專利名稱：測量距離的電感測量傳感器和測量角度的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明首先涉及一種如權(quán)利要求1和2前序部分所述的電感測量傳感器。電感測量傳感器具有定子和可以相對于定子移動的滑架，具有一個電感傳感器元件和相關(guān)的電子測定儀器，其輸出信號表示的是對托架相對于定子位置的測量。定子具有一個勵磁線圈，其在測量距離上延伸并受到交流電流的饋送。該勵磁線圈的磁場穿過傳感器元件，該傳感器元件與托架連接并且是軟磁芯和/或線圈的形式；磁場接下來穿過與定子連接的次級繞組，并在此處感應(yīng)出取決于滑架位置的電壓。該次級繞組由一匝組成，通過分散在測量距離中的適當(dāng)?shù)姆纸宇^從其中獲得電壓成分。將電壓成分均分后產(chǎn)生取決于滑架位置的電壓。通過電阻器或通過其他電子元件可以完成均分。也可以利用電阻層或電容器板代替離散的元件。在一個具體的優(yōu)選實施例中，磁場繞組由單匝構(gòu)成，其中外殼和導(dǎo)桿可以用來作為線圈。通過將傳感器元件設(shè)計為調(diào)諧電路來獲得進一步的改進，并且這將極大地減少漏磁場的形成。在這種情況下，通過利用調(diào)諧電路作為定義振蕩器頻率的元件，有利于傳感器在該調(diào)諧電路的諧振頻率下工作。
此外，本發(fā)明還涉及如權(quán)利要求13、14和16前序部分中所述的用于測量角度的裝置。
電感距離/角度傳感器的優(yōu)點在于，對灰塵和其它環(huán)境影響具有很低的靈敏度。通常已知差動的電感器，在這些電感器中，軟磁芯位于兩個線圈中，并且其位置影響兩個線圈的電感，因此可以在這兩個線圈之間分接出取決于位置的電壓，其中兩個線圈串聯(lián)連接并且與AC電壓連接。該結(jié)構(gòu)的缺點在于，線圈的實際長度總計為測量距離的至少兩倍，此外線圈的機械連接也超出最終位置的測量距離，因此需要至少三倍于測量距離的安裝長度。此外，測量結(jié)果受繞組電阻的溫度反應(yīng)和所使用磁鐵材料的導(dǎo)磁率的影響。
此外，已經(jīng)提出解決方案，其中在線圈中插入短路圓柱或者高導(dǎo)磁率的磁芯，其中線圈的電感變化用來作為對磁芯位置的測量。這些解決方案與差動的變壓器相比所具有的優(yōu)點在于，它們的實際長度短。但是，當(dāng)延長測量桿時，仍然需要至少兩倍的測量距離。此外，繞組電阻和磁芯的溫度反應(yīng)在溫度特性上具有更顯著的影響。
從德國專利DE-A-2511683中知道，通過經(jīng)由高導(dǎo)磁率的磁芯將電壓從磁場繞組引入到測量繞組中，增加匝的密度，來產(chǎn)生合適的測量信號。該方法的優(yōu)點在于具有短的實際長度。但是其缺點在于，磁場在測量線圈的面積上的分布和測量線圈的結(jié)構(gòu)必須滿足嚴(yán)格的要求。
此外，從WO 94/03778中已知一個實施例，依靠線圈上的短路環(huán)，在線圈區(qū)域部分內(nèi)產(chǎn)生減小的電壓降；并且通過來自線圈分接頭的電阻器或電容器，形成取決于短路環(huán)的位置的信號。由此得到具有短的實際長度的傳感器。不利的特點在于繞組電阻和寄生電感的影響。
本發(fā)明的目的在于克服上述裝置的缺點，并且提出一種距離傳感器，其可以利用簡單的方法而構(gòu)成并且具有高精確度。
通過獨立權(quán)利要求1、2、13、14和16的結(jié)構(gòu)來完成該目的。優(yōu)選實施例是與這些權(quán)利要求有關(guān)的從屬權(quán)利要求的主題。
在下文中參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行描述，其中

圖1和1a是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是由該傳感器在測量繞組上、在繞組長度上產(chǎn)生的磁通和電壓的分布圖；圖3是以單匝作為磁場繞組的優(yōu)選實施例；圖4a和4b是優(yōu)選實施例的剖面圖，其中減少了有害的漏磁場的影響；圖5a和5b表示一個實施例，其中通過磁場繞組的適當(dāng)設(shè)置使得來自漏磁場的耦合影響變得無效；圖6表示一個實施例，其具有帶附加繞組的測量磁芯和電容器以形成調(diào)諧電路；圖7是設(shè)計方框圖，其中使用調(diào)諧電路作為限定振蕩器電路頻率的元件；圖8是直接從磁場繞組中分接測量電壓的實施例的示意圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器，其具有安裝在旋轉(zhuǎn)點的環(huán)形線圈和測量磁芯；圖10是根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器的優(yōu)選實施例，其具有安裝在遠離旋轉(zhuǎn)點的環(huán)形線圈和測量磁芯；
圖11是具有對稱設(shè)計的角度傳感器，和圖12簡要表示根據(jù)本發(fā)明的具有平面線圈的角度傳感器。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的示意圖。由AC電壓源4向磁場繞組1供電，磁場繞組1的線圈部分貫穿傳感器的整個長度1。線圈磁芯2由高導(dǎo)磁率材料組成并具有以移動的方式形成的空氣縫隙d，使得磁芯穿過線圈1，使得分壓器元件3的一部分位于該空氣縫隙中。分壓器元件3包括導(dǎo)體5，其沿著底部邊緣伸展超出分壓器元件3；導(dǎo)體8，其在上部邊緣延伸超出分壓器元件；另一個導(dǎo)體7，其與導(dǎo)體5平行分布；和導(dǎo)電涂層9，其位于導(dǎo)體8和導(dǎo)體7之間并且形成電阻，該電阻沿著整個測量距離分布，位于導(dǎo)體8和7之間，大體上具有比由導(dǎo)體5和8所形成的感應(yīng)回路的阻抗要高的阻抗。
由AC電壓源4提供的電流流經(jīng)線圈1以產(chǎn)生磁通量，該磁通量穿過位于磁芯2部分中的分壓器元件3，同時只有一小部分磁通量穿過分壓器元件3的其余部分。
圖2中所示的圖表表示磁場場強和測量傳感器的整個長度上的電壓的理想化分布。該分布沒有考慮邊緣的影響或漏磁場。磁通量φ在磁芯的區(qū)域中產(chǎn)生并且穿過電阻元件9。
相對于導(dǎo)體5和7，磁芯2的空氣縫隙部分中的磁場隨時間的變化在導(dǎo)體8中感應(yīng)出AC電壓U(x)。AC電壓U(x)與磁通量φ對面積的積分成比例。結(jié)果，在導(dǎo)體8上形成的相對于導(dǎo)體5的電壓分布位于位置x上，該電壓最初在與磁芯2的接頭相反的位置上為零，在由磁芯2覆蓋的區(qū)域上線性遞增，而在磁芯后面直到接頭處保持恒量(圖2)。遍布在距離1之上的區(qū)域中并被初始認(rèn)為電阻層的電阻形成總電阻R0，R0可以在相對于導(dǎo)體5、或?qū)w8的導(dǎo)體接頭處檢測到。
如果將電阻層看作是由相同大小的單個電阻器組成，這些電阻器并聯(lián)并每個與不同的電壓源相連，然后輸出電壓變?yōu)閁A=Rn*Σi=1nUiR=RO*Σi=1nUiRO*n=Σi=1nUin]]>如果允許將n增加到無窮大，其結(jié)果為UA=1I*∫x=0lUxdx]]>由于電壓分布如圖2所示，則這導(dǎo)致的結(jié)果是，在輸出電壓中范圍為0＞s＜(1-b)〔原始文本在第8頁上的等式〕。UA=UO*b2l+UO*l-s-bl]]>由此產(chǎn)生可移動的磁芯2的位置s和輸出電壓Ua之間的線性關(guān)系。
導(dǎo)電涂層可以形成為電阻材料的連續(xù)表面；或者可以以足夠數(shù)量的均勻分布的離散電阻器或電容器表面、或以單個的電容器、或它們的組合的形式形成。
由于測量線圈僅由一匝組成，輸出電壓相當(dāng)?shù)汀Ｐ枰┻^分壓器元件的適當(dāng)高的磁通量，以便產(chǎn)生可以用于測定的信號，在這種情況中將來自初級線圈1的漏磁通量盡可能小地耦合到分壓器元件中。感應(yīng)電壓是頻率、在初級線圈1中產(chǎn)生的磁場強度、線圈2的導(dǎo)磁率和橫截面、磁芯2的空氣縫隙d、以及空氣縫隙范圍中磁芯面積的函數(shù)。
為了利用低電流產(chǎn)生高感應(yīng)電壓，選擇盡可能高頻率是有利的。但是，對于長的移動距離，頻率受到繞組電容的限制。此外，合適的線圈的生產(chǎn)相對復(fù)雜并且很難將移動磁芯插入到線圈中。通過一種設(shè)計可以克服這些困難，在這種設(shè)計中，初級線圈設(shè)計成單匝的形式，并且與用于產(chǎn)生電源電壓的電路匹配，該電源電壓依靠變壓器來提供。圖3表示的是一個優(yōu)選實施例部分剖掉的示意圖。
通過變壓器11將來自電壓源10的電壓減小到合適的較低電壓。變壓器11的次級繞組的一個接頭與外殼12連接；另一個接頭與導(dǎo)軌13連接，導(dǎo)軌13位于外殼12的內(nèi)部，與內(nèi)壁平行，并且在相反的一端與外殼電連接。因此變壓器次級線圈中的電流流經(jīng)導(dǎo)軌13并經(jīng)過外殼12返回。磁芯14位于導(dǎo)軌13和外殼12之間，使得磁通量穿過分壓器元件15，該磁通量由流經(jīng)導(dǎo)軌13和外殼12的電流產(chǎn)生。將反向線路設(shè)計成盡可能的寬，并且布置在離外殼較近距離的位置上。與普通的線繞線圈相反，該裝置提供了設(shè)計幾何結(jié)構(gòu)的可能性，使得在磁芯14以外的區(qū)域中的電感盡可能的小，使得由于其較低的磁阻，主要在磁芯14的區(qū)域中存在電壓降。該裝置具有高出該裝置所需頻率許多的諧振頻率。
在磁芯14以外的區(qū)域出現(xiàn)并且由磁場繞組產(chǎn)生的磁場在分壓器中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓添加到在磁芯14中感應(yīng)的所期望信號的相關(guān)位置。最初，這僅導(dǎo)致零點的偏移。但是，由于軟磁芯材料的導(dǎo)磁率由溫度決定，可以導(dǎo)致溫度響應(yīng)的衰弱。因此由漏磁場在分壓器中感應(yīng)的電壓盡可能小。
下面的測量可以克服這個問題--位于足夠距離的分壓器裝置。該方法使得設(shè)計簡單，但是需要比較大的空間。
--將分壓器元件15移動到對開繞組中的一個的低壓區(qū)域中(圖4a和4b)。勵磁線圈僅有一匝的設(shè)計尤其適合于該目的。圖4a和圖4b是通過相應(yīng)裝置的剖面圖。使用外殼15作為正向?qū)w，輪廓16用來作為勵磁電流的反向?qū)w。將輪廓16設(shè)計成分壓器元件17能夠放入到類似于槽的開口中。磁芯18由具有高磁導(dǎo)率的材料組成并將輪廓16封閉，具有設(shè)在輪廓的類似于槽的開口中的空氣縫隙，接下來分壓器元件17放在空氣縫隙中。
圖4a和4b表示磁力線的分布，其由流經(jīng)外殼15的輪廓和輪廓16(反向線路)的電流產(chǎn)生。在這種設(shè)計中，勵磁電流最好在相對表面的表面區(qū)域中流動。只要磁芯不影響磁通量，類似槽的開口區(qū)域可以遠離任何磁場。
圖4a表示沒有任何磁芯的磁力線分布。在這種情況中，實際上沒有磁力線穿過分壓器元件17。
在圖4b中，由于所說磁芯18的高導(dǎo)磁率-在磁芯18的區(qū)域中-磁力線最好流經(jīng)磁芯18，并且主要穿過空氣縫隙區(qū)域中的分壓器元件17，以便在此產(chǎn)生所需要的感應(yīng)電壓。由于磁阻較少，磁通量比沒有磁芯18的區(qū)域要高。此處也肯定存在漏磁場，并且導(dǎo)致輸出信號的減少。但是，它們與所期望磁場的比率總是相同的。
這種設(shè)計的一個優(yōu)點在于，磁芯18以外的區(qū)域中的初級繞組的電感非常低，同時在磁芯18區(qū)域中的電感相當(dāng)高。結(jié)果，穿過測量磁芯區(qū)域外部中的磁場繞組只存在較低的電壓降。此外，由于輪廓的形狀，結(jié)構(gòu)非常有剛性，因此形成良好的機械強度。但是，磁芯18的復(fù)雜設(shè)計是一個缺點。
對分壓器元件進行設(shè)計，使得不想要的漏磁場相互抵償(圖5a和圖5b)。在用來作為正向?qū)w的外殼19中，反向?qū)w20相對于分壓器元件設(shè)置，使得當(dāng)沒有磁芯存在時，磁力線穿過分壓器元件，使得分壓器元件面積上的磁通量的積分趨向零(圖5a)，其沒在磁芯22的區(qū)域中形成。圖5b表示磁芯22的區(qū)域，在此處將磁通轉(zhuǎn)向，使得磁通量僅以一個方向經(jīng)過分壓器元件21，并因此在測量繞組中產(chǎn)生一個相應(yīng)的感應(yīng)電壓。
由于分壓器元件僅由一匝組成，其中感應(yīng)出待測定的電壓，輸出電壓相當(dāng)?shù)汀＠盟褂玫膶嶋H尺寸，具有2mm空氣縫隙的磁芯橫截面可以是大約0.5cm2。100KHz左右區(qū)域中的工作頻率和至少0.1伏特的輸出電壓是所需要的。(較低的電壓肯定給出更可利用的結(jié)果。但是，如果需要的精確性比較高，輸出電壓的計算更復(fù)雜并且噪音的影響也是值得注意的)。由此可以估算磁通所需要的勵磁電流。將得到大約5A的值。這需要變壓器以及正向和反向線路的合適設(shè)計?？梢酝ㄟ^增加頻率、減小空氣縫隙和擴大空氣縫隙面積來減少電流。
尤其是利用長的測量長度時，由于在這種情況中存在電壓降，使得供電復(fù)雜。此外，高的電源電流產(chǎn)生相當(dāng)強的不希望得到的漏磁場。因此希望勵磁電流集中在測量磁芯的區(qū)域上。這可以如圖6所示操作，如果測量磁芯23設(shè)有與電容器25連接的繞組24。線圈的電感和電容構(gòu)成調(diào)諧電路，通過勵磁電流JE對該調(diào)諧電路進行通電。電流JLC在調(diào)諧電路中流動，并且當(dāng)增加線圈中的匝數(shù)時，在磁芯23的空氣縫隙中產(chǎn)生相應(yīng)的磁場強度。如果調(diào)諧電路在其諧振頻率下工作，只需要勵磁電流JE來維持線圈上的電壓，該勵磁電流JE是彌補調(diào)諧電路的損耗所需要的。依靠調(diào)諧電路的Q因子，通過10到50的因子就可以減小勵磁電流。
勵磁電流JE經(jīng)由導(dǎo)體27流經(jīng)磁芯。測量繞組26中感應(yīng)的電壓主要由流經(jīng)繞組24和電容器25的電流JLC控制。當(dāng)估算測量電壓時，仍然需要記住，當(dāng)調(diào)諧電路處于共振時，勵磁電流JE相對于調(diào)諧電路電流JLC發(fā)生了90°的相移。此外，還減少了漏磁場的影響。
調(diào)諧電路滿足工作條件的一個先決條件在于，它以諧振頻率工作?？梢酝ㄟ^調(diào)整振蕩器的頻率而完成調(diào)諧電路頻率的調(diào)整，反之亦然。這種方法不會阻止振蕩器和調(diào)諧電路相互間取消調(diào)諧。因此權(quán)宜之計是將測量調(diào)諧電路用來作為控制振蕩器頻率的元件。圖7表示的是一種裝置的方框圖，該裝置將來自磁芯30、線圈31和電容器32的調(diào)諧電路用來作為限定頻率的元件。通過改變測量回路34中的磁通量，磁芯30產(chǎn)生由放大器36對其進行放大的感應(yīng)電壓UO，和產(chǎn)生穿過變壓器35的初級繞組的電流。變壓器35的次級繞組產(chǎn)生穿過磁場繞組33的電流，接下來產(chǎn)生穿過調(diào)諧電路磁芯30的磁通。在諧振頻率上，電流和電壓是同相的，并且假定電壓是最大值。如果增益是足夠的，該電路以由線圈31和電容器32形成的調(diào)諧電路的頻率振蕩。
電壓加法器41的輸出和整個次級繞組34的輸出之間的電壓比率用來作為磁芯相對于定子的位置的測量。有利的是，在由整流器電路38整流之后，通過利用來自電壓源40的參考電壓UR與穿過次級繞組34的電壓進行比較，通過利用調(diào)整器41減少差別至零，和通過影響振蕩器電路的增益來調(diào)節(jié)振蕩器的振幅，使得其以需要的振幅進行振蕩，來將穿過次級繞組34的電壓調(diào)整為恒值。該方法具有的優(yōu)點在于，如果進行合適的設(shè)計，振蕩器電路不限制周期，并因此具有低的諧波含量。
在許多情況中，測量傳感器的優(yōu)點在于具有盡可能少的接頭，例如假如它們試圖以絕緣的方式穿過容器壁。如果可以估算出作用給電源線的電壓，就可以減少所需要的接頭數(shù)。圖8表示這種實施例的一個例子。AC電壓源48經(jīng)由變壓器42為包括導(dǎo)體43和44的導(dǎo)體回路供電。其中一個導(dǎo)體穿過可移動的磁芯45。電阻層46與導(dǎo)體43連接，并且與導(dǎo)體47的相對的末端連接。將尺寸設(shè)計成使得沿著導(dǎo)體43的電壓降在沒有磁芯45的區(qū)域中比磁芯45區(qū)域中的電壓降要低。在這種情況中，明顯的優(yōu)點在于以調(diào)諧電路的形式形成磁芯45，其以諧振頻率工作。電阻元件46在導(dǎo)體43上增加電壓分布，并且通過導(dǎo)體47輸出。這種設(shè)計的問題在于，由測量傳感器的饋電電流引起的導(dǎo)體43和44上的電壓降包括在輸出電壓中。其自己表現(xiàn)為零點的漂移和輸出信號的減少。因此，如果需要，可以通過依賴于電流的校正電壓來提供補償。
下文描述角度傳感器形式的電感測量傳感器。
在角度傳感器的情況中，能夠?qū)畲盆F心設(shè)成固定的和直接由振蕩器供電。因此該處沒有磁場繞組，并且沒有與振蕩器匹配的變壓器。根據(jù)測量范圍和所需要的精確性，有多種可能的物理形式。
最好涉及具有環(huán)形線圈的角度傳感器。
具有環(huán)形線圈的裝置的明顯優(yōu)點在于測量的角度超過90°，其中環(huán)形線圈相對于測量軸的旋轉(zhuǎn)點同心布置。在這種情況中，需要依次在具有固定在測量軸旋轉(zhuǎn)點的測量磁芯的裝置，與偏心安裝(遠離旋轉(zhuǎn)點)的并具有連續(xù)測量軸(空心軸)的測量磁芯之間進行識別。盡管不限制旋轉(zhuǎn)角，但需要同心的環(huán)形線圈。
圖9表示一種角度傳感器，具有環(huán)形線圈和固定在旋轉(zhuǎn)點的測量線圈，用于大約90°的角度測量范圍。測量磁芯1’由兩個同樣的鐵氧體磁芯組成，鐵氧體磁芯包括環(huán)形芯棒、與其相鄰的矩形網(wǎng)膜和與后者相鄰并且利用空氣縫隙d彼此相對的環(huán)形部分。測量磁芯1’與軸200’機械連接，打算測量其相應(yīng)于固定測量元件3’的角度。將固定測量元件3’位于兩個對開磁芯之間。導(dǎo)電導(dǎo)軌4’以導(dǎo)體回路的形式形成在扁平安裝板2’上，并與接頭5’和6’的末端連接。從圓弧7’和8’及其間的接頭到接頭5’和6’產(chǎn)生導(dǎo)體回路。另一個圓弧形式的導(dǎo)體導(dǎo)軌9’與接頭10’連接。電阻層11’作用到導(dǎo)體導(dǎo)軌7’和9’之間的安裝板上。環(huán)形線圈12’同樣布置在安裝板2’上，并如同將安裝板2’布置在測量磁芯1’的兩個對開磁芯之間。
當(dāng)交流電流經(jīng)線圈12’時，產(chǎn)生磁通，其最好流經(jīng)鐵氧體磁芯和穿過測量磁芯1’的空氣縫隙。因此，以已知的方式，在導(dǎo)體回路4’中產(chǎn)生電壓，并且該電壓取決于角度，由電阻層增加，并且經(jīng)過接頭10’。
除了要測量的磁通φm之外，還存在不想要的漏磁通φs(其不取決于角度)，這將消耗額外的勵磁能和減小所希望的信號。為保持低的漏磁通，將該線圈布置成盡可能與測量磁芯接近，并且將其布置成如圓柱形線圈。內(nèi)部磁芯的直徑和線圈的直徑必須限制在所需要的范圍內(nèi)。
線圈與電接頭13’和14’連接。為補償感應(yīng)的無功電流，以已知的方式將電容器15’與線圈并聯(lián)連接。在以諧振頻率工作期間，所需要的電流量只是為了彌補調(diào)諧電路的損耗所需要的。
誤差分析表明軸偏移是導(dǎo)致測量誤差的主要因素。因此努力使得有效半徑R與可以假定的軸偏移之間的比率盡可能的大，其中有效半徑R描述的是測量磁芯磁極片。這可能導(dǎo)致相當(dāng)大的必須使用的測量磁芯。如果不這樣做，所增加的復(fù)雜性對于精確的處理或調(diào)整必須是可以接受的。
如果測量角度小于180°，為減小來自軸偏移的誤差，設(shè)計可以是對稱的。然后測量磁芯具有兩個成對的分支，在180°內(nèi)進行補償，其由普通的環(huán)形線圈供電，并且在適當(dāng)布置的測量回路上作用，每個具有一個電阻元件。
圖11描述的是這樣一種設(shè)計。軸32’安裝在外殼30’中，使得其能夠旋轉(zhuǎn)。軟磁芯33’安裝在軸32’上。磁芯33’由圓柱中心部分34’和由此伸出的四個分支35’組成，每個分支都成對以相互間成180°的角度布置。每個分支對35’形成一個空氣縫隙，空氣縫隙中放有印刷電路板31’。
結(jié)合圖9以上述實施例中印刷電路板2’的相同方法對印刷電路板31’進行設(shè)計。它也具有導(dǎo)體導(dǎo)軌的第二裝置37；電阻元件和用于形成現(xiàn)有導(dǎo)體導(dǎo)軌的鏡像的電接頭；電阻層和電接頭36’。交流電流經(jīng)勵磁線圈38’，并且在兩個空氣縫隙中產(chǎn)生大約相同尺寸的磁通量。對兩個電阻元件36’和37’的輸出電壓進行估算，使得它們以同樣的方式提供給測量結(jié)果。如果存在軸偏移，一個部件36’的輸出電壓肯定具有誤差。但是，通過其它部件37’中相應(yīng)的相對誤差對其進行極大的補償。
該裝置不但允許對由印刷電路板中相對于旋轉(zhuǎn)點漂移產(chǎn)生的誤差進行極大補償，而且允許對轉(zhuǎn)子或軸承平面的離心率產(chǎn)生的誤差進行極大補償。
另一個優(yōu)點在于，對稱設(shè)計避免了任何不平衡。
對于較大的軸直徑和較大的測量半徑R，尤其是在空心軸傳感器中，由于較大的測量磁芯，上述角度傳感器的構(gòu)造通常是不經(jīng)濟的。此外，由于磁芯圓周上的較長距離，存在相當(dāng)大的漏磁通量，導(dǎo)致所希望的信號減少。
作為它的一種替換，能夠利用一種磁芯，其中鐵氧體磁芯僅穿過線圈圓周區(qū)域的一部分。如果磁芯材料具有較高的導(dǎo)磁率，由于線圈、空氣縫隙區(qū)域和長度中具有相同的勵磁電流，將在測量回路中感應(yīng)出相同的電壓。這種裝置的缺點在于形成了非常強的漏磁通，使得需要增加勵磁能；此外還感應(yīng)與測量回路中的角度無關(guān)的電壓。
這個缺點可以得到極大的克服，通過利用測量磁芯外部的短路環(huán)來產(chǎn)生相反的磁場，該磁場導(dǎo)致漏磁場的減小并且減小測量回路中與角度有關(guān)的感應(yīng)電壓。
圖10表示的是這種類型的具體實施例。利用支撐體19’的幫助，將磁芯17’安裝在軸18’的側(cè)邊上，軸18’具有相當(dāng)大的直徑。磁芯17’由軟磁材料制成。由兩個同樣的對開磁芯形成，其中每個包括一個內(nèi)環(huán)部分和外環(huán)部分以及它們之間的連接網(wǎng)膜，在軸的末端沒有任何空氣縫隙的將其相互連接。短路環(huán)20’位于磁芯和軸之間，并且靠在磁芯17’外的區(qū)域中的支撐體19’的圓周上，但是在磁芯區(qū)域中穿過磁芯17’和軸18’之間。
與磁芯17’外環(huán)部分的內(nèi)側(cè)一起，形成一個其中放有安裝板16’的空氣縫隙。圓柱線圈30’也布置在安裝板16’上并且包圍軸18’、支撐體19’、磁芯17’的內(nèi)環(huán)部分和具有小縫隙的短路環(huán)20’。具有接頭26’和24’的導(dǎo)體回路21’、具有接頭25’的導(dǎo)體導(dǎo)軌22’、電阻導(dǎo)軌23’、線圈接頭27’和28’以及調(diào)諧電路電容器29’也布置在安裝板16’上，。這些元件的作用從參照圖9所做的描述中很顯而易見。
由于其材料的相當(dāng)高的導(dǎo)磁率因素和較短的空氣縫隙，磁芯17’形成相對低的磁阻。因此，當(dāng)電流流經(jīng)線圈20’時，最好穿過空氣縫隙的區(qū)域形成磁通量。但是，由于磁芯20’具有較大的直徑，另外該軸具有不確定的磁性能，沒有短路環(huán)20’時形成干擾的漏磁場。如果交流電流經(jīng)線圈30’，在短路環(huán)20’中感應(yīng)出電壓，并且導(dǎo)致電流以與勵磁電流IE相反的方向流動。由此形成抵消線圈磁場的磁場，使得產(chǎn)生的磁場遭到非常大的衰減。但是，由于短路環(huán)在此處穿過磁芯后面的部分，在磁芯17’中就不存在這種情況。
如上所述，為了減小由于軸的偏移而引起的誤差，可以為小于大約120°的測量角度構(gòu)造對稱設(shè)計，該設(shè)計具有兩個磁芯和一個普通的勵磁線圈。
尤其是如果測量角度范圍較小時，為了減小軸偏移引起的誤差，在旋轉(zhuǎn)點和電阻元件之間提供較大的距離是有利的。如果軸之間的間隔比較大，由于該目的需要較大直徑的線圈和磁芯，就不再值得以同心的形式使用勵磁線圈和調(diào)諧電路線圈。
在這種情況中，對于短測量距離，使用改進的線性距離的編碼器是有利的。在這種情況中固定勵磁線圈，并且直接由振蕩器供電。與一個電容器一起，形成調(diào)諧電路。勵磁線圈產(chǎn)生穿過測量磁芯的磁通，經(jīng)由支架與軸機械連接，該軸相對于外殼的角度是待測量。測量磁芯依次穿過磁通，該磁通穿過具有電阻層的已知測量回路，因此產(chǎn)生取決于角度的輸出信號。
圖12是在上述功能原理基礎(chǔ)上的角度傳感器一個實施例的示意圖。軸41’安裝在外殼40’中，使得其能夠旋轉(zhuǎn)。支臂42’與軸牢固地連接。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，軟磁芯43’與支臂的末端連接并且作圓弧運動。磁芯43’形成一個由空氣縫隙斷開的長方形。線圈45’和印刷電路44’與外殼牢固地連接。線圈45’布置成使得測量磁芯的直翼43’穿過它。印刷電路板44’設(shè)在測量磁芯43’的空氣縫隙中。如果超出預(yù)期的測量范圍移動，由測量磁芯的空氣縫隙覆蓋的區(qū)域就是測量回路47’，對此不用再進行詳細(xì)的描述。線圈的橫截面盡可能小，使得穿過測量磁芯的外部測量回路的的漏磁通保持盡可能小。此外，將繞組設(shè)計成十分扁平，使得其可以穿過磁芯43’的空氣縫隙。因此能夠使用整體磁芯。
權(quán)利要求
1．一種電感測量傳感器，用于確定物體相對于固定外殼運動的位置，其中移動體具有一個測量傳感器，其產(chǎn)生在所限制區(qū)域上延伸的交變磁場，該交變磁場穿過至少一個與外殼連接的導(dǎo)體回路，在整個測量長度上延伸，并且通過電路對其在正向和反向線路之間的電壓差值求平均值并將其傳遞到輸出。
2．一種電感測量傳感器，用于確定物體相對于固定外殼運動的位置，其中超電感作用的元件穿過與外殼連接的并有交流電流流過的導(dǎo)體回路，起電感作用的元件與移動體連接并在該元件的區(qū)域中產(chǎn)生增加的電壓降，并且通過電路對其在正向和反向線路之間的電壓差值求平均值并將其傳遞到輸出。
3．如權(quán)利要求1或2所述的測量傳感器，其中可以通過導(dǎo)體回路上分布在測量長度上的每個分接頭分接電壓元件，并且依靠與共同的接頭連接的單個電阻器求平均值，該共同的接頭包圍移動元件的交變磁場可以流經(jīng)的區(qū)域。
4．如權(quán)利要求1或2所述的測量傳感器，其中可以通過導(dǎo)體回路上的每個分接頭分接電壓元件，并且依靠與共同的接頭連接的單個電容器求平均值，該共同的接頭包圍移動元件的交變磁場可以流經(jīng)的區(qū)域。
5．如權(quán)利要求1或2所述的測量傳感器，其中依靠電阻層求平均值，該電阻層位于導(dǎo)體回路的正向部分與在導(dǎo)體回路長度上延伸并與之平行的測量接頭之間，在導(dǎo)體回路的正向部分和測量接頭之間的區(qū)域由電阻層覆蓋，移動體的交變磁場可以通過該區(qū)域。
6．如權(quán)利要求1至5所述的測量傳感器，其中通過布置高導(dǎo)磁率的磁芯來產(chǎn)生移動體的交變磁場，使得其在測量距離長度上延伸的固定勵磁線圈中移動，該磁芯最好將磁通量轉(zhuǎn)換到測量回路的區(qū)域中。
7．如權(quán)利要求1至6所述的測量傳感器，其中磁場繞組由一匝組成，并且通過具有合適的變壓比的變壓器提供與電源阻抗的匹配。
8．如權(quán)利要求1至7所述的權(quán)利要求，其中可移動的高導(dǎo)磁率磁芯配備有一個與電容器連接的線圈，使得它們形成一個調(diào)諧電路，并且其中以該調(diào)諧電路的諧振頻率產(chǎn)生勵磁。
9．如權(quán)利要求1至8所述的測量傳感器，其中使用由線圈和電容器組成的調(diào)諧電路作為限定振蕩器電路頻率的元件。
10．如權(quán)利要求1至9所述的測量傳感器，其中對可移動元件的勵磁電流進行整流，使得穿過整個導(dǎo)體回路的電壓保持恒值。
11．如權(quán)利要求1至10所述的測量傳感器，其中測量值從加法器輸出的電壓與整個繞組上的電壓比率形成。
12．如權(quán)利要求1至11所述的測量傳感器，其中通過附加的電路裝置補償由可移動的電感測量傳感器外部的漏磁場感應(yīng)的電壓。
13．一種用于測量固定外殼和軸之間角度的裝置，在其上面安裝有如權(quán)利要求1至12所述的電感測量傳感器，其中電感測量傳感器由軟磁材料組成，并包括一個安裝在軸旋轉(zhuǎn)點的最好是圓柱的中心部分，和兩個向外伸出并且形成空氣縫隙的支架；并且其中由最好是圓柱的磁芯環(huán)繞中心部分，交流電流經(jīng)該圓柱磁芯，使得在由支架形成的空氣縫隙中產(chǎn)生磁場；并且其中由兩個支架形成的空氣縫隙包含一個印刷板電路，該印刷電路板具有至少一個測量回路，在該測量回路中空氣縫隙中的磁場通過感應(yīng)產(chǎn)生至少一個取決于角度的電壓。
14．一種用于測量固定外殼和軸之間角度的裝置，在其上面安裝有如權(quán)利要求1至12所述的電感測量傳感器，其中電感測量傳感器包括布置在遠離旋轉(zhuǎn)點的軟磁芯，該軟磁芯與斷開它的空氣縫隙一起，形成磁路；其中線圈相對于旋轉(zhuǎn)點同心布置，使得流經(jīng)它的交流電流產(chǎn)生穿過空氣縫隙的磁通量；其中空氣縫隙包含具有至少一個測量回路的安裝板，在該測量回路中空氣縫隙中的磁場通過感應(yīng)產(chǎn)生至少一個取決于角度的電壓；并且其中將高導(dǎo)電性材料布置在線圈的內(nèi)部和邊緣，使得流經(jīng)它的短路電流極大地補償電感變壓器外部的磁通量。
15．如權(quán)利要求13或14所述的用于測量角度的裝置，其中提供至少兩個均勻分布在圓周上的電感傳感器，和相關(guān)的測量回路，并且以同樣的方法利用這些測量回路的輸出電壓來獲得測量值。
16．一種用于測量固定外殼和軸之間角度的裝置，在其上面安裝有如權(quán)利要求1至12所述的電感測量傳感器，其中電感測量傳感器布置在遠離旋轉(zhuǎn)點處；其中電感測量傳感器包括由空氣縫隙斷開的軟磁芯；空氣縫隙中設(shè)有一個線圈，該線圈與外殼機械連接并且具有開口，磁芯的一個支架穿過該開口，并且在沒有變壓器元件接觸線圈的時候該線圈允許軸在預(yù)期的角度范圍內(nèi)移動，并且交流電流經(jīng)該線圈；并且其中安裝板布置在測量傳感器的空氣縫隙中，該安裝板具有至少一個用于獲得測量電壓的測量回路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電感測量傳感器,用于確定可以相對于固定外殼移動的物體的位置。本發(fā)明的特征在于,移動體包括測量傳感器,該傳感器產(chǎn)生在限制區(qū)域上延伸的交變磁場;還在于所說交變磁場穿過至少一個與外殼連接的導(dǎo)體回路并沿測量長度延伸。通過電路對正向和反向線路之間的電壓差值求平均值并將其饋送到輸出。將所說電感傳感器用于測量固定外殼和軸之間角度的系統(tǒng)。
文檔編號G01D5/165GK1285036SQ98813584
公開日2001年2月21日 申請日期1998年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月23日
發(fā)明者F·格萊克斯納 申請人:霍斯特塞德爾兩合公司