利用复合磁通量源的位置传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种非接触位置传感器，该传感器检测两个物体之间的相对位移。磁通量源是由多个分立磁体提供，选择性确定所述多个分立磁体，来产生高度可构造的磁通量源，该磁通量源易于适应旋转或直线位移。由分立磁体所产生的单独磁通量场的相互作用被控制成相对于位移变化产生线性和非线性关系。通量聚集极片尺寸上进行优化，以便整合多个单独磁通量场，将其导向磁性传感器。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及用于测量两个物体之间的位移或位置的设备。更具体地说，公开了一种非接触位置传感器，该传感器具有可配置的磁通量源，该磁通量源用于检测控制阀上的阀杆位置。
技术介绍
工业加工厂在从食品加工厂内控制生产流程到大型油库中保持流体水平面的广泛用途中使用控制阀。通常是自动的控制阀通过起到如同可变节流孔或通道的作用来管理生产流程。通过移动内部阀部件、阀塞，可以精确控制通过阀体的产品量。控制阀通常利用致动器和远程操纵的仪器而是自动化的，该远程操纵的仪器在过程控制计算机和致动器之间通信，来指令阀内的流量变化，从而实现工厂管理者所希望的控制策略。位置传感器在保持精确过程控制中起到关键作用。当过程控制计算机发出改变流量的指令时，远程操纵的仪器必须读取当前的阀位置，并通过致动器施加适当的修正动作。典型的致动器有加压空气源驱动，而该空气源由远程操纵的仪器控制。例如，在用于滑动杆阀的弹簧和膜片致动器中，施加到大膜片上的气压变化导致膜片移动或位移。连接到膜片上的是致动器杆，而致动器杆又连接到阀塞上。通过改变施加于膜片的气压，远程操纵仪器可以直接定位阀塞，并因此控制通过控制阀的流量。为了正确控制流量，该仪器必须一直知道阀塞处于何处，以及响应新的指令阀塞必须移动到何处。这是通过在远程操纵的仪器和致动器杆之间连接一个位置传感器来实现的。位置传感器的输出可以直接连接到远程操纵的仪器上，来为精确阀控制提供杆位置反馈。传统的位置传感器，如电位计，需要动态或移动的机械联动机构，来将移动或位移耦合到传感器中。在存在湍流造成的机械振动的情况下，系统误差或不稳定性会由于在非常短的时间内累积数百万次运算循环而减小位置传感器的可靠性，机械联动机构还具有接触点或磨损点。在恶劣的工作条件下，不稳定简直会在磨损点处“锯开”机械联动机构，由此将阀杆与远程操纵的仪器断开。这种类型的灾难性故障损坏了阀控制，并因此必须予以避免。为了改善传感器的稳定性，传感器设计必须迁移到非接触位置检测方法。一种类型的非接触传感器设计是磁性位置传感器。磁性位置传感器通过将一个磁通量源，通常为磁体安装到第一物体上，而将传感器，如霍尔效应传感器安装到第二物体上，来检测两个物体之间的位移。磁通量源发出一个由传感器检测的磁场。产生相对位移的一个或两个物体的任何移动都会将磁场的不同部分呈现给传感器，由此改变传感器的输出。这个输出可以与致动器和阀杆之间的相对位置直接相关联。非接触位置传感器适应性非常强，并且可以测量各种形式的位移。但是，目前的非接触位置传感器通常受到将它们安装到移动元件上的方法的限制。在仍使用接触的动态联动机构来耦合位移的远程操纵的仪器中存在多种位置或反馈传感器的商用示例。一种这样的结构使用传统的蜗轮设备，来将转动运动直接耦合到非接触磁阻元件。尽管磁阻元件可以归类为非接触传感器，该运动实际上通过接触设备来进行转换，并将如同传统的基于联动机构的电位计那样遭遇可靠性降低的问题。另外，其他非接触位置传感器存在这样的问题，即它们不能够针对不同类型的位移测量(例如直线的和旋转的)来重新构造磁通量源，以提供预定义的输出。这些类型的位置传感器的示例可以在Riggs等人的美国专利US5359288、Wolf等人的美国专利US5497081以及Takaishi等人的美国专利US5570015中找到。
技术实现思路
在此描述的位置传感器组件提供了一种非接触位置传感器，用来精确检测两个物体之间的相对位移，更具体的说，用来精确测量阀杆在控制阀组件中的位置。在一个实施例中，提供了一种利用多个分立磁体的具有高度可配置磁通量源的位置传感器，该位置传感器适于测量直线位移或旋转位移。这是通过磁性组件的受控设计来实现的。将单个磁体组装起来，以形成连续的复合磁通量场，由此产生可变物理形状的磁通量源。在另一实施例中，定制(programming)磁性组件可以预定行程和位置传感器输出之间的关系。通过预先定义磁场，然后定制多个分立磁体以协同产生所需的磁场，可以设计多种输出关系。另一实施例利用圆柱形磁体来形成旋转位置传感器，该旋转位置传感器在延长的旋转范围上具有高度线性输出特性。通过精确控制圆柱形磁体的长度和在传感器组件内的气隙，可以极大提高相应特性。附图说明在此描述的位置传感器的特征和优点将在参照下面详细描述和附图时得以更好地理解，图中图1A示出用来说明定位在磁通量源中心附近的磁性传感器的横截面图的方块图；图1B示出用来说明定位在磁通量源一端附近的图1A的磁性传感器的横截面图的方块图；图1C是说明对应于图1A的磁性传感器输出的曲线；图1D是说明对应于图1B的磁性传感器输出的曲线；图2A是安装到滑动杆致动器上来检测阀杆的直线位移的非接触位置传感器组件的透视图；图2B是图2A的完整非接触位置传感器组件的透视图，示出磁通量源和非接触位置传感器之间的互连；图2C是用于直线非接触位置传感器的传感器壳体和传感器组件的透视图；图3A是示出磁通量源的位置传感器的侧视图，该磁通量源包含多个为直线行程而定位的具有单独感应值的分立磁体；图3B是图3A的用于直线行程的位置传感器的俯视图，并示出磁通量源在传感器组件之内的横向位置和插入深度；图3C和3D是结合起来说明用于间歇为磁性传感器供能并调节脉冲输出信号以产生用于远程操纵仪器的模拟信号的电路的示意图；图4A是用于说明如现有技术中所描述那样放置并用作直线位移测量的磁通量源的单根棒状磁体的非线性末端效应的自由空间图；图4B是用来说明离散化的磁通量源的各分立磁体所产生的重叠磁通量场以及所形成的由通量聚集极片所聚集的复合磁场的自由空间图；图5A是所标注的圆柱形磁体托架的说明性侧视图，示出用于4.5英寸直线行程位置传感器的磁通量源中螺旋形取向的分立磁体的等距垂直间隔；图5B是用于直线位置传感器的螺旋取向分立磁体阵列的说明性俯视图，示出分立磁体在磁通量源内的角度旋转和磁通量源在传感器组件之内的横向位置和插入深度；图6是耦合到旋转轴上的旋转位置传感器的说明性透视图，其中，构成旋转磁通量源的多个分立磁体以围绕转动轴线均匀一致的角度分布定位；图7A是端部安装的旋转位置传感器的透视图，其中，圆柱形磁通量源在通量聚集基片的支腿之间转动；图7B是示出呈现线性输出特性的端部安装的旋转位置传感器的基准检测平面和最大转动角度的说明性端视图。具体实施例方式为了理解在此描述的位置传感器的优点，需要理解位置传感器的各部件以及它们如何工作来测量控制阀的位移。虽然优选实施例教导了与控制阀相关的位移测量，但是本领域技术人员也将意识到与其他位移测量用途的相关性。转到附图并首先参照图1A，示出非接触位置传感器的关键部件。在图1A中，传感器5位于磁通量源8附近。如众所周知的，磁通量源8提供一个连续的、三维磁通量场，这个场完全包围磁通量源8和传感器5。并且，传感器5是一种能够产生正比于围绕它的磁场10的电信号的装置。如本领域技术人员所已知的，所检测到的磁场10的大小相对于在磁场10内的位置加以变化。于是，传感器5的相对于磁场的位移或相对位置的任何变化将在传感器5的输出中产生相应变化，如图1C的曲线所示。这个关系将用来形成非接触位置传感器。在非接触位置或位移测量用途中，传感器5和磁通量源8安装在两个机械独立的物体(未示出)上。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于阀组件的位置传感器，其中位置传感器包括：磁通量源，用于产生预定义的磁场，该磁通量源由多个分立磁体构成；以及传感器，该传感器放置在磁通量源附近，来检测由于磁通量源与传感器之间的相对位移所导致的磁场变化。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：乔治W加斯曼，卡尔G斯卡费里，罗纳德F赫德，
申请(专利权)人：费希尔控制国际公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]