液压活塞位置传感器 【技术领域】
本发明涉及液压活塞。本发明尤其涉及用于检测活塞和液压汽缸之间的相对位置的活塞传感器。
背景技术
各种类型的位移传感器被用于测量活塞在液压汽缸中的相对位置。然而，目前在恶劣环境下高度可靠地远距离测量绝对位置的装置复杂且昂贵。当前所使用的技术的一个例子是磁致伸缩(magnitostrictive)装置，它使用沿着封装在密封金属管中的一对细线的机械信号的流失时间(time of flight)，所述机械信号是从杆的机械性能的磁致伸缩感应变化反射回来的。另一技术使用绝对旋转编码器，它是一种检测旋转的装置。直线运动和旋转运动之间的转换通过用齿轮来完成，或者通过从弹性负载的卷筒上展开的电缆(cable)或带来完成。绝对编码器易于受到有限的范围和/或分辨率的限制。包括高水平振动的恶劣环境可能排除对绝对蚀刻玻璃刻度尺的考虑，这是由于它们的严格的对准要求、对脆性破裂的敏感性以及对雾和污物的低耐受性。这种技术还需要再归零的频率。
诸如通过把流入汽缸地体积流量对时间求积分来计算汽缸的平移量这样的推断位置测量方法存在了若干困难。首先，这些装置是增量(incremental)的并要求频繁的手动归零。第二，它们对于诸如温度和密度等环境影响较敏感。它们需要测量这些变量以提供精确的位移测量。最后，积分流量来测定位移有可能降低测量精度。这种技术还受到流量测量范围的动态检测范围的限制。在该范围以上或以下的流量具有很大的误差。
在美国专利US5,977,778，US6,142,059和WO 98/23867中描述了一种利用电磁脉冲测量活塞位置的技术。但是，这种技术易于向环境辐射放射线并且难以校准。
【发明内容】
一种用于测量液压活塞在汽缸中的相对位置的装置，包括沿着活塞运动方向延伸的杆，并且所述杆固定地连接到活塞或汽缸中的其中之一上。所述杆被构造为运载微波脉冲。一滑动件可滑动地连接到所述杆上并固定地连接到活塞或汽缸中的另一个上。所述滑动接触件被构造为引起微波脉冲的部分反射。杆末端还设置有反射物。可把活塞位置作为来自滑动接触件和杆端部的反射微波脉冲的函数进行计算。
【附图说明】
图1A是包括活塞测量电路的液压装置的侧剖面图。
图1B是沿图1A所示的标识线1B-1B剖开的顶剖面图。
图2A是包括活塞测量电路的液压装置的侧剖面图。
图2B是沿图2A所示的标识线2B-2B剖开的顶剖面图。
图3是液压系统的侧剖面图，其中杆位于汽缸的外部。
图4是液压系统的侧剖面图，其中活塞被用于位置测量。
图5是连接件的侧剖面图。
图6示出了包括位置测量电路方块图的液压系统。
【具体实施方式】
图1A和图1B是根据本发明的一个实施例所述的液压活塞/汽缸装置10的侧剖面图和顶剖面图。装置10包括汽缸12，汽缸12在其中可滑动地运载活塞14，活塞14被连接到杆16上。活塞14响应于液压流体18在汽缸12中运动，液压流体18通过开口19加入汽缸12的内部或从汽缸12的内部抽出。密封件20围绕活塞14延伸以防止液压流体渗漏。杆22沿着汽缸12的长度延伸并连接到活塞测量电路24。位置测量电路24通过穿通连接件38连接到杆22。在活塞14上设置开口26以便液压流体流入活塞14的空腔30中。杆22的末端32可被支持件34所支持。
在操作中，当液压流体18被注入汽缸12或从汽缸12中排出时，活塞14在汽缸12内滑动。活塞14还沿着容纳在活塞14的空腔30中的杆22滑动。当活塞14在汽缸12内移动时，接触引导件40横跨在杆22上。尽管图示的杆22固定到汽缸12上。它们也可以固定到活塞14上并相对于汽缸12运动。
位置测量电路24根据来自连接到杆22的微波信号的反射波产生位置输出。微波信号在杆22上的两个位置处被反射：即在接触引导件或衬套40处及杆端部32处。位置测量电路响应于两个反射信号之间的时间延迟比率来测定活塞14在汽缸12中的相对位置。
在本实施例中，本发明利用微时域反射雷达MTDR(Micro TimeDomain Reflectometry Radar)。MTDR技术是一种流失时间测量技术。精确限定的脉冲或脉冲微波雷达信号被耦合到作成双平行导体的形状的传输线中。优选这种双平行导体的几何形状是因为它限制辐射的电磁干扰(EMI)。负责产生雷达信号、将雷达信号耦合到传输线中以及检测反射信号的装置在此被称作变换器。
基本的MTDR测量是这样实现的：沿着诸如图1所示的杆22之类的长的、纤细的传输线发送雷达脉冲，并且高度精确地测量信号传递到反射点并返回所需的时间。该反射点可以从传输线的末端32开始或从沿传输线长度接触(或邻近)传输线的诸如支持件34的第二机械体开始，例如滑动接触件40。如果使该机械体(滑动件40)沿着传输线的长度运动，它的位置可通过其反射脉冲的通过时间来测定。具体而言，产生传送到由杆22形成的传输线的末端32的参考雷达脉冲并对其计时。然后与由滑动机械体所反射的脉冲的通过时间作比较。该技术的一个优点是测量独立于传输线周围的介质。
该测量技术的另一个优点是，测量频率足够快，以致于能够及时区分位置测量，从而需要的时候可获得活塞的速度和加速度。另外，通过适当地设置传输线的几何形状，也可以测量角位移。
本发明的一个实施例包括使用双重部件传输线(dual elementtransmission line)。这提供了两种功能。首先，它包含辐射从而满足政府的规定。第二，在各种实施例中，第二传输线可以是汽缸壳体本身。这是由于检测杆的原因，可防止其受到汽缸外部的电介质的假性(spurious)变化的影响，例如涂敷泥或其它外部物质。在一个优选的实施例中，本发明提供了一种临时保护方案以便在电涌施加到汽缸壳体上时防止出现电子故障。
本发明的另一个方面包括沿着频率发生电路和检测传输线之间的线路连接对阻抗过渡的控制。优选平滑过渡。优选地，通过在≥1/4脉冲波长的长度以上逐渐改变大地和导体之间的间距来实现平滑过渡。非渐变的阻抗失配表现为环路(ring)/返回测量电路的反射脉冲。时间测量的位置的局限性在于，开始的几个英寸通常是最难以测量的，这是由于反射脉冲必须具有很高的“Q”以便被从原始脉冲中区分出来。设计较差的阻抗失配产生低“Q”反射信号，导致难以测量零点位置附近的位移。
图2A和图2B是根据另一个实施例的液压系统58的侧剖面图和顶剖面图。在图2A和图2B中，类似于图1A和1B的元件被标以相同的标号。在图2A和图2B中，单个杆60运载两个单独导电杆。这种构造减少了必须在活塞14中设置的开口的数量。开口61使流体流过引导体14。
图2C是根据另一个实施例的液压系统70的部分剖开透视图。在图2C中，引导件34和40在活塞杆16内滑动，并且具有在其中形成的开口16。穿通连接件38从汽缸12的基座72延伸。
图3是根据另一实施例的液压系统100的剖面图。在图3的实施例中，杆装置102设置在汽缸12的外侧。杆104在连接106处附设到活塞14上，并在接触引导件108中滑动。这种构造的优点在于，活塞14和汽缸12不需要改造。壳体109可以是一种金属以提供屏蔽，整个装置100可被连接到电气接地端以便防止来自由位置测量电路24产生的微波信号的假性辐射。
图4示出了根据另一实施例的液压系统120。在活塞14的端部123和汽缸12的端部125产生反射。类似图1A和1B中的元件被标以相同的标号。在图4中，设置有导电的第二天线部件(antenna member)122，其围绕汽缸122并连接到电所接地端。在该实施例中，汽缸或活塞被涂以非导电材料。第二天线部件122根据外部环境，可以是套管或者金属杆。(优选地，具有适当电介质或者材料的抗腐蚀材料可以是导体)。第二天线部件122被连接到活塞14上并与活塞14一起移动。活塞14被连接到活塞测量电路24。在这一实施例中，信号源可被直接耦合到汽缸的基座金属和来自所探测的汽缸的端部的反射信号。汽缸和活塞也可以以相反的构造用雷达信号来驱动。外部的第二传导套可包围汽缸和/或活塞以防止系统向环境辐射。
图5是连接到例如同轴电缆线路140的连接件38的剖面图。电缆线路140连接到通孔(feedthrough)142上，通孔142依次连接到微波传输带线路144上。传输杆146通过座架148延伸并进入汽缸12的内部。整个装置被通孔150所包围。
图6示出了包括位置测量电路24的方块图的液压系统180。位置测量电路24连接到连接件38上并包括微波收发器182和计算电路184。微波收发器电路182包括按已知技术操作的脉冲发生器186和脉冲接收器188。这样的技术例如公开在均颁发给McEwan的1994年11月1日颁布的美国专利US5,361,070、1995年11月7日颁布的美国专利US5,465,094以及1997年3月11日颁布的美国专利US5,609,059中。如上所述，计算电路184根据两个返回脉冲之间的时间延迟比率来测量活塞(在图6中未示出)相对于汽缸12的位置。其中一个返回脉冲是来自杆的端部，另一个来自沿着杆滑动的滑动接触件。根据该比率，计算电路184提供位置输出。这可以在微处理器或其它逻辑电路中实现。另外，可构成模拟电路以提供与位置相关的输出。
本发明利用两个反射信号之间的比率来测定活塞位置。一个反射信号可从接触点沿着“量杆(dipstick)”传输，而另一个信号可从杆的端部反射。这两个信号传播时间之间的比率可被用于测定活塞位置。这种技术不需要单独补偿液压油中的介电变化(dielectric variation)。
本发明的各个方面包括活塞或汽缸平移测量装置，其利用MTDR流失时间技术。可提供双重部件MTDR传输线，其具有适合测量所需要的平移长度。双重部件传输线也是合乎需要的，这是因为它减小了杂散辐射。优选地，提供连接件以便将变换元件连接到双重部件传输线。某种接触体应当沿着传输线运动，并提供阻抗失配以引起在传输线中的反射。变换器和/或信号调制电子器件可被密封以免受到恶劣环境条件的影响。可提供模拟、数字或光链接以便将所测量的位置与外部设备通信。
双重部件传输线可由两个单独的导电通路构成。例如，这可以用两个带有或不带有绝缘体的杆来形成。所述杆可沿着传输线的长度大体平行地延伸。所述一个或者多个杆可以被固定到汽缸上，连接到活塞的接触点可沿着杆的长度移动。所述接触点也可以为杆提供支撑。所述支撑可减少或防止在高振动或其它应力条件下的过度偏差。可提供连接件以便通过汽缸壁连接到杆上。
各种结构可被用在本发明中。例如，转换元件、信号发生器和信号处理电子器件可被安装在位于汽缸上或与汽缸间隔开的环境保护外壳中。双重传输线可由嵌入到大体为刚性的非导电材料中的两个导体形成。所述导体可沿着传输线的长度彼此大体平行地延伸。所述导体可被放置在绝缘物中和制成单杆的形式。优选的是，所述材料适合长期暴露于碳氢化合物环境，例如存在于液压汽缸中的那些物质。
可提供诊断以识别接触点的损失或退化，或者断裂或退化的传输线。接触点(滑动件)可由与形成传输线的材料具有不同介电常数的材料制成，优选介电常数实质上不同的材料。这样的材料的例子可包括：氧化铝接触和/或填充玻璃的PEEK。可提供任何沿着传输线滑动的接触点，例如滚轮(roller)或钝体(blunt body)。可利用任何已知的技术将接触点推向传输线，所述技术包括弹簧、磁装置或流体装置。然而，不需要物理接触(physical contact)。
尽管描述了两个导体的衬套杆，其它的实施例也是可行的，其中，汽缸本身可被看作一个导体，一个固体杆可用于汽缸中。在这样的实施例中，重要的是汽缸壳体本身被保持在信号地线(signal-ground)处。一般来说，对于双导体的实施例，优选其中一个导体被固定在信号地线。
在本发明中，提供了绝对测量，不需要系统归零。所述系统潜在能够以小于正负1毫米的精度测量活塞的位置。所述系统的最大测量长度(跨距)可根据需要调节，并且仅受到电力和传输线的几何形状的影响。通过使用适当的材料，并且在变送器(transducer)和传输线之间提供良好的静态密封，所述系统非常适用于恶劣环境。所述系统需要较低的功率，并且可用例如用于过程控制工业中的二线式4-20mA系统来操作。这样的系统利用协议通信技术，例如HART和FieldbusTM通信技术。
尽管参照实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将会认识到，在不偏离本发明的实质和范围的情况下可以进行形式的及细节的变化。