CN113252083A - 感应传感器装置和检测对象的运动的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于检测对象的往复运动的感应传感器装置(4，100)，其包括：振荡器电路(13，110)，振荡器电路包括感测线圈(11)，感测线圈配置为在对象中感应涡流；以及处理单元(15，120)。处理单元(15，120)配置为，对在采样周期中检测到的振荡器电路(13，110)的振荡计数，将计数的振荡与振荡的预定平均值进行比较，以及基于计数的振荡与振荡的预定平均值的比较来确定对象的速度和位置。

Description

感应传感器装置和检测对象的运动的方法
技术领域
本发明涉及用于测量以往复线性方式运动的对象(特别是发动机的活塞)的速度和位置(冲程)的感应传感器装置，以及用于检测对象的往复线性运动的方法。
背景技术
准确地检测线性运动对象的位置(冲程)和速度，例如在内燃机的汽缸活塞系统中，是精微的任务，目的是控制机器(例如内燃机)的正常运行。
在本领域中，已知光学传感器、磁性霍尔传感器和感应传感器用于检测对象的线性和/或旋转运动。根据法拉第定律运行的感应传感器在在恶劣环境下的鲁棒性以及位置感测精度方面具有优势。涡流传感器代表一类特别重要的感应传感器。
涡流传感器包括与电容相连的检测器线圈和交流电发生器(振荡器)，以形成调谐频率振荡器(储能)电路(例如，提供正弦波电流信号)。电流发生器使高频交流电在检测器线圈中流动，这与高频时变磁场(初级磁场)相关。该初级磁场在导电对象中感应出被要被检测的涡流，该涡流按一定顺序感应出次级磁场，根据伦茨定律(Lenz’s law)，该次级磁场与初级磁场方向相反。该次级磁场影响振荡器电路的阻抗且从而影响其谐振频率f0，f0＝1/(2π(LC)1/2，L和C分别表示振荡器电路的电感和电容。原则上，阻抗/谐振频率的变化可以由处理单元检测，该处理单元可以包括解调器和放大单元，并基于阻抗/谐振频率的变化来生成信号，该信号可以用于导出关于被检测对象的位置(冲程)和速度的信息。
然而，常规上分别需要两个不同的传感器装置来检测线性运动对象的位置(冲程)和速度。需要位于对象上的附加标记以获取测量的参考值。而且，在现有技术中不能以足够高的精度确定内燃机的曲轴处的实时扭矩。通常，制造公差还导致难以准确地测量对象的运动，例如，活塞在内燃机的气缸中的运动。
因此，需要一种感应传感器装置，其允许用于检测对象的往复线性运动的精确且容易实现的技术。
发明内容
为了满足上述需求，本发明提供了一种感应传感器装置，用于检测对象(例如，在内燃机的气缸中运动的活塞)的往复运动。感应传感器装置包括振荡器电路和处理单元，该振荡器电路包括感测线圈，该感测线圈配置为在运动对象处于感测线圈的检测范围内时感应运动对象中的电涡流。处理单元配置为，对在采样周期中检测到的振荡器电路的振荡计数，将计数的振荡与振荡的预定平均值进行比较，以及基于计数的振荡与振荡的预定平均值的比较来确定对象的速度和位置。对于对象的位置，本文意指对象在往复线性运动期间的冲程(范围)。可以通过对检测到的振荡的上升沿或下降沿进行计数来对振荡进行计数。
振荡器电路可由交流电发生器(振荡器)激励。感应线圈的检测区域内的对象的存在会导致谐振频率的改变(感应线圈的阻抗)，感应传感器装置的感测装置可以基于电压或电流信号感应到该谐振频率的改变(在采样周期内检测振荡)。作为比较过程的结果，可以标识第一时间周期，在此期间计数的振荡的数量(代表振荡器电路的实际谐振频率)超过平均值(高时间周期)，且可以标识第二时间周期，在此期间计数的振荡的数量不超过平均值(低时间周期)。这些时间周期的总和(高时间周期的持续时间+低时间周期的持续时间)代表对象的往复运动的时间周期。对象的往复运动的时间周期的倒数表示运动的频率，其直接转换为速度(例如，以rpm为单位，通过将运动的频率乘以60)。此外，运动的占空比可以从高时间周期与对象的往复运动的时间周期的比率导出，并转换为对象的位置，例如，在内燃机的气缸中移动的活塞的冲程(另参见下文的详细描述)。
由此提供的单个感应传感器装置允许基于计数的振荡与振荡的预定平均值之间的比较而以高精度确定对象的速度和位置(而无需机械地接触要检测的对象)。
感应传感器装置还可以包括低通滤波器，且处理单元可以配置为基于由低通滤波器低通滤波的信号来确定平均值。低通滤波器的使用降低了噪声，并允许动态地获得用于上述比较过程的加权平均值(对于振荡的过去和当前的计数)。
处理单元还可以包括高时间计数器和低时间计数器，所述高时间计数器配置为，在所述采样周期中，对于被计数的振荡的数量超过所述平均值的每一个采样周期，所述高时间计数器递增，且所述低时间计数器配置为，在所述采样周期中，对于被计数的振荡的数量不超过所述平均值的每个采样周期，所述低时间计数器递增；或者，所述高时间计数器配置为，在所述采样周期中，对于被计数的振荡的数量至少等于所述平均值的每个采样周期，所述高时间计数器递增，且所述低时间计数器配置为，在所述采样周期中，对于被计数的振荡的数量低于所述平均值的每个采样周期，所述低时间计数器递增。
高时间计数器可以提供上述高时间周期，且低时间计数器可以提供上述低时间周期。
另外，处理单元可以包括频率计算器件和占空比计算器件，其分别配置为基于确定的高和低时间周期计算对象的往复运动的频率，和基于确定的高和低时间周期计算运动对象的运动的占空比。
处理单元还可以包括位置确定器件和速度确定器件，位置确定器件配置为基于由占空比计算器件计算的占空比确定运动对象的位置，速度确定器件配置为基于由频率计算器件计算的频率确定对象的速度。
根据一实施例，感应传感器装置包括脉宽调制信号生成器(其可以是处理单元的一部分)，其配置为基于占空比计算器件和速度计算器件输出的信号生成脉宽调制信号，且其中位置确定器件配置为基于脉宽调制信号中的第一脉宽调制信号(包括关于对象的运动的占空比的信息)确定对象的位置，且速度确定器件配置为基于脉宽调制信号中的第二脉宽调制信号(包括关于对象的运动的频率的信息)确定对象的速度。
还通过提供通过包括振荡器电路的感应传感器装置来感测对象的往复运动(例如，在内燃机的气缸中运动的活塞)的方法来满足上述需求。该方法包括以下步骤：
在采样周期中检测和计数振荡器电路的振荡；
将计数的振荡与振荡的预定平均值进行比较；以及
基于计数的振荡与振荡的预定平均值的比较，确定对象的速度和位置。
该方法可以包括通过确定表示振荡的计数的低通滤波的信号的平均值来确定预定平均值。
根据一实施例，感测对象的往复运动的方法包括以下步骤：
通过确定一时间间隔来确定高时间周期，在该时间间隔中，每个采样周期的计数的数量超过平均值或至少等于平均值；
通过确定一时间间隔来确定低时间周期，在该时间间隔中，每个采样周期的计数的数量不超过平均值或低于平均值；
通过将高时间周期和低时间周期相加来确定对象的运动的周期；以及
基于高时间周期与高时间周期和低时间周期之和的比率，确定对象的运动的占空比。
另外，可以基于对象的运动的周期来确定对象的速度，且可以基于所述对象的运动的占空比来确定对象的位置(冲程)。
所考虑的每个具体配置均包括要检测的运动对象，例如，在气缸中运动的活塞，每个具体配置各自的占空比的范围从事先已知的对应于最小冲程的占空比最小值到对应于最大冲程的占空比最大值。通过该预定的认知，实际确定的占空比转换为整个/最大冲程的百分比。
创造性方法的上述实施例可以在创造性感应传感器装置的上述实施例中实现，且创造性感应传感器装置的上述实施例可以配置为执行创造性方法的上述实施例的步骤。
创造性方法还可以包括，当对象在感测线圈的检测范围中时，通过包含在感应传感器装置中的感测线圈在对象中感应电涡流。当振荡器电路由发电机(例如，交流发生器)供电时，涡流由感测线圈产生的初级磁场感应。涡流感应次级磁场，其影响振荡器电路的阻抗和谐振频率，从而影响振荡的计数的数量。
另外，提供了一种计算机程序产品，其包括具有计算机可执行指令的一个或多个计算机可读介质，当计算机可执行指令在处理单元，特别是感应传感器装置的处理单元上运行时，用于执行根据前述实施例之一的方法。
附图说明
将参考附图详细说明本公开的其他特征和示例性实施例以及优点。应该理解，本公开不应被解释为受以下实施例的描述的限制。此外应当理解，以下描述的一些或所有特征也可以以替代方式组合。
图1A和1B示出了根据本发明的实施例的用于检测活塞的运动的配置。
图2图示了图1A和1B所示的配置的感应传感器装置的部件。
图3是图示了根据本发明的实施例的感应传感器装置的处理单元的操作的流程图。
图4A和4B图示了根据本发明的实施例的有条件地递增高计时器和低计时器的过程。
图5示出了包括用于输出期望信号的脉宽调制信号生成器的感应传感器装置的另一实施例。
具体实施方式
本发明提供了用于检测线性往复对象的运动的传感器装置和方法。对象的冲程和速度可以通过单个感应传感器装置确定。在下面的详细描述中，对象由在内燃机的气缸中运动的活塞表示。不言而喻，本发明不限于该特定应用。
图1A和1B图示了根据本发明的实施例的用于检测活塞的运动的配置10。活塞1可以由例如铝制成，并且通过运动发生器2经由曲轴3在内燃机的气缸中运动。活塞1的往复运动的方向由双箭头示出。活塞1的往复运动由包括传感器末端元件5的感应传感器装置4检测。在图1A中所示的情况下，传感器末端元件4特别地面向活塞1的活塞凹槽5，而在图1B中所示的情况下，传感器末端元件4在检测范围内完全面向活塞1的本体。
感应传感器装置4包括产生交流电的振荡器电路和位于传感器末端元件5中或部分地代表传感器末端元件5的感测线圈。线圈可以是双线圈并且可以具有例如大约10mm的直径。线圈可以由高导电性材料(例如，铜)制成，并且可以形成在适当的支撑基板上(例如，由聚合物材料制成)。此外，感应传感器装置4包括处理单元，例如，μ控制器。μ控制器可以是8位μ控制器。
交流电产生初级磁场，该初级磁场在活塞1的导电本体中感应电涡流。涡流感应次级磁场，次级磁场影响感应传感器装置4的振荡器电路的阻抗和谐振频率。如果活塞1的本体的仅一部分面向传感器末端元件5或本体的部分都不面向传感器末端元件5，则会感应相对弱的次级磁场或不会感应次级磁场。如果活塞1的本体完全面向传感器末端元件5，则会感应相对强的次级磁场，从而可以观察到振荡器电路的阻抗和谐振频率的相对强的变化。该信息可以直接转换为关于活塞1的冲程和速度的信息，如下文所述。
图2非常示意性地图示了图1A和1B所示的感应传感器装置4的部件。感应传感器装置4包括感测线圈11，其位于图1A和1B所示的末端元件部分44中。此外，感应传感器装置4包括一些电容装置12。谐振电路由某振荡器供电，例如，交流电发生器13(其中，根据另一示例，电容装置12可以是集成的)，其生成交流电流。
提供感测装置14，以便检测由于感测线圈11的检测区域中的待检测对象(图1A和1B所示的示例中的活塞1)的存在而引起的振荡器电路中的变化(阻抗、谐振频率)。例如，感测装置14可以配置为测量电流或电压。感测装置14输出信号到处理单元15。处理单元15可以包括μ控制器。处理单元15处理由感测装置14提供的信号，以便确定被检测对象的位置和速度。
根据一实施例的如图2所示的处理单元15的操作在图3的流程图中示出。振荡器13在某个时钟频率下工作，例如，时钟频率在5至20MHz之间。在采样周期(计时器周期)期间，处理单元15计数由感测装置14提供的信号的正(或，替换地，负)沿(一个振荡包括两个沿，即，上升/正和下降/负沿)，即，被所检测对象影响的振荡器电路的谐振频率(如果不在传感器线圈的检测范围内，则其不受影响)(图3的步骤31)。感测装置14提供的振荡信号可以是电压或电流信号。例如，如果提供了10MHz的时钟频率，并在内计数了2560个增量，则得到计数的频率(采样频率)为3906.25。另一方面，计数的频率转换为1/3906.25＝256μs的计时器周期。
处理单元15不仅计数振荡信号的沿，而且还将每个计时器周期的计数与从多个先前的计时器周期获得的每个计时器周期的振荡信号的沿的平均值进行比较(图3的步骤32)。根据特定的实施例，可以在用于确定平均值的计时器周期内对计数进行低通滤波之后确定平均值。通过这种信号预处理，将预定数量的先前计时器周期内的加权平均值用于比较过程(图3的步骤32)。特别地，可以通过低通滤波移除信号噪声。
判断计数是否高于平均值(图3的步骤33)。如果计数超过平均值，则递增高(时间)计数器(图3的步骤34)，如果否，则递增低(时间)计数器(图3的步骤35)。实际上，原则上可以预先限定等于计数值的计数是否有助于递增高计时器或低计时器。
递增高计时器和低计时器的步骤在图4A和4B中示出。例如，图4A和4B的上图显示了在16个计时器周期(横坐标)中的每一个中的增量的计数(以某种任意归一化)(纵坐标)。在实际应用中，可以使用阶跃函数，用于由感测装置14在每个计时器周期提供的信号的正沿的总计数(递增)的值。水平线表示基于先前的计时器周期获得的平均值。
如图4A和4B的下图所示，对于呈现高于平均值的递增的计数/数量的每个计时器周期，高计时器将递增(加1)，并且对于呈现低于平均值的递增的计数的每个计时器周期，低计时器递增(加1)。明显地，可以标识在某些计时器周期内延伸的周期(时间间隔)，在其期间，可以分别标识高计时器递增的周期(高周期)和低计时器递增的其他周期(低周期)。
基于由此获得的高和低计时器计数，可以如下确定图1A和1B所示的活塞1的速度和冲程。可以将图1A和1B的感应传感器装置4的检测区域中的活塞1(的本体)的运动(分别存在和不存在)(循环)周期确定为高计时器计数和低计时器计数的总和，且可以将占空比确定为高计时器计数与循环周期的比率，可选地乘以某个归一化因子以进行所需单位的量化，例如归一化因子100(图3的步骤36)。活塞1的往返运动的周期在感测到的谐振频率的三个频率变化(从低于平均值的频率到高于平均值的频率，反之亦然)上延伸。
基于此获得的循环周期，可以确定图1A和1B中所示的活塞1的速度和冲程(图3的步骤37)。活塞1的运动的频率(以Hz为单位)由周期的倒数给出，速度例如以rpm为单位由该频率乘以60得出。占空比直接转换为活塞1在气缸内的整个冲程的百分比。每个具体的活塞-气缸系统具有其自己的单个占空比范围，从对应于最小冲程的占空比最小值到对应于最大冲程的占空比最大值，这些是事先已知的。通过该预定的认知，实际确定的占空比转换为整个/最大冲程的百分比。
因此，利用单个感应传感器装置4，可以同时高精度地确定活塞1的速度和冲程。从速度和冲程以及由活塞引起的已知的体积压缩，也可以直接确定图1A和1B中所示的运动发生器2的扭矩。不需要为要检测的对象(即上述示例中的活塞1)提供参考标记。感应传感器装置4可以以低成本生产，且适合在恶劣的环境(温度高达150℃)下工作。
在图5中示出了创造性的感应传感器装置100的另一示例，其配置为检测呈现往复运动的对象200的运动。该感应传感器装置100可以用于所有上述实施例。感应传感器装置100包括具有感测线圈的振荡器电路110，感测线圈用于在对象200中感应涡流并且基于感应的次级磁场检测对象在传感器检测范围中的存在(如以上所述)。此外。感应传感器装置100包括处理单元120，例如，包括μ控制器。处理单元120包括连接到振荡器电路110的信号捕获装置121，其从振荡器电路110接收振荡信号并提供表示振荡信号的沿的计数的信号。由此提供的信号可以被低通滤波器装置122低通滤波。
另外，处理单元120包括高计时器123和低计时器124，分别如上所述用于获得高计数和低计数。以如上所述的方式，对象200的运动的频率可以由频率计算器件125确定，且对象200的占空比可以由占空比计算器件126确定。此外，处理单元120包括脉宽调制信号生成器127以便提供脉宽调制数字输出信号，其携载关于对象200的运动频率和占空比的信息。这样获得的脉宽调制的数字输出信号可以用于以如上所述的方式导出对象200的速度和对象200的位置(冲程)。脉宽调制的数字输出信号PWMS特别适用于速度和冲程的精确确定。可以根据脉宽调制的数字输出信号PWMS确定对象的速度，且可以根据脉宽调制的数字输出信号PWMS确定运动对象的位置。
附图标记列表：
10 配置
1 活塞
2 运动发生器
3 曲柄
4，100 感应传感器装置
5 活塞凹槽
11 感测线圈
12 捕获装置
13，110 振荡器
14 感测装置
15，120 处理单元
44 传感器末端元件
121 信号捕获装置
122 低通滤波器
123 低计时器
124 高计时器
125 频率计算器件
126 占空比计算器件
127 脉宽调制信号发生器
200 对象
PWMS 脉宽调制信号

Claims (15)

1.感应传感器装置，用于检测对象的往复运动，包括：
振荡器电路(13，110)，包括感测线圈(11)，所述感测线圈配置为在所述对象中感应涡流；
以及处理单元(15，120)；
其中所述处理单元(15，120)配置为
对在采样周期中检测到的所述振荡器电路(13，110)的振荡计数；
将所计数的振荡与振荡的预定平均值进行比较；以及
基于所计数的振荡与振荡的预定平均值的比较，确定所述对象的速度和位置。
2.如权利要求1所述的感应传感器装置，还包括低通滤波器，且其中所述处理单元(15，120)配置为基于被所述低通滤波器(122)低通滤波的信号来确定所述平均值。
3.如权利要求2所述的感应传感器装置，其中所述处理单元(15，120)还包括高时间计数器(124)和低时间计数器(123)，
所述高时间计数器配置为，在所述采样周期中，对于被计数的振荡的数量超过所述平均值的每一个采样周期，所述高时间计数器递增，且所述低时间计数器配置为，在所述采样周期中，对于被计数的振荡的数量不超过所述平均值的每个采样周期，所述低时间计数器递增；
或者，所述高时间计数器配置为，在所述采样周期中，对于被计数的振荡的数量至少等于所述平均值的每个采样周期，所述高时间计数器递增，且所述低时间计数器配置为，在所述采样周期中，对于被计数的振荡的数量低于所述平均值的每个采样周期，所述低时间计数器递增。
4.如权利要求3所述的感应传感器装置，其中所述处理单元(15，120)还包括
频率计算器件(125)，配置为基于所述确定的高和低时间周期来计算所述对象的往复运动的频率；以及
占空比计算器件(126)，配置为基于所述确定的高和低时间周期来计算运动对象的运动的占空比。
5.如权利要求4所述的感应传感器装置，其中所述处理单元(15，120)还包括位置确定器件和速度确定器件，所述位置确定器件配置为基于所计算的占空比确定所述对象的位置，所述速度确定器件配置为基于所计算的频率确定所述对象的速度。
6.如权利要求5所述的感应传感器装置，还包括脉宽调制信号生成器(127)，其配置为基于所述占空比计算器件(126)和所述速度计算器件输出的信号生成脉宽调制信号，且其中所述位置确定器件配置为基于所述脉宽调制信号中的第一脉宽调制信号来确定所述对象的位置，且所述速度确定器件配置为基于所述脉宽调制信号中的第二脉宽调制信号来确定所述对象的速度。
7.通过包括振荡器电路的感应传感器装置感测对象的往复运动的方法，所述方法包括以下步骤：
在采样周期中检测和计数所述振荡器电路(13，110)的振荡；
将所计数的振荡与振荡的预定平均值进行比较；以及
基于所计数的振荡与所述振荡的预定平均值的所述比较，确定所述对象的速度和位置。
8.如权利要求7所述的方法，还包括对振荡的计数进行低通滤波并且，确定振荡的经低通滤波的计数的平均值作为预定平均值。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：
通过确定一时间间隔来确定高时间周期，在该时间间隔中，每个采样周期的计数的数量超过所述平均值或至少等于所述平均值；
通过确定一时间间隔来确定低时间周期，在该时间间隔中，每个采样周期的计数的数量不超过所述平均值或低于所述平均值；
通过将所述高时间周期和所述低时间周期相加来确定所述对象的运动的周期；以及
基于所述高时间周期与所述高时间周期和低时间周期之和的比率，确定所述对象的运动的占空比。
10.如权利要求9所述的方法，其中，基于所述对象的运动的所确定的周期来确定所述对象的速度，且基于所述对象的运动的所确定的占空比来确定所述对象的位置。
11.如权利要求10所述的方法，还包括：
包括与所述对象的运动的周期有关的信息的脉宽调制信号(PWMS)和包括与所述对象的运动的占空比有关的信息的脉宽调制信号(PWMS)；并且其中
基于所述脉宽调制信号(PWMS)确定所述对象的速度和位置。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述对象的往复运动是活塞(1)在内燃机的气缸中的运动，且所述位置是所述活塞(1)的冲程。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述活塞(1)的冲程以整个或最大冲程的百分比确定，从对应于最小冲程的预定占空比最小值和对应于最大冲程的预定占空比最大值获知所述整个或最大冲程。
14.如权利要求13所述的方法，还包括，通过包含在所述感应传感器装置(4，100)中的感测线圈(11)在所述对象中感应电涡流。
15.计算机程序产品，包括具有计算机可执行指令的一个或多个计算机可读介质，当所述计算机可执行指令在处理单元(15，120)上，特别是感应传感器装置(4，100)的处理单元上运行时，用于执行根据权利要求7至13中任一项所述的方法的步骤。
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