CN103499269B - 一种自触发式大量程位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自触发式大量程位移传感器。本发明的位移传感器包括同轴连接的多圈电位器（1）与线轴（5），数据采集传输电路（3），还包括一旋转编码器（2）、传动齿轮组（7），所述传动齿轮组（7）包括主动齿轮和从动齿轮；其中，所述主动齿轮与线轴（5）同轴连接，所述从动齿轮与所述旋转编码器（2）同轴连接，所述旋转编码器（2）与所述数据采集传输电路（3）连接，用于触发所述数据采集传输电路（3）的开启；线轴（5）的转动可带动多圈电位器（1）和主动齿轮同步转动，从动齿轮的转动可带动旋转编码器（2）同步转动。本发明可采集位移突变时的变化量，测量精度高，适应野外工作环境。

Description

一种自触发式大量程位移传感器

技术领域

本发明涉及一种位移传感器，特别是一种带触发功能的大量程位移传感器。

背景技术

拉绳位移传感器又称拉绳传感器，是一种新型而简便的长度位移传感器，用途非常广泛，具有结构紧凑、测量行程长、安装空间尺寸小、测量精度高、可靠性好、寿命长、维护少等优点。另外，拉绳位移传感器安装使用方便适合许多危险场合应用，广泛应用与测量领域。

拉绳式位移传感器的功能是把机械运动转换成可以计量，记录或传送的电信号。拉绳位移传感器由可拉伸的不锈钢绳绕在一个轮毂上，此轮毂与一个精密旋转感应器连接在一起，感应器可以是增量编码器，绝对(独立)编码器，混合或导电塑料旋转电位计，同步器或解析器。操作上，拉绳式位移传感器安装在固定位置上，拉绳缚在移动物体上。拉绳直线运动和移动物体运动轴线对准。运动发生时，拉绳伸展和收缩。一个内部弹簧保证拉绳的张紧度不变。轮毂带动精密旋转感应器旋转，输出一个与拉绳移动距离成比例的电信号。测量输出信号可以得出运动物体的位移、方向或速率。

在地质灾害自动化监测领域，往往需要监测地表或岩体裂缝的位移变化。具体做法是，在裂缝上下各埋设一个基桩，将拉绳式位移传感器的绳头固定在裂缝下部的基桩上，将拉绳式位移传感器的本体固定在裂缝上部的基桩上，通过定时采集传感器的测量数据来监测裂缝的宽度变化。如果在两次测量时间间隔内位移突然加速变化，现有的拉绳式位移传感器将不能及时采集到裂缝的变化，无法及时报警，造成严重的人员及财产的损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种带触发测量和温度补偿功能的高精度数字量输出的位移传感器。

本发明的技术方案为：

一种自触发式大量程位移传感器，其特征在于包括同轴连接的多圈电位器（1）与线轴（5），以及用于采集所述多圈电位器（1）电压信号的数据采集传输电路（3），一旋转编码器（2）、传动齿轮组（7）；其中，所述传动齿轮组（7）包括主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮与线轴（5）同轴连接，所述从动齿轮与所述旋转编码器（2）同轴连接，所述旋转编码器（2）与所述数据采集传输电路（3）连接，用于触发所述数据采集传输电路（3）的开启；线轴（5）的转动可带动多圈电位器（1）和主动齿轮同步转动，从动齿轮的转动可带动旋转编码器（2）同步转动。

进一步的，所述传动齿轮组（7）与所述多圈电位器（1）分别位于所述线轴（5）的两侧；所述主动齿轮与所述从动齿轮采用一级渐开线圆柱齿轮传动。

进一步的，所述旋转编码器（2）经一触发信号处理电路（4）与所述数据采集传输电路（3）连接；所述触发信号处理电路（4）用于对所述旋转编码器（2）产生的触发信号进行滤波和调压处理，使其符合所述数据采集传输电路（3）的IO接口要求。

进一步的，所述多圈电位器（1）固定安装在位移传感器的联板（15）上；所述旋转编码器（2）通过一编码器固定座（8）固定安装在所述联板（15）上。

进一步的，所述联板（15）固定在位移传感器的中间壳体（14）开口端连接，所述线轴（5）、传动齿轮组（7）、旋转编码器（2）位于所述中间壳体（14）内；所述线轴（5）与所述传动齿轮组（7）连接的一侧具有一伸出轴，与所述中间壳体（14）开口端相对的一侧上设有一孔，该孔内壁与一轴承（10）的外圈连接，该轴承（10）的内圈与所述线轴（5）的伸出轴连接。

进一步的，所述中间壳体（14）的外侧安装位移传感器的盘簧盒（13），所述盘簧盒（13）的内部设有一空心轴，该空心轴与所述线轴（5）的伸出轴连接；该空心轴上设有一缝隙用于固定收线盘簧（6）的内端头、收线盘簧的外端口固定在所述盘簧盒（13）的内壁上。

进一步的，所述线轴（5）上安装有绳（9），绳（9）一端固定在所述线轴（5）上，另一端通过所述中间壳体（14）的一开口与一绳头组件（11）连接；所述绳头组件（11）与该开口相对一侧安装有一减震垫。

进一步的，所述线轴（5）的中心孔通过紧定螺钉与所述多圈电位器（1）的伸出轴连接；所述从动齿轮安装在所述旋转编码器（2）的伸出轴上。

进一步的，所述数据采集传输电路（3）包括电源管理模块、A/D模块、测温元件、数据处理模块和SD卡存储模块；所述电源管理模块与所述多圈电位器（1）和旋转编码器（2）电连接；所述A/D模块与所述多圈电位器（1）连接，用于将所述多圈电位器（1）输出的模拟信号转换为数字信号；所述A/D模块、所述SD卡存储模块、所述测温元件分别与所述数据处理模块连接。

进一步的，所述数据处理模块根据所述测温元件检测的环境温度T计算位移传感器的测量值L=(PT+q)U+(ST+v)；其中，P为K值温漂系数，K为标度因数，q为K值温漂零位系数，U为位移传感器输出电压，S为b值温漂系数，b为零位，v为b值温漂零位系数。

按照本发明提供的一种自触发式大量程位移传感器，包括多圈电位器1、旋转编码器2、数据采集传输电路3、触发信号处理电路4、线轴5、收线盘簧6、传动齿轮组7、编码器固定座8、不锈钢丝绳9、轴承10、绳头组件11、信号电缆12、盘簧盒13、中间壳体14、联板15、后端盖16、出线口17；传动齿轮组7包括主动齿轮和从动齿轮；主动齿轮与线轴5同轴连接，从动齿轮与旋转编码器2同轴连接，旋转编码器2与数据采集传输电路3连接，用于触发所述数据采集传输电路3的开启；线轴5的转动可带动多圈电位器1和主动齿轮同步转动，从动齿轮的转动可带动旋转编码器2同步转动。

所述的多圈电位器1的伸出轴与线轴5的中心孔通过紧定螺钉相连，不锈钢丝绳9紧密盘绕在线轴5上，一端固定于线轴5上，另一端穿过出线口17固定在绳头组件11上，当位移变大时，不锈钢丝绳9被拉出，带动多圈电位器1旋转，使其分压产生变化；传动齿轮组7包括一个主动齿轮和一个从动齿轮，采用一级渐开线圆柱齿轮传动，主动齿轮与线轴5同轴，并通过三个沉头螺钉固定在线轴5的侧面，从动齿轮安装在旋转编码器2的伸出轴上。当拉动不锈钢丝绳9时，线轴5带动多圈电位器1和主动齿轮一起转动，主动齿轮与从动齿轮啮合，从动齿轮带动旋转编码器2转动。旋转编码器2作为传感器的工作触发元件，当地表或岩体裂缝位移发生变化并达到一定值时，在从动齿轮的带动下发出一个脉冲信号，当数据采集传输电路3接收到脉冲信号后给传感器上电并启动测量，并通过信号电缆12传输所采集并经过处理的数据。

所述的数据传输电路3具有数据采集、处理、存储，电源管理和温度测量等功能，主要负责采集多圈电位器1的电压信号，并通过其自身的A/D转换器将电压信号转换为数字信号，并按标定及温度补偿模型进行运算，输出最终结果。

所述的触发信号处理电路4负责对旋转编码器的输出信号进行滤波和调压处理，使触发信号符合数据采集传输电路IO口的要求。旋转编码器2是一种直插式的元器件，直接焊接在触发信号处理电路4上。编码器固定座8通过两个螺钉将旋转编码器2固定在联板15上，防止其在力的作用下位置发生变化，保证旋转编码器2和多圈电位器1的伸出轴距离与两齿轮的中心距保持一致，确保传动齿轮组7的正常啮合。

与现有技术相比，本发明提供的一种自触发式大量程位移传感器具有如下优点：

1.传感器具有触发测量功能，可以保证在地表裂缝发生突变时及时采集到位移的变化量。

2.传感器直接输出数字信号，提高了传输过程中的抗干扰能力。

3.传感器中带有测温单元，可以测量传感器的工作温度，并通过实验方法测得在不同温度下的位移实际值与测量值，通过最小二乘法将测量值与温度值进行直线拟合，可以减小温度对测量结果的影响，提高测量精度。

4.传感器结构简单紧凑，安装方便；渐开线齿轮传动可以保证触发功能可靠实现；传感器材料及表面处理可以保证机械强度和很强的抗腐蚀性，适应野外工作环境。

附图说明

图1是本发明的传感器的全剖视图。

图2为温度补偿测试电路接线图。

具体实施方式

参见图1，按照本发明给出的一种自触发式大量程位移传感器的实施例，包括多圈电位器1、旋转编码器2、数据采集传输电路3、触发信号处理电路4、线轴5、收线盘簧6、传动齿轮组7、编码器固定座8、不锈钢丝绳9、轴承10、绳头组件11、信号电缆12、盘簧盒13、中间壳体14、联板15、后端盖16、出线口17。

参见图1，在本发明给出的上述实施例中，所述的多圈电位器1通过其自带螺母固定在联板15的中心孔上，其伸出轴与线轴5的中心孔通过紧定螺钉相连，不锈钢丝绳9的一端固定于线轴5上，并紧密盘绕在线轴5上，当位移变大时，不锈钢丝绳9被拉出，从而带动多圈电位器1旋转，电阻值发生变化，从而使其分压产生变化；传动齿轮组7包括一个主动齿轮和一个从动齿轮，采用一级渐开线圆柱齿轮传动，主动齿轮与线轴5同轴，并通过三个沉头螺钉固定在线轴5的侧端，从动齿轮安装在旋转编码器2的伸出轴上。当拉动不锈钢丝绳9时，线轴5带动多圈电位器1和主动齿轮一起转动，主动齿轮与从动齿轮啮合，从动齿轮带动旋转编码器2转动。旋转编码器2作为传感器的工作触发元件，当地表裂缝位移发生变化并达到一定值时，在从动齿轮的带动下发出一个脉冲信号，当数据采集传输电路3接收到脉冲信号后给传感器上电并启动测量，并通过信号电缆12传输所采集并经过处理的数据，操作完成后程序会使其自动关闭。

参见图1，在本发明给出的上述实施例中，所述的多圈电位器1的伸出轴与线轴5中心孔通过紧定螺钉直接固定，结构简单紧凑。线轴5的侧面有一空心轴，空心轴的中心位置有一缝隙，用以固定收线盘簧6的内端头。收线盘簧6的外端头固定在盘簧盒13的内壁上。收线盘簧6的弹性扭矩通过线轴5转换成不锈钢丝绳9的张力和传动齿轮组7的输入转矩。线轴5的侧面伸出轴的另一端盘线的起点位置有一小通孔，用于固定不锈钢丝绳9的绳头。钢丝绳的另一端穿过出线口17固定在绳头组件11上，绳头组件11包括拉头、紧定螺钉和减震垫，钢丝绳的伸出端用紧定螺钉固定在拉头上；减震垫可以减小收线盘簧6恢复力所带来的冲击，防止钢丝绳拉断。

参见图1，在本发明给出的上述实施例中，所述的线轴5一侧的小通孔与钢丝导出孔之间存在一定的高度差，此高度差由钢丝绳的直径和传感器的量程决定。在此高度差和钢丝绳张力的共同作用下，可以保证钢丝绳均匀紧密的缠绕在线轴5上，不会造成重叠和错乱的现象，保证了测量精度。

参见图1，在本发明给出的上述实施例中，所述的轴承10内圈固定在线轴5的伸出轴上，外圈安装在外壳的中心孔内壁上，多圈电位器1在轴承10的支撑作用下平稳旋转。

参见图1，在本发明给出的上述实施例中，所述的触发信号处理电路4负责对旋转编码器的输出信号进行滤波和调压处理，使触发信号符合数据采集传输电路IO口的要求。旋转编码器2是一种直插式的元器件，直接焊接在触发信号处理电路4上。编码器固定座8通过两个螺钉将旋转编码器2固定在联板15上，防止其在力的作用下位置发生变化，保证旋转编码器2和多圈电位器1的伸出轴距离与两齿轮的中心距保持一致，确保传动齿轮组7的正常啮合。

参见图1，在本发明给出的上述实施例中，所述的线轴5、编码器固定座8、绳头组件11中的拉头、盘簧盒13、中间壳体14、联板15、后端盖16均采用铝合金材料制成，并经过特殊表面处理，保证材料有很强的机械强度和抗腐蚀性。不锈钢丝绳9为多股绞合包塑钢丝绳，具有很强的抗拉强度和抗腐蚀能力。出线口17采用工程塑料制成，降低对包塑钢丝绳9外皮造成的磨损。

所述的数据采集传输电路3具有数据采集、处理、存储，电源管理和温度测量等功能，主要负责采集多圈电位器1的电压信号，并通过其自身的A/D转换器将电压信号转换为数字信号。数据采集传输电路3包括电源管理模块、A/D模块、测温元件、数据处理模块和SD卡存储模块，其中A/D模块、SD卡存储模块、测温元件分别与数据处理模块连接。电源管理模块负责为多圈电位器1和旋转编码器2以及采集传输电路3的外围电路供电；A/D模块负责将多圈电位器1的模拟信号转换为数字信号；测温元件是一种温度传感器，负责环境温度的实施监测；SD卡存储模块对采集的数据进行存储备份；数据处理模块负责数据处理，按标定及温度补偿模型进行运算，并输出最终结果。

所述的位移传感器测量公式：L=KU+b（1）

其中：L为位移计测量值，单位mm；

K为标度因数，单位mm/mV；

U为传感器输出电压，单位mV；

b为零位，单位mm。

由于多圈电位器的温漂系数（e_22HP10KΩ，标称温漂系数±20p.p.m./℃）、数据采集传输电路3温漂以及不锈钢丝绳9的线胀系数为位移计实际总体温漂，因此，需要对传感器组件进行温度补偿，对标定因数K和零位b进行修正。所述的温度补偿模型如下：

K=PT+q（2）

b=ST+v（3）

其中：P为K值温漂系数

q为K值温漂零位系数

T为温度

S为b值温漂系数

v为b值温漂零位系数

温漂系数和零位系数（P、q、S、v）的求解方法和步骤：

a)将传感器固定在位移计标定工装上，将绳头固定在工装的拉线装置上，将传感器及工装一起放入高低温温箱，测试电缆从温箱中引出（测试电缆信号线与多圈电位器的模拟量输出相连，未经过AD模块），接线图如附图2所示；

b)拉动绳头，记录全量程内均布的6个离散点在5个不同温度点下的输出电压，即0mm、200mm、400mm、600mm、800mm、1000mm处。保持位移计在各点位移不变，在工作温度范围内取五个温度点（-20℃，0℃，20℃，30℃，50℃），保温0.5小时后，上电测量电压输出值，并记录。

c)根据位移计在不同温度点下的输出值和各离散点实际位移量做直线拟合，得到5条不同温度下的拟合直线，如公式（4）所示。

L=K_TU+b_T（4）

其中：K_T为某温度点下标定因数，单位mm/mV；

b_T为某温度点下零位，单位mV；

由下式（5）分别计算P和q，并记录

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{5\×\mathrm{\Σ}{\mathrm{TK}}_T-\mathrm{\ΣT}\×\mathrm{\Σ}{K}_T}{5\×\mathrm{\Σ}{T}^2-{\left(\mathrm{\ΣT}\right)}^2}\\ q=\frac{\mathrm{\Σ}{K}_T-\mathrm{P\ΣT}}{5}\end{array}\right.---\left(5\right)$

由下式（6）分别计算S和v，并记录

$\left\{\begin{array}{c}S=\frac{5\×\mathrm{\Σ}{\mathrm{TB}}_T-\mathrm{\ΣT}\×\mathrm{\Σ}{b}_T}{5\×\mathrm{\Σ}{T}^2-{\left(\mathrm{\ΣT}\right)}^2}\\ v=\frac{\mathrm{\Σ}{b}_T-\mathrm{S\ΣT}}{5}\end{array}\right.---\left(6\right)$

并最终以式（7）计算测量位移值

L=KU+b=(PT+q)U+(ST+v)（7）

所述的信号电缆12是传感器的供电和信号传输的对外接口，采用屏蔽电缆，可以抗电磁干扰。

Claims (9)

1.一种自触发式大量程位移传感器，其特征在于包括同轴连接的多圈电位器(1)与线轴(5)，以及用于采集所述多圈电位器(1)电压信号的数据采集传输电路(3)，一旋转编码器(2)、传动齿轮组(7)；其中，所述传动齿轮组(7)包括主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮与线轴(5)同轴连接，所述从动齿轮与所述旋转编码器(2)同轴连接，所述旋转编码器(2)与所述数据采集传输电路(3)连接，用于触发所述数据采集传输电路(3)的开启；线轴(5)的转动可带动多圈电位器(1)和主动齿轮同步转动，从动齿轮的转动可带动旋转编码器(2)同步转动；所述数据采集传输电路(3)包括电源管理模块、A/D模块、测温元件、数据处理模块和SD卡存储模块；所述电源管理模块与所述多圈电位器(1)和旋转编码器(2)电连接；所述A/D模块与所述多圈电位器(1)连接，用于将所述多圈电位器(1)输出的模拟信号转换为数字信号；所述A/D模块、所述SD卡存储模块、所述测温元件分别与所述数据处理模块连接。

2.如权利要求1所述的位移传感器，其特征在于所述传动齿轮组(7)与所述多圈电位器(1)分别位于所述线轴(5)的两侧；所述主动齿轮与所述从动齿轮采用一级渐开线圆柱齿轮传动。

3.如权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于所述旋转编码器(2)经一触发信号处理电路(4)与所述数据采集传输电路(3)连接；所述触发信号处理电路(4)用于对所述旋转编码器(2)产生的触发信号进行滤波和调压处理，使其符合所述数据采集传输电路(3)的IO接口要求。

4.如权利要求3所述的位移传感器，其特征在于所述多圈电位器(1)固定安装在位移传感器的联板(15)上；所述旋转编码器(2)通过一编码器固定座(8)固定安装在所述联板(15)上。

5.如权利要求4所述的位移传感器，其特征在于所述联板(15)固定在位移传感器的中间壳体(14)开口端，所述线轴(5)、传动齿轮组(7)、旋转编码器(2)位于所述中间壳体(14)内；所述线轴(5)与所述传动齿轮组(7)连接的一侧具有一伸出轴，与所述中间壳体(14)开口端相对的一侧上设有一孔，该孔内壁与一轴承(10)的外圈连接，该轴承(10)的内圈与所述线轴(5)的伸出轴连接。

6.如权利要求5所述的位移传感器，其特征在于所述中间壳体(14)的外侧安装位移传感器的盘簧盒(13)，所述盘簧盒(13)的内部设有一空心轴，该空心轴与所述线轴(5)的伸出轴连接；该空心轴上设有一缝隙用于固定收线盘簧(6)的内端头、收线盘簧的外端口固定在所述盘簧盒(13)的内壁上。

7.如权利要求5所述的位移传感器，其特征在于所述线轴(5)上安装有绳(9)，绳(9)一端固定在所述线轴(5)上，另一端通过所述中间壳体(14)的一开口与一绳头组件(11)连接；所述绳头组件(11)与该开口相对一侧安装有一减震垫。

8.如权利要求1所述的位移传感器，其特征在于所述线轴(5)的中心孔通过紧定螺钉与所述多圈电位器(1)的伸出轴连接；所述从动齿轮安装在所述旋转编码器(2)的伸出轴上。

9.如权利要求1所述的位移传感器，其特征在于所述数据处理模块根据所述测温元件检测的环境温度T计算位移传感器的测量值L＝(PT+q)U+(ST+v)；其中，P为K值温漂系数，K为标度因数，q为K值温漂零位系数，U为位移传感器输出电压，S为b值温漂系数，b为零位，v为b值温漂零位系数。