CN1150646A

CN1150646A - 位移传感器

Info

Publication number: CN1150646A
Application number: CN96106104A
Authority: CN
Inventors: 静谷庆裕
Original assignee: Techno Excel KK
Current assignee: Techno Excel KK
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1996-04-22
Publication date: 1997-05-28
Also published as: KR960038359A; US5760577A; KR100212176B1

Abstract

本发明目的是提供一种位移传感器，即使磁芯的位移量和电感量的变化量很小，这种传感器仍能保持高的检测分辨率。在本发明的位移传感器中，位移体可根据外力作位移，LC谐振电路包括磁场线圈和磁芯，磁芯用可磁化的材料制成，根据位移体的位移，磁芯可移近和移离磁场线圈。振荡器将具有预定频率的连续信号输入至LC谐振电路。检测电路根据来自LC谐振电路的连续信号的幅度检测位移体的位移量。

Description

位移传感器

本发明涉及位移传感器。

参看图8和9来说明通常的位移传感器。注意，通常的传感器是一种根据位移体的位移量检测压力的传感器。传感器50例如可用作电动洗涤机、洗碗机等的水位传感器。

如图8所示，压力传感器50具有：膜片地6(位移体)，它的边缘被基座52和下盖54夹紧；磁场线圈58，它位于基座52内；磁芯60，它由诸如铁氧体等可磁化材料制成；弹簧61，它总是把膜片56移向起始位置；入口64，它做在下盖54中；以及LC振荡电路64(见图9)。入口64与软管(未示出)相连，用以将诸如气体、水等流体部分(未示出)引入传感器50。磁芯60固定在受压力接受板66上，该板固定在膜片56的不受压侧表面(上侧表面)上。采用这种结构，根据膜片56的位移，磁芯60可移近或移离磁场线圈58。磁芯60和磁场线圈58构成所谓LC振荡电路62(见图9)的可变成圈68。电容器70亦参与构成LC振荡电路62，但它的电容量是固定的。

在上述通常的传感器50，例如，当气体压力改变时，膜片56根据气体压力的改变而发生位移，从而磁芯60移近或移离磁场线圈58。由于磁芯60的移动，根据膜片56的移动量改变了可变线圈的电感量。于是，LC振荡电路62的输出信号的频率F(被检测信号)亦改变，频率F根据下述公式(1)计算。由检测电路(未示出)测量和计算输出信号的频率F，从而得出膜片56的位移和气体压力的大小。

公式(1)：

注：L：可变线圈的电感量；以及

C：电容器的电容量。

然而，通常的位移传感器具有下述缺点。

在位移传感器中，把膜片和磁芯的位移转换为气体压力的变化。可以根据检测得的LC振荡电路的信号频率的变化检测出磁芯的位移和气体压力的变化，该LC振荡电路包括磁场线圈，它的电感量根据磁芯的位移而改变。但是如公式(1)所示，LC振荡电路的被检测的信号的振荡频率与电感量的平方根成反比。因此，对应于磁芯位移量的频率变化量很小，因而传感器的分辨率必定很低。

其次，当气体压力很高而膜片的位移量很大时，偏移膜片的弹簧的弹性力很大，从而相应于气体压力变化的膜片的位移率必然会受到限制。采用这种结构，电感量和频率的变化率必然较低，因而传感器的分辨率必然较低。

本发明的一个目的是提供一种位移传感器，即使磁芯的位移量与电感量的变化量很小，这种传感器仍能保持较高的检测分辨率。

为达到这一目的，本发明的位移传感器包括：

位移体，它可根据外力发生位移；

LC谐振电路，它包括磁场线圈和磁芯，磁芯用可磁化的材料制成，并且它可根据位移体的位移而移近和移离磁场线圈；

振荡器，用于将具有预定频率的连续信号输入至LC谐振电路；以及

检测电路，用于根据来自LC谐振电路的连续信号的幅度检测位移体的位移量。

本发明的位移传感器还可包括整流电路，用于对来自LC谐振电路的连续信号进行整流和滤波，其中，检测电路根据来自整流电路的直流电压检测位移体的位移量。

在位移传感器中，随着磁芯的移动，可以将LC谐振电路的谐振频率设计得在等于或大于预定频率的范围内改变。

在位移传感器中，外力可以是流体压力，其中，检测电路根据位移体的位移量检测流体压力。

在位移传感器中，位移体可以是膜片，它能根据流体压力的变化而发生位移，其中，检测电路根据膜片的位移量检测流体压力。

在位移传感器中，外力可以是目标部件的重量，其中，检测电路根据位移体的位移量检测重量。

此外，本发明的位移传感器可包括：

LC谐振电路，它包括磁场线圈和磁芯，磁芯用可磁化的材料制成，并且它可根据外力而移近和移离磁场线圈；

检测电路，用于根据来自LC谐振电路的连续信号的幅度检测所述磁芯的位移量。

在本发明中，相对于电感量变化量的连续信号的变化量(即该信号幅度的变化量)可以比通常的位移传感器中的信号变化量大，从而位移体的位移量不使传感器的分辨率变低。

藉助于整流电路对连续信号整流和滤波以及检测电路根据来自所述整流电路的直流电压而检测位移体的位移量，检测电路的结构能够做得比通常的传感器的检测电路的结构简单，通常的传感器测量交流信号的频率或幅度。

在传感器中，例如在具有以膜片作为位移体的压力传感器中，即使采用弹簧总是把膜片移向其起始位置(这在压力高时会限制膜片的位移率)，只要设计LC谐振电路的谐振频率随磁芯的移动而在等于或大于预定频率的范围内改变，就能做到位移体的位移量越大，谐振电路的输出电压的增长率越大。因此，可以改善传感器检测的线性度。

在用压力、重量或加速度作为外力使位移体发生位移的情形中，可在不使分辨率降低的条件下把压力、重量或加速度作为外力的大小来检测。

通过采用：包括磁场线圈和能根据外力移近和移离磁场线圈的磁芯的LC谐振电路；用于向LC谐振电路输入具有预定频率的连续信号的振荡器；以及根据连续信号的幅度检测磁芯位移量的检测电路，就能实现用于检测磁芯位移量的传感器，其中，由外力直接使磁芯发生位移。

通过例子并结合附图来描述本发明的实施例，在这些附图中：

图1是本发明的位移传感器实施例1的方框图；

图2是示出图1所示的振荡器频率与整流电路输出电压之间关系的曲线图；

图3是示出磁芯位移量与气体压力之间关系的曲线图；

图4是示出图1所示的传感器的气体压力、电感量、谐振频率和电压V0之间关系的表格；

图5是实施例2的谐振电路的电路图；

图6是示出振荡器频率与图5所示的整流电路的输出电压之间关系的曲线图；

图7是示出图5所示的传感器的气体压力、电感量、谐振频率和电压V0之间关系的表格；

图8是示出通常的压力传感器内部结构的正面剖面图；

图9是通常的压力传感器的LC振荡器的电路图；

图10是采用本发明的位移传感器的震动传感器的检测单元的剖面图；

图11是采用本发明的位移传感器的油箱重量传感器的检测单元的剖面图；

图12是说明示于图11的油箱重量传感器的检测单元动作的剖面图；以及

图13是采用本发明的位移传感器的加速度传感器的检测单元的剖面图。

现在将结合附图详细描述本发明的较佳实施例。(实施例1)

在实施例1中，用于检测流体压力的压力传感器将作为本发明的位移传感器的一个例子而加以说明。注意，压力传感器不仅能检测气体压力，也能检测液体压力。

本发明实施例的压力传感器的机械结构与通常的压力传感器50的机械结构相同(通常的压力传感器的机械结构已在技术背景部分说明过了)，因此，本发明的压力传感器具有：膜片56，它按照气体压力的变化而位移；磁场线圈58；以及磁芯60，它由可磁化材料制成，并且可根据膜片56的位移而移近和移离磁场线圈58。

参看图1来说明检测气体压力变化的检测单元的电路，该气体压力根据可变线圈68电感量的变化而对膜片56产生作用，可变线圈68由磁场线圈58和磁芯60构成。

LC谐振电路10包括可变线圈68和电容器12。作为例子，LC谐振电路10是一串联谐振电路，而电容器12接地。

把振荡器14接至LC谐振电路10的可变线圈68，从而向该谐振电路输入具有预定频率的连续信号。连续信号可以是正弦波、脉冲等等。例如，可以从一微型计算机的时钟单元输出脉冲，该微型计算机可包括在检测电路22中，还可利用程序从微型计算机的公共输出端口输出脉冲。振荡器14可一直输出连续信号，或者仅当检测到气体压力时才输出连续信号，从而减少耗电。

整流电路16包括二极管18和平滑波形的电容器20。二极管18的阳极端连接至LC谐振电路10的可变线圈68和电容器12之间的中点。

检测电路22根据作为被检测信号的跨在滤波电容器20两端的直流电压来检测膜片56的位移量以及对膜片56作用的气体压力。具体些说，检测电路22具有：模/数转换器(未示出)，用以将电容器20两端之间的电压(它是模拟值)转换为数字值；以及微型计算机(未示出)，在微型计算机中存储了二张参数表格，一张是用于将数字值转换成膜片56的位移量的参数表，还有一张是将膜片56的位移量转换成气体压力以供输出的参数表。注意，用于存储这些表格的存储器单元可独立于微型计算机而与之连接。而存储器也可设在微型计算机中。微型计算机可控制振荡器14以输出连续信号。

其次，将说明气体压力传感器的动作。

首先，把从振荡器14输出的具有固定频率F_i和固定幅度V_i的连续信号(例如，正弦波)输入至LC谐振电路10。根据下述公式(2)来计算整流电路16的输出电压V₀。

公式(2)：V₀＝V_i/|-ω²LC|

ω＝2πF

注：F：输入至谐振电路的连续信号的频率；

L：可变线圈的电感量；以及

C：电容器的电容量。

注意，公式(2)假定电路元件是理想的，即线圈和电容器都没有串联电阻分量和在二极管中沿电流容易流动的方向无电压降。

图2示出频率F(水平轴)与电压V₀(垂直轴)根据公式(2)的相互之间的关系。谐振频率F₀(见背景技术中的公式(1))根据线圈68的电感量L而改变，从而使曲线偏移。如果使电感量L逐渐增大，则谐振频率F₀逐渐变小，从而在图2中曲线向左移动。

注意，如果起始气体压力例如为零，而膜片56处于其起初位置，曲线图由单点划线“a”示出。其时，LC谐振电路10的谐振频率是F₀₁。如果连续信号的频率为F_i，则电压V₀为V₀₁。

在此状态下，当气体压力升高时，在图8中，膜片56向上位移，从而使磁芯60移近磁场线圈58。通过使磁芯60移进磁场线圈58，可变线圈68的电感量逐渐变大；LC谐振电路10的谐振频率F₀逐渐变低，从而曲线从曲线“a”的位置向左移动。在曲线“a”移至曲线“b”(它用双点划线表示)的情形中，谐振频率变为F₀₂。如果连续信号的频率为F_i，则电压V₀从V₀₁升至V₀₂。此时的气体压力、电感量L、谐振频率F₀和电压V₀之间的关系如图4所示。

由于有上述动作，通过用检测电路22检测从整流电路16输出的直流电压V₀可以检测气体压力。

注意，在由于谐振作用，从LC谐振电路10输出的电压电平过高的情形中，可以通过把电阻与LC谐振电路10相串接的办法来调节电压电平。

如在背景技术中所述，膜片56的位移量越大，则弹簧61作用在膜片56上的偏移力也越大。在通常的传感器中，如果气体压力很大，则膜片56(磁芯60)的位移率很小，因而检测气体压力的线性度很低。但是，在本发明的压力传感器中，在谐振频率F等于或低于F₀₁或F₀₂的区域中，电压V₀变化率的增长率较大(见图2)。这样，示于图3的特性曲线可以由示于图2的特性曲线改进。即，如果气体压力很高而膜片56的位移量很大，则可改进检测气体压力的线性度。

通过采用LC谐振电路10，相应于电感量L的变化量的电压V₀的变化量较大，因而改进了检测气体压力的分辨率。从整流电路16输出的电压V₀可以等于或大于输入电压V_i，因而在后续级中的处理比较容易。(实施例2)

在实施例2中，也将压力传感器作为位移传感器来说明。

本实施例的传感器结构几乎与实施例1的传感器结构相同。但是，在实施例2中，LC谐振电路10是并联谐振电路，因而检测电路22的在微型计算机中的用于检测气体压力的参数表不同于实施例1中的参数表。

在LC谐振电路10中，把电容器24与可变线圈68并联。又将它们串联地连至整流电路16；把一电阻26连至LC谐振电路10和整流电路16的中点(见图5)。

因为LC谐振电路10是如图5所示的并联谐振电路，因而频率F与电压V₀之间的关系如图6的曲线图所示。即，根据可变线圈68的电感量L的变化而改变谐振频率F₀，从而使曲线侧向移动。如果电感量L逐渐增大，则谐振频率F₀逐渐降低，因而在图6中曲线向左移动。

注意，如果气体压力为起始值，例如零值，而膜片56处于其起始位置，则曲线由单点划线“a”示出。此时，LC谐振电路10的谐振频率是F₀₁。如果频率为F_i，则电压V₀为V₀₁。

下面将说明在气体压力升高情形中，压力传感器的动作。

当气体压力开始升高时，膜片56开始位移，因而磁芯60移向磁场线圈58。由于这一移动，使可变线圈68的电感量L逐渐增大，LC谐振电路10的谐振频率逐渐降低，从而在图6中曲线向左移动。如果，例如，曲线从“a”移至“b”(一条双点划线)，则谐振频率为F₀₂，而电压V₀从V₀₁变低到V₀₂。它们之间的关系示于图7。

通过用检测电路22检测来自整流电路16的直流电压V₀，可以得知气体压力。

在实施例2中，与实施例1相同，在谐振频率等于或小于F₀₁或F₀₂的区域中，电压V₀变化率的增加率很大(见图6)。这样，示于图3的特性曲线可以用图6所示的特性曲线来改进。即，如果气体压力很高而膜片56的位移量很大，就能改进检测气体压力的线性度。

通过采用LC谐振电路10，相应于电感量L的变化量，电压V₀的变化量较大，因而可改进检测气体压力的分辨率。根据图6中的曲线，从整流电路16输出的电压V₀等于或大于输入电压V_i，因而检测电路22的结构可以做得简单些，而传感器具有实施例1的效果。

在本实施例中，这样来设计可变线圈68和电容器12和24，使得当可变线圈68的电感量L改变时，曲线(这些谐振曲线示出频率F与电压V₀之间的关系)的谐振频率F₀总是保持等于或高于来自振荡器14的连续信号的频率F_i(见图2和6)。然而，也可将可变线圈68和电容器12和24设计得使谐振频率F₀总是保持在等于或低于来自振荡器14的连续信号的频率F_i。(实施例3)

在实施例3中，把震动传感器作为位移传感器加以说明。

震动传感器28用于加热器等。当加热器在例如地震等情形中发生震动或倾斜时，震动传感器28就产生一停止信号。

参看图10说明震动器28的结构。注意，如实施例1那样，传感器28具有LC谐振电路10、振荡器14、整流电路16以及检测电路22。因而对于已在实施例1中描述的部件取相同的标号并省略对它们的说明。

震动传感器28的独特之处是震动球(quake ball)36，它是位移体。微型计算机检测震动球36是否震动或震动的大小。存储在检测电路22的存储器中的参数表格包括将震动球36的位移量换成它的震动大小的参数。

外壳30是用能够屏蔽磁场的材料制成的。

在外壳30内形成托架32。托架32的中心部分做成漏斗形状。在托架32的最低部分开有通孔34。

将震动球自由地放置在托架32的顶面上。震动球36的直径大于通孔34的直径。在本实施例中，震动球36用作位移体。

在外壳30的内底面和托架32之间设有磁场线圈58。磁场线圈58的轴与托架32的通孔34相对应。磁芯60由弹簧38支承，而磁芯60的上端段总是从通孔34向上伸出。注意，将弹簧38设计得可由震动球36的重量使其收缩，因而弹簧38总是由震动球36朝下偏置，震动球36位于起始位置处，在该处，震动球36盖住了通孔34。

震动传感器28的动作说明如下。

当外壳30震动时，震动球36从它盖住通孔34的起始位置靠着托架32的斜坡向上移动。随着震动球36的移动，原先被缩移的弹簧就伸长并将磁芯60向上推，因而磁芯60移入磁场线圈58。

随着磁芯60的移动，可变线圈68的电感量如同实施例1那样改变，从而微型计算机能够检测出震动球36的位移。这样，传感器28能检测出外壳30是否震动。

通过采用LC谐振电路10以及振荡器14，可以使来自LC谐振电路10的连续信号的幅度以及幅度的变化增大，因而能检测出震动球36的微小震动。这样，可以制造出具有高灵敏度的震动传感器震动传感器28。(实施例4)

在实施例4中，把重量传感器作为位移传感器加以说明。注意，如实施例1那样，传感器具有LC谐振电路10、振荡器14、整流电路16以及检测电路22和因而对于已在实施例1中描述的部件取相同的标号并整略对它们的说明。

实施例的独特之处在于，磁芯60可根据位移体的重量而作位移。已在实施例1和实施例2中说明的参数表格包括把位移体的位移量转换成重量的参数。注意，在本实施例中，把燃油加热器的油箱40用作位移体。

参看图11和12来说明根据油箱40的重量使磁芯60位移的基本结构。

储油箱42把燃油43送入油箱40。

在储油箱42箱口部分的边缘设有支点44。

在储油箱42的顶侧，由支点44支承片簧46。片簧46具有一个通孔34，该孔在储油箱42箱口部分的上方，并与该箱口部分对应。采用这种结构，可把油箱40的出口安放在片簧46的通孔34内。当把油箱40的出口放入片簧46的通孔34时，根据油箱40的重量，片簧46会发生变形或弯曲，如图12所示。

把臂48装在片簧46的一个端部处的枢轴上。臂48根据片簧46的变形程度移动，从而磁芯60能移近或移离磁场线圈58。

采用上述结构，可把油箱40内的油量的变化转换成由片簧46支承的油箱40的位移量。油箱40的位移可由片簧46和臂48转换成磁芯的位移量，并进一步转换成可变线圈68的电感量的变化。

检测电路22的微型计算机通过采用LC谐振电路10、振荡器14、整流电路16和检测电路22的存储器中的参数表格能够检测油箱40的位移量以及油箱的重量。

即使油箱40的位移量十分小，由于采用了LC谐振电路10以及振荡器14，连续信号的幅度仍可有较大改变，因而重量传感器能够作高灵敏度和高分辨率的检测。

注意，本实施例的重量传感器不仅能检测油箱40的重量，而且能检测许多物品的重量。(实施例5)

在实施例5中，把加速度传感器作为位移传感器加以说明。注意，如以前的实施例那样，该传感器具有LC谐振电路10、振荡器14、整流电路16以及检测电路22。因而对于已在前面的实施例中描述的部件取相同的标号并省略对它们的说明。

在实施例5中，加速度传感器没有用来位移磁芯的位移体。磁芯靠惯性(外力)位移，因而通过检测磁芯的位移量能够得知磁芯运动的加速度。

在加速度传感器中，沿X、Y和Z轴设置三个可变线圈68x、68y和68z，这三个线圈相互垂直。在三个可变线圈68x、68y和68z的交点处，设置一个可磁化的物体(磁芯)60，而该磁芯60由弹簧38可动地支承。相应于可变线圈68x、68y和68z中的每个可变线圈，共提供三组LC谐振电路10、整流电路16以及检测电路22。已在实施例1和实施例2中说明的参数表包括把磁芯60的位移量转变为加速度的参数。

当有加速度作用于加速度传感器时，根据加速度的大小，磁芯60沿与传感器移动方向相反的方向作位移。由于磁芯60的位移，改变了可变线圈68x、68y和68z的电感量，因而微型计算机检测出磁芯60沿X、Y和Z方向的位移量而检测出加速度。此外，通过检测运动方向的成分以及沿X、Y和Z方向的加速度，可以检测传感器的运动方向和加速度。

在实施例5中，传感器是三维加速度传感器，但是相应于可变线圈68x和68y中的每一个线圈，采用两组LC谐振电路10、整流电路16和检测电路22，就能实现二维加速度传感器。

在上面的实施例中，在检测电路22的参数表中的参数把位移体或磁芯的位移量转换成气体压力等等，但通过根据检测对象改变参数，可采用位移传感器来检测许多种类的传感器，例如，检测液位传感器，该传感器的位移体是浮子。

本发明可以用其他具体的形式来实施而不背离本发明的精神或基本特征。所以无论从哪一点来看，都应将所给出的那些实施例考虑为说明性的而不是限制性的，本发明的范围要由所附的权利要求书来指明，而不是由前面的描述来指明，而在权利要求书等价性的含义和范围内的所有改变都将被包括在内。

Claims

1.一种位移传感器，其特征在于包括：

位移体，它可根据外力作位移；

LC谐振电路，它包括磁场线圈和磁芯，磁芯用可磁化的材料制成，并可根据所述位移体的位移移近或移离所述磁场线圈；以及

振荡器，用于将具有预定频率的连续信号输入至所述LC谐振电路。

其中，经改进的位移传感器包括：

检测电路，用于根据来自LC谐振电路的连续信号的幅度检测所述位移体的位移量。

2.如权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，进一步包括整流电路，用于对来自所述LC谐振电路的连续信号进行整流和滤波，

其中，所述检测电路根据来自整流电路的直流电压检测所述位移体的位移量。

3.如权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，这样设计所述LC谐振电路的谐振频率，使之随所述磁芯的移动而在等于或大于所述预定频率的范围内变化。

4.如权利要求1、2或3所述的位移传感器，其特征在于，所述外力是流体压力，而其中所述检测电路根据所述位移体的位移量来检测流体压力。

5.如权利要求4所述的位移传感器，其特征在于，所述位移体是膜片，所述膜片能根据流体压力的变化作位移，以及

所述检测电路根据所述膜片的位移量检测流体压力。

6.如权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述外力是目标物的重量，并且

所述检测电路根据所述位移体的位移量检测重量。

7.一种位移传感器，其特征在于包括：

LC谐振电路，它包括磁场线圈和磁芯，磁芯用可磁化的材料制成，并且能根据外力移近或移离所述磁场线圈；以及

振荡器，用于将具有预定频率的连续信号输入至所述LC谐振电路，

其中，经改进的位移传感器包括：

检测电路，用于根据来自所述LC谐振电路的连续信号的幅度检测所述磁芯的位移量。