專利名稱：用磁阻傳感器以非接觸方式測量位置的裝置及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用磁阻傳感器以非接觸方式測量位置的裝置及其操作方法。
背景技術(shù)：
ABB公司的規(guī)格參數(shù)表10/18-0. 22-DE公開了 一種電動氣動位置調(diào)節(jié)器，其具有 一個設(shè)計為旋轉(zhuǎn)記錄器的用于確定執(zhí)行器位置的位移傳感器，該位移傳感器可覆蓋直至 270°的旋轉(zhuǎn)角。借助一種所謂的安裝組件安裝位置調(diào)節(jié)器，使得可以直接檢測旋轉(zhuǎn)式執(zhí)行 器的位置，或者將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動以間接方式檢測線性執(zhí)行器或往復(fù)式執(zhí)行器的 位置。該公開文獻(xiàn)中所使用的術(shù)語“位置調(diào)節(jié)器”表示一種機(jī)電系統(tǒng)，其根據(jù)一個或多個 輸入信號控制氣動調(diào)節(jié)驅(qū)動器的輔助能源，以使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)入特定位置。數(shù)字式氣動位置 調(diào)節(jié)器需要壓力氣體作為輔助能源以及電能才能發(fā)揮作用。這種數(shù)字式氣動位置調(diào)節(jié)器具有至少一個以下將要詳細(xì)描述的核心部件。根據(jù)一 個或多個輸入信號，利用氣動系統(tǒng)有針對性地對單向作用或雙向作用的氣動驅(qū)動器的腔室 進(jìn)行充氣或排氣。借助位置反饋傳感裝置將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和位置表示為一個或多個信 號。此外還有一個電子控制裝置，該電子控制裝置具有一個微控制器并且接收一個或多個 輸入信號。電子控制裝置內(nèi)的固件將輸入信號和位置反饋傳感裝置的信號處理成輸出信 號，這些輸出信號作為氣動系統(tǒng)的輸入信號。該數(shù)字式位置調(diào)節(jié)器的固件實(shí)現(xiàn)對所連接的調(diào)節(jié)驅(qū)動器的動態(tài)特性進(jìn)行分析的 功能。在工作中，在初始化過程中經(jīng)歷一次調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)范圍，并記錄調(diào)節(jié)范圍的初始值 和終值。調(diào)節(jié)驅(qū)動器可分為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器和往復(fù)式驅(qū)動器。在往復(fù)式驅(qū)動器的情況下，調(diào)節(jié) 驅(qū)動器所傳動的線性運(yùn)動被直接傳遞給線性驅(qū)動的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。相反，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的情況 下，則利用適當(dāng)?shù)难b置將調(diào)節(jié)驅(qū)動器輸出的線性運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。已知可使用具有滑動觸頭的電位器作為傳感器來測定位置。但是這種電位器的缺 點(diǎn)在于沒有充分的耐振動/耐搖晃性能，且滑動觸頭在經(jīng)過一定的運(yùn)動次數(shù)之后會磨損。 化學(xué)影響因素也會對滑動觸頭式電位器的使用壽命造成不利影響。這種缺點(diǎn)會造成行程測 量故障，因此而造成設(shè)備功能故障。此外這些具有滑動觸頭的電位器只有不超過大約270° 的測量范圍，并且有無法忽略的滯后。因此人們力圖用技術(shù)手段提高傳感器的可靠性。為此可采用所謂的磁阻傳感器， 以下簡稱為MR傳感器。這種MR傳感器的適當(dāng)實(shí)施方式是磁敏電阻。磁敏電阻在磁場作用 下改變電阻?，F(xiàn)有技術(shù)是根據(jù)電位器樣式設(shè)計的一種預(yù)裝配組件，內(nèi)部由一個連通的磁敏 電阻結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在其上方垂直設(shè)置有一個與磁敏電阻無接觸的永磁體。將磁敏電阻通電，就會對外形成電連接，用于分析電路之中。對應(yīng)于磁敏電阻電位 器的軸可以旋轉(zhuǎn)安裝，由此可以記錄旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。該軸經(jīng)由軸承進(jìn)入磁敏電阻電位器內(nèi)部。永 磁體在這里以機(jī)械方式與軸固定相連。通過該軸使得永磁體能夠根據(jù)從外部檢測到的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以無接觸方式在磁敏電阻組件上方旋轉(zhuǎn)，從而改變磁敏電阻結(jié)構(gòu)的電阻。但是這種磁敏電阻結(jié)構(gòu)的傳輸函數(shù)在360°旋轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)具有類似于正弦函數(shù)的 特性。特征曲線的全部范圍不適合用來測量某一位置?？梢酝ㄟ^測量技術(shù)(尤其是利用模 數(shù)轉(zhuǎn)換器)檢測和分析的頂點(diǎn)斜率太小或者根本沒有斜率，無法進(jìn)行位置測量。因此可供 這種傳感器使用的兩個范圍分別約為120° ..140°。與常規(guī)的滑動觸頭式繼電器不同，這 些測量范圍具有0° ..180°上升斜率、180° ..360°下降斜率，具有嚴(yán)格單調(diào)上升的電阻 變化(當(dāng)旋轉(zhuǎn)時)，并且具有滑動觸頭離開電阻條的未定義區(qū)域。在經(jīng)過未定義區(qū)域之后， 滑動觸頭式電位器的滑動觸頭將在其起始位置處重新搭在電阻條上。在已知的位置調(diào)節(jié)器中，可利用滑動觸頭式電位器的這個特性來確定作用方式。 在典型的往復(fù)式驅(qū)動器的情況下，由于要向左旋轉(zhuǎn)到達(dá)位置傳感器上的零位置，因此利用 兩個位置點(diǎn)來描述工作范圍，其中將電阻值較小的工作點(diǎn)定義為工作范圍的0%，將電阻值 較高的工作點(diǎn)定義為100%。因此可以認(rèn)為驅(qū)動器在左轉(zhuǎn)時朝向其0%的位置運(yùn)動，而在右 轉(zhuǎn)時則朝向100%的位置運(yùn)動。之所以能夠如此，是因?yàn)槲恢脗鞲衅骶哂袊?yán)格單調(diào)上升特 性，電阻值能唯一地表征一個位置。在磁敏電阻電位器的情況下，只有當(dāng)能夠肯定使用0° ..180°區(qū)間或者使用 180° ..360°區(qū)間作為傳感器范圍時，才會在運(yùn)動方向和驅(qū)動器的作用方向之間有這種固 定的對應(yīng)關(guān)系。但從實(shí)際應(yīng)用情況來看，并不能保證這種約束。尤其是在可用傳感范圍不足大約+/-70。(140° )的應(yīng)用情況下，借助一個傳動 比(例如傳動比2 1)以機(jī)械方式擴(kuò)展測量范圍。由于位移傳感器軸沒有機(jī)械約束，且必 須將其轉(zhuǎn)動兩次(即720° )才能使得傳感器旋轉(zhuǎn)一周(360° )，因此會出現(xiàn)測量范圍終值 (例如0°位置點(diǎn))一會兒處在傳感器的第一測量范圍(0° ..180° )、一會兒又處在第二 測量范圍(180° ..360° )的現(xiàn)象。因此同一個測量點(diǎn)上的斜率一會兒上升、一會兒下降， 在運(yùn)動方向和驅(qū)動器的作用方向之間無法確定對應(yīng)關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的在于給出一種用MR傳感器以非接觸方式測量位置的裝置及其 操作方法，其能夠使得位移傳感器軸的運(yùn)動方向唯一對應(yīng)于驅(qū)動器的作用方向。按照本發(fā)明所述，采用具有權(quán)利要求1所述特征的裝置來實(shí)現(xiàn)這一目的。除此之 外，還采用具有權(quán)利要求11所述特征的方法來實(shí)現(xiàn)這一目的。在從屬權(quán)利要求中分別給出 了本發(fā)明的有益實(shí)施例。本發(fā)明由已知的借助安裝組件與位置調(diào)節(jié)器相連的調(diào)節(jié)驅(qū)動器出發(fā)，其中位置調(diào) 節(jié)器具有電子控制裝置，該電子控制裝置借助微控制器接收一個或多個輸入信號并輸出用 于控制調(diào)節(jié)驅(qū)動器的調(diào)節(jié)信號。位置反饋傳感裝置裝配有以形狀吻合的方式與調(diào)節(jié)驅(qū)動器 的位置傳感器相連的旋轉(zhuǎn)式磁阻式測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)具有與位移成正比的傳輸特征曲 線，該特征曲線具有多個適用于位置測量且其相應(yīng)特征曲線片段不僅具有正斜率、而且也 具有負(fù)斜率的范圍。按照本發(fā)明所述，設(shè)置了至少一個與電子控制裝置相連、用來檢測磁阻式測量系 統(tǒng)的特征曲線范圍的范圍傳感器，所述磁阻式測量系統(tǒng)被設(shè)計成在其中進(jìn)行位置測量的磁 敏電阻電位器。其中每一個范圍傳感器恰好對應(yīng)于測量系統(tǒng)的一個特征曲線范圍。激活一個范圍傳感器表明在測量系統(tǒng)的哪一個特征曲線范圍內(nèi)進(jìn)行位置測量。因此能夠知道所涉 及的是相對于調(diào)節(jié)驅(qū)動器運(yùn)動方向上升還是下降的特征曲線片段。這樣就將位移傳感軸的 運(yùn)動方向唯一對應(yīng)于驅(qū)動器的作用方向。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述范圍傳感器被設(shè)計為以非接觸方式工作的開關(guān)。具 有優(yōu)點(diǎn)的是，這種開關(guān)的可用性比較高，因?yàn)楸苊饬伺K污、磨損和腐蝕引起的功能故障。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，可以磁性方式激活所述范圍傳感器。尤其是可通過磁阻 式測量系統(tǒng)的磁鐵激活所述范圍傳感器。具有優(yōu)點(diǎn)的是，這樣就可不必使用特殊的激活手 段，從而使得用于范圍檢測的材料開銷保持在很小。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，可通過一個獨(dú)立的磁鐵激活以非接觸方式工作的范圍傳 感器，所述磁鐵可以與調(diào)節(jié)裝置的位移傳感器同步運(yùn)動。具有優(yōu)點(diǎn)的是，所述范圍傳感器被 集成在已有的電子組件上，從而不必使用額外的電路板、電連接和/或機(jī)械固定裝置。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述范圍傳感器及其操作單元被集成在所述磁阻式測量 系統(tǒng)中。具有優(yōu)點(diǎn)的是，這樣形成了緊湊的結(jié)構(gòu)單元，其將測量系統(tǒng)的所有元件整合在一 起。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述范圍傳感器被設(shè)置在一個獨(dú)立的電路板上，該電路 板遮蓋激活磁鐵，從而能夠可靠檢測測量范圍。具有優(yōu)點(diǎn)的是，電路板及其電連接和機(jī)械固 定裝置被設(shè)置為使得能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)以外的附加零件分配給該組件，從而能夠根據(jù)某一選項確 定所產(chǎn)生的附加費(fèi)用。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，可以用機(jī)械方式激活以非接觸方式工作的范圍傳感器。 具有優(yōu)點(diǎn)的是，充分利用位置反饋傳感裝置的機(jī)械傳動元件的運(yùn)動，從而能夠以很小的開 銷可靠檢測相應(yīng)的測量范圍。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，可以用光學(xué)方式激活以非接觸方式工作的范圍傳感器。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，可以用電容方式激活以非接觸方式工作的范圍傳感器。在這種測量系統(tǒng)中，位置測量系統(tǒng)的特征曲線斜率的符號對應(yīng)于每一個范圍傳感 器的激活狀態(tài)，根據(jù)該符號判斷調(diào)節(jié)驅(qū)動器的作用方向。這樣就能知道所涉及的是相對于 調(diào)節(jié)驅(qū)動器運(yùn)動方向上升還是下降的特征曲線片段，并且使位移傳感軸的運(yùn)動方向唯一對 應(yīng)于驅(qū)動器的作用方向。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，在初始化過程中向每一個范圍傳感器饋電，并且在調(diào)節(jié) 驅(qū)動器的初始化結(jié)束之后將其斷電。具有優(yōu)點(diǎn)的是，這樣使得調(diào)節(jié)驅(qū)動器在其符合規(guī)定的 使用期間的能量需求不會由于范圍傳感器而增加。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，在初始化過程中激活唯一的范圍傳感器，從而識別出第 一測量范圍；在初始化過程中不激活唯一的范圍傳感器，從而識別出第二測量范圍。當(dāng)在所 有測量范圍或者沒有在測量范圍內(nèi)激活該唯一的范圍傳感器時，則存在故障。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，當(dāng)測量系統(tǒng)發(fā)生故障時生成一個診斷通知。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，范圍傳感器的作用范圍小于測量系統(tǒng)的測量范圍，分別 在測量范圍終值之前終止，并且在初始化過程中分別有至少一次完全經(jīng)過范圍傳感器的作 用范圍，以觀察范圍傳感器的開關(guān)狀態(tài)。


以下將根據(jù)一個實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。相關(guān)附圖如下圖1帶有位置調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)驅(qū)動器的原理示意2以非接觸方式對調(diào)節(jié)驅(qū)動器的位置進(jìn)行測量的裝置的透視示意圖
具體實(shí)施例方式如圖1所示，在圖中沒有進(jìn)一步示出的工藝設(shè)備的以一部分來表示的管道1中裝 入了一個處理閥2作為調(diào)節(jié)驅(qū)動器。處理閥2在其內(nèi)部具有一個與閥座3相互作用、用于 控制流經(jīng)的處理介質(zhì)5的量的閉合件4。閉合件4由一個設(shè)計為往復(fù)式驅(qū)動器的氣動調(diào)節(jié) 驅(qū)動器6通過往復(fù)桿7線性驅(qū)動。調(diào)節(jié)驅(qū)動器6通過軛8與處理閥2相連。數(shù)字式位置調(diào) 節(jié)器9安裝在軛8上。通過位置記錄器10將往復(fù)桿7的往復(fù)運(yùn)動報告給位置調(diào)節(jié)器9。在 電子控制裝置18中將檢測到的往復(fù)運(yùn)動與通過通信接口 11所傳送的額定值進(jìn)行比較，并 根據(jù)所確定的調(diào)節(jié)偏差控制調(diào)節(jié)驅(qū)動器6。位置調(diào)節(jié)器9的電子控制裝置18具有一個I/P 變換器，用于將調(diào)節(jié)偏差電信號變換成等同的控制壓力。位置調(diào)節(jié)器9的I/P變換器通過 壓力介質(zhì)導(dǎo)管19與調(diào)節(jié)驅(qū)動器6相連。位置記錄器10在位置調(diào)節(jié)器9中與磁阻傳感器、尤其是磁敏電阻電位器的旋轉(zhuǎn)軸 相連，并且具有一個圓孔，往復(fù)桿7上的配合件伸入到該圓孔之中。圖2示出了一種優(yōu)選的實(shí)施方式，使用一個霍爾傳感器21作為以非接觸方式工作 的開關(guān)，固定設(shè)置在圖中未示出的電路板上。霍爾傳感器21的激活元件是大致呈半圓形的 永磁體20，該永磁體與處理閥2的往復(fù)桿7上的位移傳感器同步運(yùn)動。尤其是該永磁20可 旋轉(zhuǎn)地安裝在齒輪22上。其中齒輪22每轉(zhuǎn)動半圈，對應(yīng)于一個測量范圍。在第一測量范 圍之內(nèi)，永磁體20處于霍爾傳感器21的檢測范圍內(nèi)。第二測量范圍完全處在霍爾傳感器 21的檢測范圍之外。所述電路板靠近霍爾傳感器21背離永磁體20的一側(cè)，并且平行于永磁體20的平在這種實(shí)施方式中，處理閥2的位移傳感器借助由第一齒輪23和第二齒輪22構(gòu) 成的傳動比為21的變速裝置耦合到設(shè)計為磁敏電阻電位器的非接觸式位移傳感器上。 永磁體20安裝在較大的第二個齒輪22的一半處。永磁體20掠過的角度小于180°。這樣 避免了永磁體20由于誤調(diào)和公差而遮蓋測量范圍從而意外激活第二位移測量范圍。在本發(fā)明的特殊實(shí)施方式中，僅在初始化過程中、尤其是在自補(bǔ)償時或者在確定 測量范圍上限和下限的過程中為霍爾傳感器21供電。此時將檢查是否將霍爾傳感器21至 少激活了一次，并且測量值是否在任何時刻均處在有效測量范圍之內(nèi)。如果已激活霍爾傳 感器21，則認(rèn)為磁敏電阻電位器的傳輸特征曲線具有正的斜率；如果沒有激活霍爾傳感器 21，則認(rèn)為是負(fù)的斜率。根據(jù)所確定的特征曲線斜率推斷出調(diào)節(jié)驅(qū)動器6的具體的固定作 用方向。附圖標(biāo)記列表1 管道2處理閥3 閥座4閉合件
5處理介質(zhì)
6調(diào)節(jié)驅(qū)動器
7閥桿
8軛
9位置調(diào)節(jié)器
10位置記錄器
11通信接口
18電子控制裝置
19壓力介質(zhì)導(dǎo)管
20永磁體
21霍爾傳感器
22，23齒輪
權(quán)利要求
用于在位置調(diào)節(jié)器(9)中用磁阻式測量系統(tǒng)在位移傳感器處以非接觸方式時調(diào)節(jié)裝置(7，1)的位置進(jìn)行測量的裝置，所述磁阻式測量系統(tǒng)的與位移成正比的傳輸特征曲線具有多個適用于位置測量且其相應(yīng)特征曲線片段不僅具有正斜率、而且也具有負(fù)斜率的范圍，所述位置調(diào)節(jié)器具有電子控制裝置(18)，該電子控制裝置借助微控制器接收一個或多個輸入信號并輸出用于控制調(diào)節(jié)驅(qū)動器(6)的調(diào)節(jié)信號，其特征在于，設(shè)置有至少一個與電子控制裝置(18)相連、用來檢測磁阻式測量系統(tǒng)的特征曲線范圍的范圍傳感器(21)，所述磁阻式測量系統(tǒng)被設(shè)計為在其中進(jìn)行測量位置的磁敏電阻電位器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述范圍傳感器(21)被設(shè)計為以非接觸 方式工作的開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，能夠用磁場激活以非接觸方式工作的范 圍傳感器(21)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，能夠通過磁阻式測量系統(tǒng)的磁鐵激活以 非接觸方式工作的范圍傳感器(21)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，能夠通過獨(dú)立的磁鐵(20)激活以非接觸 方式工作的范圍傳感器(21)，所述磁鐵能夠與調(diào)節(jié)裝置的位移傳感器同步運(yùn)動。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述范圍傳感器(21)及其操 作單元(20)被集成在所述磁阻式測量系統(tǒng)中。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述范圍傳感器是磁性開關(guān) (21)，并且設(shè)置在獨(dú)立的電路板上，所述電路板遮蓋激活磁鐵(20)，以便可靠地檢測測量范 圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，能夠用機(jī)械方式激活所述范圍傳感器 (21)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，能夠用光學(xué)方式激活以非接觸方式工作 的范圍傳感器(21)。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，能夠用電容方式激活以非接觸方式工作 的范圍傳感器(21)。
11.用于操作上述權(quán)利要求中任一項所述裝置的方法，其特征在于，使進(jìn)行位置測量的 測量系統(tǒng)的特征曲線斜率的符號對應(yīng)于每一個范圍傳感器(21)的激活狀態(tài)，根據(jù)該符號 判斷調(diào)節(jié)驅(qū)動器(6)的作用方向。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在初始化過程中向每一個范圍傳感器 (21)饋電，并且在調(diào)節(jié)驅(qū)動器(6)的初始化結(jié)束后將其斷電。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在初始化過程中激活范圍傳 感器(21)，從而識別出第一測量范圍；在初始化過程中不激活范圍傳感器(21)，從而識別 出第二測量范圍。
14.根據(jù)權(quán)利要求11和12中任一項所述的方法，其中對于每一個特征曲線范圍均有一 個范圍傳感器，其特征在于，在初始化過程中恰好激活一個范圍傳感器(21)時識別出該測量范圍。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在一個范圍傳感器(21)被激活時識別 出測量系統(tǒng)功能正常，在沒有范圍傳感器(21)被激活或者多個范圍傳感器均沒有被激活時識別出測量系統(tǒng)存在故障。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，當(dāng)測量系統(tǒng)存在故障時生成診斷通知。
17.根據(jù)權(quán)利要求11至16中任一項所述的方法，其特征在于，范圍傳感器(21)的作用 范圍小于測量系統(tǒng)的測量范圍，分別在測量范圍終值之前終止，并且在初始化過程中至少 有一次完全經(jīng)過范圍傳感器的作用范圍，以觀察范圍傳感器(21)的開關(guān)狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用磁阻傳感器以非接觸方式對位置進(jìn)行測量的裝置，所述磁阻傳感器的與位移成正比的傳輸特征曲線具有多個適用于位置測量且其相應(yīng)特征曲線片段不僅具有正斜率、而且也具有負(fù)斜率的范圍，所述位置調(diào)節(jié)器具有電子控制裝置(18)，該電子控制裝置利用微控制器接收一個或多個輸入信號并輸出用于控制調(diào)節(jié)驅(qū)動器(6)的調(diào)節(jié)信號；本發(fā)明還涉及操作這種裝置的方法。為了使位移傳感軸的運(yùn)動方向唯一對應(yīng)于驅(qū)動器的作用方向，建議用至少一個范圍傳感器來檢測設(shè)計為磁敏電阻電位器的磁阻式位置測量系統(tǒng)的進(jìn)行位置測量的特征曲線范圍，所述范圍傳感器與電子控制裝置相連。位置測量系統(tǒng)的特征曲線斜率的符號對應(yīng)于每一個范圍傳感器的激活狀態(tài)，據(jù)此推斷出調(diào)節(jié)驅(qū)動器(6)的作用方向。
文檔編號G01B7/02GK101846489SQ201010139730
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月23日
發(fā)明者H·克雷瑟, S·泰布蘭德爾 申請人:Abb技術(shù)股份公司