CN104534974A - 一种大量程电感调频式位移测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大量程电感调频式位移测量装置及方法，该装置包括壳体、螺旋线圈、测杆、管体以及数据处理模块；螺旋线圈套装在管体后段；数据处理模块设置在壳体上；测杆前端部分由n段磁芯对接而成，能伸入到所述管体中，第i段磁芯的磁导率为第i+1段磁芯磁导率的1.5～2倍，i、n为整数且n≥2，i＝n-1；每段磁芯长度均小于螺旋线圈长度，使单节磁芯两端在螺旋线圈长度范围内伸缩；管体和测杆的长度均大于螺纹线圈的长度。本发明使用既有工艺成熟稳定的金属螺旋线圈，通过多段式测杆接续测量的方式，在保障精度的同时能增大量程，成本低且易于实施，可广泛应用于土木工程、地质灾害和工业等领域的大量程位移变形监测。

Description

一种大量程电感调频式位移测量装置及方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种大量程电感调频式位移测量装置及方法。

背景技术

电感调频式位移传感器是一种由电感式敏感元件、集成电路与谐振电容一起构成LC振荡电路，输出频率信号。当磁芯在线圈中位移时，改变磁路磁阻和线圈电感，因而就改变了振荡电路的输出信号频率。磁芯进入螺旋线圈时，磁阻减少，电感增加，频率下降，反之则反。只要磁芯材料、螺旋线圈结构工艺、电容及电路选配得当，则铁芯在线圈内移动的一定范围，其输出信号频率的变化，恰与移动距离呈良好的线性关系。基于上述原理国内外相关厂家开发了一系列电感调频式位移传感器，在铁路、公路、地铁、桥梁、隧道、矿井、建筑、水利水坝等土木工程领域得到广泛应用。但现有电感调频式位移传感器存在如下缺点：

现有电感调频式位移传感器加大量程的方法是通过增加金属螺旋线圈长度的方法来实现。且受线圈绕线工艺的限制，难以按传感器测量精度要求的加工生产，另外金属螺旋线圈增长后，必然增大了生产成本，因此局限了采用电感调频式原理的位移传感器量程不能太大。

目前，电感调频式位移传感器已广泛应用于土木工程、地质灾害和工业等领域，但现有的电感调频式位移传感器测量量程有限，最大量程一般不超过500mm。对于高填方工程、采空区和塌陷沉降、滑坡位移等具有较大位移变形测量要求的情况，现有电感调频式位移传感器的量程难以满足工程监测需求。如通过多支串联的方法来增大量程，不但增加了现场安装、埋设和测试难度，还会增加成本。

经检索，公开号为203587040U的一种防水顶针式位移传感器，采用可以自由伸缩的加长测杆，实现了传感器的另一种安装固定方式，该专利未对电感调频式位移传感器测杆部分和螺旋线圈部分进行改进，且没有解决传感器量程较小的技术问题。

因此，有必要设计一种大量程电感调频式位移测量装置及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大量程电感调频式位移测量装置及方法，该大量程电感调频式位移测量装置及方法通过多段式测杆和延长的管体在保障精度的同时能实现量程的增大，易于实施。

本发明的技术方案如下：

一种大量程电感调频式位移测量装置，包括壳体(111)、螺旋线圈(112)、测杆、管体以及数据处理模块；螺旋线圈和管体均位于壳体内，且螺旋线圈套装在管体上；数据处理模块设置在壳体上；测杆能伸入到所述的管体中；

管体和测杆的长度均大于螺纹线圈的长度，螺旋线圈套装在管体的后段；管体的前段为未套装螺旋线圈的区段；

测杆上的前端部由n段磁芯对接而成；n为整数，且n≥2；且第i段磁芯的磁导率(单位是亨利每米(H/m))为第i+1段磁芯的磁导率的k倍；i＝1，2，…，n-1；k为磁导率倍率，取值为1.5到2倍之间；

每段磁芯的长度均小于螺旋线圈长度，确保单节磁芯在伸缩过程中不会两端都伸出螺旋线圈。

管体由前段加长管(102)和后段绕线管(110)两段对接组成，管体的长度不小于测杆的长度，后段绕线管上套装螺旋线圈，且固定封装在壳体内。管体由两段对接的好处是：后段绕线管可以批量精密加工生产，前段管体长度可以根据量程需求确定长度，成本很低，直接通过焊接或螺纹对接的方式与后段绕线管对接；组合后管体是一个根整管。管体也可以是整体上一根，即不是由两段对接而成。

壳体为圆筒形，壳体的前端设有静锚固头(101)；测杆的后端设有活动锚固头(116)。

螺旋线圈的两端与壳体之间均设有主堵头(103)；数据处理模块设置在方形外壳中；方形外壳的一端设有数据处理模块堵头(108)；数据处理模块电缆线从该数据处理模块堵头处引出。

所述的主堵头处设有O型密封圈(113)；壳体和方形外壳内部灌胶密封。

数据处理模块包括微处理器(105)、串行存储芯片(106)和温度传感器(107)；所述的温度传感器和串行存储芯片均与微处理器相连。

n＝2；测杆上的前端部由第一磁芯(114)和第二磁芯(115)对接而成，第一磁芯的磁性强度为第二磁芯的磁性强度的2倍；单段磁芯长度小于螺旋线圈长度20mm。

一种大量程电感调频式位移测量方法，在壳体内设置螺旋线圈和管体，管体总长和测杆总长均大于螺旋线圈的长度，单节磁芯长度小于螺旋线圈的长度。螺旋线圈套装在管体的后段；管体的前段为未套装螺旋线圈的区段；

测杆上的前端部由n段磁芯对接而成；n为整数，且n≥2；且第i段磁芯的磁性强度大于第i+1段磁芯的磁性强度；i＝1，2，…，n-1；

测杆能伸入到所述的管体中并能从螺纹线圈穿出以扩展测杆的有效行程；

测杆在管体中位移造成螺纹线圈的电感值变化，从而引起振荡电路的输出信号的频率变化，频率值与位移值存在一一对应的关系，由此数据处理模块通过振荡电路的输出信号频率以确定测杆在管体中的位置。

测杆长度大于螺旋线圈长度，使用既有成熟技术长度的螺旋线圈，来实现量程的增加，不改变电感调频式位移测量装置的精度，又大大节约成本。

数据处理模块中还集成温度传感器，通过温度测量完成测量值的温度补偿。

n＝2；测杆上的前端部由第一磁芯(114)和第二磁芯(115)对接而成，第一磁芯的磁性强度为第二磁芯的磁性强度的2倍；

并采取多项防水措施：

螺旋线圈的两端与壳体之间均设有主堵头(103)；数据处理模块设置在方形外壳中；方形外壳的一端设有数据处理模块堵头(110)；数据处理模块电缆线从该数据处理模块堵头处引出；

所述的主堵头处设有O型密封圈(113)；壳体和方形外壳内部灌胶密封；单段磁芯长度小于螺旋线圈长度20mm。

有益效果：

本发明的大量程电感调频式位移测量装置中，当若干段不同磁性的磁芯进入并穿过螺旋线圈时，线圈电感量不同，频率亦不同，反之则反。其输出频率的变化，恰与分段移动距离呈线性关系，而且处理电路可以对线性关系进行标定记录和线性插值换算，本发明具有以下突出的技术效果：

(1)量程显著增大。

本发明通过多段磁芯式测杆和延长的管体(即管体的长度大于螺旋线圈的长度)在保障精度的同时能实现量程的增大，构思巧妙。由于多段磁芯通过螺旋线圈时，位移与频率保持了单调线性关系。

(2)结构简单，易于实施。

与现有的电感调频式位移测量装置相比，本发明的大量程电感调频式位移测量装置的管体采用两段对接，其优点是：后段绕线管可采用现有成熟的工艺精密加工批量生产，前段管体长度可以根据量程需求确定，直接通过焊接或螺纹对接的方式与后段绕线管对接组合后形成一整体结构，从而可在一定程度上降低前段管体加工难度和精度要求，且降低生产成本，提高组装效率。

(3)易于扩展，能显著增加测量量程。

本发明一般测杆采用两段或三段磁芯对接，利用既有稳定成熟的螺旋线圈成熟工艺，既可满足传感器量程在500mm以上，精度也可以达到螺旋线圈长度的±0.1％F.S级别。通过加大磁芯的对接数量，还可进一步增加量程。

(4)防水性能好。

本发明的防水结构由堵头，密封圈等部件组成，并采用灌胶密封工艺，在主堵头处设有O型密封圈；壳体和方形外壳内部灌胶密封，使得这种电感调频式位移传感器具备IP68等级耐水压性能。

综上所述，本发明在原有金属螺旋线圈成熟工艺技术下，延长磁芯运动空间和分段加长不同磁性磁芯，数据线从侧边引出，其测量量程大幅提高，测量精度达到毫米级别，可保证长期稳定性，且该传感器具有良好的防水性能。在高填方地基处理、软土地基、地表塌陷、港口堤防等大量程沉降变形测量方面以及土土工程领域具有较好的应用前景。

本发明的大量程电感调频式位移测量装置，使用既有工艺成熟稳定的金属螺旋线圈，通过多段式测杆接续测量的方式，在保障精度的同时能增大量程，成本低且易于实施，克服了单纯靠增加金属螺旋线圈长度来实现量程增加的技术缺陷，可广泛应用于土木工程、地质灾害和工业等领域的大量程位移变形监测。

附图说明

图1为大量程电感调频式位移测量装置的总体结构示意图。

图2为大量程电感调频式位移测量装置的螺旋线圈段的结构示意图。

图3为2段式测杆通过螺旋线圈的示意图。

图4为2段式测杆通过螺旋线圈的过程中频率与位移曲线；

图5为电感调频式位移测量装置的内部电路原理框图。

标号说明：101-静锚固头；102-前段加长管；103-主堵头，104-长方形外壳，105-微处理器，106-串行存储芯片，107-温度传感器，108-数据处理模块堵头，109-电缆线，110-后段绕线管，111-壳体；112-螺旋线圈，113-O型密封圈，，114-第一磁芯，115-第二磁芯；116-活动锚固头。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：如图1-5，一种大量程位移传感器，一种大量程电感调频式位移测量装置，包括壳体111、螺旋线圈112、测杆、管体以及数据处理模块；螺旋线圈和管体均位于壳体内，且螺旋线圈套装在管体上；数据处理模块设置在壳体上；测杆能伸入到所述的管体中；

管体和测杆的长度均大于螺纹线圈的长度，螺旋线圈套装在管体的后段；管体的前段为未套装螺旋线圈的区段；

测杆上的前端部由2段磁芯对接而成；且第1段磁芯的磁导率(单位是亨利每米(H/m))为第2段磁芯的磁导率的2倍；

每段磁芯的长度均小于螺旋线圈长度，确保单节磁芯在伸缩过程中不会两端都伸出螺旋线圈。

管体由前段加长管102和后段绕线管110两段对接组成，管体的长度不小于测杆的长度，后段绕线管上套装螺旋线圈，且固定封装在壳体内。管体由两段对接的好处是：后段绕线管可以批量精密加工生产，前段管体长度可以根据量程需求确定长度，成本很低，直接通过焊接或螺纹对接的方式与后段绕线管对接；组合后管体是一个根整管。管体也可以是整体上一根，即不是由两端对接而成。

壳体为圆筒形，壳体的前端设有静锚固头101；测杆的后端设有活动锚固头116。

螺旋线圈的两端与壳体之间均设有主堵头103；数据处理模块设置在方形外壳中；方形外壳的一端设有数据处理模块堵头108；数据处理模块电缆线从该数据处理模块堵头处引出。

所述的主堵头处设有O型密封圈113；壳体和方形外壳内部灌胶密封。

数据处理模块包括微处理器105、串行存储芯片106和温度传感器107；所述的温度传感器和串行存储芯片均与微处理器相连。

单段磁芯长度小于螺旋线圈长度20mm。

管体的前段和后段通过螺纹连接；管体的前段的前端与静锚固头101螺纹相通，螺旋线圈的2根线芯一端靠近管体前端与后段的连接处，所述微处理器与螺旋线圈的2根线芯电性连接，且安装在方形外壳104的内部，第一磁芯和第二磁芯依次对接，且轴线重合，第二磁芯与活动锚固头螺纹连接。第二磁芯磁性强度设定为1，第一磁芯磁性为第一磁芯磁性强度的2倍。更多磁芯则再加倍。(国家行业标准(等同IEC61332：1995))；且磁芯磁性为永久性磁性。管体以及方形外壳的材质为不锈钢。

第一磁芯和第二磁芯可以在管体内自由滑动。所述螺旋线圈为铜线圈，且其2根铜芯从管体穿过进入方形外壳内部。

主堵头为机械防水堵头。

主堵头与管体螺纹连接时，之间还装有O型密封圈。

所述数据处理模块堵头为机械防水堵头。

所述数据处理模块堵头位于长方形壳体出电缆线处。

所述数据处理模块堵头连接方形外壳之间还装有O型密封圈，并且对方形外壳内部灌胶密封，以达到良好防水效果。

所述温度传感器采用唯一编号的半导体温度传感器，所述微处理器封装在方形外壳的内部。

电缆线为专业水工电缆线，方形外壳出线处有数据处理模块堵头与方形外壳螺纹连接，之间还装有O型密封圈。

静锚固头与管体螺纹连接，固定在不动点。

另外，测杆还可以由三段或更多段磁性对接而成，并且管体可根据第三磁芯的添加而相应加长。

处理电路包括放大器、微数据处理器、串行存储芯片、通讯接口电路，对来自螺旋线圈的交流频率信号进行放大滤波，输出放大的频率信号；微数据处理器对放大的频率信号进行逻辑与数值运算，并根据温度传感器的输出温度进行补偿，输出待测信号的物理量；温度传感器与微数据处理器相连接；电可写只读串行存储芯片与微数据处理器相连，按照微数据处理器的指令，储存或调出数据信号；通讯接口电路与微数据处理器的串行接口相连，按照来自微数据处理器的指令，向外部发送数据或接受指令，具体测量过程为现有成熟技术，所不同的是，增加磁芯后，频率与位移的线性关系曲线与现有的一个磁芯的频率与位移的线性关系曲线有所不同，该曲线可以在测量前进行校正，与曲线对应的相关数据作为标定数据存储在传感器中用于微处理器运算。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大量程电感调频式位移测量装置，包括壳体(111)、螺旋线圈(112)、测杆、管体以及数据处理模块；螺旋线圈和管体均位于壳体内，且螺旋线圈套装在管体上；数据处理模块设置在壳体上；测杆能伸入到所述的管体中；其特征在于：

管体和测杆的长度均大于螺纹线圈的长度，螺旋线圈套装在管体的后段；管体的前段为未套装螺旋线圈的区段；

测杆上的前端部由n段磁芯对接而成；n为整数，且n≥2；且第i段磁芯的磁导率为第i+1段磁芯的磁导率的k倍；i＝1，2，…，n-1；k为磁导率倍率，取值为1.5到2倍之间；

每段磁芯的长度均小于螺旋线圈长度。

2.根据权利要求1所述的大量程电感调频式位移测量装置，其特征在于，管体由前段加长管(102)和后段绕线管(110)两段对接组成，管体的长度不小于测杆的长度，后段绕线管上套装螺旋线圈，且固定封装在壳体内。

3.根据权利要求1所述的大量程电感调频式位移测量装置，其特征在于，壳体为圆筒形，壳体的前端设有静锚固头(101)；测杆的后端设有活动锚固头(116)。

4.根据权利要求1所述的大量程电感调频式位移测量装置，其特征在于，螺旋线圈的两端与壳体之间均设有主堵头(103)；数据处理模块设置在方形外壳中；方形外壳的一端设有数据处理模块堵头(108)；数据处理模块电缆线从该数据处理模块堵头处引出。

5.根据权利要求4所述的大量程电感调频式位移测量装置，其特征在于，所述的主堵头处设有0型密封圈(113)；壳体和方形外壳内部灌胶密封。

6.根据权利要求1所述的大量程电感调频式位移测量装置，其特征在于，数据处理模块包括微处理器(105)、串行存储芯片(106)和温度传感器(107)；所述的温度传感器和串行存储芯片均与微处理器相连。

7.根据权利要求1-6任一项所述的大量程电感调频式位移测量装置，其特征在于，n＝2；测杆上的前端部由第一磁芯(114)和第二磁芯(115)对接而成，第一磁芯的磁性强度为第二磁芯的磁性强度的2倍；单段磁芯长度小于螺旋线圈长度20mm。

8.一种大量程电感调频式位移测量方法，其特征在于，在壳体内设置螺旋线圈和管体，管体总长和测杆总长均大于螺旋线圈的长度，单节磁芯长度小于螺旋线圈的长度。螺旋线圈套装在管体的后段；管体的前段为未套装螺旋线圈的区段；

测杆上的前端部由n段磁芯对接而成；n为整数，且n≥2；且第i段磁芯的磁性强度大于第i+1段磁芯的磁性强度；i＝1，2，…，n-1；

测杆能伸入到所述的管体中并能从螺纹线圈穿出以扩展测杆的有效行程；

测杆在管体中位移造成螺纹线圈的电感值变化，从而引起振荡电路的输出信号的频率变化，频率值与位移值存在一一对应的关系，由此数据处理模块通过振荡电路的输出信号频率以确定测杆在管体中的位置。

9.根据权利要求8所述的大量程电感调频式位移测量方法，其特征在于，数据处理模块中还集成温度传感器，通过温度测量完成测量值的温度补偿。

10.根据权利要求8或9所述的大量程电感调频式位移测量方法，其特征在于，n＝2；测杆上的前端部由第一磁芯(114)和第二磁芯(115)对接而成，第一磁芯的磁性强度为第二磁芯的磁性强度的2倍；

并采取多项防水措施：

螺旋线圈的两端与壳体之间均设有主堵头(103)；数据处理模块设置在方形外壳中；方形外壳的一端设有数据处理模块堵头(110)；数据处理模块电缆线从该数据处理模块堵头处引出；

所述的主堵头处设有O型密封圈(113)；壳体和方形外壳内部灌胶密封；单段磁芯长度小于螺旋线圈长度20mm。