[发明专利]感应电流位置传感器

说明书

本发明涉及利用磁场感应电流信号监测两个部件之间的位移或位置。

当前存在多种位移或位置传感系统。这些传感器中的大部分能够监测线性、旋转或角位移。光学传感器通常由一个扫描单元和一个其上安装有一个光栅的玻璃标尺构成。扫描单元一般包括一个光源、一个用于准直光线的聚焦透镜、一个带有标度光栅的扫描刻度板、和一个光探测器。标尺相对于扫描单元移动，刻度线与产生周期光波动的标度光栅中的标度线或间隔一致。光密度的周期波动被光探测器转换成电信号，然后将这些信号加以处理以确定位置。光学传感器能够以非常高的精度进行位置测量，尤其是在使用激光光源时更是如此。

当前，为了提高效率，大部分制造商都宁愿在车间里使用手持编码器和其他测量工具，而不是在无污染检测室中进行测量。但是光学传感器对于污染是十分敏感的，所以在大部分制造或销售场所都无法使用。因此，需要采用昂贵的，但有时却不可靠的环境密封或者其他密封光学传感器的方法以使灰尘和油污不能进入传感器中。此外，光源常常需要相当大的电流，因而使得光学传感器不适用于采用电池作电源的测量工具中(例如，手持编码器)。

电容传感器使用非常小的电流，所以十分适合用于以电池作为电源的测量工具中。电容传感器是以平行板电容器模式工作的。发射极板和接收极板设置在一个固定部件上，并分别与相应的电压发生与读出电路相连。这两块极板构成平行板电容器中的一块板。另一块板是由一个包括许多隔开的刻度板的可移动部件或标尺构成。当标尺相对于固定部件移动时，发射极板和接收极板通过在它们之间经过的标尺上的各个刻度板相互电容耦合。读出电路检测当标尺中的刻度板移动时在接收极板中电压的变化。

但是电容传感器要求在固定部件中的极板与标尺中的极板之间的间隙很小。而小的间隙要求严格的制造公差，从而提高了制造成本。此外，电容传感器对于污染，特别是对介电液体，例如油十分敏感。所以，同光学传感器一样，需要昂贵而不可靠的密封。

磁性传感器对于由油、水、和其他液体造成的污染是不敏感的。磁性传感器(例如，Sony Magnescale encoders^TM)包括一个探测磁场的读出头和一个用周期磁场分布选择性磁化的铁磁性标尺。当标尺移动时，读出头探测磁性标尺中的磁场变化，从而确定位置。磁性传感器受到小颗粒，特别是受到附着在磁性标尺上的铁磁性颗粒的影响。所以，磁性传感器与电容和光学传感器一样加以密封、封闭或者采用其他防护方法以抑制灰尘，减小它们的影响。

感应传感器对切削油、水或其他液体是不敏感的，对于灰尘、铁磁颗粒等也是不敏感的。感应传感器(例如，Inductosyn型传感器)在一个部件上包括多个线圈，例如在一块印刷电路板上的一组平行的重复线圈组，这些线圈传输由在其他部件上的类似线圈接收的变化磁场。在第一部件的线圈中的交变电流产生变化磁场。由第二部件接收的信号随两个部件之间的相对位置而周期变化，所以它们之间的相对位置可以利用适合的电路来确定。但是，两个部件都是活动的，所以它们必须与其各自的电路连接。将两个部件与电路电连接增加了制造和安装成本。此外，在旋转编码器的情况下，移动部件必须通过滑动环连接，这增加了成本，降低了编码器的可靠性。

在一些专利中，发明者试图提供一种对于污染不敏感的位移或位置传感器，并且试图使其能够比光学传感器、电容传感器或感应传感器更加廉价地制造。在美国专利US-4,697,144(Howbrook)、US-5,233,294(Dreoni)、和US-4,743,786(Ichikawa)、以及英国专利申请GB-2,064,125(Thatcher)中，公开了一些位置探测装置，这些装置检测一个不活动的或不被驱动的部件与一个被驱动的部件(例如，在一个永磁体和一个读出电路之间)的位移。虽然上述的专利中所描述的传感系统消除了两个移动部件之间的寄生电耦合现象(感应传感器的一个缺点)，但是这些系统一般达不到现有的传感器(例如，光学或感应编码器)的高精度。此外，在这些传感系统中的不活动部件通常选取铁磁性材料以产生强磁场，或者在由活动部件产生的封闭的、聚敛磁场中移动。这些专利中的传感系统还产生不连续的输出信号，这使得在延伸的位置或距离处的读出不准确。另外，这些专利中的传感系统一般不能应用于更广泛的装置，诸如手持测量工具或者线性位移传感器、旋转位移传感器、角位移传感器或者其也类型的位置传感器。