CN103322898B - 具有自校准功能的涡流栅传感器及自校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有自校准功能的涡流栅位移传感器及自校准方法，所述传感器由测量线圈、反射导体、基板和测量电路组成，所述的测量线圈为多个形式，成对布置，每组测量线圈的相位相差测量波长的1/2，由此形成差动信号输出。本发明只需将传感器拉动一段距离，即可将电子元器件和制造工艺的分散性产生的信号变化进行有效的识别与检测，计算得到各测量线圈的归一化系数。在测量过程中，可以自动对测量结果进行校准和修正。这种自校准方法具有速度快、成本低、互换性好、无需额外的检定装备等特点，可以满足大批量生产的校准要求，并可推广应用于其他传感器之中。

Description

具有自校准功能的涡流栅传感器及自校准方法

技术领域

本发明涉及一种新型传感器及其校准方法，具体是一种基于横向电涡流效应的涡流栅位移传感器及其自校准方法。

背景技术

目前现代传感器与检测系统正向着高精度、微型化、低功耗、绝对输出、高防护性能的方向发展。而涡流栅正式具有上述特点的新型传感器原理。

涡流栅由测量线圈、反射导体、基板和测量电路组成。反射导体为若干形状规则、尺寸有限的金属，并均匀分布于基板之上，其间隔周期即为测量波长。测量线圈安置于反射导体上方并保持一个较小的距离。测量电路为测量线圈提供交流激励信号，并可在反射导体中产生电涡流，从而使得测量线圈的电感（或感抗）产生变化。在测量过程中，随着测量线圈相对于反射导体产生横向移动，测量线圈分别在不同的反射导体内产生电涡流，而测量线圈自身的电感参数将随之产生周期性的变化。由此，通过测量电路可计算得出其位移量。

涡流栅位移传感器具有与众不同的卓越特点：其一，涡流栅的测量线圈即是激励器，也是接收器，通过有限尺寸的反射导体中电涡流的强弱实现大范围的位移测量，因此它在原理上具有出色的防水与防尘能力；其二，测量线圈与测量电路制作在一块电路板上，因此具有高度的集成度，保证了传感器工作的稳定性与小型化。其三，测量线圈、测定电路以及反射导体与基板均采用标准的PCB工艺制作，效率高、成本低，工艺成熟，可以满足大批量生产，降低成本。因此，涡流栅传感器以及逐步得到越来越多的应用。

但是，涡流栅传感器的测量精度对电子元器件和PCB制作工艺的分散性较为敏感，使得测量精度下降、产品互换性差。常规的解决办法，是采用额外的自动化标定装置来校准并修正传感器的误差。但是，这种方法费时费力，无法满足大批量生产的需求。另一方面，这也导致传感器无法互换，为用户使用带来不便。

发明内容

为了解决现有的涡流栅对电子元器件和制作工艺分散性敏感而降低测量精度的问题，本发明提出一种具有自校准功能的涡流栅位移传感器及其自校准方法。

根据本发明的一方面，提供一种具有自校准功能的涡流栅位移传感器，所述传感器由测量线圈、反射导体、基板和测量电路组成。反射导体均匀分布于基板之上，其间隔周期即为测量波长。测量线圈安置于反射导体上方并保持一个尽可能小的距离，同时保证二者不产生接触。测量电路与测量线圈的相对位置保持不变，二者可以一同相对于反射导体产生移动。所述的测量线圈为多个，且成对布置，每组测量线圈的相位相差测量波长的1/2，由此可以形成差动信号输出。

本发明的反射导体为形状规则的金属，例如矩形、多边形等。每个反射导体尺寸有限，其长度（沿移动方向）约为测量波长的一半左右。

本发明的测量线圈一般为多个线圈，以便提高测量精度。每个测量线圈的长度（沿移动方向）一般与反射导体相同，测量线圈之间的距离一般为1/4测量波长的整数倍。测量线圈的数量为偶数，成对布置，每组测量线圈的相位相差测量波长的1/2，由此可以形成差动信号输出。不同组测量线圈的相位相差测量波长1/4或其倍数，则可以分别形成正弦信号和余弦信号。由此可以利用二者的反正切计算出相位信号大小，并由此得到被测位移量。

根据本发明的另一方面，提供一种上述涡流栅位移传感器的自校准方法，包括以下步骤：

1）在传感器上电工作之初，拉动测量线圈并使之沿测量方向移动尽可能长的距离（最好覆盖整个传感器量程），同时测量电路自动记录下每个测量线圈在各个测量位置处输出信号的最大值和最小值。

2）利用上述每个测量线圈输出信号的最大值和最小值，计算出每个测量线圈在不同位置的幅值和均值：

幅值=最大值-最小值

均值=（最大值+最小值）/2

3）利用上述每个测量线圈输出信号在不同位置的幅值和均值，计算出该测量线圈输出信号的平均幅值和平均均值：

线圈平均幅值=所有点幅值之和/点数

线圈平均均值=所有点均值之和/点数

4）利用每个测量线圈输出信号的平均幅值，计算出所有测量线圈输出信号的总的均一化幅值：

总的均一化幅值=所有线圈平均幅值之和/线圈数

5）分别计算每个测量线圈的幅值均一化系数并保存：

线圈幅值均一化系数=线圈平均幅值/总的均一化幅值

6）在测量过程中，针对每个测量线圈的原始输出信号进行归一化处理：

线圈归一化信号=（线圈原始信号–线圈平均均值）×线圈幅值归一化系数

7）然后带入测量公式计算得出位移。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明只需将传感器拉动一段距离，即可将电子元器件和制造工艺的分散性产生的信号变化进行有效的识别与检测，计算得到各测量线圈的归一化系数。在测量过程中，可以自动对测量结果进行校准和修正。这种自校准方法具有速度快、成本低、互换性好、无需额外的检定装备等特点，可以满足大批量生产的校准要求，并可推广应用于其他传感器之中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的涡流栅传感器组成原理示意图。

图2是4线圈形式的涡流栅传感器示意图。

图3是差动信号形式示意图。

图4是相位信号形式示意图。

图5是测量线圈输出信号形式示意图。

图6是校准前的实际差动信号。

图中，1为测量线圈，2为反射导体，3为基板，4为测量电路。D为测量线圈与反射导致之间的距离，λ为测量波长（即反射导体的间隔周期）。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1是本发明的涡流栅传感器组成原理示意图。本发明的涡流栅传感器由测量线圈1、反射导体2、基板3和测量电路4组成。反射导体2均匀分布于基板3之上，其间隔周期即为测量波长λ，本实施例中测量波长为λ=5mm。测量线圈1安置于反射导体2上方并保持一个尽可能小的距离D，同时保证二者不产生接触，例如D=0.5mm。测量电路4与测量线圈1的相对位置保持不变，二者可以一同相对于反射导体2产生移动。

本发明的反射导体2为形状规则的金属，例如矩形、多边形等。每个反射导体2的尺寸有限，其长度（沿移动方向）约为测量波长的一半左右。在本实施例中，反射导体为长方形，其长度等于测量波长λ的一半，即2.5mm。

本发明的测量线圈1一般为多个，以便提高测量精度。每个测量线圈1的长度（沿移动方向）一般与反射导体2相同，测量线圈1之间的距离一般为1/4测量波长的整数倍。测量线圈的数量为偶数，成对布局，每组测量线圈的相位相差测量波长的1/2，由此可以形成差动信号输出。不同组测量线圈的相位相差测量波长1/4或其倍数，则可以分别形成正弦信号和余弦信号。由此可以利用二者的反正切计算出相位信号大小，并由此得到被测位移量。图2为4线圈形式的涡流栅传感器示意图。在本实施例中，测量线圈1-1和测量线圈1-2、测量线圈1-3和测量线圈1-4的中心距均为1/2测量波长，即2.5mm；而测量线圈1-2和测量线圈1-3的中心距均为3/4测量波长，即3.75mm。根据4个测量线圈的输出信号S₁、S₂、S₃和S₄，可以得出两个差动信号则为S₁₂=S₁-S₂和S₃₄=S₃-S₄，其波形如图3所示。此时，可以取两个差动信号之商的反正切作为相位信号，即：

其波形如图4所示。此时，可以利用相位实现位移的测量，即

一种上述涡流栅传感器的自校准方法，包括以下步骤（如图6所示）：

1)在传感器上电工作之初，拉动测量线圈1并使之沿测量方向移动尽可能长的距离（最好覆盖整个传感器量程），同时测量电路4自动记录下每个测量线圈1在各个测量位置（共n个点）处输出信号的最大值S_max(i,j)和最小值S_min(i,j)（i=1,2,3,4,j=1,2,......n）。

2)利用上述每个测量线圈输出信号的最大值S_max(i,j)和最小值S_min(i,j)，计算出每个测量线圈1在不同位置的幅值A(i,j)和均值M(i,j)：

A(i,j)＝S_max(i，j)-S_min(i，j)(i=1,2,3,4)

M(i，j)＝[S_max(i，j)+S_min(i，j)]/2(i=1,2,3,4)

3)利用上述每个测量线圈1输出信号在不同位置的幅值A(i,j)和均值M(i,j)，计算出该测量线圈1输出信号的平均幅值A(i)和平均均值M(i)：

$A\left(i\right)=\frac{1}{n}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n}A(i,j)(i=\mathrm{1,2,3,4})$

$M\left(i\right)=\frac{1}{n}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n}M(i,j)(i=\mathrm{1,2,3,4})$

4)利用每个测量线圈1输出信号的平均幅值A(i)，计算出所有测量线圈1输出信号的总的均一化幅值A：

$A=\frac{1}{4}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{4}A\left(i\right)$

5)分别计算每个测量线圈1的幅值均一化系数k_A(i)并保存：

$k_A\left(i\right)=\frac{A\left(i\right)}{A}(i=\mathrm{1,2,3,4})$

6)在测量过程中，针对每个测量线圈1的原始输出信号S进行归一化处理：

S′(i)＝[S(i)-M(i)]*k_A(i)(i=1,2,3,4)

7)然后带入测量公式计算得出位移。

本发明提出的自校准方法，既可显著减小电子元器件和制造工艺分散性带来的测量误差，又可避免繁琐低效的校准过程，可以满足大批量生产的要求，并显著提高产品的互换性。该方法还可推广应用于其他传感器与测量领域。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种涡流栅传感器的自校准方法，所述涡流栅传感器由测量线圈、反射导体、基板和测量电路组成，反射导体均匀分布于基板之上，其间隔周期即为测量波长，测量线圈安置于反射导体上方并保持一距离，该距离尽可能小且同时保证二者不产生接触，测量电路与测量线圈的相对位置保持不变，二者能一同相对于反射导体产生移动；其特征在于，所述的测量线圈的数量为多个，成对布置，每组测量线圈的相位相差测量波长的1/2，由此形成差动信号输出；

所述方法包括以下步骤：

1)在传感器上电工作之初，拉动测量线圈并使之沿测量方向移动尽可能长的距离，同时测量电路自动记录下每个测量线圈在各个测量位置处输出信号的最大值和最小值；

2)利用上述每个测量线圈输出信号的最大值和最小值，计算出每个测量线圈在不同位置的幅值和均值：

幅值＝最大值-最小值

均值＝(最大值+最小值)/2

3)利用上述每个测量线圈输出信号在不同位置的幅值和均值，计算出该测量线圈输出信号的平均幅值和平均均值：

线圈平均幅值＝所有点幅值之和/点数

线圈平均均值＝所有点均值之和/点数

4)利用每个测量线圈输出信号的平均幅值，计算出所有测量线圈输出信号的总的均一化幅值：

总的均一化幅值＝所有线圈平均幅值之和/线圈数

5)分别计算每个测量线圈的幅值均一化系数并保存：

线圈幅值均一化系数＝线圈平均幅值/总的均一化幅值

6)在测量过程中，针对每个测量线圈的原始输出信号进行归一化处理：

线圈归一化信号＝(线圈原始信号–线圈平均均值)×线圈幅值归一化系数

7)然后带入测量公式计算得出位移。

2.根据权利要求1所述的涡流栅传感器的自校准方法，其特征在于：不同组测量线圈的相位相差测量波长1/4或其倍数，则分别形成正弦信号和余弦信号，由此利用二者的反正切计算出相位信息，并由此得到被测位移量。