CN108413993B - 传感器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种传感器组件，该传感器组件具有一对传感器和一对传感器目标。传感器中的每个为涡流传感器，其限定彼此正交的X轴、Y轴和Z轴以使X轴与结构将移动所沿的移动轴对准。传感器目标被彼此联接以共同移动并由导电材料形成，该导电材料被配置为与涡流传感器中相应的一个相互作用以促使传感器产生传感器信号，该传感器信号各自随着目标平行于移动轴的移动以不同的方式变化。目标被配置为使得当它们沿移动轴移动而沿平行于Z轴的方向的协调移动对于结构的确定位置没有影响。还提供了一种方法。

Description

传感器组件
本申请是申请日为2015年4月23日、申请号为201510195740.X、发明名称为“传感器组件”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及一种传感器组件。
背景技术
本部分提供与本公开有关的背景信息，其未必为现有技术。
本领域需要便宜、可靠且精确的传感器，以检测沿移动轴平移的部件的位置，特别是在用于动力传动部件的致动器的领域。就此而言，由于大的热极限、存在润滑剂且可能存在悬浮于润滑剂中的金属颗粒，用于动力传动部件的致动器通常对常规传感器环境不友善。由于这些传感器必须在延长的时间周期之内可靠地操作，因此期望避免在传感器(例如，霍尔效应传感器)中使用磁体，因为金属颗粒可能被吸引到传感器的磁体上。
发明内容
本部分提供本公开的大致总结，并非其全部范围或其全部特征的全面公开。
在一种形式中，本公开提供一种传感器组件，用于确定沿移动轴平移的结构的位置。传感器组件包括传感器安装件、第一传感器和第二传感器以及第一目标和第二目标。第一传感器被联接到传感器安装件并为具有彼此正交的第一X轴、第一Y轴和第一Z轴的涡流传感器。第一X轴被设置为平行于移动轴。第一传感器包括围绕第一Z轴呈螺旋形地卷绕的第一线圈。第二传感器被联接到传感器安装件并为具有彼此正交的第二X轴、第二Y轴和第二Z轴的涡流传感器。第二X轴被设置为平行于第一X轴。第二Z轴平行于第一Z轴。第二传感器包括围绕第二Z轴呈螺旋形地卷绕的第二线圈。第一目标被配置为被联接到结构以与该结构移动。第一目标由导电材料形成并被配置为与第一传感器相互作用以产生第一传感器信号，该第一传感器信号具有随着第一目标沿第一X轴的移动成比例变化的第一量值。第二目标被配置为被联接到结构以与该结构移动。第二目标由导电材料形成并被配置为与第二传感器相互作用以产生第二传感器信号，该第二传感器信号具有随着第二目标沿第二X轴的移动成比例变化的第二量值。第一目标和第二目标被配置为使得第一目标和第二目标随着结构沿移动轴移动而沿平行于第一Z轴和第二Z轴的方向在预定界限内的协调移动能由第一传感器信号和第二传感器信号检测。
在另一种形式中，本公开提供一种传感器组件，用于确定沿移动轴平移的结构的位置。传感器组件包括传感器安装件、第一传感器和第二传感器、第一目标和第二目标以及控制器。第一传感器被联接到传感器安装件并为具有彼此正交的第一X轴、第一Y轴和第一Z轴的涡流传感器。第一X轴被设置为平行于移动轴。第一传感器包括围绕第一Z轴呈螺旋形地卷绕的第一线圈。第二传感器被联接到传感器安装件并为具有彼此正交的第二X轴、第二Y轴和第二Z轴的涡流传感器。第二X轴被设置为平行于第一X轴。第二Z轴平行于第一Z轴。第二传感器包括围绕第二Z轴呈螺旋形地卷绕的第二线圈。第一目标被配置为被联接到结构以与该结构移动。第一目标由导电材料形成并被配置为与第一传感器相互作用以产生第一传感器信号，该第一传感器信号具有随着第一目标沿第一X轴的移动以第一预定方式变化的第一量值。第二目标被配置为被联接到结构以与该结构移动。第二目标由导电材料形成并被配置为与第二传感器相互作用以产生第二传感器信号，该第二传感器信号具有随着第二目标沿第二X轴的移动以第二预定方式变化的第二量值。控制器接收第一传感器信号和第二传感器信号并响应地确定结构沿移动轴的位置。第一目标和第二目标被配置为使得第一目标和第二目标随着结构沿移动轴移动而沿平行于第一Z轴和第二Z轴的方向在预定界限内的协调移动对于由控制器确定的结构的位置没有影响。
在再一形式中，本教示提供一种方法，包括：提供能沿移动轴移动的结构；将传感器组件联接到所述结构，传感器组件包括第一涡流传感器和第二涡流传感器以及安装到所述结构以沿移动轴移动的第一目标和第二目标；用第一涡流传感器感测第一目标并响应地产生第一传感器信号；用第二涡流传感器感测第二目标并响应地产生第二传感器信号；以及利用第一传感器信号和第二传感器信号以对于第一目标和第二目标沿垂直于移动轴的第一方向的协调移动不灵敏的方式确定所述结构沿移动轴的位置。
进一步的适用领域从本文提供的描述将变得明显。在该发明内容中的描述和特定示例仅用于例示的目的，并非意欲限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于所选实施例而不是所有可能实施方式的例示目的，并且不意欲限制本公开的范围。
图1为根据本公开的教示构造的传感器组件的示意性俯视图；
图2A为图1的传感器组件的示意性右视图；
图2B为传感器组件的示意性例示，其描绘每个涡流传感器包括产生频率输出的RLC门振荡电路；
图3为图1的传感器组件被集成到具有离合器的车辆动力传动部件的剖视局部示意图；
图4至图7为描绘图1的传感器组件的交替构造部分的视图，所述交替构造部分为第一传感器目标和第二传感器目标；以及
图8为与图3类似的视图，但是将根据本公开的教示构造的传感器组件描绘为采用以图6中描绘的方式构造且被安装到同步装置的第一传感器目标和第二传感器目标。
相应的附图标记在附图的数个视图中始终指示相应的部件。
具体实施方式
现在将参照附图更完全地描述示例实施例。
参照图1和图2A，根据本公开的教示构造的传感器组件一般由附图标记10指示。传感器组件10可包括传感器安装件12、第一传感器部分14、第二传感器部分16和控制器18。传感器安装件12可为任何类型的结构，例如电路板，第一传感器部分14和第二传感器部分16可被安装到传感器安装件12。
第一传感器部分14可包括第一传感器22和第一目标24，而第二传感器部分16可包括第二传感器26和第二目标28。第一传感器22和第二传感器26中的每个可包括被安装到传感器安装件12并被配置为当激活时(即，当接收交流电时)产生磁场36的线圈32。每个线圈32可被定向为使得它沿着关联的Z轴40设置，Z轴从传感器安装件12的表面42垂直延伸，线圈32被安装到该表面42。每个线圈32的线可以绕线圈的关联的Z轴40呈螺旋形地卷绕，使得线圈32具有大致环形形状。替代地，每个线圈32以平行于关联的Z轴40并平行于与关联的Z轴40垂直的轴的螺旋线方式卷绕。在提供的特定示例中，每个线圈32围绕其Z轴40以关于其Y轴44伸长的方式呈螺旋形地卷绕，使得当从包括其X轴46和Y轴44的平面观察时，线圈32在形状上大致为椭圆形。
第一目标24可由盘状导电材料片形成，其具有被定向为垂直Z轴40的相反表面50和52。第一目标24被配置为与由第一传感器22的线圈32产生的磁场36相互作用。更特别地，将第一目标24布置于由第一传感器22的线圈32产生的磁场36中可在第一目标24中诱发涡流54。第一目标24中诱发的涡流54可形成与由第一传感器22的线圈32产生的磁场36相互作用的反向的磁场56；第一传感器22可输出响应于反向的磁场56的量值的第一传感器信号。第一传感器22被配置为使得磁场36与反向的磁场56之间的相互作用的量值取决于第一目标24与第一传感器22的线圈32沿Z轴40之间的距离。然而，第一目标24还被构造为也使第一传感器22对于第一目标24沿X轴46的布置灵敏。就此而言，第一目标24能够以产生反向的磁场56的导电材料的量作为第一目标24沿X轴46的布置的函数而变化的方式被成形。例如，第一目标24可被成形为使得当第一目标24仅沿X轴46移动时第一传感器22的输出为比率计。在提供的特定示例中，第一目标24限定大致V形凹口或孔60，其被形成为穿过形成第一目标24的材料并被排列为使得V形凹口60的轴62被设置在包括Z轴40和X轴46的平面中。
第二目标28可由盘状导电材料片形成，其具有被定向为垂直Z轴40的相反表面64和66。第二目标28被配置为与由第二传感器26的线圈32产生的磁场36相互作用。更特别地，将第二目标28布置于由第二传感器26的线圈32产生的磁场36中可在第二目标28中诱发涡流70。第二目标28中诱发的涡流70可形成能与由第二传感器26的线圈32产生的磁场36相互作用的反向的磁场72；第二传感器26可输出响应于反向的磁场72的量值的第二传感器信号。第二传感器26被配置为使得磁场36与反向的磁场72之间的相互作用的量值取决于第二目标28与第二传感器26的线圈32沿Z轴40之间的距离。然而，第二目标28还被构造为也使第二传感器26对于第二目标28沿X轴46的布置灵敏。就此而言，第二目标28能够以产生反向的磁场72的导电材料的量作为第二目标28沿X轴46的布置的函数而变化的方式被成形。例如，第二目标28可被成形为使得当第二目标28仅沿X轴46移动时第二传感器26的输出为比率式(ratiometric)。在提供的特定示例中，第二目标28限定大致V形凹口或孔78，其被形成为穿过形成第二目标28的材料并被排列为使得V形凹口78的轴80被设置在包括Z轴40和X轴46的平面中。
第一目标24和第二目标28可彼此固定地联接以共同移动。例如，第一目标24和第二目标28可固定地安装到至少沿平行于X轴46的移动轴86可移动的结构84。第一目标24和第二目标28可分别以相对于第一传感器22和第二传感器26协调的方式排列，使得Z轴40彼此平行，X轴46彼此平行并平行于移动轴86，Y轴44彼此平行，V形凹口60、78的轴62、80彼此平行并沿X轴46排列。在提供的特定示例中，第一目标24和第二目标28所联接的结构84为一件铝板，第一目标24和第二目标28被形成在其中。将理解，第一目标24和第二目标28可被形成为安装到另一结构以根据要求降低费用和/或重量的分离的部件。此外，将理解，第一目标24和第二目标28可沿第一传感器22的Z轴40彼此偏移，和/或，第一传感器22和第二传感器26可类似地沿第一传感器22的Z轴40彼此偏移。
控制器18可被联接到任何期望的结构，诸如传感器安装件12，并可配置为接收第一传感器信号和第二传感器信号且响应地确定结构84沿移动轴86的位置。
第二目标28可被配置为与第二传感器26以和第一目标24被配置为与第一传感器22相互作用的方式不同的方式相互作用，使得第二传感器信号响应于结构84沿移动轴86的移动改变的方式不同于第一传感器信号响应于结构84沿移动轴86的移动改变的方式。在提供的特定示例中，第二目标28的V形凹口78被定向为与第一目标24的V形凹口60相对，使得结构84沿移动轴86在第一方向上的移动与第一目标24的V形凹口60沿第一传感器22的Y轴44的宽度的增加相关联，并与第二目标28的V形凹口78沿第二传感器26的Y轴44的宽度的减少相关联。
第一目标24中的V形凹口60使第一传感器部分14成为用于沿X轴46在预定范围内的位置的绝对位置传感器。类似地，第二目标28中的V形凹口78使第二传感器部分16成为用于沿X轴46在预定范围内的位置的绝对位置传感器。而且，如果第一目标24和第二目标28相对于线圈32沿Z轴40没有移动，则第一传感器22和第二传感器26中的一个的输出值可基于第一传感器22和第二传感器26中的另一个的输出值确定(即，第二传感器信号的值可基于第一传感器信号的值确定，反之亦然)。
在第一目标24和第二目标28沿Z轴40以协调方式移动的情况下，第一传感器信号和第二传感器信号的值将根据第一目标24和第二目标28朝向或远离线圈32移动而(与不存在沿Z轴40的移动时它们的值相比)升高或降低。这样，第一传感器信号和第二传感器信号的值将不会以期望的方式彼此关联(即，仿佛不存在沿Z轴40的移动)，而是将包括共同偏移。控制器18可被配置为确定共同偏移的存在并被配置为将共同偏移从第一传感器信号和第二传感器信号的值中有效去除，以由此将第一传感器信号和第二传感器信号中与结构84沿移动轴86的绝对位置相关的部分与和该结构沿Z轴40的移动相关的信号噪声隔离。
作为示例，假设第一传感器信号和第二传感器信号的值(y1，y2)与结构84沿移动轴86(在预定界限内)的位置(x)根据以下公式以线性方式相关联：
y1＝m(x)-b；以及
y2＝b-m(x)
其中(m)为预定斜率，(b)为预定常量。在结构84仅沿移动轴86移动且不沿Z轴40移动的情况下，y1和y2的值的和为零(即，y2的值为y1的加法逆元)。因此，控制器18可使y1和y2的值平均确定与结构84沿Z轴40的位置相关的信息。例如，如果平均值非零，则结构84已经被定位在沿Z轴40偏离预定位置的位置处。另外，绝对平均值指示结构84的位置沿Z轴40从预定位置偏离位置的量值，平均值的符号(正或者负)指示结构84相对于预定位置定位沿Z轴40的方向。
替代地，结构84沿移动轴86的位置可通过将第一传感器信号和第二传感器信号中一个的值除以第一传感器信号和第二传感器信号的值的和(例如，第一传感器信号的值除以第一传感器信号和第二传感器信号的值的和)而确定。因为第一传感器部分14和第二传感器部分16采用具有互补输出的双传感器构造，因此，控制器18可以：a)确定第一传感器信号和第二传感器信号中的每个的值；b)确定值的和；c)确定第一比率，第一比率等于第一传感器信号的值与值的和的比；d)确定第二比率，第二比率等于第二传感器信号的值与值的和的比；以及e)基于第一比率和第二比率确定结构84沿移动轴86的位置。
传感器组件10以这种方式的构造可以相对便宜、消除对于传感器组件10的校准的需要、对于包装传感器组件10需要相对小的空间，并允许结构84待确定的沿移动轴86的轴向位置具有优于0.5％的精度，不管电压、温度的改变或者振动的存在。
参照图2B，第一传感器22和第二传感器26中的每个可包括与涡流传感器协作的RLC门振荡电路以产生频率输出，该频率输出取决于分别由第一目标24和第二目标26的线圈32产生的磁场以及反向的磁场56和72(图2A)。
在图3中，传感器组件10可被采用以感测通过线性致动器102沿移动轴86移动的离合器拨叉100的位置。离合器拨叉100以常规方式与同步装置104接合，并被采用以便使同步装置104与连接到驱动齿轮110以便共同旋转的多个第一联接齿108啮合并脱离啮合。本领域技术人员将理解，结构84为离合器拨叉100，第一目标24和第二目标28(图1)被直接安装到离合器拨叉100(或替代地形成在离合器拨叉100中)。线性致动器102可为被配置为使离合器拨叉100沿移动轴86平移的任何类型的设备。在提供的特定示例中，线性致动器102为电磁操作螺线管，但是本领域技术人员将理解在替代方案中可采用其它类型的线性马达，包括液压缸。
虽然第一目标24和第二目标28(图1)已经被描绘为包括V形凹口60、78(图1)，但是本领域技术人员从本公开将理解，第一目标24和第二目标28(图1)可不同地成形。例如，第一目标和第二目标可被成形为如图4至图7中所示的锥形表面。在图4中，第一目标24a和第二目标28a分别包括沿Z轴40以成比率的方式渐缩的感测表面120和122。在图5至图7中，第一目标24b和第二目标28b分别包括沿径向渐缩的截头圆锥形感测表面120b和122b。以后者方式的构造可以特别适于结构84还能围绕移动轴86旋转且第一目标24b和第二目标28b被联接到结构84以便与其旋转并轴向移动的情况。
在图8中，传感器组件10b可被采用以感测通过离合器拨叉100和线性致动器102移动的旋转同步装置104的位置。离合器拨叉100以常规方式被接合到同步装置104，并被采用以便使同步装置104与连接到驱动齿轮110以便共同旋转的多个第一联接齿108啮合并脱离啮合。本领域技术人员将理解，结构84为同步装置104，并且第一目标24b和第二目标28b被形成在同步装置104的设置在与第一联接齿108相反的一侧的部分上。
为了例示和描述的目的，已经提供了实施例的前述描述。其并非意欲穷尽或限制本公开。特定实施例的单独的元件或特征通常不限制于该特定实施例，而是，在可应用的场合，可互换并可在选择的实施例中使用，即使没有特别显示或描述。特定实施例的单独的元件或特征也可以许多方式变化。这种变化不被认为偏离本公开，所有这种更改意欲被包括在本公开的范围内。

Claims (14)

1.一种确定一结构的位置的方法，所述结构能沿第一轴移动，所述方法包括：
提供所述结构；
将传感器组件联接到所述结构，所述传感器组件包括第一涡流传感器和第二涡流传感器以及第一目标和第二目标，所述第一目标和所述第二目标被安装到所述结构以随所述结构沿所述第一轴移动，并且所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器被定位为邻近所述第一目标和所述第二目标但与所述第一目标和所述第二目标间隔开；
用所述第一涡流传感器感测所述第一目标并响应地产生第一传感器信号；
用所述第二涡流传感器感测所述第二目标并响应地产生第二传感器信号；以及
基于所述第一传感器信号和所述第二传感器信号确定所述结构沿所述第一轴的位置，其中所确定的位置对于所述第一目标和所述第二目标沿垂直于所述第一轴的第二轴的协调移动以及所述第一目标和所述第二目标沿垂直于所述第一轴和所述第二轴的第三轴的协调移动不灵敏，
其中所述第一目标和所述第二目标被成形为相同但沿着所述第一轴倒置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器中的每个包括线圈，并且其中每个线圈围绕平行于所述第三轴的相应轴螺旋形地卷绕并具有在平行于所述第一轴和所述第二轴的平面中截取的椭圆形横截面形状。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一目标和所述第二目标中的至少一个限定孔口。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述孔口为V形的。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一目标和所述第二目标中的至少一个限定沿平行于所述第三轴的第四轴倾斜的斜坡。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一目标和所述第二目标中的至少一个限定围绕所述第一轴同心设置的截头圆锥形表面。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一目标和所述第二目标中的至少一个能围绕平行于所述第一轴的第四轴旋转。
8.一种确定一结构的位置的方法，所述结构能沿第一轴移动，所述方法包括：
提供所述结构；
将传感器组件联接到所述结构，所述传感器组件包括第一涡流传感器和第二涡流传感器以及第一目标和第二目标，所述第一目标和所述第二目标被安装到所述结构以沿所述第一轴移动，并且所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器被定位为邻近所述第一目标和所述第二目标但与所述第一目标和所述第二目标间隔开；
用所述第一涡流传感器感测所述第一目标并响应地产生第一传感器信号；
用所述第二涡流传感器感测所述第二目标并响应地产生第二传感器信号；以及
利用所述第一传感器信号和所述第二传感器信号以对于所述第一目标和所述第二目标沿垂直于所述第一轴的第二轴的协调移动以及所述第一目标和所述第二目标沿垂直于所述第一轴和所述第二轴的第三轴的协调移动不灵敏的方式确定所述结构沿所述第一轴的位置，
其中所述第一目标和所述第二目标被成形为相同但沿着所述第一轴倒置。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器中的每个包括线圈，并且其中每个线圈围绕平行于所述第三轴的相应轴螺旋形地卷绕并具有在平行于所述第一轴和所述第二轴的平面中截取的椭圆形横截面形状。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一目标和所述第二目标中的至少一个限定孔口。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述孔口为V形的。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一目标和所述第二目标中的至少一个限定沿平行于所述第三轴的第四轴倾斜的斜坡。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一目标和所述第二目标中的至少一个限定围绕所述第一轴同心设置的截头圆锥形表面。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一目标和所述第二目标中的至少一个能围绕平行于所述第一轴的第四轴旋转。
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