[发明专利]用于确定转子位移的非接触式传感器

说明书

公开了一种用于确定转子(120)的位移的非接触式电磁传感器装置。两个感测线圈(612，614)与转子的表面相互作用。桥式电路由感测线圈和输入变压器(210)的两个次级绕组(212，213)形成。输入变压器的初级绕组接收激励信号。在由感测线圈(612，614)之间的公共节点和输入变压器的次级绕组之间的公共节点形成的输出抽头处获得输出信号。以这种方式将激励与检测分离。如果使用电缆将桥式电路连接至信号处理电路，则可以使该桥式电路的输入阻抗和输出阻抗与电缆的特性阻抗相匹配。输出变压器可以连接至输出抽头。输入变压器和输出变压器的角色可以互换。

技术领域

本发明涉及一种用于测量转子的特性特别是转子的位移的传感器装置以及配备有这样的传感器装置的设备。

背景技术

通常采用非接触式电磁传感器——特别是涡流传感器和电感式传感器(也称为磁阻传感器)——来监测机械如泵和压缩机中的转子的位移。如果转子由有源磁悬浮轴承来悬挂，对转子位置的监视特别重要，其中需要位置信息来控制磁悬浮轴承。

涡流传感器通常包括连接至信号处理电路的换能器。在换能器与信号处理电路之间可以存在多引线连接电缆。在一些实施方式中，换能器包括单个感测线圈。信号处理电路包括单个信号发生器，该信号发生器一般在超过100kHz的频率激励感测线圈中的高频AC电流。高频电流产生绕感测线圈的交变磁场，该交变磁场在附近的转子上的导电目标上感应涡流。该涡流反过来在感测线圈中感应反电动势(EMF)，该反电动势改变换能器的阻抗。这样的阻抗变化由信号处理电路检测以提供换能器与目标之间的距离的指示。为此目的，信号处理电路可以包括模拟或数字解调器。在US 6,664,782中公开了一种具有数字解调器的单线圈传感器系统的示例。这个文档还讨论了与单线圈传感器相关联的一些普遍问题。

电感式传感器与涡流传感器的工作原理非常类似。然而，电感式传感器的工作频率通常比涡流传感器的工作频率低，一般仅在几kHz的范围内。具有高磁导率的目标例如铁磁性或亚铁磁性目标直接影响感测线圈的自感。在下文中，将涡流位移传感器和感应式位移传感器共同命名为非接触式电磁位移传感器。

在一些应用中，非接触式电磁位移传感器的换能器可能被暴露于不利的机械、物理和化学条件如强震动、高温、高压、高湿度或者存在化学腐蚀性物质。在现有技术中已付出相当大的努力来提供能够承受这样的不利条件的经封装的换能器。在US 5,818,224中公开了一种示例。然而，其中可以使用这样的经封装的换能器的工作条件的范围是有限的，并且可能需要高的建设性努力来将经完全封装的换能器集成到机械中。

此外，具有单线圈换能器的传感器易受由不仅换能器的阻抗而且还由连接电缆的阻抗的温度变化引起的温度误差的影响。由于温度漂移或湿度变化而引起的阻抗变化可能被误认为是由于换能器与目标之间的距离变化而引起的阻抗变化。这会导致不准确的距离测量。在有必要经由相当长的连接电缆将信号调节电路连接至换能器的应用中，该问题更加严重，因为可能存在这样的情况：在大型旋转机械如压缩机或大型泵中，电缆长度可以容易地超过20米并能达到300米或以上。

在现有技术中，通过采用多线圈换能器已经解决了这些问题中的一些问题。例如，US 6,803,757提出了采用包括感测线圈、驱动线圈和参考线圈的多线圈换能器。信号发生器驱动该驱动线圈以在目标中感应涡流。感测线圈插在驱动线圈与目标之间并且输出感应电压，该感应电压取决于换能器与目标之间的距离。参考线圈感应地耦接至驱动线圈而不被目标影响。来自参考线圈的信号被反馈至信号发生器，使得由驱动线圈产生的磁场保持基本上恒定。需要六条导线来将换能器连接至其余的电路。