CN101876526B

CN101876526B - 一种位移传感测量的方法和位移传感装置

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Publication number: CN101876526B
Application number: CN2009101358658A
Authority: CN
Inventors: 张奇然; 李磊; 李明
Original assignee: Siemens Ltd China
Current assignee: Siemens Ltd China
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: CN101876526A

Abstract

本发明提供了一种位移传感测量的方法和位移传感装置，沿着位移测量方向预先设置至少两层感应线圈，其中第一层感应线圈的长度至少为位移测量量程，第二层感应线圈中包含多个串联的感应线圈，第一层感应线圈和第二个感应线圈的缠绕密度均与距离线圈自身尾部的长度成线性关系；该方法包括：利用第一层感应线圈测量被测物体的第一位移信息；确定第二层感应线圈中第一位移信息对应的感应线圈；利用确定的感应线圈测量被测物体的第二位移信息；结合第一位移信息和第二位移信息，确定被测物体的位移信息。本发明能够同时满足大量程和低误差的位移测量需求。

Description

一种位移传感测量的方法和位移传感装置

技术领域

本发明涉及测量传感技术，特别涉及一种位移传感测量的方法和位移传感装置。

背景技术

感应式位移传感测量是一种基于遥感目标逼近探测的测量技术，已被广泛地应用于距离、位置和移动等方面的测量。相比较光学和电容测量技术，感应式位移传感测量方式在工业应用领域对避免水、油、尘等方面的影响上更具优势，且精度较高。

感应式位移传感测量基于电磁感应原理，移动物体通过切割磁力线产生电流，通过放大电磁感应效果来获取物体的位移信息。通常的位移传感装置如图1所示，主要包括四部分：线圈101、激励器102、探测电路103和输出电路104。线圈101是一个由线缆沿着位移测量方向缠绕而成的线圈，其缠绕密度沿着位移方向与距离该线圈低端的长度成线性关系关系，不同缠绕密度引起线圈电感L值发生变化。激励器102激励线圈101产生环形的交变磁场，当被测物体在该交变磁场中运动则会产生涡旋电流，并且由于线圈不同位置线圈电感L值不同，因此引起的电流值也对应不同。探测电路103通过将电流值转换为电压幅度值后提供给输出电路104。输出电路104利用电压幅度值与位移之间的对应关系，确定被测物体当前的位移。

在现有技术的上述方法中，位移测量量程取决于线圈101的长度，当需要的位移测量量程为10米时，需要线圈101的长度也至少为10米，但是，由于线圈工艺上的限制，其带来的精度等级是固定的，例如精度等级是1％时，造成的位移测量误差就是：10米×1％＝0.1米，显然测量误差较大，并且量程越大造成的测量误差也越大，但是如果满足了测量误差，则测量量程则需要相应缩短，往往不能够满足实际的测量需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种位移传感测量的方法和位移传感装置，以便于同时满足大量程和低误差的位移测量需求。

为了解决上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种位移传感测量的方法，沿着位移测量方向预先设置至少两层感应线圈，其中第一层感应线圈的长度至少为位移测量量程M，第二层感应线圈中包含P个串联的感应线圈，所述P为大于1的整数，第一层感应线圈和第二层感应线圈的缠绕密度均与距离线圈自身尾部的长度成线性关系；该方法包括：

利用第一层感应线圈测量被测物体的第一位移信息；

确定第二层感应线圈中所述第一位移信息对应的感应线圈；

利用确定的所述感应线圈测量被测物体的第二位移信息；

结合所述第一位移信息和所述第二位移信息，确定被测物体的位移信息。

具体地，如果第二层感应线圈的精度等级为a，要求的测量误差至少为E，则所述P至少为

所述P个串联的感应线圈中的每一个感应线圈长度至少为

其中，所述利用第一层感应线圈测量被测物体的第一位移信息具体包括：测量第一层感应线圈在谐振状态下针对被测物体当前位移引起的第一电压幅度值；按照预先针对第一层感应线圈设置的电压幅度值与位移值之间的对应关系，确定所述第一电压幅度值对应的第一位移信息；

所述利用确定的所述感应线圈测量被测物体的第二位移信息具体包括：测量确定的所述感应线圈在谐振状态下针对被测物体当前位移引起的第二电压幅度值；按照预先针对第二层感应线圈设置的电压幅度值与位移值之间的对应关系，确定所述第二电压幅度值对应的第二位移信息。

较优地，所述第一层感应线圈和所述第二层感应线圈在进行位移传感测量之前处于关断状态；

在开始进行位移传感测量时，开启所述第一层感应线圈；在确定第二层感应线圈中所述第一位移信息对应的感应线圈时，开启确定的该感应线圈。

另外，所述第一层感应线圈和第二层感应线圈为螺线型或平面型拓扑，且沿着位移测量方向缠绕而成。

上述线性关系具体为：D＝ax+b；其中，D为所述缠绕密度，x为所述距离线圈自身尾部的长度，a和b为常量。

一种位移传感装置，该位移传感装置包括：感应单元和测控单元；

所述感应单元包括沿着位移测量方向设置的至少两层感应线圈，其中第一层感应线圈的长度至少为位移测量量程M，第二层感应线圈中包含P个串联的感应线圈，所述P为大于1的整数，第一层感应线圈和第二层感应线圈的缠绕密度均与距离线圈自身尾部的长度成线性关系；

所述测控单元，用于利用第一层感应线圈测量被测物体的第一位移信息，确定第二层感应线圈中所述第一位移信息对应的感应线圈，利用确定的该感应线圈测量被测物体的第二位移信息，结合所述第一位移信息和所述第二位移信息确定被测物体的位移信息。

其中，所述第二层感应线圈中串联的感应线圈个数P至少为

其中，a为第二层感应线圈的精度等级，E为要求的测量误差；所述P个串联的感应线圈中的每一个感应线圈程度至少为

另外，所述测控单元具体包括：LC谐振电路、电压测量电路、位移确定电路和线圈控制器；

所述LC谐振电路，用于使所述第一层感应线圈以及所述线圈控制器确定的感应线圈处于谐振状态；

所述电压测量电路，用于测量所述第一层感应线圈处于谐振状态时针对被测物体当前位移引起的第一电压幅度值，测量所述线圈控制器确定的感应线圈处于谐振状态时针对被测物体当前位移引起的第二电压幅度值；

所述位移确定电路，用于按照预先针对第一层感应线圈设置的电压幅度值与位移值之间的对应关系，确定所述第一电压幅度值对应的第一位移信息；按照预先针对第二层感应线圈设置的电压幅度值与位移值之间的对应关系，确定所述第二电压幅度值对应的第二位移信息；结合所述第一位移信息和所述第二位移信息，确定被测物体的位移信息；

所述线圈控制器，用于确定第二层感应线圈中所述第一位移信息对应的感应线圈。

更进一步地，所述线圈控制器，还用于在不进行位移传感测量时关断所述第一层感应线圈和所述第二层感应线圈；在开始进行位移传感测量时，开启所述第一层感应线圈；在确定第二层感应线圈中所述第一位移信息对应的感应线圈时，开启确定的该感应线圈；

所述LC谐振电路包括两个LC谐振电路，分别使所述第一层感应线圈开启后处于谐振状态，以及使所述第二层感应线圈中开启的感应线圈处于谐振状态。

其中，所述第一层感应线圈和第二层感应线圈为螺线型或平面型拓扑，且沿着位移测量方向缠绕而成。

更优地，所述第一层感应线圈和第二层感应线圈之间包含绝缘层。

由以上描述可以看出，本发明通过设置至少两层感应线圈，其中第一层感应线圈的长度至少为位移测量量程，通过该第一层感应线圈测量的被测物体的位移信息能够保证位移测量的大量程要求；本发明利用线圈长度越小测量误差越小的特性，在第二层感应线圈中设置多个串联的感应线圈，这些感应线圈的长度显然比第一层感应线圈的长度要小，在第二层感应线圈中可以利用通过第一层感应线圈测量到的位移信息确定对应的感应线圈，利用该感应线圈可以测量到比第一层感应线圈的测量误差更小的位移信息，从而既满足大量程的位移测量需求，又满足低误差的测量要求。

附图说明

图1为现有技术中的位移传感装置结构图。

图2为本发明实施例提供的位移测量原理示意图。

图3为本发明实施例提供的线圈缠绕密度函数曲线图。

图4为本发明实施例提供的电压幅度值与位移值之间的对应关系图。

图5为本发明实施例提供的位移传感装置结构图。

图6为本发明实施例提供的方法流程图。

图7为本发明实施例提供的测量液面高度时采用的感应单元中的位移传感装置结构图。

图8为通过图7中的空心杆构成感应单元的具体结构图。

图9为本发明实施例提供的采用平面型感应线圈的位移传感装置结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明的核心思想主要包括：沿着位移测量方向设置至少两层感应线圈，其中，第一层感应线圈的长度至少为位移测量量程M，第二层感应线圈中包含P个串联的感应线圈，P为大于1的整数，第一层感应线圈和第二层感应线圈的缠绕密度均与距离线圈自身尾部的长度成线性关系；利用第一层感应线圈测量被测物体的第一位移信息；确定第二层感应线圈中第一位移信息对应的感应线圈，利用确定的该感应线圈测量被测物体的第二位移信息；结合第一位移信息和第二位移信息，确定被测物体的位移信息。

其中，利用第一层感应线圈和利用确定的感应线圈测量被测物体的位移信息的具体方法与现有技术中的测量方法相同，均是获取第一层感应线圈或确定的感应线圈在谐振状态下针对被测物体当前位移引起的电压幅度值，分别利用预先设定的电压幅度值与位移值之间的对应关系，确定上述第一位移信息和第二位移信息。

为了方便对本发明的理解，首先对利用电磁感应原理进行位移测量的原理进行简单介绍。如图2所示，金属物体在感应线圈201中移动，该感应线圈的缠绕密度与距离线圈尾部的长度成线性关系，也就是说，不同位置对应不同的缠绕密度，如图3所示，线性关系可以为D＝ax+b，其中D为缠绕密度，x为距离线圈尾部的长度，a和b为常量。

感应线圈201在激励器204的作用下产生磁场，金属物体沿着位移测量方向移动至距离线圈尾部长度为x的位置时，对感应线圈201的磁场产生影响产生涡旋电流，线圈201和电容202产生谐振，通过电压测量装置203获取电流流经损耗电阻205产生的电压值。由于线圈不同位置的电感L不同，在不同位置引起电压测量装置203测得的电压值也不同。具体如下：

感应线圈201的品质因数Q_L(x)的值为：

Q_{L} (x) = \frac{ω \cdot L}{R} - - - (1)

电压测量装置203测得的电压值V_LC(t)为：

V_{LC} (t) = \frac{Q_{L}}{2 π \cdot f_{R} \cdot C} \cdot I_{E} \cdot \sin (2 π \cdot f_{R} \cdot t) - - - (2)

其中，

f_{R} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{1}{LC} - \frac{R^{2}}{4 L^{2}}} .

将(1)式代入(2)式可以获知，电压测量装置203所测得的电压的幅度值能够反映金属物体当前位置对应的感应线圈电感L值，由于L值与距离线圈尾部的长度x值存在对应关系，因此，电压测量装置203所测得的电压幅度值|V_LC(t)|与距离线圈尾部的长度x也存在对应关系，如图4所示，该距离线圈尾部的长度x值可以反映出金属物体的位移。

首先对本发明所提供的位移传感装置的结构进行详细描述。图5为本发明实施例提供的装置结构图，如图5所示，该位移传感装置主要包括两部分：感应单元500和测控单元511。

其中，感应单元500包括至少两层感应线圈，该两层感应线圈均沿着位移测量方向设置。

第一层感应线圈501的长度至少为位移测量量程M，其缠绕密度与距离该线圈尾部的长度成线性关系。

第二层感应线圈502中包含P个串联的感应线圈，每一个感应线圈的缠绕密度与距离线圈自身尾部的长度成线性关系。

其中，每一个感应线圈的长度至少为M/P，也就是说，第二层感应线圈502中各感应线圈串联起来也至少为位移测量量程。

由于第二层感应线圈502中各线圈长度比第一层感应线圈501的长度小，仅为1/P，如果每一个感应线圈的精度等级为a，则第二层感应线圈502的测量误差就为(M/P)×a。而第一层感应线圈501的测量误差为M×a。也就是说，通过第一层感应线圈501可以获取整个量程中一个粗略的位移信息，通过第二层感应线圈502可以获取该感应线圈所对应位置段中的一个准确的位置。如果预先知道感应线圈的精度等级为a，要求的测量误差至少为E，则可以设置第二层感应线圈502串联的感应线圈个数P为

这两层感应线圈可以根据实际需求设置成环型拓扑或平面拓扑。

更优地，感应单元500中还可以进一步包含其它层的感应线圈，例如，可以进一步包含第三层感应线圈(图中未示出)，在该第三层感应线圈中可以包含串联更多数量的感应线圈，这些感应线圈的长度比第二层感应线圈502中各线圈的长度更短，从而获取更小的测量误差，其缠绕方式与前两层相同，在此不再赘述。

测控单元510利用第一层感应线圈501测量被测物体的第一位移信息，确定第二层感应线圈502中该第一位移信息对应的感应线圈，利用确定的该感应线圈测量被测物体的第二位移信息，结合第一位移信息和第二位移信息确定被测物体的位移信息。

上述测控单元510可以包含：LC谐振电路511、电压测量电路512、位移确定电路513和线圈控制器514。

LC谐振电路511是第一层感应线圈以及线圈控制器514确定的感应线圈处于谐振状态。该LC谐振电路511中包含电容、损耗电阻和激励器，这部分是现有技术的内容，在此不再赘述。

电压测量电路512测量第一层感应线圈501处于谐振状态时针对被测物体当前位移引起的第一电压幅度值，测量线圈控制器514确定的感应线圈处于谐振状态时针对被测物体当前位移引起的第二电压幅度值。该第一电压幅度值和第二电压幅度值均是LC谐振电路中损耗电阻的分压幅度值。

位移确定电路513按照预先针对第一层感应线圈501设置的电压幅度值与位移值之间的对应关系，确定第一电压幅度值对应的第一位移值；按照针对第二层感应线圈502设置的电压幅度值与位移值之间的对应关系，确定第二电压幅度值对应的第二位移信息；结合第一位移信息和第二位移信息，确定被测物体的位移信息。

实现过程主要为：电压测量电路512首先测量第一层感应线圈501产生的第一电压幅度值，将该第一电压幅度值提供给位移确定电路513确定对应的第一位移值，该第一位移值为一个粗略的位移值。线圈控制器514再根据该第一位移值确定第二层感应线圈502中该第一位移值对应的感应线圈，电压测量电路512测量该感应线圈产生的第二电压幅度值。位移确定电路513确定该第二电压幅度值对应的第二位移值，该第二位移值是一个较精确的值，将第一位移值和第二位移值进行结合，便能够确定出具体的位移值。例如，通过第一层感应线圈测得的第一位移值为4.5米以上，但比4.5米具体多多少并不知晓，即0.01米精度的值并不能确定，可以通过第二层感应线圈具体确定0.01米精度的位移值。

另外，需要说明的是，由于第一层感应线圈501和第二层感应线圈502中线圈长度并不相同，相同位置对应的电感L值也不相同，因此，通过第一层感应线圈测得的第一电压幅度值与位移之间的对应关系和通过第二感应线圈测得的第二电压幅度值与位移之间的对应关系并不相同。

在进行测量过程中可以将所有的感应线圈均处于开启状态，但这样功耗和干扰会比较大，因此，更优地，测控单元510还可以在不进行位移传感测量时设置所有线圈均处于关断状态。在进行位移测量时，开启第一层感应线圈501，在确定第二层感应线圈502中第一位移值对应的感应线圈后，开启确定的该感应线圈。

另外，LC谐振电路511包括两个LC谐振电路，存在多少层感应线圈就存在多少个LC谐振电路。这两个LC谐振电路分别对应第一层感应线圈501和第二层感应线圈502，分别使第一层感应线圈501开启后处于谐振状态，以及使第二层感应线圈502中开启的感应线圈处于谐振状态。也就是说，可以对应每个感应线圈设置开关，当第一层感应线圈501开启时，该开关就使得第一层感应线圈501与其对应的LC谐振电路连通，当第二层感应线圈502中的某个感应线圈开启时，该感应线圈的开关就使得该感应线圈与第二层感应线圈对应的LC谐振电路连通。

更优地，感应单元500中第一层感应线圈501和第二层感应线圈502之间还可以进一步包含绝缘层503来消除第一层感应线圈501和第二层感应线圈502之间造成的电磁干扰。

基于上述装置，本发明的详细方法流程图可以如图6所示，包括以下步骤：

步骤601：开启第一层感应线圈，测量第一层感应线圈引起的第一电压幅度值。

当开启第一层感应线圈时，该第一层感应线圈与LC谐振电路连通，在谐振状态下针对被测物体当前位移引起第一电压幅度值。

步骤602：确定该第一电压幅度值对应的第一位移信息。

本步骤中，可以按照预先针对第一层感应线圈设置的电压幅度值与位移值之间的对应关系，确定第一电压幅度值对应的第一位移信息。

步骤603：根据该第一位移信息确定第二层感应线圈中该第一位移所对应的感应线圈，开启该感应线圈。

步骤604：测量第二感应线圈中开启的该感应线圈引起的第二电压幅度值。

当开启第二层感应线圈中确定的该感应线圈时，该感应线圈与LC谐振电路连通，在谐振状态下针对被测物体当前位移引起第二电压幅度值。

步骤605：确定该第二电压幅度值对应的第二位移信息，并结合第一位移信息确定移动物体当前的位移值。

本步骤中，可以按照预先针对第二层感应线圈设置的电压幅度值与位移值之间的对应关系，确定第二电压幅度值对应的第二位移信息。

假设第一层感应线圈的位移测量量程为10米，所有感应线圈的精度等级为1％，则第一层感应线圈的测量误差在±0.1米，如果想要测量误差在±0.01米，则可以在第二层感应线圈中设置10个线圈串联，每个线圈的长度为1米，则第二层感应线圈的测量误差在±0.01米。例如，通过第一层感应线圈测得的第一位移信息为4.5米，然后可以确定出该4.5米处对应的第二层感应线圈为第5个串联的感应线圈，通过该感应线圈测得的第二位移信息为0.57米，则结合第一位移信息和第二位移信息可以获知移动物体当前的位置信息为4.57米，从而降低了测量误差，且测量量程仍达到10米。

采用本发明所提供的方法能够简单方便的实现液面高度测量和金属物体的位移测量。下面分别列举两个实施例对这两种情况所采用的不同线圈结构进行详细描述。

图7为测量液面高度时采用的感应单元中的位移传感装置结构图，如图7所示，本实施例中需要测量存储槽705的液面高度706。采用非磁性材料的空心杆701垂直插入存储槽705，通过该空心杆701来构成感应单元，具体在后续描述。一个漂浮物体702保持漂浮在液面上，通过测量该漂浮物体702的位移获取液面高度。在空心杆701的顶端通过连接单元704与测控单元703连接，测控单元703的结构与图5中所示的测控单元510的结构相同，在此不再赘述。

通过空心杆701构成感应单元的具体结构可以如图8所示，空心杆701可以是一个玻璃管，其长度至少比存储槽的深度要长，玻璃管701都至少覆盖到存储槽的尾部和顶端，以保证测量量程能够满足使用需求。第一层感应线圈801沿着竖直中轴方向呈螺线型缠绕在玻璃管701外部，其长度至少达到液面高度测量量程，且缠绕密度与距离第一层感应线圈801尾部的长度成线性关系。第二层感应线圈802由P个感应线圈串联而成，各感应线圈也都呈螺线型缠绕，该P个感应线圈串联后的长度至少达到液面高度测量量程，假设液面高度测量量程为M，则第二层感应线圈802中各线圈的长度可以为M/P，各感应线圈的缠绕密度与距离线圈自身尾部的长度成线性关系。在第一层感应线圈801和第二层感应线圈802之间存在一个绝缘层803用于减少两层感应线圈之间的电磁干扰。漂浮物体702可以是一个金属空心物体，能够在玻璃管701内部滑动且漂浮在玻璃管701内部的液面706上，通过测量该漂浮物体702的位移便可以获取液面高度。

该实施例中测量液面高度的过程可以为：开启第一层感应线圈801，第一层感应线圈801在激励器的激励下产生磁场，第一层感应线圈801与LC谐振电路产生谐振，获取第一层感应线圈引起的电压幅度值，并确定该电压幅度值对应的第一位移量。利用该第一位移量确定该位移量对应的第二层感应线圈802中的感应线圈，开启该感应线圈，该感应线圈在激励器的激励下产生磁场，与LC谐振电路产生谐振，获取该感应线圈引起的电压幅度值，并确定该电压幅度值对应的第二位移量。结合第一位移量和第二位移量确定出液面高度。

图9为测量金属物体位移时采用的感应单元中的感应线圈结构图，如图9所示，本实施例中感应单元中各感应线圈均为平面型。第一层感应线圈901沿着位移测量方向缠绕在印刷电路板(PCB)上，其长度至少达到位移测量量程，缠绕密度与距离线圈尾部的长度成线性关系。第二层感应线圈903中包含P个串联的感应线圈，各感应线圈同样沿着位移测量方向缠绕在PCB上，缠绕密度与距离感应线圈自身尾部的长度成线性关系。在第一层感应线圈901和第二层感应线圈903之间存在一层绝缘层902。测控单元905对第一层感应线圈901和第二层感应线圈902进行控制和测量从而确定金属物体位置的过程在此不再赘述。

由以上描述可以看出，本发明提供的方法和位移传感装置具有以下优点：

1)本发明通过设置至少两层感应线圈，其中第一层感应线圈的长度至少为位移测量量程，通过该第一层感应线圈测量的被测物体的位移信息能够保证位移测量的大量程要求；本发明利用线圈长度越小测量误差越小的特性，在第二层感应线圈中设置多个串联的感应线圈，这些感应线圈的长度显然比第一层感应线圈的长度要小，在第二层感应线圈中可以利用通过第一层感应线圈测量到的位移信息确定对应的感应线圈，利用该感应线圈可以测量到比第一层感应线圈的测量误差更小的位移信息，从而既满足大量程的位移测量需求，又满足低误差的测量要求。

2)本发明中可以通过配置第二层感应线圈中的感应线圈个数，或者进一步设置更多层的感应线圈来调整需要的测量误差，方式灵活实现简单。

3)本发明能够广泛地应用于诸如液面测量等各种工业应用领域，实现成本低，且适合于螺线型或平面型等多种拓扑的感应线圈。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。