專利名稱：對連通性故障進行自監(jiān)控的位置檢測系統(tǒng)的制作方法
相關申請的交叉引用
本申請要求2005年12月22日提交的題目為“A PositionDetecting System that Self-Monitors for Connectivity FauIts”的美國專利申請序列號11/314,163的利益，其于此通過引用的方式全文并入。
發(fā)明領域 本發(fā)明涉及檢測變壓器內的連通性故障。

背景技術：
用作位置傳感器或定位傳感器的變壓器是已知的。一般來說，這樣的變壓器提供隨著布置在變壓器內的磁性構件的位置而變化的一個或更多輸出電勢。從這些輸出中可確定磁性構件的位移(旋轉的和/或線性的)。
在常規(guī)的變壓器中，連通性故障(例如，短路、開路等)可對輸出電勢的產(chǎn)生帶來負面影響。在某些情況下，連通性故障可降低磁性構件的位置確定的準確性，或者甚至實際上同時消除了磁性構件的位置的確定。在這種情況下，實現(xiàn)這種變壓器的系統(tǒng)(例如，控制系統(tǒng)等)檢測線性和/或旋轉位移的總的功能可能被明顯削弱。
因此，在常規(guī)系統(tǒng)中，兩個或更多變壓器被并行地使用，以檢驗輸出電勢并根據(jù)變壓器之間輸出電勢的差來檢測其中一個變壓器中的連通性故障。然而，該解決方案需要系統(tǒng)包括用于額外的變壓器的空間和處理能力。包括多個變壓器也增加了系統(tǒng)的成本和復雜性。


發(fā)明內容
本發(fā)明的一個方面涉及一種用于檢測位置的、能夠對連通性故障進行自監(jiān)控的系統(tǒng)。在一個實施方式中，該系統(tǒng)包括變壓器、激勵電勢源、偏置電勢源和處理器。變壓器包括可移動地布置在其中的磁性構件。激勵電勢源耦合到變壓器以將激勵電勢施加到變壓器，其中激勵電勢對變壓器的施加感應出取決于變壓器內磁性構件的位置的至少一個感應電勢。偏置電勢源耦合到變壓器以將偏置電勢施加到變壓器。處理器耦合到變壓器以接收至少一個輸出信號，所述至少一個輸出信號包括所述至少一個感應電勢。處理器根據(jù)所述至少一個感應電勢確定磁性構件的位置，并根據(jù)輸出信號中偏置電勢的有或無來檢測變壓器內的連通性故障。
附圖的簡要說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于確定磁性構件的位置的系統(tǒng)的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于確定磁性構件的位置的系統(tǒng)的示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于確定磁性構件的位置的系統(tǒng)的示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于確定磁性構件的位置的系統(tǒng)的示意圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于確定磁性構件的位置的系統(tǒng)的示意圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于確定磁性構件的位置的系統(tǒng)的示意圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于確定磁性構件的位置的系統(tǒng)的示意圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于確定磁性構件的位置的系統(tǒng)的示意圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于確定磁性構件的位置的系統(tǒng)的示意圖。
詳細說明 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于檢測位置的、能夠對連通性故障進行自監(jiān)控的系統(tǒng)10的示例性圖示。系統(tǒng)10包括線性可變差分變壓器12、激勵電勢源14、偏置電勢源16和處理器18。
在本發(fā)明的一個實施方式中，變壓器12包括初級線圈20、第一次級線圈22、第二次級線圈24和磁性構件26。初級線圈20與激勵電勢源14電耦合，以便激勵電勢(VE)由激勵電勢源14施加到初級線圈20。第一和第二次級線圈22和24定位成接近于初級線圈20，使得激勵電勢對初級線圈20的施加感應出在第一次級線圈22中的第一感應電勢(VA)和在第二次級線圈24中的第二感應電勢(VB)。磁性構件26可滑動地布置在初級線圈20與次級線圈22和24之間。接點(junction)28電耦合第一次級線圈22和次級線圈24，因而使次級線圈22和24彼此耦合。在一個實施方式中，接點28還電耦合到偏置電勢源16，偏置電勢源16將偏置電勢(VC)施加到接點28。在其它實施方式中，接點28可耦合到可選的電勢源/沉(sink)，如下面將描述的。在圖1所示的實施方式中，第一導線(lead)30將第一次級線圈22電耦合到處理器18，而第二導線32將第二次級線圈24電耦合到處理器18。在其它實施方式中，其中一些將在下文中(例如，在圖7中)描述，第一導線30或第二導線32中只有一個可耦合到處理器18。在圖1的實施方式中，第一導線30將具有第一輸出電勢(VAA)的輸出信號從第一次級線圈22傳輸?shù)教幚砥?8。第二導線32將具有第二輸出電勢(VBB)的輸出信號從第二次級線圈24傳輸?shù)教幚砥?8。第一和第二輸出電勢VAA和VBB可在數(shù)學上表示為 (1)VAA＝VA+VC；以及 (2)VBB＝VB+VC。
在圖1所示的實施方式中，分別在第一次級線圈22和第二次級線圈24的每個中感應出的電勢VA和VB基于磁性構件26的位置變化。更具體地，在如圖1所示的實施方式中，當磁性構件26線性地移動距離d時，電勢VA和VB可在數(shù)學上描述如下 以及 其中

表示VE和VA(或VB)之間的電壓比，ω表示激勵電勢的頻率，K表示比例常數(shù)，以及t表示時間。
如圖1所示，處理器18包括位置確定模塊34和故障檢測模塊36。雖然處理器18在圖1的實施方式中示為單個部件，但應認識到，在其它實施方式中，處理器18可包括通過有效鏈路連接的多個處理器。在某些情況下，多個處理器可中心定位于單個位置。在其它情況下，所述多個處理器中的一個或更多可相互遠離地定位。多個處理器之間的有效鏈路可包括通信鏈路例如有線或無線通信鏈路，并可包括在網(wǎng)絡上或通過直接連接建立的連接。應進一步認識到，模塊34和36的圖示是為了舉例說明的目的而提供，以及每個模塊可包括執(zhí)行指定給模塊34和36的功能以及其它功能的一個或更多部件。模塊34和36可包括作為硬件、軟件、固件、硬件、軟件和/或固件的組合以及在其它介質中實現(xiàn)的部件。
在本發(fā)明的一個實施方式中，位置確定模塊34確定磁性構件26相對于次級線圈22和24的位置。位置確定模塊34可利用第一和第二輸出電勢VAA和VBB(和/或在次級線圈22和24中感應出的電勢VA和VB)之間的預定的關系式。例如，下列關系式可用于確定磁性構件26的位置 其中，再次地，K為比例常數(shù)，而d為磁性構件26被移動的距離。此關系式可用輸出電勢VAA和VBB(通過使用方程式1和2)表示如下 在本發(fā)明的一個實施方式中，故障檢測模塊36能夠檢測變壓器12內的故障(例如，短路、開路等)。更具體地說，故障檢測模塊36能夠檢測在激勵電勢源14和初級線圈20之間、在第一導線30和第一次級線圈22之間、在第一次級線圈22和接點28之間、在接點28和偏置電勢源16之間、在接點28和第二次級線圈24之間以及在第二導線32和次級線圈24之間的電連接方面的連通性故障。為了檢測變壓器12內某些可能的故障，故障檢測模塊36監(jiān)控第一導線30和第二導線32上的輸出信號，以確定偏置電勢是否出現(xiàn)在每個輸出信號中。如果偏置電勢出現(xiàn)在每個信號中，則在第一導線30和第二導線32之間沒有故障出現(xiàn)。如果偏置電勢出現(xiàn)在第一導線30上的輸出信號中，但沒有出現(xiàn)在第二導線32上的輸出信號中，則在偏置電勢源16和第二導線32之間有故障。如果偏置電勢出現(xiàn)在第二導線32上的輸出信號中，但沒有出現(xiàn)在第一導線30上的輸出信號中，則在偏置電勢源16和第一導線30之間有故障。如果偏置電勢沒有出現(xiàn)在任一輸出信號中，則在第一導線30和第二導線32之間某處有故障。如果偏置電勢在兩個輸出信號中都出現(xiàn)，但兩個輸出信號都不包括感應電勢，則在激勵電勢源14和初級線圈20之間的電耦合中有故障。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式配置的系統(tǒng)10的圖示。在圖2的實施方式中，處理器18包括加法器電路38和差分電路40。加法器電路38和差分電路40中的每個都電耦合到第一導線30和第二導線32。加法器電路38將第一導線30和第二導線32的輸出信號相加，使得加法器電路38輸出的信號的電勢是包括輸出電勢VAA和VBB的和的總和電勢VSUM。更具體地說，VSUM可表示如下 (7)VSUM(t)＝VAA(t)+VBB(t)＝VA(t)+VB(t)+2VC(t)。
差分電路40從第一導線30上的輸出電勢VA減去第二導線32上的輸出電勢VB以產(chǎn)生以差分電勢(VDIFF)表示的信號，其可表示為 (8)VDIFF(t)＝VAA(t)-VBB(t)＝VA(t)-VB(t)。
結合加法器電路38和差分電路40的輸出信號使被處理器18用來確定磁性構件26的位置的等式6能夠通過使用總和電勢VSUM和差分電勢VDIFF簡化為 在圖1和2所示的實施方式中，激勵電勢源14是交流電勢源，而偏置電勢源16是直流電勢源。這可增強系統(tǒng)10的各個方面，包括為了故障檢測的目的而把偏置電勢VC與感應電勢VA和VB分離。然而，在本實施方式中，為了從感應電勢VA和VB、輸出電勢或其不同組合(例如，VSUM和VDIFF)確定磁性構件26的位置，部分或全部各個電勢可在它們被用于確定磁性構件26的位置和/或檢測故障之前被解調。各種解調技術，其中一些在下面討論，可由處理器通過使用軟件工具、硬件(例如，電路)或其一些組合18來完成。
在一個實施方式中，電勢，如輸出電勢，可乘以與激勵電勢VE成比例并同相的電勢。所得到的乘積產(chǎn)生兩個電勢，一個是頻率兩倍于激勵電勢VE的頻率的周期性電勢，而一個不是周期性的。接著周期性的部分可被丟棄，而非周期性的電勢可用于進一步的處理。為了舉例說明的目的，以下關于感應電勢VDIFF實施該解調技術 其簡化為 其中，乘以感應電勢VDIFF的電勢(VD)在數(shù)學上表示為 (13)VD(t)＝Dcos(ωt)； 其中D為電勢VD的振幅，而ω為激勵電勢VE的頻率。
在一個實施方式中，通過同步采樣來解調電勢。更具體地說，當cos(t)＝1時包含所關心的電勢的信號被采樣。這使電勢的振幅能夠用于計算和確定，而不必進行進一步的處理來解調被采樣的電勢。
在另一實施方式中，信號可通過處理器18內的解調電路來解調。例如，圖3示出系統(tǒng)10的實施方式，其中整流電路42(示為整流電路42a-42c)可用于解調電勢以產(chǎn)生解調的電勢。解調的電勢接著在處理器18中被進一步處理，以確定磁性構件26的位置和/或檢測變壓器12內的連通性故障。
在圖3的實施方式中，處理器18包括加法器電路38，但不包括差分電路40。在本實施方式中，差分電勢VDIFF通過用電勢VAA減去電勢VBB來確定。在本結構中，不是所有在接點28處或周圍的連通性故障都可由處理器18檢測。特別是，雖然在本結構中，在接點28周圍的開路連接可容易檢測到，但在次級線圈22和24之間的短路卻不容易檢測到。然而，圖4示出了系統(tǒng)10的實施方式，其中避免了不能容易地檢測到次級線圈22和24之間的短路。
在圖4所示的實施方式中，處理器18包括差分電路40，且次級線圈22和24以相反的方向纏繞，使得感應電勢VA和VB位相相差180°。由于感應電勢VA和VB之間的相移，由差分電路40產(chǎn)生的電勢將為總和電勢VSUM，使用于在處理器18內的進一步處理的電勢在圖3和4的實施方式中是相同的。但是，在次級線圈22和24之間短路的情況下，感應電勢VA和VB將嚴重干擾，從而使通過處理器18檢測短路變得簡單。
在圖3和4的實施方式中，偏置電勢VC通過低通濾波器41從輸出電勢VAA和VBB之一被提取。低通濾波器41提取輸出信號的直流分量，直流分量本質上為偏置電勢VC。提取的偏置電勢VC接著在處理器18內用于進一步的處理，例如確定磁性構件26的位置以及檢測變壓器12內的連通性故障。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的系統(tǒng)10的另一結構。在圖5所示的實施方式中，偏置電勢從輸出信號其中之一提取，并接著通過一對差分電路44和46從輸出電勢VAA和VBB的每個中減去該偏置電勢，以在被整流電路42解調之前產(chǎn)生感應電勢VA和VB。差分電路47從輸出電勢VBB減去VAA，以產(chǎn)生與磁性構件26的位置無關的檢測電勢VDIFF。只要系統(tǒng)10配置成使得輸出電勢VAA和VBB彼此位相相差180度，則在變壓器12內沒有連通性故障時VDIFF的振幅就是恒定的，如通過下列等式所示出的 (14)VDIFF(t)＝[Kd cos(ωt)]-[K(1-d)cos(ωt-π)]。
順便提起地，在其它實施方式中，系統(tǒng)10可配置成使得輸出電勢VAA和VBB彼此同相，且利用下列關系式提供在沒有連通性故障時具有恒定振幅的VDIFF (15)VDIFF(t)＝[Kd cos(ωt)]+[K(1-d)cos(ωt)] 在圖5所示的實施方式中，在處理器18內監(jiān)控VC和VDIFF二者的變化，該變化意味著變壓器12中有連通性故障。
參考圖6，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式示出系統(tǒng)10，其中系統(tǒng)10的布線大體上與圖5中示出的結構相同。不同點在于處理器18包括商業(yè)上現(xiàn)貨供應的LVDT/RVDT信號調節(jié)芯片49，例如模擬設備AD598(專利未決(patent pending))，信號調節(jié)芯片49作為位置確定模塊34運行，以確定磁性構件26的位置。輸出信號交流耦合到信號調節(jié)芯片中以去除偏置電勢VC。信號調節(jié)芯片可接著計算位置，就好像系統(tǒng)10中不存在偏置一樣。此結構中產(chǎn)生兩個額外的電勢，即偏置電勢VC和VDET，VC從其中一個輸出電勢提取，如在圖5的結構中完成的，而VDET相應于上面討論的圖5的結構的檢測電勢VDET。如前所述，VBIAS和VDET都可被期望獨立于磁性構件26的位置而保持恒定，并被監(jiān)控以確保變壓器12正常運行。在類似于圖6的另一實施方式中，假定變壓器12的相位被調整得當，則圖6示出的差分電路40可用將產(chǎn)生VDET的加法器電路代替。
圖1-6中示出的實施方式包括5線變壓器?？烧J識到，本發(fā)明還涵蓋了將偏置電勢VC施加到其它位置檢測變壓器。例如，圖7示出包括4線線性可變差分變壓器48來代替5線變壓器12的系統(tǒng)10的實施方式。在變壓器48內，類似于包括在變壓器12內那些部件的部件被給出相同的參考數(shù)字。變壓器48和變壓器12之間最顯著的差別是，在變壓器48中接點28電耦合到第一次級線圈22和第二次級線圈24中的每個，但接點28沒有耦合到電勢沉(例如，地)或電勢源(例如，偏置電勢源16)。在系統(tǒng)10內，偏置電勢源16在第一導線30連接到變壓器48，以將偏置電勢VC施加到變壓器48。因此，在第二導線32的輸出包括偏置電勢VC以及感應電勢VA和VB。偏置電勢VC從第二導線32上的輸出信號提取，且該電勢接著被處理器18監(jiān)控以檢測變壓器48內的連通性故障。在圖7所示的實施方式中，位置確定模塊34包括應用常規(guī)解調方案的信號調節(jié)芯片50，其可類似于上面描述的芯片49。出現(xiàn)在第二導線32上的輸出信號交流耦合到芯片50中以從該輸出信號中去除偏置電勢VC。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的包括變壓器48的系統(tǒng)10的另一結構。在圖8所示的結構中，偏置電勢源16再次在第一導線30上施加到變壓器48，但與圖7所示的結構不同，第一導線30和第二導線32上的輸出信號都交流耦合到芯片50中以增強抗擾度。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的系統(tǒng)10的結構。系統(tǒng)10的結構類似于圖8的結構，但包括將偏置電勢VC從偏置電勢源16耦合到第一導線30上的無源網(wǎng)絡52。無源網(wǎng)絡52是具有低直流阻抗和在激勵電勢源14的激勵頻率下具有高阻抗的電子網(wǎng)絡。
雖然上面討論的本發(fā)明的實施方式被描述為包括線性可變差分變壓器，但應認識到，這僅僅是為了舉例說明的目的，且本發(fā)明涵蓋了在能夠確定變壓器內構件位置的其它類型的變壓器中實施偏置電勢以檢測連通性故障。例如，本發(fā)明涵蓋了旋轉可變差分變壓器、同步機(synchro)和解析器(resolver)。此外，上面對實施方式的描述將偏置電勢VC公開為直流電勢，然而，在本發(fā)明的另一實施方式中偏置電勢VC是交流電勢。
因此可認識到，本發(fā)明的實施方式至此已被充分和有效地實現(xiàn)。前述實施方式被提供來說明本發(fā)明的結構和功能原理，而不是用于限制。相反，本發(fā)明意圖是包括在所附權利要求的實質和范圍內的所有更改、變更和替換。
權利要求
1.一種用于檢測位置的系統(tǒng)，其能夠對連通性故障進行自監(jiān)控，所述系統(tǒng)包括
變壓器，其中磁性構件被可移動地布置；
激勵電勢源，其耦合到所述變壓器以將激勵電勢施加到所述變壓器，其中所述激勵電勢對所述變壓器的所述施加感應出取決于所述變壓器內所述磁性構件的位置的至少一個感應電勢；
偏置電勢源，其耦合到所述變壓器以將偏置電勢施加到所述變壓器；以及
處理器，其耦合到所述變壓器以接收至少一個輸出信號，所述至少一個輸出信號包括所述至少一個感應電勢，
所述處理器根據(jù)所述至少一個感應電勢確定所述磁性構件的所述位置，以及
所述處理器根據(jù)所述輸出信號中所述偏置電勢的有或無來檢測所述變壓器內的連通性故障。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述變壓器包括
初級線圈，其耦合到所述激勵電勢源，使得所述激勵電勢施加到所述初級線圈；
第一次級線圈，其定位成接近于所述初級線圈，使得所述激勵電勢對所述初級線圈的所述施加感應出在所述第一初級線圈內的第一感應電勢；
第二次級線圈，其定位成接近于所述初級線圈，使得所述激勵電勢對所述初級線圈的所述施加感應出在所述第二初級線圈內的第二感應電勢；以及
接點，其耦合到所述第一次級線圈和所述第二次級線圈中的每個，
其中所述偏置電勢源耦合到所述接點并將所述偏置電勢施加到所述接點。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述變壓器包括
初級線圈，其耦合到所述激勵電勢源，使得所述激勵電勢施加到所述初級線圈；
第一次級線圈，其定位成接近于所述初級線圈，使得所述激勵電勢對所述初級線圈的所述施加感應出在所述第一初級線圈內的第一感應電勢；
第二次級線圈，其定位成接近于所述初級線圈，使得所述激勵電勢對所述初級線圈的所述施加感應出在所述第二初級線圈內的第二感應電勢；
第一導線，其耦合到所述第一次級線圈；以及
第二導線，其耦合到所述第二次級線圈，
其中所述偏置電勢源耦合到所述第一導線或所述第二導線之一，使得所述偏置電勢施加到所述第一導線或所述第二導線。
4.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述處理器確定所述磁性構件的旋轉方向。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述處理器確定所述磁性構件的線性位移。
6.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述激勵電勢是交流電勢而所述偏置電勢是直流電勢。
7.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述激勵電勢和所述偏置電勢是交流電勢。
8.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述變壓器包括同步機。
9.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述變壓器包括解析器。
10.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述變壓器包括線性可變差分變壓器。
11.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述變壓器包括旋轉可變差分變壓器。
12.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述變壓器包括5線變壓器。
13.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述變壓器包括4線變壓器。
全文摘要
一種用于檢測位置的、能夠對連通性故障進行自監(jiān)控的系統(tǒng)。在一個實施方式中，系統(tǒng)包括變壓器、激勵電勢源、偏置電勢源和處理器。
文檔編號G01D3/08GK101346607SQ200680048508
公開日2009年1月14日 申請日期2006年12月21日 優(yōu)先權日2005年12月22日
發(fā)明者C·E·柯文頓, G·S·普克特 申請人:貝爾直升機特克斯特龍有限公司