CN105659053B - 用于确定转子位移的非接触式传感器 - Google Patents

用于确定转子位移的非接触式传感器 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于确定转子(120)的位移的非接触式电磁传感器装置。两个感测线圈(612，614)与转子的表面相互作用。桥式电路由感测线圈和输入变压器(210)的两个次级绕组(212，213)形成。输入变压器的初级绕组接收激励信号。在由感测线圈(612，614)之间的公共节点和输入变压器的次级绕组之间的公共节点形成的输出抽头处获得输出信号。以这种方式将激励与检测分离。如果使用电缆将桥式电路连接至信号处理电路，则可以使该桥式电路的输入阻抗和输出阻抗与电缆的特性阻抗相匹配。输出变压器可以连接至输出抽头。输入变压器和输出变压器的角色可以互换。

Description

用于确定转子位移的非接触式传感器
技术领域
本发明涉及一种用于测量转子的特性特别是转子的位移的传感器装置以及配备有这样的传感器装置的设备。
背景技术
通常采用非接触式电磁传感器——特别是涡流传感器和电感式传感器(也称为磁阻传感器)——来监测机械如泵和压缩机中的转子的位移。如果转子由有源磁悬浮轴承来悬挂，对转子位置的监视特别重要，其中需要位置信息来控制磁悬浮轴承。
涡流传感器通常包括连接至信号处理电路的换能器。在换能器与信号处理电路之间可以存在多引线连接电缆。在一些实施方式中，换能器包括单个感测线圈。信号处理电路包括单个信号发生器，该信号发生器一般在超过100kHz的频率激励感测线圈中的高频AC电流。高频电流产生绕感测线圈的交变磁场，该交变磁场在附近的转子上的导电目标上感应涡流。该涡流反过来在感测线圈中感应反电动势(EMF)，该反电动势改变换能器的阻抗。这样的阻抗变化由信号处理电路检测以提供换能器与目标之间的距离的指示。为此目的，信号处理电路可以包括模拟或数字解调器。在US 6,664,782中公开了一种具有数字解调器的单线圈传感器系统的示例。这个文档还讨论了与单线圈传感器相关联的一些普遍问题。
电感式传感器与涡流传感器的工作原理非常类似。然而，电感式传感器的工作频率通常比涡流传感器的工作频率低，一般仅在几kHz的范围内。具有高磁导率的目标例如铁磁性或亚铁磁性目标直接影响感测线圈的自感。在下文中，将涡流位移传感器和感应式位移传感器共同命名为非接触式电磁位移传感器。
在一些应用中，非接触式电磁位移传感器的换能器可能被暴露于不利的机械、物理和化学条件如强震动、高温、高压、高湿度或者存在化学腐蚀性物质。在现有技术中已付出相当大的努力来提供能够承受这样的不利条件的经封装的换能器。在US 5,818,224中公开了一种示例。然而，其中可以使用这样的经封装的换能器的工作条件的范围是有限的，并且可能需要高的建设性努力来将经完全封装的换能器集成到机械中。
此外，具有单线圈换能器的传感器易受由不仅换能器的阻抗而且还由连接电缆的阻抗的温度变化引起的温度误差的影响。由于温度漂移或湿度变化而引起的阻抗变化可能被误认为是由于换能器与目标之间的距离变化而引起的阻抗变化。这会导致不准确的距离测量。在有必要经由相当长的连接电缆将信号调节电路连接至换能器的应用中，该问题更加严重，因为可能存在这样的情况：在大型旋转机械如压缩机或大型泵中，电缆长度可以容易地超过20米并能达到300米或以上。
在现有技术中，通过采用多线圈换能器已经解决了这些问题中的一些问题。例如，US 6,803,757提出了采用包括感测线圈、驱动线圈和参考线圈的多线圈换能器。信号发生器驱动该驱动线圈以在目标中感应涡流。感测线圈插在驱动线圈与目标之间并且输出感应电压，该感应电压取决于换能器与目标之间的距离。参考线圈感应地耦接至驱动线圈而不被目标影响。来自参考线圈的信号被反馈至信号发生器，使得由驱动线圈产生的磁场保持基本上恒定。需要六条导线来将换能器连接至其余的电路。
GB 1 295 460公开了采用双线圈换能器的传感器。感测线圈和参考线圈在共同的导电换能器外壳中轴向对齐，感测线圈被布置为邻近外壳的一端，而参考线圈被布置为远离这一端。感测线圈和参考线圈被串联连接以形成桥式电路的第一腿和第二腿。桥式电路的第三腿和第四腿由第一变压器的串联连接的相同的次级绕组形成。每对腿之间的中点由第二变压器的初级绕组连接。通过将AC电流馈送至第一变压器的初级绕组来共同激励感测线圈和参考线圈。感测线圈的阻抗受靠近第一端的导电目标的存在的影响，而参考线圈的阻抗保持大体上不受目标的影响。这导致桥式电路不平衡，引起第二变压器的初级绕组两端的AC电压。在第二变压器的次级绕组处得到的电压由解调器检测。需要至少三条导线来将换能器连接至其余电路。在US 3,491,289中也公开了具有类似电气布局的传感器。
US 5,617,023公开了感应式位置传感器的各种实施方式。在一些实施方式中，两个换能器被布置在升降机导轨的相对侧。每个换能器包括在共同磁芯上的初级线圈和次级线圈。初级线圈以串联配置连接至信号发生器，而次级线圈以反向串联配置连接至同步检测器。以这种方式，仅检测次级线圈中感应的电压之间的差。需要四条导线来将每个换能器的两个线圈连接至其余电路。
发明内容
本发明的目的是提供一种专门适于确定旋转机械中的旋转轴的位移的非接触式电磁传感器装置，该传感器装置具有简单的导线布设方案并且适合于与长电缆一起使用。
由根据权利要求1或10所述的传感器装置来实现这个目的，从属权利要求中规定了本发明的另外的实施方式。
在第一方面中，本发明提供了用于确定转子的特性的传感器装置，该传感器装置包括：
第一感测线圈和第二感测线圈，每个线圈被配置成与转子的表面相互作用以检测转子相对于第一感测线圈和第二感测线圈的位移；以及
输入变压器，其具有初级绕组以及至少第一次级绕组和第二次级绕组，该输入变压器的初级绕组形成用于激励信号的输入，
其中，第一感测线圈、第二感测线圈以及输入变压器的次级绕组被连接以形成桥式电路，该桥式电路包括第一腿、第二腿、第三腿和第四腿，第一腿包括第一感测线圈，第二腿包括第二感测线圈，第一腿和第二腿被串联连接以形成在第一腿与第二腿之间的公共节点，第三腿包括输入变压器的第一次级绕组，并且第四腿包括输入变压器的第二次级绕组，第三腿和第四腿被串联连接以形成在第三腿与第四腿之间的公共节点，
其中，在桥式电路的第一腿与第二腿之间的公共节点连接至用于第一输出信号的第一输出抽头的第一接触部，并且
其中，在桥式电路的第三腿与第四腿之间的公共节点连接至第一输出抽头的第二接触部。
术语“输出抽头”在广义上被解释为指代允许读取输出信号的电连接的任何结构。输出抽头可以例如采取下述形式：连接器、插座端子或者一对焊点，这一对焊点甚至不必彼此邻近。
通过将两个感测线圈连接至桥式电路中的输入变压器的次级绕组来将激励与检测分离。激励信号被提供给输入变压器的初级绕组，并且仅检测差信号作为输出抽头处的输出信号。这个差信号反映该转子相对于两个感测线圈的位移量。可以经由电缆将激励信号从信号发生器提供给输入变压器的初级绕组。同样地，可以经由电缆从输出抽头读取输出信号。通过将(大的)激励电压与(相对小的)差信号进行分离并且通过电缆分别传输这些电压，大大降低了对电缆阻抗的变化的敏感性。这使得能够使用长电缆。
在GB1 295 460中还采用了输入变压器。然而，本发明与该文档相比的重要差异是与输入变压器相互作用的线圈的布置和功能：尽管在GB 1 295 460中，这些线圈是单个换能器的感测线圈和参考线圈，仅感测线圈受目标的运动的影响，但是在本发明中，两个线圈都是被配置成与转子相互作用的感测线圈，优选地与转子的相对方向的表面相互作用。因此转子形成两个感测线圈的目标。感测线圈的阻抗(特别地，电感)优选地受该目标沿具有相反符号的预定方向的运动的影响，亦即，如果目标在预定方向上发生位移，则感测线圈中的一个的阻抗会增加，而另一个感测线圈的阻抗会减少。为了使靠近转子的感测线圈能够发生位移，每个感测线圈可以例如是单独的换能器的一部分，换能器适合于相对于转子单独地定位。在其他实施方式中，感测线圈可以被布置在共同的载体上，例如，被布置在共同的电路板上，该电路板的形状能够使线圈被布置成靠近转子。本发明不限于配置感测线圈的具体方式，只要这些感测线圈可以被放置成与转子相互作用，并且优选地与转子的相对方向的表面相互作用。
术语“与转子的相对方向的表面相互作用”应当被理解为包括感测线圈与下述表面相互作用的任何情况，这些表面的法线指向相对的方向。这些表面可以是例如转子轴的外部周向表面的径向相对的部分，以用于检测径向位移。在这种情况下，感测线圈被定位在转子轴的相对的径向侧上。在中空转子的情况下，这些表面可以是转子的内部周向表面的径向相对的部分。在这种情况下，两个感测线圈以径向相对配置被定位在中空转子的内部。在其他实施方式中，感测线圈可以例如被定位在止推盘的轴向相对的表面上，以用于检测轴向位移。
在另一实施方式中，感测线圈中的每一个可以例如被定位在转子轴的周向表面上的周向边缘的轴向相对侧上，该边缘将转子轴上的具有不同磁化率或电导率的两个区域分隔开，以检测转子的轴向位移。特别地，可以设置两个周向边缘，该边缘界定与相邻的转子材料相比具有不同敏感性的目标材料的环，或者该边缘界定周向凹口或径向突出环。另外的感测线圈可以与第一感测线圈和第二感测线圈中的每一个串联连接，并且可以被布置在与相应的感测线圈径向相对的配置中，使得桥式电路的第一腿和第二腿中的每一个包括两个串联连接的感测线圈，这两个感测线圈被布置成与转子的径向相对方向的表面相互作用。然后，转子的径向位移会影响具有相反符号的每条腿中的串联连接的线圈的阻抗，消除了径向位移对输出信号的影响。以这种方式，仅轴向位移被检测。
输入变压器可以用于在由变压器进行变换时使桥式电路的阻抗与电缆的特性阻抗(波阻抗)相匹配。这使得能够使用专门适合于特定应用的感测线圈，而不必使感测线圈自身的阻抗与电缆的阻抗相匹配。例如，可以使用具有低匝数和厚绝缘层的感测线圈。以这种方式，设计更坚固的换能器成为可能。
另外的阻抗匹配元件——特别是电容器——可以连接至输入变压器以用于改进阻抗匹配。阻抗匹配元件可以包括并联连接至初级绕组的至少一个电容器，或者并联连接至输入变压器的次级绕组中的至少一个的至少一个电容器。也可以采用与初级绕组并联连接或者与次级绕组串联连接的的单个电容器。然而，也可以使用由多个电容器和/或电感器例如以L形、T型或者π结构的形式形成的更复杂的匹配结构，因为这些匹配结构本身在高频电子领域中是公知的。
将这样的元件连接至输入变压器的次级绕组以实现初级绕组处的阻抗匹配是特别有利的。特别地，该传感器装置可以包括：
输入电缆，其连接至输入变压器的初级绕组，该输入电缆具有第一特性阻抗；以及
至少一个阻抗匹配元件，其连接至输入变压器的第一次级绕组和/或第二次级绕组，以将输入变压器的初级绕组处的输入阻抗匹配至输入电缆的特性阻抗。
可替代地或附加地，可以采用连接至输入变压器的初级绕组的阻抗匹配元件。
阻抗匹配元件被有利地布置在输入变压器的附近。特别地，如果输入变压器通过壁——例如由机械外壳的外壳壁——与感测线圈分隔开，则优选地将阻抗匹配元件布置在壁的与输入变压器相同的一侧上。然而，如果阻抗匹配元件连接在输入变压器的次级侧，则也可以将阻抗匹配元件布置在感测线圈的附近，特别地，布置在分隔的壁的与感测线圈相同的一侧上。
除了输入电缆以外或者代替输入电缆，可以采用传输电缆来将输入变压器的次级绕组(即桥式电路的第三腿和第四腿)连接至感测线圈(即桥式电路的第一腿和第二腿)。应该优选将连接至传输电缆的远端的部件的阻抗匹配至传输电缆的特性阻抗。此外，可以使用阻抗匹配元件如电容器以用于这一目的。特别地，该装置可以包括：
第一传输电缆，其具有第一端和第二端，第一端连接至桥式电路的第三腿，并且第二端连接至桥式电路的第一腿，该第一传输电缆具有第一特性阻抗；
第二传输电缆，其具有第一端和第二端，第一端连接至桥式电路的第四腿，并且第二端连接至桥式电路的第二腿，该第二传输电缆具有第二特性阻抗；以及
一个或更多个阻抗匹配元件，其连接至第一传输电缆和第二传输电缆的第二端，以将桥式电路的第一腿和第二腿处的输入阻抗匹配至第一传输电缆和第二传输电缆的特性阻抗。
此外，阻抗匹配元件被有利地布置在传输电缆的第二端附近。特别地，如果这些端通过壁与感测线圈分隔开，则优选地将阻抗匹配元件布置在壁的与电缆的这些端相同的一侧上。然而，也可以将阻抗匹配元件布置在感测线圈的附近，特别地，布置在分隔的壁的与感测线圈相同的一侧上。
虽然可以将输出信号从输出抽头直接传送至检测电路，但是有利的是由输出变压器首先将这个输出信号进行变换。为此目的，传感器装置可以包括第一输出变压器，该第一输出变压器具有初级绕组和次级绕组，第一输出变压器的初级绕组连接至第一输出抽头的第一接触部和第二接触部。
此外，如果输出电缆连接至输出变压器的次级绕组，则应该优选地将输出变压器的次级绕组的输出阻抗再次匹配至输出电缆的特性阻抗。此外，可以再次通过采用阻抗匹配元件特别是一个或更多个电容器来改进阻抗匹配。有利的是通过将阻抗匹配元件连接至输出变压器的输入端来实现阻抗匹配。更具体地，传感器装置可以包括：
输出电缆，其连接至第一输出变压器的次级绕组，该输出电缆具有特性阻抗；以及
一个或更多个阻抗匹配元件，其连接至输出变压器的初级绕组，以将输出变压器的次级绕组处的输出阻抗匹配至输出电缆的特性阻抗。
附加地或可替代地，也可以将阻抗匹配元件连接至输出变压器的次级绕组。阻抗匹配元件优选地包括并联连接至输出变压器的初级绕组或次级绕组的电容器。然而，如以上所讨论的与输入变压器处的阻抗匹配相结合的其他布置也是可以的。
此外，阻抗匹配元件被有利地布置在输出变压器的附近。特别地，如果输出变压器通过壁与感测线圈分隔开，则优选地将阻抗匹配元件布置在壁的与输出变压器相同的一侧上。然而，如果阻抗匹配元件连接至输出变压器的初级绕组，则也可以将阻抗匹配元件布置在感测线圈的附近，特别地，布置在分隔的壁的与感测线圈相同的一侧上。
如果不使用输出变压器，或者如果输出变压器被布置成远离感测线圈，则可以将输出信号从输出抽头传送至检测电路或者经由输出电缆传送至输出变压器。为此目的，传感器装置可以包括：
输出电缆，其具有特性阻抗，该输出电缆包括第一导体和第二导体，每个导体具有第一端和第二端，第一导体的第一端连接至第一输出抽头的第一接触部(或等同于桥式电路的第一腿与第二腿之间的公共节点)，并且第二导体的第一端连接至第一输出抽头的第二接触部(或等同于桥式电路的第三腿与第四腿之间的公共节点)；以及
一个或更多个阻抗匹配元件，其连接至第一导体的第一端和第二导体的第二端，以将桥式电路在第一输出抽头处的输出阻抗匹配至输出电缆的特性阻抗。
此外，阻抗匹配元件被有利地布置在电缆的导体的第一端的附近。特别地，如果输出抽头通过壁与感测线圈分隔开，则优选地将阻抗匹配元件布置在壁的与输出抽头相同的一侧上。然而，也可以将阻抗匹配元件布置在感测线圈的附近，特别地，布置在分隔的壁的与感测线圈相同的一侧上。如以上所讨论的，阻抗匹配元件可以包括一个或更多个电容器和/或电感器。
如上所述，优选地将连接至电缆的一些或全部信号源的输出阻抗以及连接至电缆的一些或全部负载的输入阻抗匹配至相应电缆的特性阻抗。如果不进行这样的阻抗匹配，则在电缆的输入端和/或输出端处会发生反射以及由此造成的传输损耗。此外，整个传感器电路的行为将在很大程度上取决于电缆长度。在现有技术的单线圈传感器系统中，在电缆的换能器端通常不可能实现阻抗匹配的情况下，尤其会遭遇这样的问题。因此，来自信号发生器的信号在电缆与换能器之间的接口处被反射并且直接到达检测电路。可以通过校准来计算这些反射。然而，如果在校准后由于环境条件的改变而使电缆阻抗发生变化，则这种类型的补偿将失败。如果使用较长的电缆，则这种效应尤其明显。本发明将用于激励与检测的传输通路进行分离，并且使两个传输通路都能够进行阻抗匹配，从而使反射和传输损耗最小化。由于电缆公差，反射不能完全避免。然而，由于传输途径被分离，因此从信号发生器反射的信号不再会反射回检测电路。由于电缆中的传播延迟，电缆将仍然导致相移。然而，这样的相移不会强烈依赖于环境参数如温度和湿度，并且可以容易地补偿。
在本发明的上下文中，如果输入/输出阻抗的绝对值与电缆的标称特性阻抗之间的差小于标称特性阻抗的20％，更优选地小于标称特性阻抗的10％，并且如果输入/输出阻抗的无功分量小于标称特性阻抗的绝对值的20％，更优选地小于标称特性阻抗的绝对值的10％，则认为负载的输入阻抗或信号源的输出阻抗被匹配至电缆的标称特性阻抗。例如，如果输入/输出阻抗的绝对值在40欧姆与60欧姆之间，更优选地在45欧姆与55欧姆之间，并且如果无功分量(复阻抗的虚部)小于10欧姆，更优选地小于5欧姆，则认为输入阻抗或输出阻抗被匹配至具有50欧姆的特性阻抗的电缆。由于通常电缆的阻抗公差在10％的范围内，因此只有在使用具有特别低的公差的专用电缆的情况下，优于10％的阻抗匹配才是合理的。
输入变压器和输出抽头(如果适用的话，还有输出变压器)可以通过壁——例如通过其中布置有感测线圈的机械的外壳的壁——在空间上与感测线圈分隔开。在这样的情况下，传感器装置可以包括用于穿过壁来馈送电信号的馈通。仅需要三个这样的馈通来将两个感测线圈连接至输入变压器和输出抽头：第一馈通将桥式电路的第一腿的“自由”端(即，第一腿的没有连接至与第二腿的公共节点的一端)连接至第三腿的“自由”端(即，第三腿的没有连接至与第四腿的公共节点的一端)。应当记得，第一腿是包括第一感测线圈的腿，以及第三腿是包括输入变压器的第一次级绕组的腿。第二馈通将第二腿的“自由”端(即，没有连接至第一腿的一端)连接至第四腿的“自由”端(即，没有连接至第三腿的一端)。应当记得，第二腿是包括第二感测线圈的腿，以及第四腿是包括输入变压器的第二次级绕组的腿。第三馈通将第一腿与第二腿之间的公共节点(第一感测线圈和第二感测线圈所连接至的点)连接至第一输出抽头的第一接触部。所有剩余的连接无需穿过壁就可以完成。特别地，第一腿和第二腿(具有感测线圈)至他们的公共节点的连接可以在壁的一侧完成，输入变压器的第一次级绕组和第二次级绕组共用的点至第一输出抽头的第二接触部的连接可以在壁的另一侧完成。
馈通可以以各种方式来实现，因为馈通是本领域中公知的。例如，馈通可以被实现为在壁的开口中保持的一个或更多个多接触部连接器，其中每个连接器的每条引脚形成一个馈通。
传感器装置可以通过第二对传感器线圈来进行扩展。为此目的，传感器装置可以包括第三感测线圈和第四感测线圈。桥式电路可以具有第五腿和第六腿，第五腿和第六腿被串联连接以形成在第五腿与第六腿之间的公共节点，第五腿包括第三感测线圈，并且第六腿包括第四感测线圈。然后可以将桥式电路的第五腿与第六腿之间的公共节点连接至用于第二输出信号的第二输出抽头的第一接触部。
在这个设计中，第二对感测线圈与第一对感测线圈共享输入变压器。以这种方式，仅利用一个单个输入变压器获得了两个独立的传感器信道。
如果感测线圈通过壁与输入变压器和输出抽头分隔开，则仅需要四个馈通来将四个感测线圈连接至输入变压器并且连接至输出抽头：第一馈通将桥式电路的第一腿(包括第一感测线圈)与第五腿(包括第三感测线圈)共用的点连接至第三腿的“自由”端(包括输入变压器的第一次级绕组)。第二馈通将第二腿(包括第二感测线圈)与第六腿(包括第四感测线圈)共用的点连接至第四腿的“自由”端(包括输入变压器的第二次级绕组)。第三馈通将第一腿与第二腿共用的点连接至第一输出抽头的第一接触部。第四馈通将第五腿与第六腿共用的点连接至第二输出抽头的第一接触部。所有剩余的连接无需穿过壁就可以完成。特别地，第一腿、第二腿、第五腿和第六腿(包括感测线圈)之间的所有连接可以在壁的一侧上完成，并且第三腿和第四腿(包括输入变压器的第一次级绕组和第二次级绕组)共用的点至第一输出抽头和第二输出抽头的第二接触部的连接可以在壁的另一侧完成。第三腿和第四腿共用的点与第一输出抽头和第二输出抽头的第二接触部甚至可以具有物理上相同的结构。
这可以概括到具有包括感测线圈的2N条腿的N个传感器信道，其中N>1。仅需要N+2个馈通来将壁的一侧上的包括感测线圈的2N条腿连接至壁的另一侧上的单个输入变压器和N个输出抽头。
输入变压器和输出变压器的角色也可以互换，即输入变压器充当输出变压器，而输出变压器充当输入变压器。本发明因此还提供了用于确定转子的特性的传感器装置，该传感器装置包括：
第一感测线圈和第二感测线圈，每个感测线圈被配置成与转子的表面相互作用以检测转子相对于第一感测线圈和第二感测线圈的位移；以及
输入变压器，其具有初级绕组和次级绕组，输入变压器的初级绕组形成用于激励信号的输入；以及
第一输出变压器，其具有至少第一初级绕组和第二初级绕组以及次级绕组，该次级绕组形成用于第一输出信号的第一抽头，
其中，第一感测线圈、第二感测线圈以及第一输出变压器的初级绕组被连接以形成第一桥式电路，
第一桥式电路包括第一腿、第二腿、第三腿和第四腿，第一腿包括第一感测线圈，第二腿包括第二感测线圈，第一腿和第二腿被串联连接以形成第一腿与第二腿之间的公共节点，第三腿包括第一输出变压器的第一初级绕组(251)，以及第四腿包括第一输出变压器的第二初级绕组，第三腿和第四腿被串联连接以形成第三腿与第四腿之间的公共节点，并且
其中，输入变压器的次级绕组被连接在第一桥式电路的第一腿和第二腿的公共节点与第一桥式电路的第三腿和第四腿的公共节点之间。
如上面讨论的那样，对于电缆以及任何电缆的端部处的阻抗匹配的所有考虑也适用于本实施方式。特别地，输入电缆可以连接至输入变压器的初级绕组。则输入变压器的初级绕组处的输入阻抗优选地与输入电缆的特性阻抗相匹配。可以将至少一个阻抗匹配元件连接至输入变压器的初级绕组或次级绕组以改善匹配。该装置还可以包括连接至第一输出变压器的次级绕组的输出电缆。则第一输出变压器的次级绕组处的输出阻抗优选地与输出电缆的特性阻抗相匹配。可以将至少一个阻抗匹配元件连接至第一输出变压器的第一初级绕组和/或第二初级绕组或次级绕组以改善匹配。
如果变压器通过壁与感测线圈分隔开，则仅再次需要穿过壁的三个馈通来将两个感测线圈连接至两个变压器：第一馈通将桥式电路的第一腿和第二腿(这些腿包括感测线圈)共用的点连接至输入变压器的次级绕组的一端。第二馈通将第一腿(包括第一感测线圈)的“自由”端连接至第三腿(包括第一输出变压器的第一初级绕组)的“自由”端，并且第三馈通将第二腿(包括第二感测线圈)的“自由”端连接至第四腿(包括第一输出变压器的第二初级绕组)的“自由”端。此外，所有剩余的连接再次无需穿过壁就可以完成。特别地，第一腿与第二腿之间的连接(特别地，在感测线圈之间)可以在壁的一侧完成，而输入变压器的次级绕组的另一端与第三腿和第四腿(包括第一输出变压器的第一初级绕组和第二初级绕组)共用的点之间的连接可以在壁的另一侧完成。
此外，如果需要多于一个的传感器信道，则传感器装置可以再次通过设置附加对的感测线圈和相关联的另外的输出变压器来进行扩展。特别地，该传感器装置可以包括：
第三感测线圈和第四感测线圈以及第二输出变压器，该第二输出变压器具有至少第一初级绕组和第二初级绕组，
其中，第三感测线圈、第四感测线圈和第二输出变压器的初级绕组被连接以形成第二桥式电路，
第二桥式电路包括第一腿、第二腿、第三腿和第四腿，第一腿包括第三感测线圈，第二腿包括第四感测线圈，第一腿和第二腿被串联连接以形成在第一腿与第二腿之间的公共节点，第三腿包括第二输出变压器的第一初级绕组，并且第四腿包括第二输出变压器的第二初级绕组，第三腿和第四腿被串联连接以形成在第三腿与第四腿之间的公共节点，并且
第二桥式电路的第一腿和第二腿的公共节点连接至第一桥式电路的第一腿和第二腿的公共节点，并且第二桥式电路的第三腿和第四腿的公共节点连接至第一桥式电路的第三腿和第四腿的公共节点。
以这种方式，再次利用仅三个变压器而不是四个变压器获得了两个独立的传感器信道。
如果感测线圈通过壁与变压器装置分隔开，则需要五个馈通来将四个感测线圈连接至三个变压器：第一馈通将第一桥式电路的第一腿和第二腿的共同结点以及第二桥式电路的第一腿和第二腿的公共节点连接至输入变压器的次级绕组的一端。第二馈通将第一桥式电路的第一腿的“自由端”连接至第一桥式电路的第三腿的“自由端”。第三馈通将第一桥式电路的第二腿的“自由端”连接至第一桥式电路的第四腿的“自由端”。第四馈通将第二桥式电路的第一腿的“自由端”连接至第二桥式电路的第三腿的“自由端”。并且第五馈通将第二桥式电路的第二腿的“自由端”连接至第二桥式电路的第四腿的“自由端”。所有剩余的连接再次无需穿过壁就可以完成。
此外，这可以再次概括到具有包括感测线圈的2N条腿的N个传感器信道。仅需要2N+1个馈通来将壁的一侧上的包括感测线圈的2N条腿连接至壁的另一侧上的单个输入变压器和N个输出变压器。
在所有这些实施方式中，该装置还可以包括信号处理电路，该信号处理电路包括：
信号发生器，其可操作地连接至输入变压器的初级绕组以用于在输入变压器的初级绕组中激励AC电流；以及
第一检测电路，其(可以经由相应的输出变压器)可操作地连接至第一输出抽头，该第一检测电路被配置成对从第一输出抽头接收的第一输出信号进行处理以获得经处理的输出信号，该经处理的输出信号指示转子相对于第一感测线圈和第二感测线圈的位移。
如果该传感器装置包括第三传感器线圈和第四传感器线圈，则如以上所讨论的，信号处理电路将还包括第二检测电路，该第二检测电路可操作地连接至第二输出抽头以用于获得第二输出信号。
第一检测电路和第二检测电路中的每一个可以包括解调器，该解调器接收相应的输出变压器的输出和来自信号发生器的载波信号作为其输入信号。第一检测电路和第二检测电路中的每一个可以包括用于将载波信号的相位相对于相应的输出变压器的输出的相位进行移相的移相器。解调器可以包括低通滤波器之后的混频器(即乘法器)。解调器可以被实现为数字电子器件。为此目的，解调器可以包括用于将每个输出变压器的输出转换成二进制信号的A/D转换器。类似地，信号发生器可以包括用于产生二进制频率信号的数字振荡器以及将二进制频率信号转换成用于输入变压器的模拟激励信号的D/A转换器。
信号处理电路可以被布置成远离变压器，并且至少一个电缆可以在(i)信号处理电路与(ii)输出抽头和变压器之间延伸。可以使用单独的电缆(例如，同轴电缆或双绞线电缆)或者具有单独的导线对的单个电缆(例如，单护套中的两个同轴或双绞线，其通过适当的屏蔽装置相互屏蔽)。传感器装置可以包括用于可移除地连接一个或更多个电缆的一个或更多个连接器或其他结构，所述连接器电连接至输入变压器的初级绕组并且电连接至输出抽头或每个输出变压器的次级绕组。变压器可以被容置在设置有这些连接结构的接线盒中。
如已经提到过的，输入变压器和输出变压器的变压比可以以这样的方式来选择：使得输入变压器的输入阻抗和/或输出变压器的输出阻抗与电缆的特性阻抗相匹配。同样地，可以将信号处理电路的输入阻抗和输出阻抗匹配至相应的电缆的阻抗。以这种方式，可以将一个或更多个桥式电路与电缆之间的接口处以及信号处理电路与各电缆之间的接口处的反射和损耗最小化。可以采用另外的阻抗匹配元件，例如，可以将电容器与变压器的绕组并联设置。
为了补偿信号发生器与输入变压器的初级绕组之间的电缆损耗，输入变压器可以包括辅助次级绕组，以用于测量输入变压器的芯中的磁通幅度。则信号处理电路可以包括辅助检测电路，其可操作地连接至辅助绕组以获得参考信号，该参考信号指示磁通幅度，从而指示初级绕组中的AC电流的幅度。信号处理电路还可以包括除法器，用于将第一检测电路和/或第二检测电路的输出除以参考信号。在其他实施方式中，参考信号可以用于以这样的方式来控制信号发生器的输出：使得输入变压器的初级绕组中的AC电流具有预设幅度。对输入变压器信号的辅助测量也可以用于测量由于电缆中的传播延迟引起的相移。这种测量可以用于调整信号解调的相位。如果在输入变压器的辅助次级绕组与信号处理电路之间采用电缆，则辅助次级绕组可以经由串联连接至辅助次级绕组的电阻器或者经由另一阻抗匹配元件连接至电缆，以与电缆的特性阻抗相匹配。
本发明还提供了一种装置，该装置包括外壳以及转子，该转子悬置在外壳中以用于绕旋转轴旋转，该设备包括如以上所公开的传感器装置，优选地，包括感测线圈的桥式电路的各条腿被布置在外壳的内部，而变压器和输出抽头被布置在外壳的外部。设置有穿过外壳壁的馈通，以用于将在外壳内部的包括感测线圈的各条腿连接至在外壳外部的变压器和输出抽头。
变压器可以被容置在接线盒中，并且接线盒可以被直接安装在装置的外壳上。
附图说明
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式，附图是用于说明本发明的优选实施方式，而不是用于限制本发明的优选实施方式。在附图中，
图1以高度示意性表示示出了采用磁悬浮轴承装置的旋转机械；
图2示出了根据第一实施方式的用于传感器装置的导线布设图；
图3示出图2的传感器装置的变型的导线布设图，该变型具有附加的传感器信道；
图4示出了根据第二实施方式的传感器装置的导线布设图；
图5示出了轴向传感器；
图6和图7示出了脉冲传感器的两个变型；
图8示出的轴向传感器的另一实施方式；
图9示出了图2的传感器装置的另一变型的导线布设图，该变型不具有输出变压器；以及
图10示出了图2的传感器装置的又一变型的导线布设图，该变型具有输入变压器与穿过外壳壁的馈通之间的经阻抗匹配的传输电缆。
具体实施方式
图1示意性地示出了采用磁悬浮轴承装置的旋转机械100的配置。该旋转机械可以是例如真空泵、压缩机、发电机等。该旋转机械包括具有壁110的外壳101。转子120悬置在外壳101中以绕旋转轴A旋转。为此目的，设置有绕转子轴部121、122的两个有源径向磁悬浮轴承131、132，并且在止推盘123的两侧设置有有源轴向磁悬浮轴承133。这样的磁悬浮轴承在本领域中已知，因此未在图1中详细示出。为了控制有源磁悬浮轴承131、132、133，必须监测轴部121、122的径向位置和止推盘123的轴向位置。为此目的，在轴部121、122和止推盘123的附近设置有用于径向和轴向位移传感器的换能器。在图1中未示出这些换能器，下面将更详细地描述这些换能器。
连接器140被设置在外壳101的壁110中，其穿过壁110并且形成用于外壳101的内部与外部之间的电信号的多个馈通。在外壳101的内部，多引线电缆151、152和153从换能器引线至连接器140。除了采用形成多个馈通的单个连接器以外，还可以采用任何其他类型的馈通，并且可以通过相当大的距离将馈通彼此分隔开。特别地，可以存在用于与每个有源磁悬浮轴承相关联的换能器的独立的各组馈通。除了使用插头式连接器以外，还可以使用任何其他类型的连接结构例如通过夹紧或螺钉连接来容纳电缆端部的端子。
在旋转机械100的外壳101的外部，设置有形成变压器装置200的外壳的接线盒201(下面将更详细地描述接线盒201)以及形成信号处理电路300的外壳的机柜301(下面也将更详细地描述机柜301)。多引线电缆203从连接器140引线至接线盒201上的连接器204。这些电缆相对较短。在接线盒201上设置有另外的连接器202，用于连接多引线电缆400的插头401，或者用于连接从接线盒201引线至机柜301的多个单独的电缆的插头。机柜301可以位于距外壳101和接线盒201几米(如最多300m)远，因此一个或更多个电缆400通常比电缆151至153和203更长。
图2以示意性导线布设图的形式示出了旋转机械100的径向位移传感器的第一实施方式。图2的传感器具有一个单独的信道，亦即，该传感器被配置成检测转子120沿一个单独的方向的位移。
两个相同的换能器611、613被定位在机械外壳101的内部，位于转子轴120的相对侧上，以与转子轴120的周向表面的径向相对部分相互作用。每个换能器包括U形芯，感测线圈612、614被缠绕在U形芯上。换能器优选地不被封装，亦即，感测线圈直接暴露于在机械外壳内部的环境条件如温度、压力和湿度。
在接线盒201中，设置有通过外壳壁110与换能器分隔开的变压器装置200，变压器装置200包括输入变压器210和输出变压器220。输入变压器210具有初级绕组211、串联连接在公共节点215处的两个相同的次级绕组212和213(换言之，中心抽头的次级绕组)以及辅助绕组214。输出变压器220具有初级绕组221和次级绕组222。
变压器装置200经由电缆410、420、430连接至信号处理电路300。电缆可以是适合于承载高频AC电流的任何类型的电缆例如“双绞线”电缆或同轴电缆。信号处理电路300包括信号发生器310、第一检测电路320、辅助检测电路330和除法器340。
信号发生器310包括生成二进制载波信号的数字振荡器311。这个载波信号被馈送至数模转换器(D/A)312，然后被馈送至输出放大器313。电缆410从输出放大器313的输出端引线至输入放大器210的初级绕组211，以提供经放大的载波信号作为对输入变压器210的初级绕组211的AC激励信号。输出放大器313的输出阻抗与电缆410的特性阻抗(波阻抗)例如50欧姆相匹配。对于涡流传感器，载波信号的频率优选地处于100kHz至10MHz的范围内。对于电感式传感器，频率优选地处于1kHz至100kHz的范围内。涡流效应和电感效应二者都可以影响传感器信号。
第一检测电路320包括输入放大器321，输入放大器321的输入端经由电缆420连接至输出变压器220的次级绕组222。输入放大器321的输入阻抗与电缆420的特性阻抗相匹配。输入放大器321之后是模数转换器(A/D转换器)322。A/D转换器322的二进制输出被馈送至数字乘法器323，数字乘法器323在其另一输入端处接收来自振荡器311的由数字移相器324移相后的二进制载波信号。二进制乘法信号传输通过数字低通滤波器325。
辅助检测电路330以与第一检测电路320非常类似的方式来配置。辅助检测电路330包括经由电缆430连接至输入变压器210的辅助绕组214的输入放大器331。输入放大器331的输入阻抗与电缆430的特性阻抗相匹配。为了将(优选为非常低的)辅助绕组的源阻抗匹配至电缆430的特性阻抗，可以设置有与辅助绕组214串联的欧姆电阻器216。附加地或可替代地，可以采用其他阻抗匹配元件如电容器。为了提供数值示例，如果激励功率的1％要用于辅助检测电路，则在初级绕组211与辅助绕组214之间的匝数比约为10:1。如果电缆410、430的特性阻抗为50欧姆，并且如果初级绕组211的输入阻抗与这个特性阻抗相匹配，则辅助绕组的输出阻抗仅为约0.5欧姆。为了将辅助绕组的源阻抗匹配至电缆430的特性阻抗，可以在辅助绕组214与电缆430之间插入49.5欧姆的电阻器216。
输入放大器331之后是A/D转换器332、混频器333和低通滤波器335，以获得参考信号Am，混频器333还经由移相器334接收来自振荡器311的载波信号。
除法器340接收第一检测器320的输出信号，并且将这个信号除以参考信号Am，以获得位置信号P。
在机械外壳内部的具有感测线圈612、614的换能器611、613与在机械外壳外部的变压器装置200被如下连接。每个感测线圈612、614的一端连接至在机械100的外壳内部的公共节点619(两个线圈的共用的点)。第一感测线圈612的另一(“自由”)端经由引线穿过外壳壁110的馈通141连接至输入变压器210的第一次级绕组212的“自由”端。类似地，第二感测线圈614的“自由”端经由馈通142连接至输入变压器210的第二次级绕组213的“自由”端。感测线圈612、614之间的公共节点619经由馈通143连接至输出变压器220的初级绕组221的一端。初级绕组221的另一端在机械外壳的外部连接至输入变压器210的次级绕组212、213之间的公共节点215。以这种方式，形成了具有四条腿的桥式电路。这个桥式电路的两条腿由串联连接的感测线圈612、614形成，另两条腿由输入变压器210的串联连接的次级绕组212、213形成。这些腿之间的中心(即公共节点619、215)由输出变压器220的初级绕组221连接。
在工作中，信号发生器310在输入变压器210的初级绕组211中激发AC电流。这导致在次级绕组212、213中感应出相同幅度和相位的电压。这些电压的总和导致电流通过串联连接的感测线圈612、614。如果转子120恰好处于换能器611、613之间的中心，则这些电流将导致在感测线圈612、613中感应出相同幅度的电压——即桥式电路是平衡的，并且没有电流流过输出变压器220的初级绕组221。然而，如果转子120朝向换能器611、613中的一个移位，则涡流或电感效应将导致桥式电路变得不平衡。因此，电流将流过输出变压器220的初级绕组221，这个电流的相位和幅度取决于转子120的方向和位移量。这个电流会导致在输出变压器220的次级绕组222中感应出电压，该电压由第一检测电路320解调。
同时，在辅助绕组214中感应出电压，该电压与输入变压器210的芯中的磁通的幅度成正比，或者等同于流经初级绕组211的激励电流的幅度(忽略饱和和滞后效应)。这个电压由辅助检测电路330解调以提供已经讨论过的参考信号Am。通过将第一检测电路320的输出除以这个参考信号，所得到的位置信号P变得在很大程度上独立于激励电流的幅度，因此在很大程度上独立于电缆410中的任何损耗，假设在电缆420和430中的损耗是相同的。
输入变压器210的变压比以以下这样的方式来选择：使得在输入变压器210的初级绕组211处的输入阻抗(即当由输入变压器210进行变换时桥式电路的阻抗)与电缆410的特性阻抗相匹配。同样，输出变压器220的变压比以以下这样的方式来选择：使得在输出变压器220的次级绕组222处的输出阻抗与电缆420的特性阻抗相匹配。以这种方式，使电缆与变压器之间的接口处的损耗和反射最小化。为了将输入和输出阻抗与电缆阻抗更精确地匹配并且为了补偿电抗效应，设置有与输入变压器210的次级绕组212、213并联的电容器C1，并且设置有与输出变压器221的初级绕组221并联的电容器C2。特别地，这些电容器可以用来将输入端和输出端处的电抗调整到零。阻抗与电缆阻抗的匹配使得系统基本上保持独立于电缆长度。仅移相器324和334的解调相位需要取决于电缆的长度来调整。当然，可以设置另外的阻抗匹配元件，和/或在其他位置处设置阻抗匹配元件，例如可以设置与传感器线圈并联的电容器，或者设置与输入变压器210的初级绕组211和输出变压器220的次级绕组222并联的电容器。
图3示出了可以如何将一个或更多个另外的传感器信道添加到图2的传感器装置。在图3的上部分中示出的部分电路与图2的电路完全对应，并且具有与图2中的元件相同功能的元件用相同的附图标记来表示。信号发生器310、第一检测电路320和辅助检测电路330仅以框示出。此外，可以再次采用用于阻抗匹配的电容器，但是为了简单起见而没有示出。
图3的电路附加地包括在机械外壳内部的具有第三和第四感测线圈622、624的另外一对相同的换能器621、623、在机械外壳外部的具有初级绕组231和次级绕组232的第二输出变压器230、第二检测电路350以及第二除法器360，该第二检测电路350与第一检测电路320相同。
第三和第四感测线圈622、624以如下方式连接至第一和第二感测线圈612、614并且连接至变压器210、220和230。此外，每个感测线圈622、624的一端再次在机械外壳的内部连接至这些线圈之间的公共节点625。第三感测线圈622的另一(“自由”)端在机械外壳的内部连接至第一感测线圈612的“自由”端。同样，第四感测线圈624的“自由”端在机械外壳的内部连接至第二感测线圈614的“自由”端。第三感测线圈622与第四感测线圈624之间的公共节点625经由馈通144连接至第二输出变压器230的初级绕组231的一端。初级绕组231的另一端在机械外壳的外部连接至输入变压器210的次级绕组212、213之间的公共节点215。以这种方式，由第三和第四感测线圈622、624形成的另外的两条腿被添加到现有的桥式电路。这些腿之间的中心经由第二输出变压器230的初级绕组231连接至输入变压器210的次级绕组212、213之间的中心。
第三和第四感测线圈622、624的工作模式与第一和第二感测线圈612、614的工作模式相同。其结果是，获得了提供位置信号P1和P2的两个独立的传感器信道。
以同样的方式，可以容易地通过更多的传感器信道来进一步扩展传感器装置。
图4示出了径向位移传感器的第二实施方式，在第二实施方式中，与图2的实施方式相比，输入和输出变压器的角色被互换。具有与图2和图3中的元件相同功能的元件用相同的附图标记来表示。
再次，在机械外壳的内部设置有具有感测线圈612、614、622和624的换能器611、613、621和623。这些换能器连接至在机械外壳外部的变压器装置200，变压器装置200包括输入变压器240和输出变压器250、260。变压器装置经由电缆410至440与上述信号处理电路300相互作用。
与图2和图3的实施方式相对比，输入变压器240只具有单个次级绕组242，而输出变压器250、260中的每一个具有分别串联连接在公共节点254处的各自的两个初级绕组251、252和261、262(即每个输出变压器具有中心抽头的初级绕组)。
感测线圈612、614、622和624以如下方式连接至变压器240、250和260。所有的四个感测线圈在机械外壳的内部连接至公共节点619，公共节点619经由穿过壁110的馈通141连接至输入变压器240的次级绕组242的一端。输出变压器250和260的初级绕组251、252、261和262之间的公共节点254、264在机械外壳的外部连接以形成单个公共节点。次级绕组242的另一端在机械外壳的外部连接至这个公共节点。感测线圈612、614、622和624的剩余的“自由”端中的每个经由馈通142、143、144和145连接至输出变压器250、260的初级绕组251、252、261和262的剩余的“自由”端中的一个。以这种方式，形成了分别具有四条腿的两个桥式电路。第一桥式电路包括作为其第一两条腿的串联连接的感测线圈612和614以及作为其第三腿和第四腿的串联连接的第一输出变压器250的初级绕组251和252。第二桥式电路包括作为其第一两条腿的串联连接的感测线圈622和624以及作为其第三腿和第四腿的串联连接的第二输出变压器260的初级绕组261和262。这些桥式电路共享输入变压器240的次级绕组242，次级绕组242连接感测线圈之间的公共节点和输出变压器的初级绕组。
在工作中，输入变压器240由信号发生器310驱动，导致电流在这两个桥式电路中流动。输出变压器250、260分别递送反映每对换能器611、613和621、623内的阻抗之间的差的差信号。
如图2至图3中的实施方式，设置有与阻抗匹配电阻器245串联的辅助绕组244，并且该辅助绕组244经由电缆430连接至辅助检测电路330。
无论是在图2至图3的实施方式中还是在图4的实施方式中，所有的换能器都被示出为用于测量转子轴120的径向位置。换言之，两个传感器信道都被示出为用于确定径向位移。特别地，可以采用两个传感器信道来测量相同的转子部分沿不同方向的位移。在另一个应用中，可以采用两个传感器信道测量不同的转子部分在相同或不同的方向上的位移。
然而，除了转子的径向位移以外，还可以采用传感器信道来检测转子的轴向位移。图5中示出了示例。在这个示例中，第二传感器信道的感测线圈中的一个(在此为第三感测线圈622)被布置在转子120的轴向端面124附近，而该信道的另一感测线圈(在此为第四传感器线圈624)被布置在静态的参考目标601附近。除了将第三感测线圈放置在转子的轴向端面附近以外，还可以将这个线圈放置在垂直于旋转轴A的任何其他转子表面附近例如在转子上的止推盘的轴向表面附近。当然，除了采用参考目标以外，还可以将第四感测线圈定位在转子的相反定向的轴向表面附近。
图8中示出了可以如何确定轴向位移的另一个示例。替代使用垂直于旋转轴的表面而使用转子120的外周上的周向边缘126。这个边缘126可以是周向槽的边缘、不同材料(具有不同的磁化率或电导率)之间的边缘或者是将在一些其他方面不同的任何两个轴向区域分隔开的边缘。在本示例中，存在两个这样的边缘126，其中具有在这两个边缘126之间的与转子的其余部分不同材料的环形目标127。具有第一感测线圈612的第一换能器611和具有第二感测线圈614的第二换能器613被布置在边缘126附近。在原则上可以按照图2将这些线圈进行布线。然而，这种类型的布置会对径向转子位移提供不期望的敏感性。这通过添加具有另外的感测线圈616、618的另外的换能器615、617来补偿，换能器615、617以相对于第一和第二换能器的径向相对的布置方式被布置。第一感测线圈612与径向相对的第一另外的感测线圈616串联，第二感测线圈614与径向相对的第二另外的感测线圈618串联。以这种方式，桥式电路的第一腿包括第一感测线圈和第一另外的感测线圈，并且第二腿包括第二感测线圈和第二另外的感测线圈。桥式电路的其余部分按照图2来布线。信号取决于轴向转子运动，并且本质上独立于径向转子运动。
在又一个应用中，可以采用传感器信道来检测转子旋转的频率和方向，亦即，传感器信道可以充当脉冲传感器。图6中示出了示例。在此，第三和第四传感器线圈被布置在转子附近，并且在不同的周向位置处关于旋转轴A以小于180°的角度间隔开(此处以90°间隔开)，并且转子120设置有凹口125。在旋转期间，当凹口125经过相应的感测线圈时，感测线圈622和624的阻抗发生变化。根据这些变化的序列，可以确定旋转的频率和方向二者。除了凹口以外，可以采用使在第三和第四传感器线圈附近的转子部分呈现非旋转对称的任何其他结构。
图7中示出了用于这种类型的脉冲传感器的另一个示例。替代在分隔开的芯上设置传感器线圈622、624以形成两个分隔开的换能器621和623，而将这两个感测线圈放置在共同的E型芯626上以形成单个脉冲换能器。
图9示出了输出变压器不是严格必要的。输出信号经由同轴电缆421、411从输出抽头直接传送至检测电路320、350。同轴电缆441还用于将输入变压器210连接至信号发生器310。输入变压器210的次级绕组之间的中心抽头(更一般地说，桥式电路的第三腿与第四腿之间的公共节点)接地，其作为同轴电缆421、441的外导体。电缆421、441的输入端处的阻抗匹配通过适当地选择换能器611、613、621、623的电感以及连接在每个电缆的中心导体与地之间的电容器C2、C3来完成。电缆421、441的输出端处的阻抗匹配通过适当地选择检测电路320、350的输入阻抗来实现。
图10示出了其中在空间上从引线至机械内部的换能器的馈通141、142移除了输入变压器的实施方式。同轴电缆412、413被用作用于将输入变压器连接至馈通的传输电缆。同轴电缆412、413的外导体在两端处接地。同样，输入变压器210的次级绕组之间的中心抽头(更一般地说，桥式电路的第三腿和第四腿之间的公共节点)接地。在电缆的远端(即，在远离输入变压器的一端)，电容器C11连接在同轴电缆的内导体之间，并且电容器C12、C13连接在每个内导体与地之间，以实现阻抗匹配。在电缆的输入侧，通过以下述方式适当地选择信号发生器310的输出阻抗和输入变压器210的变压比来实现阻抗匹配：使得经转换的信号发生器310的输出阻抗与电缆412、413的特性阻抗相对应。
在不脱离本发明的范围的前提下可以进行许多修改。特别地，可以以不同的方式来设计信号处理电路。对于信号处理电路的部分或全部功能来说，可以采用模拟电子器件而不是数字电子器件。在检测电路320、330和/或350中可以使用正交解调器，这可以避免使用移相器323和/或334。在这种情况下，解调器输出信号是复值。除法器340补偿由电缆长度造成的相移，因为对于两个输入信号来说相移是相同的。
除了将检测电路320、350的输出除以参考信号Am以外，还可以设想将参考信号Am馈送至信号发生器310，以在输入变压器的初级绕组处提供预设电流幅度。可以以与所示方式不同的方式来实施阻抗匹配，例如采用附加的电容器和/或附加的电感器。除了如通常那样将变压器容置在单个接线盒201中以外，还可以将变压器容置在单独的外壳中。除了设置单个连接器以用于建立穿过外壳壁110的馈通以外，还可以设想设置多个连接器，或者以任何其他已知的方式来建立馈通，例如，通过将电缆穿过壁110中的孔(否则为密封的)。许多其他修改也是可能的。
附图标记列表
100 旋转机械
101 外壳
110 外壳壁
120 转子
121、122 轴部
123 止推盘
124 端面
125 凹口
126 边缘
127 环
131、132 有源径向轴承
133 有源轴向轴承
140 连接器
141至145 馈通
151至153 多引线电缆
200 变压器装置
201 接线盒
202、204 连接器
203 多引线电缆
210 输入变压器
211 初级绕组
212、213 次级绕组
214 辅助绕组
215 公共节点(中心抽头)
216 串联电阻器
220 输出变压器
221 初级绕组
221 次级绕组
230 输出变压器
231 初级绕组
232 次级绕组
240 输入变压器
241 初级绕组
242 次级绕组
244 辅助绕组
245 串联电阻器
250 输出变压器
251、252 初级绕组
253 次级绕组
254 公共节点(中心抽头)
260 输出变压器
261、262 初级绕组
263 次级绕组
264 公共节点(中心抽头)
300 信号处理电路
301 机柜
310 信号发生器
311 振荡器
312 D/A转换器
313 输出放大器
320 第一检测电路
321 输入放大器
322 A/D转换器
323 混频器
324 移相器
325 低通滤波器
330 辅助检测电路
331 输入放大器
332 A/D转换器
333 混频器
334 移相器
335 低通滤波器
340 除法器
350 第二检测电路
360 除法器
400 多引线电缆
401 插头
410、420、430、440 多引线电缆
411、412、413 同轴电缆
421、441 同轴电缆
601 参考目标
611 第一换能器
612 第一感测线圈
613 第二换能器
614 第二感测线圈
615 另外的换能器
616 另外的感测线圈
617 另外的换能器
618 另外的感测线圈
619 公共节点
621 第三换能器
622 第三感测线圈
623 第四换能器
624 第四感测线圈
625 公共节点
A 旋转轴
Am 参考信号
P，P1，P2 位置信号
C1，C2，C3 电容器
C11，C12，C13 电容器

Claims (23)

1.一种用于确定转子(120)的特性的传感器装置，所述传感器装置包括：
第一感测线圈和第二感测线圈(612，614)，每个感测线圈(612，614)配置成与所述转子(120)的表面相互作用以检测所述转子(120)相对于所述第一感测线圈和所述第二感测线圈(612，614)的位移；以及
输入变压器(210)，其具有初级绕组(211)以及至少第一次级绕组和第二次级绕组(212，213)，所述输入变压器(210)的初级绕组(211)形成用于激励信号的输入，
其中，所述第一感测线圈(612)、所述第二感测线圈(614)以及所述输入变压器(210)的第一次级绕组和第二次级绕组(212，213)被连接以形成桥式电路，所述桥式电路包括第一腿、第二腿、第三腿和第四腿，所述第一腿包括所述第一感测线圈(612)，所述第二腿包括所述第二感测线圈(614)，所述第一腿和所述第二腿被串联连接以形成在所述第一腿与所述第二腿之间的公共节点(619)，所述第三腿包括所述输入变压器(210)的第一次级绕组(212)，以及所述第四腿包括所述输入变压器(210)的第二次级绕组(213)，所述第三腿和所述第四腿被串联连接以形成在所述第三腿与所述第四腿之间的公共节点(215)，
其中，在所述桥式电路的第一腿与第二腿之间的公共节点(619)连接至用于第一输出信号的第一输出抽头的第一接触部，并且
其中，在所述桥式电路的第三腿与第四腿之间的公共节点(215)连接至所述第一输出抽头的第二接触部。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，进一步包括：
输入电缆(410；411)，其连接至所述输入变压器(210)的初级绕组(211)，所述输入电缆(410；411)具有特性阻抗；以及
至少一个阻抗匹配元件(C1)，其连接至所述输入变压器(210)的初级绕组(211)、第一次级绕组(212)和第二次级绕组(213)中的至少一个，以使所述输入变压器(210)的初级绕组(211)处的输入阻抗与所述输入电缆(410；411)的特性阻抗相匹配。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，进一步包括：
第一传输电缆(412)，其具有第一端和第二端，所述第一端连接至所述桥式电路的第三腿，并且所述第二端连接至所述桥式电路的第一腿，所述第一传输电缆具有第一特性阻抗；
第二传输电缆(413)，其具有第一端和第二端，所述第一端连接至所述桥式电路的第四腿，并且所述第二端连接至所述桥式电路的第二腿，所述第二传输电缆具有第二特性阻抗；以及
一个或更多个阻抗匹配元件(C11，C12，C13)，其连接至所述第一传输电缆和所述第二传输电缆(412，413)的第二端，以使所述桥式电路的第一腿和第二腿处的输入阻抗与所述第一传输电缆和所述第二传输电缆(412，413)的第一特性阻抗和第二特性阻抗相匹配。
4.根据权利要求1或2所述的传感器装置，进一步包括第一输出变压器(220)，其具有初级绕组(221)和次级绕组(222)，所述第一输出变压器(220)的初级绕组(221)连接至所述第一输出抽头的第一接触部和第二接触部。
5.根据权利要求4所述的传感器装置，进一步包括：
输出电缆(420)，其连接至所述第一输出变压器(220)的次级绕组(222)，所述输出电缆(420)具有特性阻抗；以及
至少一个阻抗匹配元件(C2)，其连接至所述输出变压器(220)的初级绕组(221)和次级绕组(222)中的至少一个，以使所述输出变压器(220)的次级绕组(222)处的输出阻抗与所述输出电缆(420)的特性阻抗相匹配。
6.根据权利要求1或2所述的传感器装置，进一步包括：
输出电缆(421)，其具有特性阻抗，所述输出电缆(421)包括第一导体和第二导体，每个导体具有第一端和第二端，所述第一导体的第一端连接至所述第一输出抽头的第一接触部，并且所述第二导体的第一端连接至所述第一输出抽头的第二接触部；以及
一个或更多个阻抗匹配元件(C2)，其连接至所述第一导体的第一端和所述第二导体的第一端，以使所述桥式电路在所述第一输出抽头处的输出阻抗与所述输出电缆(421)的特性阻抗相匹配。
7.根据权利要求1或2所述的传感器装置，包括第一馈通、第二馈通和第三馈通(141，142，143)，用于建立穿过壁(110)的电连接，所述壁(110)将所述输入变压器(210)和所述第一输出抽头与所述桥式电路的第一腿和第二腿分隔开，
所述第一馈通(141)将所述桥式电路的第一腿连接至所述桥式电路的第三腿；
所述第二馈通(142)将所述桥式电路的第二腿连接至所述桥式电路的第四腿；以及
所述第三馈通(143)将所述桥式电路的第一腿与第二腿之间的公共节点(619)连接至所述第一输出抽头的第一接触部。
8.根据权利要求1或2所述的传感器装置，进一步包括第三感测线圈和第四感测线圈(622，624)，其中，所述桥式电路具有串联连接的第五腿和第六腿，以形成在所述第五腿与所述第六腿之间的公共节点(625)，所述第五腿包括所述第三感测线圈(622)，并且所述第六腿包括所述第四感测线圈(624)，
其中，在所述桥式电路的第五腿与第六腿之间的公共节点(625)连接至用于第二输出信号的第二输出抽头的第一接触部。
9.根据权利要求8所述的传感器装置，包括第一馈通、第二馈通、第三馈通和第四馈通(141，142，143，144)，用于建立穿过壁的电连接，所述壁将所述输入变压器(200)以及所述第一输出抽头和所述第二输出抽头与所述桥式电路的第一腿、第二腿、第五腿和第六腿分隔开，
所述第一馈通(141)将所述桥式电路的第一腿和第五腿共用的点连接至所述桥式电路的第三腿；
所述第二馈通(142)将所述桥式电路的第二腿和第六腿共用的点连接至所述桥式电路的第四腿；
所述第三馈通(143)将所述桥式电路的第一腿与第二腿之间的公共节点(619)连接至所述第一输出抽头的第一接触部；并且
所述第四馈通(144)将所述桥式电路的第五腿与第六腿之间的公共节点(625)连接至所述第二输出抽头的第一接触部。
10.一种用于确定转子(120)的特性的传感器装置，所述传感器装置包括：
第一感测线圈和第二感测线圈(612，614)，每个感测线圈(612，614)配置成与所述转子(120)的表面相互作用以检测所述转子(120)相对于所述第一感测线圈和所述第二感测线圈(612，614)的位移；以及
输入变压器(240)，其具有初级绕组(241)和次级绕组(242)，所述输入变压器(240)的初级绕组(241)形成用于激励信号的输入；以及
第一输出变压器(250)，其具有至少第一初级绕组和第二初级绕组(251，252)以及次级绕组(253)，所述次级绕组(253)形成用于第一输出信号的第一输出抽头，
其中，所述第一感测线圈(612)、所述第二感测线圈(614)以及所述第一输出变压器(250)的第一初级绕组和第二初级绕组(251，252)被连接以形成第一桥式电路，
所述第一桥式电路包括第一腿、第二腿、第三腿和第四腿，所述第一腿包括所述第一感测线圈(612)，所述第二腿包括所述第二感测线圈(614)，所述第一腿和所述第二腿被串联连接以形成在所述第一腿与所述第二腿之间的公共节点(619)，所述第三腿包括所述第一输出变压器(250)的第一初级绕组(251)，并且所述第四腿包括所述第一输出变压器(250)的第二初级绕组(252)，所述第三腿和所述第四腿被串联连接以形成在所述第三腿与所述第四腿之间的公共节点(254)，并且
其中，所述输入变压器(240)的次级绕组(242)被连接在所述第一桥式电路的第一腿和第二腿的公共节点(619)与所述第一桥式电路的第三腿和第四腿的公共节点(254)之间。
11.根据权利要求10所述的传感器装置，进一步包括：
输入电缆(410；411)，其连接至所述输入变压器(240)的初级绕组(241)，所述输入电缆(410；411)具有特性阻抗；以及
至少一个阻抗匹配元件(C1)，其连接至所述输入变压器(240)的初级绕组(241)和次级绕组(242)中的至少一个，以使所述输入变压器(240)的初级绕组(241)处的输入阻抗与所述输入电缆(410；411)的特性阻抗相匹配。
12.根据权利要求10或11所述的传感器装置，进一步包括：
输出电缆(420)，其连接至所述第一输出变压器(250)的次级绕组(253)，所述输出电缆(420)具有特性阻抗；以及
至少一个阻抗匹配元件(C2)，其连接至所述第一输出变压器(250)的第一初级绕组(251)、第二初级绕组(252)和次级绕组(253)中的至少一个，以使所述第一输出变压器(250)的次级绕组(253)处的输出阻抗与所述输出电缆(420)的特性阻抗相匹配。
13.根据权利要求10或11所述的传感器装置，进一步包括第一馈通、第二馈通和第三馈通(141，142，143)，用于建立穿过壁(110)的电连接，所述壁(110)将所述输入变压器(240)和所述第一输出变压器(250)与所述第一桥式电路的第一腿和第二腿分隔开，
所述第一馈通(141)将所述第一桥式电路的第一腿和第二腿的公共节点(619)连接至所述输入变压器(240)的次级绕组(242)的一端，
所述第二馈通(142)将所述第一桥式电路的第一腿连接至所述第一桥式电路的第三腿；并且
所述第三馈通(143)将所述第一桥式电路的第二腿连接至所述第一桥式电路的第四腿。
14.根据权利要求10或11所述的传感器装置，进一步包括：
第三感测线圈和第四感测线圈(622，624)以及第二输出变压器(260)，所述第二输出变压器(260)具有至少第一初级绕组和第二初级绕组(261，262)，
其中，所述第三感测线圈(622)、第四感测线圈(624)和所述第二输出变压器(260)的第一初级绕组和第二初级绕组(261，262)被连接以形成第二桥式电路，
所述第二桥式电路包括第一腿、第二腿、第三腿和第四腿，所述第一腿包括所述第三感测线圈(622)，所述第二腿包括所述第四感测线圈(624)，所述第一腿和所述第二腿被串联连接以形成在所述第一腿与所述第二腿之间的公共节点(625)，所述第三腿包括所述第二输出变压器(260)的第一初级绕组(261)，并且所述第四腿包括所述第二输出变压器(260)的第二初级绕组(262)，所述第三腿和所述第四腿被串联连接以形成在所述第三腿与所述第四腿之间的公共节点(264)，并且
所述第二桥式电路的第一腿和第二腿的公共节点(625)连接至所述第一桥式电路的第一腿和第二腿的公共节点(619)，并且所述第二桥式电路的第三腿和第四腿的公共节点(264)连接至所述第一桥式电路的第三腿和第四腿的公共节点(254)。
15.根据权利要求14所述的传感器装置，进一步包括第一馈通、第二馈通、第三馈通、第四馈通和第五馈通(141-145)，用于建立穿过壁(110)的电连接，所述壁(110)将所述输入变压器(240)、所述第一输出变压器(250)以及所述第二输出变压器(260)与所述第一感测线圈、第二感测线圈、第三感测线圈以及第四感测线圈(612，614，622，624)分隔开，
所述第一馈通(141)将所述第一桥式电路的第一腿和第二腿的公共节点(619)以及所述第二桥式电路的第一腿和第二腿的公共节点(625)连接至所述输入变压器(240)的次级绕组(242)的一端，
所述第二馈通(142)将所述第一桥式电路的第一腿连接至所述第一桥式电路的第三腿；并且
所述第三馈通(143)将所述第一桥式电路的第二腿连接至所述第一桥式电路的第四腿，
所述第四馈通(144)将所述第二桥式电路的第一腿连接至所述第二桥式电路的第三腿；并且
所述第五馈通(145)将所述第二桥式电路的第二腿连接至所述第二桥式电路的第四腿。
16.根据权利要求1或10所述的传感器装置，进一步包括信号处理电路(300)，所述信号处理电路(300)包括：
信号发生器(310)，其操作地连接至所述输入变压器(210；240)的初级绕组(211；241)以用于在所述输入变压器(210；240)的初级绕组(211；241)中激励AC电流；以及
第一检测电路(320)，其操作地连接至所述第一输出抽头，所述第一检测电路(320)被配置成对从所述第一输出抽头接收的所述第一输出信号进行处理以获得经处理的输出信号(P；P1，P2)，所述经处理的输出信号(P；P1，P2)指示所述转子(120)相对于所述第一感测线圈和所述第二感测线圈(612，614)的位置。
17.根据权利要求16所述的传感器装置，其中，所述输入变压器(210；240)包括辅助绕组(214；244)，并且其中，所述信号处理电路(300)包括辅助检测电路(330)，所述辅助检测电路(330)操作地连接至所述辅助绕组(214；244)以获得参考信号(Am)，所述参考信号(Am)指示所述输入变压器(210；240)的初级绕组(211；241)中的AC电流的幅度。
18.根据权利要求17所述的传感器装置，其中，所述信号处理电路(300)包括除法器(340)，用于将所述第一检测电路(320)的输出除以所述参考信号(Am)。
19.根据权利要求16所述的传感器装置，其中，所述信号处理电路(300)被布置成远离所述输入变压器(210；240)，并且其中，至少一条电缆(400；410，420，430，440；411，421，441)在(i)所述信号处理电路(300)与(ii)所述输入变压器(210；240)和所述第一输出抽头之间延伸。
20.根据权利要求19所述的传感器装置，进一步包括接线盒(201)，所述接线盒(201)容置至少所述输入变压器(210；240)，所述接线盒(201)具有至少一个连接结构(202)，用于将所述电缆(400；410，420，430，440)可移除地连接至所述接线盒(201)。
21.根据权利要求19所述的传感器装置，其中，连接至所述电缆(400；410，420，430，440)的所有的输入阻抗和输出阻抗与所述电缆(400；410，420，430，440)的特性阻抗相匹配。
22.一种旋转机械，包括外壳以及转子(120)，所述转子(120)悬置在所述外壳中以用于绕旋转轴(A)旋转，所述旋转机械包括根据权利要求7或9所述的传感器装置，其中，所述桥式电路的至少第一腿和第二腿被布置在所述外壳的内部，其中，至少输入变压器(210)和第一输出抽头被布置在所述外壳的外部，并且其中，所述外壳限定所述壁(110)。
23.一种旋转机械，包括外壳以及转子(120)，所述转子(120)悬置在所述外壳中以用于绕旋转轴(A)旋转，所述旋转机械包括根据权利要求13或15所述的传感器装置，其中，所述第一桥式电路的至少第一腿和第二腿被布置在所述外壳的内部，其中，至少输入变压器(240)和第一输出抽头被布置在所述外壳的外部，并且其中，所述外壳限定所述壁(110)。
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