TWI473968B - Magnetostrictive position sensor and its magnetically induced element - Google Patents

Description

磁致伸縮位置感測器及其磁致感應元件

本發明係關於一種磁致伸縮位置感測器及其磁致感應元件，尤指一種具有特殊設計的磁致感應元件而得簡化構造並提高使用穩定度的磁致伸縮位置感測器；上述的磁致伸縮位置感測器並可為分離結構而便利安裝拆卸。

磁致伸縮位置感測器的基本結構，其由一個磁導材料、一個以上的磁性移動體、一個電流脈波發生器以及一應變訊號檢出器構成。應變訊號檢出器可以是藉由檢出磁導材料因應變產生的磁場變化，在另一端由感應線圈(Coil)檢出，除此之外，可利用一個壓電材料檢出應變量並轉換成電壓，此效應稱為magnetostrictive effects(磁場造成磁導材料械形變)，結合反向作用稱為機械形變造成磁場變異(inverse magnetostrictive effects)，則可以檢知磁導材料的變化，作為訊號檢出。磁致伸縮位置感測器的作動原理是利用磁感量測回波的振動訊號。整個作動機制包括：

(1) Electric Trigger電流脈衝訊號饋入磁導材料，產生磁場以光速沿磁導材料軸向傳遞。

(2)　與磁性移動體上的固定磁場相衝擊，磁導材料因質量遠小於浮球，由於磁場相衝擊之反作用力激起應變震波，令震波以聲波速度沿磁導材料兩邊傳遞。

(3)　當震波傳回時，震波經由一個壓電轉換器或感應線圈(coil)輸出電壓脈衝訊號。

(4) Electric Trigger訊號與電壓脈衝訊號，計算震波波速與時間差，得到距離定位值。

由上述可知，磁致伸縮位置感測器為精密的工業用位置感測器，其內部驅動原理為電路裝置輸入一脈衝電流進入磁導材料(磁致伸縮材料)，當脈衝電流與磁性移動體遭遇時，改變磁導材料的磁場方向，產生微小的震動或磁場變化，最後訊號回到感測電路裝置，利用脈衝電流與回波訊號的時間間隔做計算而檢測出磁鐵的感應位置。但也因為磁致伸縮感測器為高精度與高穩定度之產品，故內部的結構設計便極為重要，既要有相當的可靠度結構設計且組裝過程必須簡單而不複雜。

如美國第5,998,991號發明專利案揭露有一種磁致伸縮位置感測器40，其包括一內管44及一外管54，該內管44內設有一磁導材料12，磁導材料12的兩端分別透過一彈簧18固定在內管44的兩端，以便利用彈簧18對磁導材料12施加預應力；又磁導材料12其中一端連接有一減震器20。再者，磁導材料12一端和一外部連接器58連接，另端則透過內管44和另一外部連接器60連接，以便和外部的感測電路(圖中未示)連接，其意味著內管44是由具導電性的材料構成，而為防止磁導材料12和內管44內壁接觸造成震波衰減而影響訊號傳遞能力，內管44內必須每隔一段距離安裝一間隔體42，確保內管44和磁導材料12的完全隔離。

由上述可知，前述美國專利案係在磁導材料12兩端分設施加預應力的彈簧18，使磁導材料12受到一定的拉力以維持良好的電磁訊號及量測線性度；但該彈簧18設計是該專利案必備的元件，但也為其缺點之一，由於彈簧18長時間在高溫的環境下使用，原本即有導致疲乏的缺點，但該彈簧18既為必要元件，卻因彈性疲乏問題而導致量測時線性度的不穩定，另一方面，也相對增加了繁瑣的零件組裝程序。

再者，前述美國專利案也揭露在磁導材料12上設減震器20，以防止內部扭轉波會沿著磁導材料12返回而造成干擾，然而若可排除干擾的顧慮，該減震器20即為非必要設計。相同道理，前述美國專利案利用內管44接地或傳遞訊號，為確保磁導材料12不與內管44接觸，因而在內管44安裝間隔體42亦同樣是繁瑣的零件組件程序。

由上述可知，既有磁致伸縮位置感測器實有進一步檢討，並謀求可行解決方案的必要。

因此本發明主要目在提供一種磁致伸縮位置感測器的磁致感應元件，其在結構設計上無須施加預應力，亦即無須使用拉伸彈簧，對於簡化結構而言具有相當的幫助；同時本發明簡化了磁導材料的減震器設計，卻不易造成內部結構不良之情形，可提高結構整體強度。另本發明採用多段式的內管組合方式，該內管為絕緣不導電，相鄰內管間的連接結構可避免磁導材料與管內壁接觸造成震波衰減，進而維持訊號傳遞的能力。

為達成前述目的採取的主要技術手段係令前述磁致感應元件包括有：一管件，係呈中空狀，具有一第一端及一第二端；一上固定座，套設於管件的第一端，該上固定座係呈中空狀，具有一外側端及一內側端，其內側端形成有一與管件連通的線槽，外側端形成有一線槽連通的安裝槽；一下固定座，套設於管件的第二端，該下固定座係呈中空狀，具有一外側端及一內側端，其內側端形成有一與管件連通的線槽，外側端形成有一線槽連通的安裝槽；一感應模組，係設於上固定座第一端的安裝槽內；一磁導材料，係穿設在管件內，該磁導材料兩端分設有一線接頭，其中一線接頭位於上固定座的安裝槽中且穿設於感應模組上，另一線接頭係設於下固定座的安裝槽內，利用兩線接頭將磁導材料的兩端分別固定在管件的第一、第二端上，進而使磁導材料不接觸地穿設於管件內；在前述構造中，磁導材料係利用線接頭固定在管件第一、第二端的上、下固定座內，而無須使用拉伸彈簧，故可有效簡化構造及組裝程序。

前述管件是由多數組合管以管接頭套接組成，由於組合管及管接頭均屬絕緣，故可避免對磁導材料造成干擾，又管接頭具有小於組合管的內管徑，其可限制磁導材料使其不接觸組合管的內壁，避免發生震波衰減，以維持訊號傳遞的能力。

本發明的又一目的在提供一種方便拆卸組合的磁致伸縮位置感測器，其包括有：一本體；一前述的磁致感應元件，該磁致感應元件的管件係結合於本體的一端；一感測電路模組，係設於前述本體內，並與外管內的磁致感應元件電連接；一外管，係套設在管件外，且可拆卸地與管件結合；一個以上的磁性移動體，係可移動套設於外管上，且對應外管內部的磁致感應元件，該磁性移動體內設有至少一個以上的永久磁鐵。

利用前述結構，使外管及其上的磁性移動體為拆卸之設計，故可便利於安裝、維護，特別對於有經常性拆卸的需求者。

關於本發明之一較佳實施例，首先請參閱圖1所示，主要係於一外管10內設有一磁致感應元件，又外管10一端設有一感測電路模組11，該感測電路模組11係與外管10內的磁致感應元件電連接，又外管10上可移動地套設有一磁性移動體12，磁性移動體12內設有永久磁鐵(圖中未示)，當磁性移動體12隨著液位升降，其內部的永久磁鐵將對外管10內部的磁致感應元件產生感應，其感應訊號則為感測電路模組11所檢知；本發明主要特徵係在外管10內部的磁致感應元件，關於該磁致感應元件的具體構造謹進一步詳述如后：請參閱圖2所示，該磁致感應元件主要係由一管件20、一上固定座30、一下固定座40、一感應模組50、一磁導材料60及兩線接頭61,62等所組成；其中：該管件20呈中空狀，具有一第一端及一第二端(第一端係位於圖式左側，第二端位於圖式右側)，又管件20可以是單一管件，也可以由多個組合管組接的組合管件。於本實施例中，該管件20主要係由二個以上的組合管21所組成，相鄰組合管之間係以一中空管接頭22套接連結，本實施例中，在圖式上係以示意方式揭示該管件20係由兩組合管21及一管接頭22所組成，其僅方便瞭解組合管21與管接頭22的詳細構造及連接關係，並用以限制其數量，合先陳明；又前述組合管21、管接頭22係由絕緣材料構成或經過絕緣表面處理，可行的採用材料為高分子聚合物；又各組合管21分別具有一內管徑，其兩端貫通，供分別與管接頭22、上固定座30及/或下固定座40套接；於本實施例中，該管接頭22係呈管柱狀，其中央具有通孔221，供磁導材料60通過，又管接頭22兩端分別形成一縮小外徑的套接部222，該套接部222的外徑係與組合管21的內管徑匹配，以便相互套接，除了作緊配合外，該管接頭22的套接部222與組合管21間可利用卡榫構造以相互卡接，藉此可避免各組合管21旋轉所造成的磁導材料60扭轉。由於管接頭22的通孔221孔徑小於組合管21內管徑，故穿過管接頭22的磁導材料60即受管接頭22約束而不易接觸到組合管21內壁，故可避免震波衰減；請配合參閱圖3所示，本實施例中，該管接頭22的通孔221孔壁進一步朝軸心方向延伸一尖錐狀凸緣223，利用該凸緣223對通過的磁導材料60構成進一步的限制，以確保避免磁導材料60和組合管21內壁接觸。

請配合參閱圖2、圖4所示，該上固定座30係套設於管件20的第一端，該上固定座30係呈中空狀，具有一外側端及一內側端，其內側端形成有一縮小外徑的套接部31，該套接部31的外徑係與管件20的組合管21內管徑匹配，以便相互套接，同樣的，該上固定座30內側端的套接部31與組合管21間亦可以卡榫構造相互卡接。

又上固定座30的內側端形成有一與管件20連通的線槽32，而其外側端則形成有一線槽32連通的安裝槽33，該安裝槽33係供安裝該感應模組50，該感應模組50係於一絕緣的環狀本體內設有一感應線圈(圖中未示)所構成，該環狀本體外徑與安裝槽33匹配，以便容置其間，請配合參閱圖4所示，該感應模組50的環狀本體內形成貫穿兩端的通孔51，供磁導材料60穿過，而通孔51的外側端進一步擴大孔徑以形成一孔槽52，供容設線接頭61。

請參閱圖2所示，該下固定座40係套設於管件20的第二端，其構造與上固定座30類似，其呈中空狀，具有一外側端及一內側端，其內側端形成有一縮小外徑的套接部41，該套接部41的外徑係與管件20的組合管21內管徑匹配，以便相互套接，同樣的，該下固定座40內側端的套接部41與組合管21間亦可以卡榫構造相互卡接。又下固定座40內側端形成一線槽42，供磁導材料60通過，而下固定座40的外側端則形成與一線槽42連通的安裝槽43，供容設固定於磁導材料60另端的線接頭62。再者，由線接頭62拉出的磁導材料60另端可透過一回傳訊號線63沿著管件20回拉至上固定座30銲接固定。

如前揭所述，該磁導材料60係貫穿管件20的各組合管21及管接頭22，其兩端分別固設有一線接頭61,62，其中一線接頭61係位於上固定座30的安裝槽33內，且固設在感應模組50的孔槽52內，另一線接頭62則設於下固定座40的安裝槽43內，利用兩線接頭61,62將磁導材料60的兩端拉緊，並分別固定在管件20的第一、第二端上，藉此令磁導材料60得以不接觸地穿設於管件20內。而該磁導材料60可由漆包線構成。

由上述可知，本發明令一磁導材料利用線接頭將兩端固定在管件第一、第二端的上、下固定座內，藉此可將磁導材料不接觸且確實地固定在管件內，且無須使用拉伸彈簧，故得以有效簡化構造及組裝程序；又管件若是由多數組合管以管接頭套接組成，該管接頭具有小於組合管的內管徑，其可限制磁導材料使其不接觸組合管的內壁，避免發生震波衰減，以維持訊號傳遞的能力，且管接頭的通孔孔壁進一步形成有尖錐狀凸緣，可更確實地隔離磁導材料與組合管的內管壁。

再請圖5所示，係本發明磁致伸縮位置感測器的又一較佳實施例，主要係令前述的磁致感應元件利用機械結構與一本體70結合，所稱機械結構包括扣件、滑塊、滑槽、螺絲鎖固、焊接等；該本體70內部設有一感測電路模組(本圖中未示)，該感測電路模組並與磁致感應元件構成電連接；於本實施例中，該磁致感應元件的管件20’在靠接近本體70的一端設有一螺接頭23，用以與外管10’相結合，為了與管件20’螺合，外管10’的一端設有一螺接頭13，以便在管件20’套設於外管10’上，以其螺接頭13、螺接頭23相互螺接。另外管10’上可移動地套設一磁性移動體12’，該磁性移動體12’內設有一個以上的永久磁鐵。

故由上述可知，本發明得以更簡化的構造提供更具穩定度的磁致伸縮位置感測器。

10,10’．．．外管

11．．．感測電路模組

12,12’．．．磁性移動體

13,23．．．螺接頭

20．．．管件

21．．．組合管

22．．．管接頭

221．．．通孔

222．．．套接部

223．．．凸緣

30．．．上固定座

31,41．．．套接部

32,42．．．線槽

33,43．．．安裝槽

40．．．下固定座

50．．．感應模組

51．．．通孔

52．．．孔槽

60．．．磁導材料

61,62．．．線接頭

63．．．回傳訊號線

圖1係本發明一較佳實施例的剖視圖。

圖2係本發明一較佳實施例的磁致感應元件剖視圖。

圖3係本發明一較佳實施例的一磁致感應元件局部剖視圖。

圖4係本發明一較佳實施例又一磁致感應元件局部剖視圖。

圖5係本發明又一較佳實施例的平面圖。

20．．．管件

21．．．組合管

22．．．管接頭

221．．．通孔

222．．．套接部

223．．．凸緣

30．．．上固定座

31,41．．．套接部

32,42．．．線槽

33,43．．．安裝槽

40．．．下固定座

50．．．感應模組

60．．．磁導材料

61,62．．．線接頭

63．．．回傳訊號線

Claims (14)

1. 一種磁致伸縮位置感測器之磁致感應元件，包括：一管件，係呈中空狀，具有一第一端及一第二端；一上固定座，套設於管件的第一端，該上固定座係呈中空狀，具有一外側端及一內側端，其內側端形成有一與管件連通的線槽，外側端形成有一線槽連通的安裝槽；一下固定座，套設於管件的第二端，該下固定座係呈中空狀，具有一外側端及一內側端，其內側端形成有一與管件連通的線槽，外側端形成有一線槽連通的安裝槽；一感應模組，係設於上固定座第一端的安裝槽內；一磁導材料，係呈線狀，其穿設在管件內，該磁導材料兩端分設有一線接頭，其中一線接頭位於上固定座的安裝槽中且穿設於感應模組上，另一線接頭係設於下固定座的安裝槽內，利用兩線接頭將磁導材料的兩端分別固定在管件的第一、第二端上，進而使磁導材料不接觸地穿設於管件內。
2. 如申請專利範圍第1項所述磁致伸縮位置感測器之磁致感應元件，該管件主要係由二個以上的組合管所組成，相鄰組合管間設有一中空管接頭以相互套接；各組合管分別具有一內管徑，該管接頭係呈管柱狀，其中央具有通孔，供磁導材料通過，又管接頭兩端分別形成一縮小外徑的套接部，該套接部的外徑係與組合管的內管徑匹配。
3. 如申請專利範圍第2項所述磁致伸縮位置感測器之磁致感應元件，該管接頭的通孔孔壁進一步朝軸心方向 延伸一尖錐狀凸緣。
4. 如申請專利範圍第2項所述磁致伸縮位置感測器之磁致感應元件，該管接頭的套接部與組合管間係作緊配合。
5. 如申請專利範圍第2項所述磁致伸縮位置感測器之磁致感應元件，該管接頭的套接部與組合管間係以卡榫構造以相互卡接可防止相對的旋轉運動。
6. 如申請專利範圍第2項所述磁致伸縮位置感測器之磁致感應元件，該上、下固定座的內側端分別形成有一縮小外徑的套接部，該套接部的外徑係與管件的組合管內管徑匹配。
7. 如申請專利範圍第6項所述磁致伸縮位置感測器之磁致感應元件，該上、下固定座內側端的套接部與組合管間係以卡榫構造以相互卡接，可防止相對的旋轉運動。。
8. 如申請專利範圍第7項所述磁致伸縮位置感測器之磁致感應元件，該感應模組的環狀本體外徑與上固定座的安裝槽匹配，以便容置其間。
9. 如申請專利範圍第8項所述磁致伸縮位置感測器之磁致感應元件，該環狀本體內的通孔外側端進一步擴大孔徑以形成一孔槽，供容設線接頭。
10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項所述磁致伸縮位置感測器之磁致感應元件，該感應模組可為壓電材料、機電轉換元件、電感線圈元件或前列元件之組合。
11. 一種磁致伸縮位置感測器，包括有： 一本體；一磁致感應元件，係如申請專利範圍第1至10項中任一項所述的磁致感應元件，該磁致感應元件的管件係結合於本體的一端；一感測電路模組，係設於前述本體內，並與外管內的磁致感應元件電連接；一外管，係套設在管件外，且可拆卸地與管件結合；一個以上的磁性移動體，係可移動套設於外管上，且對應外管內部的磁致感應元件，該磁性移動體內設有至少一個以上的永久磁鐵。
12. 如申請專利範圍第11項所述之磁致伸縮位置感測器，該磁致感應元件的管件係藉由機械結構與本體相結合。
13. 如申請專利範圍第12項所述之磁致伸縮位置感測器，該磁致感應元件的管件在靠接近本體的一端設有一螺接頭，該外管的一端設有一螺接頭，以便與管件上的螺接頭相互螺合。
14. 如申請專利範圍第12項所述之磁致伸縮位置感測器，該機械結構包括扣件、滑塊、滑槽、螺絲鎖固、焊接等。