CN103353293A - 高可靠抗冲击直线位移传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属位移传感器件领域，尤其涉及一种高可靠抗冲击直线位移传感器及其测量方法，包括探测拉杆（1）、探头（4）、探头壳体（2）、固定设于探头壳体（2）内的工作线圈（3）及工作电路（6）；探测拉杆（1）的端部与探头（4）的端部固定相接；具体测量时，单片机系统首先对传感器当前的位移量、环境温度进行模数转换，随后根据实测温度值计算实值与理论输出值之间的温漂补偿值，再根据线性修正公式计算线性修正系数，从而得到经过补偿、修正后的理想数据结果，再分别进行模拟输出及数字输出。本发明线性区间长，非线性误差小，环境适应性强，测量精度高，能满足振动、冲击、盐雾、稳态湿热、水下浸渍等环境要求。

Description

高可靠抗冲击直线位移传感器及其测量方法

技术领域

本发明属位移传感器件领域，尤其涉及一种具有高精度、低漂移等特点的高可靠抗冲击直线位移传感器及其测量方法。 

背景技术

位移传感器是应用最多的传感器之一，在自动检测技术中占有很重要的地位，在很多领域都得到了广泛的应用。用于位移测量的传感器的种类很多，电子原理的有电阻式、电容式、电位器式、电感式等，光学原理的有光栅式、光电式、光纤式等。上述原理的位移传感器，有些只能满足低精度要求的测量条件，有些只能应用在实验室条件下。然而在有些较为特殊的应用场合，不但要求位移传感器具有较高的测量精度，同时又要求传感器能够胜任恶劣的工作环境。 

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种线性区间长，非线性误差小，环境适应性强，低漂移，测量精度高，能满足振动、冲击、高低温工作、盐雾、稳态湿热、水下浸渍等环境要求的高可靠抗冲击直线位移传感器。 

另外，本发明还提供一种上述高可靠抗冲击直线位移传感器的测量方法。 

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的。 

一种高可靠抗冲击直线位移传感器，它包括探测拉杆、探头、探头壳体、固定设于探头壳体内的工作线圈及工作电路；所述探测拉杆的端部与探头的端部固定相接；所述探测拉杆及探头位于工作线圈形成的工作腔内；所述工作电路的端口分别接工作线圈中初级线圈及次级线圈的输入/输出端；所述工作电路包括模拟信号处理模块、信号调理模块及智能数字处理模块；所述模拟信号处理模块的信号传输端口经信号调理模块与智能数字处理模块的信号传输端口相接；所述工作电路位于探头壳体内的底部区域，且经耐温硅胶与探头壳体固接；所述工作线圈经耐温硅胶与探头壳体固接。 

作为一种优选方案，本发明所述模拟信号处理模块采用AD598 模块。 

作为另一种优选方案，本发明所述信号调理模块包括：信号迁移部分、信号放大部分及信号滤波部分；所述信号迁移部分的信号传输端口经信号放大部分与信号滤波部分的信号传输端口相接。 

进一步地，本发明所述模拟信号处理模块中激励信号频率为5KHz。 

更进一步地，本发明所述智能数字处理模块采用32位ARM微控制器。 

上述高可靠抗冲击直线位移传感器的测量方法，可按如下步骤进行：单片机系统首先对传感器当前的位移量、环境温度进行模数转换，随后根据实测温度值计算实值与理论输出值之间的温漂补偿值，再根据线性修正公式计算线性修正系数，从而得到经过补偿、修正后的理想数据结果，再分别进行模拟输出及数字输出。 

本发明线性区间长，非线性误差小，环境适应性强，低漂移，测量精度高，能满足振动、冲击、高低温工作、盐雾、稳态湿热、水下浸渍等环境要求。 

本发明不仅具有高精度、低漂移等突出特点，而且具有耐振动、抗冲击、抗盐雾、稳态湿热、水下浸渍等环境试验条件的特性。在汽车制造领域，位移传感器是控制发动机的核心部件，为实现对发动机的自动控制发挥了重要作用；在智能电网技术领域，位移传感器主要配套项目为各类高压开关机械特性测量装置，为实现对高压开关状态置的实时检测、控制及故障诊断发挥了重要作用；本发明高可靠抗冲击传感器也可以应用于航天、石化、工业控制、机械制造、矿山工程、科学研究、国防军工等领域，经济效益及社会效益显著。 

1、传感器的宽量程、高精度特性。 

模拟型位移传感器由于受线圈缠绕方式及模拟电路的局限，导致传感器线性区间短、非线性误差偏大，难以满足宽量程、高精度的测量方式。利用MCU单元对模拟测量信号进行分段线性化迁移修正，从而使整个量程线性化程度明显提升，整机线性度可由原来的0.2％提高到0.05％以上。线性区间范围也比模拟测量方式提高30%以上。 

2、传感器的抗振动特性。 

传感器的整体设计包括传感器的外壳、线圈骨架、线圈、电路板支架和拉杆部分。为满足抗振动（50g）冲击（150g）的要求，传感器的骨架及探测拉杆以及其它金属连接部件全部采用激光焊接方式，使整机具有优良的刚性强度，确保满足高可靠、抗振动、冲击要求。线路板上的元件全部采用耐高温、低漂移优质贴片元器件，电路板上没有可调电位器。线圈、信号引出线采用耐高温防火棉固定，整个电路板及电子线路采用耐高温硅橡胶固定防护。连接螺纹口全部加注螺纹胶紧固。 

3、宽温区、低漂移特性。

传感器的工作温度温度范围为-50℃～150℃，工作温度变化范围宽，由此带来的温度漂移量也很大。温度漂移主要来自传感器线圈部分及电子线路部分。如不采取妥善补偿措施，将会严重影响传感器输出的稳定性。模拟输出型位移传感器尽管已采取温度补偿网络进行温度漂移补偿，但由于传感器的工作温度范围过宽，无法做到分段精密补偿。本发明通过MCU测控单元对传感器的环境温度进行实时在线监测，计算出实测输出值与理想值之间的偏移量，以此偏移量对传感器的输出进行精密补偿，从而能达到十分理想的温度补偿效果，温度漂移指标由原来的0.18‰F.S /℃,可提高到0.03‰F.S /℃以上。 

4、传感器密封防护特性。 

为满足盐雾、稳态湿热、浸渍等环境试验的要求，首先在传感器的壳体材料上，选取耐腐蚀、抗盐雾的不锈钢材料，金属连接部件全部采用激光焊接方式完全密封焊接。壳体的螺纹部分采取胶圈密封防护。在传感器的线圈、引出线、电路部分采用三防漆、耐温防水硅胶等加以封灌防护。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。 

图1为本发明整体结构示意图。 

图2为本发明的电路原理框图。 

图3为本发明信号调理模块电路原理框图。 

图4为本发明软件流程框图。 

图中：1、探测拉杆；2、探头壳体；3、工作线圈；4、探头；5、导向轴套；6、工作电路；7、工作腔；8、耐温硅胶。 

具体实施方式

如图1所示，高可靠抗冲击直线位移传感器，它包括探测拉杆1、探头4、探头壳体2、固定设于探头壳体2内的工作线圈3及工作电路6；所述探测拉杆1的端部与探头4的端部固定相接；所述探测拉杆1及探头4位于工作线圈3形成的工作腔7内；所述工作电路6的端口分别接工作线圈3中初级线圈及次级线圈的输入/输出端；所述工作电路6包括模拟信号处理模块、信号调理模块及智能数字处理模块；所述模拟信号处理模块的信号传输端口经信号调理模块与智能数字处理模块的信号传输端口相接；所述工作电路6位于探头壳体2内的底部区域，且经耐温硅胶与探头壳体2固接；所述工作线圈3经耐温硅胶与探头壳体2固接。8为耐温硅胶。 

本发明所述模拟信号处理模块采用AD598 模块；所述智能数字处理模块采用MCU 处理模块，以对模拟测量信号进行分段线性化迁移修正及温度补偿。 

本发明所述信号调理模块包括：信号迁移部分、信号放大部分及信号滤波部分；所述信号迁移部分的信号传输端口经信号放大部分与信号滤波部分的信号传输端口相接。 

本发明所述模拟信号处理模块中激励信号频率为5KHz。 

本发明所述智能数字处理模块采用32位ARM微控制器。 

参见图4所示，高可靠抗冲击直线位移传感器的测量方法，可按如下步骤进行：单片机系统首先对传感器当前的位移量、环境温度进行模数转换，随后根据实测温度值计算实值与理论输出值之间的温漂补偿值，再根据线性修正公式计算线性修正系数，从而得到经过补偿、修正后的理想数据结果，再分别进行模拟输出及数字输出。 

1、高可靠抗冲击直线位移传感器硬件电路设计。 

1.1电路的基本组成。 

高可靠抗冲击直线位移传感器硬件电路分为模拟信号处理模块和智能数字处理模块两部分。模拟信号处理模块的设计包括交流激励电路的设计、整流滤波电路设计、信号放大、迁移、滤波电路设计等；智能数字处理模块是由MCU、外围电路及通讯接口电路等组成。 

1.2模拟信号处理模块的组成及功能。 

传感器的模拟信号处理模块设计包括AD598电路设计以及外围辅助电路设计。其中AD598是模拟信号处理电路的关键部件，该部件集信号激励、整流滤波、稳压保护、放大迁移等功能于一体，可满足传感器高精度、高稳定性的技术要求。外围辅助电路主要由过压保护电路、滤波电路、温度补偿电路等部分组成。传感器的激励频率也是影响传感器性能的关键参数。为保证传感器整机具有良好的动态响应特性，同时又具有良好的抗干扰能力，将激励信号频率调整为5KHz。通过对元器件一致性的筛选以及阻容参数的合理搭配，确保了激励信号的波形质量，从而为提高传感器整机的综合性能奠定了基础。 

1.3信号调理模块电路设计。 

该部分电路如图3所示，其作用是将AD598输出信号进行进一步的信号迁移、放大、滤波处理，使其输出满足本项目技术指标要求。为保证传感器的信号输出符合技术指标要求的1V～8V输出形式，需在信号的迁移、放大、滤波环节进行放大、迁移处理。通过周密设计、精心调试，确保了传感器处于最佳线性工作区间，信号输出形式符合技术指标要求，输出信号的交流噪声也控制在理想程度，以保证传感器输出信号的稳定性，提高整机的抗干扰能力。 

1.4智能数字处理模块设计。 

为实现高可靠抗冲击直线位移传感器高准确度、低漂移、可变量程等技术要求，本发明设计采用以高速、低功耗32位ARM微控制器－SiM3L1xx 为核心，配以相应外部电路组成的嵌入式硬件系统。高可靠抗冲击直线位移传感器充分发掘了嵌入式微处理器的资源，将数据更新速度提高到毫秒数量级。普通模拟型位移传感器由于受线圈缠绕方式及模拟电路的局限，导致传感器线性区间短、非线性误差偏大，难以满足宽量程、高精度的测量方式。利用MCU单元对模拟测量信号进行分段线性化迁移修正，从而使整个量程线性化程度明显提升，整机线性度可由原来的2‰提高到0.5‰以上。线性区间范围也比模拟测量方式提高30%以上；传感器的工作温度范围为-50℃～150℃，由于传感器的工作温度变化范围宽，由此带来的温度漂移量也很大。模拟输出型位移传感器虽采取温度补偿网络进行温度漂移补偿，但由于传感器的工作温度范围过宽，无法做到分段精密补偿。本设计方案通过MCU测控单元对传感器的环境温度进行实时在线监测，计算出模拟输出值与理想输出值之间的偏移量，再进行温度补偿，从而极大改善了位移传感器在整个温度范围内的温度特性曲线，温度漂移指标由原来的0.18‰F.S /℃,可提高到0.05‰F.S /℃以上；对于模拟型位移传感器，传感器的量程范围及输出值是固定不变的，从而影响了位移传感器的通用性。对于智能型位移传感器，可根据实际工况需要动态调整，其量程范围及上下限输出值可完全通过485通讯方式任意设定，因此，增强了传感器的适用范围。 

1.5高可靠抗冲击直线位移传感器结构设计。 

高可靠抗冲击直线位移传感器为满足传感器抗强振动、冲击以及承受盐雾、稳态湿热、浸渍等环境试验的要求，传感器外部壳体、骨架及其它连接部件全部采用316L不锈钢材料加工制作，所有金属连接部件均采用激光焊接方式全密封焊接，一方面保障传感器整机具有足够的连接强度，同时又保证整机具有良好的密封防护性能。传感器的探测拉杆采用3YC51不锈钢加工制作，并且采用高温蘸火加工工艺，从而进一步提高探测拉杆的耐磨强度。为保证传感器具有良好的线性特性，在结构设计上，经反复摸索试验，确定了最佳线圈骨架长度，同时将线圈封装在由纯铁加工而成的护管内，一方面保证了传感器具有足够线性区间，同时也进一步加强了传感器抗电磁干扰能力。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种高可靠抗冲击直线位移传感器，其特征在于，包括探测拉杆（1）、探头（4）、探头壳体（2）、固定设于探头壳体（2）内的工作线圈（3）及工作电路（6）；所述探测拉杆（1）的端部与探头（4）的端部固定相接；所述探测拉杆（1）及探头（4）位于工作线圈（3）形成的工作腔（7）内；所述工作电路（6）的端口分别接工作线圈（3）中初级线圈及次级线圈的输入/输出端；所述工作电路（6）包括模拟信号处理模块、信号调理模块及智能数字处理模块；所述模拟信号处理模块的信号传输端口经信号调理模块与智能数字处理模块的信号传输端口相接；所述工作电路（6）位于探头壳体（2）内的底部区域，且经耐温硅胶与探头壳体（2）固接；所述工作线圈（3）经耐温硅胶与探头壳体（2）固接。

2.根据权利要求1所述的高可靠抗冲击直线位移传感器，其特征在于：所述模拟信号处理模块采用AD598 模块。

3.根据权利要求2所述的高可靠抗冲击直线位移传感器，其特征在于：所述信号调理模块包括：信号迁移部分、信号放大部分及信号滤波部分；所述信号迁移部分的信号传输端口经信号放大部分与信号滤波部分的信号传输端口相接。

4.根据权利要求3所述的高可靠抗冲击直线位移传感器，其特征在于：所述模拟信号处理模块中激励信号频率为5KHz。

5.根据权利要求4所述的高可靠抗冲击直线位移传感器，其特征在于：所述智能数字处理模块采用32位ARM微控制器。

6.根据权利要求1～5之任一所述高可靠抗冲击直线位移传感器的测量方法，其特征在于，按如下步骤进行：单片机系统首先对传感器当前的位移量、环境温度进行模数转换，随后根据实测温度值计算实测值与理论输出值之间的温漂补偿值，再根据线性修正公式计算线性修正系数，从而得到经过补偿、修正后的理想数据结果，再分别进行模拟输出及数字输出。

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