專利名稱：具有集成霍爾效應開關(guān)的磁性位置傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本公開一般涉及一種用于測量兩個物體之間的位移或者位置的裝置，更具體地講，涉及一種非接觸位置傳感器，其具有用作為初級傳感器的初級可配置磁通量源和與該初級傳感器相關(guān)聯(lián)的次級傳感器，這些傳感器都被用于檢測控制閥上的閥桿位置。
背景技術(shù)：
從食品加工廠中的控制產(chǎn)品流量，到大型油庫中的維持液位，工業(yè)加工廠在廣泛應用中使用控制閥。通常是自動的控制閥，通過作為一種可變節(jié)流孔或者通道，被用來管理產(chǎn)品流量。通過移動內(nèi)部閥元件即閥塞，能夠精確地控制通過閥體的產(chǎn)品量。該控制閥通常是自動的，使用執(zhí)行機構(gòu)和遙控儀器，該遙控儀器在過程控制計算機和該執(zhí)行機構(gòu)之間進行通信，以控制閥內(nèi)的流量變化，從而實現(xiàn)該工廠操作者所期望的控制策略。位置傳感器在維持精確過程控制中起關(guān)鍵性作用。
當該過程控制計算機發(fā)布指令以調(diào)整流量時，該遙控儀器必須讀取當前的閥位置，并且通過該執(zhí)行機構(gòu)實施正確的校正動作。典型的執(zhí)行機構(gòu)是由壓縮空氣源驅(qū)動的，而該壓縮空氣源由該遙控儀器控制。例如，在滑桿閥上使用的彈簧和隔膜執(zhí)行機構(gòu)中，作用到大片隔膜上的氣壓的變化，導致該隔膜的運動或者位移。與該隔膜相連接的是執(zhí)行機構(gòu)桿，該執(zhí)行機構(gòu)桿又連接到該閥塞。通過改變該隔膜上的氣壓，該遙控儀器可以直接定位該閥塞，從而控制通過該控制閥的流量。為了準確地控制流量，該儀器必須總是了解閥塞在哪里，以及根據(jù)新的指令它必須運動到哪里。通過在該遙控儀器和該執(zhí)行機構(gòu)桿之間連接位置傳感器，可實現(xiàn)這一目的。該位置傳感器的輸出可以被直接連接到該遙控儀器，從而提供閥桿位置反饋，獲得精確的閥控制。
傳統(tǒng)的位置傳感器，比如電位計或者其他的機電限位開關(guān)，要求動態(tài)的或者運動機械聯(lián)動來將運動或者位移接入該傳感器。這種機電限位開關(guān)被安裝在執(zhí)行機構(gòu)上，并且當一運動元件位于半行程或者閥桿行程的兩端時，由該運動元件解扣。從限位開關(guān)(或者開關(guān))中輸出的信號用于操縱繼電器、電磁閥，或者用于觸發(fā)警報。為了避免比如在高推力閥的應用中對控制元件的損壞，可以將該限位開關(guān)設置在適當位置，以使閥桿的運動不會超過其所期望的行程長度。
在應用中，在由于湍流存在所導致的機械振動的地方，由于在非常短的時間周期內(nèi)引起數(shù)百萬次的運算周期累積，系統(tǒng)誤差和不穩(wěn)定性可能降低位置傳感器的可靠性。機械聯(lián)動同樣具有接觸或磨損點。在惡劣使用條件下，在這些磨損點上，不穩(wěn)定性差不多可以“鋸開”這些機械聯(lián)動，從而將閥桿從遙控儀器上斷開。這種類型嚴重失效會破壞閥控制，必須避免。為了提高傳感器的可靠性，傳感器設計已經(jīng)被移向非接觸位置檢測方法。
非接觸傳感器的一種類型是磁性位置傳感器。磁性位置傳感器用于檢測兩個物體之間的位移，主要是通過將磁通量源，通常是磁鐵，連接到第一個物體上，并且將傳感器，比如霍爾效應傳感器，連接到第二個物體上。該磁通量源產(chǎn)生磁場，由該傳感器檢測該磁場。通過一個或者兩個物體產(chǎn)生相對位移的任何運動，產(chǎn)生該磁場相對于傳感器的不同部分，從而改變該傳感器的輸出。此輸出可以與該執(zhí)行機構(gòu)和閥桿之間的相對位移直接相關(guān)。
非接觸位置傳感器具有很強的可適用性，并且可以測量多種形式的位移。然而，目前的非接觸位置傳感器通常受到將其連接到運動元件上的方法的限制。在遙控儀器中，具有多種位置或者反饋傳感器的商業(yè)實例，其中遙控儀器仍然使用“接觸”動態(tài)聯(lián)動來接入位移。一種這種構(gòu)造是使用常規(guī)的蝸輪裝置，來直接將旋轉(zhuǎn)運動接合到非接觸磁阻元件上。雖然該磁阻元件可以被歸類為非接觸傳感器，但是這種運動實際上是通過“接觸”裝置轉(zhuǎn)換的，并且就像傳統(tǒng)的基于聯(lián)動(linkage-based)的電位計一樣，該運動的可靠性降低。
另外，其他的非接觸位置傳感器從無效到重新配置磁通量源，從而為不同形式的位移測量(例如，直線和旋轉(zhuǎn))提供預定輸出。在Riggs等人的美國專利5,359,288，Wolf等人的美國專利5,497,081，以及Takaishi等人的美國專利5,570,015中，將發(fā)現(xiàn)上述形式位置傳感器的實例。
現(xiàn)有非接觸位置傳感器的其他缺點，包括需要至少兩個這種限位開關(guān)來檢測閥塞行程的兩端，難以實現(xiàn)這種限位開關(guān)，以及擔心其可靠性。在下文的優(yōu)選實施例的發(fā)明內(nèi)容和具體實施方式
中，將說明一種在其中能夠克服現(xiàn)有近程式傳感器的全部缺點的方式。

發(fā)明內(nèi)容
如這里所述的位置傳感器組件，提供有非接觸位置傳感器，用于準確地檢測兩個物體之間的相對位移，更具體地講，用于精確測量控制閥組件中的閥塞的位置。
具有高可配置磁通量源的限位開關(guān)使用多個離散磁鐵，并且適于測量直線位移或者旋轉(zhuǎn)位移。可以通過磁性組件的控制設計實現(xiàn)這個目的。將各個磁鐵進行裝配，以產(chǎn)生連續(xù)的混合通量場，從而在其中產(chǎn)生可變化的物理幾何結(jié)構(gòu)磁通量源。使用包括兩個L形分段的U形極靴(pole piece)，該極靴連接從磁通量源到位于該U形極靴的L形分段之間的霍爾效應元件或初級傳感器之間的通量。
另外使用次級傳感器，該次級傳感器與該初級傳感器協(xié)同工作，并且優(yōu)選的是按照與該初級傳感器成比例方式工作。在一個實施例中，采用霍爾效應臨近傳感器的U形極靴，以使兩個L形分段每個都具有非對稱的Y形部分，以容納初級和次級傳感器。該初級傳感器在該Y形部分的第一端部直接與U形極靴的端面相連接。該次級傳感器通過適配器被連接到該Y形部分的第二端部。
該適配器在次級傳感器和Y形部分的第二端部之間產(chǎn)生間隙，在本文中將該間隙稱作氣隙。該氣隙產(chǎn)生與該次級傳感器之間的損耗磁耦合。通過改變該氣隙中的空間，人們可以按比例控制初級和次級傳感器兩者經(jīng)受的通量大小。當該適配器優(yōu)選的是電絕緣材料比如塑料時，可以認識到該氣隙還可以為開放空間，即空氣或者其他材料，而不會改變通過次級傳感器的通量。
在替換實施例中，該次級傳感器被設置為鄰近該初級傳感器，并且沿垂直于U形極靴所在平面的軸線排列，或者被定向為垂直該初級傳感器的霍爾元件，并且位于和U形極靴的底面緊密接觸的位置。在下列附圖的視圖中將顯示這些不同的實施例。


圖1A顯示說明位于磁通量源中心附近的磁性傳感器的橫截面圖的結(jié)構(gòu)圖。
圖1B顯示說明位于磁通量源一端附近的圖1A中的磁性傳感器的橫截面圖的結(jié)構(gòu)圖。
圖1C是圖示對應于圖1A的磁性傳感器輸出的圖形。
圖1D是圖示對應于圖1B的磁性傳感器輸出的圖形。
圖2A是安裝在滑動桿執(zhí)行機構(gòu)上的用來檢測閥桿直線位移的非接觸位置傳感器組件的透視圖。
圖2B是圖2A中的整個非接觸傳感器組件的透視圖，顯示磁通量源和非接觸位置傳感器組件之間的相互連接。
圖2C是用于直線非接觸位置傳感器的傳感器外殼和傳感器組件的透視圖。
圖3A是位置傳感器的側(cè)視圖，顯示包含多個具有各自用于直線行程定位的感應值的離散磁鐵的磁通量源。
圖3B是用于直線行程的圖3A中的位置傳感器的俯視圖，并且顯示磁通量源在傳感器組件中的橫向位置以及插入深度。
圖3C和3D相結(jié)合，都是圖示一電子電路的示意圖，該電路用于間歇地為磁性傳感器提供能量，并且調(diào)節(jié)脈沖輸出信號以產(chǎn)生遙控儀器中使用的模擬信號。
圖4A是自由空間圖，用于說明如現(xiàn)有技術(shù)所述那樣放置的、并且用作為用于直線位移測量的磁通量源的單一條形磁鐵的非線性端部效應。
圖4B是自由空間圖，用于說明由離散磁通量源的離散磁鐵所產(chǎn)生的疊加通量場，以及由通量聚集極靴(flux-gathering pole piece)所產(chǎn)生的合成混合磁場。
圖5A是圓柱形磁鐵托架的說明性側(cè)視圖，將該托架標示為用來顯示用于4.5英寸直線行程位置傳感器的磁通量源中的螺旋導向的離散磁鐵的等距垂直間距。
圖5B是用于直線位置傳感器的螺旋導向離散磁鐵陣列的說明性俯視圖，該視圖顯示磁通量源中的離散磁鐵的角位移，以及該磁通量源在傳感器組件中的橫向位置和插入深度。
圖6是連接到旋轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)位置傳感器的說明性透視圖，其中構(gòu)成旋轉(zhuǎn)磁通量源的多個離散磁鐵被布置為圍繞該旋轉(zhuǎn)軸成均勻角度分布。
圖7A是端部安裝的旋轉(zhuǎn)位置傳感器的說明性透視圖，其中該圓柱形磁通量源在通量聚集極靴的多個分支之間旋轉(zhuǎn)。
圖7B是顯示用于展示線性輸出特征的端部安裝旋轉(zhuǎn)位置傳感器的參考敏感平面和最大角位移的說明性端視圖。
圖8是用于根據(jù)本發(fā)明的非接觸位置傳感器的傳感器外殼和傳感器組件的透視圖；圖9是沿著圖8中的直線9-9做出的平面圖；圖10是用于非接觸位置傳感器的初級和次級霍爾效應傳感器的替換布置方式的放大平面圖；
圖11是用于非接觸位置傳感器的初級和次級霍爾效應傳感器的另一替換布置方式的放大平面圖；圖12是磁鐵托架行程對霍爾傳感器輸出(直流電壓形式)的曲線圖，表明根據(jù)一實施例所布置的初級和次級霍爾效應傳感器，對應于沿代表閥桿或者閥塞的典型行程的線性轉(zhuǎn)換器的行程的不同位置的相對輸出；以及圖13是系統(tǒng)表示的示意圖，其中由處理器檢測、分析初級和次級霍爾效應傳感器的電壓輸出，與存儲在其存儲器中的數(shù)據(jù)相比較，并且可以將輸出信號從該系統(tǒng)提供給控制器。
具體實施例方式
為了理解在此所述的位置傳感器的優(yōu)點，有必要了解位置傳感器的元件以及它們?nèi)绾芜\轉(zhuǎn)從而測量控制閥上的位移。雖然所述優(yōu)選實施例講解了涉及控制閥的位移測量，但是本領域技術(shù)人員同樣將會認識到與其他位移測量應用的相關(guān)性。轉(zhuǎn)向附圖并且首先參考圖1A，顯示了該非接觸位置傳感器的關(guān)鍵部件。
在圖1A中，傳感器5被布置在磁通量源8附近。眾所周知，磁通量源8產(chǎn)生連續(xù)的三維通量場，該通量場完全包圍磁通量源8和傳感器5。然后，傳感器5是一種產(chǎn)生與包圍傳感器5的磁場10成比例的電信號的裝置。如本領域技術(shù)人員已知的那樣，所檢測的磁場10的強度相對于磁場10中的位置而變化。因此，如圖1C中的圖表所示，傳感器5相對于磁場10的相對位置或者位移中的任何變化，都將在傳感器5的輸出中產(chǎn)生相應的變化。可以利用這種關(guān)系來制造非接觸位置傳感器。
在非接觸位置或者位移測量的應用中，傳感器5和磁通量源8都被安裝在兩個機械獨立的物體(未示出)上。沒有使用動態(tài)的或者運動的機械聯(lián)動來將磁通量源8之間的相對位移直接耦合到傳感器5中。再次參考圖1A，傳感器5和磁通量源8的相對位置使傳感器5布置在靠近磁通量源8中心的位置，具有用D1表示的位移。在圖1C中對應的圖表顯示用對于位移D1的V1表示的傳感器5的輸出。在圖1B中，該位移被變動到新的位置，用D2表示，使傳感器5布置在磁通量源8的端部附近。在圖1D中，對應的圖表顯示傳感器5輸出V2中的變化，該與由磁通量源8產(chǎn)生的磁場10中傳感器5的位置變化直接相關(guān)。傳感器5輸出信號的這些變化，被用作為這兩個機械獨立的物體之間的位移的直接測量。連接到傳感器5上的電子電路(未示出)，用來處理在下文中進行更加詳細說明的控制閥應用中使用的傳感器5的輸出信號。
現(xiàn)在參考圖2A，位置傳感器被顯示為與用于控制閥的自動控制的滑動桿執(zhí)行機構(gòu)20相連接?；瑒訔U執(zhí)行機構(gòu)20適用于直線運動(即沿著直線的運動)。圖2A的透視圖顯示該位置傳感器的磁性傳感器組件11和磁通量源18a(在圖3-7中進行更加詳細的顯示)，是如何獨立地安裝在滑動桿執(zhí)行機構(gòu)20和遙控儀器19(僅僅顯示遙控儀器的模塊基座)之間的。
眾所周知，滑動桿執(zhí)行機構(gòu)20，遙控儀器19和控制閥(未示出)相結(jié)合而形成閥組件23。安裝組件14將磁通量源18a連接到桿連接器27上。安裝組件14由安裝板15a和對準板15b構(gòu)成。使用桿連接器螺栓16a和16b將桿連接器27連接在執(zhí)行機構(gòu)桿17和閥桿21之間。
在美國專利5,451,923中描述未配備本位置傳感器的典型閥組件的一般操作，該專利被轉(zhuǎn)讓給Fisher Controls International公司，將其合并在此作為參考。眾所周知，當遙控儀器19接收到移動該閥塞的命令時，壓縮空氣被引導向滑動桿執(zhí)行機構(gòu)20，并且執(zhí)行機構(gòu)桿17將產(chǎn)生運動。執(zhí)行機構(gòu)桿17的任何位移都將使磁通量源18a相對于傳感器組件11的位置產(chǎn)生相對變化。該位置變化改變該傳感器輸出。該輸出信號被傳送到遙控儀器19中進行處理，從而產(chǎn)生對閥塞(未示出)的精確控制。圖2B顯示直線位置傳感器30a的透視圖。磁通量源18a和傳感器組件11緊密接近地布置，從而將磁場10(圖1A和圖1B)充分地連接到傳感器組件11上，但是在運行過程中不發(fā)生接觸。
現(xiàn)在參考圖2C，傳感器組件11被安裝在傳感器外殼22中。傳感器外殼22提供通量聚集極靴32和磁性傳感器35的位置對準(在下文中進行更加詳細地說明)。通過支架38和兩個螺釘24a和24b，將磁性傳感器35和通量聚集極靴32保持在傳感器外殼22中。此外，通過將傳感器外殼22直接整合到遙控儀器19中，來簡化電氣連接，并且能夠適合本領域技術(shù)人員所熟知的危險環(huán)境中的用于固有安全性和防爆炸操作的工業(yè)限制。傳感器外殼22由鋁或者任何其它適合的非磁性材料制造，并且適合于容納傳感器組件11。
現(xiàn)在參考圖3A和圖3B，將詳細討論該優(yōu)選實施例中的磁通量源18a(圖3A)和傳感器組件11(圖3B)。在該優(yōu)選實施例中，磁通量源18a被設計為用于在其整個位移測量范圍之內(nèi)測量直線行程，并且提供線性輸出信號。例如，位移中10％的變化將在位置傳感器的輸出信號中產(chǎn)生相應的10％的變化。位置傳感器輸出中的所有變化都與位移中的變化成正比。該線性輸出關(guān)系在遙控儀器的運行中十分重要。通過產(chǎn)生位移的正比例測量，不需要通過遙控儀器19或者傳感器電子線路13(圖3C和3D)的額外處理就可以提供位置反饋。
多個獨立的或者離散的圓柱形磁鐵50-72被安裝在矩形托架41中，用來產(chǎn)生磁通量源18a。用于托架41的優(yōu)選材料是非磁性的，比如鋁或者塑料。在該優(yōu)選實施例中，23個離散的磁鐵50-72都被布置在托架41中，用于產(chǎn)生能夠測量大約4.5英寸的直線行程的線性陣列。離散磁鐵50-72優(yōu)選的是都由鋁鎳鈷永磁合金(ALNICO)8H做成，并且垂直地或者水平排列。在一個實施例中，使用環(huán)氧樹脂，比如明尼蘇達州，圣保羅的3M公司制造的2214結(jié)構(gòu)性粘著劑(Structural Adhesive)，將磁鐵50-72安裝在該托架中。每個離散的磁鐵都大約是直徑為0.1875英寸，并且長度為0.1875英寸。各個磁鐵中心到中心的間距在垂直方向上大約為0.25英寸，在該陣列的中心部分上設置大約4.5英寸的位移測量。托架41提供該磁鐵陣列的機械對準，并且使用安裝組件14直接連接到桿連接器27上，使用前面圖2A中所示的桿連接器螺栓16a和16b，將裝配組件14連接到桿連接器27上。
如本領域技術(shù)人員所理解的那樣，在遙控儀器19安裝在執(zhí)行機構(gòu)20上的過程中產(chǎn)生的尺寸公差層疊，要求在閥組件23運行之前進行儀器校準。通過沿著該縱向行程軸線和在水平地垂直于該縱向軸線的平面中提供粗糙位置校準，有利于該儀器校準。區(qū)別于直接將運動耦合到傳感器的現(xiàn)有技術(shù)聯(lián)動，安裝組件14的安裝板15a和對準板15b都是靜態(tài)的，并且僅在安裝過程中提供調(diào)整。在圖3B中進一步說明磁通量源18a和傳感器組件11的水平對準。
圖3B中所示的俯視圖清楚地顯示傳感器組件11的U形通量聚集極靴32。通量聚集極靴32包括兩個由高穿透性材料，優(yōu)選的是賓夕法尼亞州，里丁卡彭特技術(shù)公司的退火的HyMu“80”做成的L形分段33a和33b，并且布置成互為鏡像相反。L形分段33a和33b在底部相結(jié)合，具有適于容納磁性傳感器35的間隙，以及將各個L形分段33a和33b布置在緊靠磁性傳感器35的位置。每個L形分段33a和33b的正方形橫截面尺寸都大約為0.15英寸。優(yōu)選的是，每個L形分段33a和33b深度都大約為1.25英寸，并且橫過該底部有0.445英寸，從而形成深度大約1.25英寸、寬度為0.89英寸的外形尺寸的U形。在該優(yōu)選實施例中，磁性傳感器35是Allegro 3515的霍爾效應元件，但是同樣可以或者另外使用其他形式的包含但不是限于Allegro 3515的霍爾效應元件的磁性傳感器。
通過電子電路13(圖3C和3D)處理磁性傳感器35的輸出。電子電路13在磁性傳感器35和遙控儀器19之間設置有接口。如圖3C中所示，一對連接器11和J2從工業(yè)標準4～20mA電流線圈中接收功率。如本領域技術(shù)人員所理解的那樣，用于磁性傳感器35和電子電路13的功率可以從調(diào)整電路產(chǎn)生，該調(diào)整電路用無源元件R5，R6，R7，R10，R11，R12和C5，以及來自加利福尼亞州，圣克拉拉的國家半導體公司的LM285微功耗基準電壓二極管U2設計而成。在表1中顯示這些元件以及圖3C和3D中的其它元件的值/標示。
間歇性地為這些電路供電，可以減少磁性傳感器35和電子電路13的功率消耗。磁性傳感器35通過連接器J3連接到該電子電路上，并且通過多通道場效應晶體管(FET)Q2在大約200赫茲處“功率開關(guān)”或者受到脈沖作用。如本領域技術(shù)人員所理解的那樣，嵌入式控制器U1，亞利桑那州，菲尼克斯的微型芯片技術(shù)公司的PIC12C508A，以及無源元件R1、Y1、C1和C2提供用于脈沖運行的定時和控制。從磁性傳感器35輸出的脈沖輸出信號必須進行插值或者重建，從而產(chǎn)生能夠由遙控儀器19處理的模擬信號。FET Q1，運算放大器U3A(圖3C)，以及多個無源元件R2，R8，R13，R14，C3，C6和C7，產(chǎn)生采樣和保持電路，用來重建模擬信號。運算放大器U3B和多個無源元件R3，R4，R9以及C4調(diào)整(即調(diào)整增益和偏移)并且過濾重建模擬信號，從而產(chǎn)生最終輸出信號。通過連接器J4，最終的輸出信號或者位置位移測量被輸送到遙控儀器19中(圖3C)。最后，測試連接器J5能夠為用于磁性傳感器35和電子電路13的診斷評估提供測試信號。


表1繼續(xù)參考圖4B，通量聚集極靴32收集磁通量源18a產(chǎn)生的磁場10，并且將該通量引導向磁性傳感器35，在下文中將對此進行更加詳細地說明。磁通量源18a被安裝為大致垂直于傳感器組件11，這樣任何相對水平位移都不會導致磁通量源18a與通量聚集極靴32上的內(nèi)腳物理接觸。磁通量源18a與U形通量聚集極靴32的開口的嚙合大約為0.3125英寸。位于磁通量源18a兩側(cè)的大約為0.2英寸的氣隙將磁通量源18a對稱地布置在傳感器組件11中。
每個離散的磁鐵50-72產(chǎn)生磁場。眾所周知，所述磁場的形狀和密度與多個因素直接相關(guān)。這些因素中的兩個是磁鐵的感應和磁鐵與外界磁場的相互作用。為了更好地理解磁通量源18a的特有特征，在下文中將更加詳細地說明上述因素。
磁鐵的感應是其內(nèi)在磁性強度的直接測量，并且能夠在制造過程中進行控制或者程序化。眾所周知，對于給定的磁鐵物理幾何結(jié)構(gòu)，在其感應中的增加將在磁性強度和其磁場密度中產(chǎn)生相應的增加。通過控制離散磁鐵的感應，能夠控制其通量密度(即在給定體積中的通量大小)，并且因此能夠控制其磁場。同樣，不是由離散磁鐵產(chǎn)生的任何附加的或者外界磁場都可以與離散磁鐵產(chǎn)生的磁場相結(jié)合。附加磁場的極性和密度能夠“加性地”增加或者減少圍繞離散磁鐵周圍的磁場。在此說明的磁路使用感應控制和外界磁場之間的相互作用來產(chǎn)生可編程的磁通量源。
如現(xiàn)有技術(shù)證明的那樣，當用于位移測量使用磁鐵的整個長度時，單一條形磁鐵會有難度。如圖4A中所示，在單一條形磁鐵的應用中，磁極的極化方向或者方位平行于行程方向。極性方向在磁極附近設置有高度集中的磁場130a和130b。在這些密集通量區(qū)域中，磁通線之間的排斥力在磁場中產(chǎn)生極端非線性變化。如果單一條形磁鐵將被用于位移測量，則需要通過傳感器組件電子線路進行特殊處理，從而產(chǎn)生線性輸出。另外，磁鐵的長度可以增加大約75％，從而排除非線性端部效應，但是這種方法不必要地增加了成本，并且由于物理長度的增加限制了位置傳感器的應用。在本優(yōu)選實施例中，磁通量源長度可以與將要檢測的最大位移大致相等，并且不需要對輸出信號進行特殊處理。
圖4B是僅使用七個離散磁鐵50-56的優(yōu)選實施例的自由空間圖，用于圖示相互結(jié)合來產(chǎn)生更大的混合磁場10的磁場110-116。下述磁學原理大致說明了多個離散磁鐵之間的關(guān)系。如圖4B所示，獨立磁場110-116不僅包圍產(chǎn)生所定向的離散磁鐵50-56，而且提供用于相鄰磁鐵的相交磁通線。疊加的通量區(qū)域加性地相結(jié)合，用于產(chǎn)生更大的限定整個磁通量源的預定磁場10。在優(yōu)選實施例中，每個離散磁鐵50-56的極軸垂直指向相對運動的方向，以有助于“疊加”連續(xù)磁場。通過控制每個離散磁鐵50-56的感應或者強度，并且將其布置成線性陣列，離散磁場110-116加性地互相結(jié)合，從而產(chǎn)生能夠產(chǎn)生預定磁場10的可編程磁通量源。
如上文所述，每個離散磁鐵都具有與之相關(guān)聯(lián)的特殊的磁性“能量”或者感應量。物理磁性體積、磁鐵幾何結(jié)構(gòu)以及磁鐵材料特性，都限定了在磁鐵中能夠存在多少磁能。如本領域技術(shù)人員所已知的，每個離散磁鐵的感應都可以使用傳統(tǒng)的磁性處理器進行設計或者校準，比如印地安那州，印第安納波利斯的磁性儀器公司生產(chǎn)的型號為990C的Magnetreater。當使用型號為990C的Magnetreater時，需要考慮上述磁鐵的所有特性。在下文中示出的表2，提供了用于圖3A中所示的線性陣列的感應值。


表2如表2中所述和所示，磁鐵序列的感應值發(fā)生階段性的變化，從而產(chǎn)生磁通量源18a的磁場10。離散磁鐵61被布置在陣列的幾何中心，并且被設計為0高斯，從而在儀器校準中為絕對參考提供磁性空位。此外，為了提供絕對位移測量，離散磁鐵50-72在磁性空位的兩側(cè)都具有相反的極性。極性差異通過電子電路13(在圖4B中未示出)進行檢測，并且通過遙控儀器19將其作為絕對位置測量。眾所周知，在表2的值中，相反的數(shù)學符號表示極性變化。通常，正值表示磁性空位之上的相對位移，負值表示磁性空位之下的相對位移。雖然優(yōu)選實施例講解了具有線性輸出關(guān)系的位置傳感器，但是應該理解的是，磁通量源的內(nèi)在可編程性能夠提供多種位置傳感器輸出信號行程關(guān)系，而沒有改變傳感器組件電子線路。同樣，離散磁通量源的獨特特性為不同形式的位移測量提供充分的適應性。在下文中所解釋的替換實施例中將更加詳細地說明這種適應性。
在直線應用的另一實施例中，在磁通量源中重新定位離散磁鐵來控制相互作用。如上文所述，優(yōu)選實施例依靠設計相鄰離散磁鐵的感應來產(chǎn)生預定的輸出信號。再次參考圖1A-1D，磁場中的物理位置決定此磁場的測量強度。類似地，通過在相鄰磁鐵之間產(chǎn)生空間和距離，能夠控制離散磁鐵的表觀強度，因此可以控制其相互作用。
圖5A是另一實施例的側(cè)視圖。磁通量源18b的離散磁鐵50-72都再次沿著托架42的縱軸46等間距布置。離散磁鐵50-72的直徑大約為0.125英寸，長度為0.462英寸。托架42適于容納具有大約為0.25英寸的中心到中心間距的離散磁鐵50-72。通過圍繞磁通量源18b的縱軸46螺旋形地導向或者旋轉(zhuǎn)離散磁鐵50-72，來控制磁場的相互作用。眾所周知，通過在任何方向上增加離開磁鐵的間距，將降低磁鐵的表觀強度。在此替換實施例中，提供圍繞縱軸在相鄰磁鐵之間精確的角位移，來控制相鄰磁場之間的相互作用。在此替換實施例中，傳感器組件11(未示出)與優(yōu)選實施例中詳細說明的傳感器組件相同。因此，通過離散磁鐵50-72的計算方位，可以產(chǎn)生預定的輸出信號。
圖5B是用于直線位置傳感器的螺旋指向磁通量源18b的俯視圖。該視圖顯示用于離散磁鐵50-72的旋轉(zhuǎn)參考平面126。磁通量源18b大約位于通量聚集極靴32的第一和第二L形分段33a和33b之間的中心部分。在下文中示出的表3，提供了要求從具有全部設計為大約457高斯的離散磁鐵50-72的傳感器組件11(未示出)中獲得基本線性輸出的旋轉(zhuǎn)角實例。


表3圖6中顯示位置傳感器的另一實施例。使用與優(yōu)選實施例中類似的技術(shù)構(gòu)造旋轉(zhuǎn)非接觸位置傳感器30b。15個離散磁鐵50-64被排列在均勻角度分布為6°的扇形托架43中。該扇形托架垂直布置在旋轉(zhuǎn)軸47上，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通量源18c。另外，扇形支架43優(yōu)選的是由鋁制成。通過旋轉(zhuǎn)安裝組件79，旋轉(zhuǎn)磁通量源18c被直接連接到旋轉(zhuǎn)軸75上。通量聚集極靴的L形分段33a和33b，磁性傳感器35，以及離散磁鐵50-64都與上述說明相同。在下文中示出的表4，為圖6中所示的旋轉(zhuǎn)磁通量源18c提供感應值。


表4圖6中所示的旋轉(zhuǎn)位置傳感器30b，通過各個離散磁鐵50-64的感應的受控校準，提供旋轉(zhuǎn)行程和傳感器輸出之間的線性關(guān)系。通過90°的旋轉(zhuǎn)，提供線性輸出運行特性。
在此所描述的原理同樣可以被應用于具有延長的線性運行范圍的旋轉(zhuǎn)位置傳感器30c。使用與上文中參考圖2C所述的相同的通量聚集極靴32的L形分段33a和33b以及磁性傳感器，可以用單個圓柱條磁鐵39作為用于位置傳感器的磁通量源。如圖7A中所示，旋轉(zhuǎn)傳感器30c被設計為可以提供以線性方式變化的輸出。圓柱形磁鐵39在通量聚集極靴32的第一和第二L形分段33a和33b之間旋轉(zhuǎn)，以提供基本為線性的輸出信號。通過正確選擇磁鐵長度，可以獲得最大的線性度。相對于通量聚集極靴32，圓柱形磁鐵39的最優(yōu)化長度是實質(zhì)上為通量聚集極靴32的L形分段之間的間隙寬度的2/3。例如，使用內(nèi)部寬度大約為0.59英寸的優(yōu)選實施例的通量聚集極靴32，圓柱形磁鐵39將具有大約為0.385英寸的長度。在此替換實施例中，圓柱形磁鐵39的直徑大約為0.1875英寸。如圖所示，托架44將圓柱形磁鐵39連接到旋轉(zhuǎn)軸75上。托架44適于圍繞旋轉(zhuǎn)軸75的軸線49，連接到圓柱形磁鐵39上。此外，圓柱形磁鐵39被插入通量聚集極靴32的開口中大約0.3125英寸。
如圖7B中所示，通過110°的旋轉(zhuǎn)提供線性輸出運行特性，其中，該旋轉(zhuǎn)是圍繞等分通量聚集極靴32的第一和第二L形分段33a和33b的平面119對稱布置的。等分平面119與磁性傳感器的檢測平面118成直角。
上文中已經(jīng)顯示和說明了使用單個霍爾效應傳感器的位置傳感器的多種執(zhí)行方式?？梢栽谏衔闹兴龊退镜募夹g(shù)和構(gòu)造中進行多種調(diào)整和變動。例如，由鐵磁粉材料做成的磁分路可以被設置在靠近或者完全包圍每個離散磁鐵的位置，以有選擇地減小其磁場，因此控制其在后續(xù)磁鐵上的效應。此外，同樣可以在各個磁鐵之間使用不均勻間距，或者使用可變磁鐵長度。
此外，如圖8-11中的實施例所示，次級霍爾效應傳感器可以被加到在單個霍爾效應非接觸接近傳感器中使用的U形通量聚集極靴上。下面參見附圖8，傳感器組件200被安裝在傳感器外殼212中。U形通量聚集極靴214被傳感器外殼212固定地排列。如上文中更充分地說明那樣，U形通量聚集極靴214，包括第一L形分段216以及第二L形分段218，并被布置在緊密鄰近磁通量源的位置。磁通量源可以采用，例如含有多個離散圓柱形磁鐵的矩形托架(如圖3A中所示)的形式，使用該托架可以有助于通過具有直線位置和行程的傳感器組件210進行檢測。對于磁通量源的替換布置方式同樣是可能的。例如，為了便于檢測旋轉(zhuǎn)位置和行程，磁通量源可以采用含有多個離散磁鐵的扇形(如圖6中所示)的形式，優(yōu)選的是排列為均勻角度分布。
如圖9中最佳所示，在傳感器外殼212中，第一L形分段216以及第二L形分段218分別在非對稱的Y形部分220，222的位置終止。非對稱的Y形部分220，222各自分別具有第一端部224，226。初級霍爾效應傳感器228被布置在U形通量聚集極靴214的第一和第二L形分段216，218的Y形部分220，222的第一端部224，226之間。與L形分段218相接觸的初級傳感器228的表面238優(yōu)選的是有烙印的。
每個非對稱Y形部分220，222還分別具有第二端部230，232。第一端部224，226以及第二端部230，232都被布置在各個Y形部分220，222的首端。傳感器外殼212優(yōu)選的是還提供有適配器234，該適配器由電絕緣材料，比如塑料做成，但是磁通量可以穿過該適配器。如圖9中最佳所示，次級傳感器236和適配器234都被布置在非對稱Y形部分220，222的第二端部230，232之間。與初級傳感器228相類似，次級傳感器236是霍爾效應傳感器，在非對稱Y形部分220，222的第一和第二端部224，226，230，232的法向上布置有至少一個敏感元件，從而與U形通量聚集極靴214產(chǎn)生的通量方向垂直。
通過提供非對稱Y形部分220，222，使初級傳感器228位于第一和第二端部224，226之間，使次級傳感器236與適配器234一起，位于第一和第二端部230，232之間，部分通量可以從初級傳感器228有效地避開，并且由次級傳感器236進行檢測。次級傳感器236可以在限位開關(guān)電路中用作為限位開關(guān)元件，它在整個單一傳感器非接觸位置傳感器上具有增加的可靠性，并且同樣有利于避免在閥桿行程的兩端需要兩個限位開關(guān)。
有利的是，適配器234在次級傳感器236和非對稱Y形部分220，222的第二端部230，232之間產(chǎn)生氣隙，在其中產(chǎn)生與次級傳感器236的有損耗磁性連接。通過控制該氣隙中的空間，以及磁路的其它元件，比如磁極端部表面區(qū)域，能夠分別控制初級傳感器228和次級傳感器236中通過的通量大小。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大約0.13英寸的氣隙提供初級傳感器228的輸出的40％至50％的次級傳感器236的輸出，該輸出是在被用作為限位開關(guān)時的次級傳感器的理想輸出。另外，通過改變適配器的尺寸，氣隙的尺寸，或者適配器的材料，都將影響初級傳感器228和次級傳感器236的相對輸出。因此，在初級傳感器228主要用作為位置傳感器，并且次級傳感器236用作為限位開關(guān)的那些應用中，優(yōu)選的是，初級傳感器228經(jīng)受的比次級傳感器236更大百分比的U形通量聚集極靴214產(chǎn)生的磁通量，所以選擇各個尺寸和材料，從而產(chǎn)生所要求的結(jié)果。
在其它實施例中，可以相對于初級傳感器228設置次級傳感器236，這樣將不需要改變U形通量聚集極靴的L形分段216，218的端部?，F(xiàn)在參見圖10，初級傳感器228被顯示為位于L形分段216，218的端部和初級傳感器228的表面238之間，表面238與L形分段218相接觸，并且優(yōu)選的是有烙印的。在此實施例中，次級傳感器236被布置為緊鄰初級傳感器228，這樣初級和次級傳感器228，236的端部優(yōu)選是接觸的。
為了使次級傳感器經(jīng)受如上述實施例中的通量，代替從初級傳感器228分流通量，圖10實施例的次級傳感器236(圖11中的再一替換實施例的次級傳感器236與之相同)，檢測靠近初級傳感器228的泄漏通量。為此，需要將次級傳感器236布置在最高泄漏磁通量通路中，其中該通路盡可能地靠近初級傳感器228。
初級傳感器228和次級傳感器236的霍爾效應敏感元件240、242分別被被依次排列，并與L形分段216，218的端部相垂直。由于初級傳感器228和次級傳感器236的端部相接觸，所以有利的是，敏感元件240、242能夠以大約0.112英寸的距離盡可能地接近彼此，這樣，當初級和次級傳感器件228、236被布置在同一平面內(nèi)時，通過次級傳感器236的敏感元件242，來基本上最大化靠近初級傳感器228的泄漏通量檢測。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖11，在再一替換實施例中，次級傳感器236定向為垂直于初級傳感器228。在此實施例中，次級傳感器236的敏感元件242甚至更加靠近初級傳感器228的敏感元件(未示出)?？梢园l(fā)現(xiàn)，通過布置次級傳感器236，使得次級傳感器236的未烙印表面被布置為與U形通量聚集極靴的L形分段218的底面緊密平直的接觸，次級傳感器236的敏感元件242可以以大約0.063英寸的間距靠近初級傳感器228的霍爾效應敏感元件。在此實施例中，由于更加靠近初級和次級傳感器228、236的檢測元件，更特別的是，由于次級傳感器236布置在具有更高的泄漏通量的通道中，所以，與圖10實施例的次級傳感器相比，可通過次級傳感器238獲得更大的輸出電壓。
圖12是示范性閥桿行程的圖形表示，使用根據(jù)在此所公開的實施例中的一個的初級和次級傳感器監(jiān)測該閥桿行程，其中，初級傳感器228和次級傳感器236的電壓輸出以直流電壓形式顯示，并且通過矩形托架(或者是“磁鐵托架”)形式的磁通量源的線性運動表示的閥桿的行程或者位移，以英寸顯示。如所述圖形表示所示，次級傳感器236的電壓輸出與初級傳感器228的電壓輸出成正比。
另外，人們可以將次級傳感器236布置在任何想要的位置，但是優(yōu)選的是布置在高磁通量通路中。也就是說，除了經(jīng)受泄漏通量的次級傳感器或者替代它之外，次級傳感器可以被設置在次級磁通量通路中。這樣，人們可以利用磁極構(gòu)造來形成額外的泄漏磁通路線來由次級傳感器進行檢測，或者形成由次級傳感器進行檢測的完全分離的磁通量通路。同樣，在控制電路中，次級傳感器除了作為限位開關(guān)以外，還可以被用于其它目的。
如圖13中示意性所示，初級傳感器228和次級傳感器236優(yōu)選的是都被放置為與電壓檢測器250通信，該電壓檢測器檢測穿過初級和次級傳感器228、236每個中的檢測元件240、242的電壓。電壓檢測器250可以與處理器252進行通信，處理器252包括存儲器254，該存儲器存儲一或多個預定的電壓，可以將測得的電壓輸出或者多個輸出與預定電壓進行比較。該處理器還可以包括輸出信號發(fā)生器256，該輸出信號發(fā)生器根據(jù)處理器252對所檢測的電壓輸出或多個輸出與與存儲器254中存儲的預定電壓的一或多個選定接近的判定，產(chǎn)生一信號。然后，接收該信號的控制器258能夠相應地發(fā)動一或多個適當?shù)目刂菩蛄小?br> 本領域技術(shù)人員將認識到，上述多個實施例都是用于說明，并不用于限定于本公開的范圍。例如，當在此公開的實施例都被用于檢測閥桿行程時，可以認識到，在此的講解可以類似地被用于其它的期望可靠檢測物體的位置和/或可靠限制物體的行程、而不需要多個機電限位開關(guān)等的情況中。
權(quán)利要求
1.一種位置傳感器組件，包括第一極靴；第二極靴；布置在該第一和第二極靴之間的初級傳感器，其中所述第一和第二極靴形成穿過該初級傳感器的初級磁通量通路，并且允許該初級傳感器外面的泄漏磁通量通路；以及布置在該泄漏磁通量通路中的次級傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置傳感器組件，其中所述泄漏磁通量通路，從該次級傳感器產(chǎn)生與通過該初級磁通量通路產(chǎn)生的初級傳感器的電壓輸出成比例的電壓輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置傳感器組件，還包括與該初級傳感器和次級傳感器進行電氣通信的電壓檢測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的位置傳感器組件，還包括與該電壓檢測器進行通信的處理器，所述電壓檢測器適于將該初級傳感器和次級傳感器所檢測的電壓輸出發(fā)送到該處理器；所述處理器包括一或多個存儲在相關(guān)聯(lián)的存儲器中的預定電壓；而且所述處理器將該初級傳感器和次級傳感器的電壓輸出中的至少一個與所述一或多個預定電壓進行比較，并且所述處理器適于根據(jù)所述至少一個電壓輸出與所述一或多個預定電壓選定的鄰近產(chǎn)生信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置傳感器組件，其中該第一極靴大致為L形，該第二極靴大致為L形，并且該第一和第二極靴被布置為形成大致為U形的通量聚集極靴。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的位置傳感器組件，其中該初級傳感器被設置在該第一和第二極靴每個的端部之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的位置傳感器組件，其中該初級傳感器的有烙印的表面與該第一和第二極靴中的至少一個的端部相接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置傳感器組件，其中該次級傳感器被排列為緊鄰該初級傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置傳感器組件，其中該次級傳感器與該初級傳感器相接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置傳感器組件，其中該次級傳感器被安排為垂直于該初級傳感器。
11.一種位置傳感器組件，包括初級傳感器，包括至少一個響應磁場的霍爾效應敏感元件；次級傳感器，包括至少一個響應磁場的霍爾效應敏感元件；用于聚集并且將磁通量至少導向該初級傳感器的U形通量聚集極靴，該通量聚集極靴是通過對稱放置由磁性可穿透材料制成的第一和第二L形分段而形成具有分叉底部的U形構(gòu)成，該U形極靴的分叉底部具有分開該第一和第二L形分段的間隙；所述初級傳感器被設置在該第一和第二L形分段每個的端部之間；以及磁通量源，用于產(chǎn)生按照基本上為線性的方式變化的磁場。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的位置傳感器組件，還包括從該第一L形分段延伸的第一非對稱Y形部分，該第一非對稱Y形部分具有一頭部，該頭部包括沿該第二L形分段方向延伸的第一和第二端部；從該第二L形分段延伸的第二非對稱Y形部分，該第二非對稱Y形部分具有一頭部，該頭部包括沿該第一L形分段方向延伸的第一和第二端部；所述初級傳感器被安排在該第一和第二非對稱Y形部分的第一端部之間；以及所述次級傳感器被安排在該第一和第二非對稱Y形部分的第二端部之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的位置傳感器組件，還包括布置在該次級傳感器與第一和第二非對稱Y形部分的第二端部之間的適配器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的位置傳感器組件，其中該適配器由電絕緣材料構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的位置傳感器組件，其中所述電絕緣材料是塑料。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的位置傳感器組件，其中該次級傳感器被設置為緊鄰該初級傳感器，其中該初級傳感器的霍爾效應敏感元件和次級傳感器的霍爾效應敏感元件被彼此對準，并被定向為與該L形分段的端部垂直。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的位置傳感器組件，其中該次級傳感器被設置為與該初級傳感器垂直，其中該次級傳感器的霍爾效應敏感元件與初級傳感器的霍爾效應敏感元件相垂直，由此分開該初級傳感器和次級傳感器的霍爾效應敏感元件的距離被最小化。
18.一種位置傳感器組件，包括傳感器外殼；通過該傳感器外殼對準的U形極靴，所述U形極靴包括第一L形分段和第二L形分段，其中該第一L形分段在一非對稱Y形部分處終止，并且該第二L形分段在第二非對稱Y形部分處終止；初級傳感器，被布置在該第一和第二非對稱Y形部分每個的第一端部之間，所述第一和第二非對稱Y形部分每個的第一端部位于各個非對稱Y形部分的頭部；以及次級傳感器，被設置在該第一和第二非對稱Y形部分每個的第二端部之間，所述第一和第二非對稱Y形部分每個的第二端部同樣位于各個非對稱Y形部分的頭部。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的位置傳感器組件，其中該初級傳感器包括至少一個敏感元件，所述敏感元件被安排為垂直于該第一和第二非對稱Y形部分的第一端部。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的位置傳感器組件，其中該次級傳感器包括至少一個敏感元件，所述敏感元件被安排為垂直于該第一和第二非對稱Y形部分的第二端部。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的位置傳感器組件，還包括布置在該次級傳感器與至少該第一和第二L形分段之一的第二端部之間的適配器。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的位置傳感器組件，其中該適配器由電絕緣材料構(gòu)成。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的位置傳感器組件，其中所述電絕緣材料是塑料。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的位置傳感器組件，其中該適配器被設置在該次級傳感器與第一和第二非對稱Y形部分兩者的第二端部之間。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的位置傳感器組件，其中該適配器在該次級傳感器與第一和第二非對稱Y形部分兩者的第二端部之間產(chǎn)生氣隙。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的位置傳感器組件，其中該氣隙大約為0.13英寸。
27.根據(jù)權(quán)利要求18所述的位置傳感器組件，其中該次級傳感器用作為限位開關(guān)，并且所述初級傳感器被安排為比該次級傳感器從所述U形極靴經(jīng)受更大的磁通量百分比。
28.一種用于檢測相對位置的方法，包括提供鄰近磁通量源的第一極靴和第二極靴；提供第一位置傳感器，該第一位置傳感器在由該第一和第二極靴形成的初級磁通量通路中具有至少一個霍爾效應敏感元件；提供第二位置傳感器，該第二位置傳感器在該第一位置傳感器外面的泄漏磁通量通路中具有至少一個霍爾效應敏感元件。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，包括將該第一位置傳感器放置為與所述極靴中的至少一個緊密接觸。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中該泄漏磁通量通路至少部分地通過從該初級傳感器分流磁通量而提供。
全文摘要
一種具有初級和次級傳感器的非接觸位置傳感器，檢測兩個物體之間的相對位移。該次級傳感器可以用作限位開關(guān)電路中的限位開關(guān)檢測元件，并且被布置在沒有被該初級傳感器檢測的磁通量通路中。該初級傳感器被布置在通量聚集極靴多個部分之間的磁通量通路中。次級傳感器被布置在第一傳感器外面的泄漏磁通量通路中，或者可以被布置在次級磁通量通路中。
文檔編號G01D5/12GK1751229SQ200480004797
公開日2006年3月22日 申請日期2004年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月21日
發(fā)明者科特·蓋爾布萊斯, 理查德·J·維克勒, 史蒂芬·G·西博格 申請人:費希爾控制產(chǎn)品國際有限公司