移动传感器与固定元件之间的信息传输和能量传输的制作方法

本发明涉及一种具有多个可以相对彼此移动的元件的设备。可以认为元件中的一个(即，形成基准的元件)是固定的。这个基准本身也可以是可移动的，比如车辆的底盘。例如，该车辆可以包括关节臂，所述关节臂形成相对于固定元件可移动的元件。

背景技术：

所述具有多个可以相对彼此移动的元件的设备可以包括传感器，从而能够确定移动元件的运动。这些传感器(例如位置传感器、速度传感器或加速度传感器)被固定至移动元件，并必须将测量到的信息传输至固定元件。能够测量特定的物理量的其他类型的传感器也可以装备移动元件。例如，关节臂可以支承环境传感器(温度、压力等)。关节臂的运动能够到达空间的特定区域。

所有这些传感器一般都将测量到的信息返回给设备的固定元件以在固定元件内进行处理。

在移动传感器和固定元件之间传输信息最常用的解决方案是通过电缆连接传感器。电缆沿着将固定元件连接至支承传感器的移动元件的连接元件延伸。电缆必须穿过将不同元件彼此连接的关节。

在使用设备时，这些电缆有例如因为挂住外部物体而被损坏的风险。此外，电缆通常传递很可能受到电磁环境干扰的低强度的电信号。例如，压电类型的传感器会输出特别弱的信号。与这些传感器相关的电缆不能很长，否则就会损坏来自传感器的信息。

在液压缸的特殊情况下，活塞杆(tige)相对于液压缸缸体(corp)平移运动，通常的做法是在活塞杆上布置传感器，该传感器能够确定活塞杆相对于液压缸缸体的位置。传感器由电缆连接至液压缸缸体。传统的液压缸具有旋转对称性，活塞杆围绕液压缸的平移轴线保持自由旋转。这种自由旋转可能对电缆有害，因为电缆有缠绕在活塞杆周围的风险。于是，需要提供一种活塞杆旋转预防设备，这种设备毫无意义地使液压缸变得复杂。

也考虑过在传感器和固定元件之间例如通过无线电来提供无线链路。这种类型的链路适用于来自传感器的数据，但仍受到电磁干扰。此外，传感器的能量供应也不能保证。于是，需要提供固定至传感器来为传感器供电的电池。这种电池需要有足够的续航时间，以确保传感器的运行以及向固定元件的信息传输。还需要定期对电池再充电或更换电池，这会导致设备的运行成本增加。

技术实现要素：

本发明旨在通过提出一种设备来减轻上述所有或部分问题，该设备具有用于信息传输和用于为设备供电的无线连接的至少一个传感器。

为此目的，本发明的主题是一种设备，其包括固定元件、移动元件、固定至移动元件的物理测量传感器以及能够在传感器和固定元件之间传输信息的链路，传感器产生表示物理测量的原始信号。根据本发明，所述设备进一步包括将原始信号转换成光信号的转换器。转换器被固定至移动元件。所述链路是光路。光信号沿着光路在固定元件和移动元件之间自由传播。传感器包括在不接触的情况下从固定元件接收能量的电源模块。

在所有的光路上都使用自由传播模式使得可以免除任何电导体或光纤的接线。

有利地，光路完全位于设备的不透明表层内。

所述链路可以配置为能够在传感器和固定元件之间进行单向或双向信息传输。

所述传感器可以包括连接至电源模块的光伏电池。所述设备可以包括固定至固定元件的光发射器，所述发射器可以布置为根据自由传播向光伏电池发射光。光伏电池接收到的能量被传输至电源模块，从而为传感器供电。另外，自由传播模式使得可以免除任何接线。

有利地，在光发射器和光伏电池之间的电能传输使用光路。

或者，所述传感器可以包括连接至电源模块的电枢绕组。所述设备可以包括固定至固定元件的场绕组。在固定元件和移动元件的特定位置，场绕组和电枢绕组彼此足够接近，从而交换足够量的能量来为传感器供电。

在本发明的这个具体变体中，设备包括液压缸。所述固定元件形成液压缸的缸体，所述移动元件形成液压缸的活塞杆。所述光路布置于液压缸的活塞杆内。

在具体变体和通过感应来进行供电的情况下，所述特定位置是液压缸的极限位置之一。

附图说明

通过阅读以示例给出的实施方案的详细描述，将更好地理解本发明，并且其他的优点也将变得明显，描述通过附图示出，其中：

图1示出了根据本发明的设备；

图2a和图2b示意性地示出了在图1的设备中实现的光路。

图3a和图3b示出了本发明在线性液压缸上的具体应用。

为了清晰起见，相同的元件在不同的附图中将具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了以部分截面表示的设备，例如，自动化臂10。臂10包括几个相互铰接的区段11、12、13和14。区段11固定至臂10的支架15。认为支架是固定元件。区段11主要沿轴线16延伸。臂12沿轴线17延伸。臂12围绕轴线17相对于区段11旋转地可移动。同样，区段13围绕轴线18延伸，并围绕轴线18相对于区段12旋转地可移动。最后，区段14围绕轴线19延伸，并围绕轴线19相对于区段13旋转地可移动。传感器20固定至区段14。仅通过示例给出臂10的结构。各种旋转是机动的，为了保持附图整洁，没有示出能够进行这些旋转的各种致动器。同样地，臂10可以完成除支承传感器20以外的功能，例如，通过固定至区段14的夹具来夹持物体的机械功能。

不管区段的数量和关节的类型如何，本发明都可以实现。可以提供旋转运动和/或平移运动。

传感器20能够测量物理量，例如，在区段14的端部的温度或压力、区段20的端部的运动、速度或加速度。更一般地说，本发明可以实现任何类型的物理测量。

传感器20发送表示传感器20所执行的物理测量的信号。为了免除在区段14和支架15之间接线，信号通过利用自由传播模式在传感器20和支架15之间以光学方式传输，也就是说，信号不像在光纤中那样被导向。为了这个目的，臂10配置为在传感器20和支架15之间提供无导向光路。在所示的示例中，光路遵循轴线19、18、17和16。在每个关节处，光路包括反射镜，其使得可以产生光路的有角度的传输。更具体地说，反射镜21改变轴线16和轴线17之间的光路方向，反射镜22改变轴线17和轴线18之间的光路方向，反射镜23改变轴线18和轴线19之间的光路方向。当然，可以理解的是，反射镜的数量取决于关节的数量和关节各自的自由度。对于平移运动，任何的反射镜都不是原则上必需的。

有利地，用于在传感器20和支架15之间传输信号的光路完全位于臂10内。换言之，臂10包括不透明的表层25，光路完全位于表层25内。这使得用于传输信号的光辐射能够与臂10外部的环境所产生的杂散光隔绝。

图2a和图2b示意性地示出了在臂10中实现的光路。为了简化，反射镜未被示出。图2a示出了垂直于光路的传感器20，图2b示出了传感器20和支架15的截面。光路包含在图2b的平面中。

传感器20包括对要测量的物理量敏感的单元31。例如，单元31可以是用于温度测量的热电偶、用于压力或力的测量的压电单元、加速度计等。为了确保表示物理量的信号在传感器20和支架15之间的传输，传感器20包括信号处理模块32和光发射器33。模块32连接至单元31和发射器33。模块32和发射器33形成将来自单元31的信号(称为原始信号)转换为光信号的转换器。单元31、模块32和发射器33彼此固定。换句话说，在臂10运动时，传感器20的各个组件相对于彼此固定。原始信号可以是模拟电信号，而光信号也可以以模拟方式或数字方式调制发射器33发射的光的强度。

支架15包括布置在光路上的接收器35，以便接收来自发射器33的光信号。在支架15中提供对接收器35接收的光信号的处理。为了保持附图的整洁，此处理未被示出。

传感器20和支架15之间的光信号的传输可以是从发射器33到接收器35单向的。也可以提供双向传输，例如为了校准传感器20或检查传感器的正确操作。为了这个目的，支架15包括光发射器37，传感器20包括光接收器38。发射器37和接收器38也布置在连接传感器20和支架15的光路上。

为了向传感器20提供能量，可以在没有接触的情况下从支架15向传感器20传输能量，例如以光束的形式。为了这个目的，支架15包括光发射器40，传感器20包括光伏电池41，光伏电池41连接至传感器20的电源模块42。有利地，发射器40和光伏电池41位于用于传输信号的相同光路上。如同信息传输，支架15和传感器20之间的能量传输在所有光路上都使用自由传播模式。利用了任何与用于信号传输相同的反射镜的存在。或者，为了给传感器20供电，可以使用与用于信号传输的路径不同的第二光路。光发射器40可以包括围绕接收器35和发射器37的一个或更多个大功率发光二极管。还可以使用同一个发光二极管来确保发射器37和发射器40二者的功能。为传感器20供电所需的光功率是通过平均光强来传输的，信号是通过围绕平均光强对光强进行调制来传输的。

在传感器20侧，光伏电池41例如是圆形的。例如，发射器33和接收器38位于光伏电池41的中心。

电源模块42接收来自光伏电池41的能量，并为对要测量的物理量敏感的单元31和信号处理模块32供电。传感器20在工作时，可以通过以光的形式传输的能量来持续地为传感器20供电。连续供电使得可以免除传感器20中的任何储能装置。

在图3a和图3b中，本发明实施为线性液压缸50，线性液压缸50包括缸体51和活塞杆52，可以认为缸体51是固定的，活塞杆52沿轴线53相对于缸体51平移地可移动。如果液压缸是单动式的，则通常通过腔室54中液体的压力来确保液压缸50的运动；如果液压缸是双动式的，则通过两个腔室54和55中液体的压力来确保液压缸50的运动。传感器20布置在活塞杆52的端部。图3a示出了液压缸50处于活塞杆52最大限度地收回的位置，图3b示出了液压缸50处于活塞杆52最大限度地伸出的位置。

活塞杆52沿轴线53是空心的，能够以光的形式传输信号的光路位于活塞杆52内部，这样就像之前通过表层25一样保护光路不受外部环境的影响。缸体51包括沿轴线53延伸并穿透活塞杆56的内部空间57的指状结构(doigt)56。接收器35和发射器37布置在指状结构56的端部，从而使接收器35和发射器37对属于传感器20的发射器33和接收器38光学可见。

通过在发射器40和光伏电池41之间实现自由传播模式，可以以与臂10相同的方式通过固定至活塞杆56的发射器40和固定至传感器20的光伏电池41来实现对传感器20的能量供应。

或者，当活塞杆52位于其极限位置之一(例如图3a所示的位置)时，也可以通过感应为传感器20供电。为了这个目的，指状结构56包括场绕组60，传感器20包括电枢绕组61。在活塞杆52的收回位置(图3a)，绕组60和绕组61位于紧邻的位置，以便能够交换足够的能量来给传感器20供电。可以认为，在两个绕组60和61之间的能量传输采用自由传播模式。在没有铁磁引导元件的情况下，这种传播是在两个绕组60和61之间的空气中进行的。当然可以在每个绕组60和61中提供铁磁元件，但不能在绕组60和绕组61之间提供铁磁元件。

以高频交流电(例如，频率约为20khz至100khz)为场绕组60供电。该电流在电枢绕组61中产生另一电流。传感器20的电源模块42接收该感应电流，使感应电流传输的能量适应于为传感器20的不同组件供电。为确保活塞杆52远离收回位置时传感器20的操作，电源模块42包括临时储能装置，例如电池或电容器。

也可以布置绕组60和绕组61，使得当活塞杆52从液压缸中伸出时(在图3b的位置)，绕组60和绕组61能够交换足够能量。根据液压缸的使用情况，特别是活塞杆52的最常见位置来对绕组60和绕组61最接近时液压缸50的位置进行选择。