CN111486785A - 具有直流接口的冗余可变差动变压器 - Google Patents

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Abstract

一种用于感测可变差动变压器(VDT)的输入轴的位置的位置感测系统(302)，所述位置感测系统包括所述VDT(310)，所述VDT包括被配置成分别输出第一AC输出信号和第二AC输出信号的第一和第二AC信号输出装置。所述感测系统(302)还包括被配置成将所述第一AC输出信号转换成第一DC输出信号的AC/DC转换装置(333)，和被配置成将所述第二AC输出信号转换成第二DC信号的AC/DC转换装置(343)。所述第一和第二DC输出信号各自指示所述输入轴的个别位置。

Description

具有直流接口的冗余可变差动变压器
技术领域
本文中所描述的实例涉及传感器。特别地，本文中所描述的实例涉及可以用于感测第二部件的位置的位置传感器，所述第二部件例如引航控制件的部件(例如侧杆单元或推力控制总成)。然而，设想其他用途。所述实例还涉及用于感测或检测第二部件的位置的方法。
发明背景
电位差计通常作为到飞机系统(例如飞行控制系统、引擎控制系统等)的位置反馈而用于飞机引航控制单元中(例如用于侧杆单元、推力控制总成等中)。这些装置带来如下优点：所述装置在电气接口(模拟DC电压)方面更简单，并且所述装置还能够在有限容积中堆叠，使得所述装置能够容易在小包络中提供多个输出。举例来说，可以提供单个轴上的4个输出。在一些实例中，也使用2个或3个输出。
尽管此类电位差计提供这些优点，但是这些装置的磨损和耐久性也能够得到改善将是更有利的。
发明内容
本文中描述一种用于感测可变差动变压器(variable differentialtransformer；VDT)的输入轴的位置的位置感测系统，所述位置感测系统包括：VDT，所述VDT包括被配置成输出第一AC输出信号和第二AC输出信号的第一和第二AC信号输出装置。所述感测系统还包括：第一AC/DC转换装置，所述第一AC/DC转换装置被配置成将所述第一AC输出信号转换成第一DC输出信号；以及第二AC/DC转换装置，所述第二AC/DC转换装置被配置成将所述第二AC输出信号转换成第二DC信号。所述第一和第二DC输出信号各自指示所述输入轴的个别位置。
在本文中所描述的实例中的任一者或一些实例中，被配置成输出所述第一和第二DC输出信号的所述AC/DC转换装置中的每一者可以包括RMS到DC转换器或峰值检测器。
在本文中所描述的实例中的任一者或一些实例中，所述位置感测系统还可以包括连接到所述VDT的DC输入。
在本文中所描述的实例中的任一者或一些实例中，所述位置感测还可以包括闪电和电磁干扰防护单元，所述闪电和电磁干扰防护单元连接在所述DC输入与所述VDT之间。
在本文中所描述的实例中的任一者或一些实例中，所述系统还可以包括AC激励产生单元，所述AC激励产生单元定位于所述DC输入与所述VDT之间、被配置成调节所述DC输入以向所述VDT提供AC激励。
在本文中所描述的实例中的任一者或一些实例中，所述VDT还可以包括被配置成提供磁场的一次线圈，和电磁耦合到所述一次线圈的第一和第二二次线圈。所述输入轴的移动改变由所述二次线圈中的每一者感应的电压，并且这些改变的感应电压可以由此指示所述轴的所述位置。
在本文中所描述的实例中的任一者或一些实例中，所述第一AC输出装置可以连接到第一输出电路，并且所述第二AC输出装置可以连接到第二输出电路。所述第一AC/DC转换装置可以设置在所述第一输出电路上，并且所述第二AC/DC转换装置可以设置在所述第二输出电路上。
在本文中所描述的实例中的任一者或一些实例中，每个输出电路还可以包括增益校准单元。
在本文中所描述的实例中的任一者或一些实例中，每个增益校准单元可以操作性地连接到热敏电阻以调整所述增益校准单元的输出增益。
在本文中所描述的实例中的任一者或一些实例中，每个输出电路还可以包括偏移校准单元。
所描述的实例中的任一者或一些实例可以结合包括本文中所描述的位置感测系统的引航控制单元使用。在一个实例中，所述轴可以连接到所述引航控制单元的部件，并且所述轴的所述位置可以指示所述引航控制单元的所述部件的位置。
本文中所描述的所述位置检测系统可以包括到可变差动变压器VDT中的DC输入。所述VDT可以操作性地连接到所述DC输入，并且所述VDT可以被配置成输出至少两个DC输出。
在一些实例中，所述系统还可以被配置成输出多于两个的DC输出。
所述系统和方法还可以包括闪电和电磁干扰防护单元。
在一些实例中，所述VDT可以是旋转式可变差动变压器RVDT。替代地，所述VDT可以是在单个轴上提供额外输出的双重、三重、四重或任何其他RVDT。还设想，所述VDT可以是在单个轴上提供任何数目个输出的线性可变差动变压器LVDT。
如本文中所描述的系统中的任一者还可以包括一个或多于一个的DC/AC转换器，所述DC/AC转换器被配置成将来自所述DC输入的DC电压转换成AC电压。
所述VDT的所述输入轴可以被配置成连接到引航控制单元。举例来说，所述输入轴可以连接到侧杆单元。
所述VDT还可以包括被配置成提供磁场的一次线圈，和电磁耦合到所述一次线圈的至少两个二次线圈，并且所述输入轴的移动可以改变由所述二次线圈中的每一者感应的电压。每个二次线圈可以连接到包括AC/DC转换器的输出电路，所述输出电路可以提供所述至少两个DC输出中的一个。
本文中还描述一种用于检测可变差动变压器(VDT)的输入轴的位置的方法。所述VDT可以包括被配置成输出第一AC输出信号和第二AC输出信号的第一和第二AC信号输出装置。所述方法包括将所述第一AC输出信号转换成第一DC输出信号，以及将所述第二AC输出信号转换成第二DC信号，其中所述第一和第二DC输出信号各自指示所述输入轴的个别位置。
在本文中所描述的实例中的任一者或一些实例中，所述方法还可以包括向所述VDT提供DC输入并且根据所述DC输入产生AC输入，以及向所述VDT供应所述AC输入。
在本文中所描述的实例中的任一者或一些实例中，所述VDT还可以包括被配置成提供磁场的一次线圈，和电磁耦合到所述一次线圈的第一和第二二次线圈，并且所述输入轴的移动可以改变由所述二次线圈中的每一者感应的电压。所述改变的感应电压可以由此指示所述轴的所述位置。所述方法还可以包括将所述第一AC输出装置连接到第一输出电路并且将所述第二AC输出装置连接到第二输出电路，以及在所述第一输出电路上设置所述第一AC/DC转换装置并且在所述第二输出电路上设置所述第二AC/DC转换装置。
在所描述的所述实例中的任一者或一些实例中，每个输出电路还可以包括增益校准单元和/或偏移校准单元。
所述方法还可以包括组合地或分离地提供本文中所描述的系统的结构特征中的任一者。
本文中所描述的方法可以包括向VDT提供DC电压输入，以及提供来自所述VDT的至少两个DC输出。
所述方法还可以包括通过所述VDT的一次线圈产生磁场、在所述VDT的至少一个二次线圈中感应电压的步骤。移动所述VDT的输入轴可以改变在所述VDT的所述至少一个二次线圈中感应的所述电压。所述方法还可以包括将所述DC电压输入转换成到所述VDT的AC电压输入。
此外，所述方法可以包括将至少一个二次线圈中的所述感应电压转换成DC输出电压的步骤。所述方法还可以提供校准所述DC输出电压的偏移，以及校准所述DC输出电压的增益。
附图说明
图1描绘已知位置传感器的示意图。
图2描绘两个RVDT二次线圈的输出相对于RVDT轴交角的变化。
图3示出如本文中所描述的新类型的位置感测系统的实例。
具体实施方式
电位差计通常作为到飞机系统(例如飞行控制系统、引擎控制系统等)的连续位置感测反馈而用于飞机引航控制单元中(例如用于侧杆单元、推力控制总成中)。这些装置能够在单个轴上提供2个、3个或4个输出。
图1提供已知位置传感器100的概况，示出了侧杆单元110、三轨电位差计120和四轨电位差计130。为了便于参考，将参考例如侧杆单元的引航控制件/设备描述本文中公开的位置传感器。然而，设想所述位置传感器可以与设备的其他部分一起使用并且用于其他技术领域中。本文中所描述的新类型的位置感测系统可以用于此类引航控制件以及可能需要位置感测的其他类型的控制件中。
如此项技术中已知的，电位差计由附接到电位差计外壳的导电性塑料轨道(由于无限分解和低电气噪声)制成。(多指的)金属刮片附接到电位差计轴，并且所述金属刮片旋转并且滑动到阻性轨道上。集电环用于将旋转的刮片电连接到所述外壳上。
然而，已发现，目前用于位置传感器中的电位差计(例如在引航控制件中发现的电位差计)的主要缺点归因于电位差计的刮片与电位差从计的阻性轨道之间的这种接触，这是因为刮片与阻性轨道之间的这种接触导致轨道在刮片旋转期间磨损。传感器的耐久性因此减小。
这种磨损能够引起许多负面结果，包括：a)性能损失(例如准确度降低和/或噪声增加)；b)在一些情况下，部分接触损失感应输出电压下降(并且因此导致接触电阻增大)；c)在其他情况下，完全接触损害(并且因此导致不再有输出信号)。
本文中所描述的实例的目标是克服这些缺点，以制造改良的位置感测系统，所述改良的位置感测系统不会很快地磨损并且具有更好的耐久性。本文中所描述的实例的目标是通过提供供引航控制件使用的非接触传感系统来克服已知非接触传感器的这些问题，所述非接触传感系统比通常用于航空航天应用中的感测系统小得多，并且可以具备DC接口。此类接口也可以有利地与DC电位差计接口一起使用。
这将通过用包含VDT的新类型的非接触传感系统替换在标准位置传感器中所使用的电位差计在本文中所描述的实例中实现，所述VDT将用当前系统中未知的方式进行使用和调节。尽管本文中所描述的实例是使用RVDT示出，但是所述实例不限于此，并且所描述的装置、系统和方法可以与其他类型的可变差动换能器(VDT)一起使用。
尽管一些非接触感应传感器的用途在航空航天的一般领域中是已知的(例如旋转式可变差动变压器(RVDT)通常用于航空航天应用中以用于其他用途)，但是典型地，不需要或甚至不可能在引航控制件中使用这些传感器。这是因为能够在单个轴上提供几个输出的已知RVDT在大小上明显大于电位差计。因此在引航控制件中没有足够的空间用来容纳这些传感器。然而，本文中所描述的实例也能够克服这些问题。
RVDT是基本的差动传感器，其包括旋转铁芯和附接到外壳的定子总成，定子总成含有电磁部件，例如激励/一次线圈和一对输出/二次线圈。输出线圈卷绕成静止铁通量路径。在操作中，固定频率AC电压被施加到一次定子线圈，从产生磁场。旋转铁芯因而充当将一次线圈电磁耦合到二次线圈的通量引导器。电磁耦合与转子/铁芯的角位移成比例。
在图2中看到相对于RVDT轴的角度的二次线圈的输出(所述角度确定旋转铁芯的角度，并且由此确定通量的方向)，以及每个输出信号的容差。线Va表示第一二次线圈的电压输出，并且线Vb表示第二二次线圈的电压输出。如可见的，每个二次线圈上的电压随RVDT轴的角度变化线性地改变。每个二次线圈的输出可以与另一二次线圈的输出成反比。如在图2中可见，两个二次线圈的输出的总和可以是恒定的。
调节RVDT中的两个二次线圈的输出的经典方式是计算输出的比率增益。这种方法由以下各者组成：使用差对总和的增益，即
Figure BDA0002249780470000071
以及利用所得的比率增益以便指示RVDT轴的角度。
这种调节方法可以自然地补偿能够影响传感器输出的增益的温度效应，以及允许监测传感器，从而证明Va+Vb电压的总和在确定的范围内。常常使用软件来确定此比率增益；然而，这需要计算机与包括RVDT的单元之间的长接线。此外，当不使用软件时，所述比率增益方法会增加错误和热漂移，这能够导致实施错误。
图3提供可以替代传统电位差计布置使用的改善的位置感测系统302。这种改善的位置感测系统302可以利用具有电位差计接口的VDT(在这个实例中是(RVDT))310在最小包络中的非接触测量，使得位置感测系统302可以与引航控制件/设备306(例如飞机或飞行器中的侧杆单元)搭配地设置。还设想，改善的感测系统302可与其他设备一起使用。图3中示出的RVDT 310可以是此项技术中已知的标准RVDT，然而，图3中示出的电路以不同于此项技术中目前已知的方式的方式来调节到RVDT的输入和来自RVDT的输出，如下文所描述。
如上所述，RVDT可以包括两个AC信号输出装置，每个AC信号输出装置被配置成分别提供AC电压输出信号VACA和VACB。然而，与已知RVDT相比，在本文中所描述的新实例中，位置传感器302不使用这两个电压输出信号VACA和VACB以通过将这两个电压合并成单个位置输出来计算比率增益。实际上，本文中所描述的实例以提供两个不同DC输出信号的方式来调节这两个电压输出VACA和VACB，所述两个不同DC输出信号中的每一者表示位置受到监测的部件的不同位置。
举例来说，在本文中所描述的新实例中，初始DC电压可以经由输入303供应到位置感测系统302。这个DC电压可以由专用电源、现有电位差计输入电压或由其他装置来供应。因此，本文中所描述的提议的位置感测系统302因此可以通过替换现有的已知电位差计而改造成适合引航控制件/设备，这是因为所述位置感测系统能够使用相同输入。
在本文中所描述的一些实例中，且如图3所示，位置感测系统302的电路也可以具有RVDT输入调节装置，其中供应到位置感测系统302和RVDT 310的输入DC电压可以通过首先经由例如闪电和电磁干扰防护单元321的防护装置提供来调节。输入DC电压还可以通过使用AC激励产生单元322来调节。这个AC激励单元322因此可以调节输入以经由输入线P1和P3来为到RVDT 310中的所述AC激励单元的输入提供AC激励，如图3所示。
所使用的RVDT可以是已知的RVDT。这一AC激励电流因此被提供到RVDT的一次线圈311，由此产生磁场。如上文所讨论的，旋转铁芯充当将一次线圈311电磁耦合到第一二次线圈312和第二二次线圈313的通量引导器。当铁芯(所述铁芯可以操作性地连接到引航控制件/设备306)旋转时，铁芯充当通量分流器，所述通量分流器导致在二次线圈313中感应的AC电压VACA的量的变化和在二次线圈312中感应的AC电压VACB的量的变化。
如上所述，已知系统使用由RVDT中的第一和第二二次线圈中的每一者产生的这些AC电压来计算比率增益以便确定位置，如图2所示。
然而，与此相比，本文中所描述的实例包括允许RVDT 310用作为双冗余传感器的另外输出调节装置304、305、333、343、332、342、331、341，例如通过调节RVDT 310的第一和第二二次线圈312、313中的每一者的AC输出以产生两个各自表示独立位置测量的单独DC信号输出。在这方面，并且如图3所示，在本文中所描述的新实例中，RVDT 310的第一二次线圈312和第二二次线圈313两者可以分别连接到独立的电路305和304(所述电路在图3中相同)，由此提供两个各自表示RVDT 310的轴的位置的单独DC输出信号。当轴连接到例如引航控制单元的单元的部件时，轴的位置因此也指示被测量的引航控制单元中的部件的位置。
如在图3中可见，为了提供这些DC输出信号，第一电路305将跨输出线S4和S2的来自第一二次线圈313的产生的AC电压VACA转换成DC输出信号VDCA，所述DC输出信号表示RVDT302的轴的位置(并且因此表示引航控制单元的位置)。
这将通过由AC信号输出装置提供的产生的AC输出信号来实现，在第一二次线圈313中感应的AC电压VACA被提供到均方根(Root Mean Square；RMS)到DC转换器333，以由此提供表示感应的AC电压的量值的DC电压。
在一些实例中，每个DC输出电压可以接着加以校准。举例来说，为了针对温度变化进行校准(温度变化能够另外影响位置感测系统302的输出)，RMS到DC转换器333的输出可以连接到包括热敏电阻332T的增益校准单元332。这个热敏电阻可以调整产生的DC电压的输出增益以补偿温度的影响。
此外，偏移校准单元331也可以用于提供对DC输出信号的另外缩放。增益校准单元332和偏移校准单元331可以通过数字电位差计(例如，digipot、E2pot等)来实现，以便调整第一(和第二二次)线圈313的增益以对RVDT 310的制造约束施加影响，以及最小化RVDT310体积和成本。此外，通过提供此种偏移校准，有可能“以电气方式”调整位置感测系统的输出的零位置，以对侧杆单元装配时间施加影响。另外，由于提议的位置感测系统302的位置偏移可以使用实现的数字电位差计偏移校准单元331、341以电气方式加以调整，因此多个RVDT的价格和包络可以达到最小。
利用以上特征，第一输出电路305因此可以提供所得的DC电压VDCA，所述DC电压对应于由经典电位差计位置传感器提供的输出信号。
如图3所示，位置感测系统302还包括至少一第二完全独立的电路304，所述电路可以类似于或等同于第一输出电路305的电路。也就是说，第二输出电路304也被配置成经由RMS到DC转换器343将(由第二二次电路312感应的)输出AC电压VACB转换成跨输出线S3和S1的DC电压输出。
在一些实例中，所得的DC电压输出信号也可以用与第一电路305相同的方式(也就是说，经由使用类似的增益校准单元342(和热敏电阻342T)和/或偏移校准单元341)加以另外调节，以由此提供DC电压VDCB，所述DC电压对应于由经典电位差计位置传感器提供的第二独立输出。
在图3所示的实例中，电路304和305相同，然而，在一些实例中，这些输出调节电路304、305可以不相同，并且所述单元中的一个或多个可以从调节电路304、305中的一个或全部省略。
另外，设想，尽管实例是关于RVDT给出，但是替代地，RVDT可以是在单个轴上提供额外输出的双重、三重或任何其他VDT。举例来说，可以利用在单个轴上提供两个输出的双重RDVT。在此种实施方案中，位置感测系统可以具备四个调节电路，并且由此在单个双重RVDT上提供四个DC位置输出。一般来说，双重RVDT的成本大于单个RVDT的成本的两倍，这是因为2个RVDT之间的位置调相困难并且耗时的事实。另外，为了允许此位置调相，双重RDVT的外壳更大。
一般来说，据说本文中提议的位置传感器302可以提供是常规RVDT位置传感器的两倍的位置输出信号。
此外，如在图2中可见，每个二次线圈的输出电压在给定范围内。因此，针对维护，有可能仅检查输出电压在预期范围中。如果输出电压落在预期范围外，则可发现系统中的错误。其他监测技术可以包括对(在RMS到DC转换器的输出处的)给定传感器的DC电压求和，以便检查(Va+Vb)的和是恒定的。设想这些监测技术可以单独应用、一起应用或结合其他监测技术而应用。此外，本文中所描述的位置传感器302也可以利用与RVDT相反的线性可变差动变压器LVDT。LVDT以类似于RVDT的方式操作，但是是线性的并且不旋转。
提议的位置感测系统302提供相对于已知系统的几个优点。位置感测系统302可以具备与传统位置传感器相比更小、更紧凑的包装。位置感测系统302拥有更好的可靠性，这是因为所述位置感测系统利用非接触传感器，由此防止任何轨道降级。此外，提议的传感系统利用是已知方法的一半数目的RVDT，这导致成本更低。提议的位置感测系统302也可以具备具有与已知的现有电位差计位置传感器相同的DC输入和输出的相同机械接口，并且由此可以容易地集成到当前系统中。
由于到RVDT(即不具有额外调节装置和电路)的所提供的输入和所提供的输出两者可以等效于已知的电位差计，因此设想本文中所描述的位置传感器302因此可以改造成适合利用已知位置传感器的现有系统，而不必修改所述系统以利用不同的输入和输出操作。

Claims (15)

1.一种用于感测可变差动变压器(VDT)的输入轴的位置的位置感测系统(302)，所述位置感测系统包括：
所述VDT(310)，所述VDT包括被配置成分别输出第一AC输出信号和第二AC输出信号的第一和第二AC信号输出装置；
所述感测系统(302)还包括：
AC/DC转换装置(333)，所述AC/DC转换装置被配置成将所述第一AC输出信号转换成第一DC输出信号；以及
AC/DC转换装置(343)，所述AC/DC转换装置被配置成将所述第二AC输出信号转换成第二DC信号，并且
其中所述第一和第二DC输出信号各自指示所述输入轴的个别位置。
2.如权利要求1所述的位置感测系统(302)，其中被配置成输出所述第一和第二DC输出信号的所述AC/DC转换装置(333、343)中的每一者包括RMS到DC转换器(333、343)。
3.如前述权利要求中任一项所述的位置感测系统，所述位置感测系统还包括连接到所述VDT(310)的DC输入(303)。
4.如权利要求3所述的位置感测系统，所述位置感测系统还包括连接在所述DC输入(303)与所述VDT(310)之间的闪电和电磁干扰防护单元(321)。
5.如权利要求3或4所述的系统，所述系统还包括AC激励产生单元(322)，所述AC激励产生单元定位于所述DC输入(303)与所述VDT(301)之间，并且被配置成调节所述DC输入以向所述VDT(310)提供AC激励。
6.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述VDT(310)还包括被配置成提供磁场的一次线圈(311)，和电磁耦合到所述一次线圈(311)的第一和第二二次线圈(312、313)，并且其中所述输入轴的移动改变由所述二次线圈(312、313)中的每一者感应的电压，所述改变的感应电压由此指示所述轴的所述位置。
7.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一AC输出装置连接到第一输出电路(305)，并且
其中所述第二AC输出装置连接到第二输出电路(304)，并且
其中所述第一AC/DC转换装置(343)被设置在所述第一输出电路(305)上，并且
所述第二AC/DC转换装置被设置在所述第二输出电路(304)上。
8.如权利要求7所述的系统，其中每个输出电路(304、305)还包括增益校准单元(332、342)。
9.如权利要求8所述的系统，其中每个增益校准单元(332、342)操作性地连接到热敏电阻以调整所述增益校准单元(332、342)的输出增益。
10.如权利要求7到9中任一项所述的系统，其中每个输出电路(304、305)还包括偏移校准单元(331、341)。
11.一种引航控制单元，所述引航控制单元包括如前述权利要求中任一项所述的位置感测系统(302)，其中所述轴连接到所述引航控制单元的部件，并且所述轴的所述位置指示所述引航控制单元的所述部件的位置。
12.一种用于检测可变差动变压器(VDT)的输入轴的位置的方法，所述VDT(310)包括被配置成输出第一AC输出信号和第二AC输出信号的第一和第二AC信号输出装置；所述方法包括：
将所述第一AC输出信号转换成第一DC输出信号；以及
将所述第二AC输出信号转换成第二DC信号，其中所述第一和第二DC输出信号各自指示所述输入轴的个别位置。
13.如权利要求12所述的方法，所述方法还包括向所述VDT(310)提供DC输入(303)并且根据所述DC输入产生AC输入，以及向所述VDT(301)供应所述AC输入。
14.如权利要求12或13所述的方法，其中所述VDT(310)还包括被配置成提供磁场的一次线圈(311)，和电磁耦合到所述一次线圈(311)的第一和第二二次线圈(312、313)，并且其中所述输入轴的移动改变由所述二次线圈(312、313)中的每一者感应的电压，所述改变的感应电压由此指示所述轴的所述位置，所述方法还包括：将所述第一AC输出装置连接到第一输出电路(305)并且
将所述第二AC输出装置连接到第二输出电路(304)，以及
在所述第一输出电路(305)上设置所述第一AC/DC转换装置(343)并且
在所述第二输出电路(304)上设置所述第二AC/DC转换装置。
15.如权利要求14所述的方法，其中每个输出电路(304、305)还包括增益校准单元(332、342)和/或偏移校准单元(331、341)。
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