CN107430207A - 位置传感器 - Google Patents

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Abstract

一种传感器包括：源，所述源包括在接收到能量时产生电磁近场的电磁结构；以及检测单元，所述检测单元包括布置在所述源附近的至少一个线圈，使得所述电磁近场借助电感耦合而感生出经过所述线圈的电流。所述传感器还包括：测量单元，所述测量单元用于测量在所述线圈两端的电压；以及处理器，所述处理器用于在检测所述电压的值的改变时检测在所述源附近是否存在目标结构。所述目标结构是在与所述源相距一段距离处移动的电磁结构。

Description

位置传感器
技术领域
本发明总体上涉及位置传感器，并且更具体地，涉及用于确定在传感器附近的目标结构存在与否和/或相对位置的非接触式传感器。
背景技术
诸如电刷、滑环或电线导体的位置传感器通常采用接触件来指示可移动构件的位置。期望不再用到接触件，这样可减少因电接触件滑动而引起的电噪声和干扰。非接触式传感器保持传感器和目标结构之间的间隙。在存在此物理间隙的情况下保持感测范围可能是具有挑战性的。
非接触式传感器的示例包括基于电容的位置传感器、基于激光的位置传感器、涡流感测位置传感器和基于线性位移换能器的位置传感器。虽然每种类型的位置传感器都具有其优点，但是每种类型的传感器可能最适于特定应用。例如，当位置传感器的尺寸必须小时，电容器的尺寸可以使传感器不切实际。光学传感器会因存在灰尘或油脂而失效。磁传感器需要精密的外壳和机械组件来避免因磁体或传感器的错位而引起的误差，这在某些应用中可能有困难。另外，在某些应用中，传感器与目标结构之间的间隙尺寸可随时间而改变，并且目标结构的位置会造成某些线性位置传感器的精度有问题。
因此，需要一种用于确定被布置成与传感器相距不同距离的目标结构的存在与否和/或相对位置的非接触式传感器。
发明内容
本发明的一些实施方式是基于以下认识：在电感耦合期间使用的电磁近场的磁通对电磁近场中的任何变化敏感。例如通过测量由磁通借助感应耦合感生的电流所引起的在线圈两端的电压，可以检测因磁通的改变所造成的电磁近场的变化。
本发明的一些实施方式基于以下的认识：在电磁近场内移动的外部电磁结构的存在干扰了磁场，因此可基于电压测量的改变来检测该存在。例如，目标结构的谐振耦合改变了磁近场形状，进而改变了由该近场产生的连接线圈中的电流。此外，这种存在的作用影响了整个近场，使得这种检测对产生近场的源和目标结构之间的距离不太敏感。以这种方式，即使在目标结构与源相距较远的距离处，也可以检测近场内目标结构的存在。
此外，如果磁通通过多个连接的线圈感生出电流时，则不同线圈的电压的幅值和/或之间的差异指示目标结构在近场内的相对位置。例如，可以对目标结构的潜在运动轨迹进行取样，以确定与轨迹上的目标结构特定位置对应的连接线圈的电压的组合。
因此，一个实施方式公开了一种传感器，所述传感器包括：源，所述源包括在接收到能量时产生电磁近场的电磁结构；检测单元，所述检测单元包括布置在所述源附近的至少一个线圈，使得所述电磁近场借助电感耦合感生经过所述线圈的电流；测量单元，所述测量单元用于测量在所述线圈两端的电压；以及处理器，所述处理器用于在检测所述电压的值的改变时检测在所述源附近是否存在目标结构，其中，所述目标结构是在与所述源相距一段距离处移动的电磁结构。
另一个实施方式公开了一种传感器，所述传感器包括：源，所述包括电磁结构；电源，所述电源用于向所述电磁结构供应具有谐振频率的功率信号，以产生围绕所述电磁结构的磁近场；检测单元，所述检测单元包括布置在所述源附近的连接的线圈，使得所述磁近场借助电感耦合感生经过所述连接的线圈的电流，其中，所述连接的线圈包括第一线圈和第二线圈；测量单元，所述测量单元用于测量在每个连接的线圈两端的电压，所述在每个连接的线圈两端的电压包括在所述第一线圈两端测得的第一电压和在所述第二线圈两端测得的第二电压；以及处理器，所述处理器用于将所述第一电压和所述第二电压进行比较，并且用于基于所述第一电压和所述第二电压之间的差异来确定目标结构相对于所述源或相对于该连接的线圈的相对位置。
附图说明
[图1]
图1是根据本发明的一个实施方式的传感器的示意图。
[图2]
图2是根据本发明的一个实施方式的用于确定目标结构相对于传感器的相对位置的传感器的框图。
[图3]
图3是根据本发明的一个实施方式的用于确定目标结构的相对位置的方法的框图。
[图4]
图4是根据本发明的一些实施方式的电压值的不同组合和目标结构的相对位置之间的映射的示例。
[图5A]
图5A是根据一个实施方式的传感器所使用的电磁结构的示例。
[图5B]
图5B是根据一个实施方式的借助两个端子与电源290连接的源结构的示例。
[图6]
图6是包括源结构和检测结构的感测结构的示例。
[图7A]
图7A是根据本发明的一些实施方式的检测结构的不同几何图案的示例。
[图7B]
图7B是根据本发明的一些实施方式的检测结构的不同几何图案的示例。
[图8A]
图8A是根据本发明的一些实施方式的检测结构的不同几何图案的示例。
[图8B]
图8B是根据本发明的一些实施方式的检测结构的不同几何图案的示例。
[图9]
图9是根据本发明的一个实施方式的包括多个谐振结构的目标结构的位置的示意图。
[图10]
图10是根据本发明的一个实施方式的包括源结构和检测单元的一组连接线圈的群组的感测结构的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一个实施方式的传感器的示意图。传感器包括：源110，其包括用于在接收到能量时产生电磁近场的电磁结构；以及检测单元120，其包括布置在源附近的至少一个线圈，使得电磁近场借助电感耦合而感生出经过线圈的电流。传感器还包括用于测量在检测单元的线圈两端的电压的测量单元130。在一些实施方式中，直接测量电压。在替代实施方式中，通过分析地限定电压的其他测量(例如，电流的测量)来测量电压。
本发明的一些实施方式基于以下的认识：外部电磁结构(诸如，在电磁近场内移动的目标结构160)的存在干扰了磁场，因此可基于电压测量值的改变来检测。例如，目标结构的谐振耦合改变了磁近场形状，进而改变了由该近场产生的在连接线圈中的电流。此外，在整个近场内感觉到这种存在的影响，使得这种检测对产生近场的源和目标结构之间的距离不太敏感。以这种方式，可以检测近场内甚至在与源相距较远的距离处的目标结构的存在。
因此，可以使用处理器170，基于检测到145或者没有检测到155电压值的改变135来确定目标结构160在源110附近的存在140或不存在150。
图2示出了根据本发明的另一个实施方式的用于确定目标结构220的相对位置的传感器210的框图。在一些实现方式中，目标结构和传感器包括彼此面对的平坦表面。目标结构包括在特定射频f0下谐振的至少一个无源谐振结构。在一些实施方式中，目标结构的移动是不受限制的。在替代实施方式中，目标结构按照轨迹225(例如在与传感器的平坦表面平行的平面中)移动。
该传感器包括含有源结构230的源和含有检测结构240的检测单元。源结构是在接收到能量时产生电磁近场的电磁结构。例如，源结构是载流线圈。检测结构是布置的至少一个线圈。在一些实施方式中，检测结构包括一对或多个连接的线圈。
源结构230与检测结构240感应耦合235，并且可以集成电介质基板上，使得源结构和检测结构的相对位置是固定的。可以通过射频电源270来为源结构提供供给。例如，在一个实施方式中，电源270可以借助与目标结构具有相同谐振频率的功率信号向源供应能量。在该实施方式中，目标结构可以与源结构谐振耦合223。
在接收到能量时，磁通经过检测结构的每个线圈，并在每个线圈两端产生感生电压。由测量单元250记录线圈对的感生电压。电压信息被提交到处理单元260，并且使用电压的大小和/或电压差来确定目标结构的位置280。
例如，当源结构接收到交流时，在源结构附近产生磁近场。当检测结构位于源结构附近时，磁通经过检测结构的线圈并且在每个线圈处产生感生电压。当检测结构被布置成使得相同量的磁通经过每个线圈时，在每个线圈两端的感生电压相同。例如，如果连接的线圈包括第一线圈和第二线圈，则在第一线圈两端的第一电压与在第二线圈两端的第二电压之间的差为零。
当目标结构被放置在源结构的近场中时，可以激发目标结构的谐振并且磁场与目标结构耦合。在目标结构中感生出电流，该电流产生感生磁场。由于目标结构的谐振，感生磁场可造成通过检测线圈中的每个的整体磁通被中断。根据目标结构与感测结构的相对位置，由目标结构引起的磁通分布变化不同，并且每个检测线圈处的感生电压不同。然后，可将感生电压之差用作目标结构位置的指示。
例如，如果目标结构的中心与检测结构的中心对准，则由目标结构对每个线圈产生的磁通影响相同，因此感生电压仍然相同并且差分电压为零。当目标结构的中心与检测结构的中心之间存在偏移时，由目标结构产生的磁通影响在两个检测线圈上是不对称的，从而导致非零差分电压。通常，偏移越大，差分电压越大。可以例如通过实验数据来确定差分电压值和对应相对位置之间的关系，实验数据可以被存储在与处理单元的处理器操作性连接的存储器290中。测得的差分电压值被发送到处理单元，处理单元随后将该值映射到对应的位置信息。
图3示出了根据本发明的一个实施方式的用于确定目标结构的相对位置的方法的框图。当在感测结构附近没有目标结构(310)时，由于来自源结构的磁场，导致产生感生电压V1和V2(320)。当检测结构被布置成使得经过每个线圈的磁通相同时，感生电压相同，并且电压差ΔV为零。当检测结构和源结构之间没有偏移时，V1与V2之间可存在差异，从而使ΔV为非零值。信息可被作为基准值存储在处理单元中(330)。
传感器连续地测量V1、V2和ΔV的新值(340)，这些新值被发送到处理单元，以供与所存储的基准值进行比较。如果没有检测到改变，则范围中没有目标结构(390)。如果测量值有改变(350)，则由处理单元来分析这些值。如果V1和V2二者都改变，但是新的差分电压ΔV'仍然同样是ΔV(360)，则目标结构与感测结构对准并且处于零位置。如果新的差分电压值ΔV'不同于ΔV，则目标结构在传感器的范围内，没有与零位置对准(370)。然后，由处理单元使用差分电压和位置之间的预存储关系来确定位置信息。
本发明的一些实施方式基于以下认识：当磁通通过多个连接的线圈感生出电流时，不同线圈的电压的幅值和/或之间的差异指示目标结构在近场内的相对位置。例如，可以对目标结构的潜在运动轨迹进行取样，以确定与轨迹上的目标结构的特定位置对应的连接线圈的电压的组合。因此，本发明的一些实施方式确定指示在检测单元的线圈两端的电压值的不同组合的信息和目标结构的相对位置之间的映射。
图4示出了根据本发明的一些实施方式的在检测单元的线圈两端的电压420和430的值的不同组合和目标结构的相对位置440之间的映射410的示例。在不同的实施方式中，针对电压的不同值、电压之间的差异或这两者确定映射。在一些实施方式中，针对传感器周围的空间中的不同位置确定映射。在替代实施方式中，例如，在与源的电磁结构平行的平面上，针对轨迹450确定映射。
例如，在一个实施方式中，检测单元包括含有第一线圈和第二线圈的一对连接的线圈。测量单元测量在第一线圈两端的第一电压和在第二线圈两端的第二电压之间的差异，并且其中，处理器基于电压值来确定目标结构相对于源的相对位置。在一些实现方式中，谐振结构按照与源的电磁结构平行的平面上的轨迹而移动，并且存储器290存储轨迹上目标结构的一组位置和测得电压的一组值之间的映射。
在另一个实施方式中，测量单元测量在每个连接的线圈两端的电压，在每个连接的线圈两端的电压包括第一线圈两端测得的第一电压和在第二线圈两端测得的第二电压。在该实施方式的一个实现方式中，存储器存储轨迹上的目标结构的一组位置和第一电压和第二电压之间的一组对应差异之间的映射。在替代实现方式中，存储器存储目标结构的一组不同相对位置440和第一电压410和第二电压420的一组对应成对值之间的映射410。
使用差分测量的优点是能容忍目标结构和感测结构之间的间隙改变。即使在间隙尺寸不同的情况下，磁通对两个检测线圈的感生电压的影响也是相同的。感生电压V1和V2同时改变，并且差分电压V1-V2保持相同。这种传感器可被用作位置开关和线性位置传感器，在位置开关的情况下，由传感器基于零差分电压检测正好零点，在线性位置传感器的情况下，通过差分电压的改变来检测零点周围的线性位置。使用与感测结构耦合的谐振结构的优点在于，该范围可比常规电感耦合大得多，使得允许目标结构和感测结构之间有更大的间隙大小。
图5A示出了根据一个实施方式的传感器所使用的不同电磁结构的示例。在该示例中，源结构510是单匝方形环的铜线，其用两个端子与电源连接。检测结构520是与源结构510布置在同一印刷电路板上的8字形铜线圈。测量检测结构520的两个开口处的电压。目标结构530是多匝方形螺旋，并且被印刷在另一个电路板上，并且与源结构分开距离d。
图5B示出了借助两个端子511和512与电源290连接的源结构510的示例。然而，不同的实施方式使用不同配置的源结构510。例如，一些实施方式使用由多匝金属线形成的源结构，这些金属线可以是如印刷电路板中使用的薄且平的形式或者可以由绞线或Litz线构成。
图6示出了源结构510和检测结构520的示例。在端子1和0两端的电压以及在端子2和0两端的电压被测量为V1和V2。在该示例中，检测结构是8字形线圈。与源结构类似，检测结构可用许多不同的形式实现。例如，一些实施方式使用由多匝金属线形成的源结构，这些金属线可以是如印刷电路板中使用的薄且平的形式或者可以由纽绞线或Litz线构成。检测结构可具有不同的几何图案。
图7A和图7B示出了根据本发明的一些实施方式的检测结构的不同几何图案的示例。图7A的检测结构710是具有多匝的8字形线圈。图7B的检测结构720由在端部连接的两个多匝螺旋制成。
在本发明的一些实施方式中，目标结构在工作频率下谐振。各种实施方式以高品质因素设计目标结构，以扩大感测范围。谐振目标结构也可采用许多不同形式在印刷电路板处实现或者被实现为绞线或Litz线。
图8A和图8B示出了根据本发明的一些实施方式的检测结构的不同几何图案的示例。图8A示出了被设计为谐振结构的多纤维螺旋的示例。超材料谐振器也可用于目标结构。图8B示出了用超材料概念开发的谐振器820的示例。由结构中间的小间隙提供有效电容，并且由金属线提供有效电感。为了进一步增加谐振的品质因素，可采取其他措施。例如，优选地用低损耗介电材料作为目标结构的基板。
传感器也可用作较大传感器一的部分。例如，多个谐振结构可形成目标结构，该目标结构可用作位置的标记或线性标度。由源结构和检测结构形成的感测结构还可包括多对不同线圈。在这种情况下，多个输出通道可延长线性感测范围或者形成线性编码器。
图9示出了根据本发明的一个实施方式的检测包括多个谐振结构921和922的目标结构920的位置的感测结构910的示意图。谐振结构可具有相同或不同的设计，并且可具有相同或不同的谐振频率。目标结构上感生出的磁场在不同位置是不同的，并且不同地影响感生电压。因此，目标结构用作与不同位置对应的尺度，并且可被传感器用来确定位置信息。
图10示出了根据一个实施方式的包括源结构1020和检测单元的一组连接线圈的群组1031、1032、1033的感测结构1010的示意图。在该实施方式中，处理器可基于用作三个独立测量通道的在检测单元的每个线圈两端确定的电压值的组合来确定目标结构的相对位置。由于目标结构的不同影响，导致这三个通道测得的电压值是不同的。
在这些实施方式中，谐振结构可具有相同或不同的设计，并且可具有相同或不同的谐振频率。目标结构上感生出的磁场在不同位置是不同的，并且不同地影响感生电压。因此，目标结构用作与不同位置对应的尺度，并且可被传感器用来确定位置信息。这三个测量通道可独立地确定目标结构的位置。因此，附加通道可用作第一通道的冗余。在一个通道附近有影响测量的物体的情况下，冗余通道有助于得到正确的位置信息。因为三个测量通道之间的相对位置是已知的，所以多个通道也可一起工作并且用作线性编码器的一部分。
本发明的上述实施方式可用多种方式中的任一种来实现。例如，可使用硬件、软件或其组合来实现实施方式。在权利要求书中使用诸如“第一”、“第二”的序数词来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求要素的任何优先级、位次或顺序超过执行方法中的动作的另一个或时间顺序，但是仅仅被用作标签来区分具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称(仅仅使用序数词)的另一个要素来区分权利要求要素。

Claims (20)

1.一种传感器，所述传感器包括：
源，所述源包括在接收到能量时产生电磁近场的电磁结构；
检测单元，所述检测单元包括布置在所述源附近的至少一个线圈，使得所述电磁近场借助电感耦合感生经过所述线圈的电流；
测量单元，所述测量单元用于测量在所述线圈两端的电压；以及
处理器，所述处理器用于在检测电压值的改变时检测在所述源附近是否存在目标结构，其中，所述目标结构是在与所述源相距一段距离处移动的电磁结构。
2.根据权利要求1所述的传感器，所述传感器还包括：
电源，所述电源用于借助具有谐振频率的功率信号向所述源供应能量，其中，所述目标结构是具有所述谐振频率的谐振电磁结构。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述检测单元包括一对连接的线圈，所述一对连接的线圈包括第一线圈和第二线圈，其中，由所述测量单元测得的所述电压值表示在所述第一线圈两端的第一电压与在所述第二线圈两端的第二电压之间的差异，并且其中，所述处理器基于所述电压值来确定所述目标结构相对于所述源的相对位置。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述谐振结构按照与所述源的所述电磁结构平行的平面上的轨迹而移动，所述传感器还包括：
存储器，所述存储器存储所述轨迹上的所述目标结构的一组位置和一组所述电压值之间的映射，其中，所述处理器使用所述映射来确定所述目标结构的相对位置。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述检测单元包括一对连接的线圈，所述一对连接的线圈包括第一线圈和第二线圈，其中，所述测量单元测量在每个连接的线圈两端的电压，所述在每个连接的线圈两端的电压包括在所述第一线圈两端测得的第一电压和在所述第二线圈两端测得的第二电压，并且其中，所述处理器将所述第一电压和所述第二电压进行比较，以确定所述目标结构相对于所述源的相对位置。
6.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述谐振结构按照与所述源的所述电磁结构平行的平面上的轨迹而移动，所述传感器还包括：
存储器，所述存储器存储所述轨迹上的所述目标结构的一组位置和所述第一电压和所述第二电压之间的一组对应差异之间的映射，其中，所述处理器使用所述映射来确定所述目标结构的相对位置。
7.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述检测单元包括一对连接的线圈，所述一对连接的线圈包括第一线圈和第二线圈，其中，所述测量单元测量在每个连接的线圈两端的电压，所述在每个连接的线圈两端的电压包括在所述第一线圈两端测得的第一电压和在所述第二线圈两端测得的第二电压，并且其中，所述处理器基于所述第一电压和所述第二电压来确定所述目标结构相对于所述源的相对位置。
8.根据权利要求7所述的传感器，所述传感器还包括：
存储器，所述存储器存储所述目标结构的一组不同相对位置和所述第一电压以及所述第二电压的一组对应成对值之间的映射，其中，所述处理器使用所述映射来确定所述目标结构的相对位置。
9.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述连接的线圈具有相同的形状并且相对于所述源的所述电磁结构居中，使得当所述目标结构在所述电磁近场外部时，所述第一电压和所述第二电压之间的差异低于阈值。
10.根据权利要求3所述的传感器，其中，如果所述电磁近场内存在所述目标结构期间的所述第一电压和所述第二电压之间的差异等于当所述目标结构在所述电磁近场外部时的所述第一电压和所述第二电压之间的差异，则所述处理器确定所述目标结构的相对位置与所述一对连接的线圈对准。
11.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述处理器将所述第一电压的幅值和所述第二电压的幅值与基准电压进行比较，以检测所述电磁近场内是否存在所述目标结构。
12.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述检测单元包括多个连接的线圈，并且其中，所述处理器基于在所述检测单元的每个线圈两端确定的电压值的组合来确定所述目标结构的相对位置。
13.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述检测单元包括一组连接的线圈的群组，并且其中，所述处理器基于在所述检测单元的每个线圈两端确定的电压值的组合来确定所述目标结构的相对位置。
14.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述检测单元的所述线圈是8字形线圈。
15.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述检测单元的所述线圈和所述源的所述电磁结构布置在印刷电路板上。
16.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述目标结构包括多个谐振结构。
17.一种传感器，所述传感器包括：
源，所述源包括电磁结构；
电源，所述电源用于向所述电磁结构供应具有谐振频率的功率信号，以产生围绕所述电磁结构的磁近场；
检测单元，所述检测单元包括布置在所述源附近的连接的线圈，使得所述磁近场借助电感耦合感生经过所述连接的线圈的电流，其中，连接的线圈包括第一线圈和第二线圈；
测量单元，所述测量单元用于测量在每个连接的线圈两端的电压，所述在每个连接的线圈两端的电压包括在所述第一线圈两端测得的第一电压和在所述第二线圈两端测得的第二电压；以及
处理器，所述处理器用于将所述第一电压和所述第二电压进行比较，并且用于基于所述第一电压和所述第二电压之间的差异来确定目标结构相对于所述源或相对于该对连接的线圈的相对位置。
18.根据权利要求17所述的传感器，其中，所述谐振结构按照轨迹而移动，并且其中，所述传感器还包括：
存储器，所述存储器存储所述轨迹上的所述目标结构的一组位置和一组成对的所述第一电压和所述第二电压之间的映射。
19.根据权利要求17所述的传感器，其中，如果所述目标结构存在于所述磁近场内期间的所述第一电压和所述第二电压之间的差异等于当所述目标结构在所述电磁近场外部时的所述第一电压和所述第二电压之间的差异，则所述处理器确定所述目标结构的位置与所述连接的线圈对准。
20.根据权利要求17所述的传感器，其中，所述处理器将所述第一电压的幅值和所述第二电压的幅值与基准电压进行比较，以检测所述磁近场内是否存在所述目标结构。
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