專利名稱：旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器。特別地，但是非排它地，本發(fā)明涉及一種用 于諸如，例如渦輪增壓器之類的渦輪機(jī)的速度傳感器。
背景技術(shù)：
眾所周知，渦輪增壓器是在高于(升壓)環(huán)境壓力的壓力下給內(nèi)燃機(jī) 的進(jìn)氣口(intake)提供空氣的裝置。常規(guī)的渦輪增壓器主要上包括在渦輪機(jī) 殼體內(nèi)安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的由排氣驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)葉輪。渦輪機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)帶 動(dòng)在壓縮機(jī)殼體內(nèi)安裝在旋轉(zhuǎn)軸的另一端上的壓縮機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)。壓縮機(jī) 葉輪將壓縮空氣傳送到內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣歧管，從而提高內(nèi)燃機(jī)的功率。
已知可以給渦輪機(jī)提供測(cè)量渦輪機(jī)的運(yùn)行特性的傳感器。任何這種運(yùn) 行信息可以用作渦輪機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)參數(shù)。例如，渦輪機(jī)各部件之間的 間距。
一種類型的已經(jīng)用作渦輪機(jī)傳感器的傳感器是包括諧振電路的電容 性傳感器，該諧振電路包含形成在安裝于渦輪機(jī)殼體的壁中所設(shè)置的孔中 的傳感器電極和導(dǎo)電的渦輪機(jī)葉輪之間的電容。當(dāng)渦輪機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，電 容波動(dòng)取決于各個(gè)葉片掃過(guò)電極時(shí)渦輪機(jī)葉輪和傳感器電極之間的間距。 從而，通過(guò)對(duì)變動(dòng)的電容在諧振電路中所產(chǎn)生的頻率調(diào)制進(jìn)行檢測(cè)并且放 大來(lái)確定傳感器電極和渦輪機(jī)葉輪之間的間隔。
在已知的電容性傳感器中，當(dāng)電容量隨著增大的間距而急劇變化時(shí)， 必須使電極和其他渦輪機(jī)元件之間的間隔保持為最小值，其中電極和其他 渦輪部件之間的間隔形成了電容，并且電容量與間隔距離成反向的函數(shù)關(guān) 系。然而由于機(jī)械結(jié)構(gòu)、誤差以及熱膨脹余量的原因，通常需要使間隔值最小。這樣，信號(hào)電平通常很低。與通常具有低得多的噪聲電平的檢驗(yàn)實(shí) 驗(yàn)室相比，內(nèi)燃機(jī)環(huán)境中通常具有相當(dāng)大的電噪聲電平。這種低的信號(hào)電 平和工作環(huán)境中的電噪聲產(chǎn)生了低的信噪比，從而通常很難將期望信號(hào)放 大到所需的水平，并同時(shí)從信號(hào)中摒棄噪聲。電容性傳感器中也存在很大 問(wèn)題，這是因?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)行可能會(huì)受到通過(guò)渦輪增壓器的氣體中的污染物 的存在以及傳感器電極本身上的污染物沉積的存在的不利影響。
可以證明其他渦輪機(jī)運(yùn)行特性的測(cè)量是有用的。例如，通過(guò)給內(nèi)燃機(jī) 控制單元(ECU)提供與渦輪增壓器的速度相關(guān)的信息，就可能防止或抵 消渦輪增壓器的任何超速。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是避免或減輕上述缺點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的
旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器，所述速度傳感器包括電極和傳感器電路；
所述傳感器電路包括
恒壓源，用于向電極提供電壓以便在電介質(zhì)中產(chǎn)生電場(chǎng)；
電流檢測(cè)器，用于檢測(cè)恒壓源和電極之間的電流，所述電流是由所述 電場(chǎng)的擾動(dòng)產(chǎn)生的，所述擾動(dòng)是在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)使旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少 一個(gè)凸起特征穿過(guò)所述電場(chǎng)而引起的，所述電流檢測(cè)器輸出在與所述電場(chǎng) 的擾動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的頻率下調(diào)制的第一信號(hào)；和
放大器電路，包括用于放大第一信號(hào)并且輸出在與所述電場(chǎng)的擾動(dòng)頻 率對(duì)應(yīng)的頻率下調(diào)制的第二信號(hào)的信號(hào)放大器；
其中，將電極電壓、放大器增益和電極相對(duì)于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為 使得第二信號(hào)的調(diào)制主要由電介質(zhì)中的電場(chǎng)擾動(dòng)產(chǎn)生，所述擾動(dòng)是由所述 電場(chǎng)內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。
可以理解的是，只需要恒壓源在恒壓下工作一段時(shí)間，該段時(shí)間足以 使傳感器檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度。恒壓源例如能夠輸出一定范圍的電 壓，該電壓在一段時(shí)間內(nèi)可以變化。
此外可以理解的是，雖然電壓源試圖時(shí)時(shí)維持恒壓，由于電場(chǎng)擾動(dòng)和 電壓源響應(yīng)之間的滯后，電極上的電壓實(shí)際上是波動(dòng)的。因此，術(shù)語(yǔ)"恒定"應(yīng)該相應(yīng)地被解釋為任何這種波動(dòng)都可以被忽略。
可以理解的是，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征(salient feature)可以是當(dāng)其穿過(guò)電 場(chǎng)時(shí)在其中產(chǎn)生所述擾動(dòng)的任何部件。凸起特征例如可以是旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的三 維結(jié)構(gòu)特征，或者旋轉(zhuǎn)構(gòu)件材料性質(zhì)中的局部變化(包括材料的局部變 化)，或者這些情況的組合。
電介質(zhì)例如可以包括電極和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間的流體或氣體(例如，空 氣)，或者不導(dǎo)電固體(例如，電絕緣的塑料材料)，或者這些情況中的兩 種或更多種的組合。
傳感器電路可以包括用于接收第二信號(hào)并且輸出第三信號(hào)的分頻器。
傳感器電路可以包括用于接收第二信號(hào)或第三信號(hào)并且提供表示擾 動(dòng)的頻率的第三信號(hào)的頻率計(jì)數(shù)器。
傳感器電路可以包括輸出端子或電纜，用于連接到用于根據(jù)第二、第 三或第四輸出信號(hào)來(lái)確定旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的控制器或其他裝置。
傳感器電路可以包括用于根據(jù)所述第二、第三或第四輸出信號(hào)來(lái)確定 旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的裝置。
電壓源可以提供大于大約+/-30的電壓，例如在+A30V到+/-500￥的范 圍內(nèi)，或者更高。在本發(fā)明的有些實(shí)施例中，高達(dá)+AlkV或更高的電壓可 以是合適的。在其他實(shí)施例中，+/-3(^到+/-150￥范圍內(nèi)的電壓可以是合 適的。 一個(gè)優(yōu)選的電壓范圍是+/-50￥至1]+/-150￥，例如120V的量級(jí)。
例如，相對(duì)于相關(guān)地有所提高的傳感器電壓能夠檢測(cè)到所描述的擾 動(dòng)，并且提供了改善的信噪比。己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大大高于典型電子電路中所使 用的典型電壓(即，5V或12V)的電壓在電荷運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生作用，該作用 與旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)相一致，然而更低的電壓允許電極電勢(shì)響應(yīng)于最近 的流體流動(dòng)中的污染物(contaminant)或者任何相關(guān)的最近地線的電勢(shì)中 由于不好的電連接(例如，由于軸或葉輪通過(guò)油膜軸承連接到地)所產(chǎn)生 的任何變化而波動(dòng)。
速度傳感器的至少一部分可以由至少一個(gè)導(dǎo)電屏蔽罩進(jìn)行電屏蔽。例 如，電極和傳感器電路(其可能遠(yuǎn)離電極)之間，或者傳感器電路元件(其 可能彼此遠(yuǎn)離)之間的連接可以被屏蔽。
該屏蔽罩可以保持在受控的電勢(shì)下。放大器電路可以包括屏蔽放大器，它的輸出驅(qū)動(dòng)該或各個(gè)導(dǎo)電屏蔽罩。
速度傳感器可以包括至少兩個(gè)屏蔽電路的各個(gè)部分的導(dǎo)電屏蔽罩。 該或各個(gè)屏蔽放大器可以將各個(gè)導(dǎo)電屏蔽罩保持在相同的電勢(shì)下。該 或各個(gè)屏蔽放大器優(yōu)選具有一致的增益。
該或各個(gè)屏蔽放大器可以耦合到信號(hào)放大器上。
反饋環(huán)可以跨接到放大器上，并且包括第一電容器。在一個(gè)實(shí)施例中， 屏蔽放大器與信號(hào)放大器串聯(lián)連接，反饋環(huán)跨接信號(hào)放大器和所述屏蔽放 大器，反饋環(huán)包括第一電容器。第一電容器可以是電容分壓器的適于減小 電容的有效容量的一部分。電容分壓器可以包括所述第一電容器和分壓 器。
放大器電路的增益可以由其值小于100pF的電容來(lái)控制，更優(yōu)選地該 電容值為小于10pF，更優(yōu)選為小于lpF，更優(yōu)選為小于0.1pF，或者更優(yōu) 選為還小于0.01pF。該電容可以處于電容分壓器中，例如正如前面所提及 的用于提供進(jìn)一步減小的有效電容量，其值優(yōu)選為小于10pF，更優(yōu)選為小 于lpF，更優(yōu)選為小于O.lpF，更優(yōu)選為小于O.OlpF，并且更優(yōu)選為小于 0扁pF。
在優(yōu)選實(shí)施例中，第一輸出信號(hào)為調(diào)制電壓。
電流檢測(cè)器可以包括串聯(lián)跨接電壓源上的電容器和電阻器，其中電極 連接到電壓源和電容器的第一端之間的節(jié)點(diǎn)上，并且從電容器的第二端和 電阻器之間的節(jié)點(diǎn)上提取第一輸出信號(hào)。
電極可以具有電場(chǎng)從其上延伸的表面，該表面的在使用中最靠近旋轉(zhuǎn) 構(gòu)件的至少一部分由保護(hù)材料體覆蓋。保護(hù)材料例如可以是不導(dǎo)電的。
電極可以包括電極基體和電場(chǎng)從其上延伸的電極表面，該表面的在使 用中最靠近旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一部分由不同于電極基體的導(dǎo)電材料所限定。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，包括
被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，和用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的 旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器，所述速度傳感器包括-
相對(duì)于所述軸線固定在合適位置上的電極；
連接到電極上的用于在電極和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電勢(shì)基本恒定的部分之間建立電場(chǎng)的恒壓源，
其中，將電極定位成使得當(dāng)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的 至少一個(gè)凸起特征穿過(guò)所述電場(chǎng)，從而在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)時(shí)擾動(dòng)所述 電場(chǎng)；
電流檢測(cè)器，其用于檢測(cè)電壓源和電極之間響應(yīng)于所述電場(chǎng)的所述擾 動(dòng)的電流；禾口
放大器電路，其包括用于放大第一信號(hào)并且輸出在與電場(chǎng)的擾動(dòng)頻率
對(duì)應(yīng)的頻率下調(diào)制的第二信號(hào)的信號(hào)放大器；
其中，將電極電壓、放大器增益和電極相對(duì)于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為 使得第二信號(hào)的調(diào)制主要由電介質(zhì)中的電場(chǎng)擾動(dòng)引起，所述擾動(dòng)是由所述 場(chǎng)內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。
旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電勢(shì)基本恒定的部分可以為所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。
旋轉(zhuǎn)構(gòu)件例如可以是不導(dǎo)電的，并且旋轉(zhuǎn)電機(jī)的所述電勢(shì)基本恒定的 部分是導(dǎo)電.體，其由旋轉(zhuǎn)電機(jī)支撐為與電極成固定空間關(guān)系，從而旋轉(zhuǎn)構(gòu) 件的所述至少一個(gè)凸起特征在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線的每次旋轉(zhuǎn)時(shí)在電極 和所述電勢(shì)恒定的部分之間穿過(guò)。
旋轉(zhuǎn)電機(jī)的所述電勢(shì)恒定的部分例如可以是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的殼體的導(dǎo)電 部分?？蛇x擇地，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可以安裝在軸上，所述軸的至少一部分是導(dǎo)電 的，并且包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)的所述電勢(shì)恒定的部分。
旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可以包括多個(gè)所述凸起特征。優(yōu)選地，電極的有電場(chǎng)通過(guò)的 表面在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)方向上的大小小于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)鄰接的凸起特征 的間隔。
所述或各個(gè)凸起特征可以包括實(shí)體突起和/或旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的材料性質(zhì)中 的局部變化。
在一些實(shí)施例中，所述實(shí)體突起包括邊緣。
所述或各個(gè)凸起特征可以是相對(duì)于所述軸線大體徑向和/或軸向延伸 的突起。例如，所述或各個(gè)凸起特征是葉片或翼片。
旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可以在由殼體限定的腔體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，流體存在于所述腔體中， 并且其中電場(chǎng)穿過(guò)電極和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間的所述流體。殼體可以具有流體入
口和流體出口，所述腔體位于所述入口和所述出口之間的流體流動(dòng)通道中。
旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以為渦輪機(jī)。例如，旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以為渦輪機(jī)或壓縮機(jī)(例 如包括在渦輪增壓器或其它裝置中)，并且所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可以為渦輪機(jī)葉 輪或壓縮機(jī)葉輪。
電極可以由插在入口或出口中的部件支撐，并且與所述部件電絕緣。 插入的部件可以為環(huán)形構(gòu)件，例如壓縮機(jī)的噪聲擋板。
在一些實(shí)施例中，電極由旋轉(zhuǎn)電機(jī)的殼體支撐，并且與所述殼體電絕緣。
優(yōu)選電極并不暴露在所述流體中。電極例如可以由與所述流體至少基 本上不發(fā)生反應(yīng)的材料層或材料體與所述流體分隔。電極可以由電絕緣材 料層或材料體與所述流體分隔。
不管電極的支撐方法是什么，在一些實(shí)施例中(諸如例如當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī) 為壓縮機(jī)時(shí))，電極相對(duì)于殼體優(yōu)選具有固定的位置，并且與旋轉(zhuǎn)構(gòu)件有 設(shè)定的最小間距(這個(gè)最小值可能僅在葉輪的一個(gè)或多個(gè)方向上，并且可
能取決于占據(jù)軸承中的軸向間隙(axial play)的葉輪以及任何常見(jiàn)的熱膨脹 與向心膨脹)。這個(gè)最小間距優(yōu)選為至少0.1mm，更加優(yōu)選為至少0.2mm， 更加優(yōu)選為至少0.3mm，更加優(yōu)選為至少0.4mm，更加優(yōu)選為至少0.6mm， 更加優(yōu)選為至少0.8mm，更加優(yōu)選為至少lmm，更加優(yōu)選為至少1.5mm， 更加優(yōu)選為至少2mm，更加優(yōu)選為至少5mm，更加優(yōu)選為至少10mm。 這個(gè)間距還優(yōu)選為小于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件或其穿過(guò)電場(chǎng)區(qū)域部分的直徑的三倍，更 加優(yōu)選為小于所述直徑，更加優(yōu)選為小于該直徑的三分之一。當(dāng)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件 具有葉片陣列時(shí)，進(jìn)一步地，該間距優(yōu)選為小于電場(chǎng)區(qū)域中的葉片的間隔， 更加優(yōu)選為這些間隔的一半。
旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電勢(shì)恒定的部分可以處于地電勢(shì)或虛地電勢(shì)。 速度傳感器可以為根據(jù)本發(fā)明的任意其他方面所述的速度傳感器。 在本發(fā)明的第三方面中，提供了一種使用根據(jù)本發(fā)明的任意其他方面 所述的速度傳感器來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)電機(jī)速度的方法，該旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括被支撐為 繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種測(cè)量旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度的方法，所 述旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，所述方法包括
相對(duì)于所述軸線將電極支撐在合適的位置上；
給電極提供恒定電壓，以便在電極和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電勢(shì)基本恒定的部分之間建立電場(chǎng)；
其中，將電極定位成使得當(dāng)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一個(gè)凸起特征穿過(guò)所述電場(chǎng)，從而在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)時(shí)擾動(dòng)所述
電場(chǎng)；
檢測(cè)電壓源和電極之間的響應(yīng)所述電場(chǎng)擾動(dòng)的電流，以便得到在所述擾動(dòng)的頻率下調(diào)制的第一信號(hào)；
放大第一信號(hào)并且輸出在與電場(chǎng)的擾動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的頻率下調(diào)制的第二信號(hào)；
其中，將電極電壓、放大器增益和電極相對(duì)于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為使得第二信號(hào)的調(diào)制主要由電介質(zhì)中的電場(chǎng)擾動(dòng)引起，所述擾動(dòng)是由所述電場(chǎng)內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的；以及
根據(jù)所述信號(hào)的調(diào)制確定旋轉(zhuǎn)速度。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供了一種用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器，該速度傳感器包括電極和傳感器電路；該傳感器電路包括
用于給電極提供電壓以便產(chǎn)生電場(chǎng)的恒壓源；
電流檢測(cè)器，用于檢測(cè)恒壓源和電極之間的電流，所述電流是由所述電場(chǎng)的擾動(dòng)產(chǎn)生的，所述擾動(dòng)是在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)使旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一個(gè)凸起特征穿過(guò)所述電場(chǎng)而引起的；
所述電流檢測(cè)器輸出在與所述電場(chǎng)的擾動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的頻率下調(diào)制的第一信號(hào)。
傳感器電路優(yōu)選進(jìn)一步包括用于放大第一信號(hào)并且輸出第二信號(hào)的信號(hào)放大器。
將電極電壓、放大器增益和電極與旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間的位置選擇為使得電極電流中的脈沖主要由穿過(guò)局部化電場(chǎng)的離子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。所述離子可以為下述兩種方式中的至少一種在流體內(nèi)或吸附在不導(dǎo)電固體上。
速度傳感器的至少一部分可以由至少一個(gè)導(dǎo)電屏蔽罩進(jìn)行電屏蔽，該導(dǎo)電屏蔽罩可以保持在受控的電勢(shì)下。優(yōu)選地，所述傳感器包括至少一個(gè)屏蔽放大器，其輸出驅(qū)動(dòng)該或各個(gè)導(dǎo)電屏蔽罩。該或各個(gè)屏蔽放大器可以耦合到信號(hào)放大器上。屏蔽放大器例如可以與信號(hào)放大器串聯(lián)連接，傳感器電路可以包括跨接在信號(hào)放大器和所述屏蔽放大器上的反饋環(huán)，反饋環(huán)包括第一電容器。第一電容器可以是電容電橋的適于減小電容的有效容量的一部分(其可以包括第一電容器和分壓器)。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供了一種測(cè)量旋轉(zhuǎn)電機(jī)速度的方法，該旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，該方法包括
相對(duì)于所述軸線將電極支撐在合適的位置上；
給電極提供恒定電壓，以便在電極和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電勢(shì)基本恒定的部分之間建立電場(chǎng)；
其中，將電極定位成使得當(dāng)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一個(gè)凸起特征穿過(guò)電場(chǎng)，從而在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)時(shí)擾動(dòng)電場(chǎng)；
檢測(cè)電壓源和電極之間的響應(yīng)于所述電場(chǎng)的所述擾動(dòng)的電流，以便得到在所述擾動(dòng)的頻率下調(diào)制的信號(hào)；以及
根據(jù)所述信號(hào)的調(diào)制中確定旋轉(zhuǎn)速度。
人們相信，傳感器能夠通過(guò)檢測(cè)電場(chǎng)中的擾動(dòng)而工作，這些擾動(dòng)是由下述一個(gè)或多個(gè)原因產(chǎn)生的.
對(duì)電場(chǎng)中由于摩擦產(chǎn)生的電荷(摩擦帶電效應(yīng))的運(yùn)動(dòng)所引起的電荷分配所進(jìn)行的調(diào)制。該摩擦例如可以發(fā)生在流體本身中(例如湍流)，或發(fā)生在流體和流體導(dǎo)管中的基體(例如旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征)之間；
對(duì)電場(chǎng)中的電荷分配所進(jìn)行的調(diào)制，該電荷分配是由于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征穿過(guò)電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)而引起流體物理性質(zhì)發(fā)生變化(例如，增大的壓力產(chǎn)生了增大的電荷密度)所導(dǎo)致的；
對(duì)其中產(chǎn)生了電場(chǎng)的任意介質(zhì)材料的電特性所進(jìn)行的調(diào)制(例如，壓力和/或溫度和/或濕度或其它的變化影響介質(zhì)材料的介電常數(shù))。
因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是一種測(cè)量被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的方法，該方法包括
相對(duì)于所述軸線將電極支撐在合適的位置上；
給電極提供恒定電壓，以便在電極和電勢(shì)基本恒定的基體之間建立電場(chǎng)；
其中，將電極定位成使得當(dāng)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的
至少一個(gè)凸起特征穿過(guò)電場(chǎng)，從而在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)時(shí)擾動(dòng)電場(chǎng)；
檢測(cè)電壓源和電極之間的響應(yīng)于電場(chǎng)擾動(dòng)的電流，以便得到在所述擾
動(dòng)的頻率下調(diào)制的信號(hào)；以及
根據(jù)所述信號(hào)的調(diào)制確定旋轉(zhuǎn)速度。
其中，所述擾動(dòng)是由下述一個(gè)或多個(gè)原因產(chǎn)生的
對(duì)電場(chǎng)中由于摩擦產(chǎn)生的電荷(摩擦帶電效應(yīng))的運(yùn)動(dòng)所引起的電荷分配所進(jìn)行的調(diào)制。該摩擦例如可以發(fā)生在流體本身中(例如湍流)，或
發(fā)生在流體和流體導(dǎo)管中的基體(例如旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征)之間；
對(duì)電場(chǎng)中的電荷分配所進(jìn)行的調(diào)制，該電荷分配是由于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征穿過(guò)電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)而引起流體物理性質(zhì)發(fā)生變化(例如，增大的壓力產(chǎn)生了增大的電荷密度)所導(dǎo)致的；以及
對(duì)其中產(chǎn)生了電場(chǎng)的任意介質(zhì)材料的電特性所進(jìn)行的調(diào)制(例如，壓力和/或溫度和/或濕度或其它的變化影響介質(zhì)材料的介電常數(shù))。
類似地，本發(fā)明提供了一種用于測(cè)量被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起特征的旋轉(zhuǎn)速度的傳感器，該傳感器包括電極和傳感器電路；
該傳感器電路包括
用于給電極提供電壓以便產(chǎn)生電場(chǎng)的恒壓源；
電流檢測(cè)器，用于檢測(cè)恒壓源和電極之間的電流，所述電流是由所述電場(chǎng)的擾動(dòng)產(chǎn)生的，所述擾動(dòng)是在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)使旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一個(gè)凸起特征穿過(guò)所述電場(chǎng)而引起的；
所述電流檢測(cè)器輸出在與電場(chǎng)的擾動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的頻率下調(diào)制的信號(hào)；其中，電場(chǎng)的擾動(dòng)是由下述的一個(gè)或多個(gè)效應(yīng)引起的對(duì)電場(chǎng)中由于摩擦產(chǎn)生的電荷(摩擦帶電效應(yīng))的運(yùn)動(dòng)所引起的電荷分配所進(jìn)行的調(diào)制。該摩擦例如可以發(fā)生在流體本身中(例如湍流)，或發(fā)生在流體和流體導(dǎo)管中的基體(例如旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征)之間；
對(duì)電場(chǎng)中的電荷分配所進(jìn)行的調(diào)制，該電荷分配是由于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的凸起特征穿過(guò)電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)而引起流體物理性質(zhì)發(fā)生變化(例如，增大的壓力產(chǎn)生了增大的電荷密度)所導(dǎo)致的；以及對(duì)其中產(chǎn)生了電場(chǎng)的任意介質(zhì)材料的電特性所進(jìn)行的調(diào)制(例如，壓力和/或溫度和/或濕度或其它的變化影響介質(zhì)材料的介電常數(shù))。
傳感器電路優(yōu)選包括放大器，其工作特性為適于在使信號(hào)噪聲最小的同時(shí)，放大由于一個(gè)或多個(gè)這些效應(yīng)所產(chǎn)生的輸出信號(hào)，否則，信號(hào)噪聲會(huì)阻止對(duì)所述擾動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)調(diào)制的檢測(cè)。放大器例如可以包括信號(hào)放大器和屏蔽放大器，正如前面所述。
本發(fā)明還試圖提供一種測(cè)量流體特性變化的方法，該方法包括
相對(duì)于所述軸線將電極支撐在合適的位置上；
給電極提供恒定電壓，以便在電極和電勢(shì)基本恒定的基體之間建立電場(chǎng)，將電極定位成使得電場(chǎng)能夠延伸進(jìn)入所述流體中；
檢測(cè)電壓源和電極之間的響應(yīng)于電場(chǎng)擾動(dòng)的電流，該擾動(dòng)是由流體特性的變化引起的；以及
根據(jù)所檢測(cè)的電流確定所述特性變化；其中所述擾動(dòng)產(chǎn)生的原因?yàn)?br>
對(duì)電場(chǎng)中的電荷分配所進(jìn)行的調(diào)制，該電荷分配是由于所述特性的變
化引起電荷的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的；和/或
由于所述特性的變化而對(duì)所述流體的介電常數(shù)所進(jìn)行的調(diào)制。該特性例如可以為溫度、壓力、濕度或流體的化學(xué)成分。本發(fā)明還試圖提供一種測(cè)量導(dǎo)管中所流過(guò)的流體的質(zhì)量流量的方法，
該方法包括
相對(duì)于所述軸線將電極支撐在第一位置上；
給電極提供恒定電壓，以便在電極和電勢(shì)基本恒定的基體之間建立電場(chǎng)，將電極定位成使得電場(chǎng)能夠延伸進(jìn)入所述導(dǎo)管中；改變第一位置上游的第二位置處的流體的特性；
檢測(cè)電壓源和電極之間的響應(yīng)于電場(chǎng)擾動(dòng)的電流，該擾動(dòng)是由流體的特性改變引起的；以及
根據(jù)所述第一位置和第二位置的間隔以及流體特性的所述改變與所述當(dāng)前檢測(cè)值之間的時(shí)延來(lái)確定流體的質(zhì)量流量。明顯。
現(xiàn)有將只通過(guò)例子的方式并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行描 述，其中
圖1為具有固定幾何形狀的渦輪的渦輪增壓器的軸向剖面圖，其顯示 了渦輪增壓器的基本部件；
圖2為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的渦輪增壓器的壓縮機(jī)殼體的透視
圖3為圖2壓縮機(jī)的一部分的剖面圖4顯示了圖2和3中的壓縮機(jī)的傳感器電極組件的縱向剖面圖4a顯示了本發(fā)明的傳感器電路的示意性特征；
圖5為根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的渦輪增壓器的壓縮機(jī)殼體的透視
圖6為圖5中的渦輪增壓器的壓縮機(jī)的噪聲擋板插入件(noise baffle
insert)的剖面圖7為圖5的壓縮機(jī)的一部分的剖面圖8為根據(jù)本發(fā)明的傳感器電路實(shí)施例的示意性電路圖9為根據(jù)本發(fā)明的傳感器電路的另一個(gè)實(shí)施例的電路圖10a為根據(jù)本發(fā)明的沿導(dǎo)電壓縮機(jī)葉輪和相鄰的電極組件的簡(jiǎn)化剖
面圖10b為根據(jù)本發(fā)明的沿支撐在導(dǎo)電軸上的非導(dǎo)電壓縮機(jī)葉輪和相鄰 電極組件的簡(jiǎn)化剖面圖10c為根據(jù)本發(fā)明的沿非導(dǎo)電壓縮機(jī)葉輪和相鄰電極組件的簡(jiǎn)化剖 面圖lla和圖llb示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的傳感器電極和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件 之間的電場(chǎng)線。
具體實(shí)施例方式
首先參考圖1，這是具有固定幾何形狀的渦輪的典型渦輪增壓器的軸 向剖面圖，其顯示了渦輪增壓器的基本部件。渦輪增壓器包括經(jīng)由中心軸承套3連接到壓縮機(jī)2上的渦輪1。渦輪1包括容納渦輪機(jī)葉輪5的渦輪
殼體4。類似地，壓縮機(jī)2包括容納壓縮機(jī)葉輪7的壓縮機(jī)殼體6。渦輪 機(jī)葉輪5和壓縮機(jī)葉輪7安裝在共用的渦輪軸8的相對(duì)側(cè)上，渦輪軸8支 撐在軸承套3內(nèi)的軸承組件9。
渦輪殼體4設(shè)置有排氣入口 IO和排氣出口 11。入口 IO經(jīng)由徑向延伸 的環(huán)形入口通道13將流入的排氣導(dǎo)向環(huán)繞渦輪機(jī)葉輪5并且與之相通的 環(huán)形的入口腔，即蝸殼12。渦輪機(jī)葉輪5的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)壓縮機(jī)葉輪7的旋轉(zhuǎn)， 壓縮機(jī)葉輪7通過(guò)由環(huán)形入口壁6a部分限定的軸向入口 14吸入空氣，并 且經(jīng)由出口 15將壓縮空氣傳送到內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣口 (未示出)。
圖2到4a顯示了渦輪增壓器的壓縮機(jī)，其包括根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施 例所述的渦輪增壓器速度傳感器。雖然壓縮機(jī)殼體6的特征在細(xì)節(jié)上與圖 1的渦輪增壓器壓縮機(jī)的特征不同，但是結(jié)構(gòu)大體相同，因此適當(dāng)時(shí)候用 相同的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的特征。本發(fā)明的速度傳感器組件16安裝在壓 縮機(jī)殼體6上。傳感器組件16 (單獨(dú)顯示在圖4中)包括支撐在導(dǎo)電的防 護(hù)管18中的細(xì)長(zhǎng)電極17，其延伸通過(guò)貫穿壓縮機(jī)殼體壁設(shè)置的大體徑向 的穿孔19。穿孔19開(kāi)在被壓縮機(jī)葉輪7的葉片掃過(guò)的壓縮機(jī)內(nèi)表面20 上，因此，電極17的擴(kuò)大端21設(shè)置得非?？拷鼔嚎s機(jī)葉輪7。電極17 的另一端和防護(hù)管18連接到容納在電絕緣的傳感器殼體23內(nèi)的PCB 22 上，該殼體23包括包住防護(hù)管18的管狀部分24。用穿過(guò)傳感器殼體23 中的孔26并且旋入殼體壁中的螺紋孔27的螺栓25將傳感器組件16固定 到殼體6上。提供o-環(huán)形密封圈28來(lái)將傳感器密封在穿孔19內(nèi)。還可以 提供額外的螺紋孔28a，以利于入口傳感器裝置(inlet sensor device),如溫 度傳感器的定位(未顯示)。
PCB 22將電極17上和防護(hù)管18電連接到設(shè)置在PCB 22上的傳感器 電路29上(圖4a中示意示出)。傳感器電路29包括恒壓源3K電流檢測(cè) 電路32、放大器33和頻率計(jì)數(shù)器34。頻率計(jì)數(shù)器可以包括分頻器(未顯 示)。頻率計(jì)數(shù)器輸出表示壓縮機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)速度的信號(hào)，其例如可以經(jīng) 由連接電纜30提供給內(nèi)燃機(jī)ECU或其他控制器。傳感器電路的示例性實(shí) 施例的更多細(xì)節(jié)和操作將在以后描述。
根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器速度傳感器的第二實(shí)施例顯示在圖5到7中。再次地，雖然壓縮機(jī)殼體的特征在細(xì)節(jié)上與圖1和2到4的渦輪增壓 器壓縮機(jī)的特征不同，但是適當(dāng)時(shí)候用相同的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的特征。
首先參考圖5，壓縮機(jī)包括塑料插入件形式的噪音擋板35，其被安裝在壓 縮機(jī)入口 14中。提供壓縮機(jī)噪聲擋板來(lái)作為分隔壓縮機(jī)殼體的插入分隔
在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，因此不會(huì)詳細(xì)描述噪聲屏蔽的功能。
但是，正如從圖6中可以看出的，噪聲擋板35是包括管狀部分36的 環(huán)形結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，壓縮機(jī)包括傳感器組件16，傳感器組件16包括嵌在塑 料噪聲擋板插入件35中的電極17，如圖6和7所示。電極17大體為L(zhǎng) 形，其具有軸向延伸部分17a和徑向延伸部分17b，徑向延伸部分凸入設(shè) 置在擋板插入件35的孔37中，以用于與傳感器組件16的其他部件連接， 如圖7所示。
參考圖7，壓縮機(jī)殼體6在入口壁6a中設(shè)置有徑向連接孔38，其與 擋板插入件35的孔37對(duì)齊，以便于與電極17的徑向部分17b的電連接。 插入件35的管狀部分36朝壓縮機(jī)葉輪(未示出)延伸，從而電極17的 軸向部分17a的端部位于與壓縮機(jī)葉輪非常靠近的位置上。
傳感器組件16進(jìn)一步包括容納連接到導(dǎo)電插座39上的PCB 22的電 絕緣傳感器殼體23。插座39位于殼體23的管狀部分40中，管狀部分40 插入擋板穿孔中，從而電極的徑向部分17b延伸到插座39中。管狀部分 40可以過(guò)盈配合在孔37中，電極部分17b可以過(guò)盈配合在插座39中。電 極部分17b的端部為錐形的，以幫助插入插座39。 O-環(huán)形密封圈28將傳 感器殼體23相對(duì)于孔38密封。用延伸穿過(guò)殼體23中的孔26并且旋入殼 體壁69中的螺紋孔27的螺栓25將傳感器組件16固定到殼體6上。
PCB22將電極17連接(經(jīng)由PCB22上的傳感器電路29)到設(shè)置為 與內(nèi)燃機(jī)ECU或其他控制器連接的輸出引線41上。傳感器電路并未示出， 但是其與圖4示意性示出的傳感器電路29相同。
將電極嵌在可拆卸的插入件35中確保了將傳感器集成到渦輪增壓器 中的操作是簡(jiǎn)單并且成本低廉的。電極17例如可以是簡(jiǎn)單的導(dǎo)電線(例 如，銅)。它優(yōu)選為雙金屬。通過(guò)合理配置擋板插入件35，而不需要改變 傳感器組件16或壓縮機(jī)殼體6的其他細(xì)節(jié)就可以輕易地適應(yīng)不同的壓縮機(jī)入口結(jié)構(gòu)。如果需要，還可以簡(jiǎn)單地更換可拆卸擋板插入件35來(lái)更換 電極。
本發(fā)明的前述兩個(gè)實(shí)施例具有相同的傳感器電路29，并且以相同的方 式運(yùn)行?，F(xiàn)在將對(duì)此進(jìn)行描述。
由恒壓源42在接地和電極17之間施加電壓V。這就在電極17和為 虛接地的壓縮機(jī)葉輪7之間建立了電場(chǎng)。當(dāng)壓縮機(jī)葉輪7旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪葉 片連續(xù)掃過(guò)電極的位置。當(dāng)各個(gè)葉片掃過(guò)(sweep)電場(chǎng)時(shí)，擾動(dòng)了電極和壓 縮機(jī)葉輪之間的電場(chǎng)。由于電壓源致力于在電極上維持電壓V，因此響應(yīng) 于電場(chǎng)的擾動(dòng)，在電壓源和電極之間有電流流過(guò)。從而用直接取決于壓縮 機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)速度的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電流。放大器33將檢測(cè)到的電流進(jìn)行放 大，放大的信號(hào)被送到輸出表示壓縮機(jī)葉輪(即渦輪增壓器)瞬時(shí)速度的 信號(hào)的頻率計(jì)數(shù)器34。
現(xiàn)在將參考圖8和9來(lái)描述傳感器電路的示例性實(shí)施例。
首先參考圖8，其顯示了說(shuō)明一部分傳感器電路29的工作原理的示意 性電路。DC電源42經(jīng)由電阻器43電連接到電極17上。電源42還電連 接到公共地44上。公共地44可以是傳導(dǎo)部件或可以是車輛的其中設(shè)置渦 輪增壓器的車身或底盤，或者可以是大地(特別是在渦輪增壓器裝配到諸 如電力發(fā)電機(jī)之類的固定發(fā)動(dòng)機(jī)上的時(shí)候)。壓縮機(jī)葉輪也處于由45所表 示的公共地的電勢(shì)上。這就在電極和壓縮機(jī)葉輪之間建立了電場(chǎng)。如上所 述，當(dāng)壓縮機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，將在電壓源和電極之間流過(guò)調(diào)制電流。該電流 將會(huì)導(dǎo)致電極17和電阻器43中間的節(jié)點(diǎn)46上的電壓發(fā)生變化。節(jié)點(diǎn)46 經(jīng)由電容器47和電阻器48電連接到公共地44上。節(jié)點(diǎn)46上的電壓變化 產(chǎn)生了流過(guò)耦合電容器47的電流，這將在電容器47和電阻器48中間的 第二節(jié)點(diǎn)49上產(chǎn)生調(diào)制電壓。節(jié)點(diǎn)49上的調(diào)制電壓由所連接的放大器33 進(jìn)行放大，然后將放大器33的輸出50送到頻率計(jì)數(shù)器34上。頻率計(jì)數(shù) 器(圖8中未示出)可以是完全常規(guī)式的。
圖9顯示了部分傳感器電路29的第二個(gè)實(shí)施例。由于電極17及其與 傳感器電路的電連接對(duì)于渦輪增壓器外部的反向電場(chǎng)(adverse electric field),例如對(duì)無(wú)線電擾動(dòng)非常敏感，因此電極17和電極與傳感器電路29 之間的電連接被屏蔽。在本發(fā)明前面所述的電極的情形中，外部反向電場(chǎng)
21屏蔽通常由金屬壓縮機(jī)殼體6來(lái)提供，在圖2到4的實(shí)施例的情形中，屏
蔽還由防護(hù)管18來(lái)提供。同樣，如果電極17設(shè)置成與檢測(cè)電路的一部分 (尤其是放大器)很遠(yuǎn)，則使用諸如同軸電纜的屏蔽電纜來(lái)將電極17連 接到檢測(cè)電路上是很重要的。屏蔽電纜的內(nèi)芯51從電極17傳送信號(hào)，并 且環(huán)繞有外部屏蔽層52。同軸電纜用作電容。電纜中的寄生電容(extraneous capacitance)由保護(hù)放大器53來(lái)補(bǔ)償。保護(hù)放大器保持為受控的電勢(shì)，例 如，但是并不限于，虛地電勢(shì)。
正如先前的電路實(shí)施例那樣，DC電源42電連接到電極17上。電源 42和電極17中間為包括電阻器55、 56和57以及電容器58的偏置電路 54。偏置電路用于提高輸出的信噪比。偏置電路54的電容器58電連接到 保護(hù)放大器53的輸出上，從而偏置電路54提供到電極17的更大的阻抗。 電容器47在本實(shí)施例中的作用與先前實(shí)施例中相同標(biāo)記的電容器的作用 非常類似，這是因?yàn)樗鼘㈦姌O17連接到保護(hù)放大器53的輸入上。因此， 保護(hù)放大器53的作用是使放大器地線和壓縮機(jī)葉輪地線之間的任何電勢(shì) 差都為零。與第一電路實(shí)施例不同，壓縮機(jī)葉輪地線和放大器可以不連接 到公共地上。放大器地線和壓縮機(jī)葉輪地線之間的任何差值都將產(chǎn)生不正 確的測(cè)量值。保護(hù)放大器53的輸出饋送到同軸電纜的外部屏蔽層52。這 就在放大器上保持了恒定電壓，從而只有電極17中的變化信號(hào)被放大。 這樣，就能消除不想要的信號(hào)，即噪聲。
保護(hù)放大器53的輸出經(jīng)由中間電容器59饋送到反向放大器60的輸 入端。包括電阻器62、 63和64以及電容器65的電容分壓器61電連接在 放大器60周圍，并且用作偏置放大器60的反饋元件。此外，電容分壓器 61與電容器59 —起構(gòu)成了高通濾波器。電阻器62具有很高的有效電阻器， 從而高通濾波器具有低截止頻率，因此傳感器具有從低頻開(kāi)始的總帶寬。 低通濾波器(未示出)也可以用于消除信號(hào)中的與壓縮機(jī)葉輪的運(yùn)動(dòng)不相 關(guān)的高頻分量。
串聯(lián)使用兩個(gè)放大器，在這個(gè)例子中為保護(hù)放大器53和反向放大器 60，其優(yōu)勢(shì)在于比只使用一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)類似功能的高質(zhì)量放大器時(shí)更加節(jié) 省成本。
另一個(gè)電容分壓器66，其包括電容器67和68以及電阻器69和70，被電連接在保護(hù)放大器53的輸入端和反向放大器60的輸出端之間。電容
分壓器66用作放大器53、 60附近的反饋元件。由于電阻器69和70的分 壓作用，并且電阻器69間接電連接于保護(hù)放大器53輸出端并以其為基準(zhǔn)， 電容分壓器66提供了小的有效反饋電容67?？梢栽诠?jié)點(diǎn)71上得到電路輸 出，如果需要，可以在之后對(duì)該電路輸出進(jìn)行進(jìn)一步的放大后送往頻率計(jì) 數(shù)器(未示出)。
放大器53、 60的增益由電容分壓器66控制。電容分壓器優(yōu)選在放大 器53、 60附近提供有效電容，其值優(yōu)選小于10pF，更優(yōu)選為小于lpF， 更優(yōu)選為小于O.lpF，更優(yōu)選為小于0.01pF，并且更優(yōu)選為小于0.001pF。 或者，電容分壓器66可以由連接在放大器53、 60附近的單個(gè)電容器替代。 這時(shí)，該電容值優(yōu)選為小于100pF，更優(yōu)選為小于10pF，更優(yōu)選為小于 lpF，更優(yōu)選為小于O.lpF，并且更優(yōu)選為小于0.01pF。
使用其值在上述范圍內(nèi)的電容分壓器66 (或等效電容)能夠控制放大 器53、 60的增益，從而使所利用的電極17能夠具有更小的有效面積和/ 或被放置在離壓縮機(jī)葉輪更遠(yuǎn)的間距處，并且能夠檢測(cè)到不會(huì)被具有更大 常規(guī)電容的類似傳感器檢測(cè)到的電場(chǎng)擾動(dòng)。如果利用傳感器來(lái)測(cè)量龐大壓 縮機(jī)的速度，在這種壓縮機(jī)中諸如軸向運(yùn)動(dòng)和壓縮機(jī)葉輪的熱膨脹的因素 可能限制電極17靠近壓縮機(jī)葉輪7，則這個(gè)就特別具有優(yōu)勢(shì)。
根據(jù)上述的各個(gè)實(shí)施例，壓縮機(jī)葉輪(即，渦輪增壓器)的旋轉(zhuǎn)速度 可以通過(guò)將調(diào)制頻率除以壓縮機(jī)葉輪7上的葉片數(shù)目來(lái)簡(jiǎn)單地確定。這個(gè) 計(jì)算可以在頻率計(jì)數(shù)器34內(nèi)或者例如由ECU或其他控制器(諸如例如渦 輪增壓器廢氣門(wastegate)的致動(dòng)器或可變尺寸的入口機(jī)構(gòu))來(lái)執(zhí)行。頻 率計(jì)數(shù)器34的輸出可以為，例如以CAN (控制器局域網(wǎng)，controller area network)格式，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣。給ECU提供關(guān)于渦 輪增壓器速度的信息可以，例如允許ECU優(yōu)化連接有渦輪增壓器的內(nèi)燃 機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)還允許采取補(bǔ)救措施來(lái)防止渦輪增壓器超速時(shí)對(duì) 渦輪增壓器和/或內(nèi)燃機(jī)的任何可能的損壞。
由于已知的電容傳感器依賴于電極和壓縮機(jī)葉輪之間的耦合調(diào)制來(lái) 產(chǎn)生電容量的變化，因此假如壓縮機(jī)葉輪由非導(dǎo)電材料制成時(shí)則它們不能 正常工作。這是因?yàn)?，沒(méi)有導(dǎo)電壓縮機(jī)葉輪，則與渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)相關(guān)的傳感電路不存在電容量調(diào)制。與之相反，如上所述，己經(jīng)顯示本發(fā)明所提出 的傳感器能夠在壓縮機(jī)葉輪為不導(dǎo)電，例如由塑料材料制成時(shí)運(yùn)行。這是 因?yàn)樗芰蠅嚎s機(jī)葉輪仍然能夠在電場(chǎng)中產(chǎn)生可檢測(cè)到的擾動(dòng)。
本發(fā)明所克服的另一個(gè)問(wèn)題是不穩(wěn)定的接地電勢(shì)。電源42 —側(cè)連接 到公共地，諸如例如渦輪增壓器殼體、附連有渦輪增壓器的內(nèi)燃機(jī)汽缸體
(engine block)、以及車輛的渦輪增壓器作為其中的零件的車身/底盤。同樣， 渦輪增壓器殼體的接地電勢(shì)必須被導(dǎo)向壓縮機(jī)葉輪7。然而，壓縮機(jī)葉輪 7通常經(jīng)由軸8支撐在油供(oil fed)滑動(dòng)軸承9上。因此，在壓縮機(jī)葉輪7 和接地電勢(shì)之間存在至少一個(gè)油膜。當(dāng)軸8旋轉(zhuǎn)時(shí)，該至少一個(gè)油膜的厚 度可能改變，其與煤煙含量(soot content)所引起的油阻的變化一起可能使 渦輪增壓器殼體的接地電勢(shì)與壓縮機(jī)葉輪7的接地電勢(shì)之間的差值變得不 穩(wěn)定。不穩(wěn)定的接地電勢(shì)可能會(huì)在電極17上產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。當(dāng)施加反饋 以便在放大器33上維持恒定電壓，從而使放大器地與壓縮機(jī)葉輪7之間 的電勢(shì)變化為零時(shí)，保護(hù)放大器33就基本上消除了不穩(wěn)定接地電勢(shì)的不 利影響。
可以理解的是，可以對(duì)本發(fā)明的上述實(shí)施例的細(xì)節(jié)進(jìn)行修改。例如， 如果由壓縮機(jī)殼體6來(lái)提供屏蔽，則可以省略第一實(shí)施例的防護(hù)管18。然 而，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，殼體6可以不需要由合適的導(dǎo)電材料制成， 在那種情況下防護(hù)管18是有用的。類似地，雖然上述的第二實(shí)施例沒(méi)有 專門的電場(chǎng)屏蔽，因?yàn)檫@種屏蔽由壓縮機(jī)殼體提供，如果需要可以增加這 種屏蔽(類似于防護(hù)管18)。
在上述的本發(fā)明的第二實(shí)施例中，電極17的軸向部分17a的長(zhǎng)度可 以在100mm的數(shù)量級(jí)上。在上述實(shí)施例的任意一個(gè)中，電極17的表面面 積通?？梢栽趌mn^和50mi^之間。在其他實(shí)施例中，電極尺寸可以變化。 例如，電極17可以是帶狀，或可以具有包括增大的鏟形部分的軸向部分 17a(例如它可以以'T'形終止)。另外，該增大部分可以是二維的，以便 形成其形狀大體上為矩形或梯形、或者與由壓縮機(jī)葉輪葉片(或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 部件)所掃過(guò)的表面部分相匹配的基部(例如，具有圖釘或大頭釘形狀)， 例如，為在其兩個(gè)軸上彎曲的細(xì)長(zhǎng)形梯形。
雖然電極17可以是任何合適的尺寸或形狀，優(yōu)選地，電極17相對(duì)于壓縮機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)軸的角度范圍小于壓縮機(jī)葉輪上相鄰葉片之間的角度間 隔的一半。這就使壓縮機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的電場(chǎng)擾動(dòng)的平均時(shí)間最小， 從而減少了信號(hào)的平滑。
例如，可以理解的是電極17的實(shí)體結(jié)構(gòu)可以變化。在許多應(yīng)用中簡(jiǎn) 單的導(dǎo)線就已經(jīng)足夠了，在其他應(yīng)用中，不同的結(jié)構(gòu)可能對(duì)于建立所需電 場(chǎng)是有利的。在電極17可能暴露在污染物下的應(yīng)用中，電極表面優(yōu)選為 不暴露的，正如上述實(shí)施例中的那樣，除非電極是由在特定的環(huán)境中化學(xué) 反應(yīng)不活躍的材料制成。然而，通過(guò)高介電常數(shù)的材料將電極與流體(例 如，氣體)的流動(dòng)分隔是很有用的。類似地，傳感器殼體23的結(jié)構(gòu)和構(gòu) 造可以根據(jù)應(yīng)用以及傳感器被支撐和連接的方式而變化。
雖然在本發(fā)明的上述第二實(shí)施例中電極是嵌在噪聲擋板35中，但是 可以理解的是，傳感器可以嵌在成型為由入口 14接納的任何合適的插入件中。
傳感器的定位也可以與所圖示的不同。有利的是，將電極設(shè)置得與壓 縮機(jī)葉輪(或其他受控的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件)非?？拷?，在該壓縮機(jī)葉輪上電場(chǎng)擾 動(dòng)最大。同樣優(yōu)選的是，將電極設(shè)置成使其對(duì)通過(guò)壓縮機(jī)的有效氣體流不 會(huì)產(chǎn)生顯著的不利影響。然而，電極可以設(shè)置在存在足夠的電場(chǎng)擾動(dòng)以便 可以獲得精確檢測(cè)的任意位置上。這或者可以是在壓縮機(jī)葉輪的相對(duì)于氣
體流的上游或者下游，并且電極例如可以是設(shè)置在或者入口 14上或者出 口 15上。這例如可以在本發(fā)明的任意具體應(yīng)用中通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)試來(lái)確定。 此外，傳感器電路29可以設(shè)置成遠(yuǎn)離電極17。
在上述的實(shí)施例中，傳感器電路29位于PCB22上。并不需要都設(shè)置 成這樣。傳感器電路包括固定電壓源31、電流檢測(cè)電路32、放大器33和 頻率計(jì)數(shù)器34。頻率計(jì)數(shù)器可以包括分頻器。這些電路部件中的任意部件 都可以設(shè)置成遠(yuǎn)離PCB 22和/或傳感器組件16。例如，恒壓源31和頻率 計(jì)數(shù)器34可以是ECU或者其他控制器的一部分，而電流檢測(cè)電路32和 放大器可以設(shè)置在PCB 22上。當(dāng)然，通常需要在電極17和檢測(cè)電路32 的各個(gè)部件之間進(jìn)行電連接。在另一可知的實(shí)施例中，分頻器可以設(shè)置在 PCB 22上，其輸出提供給與ECU或與其他控制器相連的遠(yuǎn)程頻率計(jì)數(shù)器。
同樣，傳感器部件可以分成兩組或更多組，其中一組可以定位成與電極物理靠近，其中一組可以定位成物理上遠(yuǎn)離電極，諸如靠近或在ECU 中。然而優(yōu)選的是，放大器靠近電極，以便使電干涉的可能性最小。如果 放大器定位成遠(yuǎn)離電極，則優(yōu)選對(duì)這兩者之間的連接進(jìn)行電屏蔽。
適于測(cè)量流到電極的調(diào)制電流的其他傳感器電路的實(shí)施例可以由合 適的技術(shù)人員輕易地設(shè)計(jì)出。施加在電極和壓縮機(jī)葉輪(或其他旋轉(zhuǎn)構(gòu)件) 之間的電壓可以根據(jù)需要確定，以便建立呈現(xiàn)可測(cè)量的擾動(dòng)的電場(chǎng)。在有 些應(yīng)用中，大于30V的電壓是合適的，但是對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，電壓優(yōu)選
大于50V，更加優(yōu)選的是大于70V。當(dāng)容易由方便可用的電子部件適應(yīng)時(shí)， 可以使用大于120V的電壓。更高的電壓，例如高于500V或高于lkV， 在有些應(yīng)用中可能是非常有利的。然而，使用這種高電壓可能需要使用更 加耐用的電路部件。電極上的電壓相對(duì)于壓縮機(jī)葉輪(或其他旋轉(zhuǎn)構(gòu)件) 來(lái)說(shuō)可以是正的或者負(fù)的，從而相對(duì)于壓縮機(jī)葉輪或者其他旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(其 可以是導(dǎo)電的或不導(dǎo)電的)來(lái)說(shuō)電極可以是陽(yáng)極或陰極。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，傳感器電路可以僅包括一個(gè)高增益放大器，但是對(duì) 于有些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這可能需要昂貴的高質(zhì)量放大器。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例， 有兩個(gè)放大器， 一個(gè)為保護(hù)(或者屏蔽)放大器。后一種情況提供了使用 廉價(jià)并且低質(zhì)量部件的機(jī)會(huì)。雖然保護(hù)放大器可以在任何合適的增益下工 作，但是優(yōu)選的是，它在大體為1的增益下工作，從而將屏蔽電纜的外部 屏蔽層和外部電場(chǎng)屏蔽保持在相同的電勢(shì)下。
在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，電極安裝在壓縮機(jī)殼體上，以便測(cè)量壓縮 機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)速度。在其他實(shí)施例中，電極可以設(shè)置成直接測(cè)量渦輪機(jī)葉 輪的旋轉(zhuǎn)或渦輪增壓器軸的某些其他特征。同樣，傳感器可以安裝在渦輪 機(jī)或軸承殼體上。
可以理解的是，本發(fā)明并未限制在渦輪增壓器的應(yīng)用中，而是也可以 用于測(cè)量其他旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。這種旋轉(zhuǎn)電機(jī)的例子包括，但是并不 限于，氣體或液體渦輪機(jī)(包括，例如動(dòng)力渦輪機(jī)或氣體渦輪機(jī)或其他形 式的內(nèi)燃機(jī))，或者并不是渦輪增壓器一部分的氣體/液體壓縮機(jī)，或者例 如液體泵。在這種可替換的應(yīng)用中，設(shè)備殼體和/或受控的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可以是 不導(dǎo)電的，諸如例如在塑料殼體中旋轉(zhuǎn)的塑料葉輪。
同樣可以理解的是，傳感器殼體、設(shè)備殼體或旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的材料可以選
26擇為能夠提高電場(chǎng)的擾動(dòng)。這取決于材料的性能，諸如其在摩擦電序列中 的位置。
此外，可以理解的是，如果本發(fā)明應(yīng)用于并不包括旋轉(zhuǎn)凸起構(gòu)件
(rotationally salient member)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，則旋轉(zhuǎn)凸起構(gòu)件必須機(jī)械連接于 此。例如，可以通過(guò)將具有旋轉(zhuǎn)凸起特征的構(gòu)件與軸(或其他旋轉(zhuǎn)體)機(jī) 械連接從而使它們共同旋轉(zhuǎn)，以便測(cè)量軸或者不具有旋轉(zhuǎn)凸起特征的其他 旋轉(zhuǎn)體的速度。相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明的傳感器可以檢測(cè)該共同旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的 旋轉(zhuǎn)，從而確定該軸(或其他旋轉(zhuǎn)體)的旋轉(zhuǎn)速度。
如上所述，本發(fā)明測(cè)量電極和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(例如壓縮機(jī)葉輪)之間所建 立的電場(chǎng)中的擾動(dòng)。但并不希望能限定于理論，人們相信該擾動(dòng)可以從下 面要討論的若干效應(yīng)中產(chǎn)生。
圖10a示意性圖示了嵌在靠近旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的基體73中的電極的例子， 在本圖示中，該旋轉(zhuǎn)構(gòu)件為導(dǎo)電壓縮機(jī)葉輪74?；w73可以由不導(dǎo)電材 料(其例如可以是諸如前面所述的擋板插入件35或傳感器殼體23的陶瓷 或塑料部件)制成，在這種情況下其可以使電極72與支撐殼體或其他支 撐結(jié)構(gòu)電(及熱)絕緣。或者，基體73可以由導(dǎo)電材料制成，并且如果 需要可以與周圍的殼體或支撐結(jié)構(gòu)電絕緣(除非支撐體本身是不導(dǎo)電的)。 在后一種情況下，基體優(yōu)選包括在所暴露的環(huán)境中不起反應(yīng)的導(dǎo)電材料 (例如，鉑)。也可以完全省略基體，這樣，龜極優(yōu)選為不起反應(yīng)的。
施加前面所述的電壓，在電極72和電勢(shì)恒定部分之間建立電場(chǎng)，在 這里電勢(shì)恒定部分為葉輪74?；w73和在葉輪74與基體73之間流動(dòng)的 氣體75 (即空氣)都用作具有不同介電性能的介電材料。電場(chǎng)在電極72 和葉輪74之間延伸總距離A。在總距離A中，該距離的B部分在葉輪74 和基體73之間貫穿氣體75 (本例中為空氣)。電場(chǎng)在基體73中延伸距離 A中的C部分。
圖10b示意圖示了嵌在靠近旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的基體73.中的電極的另一個(gè)例 子，在本圖示中，該旋轉(zhuǎn)構(gòu)件為可旋轉(zhuǎn)地安裝在導(dǎo)電軸8上的不導(dǎo)電壓縮 機(jī)葉輪74a。在電極72和軸8之間施加前面所述的電壓，則在電極72和 電勢(shì)恒定部分之間建立了電場(chǎng)，在這里電勢(shì)恒定部分為軸8?；w73和氣 體75 (即在葉輪74與基體73之間流動(dòng)的空氣)以及不導(dǎo)電的壓縮機(jī)葉輪74a都用作具有不同介電性能的介電材料。電場(chǎng)在電極72和軸8之間延伸 總距離A。在總距離A中，該距離的B部分在葉輪74和基體73之間貫 穿氣體75 (本例中為空氣)。電場(chǎng)在基體73中延伸距離A中的C部分。 電極在壓縮機(jī)葉輪中延伸D部分。
圖10c示意圖示了嵌在靠近旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的基體73中的電極的再一個(gè)例 子，在本圖示中，該旋轉(zhuǎn)構(gòu)件為不導(dǎo)電的壓縮機(jī)葉輪74b。如上所述，將 電壓施加在電極72上，在電極72和壓縮機(jī)的電勢(shì)恒定部分78之間建立 了電場(chǎng)，電勢(shì)恒定部分例如可以是壓縮機(jī)殼體(如果需要可以是電絕緣的) 的一部分，或者是由該殼體支撐的專用電極?；w73和氣體75 (即在葉 輪74、基體73以及電勢(shì)恒定部分78之間流動(dòng)的空氣)以及不導(dǎo)電的壓縮 機(jī)葉輪74b都用作具有不同介電性能的介電材料。電場(chǎng)在電極72和電勢(shì) 恒定部分78之間延伸總距離A。在總距離A中，其中的B部分和E部 分在葉輪74、基體73以及電勢(shì)恒定部分78之間貫穿氣體75 (本例中為 空氣)。電場(chǎng)在基體73中延伸距離A中的C部分。電極在壓縮機(jī)葉輪中 延伸D部分。
在電場(chǎng)區(qū)域中可能存在離子(術(shù)語(yǔ)"離子"用于表示受電場(chǎng)影響的任 何帶電體，為了避免產(chǎn)生疑問(wèn)，其包括帶電分子)。根據(jù)電極是否保持在 比葉輪更高或更低的電勢(shì)，其中一個(gè)將構(gòu)成陽(yáng)極而另一個(gè)構(gòu)成陰極。帶負(fù) 電荷的離子將被吸引到陽(yáng)極上，帶正電荷的離子將被吸引到陰極上。承受 這種力的自由或運(yùn)動(dòng)離子將朝電極72或壓縮機(jī)葉輪74中的其中一個(gè)運(yùn) 動(dòng)。運(yùn)動(dòng)離子可以與電極17或壓縮機(jī)葉輪74接觸，直接將電荷轉(zhuǎn)移到其 上，和/或它們的再分配可能會(huì)在介電材料中產(chǎn)生電場(chǎng)擾動(dòng)。人們認(rèn)為，特 別是在產(chǎn)生大批離子再分配使得特定極性的離子定位在電場(chǎng)的特定區(qū)域 中的地方將會(huì)發(fā)生電場(chǎng)的擾動(dòng)。
根據(jù)它們的組成，運(yùn)動(dòng)離子可以同時(shí)存在于氣體75和基體73中。當(dāng) 壓縮機(jī)葉輪74旋轉(zhuǎn)時(shí)，其與氣體75之間的摩擦力可以使葉輪74表面失 去或得到電荷，從而產(chǎn)生離子。氣體75和基體73之間(或氣體流中的任 意其他表面)的摩擦力可以使基體73的暴露表面(或其他表面)失去或 得到電荷，從而再次產(chǎn)生離子。在這兩種情況中，很有可能不但在暴露表 面中產(chǎn)生離子，而且也在氣體75中產(chǎn)生互補(bǔ)離子。此外，氣體75中的湍流本身還可能導(dǎo)致離子的產(chǎn)生。產(chǎn)生離子的一個(gè)可能機(jī)制為電子位移。
如果離子產(chǎn)生在諸如金屬的導(dǎo)電材料中，則在密閉場(chǎng)(containment field)的影響下離子電荷可以在導(dǎo)電材料中自由運(yùn)動(dòng)(也被稱為電流流動(dòng))。 如果離子產(chǎn)生在絕緣材料中，則離子電荷不能自由運(yùn)動(dòng)，結(jié)果，電荷聚集 在材料的產(chǎn)生離子的表面上。當(dāng)離子在氣體75中產(chǎn)生時(shí)，離子構(gòu)成了局 部電荷。在氣體75中，是離子本身自由運(yùn)動(dòng)，相反，在導(dǎo)電材料中是離 子電荷自由運(yùn)動(dòng)。
圖示的壓縮機(jī)葉輪74包括中心主體76，該主體周圍等角度間隔設(shè)置 了多個(gè)徑向向外延伸的葉片77。當(dāng)壓縮機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣體75在葉片77 邊緣周圍的湍流更加明顯。這樣，當(dāng)葉片77的邊緣靠近電極72時(shí)，加速 了離子的產(chǎn)生。這不但是由于氣體75的湍流(以及導(dǎo)致離子產(chǎn)生的任何 摩擦力)可能在靠近電極72的區(qū)域中更大，也是由于帶電粒子上的由于 電場(chǎng)(諸如在可能從實(shí)體上脫落以便產(chǎn)生離子的電子上的電場(chǎng))所產(chǎn)生的 任何電作用力在帶電粒子越靠近電極72時(shí)越大。假如，例如壓縮機(jī)葉輪 74是導(dǎo)體，例如金屬，則即使葉輪靜止時(shí)電荷還將自然聚集在各個(gè)葉片 77的尖銳邊緣周圍。
附連到電極72上的傳感器電路不但包括電壓源，其作用是給電極72 提供電荷，或從電極72接收電荷，從而電流在電壓源和被檢測(cè)的電極之 間流動(dòng)。電荷在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，其可以是在電極72及壓縮機(jī)葉輪74上運(yùn)動(dòng)， 或者使電荷批量再分配并局部化，從而導(dǎo)致了介電材料中電場(chǎng)的擾動(dòng)。
由于連接到電極72上的傳感器電路能夠提供電流，因此電場(chǎng)的擾動(dòng) 使電路試圖維持系統(tǒng)的總體電荷電勢(shì)(chargepotential),從而抵消了介質(zhì)場(chǎng) 的變化。為此，在電極72上流過(guò)補(bǔ)償電流，以便維持電極上的電壓V。
當(dāng)壓縮機(jī)葉輪74旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片77反復(fù)通過(guò)電極72。如上所述，由于 當(dāng)葉片77的邊緣靠近電極72時(shí)加速了離子的產(chǎn)生，因此，壓縮機(jī)葉輪74 的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了調(diào)制的電場(chǎng)擾動(dòng)(其可以稱為電荷調(diào)制)。這樣，流過(guò)電極 72的電流也在對(duì)應(yīng)于葉輪旋轉(zhuǎn)速度的頻率下由壓縮機(jī)葉輪74的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行 調(diào)制。調(diào)制電流可以被放大并且送往頻率計(jì)數(shù)器，從而確定調(diào)制頻率，并 進(jìn)而確定葉輪74的旋轉(zhuǎn)速度。
人們認(rèn)為電場(chǎng)的擾動(dòng)還可以認(rèn)為是，至少部分地，源自電場(chǎng)中的材料的至少其中一個(gè)介電性能的改變，本例中該材料為氣體75和基體73。這 種介電性能的一個(gè)例子是其介電常數(shù)。介電常數(shù)可以通過(guò)，例如改變材料 的溫度或壓力來(lái)改變。這與已知電容型傳感器的差別在于，電容型傳感器 被理解為在檢測(cè)到電極和葉片之間的間距變化所引起的傳感器中的電容 量變化時(shí)起作用，而本發(fā)明的傳感器則利用電介質(zhì)內(nèi)或電介質(zhì)表面上的電 荷分配的變化以及對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)擾動(dòng)。
正如前面所討論的，人們認(rèn)為電場(chǎng)不但能通過(guò)允許電子克服它們的母
原子(parent atom)或分子的局部電勢(shì)而促進(jìn)離子的產(chǎn)生，此外它還產(chǎn)生了 在其內(nèi)部自由離子和自由電荷都可以運(yùn)動(dòng)(例如，帶負(fù)電荷的離子或電子 朝向陽(yáng)極等)的電勢(shì)。在這點(diǎn)上，該電場(chǎng)可以被當(dāng)作是密閉場(chǎng)。此外，該 電場(chǎng)有助于克服輸入飽和的問(wèn)題，其產(chǎn)生在類似于本發(fā)明所提出類型的己 知傳感器電子器件中。
在沒(méi)有電場(chǎng)時(shí)，存在于渦輪機(jī)葉輪74、氣體75和基體73中的任意離 子由于例如，熱運(yùn)動(dòng)都能夠以隨機(jī)方式自由漂移。當(dāng)離子漂移時(shí)，其可能 與諸如不帶電的原子和分子的其他物體碰撞。因此，在沒(méi)有電場(chǎng)時(shí)，所產(chǎn) 生的帶電離子基本上都將自由漂移，從而導(dǎo)致了電場(chǎng)的漂移，進(jìn)而在電極 上產(chǎn)生不穩(wěn)定的電勢(shì)。電極上的電勢(shì)漂移可能使其值超過(guò)渦輪機(jī)葉輪74 的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的任意信號(hào)的幅度。這樣，所述信號(hào)將被漂移電勢(shì)掩蓋和/ 或扭曲。在極端的情況下，例如，如果將帶電粒子注入電場(chǎng)，則漂移電壓 也可能會(huì)超過(guò)傳感器電子器件的允許輸入電壓值。這就是所知的輸入飽 和。當(dāng)聚集在電極72上的電荷產(chǎn)生了幅度超出形成所述測(cè)量裝置的一部 分的放大器的輸入范圍的電勢(shì)時(shí)，則會(huì)發(fā)生輸入飽和?？梢酝ㄟ^(guò)建立電場(chǎng) 防止這種情況，由于放大器不會(huì)被輸入飽和電勢(shì)控制，從而可檢測(cè)到由電 場(chǎng)中的電荷調(diào)制所產(chǎn)生的電極電勢(shì)調(diào)制。該電場(chǎng)避免了在電極上由于漂移 而產(chǎn)生高電勢(shì)，否則該高電勢(shì)足以損壞傳感電路中的部件。
使用由通?？赡茉?0V到lkV范圍內(nèi)的電壓源所提供的電場(chǎng)，意味 著任意離子的運(yùn)動(dòng)主要由電場(chǎng)而不是由熱運(yùn)動(dòng)控制。這樣，就能夠極大地 減少在介質(zhì)場(chǎng)中漂移的離子數(shù)量。因此，減少了所有的電極電勢(shì)噪聲，從 而提高了信噪比。此外，電場(chǎng)在使離子漂移最小時(shí)，基本上防止了輸入飽 和，從而不再需要偏置電極72，而這種偏置將會(huì)削弱信號(hào)。電壓源的使用也被認(rèn)為能夠提高電荷調(diào)制的幅值。這可能是由于電壓 源提高了移動(dòng)電子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。可以引導(dǎo)這種作用，使其補(bǔ)償或者響 應(yīng)于旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的機(jī)械作用所導(dǎo)致的電荷分配的變化。這樣，就
可以在密閉電勢(shì)(containment potential)之間的中間點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)虛電荷平衡電 勢(shì)(virtual charge balance potential)。
可以將電極72的軸向輪廓成型為與葉片77靠近電極72時(shí)的軸向輪 廓相對(duì)應(yīng)。人們認(rèn)為大部分電荷的產(chǎn)生發(fā)生在葉片77的邊緣處。如果葉 片77的邊緣與電極72具有相同的形狀，則可以提高這兩者之間的耦合程 度，從而最大化葉片77和電極72之間的電荷轉(zhuǎn)移。
人們認(rèn)為電場(chǎng)的擾動(dòng)可以包括電場(chǎng)中的變化，例如如圖lla和llb所 示意圖示的。圖11a顯示了電極79周圍的等電勢(shì)場(chǎng)線，其中電極17由緊 鄰不導(dǎo)電的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件80的恒壓源保持在升高的電壓下。圖lib 顯示了旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的介質(zhì)凸起特征81進(jìn)入在電極79和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件80之間延 伸的電場(chǎng)的一部分，從而對(duì)等電勢(shì)線進(jìn)行壓縮并且增大了電極附近的電場(chǎng) 梯度。梯度增大與電荷靠近電極從而使電流流入其中的情形等效。
介質(zhì)部件81允許電荷沿電極79的方向聚集。介質(zhì)中的分子極性響應(yīng) 于電場(chǎng)梯度，并且用于與之相抵消。在介電常數(shù)高于l的介質(zhì)(例如其范 圍在1.5到4的典型塑料)中，等電勢(shì)線在材料中被分隔開(kāi)，從而需要緊 接材料外部使其靠攏。
傳感器電壓相對(duì)于相關(guān)地線的升高使得能夠檢測(cè)到所描述的效應(yīng)，并 且這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)提供了改善的信噪比。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大大高于典型電子電路 中所使用的典型電壓(即，5V或12V)的電壓在電荷運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生作用， 該作用與每次旋轉(zhuǎn)(revolution)相一致，然而更低的電壓允許傳感器電勢(shì)響 應(yīng)于最近的流體流動(dòng)中的污染物(contaminant)或者在任何相關(guān)的最近的 地線的電勢(shì)中由于不好的電連接(例如，由于軸或葉輪通過(guò)油膜軸承連接 到地)所產(chǎn)生的任何變化而波動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器，所述速度傳感器包括電極和傳感器電路；所述傳感器電路包括恒壓源，用于向電極提供電壓以便在電介媒質(zhì)中產(chǎn)生電場(chǎng)；電流檢測(cè)器，用于檢測(cè)恒壓源和電極之間的電流，所述電流是由所述電場(chǎng)的擾動(dòng)產(chǎn)生的，所述擾動(dòng)是在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)使旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一個(gè)凸起特征穿過(guò)所述電場(chǎng)而引起的，所述電流檢測(cè)器輸出在與所述電場(chǎng)的擾動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的頻率下調(diào)制的第一信號(hào)；和放大器電路，包括用于放大第一信號(hào)并且輸出在與所述電場(chǎng)的擾動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的頻率下調(diào)制的第二信號(hào)的信號(hào)放大器；其中，將電極電壓、放大器增益和電極相對(duì)于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為使得第二信號(hào)的調(diào)制主要由電介媒質(zhì)中的電場(chǎng)擾動(dòng)產(chǎn)生，所述擾動(dòng)是由所述電場(chǎng)內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。
2. 如權(quán)利要求1所述的速度傳感器，其中，所述傳感器電路包括用于接收第二信號(hào)并且輸出第三信號(hào)的分頻器。
3. 如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，所述傳感器電路包括用于接收第二信號(hào)或第三信號(hào)并且提供表示所述擾動(dòng)的頻率的第三信號(hào)的頻率計(jì)數(shù)器。
4. 如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，所述傳感器電路包括輸出端子或電纜，用于連接到用于根據(jù)所述第二、第三或第四輸出信號(hào)來(lái)確定所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的控制器或其他裝置。
5. 如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，所述傳感器電路包括用于根據(jù)所述第一、第二、第三或第四輸出信號(hào)來(lái)確定所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的裝置。
6. 如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，所述電壓源提供+A30V到+/-500￥范圍內(nèi)的電壓。
7. 如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，速度傳感器的至少一部分由至少一個(gè)導(dǎo)電屏蔽罩進(jìn)行電屏蔽。
8. 如權(quán)利要求7所述的速度傳感器，其中，所述屏蔽罩保持在受控 的電勢(shì)下。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的速度傳感器，其中，所述放大器電路包括屏蔽放大器，該屏蔽放大器的輸出驅(qū)動(dòng)所述或每個(gè)導(dǎo)電屏蔽罩。
10. 如權(quán)利要求9所述的速度傳感器，包括至少兩個(gè)用于屏蔽電路的 各個(gè)部分的導(dǎo)電屏蔽罩。
11. 如權(quán)利要求IO所述的速度傳感器，其中，所述屏蔽放大器將每 個(gè)導(dǎo)電屏蔽罩保持在相同的電勢(shì)下。
12. 如權(quán)利要求9到11中的任意一項(xiàng)所述的速度傳感器，其中，所 述或每個(gè)屏蔽放大器具有大體一致的增益。
13. 如權(quán)利要求9到12中的任意一項(xiàng)所述的速度傳感器，其中，所 述或每個(gè)屏蔽放大器耦合到信號(hào)放大器上。
14. 如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的速度傳感器，包括跨接在放大器 上并包括第一電容器的反饋環(huán)。
15. 如權(quán)利要求13所述的速度傳感器，其中，屏蔽放大器與信號(hào)放 大器串聯(lián)連接，并且包括與信號(hào)放大器及所述屏蔽放大器跨接的反饋環(huán)， 所述反饋環(huán)包括第一電容器。
16. 如權(quán)利要求14或15所述的速度傳感器，其中，所述第一電容器 是電容分壓器的適于減小電容器的有效容量的一部分。
17. 如權(quán)利要求16所述的速度傳感器，其中，所述電容分壓器包括 所述第一電容器和分壓器。
18. 如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，所述第一輸 出信號(hào)為調(diào)制電壓。
19. 如權(quán)利要求18所述的速度傳感器，其中，所述電流檢測(cè)器包括 串聯(lián)跨接在電壓源上的電容器和電阻器，其中所述電極連接到電壓源和電 容器的第一端之間的節(jié)點(diǎn)上，并且從電容器的第二端和電阻器之間的節(jié)點(diǎn) 上提取所述第一輸出信號(hào)。
20. 如前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的速度傳感器，其中，所述電極具 有電場(chǎng)從其上延伸的表面，該表面的在使用中最靠近旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一部 分由保護(hù)材料體覆蓋。
21. 如權(quán)利要求20所述的速度傳感器，其中，所述保護(hù)材料是不導(dǎo) 電的。
22. 如權(quán)利要求1到19任意一項(xiàng)所述的速度傳感器，其中，電極包 括電極基體和電場(chǎng)從其上延伸的電極表面，該表面的在使用中最靠近旋轉(zhuǎn) 構(gòu)件的至少一部分由不同于電極基體的導(dǎo)電材料所限定。
23. —種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，包括被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，和用于感測(cè)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器，所述速度傳感器包括相對(duì)于所述軸線固定在合適位置上的電極；連接到電極上的用于在電極和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電勢(shì)基本恒定的部分 之間建立電場(chǎng)的恒壓源，其中，將電極定位成使得當(dāng)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)構(gòu) 件的至少一個(gè)凸起特征穿過(guò)所述電場(chǎng)，從而在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)時(shí)擾動(dòng)所述電場(chǎng)；電流檢測(cè)器，其用于檢測(cè)電壓源和電極之間響應(yīng)于所述電場(chǎng)的所 述擾動(dòng)的電流；禾口放大器電路，其包括用于放大第一信號(hào)并且輸出在與電場(chǎng)的擾動(dòng) 頻率對(duì)應(yīng)的頻率下調(diào)制的第二信號(hào)的信號(hào)放大器；其中，將電極電壓、放大器增益和電極相對(duì)于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為 使得第二信號(hào)的調(diào)制主要由電介媒質(zhì)中的電場(chǎng)擾動(dòng)引起，所述擾動(dòng)是由所 述場(chǎng)內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。
24. 如權(quán)利要求23所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電勢(shì)基本恒 定的部分為所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。
25. 如權(quán)利要求23所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件是不導(dǎo)電的， 并且旋轉(zhuǎn)電機(jī)的所述電勢(shì)基本恒定的部分是導(dǎo)電體，其由旋轉(zhuǎn)電機(jī)支撐為 與電極成固定的空間關(guān)系，從而旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的所述至少一個(gè)凸起特征在旋轉(zhuǎn) 構(gòu)件繞所述軸線的每次旋轉(zhuǎn)時(shí)在電極和所述電勢(shì)恒定的部分之間穿過(guò)。
26. 如權(quán)利要求25所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的所述電勢(shì)恒 定的部分是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的殼體的導(dǎo)電部分。
27. 如權(quán)利要求25所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件安裝在軸上，所述軸的至少一部分是導(dǎo)電的，并且包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)的所述電勢(shì)恒定的部 分。
28. 如權(quán)利要求23到27中的任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，其中，旋轉(zhuǎn) 構(gòu)件包括多個(gè)凸起特征。
29. 如權(quán)利要求28所述的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，其中，所述電極的有電場(chǎng)通過(guò) 的表面在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)方向上的大小小于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)鄰接的凸起特 征的間隔。
30. 如權(quán)利要求23到29中的任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述 或每個(gè)凸起特征包括實(shí)體突起和/或旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的材料性質(zhì)中的局部變化。
31. 如權(quán)利要求30所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述實(shí)體突起包括邊緣。
32. 如權(quán)利要求30或31所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述或每個(gè)凸起特 征是相對(duì)于所述軸線大體徑向延伸的突起。
33. 如權(quán)利要求30到32中的任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述或每個(gè)凸起特征是相對(duì)于所述軸線大體平行延伸的突起。
34. 如權(quán)利要求30到33中的任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述或每個(gè)凸起特征是葉片或翼片。
35. 如權(quán)利要求23到34中的任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件在由殼體限定的腔體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，流體存在于所述腔體中，并且其中電場(chǎng) 穿過(guò)電極和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間的所述流體。
36. 如權(quán)利要求35所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，殼體具有流體入口和流 體出口 ，所述腔體位于所述入口和所述出口之間的流體流動(dòng)通道中。
37. 如權(quán)利要求36所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)為渦輪機(jī)或壓 縮機(jī)，所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件為渦輪機(jī)葉輪或壓縮機(jī)葉輪。
38. 如權(quán)利要求36所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)為渦輪增壓器，所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件為壓縮機(jī)葉輪或渦輪機(jī)葉輪。
39. 如權(quán)利要求36到38中的任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，電極 由插在入口或出口中的部件支撐，并且與所述部件電絕緣。
40. 如權(quán)利要求39所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述插入的構(gòu)件為環(huán)形 構(gòu)件。
41. 如權(quán)利要求40所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述環(huán)形構(gòu)件為壓縮機(jī)的噪聲擋板。
42. 如權(quán)利要求23到38中的任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，電極由旋轉(zhuǎn)電機(jī)的殼體支撐，并且與所述殼體電絕緣。
43. 如權(quán)利要求36到42中的任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，電極 并不暴露在所述流體中。
44. 如權(quán)利要求43所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，電極由與所述流體至少 基本上不發(fā)生反應(yīng)的材料層或材料體與所述流體分隔。
45. 如權(quán)利要求43或44所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，電極由電絕緣材料層或材料體與所述流體分隔。
46. 如權(quán)利要求23到45中的任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，電機(jī) 的電勢(shì)恒定部分處于地電勢(shì)或虛地電勢(shì)。
47. 如權(quán)利要求23到46中的任意一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，速度 傳感器為如權(quán)利要求1到22中的任意一項(xiàng)所述的速度傳感器。
48. —種使用如權(quán)利要求1到22中的任意一項(xiàng)所述的速度傳感器來(lái) 測(cè)量旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度的方法，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括被支撐為繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋 轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。
49. 一種測(cè)量旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度的方法，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括被支撐為繞 軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，所述方法包括相對(duì)于所述軸線將電極支撐在合適的位置上；給電極提供恒定電壓，以便在電極和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電勢(shì)基本恒定的部分 之間建立電場(chǎng)；其中，將電極定位成使得當(dāng)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的 至少一個(gè)凸起特征穿過(guò)所述電場(chǎng)，從而在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的每次旋轉(zhuǎn)時(shí)擾動(dòng)所述 電場(chǎng)；檢測(cè)電壓源和電極之間的響應(yīng)于所述電場(chǎng)擾動(dòng)的電流，以便得到在所 述擾動(dòng)的頻率下調(diào)制的第一信號(hào)；放大第一信號(hào)并且輸出在與電場(chǎng)的擾動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的頻率下調(diào)制的第 二信號(hào)；其中，將電極電壓、放大器增益和電極相對(duì)于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為 使得第二信號(hào)的調(diào)制主要由電介媒質(zhì)中的電場(chǎng)擾動(dòng)引起，所述擾動(dòng)是由所述電場(chǎng)內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的；以及 根據(jù)所述信號(hào)的調(diào)制確定旋轉(zhuǎn)速度。
全文摘要
一種用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)凸起的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器。所述速度傳感器包括電極和傳感器電路。所述傳感器電路包括給電極提供電壓以便在電介質(zhì)中產(chǎn)生電場(chǎng)的恒壓源。電流檢測(cè)器在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)使旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一個(gè)凸起特征穿過(guò)電場(chǎng)來(lái)檢測(cè)恒壓源和電極之間的由于電場(chǎng)擾動(dòng)所產(chǎn)生的電流。所述電流檢測(cè)器輸出在與電場(chǎng)的擾動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的頻率下調(diào)制的第一信號(hào)。對(duì)第一信號(hào)進(jìn)行放大，以便產(chǎn)生在與電場(chǎng)的擾動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的頻率下調(diào)制的放大信號(hào)。將電極電壓、放大器增益和電極相對(duì)于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的位置選擇為使得第二信號(hào)的調(diào)制主要由電介質(zhì)中的電場(chǎng)擾動(dòng)產(chǎn)生，所述擾動(dòng)是由所述電場(chǎng)內(nèi)離子的產(chǎn)生和/或運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的。
文檔編號(hào)G01D5/24GK101680737SQ200880015825
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月15日
發(fā)明者卡爾文·考克斯, 托馬斯·W·巴赫 申請(qǐng)人:康明斯渦輪增壓技術(shù)有限公司