CN1266484A - 磁位移传感器中的磁通量成形极块 - Google Patents

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Abstract

一种位移传感器,它包括一具有一外壳的磁铁组件,该外壳安装于第一和第二可相对移动的元件之一。第一和第二磁铁安装于磁铁组件外壳上,使一个磁铁的北极面对另一磁铁的南极,后之亦然。第一和第二磁铁之间形成一纵向空间。在每一磁极上的磁通量成形极块具有的形状能修整纵向空间中的边缘磁通,使纵向空间中的磁通密度基本上沿在磁铁的面对面磁极之间的纵向空间中的一线线性变化。一磁场传感器组件有一外壳,该外壳安装于第一和第二元件的另一个。一磁通传感器在第一与第二磁铁之间的纵向空间中的线上安装于传感器外壳。在一个实施例中,每一磁通量成形极块在主磁通量图形的平面中为五边形,形成一面对第一与第二磁铁之间的纵向空间的窄面。每个磁通量成形极块的窄面的尺寸在穿越主磁通量图形方向上的要比沿纵向空间中的线长度上的要宽。

Description

磁位移传感器中的磁通量成形极块
发明背景
本发明涉及一种具有位移恒定的磁路磁阻的磁位移传感器。更具体地说，本发明涉及一种具有其性能改进的改进型磁通量成形极块的磁位移传感器。
一般而言，磁位移传感器包括一提供磁通恒源的磁通量产生器和一测量磁通量的拾取装置。通常，磁通产生器安装于一个构件上，拾取装置安装于另一构件上，使拾取装置检测的磁通密度取决于两构件之间的位移。磁位移传感器一般测量线性的或旋转位移，并提供与上述构件的绝对线性或旋转位置位移成比例的输出。磁位移传感器可采用电磁铁或永久性磁铁作为磁通源。拾取装置(例如一种磁电阻器、一种磁敏二极管、或一种霍尔效应传感器)横切磁通并探测磁铁所产生的磁场变化。
磁位移传感器一般在具有场装置的遥控系统中与微处理器配合使用。例如，磁位移传感器可用于监控阀的位置。在Prinz等人的美国专利4,532,810、Wolf等人的专利5,497,081和Riggs等人的美国专利5,359,288中公开了已有技术的磁位移传感器的几个例子。
已有技术磁位移传感器的使用范围受到磁铁边缘磁通量的限制。当两个永久性磁铁相邻对齐时，每一磁铁和接近它的另一磁铁极面的机械特征规定了从极面到相对极面的磁通的分布。在磁极，边缘磁通量出现在磁铁之间。边缘磁通量的变化是非线性的，因此，磁位移传感器探测的磁场随位移非线性变化。这种非线性变化导致不准确的和错误的传感器读数，限制了磁位移传感器的使用范围和有效性。
发明概要
本发明涉及用于磁位移传感器的磁极面的磁通量成形极块。
根据本发明的一个方面，位移传感器检测第一元件与第二元件之间的相对位移。位移传感器包括一具有一外壳的磁铁组件，该外壳安装于第一元件和第二元件中的一个。第一和第二磁铁安装于磁铁组件外壳中，使一个磁铁的北极面对另一磁铁的南极，反之亦然。磁铁组件外壳支承第一和第二磁铁，以在第一和第二磁铁之间形成一纵向空间。在第一和第二磁铁的每一极上均设置一磁通量成形极块。将各磁通量成形极块的形状做成能修整纵向空间中的边缘磁通，以使纵向空间中的磁通密度基本上沿在第一磁铁的北极与第二磁铁的南极之间的一点与第一磁铁的南极与第二磁铁的北极之间的一点之间的纵向空间中的一线线性变化。一磁场传感器组件有一外壳，该外壳安装于第一和第二元件的另一个上。一磁通传感器在第一与第二磁铁之间的纵向空间中的线上安装于传感器外壳。
在位移传感器的一个实施例中，磁通量成形极块是附加在第一和第二磁铁的每一极的金属极块。可用磁铁所显示的磁力保持极块与磁铁极接触。或者，用粘结剂将极块粘结于磁极。
在位移传感器的另一实施例中，磁通量成形极块与各自的第一和第二磁铁是一体的。
在位移传感器的又一实施例中，第一和第二磁铁是永久性磁铁。
在位移传感器的又一实施例中，每个磁通量成形极块在主磁通量图形平面中为五边形，形成一面对第一和第二磁铁之间的纵向空间的窄面。根据位移传感器的该实施例的一个方面，每个磁通量成形极块的窄面的尺寸在穿越主磁通量图形方向的要比沿纵向空间中的线的长度方向的要宽。
根据本发明的另一方面，为检测第一与第二元件之间的相对位移的磁位移传感器的磁铁磁极设置一磁通量成形极块。磁铁与另一磁铁安排成一个磁铁的北极面对另一磁铁的南极，一个磁铁的南极面对另一磁铁的北极，以在磁铁之间形成一纵向空间。极块具有磁性材料，其形状做成能修整纵向空间中的边缘磁通，使纵向空间中的磁通密度基本上沿在一个磁铁的北极与另一磁铁的南极之间的一点与一个磁铁的南极与另一磁铁的北极之间的一点之间的纵向空间中的一线线性变化。
在磁通量成形极块的一个实施例中，磁通量成形极块是一添加于磁极的金属极块。可用磁铁所显示的磁力保持极块与磁极接触。或者，用粘结剂将极块连接于磁极。
在磁通量成形极块的另一实施例中，磁通量成形极块与磁体一体。
在磁通量成形极块的又一实施例中，磁通量成形极块在主磁通量图形平面中为五边形，形成一面对磁磁铁之间的纵向空间的窄面。在磁通量成形极块的该实施例的一个方面，磁通量成形极块的窄面的尺寸在穿越主磁通量图形方向的要比沿纵向空间中的线的长度方向的要宽。
附图简要说明
图1是具有本发明磁通量成形极块的磁位移传感器的立体图。
图2是一放大的立体图，为清楚起见，图1中所示的磁位移传感器的一部分取下了。
图3是一立体图，它示出了总的沿图2中箭头3的方向截取的磁位移传感器的磁性部件组件和磁场传感器组件。
图4是图3所示组件的俯视图。
图5是图3和4中所示的磁性部件组件的分解图。
图6是磁性部件组件的两磁铁的一立体图，其中为清楚起见若干部分未示出，只示出了磁场传感器在两磁铁之间。
图7是一示意图，它示出了图3-5中所示的磁性部件组件和相应的磁通量图形。
较佳实施例的详细描述
图1是一磁位移传感器的立体图，该磁位移传感器具有本发明目前的较佳实施例的磁通量成形极块。磁位移传感器包括一可动的磁铁组件10(图2-5中详细示出)和一磁场传感器组件20。磁场传感器组件20通过安装臂34安装于一固定的仪器外壳30和一固定的致动器轭32。如图2所示，磁铁组件10设置成使阀杆(valve stem)106沿箭头38的方向线性或往复移动。杆连接件102连接在致动器座104与阀杆106之间。致动器座104将一诸如压力响应振动膜(未示出)的阀致动器的线性移动传输到阀杆106，阀杆106又以本领域所熟知的方式操纵阀塞(未示出)，以在控制下打开和关闭阀。
尤其如图2-5所示，磁铁组件10包括一支承空腔64和66中的永久性条状磁铁52和54的外壳50。尤其如图5所示，磁铁52和54设置成磁铁之一诸如磁铁52的北极56朝向外壳50的顶部，南极58朝向外壳50的底部。另一磁铁诸如54与磁铁52相反，其北极62在外壳50的底部，其南极60在外壳50的顶部。外壳50确定了磁铁52和54的方向，使面对面的表面57彼此平行，并平行于在两磁铁之间的纵向空间的纵向线81。虽然磁铁52和54可以是电磁铁或永久性磁铁，但较好的是永久性磁铁，因为它便于用于传感器中并不需要单独的电源。磁铁52和54最好是铝镍钴V形(Alnico V)磁铁。要知道的是，磁铁52和54是一种恒磁通源。
尤其如图5所示，磁铁52和54的每一极56、58、60和62添加一磁通量成形极块70。极块70可由任何合适的磁性材料诸如G10100冷轧钢所构成。由于极块是磁性的，分布在磁铁52和54周围的磁力使极块70保持与磁极接触，所以不需要环氧、粘结剂或类似物质。或者，可采用一种粘结剂将极块70连接到各自的磁极上。
在本发明的另一实施例中，磁通量成形极块70不是与磁铁52和54分开的零件，而是磁铁本身的整体的一部分。因此，磁铁52和54可与作为磁铁整体的一部分的极块70一起铸成。在这样一个实施例中，每个磁铁(具有极块)是放置在外壳50的空腔64和66中的单个零件。
极块70提供了最佳的磁位移传感器性能。通常，磁铁在极上显示边缘磁通量，形成引起不准确或错误的磁位移传感器性能的非线性磁通量变化。极块70将磁通“修整”成在磁通量密度中提供线性变化。通过修整边缘磁通量，极块70使磁铁长度上的磁通量量度都线性化，由此能引人注目地增加磁铁和磁位移传感器的使用范围。
如图5和7所示，极块70为五边形，从主磁通量图形的平面看(图7)，有两对彼此垂直的平行表面。五边形的窄表面71形成窄面，它穿过主磁通量图形的尺寸(进入图7的纸面并沿图5的线83)明显比沿磁铁52和54长度方向的要宽。更具体地说，我们通过实验确定，极块70的五边形使磁位移传感器的整个长度上的线性性能最佳化。五边形极块70的尺寸取决于磁铁52与54之间的分离距离、磁铁的长度和磁铁的横截面面积。因此，不同磁铁尺寸和空间需要不同的极块五边形尺寸。
各个五边形极块70的面71平行于各个条状磁铁52和54的表面57对于本发明而言是重要的。如果磁极面53不垂直于各自磁铁的表面57，就必须在磁铁表面53与各自的极块70的表面55之间穿入一磁性垫片或其它衬垫(甚至是粘结剂)以保证表面71平行于磁铁的表面57。因此，如果极面53有缺口或者损坏而形成了一不垂直于磁铁长度的表面，用垫片修补可以使磁铁继续使用。
尤其如图3和4所示，磁场传感器组件20包括一在外壳50中的磁铁52与54之间延伸的非磁性圆柱体82。可用于圆柱体82的材料有铝或陶瓷。圆柱体82包括一诸如霍尔效应传感器的磁场传感器80，它放置在磁铁52与54之间的磁铁组件10的附近。磁场传感器80通过一乙缩醛塑料套管85安装在圆柱体82之内，用键使圆柱体82内的传感器80精确定位在0.002英寸之内。圆柱体84塞入仪器外壳30(图1和2)，使电子线路的配线馈通。在本发明的一种形式中，外壳30由一种合适的非磁性材料诸如铝或硬塑料制成。非磁性紧固件86使传感器组件20的外壳安装到外壳30，安装臂34将外壳30安装到固定的致动器轭32。
如图2所示，磁铁组件10的外壳50通过穿过外壳50中的各个槽98和100而紧固的销钉92、垫圈94和螺母96连接于支架90。此外，支架90连接于一杆状连接件102，而杆状连接件102将螺纹致动器座104连接于一阀的阀杆106。因此，磁铁组件10刚性连接于其位置由本发明的位移传感器监控的阀的阀杆/致动器组件。当阀杆106沿箭头38的方向运动时，杆状连接件102和支架90使磁铁组件10相对于磁场传感器组件20运动。磁场传感器80(图6)保持不动，那是因为它连接于固定的致动器轭32和仪器外壳30。磁铁组件10沿箭头38方向的运动使磁铁组件与磁场传感器组件20的磁场传感器80之间相对位移。因此，穿过磁场传感器80的磁通密度随致动器104和阀杆106的位移而改变。
图6是一立体图，它示出了位于添加有磁通量成形极块70的磁铁52与54之间的磁场传感器80，图7示出了磁铁52与54之间的磁通线110。最好是，磁铁52和54具有相同的磁强度，使线81位于磁铁52和54之间的中心并平行于它们的表面57，线83沿表面57的宽度方向垂直于线81，而且线83在极块之间的中心和磁铁52和54的沿表面57宽度(图5和7)的边缘之间的中心的中点112与线81相交。在中点112，磁通密度为零。将传感器80放置在磁场强度为零的中点112并校准该传感器来校准传感器。
沿磁铁之间的纵向线81，均匀的磁通量密度从组件的中点朝向各极增加到直接在极面71之间的最大磁通量密度。由于各极的方位是相反的，磁通量方向在中点各侧上的线81的区域是相反的。因此，磁通量密度沿线81从沿一组极面之间的一个方向的最大量经在中点112的零到沿另一组极面之间的相反方向的最大量。使用中，磁场传感器80位于线81上的磁铁52与54之间的中间，使得当磁铁组件沿平行于线81的箭头38(图2)的方向往复移动时，传感器80穿越在旁边滑动的磁铁之间的磁通量图形，产生与相对于磁铁组件1的场传感器80的相对位置成比例的电压。通过修整边缘磁通量，极块70使磁铁整个长度上的磁通量度量线性化。因此，极块70引人注目地增加了磁场传感器80所产生的电压读数的使用范围和精确度。
虽然结合较佳实施例描述了本发明，但本领域的熟练人员应理解，在不脱离本发明的基本精神和范围的情况下可进行各种形式和细节的改变。

Claims (22)

1.一种检测第一和第二元件之间的相对位移的位移传感器，它包括：
一磁铁组件，它具有
一安装于第一元件的磁铁组件外壳，
安装于磁铁组件外壳的第一和第二磁铁，使第一磁铁的北极面对第二磁铁的南极，第一磁铁的南极面对第二磁铁的北极，其中磁铁组件外壳支承第一和第二磁铁，以在第一和第二磁铁之间形成一纵向空间，以及
在第一和第二磁铁的每一北极和南极上的一磁通量成形极块，磁通量成形极块的形状做成能修整纵向空间中的边缘磁通，使纵向空间中的磁通密度基本上沿一在基本平行于至少一个磁铁的长度和在第一和第二面对面磁极之间延伸的纵向空间中的一线线性变化；以及
一磁场传感器组件，它有
一安装于第二元件的一传感器外壳，以及
一磁通传感器，在第一与第二磁铁之间的纵向空间中的线上安装于传感器外壳。
2.如权利要求1所示的位移传感器，其特征在于，第一和第二磁铁是永久磁铁。
3.如权利要求1所示的位移传感器，其特征在于，每一磁通量成形极块是一添加在第一和第二磁铁的各自磁极上的金属极块。
4.如权利要求3所示的位移传感器，其特征在于，可用各个磁铁所显示的磁力使极块连接于各自的磁极。
5.如权利要求1所示的位移传感器，其特征在于，每个磁通量成形极块与各自的第一和第二磁铁是一体的
6.如权利要求1所示的位移传感器，其特征在于，第一和第二磁铁是长度基本相同和宽度基本相同的在相对两端具有磁极的I形磁铁，其中，I形磁铁形成彼此基本平行的面对面的表面以形成纵向空间，其中纵向空间中的线基本上平行于两面对面的表面，并在两面对面表面之间的中间部位和穿过两磁铁宽度的中间延伸磁铁的长度。
7.如权利要求1所示的位移传感器，其特征在于，每个磁通量成形极块在穿过纵向空间的主磁通量图形平面中为五边形，五边形形成一面对第一和第二磁铁之间的纵向空间并平行于纵向空间中的线的窄面。
8.如权利要求7所示的位移传感器，其特征在于，窄面在一平行于各个磁铁长度的平面中。
9.如权利要求8所示的位移传感器，其特征在于，每一磁极有一基本垂直于各自磁铁长度的极面，每一磁通量成形极块是一具有添加在各自极面上的第二面的金属极块，第二面垂直于窄面，极块在各自磁极上的方向是使窄面平行于磁铁的长度。
10.如权利要求9所示的位移传感器，其特征在于，每个磁通量成形极块的窄面的尺寸在穿越主磁通量图形上的比沿纵向空间中的线上的要宽。
11.如权利要求7所示的位移传感器，其特征在于，每个磁通量成形极块的窄面的尺寸在穿越主磁通量图形上的比沿纵向空间中的线上的要宽。
12.如权利要求7所示的位移传感器，其特征在于，每一磁通量成形极块是添加在第一和第二磁铁的各自磁极的金属极块。
13.如权利要求12所示的位移传感器，其特征在于，每个磁通量成形极块的窄面的尺寸在穿越主磁通量图形上的比沿纵向空间中的线的长度上的要宽。
14.如权利要求7所示的位移传感器，其特征在于，第一和第二元件之一是一阀致动器和阀杆外壳，第一和第二元件中的另一个是一固定的外壳，由此，位移传感器检测阀杆与固定外壳之间的线性位移。
15.如权利要求1所示的位移传感器，其特征在于，第一和第二元件之一是一阀致动器和阀杆外壳，第一和第二元件中的另一个是一固定的外壳，由此，位移传感器检测阀杆与固定外壳之间的线性位移。
16.一种用于磁位移传感器的第一磁铁一磁极的磁通量成形极块，以检测第一与第二元件之间的相对位移，其中该第一磁铁与一第二磁铁安排成第一磁铁的北极面对第二磁铁的南极，第一磁铁的南极面对第二磁铁的北极，以在第一与第二磁铁之间形成一纵向空间，极块包括：
一磁性材料，具有设置成连接到第一磁铁磁极的连接表面和一配置，该配置设置和安排成使得当极块连接于第一和第二磁铁磁极上时，每一极块能修整纵向空间中的边缘磁通，使得纵向空间中的磁通密度沿第一和第二磁铁的面对面磁极之间的纵向空间中的一线基本上线性变化。
17.如权利要求16所述的磁通量成形极块，其特征在于，磁通量成形极块是一添加于指明第一的磁铁一磁极上的金属极块。
18.如权利要求17所述的磁通量成形极块，其特征在于，将极块做成可用指明第一的磁铁所显示的磁力保持与磁极接触。
19.如权利要求18所述的磁通量成形极块，其特征在于，在穿过纵向空间的主磁通量图形平面中为五边形，并形成一面对指定第一的和另一磁铁之间的纵向空间并当极块连接于磁极时平行于纵向空间中的线的窄面。
20.如权利要求19所述的磁通量成形极块，其特征在于，当极块连接于磁极时，窄面平行于磁铁的长度。
21.如权利要求20所述的磁通量成形极块，其特征在于，连接表面垂直于窄面，连接表面确定磁极上的极块方向，使窄面平行于磁铁长度。
22.如权利要求19所述的磁通量成形极块，其特征在于，当极块连接到磁极上时，磁通量成形极块的窄面的尺寸在穿越主磁通量图形上的比沿纵向空间中的线长度上的要宽。
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