TW201828528A - 中空芯體磁性位置感測器、位置感測系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種位置感測系統。所述位置感測系統可包括中空感測器本體。可在所述中空感測器本體中設置磁體。所述磁體可在所述中空感測器本體內移動。

Description

空心磁性位置感測器

本揭露的實施例大體而言是有關於基於波導的位置感測器。更具體而言，本揭露的實施例是有關於包括用於感測位置的可移動磁體的基於波導的位置感測器。

傳統位置量測系統可包括脈波產生器及訊號接收器。所述系統更包括波導感測器及磁體。所述磁體位於所述波導的外部且一般而言位置相鄰於所述波導感測器。所述磁體可附裝至可移動物體，所述可移動物體亦位於所述波導感測器的外部。

在操作期間，脈波產生器產生脈波，所述脈波被傳送至波導感測器。磁體在鄰近磁體的波導感測器的區中形成阻抗不連續性（impedance discontinuity）。脈波的反射是自阻抗不連續性的點進行反射，因而會產生反射脈波。訊號接收器接收所述脈波及所述反射脈波。可基於脈波相對於反射脈波的時序（例如時間延遲）來確定磁體相對於波導感測器的位置。更具體而言，可使用接收脈波的時間與接收反射脈波的時間之間的差值來確定磁體的位置。

然而，傳統位置量測系統可能對傳統位置量測系統附近的含鐵材料敏感。更具體而言，在傳統位置量測系統附近存在含鐵材料可使與磁體相關聯的磁場畸變。此外，傳統位置量測系統可能不合預期地感測到並非由磁體產生的寄生磁場（spurious magnetic field）。該些畸變磁場及寄生磁場可能會影響波導感測器的導磁率（permeability）及/或電感（inductance）。因此，經由波導感測器所傳送的波的速度可能發生改變，從而改變脈波及反射脈波經過波導感測器行進的速度。相應地，即使當不連續性的點為同一個時，接收反射脈波的時間亦可能不同。因此，畸變磁場及寄生磁場可能在傳統位置量測系統的輸出信號中產生非線性。據此，需要一種改良的位置量測系統。

根據以下揭露內容，傳統位置量測系統的其他問題將變得顯而易見。

提供本發明內容是為了在實施方式中以下文進一步闡述的簡化形式介紹一系列所選概念。本發明內容並非旨在確認所主張主題的關鍵特徵或本質特徵，亦非旨在幫助確定所主張主題的範圍。

本發明揭露一種位置感測系統。所述位置感測系統可包括中空感測器本體。可在所述中空感測器本體中設置磁體。所述磁體可相對於所述中空感測器本體移動。

在一個實施方案中，訊號收發器可耦合至中空感測器本體。所述訊號收發器可產生第一訊號，所述第一訊號被傳送至中空感測器本體。所述訊號收發器可自中空感測器本體接收第二訊號。可使用所述第一訊號及所述第二訊號來確定磁體相對於中空感測器本體的位置。

此外，本發明揭露一種位置感測方法。所述方法可包括由訊號收發器產生第一訊號。可將所述第一訊號傳送至中空感測器本體。所述方法可更包括：移動磁體，所述磁體緊鄰所述中空感測器本體且設置於所述中空感測器本體內，其中所述磁體被配置成產生足以使與所述中空感測器本體相關聯的磁性材料局部飽和（locally saturate）的磁場，所述磁性材料被配置成在所述中空感測器本體內造成阻抗不連續性以使得所述第一訊號在所述阻抗不連續性的點處被反射成反射訊號。可將所述反射訊號傳送至所述訊號收發器。所述方法基於所述第一訊號及所述反射訊號確定所述磁體的位置。

在進一步的實施例中，一種位置感測系統可包括脈波式波導，所述脈波式波導包括中空感測器本體；所述位置感測系統亦可包括：磁體，設置於所述中空感測器本體內，且可在所述中空感測器本體內移動；以及訊號收發器，所述訊號收發器可操作地連接至所述中空感測器本體，且被配置成向所述脈波式波導產生訊號脈波，並自所述脈波式波導接收反射脈波，所述反射脈波是基於所述訊號脈波。

現在將在下文中參照附圖來更充分地闡述示範性實施例，在所述附圖中示出實施例。然而，示範性實施例可被實施為諸多不同形式，而不應被視為僅限於本文所述的實施例。在圖式中，相同編號自始至終指代相同的部件。

圖1是示出位置感測系統100的示意圖。位置感測系統100包括中空感測器本體102。一般而言，中空感測器本體102可為波導。可在中空感測器本體102中設置磁體104。在一個實施例中，磁體104可在中空感測器本體102內移動。具體而言，磁體104可耦合至桿體106。在一個實施方案中，磁體104被包封於桿體106內。因此，桿體106可具有均勻的外徑。桿體106可被致動以使磁體104沿中空感測器本體102的內部長度移動，如由線108所示。在另一實施方案中，作為另一選擇，磁體104例如藉由包封而耦合至液位浮子（liquid float），以量測液位（liquid level）的位置。

一般而言，磁體104在中空感測器本體102中形成阻抗不連續性。阻抗不連續性是在磁體104相對於中空感測器本體102的位置處形成。如在以下將更詳細闡述，可基於該些阻抗不連續性來確定磁體104相對於中空感測器本體102的位置。

在實際中，磁體104可附裝至將被感測位置的可移動物體。舉例而言，在一些實施例中，磁體104可貼附至可移動物體（例如，活塞桿體（piston rod）、焊接嘴（welding tip）等）。中空感測器本體102可貼附至可沿可移動物體的路徑或在可移動物體的路徑中放置的協作結構（cooperating structure）。在另一實例中，中空感測器本體102可與所述協作結構相結合或與所述協作結構整合於一起。

為了確定磁體104相對於中空感測器本體102的位置，位置感測系統100包括訊號收發器110，訊號收發器110包括位置感測處理器。訊號收發器110可操作地連接至中空感測器本體102（例如，經由電性連接）。訊號收發器110被配置成產生訊號（例如，訊號脈波），所述訊號被傳送至中空感測器本體102並被中空感測器本體102反射（例如，反射訊號）。訊號收發器110接收訊號脈波及接收反射脈波。位置感測處理器可操作地連接至訊號收發器110或與訊號收發器110整合於一起，且位置感測處理器被配置成基於由訊號收發器110接收的訊號脈波及反射脈波的時序來確定磁體104相對於中空感測器本體102的位置。

在一些實例中，訊號收發器110可被配置成重複地（例如，週期性地或以類似方式）產生脈波。對於一些實例而言，所產生的脈波可為單脈波（single pulse）。對於進一步的實例而言，所產生的脈波可為一系列脈波。脈波被傳送至中空感測器本體102，中空感測器本體102因由磁體104造成的中空感測器本體102中的阻抗不連續性而反射所述脈波（例如，反射脈波）。反射脈波被自中空感測器本體102傳送至訊號收發器110。入射脈波與反射性脈波之間的時間差是對磁體104相對於中空感測器本體102的位置的量度。與訊號收發器110相關聯的位置感測處理器被配置成基於入射脈波及反射脈波的時序來確定磁體104相對於中空感測器本體102的位置。

圖2是示出位置感測系統100的另一視圖的示意圖，其中中空感測器本體102的外部屏蔽材料202的一部分208被移除以暴露出導體204。導體204可為導線或其他導電金屬。在另一實例中，導體204可為平面條（planar strip），例如印刷平面條（printed planar strip）。

外部屏蔽材料202可由具有導磁率（magnetic permeability）性質的材料製成。在一個實例中，外部屏蔽材料202是由磁性屏蔽材料（例如高導磁合金（permalloy）材料（例如，Fe-Ni合金））製成。使用磁性屏蔽材料會使中空感測器本體102的內腔與可能由外部磁場引起的干擾隔離。在另一實例中，外部屏蔽材料202是由導電材料（例如，Cu）製成。

在一個實施方案中，如圖所示，導體204是以螺旋方式盤繞於中空芯體206的外表面周圍。導體204可充當中空感測器本體102的波導。在一個實例中，中空芯體206是由非含鐵材料製成。

導體204可耦合至訊號收發器110。此外，導體204可延伸中空芯體206的整個長度。在另一實例中，一或多個鐵氧體層（ferrite layer）可環繞中空芯體206，以使得鐵氧體層定位於導體204與中空芯體206之間。另一鐵氧體層可定位於導體204與外部屏蔽材料202之間。所述一或多個鐵氧體層可用於提供對位置感測系統100周圍材料（例如含鐵材料）的導磁率改變的固有抗擾性（inherent immunity）。所述一或多個鐵氧體層亦可提供與位置感測系統100相關的附加功能。

在一個實例中，一個感測部件或多個感測部件（例如霍爾感測器（hall sensor）、磁阻式感測器（magnetoresistive sensor）等）可取代導體204。在另一實例中，包括一或多個感測部件（例如，霍爾感測器、巨磁阻（Giant Magnetoresistance，GMR）感測器、或各向異性磁阻（Anisotropic Magnetoresistance，AMR）感測器）的薄膜層（thin-film layer）可取代導體204。

圖3示出根據示範性實施例的一種方法300。方法300可由位置感測系統100來執行。在方塊302中，由訊號收發器產生第一訊號。在方塊304中，將所述第一訊號傳送至中空感測器本體。在方塊306中，移動定位於所述中空感測器本體內的磁體以產生反射訊號。在方塊308中，將所述反射訊號傳送至所述訊號收發器。在方塊310中，基於所述第一訊號及所述反射訊號確定所述磁體的位置。

藉由位置感測系統100的設計會達成眾多優點。舉例而言，相較於利用位於感測部件外部的磁體的其他位置感測系統而言，位置感測系統100能夠允許使用較小的磁體。在另一示例性優點中，由於由磁體104產生的磁場包含於中空芯體206內，因此磁場的畸變得以實質上消除。在再一示例性優點中，由於位置感測系統100使得能夠屏蔽不合預期的外部產生的磁場，因此由此類在外部產生的磁場造成的輸出非線性大大地被減小。

儘管已參照某些實施例闡述了與位置感測系統相關聯的元件及方法，然而熟習此項技術者應理解，在不背離本申請案的申請專利範圍的精神及範圍條件下，可作出各種變化且可對等效形式進行替代。在不背離申請專利範圍的範圍條件下，可作出其他潤飾以使特定情況或特定材料適應於以上所揭露的教示內容。因此，申請專利範圍不應被視為僅限於所揭露的特定實施例中的任一者，而是被限制於落於申請專利範圍的範圍內的任何實施例。

100‧‧‧位置感測系統

102‧‧‧中空感測器本體

104‧‧‧磁體

106‧‧‧桿體

108‧‧‧線

110‧‧‧訊號收發器

202‧‧‧外部屏蔽材料

204‧‧‧導體

206‧‧‧中空芯體

208‧‧‧部分

300‧‧‧方法

302、304、306、308、310‧‧‧步驟

圖1是示出根據本揭露實施例的位置感測系統的示意圖。

圖2是示出根據本揭露實施例的位置感測系統的另一視圖的示意圖。

圖3是示出根據本揭露實施例的一種示例性方法的流程圖。

Claims (17)

1. 一種裝置，包括： 中空感測器本體； 磁體，設置於所述中空感測器本體中，所述磁體能夠在所述中空感測器本體內移動；以及 磁場感測器，耦合至所述感測器本體，所述磁場感測器感測與所述磁體相關聯的磁場。
2. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，所述中空感測器本體包括波導。
3. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述中空感測器本體包括中空芯體、耦合至所述中空芯體的外表面的導體、及環繞所述導體及所述中空芯體的外部屏蔽材料。
4. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中所述中空芯體是非含鐵材料。
5. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中所述屏蔽材料是高導磁合金材料。
6. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中所述屏蔽材料是具有導磁率性質的材料。
7. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中所述導體是纏繞於所述中空芯體周圍的導線，所述導體在所述中空芯體的整個長度上延伸。
8. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中所述屏蔽材料是導電材料。
9. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述磁體耦合至桿體，其中所述桿體被致動以使所述磁體在所述中空感測器本體內移動。
10. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述磁體耦合至浮子，其中對液位進行量測。
11. 一種方法，包括： 由訊號收發器產生第一訊號； 將所述第一訊號傳送至中空感測器本體； 移動磁體，所述磁體緊鄰所述中空感測器本體且設置於所述中空感測器本體內，所述磁體被配置成產生足以使與所述中空感測器本體相關聯的磁性材料局部飽和的磁場，所述磁性材料被配置成在所述中空感測器本體內造成阻抗不連續性以使得所述第一訊號在所述阻抗不連續性的位置處被反射成反射訊號； 將所述反射訊號傳送至所述訊號收發器；以及 基於所述第一訊號及所述反射訊號確定所述磁體的位置。
12. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中確定所述磁體的所述位置包括： 量測所述產生所述第一訊號與接收所述反射訊號之間的時間延遲；以及 對所述時間延遲與所述磁體的所述位置進行關聯。
13. 一種位置感測系統，包括： 脈波式波導，所述脈波式波導包括中空感測器本體； 磁體，設置於所述中空感測器本體內，且能夠在所述中空感測器本體內移動；以及 訊號收發器，所述訊號收發器能夠操作地連接至所述中空感測器本體，且被配置成向所述脈波式波導產生訊號脈波，並自所述脈波式波導接收反射脈波，所述反射脈波是基於所述訊號脈波。
14. 如申請專利範圍第13項所述的位置感測系統，更包括位置感測處理器，所述位置感測處理器能夠操作地連接至所述訊號收發器或與所述訊號收發器整合於一起，且被配置成基於由所述訊號收發器接收所述訊號脈波及所述反射脈波的時序來確定所述磁體相對於所述中空感測器本體的位置。
15. 如申請專利範圍第13項所述的位置感測系統，其中所述中空感測器本體包括中空芯體、耦合至所述中空芯體的外表面的導體、以及環繞所述導體及所述中空芯體的外部屏蔽材料。
16. 如申請專利範圍第15項所述的位置感測系統，其中所述中空芯體是非含鐵材料。
17. 如申請專利範圍第15項所述的位置感測系統，其中所述屏蔽材料是高導磁合金材料。