專利名稱：傳感器裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器裝置和方法，特別但不限于涉及一種用于檢測(cè)兩個(gè)部件的相對(duì)位置的位置傳感器。
各種形式的感應(yīng)傳感器已經(jīng)用于產(chǎn)生表示兩個(gè)相對(duì)可移動(dòng)部件的位置的信號(hào)。典型地，一個(gè)部件承載激勵(lì)線圈和兩個(gè)或更多個(gè)傳感器線圈，而另一個(gè)部件承載諧振電路。諧振電路和每個(gè)傳感器線圈之間的磁耦合隨著位置而改變，因此，通過(guò)在諧振電路的諧振頻率施加振蕩信號(hào)給激勵(lì)線圈，在每個(gè)傳感器線圈中感應(yīng)信號(hào)，其中每個(gè)傳感器線圈在諧振頻率振蕩，而它的振幅隨著兩個(gè)部件的相對(duì)位置的函數(shù)而變化。
國(guó)際專利公報(bào)WO94/25829介紹了一種旋轉(zhuǎn)位置傳感器，其中兩個(gè)激勵(lì)線圈和傳感器線圈關(guān)于包括諧振電路的旋轉(zhuǎn)部件垂直定位，以便每個(gè)激勵(lì)線圈和傳感器線圈之間的磁耦合根據(jù)旋轉(zhuǎn)部件的角度位置變化。同相振蕩信號(hào)和正交振蕩信號(hào)(即與同相振蕩信號(hào)相差90度)分別被施加給兩個(gè)激勵(lì)線圈，并且由在傳感器線圈中感應(yīng)的對(duì)應(yīng)同相信號(hào)和正交信號(hào)的信號(hào)分量的相對(duì)振幅確定旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)位置。
在WO94/25829中介紹的旋轉(zhuǎn)位置傳感器的問(wèn)題是由在傳感器線圈中感應(yīng)的信號(hào)獲得旋轉(zhuǎn)位置所需的處理不適于數(shù)字處理技術(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種其中信號(hào)發(fā)生器給激勵(lì)線圈施加激勵(lì)信號(hào)的傳感器，其中激勵(lì)信號(hào)包括具有由周期調(diào)制信號(hào)調(diào)制的載頻的周期載波信號(hào)，所述周期調(diào)制信號(hào)具有低于載頻的調(diào)制頻率。給激勵(lì)線圈施加激勵(lì)信號(hào)在傳感器線圈中感應(yīng)周期電信號(hào)，該電信號(hào)根據(jù)由傳感器測(cè)量的參數(shù)改變，并且信號(hào)處理器處理感應(yīng)的周期信號(hào)，從而確定表示正在測(cè)量的參數(shù)的值。
通過(guò)由低頻調(diào)制信號(hào)調(diào)制振蕩載波信號(hào)以形成激勵(lì)信號(hào)，而不是調(diào)制在傳感器線圈中感應(yīng)的信號(hào)，該傳感器可以很好地適于使用數(shù)字處理技術(shù)來(lái)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)和處理傳感器線圈中感應(yīng)的信號(hào)。
優(yōu)選地，該信號(hào)經(jīng)過(guò)諧振器耦合在激勵(lì)線圈和傳感器線圈之間，該諧振器具有基本上等于激勵(lì)信號(hào)的載頻的諧振器的諧振頻率。通過(guò)這種方式，通過(guò)激勵(lì)線圈和諧振器之間的電磁耦合有效地濾除不希望的較高諧波。
現(xiàn)在參照附圖介紹本發(fā)明的典型實(shí)施例，其中

圖1示意性地表示位置傳感器的透視圖；圖2示意性地表示圖1中所示的位置傳感器的主要部件；圖3A表示形成圖1中所示位置傳感器的一部分的正弦線圈的布圖；圖3B表示形成圖1中所示位置傳感器的一部分的余弦線圈的布圖；圖3C表示形成圖1中所示位置傳感器的一部分的讀出線圈的布圖；圖4表示形成圖1中所示位置傳感器的一部分的傳感器元件；圖5A示意性地表示在形成圖4中所示傳感器元件的一部分的諧振電路中感應(yīng)的信號(hào)的相位如何隨著驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率變化；圖5B示意性地表示在形成圖4中所示傳感器元件的一部分的諧振電路中感應(yīng)的信號(hào)的振幅如何隨著驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率變化；圖6A是表示施加于圖3B中所示余弦線圈的信號(hào)的時(shí)序圖；圖6B是表示施加于圖3A中所示正弦線圈的第一信號(hào)的時(shí)序圖；圖6C是表示施加于圖3A中所示正弦線圈的第二信號(hào)的時(shí)序圖；圖7A-7C是表示當(dāng)對(duì)于傳感器元件的三個(gè)不同位置當(dāng)將圖6A中所示信號(hào)施加于余弦線圈和將圖6B中所示信號(hào)施加于正弦線圈時(shí)，在圖3C中所示讀出線圈中感應(yīng)的信號(hào)的時(shí)序圖；圖8A-8C是表示當(dāng)對(duì)于傳感器元件的三個(gè)不同位置當(dāng)將圖6A中所示信號(hào)施加于余弦線圈和將圖6C中所示信號(hào)施加于正弦線圈時(shí)，在圖3C中所示讀出線圈中感應(yīng)的信號(hào)的時(shí)序圖；圖9是更詳細(xì)地表示圖1中所示位置傳感器的處理電路的方框圖；圖10更詳細(xì)地表示圖9中所示處理電路的模擬信號(hào)處理元件；圖11A-11D是表示在圖9中所示處理電路內(nèi)在各個(gè)位置的信號(hào)的時(shí)序圖；圖12是表示在圖9中所示處理電路的微處理器形成部分接收的脈沖的時(shí)序圖；圖13是表示進(jìn)行計(jì)算圖1中所示位置傳感器的傳感器元件的位置的操作的流程圖；圖14是更詳細(xì)地表示進(jìn)行計(jì)算圖1中所示位置傳感器的傳感器元件的位置所使用的正向角度的操作的流程圖；和圖15是更詳細(xì)地表示進(jìn)行計(jì)算圖1中所示位置傳感器的傳感器元件的位置所使用的反向角度的操作的流程圖。
圖1示意性地表示用于檢測(cè)傳感器元件1的位置的位置傳感器，該傳感器元件1可滑動(dòng)地安裝在支架3上，從而可以沿著測(cè)量方向(圖1中的X方向)線性運(yùn)動(dòng)。印刷電路板(PCB)5沿著與支架3相鄰的測(cè)量方向延伸并且具有印刷在其上的導(dǎo)電跡線，該導(dǎo)電跡線形成正弦線圈7、余弦線圈9和讀出線圈11，所述每個(gè)線圈都連接到控制單元13。顯示器15也連接到控制單元13，用于顯示表示傳感器元件1沿著支架3的位置的數(shù)字。
如圖1所示，在外形上，PCB 5一般是矩形的，其長(zhǎng)軸與測(cè)量方向?qū)?zhǔn)，短軸垂直于測(cè)量方向。正弦線圈7、余弦線圈9和讀出線圈11經(jīng)PCB5的長(zhǎng)邊連接到控制單元，這對(duì)應(yīng)X等于零的位置值，該位置值沿著PCB 5的長(zhǎng)度從對(duì)應(yīng)X等于零的長(zhǎng)邊而增加。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2介紹圖1中所示位置傳感器的操作的概要。控制單元13包括在各個(gè)不同的輸出端產(chǎn)生同相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)的正交信號(hào)發(fā)生器21。同相信號(hào)I(t)是使用在調(diào)制頻率f1振蕩的第一調(diào)制信號(hào)，通過(guò)具有載頻f0的振蕩載波信號(hào)的調(diào)幅產(chǎn)生的，在本實(shí)施例中，載頻f0為2MHz，調(diào)制頻率f1為3.9KHz。因此同相信號(hào)I(t)為如下形式I(t)＝Asin2πf1tcos2πf0t(1)同樣，正交信號(hào)Q(t)是使用在調(diào)制頻率f1振蕩的第二調(diào)制信號(hào)，通過(guò)具有載頻f0的振蕩載波信號(hào)的調(diào)幅產(chǎn)生的，其中第二調(diào)制信號(hào)與第一調(diào)制信號(hào)的相位相差π/2弧度(90度)。因此正交信號(hào)Q(t)為如下形式Q(t)＝Acos2πf1tcos2πf0t (2)同相信號(hào)I(t)被施加給正弦線圈7，正交信號(hào)Q(t)被施加給余弦線圈9。
正弦線圈7以這種模式形成使得電流流過(guò)正弦線圈7，從而產(chǎn)生第一磁場(chǎng)B1，垂直于PCB5分解的第一磁場(chǎng)B1的場(chǎng)強(qiáng)分量根據(jù)以下函數(shù)沿著測(cè)量方向正弦地變化B1＝Bsin(2πx/L) (3)其中L是在X方向的正弦線圈的周期。
同樣，余弦線圈9以這種模式形成使得電流流過(guò)余弦線圈9，從而產(chǎn)生第二磁場(chǎng)B2，垂直于PCB5分解的第二磁場(chǎng)B2的場(chǎng)強(qiáng)分量也沿著測(cè)量方向正弦地變化，但是具有相對(duì)于第一磁場(chǎng)B1的相位的π/2弧度(90度)的相位差，如下給出B2＝Bcos(2πx/L) (4)通過(guò)這種方式，在沿著測(cè)量方向的任何位置產(chǎn)生的總磁場(chǎng)BT將由來(lái)自第一磁場(chǎng)B1的第一分量和來(lái)自第二磁場(chǎng)B2的第二分量形成，垂直于PCB5分解的第一和第二分量的大小沿著測(cè)量方向變化。
通過(guò)分別給正弦線圈7和余弦線圈9施加同相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)，產(chǎn)生的垂直于PCB5分解的總磁場(chǎng)分量BT根據(jù)在調(diào)制頻率f1變化的振幅包絡(luò)函數(shù)在載頻f0振蕩，其中振幅包絡(luò)函數(shù)的相位沿著測(cè)量方向而變化。因此BT∝cos2πf0t.cos(2πf1t-2πx/L)(5)實(shí)際上，振幅包絡(luò)函數(shù)的相位沿著測(cè)量方向旋轉(zhuǎn)。在本實(shí)施例中，傳感器元件1包括具有基本上等于載頻f0的諧振頻率的諧振電路。因此總磁場(chǎng)分量BT在該諧振電路中感應(yīng)電信號(hào)，該電信號(hào)在載頻f0振蕩并具有在調(diào)制頻率f1調(diào)制的振幅，其中其相位沿著測(cè)量方向由傳感器元件1的位置決定。在諧振電路中感應(yīng)的電信號(hào)又產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在讀出線圈11中感應(yīng)讀出電信號(hào)S(t)，該讀出電信號(hào)S(t)在載頻f0處振蕩。讀出信號(hào)S(t)的振幅也在調(diào)制頻率f1被調(diào)制，并且相位取決于傳感器元件1沿著測(cè)量方向的位置。讀出信號(hào)S(t)被輸入到解調(diào)讀出信號(hào)S(t)的相位檢測(cè)器23，從而除去在載頻f0的分量，并檢測(cè)其余振幅包絡(luò)函數(shù)相對(duì)于激勵(lì)波形的相位。然后相位檢測(cè)器23向位置計(jì)算器25輸出表示被檢測(cè)相位的相位信號(hào)P(t)，該位置計(jì)算器25將被檢測(cè)相位轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位置值并向顯示器15輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而顯示相應(yīng)位置值。
通過(guò)使用大于調(diào)制頻率f1的載頻f0，在遠(yuǎn)離低頻噪聲源如在50/60Hz的電力干線的頻率下進(jìn)行感應(yīng)耦合，同時(shí)仍然可以在很好地適于數(shù)字處理的相對(duì)低頻進(jìn)行信號(hào)處理。此外，增加載頻f0便于使傳感器元件1變小，這在很多應(yīng)用中都是顯著的優(yōu)點(diǎn)。提高載頻f0還產(chǎn)生更高的信號(hào)強(qiáng)度。
下面更詳細(xì)地介紹圖1中所示位置傳感器的分開(kāi)的部件。
如圖3A所示，正弦線圈7是由一般圍繞遠(yuǎn)離在測(cè)量方向上沿著PCB5的一半路程的交叉點(diǎn)的PCB5的周邊延伸的導(dǎo)電跡線形成的，其中PCB5的每個(gè)短邊上的導(dǎo)電跡線與PCB5的相應(yīng)相對(duì)短邊交叉。通過(guò)這種方式，有效地形成了第一電流回路21a和第二電流回路21b。當(dāng)信號(hào)被施加給正弦線圈7時(shí)，電流圍繞第一電流回路21a和第二電流回路21b在相反方向流動(dòng)，因此圍繞第一電流回路21a流動(dòng)的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的極性與由圍繞第二電流回路21b流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的極性相反。這導(dǎo)致垂直于PCB5分解的由上述等式3給出的第一磁場(chǎng)B1的分量的場(chǎng)強(qiáng)呈正弦變化。
特別是，正弦線圈7的布圖使得由流過(guò)正弦線圈7的電流產(chǎn)生的垂直于PCB5分解的第一磁場(chǎng)B1的分量的場(chǎng)強(qiáng)沿著測(cè)量方向從X等于0的點(diǎn)的大約零值變化到X為L(zhǎng)/4位置(如圖3A所示的位置A)的最大值，然后在X等于L/2的位置(如圖3A所示的位置C)返回到零，然后在X等于3L/4位置達(dá)到最大值(具有與位置A的最大值相反的極性)，再然后在X等于L的位置返回到零。因此，正弦線圈7產(chǎn)生垂直于PCB5的磁場(chǎng)分量，該磁場(chǎng)分量根據(jù)正弦函數(shù)的一個(gè)周期變化。
如圖3B所示，余弦線圈9由一般圍繞遠(yuǎn)離兩個(gè)交叉點(diǎn)的PCB5的周邊延伸的導(dǎo)電跡線形成，其中所述兩個(gè)交叉點(diǎn)分別位于在測(cè)量方向沿著PCB5的四分之一和四分之三途中的位置上。通過(guò)這種方式，形成三個(gè)回路23a、23b和23c，其中外部回路23a和23c是內(nèi)部回路23b的尺寸的一半。當(dāng)信號(hào)被施加給余弦線圈9時(shí)，電流在一個(gè)方向圍繞外部回路23a和23c流動(dòng)，并在相反方向圍繞內(nèi)部回路23b流動(dòng)。通過(guò)這種方式，由圍繞內(nèi)部回路23b流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的極性與由圍繞外部回路23a和23c流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的極性相反。這導(dǎo)致由上述等式4給出的垂直于PCB5分解的第二磁場(chǎng)B2的分量的場(chǎng)強(qiáng)按正弦變化。
特別是，余弦線圈9的布圖使得由流過(guò)余弦線圈9的電流產(chǎn)生的垂直于PCB5分解的第二磁場(chǎng)B2的分量的場(chǎng)強(qiáng)沿著測(cè)量方向從X等于0位置的最大值變化到X等于L/4位置(如圖3B所示的位置A)的零值，然后在X等于L/2的位置(如圖3B所示的位置C)返回到最大值(具有與X等于0的位置的最大值相反的極性)，然后在X等于3L/4位置達(dá)到零，再然后在X等于L的位置為最大值(具有與X等于0的位置的最大值相同的極性)。因此，正弦線圈7產(chǎn)生垂直于PCB5的磁場(chǎng)分量，該磁場(chǎng)分量根據(jù)上述等式4給出的余弦函數(shù)的一個(gè)周期變化。
如圖3C所示，讀出線圈11由一般圍繞PCB5的周邊延伸并形成單回路的導(dǎo)電跡線形成。
正弦線圈7的布圖使得由圍繞第一電流回路21a流動(dòng)的電流在讀出線圈11中感應(yīng)的電流基本上被由圍繞第二電流回路21b流動(dòng)的電流在讀出線圈11中感應(yīng)的電流抵消。同樣，對(duì)于余弦線圈9，由外部回路23a和23c在讀出線圈11中感應(yīng)的電流被由內(nèi)部回路21b在讀出線圈11中感應(yīng)的電流抵消。使用這種平衡線圈具有的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是來(lái)自正弦線圈7和余弦線圈9的電磁發(fā)射隨著以比單平面線圈快的速度運(yùn)行的距離而減小。這允許使用更大的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)仍然滿足電磁發(fā)射的調(diào)整需求。這是特別重要的，因?yàn)殡姶虐l(fā)射的調(diào)整需求變得越來(lái)越嚴(yán)格了。
圖4更詳細(xì)地示出了傳感器元件1。如圖所示，在本實(shí)施例中，傳感器元件1包括線圈31，該線圈31的端部經(jīng)電容器33連接在一起。由于線圈31具有相關(guān)的電感，因此線圈31和電容器33一起形成諧振電路。在本實(shí)施例中，諧振電路具有2MHz的標(biāo)稱諧振頻率fres(這等于載頻f0)，盡管實(shí)際諧振頻率將根據(jù)諸如溫度和濕度之類的環(huán)境因素而變化。
如上所述，當(dāng)振蕩驅(qū)動(dòng)信號(hào)被施加于正弦線圈7和余弦線圈9中的一個(gè)或兩個(gè)上時(shí)，在傳感器元件1的諧振電路中感應(yīng)相同頻率的振蕩信號(hào)。然而，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)和感應(yīng)信號(hào)之間產(chǎn)生相位滯后，相位滯后的量取決于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和諧振電路的諧振頻率之間的關(guān)系。如圖5A所示，相位滯后在諧振電路的諧振頻率附近變化最快，在諧振頻率的相位滯后為π/2弧度(90度)。諧振電路的品質(zhì)因數(shù)越高，相位在諧振頻率附近的變化越快。然而，如圖5B所示，諧振電路的品質(zhì)因數(shù)越低，在諧振電路中感應(yīng)的電信號(hào)的振幅越小。因此當(dāng)選擇諧振電路的品質(zhì)因數(shù)值時(shí)，必須對(duì)信號(hào)強(qiáng)度和相位隨頻率變化的速度之間達(dá)成折衷方案。
下面參照?qǐng)D6A-6C更詳細(xì)地介紹由正交信號(hào)發(fā)生器21產(chǎn)生并作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加給正弦線圈7和余弦線圈9的正交信號(hào)。
如圖6A所示，通過(guò)使用第一調(diào)制信號(hào)調(diào)制載波信號(hào)，正交信號(hào)發(fā)生器21產(chǎn)生正交信號(hào)Q(t)。如圖所示，在本實(shí)施例中，第一調(diào)制信號(hào)不給載波信號(hào)施加“全面”調(diào)制。換言之，由圖6A中所示的虛線表示的振幅包絡(luò)函數(shù)沒(méi)有達(dá)到零振幅。因此實(shí)際正交信號(hào)Q(t)給出如下Q(t)＝Ccos2πf0t+Bcos2πf1tcos2πf0t (6)如圖6B所示，通過(guò)使用第二調(diào)制信號(hào)調(diào)制載波信號(hào)的振幅，正交信號(hào)發(fā)生器21產(chǎn)生同相信號(hào)I(t)，其中第二調(diào)制信號(hào)的相位比第一調(diào)制信號(hào)的相位滯后π/2弧度(即90度)。而且，在本實(shí)施例中，第二調(diào)制信號(hào)不給載波信號(hào)施加全面調(diào)制。因此實(shí)際同相信號(hào)I(t)給出如下I(t)＝Ccos2πf0t+Bsin2πf1tcos2πf0t (7)同相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)各包括三個(gè)頻率分量，一個(gè)在f0，一個(gè)在(f0+f1)，一個(gè)在(f0-f1)。從圖5A中看出，這三個(gè)分量將在傳感器元件1的諧振電路中以各自不同的相位滯后分別感應(yīng)一個(gè)電信號(hào)。這將導(dǎo)致讀出信號(hào)S(t)的相位偏移，考慮到讀出信號(hào)S(t)的相位被用于確定傳感器元件1的位置，為了獲得準(zhǔn)確的位置測(cè)量而必須校正這種相位偏移。在本實(shí)施例中，如后面更詳細(xì)說(shuō)明的，這種校正是通過(guò)用“反相”信號(hào)I(t)代替同相信號(hào)I(t)而進(jìn)行第二相位測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
如圖6C所示，通過(guò)使用也處于調(diào)制頻率f1的第三調(diào)制信號(hào)調(diào)制載波信號(hào)(具有載頻f0)，正交信號(hào)發(fā)生器21產(chǎn)生反相信號(hào)I(t)，其中第三調(diào)制信號(hào)的相位比第一調(diào)制信號(hào)的相位超前π/2弧度(即90度)。而且，在本實(shí)施例中，第三調(diào)制信號(hào)不給載波信號(hào)施加全面調(diào)制。因此反相信號(hào)I(t)給出如下I(t)＝Ccos2πf0t-Bsin2πf1tcos2πf0t (8)現(xiàn)在參照?qǐng)D7A-7C介紹當(dāng)同相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)分別施加于正弦線圈7和余弦線圈9時(shí)在讀出線圈11中感應(yīng)的讀出信號(hào)S(t)。在圖7A-7C中，假設(shè)諧振電路沒(méi)有引入相位偏移，因此，相位偏移完全是由于傳感器元件1的位置造成的。
圖7A示出了當(dāng)傳感器元件1與點(diǎn)A(其中X等于L/4)相鄰定位時(shí)的讀出信號(hào)S(t)，其中A點(diǎn)與圖3A-3C中相同。在點(diǎn)A，由余弦線圈9產(chǎn)生的磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大約為零，因此假設(shè)沒(méi)有由于諧振電路產(chǎn)生的相位偏移，讀出信號(hào)S(t)與同相信號(hào)I(t)匹配。因此，讀出信號(hào)S(t)相對(duì)于正交信號(hào)Q(t)具有π/2弧度(90度)的相位滯后。
圖7B示出了當(dāng)傳感器元件1與點(diǎn)B(其中X等于3L/8)相鄰定位時(shí)的讀出信號(hào)S(t)，其中在點(diǎn)B，由正弦線圈7和余弦線圈9產(chǎn)生的磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大約相等，因此，假設(shè)沒(méi)有由于諧振電路產(chǎn)生的相位偏移，讀出信號(hào)S(t)相對(duì)于正交信號(hào)Q(t)具有π/4弧度(45度)的相位滯后。
圖7C示出了當(dāng)傳感器元件1與點(diǎn)C(其中X等于L/2)相鄰定位時(shí)的讀出信號(hào)S(t)，其中在點(diǎn)C，由正弦線圈7產(chǎn)生的磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大約為零，因此，假設(shè)沒(méi)有由于諧振電路產(chǎn)生的相位偏移，讀出信號(hào)S(t)與正交信號(hào)Q(t)匹配。因此，讀出信號(hào)S(t)與正交信號(hào)Q(t)同相。
從上面的等式5看出，當(dāng)同相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)分別施加于正弦線圈7和余弦線圈9時(shí)，讀出信號(hào)S(t)的相位隨著位置值增加而減小。
現(xiàn)在參照?qǐng)D8A-8C介紹當(dāng)反相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)被分別施加給正弦線圈7和余弦線圈9時(shí)在讀出線圈11中感應(yīng)的讀出信號(hào)S(t)。而且，假設(shè)諧振電路沒(méi)有引入相位偏移，因此相位偏移完全由傳感器元件1的位置產(chǎn)生。
圖8A示出了當(dāng)傳感器元件1與點(diǎn)A相鄰定位時(shí)的讀出信號(hào)S(t)，其中在點(diǎn)A，由余弦線圈9產(chǎn)生的磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大約為零，因此假設(shè)諧振電路沒(méi)有引入相位偏移，讀出信號(hào)S(t)與反相信號(hào)I(t)匹配。因此，讀出信號(hào)S(t)的相位比正交信號(hào)Q(t)的相位超前π/2弧度(90度)。
圖8B示出了當(dāng)傳感器元件1與點(diǎn)B相鄰定位時(shí)的讀出信號(hào)S(t)，其中在點(diǎn)B，由正弦線圈7和余弦線圈9產(chǎn)生的磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大約相等，因此，假設(shè)諧振電路沒(méi)有引入的相位偏移，讀出信號(hào)S(t)的相位比正交信號(hào)Q(t)的相位超前π/4弧度(45度)。
圖8C示出了當(dāng)傳感器元件1與點(diǎn)C相鄰定位時(shí)的讀出信號(hào)S(t)，其中在點(diǎn)C，由正弦線圈7產(chǎn)生的磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大約為零，因此，假設(shè)諧振電路沒(méi)有引入的相位偏移，讀出信號(hào)S(t)與正交信號(hào)Q(t)同相。
如圖8A-8C所示，當(dāng)反相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)被分別施加給正弦線圈7和余弦線圈9時(shí)，讀出信號(hào)S(t)的相位隨著位置值而線性增加。
如上所述，假設(shè)諧振電路沒(méi)有引入相位偏移，對(duì)于測(cè)量方向的每個(gè)位置X，當(dāng)施加同相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)時(shí)，引入與位置相關(guān)的相位偏移φ(x)，并且當(dāng)施加反相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)時(shí)，引入與位置相關(guān)的相位偏移-φ(x)。實(shí)際上，諧振電路的確引入相位偏移φRC，但是不管給正弦線圈7施加同相信號(hào)I(t)還是反相信號(hào)I(t)，相位偏移φRC一般都是相同的。因此，本實(shí)施例中，從施加同相信號(hào)I(t)時(shí)測(cè)量的相位偏移減去施加反相信號(hào)I(t)時(shí)測(cè)量的相位偏移，結(jié)果是由諧振電路引入的相位偏移φRC被取消，從而提供等于與位置相關(guān)的相位偏移φ(x)的兩倍的合成相位。
現(xiàn)在參照?qǐng)D9介紹用于產(chǎn)生同相信號(hào)I(t)、正交信號(hào)Q(t)和反相信號(hào)I(t)以及處理讀出信號(hào)S(t)以確定位置值的處理電路。如圖9所示，該處理電路由微處理器41、數(shù)字部件61、模擬驅(qū)動(dòng)電路81和模擬信號(hào)處理部件91構(gòu)成。
微處理器41包括在兩倍于載頻f0的頻率(即在4MHz)產(chǎn)生方波信號(hào)的第一方波振蕩器43。這個(gè)方波信號(hào)從微處理器41輸出到正交分配器單元63，該正交分配器單元63將該方波信號(hào)分成兩份，并形成在載頻處的同相數(shù)字載波信號(hào)+I、在載頻處的反相數(shù)字載波信號(hào)-I、和也在載頻處的正交數(shù)字載波信號(hào)+Q。如下所述，正交數(shù)字載波信號(hào)+Q被調(diào)制以便形成施加給正弦線圈7和余弦線圈9的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而同相和反相載波信號(hào)±I用于進(jìn)行同步檢測(cè)，以便解調(diào)讀出信號(hào)S(t)。
微處理器41還包括第二方波振蕩器45，該第二方波振蕩器45輸出在調(diào)制頻率f1的調(diào)制同步信號(hào)MOD_SYNC，以便提供參考定時(shí)。該調(diào)制同步信號(hào)MOD_SYNC被輸入到脈寬調(diào)制(PWM)型圖形發(fā)生器47，該發(fā)生器47產(chǎn)生2MHz的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，表示在調(diào)制頻率f1即3.9KHz的調(diào)制信號(hào)。特別是，PWM型圖形發(fā)生器47產(chǎn)生相位彼此正交的兩個(gè)調(diào)制信號(hào)，即余弦信號(hào)COS和相加正弦或相減正弦信號(hào)±SIN，這取決于要產(chǎn)生的是同相信號(hào)I(t)還是反相信號(hào)I(t)。
余弦信號(hào)COS由微處理器41輸出并施加于第一數(shù)字混合器65，在本實(shí)施例中，該第一數(shù)字混合器65是NOR門，它將余弦信號(hào)和正交數(shù)字載波信號(hào)+Q混合，從而產(chǎn)生表示正交信號(hào)Q(t)的數(shù)字。正弦信號(hào)±SIN由微處理器輸出并施加于第二數(shù)字混合器67，在本實(shí)例中，該數(shù)字混合器67是NOR門，它與正交數(shù)字載波信號(hào)+Q一起產(chǎn)生表示同相信號(hào)I(t)或反相信號(hào)I(t)的數(shù)字。從第一和第二數(shù)字混合器65、67輸出的數(shù)字信號(hào)分別輸入給第一和第二線圈驅(qū)動(dòng)器電路83、85，然后由線圈83、85輸出的放大信號(hào)分別被施加給余弦線圈9和正弦線圈7。
被施加給正弦線圈7和余弦線圈9的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的數(shù)字產(chǎn)生引入高頻諧波噪聲。然而，線圈驅(qū)動(dòng)器65、67除去了這些高頻諧波噪聲中的一部分，如余弦和正弦線圈7、9的頻率響應(yīng)特性那樣。此外，傳感器元件1內(nèi)的諧振電路將不響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于諧振頻率的信號(hào)，因此諧振電路也將濾除一部分不希望的高頻諧波噪聲。
如上所述，被施加給正弦線圈7和余弦線圈9的信號(hào)感應(yīng)在傳感器元件1的諧振電路中的電信號(hào)，而該電信號(hào)又在讀出線圈11中感應(yīng)讀出信號(hào)S(t)。該讀出信號(hào)S(t)通過(guò)模擬信號(hào)處理部件91。特別是，讀出信號(hào)S(t)最初通過(guò)高通濾波放大器93，該高通濾波放大器93即放大接收的信號(hào)又除去低頻噪聲(例如來(lái)自于50Hz主電力輸送裝置)和任何DC偏置。然后從高通濾波器93輸出的放大信號(hào)輸入到交叉模擬開(kāi)關(guān)95，該交叉模擬開(kāi)關(guān)使用由正交驅(qū)動(dòng)器21產(chǎn)生的同相和反相方波載波信號(hào)±I在2MHz的載頻進(jìn)行同步檢測(cè)。相位與正交數(shù)字載波信號(hào)+Q相差90度的同相和反相數(shù)字載波信號(hào)用于產(chǎn)生施加給正弦線圈7和余弦線圈9的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于同步檢測(cè)，如上所述，因?yàn)閭鞲衅髟?的諧振電路給載波信號(hào)引入了大致90度的相移。
從交叉模擬開(kāi)關(guān)95輸出的信號(hào)基本上對(duì)應(yīng)輸入到交叉模擬開(kāi)關(guān)95的信號(hào)的全整流形式(即具有在零電壓線上重疊的信號(hào)中的負(fù)電壓谷值，從而形成位于原始電壓峰值之間的電壓峰值)。然后這個(gè)整流信號(hào)通過(guò)低通濾波放大器97，該低通濾波放大器97主要產(chǎn)生具有DC分量和在調(diào)制頻率f1的分量的時(shí)間-平均或平滑信號(hào)。DC分量作為同步檢測(cè)處理執(zhí)行的整流的結(jié)果出現(xiàn)的。
然后從低通濾波放大器97輸出的信號(hào)輸入到以調(diào)制頻率f1為中心的帶通濾波放大器99，除去DC分量。從帶通濾波放大器99輸出的信號(hào)被輸入到比較器101，該比較器101將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，該方波信號(hào)的定時(shí)與調(diào)制同步信號(hào)MOD_SYNC的定時(shí)相比較，從而確定傳感器元件1的位置。
圖10更詳細(xì)地示出了模擬信號(hào)處理部件91。如圖所示，讀出線圈11的一端連接在兩個(gè)電阻器R1和R2之間，而電阻器R1和R2串聯(lián)連接在電源電壓和“真實(shí)”地之間，從而設(shè)定有效地電壓電平VAG。特別是，在本實(shí)施例中，電源電壓為5V，電阻器R1的電阻等于電阻器R2的電阻，從而提供2.5V的有效地電壓電平。
圖11A示出了調(diào)制同步信號(hào)MOD_SYNC，圖11B示出了在讀出線圈11中感應(yīng)的讀出信號(hào)S(t)。如圖所示，可以看出，讀出信號(hào)S(t)的振幅包絡(luò)函數(shù)與調(diào)制同步信號(hào)MOD_SYNC不是同相的。圖11C示出了由低通濾波放大器97輸出的信號(hào)111，該信號(hào)基本上對(duì)應(yīng)振幅包絡(luò)函數(shù)。圖11D表示由帶通濾波放大器99輸出的信號(hào)113和由比較器101輸出的方波115。
在本實(shí)施例中，比較器101是反相比較器，當(dāng)從帶通濾波放大器99輸出的信號(hào)113低于參考電壓電平Vref時(shí)其輸出為高(即5V)，當(dāng)從帶通濾波放大器輸出的信號(hào)113高于參考電壓電平Vref時(shí)，其輸出為低(即0V)。如從圖10看出的，參考電壓電平Vref不是有效地電壓電平VAG，而是低于有效地電壓電平VAG的電壓，該電壓是從連接在有效地電壓電平VAG和真實(shí)地之間的兩個(gè)電阻器R3和R4之間提取的。這防止了在除了少量噪聲之外從帶通濾波放大器99沒(méi)有輸出時(shí)比較器101產(chǎn)生寄生信號(hào)。然而，這也意味著由比較器101輸出的信號(hào)的前緣和后緣與由帶通濾波放大器99輸出的信號(hào)113和有效地電壓電平VAG交叉的點(diǎn)不一致。為了避免這引入相位誤差，由比較器101輸出的信號(hào)115的定時(shí)由后緣和前緣之間的中點(diǎn)的定時(shí)決定。特別是，如圖11D所示，如果后緣處于時(shí)間t1，前緣處于時(shí)間t2，則測(cè)量時(shí)間對(duì)應(yīng)(t1+t2)/2。
回到參見(jiàn)圖9，由比較器101輸出的方波信號(hào)(它實(shí)際上為數(shù)字信號(hào))與由正交分配器63輸出的正交數(shù)字載波信號(hào)+Q一起施加于數(shù)字門69，在本實(shí)施例中該數(shù)字門69為NOR門。因此當(dāng)來(lái)自比較器101的輸出為低(即0V)時(shí)，數(shù)字門69在載頻f0輸出一系列脈沖，當(dāng)比較器101的輸出為高(即5V)時(shí)，數(shù)字門69不輸出信號(hào)。圖12示出了在MOD_SYNC信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，來(lái)自數(shù)字門69的輸出的例子，后面將上述一個(gè)周期稱為一幀。
如圖9所示，從數(shù)字門69輸出的脈沖被輸入到形成微處理器41的一部分的計(jì)數(shù)器49。由第二方波振蕩器45輸出的MOD_SYNC信號(hào)被輸入到頻率倍增器51，在本實(shí)施例中，該頻率倍增器51將MOD_SYNC信號(hào)的頻率增加16倍，并向計(jì)數(shù)器49輸出倍增后的信號(hào)。倍增信號(hào)的每個(gè)周期τN將在后面稱為窗口，從而一幀對(duì)應(yīng)16個(gè)窗口，稱為窗口1到窗口16。在本實(shí)施例中，調(diào)制頻率設(shè)定為2MHz/29＝3.9KHz。這意味著每個(gè)幀對(duì)應(yīng)輸入給數(shù)字門25的載波信號(hào)+Q的512個(gè)周期，每個(gè)窗口對(duì)應(yīng)載波信號(hào)+Q的32個(gè)周期(512/16)。
在一幀內(nèi)的每個(gè)窗口之后，計(jì)數(shù)器49的計(jì)數(shù)值被處理單元53記錄和儲(chǔ)存，然后復(fù)位到零。這樣，對(duì)于每個(gè)幀，處理單元接收16個(gè)計(jì)數(shù)值，處理單元53由該計(jì)數(shù)值確定傳感器元件1的位置和向顯示控制器55輸出表示確定位置的信號(hào)，該顯示控制器55向顯示器15輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而表示確定位置。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D13-15更詳細(xì)地介紹由處理單元53進(jìn)行的確定傳感器元件1的位置的處理。
如圖13所示，處理單元53首先給PWM型圖形發(fā)生器47發(fā)送控制信號(hào)，該P(yáng)WM型圖形發(fā)生器47通過(guò)輸出余弦信號(hào)COS和相加正弦信號(hào)+SIN而響應(yīng)，以便在步驟S1中給正弦線圈7和余弦線圈9分別施加同相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)。然后，在步驟S3中，處理單元53使用十六個(gè)計(jì)數(shù)值測(cè)量讀出信號(hào)S(t)和MOD_SYNC信號(hào)之間的相位角，其中所述計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)在施加同相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)時(shí)獲得的那一幀，所述相位角在后面將稱為正向角。
圖14示出了進(jìn)行測(cè)量正向角的主要步驟。首先，在步驟S21中，處理單元53識(shí)別對(duì)應(yīng)由帶通濾波放大器99輸出的信號(hào)113與參考電壓Vref在正方向相交時(shí)的脈沖。特別是，通過(guò)識(shí)別各個(gè)計(jì)數(shù)值為0、介于0和32之間的數(shù)字n1和32的三個(gè)連續(xù)窗口來(lái)識(shí)別這個(gè)“正零交叉”脈沖。然后通過(guò)(k+1)乘以32然后減去窗口k+1的計(jì)數(shù)值n1，計(jì)算正零交叉脈沖的脈沖數(shù)P1。因此，對(duì)于圖12中所示的典型幀，k等于3，正零交叉脈沖的脈沖數(shù)P1為124(即(4×32)-4)。
接著，在步驟S23中，處理單元53識(shí)別對(duì)應(yīng)由帶通濾波放大器99輸出的信號(hào)113與參考電壓Vref在負(fù)方向相交時(shí)的脈沖。通過(guò)識(shí)別各個(gè)計(jì)數(shù)值為32、介于0和32之間的數(shù)字n2和0的三個(gè)連續(xù)窗口(以下將稱為窗口1、1+1、1+2)來(lái)識(shí)別這個(gè)“負(fù)零交叉脈沖”。然后通過(guò)1乘以32并加上窗口1+1的計(jì)數(shù)值n2，計(jì)算負(fù)零交叉脈沖的脈沖數(shù)P2。因此，對(duì)于圖12中所示的典型幀，1等于12，負(fù)零交叉脈沖的脈沖數(shù)為386(即(12×32)+2)。
然后，在步驟S25中，處理單元53確定脈沖數(shù)P1是否大于脈沖數(shù)P2，如果通過(guò)一系列脈沖的中途發(fā)生一幀的開(kāi)始，則脈沖數(shù)P1將大于P2。如果確定脈沖數(shù)P1大于脈沖數(shù)P2，則在步驟S27中，處理單元53將512(即對(duì)應(yīng)一幀的脈沖數(shù))加到脈沖數(shù)P2的值上。然后，通過(guò)平均脈沖數(shù)P1和P2(即(P1+P2)/2)以獲得對(duì)應(yīng)一列脈沖的中點(diǎn)的脈沖數(shù)，然后將獲得的脈沖數(shù)乘以360/512，從而處理單元53設(shè)定對(duì)應(yīng)從一幀開(kāi)始到一列脈沖的中點(diǎn)的定時(shí)的正向角。
然后，在步驟S31中，處理單元53檢測(cè)是否正向角大于360度，如果通過(guò)一列脈沖的中途發(fā)生一幀的開(kāi)始，則可能發(fā)生正向角大于360度。如果正向角大于360度，則在步驟S33中處理單元53從正向角中減去360。
回到圖13，測(cè)量正向角之后，處理單元53向PWM型圖形發(fā)生器47發(fā)送控制信號(hào)，該P(yáng)WM型圖形發(fā)生器47通過(guò)輸出余弦信號(hào)COS和相減正弦信號(hào)-SIN而響應(yīng)，以便在步驟S5中分別向正弦線圈7和余弦線圈9施加反相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)。然后，在步驟S7中，處理單元53使用十六個(gè)計(jì)數(shù)值測(cè)量讀出信號(hào)S(t)和MOD_SYNC信號(hào)之間的反向相位角，該反向相位角在后面將稱為反向角，其中所述十六個(gè)計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)在施加反相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)時(shí)獲得的幀。
圖15示出了進(jìn)行測(cè)量反向角的主要步驟。首先，利用與上述正向角計(jì)算相同的方式，處理單元在步驟S41中確定正零交叉脈沖的脈沖數(shù)P1和在步驟S43中確定負(fù)零交叉脈沖的脈沖數(shù)P2。然后，在步驟S45中，處理單元53確定是否脈沖數(shù)P1大于脈沖數(shù)P2，如果存在這種情況，則在步驟S47中處理單元將512加到脈沖數(shù)P2的值上。
然后，在步驟S49中，通過(guò)對(duì)脈沖數(shù)P1和P2求平均值獲得對(duì)應(yīng)一列脈沖的中點(diǎn)的脈沖數(shù)，然后將獲得的脈沖數(shù)乘以360/512并從360中減去相乘的結(jié)果，由此處理單元53設(shè)定對(duì)應(yīng)從一幀結(jié)束到一列脈沖的中點(diǎn)的定時(shí)的反向角。然后，在步驟S51中，處理單元53檢測(cè)是否反向角小于0度，如果脈沖序列跨越兩個(gè)幀則將發(fā)生這種情況，并且如果在種情況下，在步驟S53中，將360加到反向角上。
回到圖13，然后，在步驟S9中，處理單元53對(duì)正向角和反向角求平均值，如上所述，除去由傳感器元件1內(nèi)的諧振電路引入的固定相移φRC，從而提供表示傳感器元件1的位置的平均角。然后，在步驟S11中，處理單元53通過(guò)將比例系數(shù)乘以該平均角而將該平均角轉(zhuǎn)換成位置值。然后在顯示器15上顯示該位置值。
改進(jìn)和其它實(shí)施例由諧振電路引入的相移φRC的量取決于調(diào)制頻率f1，因?yàn)檎{(diào)制頻率越低，由正弦線圈7和余弦線圈9產(chǎn)生的磁場(chǎng)的頻率分量在頻率上越靠近。例如，如果調(diào)制頻率f1等于諧振頻率除以品質(zhì)因數(shù)的十倍，則相移φRC大約為10度，然而，如果調(diào)制頻率f1等于諧振頻率處以品質(zhì)因數(shù)的100倍，則相移φRC大于為1度。這暗示著調(diào)制頻率f1應(yīng)該盡可能地低。然而，減小調(diào)制頻率的缺點(diǎn)是幀的持續(xù)時(shí)間增加了，因此測(cè)量需要更長(zhǎng)的時(shí)間，并且更新速度減小了。
如上所述，通過(guò)有效地采用利用施加于正弦線圈7的信號(hào)的相位在測(cè)量值之間相反位置的兩個(gè)測(cè)量值除去由傳感器元件1中的諧振電路引入的相移φRC。應(yīng)該理解，在替換實(shí)施例中，只須間歇地進(jìn)行反向測(cè)量，從而確定相移φRC的值，這具有增加測(cè)量值更新速度的優(yōu)點(diǎn)。或者，可以從單相位測(cè)量值中減去由工廠刻度確定的相移φRC的預(yù)定值。然而，這不是優(yōu)選的，因?yàn)閷?duì)于環(huán)境因素來(lái)說(shuō)這是不允許的，環(huán)境因素將影響諧振電路的諧振頻率fres和品質(zhì)因數(shù)，因此改變相移φRC。
應(yīng)該理解，如果從正向角減去而不是加上反向角，則位置-相關(guān)相移φ(x)將被除去，留下等于兩倍于相移φRC的值。因?yàn)橄嘁齐S環(huán)境因素而改變，相移φRC的測(cè)量值可表示環(huán)境因素。因此，所述感應(yīng)傳感器也可用作例如溫度傳感器(在恒定濕度環(huán)境下)或濕度傳感器(在恒定溫度環(huán)境下)。通常，這將包括在感應(yīng)傳感器的控制電路中儲(chǔ)存測(cè)量相移φRC和環(huán)境因素的相應(yīng)值之間的工廠刻度。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述感應(yīng)傳感器用于遠(yuǎn)程檢測(cè)容器內(nèi)的液體的溫度。特別是，傳感器元件1放在容器內(nèi)，以便它浸在液體中，同時(shí)正弦線圈7、余弦線圈9和讀出線圈11與容器的外部相鄰地定位。如上述那樣計(jì)算正向角和反向角，然后相加以提供表示相移φRC的值。然后處理單元53訪問(wèn)儲(chǔ)存測(cè)量相移φRC和溫度之間的工廠刻度的查詢表，從而獲得溫度值。應(yīng)該理解，由于傳感器元件浸在液體中，因此在恒定濕度環(huán)境下是有效的。還應(yīng)該理解，使用感應(yīng)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是不需要為了從傳感器元件獲得電信號(hào)而在容器中穿孔。
根據(jù)本發(fā)明的感應(yīng)傳感器的另一應(yīng)用是檢測(cè)用于優(yōu)化干燥周期的衣服干燥器的排放濕度。
應(yīng)該理解，環(huán)境因素的檢測(cè)可以代替或附加地檢測(cè)兩個(gè)相對(duì)可移動(dòng)部件的相對(duì)位置來(lái)進(jìn)行。
在上述實(shí)施例中，正弦線圈7和余弦線圈9被設(shè)置成使得它們對(duì)垂直于PCB 5的總磁場(chǎng)分量的補(bǔ)償根據(jù)沿著測(cè)量方向的位置而改變。特別是，正弦和余弦線圈具有交替扭絞回路結(jié)構(gòu)。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，很顯然各種不同激勵(lì)線圈幾何結(jié)構(gòu)都可以用于形成傳輸天線，實(shí)現(xiàn)使第一和第二傳輸信號(hào)的相對(duì)比例呈現(xiàn)在最終檢測(cè)的組合信號(hào)中的目的，從而在測(cè)量方向確定傳感器元件的位置。
在上述實(shí)施例中，激勵(lì)線圈由印刷電路板上的導(dǎo)電跡線形成，它們還可以設(shè)置在不同平面襯底上，或者，如果足夠硬的話，甚至可以是不固定的。此外，激勵(lì)線圈為平面的不是主要的，因?yàn)?，例如，隨著傳感器元件沿著圓筒形線圈的圓筒軸移動(dòng)，也可以使用圓筒形線圈。
如果感應(yīng)傳感器只用于測(cè)量環(huán)境因素，如溫度或濕度，則只有一個(gè)傳輸天線可使用，因?yàn)椴灰蟠艌?chǎng)的相位隨位置變化。
在上述實(shí)施例中，一對(duì)正交調(diào)制信號(hào)被施加給載波信號(hào)，從而產(chǎn)生分別施加于正弦線圈7和余弦線圈9的第一和第二激勵(lì)信號(hào)。然而，這不是主要的，因?yàn)橹灰蟪休d激勵(lì)信號(hào)的分量的信息在某些方面不同，以便來(lái)自第一和第二激勵(lì)信號(hào)的相對(duì)補(bǔ)償可以由處理組合信號(hào)而產(chǎn)生。例如，調(diào)制信號(hào)可以具有相同頻率和相位，它們的相位比90度相差一定量。作為選擇，調(diào)制信號(hào)可具有稍微不同的頻率，由此引起在兩個(gè)信號(hào)之間連續(xù)改變的相位差。
在上述實(shí)施例中，使用無(wú)源諧振器。然而，在某些情況下，使用帶電(powered)諧振器，以便在該諧振器中感應(yīng)的信號(hào)被放大很大，由此減少對(duì)信號(hào)處理電路的要求是很有利的。
代替檢測(cè)承載組合信號(hào)分量的信息的相位，還可以進(jìn)行組合信號(hào)的并行同步檢測(cè)，一個(gè)同步檢測(cè)使用同相調(diào)制信號(hào)，另一個(gè)同步檢測(cè)使用正交調(diào)制信號(hào)，然后在解調(diào)信號(hào)的檢測(cè)大小的比例上進(jìn)行反正切操作。在這種實(shí)施例中，通過(guò)使用包括載頻信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的激勵(lì)信號(hào)，使得調(diào)制信號(hào)可以具有相對(duì)低頻，在從載頻的下變頻之后，調(diào)制信號(hào)的大小的檢測(cè)和隨后的反正切計(jì)算(或參照查詢表)可以在數(shù)字范疇進(jìn)行。在從載頻信號(hào)向基帶的下變頻之后檢測(cè)承載部分信號(hào)的信息的替換方法應(yīng)該是進(jìn)行快速傅里葉變換檢測(cè)。應(yīng)該理解，這可以使用一些附加專用硬件(例如應(yīng)用特殊集成電路)或通過(guò)對(duì)微處理器進(jìn)行適當(dāng)?shù)鼐幊虂?lái)完成。這種檢測(cè)方法在將要檢測(cè)目標(biāo)的一個(gè)以上自由度移動(dòng)的設(shè)置中特別方便。
在上述實(shí)施例中，使用感應(yīng)傳感器在沿著直線的測(cè)量方向測(cè)量第一部件(例如傳感器元件1)相對(duì)于第二部件(例如PCB 5)的線性位置。作為選擇，通過(guò)用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式改變正弦線圈和余弦線圈的布置，感應(yīng)傳感器可適用于測(cè)量沿著曲線例如圓環(huán)的線性位置(旋轉(zhuǎn)位置傳感器)。感應(yīng)傳感器也可以通過(guò)在已知的定時(shí)采用第一部件相對(duì)于第二部件的一系列位置測(cè)量值而被用作速度檢測(cè)器。此外，通過(guò)包括用于讀出第二部件相對(duì)于坐標(biāo)位置系統(tǒng)的位置的附加位置讀出裝置(例如GPS傳感器、慣性回旋裝置、羅盤等)，可以確定在坐標(biāo)位置系統(tǒng)中第一部件的位置。
在一個(gè)實(shí)施例中，第二對(duì)激勵(lì)線圈形成在上述實(shí)施例的印刷電路板上，第二對(duì)激勵(lì)線圈設(shè)置成使得它們對(duì)于總磁場(chǎng)的相對(duì)補(bǔ)償根據(jù)沿著與上述實(shí)施例的測(cè)量方向垂直的方向的位置而改變。第二對(duì)激勵(lì)信號(hào)分別施加于第二對(duì)激勵(lì)線圈，與施加于正弦線圈7和余弦線圈9的第一對(duì)激勵(lì)信號(hào)相比，第二對(duì)激勵(lì)信號(hào)使用相同的載頻但不同的調(diào)制頻率。在這種設(shè)置中，所有激勵(lì)線圈對(duì)有利地被同時(shí)激勵(lì)，以便同時(shí)傳輸。組合信號(hào)將所有傳輸信號(hào)組合成單一信號(hào)，然后使用單一模擬處理通道處理該單一信號(hào)。
特別是，可以使用公共模擬處理部件在載頻過(guò)濾、放大和同步地檢測(cè)組合單一信號(hào)，使得得到的解調(diào)信號(hào)含有在每個(gè)調(diào)制頻率的相移信號(hào)。然后，通過(guò)平行設(shè)置以隔離每個(gè)調(diào)制頻率和數(shù)字電子的一組帶通濾波器(模擬或數(shù)字的)以獲得相位相關(guān)信號(hào)，或者通過(guò)使解調(diào)信號(hào)數(shù)字化和使用快速傅里葉變換方法，可以確定每個(gè)調(diào)制頻率的相移。如果調(diào)制頻率都是公共基頻的倍數(shù)，則快速傅里葉變換法是特別簡(jiǎn)單的。在每個(gè)解調(diào)頻率的相移可用于確定第一部件沿著相應(yīng)軸的位置。
在某些實(shí)施例中，第一部件顯著大于諧振電路。在這種情況下，難以正確識(shí)別第一部件的運(yùn)動(dòng)。例如，諧振電路可以線性移動(dòng)，而第一部件的移動(dòng)包括旋轉(zhuǎn)分量。通過(guò)使用固定到第一部件的各個(gè)不同位置上的兩個(gè)諧振電路，可獲得關(guān)于第一部件移動(dòng)的更精確的信息，其中每個(gè)諧振電路具有各自不同的諧振頻率。通過(guò)向諧振電路的諧振頻率調(diào)整載頻f0，可以單獨(dú)地測(cè)量每個(gè)諧振電路的位置，并且可以處理兩個(gè)位置以提供關(guān)于第一部件的位置和方向的更精確的信息。
如上所述，除了位置之外，感應(yīng)傳感器還可用于測(cè)量環(huán)境參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，第一傳感器包括具有不同諧振頻率的兩個(gè)同位置的諧振電路，其中一個(gè)諧振電路包括相對(duì)不受環(huán)境因素影響的部件，以便諧振頻率相對(duì)穩(wěn)定，而另一個(gè)諧振電路具有隨著環(huán)境因素而急劇變化的諧振頻率。在這種方式中，通過(guò)獲得每個(gè)諧振電路的位置測(cè)量值而不用校正相移φRC，位置測(cè)量值的差可以形成環(huán)境參數(shù)的測(cè)量值(例如，恒定濕度環(huán)境中的溫度或恒定溫度環(huán)境中的濕度)。此外，兩個(gè)諧振電路在測(cè)量方向或已知方向是被協(xié)同定位地設(shè)置它們的相對(duì)位置不是必要的。
優(yōu)選載波信號(hào)的相位在所有傳輸線圈中是相同的，如上述實(shí)施例那樣，否則在承載調(diào)制信號(hào)的信息中將感應(yīng)相移，這將引入相位誤差，因此導(dǎo)致位置誤差(這是由于同步檢測(cè)器的增益對(duì)于載波信號(hào)的相位很靈敏造成的)。因此，優(yōu)選使用共同的載波信號(hào)和提供從信號(hào)發(fā)生器到線圈驅(qū)動(dòng)器的相同路徑。
在上述實(shí)施例中，作為表示正弦信號(hào)的數(shù)字介紹了調(diào)制信號(hào)。這不是必須的，使用采用簡(jiǎn)單電子裝置更容易產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)經(jīng)常是很方便的。例如，調(diào)制信號(hào)可以是表示三角波形的數(shù)字。通過(guò)只觀察調(diào)制信號(hào)的基頻，即通過(guò)濾掉存在于三角波形中的較高諧波，可以用常用的方式對(duì)調(diào)制的相位進(jìn)行解碼。應(yīng)該指出，作為發(fā)射和接收天線的物理和電性能以及它們之間的電磁耦合的結(jié)果，應(yīng)該進(jìn)行某些過(guò)濾。作為選擇，如果不使用過(guò)濾，解調(diào)波形的零交叉點(diǎn)將按照某些可預(yù)言的、雖然非線性的方式，仍然隨著目標(biāo)位置而改變，其中通過(guò)查詢表或類似技術(shù)可以將上述非線性方式轉(zhuǎn)換成位置的線性測(cè)量。
為了使對(duì)來(lái)自于例如外部裝置的不希望噪聲的靈敏度最小，可以給接收天線的基本結(jié)構(gòu)增加一個(gè)或多個(gè)附加讀出線圈，以便平衡第一讀出線圈。這種附加線圈優(yōu)選在垂直于測(cè)量路徑的方向位移，以便被讀出線圈接收的信號(hào)不隨著兩個(gè)可移動(dòng)部件的相對(duì)位置而改變。然而，由于檢測(cè)信號(hào)是只要求相位信息的組合信號(hào)，因此這一點(diǎn)并不是必須的。
在上述實(shí)施例中，測(cè)量路徑只在兩個(gè)傳輸線圈(即，正弦線圈7和余弦線圈9)的空間變化的單周期上延伸。然而，這不是必須的，并且測(cè)量路徑可以在超過(guò)或少于傳輸線圈的空間變化的單周期上延伸。在這種情況下，優(yōu)選包括用于分辨周期模糊度(即，承載組合信號(hào)分量的信息的基本相位對(duì)于傳輸線圈的不同空間周期中的相同相應(yīng)位置是相同的事實(shí))的機(jī)理?？刹捎玫挠糜诳朔臻g周期模糊度的機(jī)理包括提供例如用一個(gè)位置傳感器(例如通過(guò)具有給第一和第二傳輸天線添加的在不同調(diào)制頻率傳輸?shù)谌齻鬏斝盘?hào)的一個(gè)局部傳輸線圈，或者通過(guò)使用光電開(kāi)關(guān))檢測(cè)的單一參考位置，和之后計(jì)算來(lái)自于參考位置的周期，并保持特定周期的微處理器內(nèi)的寄存器中的記錄，其中在特定周期內(nèi)，傳感器元件通常地被定位。作為選擇，在不同調(diào)制頻率傳輸(或者以時(shí)間多路復(fù)用方式)的附加一組傳輸線圈可以使用，并具有輕微改變的空間頻率以提供游標(biāo)尺效果，或者具有寬改變空間頻率，以便使用一組大刻度傳輸線圈提供粗糙位置檢測(cè)和使用小刻度傳輸線圈提供精細(xì)刻度位置檢測(cè)。
在上述實(shí)施例中，一個(gè)諧振電路形成在傳感器元件1上，并且傳感器元件1相對(duì)于正弦線圈7、余弦線圈9和讀出線圈11的取向是固定的。盡管對(duì)于測(cè)量的一致性來(lái)說(shuō)，優(yōu)選取向是固定或已知的，但特別的取向不是必須的。
在某些應(yīng)用中，希望對(duì)傳感器元件1的取向不引入任何限制。例如，對(duì)于傳感器元件浮在液體頂面的液體水平傳感器(例如儲(chǔ)存清潔劑等的容器中的液體水平傳感器)，如果對(duì)傳感器元件的移動(dòng)有限制，則在延長(zhǎng)使用之后傳感器元件可能變粘，因此不能真實(shí)地表示液體水平。在這種應(yīng)用中，優(yōu)選傳感器元件自由地浮在液體頂部上，并且傳感器元件包括在各自不同取向的多個(gè)諧振電路，以便可以與其取向無(wú)關(guān)地檢測(cè)傳感器元件的位置。如果需要的話，每個(gè)諧振電路的諧振頻率可以不同，從而也可以通過(guò)掃描所有可能諧振頻率和測(cè)量接收到的信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)檢測(cè)傳感器元件的取向。
上述實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是確定讀出元件的位置所需的數(shù)字處理是很直接的，因此可以通過(guò)常規(guī)微處理器芯片運(yùn)行的短片碼來(lái)進(jìn)行。因此，不須研制專用集成電路(ASIC)，而研制專用集成電路眾所周知是一項(xiàng)很困難而且耗時(shí)的任務(wù)。應(yīng)該理解，不需要專用微處理器，因此可以使用執(zhí)行附加功能例如控制家用裝置的微處理器。
在上述實(shí)施例中，使用3.9Khz的調(diào)制頻率是因?yàn)榭梢院芎玫剡m于數(shù)字處理技術(shù)。這一般適用于100Hz到100KHz范圍內(nèi)的頻率。
在上述實(shí)施例中，使用2MHz的載頻。使用高于1MHz的載頻便于使傳感器元件1變小。然而，在某些應(yīng)用中，例如如果一片非金屬不銹鋼將傳感器元件與激勵(lì)和傳感器線圈分開(kāi)，希望使用低于100KHz的載頻，因?yàn)榉谴判缘牟讳P鋼的表層深度在低頻時(shí)較大。
在上述實(shí)施例中，激勵(lì)線圈(即正弦線圈7和余弦線圈9)經(jīng)諧振電路電磁耦合到傳感器線圈(即，讀出線圈11)上。作為選擇，激勵(lì)線圈可以經(jīng)滲透元件或諧波元件(如產(chǎn)生在激勵(lì)信號(hào)的諧波的信號(hào)的磁限制元件)耦合到傳感器線圈。此外，在傳感器線圈或激勵(lì)線圈可形成在傳感器元件上時(shí)，在激勵(lì)和傳感器線圈之間使用中間耦合元件不是必須的，盡管這不是優(yōu)選的，因?yàn)樾枰c傳感器元件電連接。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器線圈形成傳感器元件上的諧振電路的一部分。
權(quán)利要求
1.一種用于讀出參數(shù)的傳感器，該傳感器包括激勵(lì)線圈；信號(hào)發(fā)生器，它可操作地產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)和被設(shè)置成給激勵(lì)線圈施加產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)；傳感器線圈，它電磁耦合到激勵(lì)線圈，以便響應(yīng)由所述信號(hào)發(fā)生器施加于所述激勵(lì)線圈的激勵(lì)信號(hào)，在傳感器線圈中產(chǎn)生周期電信號(hào)，該電信號(hào)表示將要被傳感器測(cè)量的參數(shù)的值；和信號(hào)處理器，它可操作地處理在傳感器線圈中產(chǎn)生的周期電信號(hào)，從而確定表示正在測(cè)量的參數(shù)的值，其特征在于，激勵(lì)信號(hào)包括被具有第二頻率的周期調(diào)制信號(hào)調(diào)制的具有第一頻率的周期載波信號(hào)，所述第一頻率高于第二頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其特征在于，激勵(lì)線圈由平面襯底上的導(dǎo)電跡線形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的傳感器，其特征在于，平面襯底是印刷電路板。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的傳感器，其特征在于，激勵(lì)線圈有效地包括多個(gè)回路，這些回路被設(shè)置成使得流過(guò)激勵(lì)線圈的電流圍繞至少一個(gè)回路在相反方向流動(dòng)到至少另一個(gè)回路。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的傳感器，其特征在于，信號(hào)發(fā)生器包括數(shù)字載波信號(hào)發(fā)生器，該數(shù)字載波信號(hào)發(fā)生器可操作地產(chǎn)生在第一頻率的數(shù)字載波信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的傳感器，其特征在于，數(shù)字載波信號(hào)發(fā)生器被設(shè)置成產(chǎn)生具有方波波形的數(shù)字載波信號(hào)。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的傳感器，其特征在于，信號(hào)發(fā)生器包括數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，該數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器可操作地產(chǎn)生在第二頻率的數(shù)字調(diào)制信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的傳感器，其特征在于，數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器設(shè)置成可產(chǎn)生具有脈寬調(diào)制型波形的數(shù)字調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)形成表示正弦波的數(shù)字。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或7的傳感器，其特征在于，信號(hào)發(fā)生器包括數(shù)字混合器，該數(shù)字混合器設(shè)置成混合數(shù)字載波信號(hào)和數(shù)字調(diào)制信號(hào)，從而產(chǎn)生數(shù)字激勵(lì)信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的傳感器，其特征在于，信號(hào)發(fā)生器還包括模擬驅(qū)動(dòng)電路，該模擬驅(qū)動(dòng)電路用于根據(jù)由數(shù)字混合器輸出的數(shù)字激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的傳感器，其特征在于，所述第二頻率在100Hz和100KHz的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的傳感器，其特征在于，所述第一頻率高于1MHz。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-11任一項(xiàng)的傳感器，其特征在于，所述第一頻率低于100KHz。
14.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的傳感器，其特征在于，激勵(lì)線圈經(jīng)諧振器電磁耦合到傳感器線圈，所述諧振器具有基本上等于第一頻率的諧振頻率。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的傳感器，其特征在于，信號(hào)處理器設(shè)置成確定與諧振器相關(guān)的相移，相移根據(jù)環(huán)境因素而變化，并且其特征在于，該傳感器還包括用于儲(chǔ)存校驗(yàn)數(shù)據(jù)的裝置，所述校驗(yàn)數(shù)據(jù)用于將確定的相移轉(zhuǎn)換成環(huán)境因素的測(cè)量值。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的傳感器，其特征在于，環(huán)境因素是溫度。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的傳感器，其特征在于，環(huán)境因素是濕度。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-13任一項(xiàng)的傳感器，其特征在于，傳感器線圈形成具有基本上等于第一頻率的諧振頻率的諧振器的一部分。
19.根據(jù)權(quán)利要求14-18任一項(xiàng)的傳感器，其特征在于，所述諧振器包括無(wú)源諧振電路。
20.根據(jù)權(quán)利要求14-18的傳感器，其特征在于，所述諧振器包括用于放大在所述諧振器中感應(yīng)的信號(hào)的功率的放大器。
21.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的傳感器，其特征在于，傳感器線圈由平面襯底上的導(dǎo)電跡線形成。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的傳感器，其特征在于，傳感器線圈形成在印刷電路板上。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22的傳感器，其特征在于，傳感器線圈形成在單一回路中。
24.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的傳感器，其特征在于，信號(hào)處理器可操作以測(cè)量在傳感器線圈中產(chǎn)生的周期電信號(hào)的定時(shí)，以便確定表示正被測(cè)量的參數(shù)的值。
25.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的傳感器，其特征在于，信號(hào)處理器包括解調(diào)器，該解調(diào)器可操作地解調(diào)在傳感器線圈中產(chǎn)生的電信號(hào)，從而恢復(fù)在第二頻率的信號(hào)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的傳感器，其特征在于，解調(diào)器包括設(shè)置成在第一頻率切換的交叉開(kāi)關(guān)，以便整流在傳感器線圈中產(chǎn)生的信號(hào)；和用于過(guò)濾由交叉開(kāi)關(guān)輸出的整流信號(hào)的裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的傳感器，其特征在于，過(guò)濾裝置包括在第二頻率的帶通濾波器。
28.根據(jù)權(quán)利要求25-27任一項(xiàng)的傳感器，其特征在于，信號(hào)處理器還包括比較器，該比較器設(shè)置成比較由解調(diào)器輸出的第二頻率的信號(hào)與參考電壓，從而產(chǎn)生方波信號(hào)。
29.根據(jù)權(quán)利要求25-28任一項(xiàng)的傳感器，其特征在于，信號(hào)處理器還包括數(shù)字信號(hào)處理器，該數(shù)字信號(hào)處理器可操作以處理第二頻率的恢復(fù)信號(hào)，從而確定正在測(cè)量的參數(shù)的值。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的傳感器，其特征在于，數(shù)字信號(hào)處理器還包括可操作地產(chǎn)生脈沖流的脈沖流發(fā)生器；門，它設(shè)置成接收由脈沖流發(fā)生器輸出的脈沖流和由比較器輸出的方波信號(hào)，其中，該門可操作地根據(jù)所述接收的方波信號(hào)通過(guò)或阻擋接收的脈沖流；計(jì)數(shù)器，它可操作地對(duì)由數(shù)字門通過(guò)的脈沖串的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；和用于從由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)中確定表示正在測(cè)量的參數(shù)的值的裝置。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的傳感器，其特征在于，所述確定裝置可操作地相對(duì)于第二頻率的參考信號(hào)識(shí)別由計(jì)數(shù)器接收的一系列脈沖的第一脈沖和最后脈沖中的至少一個(gè)的定時(shí)，以便確定在傳感器線圈中產(chǎn)生的信號(hào)的定時(shí)。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的傳感器，其特征在于，由解調(diào)器輸出的信號(hào)具有平均電壓電平，并且，比較器設(shè)置成將由解調(diào)器輸出的信號(hào)與遠(yuǎn)離所述參考電壓電平的參考電壓相比較，并且確定裝置可操作地相對(duì)于第二頻率的參考信號(hào)識(shí)別由計(jì)數(shù)器接收的一系列脈沖的第一脈沖和最后脈沖的定時(shí)，以便確定該一系列脈沖的中點(diǎn)的定時(shí)。
33.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的傳感器，其中激勵(lì)線圈是第一激勵(lì)線圈并固定到第一部件上，傳感器線圈固定到相對(duì)于第一部件可移動(dòng)的第二部件上，并且該傳感器還包括第二激勵(lì)線圈，該第二激勵(lì)線圈固定到第一部件上并電磁耦合到傳感器線圈，其特征在于，第一激勵(lì)線圈和傳感器線圈設(shè)置成使得第一激勵(lì)線圈和傳感器線圈之間的電磁耦合隨著第一和第二部件之間沿著測(cè)量方向的相對(duì)位置根據(jù)第一函數(shù)變化，第二激勵(lì)線圈和傳感器線圈設(shè)置成使得第二激勵(lì)線圈和傳感器線圈之間的電磁耦合隨著第一和第二部件之間沿著測(cè)量方向的相對(duì)位置根據(jù)第二函數(shù)變化，其中第二函數(shù)不同于第一函數(shù)，施加于第一激勵(lì)線圈的激勵(lì)信號(hào)是第一激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器可操作地產(chǎn)生施加于第二激勵(lì)線圈的第二激勵(lì)信號(hào)，第二激勵(lì)信號(hào)包括被在第二頻率的第二周期調(diào)制信號(hào)調(diào)制的在第一頻率的第二周期載波信號(hào)，響應(yīng)施加于第一激勵(lì)線圈的第一激勵(lì)信號(hào)和施加于第二激勵(lì)線圈的第二激勵(lì)信號(hào)，在傳感器線圈中產(chǎn)生的周期電信號(hào)具有隨著第一和第二部件沿著測(cè)量方向的相對(duì)位置而改變的定時(shí)，和信號(hào)處理器可操作地測(cè)量在傳感器線圈中產(chǎn)生的周期電信號(hào)的定時(shí)，從而確定表示第一和第二部件沿著測(cè)量方向的相對(duì)位置的值。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的傳感器，其特征在于，第二部件包括具有各自不同取向的多個(gè)傳感器線圈。
35.根據(jù)權(quán)利要求1-32任一項(xiàng)的傳感器，其中激勵(lì)線圈是第一激勵(lì)線圈，該傳感器還包括第二激勵(lì)線圈，第一和第二激勵(lì)線圈和傳感器線圈相對(duì)于第一部件固定，其特征在于，該傳感器還包括具有基本上等于第一頻率的諧振頻率的諧振器，該諧振器相對(duì)于第二部件固定，第一和第二激勵(lì)線圈經(jīng)諧振器電磁耦合到傳感器線圈上，使得第一和第二激勵(lì)線圈與傳感器線圈之間的電磁耦合根據(jù)各自不同的函數(shù)而變化，施加于第一激勵(lì)線圈的激勵(lì)信號(hào)是第一激勵(lì)信號(hào)，其特征在于，信號(hào)發(fā)生器可操作地產(chǎn)生施加于第二激勵(lì)線圈的第二激勵(lì)信號(hào)，第二激勵(lì)信號(hào)包括被第二頻率的第二周期調(diào)制信號(hào)調(diào)制的在第一頻率的第二周期載波信號(hào)，響應(yīng)施加于第一激勵(lì)線圈的第一激勵(lì)信號(hào)和施加于第二激勵(lì)線圈的第二激勵(lì)信號(hào)，在傳感器線圈中產(chǎn)生的周期電信號(hào)具有隨著第一和第二部件沿著測(cè)量方向的相對(duì)位置而改變的定時(shí)，和信號(hào)處理器可操作地測(cè)量在傳感器線圈中產(chǎn)生的周期電信號(hào)的定時(shí)，從而確定表示第一和第二部件沿著測(cè)量方向的相對(duì)位置的值。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的傳感器，其特征在于，多個(gè)諧振器相對(duì)于第二部件固定，多個(gè)諧振器中的每個(gè)都具有各自不同的取向。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的傳感器，其特征在于，多個(gè)諧振器具有各自不同的諧振頻率。
38.根據(jù)權(quán)利要求33-37任一項(xiàng)的傳感器，其特征在于，第一和第二激勵(lì)線圈以及傳感器線圈設(shè)置成使得所述第一和第二函數(shù)隨著具有相同周期但彼此相位不同的位置而作正弦變化。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的傳感器，其特征在于，第一和第二函數(shù)彼此相位相差四分之一周期。
40.根據(jù)權(quán)利要求33-39任一項(xiàng)的傳感器，其特征在于，第二周期調(diào)制信號(hào)具有與第一周期調(diào)制信號(hào)相同的波形，但是相位不同。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的傳感器，其特征在于，第二周期調(diào)制信號(hào)與第一周期調(diào)制信號(hào)相位相差四分之一周期。
42.根據(jù)權(quán)利要求33-41任一項(xiàng)的傳感器，其特征在于，該傳感器設(shè)置成當(dāng)施加第一和第二激勵(lì)信號(hào)時(shí)確定第一定時(shí)測(cè)量值，并在給所述第一激勵(lì)線圈施加第一激勵(lì)信號(hào)和給所述第二激勵(lì)線圈施加第三激勵(lì)信號(hào)時(shí)獲得第二定時(shí)測(cè)量值，第三激勵(lì)信號(hào)包括被在第二頻率的第三周期調(diào)制信號(hào)調(diào)制的在第一頻率的第三周期載波信號(hào)，其中第三周期調(diào)制信號(hào)與所述第二周期調(diào)制信號(hào)是反相的，并且信號(hào)處理器設(shè)置成使用第一和第二定時(shí)測(cè)量值確定位置值。
43.根據(jù)權(quán)利要求33-42任一項(xiàng)的傳感器，其特征在于，第一和第二部件沿著線性方向可相對(duì)移動(dòng)。
44.一種位置傳感器，包括沿著測(cè)量方向可彼此相對(duì)移動(dòng)的第一和第二部件，第一部件包括第一和第二激勵(lì)線圈和傳感器線圈，第二部件包括具有諧振頻率的諧振器，其中第一激勵(lì)線圈和諧振器之間的電磁耦合隨著第一和第二部件沿著測(cè)量方向的相對(duì)位置根據(jù)第一函數(shù)改變，并且第二激勵(lì)線圈和諧振器之間的電磁耦合隨著第一和第二部件沿著測(cè)量方向的相對(duì)位置根據(jù)第二函數(shù)改變，其中第二函數(shù)不同于第一函數(shù)；激勵(lì)電路，可操作地產(chǎn)生第一和第二激勵(lì)信號(hào)，并分別給第一和第二激勵(lì)線圈施加第一和第二激勵(lì)信號(hào)，其中響應(yīng)施加于第一激勵(lì)線圈和第二激勵(lì)線圈的第一激勵(lì)信號(hào)和第二激勵(lì)信號(hào)，在傳感器線圈中產(chǎn)生這樣的電信號(hào)，該電信號(hào)對(duì)應(yīng)于根據(jù)第一和第二部件沿著測(cè)量方向的相對(duì)位置而加權(quán)的第一和第二激勵(lì)信號(hào)的組合；和信號(hào)處理器，可操作地處理在傳感器線圈中產(chǎn)生的電信號(hào)，從而確定表示第一和第二部件沿著測(cè)量方向的相對(duì)位置的值，其特征在于，第一和第二激勵(lì)信號(hào)包括被在調(diào)制頻率的第一和第二周期調(diào)制信號(hào)調(diào)制的在載頻的周期載波信號(hào)，調(diào)制頻率低于載頻，其中載頻基本等于諧振器的諧振頻率，并且第一和第二調(diào)制信號(hào)具有各自不同的相位。
45.一種讀出參數(shù)的方法，該方法包括給激勵(lì)線圈施加激勵(lì)信號(hào)；和響應(yīng)施加于激勵(lì)線圈的激勵(lì)信號(hào)，處理在電磁耦合到激勵(lì)線圈的傳感器線圈中產(chǎn)生的信號(hào)，從而確定表示正在測(cè)量的參數(shù)的值，其中施加于激勵(lì)線圈的激勵(lì)信號(hào)包括被具有第二頻率的周期調(diào)制信號(hào)調(diào)制的具有第一頻率的周期載波信號(hào)，第一頻率大于第二頻率。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種傳感器，該傳感器包括激勵(lì)線圈；信號(hào)發(fā)生器，它可操作地產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)和設(shè)置成給激勵(lì)線圈施加產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)；傳感器線圈，它電磁耦合到激勵(lì)線圈；和信號(hào)處理器，在由信號(hào)發(fā)生器將激勵(lì)信號(hào)施加于激勵(lì)線圈時(shí)，該信號(hào)處理器可操作地處理在傳感器線圈中產(chǎn)生的周期電信號(hào)，從而確定被該出的參數(shù)的值。激勵(lì)信號(hào)包括被具有第二頻率的周期調(diào)制信號(hào)調(diào)制的具有第一頻率的周期載波信號(hào)，第一頻率高于第二頻率。通過(guò)這種方式，該傳感器很好地適用于使用數(shù)字處理技術(shù)，從而產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)和處理在傳感器線圈中感應(yīng)的信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，該傳感器用于檢測(cè)兩個(gè)部件的相對(duì)位置。在另一實(shí)施例中，該傳感器用于檢測(cè)諸如溫度和濕度之類的環(huán)境因素。
文檔編號(hào)G01D5/20GK1582385SQ02821843
公開(kāi)日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2002年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月30日
發(fā)明者R·P·瓊斯, R·A·多伊爾, M·A·霍瓦德, D·A·詹姆斯, D·克雷特, C·S·西爾斯 申請(qǐng)人:金特克投資集團(tuán)股份公司