具有集成霍尔效应开关的磁性位置传感器的制作方法

专利名称：具有集成霍尔效应开关的磁性位置传感器的制作方法
技术领域：
本公开一般涉及一种用于测量两个物体之间的位移或者位置的装置，更具体地讲，涉及一种非接触位置传感器，其具有用作为初级传感器的初级可配置磁通量源和与该初级传感器相关联的次级传感器，这些传感器都被用于检测控制阀上的阀杆位置。
背景技术：
从食品加工厂中的控制产品流量，到大型油库中的维持液位，工业加工厂在广泛应用中使用控制阀。通常是自动的控制阀，通过作为一种可变节流孔或者通道，被用来管理产品流量。通过移动内部阀元件即阀塞，能够精确地控制通过阀体的产品量。该控制阀通常是自动的，使用执行机构和遥控仪器，该遥控仪器在过程控制计算机和该执行机构之间进行通信，以控制阀内的流量变化，从而实现该工厂操作者所期望的控制策略。位置传感器在维持精确过程控制中起关键性作用。
当该过程控制计算机发布指令以调整流量时，该遥控仪器必须读取当前的阀位置，并且通过该执行机构实施正确的校正动作。典型的执行机构是由压缩空气源驱动的，而该压缩空气源由该遥控仪器控制。例如，在滑杆阀上使用的弹簧和隔膜执行机构中，作用到大片隔膜上的气压的变化，导致该隔膜的运动或者位移。与该隔膜相连接的是执行机构杆，该执行机构杆又连接到该阀塞。通过改变该隔膜上的气压，该遥控仪器可以直接定位该阀塞，从而控制通过该控制阀的流量。为了准确地控制流量，该仪器必须总是了解阀塞在哪里，以及根据新的指令它必须运动到哪里。通过在该遥控仪器和该执行机构杆之间连接位置传感器，可实现这一目的。该位置传感器的输出可以被直接连接到该遥控仪器，从而提供阀杆位置反馈，获得精确的阀控制。
传统的位置传感器，比如电位计或者其他的机电限位开关，要求动态的或者运动机械联动来将运动或者位移接入该传感器。这种机电限位开关被安装在执行机构上，并且当一运动元件位于半行程或者阀杆行程的两端时，由该运动元件解扣。从限位开关(或者开关)中输出的信号用于操纵继电器、电磁阀，或者用于触发警报。为了避免比如在高推力阀的应用中对控制元件的损坏，可以将该限位开关设置在适当位置，以使阀杆的运动不会超过其所期望的行程长度。
在应用中，在由于湍流存在所导致的机械振动的地方，由于在非常短的时间周期内引起数百万次的运算周期累积，系统误差和不稳定性可能降低位置传感器的可靠性。机械联动同样具有接触或磨损点。在恶劣使用条件下，在这些磨损点上，不稳定性差不多可以“锯开”这些机械联动，从而将阀杆从遥控仪器上断开。这种类型严重失效会破坏阀控制，必须避免。为了提高传感器的可靠性，传感器设计已经被移向非接触位置检测方法。
非接触传感器的一种类型是磁性位置传感器。磁性位置传感器用于检测两个物体之间的位移，主要是通过将磁通量源，通常是磁铁，连接到第一个物体上，并且将传感器，比如霍尔效应传感器，连接到第二个物体上。该磁通量源产生磁场，由该传感器检测该磁场。通过一个或者两个物体产生相对位移的任何运动，产生该磁场相对于传感器的不同部分，从而改变该传感器的输出。此输出可以与该执行机构和阀杆之间的相对位移直接相关。
非接触位置传感器具有很强的可适用性，并且可以测量多种形式的位移。然而，目前的非接触位置传感器通常受到将其连接到运动元件上的方法的限制。在遥控仪器中，具有多种位置或者反馈传感器的商业实例，其中遥控仪器仍然使用“接触”动态联动来接入位移。一种这种构造是使用常规的蜗轮装置，来直接将旋转运动接合到非接触磁阻元件上。虽然该磁阻元件可以被归类为非接触传感器，但是这种运动实际上是通过“接触”装置转换的，并且就像传统的基于联动(linkage-based)的电位计一样，该运动的可靠性降低。
另外，其他的非接触位置传感器从无效到重新配置磁通量源，从而为不同形式的位移测量(例如，直线和旋转)提供预定输出。在Riggs等人的美国专利5,359,288，Wolf等人的美国专利5,497,081，以及Takaishi等人的美国专利5,570,015中，将发现上述形式位置传感器的实例。
现有非接触位置传感器的其他缺点，包括需要至少两个这种限位开关来检测阀塞行程的两端，难以实现这种限位开关，以及担心其可靠性。在下文的优选实施例的发明内容和具体实施方式
中，将说明一种在其中能够克服现有近程式传感器的全部缺点的方式。

发明内容
如这里所述的位置传感器组件，提供有非接触位置传感器，用于准确地检测两个物体之间的相对位移，更具体地讲，用于精确测量控制阀组件中的阀塞的位置。
具有高可配置磁通量源的限位开关使用多个离散磁铁，并且适于测量直线位移或者旋转位移。可以通过磁性组件的控制设计实现这个目的。将各个磁铁进行装配，以产生连续的混合通量场，从而在其中产生可变化的物理几何结构磁通量源。使用包括两个L形分段的U形极靴(pole piece)，该极靴连接从磁通量源到位于该U形极靴的L形分段之间的霍尔效应元件或初级传感器之间的通量。
另外使用次级传感器，该次级传感器与该初级传感器协同工作，并且优选的是按照与该初级传感器成比例方式工作。在一个实施例中，采用霍尔效应临近传感器的U形极靴，以使两个L形分段每个都具有非对称的Y形部分，以容纳初级和次级传感器。该初级传感器在该Y形部分的第一端部直接与U形极靴的端面相连接。该次级传感器通过适配器被连接到该Y形部分的第二端部。
该适配器在次级传感器和Y形部分的第二端部之间产生间隙，在本文中将该间隙称作气隙。该气隙产生与该次级传感器之间的损耗磁耦合。通过改变该气隙中的空间，人们可以按比例控制初级和次级传感器两者经受的通量大小。当该适配器优选的是电绝缘材料比如塑料时，可以认识到该气隙还可以为开放空间，即空气或者其他材料，而不会改变通过次级传感器的通量。
在替换实施例中，该次级传感器被设置为邻近该初级传感器，并且沿垂直于U形极靴所在平面的轴线排列，或者被定向为垂直该初级传感器的霍尔元件，并且位于和U形极靴的底面紧密接触的位置。在下列附图的视图中将显示这些不同的实施例。


图1A显示说明位于磁通量源中心附近的磁性传感器的横截面图的结构图。
图1B显示说明位于磁通量源一端附近的图1A中的磁性传感器的横截面图的结构图。
图1C是图示对应于图1A的磁性传感器输出的图形。
图1D是图示对应于图1B的磁性传感器输出的图形。
图2A是安装在滑动杆执行机构上的用来检测阀杆直线位移的非接触位置传感器组件的透视图。
图2B是图2A中的整个非接触传感器组件的透视图，显示磁通量源和非接触位置传感器组件之间的相互连接。
图2C是用于直线非接触位置传感器的传感器外壳和传感器组件的透视图。
图3A是位置传感器的侧视图，显示包含多个具有各自用于直线行程定位的感应值的离散磁铁的磁通量源。
图3B是用于直线行程的图3A中的位置传感器的俯视图，并且显示磁通量源在传感器组件中的横向位置以及插入深度。
图3C和3D相结合，都是图示一电子电路的示意图，该电路用于间歇地为磁性传感器提供能量，并且调节脉冲输出信号以产生遥控仪器中使用的模拟信号。
图4A是自由空间图，用于说明如现有技术所述那样放置的、并且用作为用于直线位移测量的磁通量源的单一条形磁铁的非线性端部效应。
图4B是自由空间图，用于说明由离散磁通量源的离散磁铁所产生的叠加通量场，以及由通量聚集极靴(flux-gathering pole piece)所产生的合成混合磁场。
图5A是圆柱形磁铁托架的说明性侧视图，将该托架标示为用来显示用于4.5英寸直线行程位置传感器的磁通量源中的螺旋导向的离散磁铁的等距垂直间距。
图5B是用于直线位置传感器的螺旋导向离散磁铁阵列的说明性俯视图，该视图显示磁通量源中的离散磁铁的角位移，以及该磁通量源在传感器组件中的横向位置和插入深度。
图6是连接到旋转轴上的旋转位置传感器的说明性透视图，其中构成旋转磁通量源的多个离散磁铁被布置为围绕该旋转轴成均匀角度分布。
图7A是端部安装的旋转位置传感器的说明性透视图，其中该圆柱形磁通量源在通量聚集极靴的多个分支之间旋转。
图7B是显示用于展示线性输出特征的端部安装旋转位置传感器的参考敏感平面和最大角位移的说明性端视图。
图8是用于根据本发明的非接触位置传感器的传感器外壳和传感器组件的透视图；图9是沿着图8中的直线9-9做出的平面图；图10是用于非接触位置传感器的初级和次级霍尔效应传感器的替换布置方式的放大平面图；
图11是用于非接触位置传感器的初级和次级霍尔效应传感器的另一替换布置方式的放大平面图；图12是磁铁托架行程对霍尔传感器输出(直流电压形式)的曲线图，表明根据一实施例所布置的初级和次级霍尔效应传感器，对应于沿代表阀杆或者阀塞的典型行程的线性转换器的行程的不同位置的相对输出；以及图13是系统表示的示意图，其中由处理器检测、分析初级和次级霍尔效应传感器的电压输出，与存储在其存储器中的数据相比较，并且可以将输出信号从该系统提供给控制器。
具体实施例方式
为了理解在此所述的位置传感器的优点，有必要了解位置传感器的元件以及它们如何运转从而测量控制阀上的位移。虽然所述优选实施例讲解了涉及控制阀的位移测量，但是本领域技术人员同样将会认识到与其他位移测量应用的相关性。转向附图并且首先参考图1A，显示了该非接触位置传感器的关键部件。
在图1A中，传感器5被布置在磁通量源8附近。众所周知，磁通量源8产生连续的三维通量场，该通量场完全包围磁通量源8和传感器5。然后，传感器5是一种产生与包围传感器5的磁场10成比例的电信号的装置。如本领域技术人员已知的那样，所检测的磁场10的强度相对于磁场10中的位置而变化。因此，如图1C中的图表所示，传感器5相对于磁场10的相对位置或者位移中的任何变化，都将在传感器5的输出中产生相应的变化。可以利用这种关系来制造非接触位置传感器。
在非接触位置或者位移测量的应用中，传感器5和磁通量源8都被安装在两个机械独立的物体(未示出)上。没有使用动态的或者运动的机械联动来将磁通量源8之间的相对位移直接耦合到传感器5中。再次参考图1A，传感器5和磁通量源8的相对位置使传感器5布置在靠近磁通量源8中心的位置，具有用D1表示的位移。在图1C中对应的图表显示用对于位移D1的V1表示的传感器5的输出。在图1B中，该位移被变动到新的位置，用D2表示，使传感器5布置在磁通量源8的端部附近。在图1D中，对应的图表显示传感器5输出V2中的变化，该与由磁通量源8产生的磁场10中传感器5的位置变化直接相关。传感器5输出信号的这些变化，被用作为这两个机械独立的物体之间的位移的直接测量。连接到传感器5上的电子电路(未示出)，用来处理在下文中进行更加详细说明的控制阀应用中使用的传感器5的输出信号。
现在参考图2A，位置传感器被显示为与用于控制阀的自动控制的滑动杆执行机构20相连接。滑动杆执行机构20适用于直线运动(即沿着直线的运动)。图2A的透视图显示该位置传感器的磁性传感器组件11和磁通量源18a(在图3-7中进行更加详细的显示)，是如何独立地安装在滑动杆执行机构20和遥控仪器19(仅仅显示遥控仪器的模块基座)之间的。
众所周知，滑动杆执行机构20，遥控仪器19和控制阀(未示出)相结合而形成阀组件23。安装组件14将磁通量源18a连接到杆连接器27上。安装组件14由安装板15a和对准板15b构成。使用杆连接器螺栓16a和16b将杆连接器27连接在执行机构杆17和阀杆21之间。
在美国专利5,451,923中描述未配备本位置传感器的典型阀组件的一般操作，该专利被转让给Fisher Controls International公司，将其合并在此作为参考。众所周知，当遥控仪器19接收到移动该阀塞的命令时，压缩空气被引导向滑动杆执行机构20，并且执行机构杆17将产生运动。执行机构杆17的任何位移都将使磁通量源18a相对于传感器组件11的位置产生相对变化。该位置变化改变该传感器输出。该输出信号被传送到遥控仪器19中进行处理，从而产生对阀塞(未示出)的精确控制。图2B显示直线位置传感器30a的透视图。磁通量源18a和传感器组件11紧密接近地布置，从而将磁场10(图1A和图1B)充分地连接到传感器组件11上，但是在运行过程中不发生接触。
现在参考图2C，传感器组件11被安装在传感器外壳22中。传感器外壳22提供通量聚集极靴32和磁性传感器35的位置对准(在下文中进行更加详细地说明)。通过支架38和两个螺钉24a和24b，将磁性传感器35和通量聚集极靴32保持在传感器外壳22中。此外，通过将传感器外壳22直接整合到遥控仪器19中，来简化电气连接，并且能够适合本领域技术人员所熟知的危险环境中的用于固有安全性和防爆炸操作的工业限制。传感器外壳22由铝或者任何其它适合的非磁性材料制造，并且适合于容纳传感器组件11。
现在参考图3A和图3B，将详细讨论该优选实施例中的磁通量源18a(图3A)和传感器组件11(图3B)。在该优选实施例中，磁通量源18a被设计为用于在其整个位移测量范围之内测量直线行程，并且提供线性输出信号。例如，位移中10％的变化将在位置传感器的输出信号中产生相应的10％的变化。位置传感器输出中的所有变化都与位移中的变化成正比。该线性输出关系在遥控仪器的运行中十分重要。通过产生位移的正比例测量，不需要通过遥控仪器19或者传感器电子线路13(图3C和3D)的额外处理就可以提供位置反馈。
多个独立的或者离散的圆柱形磁铁50-72被安装在矩形托架41中，用来产生磁通量源18a。用于托架41的优选材料是非磁性的，比如铝或者塑料。在该优选实施例中，23个离散的磁铁50-72都被布置在托架41中，用于产生能够测量大约4.5英寸的直线行程的线性阵列。离散磁铁50-72优选的是都由铝镍钴永磁合金(ALNICO)8H做成，并且垂直地或者水平排列。在一个实施例中，使用环氧树脂，比如明尼苏达州，圣保罗的3M公司制造的2214结构性粘着剂(Structural Adhesive)，将磁铁50-72安装在该托架中。每个离散的磁铁都大约是直径为0.1875英寸，并且长度为0.1875英寸。各个磁铁中心到中心的间距在垂直方向上大约为0.25英寸，在该阵列的中心部分上设置大约4.5英寸的位移测量。托架41提供该磁铁阵列的机械对准，并且使用安装组件14直接连接到杆连接器27上，使用前面图2A中所示的杆连接器螺栓16a和16b，将装配组件14连接到杆连接器27上。
如本领域技术人员所理解的那样，在遥控仪器19安装在执行机构20上的过程中产生的尺寸公差层叠，要求在阀组件23运行之前进行仪器校准。通过沿着该纵向行程轴线和在水平地垂直于该纵向轴线的平面中提供粗糙位置校准，有利于该仪器校准。区别于直接将运动耦合到传感器的现有技术联动，安装组件14的安装板15a和对准板15b都是静态的，并且仅在安装过程中提供调整。在图3B中进一步说明磁通量源18a和传感器组件11的水平对准。
图3B中所示的俯视图清楚地显示传感器组件11的U形通量聚集极靴32。通量聚集极靴32包括两个由高穿透性材料，优选的是宾夕法尼亚州，里丁卡彭特技术公司的退火的HyMu“80”做成的L形分段33a和33b，并且布置成互为镜像相反。L形分段33a和33b在底部相结合，具有适于容纳磁性传感器35的间隙，以及将各个L形分段33a和33b布置在紧靠磁性传感器35的位置。每个L形分段33a和33b的正方形横截面尺寸都大约为0.15英寸。优选的是，每个L形分段33a和33b深度都大约为1.25英寸，并且横过该底部有0.445英寸，从而形成深度大约1.25英寸、宽度为0.89英寸的外形尺寸的U形。在该优选实施例中，磁性传感器35是Allegro 3515的霍尔效应元件，但是同样可以或者另外使用其他形式的包含但不是限于Allegro 3515的霍尔效应元件的磁性传感器。
通过电子电路13(图3C和3D)处理磁性传感器35的输出。电子电路13在磁性传感器35和遥控仪器19之间设置有接口。如图3C中所示，一对连接器11和J2从工业标准4～20mA电流线圈中接收功率。如本领域技术人员所理解的那样，用于磁性传感器35和电子电路13的功率可以从调整电路产生，该调整电路用无源元件R5，R6，R7，R10，R11，R12和C5，以及来自加利福尼亚州，圣克拉拉的国家半导体公司的LM285微功耗基准电压二极管U2设计而成。在表1中显示这些元件以及图3C和3D中的其它元件的值/标示。
间歇性地为这些电路供电，可以减少磁性传感器35和电子电路13的功率消耗。磁性传感器35通过连接器J3连接到该电子电路上，并且通过多通道场效应晶体管(FET)Q2在大约200赫兹处“功率开关”或者受到脉冲作用。如本领域技术人员所理解的那样，嵌入式控制器U1，亚利桑那州，菲尼克斯的微型芯片技术公司的PIC12C508A，以及无源元件R1、Y1、C1和C2提供用于脉冲运行的定时和控制。从磁性传感器35输出的脉冲输出信号必须进行插值或者重建，从而产生能够由遥控仪器19处理的模拟信号。FET Q1，运算放大器U3A(图3C)，以及多个无源元件R2，R8，R13，R14，C3，C6和C7，产生采样和保持电路，用来重建模拟信号。运算放大器U3B和多个无源元件R3，R4，R9以及C4调整(即调整增益和偏移)并且过滤重建模拟信号，从而产生最终输出信号。通过连接器J4，最终的输出信号或者位置位移测量被输送到遥控仪器19中(图3C)。最后，测试连接器J5能够为用于磁性传感器35和电子电路13的诊断评估提供测试信号。


表1继续参考图4B，通量聚集极靴32收集磁通量源18a产生的磁场10，并且将该通量引导向磁性传感器35，在下文中将对此进行更加详细地说明。磁通量源18a被安装为大致垂直于传感器组件11，这样任何相对水平位移都不会导致磁通量源18a与通量聚集极靴32上的内脚物理接触。磁通量源18a与U形通量聚集极靴32的开口的啮合大约为0.3125英寸。位于磁通量源18a两侧的大约为0.2英寸的气隙将磁通量源18a对称地布置在传感器组件11中。
每个离散的磁铁50-72产生磁场。众所周知，所述磁场的形状和密度与多个因素直接相关。这些因素中的两个是磁铁的感应和磁铁与外界磁场的相互作用。为了更好地理解磁通量源18a的特有特征，在下文中将更加详细地说明上述因素。
磁铁的感应是其内在磁性强度的直接测量，并且能够在制造过程中进行控制或者程序化。众所周知，对于给定的磁铁物理几何结构，在其感应中的增加将在磁性强度和其磁场密度中产生相应的增加。通过控制离散磁铁的感应，能够控制其通量密度(即在给定体积中的通量大小)，并且因此能够控制其磁场。同样，不是由离散磁铁产生的任何附加的或者外界磁场都可以与离散磁铁产生的磁场相结合。附加磁场的极性和密度能够“加性地”增加或者减少围绕离散磁铁周围的磁场。在此说明的磁路使用感应控制和外界磁场之间的相互作用来产生可编程的磁通量源。
如现有技术证明的那样，当用于位移测量使用磁铁的整个长度时，单一条形磁铁会有难度。如图4A中所示，在单一条形磁铁的应用中，磁极的极化方向或者方位平行于行程方向。极性方向在磁极附近设置有高度集中的磁场130a和130b。在这些密集通量区域中，磁通线之间的排斥力在磁场中产生极端非线性变化。如果单一条形磁铁将被用于位移测量，则需要通过传感器组件电子线路进行特殊处理，从而产生线性输出。另外，磁铁的长度可以增加大约75％，从而排除非线性端部效应，但是这种方法不必要地增加了成本，并且由于物理长度的增加限制了位置传感器的应用。在本优选实施例中，磁通量源长度可以与将要检测的最大位移大致相等，并且不需要对输出信号进行特殊处理。
图4B是仅使用七个离散磁铁50-56的优选实施例的自由空间图，用于图示相互结合来产生更大的混合磁场10的磁场110-116。下述磁学原理大致说明了多个离散磁铁之间的关系。如图4B所示，独立磁场110-116不仅包围产生所定向的离散磁铁50-56，而且提供用于相邻磁铁的相交磁通线。叠加的通量区域加性地相结合，用于产生更大的限定整个磁通量源的预定磁场10。在优选实施例中，每个离散磁铁50-56的极轴垂直指向相对运动的方向，以有助于“叠加”连续磁场。通过控制每个离散磁铁50-56的感应或者强度，并且将其布置成线性阵列，离散磁场110-116加性地互相结合，从而产生能够产生预定磁场10的可编程磁通量源。
如上文所述，每个离散磁铁都具有与之相关联的特殊的磁性“能量”或者感应量。物理磁性体积、磁铁几何结构以及磁铁材料特性，都限定了在磁铁中能够存在多少磁能。如本领域技术人员所已知的，每个离散磁铁的感应都可以使用传统的磁性处理器进行设计或者校准，比如印地安那州，印第安纳波利斯的磁性仪器公司生产的型号为990C的Magnetreater。当使用型号为990C的Magnetreater时，需要考虑上述磁铁的所有特性。在下文中示出的表2，提供了用于图3A中所示的线性阵列的感应值。


表2如表2中所述和所示，磁铁序列的感应值发生阶段性的变化，从而产生磁通量源18a的磁场10。离散磁铁61被布置在阵列的几何中心，并且被设计为0高斯，从而在仪器校准中为绝对参考提供磁性空位。此外，为了提供绝对位移测量，离散磁铁50-72在磁性空位的两侧都具有相反的极性。极性差异通过电子电路13(在图4B中未示出)进行检测，并且通过遥控仪器19将其作为绝对位置测量。众所周知，在表2的值中，相反的数学符号表示极性变化。通常，正值表示磁性空位之上的相对位移，负值表示磁性空位之下的相对位移。虽然优选实施例讲解了具有线性输出关系的位置传感器，但是应该理解的是，磁通量源的内在可编程性能够提供多种位置传感器输出信号行程关系，而没有改变传感器组件电子线路。同样，离散磁通量源的独特特性为不同形式的位移测量提供充分的适应性。在下文中所解释的替换实施例中将更加详细地说明这种适应性。
在直线应用的另一实施例中，在磁通量源中重新定位离散磁铁来控制相互作用。如上文所述，优选实施例依靠设计相邻离散磁铁的感应来产生预定的输出信号。再次参考图1A-1D，磁场中的物理位置决定此磁场的测量强度。类似地，通过在相邻磁铁之间产生空间和距离，能够控制离散磁铁的表观强度，因此可以控制其相互作用。
图5A是另一实施例的侧视图。磁通量源18b的离散磁铁50-72都再次沿着托架42的纵轴46等间距布置。离散磁铁50-72的直径大约为0.125英寸，长度为0.462英寸。托架42适于容纳具有大约为0.25英寸的中心到中心间距的离散磁铁50-72。通过围绕磁通量源18b的纵轴46螺旋形地导向或者旋转离散磁铁50-72，来控制磁场的相互作用。众所周知，通过在任何方向上增加离开磁铁的间距，将降低磁铁的表观强度。在此替换实施例中，提供围绕纵轴在相邻磁铁之间精确的角位移，来控制相邻磁场之间的相互作用。在此替换实施例中，传感器组件11(未示出)与优选实施例中详细说明的传感器组件相同。因此，通过离散磁铁50-72的计算方位，可以产生预定的输出信号。
图5B是用于直线位置传感器的螺旋指向磁通量源18b的俯视图。该视图显示用于离散磁铁50-72的旋转参考平面126。磁通量源18b大约位于通量聚集极靴32的第一和第二L形分段33a和33b之间的中心部分。在下文中示出的表3，提供了要求从具有全部设计为大约457高斯的离散磁铁50-72的传感器组件11(未示出)中获得基本线性输出的旋转角实例。


表3图6中显示位置传感器的另一实施例。使用与优选实施例中类似的技术构造旋转非接触位置传感器30b。15个离散磁铁50-64被排列在均匀角度分布为6°的扇形托架43中。该扇形托架垂直布置在旋转轴47上，以产生旋转磁通量源18c。另外，扇形支架43优选的是由铝制成。通过旋转安装组件79，旋转磁通量源18c被直接连接到旋转轴75上。通量聚集极靴的L形分段33a和33b，磁性传感器35，以及离散磁铁50-64都与上述说明相同。在下文中示出的表4，为图6中所示的旋转磁通量源18c提供感应值。


表4图6中所示的旋转位置传感器30b，通过各个离散磁铁50-64的感应的受控校准，提供旋转行程和传感器输出之间的线性关系。通过90°的旋转，提供线性输出运行特性。
在此所描述的原理同样可以被应用于具有延长的线性运行范围的旋转位置传感器30c。使用与上文中参考图2C所述的相同的通量聚集极靴32的L形分段33a和33b以及磁性传感器，可以用单个圆柱条磁铁39作为用于位置传感器的磁通量源。如图7A中所示，旋转传感器30c被设计为可以提供以线性方式变化的输出。圆柱形磁铁39在通量聚集极靴32的第一和第二L形分段33a和33b之间旋转，以提供基本为线性的输出信号。通过正确选择磁铁长度，可以获得最大的线性度。相对于通量聚集极靴32，圆柱形磁铁39的最优化长度是实质上为通量聚集极靴32的L形分段之间的间隙宽度的2/3。例如，使用内部宽度大约为0.59英寸的优选实施例的通量聚集极靴32，圆柱形磁铁39将具有大约为0.385英寸的长度。在此替换实施例中，圆柱形磁铁39的直径大约为0.1875英寸。如图所示，托架44将圆柱形磁铁39连接到旋转轴75上。托架44适于围绕旋转轴75的轴线49，连接到圆柱形磁铁39上。此外，圆柱形磁铁39被插入通量聚集极靴32的开口中大约0.3125英寸。
如图7B中所示，通过110°的旋转提供线性输出运行特性，其中，该旋转是围绕等分通量聚集极靴32的第一和第二L形分段33a和33b的平面119对称布置的。等分平面119与磁性传感器的检测平面118成直角。
上文中已经显示和说明了使用单个霍尔效应传感器的位置传感器的多种执行方式。可以在上文中所述和所示的技术和构造中进行多种调整和变动。例如，由铁磁粉材料做成的磁分路可以被设置在靠近或者完全包围每个离散磁铁的位置，以有选择地减小其磁场，因此控制其在后续磁铁上的效应。此外，同样可以在各个磁铁之间使用不均匀间距，或者使用可变磁铁长度。
此外，如图8-11中的实施例所示，次级霍尔效应传感器可以被加到在单个霍尔效应非接触接近传感器中使用的U形通量聚集极靴上。下面参见附图8，传感器组件200被安装在传感器外壳212中。U形通量聚集极靴214被传感器外壳212固定地排列。如上文中更充分地说明那样，U形通量聚集极靴214，包括第一L形分段216以及第二L形分段218，并被布置在紧密邻近磁通量源的位置。磁通量源可以采用，例如含有多个离散圆柱形磁铁的矩形托架(如图3A中所示)的形式，使用该托架可以有助于通过具有直线位置和行程的传感器组件210进行检测。对于磁通量源的替换布置方式同样是可能的。例如，为了便于检测旋转位置和行程，磁通量源可以采用含有多个离散磁铁的扇形(如图6中所示)的形式，优选的是排列为均匀角度分布。
如图9中最佳所示，在传感器外壳212中，第一L形分段216以及第二L形分段218分别在非对称的Y形部分220，222的位置终止。非对称的Y形部分220，222各自分别具有第一端部224，226。初级霍尔效应传感器228被布置在U形通量聚集极靴214的第一和第二L形分段216，218的Y形部分220，222的第一端部224，226之间。与L形分段218相接触的初级传感器228的表面238优选的是有烙印的。
每个非对称Y形部分220，222还分别具有第二端部230，232。第一端部224，226以及第二端部230，232都被布置在各个Y形部分220，222的首端。传感器外壳212优选的是还提供有适配器234，该适配器由电绝缘材料，比如塑料做成，但是磁通量可以穿过该适配器。如图9中最佳所示，次级传感器236和适配器234都被布置在非对称Y形部分220，222的第二端部230，232之间。与初级传感器228相类似，次级传感器236是霍尔效应传感器，在非对称Y形部分220，222的第一和第二端部224，226，230，232的法向上布置有至少一个敏感元件，从而与U形通量聚集极靴214产生的通量方向垂直。
通过提供非对称Y形部分220，222，使初级传感器228位于第一和第二端部224，226之间，使次级传感器236与适配器234一起，位于第一和第二端部230，232之间，部分通量可以从初级传感器228有效地避开，并且由次级传感器236进行检测。次级传感器236可以在限位开关电路中用作为限位开关元件，它在整个单一传感器非接触位置传感器上具有增加的可靠性，并且同样有利于避免在阀杆行程的两端需要两个限位开关。
有利的是，适配器234在次级传感器236和非对称Y形部分220，222的第二端部230，232之间产生气隙，在其中产生与次级传感器236的有损耗磁性连接。通过控制该气隙中的空间，以及磁路的其它元件，比如磁极端部表面区域，能够分别控制初级传感器228和次级传感器236中通过的通量大小。
已经发现，大约0.13英寸的气隙提供初级传感器228的输出的40％至50％的次级传感器236的输出，该输出是在被用作为限位开关时的次级传感器的理想输出。另外，通过改变适配器的尺寸，气隙的尺寸，或者适配器的材料，都将影响初级传感器228和次级传感器236的相对输出。因此，在初级传感器228主要用作为位置传感器，并且次级传感器236用作为限位开关的那些应用中，优选的是，初级传感器228经受的比次级传感器236更大百分比的U形通量聚集极靴214产生的磁通量，所以选择各个尺寸和材料，从而产生所要求的结果。
在其它实施例中，可以相对于初级传感器228设置次级传感器236，这样将不需要改变U形通量聚集极靴的L形分段216，218的端部。现在参见图10，初级传感器228被显示为位于L形分段216，218的端部和初级传感器228的表面238之间，表面238与L形分段218相接触，并且优选的是有烙印的。在此实施例中，次级传感器236被布置为紧邻初级传感器228，这样初级和次级传感器228，236的端部优选是接触的。
为了使次级传感器经受如上述实施例中的通量，代替从初级传感器228分流通量，图10实施例的次级传感器236(图11中的再一替换实施例的次级传感器236与之相同)，检测靠近初级传感器228的泄漏通量。为此，需要将次级传感器236布置在最高泄漏磁通量通路中，其中该通路尽可能地靠近初级传感器228。
初级传感器228和次级传感器236的霍尔效应敏感元件240、242分别被被依次排列，并与L形分段216，218的端部相垂直。由于初级传感器228和次级传感器236的端部相接触，所以有利的是，敏感元件240、242能够以大约0.112英寸的距离尽可能地接近彼此，这样，当初级和次级传感器件228、236被布置在同一平面内时，通过次级传感器236的敏感元件242，来基本上最大化靠近初级传感器228的泄漏通量检测。
现在转向图11，在再一替换实施例中，次级传感器236定向为垂直于初级传感器228。在此实施例中，次级传感器236的敏感元件242甚至更加靠近初级传感器228的敏感元件(未示出)。可以发现，通过布置次级传感器236，使得次级传感器236的未烙印表面被布置为与U形通量聚集极靴的L形分段218的底面紧密平直的接触，次级传感器236的敏感元件242可以以大约0.063英寸的间距靠近初级传感器228的霍尔效应敏感元件。在此实施例中，由于更加靠近初级和次级传感器228、236的检测元件，更特别的是，由于次级传感器236布置在具有更高的泄漏通量的通道中，所以，与图10实施例的次级传感器相比，可通过次级传感器238获得更大的输出电压。
图12是示范性阀杆行程的图形表示，使用根据在此所公开的实施例中的一个的初级和次级传感器监测该阀杆行程，其中，初级传感器228和次级传感器236的电压输出以直流电压形式显示，并且通过矩形托架(或者是“磁铁托架”)形式的磁通量源的线性运动表示的阀杆的行程或者位移，以英寸显示。如所述图形表示所示，次级传感器236的电压输出与初级传感器228的电压输出成正比。
另外，人们可以将次级传感器236布置在任何想要的位置，但是优选的是布置在高磁通量通路中。也就是说，除了经受泄漏通量的次级传感器或者替代它之外，次级传感器可以被设置在次级磁通量通路中。这样，人们可以利用磁极构造来形成额外的泄漏磁通路线来由次级传感器进行检测，或者形成由次级传感器进行检测的完全分离的磁通量通路。同样，在控制电路中，次级传感器除了作为限位开关以外，还可以被用于其它目的。
如图13中示意性所示，初级传感器228和次级传感器236优选的是都被放置为与电压检测器250通信，该电压检测器检测穿过初级和次级传感器228、236每个中的检测元件240、242的电压。电压检测器250可以与处理器252进行通信，处理器252包括存储器254，该存储器存储一或多个预定的电压，可以将测得的电压输出或者多个输出与预定电压进行比较。该处理器还可以包括输出信号发生器256，该输出信号发生器根据处理器252对所检测的电压输出或多个输出与与存储器254中存储的预定电压的一或多个选定接近的判定，产生一信号。然后，接收该信号的控制器258能够相应地发动一或多个适当的控制序列。
本领域技术人员将认识到，上述多个实施例都是用于说明，并不用于限定于本公开的范围。例如，当在此公开的实施例都被用于检测阀杆行程时，可以认识到，在此的讲解可以类似地被用于其它的期望可靠检测物体的位置和/或可靠限制物体的行程、而不需要多个机电限位开关等的情况中。
权利要求
1.一种位置传感器组件，包括第一极靴；第二极靴；布置在该第一和第二极靴之间的初级传感器，其中所述第一和第二极靴形成穿过该初级传感器的初级磁通量通路，并且允许该初级传感器外面的泄漏磁通量通路；以及布置在该泄漏磁通量通路中的次级传感器。
2.根据权利要求1所述的位置传感器组件，其中所述泄漏磁通量通路，从该次级传感器产生与通过该初级磁通量通路产生的初级传感器的电压输出成比例的电压输出。
3.根据权利要求1所述的位置传感器组件，还包括与该初级传感器和次级传感器进行电气通信的电压检测器。
4.根据权利要求3所述的位置传感器组件，还包括与该电压检测器进行通信的处理器，所述电压检测器适于将该初级传感器和次级传感器所检测的电压输出发送到该处理器；所述处理器包括一或多个存储在相关联的存储器中的预定电压；而且所述处理器将该初级传感器和次级传感器的电压输出中的至少一个与所述一或多个预定电压进行比较，并且所述处理器适于根据所述至少一个电压输出与所述一或多个预定电压选定的邻近产生信号。
5.根据权利要求1所述的位置传感器组件，其中该第一极靴大致为L形，该第二极靴大致为L形，并且该第一和第二极靴被布置为形成大致为U形的通量聚集极靴。
6.根据权利要求5所述的位置传感器组件，其中该初级传感器被设置在该第一和第二极靴每个的端部之间。
7.根据权利要求6所述的位置传感器组件，其中该初级传感器的有烙印的表面与该第一和第二极靴中的至少一个的端部相接触。
8.根据权利要求1所述的位置传感器组件，其中该次级传感器被排列为紧邻该初级传感器。
9.根据权利要求1所述的位置传感器组件，其中该次级传感器与该初级传感器相接触。
10.根据权利要求1所述的位置传感器组件，其中该次级传感器被安排为垂直于该初级传感器。
11.一种位置传感器组件，包括初级传感器，包括至少一个响应磁场的霍尔效应敏感元件；次级传感器，包括至少一个响应磁场的霍尔效应敏感元件；用于聚集并且将磁通量至少导向该初级传感器的U形通量聚集极靴，该通量聚集极靴是通过对称放置由磁性可穿透材料制成的第一和第二L形分段而形成具有分叉底部的U形构成，该U形极靴的分叉底部具有分开该第一和第二L形分段的间隙；所述初级传感器被设置在该第一和第二L形分段每个的端部之间；以及磁通量源，用于产生按照基本上为线性的方式变化的磁场。
12.根据权利要求11所述的位置传感器组件，还包括从该第一L形分段延伸的第一非对称Y形部分，该第一非对称Y形部分具有一头部，该头部包括沿该第二L形分段方向延伸的第一和第二端部；从该第二L形分段延伸的第二非对称Y形部分，该第二非对称Y形部分具有一头部，该头部包括沿该第一L形分段方向延伸的第一和第二端部；所述初级传感器被安排在该第一和第二非对称Y形部分的第一端部之间；以及所述次级传感器被安排在该第一和第二非对称Y形部分的第二端部之间。
13.根据权利要求12所述的位置传感器组件，还包括布置在该次级传感器与第一和第二非对称Y形部分的第二端部之间的适配器。
14.根据权利要求13所述的位置传感器组件，其中该适配器由电绝缘材料构成。
15.根据权利要求14所述的位置传感器组件，其中所述电绝缘材料是塑料。
16.根据权利要求11所述的位置传感器组件，其中该次级传感器被设置为紧邻该初级传感器，其中该初级传感器的霍尔效应敏感元件和次级传感器的霍尔效应敏感元件被彼此对准，并被定向为与该L形分段的端部垂直。
17.根据权利要求11所述的位置传感器组件，其中该次级传感器被设置为与该初级传感器垂直，其中该次级传感器的霍尔效应敏感元件与初级传感器的霍尔效应敏感元件相垂直，由此分开该初级传感器和次级传感器的霍尔效应敏感元件的距离被最小化。
18.一种位置传感器组件，包括传感器外壳；通过该传感器外壳对准的U形极靴，所述U形极靴包括第一L形分段和第二L形分段，其中该第一L形分段在一非对称Y形部分处终止，并且该第二L形分段在第二非对称Y形部分处终止；初级传感器，被布置在该第一和第二非对称Y形部分每个的第一端部之间，所述第一和第二非对称Y形部分每个的第一端部位于各个非对称Y形部分的头部；以及次级传感器，被设置在该第一和第二非对称Y形部分每个的第二端部之间，所述第一和第二非对称Y形部分每个的第二端部同样位于各个非对称Y形部分的头部。
19.根据权利要求18所述的位置传感器组件，其中该初级传感器包括至少一个敏感元件，所述敏感元件被安排为垂直于该第一和第二非对称Y形部分的第一端部。
20.根据权利要求19所述的位置传感器组件，其中该次级传感器包括至少一个敏感元件，所述敏感元件被安排为垂直于该第一和第二非对称Y形部分的第二端部。
21.根据权利要求18所述的位置传感器组件，还包括布置在该次级传感器与至少该第一和第二L形分段之一的第二端部之间的适配器。
22.根据权利要求21所述的位置传感器组件，其中该适配器由电绝缘材料构成。
23.根据权利要求22所述的位置传感器组件，其中所述电绝缘材料是塑料。
24.根据权利要求21所述的位置传感器组件，其中该适配器被设置在该次级传感器与第一和第二非对称Y形部分两者的第二端部之间。
25.根据权利要求24所述的位置传感器组件，其中该适配器在该次级传感器与第一和第二非对称Y形部分两者的第二端部之间产生气隙。
26.根据权利要求25所述的位置传感器组件，其中该气隙大约为0.13英寸。
27.根据权利要求18所述的位置传感器组件，其中该次级传感器用作为限位开关，并且所述初级传感器被安排为比该次级传感器从所述U形极靴经受更大的磁通量百分比。
28.一种用于检测相对位置的方法，包括提供邻近磁通量源的第一极靴和第二极靴；提供第一位置传感器，该第一位置传感器在由该第一和第二极靴形成的初级磁通量通路中具有至少一个霍尔效应敏感元件；提供第二位置传感器，该第二位置传感器在该第一位置传感器外面的泄漏磁通量通路中具有至少一个霍尔效应敏感元件。
29.根据权利要求28所述的方法，包括将该第一位置传感器放置为与所述极靴中的至少一个紧密接触。
30.根据权利要求29所述的方法，其中该泄漏磁通量通路至少部分地通过从该初级传感器分流磁通量而提供。
全文摘要
一种具有初级和次级传感器的非接触位置传感器，检测两个物体之间的相对位移。该次级传感器可以用作限位开关电路中的限位开关检测元件，并且被布置在没有被该初级传感器检测的磁通量通路中。该初级传感器被布置在通量聚集极靴多个部分之间的磁通量通路中。次级传感器被布置在第一传感器外面的泄漏磁通量通路中，或者可以被布置在次级磁通量通路中。
文档编号G01D5/12GK1751229SQ200480004797
公开日2006年3月22日 申请日期2004年2月18日 优先权日2003年2月21日
发明者科特·盖尔布莱斯, 理查德·J·维克勒, 史蒂芬·G·西博格 申请人:费希尔控制产品国际有限公司