CN102645152B - 一种大量程的磁致伸缩位移传感器装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种大量程的磁致伸缩位移传感器装置，所述装置的第一检波模块和第二检波模块，分别位于波导丝的首端和末端，当波导丝上形成魏德曼效应，产生瞬变的脉冲机械波时，分别为该位置的第一检波模块和第二检波模块接收并转化为两路微弱电信号。所述信号通过两组结构相同的独立信号链路，即“第一检波模块→第一信号放大模块→第一信号整形模块→第一计数模块”和“第二检波模块→第二信号放大模块→第二信号整形模块→第二计数模块”，处理计算以后得出游标磁体相对传感器安装面的位移值。通过这种设计将检波时脉冲机械波传播的最大距离减少一半，从而将传感器的测量范围扩展至5到40米。

Description

一种大量程的磁致伸缩位移传感器装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种位移传感器，特别是涉及一种大量程的磁致伸缩位移传感器。

背景技术

磁致伸缩位移传感器是一种新型的非接触式绝对位移检测装置，其基本原理是通过测量磁致伸缩波导丝中脉冲机械波传播的时间，结合传播的速度，实现对脉冲机械波产生的位置与磁致伸缩检波模块之间的位移测量。根据磁致伸缩魏德曼效应，当波导丝两端加载有大电流激励脉冲时，其在附近的永磁体正对处会产生瞬时应变形成脉冲机械波。因此，可以实现在沿波导丝方向上对永磁体的绝对位移测量。

在实际测量应用中，磁致伸缩波导丝被安装在坚固的非导磁金属保护杆内，游标磁体被安装在待测目标上，整个测量过程中， 保护杆与永磁体始终无接触。由于上述特点，磁致伸缩位移传感器可以应用在极端恶劣的工业现场，而不受油污、尘埃、溶液的影响。同时，特有的非接触测量方式使得其不会出现磨损以及由此造成的精度降低等问题。目前，磁致伸缩位移传感器被广泛应用于冶金、石化、航空、汽车、数控机床、港口机械、工程机械等众多领域。

但由于脉冲机械波在波导丝中传播时存在衰减的问题，磁致伸缩位移传感器的测量范围受到了一定限制。尽管采用程控放大等补偿方法可以一定程度上解决因衰减导致的信号幅值变小的问题，但这并没有解决因衰减而使得原始信号信噪比较低的问题。因此，随着量程的增加，测量信号的信噪比会逐步下降，传感器的测量精度也随之降低。当信噪比低到某个阈值时，检波模块无法从含噪信号中提取脉冲信号，此时传感器无法正常工作。目前，可商用的磁致伸缩位移传感器的测量范围一般在15到20米左右，无法满足一些长量程的应用。比如大型泵车的悬臂伸出距离检测、大型厂房中行车的位置检测以及石油储备库的液位检测等。

发明内容

为了解决提高磁致伸缩位移传感器的测量范围这一技术问题，本发明提出了一种大量程的磁致伸缩位移传感器装置。通过装置两端分别安装检波模块，使得游标磁体处产生的脉冲机械波能够被就近的检波模块所检测到，从而将检波时脉冲机械波传播的最大距离减少一半。因此，在传感器的两端安装两个检波模块，可以将传感器的测量范围增加一倍。

本发明的具体技术方案如下：

本发明为一种大量程的磁致伸缩位移传感器装置，所述装置包括：激励模块、检波模块、信号放大模块、信号整形模块、中央控制模块、计数模块、游标磁体、外部电气接口。所述装置还包括长度为5到41米的波导丝，所述波导丝安装在保护外壳内；所述检波模块分为第一检波模块和第二检波模块，分别位于波导丝的首端和末端，所述信号放大模块分为第一信号放大模块和第二信号放大模块，所述信号整形模块分为第一信号整形模块和第二信号整形模块，所述计数模块分为第一计数模块和第二计数模块，且上述模块组成两组结构相同的独立信号链路，信号链路连接方式为“第一检波模块→第一信号放大模块→第一信号整形模块→第一计数模块”和“第二检波模块→第二信号放大模块→第二信号整形模块→第二计数模块”；所述中央控制模块分别与计数模块、外部电气接口双向通信，所述中央控制模块向激励模块单向通信，所述激励模块向波导丝单向驱动。

进一步地，所述大量程的磁致伸缩位移传感器装置的保护外壳为直线型或者软管，所述保护外壳的材质为铝或者不锈钢。所述中央控制模块是PLD、或CPLD、或FPGA、或单片机、或基于ARM的处理器、或基于PowerPC的处理器、或基于MIPS的处理器。所述激励模块内包括大功率晶体管或者场效应管、和高压大电容。信号放大模块包括前置级的仪表放大器、带通滤波器和后置级低噪声运算放大器。信号整形模块包括比较器和单稳态。外部电气接口形式为：模拟输出时，为4-20mA、0-20mA电流直流输出，或者是0-10V、0-5V、-10-10V电压直流输出；数字输出时，为SSI、Strat/Stop、PROFIBUS-DP、CANopen总线，或者为串行同步接口数字输出。

所述大量程磁致伸缩位移传感器装置的的测量过程包括如下步骤：

步骤一：中央控制模块通知激励模块发出周期性的激励信号，并且与此同时中央控制模块分别向第一计数模块和第二计数模块发出信号，开启计数功能；

步骤二：激励模块发出的激励脉冲信号在波导丝圆周方向产生瞬时磁场；

步骤三：步骤二所述磁场与游标磁体的偏置磁场叠加，并在波导丝上形成魏德曼效应，产生瞬变的脉冲机械波，所述脉冲机械波沿波导丝向波导丝的首端和末端传播；

步骤四：到达波导丝的首端和末端的脉冲机械波信号分别为该位置的第一检波模块和第二检波模块接收并转化为两路微弱电信号；

步骤五：所述两路微弱电信号，一路经第一信号放大模块和第一信号整形模块，另一路经第二信号放大模块和第二信号整形模块，形成方波信号后，分别输入第一计数模块和第二计数模块；

步骤六：接收到方波信号后，第一计数模块和第二计数模块分别向中央控制模块输入计数结果n和m；

步骤七：中央控制模块比较n和m，若n小于m则以n来计算游标磁体相对于传感器首端第一检波模块的位移值，若m小于n则以n来计算游标磁体相对于传感器末端第二检波模块的位移值。

步骤八：根据传感器中首端第一检波模块和末端第二检波模块在传感器中的安装位置，中央控制模块对步骤七的计算结果进行标定，换算成游标磁体相对传感器安装面的位移值。

步骤九：根据步骤八的计算结果，中央控制模块向外部电气接口输出位移信号。

本发明提供的一种大量程磁致伸缩位移传感器装置，其优点在于：

优点一，可行性和实用性好。采用双侧检测信号方法，可以在相同的材料衰减特性条件下，通过减少脉冲超声波的传输距离，将传感器的测量范围增加一倍。因此，可以不更换现有波导丝的情况下，实现传感器量程的倍增。

优点二，测量精度高。和传统的采用增益补偿的方法相比，本发明提出的方法，其能获得原始信号更强，经放大模块处理后的检测信号的信噪比更高，从而使得最终的位移测量结果的精度也更好。

优点三，测量结果可靠。通过中央控制器模块对两路测量数据的当前值和前几次的数值进行综合分析和平滑处理，可以确保检测链路的可靠切换。

本发明所述的大量程的磁致伸缩位移传感器装置，其量程为5米到40米。相对于现有磁致伸缩位移传感器的最大量程，提升幅度在2倍到2.5倍之间。

在5米及以下量程的磁致伸缩位移传感器中，也可以应用本装置的结构和检测方法，但由于在这种情况下量程本来就比较短，脉冲机械波的衰减用传统装置和方法处理就可以达到所需要的精度，强行使用本发明的结构，提升的精度极其有限，还无谓地提升了传感器装置的复杂性和成本，增加了磁致伸缩位移传感器小型化、嵌入式设计的难度。

进一步的，所述磁致伸缩位移传感器装置，其量程在5到10米范围时，其波导丝的长度为5.1米到10.5米。特别的，在其量程为8米、9米、10米时，其波导丝的长度分别为8.05到8.5米、9.05米到9.5米、10.05米到10.5米。在本量程范围内，所述装置的分辨率和重复精度为0.3um。

进一步的，所述磁致伸缩位移传感器装置，其量程在10到20米范围时，其波导丝的长度为10.05米到20.5米。特别的，在其量程为11米、12米、13米、14米、15米、16米、17米、18米、19米、20米时，对应的波导丝的长度分别为11.05到11.5米、12.05到12.5米、13.05到13.5米、14.05到14.5米、15.05到15.5米、16.05到16.5米、17.05到17.5米、18.05到18.5米、19.05到19.5米、20.05到20.5米。在本量程范围内，所述装置的分辨率和重复精度为0.5um。

进一步的，所述磁致伸缩位移传感器装置，其量程在20到30米范围时，其波导丝的长度为20.05米到30.5米。特别的，在其量程为11米、12米、13米、14米、15米、16米、17米、18米、19米、20米时，对应的波导丝的长度分别为11.05到11.5米、12.05到12.5米、13.05到13.5米、14.05到14.5米、15.05到15.5米、16.05到16.5米、17.05到17.5米、18.05到18.5米、19.05到19.5米、20.05到20.5米。在本量程范围内，所述装置的分辨率和重复精度为0.5um。

进一步的，所述磁致伸缩位移传感器装置，其量程在20到30米范围时，其波导丝的长度为20.05米到30.5米。特别的，在其量程为21米、22米、23米、24米、25米、26米、27米、28米、29米、30米时，对应的波导丝的长度分别为21.05到21.5米、22.05到22.5米、23.05到23.5米、24.05到24.5米、25.05到25.5米、26.05到26.5米、27.05到27.5米、28.05到28.5米、29.05到29.5米、30.05到30.5米。在本量程范围内，所述装置的分辨率和重复精度为1um。

进一步的，所述磁致伸缩位移传感器装置，其量程在30到40米范围时，其波导丝的长度为30.05米到41米。特别的，在其量程为31米、32米、33米、34米、35米、36米、37米、38米、39米、30米时，对应的波导丝的长度分别为31.05到31.5米、32.05到32.5米、33.05到33.5米、34.05到34.5米、35.05到35.5米、36.05到36.5米、37.05到37.5米、38.05到38.5米、39.05到39.5米、40.05到41米。在本量程范围内，所述装置的分辨率和重复精度为2um。

附图说明

图1是大量程磁致伸缩位移传感器装置的结构框图；

图2是大量程磁致伸缩位移传感器装置测量示意图；

图3是游标磁体位于过半量程时返回的脉冲机械波信号图。

具体实施方式

实施例1。如图2所示，一种大量程的磁致伸缩位移传感器装置。所述装置包括：中央控制模块、激励模块、第一检波模块2、第二检波模块4、第一信号放大模块1、第二信号放大模块5、第一信号整形模块、第二信号整形模块、第一计数模块、第二计数模块、游标磁体3、波导丝6以及外部电气接口。第一检波模块2和第二检波模块4，分别位于波导丝的首端和末端。所述波导丝的长度为5.1米到10.5米。所述磁致伸缩位移传感器装置，其量程为5到10米，分辨率和重复精度为30um。

本实施例中，中央控制模块采用单片机或者ARM来实现对传感器各组成模块的控制。传感器启动后，中央控制模块根据预设的参数对控制系统进行初始化工作，然后进入循环测量状态。

在每一次的测量中，中央控制模块首先向激励模块发出启动信号，同时向两个计数模块发出开始计数的信号。当完成一次测量计数时，两个计数模块向中央控制模块发送计数完成信号。中央控制模块接收到来自两个计数模块反馈的完成信号后，选择计数值有效且较小的作为本次测量的原始数据，然后将原始数据按照输出要求进行标定，最后将标定后的数值作为测量结果发送给外部电气接口模块。

在测量过程中，当游标磁体3移动到如图2所示位置，此位置已经超过本实施例中传感器装置最大量程的一半。此时，如图3上半部分所示，位于波导丝6的首端的第一检波模块2接收到的脉冲机械波波幅较小；如图3下半部分所示，而位于波导丝6末端的第二检波模块4接收到的脉冲机械波波幅较大。故采信第二检波模块4反馈的信号更利于准确测量游标磁体3的准确位置。

实施例2。如图2所示，一种大量程的磁致伸缩位移传感器装置。所述装置包括：中央控制模块、激励模块、第一检波模块2、第二检波模块4、第一信号放大模块1、第二信号放大模块5、第一信号整形模块、第二信号整形模块、第一计数模块、第二计数模块、游标磁体3、波导丝6以及外部电气接口。第一检波模块2和第二检波模块4，分别位于波导丝的首端和末端。所述波导丝的长度为10.05米到20.5米。所述磁致伸缩位移传感器装置，其量程为10到20米，分辨率和重复精度为50um。

本实施例中，除了拥有和实施例1中构造相同的中央控制模块和激励模块外。所述检波模块的功能是检测波导丝6中的脉冲机械波，并将其转变成电信号。本实施例中，两个相同的检波模块被分别安装在波导丝6的两端。检波模块中包含一个感应线圈，该线圈的轴向具有通孔，波导丝6被安装在该孔的中心位置。感应线圈工作时，波导丝6充当了铁芯的功能。当波导丝6中有机械波传播时，波导丝6作为铁芯的磁导率发生改变，导致通过感应线圈的磁通量改变，感应线圈上产生感应电动势，从而机械波信号被转变成电信号。检波模块所提取的微弱电信号被传输到信号放大模块。

所述信号放大模块的功能是将检波模块提取的微弱电信号放大为可靠的强信号，同时去除或抑制无关的噪声，实现信噪比的提升。信号放大模块由前置级的仪表放大器、带通滤波器和后置级低噪声运算放大器三部分组成。前置级采用仪表放大器可以去除微弱电信号中的共模干扰；带通滤波器可以去除有用信号频带外的噪声成分，提高信噪比；后置级采用低噪声的运算放大器可以减少放大过程中引入的电子白噪声。经信号放大模块处理后的电信号为瞬变的小波状信号，该信号后续被传输到信号整形模块。

实施例3。如图2所示，一种大量程的磁致伸缩位移传感器装置。所述装置包括：中央控制模块、激励模块、第一检波模块2、第二检波模块4、第一信号放大模块1、第二信号放大模块5、第一信号整形模块、第二信号整形模块、第一计数模块、第二计数模块、游标磁体3、波导丝6以及外部电气接口。第一检波模块2和第二检波模块4，分别位于波导丝的首端和末端。所述波导丝的长度为20.05米到30.5米。所述磁致伸缩位移传感器装置，其量程为20到30米，分辨率和重复精度为100um。

本实施例中除了包括实施例1、实施例2中所述结构和功能的中央控制模块、激励模块、检波模块、信号放大模块外，其信号整形模块的功能是将放大模块输出的小波状电信号转变为标准的方波信号，以供计数模块使用。信号整形模块由高速低功耗的比较器和单稳态组成；其计数模块的功能是对从启动激励到整形后的方波信号被检测到这段时间进行计时。计数模块采用高速时钟作为计数的基准，采用多个8位的计数芯片或者专用的时间测量芯片对上述测量时间进行精密计数。当接受到来自中央控制模块的启动计数信号时，计数模块将计数值清零，开始计数；当方波信号前边沿被检测到时停止计数，通知中央控制模块计数完成并等待读取数据。通过计数n和m，就能得到脉冲机械波传导到第一检波模块2和第二检波模块4的时长，再根据脉冲机械波在波导丝6中的速度，经过计算、校正后，就能精确地得到游标磁体3相对传感器安装面的位移值。

本实施例中游标磁体3的功能是为传感器位移提供一个游标位置。游标磁体3为波导丝提供一个偏置磁场，当波导丝6中有瞬时大电流的驱动能量时，游标磁体3正对的波导丝6处会产生魏德曼效应形成脉冲机械波。对机械波传播的时间的测量可以换算成游标磁体3的位置测量。

实施例4。如图2所示，一种大量程的磁致伸缩位移传感器装置。所述装置包括：中央控制模块、激励模块、第一检波模块2、第二检波模块4、第一信号放大模块1、第二信号放大模块5、第一信号整形模块、第二信号整形模块、第一计数模块、第二计数模块、游标磁体3、波导丝6以及外部电气接口。第一检波模块2和第二检波模块4，分别位于波导丝的首端和末端。所述波导丝的长度为30.05米到41米。所述磁致伸缩位移传感器装置，其量程为30到40米，分辨率和重复精度为200um。

本实施例中除了包括实施例1、实施例2、实施例3中所述结构和功能的中央控制模块、激励模块、检波模块、信号放大模块、信号整形模块、计数模块、游标磁体3外，其波导丝6为一种具有磁致伸缩特性的铁镍合金。其外部电气接口的功能是实现电源的输入和位移信号的输出。通过对供电电源进行降压、升压、反向、稳压处理获得不同电压值的模块供电电源，如激励模块所需高压电源、中央控制模块所需的低压电源、输出驱动所需的正负电源、放大模块所需的精密电源。位移信号的输出可以是标准的模拟量信号，如4-20mA、0-20mA电流输出，0-10V、0-5V、-10-10V电压输出，也可以是总线或者串行同步接口等数字量输出。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明保护范围的限定，只要是采用本发明的技术方案，或者仅仅是通过本领域的普通技术人员都能作出的任何常规修改或等同变化，都落入本发明所要求保护的范围之中。

Claims (8)

1.一种大量程的磁致伸缩位移传感器装置，所述装置包括：激励模块、检波模块、信号放大模块、信号整形模块、中央控制模块、计数模块、游标磁体、外部电气接口，其特征在于：所述装置还包括长度为5到41米的波导丝，所述波导丝安装在保护外壳内；所述检波模块分为第一检波模块和第二检波模块，分别位于波导丝的首端和末端，所述信号放大模块分为第一信号放大模块和第二信号放大模块，所述信号整形模块分为第一信号整形模块和第二信号整形模块，所述计数模块分为第一计数模块和第二计数模块，且上述模块组成两组结构相同的独立信号链路，信号链路连接方式为“第一检波模块→第一信号放大模块→第一信号整形模块→第一计数模块”和“第二检波模块→第二信号放大模块→第二信号整形模块→第二计数模块”；所述中央控制模块分别与计数模块、外部电气接口双向通信，所述中央控制模块向激励模块单向通信，所述激励模块向波导丝单向驱动。

2.如权利要求1所述的大量程的磁致伸缩位移传感器装置，其特征在于：所述保护外壳为直线型或者软管，所述保护外壳的材质为铝或者不锈钢。

3.如权利要求1所述的大量程的磁致伸缩位移传感器装置，其特征在于：所述中央控制模块是PLD、或CPLD、或FPGA、或单片机、或基于ARM的处理器、或基于PowerPC的处理器、或基于MIPS的处理器。

4.如权利要求1所述的大量程的磁致伸缩位移传感器装置，其特征在于：所述激励模块内包括大功率晶体管或者场效应管、和高压大电容。

5.如权利要求1所述的大量程的磁致伸缩位移传感器装置，其特征在于：信号放大模块包括前置级的仪表放大器、带通滤波器和后置级低噪声运算放大器。

6.如权利要求1所述的大量程的磁致伸缩位移传感器装置，其特征在于：信号整形模块包括比较器和单稳态。

7.如权利要求1所述的大量程的磁致伸缩位移传感器装置，其特征在于：外部电气接口形式为：模拟输出时，为4-20mA、0-20mA电流直流输出，或者是0-10V、0-5V、-10-10V电压直流输出；数字输出时，为SSI、Strat/Stop、PROFIBUS-DP、CANopen总线，或者为串行同步接口数字输出。

8.一种大量程的磁致伸缩位移传感器装置的实现方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：中央控制模块通知激励模块发出周期性的激励信号，并且与此同时中央控制模块分别向第一计数模块和第二计数模块发出信号，开启计数功能；

步骤二：激励模块发出的激励脉冲信号在波导丝圆周方向产生瞬时磁场；

步骤三：步骤二所述磁场与游标磁体的偏置磁场叠加，并在波导丝上形成魏德曼效应，产生瞬变的脉冲机械波，所述脉冲机械波沿波导丝向波导丝的首端和末端传播；

步骤四：到达波导丝的首端和末端的脉冲机械波信号分别为该位置的第一检波模块和第二检波模块接收并转化为两路微弱电信号；

步骤五：所述两路微弱电信号，一路经第一信号放大模块和第一信号整形模块，另一路经第二信号放大模块和第二信号整形模块，形成方波信号后，分别输入第一计数模块和第二计数模块；

步骤六：接收到方波信号后，第一计数模块和第二计数模块分别向中央控制模块输入计数结果n和m；

步骤七：中央控制模块比较n和m，若n小于m则以n来计算游标磁体相对于传感器首端第一检波模块的位移值，若m小于n则以n来计算游标磁体相对于传感器末端第二检波模块的位移值；

步骤八：根据传感器中首端第一检波模块和末端第二检波模块在传感器中的安装位置，中央控制模块对步骤七的计算结果进行标定，换算成游标磁体相对传感器安装面的位移值；

步骤九：根据步骤八的计算结果，中央控制模块向外部电气接口输出位移信号。

 

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