專利名稱：旋轉(zhuǎn)電機傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器。特別地，但是非排它地，本發(fā)明涉及一種用 于諸如，例如渦輪增壓器之類的渦輪機的速度傳感器。
背景技術(shù)：
眾所周知，渦輪增壓器是在高于(升壓)環(huán)境壓力的壓力下給內(nèi)燃機 的進氣口(intake)提供空氣的裝置。常規(guī)的渦輪增壓器主要上包括在渦輪機 殼體內(nèi)安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的由排氣驅(qū)動的渦輪機葉輪。渦輪機葉輪的旋轉(zhuǎn)帶 動在壓縮機殼體內(nèi)安裝在旋轉(zhuǎn)軸的另一端上的壓縮機葉輪的旋轉(zhuǎn)。壓縮機 葉輪將壓縮空氣傳送到內(nèi)燃機的進氣歧管，從而提高內(nèi)燃機的功率。
已知可以給渦輪機提供測量渦輪機的運行特性的傳感器。任何這種運 行信息可以用作渦輪機控制系統(tǒng)的一個參數(shù)。例如，渦輪機各部件之間的 間距。
一種類型的已經(jīng)用作渦輪機傳感器的傳感器是包括諧振電路的電容 性傳感器，該諧振電路包含形成在安裝于渦輪機殼體的壁中所設(shè)置的孔中 的傳感器電極和導(dǎo)電的渦輪機葉輪之間的電容。當渦輪機葉輪旋轉(zhuǎn)時，電 容波動取決于各個葉片掃過電極時渦輪機葉輪和傳感器電極之間的間距。 從而，通過對變動的電容在諧振電路中所產(chǎn)生的頻率調(diào)制進行檢測并且放 大來確定傳感器電極和渦輪機葉輪之間的間隔。
在已知的電容性傳感器中，當電容量隨著增大的間距而急劇變化時， 必須使電極和其他渦輪機元件之間的間隔保持為最小值，其中電極和其他 渦輪部件之間的間隔形成了電容，并且電容量與間隔距離成反向的函數(shù)關(guān) 系。然而由于機械結(jié)構(gòu)、誤差以及熱膨脹余量的原因，通常需要使間隔值最小。這樣，信號電平通常很低。與通常具有低得多的噪聲電平的檢驗實 驗室相比，內(nèi)燃機環(huán)境中通常具有相當大的電噪聲電平。這種低的信號電 平和工作環(huán)境中的電噪聲產(chǎn)生了低的信噪比，從而通常很難將期望信號放 大到所需的水平，并同時從信號中摒棄噪聲。電容性傳感器中也存在很大 問題，這是因為它們的運行可能會受到通過渦輪增壓器的氣體中的污染物 的存在以及傳感器電極本身上的污染物沉積的存在的不利影響。
可以證明其他渦輪機運行特性的測量是有用的。例如，通過給內(nèi)燃機 控制單元(ECU)提供與渦輪增壓器的速度相關(guān)的信息，就可能防止或抵 消渦輪增壓器的任何超速。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是避免或減輕上述缺點。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于測量旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的
旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器，所述速度傳感器包括電極和傳感器電路；
所述傳感器電路包括
恒壓源，用于向電極提供電壓以便在電介質(zhì)中產(chǎn)生電場；
電流檢測器，用于檢測恒壓源和電極之間的電流，所述電流是由所述 電場的擾動產(chǎn)生的，所述擾動是在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)時通過使旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少 一個凸起特征穿過所述電場而引起的，所述電流檢測器輸出在與所述電場 的擾動頻率對應(yīng)的頻率下調(diào)制的第一信號；和
放大器電路，包括用于放大第一信號并且輸出在與所述電場的擾動頻 率對應(yīng)的頻率下調(diào)制的第二信號的信號放大器；
其中，將電極電壓、放大器增益和電極相對于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為 使得第二信號的調(diào)制主要由電介質(zhì)中的電場擾動產(chǎn)生，所述擾動是由所述 電場內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運動產(chǎn)生的。
可以理解的是，只需要恒壓源在恒壓下工作一段時間，該段時間足以 使傳感器檢測到旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度。恒壓源例如能夠輸出一定范圍的電 壓，該電壓在一段時間內(nèi)可以變化。
此外可以理解的是，雖然電壓源試圖時時維持恒壓，由于電場擾動和 電壓源響應(yīng)之間的滯后，電極上的電壓實際上是波動的。因此，術(shù)語"恒定"應(yīng)該相應(yīng)地被解釋為任何這種波動都可以被忽略。
可以理解的是，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征(salient feature)可以是當其穿過電 場時在其中產(chǎn)生所述擾動的任何部件。凸起特征例如可以是旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的三 維結(jié)構(gòu)特征，或者旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料性質(zhì)中的局部變化(包括材料的局部變 化)，或者這些情況的組合。
電介質(zhì)例如可以包括電極和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間的流體或氣體(例如，空 氣)，或者不導(dǎo)電固體(例如，電絕緣的塑料材料)，或者這些情況中的兩 種或更多種的組合。
傳感器電路可以包括用于接收第二信號并且輸出第三信號的分頻器。
傳感器電路可以包括用于接收第二信號或第三信號并且提供表示擾 動的頻率的第三信號的頻率計數(shù)器。
傳感器電路可以包括輸出端子或電纜，用于連接到用于根據(jù)第二、第 三或第四輸出信號來確定旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的控制器或其他裝置。
傳感器電路可以包括用于根據(jù)所述第二、第三或第四輸出信號來確定 旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的裝置。
電壓源可以提供大于大約+/-30的電壓，例如在+A30V到+/-500￥的范 圍內(nèi)，或者更高。在本發(fā)明的有些實施例中，高達+AlkV或更高的電壓可 以是合適的。在其他實施例中，+/-3(^到+/-150￥范圍內(nèi)的電壓可以是合 適的。 一個優(yōu)選的電壓范圍是+/-50￥至1]+/-150￥，例如120V的量級。
例如，相對于相關(guān)地有所提高的傳感器電壓能夠檢測到所描述的擾 動，并且提供了改善的信噪比。己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大大高于典型電子電路中所使 用的典型電壓(即，5V或12V)的電壓在電荷運動中產(chǎn)生作用，該作用 與旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)相一致，然而更低的電壓允許電極電勢響應(yīng)于最近 的流體流動中的污染物(contaminant)或者任何相關(guān)的最近地線的電勢中 由于不好的電連接(例如，由于軸或葉輪通過油膜軸承連接到地)所產(chǎn)生 的任何變化而波動。
速度傳感器的至少一部分可以由至少一個導(dǎo)電屏蔽罩進行電屏蔽。例 如，電極和傳感器電路(其可能遠離電極)之間，或者傳感器電路元件(其 可能彼此遠離)之間的連接可以被屏蔽。
該屏蔽罩可以保持在受控的電勢下。放大器電路可以包括屏蔽放大器，它的輸出驅(qū)動該或各個導(dǎo)電屏蔽罩。
速度傳感器可以包括至少兩個屏蔽電路的各個部分的導(dǎo)電屏蔽罩。 該或各個屏蔽放大器可以將各個導(dǎo)電屏蔽罩保持在相同的電勢下。該 或各個屏蔽放大器優(yōu)選具有一致的增益。
該或各個屏蔽放大器可以耦合到信號放大器上。
反饋環(huán)可以跨接到放大器上，并且包括第一電容器。在一個實施例中， 屏蔽放大器與信號放大器串聯(lián)連接，反饋環(huán)跨接信號放大器和所述屏蔽放 大器，反饋環(huán)包括第一電容器。第一電容器可以是電容分壓器的適于減小 電容的有效容量的一部分。電容分壓器可以包括所述第一電容器和分壓 器。
放大器電路的增益可以由其值小于100pF的電容來控制，更優(yōu)選地該 電容值為小于10pF，更優(yōu)選為小于lpF，更優(yōu)選為小于0.1pF，或者更優(yōu) 選為還小于0.01pF。該電容可以處于電容分壓器中，例如正如前面所提及 的用于提供進一步減小的有效電容量，其值優(yōu)選為小于10pF，更優(yōu)選為小 于lpF，更優(yōu)選為小于O.lpF，更優(yōu)選為小于O.OlpF，并且更優(yōu)選為小于 0扁pF。
在優(yōu)選實施例中，第一輸出信號為調(diào)制電壓。
電流檢測器可以包括串聯(lián)跨接電壓源上的電容器和電阻器，其中電極 連接到電壓源和電容器的第一端之間的節(jié)點上，并且從電容器的第二端和 電阻器之間的節(jié)點上提取第一輸出信號。
電極可以具有電場從其上延伸的表面，該表面的在使用中最靠近旋轉(zhuǎn) 構(gòu)件的至少一部分由保護材料體覆蓋。保護材料例如可以是不導(dǎo)電的。
電極可以包括電極基體和電場從其上延伸的電極表面，該表面的在使 用中最靠近旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一部分由不同于電極基體的導(dǎo)電材料所限定。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種旋轉(zhuǎn)電機，包括
被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，和用于檢測旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的 旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器，所述速度傳感器包括-
相對于所述軸線固定在合適位置上的電極；
連接到電極上的用于在電極和旋轉(zhuǎn)電機的電勢基本恒定的部分之間建立電場的恒壓源，
其中，將電極定位成使得當旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的 至少一個凸起特征穿過所述電場，從而在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)時擾動所述 電場；
電流檢測器，其用于檢測電壓源和電極之間響應(yīng)于所述電場的所述擾 動的電流；禾口
放大器電路，其包括用于放大第一信號并且輸出在與電場的擾動頻率
對應(yīng)的頻率下調(diào)制的第二信號的信號放大器；
其中，將電極電壓、放大器增益和電極相對于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為 使得第二信號的調(diào)制主要由電介質(zhì)中的電場擾動引起，所述擾動是由所述 場內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運動產(chǎn)生的。
旋轉(zhuǎn)電機的電勢基本恒定的部分可以為所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。
旋轉(zhuǎn)構(gòu)件例如可以是不導(dǎo)電的，并且旋轉(zhuǎn)電機的所述電勢基本恒定的 部分是導(dǎo)電.體，其由旋轉(zhuǎn)電機支撐為與電極成固定空間關(guān)系，從而旋轉(zhuǎn)構(gòu) 件的所述至少一個凸起特征在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線的每次旋轉(zhuǎn)時在電極 和所述電勢恒定的部分之間穿過。
旋轉(zhuǎn)電機的所述電勢恒定的部分例如可以是旋轉(zhuǎn)電機的殼體的導(dǎo)電 部分?？蛇x擇地，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可以安裝在軸上，所述軸的至少一部分是導(dǎo)電 的，并且包括旋轉(zhuǎn)電機的所述電勢恒定的部分。
旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可以包括多個所述凸起特征。優(yōu)選地，電極的有電場通過的 表面在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)方向上的大小小于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)鄰接的凸起特征 的間隔。
所述或各個凸起特征可以包括實體突起和/或旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的材料性質(zhì)中 的局部變化。
在一些實施例中，所述實體突起包括邊緣。
所述或各個凸起特征可以是相對于所述軸線大體徑向和/或軸向延伸 的突起。例如，所述或各個凸起特征是葉片或翼片。
旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可以在由殼體限定的腔體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，流體存在于所述腔體中， 并且其中電場穿過電極和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間的所述流體。殼體可以具有流體入
口和流體出口，所述腔體位于所述入口和所述出口之間的流體流動通道中。
旋轉(zhuǎn)電機可以為渦輪機。例如，旋轉(zhuǎn)電機可以為渦輪機或壓縮機(例 如包括在渦輪增壓器或其它裝置中)，并且所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可以為渦輪機葉 輪或壓縮機葉輪。
電極可以由插在入口或出口中的部件支撐，并且與所述部件電絕緣。 插入的部件可以為環(huán)形構(gòu)件，例如壓縮機的噪聲擋板。
在一些實施例中，電極由旋轉(zhuǎn)電機的殼體支撐，并且與所述殼體電絕緣。
優(yōu)選電極并不暴露在所述流體中。電極例如可以由與所述流體至少基 本上不發(fā)生反應(yīng)的材料層或材料體與所述流體分隔。電極可以由電絕緣材 料層或材料體與所述流體分隔。
不管電極的支撐方法是什么，在一些實施例中(諸如例如當旋轉(zhuǎn)電機 為壓縮機時)，電極相對于殼體優(yōu)選具有固定的位置，并且與旋轉(zhuǎn)構(gòu)件有 設(shè)定的最小間距(這個最小值可能僅在葉輪的一個或多個方向上，并且可
能取決于占據(jù)軸承中的軸向間隙(axial play)的葉輪以及任何常見的熱膨脹 與向心膨脹)。這個最小間距優(yōu)選為至少0.1mm，更加優(yōu)選為至少0.2mm， 更加優(yōu)選為至少0.3mm，更加優(yōu)選為至少0.4mm，更加優(yōu)選為至少0.6mm， 更加優(yōu)選為至少0.8mm，更加優(yōu)選為至少lmm，更加優(yōu)選為至少1.5mm， 更加優(yōu)選為至少2mm，更加優(yōu)選為至少5mm，更加優(yōu)選為至少10mm。 這個間距還優(yōu)選為小于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件或其穿過電場區(qū)域部分的直徑的三倍，更 加優(yōu)選為小于所述直徑，更加優(yōu)選為小于該直徑的三分之一。當旋轉(zhuǎn)構(gòu)件 具有葉片陣列時，進一步地，該間距優(yōu)選為小于電場區(qū)域中的葉片的間隔， 更加優(yōu)選為這些間隔的一半。
旋轉(zhuǎn)電機的電勢恒定的部分可以處于地電勢或虛地電勢。 速度傳感器可以為根據(jù)本發(fā)明的任意其他方面所述的速度傳感器。 在本發(fā)明的第三方面中，提供了一種使用根據(jù)本發(fā)明的任意其他方面 所述的速度傳感器來測量旋轉(zhuǎn)電機速度的方法，該旋轉(zhuǎn)電機包括被支撐為 繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種測量旋轉(zhuǎn)電機的速度的方法，所 述旋轉(zhuǎn)電機包括被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，所述方法包括
相對于所述軸線將電極支撐在合適的位置上；
給電極提供恒定電壓，以便在電極和旋轉(zhuǎn)電機的電勢基本恒定的部分之間建立電場；
其中，將電極定位成使得當旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一個凸起特征穿過所述電場，從而在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)時擾動所述
電場；
檢測電壓源和電極之間的響應(yīng)所述電場擾動的電流，以便得到在所述擾動的頻率下調(diào)制的第一信號；
放大第一信號并且輸出在與電場的擾動頻率對應(yīng)的頻率下調(diào)制的第二信號；
其中，將電極電壓、放大器增益和電極相對于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為使得第二信號的調(diào)制主要由電介質(zhì)中的電場擾動引起，所述擾動是由所述電場內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運動產(chǎn)生的；以及
根據(jù)所述信號的調(diào)制確定旋轉(zhuǎn)速度。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供了一種用于測量旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器，該速度傳感器包括電極和傳感器電路；該傳感器電路包括
用于給電極提供電壓以便產(chǎn)生電場的恒壓源；
電流檢測器，用于檢測恒壓源和電極之間的電流，所述電流是由所述電場的擾動產(chǎn)生的，所述擾動是在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)時通過使旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一個凸起特征穿過所述電場而引起的；
所述電流檢測器輸出在與所述電場的擾動頻率對應(yīng)的頻率下調(diào)制的第一信號。
傳感器電路優(yōu)選進一步包括用于放大第一信號并且輸出第二信號的信號放大器。
將電極電壓、放大器增益和電極與旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間的位置選擇為使得電極電流中的脈沖主要由穿過局部化電場的離子的運動產(chǎn)生。所述離子可以為下述兩種方式中的至少一種在流體內(nèi)或吸附在不導(dǎo)電固體上。
速度傳感器的至少一部分可以由至少一個導(dǎo)電屏蔽罩進行電屏蔽，該導(dǎo)電屏蔽罩可以保持在受控的電勢下。優(yōu)選地，所述傳感器包括至少一個屏蔽放大器，其輸出驅(qū)動該或各個導(dǎo)電屏蔽罩。該或各個屏蔽放大器可以耦合到信號放大器上。屏蔽放大器例如可以與信號放大器串聯(lián)連接，傳感器電路可以包括跨接在信號放大器和所述屏蔽放大器上的反饋環(huán)，反饋環(huán)包括第一電容器。第一電容器可以是電容電橋的適于減小電容的有效容量的一部分(其可以包括第一電容器和分壓器)。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供了一種測量旋轉(zhuǎn)電機速度的方法，該旋轉(zhuǎn)電機包括被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，該方法包括
相對于所述軸線將電極支撐在合適的位置上；
給電極提供恒定電壓，以便在電極和旋轉(zhuǎn)電機的電勢基本恒定的部分之間建立電場；
其中，將電極定位成使得當旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一個凸起特征穿過電場，從而在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)時擾動電場；
檢測電壓源和電極之間的響應(yīng)于所述電場的所述擾動的電流，以便得到在所述擾動的頻率下調(diào)制的信號；以及
根據(jù)所述信號的調(diào)制中確定旋轉(zhuǎn)速度。
人們相信，傳感器能夠通過檢測電場中的擾動而工作，這些擾動是由下述一個或多個原因產(chǎn)生的.
對電場中由于摩擦產(chǎn)生的電荷(摩擦帶電效應(yīng))的運動所引起的電荷分配所進行的調(diào)制。該摩擦例如可以發(fā)生在流體本身中(例如湍流)，或發(fā)生在流體和流體導(dǎo)管中的基體(例如旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征)之間；
對電場中的電荷分配所進行的調(diào)制，該電荷分配是由于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征穿過電場的運動而引起流體物理性質(zhì)發(fā)生變化(例如，增大的壓力產(chǎn)生了增大的電荷密度)所導(dǎo)致的；
對其中產(chǎn)生了電場的任意介質(zhì)材料的電特性所進行的調(diào)制(例如，壓力和/或溫度和/或濕度或其它的變化影響介質(zhì)材料的介電常數(shù))。
因此，本發(fā)明的一個方面是一種測量被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的方法，該方法包括
相對于所述軸線將電極支撐在合適的位置上；
給電極提供恒定電壓，以便在電極和電勢基本恒定的基體之間建立電場；
其中，將電極定位成使得當旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的
至少一個凸起特征穿過電場，從而在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)時擾動電場；
檢測電壓源和電極之間的響應(yīng)于電場擾動的電流，以便得到在所述擾
動的頻率下調(diào)制的信號；以及
根據(jù)所述信號的調(diào)制確定旋轉(zhuǎn)速度。
其中，所述擾動是由下述一個或多個原因產(chǎn)生的
對電場中由于摩擦產(chǎn)生的電荷(摩擦帶電效應(yīng))的運動所引起的電荷分配所進行的調(diào)制。該摩擦例如可以發(fā)生在流體本身中(例如湍流)，或
發(fā)生在流體和流體導(dǎo)管中的基體(例如旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征)之間；
對電場中的電荷分配所進行的調(diào)制，該電荷分配是由于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征穿過電場的運動而引起流體物理性質(zhì)發(fā)生變化(例如，增大的壓力產(chǎn)生了增大的電荷密度)所導(dǎo)致的；以及
對其中產(chǎn)生了電場的任意介質(zhì)材料的電特性所進行的調(diào)制(例如，壓力和/或溫度和/或濕度或其它的變化影響介質(zhì)材料的介電常數(shù))。
類似地，本發(fā)明提供了一種用于測量被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起特征的旋轉(zhuǎn)速度的傳感器，該傳感器包括電極和傳感器電路；
該傳感器電路包括
用于給電極提供電壓以便產(chǎn)生電場的恒壓源；
電流檢測器，用于檢測恒壓源和電極之間的電流，所述電流是由所述電場的擾動產(chǎn)生的，所述擾動是在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)時通過使旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一個凸起特征穿過所述電場而引起的；
所述電流檢測器輸出在與電場的擾動頻率對應(yīng)的頻率下調(diào)制的信號；其中，電場的擾動是由下述的一個或多個效應(yīng)引起的對電場中由于摩擦產(chǎn)生的電荷(摩擦帶電效應(yīng))的運動所引起的電荷分配所進行的調(diào)制。該摩擦例如可以發(fā)生在流體本身中(例如湍流)，或發(fā)生在流體和流體導(dǎo)管中的基體(例如旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征)之間；
對電場中的電荷分配所進行的調(diào)制，該電荷分配是由于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征穿過電場的運動而引起流體物理性質(zhì)發(fā)生變化(例如，增大的壓力產(chǎn)生了增大的電荷密度)所導(dǎo)致的；以及對其中產(chǎn)生了電場的任意介質(zhì)材料的電特性所進行的調(diào)制(例如，壓力和/或溫度和/或濕度或其它的變化影響介質(zhì)材料的介電常數(shù))。
傳感器電路優(yōu)選包括放大器，其工作特性為適于在使信號噪聲最小的同時，放大由于一個或多個這些效應(yīng)所產(chǎn)生的輸出信號，否則，信號噪聲會阻止對所述擾動產(chǎn)生的信號調(diào)制的檢測。放大器例如可以包括信號放大器和屏蔽放大器，正如前面所述。
本發(fā)明還試圖提供一種測量流體特性變化的方法，該方法包括
相對于所述軸線將電極支撐在合適的位置上；
給電極提供恒定電壓，以便在電極和電勢基本恒定的基體之間建立電場，將電極定位成使得電場能夠延伸進入所述流體中；
檢測電壓源和電極之間的響應(yīng)于電場擾動的電流，該擾動是由流體特性的變化引起的；以及
根據(jù)所檢測的電流確定所述特性變化；其中所述擾動產(chǎn)生的原因為
對電場中的電荷分配所進行的調(diào)制，該電荷分配是由于所述特性的變
化引起電荷的運動而產(chǎn)生的；和/或
由于所述特性的變化而對所述流體的介電常數(shù)所進行的調(diào)制。該特性例如可以為溫度、壓力、濕度或流體的化學(xué)成分。本發(fā)明還試圖提供一種測量導(dǎo)管中所流過的流體的質(zhì)量流量的方法，
該方法包括
相對于所述軸線將電極支撐在第一位置上；
給電極提供恒定電壓，以便在電極和電勢基本恒定的基體之間建立電場，將電極定位成使得電場能夠延伸進入所述導(dǎo)管中；改變第一位置上游的第二位置處的流體的特性；
檢測電壓源和電極之間的響應(yīng)于電場擾動的電流，該擾動是由流體的特性改變引起的；以及
根據(jù)所述第一位置和第二位置的間隔以及流體特性的所述改變與所述當前檢測值之間的時延來確定流體的質(zhì)量流量。明顯。


現(xiàn)有將只通過例子的方式并結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行描 述，其中
圖1為具有固定幾何形狀的渦輪的渦輪增壓器的軸向剖面圖，其顯示 了渦輪增壓器的基本部件；
圖2為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的渦輪增壓器的壓縮機殼體的透視
圖3為圖2壓縮機的一部分的剖面圖4顯示了圖2和3中的壓縮機的傳感器電極組件的縱向剖面圖4a顯示了本發(fā)明的傳感器電路的示意性特征；
圖5為根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的渦輪增壓器的壓縮機殼體的透視
圖6為圖5中的渦輪增壓器的壓縮機的噪聲擋板插入件(noise baffle
insert)的剖面圖7為圖5的壓縮機的一部分的剖面圖8為根據(jù)本發(fā)明的傳感器電路實施例的示意性電路圖9為根據(jù)本發(fā)明的傳感器電路的另一個實施例的電路圖10a為根據(jù)本發(fā)明的沿導(dǎo)電壓縮機葉輪和相鄰的電極組件的簡化剖
面圖10b為根據(jù)本發(fā)明的沿支撐在導(dǎo)電軸上的非導(dǎo)電壓縮機葉輪和相鄰 電極組件的簡化剖面圖10c為根據(jù)本發(fā)明的沿非導(dǎo)電壓縮機葉輪和相鄰電極組件的簡化剖 面圖lla和圖llb示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的傳感器電極和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件 之間的電場線。
具體實施例方式
首先參考圖1，這是具有固定幾何形狀的渦輪的典型渦輪增壓器的軸 向剖面圖，其顯示了渦輪增壓器的基本部件。渦輪增壓器包括經(jīng)由中心軸承套3連接到壓縮機2上的渦輪1。渦輪1包括容納渦輪機葉輪5的渦輪
殼體4。類似地，壓縮機2包括容納壓縮機葉輪7的壓縮機殼體6。渦輪 機葉輪5和壓縮機葉輪7安裝在共用的渦輪軸8的相對側(cè)上，渦輪軸8支 撐在軸承套3內(nèi)的軸承組件9。
渦輪殼體4設(shè)置有排氣入口 IO和排氣出口 11。入口 IO經(jīng)由徑向延伸 的環(huán)形入口通道13將流入的排氣導(dǎo)向環(huán)繞渦輪機葉輪5并且與之相通的 環(huán)形的入口腔，即蝸殼12。渦輪機葉輪5的旋轉(zhuǎn)帶動壓縮機葉輪7的旋轉(zhuǎn)， 壓縮機葉輪7通過由環(huán)形入口壁6a部分限定的軸向入口 14吸入空氣，并 且經(jīng)由出口 15將壓縮空氣傳送到內(nèi)燃機進氣口 (未示出)。
圖2到4a顯示了渦輪增壓器的壓縮機，其包括根據(jù)本發(fā)明第一實施 例所述的渦輪增壓器速度傳感器。雖然壓縮機殼體6的特征在細節(jié)上與圖 1的渦輪增壓器壓縮機的特征不同，但是結(jié)構(gòu)大體相同，因此適當時候用 相同的附圖標記表示相應(yīng)的特征。本發(fā)明的速度傳感器組件16安裝在壓 縮機殼體6上。傳感器組件16 (單獨顯示在圖4中)包括支撐在導(dǎo)電的防 護管18中的細長電極17，其延伸通過貫穿壓縮機殼體壁設(shè)置的大體徑向 的穿孔19。穿孔19開在被壓縮機葉輪7的葉片掃過的壓縮機內(nèi)表面20 上，因此，電極17的擴大端21設(shè)置得非?？拷鼔嚎s機葉輪7。電極17 的另一端和防護管18連接到容納在電絕緣的傳感器殼體23內(nèi)的PCB 22 上，該殼體23包括包住防護管18的管狀部分24。用穿過傳感器殼體23 中的孔26并且旋入殼體壁中的螺紋孔27的螺栓25將傳感器組件16固定 到殼體6上。提供o-環(huán)形密封圈28來將傳感器密封在穿孔19內(nèi)。還可以 提供額外的螺紋孔28a，以利于入口傳感器裝置(inlet sensor device),如溫 度傳感器的定位(未顯示)。
PCB 22將電極17上和防護管18電連接到設(shè)置在PCB 22上的傳感器 電路29上(圖4a中示意示出)。傳感器電路29包括恒壓源3K電流檢測 電路32、放大器33和頻率計數(shù)器34。頻率計數(shù)器可以包括分頻器(未顯 示)。頻率計數(shù)器輸出表示壓縮機葉輪的旋轉(zhuǎn)速度的信號，其例如可以經(jīng) 由連接電纜30提供給內(nèi)燃機ECU或其他控制器。傳感器電路的示例性實 施例的更多細節(jié)和操作將在以后描述。
根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器速度傳感器的第二實施例顯示在圖5到7中。再次地，雖然壓縮機殼體的特征在細節(jié)上與圖1和2到4的渦輪增壓 器壓縮機的特征不同，但是適當時候用相同的附圖標記表示相應(yīng)的特征。
首先參考圖5，壓縮機包括塑料插入件形式的噪音擋板35，其被安裝在壓 縮機入口 14中。提供壓縮機噪聲擋板來作為分隔壓縮機殼體的插入分隔
在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，因此不會詳細描述噪聲屏蔽的功能。
但是，正如從圖6中可以看出的，噪聲擋板35是包括管狀部分36的 環(huán)形結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，壓縮機包括傳感器組件16，傳感器組件16包括嵌在塑 料噪聲擋板插入件35中的電極17，如圖6和7所示。電極17大體為L 形，其具有軸向延伸部分17a和徑向延伸部分17b，徑向延伸部分凸入設(shè) 置在擋板插入件35的孔37中，以用于與傳感器組件16的其他部件連接， 如圖7所示。
參考圖7，壓縮機殼體6在入口壁6a中設(shè)置有徑向連接孔38，其與 擋板插入件35的孔37對齊，以便于與電極17的徑向部分17b的電連接。 插入件35的管狀部分36朝壓縮機葉輪(未示出)延伸，從而電極17的 軸向部分17a的端部位于與壓縮機葉輪非?？拷奈恢蒙?。
傳感器組件16進一步包括容納連接到導(dǎo)電插座39上的PCB 22的電 絕緣傳感器殼體23。插座39位于殼體23的管狀部分40中，管狀部分40 插入擋板穿孔中，從而電極的徑向部分17b延伸到插座39中。管狀部分 40可以過盈配合在孔37中，電極部分17b可以過盈配合在插座39中。電 極部分17b的端部為錐形的，以幫助插入插座39。 O-環(huán)形密封圈28將傳 感器殼體23相對于孔38密封。用延伸穿過殼體23中的孔26并且旋入殼 體壁69中的螺紋孔27的螺栓25將傳感器組件16固定到殼體6上。
PCB22將電極17連接(經(jīng)由PCB22上的傳感器電路29)到設(shè)置為 與內(nèi)燃機ECU或其他控制器連接的輸出引線41上。傳感器電路并未示出， 但是其與圖4示意性示出的傳感器電路29相同。
將電極嵌在可拆卸的插入件35中確保了將傳感器集成到渦輪增壓器 中的操作是簡單并且成本低廉的。電極17例如可以是簡單的導(dǎo)電線(例 如，銅)。它優(yōu)選為雙金屬。通過合理配置擋板插入件35，而不需要改變 傳感器組件16或壓縮機殼體6的其他細節(jié)就可以輕易地適應(yīng)不同的壓縮機入口結(jié)構(gòu)。如果需要，還可以簡單地更換可拆卸擋板插入件35來更換 電極。
本發(fā)明的前述兩個實施例具有相同的傳感器電路29，并且以相同的方 式運行?，F(xiàn)在將對此進行描述。
由恒壓源42在接地和電極17之間施加電壓V。這就在電極17和為 虛接地的壓縮機葉輪7之間建立了電場。當壓縮機葉輪7旋轉(zhuǎn)時，葉輪葉 片連續(xù)掃過電極的位置。當各個葉片掃過(sweep)電場時，擾動了電極和壓 縮機葉輪之間的電場。由于電壓源致力于在電極上維持電壓V，因此響應(yīng) 于電場的擾動，在電壓源和電極之間有電流流過。從而用直接取決于壓縮 機葉輪的旋轉(zhuǎn)速度的頻率來調(diào)節(jié)電流。放大器33將檢測到的電流進行放 大，放大的信號被送到輸出表示壓縮機葉輪(即渦輪增壓器)瞬時速度的 信號的頻率計數(shù)器34。
現(xiàn)在將參考圖8和9來描述傳感器電路的示例性實施例。
首先參考圖8，其顯示了說明一部分傳感器電路29的工作原理的示意 性電路。DC電源42經(jīng)由電阻器43電連接到電極17上。電源42還電連 接到公共地44上。公共地44可以是傳導(dǎo)部件或可以是車輛的其中設(shè)置渦 輪增壓器的車身或底盤，或者可以是大地(特別是在渦輪增壓器裝配到諸 如電力發(fā)電機之類的固定發(fā)動機上的時候)。壓縮機葉輪也處于由45所表 示的公共地的電勢上。這就在電極和壓縮機葉輪之間建立了電場。如上所 述，當壓縮機葉輪旋轉(zhuǎn)時，將在電壓源和電極之間流過調(diào)制電流。該電流 將會導(dǎo)致電極17和電阻器43中間的節(jié)點46上的電壓發(fā)生變化。節(jié)點46 經(jīng)由電容器47和電阻器48電連接到公共地44上。節(jié)點46上的電壓變化 產(chǎn)生了流過耦合電容器47的電流，這將在電容器47和電阻器48中間的 第二節(jié)點49上產(chǎn)生調(diào)制電壓。節(jié)點49上的調(diào)制電壓由所連接的放大器33 進行放大，然后將放大器33的輸出50送到頻率計數(shù)器34上。頻率計數(shù) 器(圖8中未示出)可以是完全常規(guī)式的。
圖9顯示了部分傳感器電路29的第二個實施例。由于電極17及其與 傳感器電路的電連接對于渦輪增壓器外部的反向電場(adverse electric field),例如對無線電擾動非常敏感，因此電極17和電極與傳感器電路29 之間的電連接被屏蔽。在本發(fā)明前面所述的電極的情形中，外部反向電場
21屏蔽通常由金屬壓縮機殼體6來提供，在圖2到4的實施例的情形中，屏
蔽還由防護管18來提供。同樣，如果電極17設(shè)置成與檢測電路的一部分 (尤其是放大器)很遠，則使用諸如同軸電纜的屏蔽電纜來將電極17連 接到檢測電路上是很重要的。屏蔽電纜的內(nèi)芯51從電極17傳送信號，并 且環(huán)繞有外部屏蔽層52。同軸電纜用作電容。電纜中的寄生電容(extraneous capacitance)由保護放大器53來補償。保護放大器保持為受控的電勢，例 如，但是并不限于，虛地電勢。
正如先前的電路實施例那樣，DC電源42電連接到電極17上。電源 42和電極17中間為包括電阻器55、 56和57以及電容器58的偏置電路 54。偏置電路用于提高輸出的信噪比。偏置電路54的電容器58電連接到 保護放大器53的輸出上，從而偏置電路54提供到電極17的更大的阻抗。 電容器47在本實施例中的作用與先前實施例中相同標記的電容器的作用 非常類似，這是因為它將電極17連接到保護放大器53的輸入上。因此， 保護放大器53的作用是使放大器地線和壓縮機葉輪地線之間的任何電勢 差都為零。與第一電路實施例不同，壓縮機葉輪地線和放大器可以不連接 到公共地上。放大器地線和壓縮機葉輪地線之間的任何差值都將產(chǎn)生不正 確的測量值。保護放大器53的輸出饋送到同軸電纜的外部屏蔽層52。這 就在放大器上保持了恒定電壓，從而只有電極17中的變化信號被放大。 這樣，就能消除不想要的信號，即噪聲。
保護放大器53的輸出經(jīng)由中間電容器59饋送到反向放大器60的輸 入端。包括電阻器62、 63和64以及電容器65的電容分壓器61電連接在 放大器60周圍，并且用作偏置放大器60的反饋元件。此外，電容分壓器 61與電容器59 —起構(gòu)成了高通濾波器。電阻器62具有很高的有效電阻器， 從而高通濾波器具有低截止頻率，因此傳感器具有從低頻開始的總帶寬。 低通濾波器(未示出)也可以用于消除信號中的與壓縮機葉輪的運動不相 關(guān)的高頻分量。
串聯(lián)使用兩個放大器，在這個例子中為保護放大器53和反向放大器 60，其優(yōu)勢在于比只使用一個能夠?qū)崿F(xiàn)類似功能的高質(zhì)量放大器時更加節(jié) 省成本。
另一個電容分壓器66，其包括電容器67和68以及電阻器69和70，被電連接在保護放大器53的輸入端和反向放大器60的輸出端之間。電容
分壓器66用作放大器53、 60附近的反饋元件。由于電阻器69和70的分 壓作用，并且電阻器69間接電連接于保護放大器53輸出端并以其為基準， 電容分壓器66提供了小的有效反饋電容67?？梢栽诠?jié)點71上得到電路輸 出，如果需要，可以在之后對該電路輸出進行進一步的放大后送往頻率計 數(shù)器(未示出)。
放大器53、 60的增益由電容分壓器66控制。電容分壓器優(yōu)選在放大 器53、 60附近提供有效電容，其值優(yōu)選小于10pF，更優(yōu)選為小于lpF， 更優(yōu)選為小于O.lpF，更優(yōu)選為小于0.01pF，并且更優(yōu)選為小于0.001pF。 或者，電容分壓器66可以由連接在放大器53、 60附近的單個電容器替代。 這時，該電容值優(yōu)選為小于100pF，更優(yōu)選為小于10pF，更優(yōu)選為小于 lpF，更優(yōu)選為小于O.lpF，并且更優(yōu)選為小于0.01pF。
使用其值在上述范圍內(nèi)的電容分壓器66 (或等效電容)能夠控制放大 器53、 60的增益，從而使所利用的電極17能夠具有更小的有效面積和/ 或被放置在離壓縮機葉輪更遠的間距處，并且能夠檢測到不會被具有更大 常規(guī)電容的類似傳感器檢測到的電場擾動。如果利用傳感器來測量龐大壓 縮機的速度，在這種壓縮機中諸如軸向運動和壓縮機葉輪的熱膨脹的因素 可能限制電極17靠近壓縮機葉輪7，則這個就特別具有優(yōu)勢。
根據(jù)上述的各個實施例，壓縮機葉輪(即，渦輪增壓器)的旋轉(zhuǎn)速度 可以通過將調(diào)制頻率除以壓縮機葉輪7上的葉片數(shù)目來簡單地確定。這個 計算可以在頻率計數(shù)器34內(nèi)或者例如由ECU或其他控制器(諸如例如渦 輪增壓器廢氣門(wastegate)的致動器或可變尺寸的入口機構(gòu))來執(zhí)行。頻 率計數(shù)器34的輸出可以為，例如以CAN (控制器局域網(wǎng)，controller area network)格式，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣。給ECU提供關(guān)于渦 輪增壓器速度的信息可以，例如允許ECU優(yōu)化連接有渦輪增壓器的內(nèi)燃 機的關(guān)鍵運行參數(shù)，同時還允許采取補救措施來防止渦輪增壓器超速時對 渦輪增壓器和/或內(nèi)燃機的任何可能的損壞。
由于已知的電容傳感器依賴于電極和壓縮機葉輪之間的耦合調(diào)制來 產(chǎn)生電容量的變化，因此假如壓縮機葉輪由非導(dǎo)電材料制成時則它們不能 正常工作。這是因為，沒有導(dǎo)電壓縮機葉輪，則與渦輪機的旋轉(zhuǎn)相關(guān)的傳感電路不存在電容量調(diào)制。與之相反，如上所述，己經(jīng)顯示本發(fā)明所提出 的傳感器能夠在壓縮機葉輪為不導(dǎo)電，例如由塑料材料制成時運行。這是 因為塑料壓縮機葉輪仍然能夠在電場中產(chǎn)生可檢測到的擾動。
本發(fā)明所克服的另一個問題是不穩(wěn)定的接地電勢。電源42 —側(cè)連接 到公共地，諸如例如渦輪增壓器殼體、附連有渦輪增壓器的內(nèi)燃機汽缸體
(engine block)、以及車輛的渦輪增壓器作為其中的零件的車身/底盤。同樣， 渦輪增壓器殼體的接地電勢必須被導(dǎo)向壓縮機葉輪7。然而，壓縮機葉輪 7通常經(jīng)由軸8支撐在油供(oil fed)滑動軸承9上。因此，在壓縮機葉輪7 和接地電勢之間存在至少一個油膜。當軸8旋轉(zhuǎn)時，該至少一個油膜的厚 度可能改變，其與煤煙含量(soot content)所引起的油阻的變化一起可能使 渦輪增壓器殼體的接地電勢與壓縮機葉輪7的接地電勢之間的差值變得不 穩(wěn)定。不穩(wěn)定的接地電勢可能會在電極17上產(chǎn)生錯誤信號。當施加反饋 以便在放大器33上維持恒定電壓，從而使放大器地與壓縮機葉輪7之間 的電勢變化為零時，保護放大器33就基本上消除了不穩(wěn)定接地電勢的不 利影響。
可以理解的是，可以對本發(fā)明的上述實施例的細節(jié)進行修改。例如， 如果由壓縮機殼體6來提供屏蔽，則可以省略第一實施例的防護管18。然 而，在本發(fā)明的其他實施例中，殼體6可以不需要由合適的導(dǎo)電材料制成， 在那種情況下防護管18是有用的。類似地，雖然上述的第二實施例沒有 專門的電場屏蔽，因為這種屏蔽由壓縮機殼體提供，如果需要可以增加這 種屏蔽(類似于防護管18)。
在上述的本發(fā)明的第二實施例中，電極17的軸向部分17a的長度可 以在100mm的數(shù)量級上。在上述實施例的任意一個中，電極17的表面面 積通常可以在lmn^和50mi^之間。在其他實施例中，電極尺寸可以變化。 例如，電極17可以是帶狀，或可以具有包括增大的鏟形部分的軸向部分 17a(例如它可以以'T'形終止)。另外，該增大部分可以是二維的，以便 形成其形狀大體上為矩形或梯形、或者與由壓縮機葉輪葉片(或旋轉(zhuǎn)對稱 部件)所掃過的表面部分相匹配的基部(例如，具有圖釘或大頭釘形狀)， 例如，為在其兩個軸上彎曲的細長形梯形。
雖然電極17可以是任何合適的尺寸或形狀，優(yōu)選地，電極17相對于壓縮機葉輪旋轉(zhuǎn)軸的角度范圍小于壓縮機葉輪上相鄰葉片之間的角度間 隔的一半。這就使壓縮機葉輪的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的電場擾動的平均時間最小， 從而減少了信號的平滑。
例如，可以理解的是電極17的實體結(jié)構(gòu)可以變化。在許多應(yīng)用中簡 單的導(dǎo)線就已經(jīng)足夠了，在其他應(yīng)用中，不同的結(jié)構(gòu)可能對于建立所需電 場是有利的。在電極17可能暴露在污染物下的應(yīng)用中，電極表面優(yōu)選為 不暴露的，正如上述實施例中的那樣，除非電極是由在特定的環(huán)境中化學(xué) 反應(yīng)不活躍的材料制成。然而，通過高介電常數(shù)的材料將電極與流體(例 如，氣體)的流動分隔是很有用的。類似地，傳感器殼體23的結(jié)構(gòu)和構(gòu) 造可以根據(jù)應(yīng)用以及傳感器被支撐和連接的方式而變化。
雖然在本發(fā)明的上述第二實施例中電極是嵌在噪聲擋板35中，但是 可以理解的是，傳感器可以嵌在成型為由入口 14接納的任何合適的插入件中。
傳感器的定位也可以與所圖示的不同。有利的是，將電極設(shè)置得與壓 縮機葉輪(或其他受控的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件)非常靠近，在該壓縮機葉輪上電場擾 動最大。同樣優(yōu)選的是，將電極設(shè)置成使其對通過壓縮機的有效氣體流不 會產(chǎn)生顯著的不利影響。然而，電極可以設(shè)置在存在足夠的電場擾動以便 可以獲得精確檢測的任意位置上。這或者可以是在壓縮機葉輪的相對于氣
體流的上游或者下游，并且電極例如可以是設(shè)置在或者入口 14上或者出 口 15上。這例如可以在本發(fā)明的任意具體應(yīng)用中通過簡單測試來確定。 此外，傳感器電路29可以設(shè)置成遠離電極17。
在上述的實施例中，傳感器電路29位于PCB22上。并不需要都設(shè)置 成這樣。傳感器電路包括固定電壓源31、電流檢測電路32、放大器33和 頻率計數(shù)器34。頻率計數(shù)器可以包括分頻器。這些電路部件中的任意部件 都可以設(shè)置成遠離PCB 22和/或傳感器組件16。例如，恒壓源31和頻率 計數(shù)器34可以是ECU或者其他控制器的一部分，而電流檢測電路32和 放大器可以設(shè)置在PCB 22上。當然，通常需要在電極17和檢測電路32 的各個部件之間進行電連接。在另一可知的實施例中，分頻器可以設(shè)置在 PCB 22上，其輸出提供給與ECU或與其他控制器相連的遠程頻率計數(shù)器。
同樣，傳感器部件可以分成兩組或更多組，其中一組可以定位成與電極物理靠近，其中一組可以定位成物理上遠離電極，諸如靠近或在ECU 中。然而優(yōu)選的是，放大器靠近電極，以便使電干涉的可能性最小。如果 放大器定位成遠離電極，則優(yōu)選對這兩者之間的連接進行電屏蔽。
適于測量流到電極的調(diào)制電流的其他傳感器電路的實施例可以由合 適的技術(shù)人員輕易地設(shè)計出。施加在電極和壓縮機葉輪(或其他旋轉(zhuǎn)構(gòu)件) 之間的電壓可以根據(jù)需要確定，以便建立呈現(xiàn)可測量的擾動的電場。在有 些應(yīng)用中，大于30V的電壓是合適的，但是對于許多應(yīng)用來說，電壓優(yōu)選
大于50V，更加優(yōu)選的是大于70V。當容易由方便可用的電子部件適應(yīng)時， 可以使用大于120V的電壓。更高的電壓，例如高于500V或高于lkV， 在有些應(yīng)用中可能是非常有利的。然而，使用這種高電壓可能需要使用更 加耐用的電路部件。電極上的電壓相對于壓縮機葉輪(或其他旋轉(zhuǎn)構(gòu)件) 來說可以是正的或者負的，從而相對于壓縮機葉輪或者其他旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(其 可以是導(dǎo)電的或不導(dǎo)電的)來說電極可以是陽極或陰極。
根據(jù)一個實施例，傳感器電路可以僅包括一個高增益放大器，但是對 于有些應(yīng)用來說，這可能需要昂貴的高質(zhì)量放大器。根據(jù)另一個實施例， 有兩個放大器， 一個為保護(或者屏蔽)放大器。后一種情況提供了使用 廉價并且低質(zhì)量部件的機會。雖然保護放大器可以在任何合適的增益下工 作，但是優(yōu)選的是，它在大體為1的增益下工作，從而將屏蔽電纜的外部 屏蔽層和外部電場屏蔽保持在相同的電勢下。
在本發(fā)明的上述實施例中，電極安裝在壓縮機殼體上，以便測量壓縮 機葉輪的旋轉(zhuǎn)速度。在其他實施例中，電極可以設(shè)置成直接測量渦輪機葉 輪的旋轉(zhuǎn)或渦輪增壓器軸的某些其他特征。同樣，傳感器可以安裝在渦輪 機或軸承殼體上。
可以理解的是，本發(fā)明并未限制在渦輪增壓器的應(yīng)用中，而是也可以 用于測量其他旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)速度。這種旋轉(zhuǎn)電機的例子包括，但是并不 限于，氣體或液體渦輪機(包括，例如動力渦輪機或氣體渦輪機或其他形 式的內(nèi)燃機)，或者并不是渦輪增壓器一部分的氣體/液體壓縮機，或者例 如液體泵。在這種可替換的應(yīng)用中，設(shè)備殼體和/或受控的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可以是 不導(dǎo)電的，諸如例如在塑料殼體中旋轉(zhuǎn)的塑料葉輪。
同樣可以理解的是，傳感器殼體、設(shè)備殼體或旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的材料可以選
26擇為能夠提高電場的擾動。這取決于材料的性能，諸如其在摩擦電序列中 的位置。
此外，可以理解的是，如果本發(fā)明應(yīng)用于并不包括旋轉(zhuǎn)凸起構(gòu)件
(rotationally salient member)的旋轉(zhuǎn)電機，則旋轉(zhuǎn)凸起構(gòu)件必須機械連接于 此。例如，可以通過將具有旋轉(zhuǎn)凸起特征的構(gòu)件與軸(或其他旋轉(zhuǎn)體)機 械連接從而使它們共同旋轉(zhuǎn)，以便測量軸或者不具有旋轉(zhuǎn)凸起特征的其他 旋轉(zhuǎn)體的速度。相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明的傳感器可以檢測該共同旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的 旋轉(zhuǎn)，從而確定該軸(或其他旋轉(zhuǎn)體)的旋轉(zhuǎn)速度。
如上所述，本發(fā)明測量電極和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(例如壓縮機葉輪)之間所建 立的電場中的擾動。但并不希望能限定于理論，人們相信該擾動可以從下 面要討論的若干效應(yīng)中產(chǎn)生。
圖10a示意性圖示了嵌在靠近旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的基體73中的電極的例子， 在本圖示中，該旋轉(zhuǎn)構(gòu)件為導(dǎo)電壓縮機葉輪74。基體73可以由不導(dǎo)電材 料(其例如可以是諸如前面所述的擋板插入件35或傳感器殼體23的陶瓷 或塑料部件)制成，在這種情況下其可以使電極72與支撐殼體或其他支 撐結(jié)構(gòu)電(及熱)絕緣?；蛘?，基體73可以由導(dǎo)電材料制成，并且如果 需要可以與周圍的殼體或支撐結(jié)構(gòu)電絕緣(除非支撐體本身是不導(dǎo)電的)。 在后一種情況下，基體優(yōu)選包括在所暴露的環(huán)境中不起反應(yīng)的導(dǎo)電材料 (例如，鉑)。也可以完全省略基體，這樣，龜極優(yōu)選為不起反應(yīng)的。
施加前面所述的電壓，在電極72和電勢恒定部分之間建立電場，在 這里電勢恒定部分為葉輪74。基體73和在葉輪74與基體73之間流動的 氣體75 (即空氣)都用作具有不同介電性能的介電材料。電場在電極72 和葉輪74之間延伸總距離A。在總距離A中，該距離的B部分在葉輪74 和基體73之間貫穿氣體75 (本例中為空氣)。電場在基體73中延伸距離 A中的C部分。
圖10b示意圖示了嵌在靠近旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的基體73.中的電極的另一個例 子，在本圖示中，該旋轉(zhuǎn)構(gòu)件為可旋轉(zhuǎn)地安裝在導(dǎo)電軸8上的不導(dǎo)電壓縮 機葉輪74a。在電極72和軸8之間施加前面所述的電壓，則在電極72和 電勢恒定部分之間建立了電場，在這里電勢恒定部分為軸8?；w73和氣 體75 (即在葉輪74與基體73之間流動的空氣)以及不導(dǎo)電的壓縮機葉輪74a都用作具有不同介電性能的介電材料。電場在電極72和軸8之間延伸 總距離A。在總距離A中，該距離的B部分在葉輪74和基體73之間貫 穿氣體75 (本例中為空氣)。電場在基體73中延伸距離A中的C部分。 電極在壓縮機葉輪中延伸D部分。
圖10c示意圖示了嵌在靠近旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的基體73中的電極的再一個例 子，在本圖示中，該旋轉(zhuǎn)構(gòu)件為不導(dǎo)電的壓縮機葉輪74b。如上所述，將 電壓施加在電極72上，在電極72和壓縮機的電勢恒定部分78之間建立 了電場，電勢恒定部分例如可以是壓縮機殼體(如果需要可以是電絕緣的) 的一部分，或者是由該殼體支撐的專用電極?；w73和氣體75 (即在葉 輪74、基體73以及電勢恒定部分78之間流動的空氣)以及不導(dǎo)電的壓縮 機葉輪74b都用作具有不同介電性能的介電材料。電場在電極72和電勢 恒定部分78之間延伸總距離A。在總距離A中，其中的B部分和E部 分在葉輪74、基體73以及電勢恒定部分78之間貫穿氣體75 (本例中為 空氣)。電場在基體73中延伸距離A中的C部分。電極在壓縮機葉輪中 延伸D部分。
在電場區(qū)域中可能存在離子(術(shù)語"離子"用于表示受電場影響的任 何帶電體，為了避免產(chǎn)生疑問，其包括帶電分子)。根據(jù)電極是否保持在 比葉輪更高或更低的電勢，其中一個將構(gòu)成陽極而另一個構(gòu)成陰極。帶負 電荷的離子將被吸引到陽極上，帶正電荷的離子將被吸引到陰極上。承受 這種力的自由或運動離子將朝電極72或壓縮機葉輪74中的其中一個運 動。運動離子可以與電極17或壓縮機葉輪74接觸，直接將電荷轉(zhuǎn)移到其 上，和/或它們的再分配可能會在介電材料中產(chǎn)生電場擾動。人們認為，特 別是在產(chǎn)生大批離子再分配使得特定極性的離子定位在電場的特定區(qū)域 中的地方將會發(fā)生電場的擾動。
根據(jù)它們的組成，運動離子可以同時存在于氣體75和基體73中。當 壓縮機葉輪74旋轉(zhuǎn)時，其與氣體75之間的摩擦力可以使葉輪74表面失 去或得到電荷，從而產(chǎn)生離子。氣體75和基體73之間(或氣體流中的任 意其他表面)的摩擦力可以使基體73的暴露表面(或其他表面)失去或 得到電荷，從而再次產(chǎn)生離子。在這兩種情況中，很有可能不但在暴露表 面中產(chǎn)生離子，而且也在氣體75中產(chǎn)生互補離子。此外，氣體75中的湍流本身還可能導(dǎo)致離子的產(chǎn)生。產(chǎn)生離子的一個可能機制為電子位移。
如果離子產(chǎn)生在諸如金屬的導(dǎo)電材料中，則在密閉場(containment field)的影響下離子電荷可以在導(dǎo)電材料中自由運動(也被稱為電流流動)。 如果離子產(chǎn)生在絕緣材料中，則離子電荷不能自由運動，結(jié)果，電荷聚集 在材料的產(chǎn)生離子的表面上。當離子在氣體75中產(chǎn)生時，離子構(gòu)成了局 部電荷。在氣體75中，是離子本身自由運動，相反，在導(dǎo)電材料中是離 子電荷自由運動。
圖示的壓縮機葉輪74包括中心主體76，該主體周圍等角度間隔設(shè)置 了多個徑向向外延伸的葉片77。當壓縮機葉輪旋轉(zhuǎn)時，氣體75在葉片77 邊緣周圍的湍流更加明顯。這樣，當葉片77的邊緣靠近電極72時，加速 了離子的產(chǎn)生。這不但是由于氣體75的湍流(以及導(dǎo)致離子產(chǎn)生的任何 摩擦力)可能在靠近電極72的區(qū)域中更大，也是由于帶電粒子上的由于 電場(諸如在可能從實體上脫落以便產(chǎn)生離子的電子上的電場)所產(chǎn)生的 任何電作用力在帶電粒子越靠近電極72時越大。假如，例如壓縮機葉輪 74是導(dǎo)體，例如金屬，則即使葉輪靜止時電荷還將自然聚集在各個葉片 77的尖銳邊緣周圍。
附連到電極72上的傳感器電路不但包括電壓源，其作用是給電極72 提供電荷，或從電極72接收電荷，從而電流在電壓源和被檢測的電極之 間流動。電荷在電場中運動，其可以是在電極72及壓縮機葉輪74上運動， 或者使電荷批量再分配并局部化，從而導(dǎo)致了介電材料中電場的擾動。
由于連接到電極72上的傳感器電路能夠提供電流，因此電場的擾動 使電路試圖維持系統(tǒng)的總體電荷電勢(chargepotential),從而抵消了介質(zhì)場 的變化。為此，在電極72上流過補償電流，以便維持電極上的電壓V。
當壓縮機葉輪74旋轉(zhuǎn)時，葉片77反復(fù)通過電極72。如上所述，由于 當葉片77的邊緣靠近電極72時加速了離子的產(chǎn)生，因此，壓縮機葉輪74 的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了調(diào)制的電場擾動(其可以稱為電荷調(diào)制)。這樣，流過電極 72的電流也在對應(yīng)于葉輪旋轉(zhuǎn)速度的頻率下由壓縮機葉輪74的旋轉(zhuǎn)進行 調(diào)制。調(diào)制電流可以被放大并且送往頻率計數(shù)器，從而確定調(diào)制頻率，并 進而確定葉輪74的旋轉(zhuǎn)速度。
人們認為電場的擾動還可以認為是，至少部分地，源自電場中的材料的至少其中一個介電性能的改變，本例中該材料為氣體75和基體73。這 種介電性能的一個例子是其介電常數(shù)。介電常數(shù)可以通過，例如改變材料 的溫度或壓力來改變。這與已知電容型傳感器的差別在于，電容型傳感器 被理解為在檢測到電極和葉片之間的間距變化所引起的傳感器中的電容 量變化時起作用，而本發(fā)明的傳感器則利用電介質(zhì)內(nèi)或電介質(zhì)表面上的電 荷分配的變化以及對應(yīng)的電場擾動。
正如前面所討論的，人們認為電場不但能通過允許電子克服它們的母
原子(parent atom)或分子的局部電勢而促進離子的產(chǎn)生，此外它還產(chǎn)生了 在其內(nèi)部自由離子和自由電荷都可以運動(例如，帶負電荷的離子或電子 朝向陽極等)的電勢。在這點上，該電場可以被當作是密閉場。此外，該 電場有助于克服輸入飽和的問題，其產(chǎn)生在類似于本發(fā)明所提出類型的己 知傳感器電子器件中。
在沒有電場時，存在于渦輪機葉輪74、氣體75和基體73中的任意離 子由于例如，熱運動都能夠以隨機方式自由漂移。當離子漂移時，其可能 與諸如不帶電的原子和分子的其他物體碰撞。因此，在沒有電場時，所產(chǎn) 生的帶電離子基本上都將自由漂移，從而導(dǎo)致了電場的漂移，進而在電極 上產(chǎn)生不穩(wěn)定的電勢。電極上的電勢漂移可能使其值超過渦輪機葉輪74 的運動所產(chǎn)生的任意信號的幅度。這樣，所述信號將被漂移電勢掩蓋和/ 或扭曲。在極端的情況下，例如，如果將帶電粒子注入電場，則漂移電壓 也可能會超過傳感器電子器件的允許輸入電壓值。這就是所知的輸入飽 和。當聚集在電極72上的電荷產(chǎn)生了幅度超出形成所述測量裝置的一部 分的放大器的輸入范圍的電勢時，則會發(fā)生輸入飽和?？梢酝ㄟ^建立電場 防止這種情況，由于放大器不會被輸入飽和電勢控制，從而可檢測到由電 場中的電荷調(diào)制所產(chǎn)生的電極電勢調(diào)制。該電場避免了在電極上由于漂移 而產(chǎn)生高電勢，否則該高電勢足以損壞傳感電路中的部件。
使用由通?？赡茉?0V到lkV范圍內(nèi)的電壓源所提供的電場，意味 著任意離子的運動主要由電場而不是由熱運動控制。這樣，就能夠極大地 減少在介質(zhì)場中漂移的離子數(shù)量。因此，減少了所有的電極電勢噪聲，從 而提高了信噪比。此外，電場在使離子漂移最小時，基本上防止了輸入飽 和，從而不再需要偏置電極72，而這種偏置將會削弱信號。電壓源的使用也被認為能夠提高電荷調(diào)制的幅值。這可能是由于電壓 源提高了移動電子在電場中的運動。可以引導(dǎo)這種作用，使其補償或者響 應(yīng)于旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的機械作用所導(dǎo)致的電荷分配的變化。這樣，就
可以在密閉電勢(containment potential)之間的中間點上實現(xiàn)虛電荷平衡電 勢(virtual charge balance potential)。
可以將電極72的軸向輪廓成型為與葉片77靠近電極72時的軸向輪 廓相對應(yīng)。人們認為大部分電荷的產(chǎn)生發(fā)生在葉片77的邊緣處。如果葉 片77的邊緣與電極72具有相同的形狀，則可以提高這兩者之間的耦合程 度，從而最大化葉片77和電極72之間的電荷轉(zhuǎn)移。
人們認為電場的擾動可以包括電場中的變化，例如如圖lla和llb所 示意圖示的。圖11a顯示了電極79周圍的等電勢場線，其中電極17由緊 鄰不導(dǎo)電的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件80的恒壓源保持在升高的電壓下。圖lib 顯示了旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的介質(zhì)凸起特征81進入在電極79和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件80之間延 伸的電場的一部分，從而對等電勢線進行壓縮并且增大了電極附近的電場 梯度。梯度增大與電荷靠近電極從而使電流流入其中的情形等效。
介質(zhì)部件81允許電荷沿電極79的方向聚集。介質(zhì)中的分子極性響應(yīng) 于電場梯度，并且用于與之相抵消。在介電常數(shù)高于l的介質(zhì)(例如其范 圍在1.5到4的典型塑料)中，等電勢線在材料中被分隔開，從而需要緊 接材料外部使其靠攏。
傳感器電壓相對于相關(guān)地線的升高使得能夠檢測到所描述的效應(yīng)，并 且這個測量系統(tǒng)提供了改善的信噪比。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大大高于典型電子電路 中所使用的典型電壓(即，5V或12V)的電壓在電荷運動中產(chǎn)生作用， 該作用與每次旋轉(zhuǎn)(revolution)相一致，然而更低的電壓允許傳感器電勢響 應(yīng)于最近的流體流動中的污染物(contaminant)或者在任何相關(guān)的最近的 地線的電勢中由于不好的電連接(例如，由于軸或葉輪通過油膜軸承連接 到地)所產(chǎn)生的任何變化而波動。
權(quán)利要求
1.一種用于測量旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器，所述速度傳感器包括電極和傳感器電路；所述傳感器電路包括恒壓源，用于向電極提供電壓以便在電介媒質(zhì)中產(chǎn)生電場；電流檢測器，用于檢測恒壓源和電極之間的電流，所述電流是由所述電場的擾動產(chǎn)生的，所述擾動是在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)時通過使旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一個凸起特征穿過所述電場而引起的，所述電流檢測器輸出在與所述電場的擾動頻率對應(yīng)的頻率下調(diào)制的第一信號；和放大器電路，包括用于放大第一信號并且輸出在與所述電場的擾動頻率對應(yīng)的頻率下調(diào)制的第二信號的信號放大器；其中，將電極電壓、放大器增益和電極相對于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為使得第二信號的調(diào)制主要由電介媒質(zhì)中的電場擾動產(chǎn)生，所述擾動是由所述電場內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運動產(chǎn)生的。
2. 如權(quán)利要求1所述的速度傳感器，其中，所述傳感器電路包括用于接收第二信號并且輸出第三信號的分頻器。
3. 如前面任意一項權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，所述傳感器電路包括用于接收第二信號或第三信號并且提供表示所述擾動的頻率的第三信號的頻率計數(shù)器。
4. 如前面任意一項權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，所述傳感器電路包括輸出端子或電纜，用于連接到用于根據(jù)所述第二、第三或第四輸出信號來確定所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的控制器或其他裝置。
5. 如前面任意一項權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，所述傳感器電路包括用于根據(jù)所述第一、第二、第三或第四輸出信號來確定所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的裝置。
6. 如前面任意一項權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，所述電壓源提供+A30V到+/-500￥范圍內(nèi)的電壓。
7. 如前面任意一項權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，速度傳感器的至少一部分由至少一個導(dǎo)電屏蔽罩進行電屏蔽。
8. 如權(quán)利要求7所述的速度傳感器，其中，所述屏蔽罩保持在受控 的電勢下。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的速度傳感器，其中，所述放大器電路包括屏蔽放大器，該屏蔽放大器的輸出驅(qū)動所述或每個導(dǎo)電屏蔽罩。
10. 如權(quán)利要求9所述的速度傳感器，包括至少兩個用于屏蔽電路的 各個部分的導(dǎo)電屏蔽罩。
11. 如權(quán)利要求IO所述的速度傳感器，其中，所述屏蔽放大器將每 個導(dǎo)電屏蔽罩保持在相同的電勢下。
12. 如權(quán)利要求9到11中的任意一項所述的速度傳感器，其中，所 述或每個屏蔽放大器具有大體一致的增益。
13. 如權(quán)利要求9到12中的任意一項所述的速度傳感器，其中，所 述或每個屏蔽放大器耦合到信號放大器上。
14. 如前面任意一項權(quán)利要求所述的速度傳感器，包括跨接在放大器 上并包括第一電容器的反饋環(huán)。
15. 如權(quán)利要求13所述的速度傳感器，其中，屏蔽放大器與信號放 大器串聯(lián)連接，并且包括與信號放大器及所述屏蔽放大器跨接的反饋環(huán)， 所述反饋環(huán)包括第一電容器。
16. 如權(quán)利要求14或15所述的速度傳感器，其中，所述第一電容器 是電容分壓器的適于減小電容器的有效容量的一部分。
17. 如權(quán)利要求16所述的速度傳感器，其中，所述電容分壓器包括 所述第一電容器和分壓器。
18. 如前面任意一項權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，所述第一輸 出信號為調(diào)制電壓。
19. 如權(quán)利要求18所述的速度傳感器，其中，所述電流檢測器包括 串聯(lián)跨接在電壓源上的電容器和電阻器，其中所述電極連接到電壓源和電 容器的第一端之間的節(jié)點上，并且從電容器的第二端和電阻器之間的節(jié)點 上提取所述第一輸出信號。
20. 如前面任意一項權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，所述電極具 有電場從其上延伸的表面，該表面的在使用中最靠近旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一部 分由保護材料體覆蓋。
21. 如權(quán)利要求20所述的速度傳感器，其中，所述保護材料是不導(dǎo) 電的。
22. 如權(quán)利要求1到19任意一項所述的速度傳感器，其中，電極包 括電極基體和電場從其上延伸的電極表面，該表面的在使用中最靠近旋轉(zhuǎn) 構(gòu)件的至少一部分由不同于電極基體的導(dǎo)電材料所限定。
23. —種旋轉(zhuǎn)電機，包括被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，和用于感測旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器，所述速度傳感器包括相對于所述軸線固定在合適位置上的電極；連接到電極上的用于在電極和旋轉(zhuǎn)電機的電勢基本恒定的部分 之間建立電場的恒壓源，其中，將電極定位成使得當旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)構(gòu) 件的至少一個凸起特征穿過所述電場，從而在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)時擾動所述電場；電流檢測器，其用于檢測電壓源和電極之間響應(yīng)于所述電場的所 述擾動的電流；禾口放大器電路，其包括用于放大第一信號并且輸出在與電場的擾動 頻率對應(yīng)的頻率下調(diào)制的第二信號的信號放大器；其中，將電極電壓、放大器增益和電極相對于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為 使得第二信號的調(diào)制主要由電介媒質(zhì)中的電場擾動引起，所述擾動是由所 述場內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運動產(chǎn)生的。
24. 如權(quán)利要求23所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，旋轉(zhuǎn)電機的電勢基本恒 定的部分為所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。
25. 如權(quán)利要求23所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件是不導(dǎo)電的， 并且旋轉(zhuǎn)電機的所述電勢基本恒定的部分是導(dǎo)電體，其由旋轉(zhuǎn)電機支撐為 與電極成固定的空間關(guān)系，從而旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的所述至少一個凸起特征在旋轉(zhuǎn) 構(gòu)件繞所述軸線的每次旋轉(zhuǎn)時在電極和所述電勢恒定的部分之間穿過。
26. 如權(quán)利要求25所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，旋轉(zhuǎn)電機的所述電勢恒 定的部分是旋轉(zhuǎn)電機的殼體的導(dǎo)電部分。
27. 如權(quán)利要求25所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件安裝在軸上，所述軸的至少一部分是導(dǎo)電的，并且包括旋轉(zhuǎn)電機的所述電勢恒定的部 分。
28. 如權(quán)利要求23到27中的任意一項所述的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，其中，旋轉(zhuǎn) 構(gòu)件包括多個凸起特征。
29. 如權(quán)利要求28所述的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，其中，所述電極的有電場通過 的表面在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)方向上的大小小于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)鄰接的凸起特 征的間隔。
30. 如權(quán)利要求23到29中的任意一項所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，所述 或每個凸起特征包括實體突起和/或旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的材料性質(zhì)中的局部變化。
31. 如權(quán)利要求30所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，所述實體突起包括邊緣。
32. 如權(quán)利要求30或31所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，所述或每個凸起特 征是相對于所述軸線大體徑向延伸的突起。
33. 如權(quán)利要求30到32中的任意一項所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，所述或每個凸起特征是相對于所述軸線大體平行延伸的突起。
34. 如權(quán)利要求30到33中的任意一項所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，所述或每個凸起特征是葉片或翼片。
35. 如權(quán)利要求23到34中的任意一項所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件在由殼體限定的腔體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，流體存在于所述腔體中，并且其中電場 穿過電極和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間的所述流體。
36. 如權(quán)利要求35所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，殼體具有流體入口和流 體出口 ，所述腔體位于所述入口和所述出口之間的流體流動通道中。
37. 如權(quán)利要求36所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，旋轉(zhuǎn)電機為渦輪機或壓 縮機，所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件為渦輪機葉輪或壓縮機葉輪。
38. 如權(quán)利要求36所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，旋轉(zhuǎn)電機為渦輪增壓器，所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件為壓縮機葉輪或渦輪機葉輪。
39. 如權(quán)利要求36到38中的任意一項所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，電極 由插在入口或出口中的部件支撐，并且與所述部件電絕緣。
40. 如權(quán)利要求39所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，所述插入的構(gòu)件為環(huán)形 構(gòu)件。
41. 如權(quán)利要求40所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，所述環(huán)形構(gòu)件為壓縮機的噪聲擋板。
42. 如權(quán)利要求23到38中的任意一項所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，電極由旋轉(zhuǎn)電機的殼體支撐，并且與所述殼體電絕緣。
43. 如權(quán)利要求36到42中的任意一項所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，電極 并不暴露在所述流體中。
44. 如權(quán)利要求43所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，電極由與所述流體至少 基本上不發(fā)生反應(yīng)的材料層或材料體與所述流體分隔。
45. 如權(quán)利要求43或44所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，電極由電絕緣材料層或材料體與所述流體分隔。
46. 如權(quán)利要求23到45中的任意一項所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，電機 的電勢恒定部分處于地電勢或虛地電勢。
47. 如權(quán)利要求23到46中的任意一項所述的旋轉(zhuǎn)電機，其中，速度 傳感器為如權(quán)利要求1到22中的任意一項所述的速度傳感器。
48. —種使用如權(quán)利要求1到22中的任意一項所述的速度傳感器來 測量旋轉(zhuǎn)電機的速度的方法，所述旋轉(zhuǎn)電機包括被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋 轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。
49. 一種測量旋轉(zhuǎn)電機的速度的方法，所述旋轉(zhuǎn)電機包括被支撐為繞 軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，所述方法包括相對于所述軸線將電極支撐在合適的位置上；給電極提供恒定電壓，以便在電極和旋轉(zhuǎn)電機的電勢基本恒定的部分 之間建立電場；其中，將電極定位成使得當旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的 至少一個凸起特征穿過所述電場，從而在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)時擾動所述 電場；檢測電壓源和電極之間的響應(yīng)于所述電場擾動的電流，以便得到在所 述擾動的頻率下調(diào)制的第一信號；放大第一信號并且輸出在與電場的擾動頻率對應(yīng)的頻率下調(diào)制的第 二信號；其中，將電極電壓、放大器增益和電極相對于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為 使得第二信號的調(diào)制主要由電介媒質(zhì)中的電場擾動引起，所述擾動是由所述電場內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運動產(chǎn)生的；以及 根據(jù)所述信號的調(diào)制確定旋轉(zhuǎn)速度。
全文摘要
一種用于測量旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器。所述速度傳感器包括電極和傳感器電路。所述傳感器電路包括給電極提供電壓以便在電介質(zhì)中產(chǎn)生電場的恒壓源。電流檢測器在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)時通過使旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一個凸起特征穿過電場來檢測恒壓源和電極之間的由于電場擾動所產(chǎn)生的電流。所述電流檢測器輸出在與電場的擾動頻率對應(yīng)的頻率下調(diào)制的第一信號。對第一信號進行放大，以便產(chǎn)生在與電場的擾動頻率對應(yīng)的頻率下調(diào)制的放大信號。將電極電壓、放大器增益和電極相對于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為使得第二信號的調(diào)制主要由電介質(zhì)中的電場擾動產(chǎn)生，所述擾動是由所述電場內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運動所產(chǎn)生的。
文檔編號G01D5/24GK101680737SQ200880015825
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月15日
發(fā)明者卡爾文·考克斯, 托馬斯·W·巴赫 申請人:康明斯渦輪增壓技術(shù)有限公司