旋转电机传感器的制作方法

专利名称：旋转电机传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器。特别地，但是非排它地，本发明涉及一种用 于诸如，例如涡轮增压器之类的涡轮机的速度传感器。
背景技术：
众所周知，涡轮增压器是在高于(升压)环境压力的压力下给内燃机 的进气口(intake)提供空气的装置。常规的涡轮增压器主要上包括在涡轮机 壳体内安装在旋转轴上的由排气驱动的涡轮机叶轮。涡轮机叶轮的旋转带 动在压縮机壳体内安装在旋转轴的另一端上的压縮机叶轮的旋转。压縮机 叶轮将压縮空气传送到内燃机的进气歧管，从而提高内燃机的功率。
已知可以给涡轮机提供测量涡轮机的运行特性的传感器。任何这种运 行信息可以用作涡轮机控制系统的一个参数。例如，涡轮机各部件之间的 间距。
一种类型的已经用作涡轮机传感器的传感器是包括谐振电路的电容 性传感器，该谐振电路包含形成在安装于涡轮机壳体的壁中所设置的孔中 的传感器电极和导电的涡轮机叶轮之间的电容。当涡轮机叶轮旋转时，电 容波动取决于各个叶片扫过电极时涡轮机叶轮和传感器电极之间的间距。 从而，通过对变动的电容在谐振电路中所产生的频率调制进行检测并且放 大来确定传感器电极和涡轮机叶轮之间的间隔。
在已知的电容性传感器中，当电容量随着增大的间距而急剧变化时， 必须使电极和其他涡轮机元件之间的间隔保持为最小值，其中电极和其他 涡轮部件之间的间隔形成了电容，并且电容量与间隔距离成反向的函数关 系。然而由于机械结构、误差以及热膨胀余量的原因，通常需要使间隔值最小。这样，信号电平通常很低。与通常具有低得多的噪声电平的检验实 验室相比，内燃机环境中通常具有相当大的电噪声电平。这种低的信号电 平和工作环境中的电噪声产生了低的信噪比，从而通常很难将期望信号放 大到所需的水平，并同时从信号中摒弃噪声。电容性传感器中也存在很大 问题，这是因为它们的运行可能会受到通过涡轮增压器的气体中的污染物 的存在以及传感器电极本身上的污染物沉积的存在的不利影响。
可以证明其他涡轮机运行特性的测量是有用的。例如，通过给内燃机 控制单元(ECU)提供与涡轮增压器的速度相关的信息，就可能防止或抵 消涡轮增压器的任何超速。

发明内容
本发明的一个目的是避免或减轻上述缺点。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于测量旋转凸起的旋转构件的
旋转速度的速度传感器，所述速度传感器包括电极和传感器电路；
所述传感器电路包括
恒压源，用于向电极提供电压以便在电介质中产生电场；
电流检测器，用于检测恒压源和电极之间的电流，所述电流是由所述 电场的扰动产生的，所述扰动是在旋转构件旋转时通过使旋转构件的至少 一个凸起特征穿过所述电场而引起的，所述电流检测器输出在与所述电场 的扰动频率对应的频率下调制的第一信号；和
放大器电路，包括用于放大第一信号并且输出在与所述电场的扰动频 率对应的频率下调制的第二信号的信号放大器；
其中，将电极电压、放大器增益和电极相对于旋转构件的位置选择为 使得第二信号的调制主要由电介质中的电场扰动产生，所述扰动是由所述 电场内离子的产生和/或运动产生的。
可以理解的是，只需要恒压源在恒压下工作一段时间，该段时间足以 使传感器检测到旋转构件的旋转速度。恒压源例如能够输出一定范围的电 压，该电压在一段时间内可以变化。
此外可以理解的是，虽然电压源试图时时维持恒压，由于电场扰动和 电压源响应之间的滞后，电极上的电压实际上是波动的。因此，术语"恒定"应该相应地被解释为任何这种波动都可以被忽略。
可以理解的是，旋转构件的凸起特征(salient feature)可以是当其穿过电 场时在其中产生所述扰动的任何部件。凸起特征例如可以是旋转构件的三 维结构特征，或者旋转构件材料性质中的局部变化(包括材料的局部变 化)，或者这些情况的组合。
电介质例如可以包括电极和旋转构件之间的流体或气体(例如，空 气)，或者不导电固体(例如，电绝缘的塑料材料)，或者这些情况中的两 种或更多种的组合。
传感器电路可以包括用于接收第二信号并且输出第三信号的分频器。
传感器电路可以包括用于接收第二信号或第三信号并且提供表示扰 动的频率的第三信号的频率计数器。
传感器电路可以包括输出端子或电缆，用于连接到用于根据第二、第 三或第四输出信号来确定旋转构件的旋转速度的控制器或其他装置。
传感器电路可以包括用于根据所述第二、第三或第四输出信号来确定 旋转构件的旋转速度的装置。
电压源可以提供大于大约+/-30的电压，例如在+A30V到+/-500￥的范 围内，或者更高。在本发明的有些实施例中，高达+AlkV或更高的电压可 以是合适的。在其他实施例中，+/-3(^到+/-150￥范围内的电压可以是合 适的。 一个优选的电压范围是+/-50￥至1]+/-150￥，例如120V的量级。
例如，相对于相关地有所提高的传感器电压能够检测到所描述的扰 动，并且提供了改善的信噪比。己经发现，大大高于典型电子电路中所使 用的典型电压(即，5V或12V)的电压在电荷运动中产生作用，该作用 与旋转构件的每次旋转相一致，然而更低的电压允许电极电势响应于最近 的流体流动中的污染物(contaminant)或者任何相关的最近地线的电势中 由于不好的电连接(例如，由于轴或叶轮通过油膜轴承连接到地)所产生 的任何变化而波动。
速度传感器的至少一部分可以由至少一个导电屏蔽罩进行电屏蔽。例 如，电极和传感器电路(其可能远离电极)之间，或者传感器电路元件(其 可能彼此远离)之间的连接可以被屏蔽。
该屏蔽罩可以保持在受控的电势下。放大器电路可以包括屏蔽放大器，它的输出驱动该或各个导电屏蔽罩。
速度传感器可以包括至少两个屏蔽电路的各个部分的导电屏蔽罩。 该或各个屏蔽放大器可以将各个导电屏蔽罩保持在相同的电势下。该 或各个屏蔽放大器优选具有一致的增益。
该或各个屏蔽放大器可以耦合到信号放大器上。
反馈环可以跨接到放大器上，并且包括第一电容器。在一个实施例中， 屏蔽放大器与信号放大器串联连接，反馈环跨接信号放大器和所述屏蔽放 大器，反馈环包括第一电容器。第一电容器可以是电容分压器的适于减小 电容的有效容量的一部分。电容分压器可以包括所述第一电容器和分压 器。
放大器电路的增益可以由其值小于100pF的电容来控制，更优选地该 电容值为小于10pF，更优选为小于lpF，更优选为小于0.1pF，或者更优 选为还小于0.01pF。该电容可以处于电容分压器中，例如正如前面所提及 的用于提供进一步减小的有效电容量，其值优选为小于10pF，更优选为小 于lpF，更优选为小于O.lpF，更优选为小于O.OlpF，并且更优选为小于 0扁pF。
在优选实施例中，第一输出信号为调制电压。
电流检测器可以包括串联跨接电压源上的电容器和电阻器，其中电极 连接到电压源和电容器的第一端之间的节点上，并且从电容器的第二端和 电阻器之间的节点上提取第一输出信号。
电极可以具有电场从其上延伸的表面，该表面的在使用中最靠近旋转 构件的至少一部分由保护材料体覆盖。保护材料例如可以是不导电的。
电极可以包括电极基体和电场从其上延伸的电极表面，该表面的在使 用中最靠近旋转构件的至少一部分由不同于电极基体的导电材料所限定。
根据本发明的第二方面，提供了一种旋转电机，包括
被支撑为绕轴线旋转的旋转凸起的旋转构件，和用于检测旋转构件的 旋转速度的速度传感器，所述速度传感器包括-
相对于所述轴线固定在合适位置上的电极；
连接到电极上的用于在电极和旋转电机的电势基本恒定的部分之间建立电场的恒压源，
其中，将电极定位成使得当旋转构件绕所述轴线旋转时，旋转构件的 至少一个凸起特征穿过所述电场，从而在旋转构件的每次旋转时扰动所述 电场；
电流检测器，其用于检测电压源和电极之间响应于所述电场的所述扰 动的电流；禾口
放大器电路，其包括用于放大第一信号并且输出在与电场的扰动频率
对应的频率下调制的第二信号的信号放大器；
其中，将电极电压、放大器增益和电极相对于旋转构件的位置选择为 使得第二信号的调制主要由电介质中的电场扰动引起，所述扰动是由所述 场内离子的产生和/或运动产生的。
旋转电机的电势基本恒定的部分可以为所述旋转构件。
旋转构件例如可以是不导电的，并且旋转电机的所述电势基本恒定的 部分是导电.体，其由旋转电机支撑为与电极成固定空间关系，从而旋转构 件的所述至少一个凸起特征在旋转构件绕所述轴线的每次旋转时在电极 和所述电势恒定的部分之间穿过。
旋转电机的所述电势恒定的部分例如可以是旋转电机的壳体的导电 部分。可选择地，旋转构件可以安装在轴上，所述轴的至少一部分是导电 的，并且包括旋转电机的所述电势恒定的部分。
旋转构件可以包括多个所述凸起特征。优选地，电极的有电场通过的 表面在旋转构件旋转方向上的大小小于旋转构件的旋转邻接的凸起特征 的间隔。
所述或各个凸起特征可以包括实体突起和/或旋转构件的材料性质中 的局部变化。
在一些实施例中，所述实体突起包括边缘。
所述或各个凸起特征可以是相对于所述轴线大体径向和/或轴向延伸 的突起。例如，所述或各个凸起特征是叶片或翼片。
旋转构件可以在由壳体限定的腔体内旋转，流体存在于所述腔体中， 并且其中电场穿过电极和旋转构件之间的所述流体。壳体可以具有流体入
口和流体出口，所述腔体位于所述入口和所述出口之间的流体流动通道中。
旋转电机可以为涡轮机。例如，旋转电机可以为涡轮机或压縮机(例 如包括在涡轮增压器或其它装置中)，并且所述旋转构件可以为涡轮机叶 轮或压縮机叶轮。
电极可以由插在入口或出口中的部件支撑，并且与所述部件电绝缘。 插入的部件可以为环形构件，例如压缩机的噪声挡板。
在一些实施例中，电极由旋转电机的壳体支撑，并且与所述壳体电绝缘。
优选电极并不暴露在所述流体中。电极例如可以由与所述流体至少基 本上不发生反应的材料层或材料体与所述流体分隔。电极可以由电绝缘材 料层或材料体与所述流体分隔。
不管电极的支撑方法是什么，在一些实施例中(诸如例如当旋转电机 为压缩机时)，电极相对于壳体优选具有固定的位置，并且与旋转构件有 设定的最小间距(这个最小值可能仅在叶轮的一个或多个方向上，并且可
能取决于占据轴承中的轴向间隙(axial play)的叶轮以及任何常见的热膨胀 与向心膨胀)。这个最小间距优选为至少0.1mm，更加优选为至少0.2mm， 更加优选为至少0.3mm，更加优选为至少0.4mm，更加优选为至少0.6mm， 更加优选为至少0.8mm，更加优选为至少lmm，更加优选为至少1.5mm， 更加优选为至少2mm，更加优选为至少5mm，更加优选为至少10mm。 这个间距还优选为小于旋转构件或其穿过电场区域部分的直径的三倍，更 加优选为小于所述直径，更加优选为小于该直径的三分之一。当旋转构件 具有叶片阵列时，进一步地，该间距优选为小于电场区域中的叶片的间隔， 更加优选为这些间隔的一半。
旋转电机的电势恒定的部分可以处于地电势或虚地电势。 速度传感器可以为根据本发明的任意其他方面所述的速度传感器。 在本发明的第三方面中，提供了一种使用根据本发明的任意其他方面 所述的速度传感器来测量旋转电机速度的方法，该旋转电机包括被支撑为 绕轴线旋转的旋转凸起的旋转构件。
根据本发明的第四方面，提供了一种测量旋转电机的速度的方法，所 述旋转电机包括被支撑为绕轴线旋转的旋转凸起的旋转构件，所述方法包括
相对于所述轴线将电极支撑在合适的位置上；
给电极提供恒定电压，以便在电极和旋转电机的电势基本恒定的部分之间建立电场；
其中，将电极定位成使得当旋转构件绕所述轴线旋转时，旋转构件的至少一个凸起特征穿过所述电场，从而在旋转构件的每次旋转时扰动所述
电场；
检测电压源和电极之间的响应所述电场扰动的电流，以便得到在所述扰动的频率下调制的第一信号；
放大第一信号并且输出在与电场的扰动频率对应的频率下调制的第二信号；
其中，将电极电压、放大器增益和电极相对于旋转构件的位置选择为使得第二信号的调制主要由电介质中的电场扰动引起，所述扰动是由所述电场内离子的产生和/或运动产生的；以及
根据所述信号的调制确定旋转速度。
根据本发明的第五方面，提供了一种用于测量旋转凸起的旋转构件的旋转速度的速度传感器，该速度传感器包括电极和传感器电路；该传感器电路包括
用于给电极提供电压以便产生电场的恒压源；
电流检测器，用于检测恒压源和电极之间的电流，所述电流是由所述电场的扰动产生的，所述扰动是在旋转构件旋转时通过使旋转构件的至少一个凸起特征穿过所述电场而引起的；
所述电流检测器输出在与所述电场的扰动频率对应的频率下调制的第一信号。
传感器电路优选进一步包括用于放大第一信号并且输出第二信号的信号放大器。
将电极电压、放大器增益和电极与旋转构件之间的位置选择为使得电极电流中的脉冲主要由穿过局部化电场的离子的运动产生。所述离子可以为下述两种方式中的至少一种在流体内或吸附在不导电固体上。
速度传感器的至少一部分可以由至少一个导电屏蔽罩进行电屏蔽，该导电屏蔽罩可以保持在受控的电势下。优选地，所述传感器包括至少一个屏蔽放大器，其输出驱动该或各个导电屏蔽罩。该或各个屏蔽放大器可以耦合到信号放大器上。屏蔽放大器例如可以与信号放大器串联连接，传感器电路可以包括跨接在信号放大器和所述屏蔽放大器上的反馈环，反馈环包括第一电容器。第一电容器可以是电容电桥的适于减小电容的有效容量的一部分(其可以包括第一电容器和分压器)。
根据本发明的第六方面，提供了一种测量旋转电机速度的方法，该旋转电机包括被支撑为绕轴线旋转的旋转凸起的旋转构件，该方法包括
相对于所述轴线将电极支撑在合适的位置上；
给电极提供恒定电压，以便在电极和旋转电机的电势基本恒定的部分之间建立电场；
其中，将电极定位成使得当旋转构件绕所述轴线旋转时，旋转构件的至少一个凸起特征穿过电场，从而在旋转构件的每次旋转时扰动电场；
检测电压源和电极之间的响应于所述电场的所述扰动的电流，以便得到在所述扰动的频率下调制的信号；以及
根据所述信号的调制中确定旋转速度。
人们相信，传感器能够通过检测电场中的扰动而工作，这些扰动是由下述一个或多个原因产生的.
对电场中由于摩擦产生的电荷(摩擦带电效应)的运动所引起的电荷分配所进行的调制。该摩擦例如可以发生在流体本身中(例如湍流)，或发生在流体和流体导管中的基体(例如旋转构件的凸起特征)之间；
对电场中的电荷分配所进行的调制，该电荷分配是由于旋转构件的凸起特征穿过电场的运动而引起流体物理性质发生变化(例如，增大的压力产生了增大的电荷密度)所导致的；
对其中产生了电场的任意介质材料的电特性所进行的调制(例如，压力和/或温度和/或湿度或其它的变化影响介质材料的介电常数)。
因此，本发明的一个方面是一种测量被支撑为绕轴线旋转的旋转凸起的旋转构件的旋转速度的方法，该方法包括
相对于所述轴线将电极支撑在合适的位置上；
给电极提供恒定电压，以便在电极和电势基本恒定的基体之间建立电场；
其中，将电极定位成使得当旋转构件绕所述轴线旋转时，旋转构件的
至少一个凸起特征穿过电场，从而在旋转构件的每次旋转时扰动电场；
检测电压源和电极之间的响应于电场扰动的电流，以便得到在所述扰
动的频率下调制的信号；以及
根据所述信号的调制确定旋转速度。
其中，所述扰动是由下述一个或多个原因产生的
对电场中由于摩擦产生的电荷(摩擦带电效应)的运动所引起的电荷分配所进行的调制。该摩擦例如可以发生在流体本身中(例如湍流)，或
发生在流体和流体导管中的基体(例如旋转构件的凸起特征)之间；
对电场中的电荷分配所进行的调制，该电荷分配是由于旋转构件的凸起特征穿过电场的运动而引起流体物理性质发生变化(例如，增大的压力产生了增大的电荷密度)所导致的；以及
对其中产生了电场的任意介质材料的电特性所进行的调制(例如，压力和/或温度和/或湿度或其它的变化影响介质材料的介电常数)。
类似地，本发明提供了一种用于测量被支撑为绕轴线旋转的旋转凸起特征的旋转速度的传感器，该传感器包括电极和传感器电路；
该传感器电路包括
用于给电极提供电压以便产生电场的恒压源；
电流检测器，用于检测恒压源和电极之间的电流，所述电流是由所述电场的扰动产生的，所述扰动是在旋转构件旋转时通过使旋转构件的至少一个凸起特征穿过所述电场而引起的；
所述电流检测器输出在与电场的扰动频率对应的频率下调制的信号；其中，电场的扰动是由下述的一个或多个效应引起的对电场中由于摩擦产生的电荷(摩擦带电效应)的运动所引起的电荷分配所进行的调制。该摩擦例如可以发生在流体本身中(例如湍流)，或发生在流体和流体导管中的基体(例如旋转构件的凸起特征)之间；
对电场中的电荷分配所进行的调制，该电荷分配是由于旋转构件的凸起特征穿过电场的运动而引起流体物理性质发生变化(例如，增大的压力产生了增大的电荷密度)所导致的；以及对其中产生了电场的任意介质材料的电特性所进行的调制(例如，压力和/或温度和/或湿度或其它的变化影响介质材料的介电常数)。
传感器电路优选包括放大器，其工作特性为适于在使信号噪声最小的同时，放大由于一个或多个这些效应所产生的输出信号，否则，信号噪声会阻止对所述扰动产生的信号调制的检测。放大器例如可以包括信号放大器和屏蔽放大器，正如前面所述。
本发明还试图提供一种测量流体特性变化的方法，该方法包括
相对于所述轴线将电极支撑在合适的位置上；
给电极提供恒定电压，以便在电极和电势基本恒定的基体之间建立电场，将电极定位成使得电场能够延伸进入所述流体中；
检测电压源和电极之间的响应于电场扰动的电流，该扰动是由流体特性的变化引起的；以及
根据所检测的电流确定所述特性变化；其中所述扰动产生的原因为
对电场中的电荷分配所进行的调制，该电荷分配是由于所述特性的变
化引起电荷的运动而产生的；和/或
由于所述特性的变化而对所述流体的介电常数所进行的调制。该特性例如可以为温度、压力、湿度或流体的化学成分。本发明还试图提供一种测量导管中所流过的流体的质量流量的方法，
该方法包括
相对于所述轴线将电极支撑在第一位置上；
给电极提供恒定电压，以便在电极和电势基本恒定的基体之间建立电场，将电极定位成使得电场能够延伸进入所述导管中；改变第一位置上游的第二位置处的流体的特性；
检测电压源和电极之间的响应于电场扰动的电流，该扰动是由流体的特性改变引起的；以及
根据所述第一位置和第二位置的间隔以及流体特性的所述改变与所述当前检测值之间的时延来确定流体的质量流量。明显。


现有将只通过例子的方式并结合附图对本发明的具体实施例进行描 述，其中
图1为具有固定几何形状的涡轮的涡轮增压器的轴向剖面图，其显示 了涡轮增压器的基本部件；
图2为根据本发明的第一实施例的涡轮增压器的压縮机壳体的透视
图3为图2压縮机的一部分的剖面图4显示了图2和3中的压縮机的传感器电极组件的纵向剖面图4a显示了本发明的传感器电路的示意性特征；
图5为根据本发明的第二实施例的涡轮增压器的压縮机壳体的透视
图6为图5中的涡轮增压器的压縮机的噪声挡板插入件(noise baffle
insert)的剖面图7为图5的压縮机的一部分的剖面图8为根据本发明的传感器电路实施例的示意性电路图9为根据本发明的传感器电路的另一个实施例的电路图10a为根据本发明的沿导电压缩机叶轮和相邻的电极组件的简化剖
面图10b为根据本发明的沿支撑在导电轴上的非导电压縮机叶轮和相邻 电极组件的简化剖面图10c为根据本发明的沿非导电压縮机叶轮和相邻电极组件的简化剖 面图lla和图llb示意性地显示了根据本发明的传感器电极和旋转构件 之间的电场线。
具体实施例方式
首先参考图1，这是具有固定几何形状的涡轮的典型涡轮增压器的轴 向剖面图，其显示了涡轮增压器的基本部件。涡轮增压器包括经由中心轴承套3连接到压缩机2上的涡轮1。涡轮1包括容纳涡轮机叶轮5的涡轮
壳体4。类似地，压縮机2包括容纳压縮机叶轮7的压縮机壳体6。涡轮 机叶轮5和压縮机叶轮7安装在共用的涡轮轴8的相对侧上，涡轮轴8支 撑在轴承套3内的轴承组件9。
涡轮壳体4设置有排气入口 IO和排气出口 11。入口 IO经由径向延伸 的环形入口通道13将流入的排气导向环绕涡轮机叶轮5并且与之相通的 环形的入口腔，即蜗壳12。涡轮机叶轮5的旋转带动压縮机叶轮7的旋转， 压缩机叶轮7通过由环形入口壁6a部分限定的轴向入口 14吸入空气，并 且经由出口 15将压縮空气传送到内燃机进气口 (未示出)。
图2到4a显示了涡轮增压器的压縮机，其包括根据本发明第一实施 例所述的涡轮增压器速度传感器。虽然压缩机壳体6的特征在细节上与图 1的涡轮增压器压縮机的特征不同，但是结构大体相同，因此适当时候用 相同的附图标记表示相应的特征。本发明的速度传感器组件16安装在压 缩机壳体6上。传感器组件16 (单独显示在图4中)包括支撑在导电的防 护管18中的细长电极17，其延伸通过贯穿压縮机壳体壁设置的大体径向 的穿孔19。穿孔19开在被压縮机叶轮7的叶片扫过的压縮机内表面20 上，因此，电极17的扩大端21设置得非常靠近压縮机叶轮7。电极17 的另一端和防护管18连接到容纳在电绝缘的传感器壳体23内的PCB 22 上，该壳体23包括包住防护管18的管状部分24。用穿过传感器壳体23 中的孔26并且旋入壳体壁中的螺纹孔27的螺栓25将传感器组件16固定 到壳体6上。提供o-环形密封圈28来将传感器密封在穿孔19内。还可以 提供额外的螺纹孔28a，以利于入口传感器装置(inlet sensor device),如温 度传感器的定位(未显示)。
PCB 22将电极17上和防护管18电连接到设置在PCB 22上的传感器 电路29上(图4a中示意示出)。传感器电路29包括恒压源3K电流检测 电路32、放大器33和频率计数器34。频率计数器可以包括分频器(未显 示)。频率计数器输出表示压縮机叶轮的旋转速度的信号，其例如可以经 由连接电缆30提供给内燃机ECU或其他控制器。传感器电路的示例性实 施例的更多细节和操作将在以后描述。
根据本发明的涡轮增压器速度传感器的第二实施例显示在图5到7中。再次地，虽然压缩机壳体的特征在细节上与图1和2到4的涡轮增压 器压缩机的特征不同，但是适当时候用相同的附图标记表示相应的特征。
首先参考图5，压縮机包括塑料插入件形式的噪音挡板35，其被安装在压 缩机入口 14中。提供压缩机噪声挡板来作为分隔压縮机壳体的插入分隔
在现有技术中是已知的，因此不会详细描述噪声屏蔽的功能。
但是，正如从图6中可以看出的，噪声挡板35是包括管状部分36的 环形结构。
根据本发明，压縮机包括传感器组件16，传感器组件16包括嵌在塑 料噪声挡板插入件35中的电极17，如图6和7所示。电极17大体为L 形，其具有轴向延伸部分17a和径向延伸部分17b，径向延伸部分凸入设 置在挡板插入件35的孔37中，以用于与传感器组件16的其他部件连接， 如图7所示。
参考图7，压縮机壳体6在入口壁6a中设置有径向连接孔38，其与 挡板插入件35的孔37对齐，以便于与电极17的径向部分17b的电连接。 插入件35的管状部分36朝压縮机叶轮(未示出)延伸，从而电极17的 轴向部分17a的端部位于与压縮机叶轮非常靠近的位置上。
传感器组件16进一步包括容纳连接到导电插座39上的PCB 22的电 绝缘传感器壳体23。插座39位于壳体23的管状部分40中，管状部分40 插入挡板穿孔中，从而电极的径向部分17b延伸到插座39中。管状部分 40可以过盈配合在孔37中，电极部分17b可以过盈配合在插座39中。电 极部分17b的端部为锥形的，以帮助插入插座39。 O-环形密封圈28将传 感器壳体23相对于孔38密封。用延伸穿过壳体23中的孔26并且旋入壳 体壁69中的螺纹孔27的螺栓25将传感器组件16固定到壳体6上。
PCB22将电极17连接(经由PCB22上的传感器电路29)到设置为 与内燃机ECU或其他控制器连接的输出引线41上。传感器电路并未示出， 但是其与图4示意性示出的传感器电路29相同。
将电极嵌在可拆卸的插入件35中确保了将传感器集成到涡轮增压器 中的操作是简单并且成本低廉的。电极17例如可以是简单的导电线(例 如，铜)。它优选为双金属。通过合理配置挡板插入件35，而不需要改变 传感器组件16或压縮机壳体6的其他细节就可以轻易地适应不同的压縮机入口结构。如果需要，还可以简单地更换可拆卸挡板插入件35来更换 电极。
本发明的前述两个实施例具有相同的传感器电路29，并且以相同的方 式运行。现在将对此进行描述。
由恒压源42在接地和电极17之间施加电压V。这就在电极17和为 虚接地的压縮机叶轮7之间建立了电场。当压缩机叶轮7旋转时，叶轮叶 片连续扫过电极的位置。当各个叶片扫过(sweep)电场时，扰动了电极和压 縮机叶轮之间的电场。由于电压源致力于在电极上维持电压V，因此响应 于电场的扰动，在电压源和电极之间有电流流过。从而用直接取决于压縮 机叶轮的旋转速度的频率来调节电流。放大器33将检测到的电流进行放 大，放大的信号被送到输出表示压缩机叶轮(即涡轮增压器)瞬时速度的 信号的频率计数器34。
现在将参考图8和9来描述传感器电路的示例性实施例。
首先参考图8，其显示了说明一部分传感器电路29的工作原理的示意 性电路。DC电源42经由电阻器43电连接到电极17上。电源42还电连 接到公共地44上。公共地44可以是传导部件或可以是车辆的其中设置涡 轮增压器的车身或底盘，或者可以是大地(特别是在涡轮增压器装配到诸 如电力发电机之类的固定发动机上的时候)。压縮机叶轮也处于由45所表 示的公共地的电势上。这就在电极和压缩机叶轮之间建立了电场。如上所 述，当压縮机叶轮旋转时，将在电压源和电极之间流过调制电流。该电流 将会导致电极17和电阻器43中间的节点46上的电压发生变化。节点46 经由电容器47和电阻器48电连接到公共地44上。节点46上的电压变化 产生了流过耦合电容器47的电流，这将在电容器47和电阻器48中间的 第二节点49上产生调制电压。节点49上的调制电压由所连接的放大器33 进行放大，然后将放大器33的输出50送到频率计数器34上。频率计数 器(图8中未示出)可以是完全常规式的。
图9显示了部分传感器电路29的第二个实施例。由于电极17及其与 传感器电路的电连接对于涡轮增压器外部的反向电场(adverse electric field),例如对无线电扰动非常敏感，因此电极17和电极与传感器电路29 之间的电连接被屏蔽。在本发明前面所述的电极的情形中，外部反向电场
21屏蔽通常由金属压缩机壳体6来提供，在图2到4的实施例的情形中，屏
蔽还由防护管18来提供。同样，如果电极17设置成与检测电路的一部分 (尤其是放大器)很远，则使用诸如同轴电缆的屏蔽电缆来将电极17连 接到检测电路上是很重要的。屏蔽电缆的内芯51从电极17传送信号，并 且环绕有外部屏蔽层52。同轴电缆用作电容。电缆中的寄生电容(extraneous capacitance)由保护放大器53来补偿。保护放大器保持为受控的电势，例 如，但是并不限于，虚地电势。
正如先前的电路实施例那样，DC电源42电连接到电极17上。电源 42和电极17中间为包括电阻器55、 56和57以及电容器58的偏置电路 54。偏置电路用于提高输出的信噪比。偏置电路54的电容器58电连接到 保护放大器53的输出上，从而偏置电路54提供到电极17的更大的阻抗。 电容器47在本实施例中的作用与先前实施例中相同标记的电容器的作用 非常类似，这是因为它将电极17连接到保护放大器53的输入上。因此， 保护放大器53的作用是使放大器地线和压缩机叶轮地线之间的任何电势 差都为零。与第一电路实施例不同，压缩机叶轮地线和放大器可以不连接 到公共地上。放大器地线和压縮机叶轮地线之间的任何差值都将产生不正 确的测量值。保护放大器53的输出馈送到同轴电缆的外部屏蔽层52。这 就在放大器上保持了恒定电压，从而只有电极17中的变化信号被放大。 这样，就能消除不想要的信号，即噪声。
保护放大器53的输出经由中间电容器59馈送到反向放大器60的输 入端。包括电阻器62、 63和64以及电容器65的电容分压器61电连接在 放大器60周围，并且用作偏置放大器60的反馈元件。此外，电容分压器 61与电容器59 —起构成了高通滤波器。电阻器62具有很高的有效电阻器， 从而高通滤波器具有低截止频率，因此传感器具有从低频开始的总带宽。 低通滤波器(未示出)也可以用于消除信号中的与压縮机叶轮的运动不相 关的高频分量。
串联使用两个放大器，在这个例子中为保护放大器53和反向放大器 60，其优势在于比只使用一个能够实现类似功能的高质量放大器时更加节 省成本。
另一个电容分压器66，其包括电容器67和68以及电阻器69和70，被电连接在保护放大器53的输入端和反向放大器60的输出端之间。电容
分压器66用作放大器53、 60附近的反馈元件。由于电阻器69和70的分 压作用，并且电阻器69间接电连接于保护放大器53输出端并以其为基准， 电容分压器66提供了小的有效反馈电容67。可以在节点71上得到电路输 出，如果需要，可以在之后对该电路输出进行进一步的放大后送往频率计 数器(未示出)。
放大器53、 60的增益由电容分压器66控制。电容分压器优选在放大 器53、 60附近提供有效电容，其值优选小于10pF，更优选为小于lpF， 更优选为小于O.lpF，更优选为小于0.01pF，并且更优选为小于0.001pF。 或者，电容分压器66可以由连接在放大器53、 60附近的单个电容器替代。 这时，该电容值优选为小于100pF，更优选为小于10pF，更优选为小于 lpF，更优选为小于O.lpF，并且更优选为小于0.01pF。
使用其值在上述范围内的电容分压器66 (或等效电容)能够控制放大 器53、 60的增益，从而使所利用的电极17能够具有更小的有效面积和/ 或被放置在离压縮机叶轮更远的间距处，并且能够检测到不会被具有更大 常规电容的类似传感器检测到的电场扰动。如果利用传感器来测量庞大压 缩机的速度，在这种压縮机中诸如轴向运动和压縮机叶轮的热膨胀的因素 可能限制电极17靠近压缩机叶轮7，则这个就特别具有优势。
根据上述的各个实施例，压缩机叶轮(即，涡轮增压器)的旋转速度 可以通过将调制频率除以压縮机叶轮7上的叶片数目来简单地确定。这个 计算可以在频率计数器34内或者例如由ECU或其他控制器(诸如例如涡 轮增压器废气门(wastegate)的致动器或可变尺寸的入口机构)来执行。频 率计数器34的输出可以为，例如以CAN (控制器局域网，controller area network)格式，正如本领域技术人员所理解的那样。给ECU提供关于涡 轮增压器速度的信息可以，例如允许ECU优化连接有涡轮增压器的内燃 机的关键运行参数，同时还允许采取补救措施来防止涡轮增压器超速时对 涡轮增压器和/或内燃机的任何可能的损坏。
由于已知的电容传感器依赖于电极和压缩机叶轮之间的耦合调制来 产生电容量的变化，因此假如压縮机叶轮由非导电材料制成时则它们不能 正常工作。这是因为，没有导电压縮机叶轮，则与涡轮机的旋转相关的传感电路不存在电容量调制。与之相反，如上所述，己经显示本发明所提出 的传感器能够在压縮机叶轮为不导电，例如由塑料材料制成时运行。这是 因为塑料压縮机叶轮仍然能够在电场中产生可检测到的扰动。
本发明所克服的另一个问题是不稳定的接地电势。电源42 —侧连接 到公共地，诸如例如涡轮增压器壳体、附连有涡轮增压器的内燃机汽缸体
(engine block)、以及车辆的涡轮增压器作为其中的零件的车身/底盘。同样， 涡轮增压器壳体的接地电势必须被导向压縮机叶轮7。然而，压縮机叶轮 7通常经由轴8支撑在油供(oil fed)滑动轴承9上。因此，在压縮机叶轮7 和接地电势之间存在至少一个油膜。当轴8旋转时，该至少一个油膜的厚 度可能改变，其与煤烟含量(soot content)所引起的油阻的变化一起可能使 涡轮增压器壳体的接地电势与压縮机叶轮7的接地电势之间的差值变得不 稳定。不稳定的接地电势可能会在电极17上产生错误信号。当施加反馈 以便在放大器33上维持恒定电压，从而使放大器地与压縮机叶轮7之间 的电势变化为零时，保护放大器33就基本上消除了不稳定接地电势的不 利影响。
可以理解的是，可以对本发明的上述实施例的细节进行修改。例如， 如果由压缩机壳体6来提供屏蔽，则可以省略第一实施例的防护管18。然 而，在本发明的其他实施例中，壳体6可以不需要由合适的导电材料制成， 在那种情况下防护管18是有用的。类似地，虽然上述的第二实施例没有 专门的电场屏蔽，因为这种屏蔽由压縮机壳体提供，如果需要可以增加这 种屏蔽(类似于防护管18)。
在上述的本发明的第二实施例中，电极17的轴向部分17a的长度可 以在100mm的数量级上。在上述实施例的任意一个中，电极17的表面面 积通常可以在lmn^和50mi^之间。在其他实施例中，电极尺寸可以变化。 例如，电极17可以是带状，或可以具有包括增大的铲形部分的轴向部分 17a(例如它可以以'T'形终止)。另外，该增大部分可以是二维的，以便 形成其形状大体上为矩形或梯形、或者与由压缩机叶轮叶片(或旋转对称 部件)所扫过的表面部分相匹配的基部(例如，具有图钉或大头钉形状)， 例如，为在其两个轴上弯曲的细长形梯形。
虽然电极17可以是任何合适的尺寸或形状，优选地，电极17相对于压縮机叶轮旋转轴的角度范围小于压缩机叶轮上相邻叶片之间的角度间 隔的一半。这就使压縮机叶轮的旋转所产生的电场扰动的平均时间最小， 从而减少了信号的平滑。
例如，可以理解的是电极17的实体结构可以变化。在许多应用中简 单的导线就已经足够了，在其他应用中，不同的结构可能对于建立所需电 场是有利的。在电极17可能暴露在污染物下的应用中，电极表面优选为 不暴露的，正如上述实施例中的那样，除非电极是由在特定的环境中化学 反应不活跃的材料制成。然而，通过高介电常数的材料将电极与流体(例 如，气体)的流动分隔是很有用的。类似地，传感器壳体23的结构和构 造可以根据应用以及传感器被支撑和连接的方式而变化。
虽然在本发明的上述第二实施例中电极是嵌在噪声挡板35中，但是 可以理解的是，传感器可以嵌在成型为由入口 14接纳的任何合适的插入件中。
传感器的定位也可以与所图示的不同。有利的是，将电极设置得与压 縮机叶轮(或其他受控的旋转构件)非常靠近，在该压縮机叶轮上电场扰 动最大。同样优选的是，将电极设置成使其对通过压縮机的有效气体流不 会产生显著的不利影响。然而，电极可以设置在存在足够的电场扰动以便 可以获得精确检测的任意位置上。这或者可以是在压縮机叶轮的相对于气
体流的上游或者下游，并且电极例如可以是设置在或者入口 14上或者出 口 15上。这例如可以在本发明的任意具体应用中通过简单测试来确定。 此外，传感器电路29可以设置成远离电极17。
在上述的实施例中，传感器电路29位于PCB22上。并不需要都设置 成这样。传感器电路包括固定电压源31、电流检测电路32、放大器33和 频率计数器34。频率计数器可以包括分频器。这些电路部件中的任意部件 都可以设置成远离PCB 22和/或传感器组件16。例如，恒压源31和频率 计数器34可以是ECU或者其他控制器的一部分，而电流检测电路32和 放大器可以设置在PCB 22上。当然，通常需要在电极17和检测电路32 的各个部件之间进行电连接。在另一可知的实施例中，分频器可以设置在 PCB 22上，其输出提供给与ECU或与其他控制器相连的远程频率计数器。
同样，传感器部件可以分成两组或更多组，其中一组可以定位成与电极物理靠近，其中一组可以定位成物理上远离电极，诸如靠近或在ECU 中。然而优选的是，放大器靠近电极，以便使电干涉的可能性最小。如果 放大器定位成远离电极，则优选对这两者之间的连接进行电屏蔽。
适于测量流到电极的调制电流的其他传感器电路的实施例可以由合 适的技术人员轻易地设计出。施加在电极和压縮机叶轮(或其他旋转构件) 之间的电压可以根据需要确定，以便建立呈现可测量的扰动的电场。在有 些应用中，大于30V的电压是合适的，但是对于许多应用来说，电压优选
大于50V，更加优选的是大于70V。当容易由方便可用的电子部件适应时， 可以使用大于120V的电压。更高的电压，例如高于500V或高于lkV， 在有些应用中可能是非常有利的。然而，使用这种高电压可能需要使用更 加耐用的电路部件。电极上的电压相对于压缩机叶轮(或其他旋转构件) 来说可以是正的或者负的，从而相对于压缩机叶轮或者其他旋转构件(其 可以是导电的或不导电的)来说电极可以是阳极或阴极。
根据一个实施例，传感器电路可以仅包括一个高增益放大器，但是对 于有些应用来说，这可能需要昂贵的高质量放大器。根据另一个实施例， 有两个放大器， 一个为保护(或者屏蔽)放大器。后一种情况提供了使用 廉价并且低质量部件的机会。虽然保护放大器可以在任何合适的增益下工 作，但是优选的是，它在大体为1的增益下工作，从而将屏蔽电缆的外部 屏蔽层和外部电场屏蔽保持在相同的电势下。
在本发明的上述实施例中，电极安装在压縮机壳体上，以便测量压縮 机叶轮的旋转速度。在其他实施例中，电极可以设置成直接测量涡轮机叶 轮的旋转或涡轮增压器轴的某些其他特征。同样，传感器可以安装在涡轮 机或轴承壳体上。
可以理解的是，本发明并未限制在涡轮增压器的应用中，而是也可以 用于测量其他旋转电机的旋转速度。这种旋转电机的例子包括，但是并不 限于，气体或液体涡轮机(包括，例如动力涡轮机或气体涡轮机或其他形 式的内燃机)，或者并不是涡轮增压器一部分的气体/液体压缩机，或者例 如液体泵。在这种可替换的应用中，设备壳体和/或受控的旋转构件可以是 不导电的，诸如例如在塑料壳体中旋转的塑料叶轮。
同样可以理解的是，传感器壳体、设备壳体或旋转构件的材料可以选
26择为能够提高电场的扰动。这取决于材料的性能，诸如其在摩擦电序列中 的位置。
此外，可以理解的是，如果本发明应用于并不包括旋转凸起构件
(rotationally salient member)的旋转电机，则旋转凸起构件必须机械连接于 此。例如，可以通过将具有旋转凸起特征的构件与轴(或其他旋转体)机 械连接从而使它们共同旋转，以便测量轴或者不具有旋转凸起特征的其他 旋转体的速度。相应地，根据本发明的传感器可以检测该共同旋转构件的 旋转，从而确定该轴(或其他旋转体)的旋转速度。
如上所述，本发明测量电极和旋转构件(例如压縮机叶轮)之间所建 立的电场中的扰动。但并不希望能限定于理论，人们相信该扰动可以从下 面要讨论的若干效应中产生。
图10a示意性图示了嵌在靠近旋转构件的基体73中的电极的例子， 在本图示中，该旋转构件为导电压縮机叶轮74。基体73可以由不导电材 料(其例如可以是诸如前面所述的挡板插入件35或传感器壳体23的陶瓷 或塑料部件)制成，在这种情况下其可以使电极72与支撑壳体或其他支 撑结构电(及热)绝缘。或者，基体73可以由导电材料制成，并且如果 需要可以与周围的壳体或支撑结构电绝缘(除非支撑体本身是不导电的)。 在后一种情况下，基体优选包括在所暴露的环境中不起反应的导电材料 (例如，铂)。也可以完全省略基体，这样，龟极优选为不起反应的。
施加前面所述的电压，在电极72和电势恒定部分之间建立电场，在 这里电势恒定部分为叶轮74。基体73和在叶轮74与基体73之间流动的 气体75 (即空气)都用作具有不同介电性能的介电材料。电场在电极72 和叶轮74之间延伸总距离A。在总距离A中，该距离的B部分在叶轮74 和基体73之间贯穿气体75 (本例中为空气)。电场在基体73中延伸距离 A中的C部分。
图10b示意图示了嵌在靠近旋转构件的基体73.中的电极的另一个例 子，在本图示中，该旋转构件为可旋转地安装在导电轴8上的不导电压縮 机叶轮74a。在电极72和轴8之间施加前面所述的电压，则在电极72和 电势恒定部分之间建立了电场，在这里电势恒定部分为轴8。基体73和气 体75 (即在叶轮74与基体73之间流动的空气)以及不导电的压縮机叶轮74a都用作具有不同介电性能的介电材料。电场在电极72和轴8之间延伸 总距离A。在总距离A中，该距离的B部分在叶轮74和基体73之间贯 穿气体75 (本例中为空气)。电场在基体73中延伸距离A中的C部分。 电极在压縮机叶轮中延伸D部分。
图10c示意图示了嵌在靠近旋转构件的基体73中的电极的再一个例 子，在本图示中，该旋转构件为不导电的压縮机叶轮74b。如上所述，将 电压施加在电极72上，在电极72和压縮机的电势恒定部分78之间建立 了电场，电势恒定部分例如可以是压縮机壳体(如果需要可以是电绝缘的) 的一部分，或者是由该壳体支撑的专用电极。基体73和气体75 (即在叶 轮74、基体73以及电势恒定部分78之间流动的空气)以及不导电的压缩 机叶轮74b都用作具有不同介电性能的介电材料。电场在电极72和电势 恒定部分78之间延伸总距离A。在总距离A中，其中的B部分和E部 分在叶轮74、基体73以及电势恒定部分78之间贯穿气体75 (本例中为 空气)。电场在基体73中延伸距离A中的C部分。电极在压缩机叶轮中 延伸D部分。
在电场区域中可能存在离子(术语"离子"用于表示受电场影响的任 何带电体，为了避免产生疑问，其包括带电分子)。根据电极是否保持在 比叶轮更高或更低的电势，其中一个将构成阳极而另一个构成阴极。带负 电荷的离子将被吸引到阳极上，带正电荷的离子将被吸引到阴极上。承受 这种力的自由或运动离子将朝电极72或压縮机叶轮74中的其中一个运 动。运动离子可以与电极17或压縮机叶轮74接触，直接将电荷转移到其 上，和/或它们的再分配可能会在介电材料中产生电场扰动。人们认为，特 别是在产生大批离子再分配使得特定极性的离子定位在电场的特定区域 中的地方将会发生电场的扰动。
根据它们的组成，运动离子可以同时存在于气体75和基体73中。当 压縮机叶轮74旋转时，其与气体75之间的摩擦力可以使叶轮74表面失 去或得到电荷，从而产生离子。气体75和基体73之间(或气体流中的任 意其他表面)的摩擦力可以使基体73的暴露表面(或其他表面)失去或 得到电荷，从而再次产生离子。在这两种情况中，很有可能不但在暴露表 面中产生离子，而且也在气体75中产生互补离子。此外，气体75中的湍流本身还可能导致离子的产生。产生离子的一个可能机制为电子位移。
如果离子产生在诸如金属的导电材料中，则在密闭场(containment field)的影响下离子电荷可以在导电材料中自由运动(也被称为电流流动)。 如果离子产生在绝缘材料中，则离子电荷不能自由运动，结果，电荷聚集 在材料的产生离子的表面上。当离子在气体75中产生时，离子构成了局 部电荷。在气体75中，是离子本身自由运动，相反，在导电材料中是离 子电荷自由运动。
图示的压缩机叶轮74包括中心主体76，该主体周围等角度间隔设置 了多个径向向外延伸的叶片77。当压縮机叶轮旋转时，气体75在叶片77 边缘周围的湍流更加明显。这样，当叶片77的边缘靠近电极72时，加速 了离子的产生。这不但是由于气体75的湍流(以及导致离子产生的任何 摩擦力)可能在靠近电极72的区域中更大，也是由于带电粒子上的由于 电场(诸如在可能从实体上脱落以便产生离子的电子上的电场)所产生的 任何电作用力在带电粒子越靠近电极72时越大。假如，例如压缩机叶轮 74是导体，例如金属，则即使叶轮静止时电荷还将自然聚集在各个叶片 77的尖锐边缘周围。
附连到电极72上的传感器电路不但包括电压源，其作用是给电极72 提供电荷，或从电极72接收电荷，从而电流在电压源和被检测的电极之 间流动。电荷在电场中运动，其可以是在电极72及压縮机叶轮74上运动， 或者使电荷批量再分配并局部化，从而导致了介电材料中电场的扰动。
由于连接到电极72上的传感器电路能够提供电流，因此电场的扰动 使电路试图维持系统的总体电荷电势(chargepotential),从而抵消了介质场 的变化。为此，在电极72上流过补偿电流，以便维持电极上的电压V。
当压縮机叶轮74旋转时，叶片77反复通过电极72。如上所述，由于 当叶片77的边缘靠近电极72时加速了离子的产生，因此，压縮机叶轮74 的旋转产生了调制的电场扰动(其可以称为电荷调制)。这样，流过电极 72的电流也在对应于叶轮旋转速度的频率下由压縮机叶轮74的旋转进行 调制。调制电流可以被放大并且送往频率计数器，从而确定调制频率，并 进而确定叶轮74的旋转速度。
人们认为电场的扰动还可以认为是，至少部分地，源自电场中的材料的至少其中一个介电性能的改变，本例中该材料为气体75和基体73。这 种介电性能的一个例子是其介电常数。介电常数可以通过，例如改变材料 的温度或压力来改变。这与已知电容型传感器的差别在于，电容型传感器 被理解为在检测到电极和叶片之间的间距变化所引起的传感器中的电容 量变化时起作用，而本发明的传感器则利用电介质内或电介质表面上的电 荷分配的变化以及对应的电场扰动。
正如前面所讨论的，人们认为电场不但能通过允许电子克服它们的母
原子(parent atom)或分子的局部电势而促进离子的产生，此外它还产生了 在其内部自由离子和自由电荷都可以运动(例如，带负电荷的离子或电子 朝向阳极等)的电势。在这点上，该电场可以被当作是密闭场。此外，该 电场有助于克服输入饱和的问题，其产生在类似于本发明所提出类型的己 知传感器电子器件中。
在没有电场时，存在于涡轮机叶轮74、气体75和基体73中的任意离 子由于例如，热运动都能够以随机方式自由漂移。当离子漂移时，其可能 与诸如不带电的原子和分子的其他物体碰撞。因此，在没有电场时，所产 生的带电离子基本上都将自由漂移，从而导致了电场的漂移，进而在电极 上产生不稳定的电势。电极上的电势漂移可能使其值超过涡轮机叶轮74 的运动所产生的任意信号的幅度。这样，所述信号将被漂移电势掩盖和/ 或扭曲。在极端的情况下，例如，如果将带电粒子注入电场，则漂移电压 也可能会超过传感器电子器件的允许输入电压值。这就是所知的输入饱 和。当聚集在电极72上的电荷产生了幅度超出形成所述测量装置的一部 分的放大器的输入范围的电势时，则会发生输入饱和。可以通过建立电场 防止这种情况，由于放大器不会被输入饱和电势控制，从而可检测到由电 场中的电荷调制所产生的电极电势调制。该电场避免了在电极上由于漂移 而产生高电势，否则该高电势足以损坏传感电路中的部件。
使用由通常可能在50V到lkV范围内的电压源所提供的电场，意味 着任意离子的运动主要由电场而不是由热运动控制。这样，就能够极大地 减少在介质场中漂移的离子数量。因此，减少了所有的电极电势噪声，从 而提高了信噪比。此外，电场在使离子漂移最小时，基本上防止了输入饱 和，从而不再需要偏置电极72，而这种偏置将会削弱信号。电压源的使用也被认为能够提高电荷调制的幅值。这可能是由于电压 源提高了移动电子在电场中的运动。可以引导这种作用，使其补偿或者响 应于旋转凸起的旋转构件的机械作用所导致的电荷分配的变化。这样，就
可以在密闭电势(containment potential)之间的中间点上实现虚电荷平衡电 势(virtual charge balance potential)。
可以将电极72的轴向轮廓成型为与叶片77靠近电极72时的轴向轮 廓相对应。人们认为大部分电荷的产生发生在叶片77的边缘处。如果叶 片77的边缘与电极72具有相同的形状，则可以提高这两者之间的耦合程 度，从而最大化叶片77和电极72之间的电荷转移。
人们认为电场的扰动可以包括电场中的变化，例如如图lla和llb所 示意图示的。图11a显示了电极79周围的等电势场线，其中电极17由紧 邻不导电的旋转凸起的旋转构件80的恒压源保持在升高的电压下。图lib 显示了旋转构件的介质凸起特征81进入在电极79和旋转构件80之间延 伸的电场的一部分，从而对等电势线进行压縮并且增大了电极附近的电场 梯度。梯度增大与电荷靠近电极从而使电流流入其中的情形等效。
介质部件81允许电荷沿电极79的方向聚集。介质中的分子极性响应 于电场梯度，并且用于与之相抵消。在介电常数高于l的介质(例如其范 围在1.5到4的典型塑料)中，等电势线在材料中被分隔开，从而需要紧 接材料外部使其靠拢。
传感器电压相对于相关地线的升高使得能够检测到所描述的效应，并 且这个测量系统提供了改善的信噪比。已经发现，大大高于典型电子电路 中所使用的典型电压(即，5V或12V)的电压在电荷运动中产生作用， 该作用与每次旋转(revolution)相一致，然而更低的电压允许传感器电势响 应于最近的流体流动中的污染物(contaminant)或者在任何相关的最近的 地线的电势中由于不好的电连接(例如，由于轴或叶轮通过油膜轴承连接 到地)所产生的任何变化而波动。
权利要求
1.一种用于测量旋转凸起的旋转构件的旋转速度的速度传感器，所述速度传感器包括电极和传感器电路；所述传感器电路包括恒压源，用于向电极提供电压以便在电介媒质中产生电场；电流检测器，用于检测恒压源和电极之间的电流，所述电流是由所述电场的扰动产生的，所述扰动是在旋转构件旋转时通过使旋转构件的至少一个凸起特征穿过所述电场而引起的，所述电流检测器输出在与所述电场的扰动频率对应的频率下调制的第一信号；和放大器电路，包括用于放大第一信号并且输出在与所述电场的扰动频率对应的频率下调制的第二信号的信号放大器；其中，将电极电压、放大器增益和电极相对于旋转构件的位置选择为使得第二信号的调制主要由电介媒质中的电场扰动产生，所述扰动是由所述电场内离子的产生和/或运动产生的。
2. 如权利要求1所述的速度传感器，其中，所述传感器电路包括用于接收第二信号并且输出第三信号的分频器。
3. 如前面任意一项权利要求所述的速度传感器，其中，所述传感器电路包括用于接收第二信号或第三信号并且提供表示所述扰动的频率的第三信号的频率计数器。
4. 如前面任意一项权利要求所述的速度传感器，其中，所述传感器电路包括输出端子或电缆，用于连接到用于根据所述第二、第三或第四输出信号来确定所述旋转构件的旋转速度的控制器或其他装置。
5. 如前面任意一项权利要求所述的速度传感器，其中，所述传感器电路包括用于根据所述第一、第二、第三或第四输出信号来确定所述旋转构件的旋转速度的装置。
6. 如前面任意一项权利要求所述的速度传感器，其中，所述电压源提供+A30V到+/-500￥范围内的电压。
7. 如前面任意一项权利要求所述的速度传感器，其中，速度传感器的至少一部分由至少一个导电屏蔽罩进行电屏蔽。
8. 如权利要求7所述的速度传感器，其中，所述屏蔽罩保持在受控 的电势下。
9. 如权利要求7或8所述的速度传感器，其中，所述放大器电路包括屏蔽放大器，该屏蔽放大器的输出驱动所述或每个导电屏蔽罩。
10. 如权利要求9所述的速度传感器，包括至少两个用于屏蔽电路的 各个部分的导电屏蔽罩。
11. 如权利要求IO所述的速度传感器，其中，所述屏蔽放大器将每 个导电屏蔽罩保持在相同的电势下。
12. 如权利要求9到11中的任意一项所述的速度传感器，其中，所 述或每个屏蔽放大器具有大体一致的增益。
13. 如权利要求9到12中的任意一项所述的速度传感器，其中，所 述或每个屏蔽放大器耦合到信号放大器上。
14. 如前面任意一项权利要求所述的速度传感器，包括跨接在放大器 上并包括第一电容器的反馈环。
15. 如权利要求13所述的速度传感器，其中，屏蔽放大器与信号放 大器串联连接，并且包括与信号放大器及所述屏蔽放大器跨接的反馈环， 所述反馈环包括第一电容器。
16. 如权利要求14或15所述的速度传感器，其中，所述第一电容器 是电容分压器的适于减小电容器的有效容量的一部分。
17. 如权利要求16所述的速度传感器，其中，所述电容分压器包括 所述第一电容器和分压器。
18. 如前面任意一项权利要求所述的速度传感器，其中，所述第一输 出信号为调制电压。
19. 如权利要求18所述的速度传感器，其中，所述电流检测器包括 串联跨接在电压源上的电容器和电阻器，其中所述电极连接到电压源和电 容器的第一端之间的节点上，并且从电容器的第二端和电阻器之间的节点 上提取所述第一输出信号。
20. 如前面任意一项权利要求所述的速度传感器，其中，所述电极具 有电场从其上延伸的表面，该表面的在使用中最靠近旋转构件的至少一部 分由保护材料体覆盖。
21. 如权利要求20所述的速度传感器，其中，所述保护材料是不导 电的。
22. 如权利要求1到19任意一项所述的速度传感器，其中，电极包 括电极基体和电场从其上延伸的电极表面，该表面的在使用中最靠近旋转 构件的至少一部分由不同于电极基体的导电材料所限定。
23. —种旋转电机，包括被支撑为绕轴线旋转的旋转凸起的旋转构件，和用于感测旋转构件的旋转速度的速度传感器，所述速度传感器包括相对于所述轴线固定在合适位置上的电极；连接到电极上的用于在电极和旋转电机的电势基本恒定的部分 之间建立电场的恒压源，其中，将电极定位成使得当旋转构件绕所述轴线旋转时，旋转构 件的至少一个凸起特征穿过所述电场，从而在旋转构件的每次旋转时扰动所述电场；电流检测器，其用于检测电压源和电极之间响应于所述电场的所 述扰动的电流；禾口放大器电路，其包括用于放大第一信号并且输出在与电场的扰动 频率对应的频率下调制的第二信号的信号放大器；其中，将电极电压、放大器增益和电极相对于旋转构件的位置选择为 使得第二信号的调制主要由电介媒质中的电场扰动引起，所述扰动是由所 述场内离子的产生和/或运动产生的。
24. 如权利要求23所述的旋转电机，其中，旋转电机的电势基本恒 定的部分为所述旋转构件。
25. 如权利要求23所述的旋转电机，其中，旋转构件是不导电的， 并且旋转电机的所述电势基本恒定的部分是导电体，其由旋转电机支撑为 与电极成固定的空间关系，从而旋转构件的所述至少一个凸起特征在旋转 构件绕所述轴线的每次旋转时在电极和所述电势恒定的部分之间穿过。
26. 如权利要求25所述的旋转电机，其中，旋转电机的所述电势恒 定的部分是旋转电机的壳体的导电部分。
27. 如权利要求25所述的旋转电机，其中，旋转构件安装在轴上，所述轴的至少一部分是导电的，并且包括旋转电机的所述电势恒定的部 分。
28. 如权利要求23到27中的任意一项所述的旋转构件，其中，旋转 构件包括多个凸起特征。
29. 如权利要求28所述的旋转构件，其中，所述电极的有电场通过 的表面在旋转构件旋转方向上的大小小于旋转构件的旋转邻接的凸起特 征的间隔。
30. 如权利要求23到29中的任意一项所述的旋转电机，其中，所述 或每个凸起特征包括实体突起和/或旋转构件的材料性质中的局部变化。
31. 如权利要求30所述的旋转电机，其中，所述实体突起包括边缘。
32. 如权利要求30或31所述的旋转电机，其中，所述或每个凸起特 征是相对于所述轴线大体径向延伸的突起。
33. 如权利要求30到32中的任意一项所述的旋转电机，其中，所述或每个凸起特征是相对于所述轴线大体平行延伸的突起。
34. 如权利要求30到33中的任意一项所述的旋转电机，其中，所述或每个凸起特征是叶片或翼片。
35. 如权利要求23到34中的任意一项所述的旋转电机，其中，旋转构件在由壳体限定的腔体内旋转，流体存在于所述腔体中，并且其中电场 穿过电极和旋转构件之间的所述流体。
36. 如权利要求35所述的旋转电机，其中，壳体具有流体入口和流 体出口 ，所述腔体位于所述入口和所述出口之间的流体流动通道中。
37. 如权利要求36所述的旋转电机，其中，旋转电机为涡轮机或压 缩机，所述旋转构件为涡轮机叶轮或压縮机叶轮。
38. 如权利要求36所述的旋转电机，其中，旋转电机为涡轮增压器，所述旋转构件为压縮机叶轮或涡轮机叶轮。
39. 如权利要求36到38中的任意一项所述的旋转电机，其中，电极 由插在入口或出口中的部件支撑，并且与所述部件电绝缘。
40. 如权利要求39所述的旋转电机，其中，所述插入的构件为环形 构件。
41. 如权利要求40所述的旋转电机，其中，所述环形构件为压縮机的噪声挡板。
42. 如权利要求23到38中的任意一项所述的旋转电机，其中，电极由旋转电机的壳体支撑，并且与所述壳体电绝缘。
43. 如权利要求36到42中的任意一项所述的旋转电机，其中，电极 并不暴露在所述流体中。
44. 如权利要求43所述的旋转电机，其中，电极由与所述流体至少 基本上不发生反应的材料层或材料体与所述流体分隔。
45. 如权利要求43或44所述的旋转电机，其中，电极由电绝缘材料层或材料体与所述流体分隔。
46. 如权利要求23到45中的任意一项所述的旋转电机，其中，电机 的电势恒定部分处于地电势或虚地电势。
47. 如权利要求23到46中的任意一项所述的旋转电机，其中，速度 传感器为如权利要求1到22中的任意一项所述的速度传感器。
48. —种使用如权利要求1到22中的任意一项所述的速度传感器来 测量旋转电机的速度的方法，所述旋转电机包括被支撑为绕轴线旋转的旋 转凸起的旋转构件。
49. 一种测量旋转电机的速度的方法，所述旋转电机包括被支撑为绕 轴线旋转的旋转凸起的旋转构件，所述方法包括相对于所述轴线将电极支撑在合适的位置上；给电极提供恒定电压，以便在电极和旋转电机的电势基本恒定的部分 之间建立电场；其中，将电极定位成使得当旋转构件绕所述轴线旋转时，旋转构件的 至少一个凸起特征穿过所述电场，从而在旋转构件的每次旋转时扰动所述 电场；检测电压源和电极之间的响应于所述电场扰动的电流，以便得到在所 述扰动的频率下调制的第一信号；放大第一信号并且输出在与电场的扰动频率对应的频率下调制的第 二信号；其中，将电极电压、放大器增益和电极相对于旋转构件的位置选择为 使得第二信号的调制主要由电介媒质中的电场扰动引起，所述扰动是由所述电场内离子的产生和/或运动产生的；以及 根据所述信号的调制确定旋转速度。
全文摘要
一种用于测量旋转凸起的旋转构件的旋转速度的速度传感器。所述速度传感器包括电极和传感器电路。所述传感器电路包括给电极提供电压以便在电介质中产生电场的恒压源。电流检测器在旋转构件旋转时通过使旋转构件的至少一个凸起特征穿过电场来检测恒压源和电极之间的由于电场扰动所产生的电流。所述电流检测器输出在与电场的扰动频率对应的频率下调制的第一信号。对第一信号进行放大，以便产生在与电场的扰动频率对应的频率下调制的放大信号。将电极电压、放大器增益和电极相对于旋转构件的位置选择为使得第二信号的调制主要由电介质中的电场扰动产生，所述扰动是由所述电场内离子的产生和/或运动所产生的。
文档编号G01D5/24GK101680737SQ200880015825
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月15日 优先权日2007年5月15日
发明者卡尔文·考克斯, 托马斯·W·巴赫 申请人:康明斯涡轮增压技术有限公司