最佳的线性度， 通过反复移动可发现平行于磁极表面并且与之间隔一个预定距离的最佳的线性度，从而将传感器设置于平行于极表面的直线上的最佳位置处，并且响应于距离的变化精确地测量相对位移，以检测相对压力。

4.如权利要求1至3任一所述的精确的压力传感器，还包括：一个结合膜片的膜片支撑件，其中在垂直于膜片的运动方向的方向上，磁铁的N或者S极表面设置在膜片支撑件上；一个定位磁铁的磁性传感器，其设置为平行于N或者S极表面并且垂直于下壳体的底面；一个弹簧，其设置在膜片支撑件的下部和下壳体的底面之间；该膜片将上壳体和下壳体定义的内部空间分为上和下隔室；与上隔室连通的正压力连接部；与下隔室连通的负压力连接部， 从而，响应于膜片的向上和向下移动，可精确测量出与膜片支撑件结合在一起的磁铁的绝对或相对位移，这样，传感器即可检测压力。

5.一种精确的压力传感器，其用于测量相对距离变化的传感器，其包括具有倾斜上表面的盒形结构的磁铁，其中右边缘突出高于左边缘，其中沿着连接由传感器测量的起点和终点之间的平行于磁极表面的直线，该磁铁具有线性的磁通密度， 其中传感器测量的起点间隔N或者S极的磁场强度具有最大值的边缘的端部一个预定的长度，其中测量的终点间隔N或者S极的磁场强度具有最小值的相对边缘的端部一个预定的长度，从而该传感器可利用磁铁精确地测量相对距离，并以此来检测压力。

6.如权利要求5所述的精确的压力传感器，其中该N和S极被磁化为具有右边缘相对于左边缘在1-4范围内的长度比的金属元件，并且该传感器利用磁铁精确地测量相对距离，沿着在起点和终点之间连接的直线具有线性的磁通密度，并以此来检测压力。

7.如权利要求5所述的精确的压力传感器，其中传感器测量的起点间隔N或者S极的磁场强度具有最大值的边缘的端部一个预定的长度，并且测量的终点间隔N或者S极的磁场强度具有最小值的相对边缘的端部一个预定的长度，并且该传感器位于起点和终点处，通过测量磁场强度沿着连接起点和终点的直线是否是线性的确定这些位置，该直线从起点到终点平行于磁极表面，并且重复地增加终点到磁极表面的距离，直到达到与起点具有相同高度的点，以来确定磁通密度是否保持线性。

8.如权利要求5至7任一所述的精确的压力传感器，还包括：一个结合膜片的膜片支撑件，其中在垂直于膜片的运动方向的方向上，磁铁的N或者S极表面设置在膜片支撑件上；一个定位磁铁的磁性传感器，其设置为平行于N或者S极表面并且垂直于下壳体的底面；一个弹簧，其设置在膜片支撑件的下部和下壳体的底面之间；该膜片将上壳体和下壳体定义的内部空间分为上和下隔室；与上隔室连通的正压力连接部；与下隔室连通的负压力连接部，从而，响应于膜片的向上和向下移动，可精确测量出与膜片支撑件结合在一起的磁铁的绝对或相对位移，这样，传感器即可检测压力。