CN1091873C - 感应位移传感器 - Google Patents
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Abstract
一种感应位移传感器，包括第一元件或滑板(31)和呈现空间周期电磁特性，诸如窗(321)和横梁(322)的第二元件或标尺(32)。第一元件(31)包括一组绕组，例如3个交叠的曲折绕组(31A至31C)，以及连接到第一元件上所述绕组的电路，在所述绕组(31A)的至少一个绕组中产生电流，并测量因第二元件的空间周期性电磁特性状态对所述第一元件(31)至少一部分绕组(31B、31C)之电感量的影响。
Description
本发明的主题涉及一种感应位移传感器，它包括可沿一条路径相互相对移动的两个元件以及电子装置，元件上配备沿所述路径排列的绕组，其电感量作为所述两个元件相对位移的周期性函数而改变，电子装置则根据对所述绕组之电感量的测量而确定所述位移量。
旋转变压器和自整角机是此类传感器中众所周知的旋转类实例。它们包括具有初级绕组的旋转元件或转子以及具有两个或三个次级绕组的固定元件，或定子，该次级绕组与转子绕组的耦合随着转子的角位移呈正弦形地改变。电子装置例如自整角机-数字转换器，根据初级绕组中的周期性基准信号耦合到定子绕组的幅值和相位测定转子的角位移。这种传感器的精度可以达到几分弧度。
根据相同原理工作的另一种已知的旋转式或直线式实施例是美国FarrandControls公司的感应式传感器(Inductosyn)，其中，两个元件的表面相互面对面一般有0.25毫米的间隙，设有曲折(meander)周期一般为2毫米的扁平发夹形的线匝或曲折绕组。直线型的精度可以达到微米级，旋转型的精度可以达到弧度的秒级。
这些传感器由于其坚固性以及对诸如水和油(-)之类的杂质不敏感，故主要应用于航空电子工学和机床。但为了限制损耗和失真，测量频率较低，为400赫至10千赫范围。因这些低频而造成的较差的效率，在感应式传感器的情况下小的绕组的电感量包含大电流损耗；再者，在两个相对移动的元件之间需要活动联接或滑动接触，增加了总的尺寸和价格。这些缺陷限制了其应用。例如，它们在卡尺和依靠电池运行的其它小的测量工具中，不能取代电容传感器以免除对水的影响。
本发明的目的是克服上述缺陷，其特点在于绕组设置在所述两个元件的第一元件上，其中，第二元件沿所述路径呈现空间周期为T的空间周期性的电磁性能，可以变换所述绕组的电感量，所述电子装置连接到第一元件的所述绕组，以在至少一部分所述绕组中形成电流，并测量因第二元件的空间周期性电磁特性状态，对至少一部分所述第一元件绕组之电感量的影响。
这样就取消了两个元件之间的活动联接或滑动接触，传感器变得更简单、更廉价和更小。第二元件或标尺(通常很长)上省去了绕组和连接，允许采用高频测量信号，其中绕组的阻抗大于其欧姆阻抗，由此改善了传感器的效率。
有利的是，第一元件沿所述路径配备了空间周期为2T的空间周期布局的绕组或多组绕组。由此增强了第二元件对这些绕组的影响，现在已延伸到具有许多空间周期T的长度，并减少了因所述影响的局部变化而产生的误差。
所述电子装置可以有利地在绕组的第一部分，至少暂时成为电感器的部分产生电流，并测量至少暂时在绕组的第二部分感应的信号。如此，当测量互感时，即使不消除也可以减小因自感变化而产生的误差。
有利的是，所述绕组的第二部分设置成与所述绕组的第一部分正交，即对空间周期为2T的绕组而言，空间位移为T/2，这样就消除了直接相互耦合，有利于通过第二元件的相互耦合。
一种非常有利的配置是，第一元件包括交叠在同一表面上的N个绕组，并沿着所述路径相互移开某一整数倍的距离T/N。由此形成极小的第一元件、最佳的耦合条件，最重要的是降低了对几何缺陷的敏感性。由于安装和导向非准直性引起两个元件之间的间隙有明显的变化，在短距离内仍较小，对一组交叠的绕组仅稍有影响，当局部误差在整个绕组区域平均时，全都较小。
在一种较佳设计中，绕组的每一个由两个来回部分重叠的曲折组成，它们的一端连接在一起，另一端连接到电子装置。此种设计将互连长度以及寄生电感和电磁辐射减至最小，并使一定面积上的电感量增加到4倍。
有利的是，绕组可以朝第一元件的两端变尖，以均匀线性传感器的互感，并减少有限长度的传感器对非准直性的敏感性。
更有利的是，通过第二元件中的感应电流或涡流，可以在第一元件各绕组之间实现相互电感耦合，该第二元件适合沿所述轨迹配置空间周期为T的空间周期导电结构。可以有许多实施例，例如在绝缘基片上形成一串导电环或区域，或例如成型为梯形或穿孔带的导电体，或周期性凹凸图形的导电体。此种标尺可以很方便地由范围很广的材料制成。
有利的是，通过在至少一个绕组或一组绕组的连接端上施加一个比时间常数L/R更短的电压脉冲，并通过测量至少一个另一绕组或另一组绕组连接端上的感应脉冲，所述电子装置设计成能测量具有自感L和阻抗R之至少两个绕组之间的互感，或几组绕组之间的互感。由此可以获得极短的测量信号，其重复率可以低到足以产生极低的平均电流损耗。当阻性损失维持较低时，这种短脉冲也形成优良的传感器效率。
一个较佳的实施例包括3个Y型接法的曲折绕组，它们沿所述路径信号移开一个整数倍的距离T/3，电子装置用来将一个电压脉冲加到一个绕组的两端，并组合在另外两个绕组中感应产生的脉冲，以获得一个抽样信号，它相等于一个虚构的中间绕组所产生的信号，后者与电感器绕组位移一个T/2的距离，即与之正交。
电子装置合适地设置成按一个周期顺序位移电感器和感应绕组，在一个空间周期T内获得6个抽样，以产生一个周期信号，其基波成分通过滤波获得，表示与位移成正比的相移，位移速率呈每个空间周期T为一个整匝。
这样，在曲折绕组与电子测量装置之间仅需4条连接线。这3个曲折即使设置在印刷电路上也具有毫米级以下的空间周期T，它可以简单的电子装置达到高精度。这种传感器简单、坚固、精度高并容易小型化。其低电流损耗允许应用于小型的由电池供电的仪器，这些仪器必须对水和其它杂质不敏感，例如卡尺。
最后通过本发明示意性的附图显示并例举其实施例和某些变形进一步揭示本发明，从以下的描述中和权利要求书所示的特征中可以进一步发现其它显著的优点。
图1通过例子表示根据本发明的两个可相对移动的传感器元件，第一元件包括四个平面曲折绕组，第二元件为一个开窗口的导电带。
图2表示两个曲折绕组上的信号，它们作为第二元件或标尺位移的函数。
图3部分表示根据本发明的两个传感器元件，其中，第一元件具有三个交叠的窗口。
图4表示作为一种变形体的另一种可能的三个交叠窗口的结构。
图5A至5E表示根据本发明的第二元件的某些实例和变形体。
图6示意性地表示根据本发明的传感器的电子线路，它采用三个Y形接法的绕组。
图7表示该三个曲折绕组上六种耦合信号布局的顺序。
图8示出来自图6所示电子装置的逻辑和模拟信号波形。
根据本发明的两个传感器元件，可以沿着一条路径或X轴向相互相对移动，如图1所示。第一元件1例如滑板在面对第二元件2的表面上具有四个导电绕组1A至1D，绕组的匝采用曲折或交替发夹的形状，而第二元件仅仅示出其右侧部分，故不会遮盖第一元件1。第二元件2例如直尺或标尺为一个导电带，沿X轴向形成一排窗21，并构成刻度尺。所述窗口的空间周期或节距定为T。元件1上的曲折1A至1D沿X轴向具有2T长度的节距，使它们感应或检测具有相同空间周期2T的电磁场。由于窗21周围的导电区域形成许多电流回路中继施感绕组至感应绕组的耦合，通过刻度尺2按空间周期路程影响施感曲折绕组至感应曲折绕组的耦合。这些电流的回转方向从一个窗到另一个窗是交替改变的，故电流在窗21之间的导电部分或横梁22中相互增强。这样，电磁场限制在曲折绕组附近，允许采用高测量频率，而测量采集时间较短，例如，快速控制环路中的传感器，或者，当传感器为电池供电仪器的一部分时采用极短的脉冲，重复率低到足以维持较低的平均电流消耗。
优先测量正交的曲折绕组，即沿X轴向相互位移其四分之一节距即T/2的曲折绕组之间的耦合，使它们的互感减至最小。图1中，正交的曲折绕组对为1A与1C和1B与1D，显然将每对曲折绕组设置成面对相同标尺2的窗21，允许通过其耦合。
图2示意性地表示一种想象的按均速进行的标尺位移，示出相继位移T/4的四个即时位置，表示从一个曲折绕组至另一个曲折绕组的耦合，连同该位移期间的施感和感应信号波形。驱动电压V1可以是一串矩形脉冲，它加到绕组1A的两端，通过其自感产生流经绕组1A的按倾斜方式上升的电流脉冲I1。这些脉冲I1感应产生面对绕组1A、1B的标尺2的窗21周围的电流I2，反过来，这些电流I2在绕组1C、1D的两端感应产生电压脉冲Vm。至于图2左边所示的初始形态0(零)，由于绕组1A与标尺之间的耦合或互感为最强，故标尺2中的电流I2具有最大幅值；另一方面，由于绕组1C与标尺呈正交，绕组1C两端的电压Vm为零。标尺位移T/4减小了绕组1A与标尺之间的耦合，但增强了后者与绕组1C之间的耦合；这里，两种耦合的乘积为最大，故绕组1C两端的电压Vm也为最大。至于标尺位移T/2绕组1A与标尺之间为正交时，电压Vm为零。最后，位移3T/4时，电压Vm再次达到最大，但由于相对耦合的绕组极性改变，故电压Vm的极性与电压V1相反。为了更好地观察电压Vm随空间周期为T的位移而发生的周期性变化，图2还示出了中间各点脉冲。
因此，由图1所示相互位移1.25T的两对正交绕组1A、1C和1B、1D所获得的电压Vm是沿X轴向位移空间周期T和相互位移T/4的周期函数，由此可以单值地确定沿X轴向的位移量和位移方向。
注意，由于施感绕组的自感也受到第二元件接近程度的影响，故也可以在自感绕组中测量标尺的耦合效果；但至于这种传感器的典型耦合程度，因标尺而产生的自感变化很弱，为10％的数量级，它意味着因例如几何缺陷或连接线等其它原因而引起的小的电感变化，因不可能将它们与正常的电感变化区别开来，都可能导致大误差。
图1所示的绕组图形1A至1D仅需一层金属。另一方面，结构并不紧凑，且第二元件或标尺2的实施例其局限性在于它们需要在至少两个分离的绕组之间提供耦合。此外，当每个绕组仅仅覆盖一个窗的半个周边时，耦合程度降低。再者，图1中，沿X轴向分布的绕组，例如1A与1B之间不可能有耦合。
根据本发明图3例举方式所示，采用交错的曲折绕组的一种传感器将具有明显的优点。以一个附加导电层的代价克服了上述方法的所有缺陷，其成本完全可以通过减少基板尺寸而得到补偿。采用这种方式可以实现具有任意N个交错绕组的几种结构。
图3中，第一元件或滑板31具有间距为2T、相继错开2T/3的、N＝3的交错曲折绕组31A、31B和31C，它们面对第二元件或标尺32，后者为一个导电带，具有间距为T的一排窗321和横梁322。可见，第一元件31的窗31A、31B和31C是在两个金属层上实现的，故它们可以相互交叉。从一个曲折层至另一个曲折层的通路或欧姆接触是通过触点310实现的。此外，由图3可见，导体由一个薄层绝缘，就象薄膜或集成电路衬底上的情形一样；但该层也可以较厚，例如采用多层印刷电路板的绝缘层或电路板本身，然后，将第一元件31的基片设置在两个导电层之间，与图3这些层位于基片的同一侧面相反。
由于其接触孔或通孔310具有2T/3的间距，图3所示的曲折绕组31A、31B和31C很容易地在间距T为毫米数量级的印刷电路板上实施。但是，如果这些触点之间的间距能减少到T/3，如图4所示就可以形成更为紧凑的绕组。图4中，每一个绕组41A、41B和41C由两个曲折组成，其与X轴向交叉的直线部分重叠在一起，在同一区域上形成一个四倍电感量。这是施感电流或感应电流在所述重叠的直线部分具有相同方向的一种情况，如图4中放大的绕组41B中的箭头所示。由于每个绕组的曲折来来回回地，即开始和结束位于相同端，故所有的连接均在一个端，使杂散电感和辐射减至最小。图4所示的绕组是朝端部变尖的，以均衡其互感并减小有限的长度结构对线性传感器中非直线性的敏感。在旋转形方式中，通过将绕组分布在整个周边也可以实现。
根据本申请，上述这些方法之一或某些其它构造为较佳。这些层叠绕组占用极小的空间，对几何缺陷的敏感极小，并能与各种标尺一同使用，它可以像上述实例中所述那样导电的或导磁的，然后，通过标尺32的横梁322的接近程度调制耦合场。
标尺可以与图1所示那样同质的，或淀积在一块基片上。例如通过搀杂半导体改变其本身的导电率，或通过磁带改变其本身的导磁率，可以形成其对电磁场的影响，以替代图1所示窗21那样的几何性能。而导电金属标尺由于其抗擦伤、抗污染和防温度影响，具有低的温度系数、稳定性和刚性，故特别优越。导体制作在绝缘基片上的标尺也令人感兴趣，因为它们可以由廉价的印刷电路板制成或由轻而极其稳定、膨胀系数较低的陶瓷载体上的导电膜形成。
图5A至5E表示根据本发明的第二元件或标尺的几个例子。标尺5A成型为一种具有辐射状窗口的导电圆盘，作为一种旋转编码器。标尺5B由位于绝缘基片上的导电环组成。这两种标尺都可以通过交错或非交错绕组而读取。标尺5C具有导电的岛状物(islets)，其中会感应产生涡流。导电标尺5D具有凹凸图形，通过靠近第一元件之表面下的涡流而作用。为了达到较好的效率，凹凸高度为0.2T已足够。导电或导磁的标尺5E具有两维凹凸图形，允许通过两个正交对准的第一元件沿两个坐标计量。标尺5C至5E必须通过交错的绕组读取。还可以采用根据本发明的其它标尺，根据不同应用选择最佳标尺。
以下通过举例，例如图3和图4所示在第一元件上具有3个绕组的传感器，描述根据本发明的传感器的电子装置。图6示意性地表示这些电子装置或电路，它采用3个交错的曲折绕组A、B和C，为清楚起见而分别显示。这3个绕组采用Y接法，即每个绕组的一端接到一个公共接点，并连接到正电压V+，后者可以是电路的电源电压。另一端LA、LB和LC分别连接到驱动晶体管TA、TB和TC，电涌吸收二极管DA、DB和DC，以及同样命名的选通门或开关晶体管TG的连接端LA、LB和LC。该驱动晶体管为N沟道MOS增强型晶体管。
测量原理如下。通过在绕组A上产生一个电压脉冲，并同时抽样其它绕组B和C上的感应电压之差而测量经由该标尺的耦合，如此，电感器和施感绕组呈90度相移，这将在以后进一步描述。
此种耦合按空间周期方式改变，它具有如参照图2所述的空间周期T，通过在下一个绕组B上产生下一个脉冲，并抽样下一绕组C和A之间的电压差，等等。可以简单地获得周期抽样的电压序列。该序列每周期产生3个抽样，它足以能找到抽样信号的相位。
只要忽略耦合特性的空间谐波，该相位即随位移而线性改变。通常是这种情况，平均谐波较弱，3次谐波未抽样，5次和5次以上的谐波因绕组表面与标尺表面之间有足够的间隙，约为0.2T而大大衰减。事实上，曲折绕组之电磁场的空间谐波随着间隙呈指数衰减，间隙为0.22T/m时，m次谐波减半。然后，可以作为所述3个抽样电压数字式幅值和极性值的函数计算信号的相位。
通过举例和图6所示方式描述的电子装置，经过对每周期6次抽样信号的滤波而直接确定相位，对于每周期更多的抽样用低通滤波更简单。现在抽样3次空间谐波，但可以进行滤波。反过来，现在通过抽样在基波上滤去5次谐波，故它必须如上所述通过曲折和标尺的形状，或通过足够的间隙先予以衰减。
图7a至7f表示用图3所示3个Y型接法的绕组产生每周期具有6种耦合布局的一个序列，同时考虑到施感绕组与感应绕组之间的90度相移的一种方法。图示Y接法的交错曲折绕组A、B和C，它们的公共端在右边；至于图4所示的绕组，每个绕组由两个来回交错的曲折组成，显然，所有的连接端均在同一侧。黑箭头标示施感绕组和施感电流的方向，而白箭头标示感应绕组和测量极性。图7a中，绕组A为施感绕组，而绕组B、C为感应绕组。由于后者的邻近直线段部分具有相同的测量极性，故它们相当于与电感器绕组正交的虚构的中间绕组，故在缺乏标尺的情况下，它们相互耦合净值为零。所示的绕组布局在连接端总是包含相反的测量极性；图7a中，标示绕组B之极性的白箭头离开端LB，而标示绕组C的白箭头朝向端LC：由此测得电压差。将图7a所示的布局位移T/6，将导致施感绕组位于两个绕组之间，这样，两者都变成了施感，它将增加电流以及电路的复杂程度；另一方面，虚构的感应绕组将与实际的相一致。但是，当测量耦合时，如果施感绕组和感应绕组交换也无妨，形成图7b所示的布局，绕组A、B为感应型，绕组C为施感型。同样，通过在每个T/6位移后交换电感器和感应绕组，可以获得余下的布局，所有布局均具有一个施感绕组和两个感应绕组。最后，在图7c、7d中，箭头是反向的，以获得始终相同的电流方向进入绕组，简化驱动电路；通过翻转测量极性，耦合信号极性仍然正确。
这6种布局由图6所示的电路10形成。为此，发生器50在其输出端CP产生一个脉冲序列，向三级移位寄存器51提供时钟，并控制逻辑“与”门6A至6C和7a至7f。移位寄存器51的数据输入端D由寄存器的两个第一输出Q1、Q2反馈通过逻辑“或非”门52控制，形成一个模3计数器，每一个输出Q1、Q2或Q3依次为逻辑状态“1”，而其它两个输出为逻辑“0”。从一种状态至下一种状态的变化发生在CP信号的下降沿。输出Q3的下降沿触发一个触发器53，其输出RP交替地处于逻辑“0”与“1”之间。图8表示CP、Q1、Q2、Q3、RP信号的逻辑波形。图示输出Q1初始为逻辑“1”，输出RP和CP初始为逻辑“0”。
图6所示的门6A在CP的上升沿或前沿被使能并使晶体管TA导通，它将绕组A的LA端拖至接地(零电压)。为此，绕组A成为施感绕组。同时，门7a的一个输入端接收经反相器54来的RP的反相信号，此时，门7a有3个输入为逻辑“1”，它使两个传输门或开关晶体管TG导通，其中一个使绕组C的LC端切换到电容器C1以及差分放大器80的“+”输入端，另一个则将绕组B的LB端切换到电容器C2和放大器80的“-”输入端。由此可以获得图7a所示的布局，并可以方便地核实，通过图6所示的电路也可以产生图7b至7f所示的布局。
在输出CP脉冲的尾端，传输门TG截止，电容器C1和C2已经存储了绕组C和B中感应的电压；驱动晶体管TA截止。图8还显示了LA、LB和LC端的波形，在放大器80输出端采样和放大的差分信号AS，以及滤波器90输出端的滤波信号AF。通过测量信号AF与基准信号RP之间的相移，按标尺每个空间周期T为360度的比例得到与位移成正比的相移。用任何周期数来测量相移是众所周知的。通过实例来说，它可以化为信号AF与基准相位RP同一极性转换之间的时间差。但是，由于对应于一个整数节距T的相移在所述转换之间产生一个零时间差，因此存在一个测量非单值性问题，它只能在考虑到位移周期数时才能解决：这样，包括几个节距的位移将对应于包括相同数量的匝或周期的相移。为此，抽样速率显然应高到足以能以最大速度跟踪位移，而不会失掉一或多个节距T。
在实施此种传感器时，必须仔细地使几个绕组具有相等的自感，并使它们的直接互感减至最小和/或相等。而且，连接绕组各端的线路应当短些，或尽可能减小对这些电感的影响。一个较佳的方法就是将该电路集成在靠近绕组的半导体模板上，或甚至将绕组也包含在该模板上。余下的非线性问题必要时可以通过电子装置或通过调节互感和自感而得以补偿，或者通过如图4所示绕组的形状，或者通过绕组附近的磁屏蔽或电屏蔽的而补偿。
这种曲折绕组的自感很小，一般为一个微亨或更小，要求电流有非常陡峭的上升，每微秒为几个安培：以限制电流损耗，脉冲宽度应为100毫微秒以下。也可以由时间常数L/R给出一个上限，其中，L为绕组的自感，R为其阻抗加上驱动晶体管的输出阻抗。从几个毫微秒(集成电路绕组)到大约100个毫微秒(印刷电路绕组)。新颖的MOS晶体管的开关参数可以适应这种脉冲宽度。此外，这些参数的漂移缓慢足以维持脉冲在短时间内无变化以实现较佳的测量精度。在这些脉冲期间电流上升是很陡峭的，信噪比很高，且测量不会对电磁辐射很敏感，故当电源电压为3V时，感应电压为0.1V的数量级。为了保持较低的电流损耗，在各个脉冲之间应当有足够的时间。对于节距T为0.75毫米的标尺，50毫秒的时间相当于0.125微米(T/6)的位移，这将允许跟踪达2.5米/秒的速度的位移。脉宽为50毫微秒、电源电压为3V、自感为1微亨时，平均电流损耗约为75微安，它适合于诸如卡尺之类的测量仪器。较小的标尺节距和简单的内插法使测量精度达到微米左右的数量级。
当然，本发明的实施例并不限于上述一些例子，在权利要求书的范围内还可以作出合适的变换。
尤其是，所述的电子装置10可以在第一元件之各个绕组的至少一个绕组中产生电流，并可测量因第二元件的空间周期性电磁性能状态而对同一绕组之自感的影响。
可以有任意数量的绕组，交错或不交错的。绕组的几何形状可以大不相同，例如，每个绕组由一层、两层或多层的一个或若干个螺旋形构成。也可以用导磁元件改善这些绕组的性能。
第二元件或标尺可以用不同方式实施：例如对较短的标尺，闭合曲折绕组即其两端短路的也是有用的，然后，可以在第一元件或滑板中采用空间各别(即无交错)的绕组，它们将全部耦合到所述的同一标尺绕组。由于采用闭合的标尺曲折绕组环绕整个周围，这样一种配置在小的旋转编码器中特别有用。
传感器的两个元件可以沿直线、曲线、螺旋线或任何其它的路径X相对移动。
电子装置10可以以不同的方式实施，施感绕组和感应绕组部分的选择和作为位移之函数而感应的信号的测定可以用其它元件来实现。
最后，根据本发明组合两个或更多的传感器，沿相同的轨迹对准，但采用不同的标尺节距，这允许在一个比用单一标尺节距更大的范围内获得单值的位置读数，即所述范围内的确实的位置读数。
Claims (13)
1.一种感应位移传感器，包括可沿一条路径(X)相互相对移动的两个元件(1、2；31、32)以及电子装置(10)，所述元件上配备沿所述路径排列的绕组(1A至1D；31A至31D)，其电感量作为所述两个元件相对位移的函数而周期性改变，电子装置(10)则根据对所述绕组之电感量的测量而确定所述位移量，绕组(1A至1D；31A至31D)设置在所述两个元件的第一元件(1、31)上，其中，第二元件(2、32)沿所述路径呈现空间周期为T的空间周期性的电磁特性(21、22；321、322)，以变换所述绕组的电感量，所述电子装置(10)连接到第一元件的所述绕组，以在至少一部分所述绕组中形成电流，并测量因第二元件的空间周期性电磁特性状态而产生的影响，其特征在于，所述电子装置(10)设置成在绕组的第一部分产生电流，使其至少暂时变成电感器，并测量至少暂时在绕组的第二部分所感应的信号。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，第一元件(1、31)配置若干绕组或若干组绕组，其空间周期布局为沿所述路径(X)具有2T的空间周期。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述绕组的第二部分设置成与所述绕组的第一部分正交。
4.如上述任一权利要求所述的传感器，其特征在于，第一元件(31；41)包括N个绕组(31A至31C；41A至41E)，它们交叠在同一表面上，并沿所述路径(X)相互位移相当一整数倍的距离T/N。
5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，绕组(41A、41B、41C)的每一个由两个来回部分重叠的曲折组成，它们连接到电子装置(10)的部分设置在第一元件的相同一侧，该两个部分的曲折在第一元件的相反一侧连接在一起。
6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，绕组(41A、41B、41C)朝第一元件的两端变尖。
7.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，第二元件(2、32)包括沿所述路径(X)、空间周期为T的至少部分导电的空间周期布局。
8.如权利要求7所述的传感器，其特征在于，通过第二元件中的感应电流或涡流，可以实现第一元件绕组之间的电感相互耦合。
9.如权利要求8所述的传感器，其特征在于，第二元件包括绝缘基片上的一串闭路的环(5B)、导电区域(5C)，或成型为梯形(2、32)或穿孔带或周期性凹凸图形(5D、5E)的导电体。
10.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述电子装置(10)设计成，通过在至少一个绕组或一组绕组的连接端上施加一个比时间常数L/R更短的电压脉冲，并通过测量至少一个另一绕组或另一组绕组连接端上的感应电压脉冲，由所述电子装置测量具有自感L和阻抗R之至少两个绕组之间的互感，或几组绕组之间的互感。
11.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，第一元件(31)包括3个Y接法的曲折绕组(31A至31C)，它们沿所述路径(X)相互位移相当T/3一个整数倍的距离，电子装置(10)用来将一个电压脉冲加到一个绕组的两端，并组合在另外两个绕组中感应产生的脉冲，以获得一个抽样信号，它相等于一个虚构的中间绕组所产生的信号，后者与电感器绕组位移一个T/2的距离，相当于一个正交位置。
12.如权利要求11所述的传感器，其特征在于，电子装置(10)设置成按周期顺序位移电感器和感应绕组，在一个空间周期T内获得6个抽样，以产生一个周期信号，其基波成分通过滤波器(90)获得，拥有与位移成正比变化的相移，即，每个空间周期T为一个完整循环。
13.如权利要求12所述的传感器，其特征在于，电子装置(10)包括脉冲发生器(50)，其连接到移位寄存器(51)，后者的输出一方面控制驱动器(TA、TB、TC)使每个绕组依次感应，另一方面控制开关(TG)，相继地将其它两个绕组连接到测量装置(C1、C2、80、90)，用以测量该其它两个绕组中感应产生的电压。
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Families Citing this family (53)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5998990A (en) * | 1997-08-25 | 1999-12-07 | Mitutoyo Corporation | Pitch-compensated induced current position transducer |
| US5901458A (en) | 1997-11-21 | 1999-05-11 | Mitutoyo Corporation | Electronic caliper using a reduced offset induced current position transducer |
| JPH11223505A (ja) * | 1997-12-03 | 1999-08-17 | Mitsutoyo Corp | 誘導型位置測定装置 |
| US6344739B1 (en) * | 1999-02-12 | 2002-02-05 | R/D Tech Inc. | Eddy current probe with multi-use coils and compact configuration |
| AU1569101A (en) * | 1999-09-20 | 2001-04-24 | Jentek Sensors, Inc. | Eddy-current sensor arrays |
| DE10111975B9 (de) * | 2000-03-13 | 2012-11-15 | Mitutoyo Corp. | Verfahren zur Fehlererfassung für eine Vorrichtung zur Positionserfassung mit elektromagnetischer Induktion |
| US6501264B2 (en) | 2000-03-13 | 2002-12-31 | Mitutoyo Corporation | Induction type transducer and electronic caliper |
| US6720760B2 (en) | 2001-11-14 | 2004-04-13 | Mitutoyo Corporation | Induced current position transducers having improved scale loop structures |
| US6646433B2 (en) | 2002-02-26 | 2003-11-11 | Mitutoyo Corporation | Induced current position transducers using tape scales with apertures |
| DE60332581D1 (de) | 2002-07-03 | 2010-07-01 | Hans Ulrich Meyer | Induktiver Stellungsgeber |
| JP2005134247A (ja) * | 2003-10-30 | 2005-05-26 | Mitsutoyo Corp | 誘導型変位検出装置及びマイクロメータ |
| DE10354694C5 (de) * | 2003-11-22 | 2008-10-09 | Sick Ag | Induktiver Sensor |
| DE102004006672B3 (de) * | 2004-02-11 | 2005-08-18 | Carl Mahr Holding Gmbh | Feinmessgerät zur Abstandsvermessung |
| JP4476717B2 (ja) * | 2004-06-30 | 2010-06-09 | オークマ株式会社 | 電磁誘導型位置センサ |
| JP2006145220A (ja) * | 2004-11-16 | 2006-06-08 | Shicoh Eng Co Ltd | 磁気式位置検出装置 |
| US7385389B2 (en) * | 2005-04-19 | 2008-06-10 | Mitutoyo Corporation | Absolute rotary encoder and micrometer |
| US7323863B2 (en) * | 2005-10-14 | 2008-01-29 | Mitutoyo Corporation | Inductive transducer measurement system |
| US7652469B2 (en) * | 2006-07-19 | 2010-01-26 | Advanced Sensor Technology Limited | Inductive position sensor |
| JP2008029125A (ja) * | 2006-07-21 | 2008-02-07 | Sony Corp | 電磁誘導型処理装置 |
| US7239130B1 (en) | 2006-07-24 | 2007-07-03 | Mitutoyo Corporation | Compact pitch-compensated inductive displacement transducer |
| EP2065064A1 (fr) | 2007-11-29 | 2009-06-03 | Valtronic Technologies (Suisse) SA | Stylo injecteur de medicament |
| US8222891B2 (en) * | 2009-05-01 | 2012-07-17 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Compensating for position errors in displacement transducers |
| DE102009042940A1 (de) | 2009-09-24 | 2011-05-19 | Robert Bosch Gmbh | Positionsmesseinrichtung mit sich mehrfach kreuzender Senderwindungsanordnung |
| CH703583B1 (de) | 2010-08-04 | 2015-12-31 | Bosch Gmbh Robert | Induktive Positionsmesseinrichtung mit mehr als zwei Empfängerspulengruppen. |
| CH703582B1 (de) * | 2010-08-04 | 2016-03-15 | Bosch Gmbh Robert | Induktive Positionsmesseinrichtung mit Randkompensation. |
| US8827930B2 (en) | 2011-01-10 | 2014-09-09 | Bioguidance Llc | System and method for patient monitoring |
| US8915869B2 (en) | 2011-01-10 | 2014-12-23 | Bioguidance Llc | Patient monitoring device |
| RU2454625C1 (ru) * | 2011-02-11 | 2012-06-27 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Индукционный датчик положения |
| DE102012001202A1 (de) | 2011-08-10 | 2013-02-14 | Gerd Reime | Sensor zur Ortung metallischer Objekte sowie zugehörige Spule |
| JP2014002120A (ja) * | 2012-06-20 | 2014-01-09 | Tokai Rika Co Ltd | 無接点センサ及びシフトレバー装置 |
| FR3002034B1 (fr) * | 2013-02-12 | 2015-03-20 | Continental Automotive France | Capteur de position inductif |
| JP6327874B2 (ja) * | 2014-02-04 | 2018-05-23 | 株式会社ミツトヨ | 誘導型位置測定装置 |
| CN103994712B (zh) * | 2014-04-28 | 2016-09-14 | 安徽华盛科技控股股份有限公司 | 无源直线位移传感器 |
| US9267819B2 (en) | 2014-06-12 | 2016-02-23 | Mitutoyo Corporation | Absolute position encoder scale having plates alternating with varying recesses |
| US9435663B2 (en) | 2014-08-22 | 2016-09-06 | Mitutoyo Corporation | Absolute position encoder scale having layers in a stacked configuration |
| US9618366B2 (en) * | 2014-11-25 | 2017-04-11 | Mitutoyo Corporation | Absolute encoder scale configuration with unique coded impedance modulations |
| FR3031588B1 (fr) | 2015-01-13 | 2018-11-16 | Hutchinson | Capteurs inductifs de deplacement |
| FR3031587B1 (fr) | 2015-01-13 | 2018-11-16 | Hutchinson | Capteurs inductifs de deplacement |
| FR3031589B1 (fr) | 2015-01-13 | 2018-11-16 | Hutchinson | Capteurs inductifs de deplacement |
| FR3031586B1 (fr) | 2015-01-13 | 2017-02-10 | Dymeo | Capteurs inductifs de deplacement |
| JP6021136B1 (ja) * | 2016-02-03 | 2016-11-09 | 三菱重工工作機械株式会社 | 電磁誘導式位置検出器 |
| EP3299771B1 (en) * | 2016-09-22 | 2020-04-29 | Sagentia Limited | Inductive sensor arrangement |
| DE102017222674A1 (de) | 2016-12-29 | 2018-07-05 | Robert Bosch Gmbh | Wegsensor |
| JP6877829B2 (ja) * | 2017-03-23 | 2021-05-26 | 株式会社ミツトヨ | 電磁誘導型変位検出装置およびこれを用いた測定器 |
| DE102017123772B4 (de) * | 2017-10-12 | 2019-06-19 | Paul Tutzu | Elektromagnetisches Messsystem für die Erfassung von Länge und Winkel basierend auf dem Magnetoimpedanzeffekt |
| JP7118627B2 (ja) * | 2017-12-01 | 2022-08-16 | 株式会社ミツトヨ | 電磁誘導式位置検出装置 |
| US11525701B2 (en) | 2018-01-22 | 2022-12-13 | Melexis Technologies Sa | Inductive position sensor |
| EP3514502B1 (en) * | 2018-01-22 | 2021-07-14 | Melexis Technologies SA | Inductive position sensor |
| EP3514481B1 (en) * | 2018-01-22 | 2021-12-22 | Melexis Technologies SA | Arrangement with a flux coupling target |
| JP7346879B2 (ja) * | 2019-04-02 | 2023-09-20 | 村田機械株式会社 | 磁気式リニアセンサ |
| CN109931859B (zh) * | 2019-04-10 | 2021-05-14 | 重庆理工大学 | 具有互补耦合结构的直线位移传感器 |
| CN110470323A (zh) * | 2019-08-06 | 2019-11-19 | 上海交通大学 | 一种涡流式增量编码器及其工作方法 |
| CN110487162B (zh) | 2019-09-29 | 2020-09-08 | 桂林广陆数字测控有限公司 | 混合定位电磁感应式位移传感器 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB847158A (zh) * | ||||
| US4100485A (en) * | 1976-02-17 | 1978-07-11 | The Newall Engineering Company Ltd. | Phase displaced measurement of contiguous spherical balls |
| DE2951148C2 (de) * | 1979-12-19 | 1984-04-19 | Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart | Meßeinrichtung für einen Drehwinkel und/oder ein Drehoment |
| DE3014137A1 (de) * | 1980-04-12 | 1981-10-22 | Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart | Vorrichtung zur beruehrungslosen weg- und/oder geschwindigkeitsmessung |
| US4717874A (en) * | 1984-02-10 | 1988-01-05 | Kabushiki Kaisha Sg | Reluctance type linear position detection device |
| US4697144A (en) * | 1984-04-19 | 1987-09-29 | Verify Electronics Limited | Position sensing apparatus |
| US5109193A (en) * | 1990-06-07 | 1992-04-28 | F.M.E. Corporation | Inductive digital encoder array |
| DE4205957A1 (de) * | 1992-02-27 | 1993-09-02 | Vogt Electronic Ag | Spulenaufbau |
-
1996
- 1996-01-24 CH CH00179/96A patent/CH690933A5/fr not_active IP Right Cessation
-
1997
- 1997-01-09 JP JP00215197A patent/JP3828972B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| US5804963A (en) | 1998-09-08 |
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| JPH06324788A (ja) | デジタル化装置 |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: ADVANCED SENSOR TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: HANS ULRICH MEYER Effective date: 20070713 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20021002 |
|
| EXPY | Termination of patent right or utility model |