线性电感式位置传感器的制作方法

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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。