專利名稱：位移傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及位移傳感器。
參看圖8和9來說明通常的位移傳感器。注意，通常的傳感器是一種根據位移體的位移量檢測壓力的傳感器。傳感器50例如可用作電動洗滌機、洗碗機等的水位傳感器。
如圖8所示，壓力傳感器50具有膜片地6(位移體)，它的邊緣被基座52和下蓋54夾緊；磁場線圈58，它位于基座52內；磁芯60，它由諸如鐵氧體等可磁化材料制成；彈簧61，它總是把膜片56移向起始位置；入口64，它做在下蓋54中；以及LC振蕩電路64(見圖9)。入口64與軟管(未示出)相連，用以將諸如氣體、水等流體部分(未示出)引入傳感器50。磁芯60固定在受壓力接受板66上，該板固定在膜片56的不受壓側表面(上側表面)上。采用這種結構，根據膜片56的位移，磁芯60可移近或移離磁場線圈58。磁芯60和磁場線圈58構成所謂LC振蕩電路62(見圖9)的可變成圈68。電容器70亦參與構成LC振蕩電路62，但它的電容量是固定的。
在上述通常的傳感器50，例如，當氣體壓力改變時，膜片56根據氣體壓力的改變而發生位移，從而磁芯60移近或移離磁場線圈58。由于磁芯60的移動，根據膜片56的移動量改變了可變線圈的電感量。于是，LC振蕩電路62的輸出信號的頻率F(被檢測信號)亦改變，頻率F根據下述公式(1)計算。由檢測電路(未示出)測量和計算輸出信號的頻率F，從而得出膜片56的位移和氣體壓力的大小。
公式(1) 注L可變線圈的電感量；以及
C電容器的電容量。
然而，通常的位移傳感器具有下述缺點。
在位移傳感器中，把膜片和磁芯的位移轉換為氣體壓力的變化。可以根據檢測得的LC振蕩電路的信號頻率的變化檢測出磁芯的位移和氣體壓力的變化，該LC振蕩電路包括磁場線圈，它的電感量根據磁芯的位移而改變。但是如公式(1)所示，LC振蕩電路的被檢測的信號的振蕩頻率與電感量的平方根成反比。因此，對應于磁芯位移量的頻率變化量很小，因而傳感器的分辨率必定很低。
其次，當氣體壓力很高而膜片的位移量很大時，偏移膜片的彈簧的彈性力很大，從而相應于氣體壓力變化的膜片的位移率必然會受到限制。采用這種結構，電感量和頻率的變化率必然較低，因而傳感器的分辨率必然較低。
本發明的一個目的是提供一種位移傳感器，即使磁芯的位移量與電感量的變化量很小，這種傳感器仍能保持較高的檢測分辨率。
為達到這一目的，本發明的位移傳感器包括位移體，它可根據外力發生位移；LC諧振電路，它包括磁場線圈和磁芯，磁芯用可磁化的材料制成，并且它可根據位移體的位移而移近和移離磁場線圈；振蕩器，用于將具有預定頻率的連續信號輸入至LC諧振電路；以及檢測電路，用于根據來自LC諧振電路的連續信號的幅度檢測位移體的位移量。
本發明的位移傳感器還可包括整流電路，用于對來自LC諧振電路的連續信號進行整流和濾波，其中，檢測電路根據來自整流電路的直流電壓檢測位移體的位移量。
在位移傳感器中，隨著磁芯的移動，可以將LC諧振電路的諧振頻率設計得在等于或大于預定頻率的范圍內改變。
在位移傳感器中，外力可以是流體壓力，其中，檢測電路根據位移體的位移量檢測流體壓力。
在位移傳感器中，位移體可以是膜片，它能根據流體壓力的變化而發生位移，其中，檢測電路根據膜片的位移量檢測流體壓力。
在位移傳感器中，外力可以是目標部件的重量，其中，檢測電路根據位移體的位移量檢測重量。
此外，本發明的位移傳感器可包括LC諧振電路，它包括磁場線圈和磁芯，磁芯用可磁化的材料制成，并且它可根據外力而移近和移離磁場線圈；振蕩器，用于將具有預定頻率的連續信號輸入至LC諧振電路；以及檢測電路，用于根據來自LC諧振電路的連續信號的幅度檢測所述磁芯的位移量。
在本發明中，相對于電感量變化量的連續信號的變化量(即該信號幅度的變化量)可以比通常的位移傳感器中的信號變化量大，從而位移體的位移量不使傳感器的分辨率變低。
藉助于整流電路對連續信號整流和濾波以及檢測電路根據來自所述整流電路的直流電壓而檢測位移體的位移量，檢測電路的結構能夠做得比通常的傳感器的檢測電路的結構簡單，通常的傳感器測量交流信號的頻率或幅度。
在傳感器中，例如在具有以膜片作為位移體的壓力傳感器中，即使采用彈簧總是把膜片移向其起始位置(這在壓力高時會限制膜片的位移率)，只要設計LC諧振電路的諧振頻率隨磁芯的移動而在等于或大于預定頻率的范圍內改變，就能做到位移體的位移量越大，諧振電路的輸出電壓的增長率越大。因此，可以改善傳感器檢測的線性度。
在用壓力、重量或加速度作為外力使位移體發生位移的情形中，可在不使分辨率降低的條件下把壓力、重量或加速度作為外力的大小來檢測。
通過采用包括磁場線圈和能根據外力移近和移離磁場線圈的磁芯的LC諧振電路；用于向LC諧振電路輸入具有預定頻率的連續信號的振蕩器；以及根據連續信號的幅度檢測磁芯位移量的檢測電路，就能實現用于檢測磁芯位移量的傳感器，其中，由外力直接使磁芯發生位移。
通過例子并結合附圖來描述本發明的實施例，在這些附圖中
圖1是本發明的位移傳感器實施例1的方框圖；圖2是示出圖1所示的振蕩器頻率與整流電路輸出電壓之間關系的曲線圖；圖3是示出磁芯位移量與氣體壓力之間關系的曲線圖；圖4是示出圖1所示的傳感器的氣體壓力、電感量、諧振頻率和電壓V0之間關系的表格；圖5是實施例2的諧振電路的電路圖；圖6是示出振蕩器頻率與圖5所示的整流電路的輸出電壓之間關系的曲線圖；圖7是示出圖5所示的傳感器的氣體壓力、電感量、諧振頻率和電壓V0之間關系的表格；圖8是示出通常的壓力傳感器內部結構的正面剖面圖；圖9是通常的壓力傳感器的LC振蕩器的電路圖；圖10是采用本發明的位移傳感器的震動傳感器的檢測單元的剖面圖；圖11是采用本發明的位移傳感器的油箱重量傳感器的檢測單元的剖面圖；圖12是說明示于圖11的油箱重量傳感器的檢測單元動作的剖面圖；以及圖13是采用本發明的位移傳感器的加速度傳感器的檢測單元的剖面圖。
現在將結合附圖詳細描述本發明的較佳實施例。(實施例1)在實施例1中，用于檢測流體壓力的壓力傳感器將作為本發明的位移傳感器的一個例子而加以說明。注意，壓力傳感器不僅能檢測氣體壓力，也能檢測液體壓力。
本發明實施例的壓力傳感器的機械結構與通常的壓力傳感器50的機械結構相同(通常的壓力傳感器的機械結構已在技術背景部分說明過了)，因此，本發明的壓力傳感器具有膜片56，它按照氣體壓力的變化而位移；磁場線圈58；以及磁芯60，它由可磁化材料制成，并且可根據膜片56的位移而移近和移離磁場線圈58。
參看圖1來說明檢測氣體壓力變化的檢測單元的電路，該氣體壓力根據可變線圈68電感量的變化而對膜片56產生作用，可變線圈68由磁場線圈58和磁芯60構成。
LC諧振電路10包括可變線圈68和電容器12。作為例子，LC諧振電路10是一串聯諧振電路，而電容器12接地。
把振蕩器14接至LC諧振電路10的可變線圈68，從而向該諧振電路輸入具有預定頻率的連續信號。連續信號可以是正弦波、脈沖等等。例如，可以從一微型計算機的時鐘單元輸出脈沖，該微型計算機可包括在檢測電路22中，還可利用程序從微型計算機的公共輸出端口輸出脈沖。振蕩器14可一直輸出連續信號，或者僅當檢測到氣體壓力時才輸出連續信號，從而減少耗電。
整流電路16包括二極管18和平滑波形的電容器20。二極管18的陽極端連接至LC諧振電路10的可變線圈68和電容器12之間的中點。
檢測電路22根據作為被檢測信號的跨在濾波電容器20兩端的直流電壓來檢測膜片56的位移量以及對膜片56作用的氣體壓力。具體些說，檢測電路22具有模/數轉換器(未示出)，用以將電容器20兩端之間的電壓(它是模擬值)轉換為數字值；以及微型計算機(未示出)，在微型計算機中存儲了二張參數表格，一張是用于將數字值轉換成膜片56的位移量的參數表，還有一張是將膜片56的位移量轉換成氣體壓力以供輸出的參數表。注意，用于存儲這些表格的存儲器單元可獨立于微型計算機而與之連接。而存儲器也可設在微型計算機中。微型計算機可控制振蕩器14以輸出連續信號。
其次，將說明氣體壓力傳感器的動作。
首先，把從振蕩器14輸出的具有固定頻率Fi和固定幅度Vi的連續信號(例如，正弦波)輸入至LC諧振電路10。根據下述公式(2)來計算整流電路16的輸出電壓V0。
公式(2)V0＝Vi/|-ω2LC|ω＝2πF注F輸入至諧振電路的連續信號的頻率；L可變線圈的電感量；以及C電容器的電容量。
注意，公式(2)假定電路元件是理想的，即線圈和電容器都沒有串聯電阻分量和在二極管中沿電流容易流動的方向無電壓降。
圖2示出頻率F(水平軸)與電壓V0(垂直軸)根據公式(2)的相互之間的關系。諧振頻率F0(見背景技術中的公式(1))根據線圈68的電感量L而改變，從而使曲線偏移。如果使電感量L逐漸增大，則諧振頻率F0逐漸變小，從而在圖2中曲線向左移動。
注意，如果起始氣體壓力例如為零，而膜片56處于其起初位置，曲線圖由單點劃線“a”示出。其時，LC諧振電路10的諧振頻率是F01。如果連續信號的頻率為Fi，則電壓V0為V01。
在此狀態下，當氣體壓力升高時，在圖8中，膜片56向上位移，從而使磁芯60移近磁場線圈58。通過使磁芯60移進磁場線圈58，可變線圈68的電感量逐漸變大；LC諧振電路10的諧振頻率F0逐漸變低，從而曲線從曲線“a”的位置向左移動。在曲線“a”移至曲線“b”(它用雙點劃線表示)的情形中，諧振頻率變為F02。如果連續信號的頻率為Fi，則電壓V0從V01升至V02。此時的氣體壓力、電感量L、諧振頻率F0和電壓V0之間的關系如圖4所示。
由于有上述動作，通過用檢測電路22檢測從整流電路16輸出的直流電壓V0可以檢測氣體壓力。
注意，在由于諧振作用，從LC諧振電路10輸出的電壓電平過高的情形中，可以通過把電阻與LC諧振電路10相串接的辦法來調節電壓電平。
如在
背景技術：
中所述，膜片56的位移量越大，則彈簧61作用在膜片56上的偏移力也越大。在通常的傳感器中，如果氣體壓力很大，則膜片56(磁芯60)的位移率很小，因而檢測氣體壓力的線性度很低。但是，在本發明的壓力傳感器中，在諧振頻率F等于或低于F01或F02的區域中，電壓V0變化率的增長率較大(見圖2)。這樣，示于圖3的特性曲線可以由示于圖2的特性曲線改進。即，如果氣體壓力很高而膜片56的位移量很大，則可改進檢測氣體壓力的線性度。
通過采用LC諧振電路10，相應于電感量L的變化量的電壓V0的變化量較大，因而改進了檢測氣體壓力的分辨率。從整流電路16輸出的電壓V0可以等于或大于輸入電壓Vi，因而在后續級中的處理比較容易。(實施例2)在實施例2中，也將壓力傳感器作為位移傳感器來說明。
本實施例的傳感器結構幾乎與實施例1的傳感器結構相同。但是，在實施例2中，LC諧振電路10是并聯諧振電路，因而檢測電路22的在微型計算機中的用于檢測氣體壓力的參數表不同于實施例1中的參數表。
在LC諧振電路10中，把電容器24與可變線圈68并聯。又將它們串聯地連至整流電路16；把一電阻26連至LC諧振電路10和整流電路16的中點(見圖5)。
因為LC諧振電路10是如圖5所示的并聯諧振電路，因而頻率F與電壓V0之間的關系如圖6的曲線圖所示。即，根據可變線圈68的電感量L的變化而改變諧振頻率F0，從而使曲線側向移動。如果電感量L逐漸增大，則諧振頻率F0逐漸降低，因而在圖6中曲線向左移動。
注意，如果氣體壓力為起始值，例如零值，而膜片56處于其起始位置，則曲線由單點劃線“a”示出。此時，LC諧振電路10的諧振頻率是F01。如果頻率為Fi，則電壓V0為V01。
下面將說明在氣體壓力升高情形中，壓力傳感器的動作。
當氣體壓力開始升高時，膜片56開始位移，因而磁芯60移向磁場線圈58。由于這一移動，使可變線圈68的電感量L逐漸增大，LC諧振電路10的諧振頻率逐漸降低，從而在圖6中曲線向左移動。如果，例如，曲線從“a”移至“b”(一條雙點劃線)，則諧振頻率為F02，而電壓V0從V01變低到V02。它們之間的關系示于圖7。
通過用檢測電路22檢測來自整流電路16的直流電壓V0，可以得知氣體壓力。
在實施例2中，與實施例1相同，在諧振頻率等于或小于F01或F02的區域中，電壓V0變化率的增加率很大(見圖6)。這樣，示于圖3的特性曲線可以用圖6所示的特性曲線來改進。即，如果氣體壓力很高而膜片56的位移量很大，就能改進檢測氣體壓力的線性度。
通過采用LC諧振電路10，相應于電感量L的變化量，電壓V0的變化量較大，因而可改進檢測氣體壓力的分辨率。根據圖6中的曲線，從整流電路16輸出的電壓V0等于或大于輸入電壓Vi，因而檢測電路22的結構可以做得簡單些，而傳感器具有實施例1的效果。
在本實施例中，這樣來設計可變線圈68和電容器12和24，使得當可變線圈68的電感量L改變時，曲線(這些諧振曲線示出頻率F與電壓V0之間的關系)的諧振頻率F0總是保持等于或高于來自振蕩器14的連續信號的頻率Fi(見圖2和6)。然而，也可將可變線圈68和電容器12和24設計得使諧振頻率F0總是保持在等于或低于來自振蕩器14的連續信號的頻率Fi。(實施例3)在實施例3中，把震動傳感器作為位移傳感器加以說明。
震動傳感器28用于加熱器等。當加熱器在例如地震等情形中發生震動或傾斜時，震動傳感器28就產生一停止信號。
參看圖10說明震動器28的結構。注意，如實施例1那樣，傳感器28具有LC諧振電路10、振蕩器14、整流電路16以及檢測電路22。因而對于已在實施例1中描述的部件取相同的標號并省略對它們的說明。
震動傳感器28的獨特之處是震動球(quake ball)36，它是位移體。微型計算機檢測震動球36是否震動或震動的大小。存儲在檢測電路22的存儲器中的參數表格包括將震動球36的位移量換成它的震動大小的參數。
外殼30是用能夠屏蔽磁場的材料制成的。
在外殼30內形成托架32。托架32的中心部分做成漏斗形狀。在托架32的最低部分開有通孔34。
將震動球自由地放置在托架32的頂面上。震動球36的直徑大于通孔34的直徑。在本實施例中，震動球36用作位移體。
在外殼30的內底面和托架32之間設有磁場線圈58。磁場線圈58的軸與托架32的通孔34相對應。磁芯60由彈簧38支承，而磁芯60的上端段總是從通孔34向上伸出。注意，將彈簧38設計得可由震動球36的重量使其收縮，因而彈簧38總是由震動球36朝下偏置，震動球36位于起始位置處，在該處，震動球36蓋住了通孔34。
震動傳感器28的動作說明如下。
當外殼30震動時，震動球36從它蓋住通孔34的起始位置靠著托架32的斜坡向上移動。隨著震動球36的移動，原先被縮移的彈簧就伸長并將磁芯60向上推，因而磁芯60移入磁場線圈58。
隨著磁芯60的移動，可變線圈68的電感量如同實施例1那樣改變，從而微型計算機能夠檢測出震動球36的位移。這樣，傳感器28能檢測出外殼30是否震動。
通過采用LC諧振電路10以及振蕩器14，可以使來自LC諧振電路10的連續信號的幅度以及幅度的變化增大，因而能檢測出震動球36的微小震動。這樣，可以制造出具有高靈敏度的震動傳感器震動傳感器28。(實施例4)在實施例4中，把重量傳感器作為位移傳感器加以說明。注意，如實施例1那樣，傳感器具有LC諧振電路10、振蕩器14、整流電路16以及檢測電路22和因而對于已在實施例1中描述的部件取相同的標號并整略對它們的說明。
實施例的獨特之處在于，磁芯60可根據位移體的重量而作位移。
已在實施例1和實施例2中說明的參數表格包括把位移體的位移量轉換成重量的參數。注意，在本實施例中，把燃油加熱器的油箱40用作位移體。
參看圖11和12來說明根據油箱40的重量使磁芯60位移的基本結構。
儲油箱42把燃油43送入油箱40。
在儲油箱42箱口部分的邊緣設有支點44。
在儲油箱42的頂側，由支點44支承片簧46。片簧46具有一個通孔34，該孔在儲油箱42箱口部分的上方，并與該箱口部分對應。采用這種結構，可把油箱40的出口安放在片簧46的通孔34內。
當把油箱40的出口放入片簧46的通孔34時，根據油箱40的重量，片簧46會發生變形或彎曲，如圖12所示。
把臂48裝在片簧46的一個端部處的樞軸上。臂48根據片簧46的變形程度移動，從而磁芯60能移近或移離磁場線圈58。
采用上述結構，可把油箱40內的油量的變化轉換成由片簧46支承的油箱40的位移量。油箱40的位移可由片簧46和臂48轉換成磁芯的位移量，并進一步轉換成可變線圈68的電感量的變化。
檢測電路22的微型計算機通過采用LC諧振電路10、振蕩器14、整流電路16和檢測電路22的存儲器中的參數表格能夠檢測油箱40的位移量以及油箱的重量。
即使油箱40的位移量十分小，由于采用了LC諧振電路10以及振蕩器14，連續信號的幅度仍可有較大改變，因而重量傳感器能夠作高靈敏度和高分辨率的檢測。
注意，本實施例的重量傳感器不僅能檢測油箱40的重量，而且能檢測許多物品的重量。(實施例5)在實施例5中，把加速度傳感器作為位移傳感器加以說明。注意，如以前的實施例那樣，該傳感器具有LC諧振電路10、振蕩器14、整流電路16以及檢測電路22。因而對于已在前面的實施例中描述的部件取相同的標號并省略對它們的說明。
在實施例5中，加速度傳感器沒有用來位移磁芯的位移體。磁芯靠慣性(外力)位移，因而通過檢測磁芯的位移量能夠得知磁芯運動的加速度。
在加速度傳感器中，沿X、Y和Z軸設置三個可變線圈68x、68y和68z，這三個線圈相互垂直。在三個可變線圈68x、68y和68z的交點處，設置一個可磁化的物體(磁芯)60，而該磁芯60由彈簧38可動地支承。相應于可變線圈68x、68y和68z中的每個可變線圈，共提供三組LC諧振電路10、整流電路16以及檢測電路22。已在實施例1和實施例2中說明的參數表包括把磁芯60的位移量轉變為加速度的參數。
當有加速度作用于加速度傳感器時，根據加速度的大小，磁芯60沿與傳感器移動方向相反的方向作位移。由于磁芯60的位移，改變了可變線圈68x、68y和68z的電感量，因而微型計算機檢測出磁芯60沿X、Y和Z方向的位移量而檢測出加速度。此外，通過檢測運動方向的成分以及沿X、Y和Z方向的加速度，可以檢測傳感器的運動方向和加速度。
在實施例5中，傳感器是三維加速度傳感器，但是相應于可變線圈68x和68y中的每一個線圈，采用兩組LC諧振電路10、整流電路16和檢測電路22，就能實現二維加速度傳感器。
在上面的實施例中，在檢測電路22的參數表中的參數把位移體或磁芯的位移量轉換成氣體壓力等等，但通過根據檢測對象改變參數，可采用位移傳感器來檢測許多種類的傳感器，例如，檢測液位傳感器，該傳感器的位移體是浮子。
本發明可以用其他具體的形式來實施而不背離本發明的精神或基本特征。所以無論從哪一點來看，都應將所給出的那些實施例考慮為說明性的而不是限制性的，本發明的范圍要由所附的權利要求書來指明，而不是由前面的描述來指明，而在權利要求書等價性的含義和范圍內的所有改變都將被包括在內。
權利要求
1.一種位移傳感器，其特征在于包括位移體，它可根據外力作位移；LC諧振電路，它包括磁場線圈和磁芯，磁芯用可磁化的材料制成，并可根據所述位移體的位移移近或移離所述磁場線圈；以及振蕩器，用于將具有預定頻率的連續信號輸入至所述LC諧振電路。其中，經改進的位移傳感器包括檢測電路，用于根據來自LC諧振電路的連續信號的幅度檢測所述位移體的位移量。
2.如權利要求1所述的位移傳感器，其特征在于，進一步包括整流電路，用于對來自所述LC諧振電路的連續信號進行整流和濾波，其中，所述檢測電路根據來自整流電路的直流電壓檢測所述位移體的位移量。
3.如權利要求1或2所述的位移傳感器，其特征在于，這樣設計所述LC諧振電路的諧振頻率，使之隨所述磁芯的移動而在等于或大于所述預定頻率的范圍內變化。
4.如權利要求1、2或3所述的位移傳感器，其特征在于，所述外力是流體壓力，而其中所述檢測電路根據所述位移體的位移量來檢測流體壓力。
5.如權利要求4所述的位移傳感器，其特征在于，所述位移體是膜片，所述膜片能根據流體壓力的變化作位移，以及所述檢測電路根據所述膜片的位移量檢測流體壓力。
6.如權利要求1或2所述的位移傳感器，其特征在于，所述外力是目標物的重量，并且所述檢測電路根據所述位移體的位移量檢測重量。
7.一種位移傳感器，其特征在于包括LC諧振電路，它包括磁場線圈和磁芯，磁芯用可磁化的材料制成，并且能根據外力移近或移離所述磁場線圈；以及振蕩器，用于將具有預定頻率的連續信號輸入至所述LC諧振電路，其中，經改進的位移傳感器包括檢測電路，用于根據來自所述LC諧振電路的連續信號的幅度檢測所述磁芯的位移量。
全文摘要
本發明目的是提供一種位移傳感器，即使磁芯的位移量和電感量的變化量很小，這種傳感器仍能保持高的檢測分辨率。在本發明的位移傳感器中，位移體可根據外力作位移，LC諧振電路包括磁場線圈和磁芯，磁芯用可磁化的材料制成，根據位移體的位移，磁芯可移近和移離磁場線圈。振蕩器將具有預定頻率的連續信號輸入至LC諧振電路。檢測電路根據來自LC諧振電路的連續信號的幅度檢測位移體的位移量。
文檔編號G01L9/00GK1150646SQ9610610
公開日1997年5月28日 申請日期1996年4月22日 優先權日1995年4月20日
發明者靜谷慶裕 申請人:卓科株式會社
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
