CN1846116A - 电容型位置传感器和测知方法 - Google Patents

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CN1846116A CNA2004800250779A CN200480025077A CN1846116A CN 1846116 A CN1846116 A CN 1846116A CN A2004800250779 A CNA2004800250779 A CN A2004800250779A CN 200480025077 A CN200480025077 A CN 200480025077A CN 1846116 A CN1846116 A CN 1846116A
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Abstract

一种用来确定往复运动构件位置的传感器，所述的传感器包括：由固定电极和屏蔽电极组成的固定电极支撑结构，所述的固定电极与所述的屏蔽电极电绝缘；以及移动电极，所述移动电极的移动位置与所述往复运动构件的运动成正比；其中所述的固定电极和所述的移动电极形成电容结构，所述的电容结构有与所述往复运动构件的瞬时位置成正比的可变电容。

Description

电容型位置传感器和测知方法
[0001]    本发明涉及诸如活塞之类的往复运动构件，更具体地说涉及用来瞬时监测其位置的装置和方法。
[0002]    各种不同的应用需要关于快速往复运动构件的位置的测知和最终确定。这样的往复运动构件的可仿效的类别包括在自由活塞内燃机、液压缸和气压缸中的活塞，和在自由活塞斯特林发动机(FPSE)或压缩机中的活塞和压气活塞。
[0003]    虽然传统的内燃机是被普遍使用而且有许多优势，但是与这些发动机相关联的废气排放往往超过可接受的水平。除此之外，这些发动机可能有过度的噪声而且需要频繁的维护。斯特林发动机代表这些领域中的进步，因为它们在运转中极为有效和安静，而且它们可能被配置成事实上不产生任何排放物。
[0004]    与斯特林发动机相关联的共同应用是借助自由活塞斯特林发动机(FPSE)驱动的直线交流发电机从热能产生电能。在这些类型安排的实际应用中，由于负载阻抗的变化和一些或全部负载的连接和断开，在正常操作期间，电负载的功率要求实质上是变化的。此外，操作温度和其它变量在操作期间可能这样改变以致在功率要求方面随着时间逝去造成小的和并非如此小的改变。
[0005]    在广泛的电力要求和发动机温度条件的范围内获得最佳的自由活塞发动机-交流发电机设备效率，需要控制动力活塞位移。不仅需要依照电负载和发动机温度条件通过连续调节动力活塞位移维持最佳的设备效率，而且在安全界限之内维持斯特林发动机的行程振幅也是至关重要的。如果强加在FPSE上的负载被突然减少相当大的数量，那么发动机的行程振幅将相应地被突然增加。如果振幅方面的增加是足够大，那么活塞可能撞击其活塞缸，从而由于活塞而且有可能还有活塞缸的变形造成无法恢复的发动机故障。另一方面，如果负载被相当大地并且突然的增加，那么行程振幅可能被突然减少到发动机不再能够振荡的点上。
[0006]    迄今，已有两种主要的解决这些潜在问题的办法。在第一种情况下，使活塞行程成为本质上自我限制的。依照一种途径，压气活塞依靠直线电动马达的振荡运动被机械地驱动。这样，诸如压气活塞行程振幅之类的驱动参数受到控制，以便间接控制活塞行程振幅和交流发电机输出电压。尽管这种途径通常是有效的，但是它确实有许多缺点。首先，它需要附加的机电装置和控制电路，从而增加成本和复杂性。此外，由于机械部份的惯性，对负载变化的响应时间可能是缓慢的。
[0007]    在解决活塞和压气活塞振幅的控制问题的第二类办法中，可以使用主动方式，其中测量活塞和/或压气活塞位置并且基于该测量结果完成系统控制。在FPSE驱动直线交流发电机的情况下，交流发电机电枢中的感应电压可能用来最后确定活塞位置。典型地，这是依靠获得行程振幅通过电枢感应电压实现的。
[0008]    这类解决办法也有缺点。具体地说，存在负载电流取决于由于电枢线圈的电阻和电感而产生的电压降。而且，直接影响电枢感应电压的交流发电机场磁铁的强度将随着温度和随着时间逝去改变。电阻和电感的电压降必须在位置计算时予以解释，因为在实际测量可观测的交流发电机接线端电压期间负载电流正在流动。虽然如果磁铁温度能被估计出来，随着温度的可恢复的磁铁强度的变化或许能得到补偿，但是难以解决磁铁老化造成的变化。此外，如果磁铁达到在它们的操作B-H特性曲线中呈现显著的“膝部”的温度，那么当它们暴露在强烈的电枢反作用场中的时候可能遭受无法恢复的强度损失。这样的变弱不容易被发现而且能引起对活塞偏移的掩饰从而导致损坏性的冲击。不幸的是，在许多现有技术的解决办法中，电压降和场磁铁强度变化不被考虑，于是不准确的数据产生。另一方面，为了考虑电压降，附加的控制电路和计算必须被执行。
[0009]    许多用来监测往复运动构件位置的现有技术的方法是使用磁性的，电磁的和光学的感知技术。使用这些在时间和温度起伏情况下足够坚固和稳定的现有技术的方法监测活塞位置的解决办法可能过于昂贵而无法实现。笼统地说，电容型传感器是已知的，而且进一步知道这些传感器可以用来确定横向定位，包括关于往复运动构件的位置测知。举例来说，Moser在美国专利第4,587,850号中揭示了一种用来通过使用由在电容结构的固定电极之间的电介体移动组成的可变阻抗，以探测和测量活塞在活塞缸中移动的装置。在确定位置方面使用可变的电容结构是基于这样的前提，即电容量变化以电极的位置关系为基础。在大多数情况下，电容的变化以与由此产生的电容量成反比的两个电极之间的距离变化为基础。
[0010]    不幸的是，因为电极间距离和电容量之间的关系是非线性的，鉴于传感器以这种关系为基础，困难可能出现。具体地说，电容量在实际应用中可能是极小的，而且由于这种非线性位置-电容量反比关系同时适应在一个位置极值如此小的变化而在另一个位置极值大得多的变化，因此可能在传感器测量和由此产生的控制操作方面导致棘手的误差。因此，这些类型的传感器可能需要昂贵的、复杂的附加的信号校正处理。
[0011]    除了关于测知本身出现的问题之外，在现有技术的解决办法方面的关于信号处理方面的其它困难已经出现在一旦测知已经完成时。举例来说，能起因于电极间的间隔变化(举例来说，在1-20毫米的范围内)的小的传感器电容量变化(举例来说，大约正或负25pF)可能难以传输和处理。这是由许多因素造成的，包括，举例来说，由传输电缆本身有可能因电缆弯曲改变的基线电容量被这一事实引进的电容量误差。此外，当操作变化很小的时候，寄生电容误差很容易被引进并且与信号处理相结合可能变得非常棘手。
[0012]    一方面是提供一种用来监测多种系统和应用里面的往复运动构件的瞬时位置的传感器装置和方法。
[0013]    另一方面是提供这样一种经济、可靠而且准确的传感器。
[0014]    又一方面是提供这样一种可以与FPSE中活塞或压气活塞结合使用的传感器。
[0015]    本发明的更进一步方面是提供一种基于电容变化起作用的、使用高度线性的转移功能操作的，而且对互连电缆和寄生电容不敏感的传感器装置和方法。
[0016]    本发明的传感器的优选形式包括各种不同的实施方案。一个这样的实施方案包括用来监测诸如FPSE中的活塞或压气活塞之类快速往复运动的构件的位置的简单的和坚固的可变的同轴电容型传感器和探测方法。本发明的同轴电容器在其优选实施方案中被配置成调节电容的电极面积而不是电极间的间隔，因此高度线性的转移功能能实现。另外，揭示了在抑制寄生电容误差的同时推演和处理与有小的传感器电容量变化的应用有关的信号的探测方法。
[0017]    依照一个实施方案，本发明的传感器是这样构成的，以致一对同轴的管子构成电容结构。在一个实施方案中，内部的管子被固定在适当的位置，而外部的管子依照轴线方向自由移动。外部的管子可能被，举例来说，附着到活塞或压气活塞或其零部件上。两个管子是为包括充当电极表面的传导性材料而形成的。当外部的管子相对于固定的内部的管子沿着轴线方向移动的时候，用管子表面的重叠部分限定的面积改变而且与电容变化结果直接相关。通过如同本文教导的那样测定电容变化，附着在外部的管子上的往复运动的构件或其它移动的零部件的位置可以被准确有效地测量和确定。
[0018]    本发明的传感器相对现有技术提供许多优势。举例来说，在此揭示的传感器有非常简单的构造。它不需要光学元件或磁性元件而且可以使用一个或多个现有的零部件作为固定电极或移动电极或两者。附加的优势起因于依照本发明的教导的传感器电容量只受交叠电极的几何形状控制这一事实。因此，测量的准确性不像磁性的和电光学的方法那样受成分老化和由此产生的物理性质成分变化的影响。
[0019]    依照此方法，提供一种用来确定往复运动构件的位置的传感器，所述的传感器包括：
由固定电极和屏蔽电极组成的固定电极支撑结构，所述的固定电极与所述的屏蔽电极电绝缘；以及
移动电极，所述的移动电极的移动位置与所述的往复运动构件的运动成正比；
其中所述的固定电极和所述的移动电极形成电容结构，所述的电容结构有直接与所述往复运动构件的瞬时位置成比例可变的电容量。
[0020]    另外，提供一种包括动力活塞的自由活塞斯特林发动机，所述的自由活塞斯特林发动机有能力借助电容型位置传感器确定所述动力活塞的瞬时位置，所述的电容型位置传感器包括：
由固定电极和屏蔽电极组成的固定电极支撑结构，所述的固定电极与所述的屏蔽电极电绝缘；以及
移动电极，所述移动电极的移动位置与所述的动力活塞的运动成正比；
其中所述的固定电极和所述的移动电极形成电容结构，所述的电容结构有直接与所述的动力活塞的瞬时位置成比例的可变的电容量。
[0021]    进一步提供的是一种电容型位置传感器，其中包括：
由固定电极和屏蔽电极组成的固定电极支撑结构，所述的固定电极与所述的屏蔽电极电绝缘；以及
移动电极，所述的移动电极移动位置与往复运动构件的运动成正比；
其中所述的屏蔽电极是在与所述固定电极的电位相同的电位下驱动的。
[0022]    此外，本发明提供一种用来确定往复运动构件的位置的方法，所述的方法包括下述步骤：
(i)提供固定电极和屏蔽电极，所述的固定电极与所述的屏蔽电极电绝缘；
(ii)提供移动电极，所述的移动电极的移动位置与所述往复运动构件的运动成正比；以及
(iii)定期测量在所述固定电极和所述移动电极之间的电容量，以便确定所述的往复运动构件的瞬时位置。
[0023]    此外，本发明提供一种用来控制往复运动构件的运动的方法，所述方法包括下述步骤：
(i)提供固定电极和屏蔽电极，所述的固定电极与所述的屏蔽电极电绝缘；
(ii)提供移动电极，所述移动电极的移动位置与所述往复运动构件的运动成正比；
(iii)定期测量所述固定电极和所述移动电极之间的电容量，以便确定所述往复运动构件的瞬时位置；以及
(iv)基于所述往复运动构件的所述的已确定的瞬时位置控制所述往复运动构件的运动。
[0024]    如同下面进一步详细描述的和熟悉这项技术的人将会了解的那样，本发明的其它实施方案也是可能的。举例来说，当电极彼此相对移动的方式变化的时候，电极的其它配置是可能的。
[0025]    现在将参照仅仅作为例子给出的本发明的优选形式和参照附图更详细地描述这项发明，在这些附图中：
[0026]    图1是依照本发明体现在活塞、活塞缸和交流发电机组件之中的电容型传感器的剖面图；
[0027]    图2是图1所示的电容传感器组件的更详细的剖面图；
[0028]    图3是依照其一个实施方案本发明的电容型传感器的剖面图；
[0029]    图4是依照本发明的一个优选实施方案在电压不变的情况下使用可变的电流探测结果的用于信号调节的电路的电路图；
[0030]    图5是依照本发明的另一个优选实施方案在电压不变的情况下使用可变的电流探测结果的用于信号调节的电路的电路图；
[0031]    图6是依照本发明的另外一个优选实施方案在电压不变的情况下使用可变的电流探测结果的用于信号调节的电路的电路图；
[0032]    图7是依照本发明的另一个优选实施方案在电流不变的情况下使用可变的电压探测结果的用于信号调节的电路的电路图。
[0033]    现在介绍在图1-7中举例说明的实施方案，其中相似的数字用来通篇指定相似的部份。
[0034]    图1、2和3示出本发明的电容型传感器。如同熟悉这项技术的人将会了解的那样，本发明的教导不必局限于在此揭示的斯特林发动机、活塞或特定的测知环境。具体地说，在此教导的特定的传感器结构和信号调节方法有广泛的应用而且可以在许多环境和应用中实现。本发明的范围仅仅受权利要求书的限制。
[0035]    依照本发明的优选实施方案，本发明的电容型传感器是连同把机械能转变成电能的FPSE驱动的交流发电机一起使用的。活塞/交流发电机组件100仅仅是可以应用本发明的电容型传感器和信号调节技术的一种应用。伴随的描述仅仅是为了说明的目的提供的，本发明不应该被解释成仅限于此。
[0036]    关于这个可仿效的实施方案，活塞130在活塞缸150中往复运动。在这个实施方案中，活塞130可以是装在组件100里面的多个活塞之一，或者它可以是组件100中唯一的活塞。产生电能的交流发电机170包括套筒140。套筒140充当在此也被称为外部电极并且在下面更详细地描述的电容器移动电极。在一个实施方案中，套筒140也可以起支撑装在交流发电机里面的一个或多个交流发电机环形磁铁160的作用。在这种情况下，有本发明的独创的电容型传感器的组件100能借助翻新改造现有的发动机/交流发电机组合产生。
[0037]    活塞/交流发电机组件100进一步包括一个用诸如塑料之类非传导性材料形成的固定电极180。如同下面描述的那样，传导性镀层被加到固定电极180的特定部分。在一个实施方案中，塑料可以被用作固定电极180的材料，只要选定的特定塑料适合用导电材料(例如，铜)电镀即可。
[0038]    固定电极支撑110可以被制成固定电极180的延伸段，而且它可以进一步包括用来把固定电极180和固定电极支撑110紧固到交流发电机机体上的孔。固定电极支撑110优选用塑料之类的非导电材料制成。固定电极支撑110和固定电极180的组合优选作为图2所示的有法兰的管子制成。代表固定电极180的管子的外表面被涂上一层诸如铜之类的导电材料。此外，代表固定电极支撑110的法兰部分的内表面和底部也被镀上诸如铜之类的导电材料。固定电极支撑/固定电极部件的其余部分通常仍然是非导电的而且是为了使固定电极180与屏蔽电极120电绝缘，和使这两个电极与维持在接地电位的交流发电机和发动机结构隔离而专门设计的。
[0039]    作为部分的固定电极支撑结构110被包括在内的屏蔽电极120被包括在内以将寄生电容误差减到最小，如同下面更详细地描述的那样。在本发明的优选实施方案中，屏蔽电极120被接到维持屏蔽电极120以及互连电缆屏蔽层在与固定电极180相同的电位借此抑制任何电流流过这些元素和固定电极180之间的电容的屏蔽驱动电路上，用来拒绝它们对该测知方法的准确性的影响。所有的交流发电机零部件和活塞130、内部电极180和外部电极140的一部分被装在交流发电机壳体175之内。
[0040]    依照本发明的教导，当活塞130在活塞缸150里面往复运动的时候，引起直接固定在活塞130上的外部电极140沿着轴线方向朝向和远离在交流发电机壳体175顶端的管端盖帽195移动。这种往复运动转化为固定电极180和外部电极140之间的相对运动，以致在发动机操作期间外部电极140和固定电极180之间重叠部分的大小随着时间推移而改变。当外部电极140在固定的内部电极180上来回移动的时候，固定电极180和外部电极140所形成的电容型结构的面积改变，从而导致电容型传感器的电容性质的改变，下面将予以更详细地描述。
[0041]    如同能在图1、2和3中看到的那样，在本发明的优选实施方案中，固定电极180和外部电极140在外形上都是圆筒形的而且本质上是空心的。为了允许外部电极140自由地来回移动，固定电极180的外径小于外部电极140的内径，同时把固定电极180的变化长度限制在外部电极140的内部之内。对于熟悉这项技术的人结合这份说明书的综述将变得显而易见，与本发明的电容型位置传感器相关联的固定电极和移动电极制成同轴的空心圆筒并非是必要的。而是，唯一的要求是两个电极一起形成有确定的依照待监测的移动构件的位移改变的面积动态关系的电容量的电容结构。举例来说，但不作为限制，使用诸如平板、正方形管子和圆形管子之类其它形状的电极实践本发明也是可能的。各个电极可能是同轴的(即，它们沿着轴线方向彼此重叠)，也可能不是同轴的，而且它们可能有取决于感知往复运动构件的位置的特定环境的各种不同的尺寸。
[0042]    在本发明使用同轴圆筒作为与活塞/交流发电机组件100相结合的电容器电极的优选实施方案中，固定电极180的外径可以是，举例来说，24毫米，而外部电极140的内径可以是，举例来说，24.5毫米。这导致在固定电极180的外表面和外部电极140的内表面之间有0.25毫米的极小的气隙。此外，在优选实施方案中，在电极之间重叠部分的标定长度在中央接合时是20毫米，两边各有大约10毫米的移动距离从而导致电容器长度范围从完全脱离时的10毫米到完全接合时的30毫米。当然，其它的长度、距离、气隙和其它的电容特性在不脱离本发明的范围或本质的情况下也可以使用。
[0043]    熟悉这项技术的人将会理解，固定的和移动的圆筒直径的不均匀热膨胀能改变间隙尺寸，并因此在暴露于包括典型的发动机操作条件在内的各种不同的条件之下期间引进随时间变化的测量误差。举例来说，在25毫米的管状电极上起作用的5ppm/℃的热膨胀系数的差异将会引起0.25毫米间隙在温度波动±40℃时改变±0.005毫米(±2％)。
[0044]    为了解决这个问题，使用塑造成金属管而不是上述的镀金属塑料管的固定电极180是可能的。无论如何，为固定电极180选定的材料应该与用于移动电极140的材料相配。另一方面，可以使用热膨胀系数一样或几乎一样的不同材料。
[0045]    至于固定电极180和相关的固定电极支撑结构110的构造，替代实施方案是可能的。一个替代实施方案要求使用由诸如钢或某种其它金属之类的传导性材料制成的有选择地涂上一层诸如TEFLON涂料或XYLAN涂料或其它类似涂料之类的不导电材料的管子，代替有选择地镀上一层诸如铜之类的导电材料的不导电的管子。
[0046]    现在已描述了本发明的电容型传感器和相关零部件的结构，下面的讨论提供关于它们的操作的特定信息。在本发明的一个实施方案中，电容型传感器被体现在装在斯特林发动机之内的活塞上。依照前面的讨论，在斯特林发动机运行时监测和控制活塞运动是非常符合需要的。监测可以通过使用本发明的电容型位置传感器来完成。基于活塞运动，尤其是通过本发明的教导确定的活塞瞬时位置，技术上已知的各种不同的控制参数(例如，关于斯特林发动机运行的)可以通过控制器进行调节以使效率达到最大值和获得预期的操作特性。仅仅作为例子，燃料流速可以依照本发明的教导基于活塞位置测量结果被有选择地调节。
[0047]    在这个实施方案中，传感器电容量在外部电极140相对内部电极180移动时改变。由于外部电极140的运动，限定在电容的电极140和180之间的面积随着时间推移改变。以微微法为单位的传感器电容的电容量C被给出：
                     C＝Kε0A/g
[0048]    其中K是空气的介电常数(1)，ε0是自由空间的介电常数(8.85微微法/米)，A是限定在电容器电极之间的面积(m2)和g(m)是电极之间的标定气隙。
[0049]    采用上述的电容型位置传感器的特定的几何结构，这个公式变成：
                     C＝Kε0πDL*10-3/g(微微法)
[0050]    其中D是电容器面积(mm2)的标定直径，而L是电容器面积的标定长度(毫米)。
[0051]    依照本发明的教导，如上所述，在一个可仿效的实施方案中，电容器面积的标定直径L是24毫米(固定电极180的外径)，电容器面积的标定长度是20毫米(固定电极180的中点和外部电极140的中点重叠)，而外部电极140和固定电极180之间的标定气隙g是0.25毫米。这导致电极在中点接合时(即，当有20毫米重叠，L＝20mm的时候)电容量为Co＝33.5pF。进而，在完全接合有30毫米的重叠时，Cmax＝50pF。类似地，在完全脱离，有10毫米的重叠时，Cmin＝16.8pF。
[0052]    因此，人们能看到，依照本发明的一个实施方案，电容量范围从完全脱离时大约16.8pF的数值变化到完全接合时的大约50.3pF。在中值电容量大约为33.5pF时，为了正确地感知位置和基于那些位置测量结果应用必要的控制算法，感知电容量数值的比较小的变化(即，大约±17pF)变成必要的。
[0053]    依照本发明，这些比较小的电容量数值通过使用可以遏制寄生电容、允许获得准确的读数和允许令人满意的系统控制的各种不同的技术、电路和方法进行测量和起作用。现在讨论那些技术和相关的方法。
[0054]    “信号调节”方法的各种不同的实施方案和相关的电路是为与本发明的电容型位置传感器结合使用和为了其它目的而存在的。尽管现在描述的信号调节方法是就处理作为本发明的位置传感器功能的结果产生的电容量数值描述的，但是本文的信号调节教导变成与很多的其它应用结合使用，这对于熟悉这项技术的人将是显而易见的。
[0055]    现在描述需要结合本发明的位置传感器进行信号调节的基础。需要进行信号调节的主要理由是在抑制在有不想要的和/或不受欢迎的电容性质的系统和结构部件里面将会由于寄生电容出现的误差的同时产生与测知的电容量成比例的电信号，例如，电压。这些寄生电容量能引起与位置测知相关联的误差，该误差就进行位置测量和/或控制发动机操作的目的而言从较小的变化到毁灭性的。进而，这些寄生电容本身的大小倾向于随着时间推移变动，举例来说，由于组件100内的零部件运动。一种类型的寄生电容来自在为了把容纳在自由活塞斯特林发动机交流发电机单元的密封压力容器里面的电容型传感器与外部的信号调节电路连接起来而提供的电缆的导线之间的电容。即使这样的电缆长度很短，其电容量也可能超过最大的测知电容量数值。
[0056]    此外，就上述的与活塞/交流发电机组件100有关的位置传感器安排而论，移动电极140对组件100的结构被有效地接地(如同下面描述的那样没有金属与金属的接触)。活塞140和活塞缸有不导电的涂层，例如，为了提供自润滑性质，活塞上的Teflon涂层或Xylan涂层和活塞缸150上的硬表面涂层。在这种情况下，由于在活塞140和活塞缸150之间有可能比传感器电容量的最大数值大100倍以上的非常大的电容量，移动电极140对组件100的结构被有效地接地。因此，与大得多的活塞-活塞缸电容串联连接的小的传感器电容的非常高的阻抗大体上抑制流过传感器的电流，从而导致没有测量误差或可以忽略的测量误差。
[0057]    另一方面，固定电极180可能对地产生寄生电容，该寄生电容引起的潜在误差效果被本发明减轻。固定电极180不像移动电极140那样接地，因此，在活塞/交流发电机组件100里面在固定电极180和周围的各种零部件和结构之间存在电容。举例来说，一种这样的结构是交流发电机壳体175。
[0058]    如同前面提到的那样，屏蔽电极120用来阻断固定电极180和任何其它接地结构(例如，管端盖帽195)之间的任何电容路径。屏蔽电极120通过在固定电极180和组件100里面的各种不同的其它结构之间插入金属屏蔽中断任何潜在的泄漏路径。依照下面关于各种不同的信号调节电路的讨论，屏蔽电极120在操作期间是以与固定电极180的电位相同的电位驱动的。因此，没有电流流动而且由此产生的有效电容量实际上为零。
[0059]    本发明的信号调节方法的第一实施方案是使用可变的电流探测为了产生可以与，举例来说，活塞和/或压气活塞在斯特林发动机里面的运动相结合用于控制目的的信号。这个实施方案是结合图4描述的。为了下面的讨论，假定所产生的输出信号可以是被变成对技术上已知的用于控制和其它目的的处理器(例如，诸如Texas Instruments TMS320LF2407A或Analog DevicesADMC401之类混合信号数字信号处理器(DSP)的模数转换器(ADC)输入)可用的与电容量并因此与活塞位置成比例的连续模拟电压。该数字信号处理器也能用来产生下面描述的传感器激励载波，或者该信号可以来源于另一个装置。
[0060]    现在明确地参照图4，它展示使用可变的电流探测结果进行信号调节的一个特定的电路。这种安排有效地允许比较小的电容量变化(大约±17pF)，导致上述的要处理的测知结构借助下面描述的“有源”防护屏蔽技术产生与传感器电容量成比例而且实质上不受先前描述的寄生电容影响的连续模拟电压。这种技术起抑制寄生分路电容的作用，包括任何在场的屏蔽线的电容。在这个实施方案中，三角波等幅电压电源302把激励提供给该电路。由固定电极180和移动电极140组成的测知电容器314与上述的活塞对活塞缸的固定电容316串联。如上所述，这个电容本质上是接地的并且不引起寄生电容误差。电压电源302与测知电容器314和活塞-活塞缸电容器316两者的串联连接相并联。屏蔽电极120对传感器电容器314的固定电极呈现电容308并且对邻近的接地结构呈现电容312。电容312被直接跨接在激励电源302的接线端并且没有对测量程序的可信度或准确性产生影响。
[0061]    因为被防护的泄漏电容器308的两边被维持在相同的电位，没有电流流过被防护的泄漏电容器308，所以电容量实际上为零。
[0062]    交流电流传感器306可以是，举例来说，CoilcraftT6522-A表面安装的电流测知变压器。交流电流传感器306被放在电压电源302和测知电容器314之间以便感知流过测知电容器314的电流。此外，信号放大器304接受来自交流电流传感器306的信号。因为电流传感器306与该电路在流电学上绝缘，所以该放大器可以以地作为参考电位，以便进一步简化信号处理步骤和位置指示信号对数字信号处理器的终极互连。反映被放大的电流信号而且可以被控制处理器(未展示)使用的输出信号出现在输出节点318。作为上述安排的结果，电流振幅与测知电容器314的电容量成比例的方波输出信号出现在输出节点318上。该输出信号是随时间变化的，而且在以斯特林发动机/交流发电机的使用和上述的位置传感器安排为基础的时候，将反映随着时间推移活塞130的相对位置。输出方波的绝对值可以被取出，而且位置也可以在那个基础上被读出。结合这个实施方案使用各种不同的其它的调制信号也是可能的。举例来说，电压电源302可以提供将在输出节点318造成正弦波输出信号的正弦波调制信号，其借助在信号处理技术中众所周知的全波整流和随后的低通滤波的方法探测到的峰值振幅作为测知电容器电流、电容量以及移动电极140位置的度量。
[0063]    图5是在控制处理之前在信号调节中使用的替代电路的例证。这个电路也使用恒定不变的电压产生和探测与测知电容器相关联的可变电流。尽管这个实施方案需要下面讨论的两个电压电源，但是它消除了对交流电流传感器306的需要。就来自图4实施方案的交流电流传感器306可能把重要的无防备的寄生电容加到电路上而言，这个误差通常能借助下一个描述的图5的实施方案被消除。
[0064]    图5的实施方案通常类似于图4的实施方案，不同之处在于交流电流传感器306被接地参考分路电阻424代替，和添加第二激励电压电源422来驱动防护屏蔽410而不是如同在图4的实施方案中那样使用单一电压电源驱动防护屏蔽和测知电容器两者。电压电源402必须与地绝缘以准许插入接地参考分路电阻424。小型变压器可以用来实现这种绝缘，只要它初级和次级(输出)绕组和铁芯之间配备防护屏蔽即可。这个防护屏蔽能与防护屏蔽410和互连电缆屏蔽一起用电压电源422驱动。屏蔽驱动电源422是以地作为参考电位的而且不需要绝缘。依照图5实施方案，等幅三角波电压电源402给该电路提供激励信号。由固定电极180和移动电极140组成的测知电容器414与上述的活塞对活塞缸的固定电容416串联。如上所述，这个电容比传感器电容的最大值大得多并因此对测量程序没有重大的干扰。电压电源402与测知电容器414和活塞-活塞缸电容器416两者并联。屏蔽电极120(包括传感器与信号处理器的互连电缆的屏蔽)被直接接到屏蔽电极电压电源422上，并借此抑制在固定电极180和输电电缆和传感器防护屏蔽410之间的泄漏电容量408。
[0065]    因为防护泄漏电容器408的两边是处在相同的电位，没有电流流过该防护泄漏电容器408，所以该电容实际上为零。进一步的电容结构412存在于防护屏蔽410和地之间。然而，因为这个电容横跨电压电源402出现，所以该电容对所述测知方法的可靠性和准确性是无关紧要的。这要求注意用于分开防护的驱动的电压电源422有能力在不污染分路电阻424中的测知电流的情况下使电流流过泄漏电容412的理由。
[0066]    在接地参考分路电阻424上产生的信号电压与以地为参考电位的放大器404的输入耦合。横跨接地参考分路电阻的电压降的数量是如此小，以致可以假定来自电压电源422的防护电压和来自电压电源402的传感器电压实际上是相同的。横跨接地参考分路电阻424的电压可以随着时间逝去被监测。这依次允许计算流过接地参考分路电阻424的电流和实际计算传感器414的电容量。由此产生的信号被信号放大器404放大。
[0067]    反映被放大的电流信号而且可以被控制处理器(未展示)使用的输出信号出现在输出节点418上。作为上述安排的结果，电流振幅与测知电容器414的电容成比例的方波输出信号出现在输出节点418上。该输出信号是随时间变化的，而且在以使用斯特林发动机/交流发电机和上述的位置传感器安排为基础的时候将会反映活塞130随着时间推移的相对位置。输出方波的绝对值可以被拿取出，而且位置也可以在那个基础上被读出。结合这个实施方案使用多种其它的调制信号也是可能的。举例来说，电压电源402可以提供将在输出节点418造成正弦波输出信号的正弦波调制信号，其借助信号处理技术中众所周知的全波整流再低通滤波的方法探测到的峰值振幅作为测知电容器电流、电容量和移动电极的位置的度量。
[0068]    现在结合图6描述本发明的信号调节方法的又一个实施方案。这个实施方案类似于结合图5描述的实施方案，不同之处在于接地参考分路电阻424被取消，并且代之以改为用来监测传感器电流的跨阻抗放大器配置。这个实施方案从下述事实得到它的优势，即，虽然小而且在大多数情况下可以忽略，但是由于接地参考分路电阻424已从电路中除去，横跨接地参考分路电阻424的电压降也被除去。如同从图6清楚地看得的那样，反馈电阻526是与运算放大器504结合使用的。反馈电阻526保证没有网净余电流流进运算放大器504的加法结。通过使用反馈电阻526和通过把电压电源502与运算放大器504的加法结连接，保证所有的电流都流进运算放大器504的加法结，形成有效的虚拟地。通过监测用它的输出电压指示的流进和流出运算放大器504的加法结的电流，可变传感器514的有效电容量是可以确定的。
[0069]    在用图7举例说明的本发明的另一个实施方案中，使用电流不变但电压可变的电路获得传感器614的电容量的输出信号指示。依照这个实施方案，等幅方波或正弦波电流源602代替来自早先的实施方案的电压电源。电压输出器628产生等于恒流电源发展的电压的屏蔽驱动电压，而且是保证防护屏蔽电压停留在实际上与电流源602的电位相同的电位(即横跨电容器608的电压差实际上为零)必不可少的。获得流过传感器电容的电流的固定振幅所必需的由电流源发展的电压与传感器电容量数值成反比。往复运动构件的位置是用传感器电容器614两端可变的电压间接确定的。出现在输出点618上的模拟信号输出与传感器电容器614的电容量并因此与往复运动构件的位置成反比。熟悉这项技术的人将会理解，由于传感器电容量和电压变化之间的关系是非线性函数，这个实施方案不实现上述的本发明的全部优势，而且这个实施方案通常不是最优选的。然而，人们也将很容易理解，举例来说，数字信号处理器可能为了处理任何困难被用来实现转移函数线性化。
[0070]    熟悉这项技术的人将会理解，各种不同的附加信号调节技术可能适用于起因于依照上述各种不同的实施方案形成的电路的输出信号。举例来说，传感器和屏蔽可能是用正弦激励(“载波”)电压驱动的，而且后面跟着低通滤波器的全波整流器可以用来处理输出信号，重新获得指示移动电极140的位置的载波包络线振幅。就这一点而言，低通滤波器(例如，二级Butterworth LPF)应该用来削弱高阶解调成分只留下指示传感器电流并因此指示移动电极140的位置的载波包络线信号(“基带”)成分。
[0071]    关于快速移动的往复运动构件(例如，自由活塞斯特林发动机和内燃机中的活塞和压气活塞)，位置测量相位滞后当它对于了解瞬时定位情况至关重要的时候(例如，在评估工程师工作表现时)也可能是一个问题。在这些情况下，信号处理电路可以包括一个用来补偿低通滤波器相位滞后的相位超前网络。举例来说，相位滞后补偿在系统调谐期间是特别合乎需要的。在这种情况下，实时观测与瞬时压力波振幅有关的瞬时活塞位置和压气活塞位置对于调谐该系统是必不可少的。调谐之后，位置测知不需要相位信息。然而，其它的应用可能从借助相位超前网络补偿相位滞后中获益。
[0072]    关于为了说明监测自由活塞斯特林发动机动力活塞的位置与在此揭示的信号调节电路一起使用的低通滤波器设计，人们将会理解，传感器电容量变化在从零到80赫兹的标称工作频率fb的频率范围内将是简谐的。同样，全波整流器包络线探测器的输出将包含需要的基带信息信号和不想要的频率为2nfc±fb的高阶解调成分，其中n＝1、3、5…，对应的振幅下降为1/n。通过设定激励“载波”信号频率fc＞＞80赫兹，在基带信号频谱(0到fb)和高阶解调成分之间能提供大的频率“空间”。这允许低通滤波器在不引进重大的幅度或相位误差的情况下隔离在0到fb基带区域中的电容量变化信息信号。
[0073]    由于它的特性，滤波器将在0到fb基带区域中引进小的相位滞后，但是，依照前面的讨论，如果需要，这能通过引进相位超前网络得到抑制。LPF(低通滤波器)和相位超前网络，如果被包括在内，也将在0到fb的范围内引进能通过适当选择LPF“转角”频率和相位超前网络设计变成可接受的小的某种振幅响应变化。
[0074]    电容型传感器结构和信号处理方法已被揭示。人们将会理解，前面提供的教导有非常多的应用，尤其是与往复运动构件相关联的位置测知应用。虽然就在斯特林发动机中作直线运动的往复运动构件已提供上述讨论，但是其它的应用是可能的，本文的教导不必局限于斯特林发动机或作直线运动的往复运动构件。举例来说，本文中的传感器可以用在各种不同的应用中，包括各种不同的自由活塞应用，例如，斯特林发动机或压缩机或内燃机。除此之外，虽然上述揭示的重点放在监测往复运动机制的位置上，但是同样的面积调制的电容型传感器概念可以通过，举例来说，使用类似于曾经被广泛地用于调节收音机调谐电路的谐振频率的一个或多个固定的和旋转的金属板的可变电容器被应用于测知旋转运动。
[0075]    尽管主题发明已在附图和前面的陈述中被详细地举例说明和描述，但是所揭示的实施方案是说明性的但不适合作为限制。所有在本发明的范围之内的变化和修正都希望受到保护。

Claims (20)

1.一种用来确定往复运动构件位置的传感器，所述的传感器包括：
由固定电极和屏蔽电极组成的固定电极支撑结构，所述的固定电极与所述的屏蔽电极电绝缘；以及
移动电极，所述移动电极的移动位置与所述往复运动构件的运动成正比；
其中所述的固定电极和所述的移动电极形成电容结构，所述的电容结构有与所述往复运动构件的瞬时位置成正比的可变的电容量。
2.根据权利要求1的传感器，进一步包括电压源，而且其中所述的屏蔽电极是在与所述固定电极的电位相同的电位下驱动的。
3.根据权利要求1或2的传感器，其中所述的移动电极在结构和电两个方面与发动机的活塞接触。
4.根据权利要求1、2或3的传感器，其中所述的移动电极在结构和电两个方面与斯特林发动机的压气活塞接触。
5.根据上述任何权利要求的传感器，其中所述的移动电极包括交流发电机的套筒。
6.根据上述任何权利要求的传感器，其中所述的固定电极是用塑料制成的而且进一步包括至少一个传导性镀层区域。
7.根据上述任何权利要求的传感器，其中所述的可变的电容量起因于所述固定电极和所述移动电极之间的重叠数量变化。
8.根据上述任何权利要求的传感器，其中所述的移动电极和所述的固定电极是同轴放置的，而且其中所述的移动电极有选择地在所述的固定电极上滑动。
9.根据上述任何权利要求的传感器，进一步包括用来校正低通滤波器相位滞后的相位超前补偿网络。
10.一种包括动力活塞的自由活塞斯特林发动机，所述的自由活塞斯特林发动机能够借助电容型位置传感器确定所述的动力活塞的瞬时位置，所述的电容型位置传感器包括：
由固定电极和屏蔽电极组成的固定电极支撑结构，所述的固定电极与所述的屏蔽电极电绝缘；以及
移动电极，所述的移动电极的移动位置与所述动力活塞的运动成正比；
其中所述的固定电极和所述的移动电极形成电容结构，所述的电容结构有与所述的动力活塞的瞬时位置成正比的可变的电容量。
11.根据权利要求10的自由活塞斯特林发动机，其中所述的固定电极和所述的移动电极在外形上是圆筒形的，其中所述的移动电极和所述的固定电极是同轴放置的，而且其中所述的移动电极有选择地在所述的固定电极上滑动。
12.一种电容型位置传感器，其中包括：
由固定电极和屏蔽电极组成的固定电极支撑结构，所述的固定电极与所述的屏蔽电极电绝缘；以及
移动电极，所述的移动电极的移动位置与往复运动构件的运动成正比；
其中所述的屏蔽电极是在与所述固定电极的电位相同的电位下驱动的。
13.根据权利要求12的位置传感器，进一步包括交流电流传感器，所述的交流电流传感器把输入信号提供给信号放大器，而所述的信号放大器提供指示所述固定电极和所述移动电极之间的电容量的输出信号。
14.根据权利要求13的位置传感器，进一步包括第二恒压电源和测知接地参考电流的分路电阻，其中所述的第二恒压电源而不是所述的第一恒压电源驱动所述的屏蔽电极。
15.根据权利要求14的位置传感器，进一步包括第二恒压电源和测知接地参考电流的分路电阻，其中所述的第二恒压电源而不是所述的第一恒压电源驱动所述的屏蔽电极。
16.根据权利要求12、13、14或15的位置传感器，进一步包括监测电流的跨阻抗放大器组件。
17.根据权利要求16的位置传感器，进一步包括等幅电流来源和电压输出器，所述的电压输出器调节电压以保证所述屏蔽电极的电位实际上与所述电流源的电位相同。
18.一种用来确定往复运动构件位置的方法，所述方法包括下述步骤：
(i)提供固定电极和屏蔽电极，所述的固定电极与所述的屏蔽电极电绝缘；
(ii)提供移动电极，所述移动电极的移动位置与所述往复运动构件的成正比；以及
(iii)定期地测量所述固定电极和所述移动电极之间的电容量以便确定所述往复运动构件的瞬时位置。
19.根据权利要求18的方法，其中所述的定期测量电容量的步骤进一步包括如下步骤：
提供交流电流传感器，所述的交流电流传感器测量流过由所述的固定电极和所述的移动电极形成的电容器的电流；
其中所述交流电流传感器的所述输出是所述电容器的电容量和所述往复运动构件的位置的指示。
20.一种用来控制往复运动构件的运动的方法，所述方法包括下述步骤：
(i)提供固定电极和屏蔽电极，所述的固定电极与所述的屏蔽电极电绝缘；
(ii)提供移动电极，所述移动电极的移动位置与所述往复运动构件的运动成正比；
(iii)定期地测量所述固定电极和所述移动电极之间的电容量以便确定所述往复运动构件的瞬时位置；以及
(iv)基于所述往复运动构件的所述的被确定的瞬时位置控制所述往复运动构件的运动。
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