CN1102253A - 具有均衡装置的线性位置传感器 - Google Patents

Abstract

具有均衡装置的线性位置传感器。本装置可以 检测出液压缸的直线延伸长度、速度和加速度。该液 压缸形成一长度可变的同轴谐振腔。在控制器的控 制下，一射电发送部分及一射电接收部分用于测定腔 的谐振频率。该接收部分包括一比较电路用以提高 传感器的灵敏度及消除对液压缸谐振频率的虚假检 测、液压缸的直线延伸长度是作为谐振频率的函数而 测定的。

Description

本发明总的说来涉及一种测定在缸体内或缸筒内活塞和活塞杆位置的装置，更具体地说是涉及一种采用射电频率信号测定活塞位置的装置。

在液压缸的领域里，人们提出了用电气方法探测及显示液压缸部件的位移或利用液压缸部件的位移来进行控制的种种***。传统的传感器有不少严重的缺点，部分是因为传统的传感器安装难度较大以及传感器所处的环境条件比较苛刻。在重型装备工业中液压***所用的传感器由于工作环境较差更容易受到损害。液压缸通常都设置在受到保护比较少的地方而且受到诸如高的g力，比较大的温差变化，尘埃，水，碎屑等的影响，这些不利环境很有可能导致电气及机械方面的故障。

为重型装备工业提供适用的传感器的一种途径是使用射频信号。1988年4月12日授予Bitar等人的美国专利4，737，705中揭示了这样一种***。Bitar等人的***把一个斜坡射频信号送入一个由液压缸组成的同轴谐振腔。当液压缸的谐振频率发送出去时，接收天线所接收到的信号达到峰值，该谐振频率与液压缸的线性延伸长度有一一的对应关系，因此，通过测定液压缸的谐振频率，就可以测出液压缸的延伸长度。所接收的信号的峰值是通过与一阈值相比较而加以检测的。然后，谐振频率是通过修改所发射的信号的测得频率以调整阈值和实际峰值之间的差异而决定的。这个调节对位置的测定带来了误差，因为所发射信号和实际谐振频率之间的差异是随着液压缸的谐振频率，阈值的精确度以及液压缸尺寸和形状的不同而不同的。

所发送的信号的频率是通过测定所发送的信号的若干循环的周期而测定的。当达到阈值时，Bitar等人的***就使该频率保持恒定。这也增加了产生误差的可能性，因为液压缸的延伸长度是有可能变化的，从而也改变了腔的谐振频率。此外，误差还可能由***的噪声以及信号发射机的频率漂移所引起。

而且，传感器的电气部件的制造容差也可能造成误差。例如，所接收到的信号及阈值通常都只有几十毫伏，而电气部件的制造容差的变化可能造成几百毫伏的差异或误差，这些变化所造成的噪声以及其他来源的噪声都可能导致谐振频率检测时的误触发。

本发明的目的旨在克服上述一个或多个所存在的问题。

本发明的一个方面是提供检测在液压缸的缸体或缸筒内移动的活塞及活塞杆的线性位置的装置。本装置向液压缸内发送一个电磁信号并检测液压缸内的此电磁波信号，然后将此电磁波信号与一个预定的恒定量进行比较。本装置以液压缸的延伸长度作为频率信号的函数而测定液压缸的延伸长度。

图1是根据本发明的一个实施例的一射频线性位置传感器的方框图，图中的传感器包括三个部分：一发射部分，一接收部分和一控制部分;

图2是图1所示实施例的射频线性位置传感器的较详细的功能方框图;

图3是图2接收部分的电气示意图。

现请参阅图1。图中，本发明的装置102可以测定通常的液压汽缸108的活塞104及其活塞杆106的位置。本发明的装置102也可以用来测定活塞104及其活塞杆106的速度及加速度。液压汽缸的线性延伸长度可以用多种装置及方法通过使用射频信号进行测定。

活塞杆106的总长度是L_T，它可以在液压缸108的缸体或缸筒110内移动。活塞杆106和缸体110组成一个可变的同轴腔112。

该同轴腔112的长度L_C，等于总长度L_T减去活塞杆106伸在外面部分的长度L_E加上缸筒110端壁的厚度。因此，测定了空腔112的长度L_C以后，就可以直接得出延伸在外面的杆的长度L_E，作为活塞杆106延伸长度的指示值。本发明的装置102检测活塞104及活塞杆106相对于缸体110的位置的目的是直接显示所检测到的位置或用于控制例如建筑工业施工车辆工作台的位置的***中。

本装置的信号发射部分114产生一电磁信号并将此电磁信号发送到同轴的谐振腔112中。该电磁信号的频率可在一预定最小和最大值之间变化。例如可在50兆赫到1.6千兆赫之间变化。信号发射部分114包括一耦合单元122，该耦合单元122可以包括一天线，一电场或磁场探头或直接和活塞杆106相连接，最好该耦合单元122是一个环行天线，环行天线122可以从缸筒头或缸筒壁进入空腔。在本发明的一个实施例中，环形天线122进入空腔112并与缸体或缸筒110的侧壁的内表面或缸筒头电气相连。在另一个实施例中，该环形天线122进入空腔112并与活塞杆106电气相连。

本发明的接收部分116从同轴腔112内部检测电磁波信号。接收部分116检测所接收的信号和一阈值之间的斜坡相交或相截条件并响应于对应具有所述斜坡条件的电磁信号的频率而产生一频率信号。所述斜坡相交或相截条件是指检测出的电压-频率曲线与阈值电压之间的相交或相截。

在本发明的一个实施例中，接收部分116检测一个正的斜坡相截条件之后相应地产生一个第一频率信号，然后再检测一个负的斜坡相截条件，同时相应地产生一第二频率信号。正的斜坡相交或相截条件发生在谐振的低频侧，负的斜坡相交或相截条件发生在谐振的高频侧。

在又一个实施例中，接收部分116检测出电磁波信号的一个斜坡相交或相截条件，然后跟踪斜坡相交或相截条件的频率，并相应地产生一第一频率信号。所述接收部分116包括一接收耦合单元120。该接收耦合单元120最好是一如上所述的环形天线。

本发明的控制部分118接收频率信号并相应地测定活塞和活塞杆104、106的位置。此外，控制部分118还包括测定活塞及活塞杆104，106的速度和加速度的装置。

所述同轴谐振腔112具有类似于短的同轴传输线的响应特性。液压缸108包括一导电环（图中未画出）以提供缸体110及活塞杆106之间的电气连接。

当腔体112被射电信号激发时，除了谐振频率附近以外，它具有高的***损失，更具体地说，如果空腔112的长度L_C是传送到同轴腔112内的信号的半波长的整数倍，部分射频线就与腔体112发生耦合，激发出一横向电磁场（TEM），所谓横向电磁场就是沿着同轴腔112传输的两个波的叠加。腔112中存在的这种随时间变化的电磁场使接收耦合单元120检测出一个同频率的信号。每个整数倍都是一个谐波或谐振频率。

理想的同轴腔的谐振频率由下式给出：

f_res= (n)/2 ｜ (C)/((E_r)^1/2) × 1/(L_c) ｜式1 （n＝1，2，3……）

式中，C＝3×10¹⁰cm/s，f_res是激励频率，E_r是腔内流体的相对介电常数。第一谐波相应于n＝1，第二谐波相应于n＝2，等等。

同轴腔体112的谐振频率与上述理想方程给出的谐振频率是不完全相同的，因为腔体112的几何形状可以发生偏差，此外也与实际的耦合结构的效果有关。但是，在腔体112的实际谐振频率和液压缸缸体L_C的长度之间存在一一对应关系，它与理想腔体的偏差可通过对每一类液压缸进行校准来加以解决。

在本发明的一个实施例中，位置测定部分118通过测定同轴谐振腔112的谐振频率而测出活塞和活塞杆104及106的位置。同轴谐振腔112的谐振频率是频率信号的一个函数。在较佳实施例中，通过测量周期来测定具体的频率。

例如，在一个实施例中，接收部分116跟踪正斜坡相交或相截的频率。该频率然后加以调整以把阈值与实际谐振之间的差异考虑进去。调整以后的值然后被用作同轴腔112的谐振频率。

在另一个实施例中，谐振频率的周期是作为第一、第二频率信号（分别对应于正和负的斜坡相截或相交条件）的函数而测定的，它的一般表达式是：

P_res＝f（P₁，P₂） 方程式2

式中，P₁，P₂是相应于第一、第二频率信号f₁，f₂的测得周期。在一个实施例中，谐振频率的周期由下式给出：

P_res＝（P₁+P₂）/2 方程式2A

在另一个实施例中，谐振频率的周期由下式给出：

 式中Pu是基于缸筒尺寸及位置的参数

现请参阅图2。图中示出了根据本发明较佳实施例的信号发送部分114及信号接收部分116的方框示意图。信号发送部分包括第一和第二电压控制振荡器（VCO）202，204，一平衡混合器206对第一和第二VCO202，204的输出进行混合，一低通滤波器208将混合器206的输出连接到发射耦合单元122，必要的话，可以加一只射频放大器（图中未画出）以放大低通滤波器208的输出。

接收部分116包括一射频放大装置212，用以放大来自接收合耦合单元120的信号。该放大装置包括均衡所接收到的电磁信号的装置，该均衡装置可以补偿相对于液压缸108频率及其他射频电路的***损失的变化。该均衡装置可以使所接收到的信号与一恒定的阈值进行比较。

在较佳实施例中，均衡装置116的增益在由最大和最小值所限定的频率范围内基本上等于谐振附近的液压缸100的增益（损失）的倒数。均衡装置116的增益在电磁信号的频率接近最大值时接近于预定的最小值。

一预定标器210对低通滤波器208的输出频率进行定标。在较佳实施例中，预定标器210将低通滤波器208的输出频率除以256，相应地产生一频率信号。

装置214接收射频放大器/均衡器212的输出信号相应地产生一个表明电磁波信号幅值的信号。

放大装置216放大检测装置214的输出，并与一预定值或阈值V_TH进行比较。

一反相/非反相放大装置218对放大器/均衡器210的输出信号进行放大并提供一反相输出及一非反相输出。

一积分装置220对反相/非反相放大器218的输出进行积分。

装置222接收来自控制装置118的控制信号，并改善信号的质量，即加以滤波并降低噪声。

一开关装置224在放大器216的反相及非反相输出之间进行开关转换。

一锁定检测装置226在发生频率锁定情况时给控制装置118发出信号通知该控制装置。

所述控制装置118包括一传感器控制器228及一计数装置230。在较佳实施例中，传感器控制器228是用微处理器制成的。一种合适的微处理机可以从ILLinois州Roselle莫托洛拉公司购得，该微机的商品号是MC68HC11。在较佳实施例中，微处理可以接收来自计算装置230的信息，测定活活塞及塞杆104，106的位置，速度及加速度，并把数据传送给外部用户。

例如，在建筑工业施工车辆用的自动定位***中，活塞、活塞杆104，106的位置和/或速度和/或加速度用来控制施工车辆的连杆的位置及移动。

通常是使用一另外的、单独的控制***的。

在较佳实施例中，计数装置230对预定标器210的输出脉冲进行计数，在一较佳实施例中，所述计数装置230包括一闩锁或触发器232，一第一计数器234，一第二计数器236以及一与门逻辑电路238如图所示。

现请参见图3。图中示出了接收部分116的电路示意图。控制装置118通过控制线C1及C2控制接收部分116的运行。C1是一条复位线而C2则设置对正负斜坡相交或相截的探测，C1的信号是复位信号，它使装置102复位于位置/速度/加速度测定。第一电阻器301把接收耦合单元120连接到第1电容器304。第二和第三电阻器302，303把第一电阻器301的两端接地。第一电容器304连接到第一放大器306的输入端。一第二电容器307把第一放大器306的输出接地。一第四电阻器308把第一放大器306的输出连接到正的24伏电压上。

均衡装置214包括一均衡电路310。在较佳实施例中，均衡电路310包括一第一NPN晶体管311。串联的一第五电阻器312及一第三电容器313把第一NPN晶体管311的集电极与基极相连，一第六电阻器314则把该集电极接到+24伏电压上。串联的第七和第八电阻器315，316把第一NPN晶体管311的发射极接地。第一电感317及第四电容器318与第七及第八电阻器315，315并联如图所示。第五电容器319把均衡电路310连接到检测装置214的其余部分。第五电阻312及第三电容器313组成第一电压增益部分X_c，第七电阻器315及第一电感317组成第二电压增益部分X_e。均衡装置212的总电压增益近似等于X_c/X_e

比较装置216包括接收一表明复位条件的复位信号的装置，接收均衡装置214的输出，在没有复位信号时相应地产生一频率锁定信号。

比较装置216还包括检测电磁波幅值的装置并相应地产生一所检测的信号产生的检测的信号的装置包括倍压整流装置以提高比较装置216的灵敏度。

倍压整流装置包括一第一肖特基势垒二极管320，此二极管连接在第五电容器319及接地线之间。一第二肖特基势垒二极管321连接到第一肖特基二极管320的阳极，第二肖特基势垒二极管321的阳极通过第9电阻器322连接到第一比较装置216，一第六电容器323把第二肖特基势垒二极管321及第九电阻器322之间的接点接地。

比较装置还包括一自动无测得基线电路或自归零装置388，该自归装置388包括一第四运算放大器364。

比较装置216还包括把检测得信号与阈值比较的装置。所述比较装置216包括一第一运算放大器326以及一第十电阻器328。该第十电阻器328把第一运算放大器326的输出连接到第一运算放大器326的负的输入端。第十一电阻器330把该负的输入端连到+2伏电源。

反相/不反相放大装置218包括一第二运算放大器332。第十二电阻器334把第二运算放大器332的输出连接到运算放大器332的负的输入端。一第十三电阻器336把第一运算放大器326的输出连接至第二运算放大器332的负输入端。第二运算放大器332的正输入端连接到0.6伏电源上。一第十四电阻器338把第一运算放大器326的输出与积分装置220相连接。一第一齐纳二极管340把第一运算放大器326的输出接地。

所述第二运算放大器332的输出连接到第一开关344的输出端，第一开关344的控制端通过一第七电容器346连接到积分装置220。第一开关344的输入端通过一第十五电阻器348连接到积分装置220。

该积分装置220包括一第三运算放大器350，一第八电容器352把第三运算放大器350的输出连接到运算放大器350的负的输入端。第三运算放大器350的正的输入端连到0.6伏电源上。

锁定检测装置226包括一窗比较器355。在较佳实施例中，窗比较器355包括第一和第二比较器356，357。第一比较器356的负输入端连到0.4伏电源。第二比较器357的正输入端连到0.8伏电源。第一比较器356的正的输入端和第二比较器357的负的输入端连接到第一运算放大器326的输出端。

开关装置224包括第二及第三开关360，362。第二及第三开关360，362的控制端连接到噪声降低装置222。第二开关360的输入端接地。第二开关360的输出端连接到第三运算放大器350的负的输入端上。

第三天关362的输入端通过一第十六电阻器连接到第四运算放大器364的负的输入端上。第三开关362的输出端连到第一运算放大器的输出端。第四运算放大器364的正的输入端连接到1伏电源。第四运算放大器364的输出通过一第九电容器368连接到它的负的输入端。第四运算放大器364的输出还通过第十七电阻器370连接到第一运算放大器的正的输入端上。

降低噪声装置222包括第三和第四比较器372，374。第三和第四比较器372、374的正的输入端连接到+5伏电源。一第十八电阻器376把第三比较器372的负的输入端连接到一复位输入线。一第九电阻器378把该复位输入线连接到+20伏电源上。一第十电容器380把第三比较器372的负的输入端接地。第十二电阻器382把第四比较器374的负输入端接到斜坡输入线。一第二十一电阻器384把斜坡输入线连接到+20伏电源。一第十一电容器386把第四比较器374的负输入端接地。

传感器控制器228通过控制线C1及C2控制传感器102的工作。

工业上的应用。请参阅附图。在运行时，射频线性位置传感器102可以测定液压缸108的线性延伸长度，速度及加速度，用以为外部控制***提供反馈信息。

外部控制***利用来自各传感器的多个有关液压缸的信息。每个传感器包括一发射部分，一接收部分和一控制部分。然而传感器的这种控制装置可以是设置在同一微处理机内母控制或主控制装置的一部分。

该微处理机最好在一次控制环路期间测定一次液压缸的位置、速度及加速度。该控制环路一般以微秒计，例如20微秒。

每个传感器都将在同一时刻开始工作。当检测到一斜坡相交或相截条件并测出周期后，控制器将对计数器进行读出。在每一循环以后，控制器将计算出每一液压缸的位置、速度及加速度并把测得的数据储存在存储器内。

接收部分包括一比较装置216，用以接收来自液压缸内部的电磁波信号。该比较装置216包括接收一复位信号及响应液压缸的谐振频率及不存在复位信号而产生一频率锁定信号。这样就可以消除误检液压缸谐振频率的可能性。

现在请参见图3。第一运算放大器326把检测得的信号与阈值信号进行比较。第一运算放大器在正输入端的信号大于阈值（在负输入端的信号）时，检测谐振频率。

在复位时，在探测器二极管320，321处不存在检测到的信号。自归零装置388起而把第一运算放大器326正输入端的电压调节到2伏且把第一运算放大器的电压输出调节到1伏。这样，不论二极管的偏压、温度漂移如何，都能自动地置位于无检测到信号时的基线电压，从而避免了与此有关的直流误差。自归零装置388可以使传感器工作于比二极管偏置电压小得多的检测电压。

本发明的其他方面，目的及优点可以通过仔细阅读附图，说明书及所附权利要求书而达到更好的了解。

Claims (12)

1、一种可以检测出在液压缸缸筒内移动的活塞、活塞杆的线性位置的装置，该装置包括：

产生一电磁波信号并将电磁波信号发送到液压缸内的部分，该电磁信号具有可在预定的最小值和最大值之间变化的频率；

探测所述液压缸内电磁波信号并相应产生一放大后的信号的装置；

接收表明复位条件的复位信号的接收部分，它接收放大后的信号，把该放大后的信号与一预定的恒定值进行比较并且在没有复位信号的情况下相应地产生一频率锁定信号；

接收所述频率锁定信号并进而测定活塞和活塞杆的位置的装置。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述活塞、活塞杆和缸筒形成一长度可变的同轴腔，发送入该同轴腔体内的是横向电磁波信号。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述位置测定装置包括测定所述同轴腔的谐振频率的装置，其中活塞和活塞杆的位置是作为所述谐振频率的函数而测定的。

4、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述比较装置包括检测所述电磁波信号幅值以及相应地产生一检测到的信号的装置。

5、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述比较装置包括一运算放大器，所述产生频率锁定完信号的装置与所述运算放大器的输入端相连。

6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述比较装置包括一运算放大器，所述运算放大器通过一电阻器与所述运算放大器的正输入端相连。

7、如权利要求1所述的装置，其特征在于，产生频率锁定信号的装置包括：

一运算放大器;

一连接到所述运算放大器的负输入端的开关，该开关可接受复位信号;

一电容器，它连接在所述运算放大器的负输入端和输出端之间;

其中所述运算放大器的输出端连接到所述比较装置上。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述比较装置包括一运算放大器，所述运算放大器的输出端通过一电阻器与所述运算放大器的正输入端相连。

9、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述比较装置包括倍压整流装置，用以提高所述比较装置的灵敏度。

10、如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述倍压整流装置包括第一和第二二极管，所述第一二极管的阴极连到所述第二二极管的阳极上。

11、如权利要求10所述的装置，其中所述第一第二二极管是肖特基势垒二极管。

12、一种检测在一液压缸缸体内移动的活塞和活塞杆线性位置的装置，它包括：

产生一电磁波信号并将所述电磁信号发送入所述液压缸内的装置，所述电磁信号具有可在一预定的最大值和最小值之间变化的频率，用于探测液压缸内的电磁波信号，并相应产生一放大的信号，接收所述放大后的信号，检测所述放大后的信号的幅值，并相应产生一检测信号的装置;

接收一表明复位条件的复位信号，接收所检测到的信号，把所述检测到的信号与一预定的恒定值进行比较，并相应地在没有复位信号的情况下产生一频率锁定信号的装置;

接收所述频率锁定信号并相应地测定所述同轴腔的谐振频率及测定作为谐振频率的函数的活塞和活塞杆位置的装置。

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