用于数字线性位置传感器的感测装置的制作方法

本发明总体上涉及线性位置传感器，例如用于液压缸的线性位置传感器，具体地，涉及用于使用霍尔开关的这种线性位置传感器的感测装置。

背景技术：

在地下采矿中，液压缸经常被用作例如在自推进支撑件中的坑道支撑物或移动缸。

在这种液压缸中，重要的是检测液压缸的活塞的冲程，以确定例如自推进支撑件的状态。通常使用非接触式位置传感器检测活塞的冲程。DE10 2011 121 247A1公开了一种包括多个霍尔传感器的测量杆。每个霍尔传感器输出取决于所施加磁场的强度的连续电压信号。基于测量的强度，确定霍尔传感器到磁体的距离。使用包括霍尔传感器的测量杆可能需要校准每个传感器，并且可能增加位置传感器的总成本。此外，可能难以更换霍尔传感器。

所公开的系统和方法至少部分地涉及改进已知的系统。

技术实现要素：

在一个方面，本发明涉及一种用于数字线性位置传感器的感测装置。感测装置包括安装装置，安装装置包括安装表面和安装在安装表面上的多个电阻器。多个电阻器电连接在第一电压节点和第二电压节点之间。多个霍尔开关沿安装装置的纵向方向以预定间隔安装在安装表面上。多个霍尔开关中的每一者被配置为在由施加的磁场致动后调节第一电压节点和第二电压节点之间的多个电阻器的总电阻。

在另一方面，本发明涉及一种用于液压缸的数字线性位置传感器。数字线性位置传感器包括配置成固定地安装到液压缸的杆。杆具有形成在其中的内部空间。感测装置设置在该内部空间中并附接到杆。感测装置包括安装装置，安装装置包括安装表面和安装在安装表面上的多个电阻器。多个电阻器电连接在第一电压节点和第二电压节点之间。多个霍尔开关沿安装装置的纵向方向以预定间隔安装在安装表面上。多个霍尔开关中的每一者被配置为在由施加的磁场致动时调节第一电压节点和第二电压节点之间的多个电阻器的总电阻。

本发明的其他特征和方面将从以下描述和附图中变得显而易见。

附图说明

图1示出了根据本发明的包括数字线性位置传感器的示例性液压缸的横截面图；

图2示出了根据本发明的数字线性位置传感器的示意图；

图3示出了图2的数字线性位置传感器的两个截面图；

图4示出了根据本发明的感测装置的一部分的示意性透视图；

图5A和图5B分别示出了根据本发明的感测装置的示意性电路图；

图6示出了根据本发明的感测装置的示例性实施例；

图7A和图7B示出了根据本发明的包括多个安装单元的感测装置的组件；

图8A至图8D分别示出根据本发明的包括霍尔开关的感测装置的不同配置；

图9A至图9D分别示出与根据本发明的感测装置一起使用的磁铁装置的不同配置；

图10A示出了根据本发明的数字线性位置传感器的示意图；

图10B示出了根据本发明的另一数字线性位置传感器的示意图；

图11A和图11B分别示出了图10A的数字线性位置传感器的不同配置的平面图；和

图12A和图12B示出了根据本发明的感测装置的输出信号的图形表示。

具体实施方式

以下是本发明的示例性实施例的详细描述。这里描述的示例性实施例旨在教导本发明的原理，使得本领域的普通技术人员能够在许多不同的环境中以及针对许多不同的应用实现和使用本发明。因此，示例性实施例不旨在且不应被视为对保护范围的限制性描述。相反，保护范围应由所附权利要求限定。

本发明可以部分地基于以下认识：可以期望通过使用与印刷电路板(PCB)结合的、从表面安装器件(SMD)领域中已知的成本有效的部件来减少用于液压缸的线性位置传感器的材料和制造成本。特别地，可能有利的是使用安装在PCB上的霍尔开关来实现这个目标。

此外，本发明可以部分地基于以下认识：使用安装在PCB上的霍尔开关允许位置传感器的分辨率和可靠性的增加。霍尔开关的小尺寸允许在物理上彼此靠近地将其安装在PCB上。此外，将霍尔开关布置成相对于彼此偏移的若干排可以进一步提高分辨率。通过使用其上安装有霍尔开关并且相对于彼此偏移的两个PCB，可以获得分辨率的更进一步增加。通过使用不包括机械开关的霍尔开关，以及另外通过在单个位置传感器中使用两个PCB来创建冗余测量信号，可以提高可靠性。两个PCB可以共享相同的控制单元和电源。

此外，本发明可以部分地基于这样的认识，即具有霍尔开关的PCB的使用可以允许通过以级联方式组合包括霍尔开关的多个单元来将位置传感器适配为要测量的不同长度。

现在参考附图，图1示出了根据本发明的包括数字线性位置传感器10的液压缸100。

液压缸100包括外圆柱形管12、可滑动地布置在外圆柱形管12中的活塞14、焊接到外圆柱形管12的底部20以及套筒保持器24，该套筒保持器24安装到外圆柱形管12的与底部20相对的端部。

位置传感器10包括固定地安装到液压缸100的底部20的杆16。杆16可以经由形成在底部20中的开口附接到底部20，并且也可以通过所述开口从该开口移除。盖22可以附接到底部20以在液压缸100的操作期间关闭开口。信号线19附接到杆16并且将其连接到液压缸100的外部。

活塞14围绕杆16设置，使得活塞14可相对于杆16滑动以便伸展和缩回。磁体装置18附接到活塞14，使得其围绕杆16设置并且可随着活塞14在液压缸100中的运动而沿杆16移动。以这种方式，设置在杆16的内部空间中的感测装置36(例如参见图3)可以在活塞14的运动期间检测磁体装置18的位置。因此，活塞14的冲程可以根据由感测装置36获得的测量结果确定，并且经由信号线19输出。

图2示意性地示出了线性位置传感器10。如图2所示，位置传感器10可以被配置为使得磁体装置18可以沿着杆16在范围R上移动。容易理解，位置传感器10可以输出指示磁体装置18在范围R中的位置的测量结果，或者可以输出一输出信号，从中可以通过信号线19确定范围R中的磁体装置18的位置。还将理解的是，根据液压缸100和位置传感器10的配置，可能必须进行适当的校准以便从由位置传感器10获得的测量结果确定活塞14的冲程。

图3示出了位置传感器10的两个横截面，图3的左侧示出了垂直于杆16的纵向方向的横截面，右侧示出了在与纵向方向平行的平面中的局部剖视图。

如图3所示，感测装置36设置在形成在杆16内部的内部空间25中。在如图3所示的示例性实施例中，杆16形成为中空圆柱形管。也如图3所示，杆16被磁体装置18包围，在示例性实施例中，磁体装置18形成为中空圆柱体。磁体装置18包括外壳31、内壳32和设置在外壳31和内壳32之间的磁体30。在如图3所示的示例中，外壳31和内壳32形成为圆柱形管。以类似的方式，示例性磁体30形成为环形磁体。如将在下面更详细地讨论的，在其他示例性实施例中，磁体30可以具有不同的构造。

如图3所示，感测装置36包括安装装置28，其具有安装表面27，多个霍尔开关34安装在安装表面27上。

如本文所使用的，术语“霍尔开关”用于数字开关，其被配置为根据所施加的磁场的大小在两个状态“ON”和“OFF”之间切换。霍尔开关通常是已知的，并且基本霍尔开关可以包括霍尔效应板、放大器、触发器和诸如例如场效应晶体管(FET)的电子开关。霍尔效应板产生取决于所施加的磁场的大小的输出。该输出可以被放大，并且当放大的输出达到特定电平时触发器可以导通，这又将FET切换到“导通”。以这种方式，当FET为“导通”时，连接到霍尔开关的装置可以连接到例如地。当霍尔开关为“OFF”时，到地的路径被中断。容易理解的是，如果适当的话，在根据本发明的实施例中使用的霍尔开关可以具有不同的配置。

如图3所示，磁体装置18被配置为沿着杆16移动，因此也沿着包括霍尔开关34的感测装置36移动。霍尔开关34沿安装装置28的纵向方向以预定间隔布置。在如图3所示的示例中，两排霍尔开关在纵向方向上相对于彼此偏移地布置。然而，也可以使用具有单排霍尔开关或具有多于两排、相对于彼此偏移的霍尔开关的配置。根据磁体装置18在纵向方向上的位置，不同的霍尔开关34将被接通，其余的霍尔开关被断开。

如图4所示，感测装置36还包括安装在安装装置28的安装表面27上的多个电阻器38。根据一些实施例，安装装置28被配置为表面安装装置，并且使用表面安装技术可以将电阻器38和霍尔开关34安装在安装装置28上。具体地，安装装置28可以是印刷电路板(PCB)。如下面将更详细地描述的，使用用于电阻器38和霍尔开关34的适当的电路配置，可以产生随着磁体装置18沿着感测装置36移动而逐步且以线性方式变化的输出信号，以接通不同的霍尔开关34。

如图4所示，霍尔开关34通常安装在安装装置28上，使得相关联的霍尔板垂直于由磁体装置18产生的磁场线布置。然而，如下面将更详细描述的，不同的取向也是可能的，只要当磁体装置18处于与所述霍尔开关34相对应的位置时、由磁体装置18产生的垂直于每个霍尔开关34的霍尔板的磁场的分量足以大到使得对应的霍尔开关接通。

图5A和图5B中示出了用于产生输出信号的两个示例性电路配置，从输出信号可以确定相对于感测装置36的磁体装置18的位置。

如图5A所示，多个电阻器38-0至38-N串联地电连接在第一电压节点Uin和第二电压节点GND之间。例如，可以在第一电压节点Uin处施加由电压源59提供的5V的电压。在该示例中，第二电压节点GND可以接地。然而，应当容易理解，可以使用在两个电压节点之间具有两个不同电压的任何适当的配置。

多个霍尔开关34-1、34-2至34-N分别连接到电阻器38-1至38-N。具体地，如图5A所示，每个霍尔开关可以连接到在两个相邻的电阻器之间形成的节点。在由磁体装置18施加的磁场致动时，霍尔开关34-1、34-2至34-N中的相应一个或多个可以闭合，并且可以将相应的节点连接到第二电压节点GND，在该示例中，将节点连接到地，从而改变第一电压节点Uin和第二电压节点GND之间的电阻器38-0到38-N的总电阻。

从图5A将容易理解，图5A对应于分压器电路，其中电阻器38-0至38-N两端的电压降Uo根据霍尔开关34-1至34-N中的哪一者闭合而改变。具体地，位置传感器10可以被配置为使得当活塞14(参见图1)完全缩回时，霍尔开关34-1至34-N全部打开，或者仅一个或多个第一霍尔开关34-1、34-2……闭合。因此，电阻器38-0至38-N两端的电压降Uo将具有最大值。此外，当活塞14开始伸展时，磁体装置18将相对于杆16移动，因此也相对于感测装置36(参见图3)移动，并且第一霍尔开关34-1、34-2……将再次打开，而随后的霍尔开关将被关闭。因此，电阻器38-0至38-N两端的电压降Uo将以步进方式线性减小。电压降Uo可以经由分压电阻器56和放大器55检测，并且可以输出到信号调节单元42(参见图6)。优选地，电阻器56的电阻远大于电阻器38-0和/或电阻器38-1至38-N的电阻。在一些实施例中，可以省略电阻器38-0。此外，电阻器38-1至38-N(以及可选地，电阻器38-0)可以被配置为具有相同的电阻。例如在图8A中示出了通过使用感测装置36的一个示例性配置获得的输出Uo的示例。下面将更详细地描述图8A。

图5B示出了图5A的电路的修改，其中分压电阻器56已经被恒流源57代替。图5B所示的电路将以基本上与图5A所示的电路相同的方式工作。因此，将省略详细描述。同样，由图5B所示的电路产生的输出信号将基本上类似于由图5A中所示的电路产生的输出。

应当理解，导致输出信号的其他电路配置对于本领域技术人员将是显而易见的，从该输出信号可以获得磁体装置18所作用的霍尔开关的位置。例如，还可以设想，电阻器38-1至38-N可以并联连接，和/或霍尔开关可以在不存在磁场时闭合(ON)，以及可以由磁场打开(关断)。可以使用不同的配置，只要沿着安装表面27设置的霍尔开关的致动导致电阻器的总电阻的线性变化或可以确定磁体装置18的位置的另一特性。

如前所述，在一些实施例中，感测装置36可以被配置为使得安装装置28是诸如PCB的表面安装装置，并且电阻器38和霍尔开关34使用表面安装技术安装在安装装置28上。因为在一些应用中可能需要提供具有相对大的长度的位置传感器10，例如大于100mm，特别是在500mm和5000mm之间，在500mm和1000mm之间，或者在1000mm和3000mm之间，优选在600mm和1600mm，安装装置28可以被配置为包括多个安装单元28-0、28-1、28-2和28-3。

图6示出了包括这种多个安装单元的安装装置的一个示例。容易理解，安装单元的数量可以不同于图6所示的示例。此外，应当理解，两个或更多个安装单元可以具有相同的配置，并且任何适当数量的安装单元可以组合以形成安装装置28。另外，一个安装单元28-0可以具有与其它安装单元28-1、28-2和28-3不同的配置，并且可以包括控制单元，该控制单元例如包括用于接收由图5A和图5B所示的电路产生的输出的信号调节单元42，以及处理所述输出以确定电压降Uo，并且可选地，确定多个霍尔开关中的哪一者已经由磁场的影响而闭合。然而，容易理解的是，如果需要，信号调节单元42也可以与感测装置36分开设置，例如在杆16和液压缸100的外部。同样，用于评估信号调节单元42的输出以确定活塞14的位置的评估单元可以与信号调节单元42分离或作为其一部分形成，并且还可以设置在杆16内或液压缸100的外部。

如图6的示例所示，每个安装单元28-1、28-2、28-3可以具有基本上相同的具有给定长度的配置。此外，还如图6所示，最后的安装单元28-3可在其远端切割以获得具有期望的总长度的感测装置36。

如图7A和图7B所示，每个安装单元28-1、28-2、28-3可以具有第一连接部44和形成在其相对端的匹配的第二连接部46。安装单元28-1、28-2、28-3中的每一者被配置为电连接到具有第一连接部44和第二连接部46中的至少一者的至少一个其它安装单元。例如，从图6容易理解，包括信号调节单元42的安装单元28-0可以仅包括第一连接部44，并且可以被配置为连接到安装单元28-1的第二连接部46，该安装单元28-1具有安装在其上的电阻器38和霍尔开关34。如图7A和图7B所示，每个连接部44、46可以分别包括接触部48、49，其被配置为分别通过例如焊接等在接合部50、51处彼此电连接。以这种方式，可以通过将单独的安装单元彼此焊接而容易地形成级联的安装单元(PCB)，以便获得具有期望长度的安装装置28。在其他实施例中，具有期望长度的安装装置可以通过使用柔性带技术形成。如前所述，信号调节单元42可以直接连接到多个霍尔开关和多个电阻器，或者可以单独形成并且经由例如导线和/或信号线19连接。

图8A至图8D示出了形成在安装装置28上的霍尔开关34和35的不同配置。具体地，如图8A至图8D所示，可以在安装装置28上形成两排霍尔开关，第一排霍尔开关34和第二排霍尔开关35。这可以实现以将感测装置36的分辨率增加到高于使用单排霍尔开关34可以获得的分辨率。例如，霍尔开关34可以被配置为由于它们的尺寸和形成安装装置28上所需连接所需的空间、使得它们仅能够以大约2mm的间隔布置。然而，如果第二排霍尔开关35形成为使得其相对于第一排霍尔开关34偏移小于分隔两个相邻霍尔开关的间隔，则可以提高分辨率。例如，第二排霍尔开关35可以相对于第一排霍尔开关34偏移1mm，以实现也对应于1mm步长的分辨率。所得到的输出信号示于图8A的下部。从图8A中可以看出，获得基本上线性的信号，其可以以高分辨率解决活塞14的冲程的变化。

或者，也可以使用允许安装完整的两排霍尔开关34、35的同一安装装置28，但省略一些霍尔开关以节省成本。在图8所示的示例中，省略了一排完整的霍尔开关，仅留下单排霍尔开关35。如图8B的下部可以看出，这导致分辨率也减小一半。然而，在该分辨率足够的应用中，可以使用这样的配置。

在即使更粗糙的分辨率也已足够的其他应用中，可以省略一排完整的霍尔开关和剩余的一排霍尔开关35中的每隔一个。因此，如图8C所示，输出信号的分辨率将更进一步降低。

在其他实施例中，具有接近由位置传感器10测量的运动的结束位置的高分辨率可能是足够的，并且粗糙的分辨率在运动范围的中心可能是可接受的。因此，可以使用图8D所示的配置，其中全部数量的霍尔开关34、35被提供为邻近安装装置28的端部，并且霍尔开关34、35在安装装置28的中心区域中被适当地选择性地省略。所得到的输出信号示于图8D的下部。当然，可以设想，根据应用和期望的分辨率，可以使用霍尔开关的不同配置。

将容易理解，对两个霍尔开关之间的最小分辨率或最大空间存在限制，其至少部分地取决于磁体装置18的尺寸。具体地，由磁体装置18产生的磁场必须足够强(具有足够大的空间延伸)，使得确保在任何点处，至少一个霍尔开关由磁体装置18致动，以便能够以上述方式确定磁体装置18的位置。

图9A至图9D示出了可以用在根据本发明的位置传感器中的磁体装置18的不同配置。

如已经提到的，并且大体上如图9A所示，由磁体装置18产生的磁场必须使得至少存在垂直于霍尔开关34且足以大到致动霍尔开关34的磁场分量。如图9B所示，这可以通过使用例如设置在杆16的相对侧上的两个芯片磁体来实现，该芯片磁体可以设置在外壳31和内壳32之间，如图9C所示。在其它实施例中，可以使用具有如图9D所示配置的各向同性环形磁体，以产生作用于感测装置36、特别是作用于感测装置36的霍尔开关34的所需磁场。

在另一个实施例中，两个对极安装的环形磁体可以用作磁体30。对极安装的磁体可以产生轴向磁场，如图10A中的场线所示。容易理解，所产生的磁场要求安装装置28(即，安装在其上的霍尔开关)偏离杆16的中心轴线，以便垂直于安装装置28的磁场分量作用于霍尔开关。如图10A的示例所示，这允许提供第二安装装置29，其具有安装在其上的第二多个霍尔开关以安置在杆16内。在一个实施例中，两个安装装置28、29可有利地通过适当的电线连接到单个信号调节单元42和/或单个电源。

图10A所示的配置具有几个优点。首先，它与使用多个簧片开关作为位置传感器的现有系统完全兼容。在包括多个读取开关的这种位置传感器中，通常使用类似于图10A所示磁体的磁体。因此，图10A所示的示例允许用具有霍尔开关的根据本发明的传感器来替换包括簧片开关的传感器。这导致由于霍尔开关的较小尺寸而增加的分辨率，以及提供冗余以便增加可靠性。

图10B示出了图10A所示的示例的修改。在该修改中，在产生轴向磁场的单个环形磁铁的一个侧表面上设置磁屏蔽装置33。如图10B所示，这导致产生不对称磁场。因此，在磁体30的测量方向(图10B中的虚线的左侧)的一侧上的杂散磁场可能较弱。因此，可以防止可能影响位置测量的霍尔开关中的一个由杂散磁场接通。在相对侧(图10B中的虚线的右侧)，这将不影响位置测量，如从图5A和图5B所示的电路图将容易理解。

此外，如图11A和图11B所示，由于由图10A和图10B所示的磁体产生的磁场的配置，感测装置36(即，安装装置28、29和信号调节单元42)安装在杆16中的角位置可以是任意位置。因此，不需要确保感测装置36相对于磁体30具有特定取向。这允许感测装置36容易地安装在杆16中。

此外，使用图10A、图10B和图11A、图11B所示的配置允许相对于霍尔开关和/或信号调节电路产生冗余。容易理解的是，在两个独立的安装装置28、29与单个信号调节单元42组合使用的情况下，信号调节单元42仍然可以提供输出信号，其允许在装置28、29之一故障、并且不再产生正确的输出信号时测量位置。为了进一步提高可靠性，可以为每个装置28、29提供单独的信号调节单元42。

此外，还可以更进一步增加位置测量的分辨率。在例如图10A和图10B所示的安装装置28、29在纵向方向上偏移小于由每个单独的装置提供的分辨率的距离，例如分辨率距离的一半，信号调节单元42可以评估从安装装置28、29接收的两个信号以将其组合并且实现具有两倍分辨率的结果输出信号。这在图12A和图12B中示出，其中图12A示出从两个装置获得的两个输出信号，图12B示出了具有增加的分辨率的组合(平均)输出信号。

应当注意，尽管在上述实施例中，霍尔开关34、35和电阻器38、39安装在安装装置28、29的一侧上，但是在其他实施例中，如果需要，霍尔开关34、35和/或电阻器38、39可以安装在安装装置28、29的两侧(相对侧)上。

工业实用性

从前面的讨论将容易地理解本文公开的系统和方法的工业实用性。一个示例性应用是所公开的用于数字线性位置传感器的感测装置的使用，例如用作液压缸中的位置传感器，特别是与诸如地下采矿等工业相关联的液压缸。然而，将容易理解，所公开的感测装置和所公开的数字线性位置传感器也可以用于其他行业，用于测量液压缸的冲程，或用于测量其他可移动部件的线性运动。

应当理解，前面的描述提供了所公开的系统和方法的示例。然而，预期的是，本发明的其他实现方式可以在细节上不同于前述示例。对本发明或其示例的所有参考旨在参考在该点处讨论的特定示例，并不旨在更一般地暗示对本发明的范围的任何限制。除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。

因此，本发明包括如适用法律所允许的所附权利要求中记载的主题的所有修改和等同物。此外，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则本发明包括上述元件在其所有可能变型中的任何组合。

虽然在此已经描述了本发明的优选实施例，但是在不脱离所附权利要求书的范围的情况下，可以结合改进和修改。