CN109387796B - 用于磁致伸缩式扭矩传感器的改进的间隙补偿 - Google Patents

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Abstract

本发明提供间隙补偿式扭矩感测***和用于使用该***的方法。该***能够包括与控制器通信的传感器头。传感器头能够包含扭矩传感器和接近度传感器，其耦合到传感器头。扭矩传感器和接近度传感器能够各自感测经过目标和传感器头与目标之间的间隙的磁通。控制器能够由扭矩传感器所感测的磁通，估计对目标施加的扭矩。控制器能够由扭矩传感器和接近度传感器所感测的磁通，确定改进的间隙测量值，该间隙测量值独立于目标的电磁性质。能够以改进的间隙测量值修改所估计的扭矩，以补偿由于间隙上的变化而导致的目标的磁性质上的改变。以该方式，能够提高扭矩测量值的准确度。

Description

用于磁致伸缩式扭矩传感器的改进的间隙补偿
背景技术
在各种各样的产业中，能够使用传感器来监测装备。作为示例，扭矩传感器能够用于对旋转的机器构件(例如，轴)进行监测，并且，输出信号，这些信号表示对所监测的构件施加的扭矩。通过将所测量的扭矩与设计规格比较，从而能够确定所监测的构件是否在这些规格内操作。
磁致伸缩式扭矩传感器是一类采用磁场来测量扭矩的传感器。大体上，磁致伸缩是如下的铁磁材料的性质：其在存在磁场的情况下以材料的形状上的改变(例如，膨胀或收缩)为特性。相反地，铁磁材料的磁性质，诸如导磁系数(支持在材料内磁场发展的能力)可响应于对材料施加的扭矩而改变。磁致伸缩式扭矩传感器能够生成透过轴的磁通，并且，当该传感器与该轴交互时，该传感器能够感测磁通。随着对该轴施加的扭矩的量改变，磁致伸缩式传感器能够基于所感测的磁通，输出表示对该轴施加的扭矩的信号。
然而，由于旋转期间的所监测的构件的振动和/或其在形状上的变化，导致使磁扭矩传感器和所监测的构件分离的距离或间隙可能改变。这些在距离上的改变可能致使磁致伸缩式扭矩传感器所感测的磁通上的变化(独立于所施加的扭矩)。所以，由磁致伸缩式扭矩传感器基于所感测的磁通而采集的扭矩测量值可能与轴上的实际扭矩偏离。
发明内容
大体上，提供用于磁致伸缩式传感器(诸如，扭矩传感器)的间隙补偿的***和方法。
在一个实施例中，提供一种磁致伸缩式传感器，并且，该传感器能够包括传感器头，该传感器头包括：驱动磁极；两个磁传感器，耦合到相应的感测磁极；以及接近度线圈。驱动磁极能够具有耦合到该驱动磁极的驱动线圈，该驱动线圈能够配置成响应于驱动电流，生成磁通。这两个磁传感器能够各自配置成至少基于由这两个磁传感器感测的第一磁通和第二磁通，输出第一信号。所感测的第一磁通能够产生于所生成的磁通与目标、传感器头与目标之间的间隙以及这两个感测磁极的交互，并且，所感测的第二磁通产生于所生成的磁通与间隙的交互。接近度线圈能够耦合到驱动磁极，并且，接近度线圈能够配置成至少基于第一磁通、所感测的第二磁通以及由接近度线圈感测的第三磁通，输出第二信号。第三磁通能够产生于所生成的磁通与间隙的交互。
在另一实施例中，传感器能够包括控制器，该控制器与传感器头电通信。控制器能够配置成：接收第一信号和第二信号；基于第一信号，确定对目标施加的力；基于第一信号和第二信号，确定间隙；以及基于由第一信号和第二信号确定的间隙，调整由第一信号确定的力。
在另一实施例中，力能够是扭矩。
在另一实施例中，这两个磁传感器能够相对于驱动磁极而大致对称地布置。
在另一实施例中，所感测的第三磁通能够大致独立于目标的电磁性质。
在另一实施例中，第二和第三磁通能够避免冲突于目标。
还提供用于测量目标的接近度的方法。在一个实施例中，该方法能够包括：生成贯穿第一区域、第二区域以及第三区域的磁通，第一区域包括目标、一对第一传感器以及第二传感器，第二区域包括这一对第一传感器和第二传感器，并且，第三区域包括第二传感器；由这一对第一传感器测量第一磁通和第二磁通的组合，其中，该第一磁通产生于所生成的磁通与目标的交互，并且，该第二磁通产生于所生成的磁通与第二传感器和目标之间的间隙的交互；以及由第二传感器测量第一磁通、第二磁通以及第三磁通的组合，第三磁通产生于所生成的磁通与间隙的交互。
在一个实施例中，该方法还能够包括：基于这一对第一传感器所测量的第一和第二磁通以及第二传感器所测量的第一、第二和第三磁通的组合，确定第三磁通；和基于第三磁通，确定间隙。
在另一实施例中，第三磁通能够大致独立于目标的电磁性质。
在另一实施例中，第二和第三磁通能够避免冲突于目标。
在另一实施例中，第一和第二传感器中的每个能够是感应式传感器，其配置成基于相应地贯穿传感器的磁场，输出信号。
在另一实施例中，这一对第一传感器能够相对于所生成的磁通的起源而大致对称地定位。
还提供用于针对间隙变化而补偿扭矩测量值的方法。在一个实施例中，该方法能够包括：利用驱动线圈来生成磁通，其中，该驱动线圈耦合到磁致伸缩式扭矩传感器的驱动磁极；至少基于由这两个磁传感器感测的第一磁通和第二磁通，由两个磁传感器输出第一信号，其中，这两个磁传感器耦合到磁致伸缩式传感器的相应的感测磁极，其中，所感测的第一磁通能够产生于所生成的磁通与目标、磁致伸缩式扭矩传感器和目标之间的间隙以及这两个感测磁极的交互，并且，所感测的第二磁通能够产生于所生成的磁通与间隙、这两个感测磁极的交互；以及至少基于第一磁通、所感测的第二磁通以及由接近度线圈感测的第三磁通的组合，由接近度线圈输出第二信号，该接近度线圈耦合到驱动磁极，第三磁通能够产生于所生成的磁通与间隙的交互。
在一个实施例中，该方法还能够包括：基于第一信号，确定对目标施加的扭矩；基于第一信号和第二信号，确定间隙；以及基于由第一信号和第二信号确定的间隙，调整由第一信号确定的扭矩。
在另一实施例中，力能够是扭矩。
在另一实施例中，这两个磁传感器能够相对于驱动磁极而大致对称地布置。
在另一实施例中，所感测的第三磁通能够产生于所生成的磁通仅与间隙的交互。
在另一实施例中，第二和第三磁通能够避免冲突于目标。
技术方案1. 一种磁致伸缩式传感器，包含:
传感器头，包括：
驱动磁极，其具有耦合到该驱动磁极的驱动线圈，该驱动线圈配置成响应于驱动电流生成磁通；
两个磁传感器，其耦合到相应的感测磁极，并且，各自配置成至少基于由所述两个磁传感器感测的第一磁通和第二磁通，输出第一信号，所感测的所述第一磁通产生于所生成的所述磁通与目标、所述传感器头和所述目标之间的间隙的交互，并且，所感测的所述第二磁通产生于所生成的所述磁通与所述间隙的交互；以及
接近度线圈，其耦合到所述驱动磁极，该接近度线圈配置成至少基于所述第一磁通、所述第二磁通以及由所述接近度线圈感测的第三磁通，输出第二信号，所述第三磁通产生于所生成的所述磁通与所述间隙的交互。
技术方案2. 根据技术方案1所述的传感器，包括控制器，该控制器与所述传感器头电通信，并且，配置成，
接收所述第一信号和所述第二信号；
基于所述第一信号，确定对所述目标施加的力；
基于所述第一信号和所述第二信号，确定所述间隙；以及
基于由所述第一信号和所述第二信号确定的所述间隙，调整由所述第一信号确定的所述力。
技术方案3. 根据技术方案2所述的传感器，其中，所述力是扭矩。
技术方案4. 根据技术方案1所述的传感器，其中，所述两个磁传感器相对于所述驱动磁极而大致对称地布置。
技术方案5. 根据技术方案1所述的传感器，其中，所感测的所述第三磁通大致独立于所述目标的电磁性质。
技术方案6. 根据技术方案1所述的传感器，其中，所述第二和第三磁通避免冲突于所述目标。
技术方案7. 一种接近度感测方法，包含:
生成贯穿第一区域、第二区域以及第三区域的磁通，所述第一区域包括目标、一对第一传感器以及第二传感器，所述第二区域包括所述一对第一传感器和所述第二传感器，并且，所述第三区域包括所述第二传感器；
由所述一对第一传感器对所述第一磁通和第二磁通的组合进行测量，其中，所述第一磁通产生于所生成的磁通与所述目标的交互，所述第二磁通产生于所生成的磁通与所述第二传感器和所述目标之间的间隙的交互；以及
由所述第二传感器对所述第一磁通、所述第二磁通以及第三磁通的组合进行测量，所述第三磁通产生于所生成的磁通与所述间隙的交互。
技术方案8. 根据技术方案7所述的方法，还包括，
基于所述一对第一传感器所测量的所述第一和第二磁通以及所述第二传感器所测量的所述第一、第二和第三磁通的组合，确定所述第三磁通；和
基于所述第三磁通，确定所述间隙。
技术方案9. 根据技术方案8所述的方法，其中，所述第三磁通大致独立于所述目标的电磁性质。
技术方案10. 根据技术方案7所述的方法，其中，所述第二和第三磁通避免冲突于所述目标。
技术方案11. 根据技术方案7所述的方法，其中，所述第一和第二传感器中的每个是感应式传感器，其配置成基于相应地贯穿所述传感器的磁场而输出信号。
技术方案12. 根据技术方案7所述的方法，其中，所述一对第一传感器相对于所生成的所述磁通的起源大致对称地定位。
技术方案13. 一种感测方法，包含:
利用驱动线圈来生成磁通，其中，该驱动线圈耦合到磁致伸缩式扭矩传感器的驱动磁极；
至少基于由两个磁传感器感测的第一磁通和第二磁通，由所述两个磁传感器输出第一信号，其中，这两个磁传感器耦合到所述磁致伸缩式传感器的相应的感测磁极，所感测的所述第一磁通产生于所生成的所述磁通与目标、所述磁致伸缩式扭矩传感器和所述目标之间的间隙以及所述两个感测磁极的交互，并且，所感测的所述第二磁通产生于所生成的所述磁通与所述间隙和所述两个感测磁极的交互；以及
至少基于所述第一磁通、所感测的所述第二磁通以及由接近度线圈感测的第三磁通的组合，由所述接近度线圈输出第二信号，其中，该接近度线圈耦合到所述驱动磁极，所述第三磁通产生于所生成的所述磁通与所述间隙的交互。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，还包括，
基于所述第一信号，确定对所述目标施加的扭矩；
基于所述第一信号和所述第二信号，确定所述间隙；以及
基于由所述第一信号和所述第二信号确定的所述间隙，调整由所述第一信号确定的所述扭矩。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其中，所述力是扭矩。
技术方案16. 根据技术方案13所述的传感器，其中，所述两个磁传感器相对于所述驱动磁极而大致对称地布置。
技术方案17. 根据技术方案13所述的传感器，其中，所感测的所述第三磁通产生于所生成的所述磁通仅与所述间隙的交互。
技术方案18. 根据技术方案13所述的传感器，其中，所述第二和第三磁通避免冲突于所述目标。
附图描述
将从联合附图而得到的下文的详述更容易理解这些及其它特征，其中：
图1是图示操作环境的一个示范性的实施例的图解，该操作环境包括磁致伸缩式扭矩传感器，该扭矩传感器具有传感器头，该传感器头包括扭矩传感器和接近度传感器；
图2是图1的磁致伸缩式扭矩传感器的一个示范性的实施例的侧视横截面图，该扭矩传感器包括传感器头，该传感器头具有核心、驱动线圈、两个或更多个磁传感器以及接近度传感器；
图3是图2的传感器头的侧视横截面图，其图示由驱动线圈所生成的磁通的空间分布；
图4是图2的磁致伸缩式扭矩传感器的核心的示范性的实施例的顶视图；并且，
图5是图示用于测量目标的扭矩和接近度的方法的示范性的实施例的流程图。
注意到，附图不一定按比例绘制。附图旨在仅描绘本文中所公开的主题的典型的方面，且因此，不应当被认为是限制本公开的范围。本领域技术人员将理解到，在本文中具体地描述且在附图中图示的***、装置和方法为非限制性的示范性的实施例，并且，本发明的范围仅仅由权利要求定义。
详述
现在，将描述某些示范性的实施例，以提供本文中所公开的***、装置以及方法的结构、功能、制造以及使用的原理的综述。在附图中，图示这些实施例的一个或多个示例。与一个示范性的实施例相关而图示或描述的特征能够与其它实施例的特征组合。这样的修改和变化旨在包括在本发明的范围内。而且，在本公开中，实施例的同名的构件大体上具有类似的特征，且因而，在具体的实施例内，每个同名的构件的每个特征不一定全面地详细说明。
磁致伸缩式传感器(诸如，扭矩传感器)能够包括：驱动元件，生成磁通；和感测元件，当其与目标(例如，旋转的机器轴)交互时，测量磁通，以便确定对轴施加的扭矩。在一些实例中，感测元件所感测的磁通能够对自目标的距离或间隙上的改变高度地敏感，并且，这些间隙变化可能将误差引入到由所感测的磁通确定的扭矩测量值中。为了改进扭矩测量值的质量，能够测量间隙上的改变，以针对间隙变化而补偿扭矩测量值。作为示例，非接触式接近度传感器能够用于由磁致伸缩式传感器所生成的磁通的测量值，确定间隙。然而，这些非接触式接近度传感器所采集的间隙测量值的准确度可能受目标的电磁性质上的改变损害，其中，目标的电磁性质上的改变致使所感测的磁场独立于间隙而变化。因此，提供改进的间隙补偿测量值(其使由于间隙改变而导致在所测量的磁通上的改变与由于目标的电磁特性而导致在所测量的磁通上的改变隔离)，以便与磁致伸缩式扭矩传感器一起使用，以提高扭矩测量值的准确度。
在本文中，对用于测量旋转的机器构件的扭矩的感测***及对应的方法的实施例进行讨论。然而，能够采用本公开的实施例，以无限制地测量对旋转或静止的机器构件施加的其它力。
图1图示操作环境100的一个示范性的实施例，操作环境100包含间隙补偿式扭矩感测***102和目标104。间隙补偿式扭矩感测***102能够是磁致伸缩式扭矩感测***，其包括传感器头106、扭矩传感器110、接近度传感器112以及控制器114。扭矩传感器110能够定位于传感器头106内，并且，扭矩传感器110能够配置成生成第一信号110s，第一信号110s表示对目标104的所选择的部分施加的扭矩。接近度传感器112还能够定位于传感器头106内，并且，接近度传感器112能够配置成生成第二信号112s，第二信号112s表示接近度传感器112本身与目标104的所选择的部分之间的间隙G。
在使用中，传感器头106能够定位成接近于目标104，以便采集扭矩和间隙测量值。控制器114能够配置成接收第一和第二信号110s、112s，并且，控制器114能够确定对目标104的所选择的部分施加的扭矩。控制器114还能够测量间隙G，其中，间隙G大致独立于目标104的电磁性质上的变化。控制器114能够根据第一信号110s和所测量的间隙G，调整由扭矩传感器110确定的扭矩，以补偿间隙G上的改变(例如，由于目标的振动和/或几何结构变化)。以该方式，能够提高扭矩测量值的准确度。
在某些实施例中，传感器头106能够耦合到框架或其它静止的固定装置(未示出)，以将传感器头106相对于目标104而定位于期望的取向和/或位置处。在其它实施例中，当目标104旋转(例如，围绕纵轴A)时，或当目标静止时，能够从目标104采集扭矩和间隙测量值。其它实施例属于所公开的主题的范围内。
图2是间隙补偿式扭矩感测***200的一个示范性的实施例的侧视横截面图，间隙补偿式扭矩感测***200包括传感器头202，传感器头202与控制器204电通信。传感器头202能够形成壳体206，壳体206包含扭矩传感器，该扭矩传感器包括核心210、驱动线圈212以及两个或更多个磁传感器(例如，感测线圈214a、214b)。传感器头202还能够包括接近度传感器，该接近度传感器包括接近度线圈216。如在下文中更详细地讨论的，扭矩传感器能够配置成测量对目标222的所选择的部分220(例如，目标222的定位成与传感器头202相对的部分)施加的扭矩。接近度传感器能够配置成与由扭矩传感器采集的扭矩测量值同时地，测量在传感器头202(例如，壳体206的远端206d)与目标222的所选择的部分220之间的间隙224。
目标222能够是任何机器或装备226的配置成旋转的构件。旋转构件的示例能够包括(但不限于)轴和转子。将旋转构件并入的机器和装备226的示例能够包括(但不限于)涡轮机械(例如，涡轮发动机、压缩机、泵以及它们的组合)、发电机、燃烧发动机以及它们的组合。能够由驱动器230(例如，往复式发动机、燃烧发动机、涡轮发动机、电动机等)对目标222施加力或负载，以允许目标222旋转，且驱动负载。目标222能够由包括(但不限于)铁磁材料(诸如，铁、钢、镍、钴以及这些材料的合金)的材料形成。在某些实施例中，目标222能够为非磁化的。在其它实施例中，目标222能够为磁化的。
核心210能够包括底座232和至少三个细长磁极234、236a、236b。磁极234、236a、236b能够从底座232向外延伸，并且，磁极234、236a、236b能够以所选择的距离彼此分离。核心210能够由任何铁磁材料形成。示例能够包括(但不限于)铁、钢、镍、钴以及它们的合金。磁极234之一能够是驱动线圈212所卷绕于的驱动磁极。磁极236a、236b能够是感测线圈214a、214b所卷绕于的感测磁极。在某些实施例中，感测磁极236a、236b能够关于驱动磁极234大致对称地定位。
驱动线圈212和感测线圈214a、214b能够各自与控制器204电通信。如图2中所示，控制器204能够通过有线或无线连接而电耦合到激励源ES 240。无线通信装置(诸如，射频(RF)发射器)能够与控制器204集成，从而向与激励源ES 240集成的RF接收器发射信号。如图2中同样地示出的，控制器204能够定位成远离传感器头202。然而，在备选的实施例(未示出)中，控制器204能够定位于传感器头202内。
电源242(例如，插座、电发电机、电池等)能够为控制器204和激励源ES 240提供电力。激励源ES 240能够配置成将驱动电流244(例如，AC电流)递送至驱动线圈212，并且，控制器204能够配置成对由激励源ES 240递送至驱动线圈212的驱动电流244的特性(例如，频率、振幅等)进行控制。控制器204能够是采用通用或专用处理器246的任何计算装置。在任何一种情况下，控制器204都能够包括存储器250，存储器250用于存储与驱动电流244的特性(诸如，频率、振幅以及两者的组合)有关的指令。如在下文中更详细地讨论的，存储器250还能够包括指令和算法，这些指令和算法用于采用传感器信号(例如，扭矩信号248a、248b和接近度信号252)来确定扭矩测量值、改进的间隙测量值，并且，基于改进的扭矩测量值，补偿扭矩测量值。处理器246能够包括一个或多个处理装置，并且，存储器250能够包括一个或多个有形的非暂时性的机器可读介质，这些介质共同地存储指令，这些指令可由处理器246运行，以执行本文中所描述的方法和控制动作。
驱动电流244能够经过驱动线圈212，以生成磁通254a、254b。磁通254a、254b的至少一部分能够透过核心210和目标222，经过感测线圈214a、214b和接近度线圈216，并且，经由核心210(例如，感测磁极236a、236b)而返回到驱动线圈212。以该方式，磁环能够形成为通过扭矩传感器和目标222。如在下文中更详细地讨论的，还能够存在具有与磁通254a、254b不同的空间分布的另外的磁通。
感测线圈214a、214b能够用于对离开目标222的磁通254a、254b进行测量。由于对目标222施加的力(例如，压缩、拉伸、扭转等)可能改变目标222的磁导率，因而感测线圈214a、214b所感测的磁通254a、254b可能改变。因而，能够基于感测线圈214a、214b所感测的磁通254a、254b相对于驱动线圈212所生成的磁通254a、254b的改变，确定对目标222施加的扭矩。感测线圈214a、214b能够配置成向控制器204发射扭矩信号248a、248b，扭矩信号248a、248b指示磁通254a、254b上的改变(例如，差异)。在感测磁极236a、236b相对于驱动磁极234对称地定位的情形下，感测线圈214a、214b所感测的磁通254a、254b能够相同，导致所生成的扭矩信号248a、248b也相同。
在备选的实施例中，离开目标222的磁通254a、254b能够由除了感测线圈214a、214b之外的副磁传感器(未示出)测量。副磁传感器能够类似于感测线圈214a、214b地配置，并且，副磁传感器能够向控制器204发射扭矩信号248a、248b，扭矩信号248a、248b指示磁通254a、254b上的改变(例如，差异)。与感测线圈214a、214b形成对照，副磁传感器能够定位成远离感测磁极236a、236b，并且替代地通过由不干扰磁通254a、254b的材料形成的耦合件而耦合到感测磁极236a、236b。即，副磁传感器能够是能够对离开目标222的磁通254a、254b进行测量的线圈或任何其它磁传感器。副磁传感器的位置能够相对于驱动磁极234而大致对称。
能够通过有线或无线连接而向控制器204(例如，接收器256)传送扭矩信号248a、248b。作为示例，无线通信装置(诸如，RF发射器)能够与传感器头202集成(例如，接近于感测线圈214)，以向与控制器204集成的RF接收器发射信号。接收器256能够包括如下的电子构件(例如，放大器、滤波器等)，其能够在向处理器246(例如，260)发射扭矩信号248a、248b之前，调节扭矩信号248a、248b。在其它实施例中，扭矩信号248a、248b能够在由处理器246处理之后调节。
就在从感测线圈214a、214b接收扭矩信号248a、248b之后，处理器246能够处理扭矩信号248a、248b，以估计对目标222施加的扭矩。即，处理器246能够运行存储器250中的预先存储且/或由用户定义的算法，以基于目标222、传感器头202以及驱动电流244的特性，运算对目标222施加的扭矩的大小。
如上文所讨论的，扭矩测量值可能受间隙224影响。因而，基于扭矩传感器所感测的磁通254a、254b而针对目标222确定的扭矩测量值可能偏离于对目标222施加的实际扭矩。为了解决这一问题，间隙224能够由接近度传感器(例如，接近度线圈216)测量，并且，间隙224能够用于调整扭矩测量值，以说明间隙224上的变化。以该方式，接近度传感器能够改进扭矩测量值的准确度，并且，允许对将目标222并入的机器或装备226的更好的控制。
能够选择接近度线圈216相对于目标222的位置，以促进扭矩传感器所采集的扭矩测量值和接近度线圈216所采集的间隙测量值两者。如图2中所示，接近度传感器能够是感应式接近度传感器，并且，接近度线圈216能够定位于驱动磁极234上。在某些实施例中，接近度线圈216能够在驱动磁极234上定位于驱动线圈212的远侧。接近度线圈216如此定位，以致于能够充当感应式拾波线圈，从而基于磁通254a、254b上的改变，发射接近度信号252，其中，接近度信号252表示间隙224。
能够通过有线或无线连接而向控制器204(例如，接收器256)传送接近度信号252。作为示例，无线通信装置(诸如，RF发射器)能够与传感器头202集成(例如，接近于感测线圈214)，以向与控制器204集成的RF接收器发射信号。接收器256能够包括如下的电子构件(例如，放大器、滤波器等)，其能够在向处理器246发射接近度信号252之前，调节接近度信号252。在其它实施例中，扭矩信号248能够在由处理器246处理之后被调节。
就在从接近度线圈216接收接近度信号252之后，处理器246能够处理接近度信号252，且确定间隙224。即，处理器246能够运行存储器250中的预先存储且/或由用户定义的算法，以运算间隙224的大小。然而，单独地采用接近度信号252来确定间隙224的方案可能损害间隙测量值的准确度。如上文所讨论的，磁通254a、254b可能受目标222的电磁性质和间隙224两者影响。在一个方面，目标222的电磁性质可能由于所施加的力(例如，扭矩、弯曲、推力等)而变化。在另一方面，目标222的电磁性质可能由于目标222的化学成分上的不均匀性而变化(即，电磁跳动)。这些不均匀性可能由目标222的表面处锈的形成或其它化学反应引起。
为了解决这一问题，扭矩信号248a、248b能够与接近度信号252组合，以提供调整或改进的接近度信号，其能够独立于目标222的电磁性质并且其能够比接近度信号252更准确地表示间隙224。如在下文中详细地讨论的，由于感测线圈214a、214b的对称性和驱动线圈212所生成的磁通的空间分布，因而能够完成该调整。
图3示出传感器头202，其更详细地图示磁通254a、254b。为了清楚起见，省略壳体206。如图所示，能够基于磁通254a、254b的空间分布，将磁通254a、254b划分为不同的分量(例如，Φ1、Φ'1、Φ2、Φ'2、Φ3以及Φ'3)。磁通分量中的每个能够取决于目标222的电磁性质(在下文中，可互换地称为δ)、间隙224(在下文中，可互换地称为g)或两者。δ能够表示扭矩所引起的应力、变化的磁导率和/或电导率(例如，电磁跳动)的影响。
磁通Φ1和Φ'1能够形成环路，其经过核心210(例如，相应地，底座232、驱动磁极234以及感测磁极236a、236b)、间隙224以及目标222。结果，磁通Φ1和Φ'1能够各自为目标222的电磁性质和间隙224两者的函数。在符号上，磁通Φ1和Φ'1能够由方程Φ1 = f1(δ，g)和Φ'1 = f'1(δ，g)表示，其中，f1和f'1相应地是Φ1和Φ'1对g的函数相关式。
磁通Φ2和Φ'2能够形成环路，其经过核心210(例如，相应地，底座232、驱动磁极234以及感测磁极236a、236b)和间隙224，但未经过目标222。因而，磁通Φ2和Φ'2 具有与磁通Φ1和Φ'1不同的空间分布，这致使磁通Φ2和Φ'2仅取决于间隙224的值。在符号上，磁通Φ2和Φ'2能够由方程Φ2 = f2(g)和Φ'2 = f'2(g)表示，其中，f2和f'2相应地是Φ2和Φ'2对g的函数相关式。
磁通Φ3和Φ'3能够形成环路，其经过核心210的一部分(例如，底座232和驱动磁极234)和间隙224，但未经过感测磁极236a、236b或目标222。结果，磁通Φ3和Φ'3能够仅为g的函数。然而，由于磁通Φ3和Φ'3具有与磁通Φ2和Φ'2不同的空间分布，因而磁通Φ3和Φ'3采取不同的值。在符号上，磁通Φ3能够由方程Φ3 = f3(g)和Φ'3 = f3(g)表示，其中，f3和f'3是Φ3和Φ'3对g的函数相关式。
由于其在感测磁极236a上的位置，导致扭矩信号248a能够产生于由磁通Φ1和Φ2在感测线圈214a内感应的电压。因而，扭矩信号248a(在下文中，称为U1sense)能够在符号上表示为与磁通Φ1和Φ2的总和成比例的函数，其由U1sense=a(Φ1+Φ2)给定，其中，a是比例常数。
由于其在感测磁极236b上的位置，导致扭矩信号248b能够产生于由磁通Φ'1和Φ'2在感测线圈214b内感应的电压。因而，扭矩信号248b(在下文中，称为U2sense)能够在符号上表示为与磁通Φ'1和Φ'2的总和成比例的函数，其由U2sense=a(Φ'1+Φ'2)给定。
由于其在驱动磁极234上的位置，导致接近度信号252能够产生于由磁通Φ1、Φ'1、Φ2、Φ'2、Φ3以及Φ'3在接近度线圈216内感应的电压。因而，接近度信号252(在下文中，称为Uprox)能够在符号上表示为与磁通Φ1、Φ'1、Φ2、Φ'2、Φ3以及Φ'3的总和成比例的函数，其由Uprox=b(Φ1+Φ'1+Φ2+Φ'2+Φ3+Φ'3)给定，其中，b是比例常数。
能够假定，由于感测磁极236a、236b相对于驱动磁极234的对称性，导致U1sense大致等于U2sense。另外，能够以数字方式或通过扭矩传感器和接近度传感器的电子器件，将比例常数a和b设置为相等。
基于这些假定，控制器204(例如，处理器246)能够使用扭矩信号248a、248b和接近度信号252来确定调整或改进的接近度信号Uprox_imp，其仅取决于g。作为示例，处理器246能够从U1sense和U2sense的总和(扭矩信号248a、248b的总和)减去Uprox(接近度信号252)。即，控制器204能够使U1sense、U2sense以及Uprox以这样的方式组合，以致于排除取决于δ的函数，仅留下取决于g的函数。
Uprox_imp=U1sense+U2sense–Uprox
Uprox_imp=a(Φ1+Φ2)+a(Φ'1+Φ'2)–b(Φ1+Φ'1+Φ2+Φ'2+Φ3+Φ'3)
Uprox_imp=a(Φ1+Φ2)+a(Φ'1+Φ'2)–a(Φ1+Φ'1+Φ2+Φ'2+Φ3+Φ'3)
Uprox_imp=a(Φ3+Φ'3)=f4(g)
就在确定改进的接近度信号Uprox_imp之后，处理器246能够运行存储器250中的预先存储且/或由用户定义的算法，以处理改进的接近度信号Uprox_imp和扭矩信号248a、248b，并且，确定间隙补偿的扭矩测量值，其在仅基于扭矩信号248a、248b的扭矩的测量值或由接近度信号252补偿的扭矩的测量值之上被改进。
虽然图2的传感器头图示间隙补偿式扭矩感测***200，其包括具有两个感测磁极236a、236b的核心210，但核心的备选的实施例能够包括任何不同数量的感测磁极(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10)(如果感测磁极中的至少两个相对于驱动磁极而对称地布置)，并且，包括感测线圈，以促进确定改进的接近度信号Uprox_imp，则。
作为示例，图4是核心400的示范性的实施例的顶视图，核心400适合于与间隙补偿式扭矩感测***200一起使用。如图所示，核心400能够包括交叉轴线式轭402，交叉轴线式轭402具有交叉轭部分404和四个底座406a、406b、406c、406d。底座406a、406b、406c、406d能够以允许每个底座如本文中所描述地操作的任何配置和任何长度，在一平面上从交叉轭部分404径向地向外延伸。底座406a、406b、406c、406d能够以某一个角成角度地间隔开，该角在大约10度至135度(例如，10度、20度、30度、40度、45度、60度、75度、90度、120度、135度或以上的任何组合)的范围内变动。如图4中所示，底座406a、406b、406c、406d能够以大致90度成角度地间隔开。传感器头和扭矩传感器的另外的实施例在美国专利号9618408中讨论，该专利的整体通过引用而特此并入。
图5是图示方法500的示范性的实施例的流程图，方法500用于使用本文中所讨论的任何感测***来测量目标(例如，222)的力(例如，扭矩)和接近度。在下文中，与图2的间隙补偿式扭矩感测***200结合而描述方法500。然而，方法500不限于与间隙补偿式扭矩感测***200一起使用，并且，方法500能够与任何磁致伸缩式扭矩传感器一起采用。在某些方面，方法500的实施例能够包括比图5中所图示的操作更多或更少的操作，并且，能够按与图5中所图示的顺序不同的顺序执行。
在操作502中，间隙补偿式扭矩感测***(例如，200)能够定位成接近于目标(例如，222)。如上文所讨论的，间隙补偿式扭矩感测***200能够包括扭矩传感器和接近度传感器。
在操作504中，能够通过间隙补偿式扭矩感测***200(例如，通过驱动线圈212)而生成磁通。所生成的磁通的第一部分能够指引通过驱动磁极234、感测磁极236、间隙224以及目标222中的每个(例如，Φ1和Φ2)。所生成的磁通的第二部分能够指引通过驱动磁极234、感测磁极236以及间隙224，但未指引通过目标222(例如，Φ2和Φ'2)。所生成的磁通的第三部分能够指引通过驱动磁极234和间隙224，但未指引通过感测磁极236a、236b或目标222(例如，Φ3和Φ'3)。
在操作506中，表示所生成的磁通与目标222和/或间隙224的净交互(netinteraction)的磁通能够由扭矩传感器(例如，感测线圈214a、214b)和/或接近度传感器(例如，接近度线圈216)感测。作为示例，第一磁通(例如，Φ1和Φ'1)能够由扭矩传感器和接近度传感器感测，并且，第一磁通能够表示所生成的磁通与目标222和间隙224的净交互。第二磁通(例如，Φ2和Φ'2)能够由扭矩传感器和接近度传感器感测，并且，第二磁通能够表示所生成的磁通与单独地间隙224的净交互。第三磁通(例如，Φ3和Φ'3)能够由接近度传感器感测，并且，第三磁通能够表示第一磁通的第三部分与单独地间隙224的净交互，其中，第一磁通的第三部分由接近度传感器(例如，接近度线圈216)感测，而并非由扭矩传感器感测。
在操作510中，能够基于扭矩传感器所感测的第一和第二磁通，由扭矩传感器输出第一信号(例如，扭矩信号248a、248b)。
在操作512中，能够基于接近度传感器所测量的第一、第二和第三磁通，由接近度传感器输出第二信号(例如，接近度信号252)。第二信号能够取决于目标222的所选择的部分(例如，220)之间的间隙和目标222的电磁性质两者。
在操作514中，能够由第一信号248a、248b，确定对目标222施加的扭矩。
在操作516中，能够由第一信号248a、248b和第二信号252，确定改进的间隙测量值。改进的间隙测量值能够大致独立于目标222的电磁性质。即，改进的间隙测量值能够基本上仅取决于间隙224。
在操作520中，能够基于由第一信号和改进的间隙测量值确定的扭矩估计值，确定对目标222施加的间隙补偿式扭矩。
经由非限制性的示例，本文中所描述的方法、***以及装置的示范性的技术效果包括用于扭矩测量值的补偿的改进的间隙估计。将一个或多个接近度传感器集成到力感测***(例如，扭矩感测***)中能够减小由于目标的电磁跳动和/或对目标施加的负载而导致的在扭矩测量值上的误差。在未校正接近度信号的情况下，由于目标的电磁跳动和对目标施加的任何负载而导致的残差能够高达全幅(或称为满标，即full-scale)扭矩信号的大约±40%。对于上下文，许多扭矩感测应用能够要求全幅扭矩信号的大约±5%的残差。因而，提供改进的接近度信号的能力能够帮助实现该期望的准确度。
能够在模拟电子电路***、数字电子电路***中，且/或在计算机软件、固件或硬件(包括本说明书中所公开的结构部件及其结构等效物)中，或在这些器件的组合中，实现本文中所描述的主题。本文中所描述的主题能够实现为一个或多个计算机程序产品，诸如，一个或多个计算机程序，其在信息载体中(例如，在机器可读存储装置中)有形地体现，或在所传播的信号中体现，以供数据处理设备(例如，可编程处理器、一个计算机或多个计算机)运行，或控制该数据处理设备的操作。计算机程序(也称为程序、软件、软件应用或代码)能够以任何形式的编程语言(包括编译或解释型语言)编写，并且，计算机程序能够以任何形式(包括作为独立型程序，或作为模块、构件、子例行程序或适合于在计算环境下使用的其它单元)部署。计算机程序不一定对应于文件。程序能够存储于文件的保存其它程序或数据的一部分中、致力于讨论中的程序的单个文件中或多个协调文件(例如，存储一个或多个模块、子程序，或代码的多部分的文件)中。计算机程序能够部署为在一个计算机上运行，或在一个位点处的多个计算机上运行，或分布于多个位点之间，且通过通信网络而互连。
本说明书中所描述的过程和逻辑流(包括本文中所描述的主题的方法步骤)能够由一个或多个可编程处理器执行，这些可编程处理器运行一个或多个计算机程序，以通过在输入数据上操作，且生成输出，从而执行本文中所描述的主题的功能。过程和逻辑流还能够由专用逻辑电路***(例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))执行，并且，本文中所描述的主题的设备能够实现为该专用逻辑电路***。
适合于运行计算机程序的处理器经由示例而包括通用和专用微处理器两者以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。大体上，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元素是用于运行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器装置。大体上，计算机将同样地包括一个或多个用于存储数据的大容量存储装置(例如，磁盘、磁光盘或光盘)，或可操作地耦合，以从大容量存储装置接收数据，或将数据传输到大容量存储装置，或两者。适合于体现计算机程序指令和数据的信息载体包括所有的形式的非易失性存储器，其经由示例而包括半导体存储器装置(例如，EPROM、EEPROM以及闪速存储器装置)；磁盘(例如，内置硬盘或可移动盘)；磁光盘；以及光盘(例如，CD和DVD盘)。处理器和存储器能够由专用逻辑电路***补充，或并入于专用逻辑电路***中。
为了为与用户的交互作准备，本文中所描述的主题能够在计算机上实现，该计算机具有：显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器)，用于对用户显示信息；以及键盘和定点装置(例如，鼠标或跟踪球)，用户能够借以向计算机提供输入。其它种类的装置同样地能够用于为与用户的交互作准备。例如，向用户提供的反馈能够是任何形式的感官反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)，并且，来自用户的输入能够以任何形式(包括听觉、语音或触觉输入)接收。
能够使用一个或多个模块来实现本文中所描述的技术。如本文中所使用的，术语“模块”指计算软件、固件、硬件和/或以上的各种组合。在最低限度下，然而，模块并非将解释为并非在硬件、固件上实现的软件，或记录于非暂时性处理器可读可记录存储介质(即，模块本身不是软件)。实际上，“模块”将解释为始终包括至少一些非暂时性物理硬件(诸如，处理器或计算机的一部分)。两个不同的模块能够共享同一物理硬件(例如，两个不同的模块能够使用同一处理器和网络接口)。能够使本文中所描述的模块组合、集成、分离且/或重复，以支持各种应用。同样地，代替在具体的模块处执行的功能或除此之外，在本文中描述为在具体的模块处执行的功能能够在一个或多个其它模块处且/或由一个或多个其它装置执行。而且，能够跨本地的或彼此远离的多个装置和/或其它构件实现模块。另外，模块能够从一个装置移动，且添加到另一装置，且/或能够包括在两个装置中。
本文中所描述的主题能够在计算***中实现，该计算***包括后端构件(例如，数据服务器)、中间件构件(例如，应用服务器)或前端构件(例如，客户端计算机，该客户端计算机具有图形用户界面或web浏览器，用户能够通过图形用户界面或web浏览器而与本文中所描述的主题的实现方案交互)或这样的后端、中间件和前端构件的任何组合。***的构件能够通过数字数据通信(例如，通信网络)的任何形式或介质而互连。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)(例如，互联网)。
如在本文中在整个说明书和所有的权利要求中使用的近似语言可以应用于对能够获准地变更而不导致相关的基本功能的变化的任何定量表示进行修改。因此，以(若干)术语(诸如，“大约”、“近似地”和“基本上”)修正的值不限于精确的指定值。在至少一些实例中，近似语言可以与用于对该值进行测量的仪器的精度相对应。在此，且在整个说明书和所有的权利要求中，可以将范围限制组合且/或互换；除非上下文或语言另有指示，否则这样的范围被确定，且包括其中所包含的所有的子范围。
本领域技术人员将基于上述的实施例，意识到本发明的另外的特征和优点。因此，除了如所附权利要求所指示的内容之外，本申请并非受限于已具体地示出且描述的内容。本文中所引用的所有的公布和参考都通过引用而以其整体明确地并入。

Claims (17)

1.一种磁致伸缩式传感器，包含:
传感器头，包括：
驱动磁极，其具有耦合到该驱动磁极的驱动线圈，该驱动线圈配置成响应于驱动电流生成磁通；
两个磁传感器，其耦合到相应的感测磁极，并且，各自配置成至少基于由所述两个磁传感器感测的第一磁通和第二磁通，输出第一信号，所感测的所述第一磁通产生于所生成的所述磁通与目标、所述传感器头和所述目标之间的间隙的交互，并且，所感测的所述第二磁通产生于所生成的所述磁通与所述间隙的交互；以及
接近度线圈，其耦合到所述驱动磁极，该接近度线圈配置成至少基于所述第一磁通、所述第二磁通以及由所述接近度线圈感测的第三磁通，输出第二信号，所述第三磁通产生于所生成的所述磁通与所述间隙的交互；
控制器，该控制器与所述传感器头电通信，并且，配置成，
接收所述第一信号和所述第二信号；
基于所述第一信号，确定对所述目标施加的力；
基于所述第一信号和所述第二信号，确定所述间隙；以及
基于由所述第一信号和所述第二信号确定的所述间隙，调整由所述第一信号确定的所述力。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述力是扭矩。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述两个磁传感器相对于所述驱动磁极而大致对称地布置。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所感测的所述第三磁通大致独立于所述目标的电磁性质。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第二和第三磁通避免冲突于所述目标。
6.一种利用如权利要求1-5的任一项所述的磁致伸缩式传感器实施的接近度感测方法，包含：
生成贯穿第一区域、第二区域以及第三区域的磁通，所述第一区域包括目标、一对第一传感器以及第二传感器，所述第二区域包括所述一对第一传感器和所述第二传感器，并且，所述第三区域包括所述第二传感器；
由所述一对第一传感器对第一磁通和第二磁通的组合进行测量，其中，所述第一磁通产生于所生成的磁通与所述目标的交互，所述第二磁通产生于所生成的磁通与所述第二传感器和所述目标之间的间隙的交互；以及
由所述第二传感器对所述第一磁通、所述第二磁通以及第三磁通的组合进行测量，所述第三磁通产生于所生成的磁通与所述间隙的交互。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括，
基于所述一对第一传感器所测量的所述第一和第二磁通以及所述第二传感器所测量的所述第一、第二和第三磁通的组合，确定所述第三磁通；和
基于所述第三磁通，确定所述间隙。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第三磁通大致独立于所述目标的电磁性质。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二和第三磁通避免冲突于所述目标。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一和第二传感器中的每个是感应式传感器，其配置成基于相应地贯穿所述传感器的磁场而输出信号。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，所述一对第一传感器相对于所生成的所述磁通的起源大致对称地定位。
12.一种利用如权利要求1-5的任一项所述的磁致伸缩式传感器实施的感测方法，包含：
利用驱动线圈来生成磁通，其中，该驱动线圈耦合到磁致伸缩式扭矩传感器的驱动磁极；
至少基于由两个磁传感器感测的第一磁通和第二磁通，由所述两个磁传感器输出第一信号，其中，这两个磁传感器耦合到所述磁致伸缩式传感器的相应的感测磁极，所感测的所述第一磁通产生于所生成的所述磁通与目标、所述磁致伸缩式扭矩传感器和所述目标之间的间隙以及所述两个感测磁极的交互，并且，所感测的所述第二磁通产生于所生成的所述磁通与所述间隙和所述两个感测磁极的交互；以及
至少基于所述第一磁通、所感测的所述第二磁通以及由接近度线圈感测的第三磁通的组合，由所述接近度线圈输出第二信号，其中，该接近度线圈耦合到所述驱动磁极，所述第三磁通产生于所生成的所述磁通与所述间隙的交互。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括，
基于所述第一信号，确定对所述目标施加的扭矩；
基于所述第一信号和所述第二信号，确定所述间隙；以及
基于由所述第一信号和所述第二信号确定的所述间隙，调整由所述第一信号确定的所述扭矩。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述力是扭矩。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述两个磁传感器相对于所述驱动磁极而大致对称地布置。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所感测的所述第三磁通产生于所生成的所述磁通仅与所述间隙的交互。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二和第三磁通避免冲突于所述目标。
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