CN109313043A - 位置传感器 - Google Patents

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基莫·托尔萨
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Abstract

用于感测位置或运动的位置传感器(200)，包括：铁氧体芯(202)；以及传感器线圈，该传感器线圈被构造用以提供传感器信号。传感器线圈被实施在印刷电路板(201)上，并且铁氧体芯(202)被构造用以装配到印刷电路板(201)中。

Description

位置传感器
技术领域
本发明一般涉及位置传感器，并且尤其涉及涡流传感器和感应式位置传感器或者接近传感器。
背景技术
在不承认本文所述的任何代表现有技术的技术的情况下，这一部分阐明有用的背景信息。
涡流传感器或者感应式传感器适合于位置、接近度、运动、位移和/或距离的非接触式测量。它们适合于在工业环境中的测量，并且可以被用于例如感测电机的转子或者轴的运动。运动控制***需要反馈，因此在许多***中需要位置传感器和运动控制传感器。例如，磁悬浮***通常需要与受控自由度一样多的位置传感器或者运动传感器。
发明内容
根据本发明的第一示例形态，提供一种用于感测位置或运动的位置传感器，所述位置传感器包括：
铁氧体芯；以及
传感器线圈，该传感器线圈被构造用以提供传感器信号，其中
传感器线圈被实施在印刷电路板上，并且
铁氧体芯被构造用以装配到印刷电路板中。
在一个实施例中，印刷电路板包括一个或更多个开口，并且铁氧体芯包括一个或更多个突起，所述一个或更多个突起被构造成装配到印刷电路板中的开口中。
在一个实施例中，铁氧体芯由多于一块铁氧体形成。当考虑在不同方向或平面中的截面时，铁氧体芯可以由一个或更多个矩形铁氧体、L形铁氧体、C形铁氧体、E形铁氧体、具有阶梯状形式或弧形形式的铁氧体或这些铁氧体的任何组合形成。
在一个实施例中，印刷电路板上的轨迹形成传感器线圈。
在一个实施例中，传感器被构造成用于感测轴或转子的运动。
根据本发明的第二示例形态，提供一种用于感测轴的位置的传感器布置，该传感器布置包括多个根据第一形态或任何相关实施例的位置传感器，其中传感器绕轴被定位。
在一个实施例中，轴由铁氧体或层压钢或其它等效磁通量传导材料制成。
在一个实施例中，所述多个传感器被组装在公共印刷电路板上。
在一个实施例中，所述多个传感器被构造成感测在轴和所述多个传感器的铁氧体(即，被定位在PCB上的铁氧体)之间的距离，以感测轴的位置。
在一个实施例中，轴包括一个或更多个沟槽，并且所述多个传感器被构造成感测沟槽以感测轴的位置。所述多个传感器可以感测沟槽的位置以感测轴的位置。除了感测沟槽之外，所述多个传感器可以感测在轴和所述多个传感器的铁氧体之间的距离。
在一个实施例中，轴的轴线在xyz坐标系中的z方向上，并且该传感器布置包括：
两个或更多个x方向传感器，所述两个或更多个x方向传感器被定位在轴的在x方向上的不同侧上；以及
两个或更多个y方向传感器，所述两个或更多个y方向传感器被定位在轴的在y方向上的不同侧上。可以有例如位于轴的相反侧的两个x方向传感器和两个y方向传感器。对于大轴径和小传感器，能够绕轴放置多于两对传感器或者奇数个传感器，用于感测轴在xyz轴线上的位置。
在一个实施例中，所述x方向传感器的铁氧体芯被组装在所述x方向传感器的所述印刷电路板的相反侧上，以提供对所述轴在所述z方向上的轴向移位的感测。
根据本发明的第三示例形态，提供一种制造位置传感器的方法，所述位置传感器用于感测位置或运动，所述传感器包括铁氧体芯和传感器线圈，所述传感器线圈被构造用以提供传感器信号。该方法包括：
在印刷电路板上实施传感器线圈；以及
将铁氧体芯装配到印刷电路板上。一个铁氧体芯可以由一个或更多个芯块形成，并且可以有多于一个铁氧体芯。
前面已经说明本发明的不同的非约束性示例形态和实施例。前述实施例仅用于解释可以在本发明的实施中被利用的所选形态或步骤。一些实施例可以仅参考本发明的某些示例形态被呈现。应当理解，对应的实施例也可以应用于其它示例形态。
附图说明
将参考附图描述本发明的一些示例实施例，其中：
图1示出涡流传感器的原理；
图2至图5示出根据本发明的各种实施例的传感器的剖视图；
图6示出根据一个实施例的传感器布置的俯视图和剖视图；
图7至图13显示某些示例铁氧体形状；
图14示出根据一个实施例的传感器布置的俯视图和剖视图；并且
图15示出根据一个实施例的传感器布置的俯视图。
具体实施方式
在以下描述中，同样的附图标记表示同样的元件或步骤。
本发明的各种实施例提供一种位置传感器。该位置传感器可以是例如涡流传感器或者感应式传感器。位置传感器可以被用于在不同应用环境中感测位置、接近度、运动、位移、空隙、间隙和/或距离。磁悬浮***是一个示例应用环境。在一个实施例中，位置传感器可以被用于例如感测轴或转子的位置或运动。
在一个实施例中，解决方案用作悬浮***的一部分或者用作自动化监控***的一部分。例如，由根据实施例的传感器提供的数字信号可以被连接到标准自动化***的计算机。
图1示出涡流(接近)传感器的原理。所示传感器包括探头111。该探头111包括：有源线圈113和平衡线圈112；驱动器(未示出)，该驱动器用于驱动该有源线圈113中的高频电流；以及电子器件(未示出)，该电子器件用于解调和放大来自有源线圈的电信号。此外，图1示出目标导电材料116。有源线圈113中的电流创建磁场114，该磁场114在附近的导电材料116中感应出被称为涡电流115的小电流。这些涡电流在与由线圈113产生的磁场114相比的相反方向上生成磁场。线圈113中的电流的能量耗散、幅度和相位取决于在探头111和目标导电材料116之间的距离而变化。这些变化是电子评估的，并且检测到的位置或运动被提供作为输出电压或电流。
传统的涡流传感器使用具有缠绕线圈和单独电缆的传感器尖端。这些使得解决方案成本高昂，不易集成，需要对每一个传感器/电缆/驱动器组进行单独校准，并且易于受到电磁干扰。
本文公开的各种实施例提供一种位置传感器(例如，涡流传感器)，该位置传感器包括电感器(线圈)，该电感器(线圈)被印刷在电路板上。在实施例中，位置传感器包括铁氧体和印刷电路板(PCB)层，传感器线圈和电子器件被实施在该印刷电路板(PCB)层上。还提供一种制造这种位置传感器的方法。
铁氧体芯是一种被在例如变压器和电感器的绕组中使用的磁芯。铁氧体芯的典型特征包括高磁导率和低导电率。
在下文中讨论各种示例构造和示例铁氧体形状。示例铁氧体形状包括例如矩形铁氧体、L形铁氧体、C芯、E芯和定制形状的芯。在一个实施例中，铁氧体可以具有阶梯状形式或弧形形式。当考虑在不同方向或平面中的截面时，不同形式的任何组合也是可行的。在一个实施例中，位置传感器被构造用以感测电机的轴或转子或其它移动部件的位置或运动。传感器可以感测在传感器和轴之间的距离。轴上的沟槽和盘可以提供检测径向和轴向位移的手段。传感器可以感测沟槽或盘的位置以确定轴的位置。在一个实施例中，轴周围有多个传感器。在转子的情况下，在不必经历跳动引起的干扰的情况下，所述多个传感器可以精确地提供位置反馈。在一个实施例中，通过测量线圈的电感或者通过测量在有源线圈和平衡线圈之间的耦合来实现位移测量，其中电磁耦合通过轴。
在一个实施例中，提供一种位置传感器，其中铁氧体作为该传感器中的引导介质，即使用引导铁氧体。引导铁氧体将磁通引导到转子或轴或盘中，从而增强灵敏度。PCB轨迹可以被用于线圈，以确保制造的可重复性，减少与绕组相关的成本和材料使用，并且当使用分立部件时，减少对每一个传感器和电缆进行单独校准的需要。以该方式，可以实现提高的分辨率并且还减少制造成本。
在感测轴或其它移动部件的位置的实施例中，通过铁氧体芯块相对于轴的某些定位来实现不同尺寸(例如xyz尺寸)的感测。轴例如由铁氧体或者层压钢或者其它导磁材料或者其它对高频磁场具有低磁导率的材料制成。
图2至图5示出根据本发明的各种实施例的传感器的剖视图。
图2示出传感器200和一块导电材料(例如金属)116。该传感器200被构造成当导电材料116靠近传感器200时，感测这块导电材料116的位置或者运动。传感器200包括印刷电路板(PCB)201和一块铁氧体202。传感器线圈(未示出)被实施在PCB201中。PCB201包括一个开口203，并且这块铁氧体202包括突起204，该突起204延伸到开口203/能够被装配到开口203中。
图3示出传感器300和一块导电材料(例如金属)116。传感器300类似于图2的传感器200(除了传感器300的PCB是由多个电路板层形成的多层PCB之外)。该多层PCB包围铁氧体并且还可以包围PCB部件。与图2相类似，PCB中有一个开口和延伸到该开口的铁氧体突起。
图4示出传感器400和一块导电材料(例如金属)116。该传感器400类似于图2的传感器200。与图2相类似，PCB中有一个开口和延伸到该开口的铁氧体突起。
图5示出具有E形铁氧体502的示例传感器500和501。该传感器500与一块导电材料(例如金属)116一起被示出。导电材料可以是例如轴，并且传感器可以被用于检测轴的径向移动。该传感器501与一块导电材料(例如金属)516一起被示出，该导电材料516包括在它的表面上的沟槽510。这些沟槽允许检测在径向方向和轴向方向上的轴移动。传感器500和501类似于图2的传感器200(除了在PCB201中有两个开口以接纳E形铁氧体502之外)。传感器501被构造成感测沟槽510的位置或运动，以确定块516的位置或运动。
图6示出根据一个实施例的传感器布置的俯视图600和剖视图601。该剖视图601是沿线A-A被截取的。该传感器布置包括轴605和多个传感器611-616，所述多个传感器611-616绕轴605被定位。传感器611-616可以被实施在公共印刷电路板上，该公共印刷电路板可以绕轴延伸，即PCB可以包括一个开口，并且轴可以延伸通过该开口。
剖视图601示出传感器611和614和轴605。传感器611和614类似于图2的传感器200，并且传感器611和614包括PCB201和铁氧体芯202，该铁氧体芯202被装配到PCB201中。
剖视图601示出：在该实施例中，轴包括在它的表面上的沟槽510，并且传感器611-616被构造成感测沟槽510的位置或运动，以确定轴605的位置或运动。
应注意，图6示出六个传感器，但是也可以使用其它数目的传感器。例如，可以使用四个传感器。
图7至图13示出可以被用于本发明的实施例的某些示例铁氧体形状。应注意，仅示出一些示例，并且其它形式的铁氧体块、芯和轴沟槽也是可行的。
图7示出具有阶梯状形式的一块铁氧体202。图8示出由矩形块801和具有阶梯状形式的块802形成的一块铁氧体。图8示出这块铁氧体的示例尺寸。作为示例，矩形部的厚度可以是5mm。
图9示出由两个块901和902组成的示例铁氧体的剖视图，所述两个块901和902在所选边缘上被弯曲精整。图9示出这块铁氧体及其弯曲边缘的示例尺寸。作为示例，边缘的弯曲的半径可以是3mm。
图10和图11示出由矩形块1001、1101形成的一块铁氧体和具有阶梯状形式的块1002、1102，块1002、1102在所选边缘上被弯曲精整。图10和图11示出这块铁氧体及其弯曲边缘的示例尺寸。作为示例，边缘的弯曲半径可以是3mm。
图12和图13示出当检测具有沟槽的轴的位置时图10和图11的铁氧体可以如何被装配到PCB201中以提供xyz灵敏度的某些示例。
图14示出根据实施例的另一示例性传感器布置的俯视图和剖视图。该传感器布置包括轴1413和多个传感器1401-1404，所述多个传感器1401-1404绕轴1413被定位。传感器1401和1402被称为y传感器或y线圈，并且传感器1403和1404被称为x传感器或x线圈。传感器1401-1404可以被实施在公共印刷电路板上，该公共印刷电路板可以绕轴延伸，即PCB可以包括一个开口，并且轴可以延伸穿过该开口。
该剖视图示出x线圈和y线圈的示例铁氧体结构。这些铁氧体由矩形铁氧体的堆叠形成。在所示的示例中，x线圈由两个PLT18/10/2/S铁氧体和两个PLT14/5/1.5/S铁氧体的堆叠形成，并且y线圈由两个PLT18/10/2/S铁氧体和一个PLT14/5/1.5/S铁氧体的堆叠形成。
作为示例，在Z方向上的位移或移动可以被计算为(Xleft+Xright)-(Yleft+Yright)或者在被正规化时被计算为
(Xleft+Xright)-(Yleft+Yright)/(Xleft+Xright+Yleft+Yright)，其中
Xleft对应于转子/轴1413从左x线圈1403的位移，
Xright对应于转子/轴1413从右x线圈1404的位移，
Yleft对应于转子/轴1413从左y线圈1402的位移，并且
Yright对应于转子/轴1413从右y线圈1401的位移。
图15示出根据一个实施例的传感器布置的俯视图。该传感器布置包括轴1413和多个传感器1501-1504，所述多个传感器1501-1504绕轴1413被定位。传感器1501-1504包括由一个EE18/8E形铁氧体和三个EE14/7E形铁氧体形成的铁氧体。图15示出这些铁氧体的示例尺寸。
在一个示例实施例中，例如在图6、图14和/或图15的示例中的相反的传感器可以被组装在PCB的相反侧上，以实现轴向移位，该轴向移位用于感测在z方向上的位置或运动。这可以被实施在x传感器/线圈中或被实施在y传感器/线圈中或在两者中都被实施。
已经提出各种实施例。应当理解，在本文中，在不具有意图排它性的情况下，词语包括、包含和含有每一个均被用作开放式表述。
在不限制专利权利要求的范围和解释的情况下，本文所公开的一个或更多个示例实施例的某些技术效果在下文被列出：适用于感测许多方向的紧凑和/或价格低廉的传感器。该传感器可以适用于许多应用例如用于磁悬浮***，从而对不同应用(用于压缩机、鼓风机、马达和发电机)进行监控和诊断。进一步的技术效果是提供具有集成电子器件的精确的位置和/或运动传感器。进一步的技术效果是提供一种传感器，该传感器能够在困难和/或污染的环境中(这对电容式传感器具有挑战性)或者靠近电源开关(这对传统涡流传感器的模拟信号传输传感器的电缆具有挑战性)工作。进一步的技术效果是：与当前现有的现成解决方案相比，根据一些实施例的解决方案的生产成本可能涉及显著的节省。进一步的技术效果是：传感器可以容易地集成到自动化***中，例如，通过以太网或控制器能够被实施在与传感器相同的传感器PCB上。进一步的技术效果是：与电容传感器通常相同，传感器对气隙中的灰尘、流体等不敏感。进一步的技术效果是：与一些其它传感器例如必须被定位作为绕轴分立的传感器部件的那些传感器相比，对校准的需求较少。
通过本发明的特定的实施方式和实施例的非限制性示例，上述描述已经提供对发明人当前所设想的用于执行本发明的最佳模式的完整并且信息丰富的描述。然而，对于本领域技术人员来说清楚的是，本发明不限于前面提出的实施例的细节，而是在不偏离本发明的特征的情况下能够被实施在使用等同手段的其它实施例中或者被实施在实施例的不同组合中。
此外，在不对应使用其它特征的情况下，可以使用本发明的前述公开实施例的一些特征以获得优势。因此，前述描述应该被视为仅是对本发明的原理的说明，而不是对本发明的原理的限制。因此，本发明的范围仅由所附专利权利要求限制。

Claims (12)

1.一种位置传感器(200、300、400、500、501、611-616)，所述位置传感器用于感测位置或运动，所述位置传感器包括：
铁氧体芯(202、502)；以及
传感器线圈，所述传感器线圈被构造用以提供传感器信号，其特征在于，
所述传感器线圈被实施在印刷电路板(201)上，并且
所述铁氧体芯(202、502)被构造用以装配到所述印刷电路板中。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述印刷电路板包括一个或更多个开口(203)，并且所述铁氧体芯包括一个或更多个突起(204)，所述一个或更多个突起(204)被构造用以装配到所述印刷电路板中的所述开口中。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述铁氧体芯由多于一块铁氧体(801、802、901、902、1001、1002、1101、1102)形成。
4.根据任一前述权利要求所述的传感器，其中所述印刷电路板上的轨迹形成所述传感器线圈。
5.根据任一前述权利要求所述的传感器，其中所述传感器被构造成用于感测轴(605)的运动。
6.一种传感器布置，所述传感器布置用于感测轴(605、1413)的位置，所述传感器布置包括多个根据任一前述权利要求所述的位置传感器(611-616、1401-1404、1501-1504)，其中所述传感器绕所述轴被定位。
7.根据权利要求6所述的传感器布置，其中所述轴(605)由铁氧体或者层压钢制成。
8.根据权利要求6或7所述的传感器布置，其中所述轴包括一个或更多个沟槽(510)，并且所述多个传感器被构造用以感测所述沟槽的位置以感测所述轴的位置。
9.根据权利要求6-8中的任一项所述的传感器布置，其中所述多个传感器被构造用以感测在所述轴与所述多个传感器的所述铁氧体芯之间的距离，以感测所述轴的位置。
10.根据权利要求6-9中的任一项所述的传感器布置，其中所述轴的轴线在xyz坐标中的z方向上，并且所述传感器布置包括：
两个或更多个x方向传感器(1403、1404)，所述两个或更多个x方向传感器(1403、1404)被定位在所述轴的在x方向上的不同侧上；以及
两个或更多个y方向传感器(1401、1402)，所述两个或更多个y方向传感器(1401、1402)被定位在所述轴的在y方向上的不同侧上。
11.根据权利要求10所述的传感器布置，其中所述x方向传感器的铁氧体芯被组装在所述x方向传感器的所述印刷电路板的相反侧上，以提供对所述轴在所述z方向上的轴向移位的感测。
12.一种制造位置传感器的方法，所述位置传感器用于感测位置或运动，所述传感器包括铁氧体芯和传感器线圈，所述传感器线圈被构造用以提供传感器信号，其特征在于所述方法包括：
在印刷电路板(201)上实施所述传感器线圈；以及
将所述铁氧体芯(202、502)装配到所述印刷电路板中。
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