CN104697428B - 基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，包括分别固定于具有相对位移功能的第一结构和第二结构上的静磁栅源和静磁栅尺，所述静磁栅源和静磁栅尺相对设置，所述静磁栅源设有永磁体，所述静磁栅尺上设有多个与永磁体相感应的磁感应元件、且磁感应元件和永磁体之间隔有一段距离，所述静磁栅尺与计算机相连。本发明具有安装方便、高精度、高稳定性、高可靠性、使用寿命长、结构精巧、环境适应性强、隔离防爆的特点，可以广泛应用于直线位移检测领域。

Description

基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置

技术领域

本发明涉及直线位移检测领域，特别是涉及一种基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置。

背景技术

应用领域

机械制造应用简介

直线位移传感器在机械制造行业广泛应用于测量产品尺寸和机械运动位移，正是有了这些位移传感器，才能够对被测的长度与位置信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制才能实现。

石油应用简介

石油化工行业，不仅应用了大量的流量、压力、温度等传感器，也应用了大量的直线位移传感器。直线位移传感器能测量机械位移，液压油缸活塞与汽缸活塞的位置，还能测量化工容器、油罐液位。

交通应用简介

应用高精度的直线位移传感器，为轧制钢轨提供自动化量测器具。在轨道列车运行的过程中，应用直线位移传感器可以精确定位列车的停靠点。船舶上的船用锅炉水位检测、燃油油位检测、舱底污水检测、以及特殊船舶如散装化学品运输船的液舱液位遥测与溢流控制、油船的油位检测与溢流控制等均需应用位移传感器。在航空工业，也应用了多种位移传感器，如飞机燃油油位测量，机翼角度与位置测量，起落架位置测量等。

水利水电应用简介

水利水电行业闸门用以调节流量，控制上、下游水位、泄放洪水、排除泥沙或漂浮物等。闸门开度大小是闸门自动控制的关键数据之一，闸门开度的大小将直接影响水资源的调配与计量，其闸门行程由直线位移传感器测量得到，测量方式有测量油缸行程转换为闸门行程的间接测量方式和直接测量闸门行程等。位移传感器安装形式有油缸内置式、油缸外置式、闸门门沿布置方式和支臂间接测量安装方式等。

目前高精度直线位移检测领域各种技术产品与安装方法

(1)光栅尺位移传感器及安装结构

光栅尺位移传感器经常应用于机床与现代加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的测量。其输出测量信号为数字脉冲。在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀轨迹，以完成按设计图样自动精确加工目标工件的目的，常用于数控铣床、数控车床和CNC数控加工中心。

光栅尺由标尺光栅与光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在活动部件上，光栅读数头安装在固定部件上，指示光栅配装在光栅读数头中。光栅尺位移传感器用于铣床上安装结构参见图1、图2和图3，其中，图1是铣床正视图，图2是铣床侧视图，图3是光栅安装在工作台的局部放大图。铣床工作台在x、y、z轴方向都可移动，故在x、y、z轴方向上都装有位移检测光栅尺。标尺光栅4(三轴方向各有一标尺)固定在工作台5或移动导轨上，光栅读数头3固定在相对标尺光栅不可移动的导轨支座2上。以工作台5在x轴上移动为例，工作台5在导轨支座2上方，通过丝杆运动，使得标尺光栅4与光栅读数头3也相对移动，从而光栅读数头3解析得到工作台5的位移量，该位移量在光栅控制仪表8上显示并参与工作台5在x轴上位移控制。同样y轴和z轴的位移量也是分别通过在y轴和z轴方向的光栅尺解析得到。以得到的位移量作为控制基础就能自动调配合理切削量以加工出高精度的零件。

(2)超声波、雷达液位传感器及安装结构

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。雷达液位传感器与超声波传感器的工作原理极其相似。超声波、雷达液位传感器常用于各种常压储罐，小型储罐和小型容器，泵提升站，废水储槽等。

以常压油储罐为例，用超声波、雷达液位传感器来探测油位的高低，图4是大型储罐的主视图，超声波、雷达液位传感器13安装于大型储罐11的顶部，探测器垂直于储罐底部安装。将超声波、雷达液位传感器输出信号接入显示仪表，就可以准确知道油位的高低。

(3)磁致伸缩传感器及安装结构

磁致伸缩位移传感器的电子室和波导管相对固定，被测部件带动套装在波导管上的磁环移动，测量过程是由传感器的电子室内产生超声波脉冲，该超声波脉冲在波导管内按固定速度传输，当该脉冲波束与磁场相交时，波导管产生局部磁致伸缩效应，一束应变机械波脉冲信号回传电子室，由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定磁环与电子室的距离。磁致伸缩位移传感器应用于液压油缸、汽缸、闸门、工程机械、液位等位移测量。

图5为磁致伸缩位移传感器内置安装液压油缸结构图，磁致伸缩位移传感器分为感应尺16与环形磁钢15组成。感应尺16密封安装在油缸缸体14内部，环形磁钢15安装在油缸活塞上，环形磁钢15套装于感应尺16上。当油缸活塞17运动时，会带动环形磁钢15运动，环形磁钢15与感应尺16相对运动，通过磁致伸缩感应原理，就会解析出油缸活塞17的运动位移。

高精度直线位移传感器目前应用比较多的就是以上三种，并还有其它如电感式高精度位移传感器、电容式高精度位移传感器、电阻式高精度位移传感器、激光高精度位移传感器、LVDT差动变压器式位移传感器等。电阻式位移传感器是触点式位移传感器，容易造成机械磨损，机械寿命短，不适合长时间的使用。电感式、电容式和LVDT差动变压器式传感器是无触点式传感器，无机械磨损，但测量大范围时精度不高，只适合小范围的测量，不适用于大范围的高精度测量，并且对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高，不适用于高频动态测量。

而如前所述的光栅、磁栅位移传感器虽然可以测量大范围的高精度的直线位移，但是对环境的使用要求比较高，不能用在有水蒸气和有水浸泡的环境，不能剧烈震动，不能用在腐蚀强烈的地方。另外，光栅、磁栅位移传感器运用非绝对式编码检测原理，掉电后移位数据无法保存，会造成数据误差，使用环境受限。超声波、雷达位移传感器大量用于液位测量，超声波测量有盲区，盲区大概0.5米，在测量大范围时，分辨率在毫米级，不能测量高精度微米级的液位。磁致伸缩位移(液位)传感器也是运用时间精确计数的方法测量高精度的位移，在测量长量程的位移时，由于量程越长会造成整体的线性误差越大，只适合用于三米以下的量程，而三米以上的量程会由于误差过大造成测量精度下降。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，具有安装方便、高精度、高稳定性、高可靠性、使用寿命长、结构精巧、环境适应性强、隔离防爆的特点。

本发明提供的一种基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，包括分别固定于具有相对位移功能的第一结构和第二结构上的静磁栅源和静磁栅尺，所述静磁栅源和静磁栅尺相对设置，所述静磁栅源设有永磁体，所述静磁栅尺上设有多个与永磁体相感应的磁感应元件、且磁感应元件和永磁体之间隔有一段距离，所述静磁栅尺与计算机相连。

在上述技术方案中，所述装置采用差分算法原理进行测量物体相对某一基准位移量的计算，具体公式如下：S＝((a₁+…+a_n1)/n1+(b₁+…+b_n2)/n2+(c₁+…+c_n3)/n3+(d₁+…+d_n4)/n4+…+(k₁+…+k_nk)/nk)/k*L，其中，S为不同状态下基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置的位移数据，k为静磁栅源中永磁体的数量，n1、n2…nk分别为每个永磁体感应对应的静磁栅尺上的磁感应元件的数量，a₁、a₂…a_n1分别表示永磁体一感应对应的各个磁感应元件，b₁、b₂…b_n2分别表示永磁体二感应对应的各个磁感应元件，c₁、c₂…c_n3分别表示永磁体三感应对应的各个磁感应元件，d₁、d₂…d_n4分别表示永磁体四感应对应的各个磁感应元件，…，k₁、k₂…k_nk分别表示第K个永磁体感应对应的各个磁感应元件，L为各个磁感应元件之间的距离。

在上述技术方案中，k为大于1的自然数。

在上述技术方案中，所述装置采用差分算法原理进行测量物体相对某一基准位移量的计算，具体公式如下：S＝((a₁+…+a_n1)/n1+(b₁+…+b_n2)/n2+(c₁+…+c_n3)/n3)/3*L，其中，S为不同状态下基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置的位移数据，k＝3表明静磁栅源中永磁体的数量为3，n1、n2、n3分别为每个永磁体感应对应的静磁栅尺上的磁感应元件的数量，a₁、a₂…a_n1分别表示永磁体一感应对应的各个磁感应元件，b₁、b₂…b_n2分别表示永磁体二感应对应的各个磁感应元件，c₁、c₂…c_n3分别表示永磁体三感应对应的各个磁感应元件，L为各个磁感应元件之间的距离。

在上述技术方案中，所述第一结构和第二结构分别是移动的工作平台和固定的导轨座。

在上述技术方案中，所述第二结构面和第一结构面分别是方管和设于方管顶部的方管导槽，所述静磁栅尺设于方管内，所述静磁栅源设于方管导槽内、并与静磁栅尺滑动相连。

在上述技术方案中，所述静磁栅尺为一段圆柱，所述磁感应元件封装于圆柱型的静磁栅尺内，所述静磁栅源和永磁体均为由外向内同轴设置的圆环，所述圆环型的静磁栅源和永磁体套设于静磁栅尺上。

在上述技术方案中，所述永磁体的长度大于磁感应元件之间的距离L。

在上述技术方案中，所述静磁栅尺中的多个磁感应元件作为并行输出单元与计算机采集端相连。

在上述技术方案中，每八个磁感应元件作为一个并行输出单元，所述静磁栅尺通过总线与计算机相连。

本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，具有以下有益效果：本发明是基于磁感应传感器作出的发明创造，具有安装方便、高精度、高稳定性、高可靠性、使用寿命长、结构精巧、环境适应性强、隔离防爆等特点，测量范围可以从几十毫米到几十米，适应极恶劣的工业环境，包括水下探测、化工原料生产、工业及城市污水治理、工业原油生产、机械制造等领域。本发明克服了现有技术中长量程测量产品因量程越大线性误差越大这一缺点，在其可测的量程范围内其线性误差不会随测量量程增大而增大，始终保持在精度要求之内，精度等级在微米级，适用于多种领域的直线位移测量，使用范围广。

附图说明

图1为安装了现有的光栅尺位移传感器的铣床结构正视图；

图2为安装了现有的光栅尺位移传感器的铣床结构右视图；

图3为图1中现有的光栅尺位移传感器及安装部件的局部放大图；

图4为安装了现有的超声波、雷达液位传感器的大型储罐结构示意图；

图5为安装了现有的磁致伸缩传感器的液压油缸的结构示意图；

图6为应用了本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置的铣床局部结构放大示意图；

图7为应用了本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置的大型储罐的结构示意图；

图8为应用了本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置的油缸的结构示意图；

图9为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置的结构示意图；

图10为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置的差分算法原理实例状态一的结构示意图；

图11为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置的差分算法原理实例状态二的结构示意图；

图12为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置的差分算法原理实例状态三的结构示意图；

图13为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置中采用单个永磁体的静磁栅源位移解析过程中状态一的结构示意图；

图14为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置中采用单个永磁体的静磁栅源位移解析过程中状态二的结构示意图；

图15为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置中采用多个永磁体的静磁栅源位移解析过程中状态一的结构示意图；

图16为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置中采用多个永磁体的静磁栅源位移解析过程中状态二的结构示意图；

图17为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置采用第一种外观形式的结构主视图；

图18为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置采用第一种外观形式的结构左视图；

图19为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置采用第二种外观形式的结构主视图；

图20为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置采用第二种外观形式的结构左视图；

图21为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置中永磁体长度与相邻磁感应元件之间距离相等时位移解释过程中状态一的结构示意图；

图22为本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置中永磁体长度与相邻磁感应元件之间距离相等时位移解释过程中状态二的结构示意图。

1-机床机架，2-导轨支座，3-光栅读头，4-标尺光栅，5-工作台，6-铣床导轨，7-铣床立柱，8-光栅控制仪表，9-出油阀门，10-液体，11-大型储罐，12-入油阀门，13-超声波传感器，14-油缸缸体，15-环形磁钢，16-感应尺，17-油缸活塞，18-静磁栅源，19-静磁栅尺，20-磁感应元件，21-永磁体，22-方管，23-方管导槽。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

如图1至图5所示的现有直线位移检测装置在背景技术中已有描述，在此不再赘述。

参见图6至图9，本发明基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，包括分别固定于具有相对位移功能的第一结构和第二结构上的静磁栅源18和静磁栅尺19，所述静磁栅源18和静磁栅尺19相对设置，所述静磁栅源18设有永磁体21，所述静磁栅尺19上设有多个与永磁体21相感应的磁感应元件20、且磁感应元件20和永磁体21之间隔有一段距离，所述静磁栅尺19通过总线与计算机(图中未示出)相连。

参见图10至图12，所述装置采用差分算法原理进行测量物体相对某一基准位移量的计算，具体公式如下：

S＝((a₁+…+a_n1)/n1+(b₁+…+b_n2)/n2+(c₁+…+c_n3)/n3+(d₁+…+d_n4)/n4+…+(k₁+…+k_nk)/nk)/k*L，其中，S为不同状态下基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置的位移数据，k为静磁栅源18中永磁体21的数量，n1、n2…nk分别为每个永磁体21感应对应的静磁栅尺19上的磁感应元件20的数量，a₁、a₂…a_n1分别表示永磁体21一感应对应的各个磁感应元件20，b₁、b₂…b_n2分别表示永磁体21二感应对应的各个磁感应元件20，c₁、c₂…c_n3分别表示永磁体21三感应对应的各个磁感应元件20，d₁、d₂…d_n4分别表示永磁体21四感应对应的各个磁感应元件20，…，k₁、k₂…k_nk分别表示第K个永磁体21感应对应的各个磁感应元件20，L为各个磁感应元件20之间的距离。

参见图13至图16，在本实施例中，k为大于1的自然数。

最优实施例的具体公式如下：

S＝((a₁+…+a_n1)/n1+(b₁+…+b_n2)/n2+(c₁+…+c_n3)/n3)/3*L，其中，S为不同状态下基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置的位移数据，k＝3表明静磁栅源18中永磁体21的数量为3，n1、n2、n3分别为每个永磁体21感应对应的静磁栅尺19上的磁感应元件20的数量，a₁、a₂…a_n1分别表示永磁体21一感应对应的各个磁感应元件20，b₁、b₂…b_n2分别表示永磁体21二感应对应的各个磁感应元件20，c₁、c₂…c_n3分别表示永磁体21三感应对应的各个磁感应元件20，L为各个磁感应元件20之间的距离。

所述第一结构和第二结构分别是移动的工作平台5和固定的导轨座2。

参见图17至图18，所述第二结构面和第一结构面分别是方管22和设于方管22顶部的方管导槽23，所述静磁栅尺19设于方管22内，所述静磁栅源18设于方管导槽23内、并与静磁栅尺19滑动相连。

参见图19至图20，所述静磁栅尺19为一段圆柱，所述磁感应元件20封装于圆柱型的静磁栅尺19内，所述静磁栅源18和永磁体21均为由外向内同轴设置的圆环，所述圆环型的静磁栅源18和永磁体21套设于静磁栅尺19上。

所述永磁体21的长度大于磁感应元件20之间的距离L。

所述静磁栅尺19中的多个磁感应元件20作为并行输出单元与计算机采集端相连。

每八个磁感应元件20作为一个并行输出单元,。

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，基于磁感应传感器的运用，具有安装方便、高精度、高稳定性、高可靠性、使用寿命长、结构精巧、环境适应性强、隔离防爆等特点，测量范围可以从几十毫米到几十米，适应极恶劣的工业环境，包括水下探测、化工原料生产、工业及城市污水治理、工业原油生产、机械制造等领域。本发明克服了现有技术中长量程测量产品因量程越大线性误差越大这一缺点，在其可测的量程范围内其线性误差不会随测量量程增大而增大，始终保持在精度要求之内，精度等级在微米级，适用于多种领域的直线位移测量，使用范围广。

具体应用

通过介绍几个应用领域的事例，与前述的现有位移检测装置做比照，公开本发明应用于这几个事例上的技术方案与效果。

图6是本发明应用于机械制造领域中铣床工作平台位移测量的安装图，静磁栅源18安装于移动的工作台5上，静磁栅尺19安装于导轨座2上，工作台5带动静磁栅源18移动，静磁栅尺19解析位移直接输出到光栅控制仪表8，控制及调节铣床工作台5的移动。

图7是本发明应用于化工原料、油料罐储存的液位测量，静磁栅尺19(圆管形式)吊装于大型储罐11顶部，静磁栅源18(浮子)套装在静磁栅尺19外壳上，静磁栅源18漂浮在液体10表面，当大型储罐11内的液体10增加或减少时，静磁栅源18的高度也增加或者减小，静磁栅尺19解析出液位的高低。

图8是本发明应用于水利水电、机械等小型油缸位移行程的检测，静磁栅尺19和静磁栅源18安装油缸内部，静磁栅尺19固定安装在油缸缸体14上，静磁栅源18安装在油缸活塞17上，油缸活塞17移动时，静磁栅源18也跟着移动，静磁栅尺19就会解析得到油缸活塞17的位移，并将位移输出给控制系统。

本发明的工作原理与算法介绍如下：

本发明的测量原理是根据静磁栅尺19内的磁感应元件20感应活动的静磁栅源18内的永磁体21的绝对位置，并通过算法来解析被检测产品的实际位移值。磁感应元件20可以采用多种元件，有霍尔器件、磁敏薄膜、巨磁器件、庞磁器件等。

参见图9，静磁栅源18安装在静磁栅尺19的正上方，静磁栅源18与静磁栅尺19的间隙距离范围是0毫米至10毫米，静磁栅尺19内部有磁感应元件20，磁感应元件20等距离(L＝6mm)分布在静磁栅尺19内部，当永磁体21进入磁感应元件20的感测距离时，感应到磁场的磁感应元件20将采集到的数据转换为电压信号输送给处理器(图中未示出)，处理器记录下输送信号的磁感应元件20序列号(如N1，N2)，并通过差分算法得到静磁栅源18的精确位置。

由图9可见，前述的差分算法原理公式可简化为：S＝(N1+N2)/2*L，图中N1＝11，N2＝12，所以，S＝(11+12)/2*6＝69，单位是mm，故静磁栅源的位移是69mm。

静磁栅算法的原理参见图10、图11和图12，它们分别为静磁栅源18在磁感应元件20不同位置的三个状态，用这三个状态具体说明静磁栅差分算法的原理。

由图10可以看出，状态一中感应到磁场的磁感应元件20序列号为N1＝1，N2＝2，N3＝3，且N1，N2是由同一永磁体21感应，因此计算公式为S＝((N1+N2)/2+N3)/2*L，故S＝((1+2)/2+3)/2*6＝13.5，静磁栅源18的位移是13.5mm。

由图11可以看出，状态二中感应到磁场的磁感应元件20序列号为N1＝2，N2＝3，因此计算公式为S＝(N1+N2)/2*L，故S＝(2+3)/2*6＝15，静磁栅源18的位移是15mm。

由图12可以看出，状态三中感应到磁场的磁感应元件20序列号为N1＝2，N2＝3，N3＝4，且N2，N3是由同一永磁体感应，因此计算公式为S＝((N2+N3)/2+N1)/2*L，故S＝((3+4)/2+2)/2*6＝16.5，静磁栅源18的位移是16.5mm。

本发明在结构上的创新

静磁栅尺19是由多个磁感应元件20等距(L＝6mm)分布在电路板上并封装在带方管导槽23的铝合金方管22外壳内，静磁栅源18则由一个或多个等间距永磁体21与铝合金方块组成。为达到高精度的位移解析，本发明进行了以下两点的创新。

一、多组并行采集

在静磁栅尺19的电路部分，多个磁感应元件20作为并行输出单元(例如每单元包括八个磁感应元件20)将数据并行输入处理器的采集端，按并行输出单元采集将减少电路板上的采集线路及响应时间。多组并行采集就是多个永磁体21作用于磁感应元件20的正上方，同一永磁体21作用的磁感应元件20为一组，采集端将获得多组感应数据。永磁体21的多少将决定感应得到数据组的多少，同时也将决定静磁栅尺19解析位移的精度。根据本发明的差分算法原理，图13至图16说明一组和三组并行采集时，静磁栅尺19解析位移精度的不同。在前述算法原理的介绍中就是两组并行采集的例子，解析精度为1.5mm，这里将不再赘述。由图13至图14可见，用一组采集时，永磁体21作用磁感应元件20有两种状态，状态一两个磁感应元件20在作用区的序列号为1，2，根据算法原理S＝(1+2)/2*6＝9，位移为9mm。状态二为只有一个磁感应元件20在作用区，序列号为2，S＝2*6＝12,位移为12mm。这样以此类推下去静磁栅源18的位移分别为15mm、18mm、21mm……，因此一组采集的解析精度3mm。由图15至图16可见，三组采集时也分两种状态，状态一中磁感应元件20在作用区的序列号为1，2，3，4，5，且1和2一组，3一组，4和5一组，根据算法原理S＝((1+2)/2+3+(4+5)/2)/3*6＝18，静磁栅源18位移为18mm。由状态二磁感应元件20在作用区的序列号分别为2，3，4，5，且2单独一组，3单独一组，4和5共一组，根据算法原理S＝((2+3+(4+5)/2)/3*6＝19，静磁栅源18位移为19mm。这样以此类推下去位移为20、21、22mm……，因此三组采集的解析精度为1mm。

由此可见，在多组并行采集的方法中，组数越多解析位移的精度就会越高，这是本发明结构的第一个特点。

二、永磁体作用范围同感应元件之间间距非等大小排列

静磁栅尺19内的磁感应元件20之间是等距分布，静磁栅源18的多个永磁体21之间也是等距分布，但是永磁体21作用范围与磁感应元件20之间间距是非等大小排列的。在永磁体21数量相等的前提下，永磁体21作用范围同磁感应元件20之间间距非等大小排列也会影响静磁栅尺19解析位移精度。

以下为举例说明，在算法原理说明中永磁体21作用范围同磁感应元件20之间间距是非等大小排列的，永磁体21作用范围大于磁感应元件20之间的间距，其解析精度为1.5mm。图中永磁体21作用范围等于磁感应元件20之间的间距，由图21至图22可知，状态一中磁感应元件20在作用区的序列号分别为1和3，根据算法原理S＝(1+3)/2*6＝12，静磁栅源18位移为12mm。状态二中磁感应元件20在作用区的序列号分别为2和3，根据算法原理S＝(2+3)/2*6＝15,静磁栅源18位移为15mm。根据状态一和二类推下去的位移为18mm、21mm、24mm……，因此解析精度3mm。由此可见，在磁感应元件20之间间距相同的前提下，永磁体21作用范围如果大于磁感应元件20之间间距，解析精度更高。这也是本发明的另一特点。

采用多组并行采集和永磁体21作用范围同感应元件之间间距非等大小排列的结构特点，提高了本发明位移解析精度。

本发明其结构由一条静磁栅尺19和一个静磁栅源18组成，其外观形式可以包括以下两种：一、如图17至图18，静磁栅尺19的电气处理部分与磁感应元件20封装在带方管导槽23的铝合金方管22外壳内，铝合金方管22的长度与测量量程的相当，静磁栅源18由多组永磁体21与铝合金方块组成，永磁体21安装在铝合金方块内，静磁栅源18安装在铝合金方管导槽23内，如果静磁栅源18移动则静磁栅尺19就能解析位移；二、如图19至图20，电气处理部分与磁感应元件20封装不锈钢的圆管外壳内，不锈钢的圆管的长度与量程相当，静磁栅源18由多个环形永磁体21与不锈钢的圆管组成，永磁体21在不锈钢的圆管内，静磁栅源18套嵌于不锈钢的圆管上。根据不同的环境及技术要求，可选择不同形式的结构，不锈钢结构适应环境能力强。不同材料的外壳，适应的环境也不一样，铝合金材料用在中等或低污染的地方，不锈钢材料则用在高污染或者严重污染的地方。

本发明的主要特点

1、磁敏感元件采用非接触式测量，使用寿命长、高稳定性、可靠性高。

2、结构形式多样化，测量范围广，从几十毫米至几十米都可以胜任，安装与维修方便，装配形式多样，外观形式紧凑精巧。

3、外型材料多样化，不同的环境可选择不同的外型材料，适应环境能力强、耐腐蚀、耐高压、IP防护高、防水、防尘、防震。

4、密封性能好，可在浅水、深水、化工、油料等液体中使用，可以放置于承压的液体中、气体密闭容器中。

5、灵敏度高，重复性好，高线性度，响应速度快可达到毫秒级，精度高，输出精度可达到1mm，分辨率可达到0.5mm。

6、适应多种直流电源，电压从5V到40V均能适应。多种输出接口方式可供选择：RS485、RS422、SSI、CAN、Modbus、TCP/IP、模拟量4-20mA、模拟量1-10V等。即可方便用户接入PC机、PLC，也方便用户接入各类仪表。

7、抗干扰能力强，不受各种电磁干扰的影响。能防雷击及静电。

8、低温度漂移，具有较宽的工作温度范围-25℃～85℃，满足军标(-55℃～125℃)工作温度，且功耗低，供电电流小于30mA。

9、性价比高，无接触测量，绝对值输出，上电即得到绝对位置，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，无须重新归零。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，其特征在于：包括分别固定于具有相对位移功能的第一结构和第二结构上的静磁栅源(18)和静磁栅尺(19)，所述静磁栅源(18)和静磁栅尺(19)相对设置，所述静磁栅源(18)设有永磁体(21)，所述静磁栅尺(19)上设有多个与永磁体(21)相感应的磁感应元件(20)、且磁感应元件(20)和永磁体(21)之间隔有一段距离，所述静磁栅尺(19)与计算机相连，所述装置采用差分算法原理进行测量物体相对某一基准位移量的计算，具体公式如下：

S＝((a₁+…+a_n1)/n1+(b₁+…+b_n2)/n2+(c₁+…+c_n3)/n3+(d₁+…+d_n4)/n4+…+(k₁+…+k_nk)/nk)/k*L，其中，S为不同状态下基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置的位移数据，k为静磁栅源(18)中永磁体(21)的数量，n1、n2…nk分别为每个永磁体(21)感应对应的静磁栅尺(19)上的磁感应元件(20)的数量，a₁、a₂…a_n1分别表示永磁体一感应对应的各个磁感应元件(20)的序列号，b₁、b₂…b_n2分别表示永磁体二感应对应的各个磁感应元件(20)的序列号，c₁、c₂…c_n3分别表示永磁体三感应对应的各个磁感应元件(20)的序列号，d₁、d₂…d_n4分别表示永磁体四感应对应的各个磁感应元件(20)的序列号，k₁、k₂…k_nk分别表示第K个永磁体(21)感应对应的各个磁感应元件(20)的序列号，L为各个磁感应元件(20)之间的距离。

2.根据权利要求1所述的基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，其特征在于：k为大于1的自然数。

3.根据权利要求2所述的基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，其特征在于：所述装置采用差分算法原理进行测量物体相对某一基准位移量的计算，具体公式如下：

S＝((a₁+…+a_n1)/n1+(b₁+…+b_n2)/n2+(c₁+…+c_n3)/n3)/3*L，其中，S为不同状态下基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置的位移数据，k＝3表明静磁栅源(18)中永磁体(21)的数量为3，n1、n2、n3分别为每个永磁体(21)感应对应的静磁栅尺(19)上的磁感应元件(20)的数量，a₁、a₂…a_n1分别表示永磁体一感应对应的各个磁感应元件(20)的序列号，b₁、b₂…b_n2分别表示永磁体二感应对应的各个磁感应元件(20)的序列号，c₁、c₂…c_n3分别表示永磁体三感应对应的各个磁感应元件(20)的序列号，L为各个磁感应元件(20)之间的距离。

4.根据权利要求1所述的基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，其特征在于：所述第一结构和第二结构分别是移动的工作平台(5)和固定的导轨座(2)。

5.根据权利要求1所述的基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，其特征在于：所述第二结构和第一结构分别是方管(22)和设于方管(22)顶部的方管导槽(23)，所述静磁栅尺(19)设于方管(22)内，所述静磁栅源(18)设于方管导槽(23)内、并与静磁栅尺(19)滑动相连。

6.根据权利要求1所述的基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，其特征在于：所述静磁栅尺(19)为一段圆柱，所述磁感应元件(20)封装于圆柱型的静磁栅尺(19)内，所述静磁栅源(18)和永磁体(21)均为由外向内同轴设置的圆环，所述圆环型的静磁栅源(18)和永磁体(21)套设于静磁栅尺(19)上。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，其特征在于：所述永磁体(21)的长度大于磁感应元件(20)之间的距离L。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，其特征在于：所述静磁栅尺(19)中的多个磁感应元件(20)作为并行输出单元与计算机采集端相连。

9.根据权利要求8所述的基于磁感应传感器的高精度直线位移检测装置，其特征在于：每八个磁感应元件(20)作为一个并行输出单元，所述静磁栅尺(19)通过总线与计算机相连。