電容型位置傳感器和測知方法

專利名稱：電容型位置傳感器和測知方法
專利說明電容型位置傳感器和測知方法 本發明涉及諸如活塞之類的往復運動構件，更具體地說涉及用來瞬時監測其位置的裝置和方法。各種不同的應用需要關于快速往復運動構件的位置的測知和最終確定。這樣的往復運動構件的可仿效的類別包括在自由活塞內燃機、液壓缸和氣壓缸中的活塞，和在自由活塞斯特林發動機(FPSE)或壓縮機中的活塞和壓氣活塞。雖然傳統的內燃機是被普遍使用而且有許多優勢，但是與這些發動機相關聯的廢氣排放往往超過可接受的水平。除此之外，這些發動機可能有過度的噪聲而且需要頻繁的維護。斯特林發動機代表這些領域中的進步，因為它們在運轉中極為有效和安靜，而且它們可能被配置成事實上不產生任何排放物。與斯特林發動機相關聯的共同應用是借助自由活塞斯特林發動機(FPSE)驅動的直線交流發電機從熱能產生電能。在這些類型安排的實際應用中，由于負載阻抗的變化和一些或全部負載的連接和斷開，在正常操作期間，電負載的功率要求實質上是變化的。此外，操作溫度和其它變量在操作期間可能這樣改變以致在功率要求方面隨著時間逝去造成小的和并非如此小的改變。在廣泛的電力要求和發動機溫度條件的范圍內獲得最佳的自由活塞發動機-交流發電機設備效率，需要控制動力活塞位移。不僅需要依照電負載和發動機溫度條件通過連續調節動力活塞位移維持最佳的設備效率，而且在安全界限之內維持斯特林發動機的行程振幅也是至關重要的。如果強加在FPSE上的負載被突然減少相當大的數量，那么發動機的行程振幅將相應地被突然增加。如果振幅方面的增加是足夠大，那么活塞可能撞擊其活塞缸，從而由于活塞而且有可能還有活塞缸的變形造成無法恢復的發動機故障。另一方面，如果負載被相當大地并且突然的增加，那么行程振幅可能被突然減少到發動機不再能夠振蕩的點上。迄今，已有兩種主要的解決這些潛在問題的辦法。在第一種情況下，使活塞行程成為本質上自我限制的。依照一種途徑，壓氣活塞依靠直線電動馬達的振蕩運動被機械地驅動。這樣，諸如壓氣活塞行程振幅之類的驅動參數受到控制，以便間接控制活塞行程振幅和交流發電機輸出電壓。盡管這種途徑通常是有效的，但是它確實有許多缺點。首先，它需要附加的機電裝置和控制電路，從而增加成本和復雜性。此外，由于機械部份的慣性，對負載變化的響應時間可能是緩慢的。在解決活塞和壓氣活塞振幅的控制問題的第二類辦法中，可以使用主動方式，其中測量活塞和/或壓氣活塞位置并且基于該測量結果完成系統控制。在FPSE驅動直線交流發電機的情況下，交流發電機電樞中的感應電壓可能用來最后確定活塞位置。典型地，這是依靠獲得行程振幅通過電樞感應電壓實現的。這類解決辦法也有缺點。具體地說，存在負載電流取決于由于電樞線圈的電阻和電感而產生的電壓降。而且，直接影響電樞感應電壓的交流發電機場磁鐵的強度將隨著溫度和隨著時間逝去改變。電阻和電感的電壓降必須在位置計算時予以解釋，因為在實際測量可觀測的交流發電機接線端電壓期間負載電流正在流動。雖然如果磁鐵溫度能被估計出來，隨著溫度的可恢復的磁鐵強度的變化或許能得到補償，但是難以解決磁鐵老化造成的變化。此外，如果磁鐵達到在它們的操作B-H特性曲線中呈現顯著的“膝部”的溫度，那么當它們暴露在強烈的電樞反作用場中的時候可能遭受無法恢復的強度損失。這樣的變弱不容易被發現而且能引起對活塞偏移的掩飾從而導致損壞性的沖擊。不幸的是，在許多現有技術的解決辦法中，電壓降和場磁鐵強度變化不被考慮，于是不準確的數據產生。另一方面，為了考慮電壓降，附加的控制電路和計算必須被執行。許多用來監測往復運動構件位置的現有技術的方法是使用磁性的，電磁的和光學的感知技術。使用這些在時間和溫度起伏情況下足夠堅固和穩定的現有技術的方法監測活塞位置的解決辦法可能過于昂貴而無法實現。籠統地說，電容型傳感器是已知的，而且進一步知道這些傳感器可以用來確定橫向定位，包括關于往復運動構件的位置測知。舉例來說，Moser在美國專利第4,587,850號中揭示了一種用來通過使用由在電容結構的固定電極之間的電介體移動組成的可變阻抗，以探測和測量活塞在活塞缸中移動的裝置。在確定位置方面使用可變的電容結構是基于這樣的前提，即電容量變化以電極的位置關系為基礎。在大多數情況下，電容的變化以與由此產生的電容量成反比的兩個電極之間的距離變化為基礎。不幸的是，因為電極間距離和電容量之間的關系是非線性的，鑒于傳感器以這種關系為基礎，困難可能出現。具體地說，電容量在實際應用中可能是極小的，而且由于這種非線性位置-電容量反比關系同時適應在一個位置極值如此小的變化而在另一個位置極值大得多的變化，因此可能在傳感器測量和由此產生的控制操作方面導致棘手的誤差。因此，這些類型的傳感器可能需要昂貴的、復雜的附加的信號校正處理。除了關于測知本身出現的問題之外，在現有技術的解決辦法方面的關于信號處理方面的其它困難已經出現在一旦測知已經完成時。舉例來說，能起因于電極間的間隔變化(舉例來說，在1-20毫米的范圍內)的小的傳感器電容量變化(舉例來說，大約正或負25pF)可能難以傳輸和處理。這是由許多因素造成的，包括，舉例來說，由傳輸電纜本身有可能因電纜彎曲改變的基線電容量被這一事實引進的電容量誤差。此外，當操作變化很小的時候，寄生電容誤差很容易被引進并且與信號處理相結合可能變得非常棘手。一方面是提供一種用來監測多種系統和應用里面的往復運動構件的瞬時位置的傳感器裝置和方法。另一方面是提供這樣一種經濟、可靠而且準確的傳感器。又一方面是提供這樣一種可以與FPSE中活塞或壓氣活塞結合使用的傳感器。本發明的更進一步方面是提供一種基于電容變化起作用的、使用高度線性的轉移功能操作的，而且對互連電纜和寄生電容不敏感的傳感器裝置和方法。本發明的傳感器的優選形式包括各種不同的實施方案。一個這樣的實施方案包括用來監測諸如FPSE中的活塞或壓氣活塞之類快速往復運動的構件的位置的簡單的和堅固的可變的同軸電容型傳感器和探測方法。本發明的同軸電容器在其優選實施方案中被配置成調節電容的電極面積而不是電極間的間隔，因此高度線性的轉移功能能實現。另外，揭示了在抑制寄生電容誤差的同時推演和處理與有小的傳感器電容量變化的應用有關的信號的探測方法。依照一個實施方案，本發明的傳感器是這樣構成的，以致一對同軸的管子構成電容結構。在一個實施方案中，內部的管子被固定在適當的位置，而外部的管子依照軸線方向自由移動。外部的管子可能被，舉例來說，附著到活塞或壓氣活塞或其零部件上。兩個管子是為包括充當電極表面的傳導性材料而形成的。當外部的管子相對于固定的內部的管子沿著軸線方向移動的時候，用管子表面的重疊部分限定的面積改變而且與電容變化結果直接相關。通過如同本文教導的那樣測定電容變化，附著在外部的管子上的往復運動的構件或其它移動的零部件的位置可以被準確有效地測量和確定。本發明的傳感器相對現有技術提供許多優勢。舉例來說，在此揭示的傳感器有非常簡單的構造。它不需要光學元件或磁性元件而且可以使用一個或多個現有的零部件作為固定電極或移動電極或兩者。附加的優勢起因于依照本發明的教導的傳感器電容量只受交疊電極的幾何形狀控制這一事實。因此，測量的準確性不像磁性的和電光學的方法那樣受成分老化和由此產生的物理性質成分變化的影響。依照此方法，提供一種用來確定往復運動構件的位置的傳感器，所述的傳感器包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結構，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動電極，所述的移動電極的移動位置與所述的往復運動構件的運動成正比；其中所述的固定電極和所述的移動電極形成電容結構，所述的電容結構有直接與所述往復運動構件的瞬時位置成比例可變的電容量。另外，提供一種包括動力活塞的自由活塞斯特林發動機，所述的自由活塞斯特林發動機有能力借助電容型位置傳感器確定所述動力活塞的瞬時位置，所述的電容型位置傳感器包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結構，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動電極，所述移動電極的移動位置與所述的動力活塞的運動成正比；其中所述的固定電極和所述的移動電極形成電容結構，所述的電容結構有直接與所述的動力活塞的瞬時位置成比例的可變的電容量。進一步提供的是一種電容型位置傳感器，其中包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結構，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動電極，所述的移動電極移動位置與往復運動構件的運動成正比；
其中所述的屏蔽電極是在與所述固定電極的電位相同的電位下驅動的。此外，本發明提供一種用來確定往復運動構件的位置的方法，所述的方法包括下述步驟(i)提供固定電極和屏蔽電極，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；(ii)提供移動電極，所述的移動電極的移動位置與所述往復運動構件的運動成正比；以及(iii)定期測量在所述固定電極和所述移動電極之間的電容量，以便確定所述的往復運動構件的瞬時位置。此外，本發明提供一種用來控制往復運動構件的運動的方法，所述方法包括下述步驟(i)提供固定電極和屏蔽電極，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；(ii)提供移動電極，所述移動電極的移動位置與所述往復運動構件的運動成正比；(iii)定期測量所述固定電極和所述移動電極之間的電容量，以便確定所述往復運動構件的瞬時位置；以及(iv)基于所述往復運動構件的所述的已確定的瞬時位置控制所述往復運動構件的運動。如同下面進一步詳細描述的和熟悉這項技術的人將會了解的那樣，本發明的其它實施方案也是可能的。舉例來說，當電極彼此相對移動的方式變化的時候，電極的其它配置是可能的。現在將參照僅僅作為例子給出的本發明的優選形式和參照附圖更詳細地描述這項發明，在這些附圖中

圖1是依照本發明體現在活塞、活塞缸和交流發電機組件之中的電容型傳感器的剖面圖；圖2是圖1所示的電容傳感器組件的更詳細的剖面圖；圖3是依照其一個實施方案本發明的電容型傳感器的剖面圖；圖4是依照本發明的一個優選實施方案在電壓不變的情況下使用可變的電流探測結果的用于信號調節的電路的電路圖；圖5是依照本發明的另一個優選實施方案在電壓不變的情況下使用可變的電流探測結果的用于信號調節的電路的電路圖；圖6是依照本發明的另外一個優選實施方案在電壓不變的情況下使用可變的電流探測結果的用于信號調節的電路的電路圖；圖7是依照本發明的另一個優選實施方案在電流不變的情況下使用可變的電壓探測結果的用于信號調節的電路的電路圖。現在介紹在圖1-7中舉例說明的實施方案，其中相似的數字用來通篇指定相似的部份。圖1、2和3示出本發明的電容型傳感器。如同熟悉這項技術的人將會了解的那樣，本發明的教導不必局限于在此揭示的斯特林發動機、活塞或特定的測知環境。具體地說，在此教導的特定的傳感器結構和信號調節方法有廣泛的應用而且可以在許多環境和應用中實現。本發明的范圍僅僅受權利要求書的限制。依照本發明的優選實施方案，本發明的電容型傳感器是連同把機械能轉變成電能的FPSE驅動的交流發電機一起使用的。活塞/交流發電機組件100僅僅是可以應用本發明的電容型傳感器和信號調節技術的一種應用。伴隨的描述僅僅是為了說明的目的提供的，本發明不應該被解釋成僅限于此。關于這個可仿效的實施方案，活塞130在活塞缸150中往復運動。在這個實施方案中，活塞130可以是裝在組件100里面的多個活塞之一，或者它可以是組件100中唯一的活塞。產生電能的交流發電機170包括套筒140。套筒140充當在此也被稱為外部電極并且在下面更詳細地描述的電容器移動電極。在一個實施方案中，套筒140也可以起支撐裝在交流發電機里面的一個或多個交流發電機環形磁鐵160的作用。在這種情況下，有本發明的獨創的電容型傳感器的組件100能借助翻新改造現有的發動機/交流發電機組合產生。活塞/交流發電機組件100進一步包括一個用諸如塑料之類非傳導性材料形成的固定電極180。如同下面描述的那樣，傳導性鍍層被加到固定電極180的特定部分。在一個實施方案中，塑料可以被用作固定電極180的材料，只要選定的特定塑料適合用導電材料(例如，銅)電鍍即可。固定電極支撐110可以被制成固定電極180的延伸段，而且它可以進一步包括用來把固定電極180和固定電極支撐110緊固到交流發電機機體上的孔。固定電極支撐110優選用塑料之類的非導電材料制成。固定電極支撐110和固定電極180的組合優選作為圖2所示的有法蘭的管子制成。代表固定電極180的管子的外表面被涂上一層諸如銅之類的導電材料。此外，代表固定電極支撐110的法蘭部分的內表面和底部也被鍍上諸如銅之類的導電材料。固定電極支撐/固定電極部件的其余部分通常仍然是非導電的而且是為了使固定電極180與屏蔽電極120電絕緣，和使這兩個電極與維持在接地電位的交流發電機和發動機結構隔離而專門設計的。作為部分的固定電極支撐結構110被包括在內的屏蔽電極120被包括在內以將寄生電容誤差減到最小，如同下面更詳細地描述的那樣。在本發明的優選實施方案中，屏蔽電極120被接到維持屏蔽電極120以及互連電纜屏蔽層在與固定電極180相同的電位借此抑制任何電流流過這些元素和固定電極180之間的電容的屏蔽驅動電路上，用來拒絕它們對該測知方法的準確性的影響。所有的交流發電機零部件和活塞130、內部電極180和外部電極140的一部分被裝在交流發電機殼體175之內。依照本發明的教導，當活塞130在活塞缸150里面往復運動的時候，引起直接固定在活塞130上的外部電極140沿著軸線方向朝向和遠離在交流發電機殼體175頂端的管端蓋帽195移動。這種往復運動轉化為固定電極180和外部電極140之間的相對運動，以致在發動機操作期間外部電極140和固定電極180之間重疊部分的大小隨著時間推移而改變。當外部電極140在固定的內部電極180上來回移動的時候，固定電極180和外部電極140所形成的電容型結構的面積改變，從而導致電容型傳感器的電容性質的改變，下面將予以更詳細地描述。如同能在圖1、2和3中看到的那樣，在本發明的優選實施方案中，固定電極180和外部電極140在外形上都是圓筒形的而且本質上是空心的。為了允許外部電極140自由地來回移動，固定電極180的外徑小于外部電極140的內徑，同時把固定電極180的變化長度限制在外部電極140的內部之內。對于熟悉這項技術的人結合這份說明書的綜述將變得顯而易見，與本發明的電容型位置傳感器相關聯的固定電極和移動電極制成同軸的空心圓筒并非是必要的。而是，唯一的要求是兩個電極一起形成有確定的依照待監測的移動構件的位移改變的面積動態關系的電容量的電容結構。舉例來說，但不作為限制，使用諸如平板、正方形管子和圓形管子之類其它形狀的電極實踐本發明也是可能的。各個電極可能是同軸的(即，它們沿著軸線方向彼此重疊)，也可能不是同軸的，而且它們可能有取決于感知往復運動構件的位置的特定環境的各種不同的尺寸。在本發明使用同軸圓筒作為與活塞/交流發電機組件100相結合的電容器電極的優選實施方案中，固定電極180的外徑可以是，舉例來說，24毫米，而外部電極140的內徑可以是，舉例來說，24.5毫米。這導致在固定電極180的外表面和外部電極140的內表面之間有0.25毫米的極小的氣隙。此外，在優選實施方案中，在電極之間重疊部分的標定長度在中央接合時是20毫米，兩邊各有大約10毫米的移動距離從而導致電容器長度范圍從完全脫離時的10毫米到完全接合時的30毫米。當然，其它的長度、距離、氣隙和其它的電容特性在不脫離本發明的范圍或本質的情況下也可以使用。熟悉這項技術的人將會理解，固定的和移動的圓筒直徑的不均勻熱膨脹能改變間隙尺寸，并因此在暴露于包括典型的發動機操作條件在內的各種不同的條件之下期間引進隨時間變化的測量誤差。舉例來說，在25毫米的管狀電極上起作用的5ppm/℃的熱膨脹系數的差異將會引起0.25毫米間隙在溫度波動±40℃時改變±0.005毫米(±2％)。為了解決這個問題，使用塑造成金屬管而不是上述的鍍金屬塑料管的固定電極180是可能的。無論如何，為固定電極180選定的材料應該與用于移動電極140的材料相配。另一方面，可以使用熱膨脹系數一樣或幾乎一樣的不同材料。至于固定電極180和相關的固定電極支撐結構110的構造，替代實施方案是可能的。一個替代實施方案要求使用由諸如鋼或某種其它金屬之類的傳導性材料制成的有選擇地涂上一層諸如TEFLON涂料或XYLAN涂料或其它類似涂料之類的不導電材料的管子，代替有選擇地鍍上一層諸如銅之類的導電材料的不導電的管子。現在已描述了本發明的電容型傳感器和相關零部件的結構，下面的討論提供關于它們的操作的特定信息。在本發明的一個實施方案中，電容型傳感器被體現在裝在斯特林發動機之內的活塞上。依照前面的討論，在斯特林發動機運行時監測和控制活塞運動是非常符合需要的。監測可以通過使用本發明的電容型位置傳感器來完成。基于活塞運動，尤其是通過本發明的教導確定的活塞瞬時位置，技術上已知的各種不同的控制參數(例如，關于斯特林發動機運行的)可以通過控制器進行調節以使效率達到最大值和獲得預期的操作特性。僅僅作為例子，燃料流速可以依照本發明的教導基于活塞位置測量結果被有選擇地調節。在這個實施方案中，傳感器電容量在外部電極140相對內部電極180移動時改變。由于外部電極140的運動，限定在電容的電極140和180之間的面積隨著時間推移改變。以微微法為單位的傳感器電容的電容量C被給出C＝Kε0A/g其中K是空氣的介電常數(1)，ε0是自由空間的介電常數(8.85微微法/米)，A是限定在電容器電極之間的面積(m2)和g(m)是電極之間的標定氣隙。采用上述的電容型位置傳感器的特定的幾何結構，這個公式變成C＝Kε0πDL*10-3/g(微微法)其中D是電容器面積(mm2)的標定直徑，而L是電容器面積的標定長度(毫米)。依照本發明的教導，如上所述，在一個可仿效的實施方案中，電容器面積的標定直徑L是24毫米(固定電極180的外徑)，電容器面積的標定長度是20毫米(固定電極180的中點和外部電極140的中點重疊)，而外部電極140和固定電極180之間的標定氣隙g是0.25毫米。這導致電極在中點接合時(即，當有20毫米重疊，L＝20mm的時候)電容量為Co＝33.5pF。進而，在完全接合有30毫米的重疊時，Cmax＝50pF。類似地，在完全脫離，有10毫米的重疊時，Cmin＝16.8pF。因此，人們能看到，依照本發明的一個實施方案，電容量范圍從完全脫離時大約16.8pF的數值變化到完全接合時的大約50.3pF。在中值電容量大約為33.5pF時，為了正確地感知位置和基于那些位置測量結果應用必要的控制算法，感知電容量數值的比較小的變化(即，大約±17pF)變成必要的。依照本發明，這些比較小的電容量數值通過使用可以遏制寄生電容、允許獲得準確的讀數和允許令人滿意的系統控制的各種不同的技術、電路和方法進行測量和起作用。現在討論那些技術和相關的方法。“信號調節”方法的各種不同的實施方案和相關的電路是為與本發明的電容型位置傳感器結合使用和為了其它目的而存在的。盡管現在描述的信號調節方法是就處理作為本發明的位置傳感器功能的結果產生的電容量數值描述的，但是本文的信號調節教導變成與很多的其它應用結合使用，這對于熟悉這項技術的人將是顯而易見的。現在描述需要結合本發明的位置傳感器進行信號調節的基礎。需要進行信號調節的主要理由是在抑制在有不想要的和/或不受歡迎的電容性質的系統和結構部件里面將會由于寄生電容出現的誤差的同時產生與測知的電容量成比例的電信號，例如，電壓。這些寄生電容量能引起與位置測知相關聯的誤差，該誤差就進行位置測量和/或控制發動機操作的目的而言從較小的變化到毀滅性的。進而，這些寄生電容本身的大小傾向于隨著時間推移變動，舉例來說，由于組件100內的零部件運動。一種類型的寄生電容來自在為了把容納在自由活塞斯特林發動機交流發電機單元的密封壓力容器里面的電容型傳感器與外部的信號調節電路連接起來而提供的電纜的導線之間的電容。即使這樣的電纜長度很短，其電容量也可能超過最大的測知電容量數值。此外，就上述的與活塞/交流發電機組件100有關的位置傳感器安排而論，移動電極140對組件100的結構被有效地接地(如同下面描述的那樣沒有金屬與金屬的接觸)。活塞140和活塞缸有不導電的涂層，例如，為了提供自潤滑性質，活塞上的Teflon涂層或Xylan涂層和活塞缸150上的硬表面涂層。在這種情況下，由于在活塞140和活塞缸150之間有可能比傳感器電容量的最大數值大100倍以上的非常大的電容量，移動電極140對組件100的結構被有效地接地。因此，與大得多的活塞-活塞缸電容串聯連接的小的傳感器電容的非常高的阻抗大體上抑制流過傳感器的電流，從而導致沒有測量誤差或可以忽略的測量誤差。另一方面，固定電極180可能對地產生寄生電容，該寄生電容引起的潛在誤差效果被本發明減輕。固定電極180不像移動電極140那樣接地，因此，在活塞/交流發電機組件100里面在固定電極180和周圍的各種零部件和結構之間存在電容。舉例來說，一種這樣的結構是交流發電機殼體175。如同前面提到的那樣，屏蔽電極120用來阻斷固定電極180和任何其它接地結構(例如，管端蓋帽195)之間的任何電容路徑。屏蔽電極120通過在固定電極180和組件100里面的各種不同的其它結構之間插入金屬屏蔽中斷任何潛在的泄漏路徑。依照下面關于各種不同的信號調節電路的討論，屏蔽電極120在操作期間是以與固定電極180的電位相同的電位驅動的。因此，沒有電流流動而且由此產生的有效電容量實際上為零。本發明的信號調節方法的第一實施方案是使用可變的電流探測為了產生可以與，舉例來說，活塞和/或壓氣活塞在斯特林發動機里面的運動相結合用于控制目的的信號。這個實施方案是結合圖4描述的。為了下面的討論，假定所產生的輸出信號可以是被變成對技術上已知的用于控制和其它目的的處理器(例如，諸如Texas Instruments TMS320LF2407A或Analog DevicesADMC401之類混合信號數字信號處理器(DSP)的模數轉換器(ADC)輸入)可用的與電容量并因此與活塞位置成比例的連續模擬電壓。該數字信號處理器也能用來產生下面描述的傳感器激勵載波，或者該信號可以來源于另一個裝置。現在明確地參照圖4，它展示使用可變的電流探測結果進行信號調節的一個特定的電路。這種安排有效地允許比較小的電容量變化(大約±17pF)，導致上述的要處理的測知結構借助下面描述的“有源”防護屏蔽技術產生與傳感器電容量成比例而且實質上不受先前描述的寄生電容影響的連續模擬電壓。這種技術起抑制寄生分路電容的作用，包括任何在場的屏蔽線的電容。在這個實施方案中，三角波等幅電壓電源302把激勵提供給該電路。由固定電極180和移動電極140組成的測知電容器314與上述的活塞對活塞缸的固定電容316串聯。如上所述，這個電容本質上是接地的并且不引起寄生電容誤差。電壓電源302與測知電容器314和活塞-活塞缸電容器316兩者的串聯連接相并聯。屏蔽電極120對傳感器電容器314的固定電極呈現電容308并且對鄰近的接地結構呈現電容312。電容312被直接跨接在激勵電源302的接線端并且沒有對測量程序的可信度或準確性產生影響。因為被防護的泄漏電容器308的兩邊被維持在相同的電位，沒有電流流過被防護的泄漏電容器308，所以電容量實際上為零。交流電流傳感器306可以是，舉例來說，CoilcraftT6522-A表面安裝的電流測知變壓器。交流電流傳感器306被放在電壓電源302和測知電容器314之間以便感知流過測知電容器314的電流。此外，信號放大器304接受來自交流電流傳感器306的信號。因為電流傳感器306與該電路在流電學上絕緣，所以該放大器可以以地作為參考電位，以便進一步簡化信號處理步驟和位置指示信號對數字信號處理器的終極互連。反映被放大的電流信號而且可以被控制處理器(未展示)使用的輸出信號出現在輸出節點318。作為上述安排的結果，電流振幅與測知電容器314的電容量成比例的方波輸出信號出現在輸出節點318上。該輸出信號是隨時間變化的，而且在以斯特林發動機/交流發電機的使用和上述的位置傳感器安排為基礎的時候，將反映隨著時間推移活塞130的相對位置。輸出方波的絕對值可以被取出，而且位置也可以在那個基礎上被讀出。結合這個實施方案使用各種不同的其它的調制信號也是可能的。舉例來說，電壓電源302可以提供將在輸出節點318造成正弦波輸出信號的正弦波調制信號，其借助在信號處理技術中眾所周知的全波整流和隨后的低通濾波的方法探測到的峰值振幅作為測知電容器電流、電容量以及移動電極140位置的度量。圖5是在控制處理之前在信號調節中使用的替代電路的例證。這個電路也使用恒定不變的電壓產生和探測與測知電容器相關聯的可變電流。盡管這個實施方案需要下面討論的兩個電壓電源，但是它消除了對交流電流傳感器306的需要。就來自圖4實施方案的交流電流傳感器306可能把重要的無防備的寄生電容加到電路上而言，這個誤差通常能借助下一個描述的圖5的實施方案被消除。圖5的實施方案通常類似于圖4的實施方案，不同之處在于交流電流傳感器306被接地參考分路電阻424代替，和添加第二激勵電壓電源422來驅動防護屏蔽410而不是如同在圖4的實施方案中那樣使用單一電壓電源驅動防護屏蔽和測知電容器兩者。電壓電源402必須與地絕緣以準許插入接地參考分路電阻424。小型變壓器可以用來實現這種絕緣，只要它初級和次級(輸出)繞組和鐵芯之間配備防護屏蔽即可。這個防護屏蔽能與防護屏蔽410和互連電纜屏蔽一起用電壓電源422驅動。屏蔽驅動電源422是以地作為參考電位的而且不需要絕緣。依照圖5實施方案，等幅三角波電壓電源402給該電路提供激勵信號。由固定電極180和移動電極140組成的測知電容器414與上述的活塞對活塞缸的固定電容416串聯。如上所述，這個電容比傳感器電容的最大值大得多并因此對測量程序沒有重大的干擾。電壓電源402與測知電容器414和活塞-活塞缸電容器416兩者并聯。屏蔽電極120(包括傳感器與信號處理器的互連電纜的屏蔽)被直接接到屏蔽電極電壓電源422上，并借此抑制在固定電極180和輸電電纜和傳感器防護屏蔽410之間的泄漏電容量408。因為防護泄漏電容器408的兩邊是處在相同的電位，沒有電流流過該防護泄漏電容器408，所以該電容實際上為零。進一步的電容結構412存在于防護屏蔽410和地之間。然而，因為這個電容橫跨電壓電源402出現，所以該電容對所述測知方法的可靠性和準確性是無關緊要的。這要求注意用于分開防護的驅動的電壓電源422有能力在不污染分路電阻424中的測知電流的情況下使電流流過泄漏電容412的理由。在接地參考分路電阻424上產生的信號電壓與以地為參考電位的放大器404的輸入耦合。橫跨接地參考分路電阻的電壓降的數量是如此小，以致可以假定來自電壓電源422的防護電壓和來自電壓電源402的傳感器電壓實際上是相同的。橫跨接地參考分路電阻424的電壓可以隨著時間逝去被監測。這依次允許計算流過接地參考分路電阻424的電流和實際計算傳感器414的電容量。由此產生的信號被信號放大器404放大。反映被放大的電流信號而且可以被控制處理器(未展示)使用的輸出信號出現在輸出節點418上。作為上述安排的結果，電流振幅與測知電容器414的電容成比例的方波輸出信號出現在輸出節點418上。該輸出信號是隨時間變化的，而且在以使用斯特林發動機/交流發電機和上述的位置傳感器安排為基礎的時候將會反映活塞130隨著時間推移的相對位置。輸出方波的絕對值可以被拿取出，而且位置也可以在那個基礎上被讀出。結合這個實施方案使用多種其它的調制信號也是可能的。舉例來說，電壓電源402可以提供將在輸出節點418造成正弦波輸出信號的正弦波調制信號，其借助信號處理技術中眾所周知的全波整流再低通濾波的方法探測到的峰值振幅作為測知電容器電流、電容量和移動電極的位置的度量。現在結合圖6描述本發明的信號調節方法的又一個實施方案。這個實施方案類似于結合圖5描述的實施方案，不同之處在于接地參考分路電阻424被取消，并且代之以改為用來監測傳感器電流的跨阻抗放大器配置。這個實施方案從下述事實得到它的優勢，即，雖然小而且在大多數情況下可以忽略，但是由于接地參考分路電阻424已從電路中除去，橫跨接地參考分路電阻424的電壓降也被除去。如同從圖6清楚地看得的那樣，反饋電阻526是與運算放大器504結合使用的。反饋電阻526保證沒有網凈余電流流進運算放大器504的加法結。通過使用反饋電阻526和通過把電壓電源502與運算放大器504的加法結連接，保證所有的電流都流進運算放大器504的加法結，形成有效的虛擬地。通過監測用它的輸出電壓指示的流進和流出運算放大器504的加法結的電流，可變傳感器514的有效電容量是可以確定的。在用圖7舉例說明的本發明的另一個實施方案中，使用電流不變但電壓可變的電路獲得傳感器614的電容量的輸出信號指示。依照這個實施方案，等幅方波或正弦波電流源602代替來自早先的實施方案的電壓電源。電壓輸出器628產生等于恒流電源發展的電壓的屏蔽驅動電壓，而且是保證防護屏蔽電壓停留在實際上與電流源602的電位相同的電位(即橫跨電容器608的電壓差實際上為零)必不可少的。獲得流過傳感器電容的電流的固定振幅所必需的由電流源發展的電壓與傳感器電容量數值成反比。往復運動構件的位置是用傳感器電容器614兩端可變的電壓間接確定的。出現在輸出點618上的模擬信號輸出與傳感器電容器614的電容量并因此與往復運動構件的位置成反比。熟悉這項技術的人將會理解，由于傳感器電容量和電壓變化之間的關系是非線性函數，這個實施方案不實現上述的本發明的全部優勢，而且這個實施方案通常不是最優選的。然而，人們也將很容易理解，舉例來說，數字信號處理器可能為了處理任何困難被用來實現轉移函數線性化。熟悉這項技術的人將會理解，各種不同的附加信號調節技術可能適用于起因于依照上述各種不同的實施方案形成的電路的輸出信號。舉例來說，傳感器和屏蔽可能是用正弦激勵(“載波”)電壓驅動的，而且后面跟著低通濾波器的全波整流器可以用來處理輸出信號，重新獲得指示移動電極140的位置的載波包絡線振幅。就這一點而言，低通濾波器(例如，二級Butterworth LPF)應該用來削弱高階解調成分只留下指示傳感器電流并因此指示移動電極140的位置的載波包絡線信號(“基帶”)成分。關于快速移動的往復運動構件(例如，自由活塞斯特林發動機和內燃機中的活塞和壓氣活塞)，位置測量相位滯后當它對于了解瞬時定位情況至關重要的時候(例如，在評估工程師工作表現時)也可能是一個問題。在這些情況下，信號處理電路可以包括一個用來補償低通濾波器相位滯后的相位超前網絡。舉例來說，相位滯后補償在系統調諧期間是特別合乎需要的。在這種情況下，實時觀測與瞬時壓力波振幅有關的瞬時活塞位置和壓氣活塞位置對于調諧該系統是必不可少的。調諧之后，位置測知不需要相位信息。然而，其它的應用可能從借助相位超前網絡補償相位滯后中獲益。關于為了說明監測自由活塞斯特林發動機動力活塞的位置與在此揭示的信號調節電路一起使用的低通濾波器設計，人們將會理解，傳感器電容量變化在從零到80赫茲的標稱工作頻率fb的頻率范圍內將是簡諧的。同樣，全波整流器包絡線探測器的輸出將包含需要的基帶信息信號和不想要的頻率為2nfc±fb的高階解調成分，其中n＝1、3、5…，對應的振幅下降為1/n。通過設定激勵“載波”信號頻率fc＞＞80赫茲，在基帶信號頻譜(0到fb)和高階解調成分之間能提供大的頻率“空間”。這允許低通濾波器在不引進重大的幅度或相位誤差的情況下隔離在0到fb基帶區域中的電容量變化信息信號。由于它的特性，濾波器將在0到fb基帶區域中引進小的相位滯后，但是，依照前面的討論，如果需要，這能通過引進相位超前網絡得到抑制。LPF(低通濾波器)和相位超前網絡，如果被包括在內，也將在0到fb的范圍內引進能通過適當選擇LPF“轉角”頻率和相位超前網絡設計變成可接受的小的某種振幅響應變化。電容型傳感器結構和信號處理方法已被揭示。人們將會理解，前面提供的教導有非常多的應用，尤其是與往復運動構件相關聯的位置測知應用。雖然就在斯特林發動機中作直線運動的往復運動構件已提供上述討論，但是其它的應用是可能的，本文的教導不必局限于斯特林發動機或作直線運動的往復運動構件。舉例來說，本文中的傳感器可以用在各種不同的應用中，包括各種不同的自由活塞應用，例如，斯特林發動機或壓縮機或內燃機。除此之外，雖然上述揭示的重點放在監測往復運動機制的位置上，但是同樣的面積調制的電容型傳感器概念可以通過，舉例來說，使用類似于曾經被廣泛地用于調節收音機調諧電路的諧振頻率的一個或多個固定的和旋轉的金屬板的可變電容器被應用于測知旋轉運動。盡管主題發明已在附圖和前面的陳述中被詳細地舉例說明和描述，但是所揭示的實施方案是說明性的但不適合作為限制。所有在本發明的范圍之內的變化和修正都希望受到保護。
權利要求
1.一種用來確定往復運動構件位置的傳感器，所述的傳感器包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結構，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動電極，所述移動電極的移動位置與所述往復運動構件的運動成正比；其中所述的固定電極和所述的移動電極形成電容結構，所述的電容結構有與所述往復運動構件的瞬時位置成正比的可變的電容量。
2.根據權利要求1的傳感器，進一步包括電壓源，而且其中所述的屏蔽電極是在與所述固定電極的電位相同的電位下驅動的。
3.根據權利要求1或2的傳感器，其中所述的移動電極在結構和電兩個方面與發動機的活塞接觸。
4.根據權利要求1、2或3的傳感器，其中所述的移動電極在結構和電兩個方面與斯特林發動機的壓氣活塞接觸。
5.根據上述任何權利要求的傳感器，其中所述的移動電極包括交流發電機的套筒。
6.根據上述任何權利要求的傳感器，其中所述的固定電極是用塑料制成的而且進一步包括至少一個傳導性鍍層區域。
7.根據上述任何權利要求的傳感器，其中所述的可變的電容量起因于所述固定電極和所述移動電極之間的重疊數量變化。
8.根據上述任何權利要求的傳感器，其中所述的移動電極和所述的固定電極是同軸放置的，而且其中所述的移動電極有選擇地在所述的固定電極上滑動。
9.根據上述任何權利要求的傳感器，進一步包括用來校正低通濾波器相位滯后的相位超前補償網絡。
10.一種包括動力活塞的自由活塞斯特林發動機，所述的自由活塞斯特林發動機能夠借助電容型位置傳感器確定所述的動力活塞的瞬時位置，所述的電容型位置傳感器包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結構，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動電極，所述的移動電極的移動位置與所述動力活塞的運動成正比；其中所述的固定電極和所述的移動電極形成電容結構，所述的電容結構有與所述的動力活塞的瞬時位置成正比的可變的電容量。
11.根據權利要求10的自由活塞斯特林發動機，其中所述的固定電極和所述的移動電極在外形上是圓筒形的，其中所述的移動電極和所述的固定電極是同軸放置的，而且其中所述的移動電極有選擇地在所述的固定電極上滑動。
12.一種電容型位置傳感器，其中包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結構，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動電極，所述的移動電極的移動位置與往復運動構件的運動成正比；其中所述的屏蔽電極是在與所述固定電極的電位相同的電位下驅動的。
13.根據權利要求12的位置傳感器，進一步包括交流電流傳感器，所述的交流電流傳感器把輸入信號提供給信號放大器，而所述的信號放大器提供指示所述固定電極和所述移動電極之間的電容量的輸出信號。
14.根據權利要求13的位置傳感器，進一步包括第二恒壓電源和測知接地參考電流的分路電阻，其中所述的第二恒壓電源而不是所述的第一恒壓電源驅動所述的屏蔽電極。
15.根據權利要求14的位置傳感器，進一步包括第二恒壓電源和測知接地參考電流的分路電阻，其中所述的第二恒壓電源而不是所述的第一恒壓電源驅動所述的屏蔽電極。
16.根據權利要求12、13、14或15的位置傳感器，進一步包括監測電流的跨阻抗放大器組件。
17.根據權利要求16的位置傳感器，進一步包括等幅電流來源和電壓輸出器，所述的電壓輸出器調節電壓以保證所述屏蔽電極的電位實際上與所述電流源的電位相同。
18.一種用來確定往復運動構件位置的方法，所述方法包括下述步驟(i)提供固定電極和屏蔽電極，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；(ii)提供移動電極，所述移動電極的移動位置與所述往復運動構件的成正比；以及(iii)定期地測量所述固定電極和所述移動電極之間的電容量以便確定所述往復運動構件的瞬時位置。
19.根據權利要求18的方法，其中所述的定期測量電容量的步驟進一步包括如下步驟提供交流電流傳感器，所述的交流電流傳感器測量流過由所述的固定電極和所述的移動電極形成的電容器的電流；其中所述交流電流傳感器的所述輸出是所述電容器的電容量和所述往復運動構件的位置的指示。
20.一種用來控制往復運動構件的運動的方法，所述方法包括下述步驟(i)提供固定電極和屏蔽電極，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；(ii)提供移動電極，所述移動電極的移動位置與所述往復運動構件的運動成正比；(iii)定期地測量所述固定電極和所述移動電極之間的電容量以便確定所述往復運動構件的瞬時位置；以及(iv)基于所述往復運動構件的所述的被確定的瞬時位置控制所述往復運動構件的運動。
全文摘要
一種用來確定往復運動構件位置的傳感器，所述的傳感器包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結構，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動電極，所述移動電極的移動位置與所述往復運動構件的運動成正比；其中所述的固定電極和所述的移動電極形成電容結構，所述的電容結構有與所述往復運動構件的瞬時位置成正比的可變電容。
文檔編號G01D5/241GK1846116SQ200480025077
公開日2006年10月11日 申請日期2004年7月1日 優先權日2003年7月1日
發明者艾倫·切爾陶克 申請人:蒂艾克思股份有限公司