线性电感式位置传感器的制作方法

线性电感式位置传感器
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求于2022年2月8日提交的标题为“linear inductive position sensor”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
3.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：

4.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。
5.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。
6.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vr《》0(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。
7.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。
8.另外，如图2中所示，线性位置传感器可以被配置为多个线性位置传感器布置，诸如具有激励线圈102、目标线圈106、具有第一双目标线圈108(1)和第二双目标线圈108(2)的双目标、第一接收器线圈104(1)和第二接收器线圈104(2)的布置。这样的多个线性位置传感器布置可能容易受到双目标线圈108之间的串扰信号的影响。本公开的各种实施方式减少了串扰信号。
9.因而，需要解决这些和其它需求的线性电感式位置传感器。此类需求和其它需求由本公开的一种或多种实施方式来解决。


技术实现要素：

10.本公开的各种实施方式一般而言涉及线性电感式位置传感器和系统以及用于制造和使用该线性电感式位置传感器和系统的方法。
11.根据本公开的至少一种实施方式，一种线性电感式位置传感器包括激励线圈，该激励线圈沿着形成线性电感式位置传感器的一部分的基板的给定轴延伸。该传感器还包括目标线圈，该目标线圈被配置为在激励线圈上方并沿着基板的给定轴移动。该传感器还包括沿着基板的给定轴延伸的第一传感器。第一传感器可以包括：具有第一周期λ的第一接收器线圈、以及第二接收器线圈，并且其中第一比率乘以第一周期λ沿着给定轴将第一接收器线圈与第二接收器线圈分开。
12.在线性电感式位置传感器的操作期间，激励线圈在从电源接收交变信号的同时生成第一电磁场。目标线圈通过第一电磁场电感耦合到激励线圈。由于目标线圈与激励线圈的电感耦合，目标线圈生成第二电磁场。第一接收器线圈通过第二电磁场第一电感耦合到目标线圈并且第二接收器线圈通过第二电磁场第二电感耦合到目标线圈。由于第一电感耦合，在第一接收器线圈中生成第一接收器电压vr1。vr1取决于目标线圈沿着给定轴的当前位置。由于第二电感耦合，在第二接收器线圈中生成第二接收器电压vr2。vr2取决于目标线圈沿着给定轴的当前位置。vr1和vr2被第一处理器用来生成第一位置信号x1，该第一位置信号x1提供目标线圈沿着基板的给定轴的位置的缩放表示。
13.线性电感式位置传感器的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。激励线圈可以围绕基板的周边以多环路配置延伸。第一接收器线圈和第二接收器线圈可以被激励线圈包围。第一接收器线圈可以包括多个第一接收器线圈环路，所述多个第一接收器线圈环路沿着基板的给定轴从基板的第一部分对称地延伸到基板的第二部分并返回到基板的第一部分。第一接收器线圈环路中的一个或多个可以分别从多个第一接收器线圈环路中的另一个环路偏移第一距离d1。
14.对于实施方式，第二接收器线圈可以包括与多个第一接收器线圈环路对称对应的多个第二接收器线圈环路。在vr1和vr2中生成的偶数次谐波可以被取消。多个第一接收器
线圈环路可以出现在第一周期λ的倍数上。多个第二接收器线圈环路可以偏移第一周期λ的四分之一和三分之一中的至少一种。第一距离d1可以等于第一周期的十四分之一，即，d1＝(1/14)*λ。对于实施方式，d1＝6mm。
15.对于实施方式，第一传感器可以包括第三接收器线圈，该第三接收器线圈包括与多个第一接收器线圈环路和多个第二接收器线圈环路对称对应的多个第三接收器线圈环路。多个第三接收器线圈环路可以分别从多个第二接收器线圈环路中的对应环路偏移第一周期λ的三分之一。第三接收器线圈可以通过第二电磁场第三电感耦合到目标线圈。由于第三电感耦合，在第三接收器线圈中生成第三接收器电压vr3。vr3取决于目标线圈沿着给定轴的当前位置，并且vr1、vr2和vr3被第一处理器用于生成第一位置信号。
16.对于实施方式，第二传感器第一接收器线圈可以通过第二电磁场第四电感耦合到目标线圈。第二传感器第二接收器线圈可以通过第二电磁场第五电感耦合到目标线圈。由于第四电感耦合，可以在第二传感器中生成第二传感器第一接收器线圈电压vr1'。由于第五电感耦合，可以在第二传感器中生成第二传感器第二接收器线圈电压vr2'。vr1'和vr2'被第二处理器用于生成第二位置信号x2。vr1'和vr2'取决于目标线圈沿着给定轴的当前位置。
17.对于实施方式，第二传感器还可以包括第二传感器第三接收器线圈。第二传感器第一接收器线圈可以沿着给定轴与第二传感器第二接收器线圈分开第一比率乘以第二周期λ2，并且第二传感器第二接收器线圈可以沿着给定轴与第二传感器第三接收器线圈分开第一比率乘以第二周期λ2。
18.对于实施方式，第二传感器第一接收器线圈可以沿着给定轴延伸第二周期λ2并且还可以包括：第二传感器第一接收器线圈第一环路；以及第二传感器第一接收器线圈第二环路。第二距离(d2)将第二传感器第一接收器线圈第一环路与第二传感器第一接收器线圈第二环路分开。第二传感器第一接收器线圈第一环路可以以绞合环路配置从基板的第一部分沿着基板的给定轴对称地延伸到基板的第二部分并返回到基板的第一部分。第二传感器第一接收器线圈第二环路可以以绞合环路配置对称地延伸。
19.对于实施方式，第二传感器第二接收器线圈还可以包括：以绞合环路配置对称地延伸的第二传感器第二接收器线圈第一环路。第二传感器第二接收器线圈第二环路也可以以绞合环路配置对称地延伸。第二传感器第二接收器线圈第一环路可以从第二传感器第二接收器线圈环路偏移第二距离d2。
20.对于实施方式，第二传感器第三接收器线圈还可以包括以绞合环路配置对称地延伸的第二传感器第三接收器线圈第一环路。第二传感器第三接收器线圈第二环路也可以以绞合环路配置对称地延伸。第二传感器第三接收器线圈第一环路可以从第二传感器第三接收器线圈环路偏移第二距离d2。第二传感器第一接收器线圈第一环路和第二环路可以在第二周期λ2上发生。第二传感器第二接收器线圈第一环路和第二环路可以在第二周期λ2上发生。第二传感器第三接收器线圈第一环路和第二环路可以在第二周期λ2上发生。对于实施方式，第二距离d2等于第二周期的十分之一，即，d2＝(1/10)*λ2。当使用电感式线性位置传感器的实施方式时，三次谐波信号、五次谐波信号和七次谐波信号中的一个或多个可以被抵消。
21.对于本公开的至少一种实施方式，线性电感式位置传感器可以包括激励线圈，该
激励线圈沿着形成线性电感式位置传感器的一部分的基板的给定轴延伸。传感器可以包括目标线圈，该目标线圈被配置为在激励线圈上方并沿着基板的给定轴移动，其中目标线圈具有第三距离d3的宽度。当提供交变电流时，激励线圈可以电感耦合到目标线圈。传感器可以包括游标(vernier)处理器和耦合到游标处理器的第一处理器。传感器可以包括耦合到第一处理器的多个第一传感器接收器线圈。多个第一传感器接收器线圈中的一个或多个可以包括多个第一传感器绞合环路。环路可以沿着基板的给定轴从基板的第一部分对称地延伸到基板的第二部分并且返回到基板的第一部分。
22.传感器可以包括与多个第一传感器绞合环路对称对应并且分别从多个第一传感器绞合环路中的对应环路偏移第一距离d1的多个第一传感器第二绞合环路。多个第一传感器接收器线圈可以分别从前面的第一传感器接收器线圈偏移第一周期λ。当操作时，在第一传感器接收器线圈中感应出电压，并且基于此类电压，第一处理器将第一位置信号x1输出到游标处理器。
23.对于实施方式，可以提供第二传感器并且该第二传感器包括耦合到游标处理器的第二处理器。第二传感器可以包括耦合到第二处理器的多个第二传感器接收器线圈，其中多个第二传感器接收器线圈包括多个第二传感器第一绞合环路。这些环路可以沿着基板的给定轴从基板的第一部分对称地延伸到基板的第二部分并且返回到基板的第一部分。第二传感器还可以包括与多个第二传感器第一绞合环路对称对应并且分别从多个第二传感器第一绞合环路中的对应环路偏移第二距离d2的多个第二传感器第二绞合环路。多个第二传感器接收器线圈中的给定一个可以分别从前面的第二传感器接收器线圈偏移第二周期λ2。
24.对于实施方式，第三距离d3可以是第一周期λ的比率与第二周期λ2的比率的函数。目标线圈与第一传感器接收线圈和第二传感器接收线圈电感耦合。基于在第一传感器接收器线圈中感应出的第一电压，第一处理器将第一位置信号x1输出到游标处理器。基于在第二传感器接收器线圈中感应出的第二电压，第二处理器将第二位置信号x2输出到游标处理器。第一处理器可以抵消第一电压中的三次和五次谐波并且第二处理器可以抵消第二电压中的三次、五次和七次谐波。使用游标原理，第一位置信号x1和第二位置信号x2可以用于生成表示目标线圈沿着给定轴的位置的最终位置信号p。
25.对于至少一种实施方式，描述了一种用于使用线性电感式位置传感器来确定目标的位置的方法。该方法可以包括从第一传感器接收第一位置信号x1。第一传感器基于分别由目标线圈在多个第一接收器线圈中感应出的第一多个第一传感器电压信号来生成x1。该方法还可以包括从第二传感器接收第二位置信号x2。第二传感器基于由目标线圈分别在多个第二接收器线圈中感应出的第二多个第二传感器电压信号来生成x2。该方法还可以包括对第一位置信号x1和第二位置信号x2应用游标计算以确定目标线圈的当前位置。在线性电感式位置传感器的操作期间，目标线圈电感耦合到沿着线性电感式位置传感器的给定轴延伸的激励线圈。
26.该方法可以包括使用包括第一传感器的线性电感式位置传感器，该第一传感器被配置为从第一多个第一传感器电压信号中抵消三次谐波。该方法还可以包括使用包括第二传感器的线性电感式位置传感器，该第二传感器被配置为从第二多个第二传感器电压信号中抵消五次谐波。该方法还可以包括使用包括目标线圈的线性电感式位置传感器，该目标线圈的尺寸被设计为取消否则存在于第一多个第一传感器电压信号和第二多个第二传感
器电压信号中的至少一者中的七次谐波。
附图说明
27.由本公开的各种实施方式提供的装置、系统和方法的特征、方面、优点、功能、模块和组件在本文中关于以下描述和附图中的至少一个进一步公开。在附图中，类似组件或相同类型的元件可以具有相同的附图标记，诸如108，带有附加的字母指示符，诸如108a、108n等，其中字母指示符指示具有相同附图标记(例如，108)的组件共享共有的性质和/或特性。另外，组件的各种视图可以通过第一附图标记后面跟着破折号和第二附图标记来区分，其中第二附图标记用于本描述的指定组件的视图的目的。当说明书中仅使用第一附图标记时，该描述适用于具有相同第一附图标记的任何类似组件和/或视图，而不管任何附加的字母指示符或第二附图标记(如果有的话)。
28.图1是常规线性电感式位置传感器的示意图。
29.图2是常规多目标线性传感器布置的示意图。
30.图3a是根据本公开的至少一种实施方式配置的线性位置传感器的示意图。
31.图3b是具有两个接收器线圈且根据本公开的至少一种实施方式配置的线性位置传感器的示意图。
32.图3c是具有三个接收器线圈且根据本公开的至少一种实施方式配置的线性位置传感器的示意图。
33.图3d是图3c的且根据本公开的至少一种实施方式配置的线性位置传感器的电气示意图。
34.图3e是用于图3a的且根据本公开的至少一种实施方式配置的线性位置传感器的具有两个环路的接收器线圈的实施方式的示意图的一部分的放大视图。
35.图3f是图3e的且根据本公开的至少一种实施方式配置的线性位置传感器的电气示意图。
36.图4a是具有两个传感器电路且根据本公开的至少一种实施方式配置的线性位置传感器的示意图。
37.图4b是具有两个传感器电路且根据本公开的至少一种实施方式配置的线性位置传感器的电气示意图。
38.图5是图示应用于图4的且根据本公开的至少一种实施方式的线性电感式位置传感器的游标原理的一种应用的图表。
39.图6是图示由图4的且根据本公开的至少一种实施方式的线性电感式位置传感器生成的作为目标线圈相对于接收器线圈的波长的相对宽度的函数的基波振幅的图表。
40.图7是图示由图3a-图3b的且根据本公开的至少一种实施方式的线性电感式位置传感器的单线圈实施方式生成的谐波的相对信号强度的图表。
41.图8是图示由图4的且根据本公开的至少一种实施方式的线性电感式位置传感器的多个串联电布置的线圈实施方式生成的谐波的相对信号强度的图表。
具体实施方式
42.本文描述的各种实施方式针对用于使用线性电感式位置传感器电感地确定物体
的位置的装置、系统和方法。
43.如图3a中所示并且对于本公开的至少一种实施方式，线性位置传感器300包括激励线圈302、第一接收器线圈304(1)和第二接收器线圈304(2)以及目标线圈306。
44.激励线圈302可以配置在pcb(未示出)上，其中pcb的顶表面沿着其长度形成给定轴，使得可以沿着给定轴(诸如x轴)的长度的全部或一部分确定目标的线性位置测量。pcb可以为激励线圈302和(一个或多个)接收器线圈304提供定子芯并且用于在ac信号被提供给激励线圈302时生成电磁场。目标线圈306可以沿着pcb的给定轴移动，通过前面提到的气隙z与pcb分开。
45.激励线圈302可以包括多环路设计。任何数量的环路可以用于激励线圈302，为了说明的目的示出了两个环路。激励线圈302的相应端耦合到控制电路(未示出)，该控制电路控制从电源(未示出)向激励线圈302提供电流。控制电路可以耦合到并控制选择性地将激励线圈302与电源(未示出)耦合的一个或多个开关(未示出)。电源提供ac信号，使激励线圈302生成第一电磁场(未示出)。应该认识到的是，与电感式位置传感器一起使用的控制电路、开关和ac源在本领域中是众所周知的，并且任何此类已知的或后来出现的组件都可以被配置用于在本公开的实施方式中使用。
46.如图3b中所示，一种实施方式可以利用两个接收器线圈304(1)和304(2)。接收器线圈304被印刷在与用于接收器线圈304的周期λ对应的距离上。第二接收器线圈304(2)可以沿着pcb从第一接收器线圈304(1)移位四分之一周期(λ/4)，从而与第一接收器线圈304(1)形成正弦-余弦对。为了抵消偶次谐波，接收器线圈304(1)和304(2)具有绞合环路配置。任何期望的长度都可以用于接收器线圈304，诸如2λ......nλ(其中“n”是整数)。使用已知工艺并以对称的绞合环路设计将接收器线圈304印刷到pcb上并通过pcb。每个接收器线圈304可以被形成为使得在沿着pcb的x轴的距离λ上出现完整的对称环路。对于至少一种实施方式，λ＝6mm(六毫米)。λ的其它距离可以用于其它实施方式。通过使用对称环路，给定传感器传递函数的偶次谐波可以被最小化。
47.如图3c中所示，一种实施方式可以包括三个接收器线圈304(1)、304(2)和304(3)。当使用三个接收器线圈时，接收器线圈可以从另一个线圈移位三分之一周期(λ/3)。接收器线圈304可以包括绞合环路配置并具有给定长度。三个接收器线圈304(1)、304(2)和304(3)形成3相系统传递函数，其中任何两相之间的差异消除针对单个给定相的传递函数中出现的三次谐波。应该认识到的是，绞合环路配置使接收器线圈304对非预期电磁场和波的接收最小化。
48.在图3d中，接收器线圈304(1)、304(2)和304(3)可以偏移一百二十度(120度)。因而，在每个接收器线圈304中接收到的三次谐波偏移3*120度。当每个接收器线圈304具有相同的相位并且被配置有相同的几何形状时，三次谐波将具有相同的振幅并且由于偏移了3*120度，当测量两个接收器线圈之间的电压差时，三次谐波将被抵消而基波信号不被抵消。因此，根据图3c和使用三个接收器线圈304(1)、304(2)和304(3)的实施方式，不受三次谐波信号影响的接收到的电压可以被控制电路感测到。
49.在图3e中，线性位置传感器300的如图3a中的截面线e-e所指示的一部分在放大视图中被示出。如关于但不限于第一接收器线圈304(1)所示的，第一接收器线圈304(1)可以包括两个或更多个接收器线圈环路，诸如第一接收器线圈第一环路304(1)(l1)和第一接收
器线圈第二环路304(1)(l2)。可以利用任何数量的环路并用于实施方式。给定接收器线圈304的环路可以沿着线性位置传感器300的x轴移位第一距离d1。对于实施方式，d1＝λ/14。
50.如图3f中所示，图3e的多环路实施方式可以与图3c的多线圈实施方式一起使用，使得第二接收器线圈304(2)可以包括第二接收器线圈第一环路304(2)(l1)和第二接收器线圈第二环路304(2)(l2)并且第三接收器线圈304(3)可以包括第三接收器线圈第一环路304(3)(l1)和第三接收器线圈第二环路304(3)(l2)。根据图3e，第二环路(l2)可以从给定接收器线圈304的对应第一环路(l1)偏移距离λ/14。应该认识到的是，接收器线圈304当按照图3f的实施方式配置时可以导致基波信号加倍和七次谐波信号的抵消。
51.可以使用任何已知或期望的化合物(诸如铜、铝、金或其它)印刷、沉积或以其它方式在pcb或其它基板上和中形成激励线圈302和接收器线圈304。根据至少一种实施方式，接收器线圈304可以印刷在pcb上，其中通孔用于连接线圈的不同部分，这样不同部分就可以印刷在pcb的不同面或层上。使用通孔来连接pcb部分在本领域中是众所周知的。
52.目标线圈306可以制造在任何期望物质的目标芯(未示出)上，诸如pcb或其它基板上。目标线圈306包括可以被配置为线圈或任何其它导电形状的导电材料。目标线圈306的尺寸可以被设计和配置为促进检测目标线圈306跨线性位置传感器300的给定轴的任何期望范围的线性移动。对于实施方式，目标线圈306可以包括绞合环路设计。当多层pcb或类似材料用作目标芯(未示出)时，目标线圈306可以包括在目标芯的顶层和底层中的每一个之间绘制的两个或更多个绞合环路。当目标线圈306电感耦合到激励线圈302时，目标线圈306生成第二电磁场。
53.对于至少一种实施方式，定义激励电压v
x
与接收电压vr之间的关系的传递函数可以根据方程1以数学方式表达：
54.方程1
[0055][0056]
其中，l
x
和l
t
是常数，并且表示pcb上激励线圈与接收器线圈之间的直接耦合的m
xr
也是常数。另外，m
xt
是目标到pcb气隙z的函数，并且m
tr
是气隙z和沿着由印刷到pcb上的激励线圈302形成的给定轴的目标位置两者的函数。对于至少一种实施方式，z＝0.5mm(二分之一毫米)。
[0057]
另外并且如上所示，m
tr
可以被近似为两个函数f(z)和m(2πx/λ)的乘积，后者在理想情况下是纯正弦或余弦。由于接收器线圈304被印刷在pcb上，多个环路在pcb上移位了精确的长度，因此m
xr
可以忽略不计并且可以使用接收到的信号的比率的反正切来确定目标线圈306沿着给定轴的位置。
[0058]
如图3d和图3f中进一步所示，第一处理器308可以耦合到接收器线圈304并且测量两个值(对于两相系统，未示出)或三个值(对于三相系统，如图所示)：ca＝vr1-vr2；cb＝vr2-vr3；并且cc＝vr3-vr1。可以认识到的是，对于两相系统，vr1＝asin(2πx/λ)且vr2＝acos(2πx/λ)，其中2πx/λ＝atan(vr1/vr2)。对于三相系统，vr1＝a*sin(2πx/λ)、vr2＝a*sin(2π(x/λ+1/3))且vr3＝a*sin(2π(x/λ+2/3))。可以使用众所周知的α-β变换(也称为clarke变换)获得正弦和余弦。基于vr1、vr2和vr3的值，由第一处理器308生成并输出计算
为ca、cb和cc值的反正切的第一位置信号x1。
[0059]
如图4a和图4b中所示并且对于本公开的另一种实施方式，双传感器线性位置传感器400可以包括两个传感器，包括第一传感器402和第二传感器404。第一传感器402和第二传感器404可以包括具有多环路设计的接收器线圈，其中每个相继环路相对于前一环路移位给定距离，如以上参考图3a-图3f所述的。在图4a和图4b中，第二传感器404被示为包括三线圈多环路配置。在本文中，线圈和环路由指示符304'(线圈#)(环路#)标识，例如，304'(1)(l1)。线圈304和304'的周期可以分别与第一周期λ和第二周期λ2对应。对于至少一种实施方式，第一传感器402可以具有第一周期λ＝6mm并且第二传感器404可以具有第二周期λ2＝6.3mm。
[0060]
通过使用两传感器设计，如图4a和图4b中所示，传感器402和404中的每一个包括多个线圈304()和304'()。线圈304/304'还包括多个环路(l1)、(l2)和(l3)。对于第一传感器402，给定线圈的环路偏移第一距离d1。对于第二传感器404，给定线圈的环路偏移第二距离d2。使用环路(ln)之间的这种偏移，可以最小化否则存在于mtr传递函数中的谐波，从而促进双传感器线性位置传感器400生成高准确性位置信号p。对于至少一种实施方式，高准确性位置信号p是被确定为在目标沿着给定轴的实际位置的+/-0.5毫米内的位置。对于实施方式，λ≠λ2。对于实施方式，d1＝λ/14且d2＝λ2/10。对于至少一种实施方式，线性位置传感器300的准确性可以基于传感器的周期来确定，如由第一周期λ和第二周期λ2表示的。
[0061]
对于至少一种实施方式，可以基于第一周期λ和第二周期λ2来确定目标线圈306的目标宽度(d3)。对于实施方式，d3满足方程组2中的两个条件。
[0062]
方程组2
[0063]
d3＝λ*(3/5)且
[0064]
d3＝λ2*(4/7)。
[0065]
根据方程组2并且对于至少一种实施方式，λ＝6mm(六毫米)，λ2＝6.3mm(六点三毫米)，并且目标线圈306的宽度d3等于三点六毫米(d3＝3.6mm)。对于至少一种实施方式，可以基于计算机仿真来确定维度λ、λ2和d3以找到每者的最优值。
[0066]
如图4b中所示，第一处理器308生成并输出第一位置信号x1，并且第二处理器408同样生成并输出第二位置信号x2。第一位置信号x1和第二位置信号x2被提供给游标处理器410，该游标处理器410生成(如下所述)并输出最终位置信号p。最终位置信号p被提供给结合本公开的给定实施方式使用但本文未另外描述的其它控制单元。
[0067]
如图5中所示，考虑到第一周期λ和第二周期λ2，可以使用游标原理来确定目标沿着双传感器线性位置传感器400的位置。在图5中，描绘了第一位置信号x1和第二位置信号x2。当目标沿着传感器移动时，位置x1(对于第一传感器402)和x2(对于第二传感器404)改变，x1在第一周期λ内重复三次并且x2在第二周期λ2内重复多次。当目标沿着传感器移动时感测到对应的电压，计算位置的正弦和余弦函数，并且其反正切产生在零(0)和一(1)之间缩放的给定位置信号(x1或x2)，如图5中的y轴上所示的。可以认识到的是，根据游标原理，可以通过使用两个测量来准确测量物体距参考点的给定距离，这两个测量形成目标线圈306沿着给定轴的给定位置的独特一对。基于位置信号x1和x2的值，可以由游标处理器410唯一地确定目标线圈306在给定轴上的位置。例如，当x2＝1.0且x1＝0.75时，目标线圈306位于沿着双传感器线性位置传感器400的x轴的位置a处。类似地，当x2＝1.0且x1＝0.5时，
目标线圈306位于沿着线性位置传感器300的x轴的位置b处。类似地，当x2＝0.9且x1＝0.15时，目标线圈306位于沿着双传感器线性位置传感器400的x轴的位置c处。应该认识到的是，可以以任何增量测量比例尺，范围为为了说明目的在图5中描绘的0至1并且跨越任何给定范围(诸如0至1.0)，该范围与双传感器线性位置传感器400的给定轴(诸如x轴)的长度的等级对应。对于实施方式，控制单元被配置为测量由每个传感器接收的电压并将此类电压转换成相对位置。
[0068]
如图6中所示，示出了基波振幅a1、五次谐波振幅a5和七次谐波振幅a7之间的关系，如图4的线性电感式位置传感器建模的，并如基于范围从零(o)至二(2)的相对目标宽度dr确定的，其中dr＝d3/λ。如图所示，当d3＝λ*(p/5)时，a5被取消，其中p＝0、1、2等，并且当d3＝λ*(q/5)时，a7被取消，其中q＝0、1、2等。因而，可以认识到的是，对于图4的线性位置传感器，可以由方程组3定义d3。
[0069]
方程组3
[0070]
d3＝λ*(p/5)＝λ2*(q/7)；或者
[0071]
7pλ＝5qλ2(当p≠0，5，15等且q≠0，7，14等时)
[0072]
使用方程组3，可以看出当p＝3且q＝4时，那么21λ＝20λ2。因而，游标具有用于第一接收器线圈402的21个周期和用于第二接收器线圈404的20个周期。
[0073]
如图7中所示，由于d3＝(3/5)*λ，因此在目标线圈306与第一接收器线圈302之间的传递函数中抵消了五次谐波。如图7中所示，由于d3＝(4/7)*λ2，因此七次谐波被第二接收器线圈404抵消。因而，通过使用图3c、图3e、图4a和图4b的线性接收器线圈实施方式，七次和五次谐波可以在第一传感器402和第二传感器404中被取消。另外，当为接收器线圈使用3相系统时，三次、五次和七次谐波中的每一个及其相应的倍数可以被取消，如图8中所示。应该认识到的是，这些谐波的这种取消促进目标线圈306相对于用于激励线圈302和接收器线圈304/304'的pcb的顶表面更近的放置(即，更小的气隙z)，从而促进双传感器线性位置传感器400对目标线圈306的移动的更大灵敏度和准确性。
[0074]
总之，当使用本公开的三相实施方式时，以下谐波被抵消，其余谐波(诸如11次、13次、17次、19次等)(如果有的话)具有可忽略的影响。
[0075]
偶次谐波：
[0076]
由于在接收器线圈中使用绞合环路几何形状而被抵消；
[0077]
3次谐波(及其倍数)：
[0078]
当使用3相系统时由于测量差异而被抵消；
[0079]
5次谐波：
[0080]
由于d3＝(3/5)*λ而在传感器1中被抵消；以及
[0081]
由于串联线圈之间的间距＝(1/10)*λ2而在传感器2中被抵消；以及
[0082]
7次谐波：
[0083]
由于串联线圈之间的间距＝(1/14)*λ而在传感器1中被抵消；以及
[0084]
由于d3＝(4/7)*λ2而在传感器2中被抵消。
[0085]
总之，当使用本公开的两相实施方式时，以下谐波被抵消。
[0086]
偶次谐波：
[0087]
由于在接收器线圈中使用绞合环路几何形状而被抵消；
[0088]
3次谐波(及其倍数)：
[0089]
由于d3＝(2/3)*λ而在传感器1中被抵消；以及
[0090]
由于串联线圈之间的间距＝(1/6)*λ2而在传感器2中被抵消；
[0091]
5次谐波：
[0092]
由于串联线圈之间的间距＝(1/10)*λ而在传感器1中被抵消；以及
[0093]
由于d3＝(3/5)*λ2而在传感器2中被抵消。
[0094]
7次、9次、11次、13次、17次、19次等谐波：未抵消。
[0095]
另外，应该认识到的是，耦合可以发生在用于将激励线圈和接收器线圈连接到控制单元的引线之间。这种耦合可以通过实现美国专利申请序列no.16/112,221中公开的一个或多个概念来解决，该美国专利申请序列于2018年8月24日以发明人jacques jean bertin的名义提交且题为“devices,systems and methods for determining and compensating for offset errors arising in inductive sensors”，并于2021年9月7日作为美国专利号11,112,275发布，该美国专利申请序列的全部内容通过引用并入本文。
[0096]
虽然上面已经以一定程度的特殊性或参考一种或多种单独的实施方式描述了要求保护的发明的各种实施方式，但是本领域技术人员可以在不背离要求保护的发明的精神或范围的情况下对所公开的实施方式进行更改。使用术语“大约”、“近似”或“基本上”意味着元素的值具有预期接近所述值或位置的参数。但是，如本领域中众所周知的，可以存在微小的变化，这些变化阻止这些值与所陈值完全一致。因而，预期的方差(诸如10％差异)是本领域普通技术人员预期并知道相对于本公开的一种或多种实施方式的陈述或理想目标而言可接受的合理方差。还应认识到的是，术语“顶部”和“底部”、“左”和“右”、“向上”或“向下”、“第一”、“第二”、“之前”、“之后”和其它类似的术语仅用于描述和便于参考的目的，并且不旨在限制本公开的各种实施方式的任何元件的任何定向或配置或者操作序列。另外，术语“和”和“或”不旨在以限制性或扩展性的性质使用并且覆盖本公开的实施方式的元件和操作的组合的任何范围。因此预期其它实施方式。以上描述中包含并在附图中示出的所有内容旨在被解释为仅仅是说明实施方式而非限制。可以在不背离如所附权利要求中定义的本发明的基本要素的情况下对细节或结构进行改变。

技术特征：
1.一种线性电感式位置传感器，包括：激励线圈，沿着基板的轴延伸，所述激励线圈响应于从电源接收的交流(ac)信号而生成第一电磁场；目标线圈，被配置为在所述激励线圈上方并沿着所述轴移动，所述目标线圈电感耦合到所述激励线圈并生成第二电磁场；第一传感器，沿着所述轴延伸，所述第一传感器包括电感耦合到所述目标线圈的第一接收器线圈和第二接收器线圈，以便取决于所述目标线圈相对于所述轴的位置在所述第一接收器线圈中生成电压vr1并在所述第二接收器线圈中生成电压vr2，所述第一接收器线圈和所述第二接收器线圈分开基于所述第一接收器线圈的周期λ的距离；以及第一处理器，耦合到所述第一传感器，所述第一处理器被配置为基于所述电压vr1和所述电压vr2生成位置信号x1，所述位置信号x1表示所述目标线圈的位置。2.根据权利要求1所述的线性电感式位置传感器，其中，所述激励线圈以多环路配置围绕所述基板的周边延伸，或者所述激励线圈包围所述第一接收器线圈和所述第二接收器线圈。3.根据权利要求1所述的线性电感式位置传感器，其中，所述第一接收器线圈包括第一多个环路，并且所述第二接收器线圈包括第二多个环路。4.根据权利要求3所述的线性电感式位置传感器，其中，所述第一多个环路中的第一环路和第二环路彼此偏移距离d1＝λ/14，使得在所述电压vr1和所述电压vr2中生成的偶数次谐波被取消。5.根据权利要求3所述的线性电感式位置传感器，其中所述第一传感器还包括电感耦合到所述目标线圈的第三接收器线圈，以便取决于所述目标线圈相对于所述轴的位置在所述第三接收器线圈中生成电压vr3，所述第三接收器线圈包括第三多个环路，所述第三多个环路中的每个环路与所述第一多个环路中的对应环路和所述第二多个环路中的对应环路偏移距离λ/3，以及所述位置信号x1附加地基于所述电压vr3。6.根据权利要求1所述的线性电感式位置传感器，还包括：第二传感器，沿着所述轴延伸，所述第二传感器包括电感耦合到所述目标线圈的第一接收器线圈和第二接收器线圈，以便取决于所述目标线圈相对于所述轴的位置而在所述第二传感器的第一接收器线圈中生成电压vr1'并在所述第二传感器的第二接收器线圈中生成电压vr2'，所述第二传感器的第一接收器线圈和第二接收器线圈分开基于所述第二传感器的第二接收器线圈的周期λ2的距离；以及第二处理器，耦合到所述第二传感器，所述第二处理器被配置为基于所述电压vr1'和所述电压vr2'生成位置信号x2，所述位置信号x2表示所述目标线圈的位置。7.根据权利要求6所述的线性电感式位置传感器，其中，所述第二传感器的第一接收器线圈包括绞合环路配置的第一多个环路并且所述第二传感器的第二接收器线圈包括绞合环路配置的第二多个环路。8.根据权利要求7所述的线性电感式位置传感器，其中所述第二传感器还包括电感耦合到所述目标线圈的第三接收器线圈，以便取决于所述目标线圈相对于所述轴的位置在所述第二传感器的第三接收器线圈中生成电压vr3'，
所述第三接收器线圈包括第三多个环路，所述第三多个环路中的每个环路与另一个接收器线圈的对应环路偏移距离λ/3，以及所述位置信号x2附加地基于所述电压vr3'。9.根据权利要求8所述的线性电感式位置传感器，其中，所述第二传感器的第一接收器线圈或所述第二传感器的第二接收器线圈中的多个环路中的第一环路和第二环路彼此偏移距离d2＝λ2/10并且所述目标线圈具有宽度d3＝3/5λ＝4/7λ2，使得在所述电压vr1'、所述电压vr2'和所述电压vr3'中生成的奇数次谐波被取消。10.一种线性电感式位置传感器，包括：激励线圈，沿着基板的轴延伸；目标线圈，被配置为在所述激励线圈上方并沿着所述轴移动，当给所述激励线圈提供交变电流时，所述目标线圈电感耦合到所述激励线圈，所述目标线圈具有宽度d3；第一传感器，具有彼此偏移距离λ的第一多个接收器线圈，所述第一多个接收器线圈中的每个接收器线圈电感耦合到所述目标线圈并且包括第一多个绞合环路，其中所述第一多个绞合环路中的第一绞合环路与所述第一多个绞合环路中的第二绞合环路偏移距离d1；第二传感器，具有彼此偏移距离λ2的第二多个接收器线圈，所述第二多个接收器线圈中的每个接收器线圈电感耦合到所述目标线圈并且包括第二多个绞合环路，其中所述第二多个绞合环路中的第一绞合环路与所述第二多个绞合环路中的第二绞合环路偏移距离d2；第一处理器，被配置为根据在所述第一多个接收器线圈中感应出的第一电压集合生成表示所述目标线圈的位置的位置信号x1；第二处理器，被配置为根据在所述第二多个接收器线圈中感应出的第二电压集合生成表示所述目标线圈的位置的位置信号x2；以及游标处理器，耦合到所述第一处理器和所述第二处理器，所述游标处理器被配置为使用游标原理生成最终位置信号p，所述最终位置信号p表示基于所述位置信号x1和所述位置信号x2的所述目标线圈的位置。11.根据权利要求10所述的线性电感式位置传感器，其中，d3取决于λ和λ2，或者所述第一处理器抵消所述第一电压集合中的3次和5次谐波，或者所述第二处理器抵消所述第二电压集合中的3次、5次和7次谐波。12.一种方法，包括：从第一处理器接收基于由第一传感器生成的第一电压信号集合的第一位置信号x1，所述第一位置信号x1表示目标线圈的位置；从第二处理器接收基于由第二传感器生成的第二电压信号集合的第二位置信号x2，所述第二位置信号x2表示所述目标线圈的位置；以及使用游标原理根据所述第一位置信号x1和所述第二位置信号x2确定所述目标线圈的位置，其中从所述第一电压信号集合中抵消三次谐波，从所述第二电压信号集合中抵消五次谐波，以及所述目标线圈的尺寸被设计为取消来自所述第一电压信号集合和所述第二电压信号集合中的至少一者的七次谐波。

技术总结
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。信号计算目标沿着位置传感器的轴的位置。信号计算目标沿着位置传感器的轴的位置。


技术研发人员：J
受保护的技术使用者：半导体元件工业有限责任公司
技术研发日：2023.02.08
技术公布日：2023/8/14