CN106461422A - 感应式位移传感器 - Google Patents

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Abstract

感应式位移传感器和使用这些感应式位移传感器的方法可以用于各种环境。例如，用于精确地测量线性运动或角运动的***可以使用感应式位移传感器来测量位置的改变。如传感器等装置可以包括初级电感器。该装置还可以包括第一次级电感器，该第一次级电感器场耦合至该初级电感器。该装置可以进一步包括第二次级电感器，该第二次级电感器场耦合至该初级电感器。该第一次级电感器和该第二次级电感器可以被配置为用于检测耦合器的运动的协调的电感器。该协调的电感器可以被配置成用于提供参考信号和测量信号，其中，该参考信号跨该耦合器的运动范围具有恒定振幅。

Description

感应式位移传感器
相关申请的交叉引用
本申请涉及并要求于2014年4月28日提交的美国临时专利申请号61/985,372的权益和优先权，该专利申请的全部内容通过引用结合在此。
背景
技术领域
感应式位移传感器和使用这些传感器的方法可以用于各种环境。例如，用于精确地测量线性运动或角运动的***可以使用感应式位移传感器来测量位置的改变。
背景技术
在某些常规感应式传感器中，提供了初级线圈和两个次级线圈。在这些传感器中，这两个次级线圈被设计为使得接收信号的大小相对于彼此随机械运动相反地变化。此类传感器的早期版本被称为线性可变差动变压器(LVDT)。
LVDT是将相对于机械参考(或零)的线性位移或角运动转换成包含相位信息(针对方向)和振幅信息(针对距离)的成比例的电信号的感应式换能器。图1展示了典型的LVDT配置。
如图1所示，LVDT由在非铁磁性孔衬里或轴管的整个长度上或者在圆柱形非导电材料(如采用线圈形式或线筒的塑料或陶瓷材料)的整个长度上绕线的初级线圈组成。两个次级线圈(次级a，次级b)围绕初级线圈而缠绕。这两个次级线圈通常以相反顺序连接或者采用差动连接。这些次级线圈相对于彼此是对称的，从而使得他们有效地形成正弦-余弦关系。
较新的感应式传感器代替在具有印刷在PCB上的线圈的LVDT中找到的变压器。这种替代引起类似的磁耦合效应，其中，显著减小了传感器的大小和成本。与LVDT一样，使用正弦波载波来驱动初级线圈。耦合器(典型地配置有形成短路线圈的PCB迹线的另一个PCB)用于将由初级线圈所创建的场耦合到次级线圈，从而使得所接收的信号的振幅随耦合器的机械运动而变化。
在次级线圈上所接收的信号向引起自动增益控制(AGC)的***提供反馈。此反馈依赖于这两个接收信号之间的正弦/余弦关系，该关系支持以下等式：A2+B2＝K，其中K为常量。所计算出的K与K的理想值之差被用作***的反馈信号。可以利用该反馈来改变驱动至初级线圈的正弦波的大小和/或改变在***的信号调节路径中的放大器的增益。由于该反馈均等地应用于两个信号，所以这两个信号的比率关系保持完整，并且每个输出继续成比例地反映输入。
在次级线圈上接收的信号还被利用来测量机械运动。在常规的双线圈感应式传感器的情况下，次级线圈具有需要信号处理以便产生正切或余切结果的正弦/余弦关系。然后，必须通过查找表或其他方式进一步处理此正切/余切结果，以创建指示耦合器的运动的线性输出或其他输出。这样的信号处理需要包括处理器、存储器和信号处理算法的***。
发明内容
根据本发明的某些实施例，一种装置可以包括初级电感器、场耦合至所述初级电感器的第一次级电感器、以及由耦合器场耦合至所述初级电感器的第二次级电感器，所述耦合器的运动将被检测。所述第一次级电感器和所述第二次级电感器可以被配置为用于检测耦合器的运动的协调的电感器。该协调的电感器可以被配置成用于提供参考信号和测量信号，其中，该参考信号跨该耦合器的运动范围具有恒定振幅。
在本发明的某些实施例中，一种方法可以包括为初级电感器供能。所述方法还可以包括：提供来自多个次级电感器中的至少一个次级电感器的参考信号，其中，所述多个次级电感器由耦合器场耦合至所述初级电感器，并且其中，来自所述多个次级电感器的一对次级电感器被配置为协调的电感器。所述方法可以进一步包括：提供来自所述多个次级电感器中的至少一个另一个次级电感器的测量信号，其中，所述测量信号被配置成用于反映所述耦合器的运动。所述参考信号可以跨所述耦合器的运动范围具有恒定振幅。此外，所述方法可以另外包括：基于所述测量信号的变化来确定所述耦合器的运动。
根据本发明的某些实施例，一种***可以包括：传感器，所述传感器包括初级电感器、场耦合至所述初级电感器的第一次级电感器、以及由耦合器场耦合至所述初级电感器的第二次级电感器。所述第一次级电感器和所述第二次级电感器可以被配置为用于检测耦合器的运动的协调的电感器。所述协调的电感器可以被配置成用于提供参考信号和测量信号。所述参考信号可以跨所述耦合器的运动范围具有恒定振幅。所述***还可以包括输出，所述输出被配置成用于提供对由所述传感器检测到的所述运动的表示。
附图说明
为正确地理解本发明，应当参照附图，其中：
图1展示了典型的LVDT配置。
图2展示了根据本发明的某些实施例的感应线圈配置。
图3展示了根据本发明的某些实施例的复杂感应线圈配置。
图4展示了根据本发明的某些实施例的感应线圈。
图5展示了根据本发明的某些实施例的复杂感应线圈。
图6展示了根据本发明的某些实施例的来自复杂感应线圈的信号。
图7展示了根据本发明的某些实施例的传感器***。
图8展示了根据本发明的某些实施例的多个相位与特定段的标识的关系。
图9展示了根据本发明的某些实施例的装置。
图10展示了根据本发明的某些实施例的方法。
图11展示了根据本发明的某些实施例的感应线圈配置。
图12展示了根据本发明的某些实施例的与不同电感器位置的固定耦合面积。
图13A和13B展示了根据本发明的某些实施例的由于线圈的前侧和后侧部分的位置反转引起的输出电流的影响。
具体实施方式
本发明的某些实施例适用于可以利用来测量机械运动(如线性运动或角运动/旋转运动)的传感器。具体地，本发明的某些实施例适用于可以利用初级线圈来发射源信号并且可以利用两个或更多个次级线圈来经由耦合器接收发射的源信号的感应式传感器。该传感器可以被实现为印刷电路板(PCB)上的迹线。因此，线圈可以是电感器而不是老式传感器中的传统的卷线，并且因此，此处使用的词语“线圈”与词语“电感器”是可互换的。
更具体地，本发明的某些实施例可以提供传感器设计和传感器***，在这些设计和***中，次级线圈可以被设计为使得可以存在参考信号和测量信号而不是前述传感器中的正弦/余弦关系。不考虑耦合器的位置，固定信号可以由次级线圈中的一个或另一个次级线圈产生。固定信号可以被用作***的参考信号并且可以提供AGC反馈。
图2展示了根据本发明的某些实施例的感应线圈配置。在图2中，如由实线封闭面积指示的，线圈A具有在耦合器的运动范围内的固定面积，并且如由虚线封闭面积指示的，线圈B具有线圈A的面积的50％的面积，线圈B的面积被安排为在耦合器的运动范围内线性地改变。因此，由于耦合器水平地移动跨过这两个线圈，所以来自线圈A的信号可以保持为不变值，而当耦合器向左移动时来自线圈B的信号可以增加，并且当耦合器向右移动时来自线圈B的信号可以降低。由于线圈B面积的改变线性地变化，所以来自线圈B的输出信号可以是线性的。如果这样的线性输出是期望的，那么线圈设计的这方面引起不需要复杂处理的输出以便实现***的线性输出。
在家庭或办公环境中使用的***中，可能存在将传感器暴露于干扰信号的环境条件。这样的干扰可能来自附近的手机、位于传感器附近的导电材料、位于传感器附近的磁性材料等。
如果这两个次级线圈的面积不是完全相同，则干扰信号可以对来自线圈的输出信号具有不平衡的影响。这可能会引起传感器***中的测量错误。在图2的感应线圈配置中，线圈A的整个面积是线圈B的整个面积的两倍，因此，相比于线圈B，干扰信号会对线圈A具有两倍的耦合效应。由于***可能无法检测干扰信号的存在，所以此效应可能会引起***测量错误。
为了减轻这样的效应，可以给线圈B增加附加面积，从而使得线圈B的整个面积等于线圈A的面积。在图2中展示的感应线圈配置中，增加的面积可以位于耦合器运动范围以外(未示出)；否则增加的面积可能会影响测量。在这种情况下，线圈B的增加面积可以增加传感器的物理大小。本发明的某些实施例的一方面可以是：如图2所示的，可以非常简单地绘制线圈，或者如图3所示的，可以采用更加复杂的方式更多的绘制线圈。
图3展示了根据本发明的某些实施例的复杂感应线圈配置。图3展示了可以采用图5中的分解视图看出的线圈***。在此展示中，不考虑耦合器的位置，线圈A可以不被设计为具有可能引起固定信号输出的统一面积。相反，可以在这样的区域中设计线圈A和线圈B：对于给定的区域，可以存在具有固定面积的一个线圈，并且其他线圈可以在该区域上具有变化的面积，例如，线性地变化。
例如，给定线圈可以具有多个部分，在该部分中，线圈具有周期性形状，如锯齿状。耦合器可以具有等于该周期性形状的周期的面积的宽度。换言之，在这样的周期性形状中，迹线的形状可以周期性地重复。同一个线圈可以具有其他部分，在这些部分中，形状不是周期性的。
额外区域面积的宽度可以与耦合器的宽度以及线圈的重复形状的一个周期的长度相同。因此，如图3中可以看出，在区域1中，在额外区域面积中找到的线圈A的形状周期性地再重复两次。因此，如图5中可以清楚地看出，由于耦合器的宽度等于周期性重复的形状的宽度，因此只要耦合器的右边缘保持在区域1中，那么耦合器到线圈A的耦合面积保持不变。类似地，区域3中线圈A的形状是区域2的最后一个部分中的线圈A的形状的三个周期性重复。因此，在区域3中耦合器的耦合面积保持不变。
相比之下，如图3的示例中展示的，在区域2中，线圈A的形状不是周期性的。因此，耦合面积变化。在此示例中，耦合面积线性地变化。在相同的方式下，在区域4中，线圈A的形状不是周期性的。因此，区域4中的耦合面积线性地改变。
类似地，在区域1和区域3中，线圈B的形状是非周期性的，而在区域2和区域4中，线圈B的形状是周期性的，重复紧接在前的部分的形状。
因此，在区域1和区域3中，从耦合器的右边缘进入区域1时到耦合器的右边缘进入区域2时，线圈A的耦合面积可以是恒定的，而线圈B的耦合面积可以线性地变化。因此，在区域1和区域3中，线圈A可以是参考线圈。在区域2和区域4中，线圈B的耦合面积可以是恒定的，而线圈A的耦合面积可以线性地变化。区域1可以包括在一端的部分和在另一端的另一部分。如图6中可以看出，由于区域1的第二部分和区域1使用具有相同参考值的相同线圈参考，所以区域1的第二部分与区域1组合在一起，从而使得他们互补。可替代地，区域1的一部分可以被称作区域5。因此，从区域到区域，固定面积可以在这两个线圈之间交替。
此外，每个线圈可以具有多个段。对于每个段来说，线圈都可以被切换到印刷电路板(PCB)的相反面。这可以将由耦合至线圈的该段的场生成的电压反转，因为耦合方向被有效地改变，例如从顺时针方向到逆时针方向，或反之亦然。例如，在段1A和段3A中，线圈A可以在PCB的顶侧，而在段2A和段4A中，线圈A可以在PCB的后侧。同样地，在段1B和段3B中，线圈B可以在PCB的后侧，而在段2B和段4B中，线圈B可以在PCB的前侧。在PCB的一个或多个端，可以将线圈连接至处理电路。
线圈可以被设计为使得每个线圈的总面积可以等于另一个线圈的总面积，这可以引起这样的线圈设计：在其中，这两个线圈的整个面积可以包含在耦合器的机械运动范围内。在图3示出的示例性实施例中，可能存在两个用于使总面积相等的额外区域面积。此外，在无耦合器时，可以配置线圈中的每个线圈，从而使得跨线圈生成的网电压为零，例如，通过使用初级线圈生成均匀场。在本发明的此实施例中，初级线圈可以给出PCB的线圈部分的轮廓，在本质上界定了线圈A和线圈B。
换言之，线圈设计可以在这两个次级线圈之间交替固定信号。这可以使每个线圈具有相同的总磁场面积，这可以引起传感器可能暴露于的任何干扰场和/或信号的共模抑制。实际测量信号可以由在段上不呈现固定面积的线圈提供。所产生的测量可以是线性的，并且因此可以不需要除了过滤和/或线性化之外的处理。
图4展示了根据本发明的某些实施例的感应线圈，其中，线圈A被图示为实线，并且线圈B被图示为虚线。对于运动范围的左半部分来说，线圈B提供固定信号并且充当参考，而线圈A充当测量信号。对于传感器的右半部分来说，线圈A提供固定信号并且充当参考，而线圈B充当测量信号。由于或者线圈A或者线圈B可以提供固定信号，所以传感器***可以包括对线圈A信号与线圈B信号进行比较以确定哪个信号应当提供AGC反馈的电路。图5示出了更复杂的线圈设计，图5还示出了针对各个传感器段的相关联的计算。
图5展示了根据本发明的某些实施例的复杂感应线圈。为了清楚起见，线圈A连同附图的上部的x轴一起示出，并且线圈B连同与线圈A的x轴相同的在附图的下部的x轴一起示出。当线圈A在PCB的第一侧上时，其被示出为单个实线，当线圈A在PCB的第二侧上时，其被示出为双实线。当线圈B在PCB的第一侧上时，其被示出为单个虚线，当线圈B在PCB的第二侧上时，其被示出为双虚线。
在段1A中，线圈A的耦合面积在PCB的第一侧上出现，在PCB的第二侧上返回。在段2A中，线圈A的耦合面积在PCB的第二侧上出现，在PCB的第一侧上返回。在段3A中，线圈A的耦合面积在PCB的第一侧上出现，在PCB的第二侧上返回。在段4A中，线圈A的耦合面积在PCB的第二侧上出现，在PCB的第一侧上返回。
在段1B中，线圈B的耦合面积在PCB的第二侧上出现，在PCB的第一侧上返回。在段2B中，线圈B的耦合面积在PCB的第一侧上出现，在PCB的第二侧上返回。在段3B中，线圈B的耦合面积在PCB的第二侧上出现，在PCB的第一侧上返回。在段4B中，线圈B的耦合面积在PCB的第一侧上出现，在PCB的第二侧上返回。
如图5所示，可以在测量范围之外(例如，标为0+和0-的部分)提供线圈的小部分来使协调线圈之间的面积保持平衡。表1示出了对应于线圈的部分0-12的细节，如下：
表1
在表1中，A表示线圈的根据耦合器位置x的耦合面积。类似地，l表示耦合面积对耦合器位置x的改变速率。在此表中以及在图5中，a表示耦合器宽度或第一维度，并且a/2k表示耦合器长度或第二维度。表中的下标表明相应的线圈(线圈A为A，而线圈B为B)和部分(如左列示出的，从0至12)。在表中，A+表明来自线圈A的信号与初级线圈的相位相同，B+表明来自线圈B的信号与初级线圈的相位相同，A-表明来自线圈A的信号与初级线圈的相位相反，并且B-表明来自线圈B的信号与初级线圈的相位相反。
图5提供了图3中展示的电路的分解视图，尽管不具有伴随电路或初级线圈。因此，图5还具有与图3示出的类似的段和区域。图5还展示了耦合器。图6示出了由这组线圈生成的输出信号。
如以上参考图3所陈述的，图5中的线圈的形状可以被配置成用于通过相同形状的周期性的重复来提供恒定的耦合面积，形状的周期对应于耦合器的宽度。在图5的展示中耦合器的宽度为a/2k，大约等于部分0至12中的每个部分的宽度。因此，即使当耦合器在区域1中流畅地移动时，尽管线圈A的耦合面积的形状改变，但是线圈A的总耦合面积可以保持不变。在耦合器的宽度和线圈A的形状的周期为z个单位的情况下，以下讨论的图12进一步展示了此原理。
图6展示了根据本发明的某些实施例的来自图5的复杂感应线圈的信号。在区域1中，示出为虚线的线圈A信号为固定信号，并且示出为实线的线圈B信号随耦合器的位置变化。在区域2中，线圈B信号变为固定信号，并且线圈A信号变为测量信号。在区域3中，由线圈A提供固定信号，但是该信号相比于区域1中的固定信号是相反的。在区域4中，来自线圈B的信号是固定信号，并且相比于区域2中的固定信号也是相反的。该***可以使用每个区域中的固定信号的绝对值，以便确定AGC反馈信号的源，并且可以使用固定信号的符号来确定耦合器目前位于哪个区域。
传感器可以充当测量***的元件，该测量***还可以包括信号调节、数据转换和数据处理。图7展示了根据本发明的某些实施例的传感器***。
如图7所示以及如以上讨论的，传感器***可以包括初级线圈710和两个次级线圈：次级线圈A 712和次级线圈B 714。激励器716可以驱动正弦波至传感器的初级线圈710。正弦波可以由耦合器718耦合到次级线圈A 712和次级线圈B 714上，可以允许该耦合器移动，并且可以检测其位置。可以通过传感器内的耦合器718的位置来确定每个次级线圈712和714上的耦合信号的大小。换言之，耦合器718的位置可以控制耦合信号的大小。
每个次级线圈信号可以应用于各自的具有绝对值电路的峰值检测器(A_峰值_检测720和B_峰值_检测722)。组合的峰值检测和绝对值电路720和722可以输出相关联的输入信号的绝对值。传感器可以被设计为使得来自至少一个次级线圈712和714的信号(即在区域上具有固定值的信号)在最大水平上。因此，每个峰值检测器的输出可以应用于比较器724的输入，以便确定哪个信号最大。在比较器724之前使用绝对值电路可以防止比较器724将相位相反的信号处理为更低的负值。当比较这两个信号时，可以很容易区别最大信号。如果参考是某个中间水平，那么附加电路可以用于确定哪个信号最接近参考以及当其他信号变化时哪个信号保持为参考。然后，可以由Mux1 726和Mux2 728利用比较器724的输出来确定补偿器730和模拟数字转换器(ADC)732的信号源。
峰值检测器720和峰值检测器722的输出还可以被连接为多路复用器Mux1 726的输入以便向ADC 732输出，并且还可以被连接为多路复用器Mux2 728的输入以便向通过比较器724的输出所选择的补偿器730输出。
当来自A_峰值_检测720的信号大于来自B_峰值_检测722的信号时，比较器724可以输出‘1’，指示信号A_峰值_检测720可能是***的参考。在这种情况下，Mux1 726可以选择来自B_峰值_检测722的信号作为ADC732的源。B_峰值_检测722信号可以被数字化并且转换为输出字的更低数据位。并行地，Mux2 728可以选择来自A_峰值_检测720的信号作为补偿器730的源。补偿器730可以将A_峰值_检测720信号与固定参考(Ref)734信号进行比较。如果A_峰值_检测720信号大于Ref 734信号，那么补偿器730可以向激励器716输出信号，从而使得激励器716正弦波输出振幅减小。如果A_峰值_检测720信号小于Ref 734信号，那么补偿器730可以向激励器716输出信号，从而使得激励器716正弦波输出振幅增加。
当来自B_峰值_检测722的信号大于来自A_峰值_检测720的信号时，比较器724可以输出‘0’，表明B_峰值_检测722信号可能是***的参考。在这种情况下，Mux1 726可以从A_峰值_检测720处选择信号作为ADC 732的源。A_峰值_检测720信号可以被数字化并且转换为输出数据的更低数据位。并行地，Mux2 728可以选择来自B_峰值_检测722的信号作为补偿器730的源。补偿器730可以将B_峰值_检测722信号与Ref 734信号进行比较。如果B_峰值_检测722信号大于Ref 734信号，那么补偿器730可以向激励器716输出信号，从而使得激励器716正弦波输出振幅减小。如果B_峰值_检测722信号小于Ref 734信号，那么补偿器730可以向激励器716输出信号，从而使得激励器716正弦波输出振幅增加。
如通过图6中的示例示出的，在行程的拐角处(如在区域3和区域4之间的接界处)，这两个信号都可以是相同的。在这种情况下，如图7所示，比较器724可以具有维持输出直到一个信号(该信号将为参考信号)下降至低于另一个信号预定的数量的一些滞后。此时，比较器724输出可以改变。
再次参考图7，每个次级线圈信号还可以应用于相位检测器736的输入以及来自激励器716的正弦波信号。相位检测器736可以利用这些信号以便确定每个次级线圈信号的相位。相位检测器736的输出可以是2位数据半个半字节，这2位数据可以充当输出数据738的这两个最高有效位(MSB)。
换言之，如以上关于图6的描述，相位检测器可以用于确定在多段实现方式中考虑传感器的哪个段，而输出数据738的最低有效位可以是在特定段的运动范围内的特定值。
更具体地，可以安排每个次级线圈712和714，从而使得可以将每个次级线圈的面积分为多个段，例如，两个或更多个段。在第一段中，磁场可以引起电流在一个方向上流动，并且在第二段中，相同的磁场可以引起电流在相反的方向上流动。这种配置可以允许每个线圈具有对可能接近传感器的任何不想要的相邻磁场的共模抑制。在传感器***中，机械运动可以引起耦合器718跨传感器PCB移动，可以将次级线圈712和714印刷在该传感器PCB上。由于耦合器718跨给定次级线圈712或714的第一段移动，所以可以影响来自上述次级线圈的信号。
由于耦合器718从次级线圈712或714的第一段移动至次级线圈712或714的第二段，所以信号的极性可以反转。由于初级线圈710上的信号可以是正弦波，所以那种极性改变可以有效地为由次级线圈712或714输出的所产生的正弦(或余弦)波的180度相移。换言之，次级线圈712或714上的信号相对于彼此可以是90度反相，因此他们可以具有正弦/余弦关系。在典型的感应式传感器***中，这种关系可以被用作激励器716的反馈。由于sin2+cos2＝1，所以该***可以执行此公式并且将结果与常量进行比较。如果该结果高于或低于常量，该***可以分别调节激励器716输出更低或更高。根据测量，正弦和余弦可以是载波。该***可以解调信号来移除载波，从而使得振幅保持不变。这两个振幅可以具有能够被利用来计算测量值的比率关系。如以上描述的，这样的典型感应式传感器***是非常复杂且昂贵的。
由极性改变产生的相移可以相对于由激励器716生成的正弦波的相位。在本发明的某些实施例中，相位检测器736可以接收来自激励器716的正弦波信号并且还可以接收来自每个次级线圈712和714的正弦或余弦信号。相位检测器736可以将每个次级线圈信号与激励器716信号进行比较来确定次级线圈信号的相位。由于该相位可以为两个状态中的一个状态，如相对于激励器716的0度或180度，所以相位检测器736的输出可以是每个次级线圈712和714的一个数字位，或者是传感器***的组合的两个数字位。通过利用这种相位检测器方法，可以将两位分辨率增加到数字化处理中而不需要增加ADC的复杂度。
使用以上方法，可以使用两个次级线圈跨该传感器创建四个面积，每个次级线圈具有两个相位。还允许具有多个次级线圈和多个相位的其他方法。
图8展示了根据本发明的某些实施例的多个相位与特定段的标识的关系。可以在多个段中绘制线圈A和线圈B中的每一个线圈，如实线和虚线所展示的，其中，线圈A在PCB的前侧上被示出为单线并且在PCB的后侧上被示出为双线，并且其中，线圈B在PCB的前侧上被示出为单虚线并且在PCB的后侧上被示出为双虚线。当线圈的前侧部分耦合时，输出电流在第一方向上流动，即与激励电流(未示出)同相，并且当后侧部分耦合时，输出电流在相反方向上流动，即相对于激励电流抵消的相位。
这种在相位/电流方向上的反转可以通过当从PCB的前侧转换至PCB的后侧且反之亦然时线圈有效地扭曲来完成。为了易于理解，示出了通过扭曲的电流路径的一个示例。如图5所展示的，这种扭曲还可以在每一对段之间的边界处实现。例如，在段1A与段2A之间的过渡处，围绕耦合磁场的回路的有效方向被反转。在图13A和图13B中进一步展示了此原理。
图8展示的原理可以提供相位信息。线圈A和线圈B的段可以相对于彼此抵消并且可以交替，从而使得可以跨传感器创建四个面积。相等面积的使用可以是一种实现方式，但是不相等的面积也可以是可能的。
将这些面积指定为相位01、相位00、相位10以及相位11。此惯例可以指这样的事实：在面积相位01中，线圈A的相位被抵消(0)，而线圈B的相位与激励线圈一致(1)。如以下讨论的，类似的惯例应用于其他面积的其他名称。
在图8的此展示中，标识为相位01的面积中的线圈A的面积和线圈B的面积都不是固定的。因此，无论选择哪个线圈作为参考，此时参考值应当改变为耦合器(未示出)运动。因此，图8没有表示具有固定参考的线圈。相反，图8展示了基于反转线圈的极性而生成四个不同区域的双线圈的实现方式，由此解释和说明了相移原理。
可以通过组合的相位信息唯一地标识这些面积中的每个面积。在第一面积中，线圈A可以是相位0并且线圈B可以是相位1(01)；在第二面积中，线圈A可以是相位0并且线圈B可以是相位0(00)；在第三面积中，线圈A可以是相位1并且线圈B可以是相位0(10)；并且在最后面积中，线圈A可以是相位1并且线圈B可以是相位1(11)。因此，通过此相位信息，可以提供两位分辨率。当没有此相位信息时，可能需要具有两附加位分辨率的ADC，以便跨传感器的长度获得相同的分辨率。
例如，在本发明的某些实施例中，可以使用8位ADC。对需要360度测量的***来说，ADC可以被配置成用于将机械运动分辨为在跨运动的整个360度范围的1.4度内。然而，由于本发明的某些实施例利用相位信息，所以可能仅需要上述8位ADC来覆盖仅90度的相等的测量，因为相位信息可以提供象限位置。因此，可以跨90度范围来应用8位，产生跨运动的整个范围的0.35度的分辨率。
本发明的某些实施例可以具有各种益处或优点。例如，根据本发明的某些实施例的***可以使用单个ADC以便测量位置信息。这可以降低***成本、提高性能，同样地，多个ADC之间将不存在串扰，并且降低***功率。
此外，本发明的某些实施例可以应用于感应式传感器设计和传感器***，在该感应式传感器设计和传感器***中，传感器的设计和***可以消除LVDT和感应式传感器的传统的正弦/余弦关系，由此显著地减少需要用来产生线性测量输出的信号处理。
此外，本发明的某些实施例可以简化感应式传感器PCB的设计。并且，本发明的某些实施例可以简化创建AGC功能的反馈电路。此外，本发明的某些实施例可以简化测量信号的处理。传感器可以提供线性输出，并且因此可以不需要正切/余切处理。这可以消除对处理器的需要以及/或者减少需要的片上存储器的数量。
图9展示了根据本发明的某些实施例的装置。如图9所示，装置可以包括初级电感器910、场耦合至该初级电感器910的第一次级电感器920以及场耦合至该初级电感器910的第二次级电感器930。
该第一次级电感器920和该第二次级电感器930可以被配置为用于检测耦合器940的运动的协调的电感器。该耦合器940可以被配置成用于场耦合该初级电感器910与该第一次级电感器920和该第二次级电感器930。
通过协调的电感器，应当理解的是，这些电感器可以被配置成用于协作以提供耦合器940的运动和/或位置。因此，如展示的，电感器可以被安排例如在图2至图5或图8中，或者任何类似的协调的或合作的安排。
该协调的电感器可以被配置成用于提供参考信号和测量信号。该参考信号可以被配置成跨该耦合器940的运动范围具有恒定振幅。可能并不需要绝对精确的恒定。例如，振幅可以大约是恒定的，如具有的变化小于装置可测的最小数量的变化。可替代地，振幅可以是可变的，但是大于预定的阈值。此外，参考信号的振幅可以与来自激励器905的激励信号的变化保持一致的改变，或者归因于装置的环境中的噪声而改变。
参考信号可以例如被配置为最大信号。测量信号可以被配置成相对于耦合器940的运动而线性地变化。可替代地，测量信号可以被配置成具有相对于耦合器940的运动的非线性变化。
该装置还可以包括被配置成用于比较来自第一次级电感器920的第一信号与来自第二次级电感器930的第二信号的比较器950。更具体地，比较器950可以被配置成用于确定哪个次级电感器信号表示该参考信号以及哪个次级电感器信号表示该测量信号。可以将此信息明确地或暗示地提供给控制器960。控制器960可以是微处理器或者其可以是电路安排，如图7示出的包括多路复用器等的电路的部分。
控制器960可以被配置成用于测量该测量信号的振幅值并用于向激励器905反馈关于参考信号的信息。
在本发明的某些实施例中，可以以耦合器940的运动范围将第一次级电感器920和第二次级电感器930分成多段。该运动范围可以包括多个段。除其他项外，段的数量可以取决于被使用的电感器的数量。
该装置还可以包括被配置成用于从该多个段中识别出当前段的相位检测器970，其中，当前段对应于耦合器940的位置。这可以通过检测从第一次级电感器920和第二次级电感器930输出的这两个信号中的一个或两个信号的相位改变来完成。相位检测器970可以不需要知道这两个信号中哪一个是参考信号以及哪一个是测量信号。相位检测器970被示出为与控制器960分离，但是可以被结合到控制器960内。相位检测器970可以向控制器960提供关于所检测的段的信息。控制器960可以输出关于耦合器940的位置和/或移动的信息。
第一次级电感器920和第二次级电感器930可以采用不同的方式来制造，如通过被印刷在电路板上。还允许其他的制造技术。协调的电感器被配置成用于在提供参考信号与提供测量信号之间交替。换言之，协调的电感器实际上可以依次提供测量信号或参考信号。
通过假设耦合器的基本上线性运动，已经展示了上述电感器布局。如果耦合器被安排用于跨角度范围偏转，例如或者在另一个示例中绕轴线旋转，那么可能能够通过根据耦合器的预期的移动路径适当地使电感器成形来重新安排电感器类似地产生参考信号和测量信号。因此，本发明的某些实施例可以独立于传感器的几何形状和/或机械运动。
图10展示了根据本发明的某些实施例的方法。如图10所示，方法可以包括：在1010处，为初级电感器供能。这可以使用激励器来完成。该方法还可以包括：在1020处，提供来自多个次级电感器中的至少一个次级电感器的参考信号。该多个次级电感器可以被场耦合到初级电感器。来自该多个次级电感器中的一对次级电感器可以被配置为协调的电感器。该方法可以进一步包括：在1030处，提供来自该多个次级电感器中的至少一个另一个次级电感器的测量信号。测量信号可以被配置成用于反映耦合器的运动。参考信号可以被配置成用于跨耦合器的运动范围具有恒定振幅。该方法可以进一步包括：在1040处，基于测量信号的变化确定耦合器的运动。该方法可以进一步包括：在1050处，输出所确定的运动的指示。
如以上指出的，参考信号可以被提供作为最大信号。类似地，测量信号可以被提供为相对于耦合器的运动线性地变化或者测量信号可以被提供为相对于耦合器的运动非线性地变化。
该方法可以进一步包括：在1042处，使用比较器来比较来自第一次级电感器的第一信号与来自第二次级电感器的第二信号。该方法可以进一步包括：在1050处，从比较器处输出指示哪个次级电感器信号表示参考信号以及哪个次级电感器信号表示测量信号的信号。
如以上指出的，可以相对于运动范围将第一次级电感器和第二次级电感器分成多段。运动的范围可以包括多个段(如四个段)。该方法可以进一步包括，在1046处，使用相位检测器从对应于耦合器的位置的该多个段中识别出当前段。
图11展示了根据本发明的某些实施例的感应线圈配置。在图2中，线圈A具有耦合器的运动范围上的固定面积并且线圈B具有小于线圈A的面积的50％的面积，该面积被安排用于在耦合器的运动范围上非线性地改变。因此，由于耦合器水平地移动跨过这两个线圈，所以来自线圈A的信号可以保持为不变值，而当耦合器向左移动时来自线圈B的信号可以增加，并且当耦合器向右移动时来自线圈B的信号可以降低。由于线圈B面积的改变非线性地变化，所以来自线圈B的输出信号可以是非线性的。仅示出了一个非线性形状，但是，同时还允许其他的非线性形状。
图12展示了根据本发明的某些实施例的与不同电感器位置的固定耦合面积。如图12所示，线圈A可以形成周期性形状，如锯齿波形。相比之下，线圈B可以具有类似于图2所示的楔形。线圈A的重复形状的周期可以是z个单位。在这种情况下，如果耦合器是z个单位宽，则当耦合器继续从被示出为耦合器A的位置向耦合器B或向耦合器C移动时，耦合面积将保持固定。尽管耦合面积的形状可能改变，但是由于线圈A的形状的周期性本质，面积本身可以保持恒定。同时，线圈B的耦合面积可以从耦合器A到耦合器B或到耦合器C减小，因为线圈B的形状没有类似的周期性。精确地，在此示例中，在耦合器A、耦合器B或耦合器C中的每一个耦合器的情况下，耦合面积为A，其中，A＝z(v+0.5w)，参照图12所示的维度。
图13A和13B展示了由于线圈的前侧和后侧部分的位置反转引起的输出电流的影响。如图13A所示，线圈可以被安排成8字形状，线圈的后侧部分在PCB的一侧上且线圈的前侧部分在PCB的另一侧上。从后向前的过渡发生在线圈的左侧。由耦合器耦合至线圈的磁场可以在页面以外的方向上扩展。因此，逆时针电流可以在回路的耦合部分感应到。由于线圈迹线的路径，在回路的耦合部分的此电流可以采用顺时针方向驱动在另一个回路部分的电流。因此，电流可以在线圈的后侧部分以外。
如图13B所示，如果相同的线圈耦合到正确部分，则感应电流可能再次为逆时针方向并且可能驱动另一个回路部分的顺时针电流。然而，在这种情况下，由于线圈的这两个部分的不同几何结构，电流可能在线圈的前侧部分以外。因此，根据二次线圈的几何结构以及耦合器的位置，相同的磁场可以感应相反的输出电流。在正弦激励电流的情况下，图13A和图13B之一的输出电流可以与激励电流同相，并且另一输出电流可以与激励电流异相90度。
本领域技术人员将很容易理解的是，可以利用具有不同顺序的步骤和/或利用其配置与所公开的配置不同的硬件元件来实践前面所讨论的本发明。因此，虽然基于这些优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到仍然落在本发明的精神和范围内的特定修改、变型和替换构造。因此，为了确定本发明的界限和范围，应参考所附的权利要求书。

Claims (25)

1.一种装置，包括：
初级电感器；
第一次级电感器，所述第一次级电感器场耦合至所述初级电感器；以及
第二次级电感器，所述第二次级电感器场耦合至所述初级电感器；
其中，所述第一次级电感器和所述第二次级电感器被配置为协调的电感器以用于检测耦合器的运动；并且
其中，所述协调的电感器被配置成用于提供参考信号和测量信号，其中，所述参考信号跨所述耦合器的运动范围具有恒定振幅。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述参考信号被配置为最大信号。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述耦合器被配置成用于场耦合所述初级电感器与所述第一次级电感器和所述第二次级电感器。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述测量信号相对于所述耦合器的运动而线性地变化。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述测量信号相对于所述耦合器的运动而非线性地变化。
6.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
比较器，所述比较器被配置成用于比较来自所述第一次级电感器的第一信号与来自所述第二次级电感器的第二信号，其中，所述比较器被配置成用于确定哪个次级电感器信号表示所述参考信号以及哪个次级电感器信号表示所述测量信号。
7.如权利要求1所述的装置，其中，以所述运动范围将所述第一次级电感器和所述第二次级电感器分成多段，其中，所述运动范围包括多个段。
8.如权利要求7所述的装置，进一步包括：
相位检测器，所述相位检测器被配置成用于从所述多个段中识别出当前段，其中，所述当前段对应于所述耦合器的位置。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一次级电感器和所述第二次级电感器被印刷在电路板上。
10.如权利要求1所述的装置，其中，所述协调的电感器被配置成用于在提供所述参考信号与提供所述测量信号之间交替。
11.如权利要求1所述的装置，其中，所述耦合器具有预定宽度，并且其中，所述第一次级电感器和所述第二次级电感器中的提供所述参考信号的那个次级电感器安排有沿着所述耦合器的行进方向以周期性重复的方式改变的面积，其周期等于所述预定宽度。
12.一种方法，包括：
为初级电感器供能；
提供来自多个次级电感器中的至少一个次级电感器的参考信号，其中，所述多个次级电感器场耦合至所述初级电感器，并且其中，来自所述多个次级电感器的一对次级电感器被配置为协调的电感器；
提供来自所述多个次级电感器中的至少一个另一个次级电感器的测量信号，其中，所述测量信号被配置成用于反映耦合器的运动，并且其中所述参考信号跨所述耦合器的运动范围具有恒定振幅；以及
基于所述测量信号的变化来确定所述耦合器的运动。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述参考信号被提供作为最大信号。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述测量信号相对于所述耦合器的运动而线性地变化。
15.如权利要求12所述的方法，其中，所述测量信号相对于所述耦合器的运动而非线性地变化。
16.如权利要求12所述的方法，进一步包括：
使用比较器来比较来自所述第一次级电感器的第一信号与来自所述第二次级电感器的第二信号；以及
从所述比较器处输出指示哪个次级电感器信号表示所述参考信号以及哪个次级电感器信号表示所述测量信号的信号。
17.如权利要求12所述的方法，其中，以所述运动范围将所述第一次级电感器和所述第二次级电感器分成多段，其中，所述运动范围包括多个段。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括：
使用相位检测器从所述多个段中识别出当前段，其中，所述当前段对应于所述耦合器的位置。
19.一种***，包括：
传感器，所述传感器包括初级电感器、场耦合至所述初级电感器的第一次级电感器、以及场耦合至所述初级电感器的第二次级电感器，其中，所述第一次级电感器和所述第二次级电感器被配置为协调的电感器以用于检测耦合器的运动，其中，所述协调的电感器被配置成用于提供参考信号和测量信号，并且其中，所述参考信号跨所述耦合器的运动范围具有恒定振幅；以及
输出，所述输出被配置成用于提供对由所述传感器检测到的所述运动的表示。
20.如权利要求19所述的***，其中，所述测量信号相对于所述耦合器的运动而线性地变化。
21.如权利要求19所述的***，其中，所述测量信号相对于所述耦合器的运动而非线性地变化。
22.如权利要求19所述的***，进一步包括：
比较器，所述比较器被配置成用于比较来自所述第一次级电感器的第一信号与来自所述第二次级电感器的第二信号，其中，所述比较器被配置成用于确定哪个次级电感器信号表示所述参考信号以及哪个次级电感器信号表示所述测量信号。
23.如权利要求19所述的***，其中，以所述运动范围将所述第一次级电感器和所述第二次级电感器分成多段，其中，所述运动范围包括多个段。
24.如权利要求23所述的***，进一步包括：
相位检测器，所述相位检测器被配置成用于从所述多个段中识别出当前段，其中，所述当前段对应于所述耦合器的位置。
25.如权利要求19所述的***，其中，所述耦合器具有预定宽度，并且其中，所述第一次级电感器和所述第二次级电感器中的提供所述参考信号的那个次级电感器安排有沿着所述耦合器的行进方向以周期性重复的方式改变的面积，其周期等于所述预定宽度。
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