CN107883861A

CN107883861A - 位置传感器

Info

Publication number: CN107883861A
Application number: CN201710901365.5A
Authority: CN
Inventors: 赛义夫·伊斯兰·艾哈迈德
Original assignee: Sick Atech GmbH
Current assignee: Sick Atech GmbH
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2018-04-06
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: DE102016118522B4; DE102016118522A1; EP3301404B1; JP6532920B2; US20180087935A1; EP3301404A1; JP2018087807A; US10533880B2; CN107883861B

Abstract

本发明涉及一种具有磁致伸缩材料波导的位置传感器，其中波导沿测量路径延伸并且配置用于传导由磁致伸缩触发的机械脉冲，还具有用于波导的壳体。提供了至少区域性地有弹性的定位元件，当壳体变形时该定位元件保持在壳体内；该定位元件具有沿测量路径延伸的凹槽并形成波导的容置部。根据本发明的位置传感器，凹槽具有沿测量路径延伸的狭缝；从横截面看，狭缝从接收部向上到达定位元件的边界；并且狭缝使得波导能横向插入接收部。本发明还包括制造根据本发明的位置传感器的方法。

Description

位置传感器

技术领域

本发明涉及一种具有磁致伸缩材料波导的位置传感器，波导沿着测量路径延伸并且配置用于传导由磁致伸缩触发的机械脉冲，并且具有用于波导的壳体，特别是管状的壳体。

背景技术

这样的传感器在DE 19753805C2中和MTS公司的手册551019A(www.mtssensors.com/fileadmin/media/pdfs/551019.pdf)“Temposonics Position Sensors”中通过示例的方式公开，并且特别地在工业测量中用于测量位置、长度或覆盖距离。波导可以是例如铁、镍或钴的铁磁材料的细棒、线或管，其可以有例如几厘米至多达几米的长度。例如以永磁体的形式在波导中产生磁场的所谓的“位置磁体”通常被贴附在需要被探测位置的组件上。位置磁体可以例如是环形并围绕波导。如果电流脉冲通过波导发送，则除了由位置磁体产生的磁场之外，还在波导的环境中产生相对于时间和位置可变的另外的磁场。由于位置磁体处的两个磁场相互作用，在波导中可以产生机械脉冲例如纵脉冲和/或扭转脉冲，并沿着测量路径移动。位置传感器的换能器通常用于将由波导所传导的机械脉冲转换为位置信号。换能器可以例如包括线圈或压电测量元件。换能器可以例如按照EP0882212B1中所描述设计。位置磁体的位置可以最终地通过机械脉冲的行进时间的测量来确定。基于磁致伸缩测量原理的位置传感器以非接触式方式工作并提供绝对值。该种位置传感器不需要重新校准，并且也适用于使用的不利条件。它们常配置为线性路径传感器。

由于上述类型的传感器应经常在恶劣环境如增压液压缸中使用，用于波导的外壳必须相对稳定并且有抗性。测量路径一般相对较长，通常超过一米。这意味着薄的波导必须在这样大的路径上引入壳体并居中。

在已知的系统中，通过布置在壳体内的丙烯酸管或玻璃纤维管对波导装护套。护套与波导之间以及护套与壳体之间的不可避免的间隙具有波导在操作中移动并且在过程中偏心的结果。此外，在实践中已经表明护套不能提供足够的对于冲击和震动的保护。在将波导引入具有一米或多米长度的丙烯酸管或玻璃纤维管中时，可能会发生波导的扭结或干扰。

DE19753805C2公开的一种位置传感器，其中波导被支撑在绝缘材料的支撑件中。在装配中，压套与绝缘材料一起压在波导的轴向端部区域上。

WO 2016/128021A1公开了一种磁致伸缩路径测量设备，其中波导由弹性支撑软管所支撑，该软管进而布置在支撑管中。

具有弹性支撑元件的磁致伸缩路径测量设备也公开在US2004/0090225A1、US2001/0017539A1和US6401883B1中。

发明内容

本发明的目的是提供一种位置传感器，其可以容易地被制造，并且具有可以尽可能准确地定位并且以可靠的方式保持的波导。

该目的通过具有实施例中的特征的位置传感器来实现。

根据本发明的位置传感器包括至少局部地具有弹性的定位元件；其在变形中保持于壳体中；并且其具有沿着测量路径延伸并形成用于波导的容置部的凹槽。弹性定位元件可以用作位置传感器装配时的定位辅助件。

由于其固有的弹性，定位元件在壳体中张紧。装配后，定位元件以这种方式牢固地保持在壳体中，附加的保持元件例如压套是不必要的。由于波导容置在被设置于限定位置的凹槽中，波导被可靠地固定在壳体中的位置。如果需要管状壳体中的波导定中心，定位元件可以用作定中心元件。

在装配期间通过使用定位元件可以发生波导的自定中心。由于该原因，装配特别地被简化，因为一旦波导容置于定位元件的凹槽中，就不需要观察波导的位置。除了壳体中波导的位置以外，定位元件也实现机械阻尼，保护波导不受冲击和震动的损害。

根据本发明，凹槽具有沿着测量路径延伸的狭缝；从横截面看，狭缝从接收部向上到达定位元件的边界；并且狭缝使得波导能横向插入接收部。

本发明特别地适用于有关配置用于传导由磁致伸缩触发的扭转脉冲的波导。

波导可以至少部分地且优选地沿整个测量路径容置于凹槽，且波导与凹槽之间具有小间隙。从而确保了由磁致伸缩效应引起的机械脉冲可以没有障碍地在波导中传播，并且由于脉冲的阻尼，测量值不会产生失真。另外，避免了波导的不必要的夹紧或压缩。

本发明的一个实施例提供了，当上述定位元件变形时保持在壳体中时，定位元件在外围方向上完全地围绕容置在凹槽中的波导。优选地，定位元件沿着整个测量路径完全地围绕。波导以这种方式可靠地被定位和被保护。

可以提供的是，相对于位置传感器的横截面，当上述定位元件保持在壳体中同时变形时，定位元件没有完全地外围方向地支撑在壳体的内壁处或与内壁接触的附加组件处。支撑区域之间的自由空间轴向延伸，优选地沿着整个测量路径，可用于容纳电线和/或与波导平行延伸的返回导体。通常还可以为位于壳体内壁处或与内壁接触的附加组件处的定位元件提供全面的支撑。

根据本发明的另一个实施例，当定位元件处于未变形的起始状态时，凹槽朝向定位元件的纵向侧开口。之后在装配中不需要沿轴向方向将波导装入凹槽中，而是波导可以通过简单的方式从纵向侧插入凹槽。

本发明的一个特别的实施例提供了，当定位元件处于未变形的起始状态时，凹槽具有采用钥匙孔形式的横截面形状。这在一定程度上是有利的，凹槽的窄缝状部分在定位元件变形时闭合，并且因此确保外围方向上波导的完整围绕，而宽的中心部分保持打开并形成波导的容置部。通常凹槽也具有矩形、三角形或梯形的横截面形状。

优选地，当定位元件处于未变形的起始状态时，具有梯形的外横截面形状。利用这种形状，自动地在支撑点之间生成位于角区域的间隙或自由空间，并用于容纳电线和/或返回导体。优选地，梯形的较长边位于定位元件的纵向侧，凹槽的开口位于该纵向侧。该纵向侧在开口闭合时尺寸减小到例如至少基本地适应于另一纵向侧的尺寸。原则上，定位元件也可以具有圆形或椭圆形的外横截面形状以例如支撑与具有圆形或椭圆形横截面的壳体的内壁的全面接触。

可以提供的是，凹槽具有相对于壳体的横截面居中布置的接收部。这样的定位元件实现位置传感器壳体中的波导的自定中心。

根据本发明的另一个实施例，定位元件完全地由弹性材料制成。这样使得制造工艺特别地简单。

优选地，定位元件特别是完全地由非磁性材料制成以避免对于测量值的影响。

优选地，定位元件由包括一个或多个聚合物，特别是硅树脂的材料制成。这样的材料特别地具有高柔性和弹性。

定位元件可以配置为挤出部。这样使得制造特别地简单并且廉价。

本发明的另一个实施例提供了一种定位元件，其容置于中间管中，该中间管至少区域性地是柔性的，且进而壳体的内壁接触。柔性的中间管可以特别地用作位置传感器装配时的引入辅助件。可以提供的是，中间管在其整个面积上与壳体的内壁接触。

优选地，中间管由减摩材料制成和/或具有减摩涂层。这样有助于将定位元件引入中间管中和/或将定位元件与中间管引入壳体中。

中间管可以至少部分地由聚四氟乙烯或由硅树脂制成。这些材料有着特别地显著的减摩效果。

中间管可以具有至少一个沿测量路径延伸的狭缝。这样的狭缝可以根据需要用于将定位元件横向引入中间管。另外地，狭缝可以确保中间管在径向方向上足够的柔性。

优选地，中间管具有薄壁设计。作为例子，中间管可以具有在毫米分数范围内的壁厚度。

也可以提供的是，定位元件容置于至少两个分离的并且至少区域性地柔性的壳元件的布置中，壳元件进而接触壳体的内壁。这有助于装配到壳元件仅从外部放置到定位元件的程度。

本发明的另一个实施例提供了，壳体由刚性的非磁性材料制成，特别是由不锈钢制成。这使得位置传感器能在特别地恶劣环境中使用，例如液压缸的液压油中。可替换地，壳体可以由铝或者塑料制成。

本发明还涉及一种制造如上文所述的位置传感器的方法，其中提供以下步骤：

提供处于未变形的起始状态的定位元件；

将波导引入定位元件的凹槽；及

将定位元件与容置于凹槽中的波导一起引入壳体，同时使定位元件变形。

因此，波导并不是直接引入壳体，而是通过定位元件的辅助，定位元件确保了波导在壳体中的准确对准，并且还衰减了冲击和震动。

根据本发明提供的是，将波导引入定位元件的凹槽通过沿径向方向穿过定位元件的狭缝进行，狭缝沿着测量路径延伸。这样可以比波导轴向地装入沿外围方向闭合的凹槽更加大幅度地快速而简单地实施。

优选地，波导容置于凹槽的定位元件引入柔性的中间管，之后与该中间管一起引入壳体。柔性中间管具有减摩效果，因此有助于将带有波导的定位元件在较长的路径上推入壳体。特别地，将定位元件引入中间管可以通过中间管的横向狭缝进行。

本发明的进一步改进也在说明书和附图中阐述。

以下将参考附图通过实施例解释本发明。

附图说明

图1为根据本发明的位置传感器的分解图；

图2为根据本发明的定位元件与波导的截面图，其中定位元件处于未变形的起始状态；

图3示出了根据图2引入了中间管之后的设置；

图4示出了图3示出的布置在引入波导壳体后的布置；

图5示出了带有两个壳体元件的如图2显示的布置；

图6示出了具有另一种设计的定位元件，并且具有横截面为矩形的凹槽；和

图7示出了具有另一种设计的定位元件，具有圆形的外横截面形状并且具有横截面为梯形的凹槽。

附图标记列表：

11 位置传感器

13 波导壳体

15 传感器头壳体

17 端帽

19 波导

21 控制单元

23 阻尼元件

24 套筒

25 返回导体

27,27',27" 定位元件

29 中间管

29' 布置

30 换能器

31 杆状磁体

32 线圈

33 换能器接收器

35 电路板

37 盖部件

40 边界

41 闩锁齿

42 密封圈

43 胎圈

44 支撑环

45 接触销

47 位置磁体

50,50',50" 凹槽

51 接收部

52 引入部

55 纵向狭缝

57 内壁

59 角区域

60 自由空间

61,62 壳元件

65 外表面

E 引入方向

L 纵轴

具体实施方式

图1中以分解表示方式示出的位置传感器11包括不锈钢细长管形式的波导壳体13，其中一个管端贴附有传感器头壳体。另一个管端由端帽17所封闭。优选地，磁致伸缩材料的波导19为铁磁材料线，并且从控制单元21开始轴向延伸，即与波导壳体13的纵轴L平行并且穿过该波导壳体直到阻尼元件23，阻尼元件23通过使用套筒24保持在波导壳体13中。在阻尼元件23的区域内，波导19并入返回导体25，返回导体25再次引导回到控制单元21。波导19通过定位元件27和中间管29保持在波导壳体13中，下文将会进行更加详细的解释。

换能器30与控制单元21相联，并且包括固定地焊接于波导19的杆状磁体31，和围绕该杆状磁体的线圈32。换能器30可以将波导19所传导的扭转脉冲转换为电的位置信号，例如通常地从例如专利文件EP0882212B1中已知的。换能器接收器33与换能器30相联，并且像控制单元21一样，贴附于线路板35。在图1中，出于清楚的原因，控制元件21的下列部件在控制部件21旁边再次分离地示出：换能器30、杆状磁体31、线圈32和换能器接收器33。

具有安装在其上的组件的电路板35容纳于传感器头壳体15中。该传感器头壳体由其边界40上设置有闩锁齿41的盖部件37所封闭。闩锁齿41配置为接合于传感器头壳体15的向内突出的胎圈43后面。因此盖部件37可以插入在传感器头壳体15上，并且可以在插入时永久地锁定于其上。传感器头壳体15可以通过使用例如DE202006012815U1中所公开的密封圈43和支撑件44安装到液压缸中。

接触销45设置在盖部件37，用于将位置传感器11连接到电源供应单元和接收单元(均未示出)。如图所示，接触销形成角度以使得能够从侧面连接插头或连接插座。所被位置传感器11探测的位置由位置磁体47所标记，这里的位置磁体47为环形并且围绕波导壳体13。位置磁体47固定于未示出的需要探测其位置的组件，例如固定于液压缸的可置换的活塞。

图2以横截面视角示出了波导19和定位元件27。定位元件27由弹性且非磁性材料制成，例如由硅树脂制成，并且因此可以变形。如果如图2所示处于未变形的起始状态，则定位元件27具有梯形的外横截面形状。采用钥匙孔形式的横截面的凹槽50在轴向沿整个定位元件27延伸。波导19布置于凹槽50的宽接收部51中。凹槽50的窄的引入部52延伸到定位元件27的边界，因此波导19能够沿着径向的引入方向E引入于定位元件27。

如图3示出的，在制造时，插入了波导19的定位元件27引入于中间管29。在该过程中发生定位元件27的变形，特别是窄部52的闭合。该引入过程的优点在于，中间管29由聚四氟乙烯制成，并且具有轴向延伸通过整个中间管29的纵向狭缝55。

由波导19、定位元件27和中间管29形成的单元从一端引入波导壳体13中，直到实现图4中所示出的状态。设置有纵向狭缝55的中间管29的柔性和聚四氟乙烯的减摩特性有助于该引入过程。在引入之后，中间管29在其整个面积上与壳体13的内壁57接触。由于定位元件27的梯形外横截面，该定位元件不会整个面积都与中间管29接触，而是只在角区域59处与中间管29接触。自由空间60由上述角区域59形成，并且可以用于引导通过电线和返回导体25(图1)。由于定位元件27和中间管29，一方面，波导19保持在波导壳体13的中心，另一方面，也被保护防止了过度的偏转、冲击和震动。

图5示出了本发明的另一个实施例，其中提供了具有两个分离的壳元件61和62的布置29’，而不是中间管。

图6示出了定位元件27’，其凹槽50’具有矩形横截面而不是钥匙孔形式的横截面。在图7示出的定位元件27”中，凹槽50”具有梯形横截面而不是钥匙孔形式的形状的横截面。此外，图7中示出的定位元件27”的外横截面形状为圆形而不是梯形。这在特定的应用情况下可能是有利的。在这种设计中，当内管具有圆形内横截面时，定位元件27”的外表面65在整个面积上与该内管接触。

在一个未示出的实施例中提供了定位元件27直接地引入波导壳体13，即不使用中间管。特别地，对于相对较短的波导壳体13，即是说不是绝对地需要使用中间管作为引入辅助件。所描述的定位元件27、27’、27”可以配置为挤出部，从而导致了制造特别地廉价。

为了制造根据本发明的位置传感器11，首先提供未变形的起始状态的定位元件27、27’、27”。之后将直线对齐的波导19从侧面引入凹槽50、50’、50”。随后定位元件27、27’、27”与容置的波导19一起引入中间管29，并且与该中间管一起推入波导壳体13。

本发明使得波导壳体13中的磁致伸缩的波导19能够自定中心，而不会在这方面出现波传播中不必要的衰减的风险。此外，基于磁致伸缩原理的位置传感器的装配被大幅度地简化。

Claims

1.一种位置传感器(11)，具有磁致伸缩材料的波导(19)，所述波导(19)沿测量路径延伸并配置用于传导由磁致伸缩触发的机械脉冲；所述位置传感器(11)具有用于所述波导(19)的壳体，特别是管状的壳体(13)；并且所述位置传感器(11)具有定位元件(27、27’、27”)，所述定位元件(27、27’、27”)至少区域性地有弹性；所述定位元件(27、27’、27”)在变形时保持在所述壳体(13)中；并且所述定位元件(27、27’、27”)具有凹槽(50、50’、50”)，所述凹槽(50、50’、50”)沿测量路径延伸并形成波导(19)的容置部，其特征在于，

所述凹槽(50、50’、50”)具有沿测量路径延伸的狭缝(52)；从横截面看，所述狭缝(52)从接收部(51)向上到达所述定位元件(27、27’、27”)的边界；并且所述狭缝(52)使得所述波导(19)能横向插入所述接收部(51)。

2.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述波导(19)至少部分地且优选地沿整个测量路径容置于所述凹槽(50、50’、50”)中，且所述波导(19)与所述凹槽(50、50’、50”)之间具有间隙。

3.根据权利要求1或2所述的位置传感器，其特征在于，当所述定位元件(27、27’、27”)保持在所述壳体(13)中同时变形时，所述定位元件(27、27’、27”)在外围方向上完全地围绕容置在所述凹槽(50、50’、50”)中的所述波导(19)。

4.根据前述任意一项权利要求所述的位置传感器，其特征在于，相对于所述位置传感器(11)的横截面，当所述定位元件(27、27’、27”)保持在所述壳体(13)中同时变形时，所述定位元件(27、27’、27”)没有完全地外围方向地支撑在所述壳体(13)的内壁(57)处或在与所述内壁(57)接触的附加组件(29、29’)处。

5.根据前述任意一项权利要求所述的位置传感器，其特征在于，当所述定位元件(27、27’、7”)处于未变形的起始状态时，所述凹槽(50、50’、50”’)朝向所述定位元件(27、27’、27”)的纵向侧开口。

6.根据前述任意一项权利要求所述的位置传感器，其特征在于，当所述定位元件(27)处于未变形的起始状态时，所述凹槽(50)具有采用钥匙孔形式的横截面形状。

7.根据前述任意一项权利要求所述的位置传感器，其特征在于，当所述定位元件(27、27’)处于未变形的起始状态时，所述定位元件(27、27’)具有梯形的外横截面形状。

8.根据前述任意一项权利要求所述的位置传感器，其特征在于，所述凹槽(50、50’、50”)具有相对于所述壳体(13)的横截面居中布置的接收部(51)。

9.根据前述任意一项权利要求所述的位置传感器，其特征在于，所述定位元件(27、27’、27”)完全地由弹性材料制成。

10.根据前述任意一项权利要求所述的位置传感器，其特征在于，所述定位元件(27、27’、27”)特别是完全地由非磁性材料制成。

11.根据前述任意一项权利要求所述的位置传感器，其特征在于，所述定位元件(27、27’、27”)由包括一个或多个聚合物，特别是硅树脂，的材料制成。

12.根据前述任意一项权利要求所述的位置传感器，其特征在于，所述定位元件(27、27’、27”)配置为挤出部。

13.根据前述任意一项权利要求所述的位置传感器，其特征在于，所述定位元件(27、27’、27”)容置于中间管(29)中，所述中间管(29)至少区域性地为柔性，并且所述中间管(29)进而与所述壳体(13)的内壁(57)接触。

14.根据权利要求13所述的位置传感器，其特征在于，所述中间管(29)由减摩材料制成和/或具有减摩涂层。

15.根据权利要求13或14所述的位置传感器，其特征在于，所述中间管(29)至少部分地由聚四氟乙烯或由硅树脂制成。

16.根据权利要求13至15中的任意一项所述的位置传感器，其特征在于，所述中间管(29)具有至少一个狭缝(55)，所述至少一个狭缝(55)沿所述测量路径延伸。

17.根据前述任意一项权利要求所述的位置传感器，其特征在于，所述定位元件(27、27’、27”)容置于至少两个分离的并且至少区域性地柔性的壳元件(61、62)的布置(29’)中，并且所述壳元件(61、62)进而接触所述壳体(13)的内壁(57)。

18.根据前述任意一项权利要求所述的位置传感器，其特征在于，所述壳体(13)由刚性的非磁性材料制成，特别是由不锈钢制成。

19.一种制造根据前述权利要求中任一项所述的位置传感器(11)的方法，包括以下步骤：

提供处于未变形的起始状态的所述定位元件(27、27’、27”)；

将所述波导(19)引入所述定位元件(27、27’、27”)的所述凹槽(50、50’、50”)；及

将所述定位元件(27、27’和27”)与容置于凹槽(50、50’、50”)中的所述波导(19)一起引入所述壳体(13)，同时使所述定位元件(27、27’、27”)变形；

其特征在于，

将所述波导(19)引入所述定位元件(27、27’、27”)的所述凹槽(50、50’、50”)是通过所述定位元件(27、27’、27”)的狭缝(52)在径向方向上进行，所述狭缝(52)沿着测量路径延伸。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述定位元件(27、27’、27”)与容置于凹槽(50、50’、50”)的波导(19)一起引入柔性的中间管(29)，并且之后与所述中间管(29)一起引入壳体(13)。