用于改善的传感器设备的装置、系统和方法

本申请是2020年4月17日提交的、名称为“用于改善的传感器设备的装置、系统和方法”、申请号为202010309215.7的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明的示例性实施方案整体涉及传感器组件，并且更具体地，涉及改善传感器设备的操作。

背景技术

传感器组件（诸如线性可变差动变压器(LVDT)）可以用于在机械运动（例如，振动、应变、力、线性运动等）和电信号（例如，电流、电压等）之间进行转换。这些传感器可以用于液压应用、发动机系统、自动柜员机(ATM)、航空航天应用以及其中需要机械运动和电信号之间转换的多种其他环境中。在这些应用中（诸如在发动机控制系统中），传感器系统可能暴露于可能损坏传感器系统的应变、振动载荷或其他力。

发明内容

本文公开了用于提供改善的传感器设备操作的系统、装置和方法。示例性传感器设备可以包括限定中空内部的筒管，该中空内部被构造成接收被插入其中的探针组件。该设备可以包括缠绕在筒管周围的初级线圈元件，该初级线圈元件被构造成响应于电流输入而生成初级磁通，并且该设备可以包括缠绕在初级线圈元件周围的次级线圈元件。在筒管在其中接收探针组件的情况下，探针组件和初级线圈元件之间的磁相互作用可以在次级线圈元件中诱导信号。另外，次级线圈元件的节距可以根据非线性多项式函数沿着筒管的第二长度而变化，以便减小传感器设备的线性误差。

在一些实施方案中，初级线圈元件的节距可以沿着筒管的第一长度是均匀的。在此类实施方案中，第一长度和第二长度可以相等。

在其他实施方案中，次级线圈元件还可以限定多个绕组节段，其中次级线圈元件的每个绕组节段的节距根据非线性多项式函数沿着筒管的其相应长度而变化。在此类实施方案中，次级线圈元件还可以限定绕组节段之间的多个线圈过渡部分。每个线圈过渡部分可以被构造成使相邻绕组节段之间的节距波动最小化。

在一些实施方案中，传感器设备还可以包括卷绕在次级线圈元件周围的一个或多个绝缘带层。在其他实施方案中，传感器设备可以包括可操作地联接到初级线圈元件且被构造成向初级线圈元件提供电流输入的一根或多根线材。在本公开的任何实施方案中，次级线圈元件中的信号可以指示探针组件在筒管内的相对移动。

提供上述发明内容仅是为了概述一些示例性实施方案的目的，以提供对本发明一些方面的基本了解。因此，应当理解，上述实施方案仅为示例并且不应理解为以任何方式缩小本发明的范围或实质。应当理解，除了在此发明内容的那些，本发明的范围还涵盖了很多可能的实施方案，这些实施方案中的一些实施方案将在下面进一步描述。

附图说明

上面已经概括地描述了本公开的某些示例性实施方案，现在将参考附图。在本文所述的某些实施方案中，附图中所示的部件可以存在也可以不存在。一些实施方案可以包括比图中所示的那些更少（或更多）的部件。

图1A至图1B为根据示例性实施方案的组装的传感器组件的透视图；

图2为根据示例性实施方案的图1的传感器组件的分解图；

图3A至图3B为根据示例性实施方案的图2的筒管的侧视图；

图4A至图4B为根据示例性实施方案的示例性探针组件的透视图；

图5为根据示例性实施方案的图2的传感器设备的分解图；

图6为根据示例性实施方案的示例性非线性多项式绕组方法；

图7为针对常规绕组方法的冲程与灵敏度的示例性曲线图；

图8为根据一个示例的针对非线性多项式绕组的冲程与灵敏度的示例性曲线图；

图9为针对常规绕组和非线性多项式绕组的冲程与总和电压的示例性曲线图；

图10为针对常规绕组的线性误差与冲程的示例性曲线图；并且

图11为根据一个示例的针对非线性多项式绕组的线性误差与冲程的示例性曲线图。

具体实施方式

概述

现在在下文中将参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些但不是全部的实施方案。实际上，这些发明可以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文所阐述的实施方案；相反，提供这些实施方案是为了使本公开满足适用的法律要求。在全篇内容中，类似的标号指代类似的元件。如本文所用，术语诸如“前部”、“后部”、“顶部”等在下文提供的示例中用于说明性目的，以描述某些部件或部件的部分的相对位置。另外，如根据本公开本领域的普通技术人员将显而易见的那样，术语“基本上”和“大约”指示所引用的元件或相关联的描述在可适用的工程公差范围内是准确的。

本文描述和示出的传感器组件和传感器设备可以将LVDT系统称为示例性应用。如根据本公开对于本领域的普通技术人员将显而易见的那样，本文所描述的关于线圈绕组提供改善的传感器设备操作的装置、系统和方法可以等同地可适用于所有类型、构型、大小等的传感器系统。换句话讲，本文的描述不应被理解为仅涉及LVDT应用。

参考图1A至图1B，示出了本公开的组装的传感器组件100的透视图。如图所示，传感器组件100可以包括壳体300、探针组件102和传感器设备200。探针组件102（参考图4A至图4B在下文进行描述）可以由传感器设备200接收并支撑在传感器设备200的筒管（例如，图3A至图3B中的筒管202）内。传感器组件100还可以包括壳体300，该壳体被构造成屏蔽或以其他方式保护传感器设备200和在其中接收的探针组件102。如上所述，本申请的传感器设备200可以在航空航天应用、发动机室等内接收，使得为了确保传感器设备200的准确操作（例如，LVDT应用中的位置和方向数据），防止对传感器设备200的损坏是必要的。因此，本申请的壳体300的尺寸（例如，大小和形状）可以被设定并且可以由任何材料形成，以便为传感器设备200的预期应用赋予必要的保护。参考图2，示出了图1的示例性传感器组件100的分解图。如图所示，探头组件102可以被传感器设备200（例如，设备200）接收（被插入该传感器设备中），并且组合的探头组件102和设备200可以被壳体300接收（例如，一起被插入在壳体300内）。

参考图3A至图3B，示出了设备200的筒管202的侧视图。如图所示，筒管202可以被限定为包括中空内部的中空圆柱形元件。如所描述的和上文结合图1所示，筒管202的中空内部可以被构造成接收被插入其中的探针组件（例如，探针组件102）。如根据本公开对于本领域的普通技术人员将显而易见的那样，设备200可以被构造成使得当探针组件被插入其中时，探针被悬挂在筒管202内。换句话说，探针组件可以（例如，在下文所描述的第一端部处）被紧固成使得探针组件在筒管202内的部分不接触筒管202的内部。虽然参照圆柱形筒管202示出和描述了本公开，但本公开设想，筒管202的尺寸（例如，大小和形状）可以被确定为与具有任何大小、形状或构型的探针组件一起使用。

继续参考图3A至图3B，在一些实施方案中，设备200可以包括前配件210和筒塞212。如图所示，前配件210可以被设置在筒管202的第一端部上，并且可以被构造成邻接被插入在筒管202内的探针组件（例如，探针组件102）的一部分。如在下文所描述的图4A至图4B所示，探头组件的配件（例如，探头配件104）可以邻接前配件210，并且如上所述有助于探头组件悬挂在筒管202中。筒塞212可以被设置在筒管202的与第一端部相对的第二端部上，并且筒塞可以被构造成密封筒管202的第二端部。

参考图4A至图4B，示出了示例性探针组件102的透视图。如图所示，探针组件可以包括探针配件104、探针杆106和磁性芯108（磁芯）。如根据本公开对于本领域的普通技术人员将显而易见的那样，磁性芯108的位置在筒管202内的移动可以通过经由与其可通信地联接的线束206传输的一个或多个线圈元件（例如，初级线圈元件214、次级线圈元件216等）之间的差分电压读数来确定。如下文参考初级线圈元件214和次级线圈元件216的绕组所描述，探针组件102和初级线圈元件214之间的磁相互作用可以被构造成在次级线圈元件216中诱导信号。次级线圈元件216中的该信号可以指示探针组件102在筒管202内的相对移动。换句话讲，次级线圈元件216的电信号可以包括可以对应于探针组件102的移动方向（例如，磁性芯108的移动方向）的相位以及可以对应于探针组件102的移动距离的振幅。

参考图5，示出了传感器组件200（例如，设备200）的分解图。如上所述，设备200可以包括筒管202，该筒管可以限定中空内部，该中空内部被构造成接收被插入其中的探针组件102。设备200还可以包括线束206（例如，包括一根或多根线材）和一个或多个垫圈204。设备200可以包括附接在筒管202周围的一个或多个垫圈204（例如，磁性垫圈），并且在一些实施方案中，设备200可以包括沿着筒管202的长度共线定位的两（2）个垫圈204。如对于本领域的普通技术人员将显而易见的那样，在一些情况下，垫圈204可以各自形成为单个构件，使得每个垫圈204被附接在筒管202的端部处并且沿着筒管202的长度平移。在其他实施方案中，垫圈204可以被形成为模块化组件，使得垫圈204可以在沿着筒管202的长度的任何位置处被卡扣或以其他方式附接到筒管202。虽然本文参照两个(2)垫圈204（例如，磁性垫圈）示出和描述了本公开，但本公开设想，可以在沿着筒管202的长度的任何位置处将任意数量的垫圈204附接到筒管202。

继续参考图5，设备200可以包括线束206，该线束包括一根或多根线材（例如，引线）。线束206的一根或多根线材可以经由一个或多个垫圈204（例如，磁性垫圈）中的一个或多个线槽被定位。线束206的线材被构造成在被附接在设备200中时与插入在筒管202中的探针组件（例如，探针组件102）以及如在下文所描述的初级线圈元件214可通信地联接。如根据本公开对于本领域的普通技术人员将显而易见的那样，线束206的线材可以用于向被插入在筒管202中的探针组件102提供电力以及传输响应于探针组件的移动而生成的信号（例如，输出递送信号）。另外，线束206的线材可以被构造成将电流（例如，交流电（A/C））输入到初级线圈元件214，使得初级线圈元件214可以生成初级磁通。

如图5所示，设备200还可以包括缠绕在筒管202的至少一部分周围的一个或多个线圈元件（例如，初级线圈元件214和次级线圈元件216）。如对于本领域的普通技术人员将显而易见的那样，一个或多个线圈元件可以由磁性材料形成，以便识别由探针组件（例如，探针组件102）在筒管202内的运动引起的差分电压读数。如图5所示，线圈元件214、216可以围绕筒管202的长度的至少一部分，并且在一些实施方案中可以跨越筒管202在垫圈204（例如，磁性垫圈）之间的长度。另外，如图5所示，设备200可以包括被卷绕在线圈元件214、216中的一个或多个线圈元件周围的一个或多个绝缘带层（例如，第一带层218、第二带层220和/或第三带层222）。如根据本公开对于本领域的普通技术人员将显而易见的那样，绝缘带层218、220、222可以操作以屏蔽线圈元件214、216以及设备200的其他元件之间的磁通（例如，绝缘）。

在图5的分解图中所示的示例性实施方案中，一个或多个线圈元件还包括初级线圈元件214和次级线圈元件216。在此类实施方案中，初级线圈元件214可以缠绕在筒管202周围，并且次级线圈元件216可以缠绕在初级线圈元件214（例如，具有或不具有内部卷绕的绝缘带层）周围。如根据本公开对于本领域的普通技术人员将显而易见的那样，初级线圈元件214和次级线圈元件216缠绕在筒管202周围的方法基本上影响传感器设备200的操作。具体地讲，初级线圈元件214和次级线圈元件216沿着筒管的长度的匝数（例如，层）不仅可以影响传感器设备的物理尺寸（例如，更多的线匝相当于更大的横截面积），而且还可以影响探针组件102、初级线圈元件214和次级线圈元件216的输出信号之间的磁相互作用。

由于这种磁相互作用的性质，传感器（例如，LVDT传感器）中适当地缠绕线圈元件的失效可以导致传感器无法实现用于其预期应用的适当精度公差。例如，传统传感器和相关联的绕组方法通常无法保持适当的灵敏度值，同时呈现大的线性误差。具体地讲，常规绕组轮廓可以指包括初级线圈元件的传感器，该初级线圈元件沿着传感器的长度具有均匀的节距（例如，匝数）。此类初级线圈元件可以沿着传感器的长度看起来厚度基本上均匀。然而，在常规绕组轮廓中，两（2）个或更多个次级线圈元件仅沿着传感器主体的部分长度缠绕，也以均匀的节距缠绕。在一些情况下，这两（2）个次级线圈元件可以仅缠绕绕组长度的一半（例如，传感器的长度的一半）。使用此类常规绕组可以产生具有高线性误差（例如，在线性误差的可接受阈值之外）的传感器。

因此，本申请的实施方案提供了改善的传感器，其中次级线圈元件216缠绕在初级线圈元件214周围，使得次级线圈元件216的节距根据非线性多项式函数沿着筒管202的第二长度而变化，以便减小传感器设备200的线性误差。以举例的方式，在一些实施方案中，初级线圈元件214可以沿着筒管202的第一长度缠绕（例如，延伸筒管202的长度的一些或全部），并且可以在沿着该第一长度是均匀的节距处缠绕。换句话讲，在使初级线圈元件214缠绕在筒管202周围时，线匝沿着绕组长度（例如，2,000个线匝/英寸）可以是均匀的，使得初级线圈元件214沿着传感器设备200的长度是一致的。然而，关于次级线圈元件216，节距（例如，线匝/绕组长度）可以根据非线性多项式函数而变化。例如，以下方程可以在一些实施方案中用于使次级线圈元件216缠绕。

匝数 = C

其中，常值函数的系数（C

其中，线性函数的系数（C

其中，非线性函数的系数（C

以特定示例的方式，图6示出了根据本公开的示例性非线性多项式绕组轮廓。如图所示，在一些实施方案中，次级线圈元件216可以缠绕，使得节距或线匝/层沿着绕组长度而变化，如图6所示。次级线圈元件216的绕组长度可以延伸筒管202和/或传感器设备200的第二长度。在一些情况下，初级线圈元件214的第一长度和次级线圈元件216的第二长度可以相等。在其他情况下，次级线圈元件216可以仅沿着筒管202的一部分缠绕，使得第二长度可以小于第一长度。

在一些实施方案中，次级线圈元件216可以缠绕以便限定多个绕组节段。换句话讲，次级线圈元件216的第二长度（例如，绕组长度）可以被分成节段，其中次级线圈元件216的每个绕组节段的节距根据非线性多项式函数沿着筒管202的其相应长度而变化。随着绕组节段的数量增加，分析绕组轮廓（例如，如下文图11所示）所需的时间由于计算数量的增加而增加。然而，随着用于缠绕次级线圈元件216的绕组节段的数量增加，分辨率（例如，用于调整绕组轮廓的通过其粒度）增加。这样，绕组节段的一些部分可以被限定为线圈过渡部分（例如，两个绕组节段接触的部分）。通过增加绕组节段和绕组节段之间的相关联的位置（例如，线圈过渡部分）的数量，可以使相邻绕组节段之间的节距波动最小化。换句话讲，增加绕组节段和相关联的线圈过渡部分的数量增加了次级线圈元件216的绕组轮廓的平滑性。相比之下，传统绕组方法，诸如上述传统绕组方法，可以是阶梯式的，使得节距在节段之间发生突然变化。与上述平滑转变相反，这些突然变化导致传统传感器设备的性能降低。

现在转到附图7至图11，示出了关于本申请的传统绕组方法的性能和非线性多项式绕组的改善的性能的各种曲线图。参考图7，示出了针对常规绕组轮廓的冲程（例如，探针组件102的芯在筒管202内行进的距离）与灵敏度的曲线图。还示出了所接受的灵敏度值的上限和下限（例如，灵敏度阈值）。对于常规绕组技术，这些常规设备的灵敏度无法满足每个冲程处的灵敏度要求以便可靠地操作。然而，参考图8，示出了针对本申请的非线性多项式绕组的冲程与灵敏度。如图所示，针对本文所述的绕组轮廓的灵敏度满足所有冲程的相关灵敏度阈值。

参考图9，示出了针对本申请的示例性常规绕组和示例性非线性多项式绕组的冲程与总和电压的曲线图。如根据本公开对于本领域的普通技术人员将显而易见的那样，调节总和电压允许直接调节LVDT冲程的特定节段中的灵敏度和线性度两者。

参考图10，示出了针对常规绕组方法的线性误差%与冲程。如图所示，针对常规绕组轮廓的线性误差%显示出超过针对示例性LVDT传感器的线性误差%阈值的高波动。因此，这些常规绕组的传感器的可靠性和有效性大大减小。相比之下，图11示出了根据本公开的针对示例性非线性多项式绕组的线性误差%与冲程。如图所示，本申请的绕组方法的线性误差%大大减小（例如，受到适用阈值的约束），使得与传统设备相比，本申请的传感器设备提供改善的可靠性和准确性。

本发明所属领域的技术人员在受益于前述描述和相关附图中呈现的教导之后，将想到本文所阐述的本发明的许多修改和其他实施方案。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施方案，并且修改和其他实施方案旨在被包括在所附权利要求的范围内。尽管本文采用了特定术语，但它们仅以一般性和描述性意义使用，而不是出于限制的目的。