CN106164623B - 用于检测传感器与受控元件的机械断开的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于检测可变差动变压器与受控元件之间的连接的机械故障的系统。所述传感器系统包括可变差动变压器，所述可变差动变压器具有包封第一线圈的外壳；所述外壳中的孔，其中所述孔邻近所述第一线圈；设置在所述孔中的芯；可连接在第一端部处的所述孔与第二端部处的所述受控元件之间的轴；以及连接到所述轴的偏置元件。响应于所述轴的断裂，所述偏置元件使所述芯移动到可至少由所述第一线圈检测的超出范围的位置。

Description

用于检测传感器与受控元件的机械断开的系统

相关申请的交叉引用

本国际PCT专利申请要求2014年3月31日提交的美国临时专利申请序列号61/972,668的优先权，所述美国临时专利申请的全部内容以引用方式并入本文。

发明领域

本发明涉及用于检测传感器从受控元件机械断开的系统。更具体地说，本发明涉及用于检测可变差动变压器与可变差动变压器所附接到的受控元件之间的机械断开的系统。例如，受控元件可连接到飞机上的控制表面。

相关技术讨论

现有技术有很多设计来检测连接到受控元件的传感器是否适当操作的设备的实例。

正如所期望的，现有技术包括用于确定传感器是否已与受控元件(包括飞机上的控制元件)断开的设备的实例。

传感器断开设备的许多现有技术实例依赖于生成的电信号的比较来检测可变差动变压器，诸如线性可变差动变压器("LVDT")或旋转可变差动变压器("RVDT")的故障情况。

尽管有检测LVDT或RVDT传感器(及其相关联的受控元件)是否正在可接受范围内操作的方法的若干实例，但是存在对可替代方法的需求。

具体地说，存在对在操作期间检测LVDT或RVDT传感器的机械故障的方法的需求。

发明概述

本发明解决现有技术中的明显不足中的一个或多个。

本发明提供用于检测可变差动变压器与受控元件之间的连接的机械故障的系统。所述系统包括可变差动变压器，所述可变差动变压器具有包封第一线圈的外壳；外壳中的孔，其中所述孔邻近第一线圈；设置在孔中的芯；可连接在第一端部处的孔与第二端部处的受控元件之间的轴；以及连接到轴的偏置元件。响应于轴的断裂，偏置元件使芯移动到可至少由第一线圈检测的超出范围的位置。

本发明还提供设置在孔中的芯以使得芯在孔内滑动，所述超出范围的位置对应于远离受控元件的最大位置。结合这个实施方案，可变差动变压器可为LVDT。

还设想的是，本发明提供设置在孔中的芯以使得芯在孔内旋转，从而使得超出范围的位置对应于孔中的芯的最大旋转。结合这个实施方案，可变差动变压器可为RVDT。

本发明还提供包括在第一线圈附近设置的第二线圈和第三线圈的实施方案。如果是这样，超出范围的位置可由第二线圈或第三线圈中的至少一个来检测。

在本发明的系统的实施方案中，线圈由用于传导电流的导线线圈组成。

在其他设想的实施方案中，芯可为磁体或磁化材料中的至少一种。

设想的是，偏置元件可为弹簧。如果是这样，弹簧可为螺旋弹簧。

在LVDT的情况下，系统可包括设置在弹簧周围的弹簧套，其中弹簧套在轴断裂后与轴一起移动。

在LVDT的情况下，系统可包括设置在轴上的弹簧板和设置在轴上以将弹簧板连接到轴的至少一个突出部。所述弹簧板被设想在轴断裂后与轴一起移动。

在本发明的系统的实施方案中，轴的第二端部可包括螺纹区段和大直径区段，所述大直径区段邻近螺纹区段、在轴的第一端部与第二端部之间。所述大直径区段被设想成接合弹簧套。

在一个设想的实施方案中，螺纹区段适于接合受控元件内的活塞。

在另一个设想的实施方案中，偏置元件邻近控制元件设置。

设想的是，偏置元件可邻近可变差动变压器的外壳设置。

还设想的是，系统可包括连接到轴的杆件，其中偏置元件在连接点与杆件之间连接。在此，偏置元件可邻近受控元件设置在可变差动变压器的外壳的外部。可替代地，偏置元件可设置在可变差动变压器的外壳内。

根据以下讨论，本发明的其他方面将变得明显。

附图简述

参考附图描述本发明的一个或多个实施方案，其中：

图1是根据现有技术的连接到控制元件的LVDT传感器的示意图；

图2是用于检测传感器与控制元件之间的机械断开的系统的第一实施方案的图形表示，所述控制元件与飞机上的控制表面相关联，其中系统被以与LVDT连接的状态示出；

图3是如图2所示的用于检测传感器与控制元件之间的机械断开的系统的实施方案的图形表示，其中系统被以与LVDT断开的状态示出；

图4是用于检测传感器与控制元件之间的机械断开的系统的第二实施方案的图形表示，所述控制元件与飞机上的控制表面相关联，其中系统被以与LVDT连接的状态示出；

图5是如图4所示的用于检测传感器与控制元件之间的机械断开的系统的实施方案的图形表示，其中系统被以与LVDT断开的状态示出；

图6是图2所示的用于检测传感器与控制元件之间的机械断开的系统的第一实施方案的变型的图形表示，其中系统被以与LVDT连接的状态示出；以及

图7是用于检测传感器与控制元件之间的机械断开的系统的第三实施方案的图形表示，其中系统被以与RVDT连接的状态示出。

本发明实施方案的详述

现在将结合其一个或多个实施方案描述本发明。单独实施方案的元件被设想成可替代其他实施方案中的元件。此外，本领域的技术人员在了解以下讨论后将会了解一个或多个变型和/或等效物。那些变型和等效物被认为由本发明所涵盖，如同本文所述的一样。

图1是根据现有技术的传感器系统10的图形表示。传感器系统10包括通过轴14连接到控制元件16的LVDT 12。LVDT 12被设想成具有本领域技术人员已知的构造。

类似于LVDT 12，控制元件16被设想成具有本领域技术人员已知的构造。具体地说，控制元件16被设想成并入连接到飞机上的控制表面的液压致动器。例如，控制元件16可为控制所述控制表面的定位并且因此控制飞机的空气动力特性的液压操作的活塞。控制表面包括但不限于飞机的方向舵、副翼、缝翼、襟翼等。

如应对本领域技术人员显而易见的是，LVDT 12通常结合与飞机上的一个或多个控制表面相关联的控制元件16来使用。LVDT 12紧凑且重量轻。此外，LVDT 12可靠地产生指示控制表面的位置的信号。

LVDT 12被设想成包括具有中心孔20的外壳18。芯22被设置在轴14的一个端部处并且滑动地设置在外壳18内的孔20中。LVDT 12的外壳18容纳初级绕组24、第一次级绕组26和第二次级绕组28。在外壳18内，次级绕组26、28与初级绕组24侧面相接。常规地，绕组24、26、28通过粘合剂(诸如环氧树脂)固定在外壳18中。

如图1所示，轴14和芯22彼此连接。因此，当控制元件16被致动时，轴14在芯22中起作用以使芯22相对于绕组24、26、28移动。在芯相对于绕组24、26、28移动时，芯22引起生成电信号，所述电信号与芯22相对于绕组24、26、28的位置成比例。电信号用作对系统的输出以用于控制飞机上的控制表面。

如图1所示，初级线圈24建立LVDT 12的主感测区30。第一次级绕组26建立第一次级感测区32。第二次级绕组28建立第二次级感测区34。在正常操作期间，芯22被设想成邻近主感测区30定位。在控制元件响应于控制表面的位置改变时，芯22将被拉动成接近第一次级感测区32，或者被推动成接近第二次级感测区34。由箭头36指示轴14和芯22的行进方向。在芯22相对于感测区30、32、34移动时，LVDT 12生成由飞机上的计算机系统进一步处理的不同位置信号。

为了冗余，应注意飞机上的每个控制表面通常附接到两个LVDT 12。通过这种取向，如果两个LVDT 12中的一个发生故障，则从LVDT 12接收位置信号的系统可确定存在故障。简单地，这两个LVDT 12将生成不同的输出信号。然而，在现有技术中，传感器系统10无法确定两个LVDT 12中的哪一个正在生成错误的信号。系统感知到的只是两个LVDT 12正生成不同的信号，并且因此感知到存在与LVDT 12所连接到的控制表面相关联的故障。

如应从图1显而易见的，如果连接到控制元件16的两个LVDT 12中的一个的轴14断裂，那么芯22将不再以既定方式在外壳18内移动。另一方面，来自功能性LVDT 12的位置信号将随着控制表面的位置的变更而继续改变。然而，从LVDT 12接收位置信号的计算机系统不太可能能够区分两个LVDT 12的位置信号。换句话说，从LVDT 12接收位置信号的计算机系统不太可能能够确定两个信号中的哪一个正提供用于控制相关联的飞行表面的正确信息。

图2是根据本发明的传感器系统40的第一设想实施方案的图形表示。如将通过以下讨论变得显而易见的，术语“传感器系统”40旨在广义理解为是指设备及其相关联部件，如本文所描述的。

如图2所示，传感器系统40包括LVDT 42。如图7所示，传感器系统94包括RVDT 96。本文所描述的传感器系统40、94(以及其他)的实施方案被设想成结合可变差动变压器(“VDT”)来使用，不论所述可变差动变压器是否是线性或旋转类型(或者现在已知或在将来开发的任何其他类型)。因此，本发明不应被理解为限于LVDT 42或RVDT 96。

继续参考图2，LVDT 44包括围封初级线圈46、第一次级线圈48和第二次级线圈50的外壳44。芯52可滑动地设置在外壳44中的孔54内。连接到轴56的一个端部的芯52在箭头58的方向上与轴56一起滑动。

如图2中还示出的，LVDT 42通过轴56连接到受控元件60。“受控元件”60是由另一装置、系统、方法等控制的任何元件。“受控元件”60涵盖控制元件16，诸如通常用来操纵飞机上的控制表面的类型。换句话说，术语控制元件”60旨在涵盖比连接到飞机上的控制表面的那些装置更广类别的装置。

受控元件60被设想成是双向、液压致动的气缸等。因此，受控元件60包括外壳62，所述外壳62具有可滑动地设置在所述外壳62中的活塞64。

轴56的第一端部连接到芯52。轴56的第二端部包括大直径区段66和螺纹区段68。螺纹区段68通过连接器70(诸如紧固件)连接到活塞64。在连接到活塞64的情况下，轴56和芯52与活塞64一起移动。因此，芯52在LVDT 42内的移动与活塞64的移动相关联。因此，由LVDT 42生成的位置信号准确地反映出活塞64以及因此连接到受控元件60的控制表面的位置。

轴56的第二端部穿过弹簧套72，所述弹簧套72紧靠受控元件60的外壳62。弹簧套72将弹簧74包入其中。弹簧74施加对抗弹簧套72的偏置。因此，如果轴56万一例如在断裂点76处断裂，那么弹簧74推压弹簧套72。由于弹簧套72与轴56之间的连接，当弹簧74在弹簧套72上推动时，弹簧74使轴56移位以使得芯52移动到邻近第二次级线圈50的位置。

在图2示出的传感器系统40的布置中，鉴于到活塞64和外壳62的接近度，断裂点76是轴56可能断裂的位置。尽管在这个特定位置处识别出断裂点76，应注意本发明不限于检测在所识别的特定位置中的断裂点76。

图3示出在轴56在断裂点76处已存在断裂后的状态下的传感器系统40。在此说明中，芯52被示出处于断开状态。在断开状态中，芯52被邻近第二次级线圈50定位。因此，芯52生成与第二次级线圈50一致的位置信号。

设想的是，在LVDT 42的断开状态中，芯52将被移动到孔54中的位置，所述位置在LVDT 42的正常操作范围之外。在芯52处于非操作位置中(即，在正常操作范围之外)的情况下，第二次级线圈50将生成对应的位置信号，所述位置信号在LVDT 42的正常操作范围之外。在芯52被定位在“超出范围”的情况下，对于飞机上的飞行系统来说基于由LVDT 42生成的位置信号而容易地检测到LVDT 42已遭受机械故障变得可能。

如图3所示，初级线圈46与主感测区78相关联。第一次级线圈48与第一次级感测区80相关联。第二次级线圈50与第二次级感测区82相关联。因此，当在断裂点76处已存在断裂后芯52通过弹簧74移位时，第二次级感测区82通过生成“超出范围”信号来生成指示LVDT42的机械故障的位置信号。

如对本领域技术人员应显而易见的是，线圈46、48、50被设想成是由缠绕导线制成的导电线圈。当将电流施加到线圈46、48、50时，线圈生成电磁场。芯52被设想成是改变或扰乱由线圈46、48、50生成的电磁场的磁体或磁化材料。由于磁感应，芯52与线圈46、48、50相互作用，以使得可由LVDT 42生成位置信号。

图4是传感器系统84的第二设想实施方案的图形表示。

传感器系统84与传感器系统40基本上相同。在这个实施方案中，已移除弹簧套72并且利用弹簧板86来代替。弹簧板86通过一个或多个突出部88连接到轴56。

当轴56在断裂点76处存在断裂时，弹簧74施加对抗弹簧板86的偏置力以将芯52推入与第二次级线圈50相关联的第二次级感测区82的非正常范围中。

图4示出处于连接状态中的传感器系统84，其中LVDT 42正根据正常操作参数来操作。

图5示出在轴56在断裂点76处断裂后处于断开状态(或“超出范围”状态)的传感器系统84。

在一个设想的变型中，弹簧74可邻近LVDT 42的外壳44定位。换句话说，本发明不应认为是限于其中弹簧74被邻近受控元件60的外壳62设置的布置。

如还应显而易见的，弹簧74被示出为是螺旋弹簧。然而，在不脱离本发明的范围的情况下，可采用任何其他类型的偏置装置或元件。

图6示出根据本发明的传感器系统90。传感器系统90的这个实施方案是图1和图2示出的传感器系统40的变型。如应显而易见的，这种变型也适用于图4和图5示出的传感器系统80。

在传感器系统90中，轴56被直接连接到移动元件92。如应显而易见的，在这种变型中，轴56未连接到外壳62内的活塞64。相反，轴56被直接连接到移动元件92，所述移动元件92可为与飞机上的控制表面一起移动的外壳或其他部件。

如图所示，轴56被设想成利用连接器70内部连接到移动元件，正如同传感器系统40。如应显而易见的，然而，可按与单独安装位置相关联的具体情况所需要或所期望的任何方式来连接轴56。就这一点而言，应注意在不背离本发明的范围的情况下，传感器系统40、80的实施方案也可依赖于除连接器70以外的连接器。

图7是根据本发明的传感器系统94的第三实施方案的图形表示。这个实施方案应用用于检测RVDT 96与受控元件60之间的机械断开的原理。

在图7中，未示出受控元件60。

传感器系统94包括具有外壳98和中心轴100的RVDT 96。芯102被安装在轴100上并且在箭头104的方向上在孔132内旋转。RVDT 96包括初级线圈106、第一次级线圈108和第二次级线圈110。正如先前的实施方案，芯102被设想成相对于初级线圈106定向在稳定状态(或正常操作)状况中。如图7所示，初级线圈106可与第一铁芯112相关联，第一次级线圈108可与第二铁芯114相关联，并且第二次级线圈110可与第三铁芯116相关联。

关于传感器系统94，杆件118连接到轴110。弹簧120(或其他偏置元件)在杆件118与连接点122之间连接。如果在RVDT 96与相关联的受控元件60之间存在机械断开，那么弹簧120将芯102偏置到第二次级线圈110，如由箭头124所指示。

虽然杆件118、弹簧120和连接点124被示出位于RVDT 96内，应注意这些元件可位于RVDT 96外部，正如在上文描述的传感器系统40、84、90中那样。杆件118、弹簧120和连接点122的位置对于本发明的操作不是关键的。

进一步参考图7，应注意初级线圈106与主感测区126相关联。第一次级线圈108与第一次级感测区128相关联。类似地，第二次级线圈110与第二次级感测区130相关联。

结合LVDT 42和RVDT 94描述了主感测区78、126，第一次级感测区80、128和第二次级感测区82、130。在两个实施方案中，第二次级感测区82、130是被选择为针对芯52、102的超出范围或故障位置的默认位置。如应显而易见的，在不背离本发明的范围的情况下，超出范围或故障位置可与第一次级感测区80、128相关联地选择。

如以上所指出，传感器系统40、84、90、94不被视为限于LVDT 42或RVDT 96。类似地，传感器系统40、84、90、94不被视为限于其中VDT(即，LVDT 42或RVDT 96)包括第一线圈(即，初级线圈)46、106、第二线圈(即，第一次级线圈)48、108和第三线圈(即，第二次级线圈)50、110的构造。相反，设想的是，VDT 42、96可通过依赖芯52、102和仅一个线圈(诸如第一线圈46、106)来操作。如应显而易见的，可使用两个或更多个芯52、102。类似地，在不脱离本发明的范围的情况下，可使用两个或更多个线圈46、106、48、108、50、110。

关于传感器系统40、84、90、94，应注意孔54、132仅仅是外壳44、98内的空间。尽管孔54、132的横截面是圆形的，但是孔54、132需要具有任何预定形状。因此，尽管本文中使用术语“孔”54、132，但是这个术语不应理解为限于任何特定形状。

已结合一个或多个实施方案描述了本发明。设想的是，在不背离本发明的范围的情况下，来自一个实施方案的特征可替代其他实施方案中的特征。此外，如应对本领域技术人员显而易见的是，存在应对本领域技术人员显而易见的实施方案的多种变型和等效物。本发明旨在涵盖这些变型和等效物，如同本文所述的一样。

Claims (19)

1.一种用于检测可变差动变压器与受控元件之间的连接的机械故障的系统，所述受控元件具有受控元件外壳，所述系统包括：

可变差动变压器，所述可变差动变压器包括包封第一线圈的外壳；

孔，所述孔在所述可变差动变压器的外壳中，其中所述孔邻近所述第一线圈；

芯，所述芯被设置在所述孔中；

轴，所述轴可连接在第一端部处的所述芯与第二端部处的所述受控元件之间，其中所述轴包括断裂点，所述断裂点靠近所述受控元件外壳；以及

偏置元件，所述偏置元件被连接到所述轴，

偏置元件外壳，所述偏置元件外壳设置在所述偏置元件周围，

其中，响应于所述轴在所述断裂点处的断裂，所述偏置元件适于使所述芯远离所述受控元件外壳移动到可由所述第一线圈检测的超出范围的位置，并且在所述轴断裂之后所述偏置元件外壳适于与所述轴一起移动。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述芯被设置在所述孔中以使得所述芯适于在所述孔内滑动，从而使得所述超出范围的位置对应于远离所述受控元件的最大位置。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述可变差动变压器是线性可变差动变压器。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述芯被设置在所述孔中以使得所述芯适于在所述孔内旋转，从而使得所述超出范围的位置对应于所述孔中的所述芯的最大旋转。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述可变差动变压器是旋转可变差动变压器。

6.如权利要求1所述的系统，其还包括在所述第一线圈附近设置的第二线圈和第三线圈。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述超出范围的位置可由所述第二线圈或所述第三线圈中的至少一个来检测。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述第一线圈包括用于传导电流的导线线圈。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述芯包括磁体或磁化材料中的至少一种。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述偏置元件包括弹簧。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述弹簧是螺旋弹簧。

12.如权利要求10所述的系统，其还包括：

弹簧板，所述弹簧板被设置在所述轴上；以及

至少一个突出部，所述至少一个突出部被设置在所述轴上以将所述弹簧板连接到所述轴，

其中所述弹簧板在所述轴的断裂后与所述轴一起移动。

13.如权利要求11所述的系统，其中在所述第二端部处，所述轴包括：

螺纹区段；以及

大直径区段，所述大直径区段邻近所述螺纹区段、在所述轴的所述第一端部与所述第二端部之间，

其中所述大直径区段接合弹簧套。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述螺纹区段适于接合所述受控元件内的活塞。

15.如权利要求1所述的系统，其中所述偏置元件被邻近所述受控元件设置。

16.如权利要求1所述的系统，其中所述偏置元件被邻近所述可变差动变压器的所述外壳设置。

17.如权利要求1所述的系统，其还包括：

杆件，所述杆件被连接到所述轴，其中所述偏置元件在连接点与所述杆件之间连接。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述偏置元件被邻近所述受控元件设置在所述可变差动变压器的所述外壳的外部。

19.如权利要求17所述的系统，其中所述偏置元件被设置在所述可变差动变压器的所述外壳内。