用於數字線性位置傳感器的感測裝置的製作方法
2023-04-23 00:59:26 4
本發明總體上涉及線性位置傳感器，例如用於液壓缸的線性位置傳感器，具體地，涉及用於使用霍爾開關的這種線性位置傳感器的感測裝置。
背景技術：
在地下採礦中，液壓缸經常被用作例如在自推進支撐件中的坑道支撐物或移動缸。
在這種液壓缸中，重要的是檢測液壓缸的活塞的衝程，以確定例如自推進支撐件的狀態。通常使用非接觸式位置傳感器檢測活塞的衝程。DE10 2011 121 247A1公開了一種包括多個霍爾傳感器的測量杆。每個霍爾傳感器輸出取決於所施加磁場的強度的連續電壓信號。基於測量的強度，確定霍爾傳感器到磁體的距離。使用包括霍爾傳感器的測量杆可能需要校準每個傳感器，並且可能增加位置傳感器的總成本。此外，可能難以更換霍爾傳感器。
所公開的系統和方法至少部分地涉及改進已知的系統。
技術實現要素：
在一個方面，本發明涉及一種用於數字線性位置傳感器的感測裝置。感測裝置包括安裝裝置，安裝裝置包括安裝表面和安裝在安裝表面上的多個電阻器。多個電阻器電連接在第一電壓節點和第二電壓節點之間。多個霍爾開關沿安裝裝置的縱向方向以預定間隔安裝在安裝表面上。多個霍爾開關中的每一者被配置為在由施加的磁場致動後調節第一電壓節點和第二電壓節點之間的多個電阻器的總電阻。
在另一方面，本發明涉及一種用於液壓缸的數字線性位置傳感器。數字線性位置傳感器包括配置成固定地安裝到液壓缸的杆。杆具有形成在其中的內部空間。感測裝置設置在該內部空間中並附接到杆。感測裝置包括安裝裝置，安裝裝置包括安裝表面和安裝在安裝表面上的多個電阻器。多個電阻器電連接在第一電壓節點和第二電壓節點之間。多個霍爾開關沿安裝裝置的縱向方向以預定間隔安裝在安裝表面上。多個霍爾開關中的每一者被配置為在由施加的磁場致動時調節第一電壓節點和第二電壓節點之間的多個電阻器的總電阻。
本發明的其他特徵和方面將從以下描述和附圖中變得顯而易見。
附圖說明
圖1示出了根據本發明的包括數字線性位置傳感器的示例性液壓缸的橫截面圖；
圖2示出了根據本發明的數字線性位置傳感器的示意圖；
圖3示出了圖2的數字線性位置傳感器的兩個截面圖；
圖4示出了根據本發明的感測裝置的一部分的示意性透視圖；
圖5A和圖5B分別示出了根據本發明的感測裝置的示意性電路圖；
圖6示出了根據本發明的感測裝置的示例性實施例；
圖7A和圖7B示出了根據本發明的包括多個安裝單元的感測裝置的組件；
圖8A至圖8D分別示出根據本發明的包括霍爾開關的感測裝置的不同配置；
圖9A至圖9D分別示出與根據本發明的感測裝置一起使用的磁鐵裝置的不同配置；
圖10A示出了根據本發明的數字線性位置傳感器的示意圖；
圖10B示出了根據本發明的另一數字線性位置傳感器的示意圖；
圖11A和圖11B分別示出了圖10A的數字線性位置傳感器的不同配置的平面圖；和
圖12A和圖12B示出了根據本發明的感測裝置的輸出信號的圖形表示。
具體實施方式
以下是本發明的示例性實施例的詳細描述。這裡描述的示例性實施例旨在教導本發明的原理，使得本領域的普通技術人員能夠在許多不同的環境中以及針對許多不同的應用實現和使用本發明。因此，示例性實施例不旨在且不應被視為對保護範圍的限制性描述。相反，保護範圍應由所附權利要求限定。
本發明可以部分地基於以下認識：可以期望通過使用與印刷電路板(PCB)結合的、從表面安裝器件(SMD)領域中已知的成本有效的部件來減少用於液壓缸的線性位置傳感器的材料和製造成本。特別地，可能有利的是使用安裝在PCB上的霍爾開關來實現這個目標。
此外，本發明可以部分地基於以下認識：使用安裝在PCB上的霍爾開關允許位置傳感器的解析度和可靠性的增加。霍爾開關的小尺寸允許在物理上彼此靠近地將其安裝在PCB上。此外，將霍爾開關布置成相對於彼此偏移的若干排可以進一步提高解析度。通過使用其上安裝有霍爾開關並且相對於彼此偏移的兩個PCB，可以獲得解析度的更進一步增加。通過使用不包括機械開關的霍爾開關，以及另外通過在單個位置傳感器中使用兩個PCB來創建冗餘測量信號，可以提高可靠性。兩個PCB可以共享相同的控制單元和電源。
此外，本發明可以部分地基於這樣的認識，即具有霍爾開關的PCB的使用可以允許通過以級聯方式組合包括霍爾開關的多個單元來將位置傳感器適配為要測量的不同長度。
現在參考附圖，圖1示出了根據本發明的包括數字線性位置傳感器10的液壓缸100。
液壓缸100包括外圓柱形管12、可滑動地布置在外圓柱形管12中的活塞14、焊接到外圓柱形管12的底部20以及套筒保持器24，該套筒保持器24安裝到外圓柱形管12的與底部20相對的端部。
位置傳感器10包括固定地安裝到液壓缸100的底部20的杆16。杆16可以經由形成在底部20中的開口附接到底部20，並且也可以通過所述開口從該開口移除。蓋22可以附接到底部20以在液壓缸100的操作期間關閉開口。信號線19附接到杆16並且將其連接到液壓缸100的外部。
活塞14圍繞杆16設置，使得活塞14可相對於杆16滑動以便伸展和縮回。磁體裝置18附接到活塞14，使得其圍繞杆16設置並且可隨著活塞14在液壓缸100中的運動而沿杆16移動。以這種方式，設置在杆16的內部空間中的感測裝置36(例如參見圖3)可以在活塞14的運動期間檢測磁體裝置18的位置。因此，活塞14的衝程可以根據由感測裝置36獲得的測量結果確定，並且經由信號線19輸出。
圖2示意性地示出了線性位置傳感器10。如圖2所示，位置傳感器10可以被配置為使得磁體裝置18可以沿著杆16在範圍R上移動。容易理解，位置傳感器10可以輸出指示磁體裝置18在範圍R中的位置的測量結果，或者可以輸出一輸出信號，從中可以通過信號線19確定範圍R中的磁體裝置18的位置。還將理解的是，根據液壓缸100和位置傳感器10的配置，可能必須進行適當的校準以便從由位置傳感器10獲得的測量結果確定活塞14的衝程。
圖3示出了位置傳感器10的兩個橫截面，圖3的左側示出了垂直於杆16的縱向方向的橫截面，右側示出了在與縱向方向平行的平面中的局部剖視圖。
如圖3所示，感測裝置36設置在形成在杆16內部的內部空間25中。在如圖3所示的示例性實施例中，杆16形成為中空圓柱形管。也如圖3所示，杆16被磁體裝置18包圍，在示例性實施例中，磁體裝置18形成為中空圓柱體。磁體裝置18包括外殼31、內殼32和設置在外殼31和內殼32之間的磁體30。在如圖3所示的示例中，外殼31和內殼32形成為圓柱形管。以類似的方式，示例性磁體30形成為環形磁體。如將在下面更詳細地討論的，在其他示例性實施例中，磁體30可以具有不同的構造。
如圖3所示，感測裝置36包括安裝裝置28，其具有安裝表面27，多個霍爾開關34安裝在安裝表面27上。
如本文所使用的，術語「霍爾開關」用於數字開關，其被配置為根據所施加的磁場的大小在兩個狀態「ON」和「OFF」之間切換。霍爾開關通常是已知的，並且基本霍爾開關可以包括霍爾效應板、放大器、觸發器和諸如例如場效應電晶體(FET)的電子開關。霍爾效應板產生取決於所施加的磁場的大小的輸出。該輸出可以被放大，並且當放大的輸出達到特定電平時觸發器可以導通，這又將FET切換到「導通」。以這種方式，當FET為「導通」時，連接到霍爾開關的裝置可以連接到例如地。當霍爾開關為「OFF」時，到地的路徑被中斷。容易理解的是，如果適當的話，在根據本發明的實施例中使用的霍爾開關可以具有不同的配置。
如圖3所示，磁體裝置18被配置為沿著杆16移動，因此也沿著包括霍爾開關34的感測裝置36移動。霍爾開關34沿安裝裝置28的縱向方向以預定間隔布置。在如圖3所示的示例中，兩排霍爾開關在縱向方向上相對於彼此偏移地布置。然而，也可以使用具有單排霍爾開關或具有多於兩排、相對於彼此偏移的霍爾開關的配置。根據磁體裝置18在縱向方向上的位置，不同的霍爾開關34將被接通，其餘的霍爾開關被斷開。
如圖4所示，感測裝置36還包括安裝在安裝裝置28的安裝表面27上的多個電阻器38。根據一些實施例，安裝裝置28被配置為表面安裝裝置，並且使用表面安裝技術可以將電阻器38和霍爾開關34安裝在安裝裝置28上。具體地，安裝裝置28可以是印刷電路板(PCB)。如下面將更詳細地描述的，使用用於電阻器38和霍爾開關34的適當的電路配置，可以產生隨著磁體裝置18沿著感測裝置36移動而逐步且以線性方式變化的輸出信號，以接通不同的霍爾開關34。
如圖4所示，霍爾開關34通常安裝在安裝裝置28上，使得相關聯的霍爾板垂直於由磁體裝置18產生的磁場線布置。然而，如下面將更詳細描述的，不同的取向也是可能的，只要當磁體裝置18處於與所述霍爾開關34相對應的位置時、由磁體裝置18產生的垂直於每個霍爾開關34的霍爾板的磁場的分量足以大到使得對應的霍爾開關接通。
圖5A和圖5B中示出了用於產生輸出信號的兩個示例性電路配置，從輸出信號可以確定相對於感測裝置36的磁體裝置18的位置。
如圖5A所示，多個電阻器38-0至38-N串聯地電連接在第一電壓節點Uin和第二電壓節點GND之間。例如，可以在第一電壓節點Uin處施加由電壓源59提供的5V的電壓。在該示例中，第二電壓節點GND可以接地。然而，應當容易理解，可以使用在兩個電壓節點之間具有兩個不同電壓的任何適當的配置。
多個霍爾開關34-1、34-2至34-N分別連接到電阻器38-1至38-N。具體地，如圖5A所示，每個霍爾開關可以連接到在兩個相鄰的電阻器之間形成的節點。在由磁體裝置18施加的磁場致動時，霍爾開關34-1、34-2至34-N中的相應一個或多個可以閉合，並且可以將相應的節點連接到第二電壓節點GND，在該示例中，將節點連接到地，從而改變第一電壓節點Uin和第二電壓節點GND之間的電阻器38-0到38-N的總電阻。
從圖5A將容易理解，圖5A對應於分壓器電路，其中電阻器38-0至38-N兩端的電壓降Uo根據霍爾開關34-1至34-N中的哪一者閉合而改變。具體地，位置傳感器10可以被配置為使得當活塞14(參見圖1)完全縮回時，霍爾開關34-1至34-N全部打開，或者僅一個或多個第一霍爾開關34-1、34-2……閉合。因此，電阻器38-0至38-N兩端的電壓降Uo將具有最大值。此外，當活塞14開始伸展時，磁體裝置18將相對於杆16移動，因此也相對於感測裝置36(參見圖3)移動，並且第一霍爾開關34-1、34-2……將再次打開，而隨後的霍爾開關將被關閉。因此，電阻器38-0至38-N兩端的電壓降Uo將以步進方式線性減小。電壓降Uo可以經由分壓電阻器56和放大器55檢測，並且可以輸出到信號調節單元42(參見圖6)。優選地，電阻器56的電阻遠大於電阻器38-0和/或電阻器38-1至38-N的電阻。在一些實施例中，可以省略電阻器38-0。此外，電阻器38-1至38-N(以及可選地，電阻器38-0)可以被配置為具有相同的電阻。例如在圖8A中示出了通過使用感測裝置36的一個示例性配置獲得的輸出Uo的示例。下面將更詳細地描述圖8A。
圖5B示出了圖5A的電路的修改，其中分壓電阻器56已經被恆流源57代替。圖5B所示的電路將以基本上與圖5A所示的電路相同的方式工作。因此，將省略詳細描述。同樣，由圖5B所示的電路產生的輸出信號將基本上類似於由圖5A中所示的電路產生的輸出。
應當理解，導致輸出信號的其他電路配置對於本領域技術人員將是顯而易見的，從該輸出信號可以獲得磁體裝置18所作用的霍爾開關的位置。例如，還可以設想，電阻器38-1至38-N可以並聯連接，和/或霍爾開關可以在不存在磁場時閉合(ON)，以及可以由磁場打開(關斷)。可以使用不同的配置，只要沿著安裝表面27設置的霍爾開關的致動導致電阻器的總電阻的線性變化或可以確定磁體裝置18的位置的另一特性。
如前所述，在一些實施例中，感測裝置36可以被配置為使得安裝裝置28是諸如PCB的表面安裝裝置，並且電阻器38和霍爾開關34使用表面安裝技術安裝在安裝裝置28上。因為在一些應用中可能需要提供具有相對大的長度的位置傳感器10，例如大於100mm，特別是在500mm和5000mm之間，在500mm和1000mm之間，或者在1000mm和3000mm之間，優選在600mm和1600mm，安裝裝置28可以被配置為包括多個安裝單元28-0、28-1、28-2和28-3。
圖6示出了包括這種多個安裝單元的安裝裝置的一個示例。容易理解，安裝單元的數量可以不同於圖6所示的示例。此外，應當理解，兩個或更多個安裝單元可以具有相同的配置，並且任何適當數量的安裝單元可以組合以形成安裝裝置28。另外，一個安裝單元28-0可以具有與其它安裝單元28-1、28-2和28-3不同的配置，並且可以包括控制單元，該控制單元例如包括用於接收由圖5A和圖5B所示的電路產生的輸出的信號調節單元42，以及處理所述輸出以確定電壓降Uo，並且可選地，確定多個霍爾開關中的哪一者已經由磁場的影響而閉合。然而，容易理解的是，如果需要，信號調節單元42也可以與感測裝置36分開設置，例如在杆16和液壓缸100的外部。同樣，用於評估信號調節單元42的輸出以確定活塞14的位置的評估單元可以與信號調節單元42分離或作為其一部分形成，並且還可以設置在杆16內或液壓缸100的外部。
如圖6的示例所示，每個安裝單元28-1、28-2、28-3可以具有基本上相同的具有給定長度的配置。此外，還如圖6所示，最後的安裝單元28-3可在其遠端切割以獲得具有期望的總長度的感測裝置36。
如圖7A和圖7B所示，每個安裝單元28-1、28-2、28-3可以具有第一連接部44和形成在其相對端的匹配的第二連接部46。安裝單元28-1、28-2、28-3中的每一者被配置為電連接到具有第一連接部44和第二連接部46中的至少一者的至少一個其它安裝單元。例如，從圖6容易理解，包括信號調節單元42的安裝單元28-0可以僅包括第一連接部44，並且可以被配置為連接到安裝單元28-1的第二連接部46，該安裝單元28-1具有安裝在其上的電阻器38和霍爾開關34。如圖7A和圖7B所示，每個連接部44、46可以分別包括接觸部48、49，其被配置為分別通過例如焊接等在接合部50、51處彼此電連接。以這種方式，可以通過將單獨的安裝單元彼此焊接而容易地形成級聯的安裝單元(PCB)，以便獲得具有期望長度的安裝裝置28。在其他實施例中，具有期望長度的安裝裝置可以通過使用柔性帶技術形成。如前所述，信號調節單元42可以直接連接到多個霍爾開關和多個電阻器，或者可以單獨形成並且經由例如導線和/或信號線19連接。
圖8A至圖8D示出了形成在安裝裝置28上的霍爾開關34和35的不同配置。具體地，如圖8A至圖8D所示，可以在安裝裝置28上形成兩排霍爾開關，第一排霍爾開關34和第二排霍爾開關35。這可以實現以將感測裝置36的解析度增加到高於使用單排霍爾開關34可以獲得的解析度。例如，霍爾開關34可以被配置為由於它們的尺寸和形成安裝裝置28上所需連接所需的空間、使得它們僅能夠以大約2mm的間隔布置。然而，如果第二排霍爾開關35形成為使得其相對於第一排霍爾開關34偏移小於分隔兩個相鄰霍爾開關的間隔，則可以提高解析度。例如，第二排霍爾開關35可以相對於第一排霍爾開關34偏移1mm，以實現也對應於1mm步長的解析度。所得到的輸出信號示於圖8A的下部。從圖8A中可以看出，獲得基本上線性的信號，其可以以高解析度解決活塞14的衝程的變化。
或者，也可以使用允許安裝完整的兩排霍爾開關34、35的同一安裝裝置28，但省略一些霍爾開關以節省成本。在圖8所示的示例中，省略了一排完整的霍爾開關，僅留下單排霍爾開關35。如圖8B的下部可以看出，這導致解析度也減小一半。然而，在該解析度足夠的應用中，可以使用這樣的配置。
在即使更粗糙的解析度也已足夠的其他應用中，可以省略一排完整的霍爾開關和剩餘的一排霍爾開關35中的每隔一個。因此，如圖8C所示，輸出信號的解析度將更進一步降低。
在其他實施例中，具有接近由位置傳感器10測量的運動的結束位置的高解析度可能是足夠的，並且粗糙的解析度在運動範圍的中心可能是可接受的。因此，可以使用圖8D所示的配置，其中全部數量的霍爾開關34、35被提供為鄰近安裝裝置28的端部，並且霍爾開關34、35在安裝裝置28的中心區域中被適當地選擇性地省略。所得到的輸出信號示於圖8D的下部。當然，可以設想，根據應用和期望的解析度，可以使用霍爾開關的不同配置。
將容易理解，對兩個霍爾開關之間的最小解析度或最大空間存在限制，其至少部分地取決於磁體裝置18的尺寸。具體地，由磁體裝置18產生的磁場必須足夠強(具有足夠大的空間延伸)，使得確保在任何點處，至少一個霍爾開關由磁體裝置18致動，以便能夠以上述方式確定磁體裝置18的位置。
圖9A至圖9D示出了可以用在根據本發明的位置傳感器中的磁體裝置18的不同配置。
如已經提到的，並且大體上如圖9A所示，由磁體裝置18產生的磁場必須使得至少存在垂直於霍爾開關34且足以大到致動霍爾開關34的磁場分量。如圖9B所示，這可以通過使用例如設置在杆16的相對側上的兩個晶片磁體來實現，該晶片磁體可以設置在外殼31和內殼32之間，如圖9C所示。在其它實施例中，可以使用具有如圖9D所示配置的各向同性環形磁體，以產生作用於感測裝置36、特別是作用於感測裝置36的霍爾開關34的所需磁場。
在另一個實施例中，兩個對極安裝的環形磁體可以用作磁體30。對極安裝的磁體可以產生軸向磁場，如圖10A中的場線所示。容易理解，所產生的磁場要求安裝裝置28(即，安裝在其上的霍爾開關)偏離杆16的中心軸線，以便垂直於安裝裝置28的磁場分量作用於霍爾開關。如圖10A的示例所示，這允許提供第二安裝裝置29，其具有安裝在其上的第二多個霍爾開關以安置在杆16內。在一個實施例中，兩個安裝裝置28、29可有利地通過適當的電線連接到單個信號調節單元42和/或單個電源。
圖10A所示的配置具有幾個優點。首先，它與使用多個簧片開關作為位置傳感器的現有系統完全兼容。在包括多個讀取開關的這種位置傳感器中，通常使用類似於圖10A所示磁體的磁體。因此，圖10A所示的示例允許用具有霍爾開關的根據本發明的傳感器來替換包括簧片開關的傳感器。這導致由於霍爾開關的較小尺寸而增加的解析度，以及提供冗餘以便增加可靠性。
圖10B示出了圖10A所示的示例的修改。在該修改中，在產生軸向磁場的單個環形磁鐵的一個側表面上設置磁屏蔽裝置33。如圖10B所示，這導致產生不對稱磁場。因此，在磁體30的測量方向(圖10B中的虛線的左側)的一側上的雜散磁場可能較弱。因此，可以防止可能影響位置測量的霍爾開關中的一個由雜散磁場接通。在相對側(圖10B中的虛線的右側)，這將不影響位置測量，如從圖5A和圖5B所示的電路圖將容易理解。
此外，如圖11A和圖11B所示，由於由圖10A和圖10B所示的磁體產生的磁場的配置，感測裝置36(即，安裝裝置28、29和信號調節單元42)安裝在杆16中的角位置可以是任意位置。因此，不需要確保感測裝置36相對於磁體30具有特定取向。這允許感測裝置36容易地安裝在杆16中。
此外，使用圖10A、圖10B和圖11A、圖11B所示的配置允許相對於霍爾開關和/或信號調節電路產生冗餘。容易理解的是，在兩個獨立的安裝裝置28、29與單個信號調節單元42組合使用的情況下，信號調節單元42仍然可以提供輸出信號，其允許在裝置28、29之一故障、並且不再產生正確的輸出信號時測量位置。為了進一步提高可靠性，可以為每個裝置28、29提供單獨的信號調節單元42。
此外，還可以更進一步增加位置測量的解析度。在例如圖10A和圖10B所示的安裝裝置28、29在縱向方向上偏移小於由每個單獨的裝置提供的解析度的距離，例如解析度距離的一半，信號調節單元42可以評估從安裝裝置28、29接收的兩個信號以將其組合併且實現具有兩倍解析度的結果輸出信號。這在圖12A和圖12B中示出，其中圖12A示出從兩個裝置獲得的兩個輸出信號，圖12B示出了具有增加的解析度的組合(平均)輸出信號。
應當注意，儘管在上述實施例中，霍爾開關34、35和電阻器38、39安裝在安裝裝置28、29的一側上，但是在其他實施例中，如果需要，霍爾開關34、35和/或電阻器38、39可以安裝在安裝裝置28、29的兩側(相對側)上。
工業實用性
從前面的討論將容易地理解本文公開的系統和方法的工業實用性。一個示例性應用是所公開的用於數字線性位置傳感器的感測裝置的使用，例如用作液壓缸中的位置傳感器，特別是與諸如地下採礦等工業相關聯的液壓缸。然而，將容易理解，所公開的感測裝置和所公開的數字線性位置傳感器也可以用於其他行業，用於測量液壓缸的衝程，或用於測量其他可移動部件的線性運動。
應當理解，前面的描述提供了所公開的系統和方法的示例。然而，預期的是，本發明的其他實現方式可以在細節上不同於前述示例。對本發明或其示例的所有參考旨在參考在該點處討論的特定示例，並不旨在更一般地暗示對本發明的範圍的任何限制。除非本文另有說明或與上下文明顯矛盾，否則本文描述的所有方法可以以任何合適的順序執行。
因此，本發明包括如適用法律所允許的所附權利要求中記載的主題的所有修改和等同物。此外，除非本文另有說明或與上下文明顯矛盾，否則本發明包括上述元件在其所有可能變型中的任何組合。
雖然在此已經描述了本發明的優選實施例，但是在不脫離所附權利要求書的範圍的情況下，可以結合改進和修改。