CN104583729A - 延伸的行程位置传感器 - Google Patents

Abstract

描述了一种位置感测系统，其包括被定位于靠近一定数量的软磁性材料或者半软磁性材料的波导。磁体，相对于波导和磁性材料是可移动的，该磁体被定位于邻近磁性材料处并且被配置以生成足够使得磁性材料局部饱和的局部磁场。该饱和的磁性材料操作以改变在饱和点处的波导的特征阻抗，特征阻抗的改变引起信号在阻抗不连续点处被反射。描述了用于将第一信号传递到波导的信号发生器，和用于接收第一信号和/或反射信号的信号接收器，以及用于基于第一信号和反射信号确定波导相对于磁体的位置感测处理器或者电路。

Description

延伸的行程位置传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年8月14日提交的，题目为“延伸的行程位置传感器”的美国临时申请No.61/682,818的权益，该申请在此通过引用被全文并入。

技术领域

本公开的实施例总体上涉及位置传感器，并且更具体地涉及包括波导以及磁体的延长的或者延伸的行程位置传感器。

背景技术

大多数的非接触式位置传感器是基于Hall或者磁致伸缩技术的。这种类型的位置传感器能够准确感测的有效最长行程长度被限制在大约20mm；在大于20mm的情况下，能够线性地感测磁场强度的能力限制了位置传感器的性能。特别是，位置传感器的灵敏度和准确性都受到影响。这样，更复杂的，并且通常是更昂贵的，测量系统被用于确定具有大于20mm的行程的物体的位置。例如，为了测量气缸内活塞的位置(气缸内的活塞通常具有大于20mm的行程)，可以使用磁性传感器。然而，磁性传感器的结构需要磁体的长度大约与行程的长度相同。这样，需要增大活塞的尺寸以包括这样的传感器。

有些非接触式位置传感器使用磁致伸缩磁体-波导来测量位置。例如，圆形磁体位于磁致伸缩波导附近。圆形磁体的位置被用来识别待测量的位置。电线延伸了波导的长度。电流的脉冲被置于线之上，其建立了第二磁场。第二磁场与由圆形磁体建立的磁场相干涉，因此建立了位于圆形磁体的位置处的转矩脉冲。转矩脉冲传送到传感器头所花费的时间与圆形磁体的位置相关。这种系统的示例在美国专利No.5,717,330中有所描述，该文件在此通过引用并入。如将被理解的，转矩脉冲以声速使波导向下移动。尽管这是相对快的，如果磁体被放置在快速移动的机器头上时，可能产生测量不准确。

此外，有些非接触式的位置传感器使用其它类型的波导。然而，这些其它类型的波导可以依赖于与局部环境的交互，以测量位置。例如，美国专利No.5,249,463(在此通过引用并入)，教导了被用于确定液位的波导。然而，如将理解的，这种位置传感器的准确度将由于暴露于环境而受到影响(例如，其他液体，油等)。

因此，需要一种非接触式的位置传感器，其被配置以测量具有大于20mm的行程的物体，该物体可以以相对快的速度运动，并且可以操作在恶劣的环境中(例如，暴露于液体，油，等)。

发明内容

本公开的各种实施例提供使用传感器和磁体来确定可移动物体的位置的位置感测系统，其中可移动物体的位置是相对于磁体或者传感器来确定的。在某些示例中，系统包括延伸的行程位置传感器，该延伸的行程位置传感器包括具有给定的特征阻抗的波导以及被定位于紧密邻近该波导的磁性材料，磁性材料包括软磁性材料以及半软磁性材料，可通信地耦合到波导以及信号接收器的信号发生器，信号发生器被配置以生成第一信号并且将第一信号传递到波导以及信号接收器，电耦合到波导的一个或者多个阻抗匹配器件并且该阻抗匹配器件被配置使得波导与信号发生器以及信号接收器阻抗匹配，相对于延伸的行程位置传感器可移动的磁体，该磁体被配置以生成足够使得磁性材料局部饱和的磁场，其中该磁性材料配置以引起波导中的阻抗不连续以使得第一信号在阻抗不匹配点处反射并且传递到信号接收器，以及通信地耦合到信号接收器的位置传感器电路，该位置传感器电路被配置以部分地基于由信号接收器接收的第一信号以及反射信号来确定磁体相对于延伸的行程位置传感器的位置。

本公开的某些示例提供延伸的行程位置传感器，该延伸的行程位置传感器包括具有给定的特征阻抗的波导，该波导被配置以接收第一信号且磁性材料被定位于紧密邻近该波导，该磁性材料包括软磁性材料或者半软磁性材料，其中该磁性材料被配置以当磁性材料被局部磁场所饱和时引起波导中的阻抗不连续，该阻抗不连续被配置使得第一信号在阻抗不连续点处被反射。

本公开的某些示例提供确定可移动物体的位置的方法，该方法包括由信号发生器生成第一信号，将第一信号传递到延伸的行程位置传感器的波导，该延伸的行程位置传感器包括波导以及被定位于紧密邻近该波导的磁性材料，该磁性材料包括软磁性材料或者半软磁性材料，将磁体移动到紧密邻近该延伸的行程位置传感器，该磁体被配置以生成足够使得该磁性材料局部饱和的磁场，其中该磁性材料配置以引起波导中的阻抗不连续使得第一信号从阻抗不匹配点处被反射，将反射的信号传递到信号接收器，且基于所接收的第一信号以及所接收的反射信号来确定可移动物体的位置。

附图说明

图1是示出位置感测系统的框图。

图2是示出传感器的附加实施例的框图。

图3是示出位置感测系统的附加实施例的框图。

图4是示出由位置感测系统生成的波形的示例。

图5是示出位置感测系统的附加实施例的框图。

图6－7是示出位置感测系统的附加实施例的框图。

图8－9是示出传感器的附加实施例的框图。

图10是示出传感器的附加实施例的框图，其所有都是根据本公开的至少某些实施例来布置的。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更加全面地描述本发明，其中发明的优选实施例被示出。然而，本发明可以以许多不同的形式来实现并且不应该被理解为限制于本文所述的实施例。而是，提供这些实施例以使得本公开是全面并且完整的，并且向本领域技术人员完全地传达发明的范围。在附图中，相似的参考标号在全文中指示相似的元件。

图1是示出根据本公开的至少某些实施例布置的包括延伸的行程位置传感器10的位置感测系统100的框图。延伸的行程位置传感器10(在本文有时被称作“传感器”)包括波导12。总体来说，波导12可以是任何类型的波导(例如，微带线波导，带状线波导，矩形波导，或者类似的)。波导12包括至少在波导12的上表面形成(例如，印刷的，附接的，或者类似的)的至少一个导电带14。导电带14可以是任何的导电材料(铜，银，或者类似的)。

位置传感器10还包括被定位于紧密邻近波导12的磁性材料18。例如，波导12和磁性材料18之间的空气隙或者间距可以是0mm到15mm之间。在某些示例中，波导12和磁性材料18相对于彼此是固定的。磁性材料18可以是软磁性材料或者半软磁性材料(例如，具有低或者相对低的磁饱和场的材料)的薄板。在某些示例中，磁性材料18可以是具有3Nm至100Nm的磁饱和场Hs的软磁性材料。在某些示例中，磁性材料18可以是具有100Nm至3000Nm的磁饱和场Hs的半软磁性材料。在某些示例中，磁性材料18的厚度是1mm。在某些示例中，磁性材料18的厚度在大约0.1mm至10mm之间。

位置传感器10与磁体22(例如，永磁体，电磁体，或者类似的)协同工作。磁体22相对于波导12，导电带14以及磁性材料18是可移动的。总体来讲，磁体22在波导12中建立了阻抗不连续。在磁体22相对于位置传感器10的位置处建立了阻抗不连续。如在以下更加详细描述的，可以基于这些阻抗不连续来确定位置传感器10相对于磁体22的位置。

感测系统100还包括以框30，32以及34示出的不同元件，这些元件图解地表示已知类型的阻抗匹配器件。要理解的是，当波导12的阻抗没有准确地匹配波导的负载或者源的时候，或者如果在波导的阻抗中建立了不连续，那么将会导致源于不连续的点的反射波。因此，阻抗匹配器件30，32，以及34被配置以使得包括波导12的位置传感器10是阻抗匹配的。结果，当磁体22不靠近位置传感器10的时候，波导12将不反射信号。然而，当磁体22被放置在靠近传感器的时候，将会在波导12中建立阻抗不连续，该阻抗不连续将会导致反射波的产生。例如，图1描述了阻抗不连续的点，其大致上由虚线和数字25示出。

总体来说，磁体22引起了磁性材料18的磁导率的下降，这会导致波导12中的阻抗不连续。磁体22具有足够的强度以产生能够完全和/或至少部分地使磁性材料18磁饱和的磁场24(由短划线示出)。要理解的是，波导12具有给定的阻抗值(称为特征阻抗)，然而，波导12的特征阻抗强烈地受到围绕波导12的材料(例如，磁性材料18)的磁导率的影响。如上所描述的，磁性材料18被定位于紧邻波导12。结果，磁性材料18的磁导率的变化将影响波导12的特征阻抗。

更具体地，将磁体22引入包括波导12，磁性材料18和阻抗匹配器件30，32以及34的阻抗匹配系统降低了磁性材料18的磁导率。磁性材料18的磁导率的下降与磁体22的强度成比例。如果磁体22足够强的话，在极限情况下，磁导率的降低能够接近零。结果，通过改变磁体材料18的磁导率，磁体22的磁场24给波导12的特征阻抗带来了局部的，显著的改变。该改变导致波导12的有效阻抗的不连续，该不连续将位于磁体22的磁场24处(例如，不连续点25)。该阻抗不连续引起形波从该不连续点被反射回源。该反射波可以被用于确定位置传感器10相对于磁体22的位置。

实际上，磁体22或者位置传感器10可以被附连到可移动物体，该可移动物体的位置是待感测的。例如，在某些实施例中，磁体22可以被附接到可移动物体(例如，缝纫机头，激光器，焊嘴，液体浮子，或者类似的)。位置传感器10可以被附接到协作结构，该协作结构可以沿可移动物体的路经被放置。作为另一个示例，在某些实施例中，位置传感器10可以被附接到可移动物体，而同时磁体22被附接到协作结构。因此，可以基于位置传感器10相对于磁体22的位置来确定可移动物体的位置。

为了确定位置传感器10相对于磁体22的位置，感测系统100包括信号发生器20，信号接收器27，以及位置感测处理器或者电路29。信号发生器20和信号接收器27操作地连接到波导12(例如，通过与导电带14的电连接)。信号发生器20被配置以生成信号脉冲(例如，信号脉冲21)，该信号脉冲传递至波导并且被波导反射(例如，反射脉冲23)。信号接收器27接收信号脉冲以及反射脉冲。位置感测处理器或者电路29操作地连接到信号接收器27并且被配置以基于由信号接收器27所接收的信号脉冲以及反射脉冲的定时(timing)来确定位置传感器10相对于磁体22的位置。

图1本质上描述了一种可以由感测系统100执行的距离测量技术。在某些示例中，信号发生器20可以被配置以重复地(例如，周期性地，或者类似地)生成脉冲。在某些示例中，所生成的脉冲可以是单个脉冲(例如，脉冲21)。在另一些示例中，所生成的脉冲可以是一系列脉冲(例如，多个脉冲21)。脉冲21被传递到位置传感器10，位置传感器10由于由磁体21所引起的波导12中的阻抗不连续25而反射脉冲21(例如，反射脉冲23)。反射脉冲23从位置传感器10被传递到信号接收器27。入射脉冲和反射脉冲之间的时间差是对磁体22相对于波导12的位置的量度。位置感测处理器或者电路29被配置以基于入射脉冲和反射脉冲的定时来确定位置传感器10相对于磁体22的位置。

例如，图1描述了信号发生器20在时间t＝t1生成脉冲21。脉冲21被示出从阻抗不连续点25被反射为反射脉冲23。然后，反射脉冲23被示出在时间t＝t2由信号接收器27接收。然后，位置感测处理器或者电路29可以基于t1和t2确定位置传感器10相对于磁体22(且作为结果，位置待感测的器件)的位置。

本公开的一个优点是磁性材料18有效地为波导12屏蔽局部环境中所建立的干扰，局部环境中所建立的干扰是一些现有技术的位置感测系统的缺点。此外，磁性材料18起到包括波导中的电波和磁波以降低与环境的相互作用的作用。例如，如果波导被用做液位传感器，并且部分地浸在没有磁性材料的液体中，那么波导的阻抗会不匹配并且会发生反射。在磁性材料位于波导上或者其附近的情况下，磁性材料为波导屏蔽外部干扰，其结果是阻抗不匹配仅通过磁体的磁场的引入而被有效地引起，该阻抗不匹配引起以上所述的反射波。另外，由于通过磁性材料18和阻抗匹配器件30，32以及34对波导进行阻抗匹配，当磁体22不存在时便没有反射了。

图2是示出位置传感器10的附加实施例的框图。如所描述的，位置传感器10包括沉积在衬底16上的第一导电带14。衬底16被沉积在第二导电层17上。第二导电层17可以是附接到衬底16的导电金属或者导电金属化后片。软磁性材料或者半软磁性材料18的薄片被定位于靠近第二导电层17。在某些实施例中，第二导电层17可以被接地，其可以增强导电层217的屏蔽效果。

图3是示出根据本公开的至少某些实施例布置的，感测系统100的框图。在图3中，示出了波导12和磁性材料18。此外，磁体22被示出定位于靠近波导12并且如磁性材料18一样被设置在相对侧。磁体22被示出定位于波导12的中点。然而，要理解的是，磁体22和波导12相对于彼此是可移动的并且出于方便的目的将磁体描绘在中点并且不旨在于限制。还示出阻抗匹配器件30和34。信号发生器20被示出为电连接到波导12和信号接收器27。再者，信号接收器27被电连接到波导12以及位置感测处理器或者电路29。如所描述的，信号发生器20生成被传递到波导12以及信号接收器27的脉冲，或者系列脉冲，21。如所描述的，信号接收器27包括使用放大器200和逻辑门202(例如，d型触发器，或者类似的)的过零检测器。如将理解的，所接收的信号被配置使得逻辑门202被设置在脉冲21的上升沿且在反射脉冲23过零之后被重置。位置感测处理器或者电路29包括积分器204以及调节电路206。

图4示出了示例波形400，波形400可以在感测系统100的操作期间出现在波导12的驱动端。如所描述的，波形400示出一系列的电压脉冲21，其中在电压脉冲21之间存在反射脉冲23。

图5是示出根据本公开的至少一些实施例布置的包括位置感测系统500的框图。如所描述的，系统500包括可操作地连接到已知的相位检测器252的周期性波形发生器250。相位检测器252包括压控振荡器(VCO)254。相位检测器252通过导电带14电连接到波导12。此外，还示出磁性材料18和磁体22。

相位检测器252的输出是代表具有频率f1的周期性参考信号和同样具有频率f1的反射信号(或者反馈信号)的相位差的信号。然而，如将理解的，由于由磁体22所引起的波导12中的阻抗不连续，反射信号会相对于参考信号在相位上移位。(VCO)254的输出是恒定振幅信号，该恒定振幅信号的频率随着参考信号和反射信号之间的测量相位差而变化。本质上，通过测量参考信号和反射信号的初始时间之间的相位，磁体22相对于波导12的位置可以被确定。

图6-7是示出根据本公开的至少一些实施例布置的，位置感测系统600的框图。如所描述的，系统600包括信号发生器20，信号接收器27，以及可操作地连接到波导112的位置感测处理器或者电路29。示出磁体22，其被定位于靠近波导112。更具体地参考图6，波导112包括中心导电芯114(例如，铜，或者类似的)，其中第二导体214(例如，线)以螺旋215缠绕导电芯。有效地缠绕中心导电芯114的第二导体214的延伸长度具有以更小的封装建立更长的波导的优点。此外，使用用于缠绕第二导体214的螺旋215提供了提高的机械有效性，其中磁体22沿着波导112的轴的较小的线性移动对应于反射波需要沿着螺旋215行进的更长的距离。这种结构可以提供提高的准确性并且放缓了脉冲，其可以允许更简单的实施。导体214在其周围盘绕的中心导电芯114位于圆柱形封装218内。圆柱形封装218是由软磁性材料或者半软磁性材料形成的。

更具体地参考图7，第二导体214的末端(描述为214a和214b)，延伸到圆柱形封装218的外面。阻抗匹配器件30和信号发生器20电连接到第二导体214的一个末端(例如，末端214a)，同时阻抗匹配器件32以及信号接收器27电连接到第二导体214的另一个末端(例如，末端214b)。

图8-9是示出位置传感器10的附加实施例的框图。如所描述的，位置传感器10可以包括下表面和上表面被导电层17覆盖的衬底16，其可以操作以将波导与环境隔离。位置传感器的面对磁体的一侧被称作活跃侧。位置传感器10还包括沉积在位置传感器10的活跃侧的磁性材料18的第一层。线圈215螺旋地包络磁性材料18的第一层，层17以及衬底16。在某些示例中，线圈215应该与层17隔离，例如，线会包括电绝缘涂层。磁性材料18A的第二层在位置传感器10的活跃侧覆盖线圈215。位置传感器10还包括第二导电层17A，例如，覆盖全部结构的薄铜片或者条带或者箔。在某些示例中，磁体22和位置传感器10的活跃侧之间的距离应足以使波导局部饱和(例如，使得磁性材料18或者18A饱和)并且可以是大约6mm(取决于磁体的强度)。

图10是示出位置传感器10的附加实施例的框图。如所描述的，位置传感器10可以包括衬底16，其中磁性材料18被定位于靠近衬底16，且导电层17沉积在衬底16和磁性材料18之间。可以是锯齿形的，螺旋形的，或者其它形状构造的另一个导电层215被蚀刻或者以其他方式被沉积在衬底16上。导电层215便于将位置传感器10与感测系统100电连接。在图10中所述的该位置传感器10可以便于实现有效长度类似于针对图6-7所述的有效长度的波导。

尽管本发明参考某些实施例公开，对于所述的实施例的许多修改，改变以及变化在不脱离本发明的领域和范围的情况下是可能的，如在所附权利要求中所界定的。因此，本发明旨在不被限制于所述实施例，而是限制于由以下权利要求，以及其等同物，的语言所界定的完整范围。

Claims (20)

1.一种位置感测系统，包括：

延伸的行程位置传感器，包括：

波导，其具有给定的特征阻抗；以及

磁性材料，其被定位于紧密邻近所述波导，所述磁性材料包括软磁性材料或者半软磁性材料；

信号发生器，其通信地耦合到所述波导和信号接收器，所述信号发生器被配置以生成第一信号并且将所述第一信号传递到所述波导以及所述信号接收器。

一个或者多个阻抗匹配器件，其电耦合到所述波导并且所述一个或者多个阻抗匹配器件被配置使得所述波导与所述信号发生器和所述信号接收器阻抗匹配；

磁体，其相对于所述延伸的行程位置传感器是可移动的，所述磁体被配置以生成足够使所述磁性材料局部饱和的磁场，其中所述磁性材料配置以引起所述波导中的阻抗不连续以使得所述第一信号在所述阻抗不连续点处被反射并且被传递到所述信号接收器；以及

位置传感器电路，其通信地耦合到所述信号接收器，所述位置传感器电路被配置以部分地基于由所述信号接收器接收的所述第一信号以及所反射的信号来确定磁体相对于所述延伸的行程位置传感器的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述磁体包括永磁体或者电磁体。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述波导是微带线波导，带状线波导或者矩形波导中的一个。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述磁性材料包围所述波导。

5.根据权利要求1所述的系统，所述延伸的行程位置传感器还包括沉积在所述波导上的第一导电层，所述第一导电层电耦合至所述信号发生器和所述信号接收器。

6.根据权利要求5所述的系统，所述延伸的行程位置传感器还包括沉积在所述波导和所述磁性材料之间的第二导电层，所述第二导电层被配置以为所述波导屏蔽电干扰。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述第二导电层是接地的。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述波导包括导电芯，其中导电线缠绕所述导电芯，并且所述磁性材料包括被配置以在其中容纳所述导电芯的圆柱形封装。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述导电线的第一端部电耦合到所述信号发生器并且所述导电线的第二端部电耦合至所述信号接收器。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述信号发生器被配置以重复地生成一系列的脉冲。

11.一种延伸的行程位置传感器，包括：

波导，其具有给定的特征阻抗，所述波导被配置以接收第一信号；以及

磁性材料，其被定位于紧密邻近所述波导，所述磁性材料包括软磁性材料或者半软磁性材料，其中所述磁性材料被配置以当所述磁性材料被局部磁场所饱和时引起波导中的阻抗不连续，所述阻抗不连续被配置使得所述第一信号在所述阻抗不连续点处被反射。

12.根据权利要求11所述的传感器，其中所述波导是微带线波导，带状线波导或者矩形波导中的一个。

13.根据权利要求11所述的传感器，其中所述磁性材料包围所述波导。

14.根据权利要求11所述的传感器，还包括沉积在所述波导上的第一导电层，所述第一导电层电耦合到所述信号发生器以及所述信号接收器。

15.根据权利要求14所述的传感器，还包括沉积在所述波导和所述磁性材料之间的第二导电层，所述第二导电层被配置以为所述波导屏蔽电干扰。

16.根据权利要求15所述的传感器，其中所述第二导电层是接地的。

17.根据权利要求11所述的传感器，其中所述波导包括导电芯，其中导电线缠绕所述导电芯，并且所述磁性材料包括被配置以在其中容纳所述导电芯的圆柱形封装。

18.一种确定可移动物体的位置的方法，包括：

由信号发生器生成第一信号；

将所述第一信号传递到延伸的行程位置传感器的波导，所述延伸的行程位置传感器包括波导以及被定位于紧密邻近所述波导的磁性材料，所述磁性材料包括软磁性材料或者半软磁性材料；

将磁体移动到紧密邻近所述延伸的行程位置传感器，所述磁体被配置以生成足够使得所述磁性材料局部饱和的磁场，其中所述磁性材料配置以引起波导中的阻抗不连续以使得所述第一信号在所述阻抗不连续点处被反射；

将所反射的信号传递到信号接收器，以及

基于所接收的第一信号以及所接收的反射信号来确定所述可移动物体的位置。

19.根据权利要求18所述的方法，其中确定所述可移动物体的位置包括：

测量所述第一信号的生成以及所述反射信号的接收之间的时间延迟；以及

将所述时间延迟与所述可移动物体的位置相关联。

20.根据权利要求18所述的方法，其中确定所述可移动物体的位置包括：

测量所述第一信号和所述反射信号之间的相位差；以及

将所述相位差与所述可移动物体的位置相关联。