[发明专利]线性电感式位置传感器

说明书

本公开涉及线性电感式位置传感器。使用包括目标线圈、激励线圈、两个传感器和游标处理器的线性电感式位置传感器来确定目标的位置。每个传感器包括两个或更多个接收线圈。接收线圈包括多个绞合环路。在第一传感器中，线圈具有第一周期，环路偏移第一距离。在第二传感器中，线圈具有第二周期，环路偏移第二距离。目标线圈宽度是第一距离和第二距离的函数。在操作期间，线圈输出电压，其中三次、五次和/或七次谐波被抵消。基于电压，传感器输出相应的第一位置信号和第二位置信号，游标处理器根据这些信号计算目标沿着位置传感器的轴的位置。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2022年2月8日提交的标题为“Linear Inductive PositionSensor”的美国专利申请No.17/666,740的权益，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本文描述的技术一般而言涉及用于使用线性电感式位置传感器确定物体的位置的装置、系统和方法。

背景技术

包括电感式位置传感器在内的位置感测装置如今已得到广泛使用。各种用途包括但不限于工厂设置、工业机器人等。电感式位置传感器常常用于确定物体的位置，该物体在下文中被定义为“目标”。如今，电感式传感器通常包括激励线圈、接收线圈以及目标，该激励线圈被配置为在交流电流(AC)流过线圈时生成电磁场，该接收线圈被配置为通过流过激励线圈的电流来检测在接收线圈中感应出的电位、电压。目标被配置为基于目标的位置干扰在接收线圈中感应出的电位的量。

对于线性位置传感器，激励线圈、接收线圈和目标通常相对于给定轴定向。轴可以被定义为存在于X-Y-Z坐标空间中，诸如是X轴。目标可以沿着给定轴线性地改变位置，并且激励和接收线圈通常相对于给定轴是固定的。目标的线性位置的这种改变唯一地干扰在接收线圈中感应出的电压，使得可以基于经由目标在接收线圈中感应出的电位的改变来确定目标的位置。激励线圈、目标和接收线圈之间的电感耦合可以用一系列数学函数(各自为“传递函数”)来表达。电路系统连接到接收线圈，以基于在给定时间接收线圈中存在的相对电压来检测和确定目标的相对位置。

例如如图1中所示，线性位置传感器100常常包括激励线圈102、接收器线圈104和目标线圈106。激励线圈102和接收器线圈104常常形成在单层或多层印刷电路板(PCB)(未示出)上。目标线圈106可以被配置为沿着PCB、例如沿着X轴并且相对于激励线圈102和接收器线圈104线性地移动。当在激励线圈102中提供具有电压电位VX的AC电流时，由激励线圈102附近的第一电感LX生成激励磁场。基于激励线圈102与目标线圈106的互感耦合，激励磁场在目标线圈106中的第二电感LT中感应出电流。这种互感耦合可以用激励到目标的传递函数(MXT)来表达。接收器线圈104也基于由接收器线圈104与激励线圈102的直接电感耦合以及由接收器线圈104与目标线圈106的电感耦合形成的互感而形成接收器线圈电压VR。这些互感可以分别由激励到接收器的传递函数(MXR)和目标到接收器的传递函数(MTR)来表达。互感MXR和MTR导致生成接收器电压VR，其中VR0(零)。当控制电路感测到接收器电压VR时，可以确定目标线圈106沿着给定轴的线性位置。简而言之，接收器电压VR是目标线圈106沿着给定轴相对于接收器线圈104的相对线性位置的函数。

传递函数MXT和MTR取决于目标线圈106沿着给定轴的线性位置以及在目标线圈106与PCB的顶表面之间形成的气隙(Z)。气隙Z的量影响由电感耦合形成的谐波信号的信号强度以及在接收器线圈104中生成的初级信号的强度。随着气隙Z变窄，谐波信号对给定线性位置传感器的传递函数和线性位置准确性确定的影响增加。随着气隙Z加宽，在接收器线圈104中生成的初级信号的强度减小。因而，对于常规的线性位置传感器，常常在减小谐波的影响而不显著减小初级信号强度之间做出权衡。本公开的各种实施方式消除了一个或多个这样的谐波信号而不减小初级信号强度。