專利名稱：位置傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一位置傳感器，并且更具體地說，涉及一種在溫度性能方面和在其輸出對于要測量的位移的線性方面改進的位置傳感器。
背景技術：
已知的一種常規(guī)位置傳感器包括都如此布置的線圈和磁性件，從而它們的重疊面積的大小隨要檢查的物體的位置變化而變化，一個電阻器與線圈串聯(lián)連接，一個電容器布置成通過線圈和電阻器的串聯(lián)電路充電和放電，及一個比較器，其布置成倒相輸出(inverse output)型以便接收電容器的充電電壓作為一個輸入，并且當輸出處于高電平時，進行電容器的充電，而當輸出處于低電平時，進行電容器的放電，其中探測物體的位移作為連續(xù)振蕩運動的周期T的變化。
然而這樣一種常規(guī)位置傳感器具有一個缺點由于與溫度有關的變化，包括線圈電阻變化，周期T保持不統(tǒng)一，由此使溫度性能變壞。
而且，由于在常規(guī)位置傳感器中的周期T與要檢查物體的位移成反比例地變化，因而降低輸出的線性。
因而本發(fā)明的一個目的在于，提供一種在溫度性能方面改進的位置傳感器和一種代表位移的輸出在線性方面改進的位置傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
作為本發(fā)明的一個第一特征，提供的位置傳感器包括線圈1和電導體2或磁性件3，都如此布置，從而它們的重疊面積p隨要檢查的物體的位置變化而變化，與線圈1串聯(lián)連接的電阻器6，；電容器4，其布置成通過線圈1和電阻器6的串聯(lián)電路充電和放電；及比較器5，其布置成一種倒相輸出型以用于接收電容器4的充電電壓作為輸入，并且當輸出處于高電平時，進行電容器4的充電，而當輸出處于低電平時，進行電容器4的放電，其中探測要檢查的物體的位移作為連續(xù)振蕩運動的周期T的變化。尤其，位置傳感器100的特征在于，這樣確定線圈1的電阻、電阻器6的電阻、電容器4的電容、及比較器5的閾值，從而當線圈1的電阻、電阻器6的電阻、電容器4的電容、及比較器5的閾值的至少一個變化時并且當溫度在預定度數(shù)下時，周期T的變化保持最小。
周期T取決于充電和放電電容器4的時間常數(shù)，并且當電阻器6或線圈1的電阻增大時周期T可能增大。然而通過由本發(fā)明者進行的一系列試驗發(fā)現(xiàn)，在某種條件下，當電阻從0Ω增大時，周期T變短。周期T在一個點處測得最短，并且然后變長。周期T在該點處變得最短的原因是不確定的，但可能大致與某些因素有關，包括通過在線圈1上的反電動勢及充電和放電電流的相位和超調(diào)(overshoot)的影響的電壓振蕩。
因而在第一特征的位置傳感器100中調(diào)節(jié)的是，確定線圈1的電阻、電阻器6的電阻、電容器4的電容、及比較器5的閾值，從而即使當線圈1的電阻、電阻器6的電阻、電容器4的電容、及比較器5的閾值的至少一個變化時，周期T在一個操作溫度范圍內(nèi)變化最小。這允許當操作溫度在溫度范圍內(nèi)(例如從-25℃到75℃)跨過預定度數(shù)(例如，25℃)顯著移動時周期T的變化最小。
當把線圈1插入到電導體2中時，其感應磁通(inducing magneticflux)可以在電導體2上產(chǎn)生一種渦流，這導致能量損失并且將降低線圈1的電感。
另外，當把線圈1插入到磁性件3中時，其感應磁通能通過磁性件3的作用集中，因而增大線圈1的電感。
取決于電導體2或磁性件3的使用，線圈1的特征在于其電感可增大或減小。
當線圈1是無芯型的并且電導體2是非磁性的時，環(huán)境直流磁化(ambient direct-current magnetization)的影響將最小，因而減小線圈1的整體尺寸，而幾乎不涉及交流磁場的影響。
而且，當線圈1供有脈沖形式的電壓時，即使線圈電感較低，其輸出也能滿意地較高。因而，能減小線圈1的整體尺寸。
作為本發(fā)明的一個第二特征，提供的一種位置傳感器包括線圈1和電導體2或磁性件3，都如此布置，從而它們重疊面積p的大小隨要檢查的物體的位置變化而變化；電阻器6，與線圈1串聯(lián)連接；電容器4，其布置成通過線圈1和電阻器6的串聯(lián)電路充電和放電；比較器5，布置成一種倒相輸出型以用于接收電容器4的充電電壓作為一個輸入，并且計時電路50a或50b用來均勻地限制連續(xù)振蕩運動的周期T。這個實施例的位置傳感器200a或200b的特征在于，探測要檢查的物體的位移，作為從周期T的前端延伸到當比較器5的輸出返回到基本上與周期T的后端同時刻的高電平時的時間段t的變化。
線圈1的電感L與重疊面積的大小或要檢查的物體的位移的變化成比例地變化。然而，周期T與1/√{L}成反比地變化。更具體地說，連續(xù)振蕩運動的周期T與要檢查的物體的位移成反比，因而降低線性。
這樣設計第二特征的位置傳感器200a或200b，其中探測物體的位移，作為從周期T的前端延伸到當比較器5的輸出返回到基本上與周期T的后端同時刻的高電平時的時間段t的變化。如以后將更詳細描述的那樣，時間段t與要檢查的物體的位移成比例。由于通過計時電路50a或50b使連續(xù)振蕩運動的周期T均勻，所以在方波信號中時間段或脈沖寬度t的有效值可與要檢查的物體的位移成比例，因而改進線性。
作為本發(fā)明的第三特征，修改位置傳感器200a或200b，其中確定線圈1的電阻、電阻器6的電阻、電容器4的電容、及比較器5的閾值，從而當線圈1的電阻、電阻器6的電阻、電容器4的電容、及比較器5的閾值的至少一個變化時并且當溫度在預定度數(shù)時，時間段t的變化保持最小。
時間段t取決于電容器4的充電和放電時間常數(shù)，并且當線圈1或電阻器6的電阻增大時變得較長。然而過去通過由本發(fā)明者進行的一系列試驗發(fā)現(xiàn)，在某種條件下，當電阻從0Ω增大時，時間段變短。時間段t在一個點處測得最短，并且然后變長。時間段t在該點處變得最短的原因是不確定的，但可能與某些因素密切相關，包括在線圈1上的反電動勢及充電和放電電流的相位和超調(diào)的影響的電壓振蕩。
因而在第三特征的位置傳感器200a或200b中調(diào)節(jié)的是，確定線圈1的電阻、電阻器6的電阻、電容器4的電容、及比較器5的閾值，從而即使當線圈1的電阻、電阻器6的電阻、電容器4的電容、及比較器5的閾值的至少一個變化時，時間段t在一個操作溫度范圍內(nèi)變化最小。這允許當操作溫度在溫度范圍內(nèi)(例如從-25℃到75℃)跨過預定度數(shù)(例如，25℃)顯著移動時時間段t的變化最小。
作為本發(fā)明的第四特征，修改位置傳感器，其中比較器5的閾值的特征在于滯后作用，因而保證穩(wěn)定的振蕩動作。
作為本發(fā)明的一個第五特征，提供的一種位置傳感器包括線圈1和電導體2或磁性件3，都如此布置，從而它們重疊面積p的大小隨要檢查的物體的位置變化而變化；電阻器6，與線圈1串聯(lián)連接；電容器4，布置成通過線圈1和電阻器6的串聯(lián)電路充電和放電；比較器5，布置成一種倒相輸出型以用于接收電容器4的充電電壓作為輸入及其比較器的特征在于滯后作用；及計時電路50a，用來均勻地限制連續(xù)振蕩運動的周期T。具體地說，這個特征的位置傳感器200c或200d的特征在于，探測要檢查的物體的位移，作為用來充電電容器4的時間段t′或用來放電電容器4的時間段t″的變化。
線圈1的電感L與重疊面積的大小或要檢查的物體的位移的變化成比例地變化。連續(xù)振蕩運動的周期T與1/√{L}成比例地變化。更明確地說，連續(xù)振蕩運動的周期T與要檢查的物體的位移成反比，因而在線性方面是不適宜的。
第五特征的位置傳感器200c或200d，允許將測量的充電電容器4的時間段t′或放電電容器4的時間段t″的變化作為要檢查的物體的位移。如以后將更詳細描述的那樣，時間段t與物體的位移成比例。由于通過計時電路50a均勻地控制連續(xù)振蕩運動的周期T，所以在方波中時間段t′或t″的有效值與物體的位移成比例，因而改進線性。
作為本發(fā)明的一個第六特征，修改位置傳感器，其中要檢查的物體帶有線圈1或電導體2或磁性件3，從而當物體直線行駛時，改變其在線圈1的外或內(nèi)側(cè)處的重疊面積的大小。
當在外側(cè)處測量重疊面積的大小時，第六特征的位置傳感器允許有芯線圈用作線圈1。另外，當在內(nèi)側(cè)處測量重疊面積的大小時，可把一個無芯線圈用作線圈1。
作為本發(fā)明的一個第七特征，修改位置傳感器，其中要檢查的物體帶有線圈1或電導體2或磁性件3，從而當物體直線行駛時，改變其在線圈1的外或內(nèi)側(cè)處的重疊面積的大小。
第七特征的位置傳感器能產(chǎn)生較大電平的輸出。
作為本發(fā)明的第八特征，修改位置傳感器，其中要檢查的物體是旋轉(zhuǎn)軸14，旋轉(zhuǎn)軸上安裝一種逐漸徑向發(fā)散盤形的一個電導體15或磁性件16，并且布置線圈17，從而其重疊面積的大小隨旋轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動而變化。
第八特征的位置傳感器能順利地測量在旋轉(zhuǎn)軸14的轉(zhuǎn)動方向上的角位置。
作為本發(fā)明的第九特征，修改位置傳感器，其中要檢查的物體是一個旋轉(zhuǎn)軸14，旋轉(zhuǎn)軸上安裝一種逐漸徑向發(fā)散盤形的一個電導體15或磁性件16，并且布置一對線圈17以夾著逐漸徑向發(fā)散盤，從而其重疊面積的大小隨旋轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動而變化。
第九特征的位置傳感器允許電導體15或磁性件16的盤夾在成對線圈17之間，從而補償由推力引起的旋轉(zhuǎn)軸14的軸向錯位的影響。這樣，能使輸出的變化最小。
作為本發(fā)明的第十特征，修改位置傳感器，其中要檢查的物體是旋轉(zhuǎn)軸14，旋轉(zhuǎn)軸上彼此離開一個距離和同相地安裝一種逐漸徑向發(fā)散盤形的一對電導體15或磁性件16，并且在成對盤之間布置線圈17，從而其重疊面積的大小隨旋轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動而變化。
第十特征的位置傳感器允許線圈17夾持在成對電導體15或磁性件16之間，因而補償由推力引起的旋轉(zhuǎn)軸14的軸向錯位的影響。因而，能使輸出的變化最小。
作為本發(fā)明的第十一特征，修改位置傳感器，其中要檢查的物體是一個旋轉(zhuǎn)軸14，旋轉(zhuǎn)軸上安裝繞中心點對稱的一種逐漸徑向發(fā)散盤形的電導體15或磁性件16，并且一對線圈17繞中心點對稱布置，從而其重疊面積的大小隨旋轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動而變化。
第十一特征的位置傳感器允許兩個線圈17繞旋轉(zhuǎn)軸14的軸線對稱布置，因而補償由徑向力引起的旋轉(zhuǎn)軸14的徑向錯位的影響。因而，能使輸出的變化最小。
作為本發(fā)明的第十二特征，修改位置傳感器，其中要檢查的物體是一個旋轉(zhuǎn)軸14，旋轉(zhuǎn)軸上安裝繞中心點對稱的一種逐漸徑向發(fā)散盤形的一個電導體15或磁性件16，并且兩對線圈17繞中心點對稱布置以把盤夾持在每對之間，從而其重疊面積的大小隨旋轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動而變化。
第十二特征的位置傳感器允許電導體15或磁性件16的盤夾持在線圈17的每對之間，因而補償由推力引起的旋轉(zhuǎn)軸14的軸向錯位的影響和由徑向力引起的旋轉(zhuǎn)軸14的徑向錯位的影響。因而，能進一步使輸出的變化最小。
作為本發(fā)明的第十三特征，修改位置傳感器，其中要檢查的物體是一個旋轉(zhuǎn)軸14，旋轉(zhuǎn)軸上以彼此離開的一個距離和同相地安裝繞中心點對稱的一種逐漸徑向發(fā)散盤形的一對電導體15或磁性件16，并且一對線圈17布置在成對盤之間，從而其重疊面積的大小隨旋轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動而變化。
第十三特征的位置傳感器允許每個線圈17夾持在兩個電導體15或磁性件16之間，因而補償由一個推力引起的旋轉(zhuǎn)軸14的軸向錯位的影響和由徑向力引起的旋轉(zhuǎn)軸14的徑向錯位的影響。因而，能進一步使輸出的變化最小。
作為本發(fā)明的第十四特征，修改位置傳感器，其中線圈1是在其中心中提供的一個磁心的有芯型的。
第十四特征的位置傳感器允許有芯型線圈11有一個磁心提供在其中心中，并因而即使當限制其尺寸時也增大電感。而且，線圈11能安裝在由不銹鋼等制成的壁加厚壓力容器中。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的一種位置傳感器的示意圖；圖2是表示在第一實施例的位置傳感器中的比較器的輸入電壓和輸出電壓的波形圖；圖3是由在第一實施例的位置傳感器中的電感值分類的比較信號的波形的波形圖；圖4是由在第一實施例的位置傳感器中的電阻值分類的比較信號的波形的波形圖；圖5是曲線圖，表示在第一實施例的位置傳感器中周期T與電阻器的電阻之間的關系；圖6是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的一種位置傳感器的示意圖；圖7是在第二實施例的位置傳感器中的比較信號的波形的波形圖；圖8是由在第二實施例的位置傳感器中的電感值分類的比較信號的波形的波形圖；圖9是由在第二實施例的位置傳感器中的電阻值分類的比較信號的波形的波形圖；圖10是曲線圖，表示在第二實施例的位置傳感器中周期T與電阻器的電阻之間的關系；圖11是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的一種位置傳感器的示意圖；圖12是在第三實施例的位置傳感器中的比較信號的波形的波形圖；圖13表示本發(fā)明的第四實施例的位移探測器的剖視圖，；圖14表示本發(fā)明的第五實施例的位移探測器的剖視圖；圖15表示本發(fā)明的第六實施例的位移探測器的剖視圖；圖16表示本發(fā)明的第七實施例的位移探測器的剖視圖；圖17表示本發(fā)明的第八實施例的位移探測器的剖視圖；圖18表示本發(fā)明的第九實施例的位移探測器的剖視圖；圖19表示本發(fā)明的第十實施例的位移探測器的剖視圖；圖20表示本發(fā)明的第十一實施例的位移探測器的剖視圖；圖21表示本發(fā)明的第十二實施例的位移探測器的剖視圖；圖22表示本發(fā)明的第十三實施例的位移探測器的剖視圖；圖23是根據(jù)本發(fā)明第十四實施例的位置傳感器的示意圖；及圖24是根據(jù)本發(fā)明第十五實施例的位置傳感器的示意圖。
具體實施例方式
參照在相關圖中表示的一些實施例更詳細地描述本發(fā)明。應該理解，本發(fā)明不限于各實施例。
(第一實施例)圖1是表示本發(fā)明第一實施例的位置傳感器100的示意圖。
位置傳感器100包括位移探測器30、脈沖輸出模塊40、電壓變換器60、及輸出變換器70。
位移探測器30包括線圈1和電導體2或磁性件3。
電導體2或磁性件3相對于線圈1布置，從而其與線圈1的重疊長度根據(jù)要檢查的物體的位置位移而變化。
線圈1可以是其內(nèi)徑是2.3 mm和長度是22 mm的0.071-mm漆包銅線的四層輥(roll)，并且具有1240匝。線圈1可以裝在其內(nèi)徑是3mm并且外徑是3.8mm的不銹鋼保護管中。
電導體2或磁性件3可以由其內(nèi)徑是4.5mm并且外徑是6.5mm的鋁管制成。
脈沖輸出模塊40包括電容器4、比較器5、及電阻器6。電容器4是15000pF型的。電阻器6是60Ω型的。
電容器4在一端處連接到比較器5的一個輸入端口上，而在另一端處連接到一個0V電源或接地上。電阻器6與位移探測器30串聯(lián)連接。電阻器6和位移探測器30的串聯(lián)電路在一端處連接到比較器5的輸入端口上，而在另一端處連接到比較器5的一個輸出端口上。
比較器5是一種倒相輸出型以用于當輸入電壓S1增大并且保持不高于一個上部閾值VthH時釋放一個高電平輸出，而當輸入電壓S1超過上部閾值VthH時釋放一個低電平輸出。另外，當輸入電壓S1減小并且保持不低于一個下部閾值VthL時釋放一個低電平輸出，而當輸入電壓S1從下部閾值VthL下降時釋放一個高電平輸出。
電壓變換器60包括一個平滑電路62和一個單觸發(fā)(one shot)電路61，單觸發(fā)電路61用于當在來自比較器5的輸出電壓S2的上升和衰減計時時觸發(fā)產(chǎn)生脈沖寬度t的方波m，平滑電路62用來產(chǎn)生與由t脈沖寬度方波m的單位時間定義的面積成比例的電壓輸出。這種布置作為一種頻率對電壓變換器電路是熟知的。
輸出變換器70設計成用來釋放與來自電壓變換器60的輸出電壓相對應的電壓或電流，或者檢查來自電壓變換器60的輸出電壓是低于還是高于一個預定閾值以產(chǎn)生切換輸出。
現(xiàn)在將更詳細地描述位置傳感器100的動作。
如在圖2中由時間間隔a指示的那樣，當來自比較器5的輸出電壓S2處于高電平時，在由線圈1、電阻器6、及電容器4的組合確定的時間常數(shù)下，從比較器5的輸出端口充電電容器4。更具體地說，比較器5的輸入電壓S1從較低電壓增大。
在比較器5的輸入電壓S1達到上部閾值VthH之前，來自比較器5的輸出電壓S2保持在高電平下。
如在圖2中由時間間隔b指示的那樣，當比較器5的輸入電壓S1超過上部閾值VthH時，來自比較器5的輸出電壓S2返回到低電平(0V或地電平)。然后當來自比較器5的輸出電壓S2處于低電平時，在由線圈1、電阻器6、及電容器4的組合確定的時間常數(shù)下，把電容器4放電到比較器的輸出端口。
在比較器5的輸入電壓S1達到下部閾值VthL之前，來自比較器5的輸出電壓S2保持在低電平下。
如在圖2中由時間間隔c指示的那樣，比較器5的輸入電壓S1不會在來自比較器5的輸出電壓S2返回到低電平之后立即下降，而是首先超調(diào)并且然后降低。
當比較器5的輸入電壓S1低于下部閾值VthL時，來自比較器5的輸出電壓S2返回到高電平，并且動作返回到以上步驟。通過重復這些步驟，能連續(xù)地進行振蕩。
現(xiàn)在假定，在比較器5中的兩個閾值VthH和VthL的特征在于具有滯后，如上部閾值VthH＞下部閾值VthL。因此當在圖2中表示的電壓差ΔV保持在一個足夠電平下時，能穩(wěn)定地進行振蕩。
即使在比較器5中的兩個閾值VthH和VthL的特征不在于具有滯后，如VthH＝VthL，借助于在線圈1上的反電動勢通過超調(diào)輸出也可以成功地進行振蕩。
當在線圈1與電導體2或磁性件3之間的重疊長度p變化時，依據(jù)要檢查的物體的位移能改變在位移探測器30中的線圈1的電感。
如在圖3中由實線指示的那樣，當線圈1的電感較低時，信號的周期T減小。然而，如在圖3中由虛線指示的那樣，當線圈1的電感較高時，信號的周期T增大。
如圖3中所示，在電壓變換器60中的單觸發(fā)電路61與來自比較器5的輸出電壓S2的上升和衰減同步，以產(chǎn)生脈沖寬度t的方波m。
在電壓變換器60中的平滑電路62輸出方波m的一個有效值，并且作為輸出電壓釋放它。
當如在圖3中由實線指示的那樣線圈1的電感較低并且信號的周期T較短時，能按每單位時間產(chǎn)生的頻率增大脈沖寬度t的方波m，因而增大輸出電壓。
相反，當如在圖3中由虛線指示的那樣線圈1的電感較高并且信號的周期T較長時，能按每單位時間產(chǎn)生的頻率減小脈沖寬度t的方波m，因而降低輸出電壓。
因而，當輸出變換器70產(chǎn)生與來自電壓變換器60的輸出電壓相對應的電壓電平或電流時，其輸出能是指示要檢查的物體的位置的探測信號。
而且，檢查來自電壓變換器60的輸出電壓是低于還是高于閾值，以產(chǎn)生開關輸出，該開關輸出可是一個指示要檢查的物體位于閾值點的特定側(cè)的判斷信號。
圖4是當電阻器6的電阻隨比較器5的閾值VthH和VthL變化而線圈1和電容器4的電阻保持不變時的波形圖。
由實線指示的波形是當電阻器6的電阻較低時，而由虛線指示的波形是當電阻較高時。電阻器6的電阻越高，波形的周期T增大得越長。
因而，當電阻器6或線圈1的電阻由于溫度變化而變化時，周期T是不穩(wěn)定的，因而產(chǎn)生一個位置探測誤差。因此必須補償溫度。
周期T取決于電容器4的充電和放電時間常數(shù)，并且假定當電阻器6或線圈1的電阻增大時周期T增大。更明確地說，它假定具有在圖5a中表示的特性曲線。
然而通過由本發(fā)明者進行的一系列試驗發(fā)現(xiàn)，周期T不僅指示為在圖5a中表示的特性曲線而且也指示為在圖5b中的曲線。在某種條件下測得，當電阻從0Ω增大時，周期T達到最小值并且然后變得增大。
周期T在一個點處變得最短的原因是不確定的，但可能與某些因素密切相關，包括受在線圈1上的反電動勢及充電和放電電流的相位的影響的電壓振蕩。另外，事件可能起因于在圖2中由c指示的超調(diào)。
因而在位置傳感器100中調(diào)節(jié)的是，把在操作溫度范圍內(nèi)線圈1的電阻和電阻器6的電阻之和設置到在圖5b中表示的特定電平ro或其附近。
這允許當線圈1在溫度方面并因而在電阻方面改變時周期T的變化保持最小。
現(xiàn)在解釋把電阻之和設置到特定電平ro或其附近的原因。當線圈1在溫度方面變化時，其靜電容(static capacitance)或形狀以及其電阻可能變化。因此真實的是，電阻的特定電平ro對于溫度補償幾乎不是理想的。然而證明，電阻是用來改變周期T的主要原因之一，并且其用于溫度補償?shù)淖罴央娖胶苌龠h離ro。
借助于包括3mm外徑的線圈和由鋁管制成的電導體2并且其測量距離(p的最大值)是50mm的位置傳感器100進行測量。對于線圈1的溫度從25℃變化到75℃，每1℃變化值的速率到滿刻度變化是從30ppm到50ppm。30ppm的量級基本上等效于線圈1或鋁管的熱膨脹系數(shù)，并且在30ppm以下的測量是不實際的。
第一實施例的位置傳感器100的優(yōu)點在于能最小化其尺寸，因為兩個磁化型和差動型傳統(tǒng)線圈由單個線圈1代替，并且其使用在小尺寸系統(tǒng)中或在一個限制安裝區(qū)域處是適宜的，其輸出電壓與要測量的位移成反比，及不用兩個差動型傳統(tǒng)線圈能進行溫度補償，并且溫度變化幾乎不對要測量的位移產(chǎn)生任何影響。
盡管通過調(diào)節(jié)線圈1的電阻和電阻器6的電阻之和進行在這個實施例中的溫度補償，但它通過確定電容器4的電容和比較器5的閾值VthH和VthL可以實現(xiàn)。通過檢查在周期T與諸如電容和閾值電壓之類的值之間的關系并且求出使周期T在溫度的一個希望范圍下最小的值，能確定電容器4的電容和比較器5的閾值VthH和VthL。然而在實際操作中容易和實用的是控制電阻器6的電阻而使其它條件保持固定。
(第二實施例)本發(fā)明的第二實施例布置成產(chǎn)生一個與位移成比例的輸出電壓。如描述的那樣，在第一實施例中的輸出電壓與位移成反比。
圖6是表示第二實施例的位置傳感器200a的示意圖。
位置傳感器200a包括一個位移探測器30、一個脈沖輸出模塊40、一個計時電路50a、一個電壓變換器60、及一個輸出變換器70。
位移探測器30包括一個線圈1和一個電導體2或磁性件3。
電導體2或磁性件3相對于線圈1布置，從而其與線圈1的重疊長度根據(jù)要檢查的物體的位置位移而變化。
線圈1可以是其內(nèi)徑是2.3mm和長度是22mm的0.071-mm漆包銅線并且具有1240匝的四層輥。線圈1可以裝在其內(nèi)徑是3mm并且外徑是3.8mm的不銹鋼保護管中。
電導體2或磁性件3可以由其內(nèi)徑是4.5mm并且外徑是6.5mm的鋁管制成。
脈沖輸出模塊40包括一個電容器4、一個比較器5、及一個電阻器6。電容器4是15000pF型的。電阻器6是60Ω型的。
電容器4在一端處連接到比較器5的一個輸入端口上，而在另一端處連接到一個0V電源或地上。電阻器6與線圈1串聯(lián)連接。線圈1和電阻器6的串聯(lián)電路在一端處連接到比較器5的輸入端口上。比較器5的輸出端口連接到計時電路50a的一個輸入端口上。
比較器5是一種倒相輸出型的，以便當輸入電壓S1增大并且保持不高于上部閾值VthH時釋放一個高電平輸出，而當輸入電壓S1超過上部閾值VthH時釋放一個低電平輸出。另外，當輸入電壓S1減小并且保持不低于一個下部閾值VthL時釋放一個低電平輸出，而當輸入電壓S1從下部閾值VthL下降時釋放一個高電平輸出。
計時電路50a包括一個振蕩器51、一個觸發(fā)器52、及一個緩沖器54。振蕩器51可以布置成產(chǎn)生一個在100kHz下具有1∶1工作比(dutycircle)的方波。
在計時電路50a中的緩沖器54在其輸出端口處連接到線圈1和電阻器6的串聯(lián)電路的另一端上。
電壓變換器60包括一個觸發(fā)器63，用來當振蕩器51的時鐘信號CK保持在高電平下時把輸出設置到一個高電平，并且響應來自比較器5的輸出電壓S2的升高把輸出重新設置到一個低電平，就是說，在時鐘信號CK轉(zhuǎn)到低電平之后，產(chǎn)生一個從時鐘信號CK的上升延伸到比較器5的輸出電壓S2的上升的脈沖寬度t的方波m，和一個平滑電路62，用來產(chǎn)生與由方波m的單位時間定義的面積成比例的一個電壓輸出。這種布置起一種頻率對電壓變換器電路的作用，這在以后更詳細地解釋。
把輸出變換器70設計成用來釋放與電壓變換器60的輸出電壓相對應的電壓或電流或者檢查來自電壓變換器60的輸出電壓是低于還是高于預定閾值以產(chǎn)生一個切換輸出的。
現(xiàn)在將更詳細地解釋位置傳感器200a的作用。
如圖7中所示，在計時電路50a中的振蕩器51以一個周期T的間隔產(chǎn)生時鐘信號CK。與時鐘信號CK的升高同步，觸發(fā)器52的輸出S4，就是說，緩沖器54的輸出信號S3轉(zhuǎn)到高電平。
在來自緩沖器54的輸出信號S3保持在由在圖7中a指示的高電平下的同時，在由線圈1、電阻器6、和電容器4的組合確定的時間常數(shù)下，從緩沖器54的輸出端口充電電容器4。這允許比較器5的輸入電壓S1進入上升模式。
在比較器5的輸入電壓S1達到上部閾值VthH之前，來自比較器5的輸出電壓S2保持在高電平下。
當如在圖7中由b指示的那樣比較器5的輸入電壓S1超過上部閾值VthH時，比較器5的輸出電壓S2轉(zhuǎn)到低電平(0V或地電平)。因此，觸發(fā)器52的輸出S4或緩沖器54的輸出信號S3轉(zhuǎn)到低電平。
在緩沖器54的輸出電壓S3保持在低電平下的同時，在由線圈1、電阻器6、及電容器4的組合確定的時間常數(shù)下，把電容器4放電到緩沖器54的輸出端口。
在比較器5的輸入電壓S1下降到下部閾值VthL之前，來自比較器5的輸出電壓S2保持在低電平下。
如在圖7中由c指示的那樣，比較器5的輸入電壓S1不會在緩沖器54的輸出電壓S3返回到低電平之后立即下降，而是首先超調(diào)并且然后降低。
當比較器5的輸入電壓S1變得低于下部閾值VthL時，比較器5的輸出電壓S2轉(zhuǎn)到高電平。與時鐘信號CK的上升同步同時比較器5的輸出電壓保持在高電平下，觸發(fā)器52的輸出Q或緩沖器54的輸出信號S3轉(zhuǎn)到高電平，并且動作返回到以上步驟。通過重復這些步驟，能連續(xù)地進行振蕩。
當在比較器5中的兩個閾值VthH和VthL的特征在于具有滯后，如上部閾值VthH＞下部閾值VthL，并且在圖7中表示的電壓差ΔV保持在一個足夠電平下時，因此能穩(wěn)定地進行振蕩。
即使在比較器5中的兩個閾值VthH和VthL的特征不在于具有滯后，如VthH＝VthL，通過借助于在線圈1上的反電動勢通過超調(diào)輸出也可以成功地進行振蕩。
當在線圈1與電導體2或磁性件3之間的重疊長度p變化時，依據(jù)要檢查的物體的位移能改變在位移探測器30中的線圈1的電感。如在圖8中由實線指示的那樣，當線圈1的電感較低時，在充電和放電期間電容器4的時間常數(shù)可能減小。然而，如在圖8中由虛線指示的那樣，當線圈1的電感較高時，電容器4的時間常數(shù)增大。
但是，周期T保持均勻，因為開始充電的計時由振蕩器51的時鐘信號CK嚴格控制。如由在圖8中的實線指示的那樣，當線圈1的電感較低時，從時鐘信號CK的上升到輸出電壓S2的上升的間隔t減小。如在圖8中由虛線指示的那樣，當線圈1的電感較高時，間隔t增大。
如圖8中所示，在電壓變換器60中的觸發(fā)器63以與線圈1的電感相對應的周期T的間隔產(chǎn)生脈沖寬度t的方波m。
在電壓變換器60中的平滑電路62輸出方波m的一個有效值，并且作為輸出電壓釋放它。
當如在圖8中由實線指示的那樣線圈1的電感較低并且信號的脈沖寬度t較短時，輸出電壓變得較小。
相反，當如在圖8中由虛線指示的那樣線圈1的電感較高并且信號的脈沖寬度t較長時，輸出電壓變得較大。
因而，當輸出變換器70產(chǎn)生與電壓變換器60的輸出電壓相對應的電壓電平或電流時，其輸出能是指示要檢查的物體的位置的探測信號。
另一方面，檢查電壓變換器60的輸出電壓是低于還是高于閾值，以產(chǎn)生能是一個指示要檢查的物體位于閾值點的特定側(cè)的判斷信號的切換輸出。
圖9是當電阻器6的電阻隨比較器5的閾值VthH和VthL變化而線圈1和電容器4的電阻保持不變時的波形圖。
由實線指示的波形是當電阻器6的電阻較低時，而由虛線指示的波形是當電阻較高時。電阻器6的電阻越高，信號的脈沖寬度t增大得越長。
相應地，當電阻器6或線圈1的電阻由于溫度變化而變化時，脈沖寬度t是不穩(wěn)定的，因而產(chǎn)生位置探測誤差。因此必須補償溫度。
脈沖寬度t取決于用來充電和放電電容器4的時間常數(shù)，并且假定當電阻器6或線圈1的電阻增大時其增大。更明確地說，它假定具有在圖10a中表示的特性曲線。
然而通過由本發(fā)明者進行的一系列試驗發(fā)現(xiàn)，脈沖寬度t不僅指示為在圖10a中的特性曲線而且也指示為在圖10b中的曲線。在某種條件下測得，當電阻從0Ω增大時，脈沖寬度t減小，并且脈沖寬度t達到最小值而然后變得增大。
脈沖寬度t在一個點處變得最短的原因是不確定的，但可能與某些因素密切相關，包括受線圈1上的反電動勢及充電和放電電流的相位的影響的電壓振蕩。另外，事件可能起因于在圖7中由c指示的超調(diào)。而且，事件可能起因于在用來充電或放電電容器4的時間常數(shù)與時鐘信號CK的周期T之間的相互干擾。
因而在本實施例的位置傳感器200a中調(diào)節(jié)的是，把在操作溫度范圍內(nèi)線圈1的電阻和電阻器6的電阻之和設置到在圖10b中表示的特定電平ro或其附近。
這使得當線圈1在溫度方面并因而在電阻方面改變時脈沖寬度t的變化保持最小。
現(xiàn)在解釋把電阻之和設置到特定級別ro或其附近的原因。當線圈1在溫度方面變化時，其靜電容或形狀以及其電阻可能變化。因此真實的是，電阻的特定級別ro對于溫度補償幾乎不是理想的。然而證明，電阻是用來改變周期T的主要原因之一，并且其用于溫度補償?shù)淖罴鸭墑e很少遠離ro。
利用包括3mm外徑的線圈和由鋁管制成的電導體2并且其測量距離(p的最大值)是50mm的位置傳感器200a進行測量。對于線圈1的溫度從25℃變化到75℃，每1℃變化值的速率到滿刻度變化是從30ppm到50ppm。30ppm的量級基本上等于線圈1或鋁管的熱膨脹系數(shù)，并且在30ppm以下的測量是不實際的。
第二實施例的位置傳感器200a的優(yōu)點在于能最小化其尺寸，因為兩個磁化型和差動型傳統(tǒng)線圈由單個線圈1代替，并且其使用在小尺寸系統(tǒng)中或在一個限制安裝區(qū)域處是適宜的，其輸出電壓與物體的位移成比例，并且當在沿直線方向的位置測量在線性方面強調(diào)時最好能采用，及不用兩個差動型傳統(tǒng)線圈能進行溫度補償，并且溫度變化幾乎不對要測量的位移產(chǎn)生任何影響。
盡管通過調(diào)節(jié)線圈1的電阻和電阻器6的電阻之和進行在這個實施例中的溫度補償，但它通過確定電容器4的電容和比較器5的閾值VthH和VthL可以實現(xiàn)。通過檢查在周期T與諸如電容和閾值電壓之類的值之間的關系并且求出使周期T在溫度的一個希望范圍下最小的值，能確定電容器4的電容和比較器5的閾值VthH和VthL。另外，通過控制時鐘信號CK的周期T能進行溫度補償，因為連續(xù)振蕩受電容器4的充電或放電期間開始連續(xù)周期T時的時間影響。此外，通過控制施加到線圈1上的電壓的波形能進行溫度補償，因為連續(xù)振蕩受是鋒利或鈍的波形脈沖的形狀的影響。然而在實際操作中容易和實用的是，控制電阻器6的電阻而使其它條件保持固定。
(第三實施例)本發(fā)明的第三實施例布置成即使當由線圈1、電阻器6、和電容器4的組合確定的時間常數(shù)遠小于時鐘信號CK的周期T時也產(chǎn)生一個希望的輸出電壓電平。這可能發(fā)生在當線圈1的電感由于尺寸限制變得較低時。在這種情況下，輸出電壓在第二實施例中可能較低。
圖11是表示第三實施例的位置傳感器200b的示意圖.
除計時電路50b之外，位置傳感器200b在布置方面基本上與第二實施例的位置傳感器200a相同。
計時電路50b包括一個振蕩器51、一個觸發(fā)器52、一個AND(與)電路53、一個緩沖器54、及一個計數(shù)器電路56。
在計時電路50b中的緩沖器54在其輸出端口處連接到由線圈1和電阻器6組成的串聯(lián)電路的另一端。
電壓變換器60包括一個觸發(fā)器63，用來當觸發(fā)器52的一個輸出信號S4保持在高電平下時把輸出設置到一個高電平，并且響應比較器5的輸出電壓S2的升高把輸出重新設置到一個低電平，就是說，在輸出電壓S4轉(zhuǎn)到低電平之后，產(chǎn)生一個從輸出信號S4的上升延伸到比較器5的輸出電壓S2的上升的脈沖寬度t的方波m，和一個平滑電路62，用來產(chǎn)生與由方波m的單位時間定義的面積成比例的一個電壓輸出。這種布置起一種頻率對電壓變換器電路的作用，這在以后更詳細地解釋。
現(xiàn)在將更詳細地解釋位置傳感器200b的作用。
假定比較器5的輸出信號S2在初始狀態(tài)下處于高電平。而且，把觸發(fā)器52的輸出信號S4設置到低電平。計數(shù)器電路56計數(shù)零，并且其“3”端口輸出信號S5保持在低電平下。
如圖12中所示，在計時電路50b中的振蕩器51以一個周期T的間隔產(chǎn)生時鐘信號CK。與時鐘信號CK的上升同步，觸發(fā)器52的輸出S4轉(zhuǎn)到高電平。
在該時刻，當比較器5的輸出信號S2保持在高電平下時，AND電路53的輸出，就是說，緩沖器54的輸出信號S3處于高電平。
在緩沖器54的輸出信號S3保持在由在圖12中a指示的高電平下的同時，在由線圈1、電阻器6、和電容器4的組合確定的時間常數(shù)下，從緩沖器54的輸出端口充電電容器4。這使得比較器5的輸入電壓S1進入上升模式。
在比較器5的輸入電壓S1達到上部閾值VthH之前，比較器5的輸出電壓S2保持在高電平下。
當如在圖12中由b指示的那樣比較器5的輸入電壓S1超過上部閾值VthH時，比較器5的輸出電壓S2回到低電平(0V或地電平)。然后，計數(shù)器電路56計數(shù)比較器5的輸出電壓S2的衰減，并且其計數(shù)移位到“1”。至此，計數(shù)器電路56的“3”端口輸出信號S5保持在低電平下。而且，AND電路53的輸出或緩沖器54的輸出信號S3轉(zhuǎn)到低電平。
在緩沖器54的輸出電壓S3保持在低電平下的同時，在由線圈1、電阻器6、及電容器4的組合確定的時間常數(shù)下，把電容器4放電到緩沖器54的輸出端口。
在比較器5的輸入電壓S1下降到下部閾值VthL之前，比較器5的輸出電壓S2保持在低電平下。
如在圖12中由c指示的那樣，比較器5的輸入電壓S1不會在緩沖器54的輸出電壓S3返回到低電平之后立即下降，而是首先超調(diào)并且然后降低。
當比較器5的輸入電壓S1變得低于下部閾值VthL時，比較器5的輸出電壓S2轉(zhuǎn)到高電平，如在圖12中由d指示的那樣。然后，AND電路53的輸出或緩沖器54的輸出信號S3轉(zhuǎn)到高電平。
在緩沖器54的輸出電壓S3保持在高電平下的同時，在由線圈1、電阻器6、及電容器4的組合確定的時間常數(shù)下，從緩沖器54的輸出端口充電電容器4。
如在圖12中由e指示的那樣，比較器5的輸入電壓S1不會在緩沖器54的輸出電壓S3返回到高電平之后立即升高，而是首先超調(diào)并且然后增大。
當比較器5的輸入電壓S1超過上部閾值VthH時，比較器5的輸出電壓S2轉(zhuǎn)到低電平，如在圖12中由f指示的那樣。然后，計數(shù)器電路56計數(shù)比較器5的輸出電壓S2的衰減，并且其計數(shù)移位到“2”。至此，計數(shù)器電路56的“3”端口輸出信號S5保持在低電平下。AND電路53的輸出或緩沖器54的輸出信號S3因此轉(zhuǎn)到低電平。
在緩沖器54的輸出電壓S3保持在低電平下的同時，在由線圈1、電阻器6、及電容器4的組合確定的時間常數(shù)下，把電容器4放電到緩沖器54的輸出端口。
在比較器5的輸入電壓S1下降到下部閾值VthL之前，比較器5的輸出電壓S2保持在低電平下。
當比較器5的輸入電壓S1變得低于下部閾值VthL時，比較器5的輸出電壓S2轉(zhuǎn)到高電平，如在圖12中由g指示的那樣。然后，AND電路53的輸出或緩沖器54的輸出信號S3轉(zhuǎn)到高電平。
在緩沖器54的輸出電壓S3保持在高電平下的同時，在由線圈1、電阻器6、及電容器4的組合確定的時間常數(shù)下，從緩沖器54的輸出端口充電電容器4。
當比較器5的輸入電壓S1超過上部閾值VthH時，比較器5的輸出電壓S2轉(zhuǎn)到低電平，如在圖12中由h指示的那樣。然后，計數(shù)器電路56計數(shù)比較器5的輸出電壓S2的衰減，并且其計數(shù)移位到“3”。這使計數(shù)器電路56的“3”端口輸出信號S5轉(zhuǎn)到高電平。相應地，與“3”端口輸出信號S5的上升同步，觸發(fā)器52的輸出信號54轉(zhuǎn)到低電平。然后，清除計數(shù)器電路56以把其計數(shù)移位到“0”。因此，計數(shù)器電路56的“3”端口輸出信號S5返回到低電平。
同時，AND電路53的輸出或緩沖器54的輸出信號S3因此轉(zhuǎn)到低電平。
在緩沖器54的輸出電壓S3保持在低電平下的同時，在由線圈1、電阻器6、及電容器4的組合確定的時間常數(shù)下，把電容器4放電到緩沖器54的輸出端口。
在比較器5的輸入電壓S1下降到下部閾值VthL之前，比較器5的輸出電壓S2保持在低電平下。
當比較器5的輸入電壓S1變得低于下部閾值VthL時，比較器5的輸出電壓S2轉(zhuǎn)到高電平，如在圖12中由i指示的那樣。然而，對于觸發(fā)器52的輸出信號S4處于低電平，AND電路53的輸出，就是說，緩沖器54的輸出信號S3保持在低電平下。這使得電容器4連續(xù)放電到緩沖器54的輸出端口。
然后，與時鐘信號CK的上升同步，觸發(fā)器52的輸出S4轉(zhuǎn)到高電平，并且動作返回到以上步驟。通過重復這些步驟，能連續(xù)地進行振蕩。
當在比較器5中的兩個閾值VthH和VthL的特征在于具有滯后，如上部閾值VthH＞下部閾值VthL，并且在圖12中表示的電壓差ΔV保持在一個足夠電平下時，因此能穩(wěn)定地進行振蕩。
即使在比較器5中的兩個閾值VthH和VthL的特征不在于具有滯后，如VthH＝VthL，通過借助于在線圈1上的反電動勢通過超調(diào)輸出也可以成功地進行振蕩。
如圖12中所示，在輸出信號S4轉(zhuǎn)到低電平之后，在電壓變換器60中的觸發(fā)器63產(chǎn)生一個從觸發(fā)器52的輸出信號S4的上升延伸到來自比較器5的輸出電壓S2的上升的脈沖寬度t的方波輸出m。
當在線圈1與電導體2或磁性件3之間的重疊長度p變化時，依據(jù)要檢查的物體的位移能改變在位移探測器30中的線圈1的電感。如解釋的那樣，當線圈1的電感較低時，在充電和放電期間電容器4的時間常數(shù)可能減小，而當線圈1的電感較高時，時間常數(shù)增大。
然而，周期T保持均勻，因為開始充電或放電的計時由振蕩器51的時鐘信號CK嚴格控制。當線圈1的電感較低時，方波輸出m的脈沖寬度t減小，而當線圈1的電感較高時，脈沖寬度t增大。
在電壓變換器60中的平滑電路62輸出方波m的一個有效值，并且作為輸出電壓釋放它。相應地，當線圈1的電感較低并且信號的脈沖寬度t較短時，輸出電壓變得較小。相反，當線圈1的電感較高并且信號的脈沖寬度t較長時，輸出電壓變得較大。
因此，當輸出變換器70產(chǎn)生與來壓變換器60的輸出電壓相對應的電壓電平或電流時，其輸出能是指示要檢查的物體的位置的探測信號。
而且，檢查來自電壓變換器60的輸出電壓是低于還是高于閾值，以產(chǎn)生能是一個指示要檢查的物體位于閾值點的特定側(cè)的判斷信號的切換輸出。
類似于第二實施例的位置傳感器200a，當電阻器6或線圈1的電阻由于溫度變化而變化時，這個實施例的位置傳感器200b使脈沖寬度t轉(zhuǎn)成不穩(wěn)定的，因而產(chǎn)生一個位置探測誤差。因此必須補償溫度。
脈沖寬度t取決于用來充電和放電電容器4的時間常數(shù)，并且假定當電阻器6或線圈1的電阻增大時增大。更明確地說，它假定具有在圖10a中表示的特性曲線。
然而通過由本發(fā)明者進行的一系列試驗發(fā)現(xiàn)，脈沖寬度t不僅指示為在圖10a中的特性曲線而且也指示為在圖10b中的曲線。在某種條件下，當電阻從0Ω增大時，脈沖寬度t變短。在一個點處測得脈沖寬度t最短，而然后變長。
脈沖寬度t在一個點處變得最短的原因是不確定的，但可能與某些因素密切相關，包括通過在線圈1上的反電動勢及充電和放電電流的相位的影響的電壓振蕩。另外，事件可能起因于在圖12中由c和e指示的超調(diào)。而且，事件可能起因于在用來充電或放電電容器4的時間常數(shù)與時鐘信號CK的周期T之間的相互干擾。
因而在這個實施例的位置傳感器200b中調(diào)節(jié)的是，把在操作溫度范圍內(nèi)線圈1的電阻和電阻器6的電阻之和設置到在圖10b中表示的特定級別ro或其附近。
這使得當在溫度方面并因而在電阻方面改變線圈1時脈沖寬度t的變化最小。
現(xiàn)在解釋把電阻之和設置到特定級別ro或其附近的原因。當線圈1在溫度方面變化時，其靜電容或形狀以及其電阻可能變化。因此真實的是，電阻的特定級別ro對于補償溫度幾乎不是理想的。然而證明，電阻是用來改變脈沖寬度t的主要原因之一，并且其用來補償溫度的最佳電平很少遠離ro。
利用包括3mm外徑的線圈1和由鋁管制成的電導體2并且其測量距離(p的最大值)是50mm的位置傳感器200b進行測量。對于線圈1的溫度從25℃變化到75℃，位移到(滿刻度)變化的速率對于每1℃是從30ppm到50ppm。30ppm的量級基本上等效于線圈1或鋁管的熱膨脹系數(shù)，并且在30ppm以下的測量是不實際的。
第三實施例的位置傳感器200b的優(yōu)點在于能最小化其尺寸，因為兩個磁化型和差動型傳統(tǒng)線圈由單個線圈1代替，并且其使用在小尺寸系統(tǒng)中或在一個限制安裝區(qū)域處是適宜的，其輸出電壓與位移成比例，并且當在線性方面強調(diào)在沿直線方向的位置測量時最好能采用，不用兩個差動型傳統(tǒng)線圈能進行溫度補償，并且溫度變化幾乎不對要測量的位移產(chǎn)生任何影響，及即使當線圈1的電感由于尺寸限制較低時，輸出電壓也能保持在足夠的電平下。
盡管通過調(diào)節(jié)線圈1的電阻和電阻器6的電阻之和進行在這個實施例中的溫度補償，但它通過確定電容器4的電容和比較器5的閾值VthH和VthL可以實現(xiàn)。通過檢查在周期T與諸如電容和閾值電壓之類的值之間的關系并且求出使周期T在溫度的一個希望范圍下最小的值，能確定電容器4的電容和比較器5的閾值VthH和VthL。另外，通過控制時鐘信號CK的周期T能進行溫度補償，因為連續(xù)振蕩受當在電容器4的充電或放電期間開始連續(xù)周期T時的時間影響。此外，通過控制施加到線圈1上的電壓的波形能進行溫度補償，因為連續(xù)振蕩受在前沿處是鋒利或鈍的波形脈沖的形狀的影響。然而在實際操作中容易和實用的是，控制電阻器6的電阻而使其它條件保持固定。
(第四實施例)如圖13中所示，修改該布置，其中把一個電導體12或磁性件13插入到一個線圈11的內(nèi)部空間中以便探測沿直線方向的位置。
當希望電導體12或磁性件13的體積或重量最小化時，這個實施例是適宜的。
(第五實施例)如圖14中所示，修改該布置，其中把電導體12或磁性件13可運動地裝配在線圈11的外側(cè)上以便探測沿直線方向的位置。
這個實施例使得線圈11容易用保護蓋保護，并且其生產(chǎn)簡單。
一個試驗借助外徑于尺寸是0.9mm并且具有20mm的測量距離的線圈11實現(xiàn)。證明輸出足夠大，從而線圈11能進一步最小化。
而且，另一個試驗借助于裝在是5mm外徑和0.5mm厚度的不銹鋼壓力容器中的線圈11進行。證明該布置對于借助于液壓缸的用途是適宜的。
又一個試驗利用提供在其中心提供磁芯的有芯型的并且裝在是7mm外徑和1mm厚度的不銹鋼壓力容器中的線圈11進行。證明不銹鋼壓力容器承受1000個大氣壓或更高，并因而對于借助于公共液壓系統(tǒng)的用途是適宜的。
(第六實施例)如圖15中所示，修改該布置，其中把特定形狀的電導體12或磁性件13可運動地裝配在一個線圈11內(nèi)和上以便探測沿直線方向的位置。
這個實施例允許輸出充分增大，并且因而能適宜地用來提高分辯率。
(第七實施例)圖16表明為探測在圓形運動中的位置而提供的這個實施例。
把逐漸徑向發(fā)散盤形的電導體15或磁性件16固定安裝到旋轉(zhuǎn)軸14上，并且布置線圈17，從而其重疊面積p的大小隨旋轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動而變化。
對于這個實施例的布置，最大能測量經(jīng)270°的轉(zhuǎn)動角度。其用途之一是探測由氣動或液壓動力驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)螺線管或旋轉(zhuǎn)激勵器上的轉(zhuǎn)動角度。
(第八實施例)如圖17中所示，修改該布置，其中在把一個逐漸徑向發(fā)散盤形的電導體15或磁性件16固定安裝到一個旋轉(zhuǎn)軸14上的同時，布置一對線圈17，從而其重疊面積p的大小隨旋轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動而變化，并且一對線圈17彼此串聯(lián)連接。
由于旋轉(zhuǎn)軸14由推力的作用軸向偏置，所以這個實施例允許兩個線圈17之一變得靠近電導體15或磁性件16，即使當另一個遠離電導體15或磁性件16時也是如此，因此補償偏置事件的結果。因而，能避免由在旋轉(zhuǎn)軸14上的推力造成的輸出變化。
(第九實施例)如圖18中所示，修改該布置，其中在把一對逐漸徑向發(fā)散盤形的電導體15或磁性件16固定安裝到旋轉(zhuǎn)軸14上以彼此離開一個距離和同相的同時，線圈17布置在該對之間，從而其重疊面積p的大小隨旋轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動而變化。
由于旋轉(zhuǎn)軸14由推力的作用軸向偏置，所以這個實施例使得兩個電導體15或磁性件16變得靠近線圈17，即使當另一個遠離線圈17時也是如此，因此補償偏置事件的結果。因而，能避免由在旋轉(zhuǎn)軸14上的推力造成的輸出變化。
(第十實施例)如圖19中所示，修改該布置，其中在布置繞中心點對稱并且固定安裝到旋轉(zhuǎn)軸14上的逐漸徑向發(fā)散盤形的電導體15或磁性件16的同時，把一對線圈17彼此串聯(lián)連接并且繞中心點以對稱關系布置，從而其重疊面積p的大小隨旋轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動而變化。
由于旋轉(zhuǎn)軸14由徑向力的作用徑向偏置，所以這個實施例允許兩個線圈17之一變得與電導體15或磁性件16的重疊面積p的尺寸較大，即使當另一個重疊面積p的尺寸較小時也是如此，因此補償偏置事件的結果。因而，能避免由在旋轉(zhuǎn)軸14上的徑向力造成的輸出變化。
而且，當旋轉(zhuǎn)軸14的轉(zhuǎn)動角度相對較小時，這個實施例的布置特別適宜。
(第十一實施例)如圖20中所示，修改該布置，其中在布置繞中心點對稱并且固定安裝到旋轉(zhuǎn)軸14上的逐漸徑向發(fā)散盤形的電導體15或磁性件16的同時，將兩對線圈17串聯(lián)連接并且圍繞中心呈對稱關系以便線圈17的每一對從兩側(cè)夾持電導體15或磁性件16，從而其重疊面積p的大小隨旋轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動而變化。
由于旋轉(zhuǎn)軸14由推力的作用軸向偏置，所以這個實施例允許線圈17每對之一變得靠近電導體15或磁性件16，即使當另一個遠離電導體15或磁性件16時也是如此，因此補償偏置事件的結果。因而，能避免由在旋轉(zhuǎn)軸14上的推力造成的輸出變化。類似地，由于旋轉(zhuǎn)軸14由徑向力的作用徑向偏置，線圈17每對之一變得與電導體15或磁性件16的重疊面積p的尺寸較大，即使當另一個保持重疊面積p的尺寸較小時也是如此，因此補償偏置事件的結果。因而，能避免由在旋轉(zhuǎn)軸14上的徑向力造成的輸出變化。
(第十二實施例)如圖21中所示，修改該布置，其中等同地布置繞中心點對稱并且彼此離開一個距離和同相地固定安裝到旋轉(zhuǎn)軸14上的逐漸徑向發(fā)散盤形的一對電導體15或磁性件16，并且把一對線圈17彼此串聯(lián)連接和以繞中心點的對稱關系布置，從而它們夾持在兩個電導體15或兩個磁性件16之間，并且其重疊面積p的大小隨旋轉(zhuǎn)軸14轉(zhuǎn)動而變化。
由于旋轉(zhuǎn)軸14由推力的作用軸向偏置，所以這個實施例允許兩個電導體15或磁性件16之一變得靠近線圈對17，即使當另一個遠離線圈對17時也是如此，因此補償偏置事件的結果。因而，能避免由在旋轉(zhuǎn)軸14上的推力造成的輸出變化。類似地，由于旋轉(zhuǎn)軸14由徑向力的作用徑向偏置，兩個線圈17之一變得與電導體對15或磁性件對16的重疊面積p的尺寸較大，即使當另一個保持重疊面積p的尺寸較小時也是如此，因此補償偏置事件的結果。因而，能避免由在旋轉(zhuǎn)軸14上的徑向力造成的輸出變化。
(第十三實施例)圖22表明布置成用來測量在氣缸或液壓缸中的活塞桿18的位置的一個另外實施例。
活塞桿18設計成在其中提供的一個孔的缸筒24中向前和向后運動，，其中孔固定容納管形的電導體19或磁性件20(參照，當活塞桿18本身由帶有孔的導電或磁性材料制成時，消除電導體19或磁性件20)。把安裝在一個壓力容器21中的一個線圈22固定安裝到一個缸頭22上。同時，定位在壓力容器21中的線圈22，以延伸到電導體19或磁性件20的管形內(nèi)部空間中。
可優(yōu)選這樣的尺寸缸筒24的內(nèi)徑是4mm，活塞桿18的外徑是2mm，活塞桿18的孔徑是1mm，及壓力容器21的外徑是0.9mm。
(第十四實施例)圖23表示本發(fā)明的第十四實施例的位置傳感器200c的示意圖，。
位置傳感器200c是第二實施例的一種修改，其中把在計時電路50a中的觸發(fā)器52的輸出信號S4傳輸?shù)诫妷鹤儞Q器60c，其中其有效值由一個平滑電路62拾取，并且作為輸出電壓釋放。
電壓變換器60c的輸出電壓與在圖8中表示的輸出信號S4的脈沖寬度t′成比例。脈沖寬度t′等于用來充電電容器4的持續(xù)時間并且與線圈1的電感變化或要檢查的物體的位移成比例，因而有助于較高程度的線性。
(第十五實施例)圖24表示本發(fā)明的第十五實施例的位置傳感器200d的示意圖。
位置傳感器200d是第二實施例的另一種修改，其中把比較器5的輸出信號S2傳輸?shù)揭粋€電壓變換器60d，其中輸出信號由倒相電路64倒相并且然后其有效值在作為輸出電壓釋放之前由一個平滑電路62拾取。
電壓變換器60d的輸出電壓與在圖8中表示的輸出信號S2的低電平持續(xù)時間t″成比例。低電平持續(xù)時間t″等于用來放電電容器4的持續(xù)時間并且與線圈1的電感變化或要檢查的物體的位移成比例，因而有助于較高程度的線性。
(第十六實施例)
借助于一個電子計數(shù)器的使用測量周期T、脈沖寬度t′、或低電平持續(xù)時間t″，電子計數(shù)器又釋放與測量成比例的一個電壓。
工業(yè)實用性根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器具有如下優(yōu)點。
(1)能改進溫度性能，而不用專用于溫度補償?shù)念~外電路。
(2)能在線性方面改進指示要測量的位移的輸出。
(3)由于電感較低的線圈施加有一個脈沖形式的電壓，所以其由于電壓的高頻分量能適宜地利用其渦流。結果，能使線圈的尺寸最小。允許位置傳感器采用邏輯器件，并因而能通過IC技術實現(xiàn)。然而在先有技術中必須供給電感較低的線圈一個具有200kHz到500kHz高頻的正弦波形式的電壓。因而，先有技術不得不冗余地裝有一個高端運算放大器。
權利要求
1.一種位置傳感器，包括一個線圈和一個電導體或磁性件，都如此布置，從而它們重疊面積的大小隨要檢查的物體的位置變化而變化；一個電阻器，與線圈串聯(lián)連接；一個電容器，布置成通過線圈和電阻器的串聯(lián)電路充電和放電；及一個比較器，布置成一種倒相輸出型以用于接收電容器的充電電壓作為一個輸入，并且當輸出處于高電平時，進行電容器的充電，而當輸出處于低電平時，進行電容器的放電，其中探測要檢查的物體的位移作為連續(xù)振蕩運動的周期的變化，其特征在于確定線圈的電阻、電阻器的電阻、電容器的電容、及比較器的閾值，從而當線圈的電阻、電阻器的電阻、電容器的電容、及比較器的閾值的至少一個變化時并且當溫度在預定度數(shù)下時，周期的變化保持最小。
2.一種位置傳感器，包括一個線圈和一個電導體或磁性件，都如此布置，從而它們重疊面積的大小隨要檢查的物體的位置變化而變化；一個電阻器，與線圈串聯(lián)連接；一個電容器，布置成通過線圈和電阻器的串聯(lián)電路充電和放電；一個比較器，布置成倒相輸出型以用于接收電容器的充電電壓作為一個輸入；及一個計時電路，用來均勻地限制連續(xù)振蕩運動的周期，其特征在于探測要檢查的物體的位移時間段變化，該時間段從所述周期的前端延伸到當把所述比較器的輸出與所述周期的后端基本上同步地返回到高電平時的時刻。
3.根據(jù)權利要求2所述的位置傳感器，其中確定所述線圈的電阻、所述電阻器的電阻、所述電容器的電容、及所述比較器的閾值，從而當所述線圈的電阻、所述電阻器的電阻、所述電容器的電容、及所述比較器的閾值的至少一個變化時，并且當溫度在預定度數(shù)下時，所述時間段變化保持最小。
4.根據(jù)權利要求1至3任一項所述的位置傳感器，其中所述比較器的所述閾值的特征在于具有滯后。
5.一種位置傳感器，包括一個線圈和一個電導體或磁性件，都如此布置，從而它們重疊面積的大小隨要檢查的物體的位置變化而變化；一個電阻器，與所述線圈串聯(lián)連接；一個電容器，布置成通過所述線圈和所述電阻器的串聯(lián)電路充電和放電；一個比較器，布置成一種倒相輸出型以用于接收所述電容器的所述充電電壓作為一個輸入及其所述閾值的特征在于具有滯后；及一個計時電路，用來均勻地限制連續(xù)振蕩運動的所述周期，其特征在于探測所述要檢查的物體的位移，作為用來充電所述電容器的所述時間段或用來放電所述電容器的所述時間段的變化。
6.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的位置傳感器，其中所述要檢查的物體伴隨有所述線圈或所述電導體或所述磁性件，從而其在所述線圈外或內(nèi)側(cè)處的重疊面積的大小隨所述物體直線行駛而變化。
7.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的位置傳感器，其中所述要檢查的物體伴隨有所述線圈或所述電導體或所述磁性件，從而其在所述線圈外或內(nèi)側(cè)處的重疊面積的大小隨所述物體直線行駛而變化。
8.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的位置傳感器，其中所述要檢查的物體是在其上安裝逐漸徑向發(fā)散盤形的電導體或磁性件的旋轉(zhuǎn)軸，并且布置一個線圈，從而重疊面積的大小隨所述旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動而變化。
9.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的位置傳感器，其中所述要檢查的物體是在其上安裝逐漸徑向發(fā)散盤形的電導體或磁性件的旋轉(zhuǎn)軸，并且布置一對線圈以夾持所述逐漸徑向發(fā)散盤，從而其重疊面積的大小隨所述旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動而變化。
10.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的位置傳感器，其中所述要檢查的物體是一旋轉(zhuǎn)軸，所述旋轉(zhuǎn)軸上彼此離開一個距離和同相地安裝一種逐漸徑向發(fā)散盤形的一對電導體或磁性件，并且在所述成對盤之間布置一個線圈，從而其重疊面積的大小隨所述旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動而變化。
11.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的位置傳感器，其中所述要檢查的物體一個旋轉(zhuǎn)軸，所述旋轉(zhuǎn)軸上安裝繞中心點對稱的一種逐漸徑向發(fā)散盤形的一個電導體或磁性件，并且一對線圈繞所述中心點對稱布置，從而其重疊面積的大小隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動而變化。
12.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的位置傳感器，其中所述要檢查的物體是一個旋轉(zhuǎn)軸，所述旋轉(zhuǎn)軸其上安裝繞中心點對稱的一種逐漸徑向發(fā)散盤形的一個電導體或磁性件，并且兩對線圈繞所述中心點對稱布置以把所述盤夾持在每對之間，從而其重疊面積的大小隨所述旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動而變化。
13.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的位置傳感器，其中所述要檢查的物體是一個旋轉(zhuǎn)軸，所述旋轉(zhuǎn)軸其上以彼此離開的一個距離和同相地安裝繞中心點對稱的一種逐漸徑向發(fā)散盤形的一對電導體或磁性件，并且一對線圈布置在所述成對盤之間，從而其重疊面積的大小隨所述旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動而變化。
14.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的位置傳感器，其中所述線圈是具有在其中心中提供一個磁心的有芯型線圈。
全文摘要
一種位置探測器包括一個線圈(1)和一個導體(2)或一個磁性體(3)，其匹配部分(p)具有按照要探測的物體的位置變化而變化的面積。位置探測器進一步包括一個電阻器(6)、一個電容器(4)、一個倒相輸出比較器(5)、及一個用來調(diào)節(jié)一個連續(xù)振蕩操作周期(T)常數(shù)的計時電路(50a)。探測要探測物體的位置的變化作為時間寬度(t)的變化，直到比較器(5)的輸出在從周期(T)的開始到接近結束的計時處倒相到高電平。設置電阻器(6)的一個電阻值，從而時間寬度(t)的變化在一個估計溫度下相對于電阻器(6)的電阻值的變化具有最小值。有可能相對于位置的變化改進輸出的溫度特性和線性。
文檔編號G01D3/036GK1503896SQ0280867
公開日2004年6月9日 申請日期2002年4月17日 優(yōu)先權日2001年4月23日
發(fā)明者戶田成二, 押柄直正, 正 申請人:利倍庫斯株式會社