CN100437034C - 差动电感式二维位移测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量二维位移的传感器，由线圈、衔铁和安装部件构成，磁路为封闭式磁路，线圈置于安装部件中。差动电感式二维位移测量传感器为变面积型电感式位移传感器，所述线圈为四个线圈，所述的衔铁为可移动衔铁[4]，衔铁[4]置于四个线圈的顶部；在x和y轴方向分别对称分布有一组线圈，其结构和电气性能参数完全一致，且分别接成差动形式。衔铁可以直接是被测物体或通过连接杆与被测物体连接，当被测物体移动时，衔铁在四个线圈表面上进行平动，从而引起四个线圈的电感发生变化，通过后续电路可直接输出被测物体的位移。该传感器结构新颖，装配、调试容易，而且具有较高的分辨率、灵敏度、高的抗干扰能力和较大的线性范围。

Description

差动电感式二维位移测量传感器

技术领域

本发明涉及位移传感器，特别涉及一种能够测量二维位移的差动电感式位移传感器，具体讲就是一种差动电感式二维位移测量传感器。

背景技术

二维几何量的测量在工业生产和科学研究中有着广泛的应用，如二维工作台的定位、二维测头的位移显示等。对二维位移的测量，常用的方法是在测量的两个方向上分别放置位移传感器，这种方法的缺点是需要两个位移传感器，使测量成本增加，另一方面在测量空间受限制时，传感器的安装和调试比较困难，所占据的空间大，另外这种测量方法由于环节多而存在许多不可靠因素。因此，设计专门的二维位移测量传感器是客观需要，也是技术进步的必要。目前二维位移测量传感器所依据的物理原理主要是光学原理和电磁感应原理。基于光学原理的传感器很多如专利US4074131，US5204524，CN0214786.5，CN02100115.4，CN02100115.4等；基于电磁感应原理的专利有US6605939，US6445311，CN2108273等。采用光学原理的传感器由于本身属性的限制，这种传感器对防尘的要求高，只能在净化环境中应用，在非净化的环境中不能长期使用，也就是，在一般的生产车间里不能保证长期的正常工作。

光学类的二维位移传感器虽然测量精度高，但制造、装配困难，对使用环境也有一定要求。而基于电磁感应原理的传感器制造容易，可在较恶劣的环境中使用，且具有较高的测量精度，目前的基于电磁原理的二维位移传感器如US6605939，US6445311是把线圈印制或溅射到基底层上，虽然线圈的体积减少了，但线圈的匝数不能做的很多，传感器许多性能受到限制，不能用于较精密的测量场合。而CN2108273中的二维位移传感器是测量垂线在平面上的二维位移，是基于变间隙原理的电感式传感器，其测量范围较小，且具有非线性。

本发明项目组对国内外专利文献和公开发表的期刊论文检索，再尚未发现与本发明密切相关和一样的报道或文献。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术现状，克服上述技术或仪器存在的缺点，提供一种变面积型差动电感式二维位移测量传感器，该传感器有很大的线性测量范围，实现了高精度和高灵敏度，结构简单，安装、调试方便。或者说本发明是以简单的制作工艺和方便的安装，实现了高精度、高灵敏度、大线性测量范围、抗干扰能力强的二维位移测量。

本发明以下列技术方案来实现：差动电感式二维位移测量传感器，由线圈、衔铁和安装部件构成，磁路为封闭式磁路，线圈置于安装部件中，其特征在于：差动电感式二维位移测量传感器为变面积型电感式位移传感器，所述线圈为四个线圈，所述的衔铁为可移动衔铁，衔铁置于四个线圈的顶部；在x和y轴方向分别对称分布有一组线圈，其结构和电气性能参数完全一致，且分别接成差动形式，衔铁可以通过连接杆与被测物体连接，也可以直接与被测物体固连在一起。

针对电感式一维位移传感器的仅一个单方向测量和光学类的二维位移传感器的成本高及使用局限性，本发明直接采用了四个电感线圈，衔铁置于四个线圈的顶部，在x和y轴方向分别对称分布有一组线圈，成对的两个电感线圈，其结构和电气性能参数完全一致，分别接成差动形式，分别用来感测衔铁在Y方向和X方向的位移。提供了一种新型的差动电感式二维位移测量传感器，由于变面积型电感式位移传感器自身的结构特点，使该二维位移传感器具备较大的线性测量范围、较高的测量精度以及对工作环境的要求不高等优点，因置于四个线圈顶部的衔铁与四个线圈相互运动来测量二维位移的技术方案也会具有变面积测量范围大，线性好的优点。

本发明的实现还在于差动电感式二维位移测量传感器的封闭磁路有两种，第一种是由衔铁、铁心、导磁底板构成封闭磁路，导磁底板固定安装在线圈安装部件的下部；第二种是由衔铁、铁心构成封闭磁路。

两种磁路的方案可以适应不同的结构和性能要求，第一种磁路结构可以使传感器的体积作的非常小，结构更加紧凑，以适应较狭窄的安装空间；第二种磁路结构由于每个磁路都是独立的，所以具有较高的抗干扰能力，适用于精密测量的场合。

本发明的实现还在于在第一种磁路结构中，铁心由5个子铁心51、52、53、54、55组成，其中子铁心55为公共导磁铁心，5个子铁心都安装于导磁底板上，通过导磁底板使铁心之间的磁路连通，以实现4个线圈产生的磁场在铁心与衔铁构成的磁路中封闭的目的。

本发明的实现还在于差动电感式二维位移测量传感器，在第二种磁路结构中，衔铁有4个独立的子衔铁41、42、43、44组成，它们可以由导磁薄片叠加而成或直接由实体导磁材料加工而成；铁心由4个独立的U形铁心51、52、53、54组成，4个线圈、4个铁心、4个衔铁组成4个独立的封闭磁路。这样就避免了X方向磁路和Y方向磁路的相互干扰，增强了传感器抗干扰的能力。

本发明的实现还在于差动电感式二维位移测量传感器的四个线圈是矩形线圈。

本发明的实现还在于差动电感式二维位移测量传感器的四个线圈是圆形线圈。

本发明的实现还在于差动电感式二维位移测量传感器的衔铁是圆形。

本发明的实现还在于差动电感式二维位移测量传感器的矩形衔铁的放置可以是矩形衔铁的中心线与X轴重合。

本发明的实现还在于差动电感式二维位移测量传感器的矩形衔铁的放置是矩形衔铁的中心线与X轴成一固定角度，比如45度。

本发明主要包括四个线圈和可移动衔铁，以及一些安装部件。四个线圈结构和性能参数一致，且两个线圈为一组分别转换X和Y方向的位移变化；可移动衔铁，衔铁通过连接杆和被测对象连接，且与线圈中的磁芯构成封闭磁路，当衔铁随被测对象移动时，它覆盖X方向线圈和Y方向线圈的面积发生变化，从而引起线圈电感的变化，最后通过测量电路转换为被测对象的位移量。

配合适当的电子线路和结构改型可用于测量机上的精密二维测头。

本发明是基于电磁感应的原理，是一种变面积型电感式二维位移传感器，该传感器与已有的二维位移传感器不同，相对于已有的二维位移传感器本发明具有如下特点：

①.它的制作工艺简单，线圈的匝数可以根据需要任意绕制，衔铁和铁心可以方便的加工成传感器需要的结构和形状，且制作衔铁和铁心的材料是常见的导磁材料如工业纯铁、坡莫合金等，传感器的安装部件用价格低廉，容易加工的非导磁材料如铝、黄铜、工程塑料等加工而成；

②.因本发明的二维位移传感器采用变面积电感式传感器的原理，所以比变气隙型的电感式传感器具有较大的线性测量范围，且通过配置一定的测量线路，可以使传感器具有很高的灵敏度和较高的测量精度；

③.该二维位移传感器可以在油污，灰尘等较恶劣的环境中使用。

④.该二维位移传感器安装方便，使用操作简单。

本发明由于采用了四个电感线圈和可移动衔铁的结构设计，充分利用了差动和面积的变化信号，实现了结构简单，安装、调试方便。解决了电感式位移传感器可以用一个传感器实现二维位移位移测量的问题不要求净化的工作环境，具有大的线性测量范围，可以实现高精度、抗干扰能力强和高灵敏度二维位移测量。

附图说明：

图1是本发明的组成示意图；

图2是图1去掉衔铁后的传感器的俯视图；

图3是传感器测量二维位移的示意图；

图4是线圈为圆形时去掉衔铁后传感器的结构示意图；

图5是采用第二种磁路时，传感器的结构示意图；

图6是图5去掉衔铁后的俯视图；

图7是图5中衔铁的分布示意图；

图8是图5所示传感器的U形铁心；

图9是实施例13的结构示意图；

图10是实施例15的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

实施例1：如图1所示，本发明的实现方案是：差动电感式二维位移测量传感器，由线圈、衔铁和安装部件构成，磁路为封闭式磁路，线圈置于安装部件中。差动电感式二维位移测量传感器为变面积型电感式位移传感器，线圈为四个线圈，衔铁为可移动衔铁4，衔铁4置于四个线圈的顶部；在x和y轴方向分别对称分布有一组线圈，其结构和电气性能参数完全一致，且分别接成差动形式，衔铁4可以通过连接杆2与被测物体1连接。

实施例2：差动电感式二维位移测量传感器的封闭磁路有两种，第一种是由衔铁4、铁心5、导磁底板6构成封闭磁路，导磁底板6固定安装在线圈安装部件7的下部，见图1。

实施例3：差动电感式二维位移测量传感器的第二种封闭磁路是由衔铁4、铁心5构成封闭磁路，见图5。

实施例4：参见图2，本发明的工作过程如下：线圈置于安装部件7中，铁心51、52、53、54分别插入线圈21、22、23、24中，并安装于导磁底板6中，铁心也安装于导磁底板6中，这样就形成了四个封闭磁路：线圈21、铁心51、导磁底板6、铁心55、衔铁；线圈22、铁心52、导磁底板6、铁心55、衔铁；线圈23、铁心53、导磁底板6、铁心55、衔铁；线圈24、铁心54、导磁底板6、铁心55、衔铁。当被测物体1移动时，通过连接杆3带动衔铁4在线圈的顶部作二维移动，衔铁覆盖x方向线圈和y方向线圈的面积发生变化，从而引起磁路磁阻的变化，使线圈的电感变化，每个方向上的线圈为差动连接，一个线圈的电感增加，另一个线圈的电感减小，总的电感变化为每个线圈电感变化的两倍，通过测量电路把x方向和y方向线圈电感的变化转换为衔铁在x方向和y方向上移动的位移量，从而达到测量二维位移的目的。

实施例5：如图3所示，本发明的实现方案还可以是总体方案同实施例1，不同之处传感器的衔铁不通过连接杆与被测物体连接，而是直接与被测物体固结在一起，如衔铁可以直接是二维工作台，当它作二维移动时，覆盖4个线圈的面积也随之改变，通过测量电路得到工作台的二维位移。

实施例6：如图5，6所示，本发明的实现方案还可以是这样的：总体方案同实施例1，传感器的铁心采用U形铁心，参见图8，铁心51、52、53、54，4个衔铁41、42、43、44，4个线圈21、22、23、24，构成4个独立的封闭磁路；4个衔铁固定在衔铁固定板8中，使4个衔铁成为一体，4个铁心固定在铁心固定板9上，使4个铁心的位置固定。当衔铁固定板8作二维移动时，4个磁路独立工作，减少了磁路之间的干扰，提高了传感器的测量精度。

实施例7：如图7所示，本发明的实现方案还可以是总体方案同实施例6，衔铁4有4个独立的子衔铁41、42、43、44组成，子衔铁41、42、43、44由导磁薄片构成。

实施例8：如图7所示，本发明的实现方案还可以是总体方案同实施例6，子衔铁41、42、43、44由实心导磁材料制成。

实施例9：如图2、图3、图6所示，本发明的实现方案是差动电感式二维位移测量传感器的四个线圈是矩形线圈。

实施例10：如图4所示，本发明的实现方案还可以是差动电感式二维位移测量传感器的四个线圈是圆形线圈。

实施例11：发明的实现方案是用实心导磁铁材料制作铁心和衔铁，且线圈为矩形线圈。线圈11、12作为Y方向感测线圈，线圈21、22作为X方向感测线圈，其中构成两个方向线圈的两个线圈接成差动形式，当衔铁在其上移动时，衔铁覆盖线圈的面积一个增加，另一个减少，这样不仅增加了干扰能力，又提高了测量的灵敏度。铁心5，衔铁4，底板6构成封闭磁路，它们都由实心导磁材料(如电工纯铁、坡莫合金等)制作而成，装配时使铁心和底板接触良好，用环氧树脂填充间隙，等铁心和底板装配完后，保证衔铁与铁心相对的表面一致。

实施例12：图8是用高导磁率材料薄片叠加制作的传感器U型铁心的结构图。这种结构可有效降低传感器的涡流损耗，因而可以提高传感器的工作频率。高导磁率材料，如采用1J79薄片。将多片1J79合金叠加铆接后，用线切割加工成设计的铁心形状，该结构传感器所用的铁心为U形。传感器的衔铁也是由多片1J79合金薄片叠加而成，如图7所示，41、43为Y方向衔铁，42、44为X方向衔铁。

实施例13：见图9，差动电感式二维位移测量传感器的衔铁是圆形。

实施例14：差动电感式二维位移测量传感器的矩形衔铁的放置是矩形衔铁的中心线与X轴重合。

实施例15：参见图10，差动电感式二维位移测量传感器的矩形衔铁的放置是矩形衔铁的中心线与X轴成45度的固定角度。

Claims (2)

1、一种差动电感式二维位移测量传感器，包括四个线圈、衔铁、铁心和安装部件，衔铁通过连接杆与被测物体连接或直接与被测物体固连在一起，线圈置于安装部件中，所述的衔铁为可移动衔铁，衔铁置于四个线圈的顶部；在x和y轴方向分别对称分布有一组线圈，四个线圈的结构和电气性能参数完全一致，每个方向上的两个线圈分别接成差动形式，其特征在于：差动电感式二维位移测量传感器为变面积型电感式位移传感器，所述的衔铁(4)由4个独立的子衔铁(41、42、43、44)组成，所述的铁心(5)由4个独立的U形子铁心(51、52、53、54)组成，4个子铁心(51、52、53、54)、4个子衔铁(41、42、43、44)和4个线圈(21、22、23、24)构成4个独立的封闭磁路；4个子衔铁固定在衔铁固定板(8)中，使4个子衔铁成为一体，4个子铁心固定在铁心固定板(9)上，使4个子铁心的位置固定，当衔铁固定板(8)作二维移动时，4个磁路独立工作。

2、根据权利要求1所述的差动电感式二维位移测量传感器，其特征在于：四个线圈是矩形线圈或圆形线圈；衔铁(4)是矩形衔铁或圆形衔铁。

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