CN105547126A - 一种电涡流位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电涡流位移传感器，包括：探头，前置器，以及分别连接于所述探头和前置器的信号线缆(105)；其中，所述探头，包括：传感器壳体(101)，以及采用差分结构内置于所述传感器壳体(101)的测试线圈(100)和补偿线圈(103)；所述探头被配置为当待测金属检测面(300)发生位移变化时，差分输出所述测试线圈(100)和补偿线圈(103)的差分信号；所述前置器，被配置为对所述差分信号进行信号处理，并输出待测金属检测面(300)位移变化的检测结果。本发明的方案，可以克服现有技术中功能少、体积大和温度适应能力差等缺陷，实现功能多、体积小和温度适应能力好的有益效果。

Description

一种电涡流位移传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体地，涉及一种电涡流位移传感器，尤其涉及一种耐高温高压的电涡流位移传感器。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。电涡流位移传感器是一种非接触式传感器，其具有响应速度快、分辨率高、耐油污污染等特点，在位移测量、无损探伤、厚度测量等方面有着广泛应用，但是其极易受温度与压力的影响，在不同的温度与压力环境中，测试结果均会存在漂移，导致测试不准确，限制了电涡流传感器在温度与压力环境中的应用。

专利号为201010576092.X的专利文献，提供了一种微小型一体化电涡流传感器，如图1所示，其主要由壳体(例如：不锈钢壳体3)、探头组件1、印制板组件2、输出组件4等组成。其中，探头组件1和印制板组件2安装在壳体中，探头组件1、印制板组件2和壳体之间的缝隙用灌封胶5填充。探头组件1包括并联的谐振电路11和线圈12；印制板电路2包括依次串联的运算电路、线性校正电路24和输出电路25。运算电路包括与探头组件1串联的检波滤波器21、振荡器22，与检波滤波器21串联的放大器23。输出电路25通过输出电缆41和输出插头42连接。其探头组件只有一个感应线圈，无相应的温度补偿设计，无法应用在高温以及温度变化的场所，且其印制板组件内置到探头内部，造成探头体积较大，且印制板组件上的电子元器件亦会受到环境温度的影响，加剧了温漂效应。

现有技术中，存在功能少、体积大和温度适应能力差等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述缺陷，提出一种电涡流位移传感器，以提高在高温、高压环境中位移测试的准确性。

本发明一提供一种电涡流位移传感器，包括：探头，前置器，以及分别连接于所述探头和前置器的信号线缆；其中，所述探头，包括：传感器壳体，以及采用差分结构内置于所述传感器壳体的测试线圈和补偿线圈；所述探头被配置为当待测金属检测面发生位移变化时，差分输出所述测试线圈和补偿线圈的差分信号；所述前置器，被配置为对所述差分信号进行信号处理，并输出待测金属检测面位移变化的检测结果。

优选地，所述探头，还包括：内置于所述传感器壳体的测试线圈固定支架和补偿线圈固定支架；所述测试线圈固定安装于所述测试线圈固定支架，所述补偿线圈固定安装于所述补偿线圈固定支架。

优选地，所述探头，还包括：内置于所述传感器壳体的测试线圈磁芯和补偿线圈磁芯；所述测试线圈磁芯位于所述测试线圈的中心部位，所述补偿线圈磁芯位于所述补偿线圈的中心部位。

优选地，所述测试线圈和补偿线圈的线圈尺寸形状以及电参数相同或相近似，且所述测试线圈磁芯和补偿线圈磁芯的尺寸形状以及磁性相同或相近似；和/或，所述测试线圈靠近待测金属检测面设置，且所述补偿线圈位于所述测试线圈远离所述金属检测面的一侧。

优选地，所述探头，还包括：位于所述测试线圈和补偿线圈之间的隔磁板，所述隔磁板为与所述传感器壳体一体式设置的金属片。

优选地，在所述隔磁板上还设有信号线走线槽，所述信号线缆穿过所述信号线走线槽，与所述测试线圈和补偿线圈差分连接。

优选地，在所述传感器壳体内壁与所述测试线圈、补偿线圈、所述测试线圈固定支架和补偿线圈固定支架之间的空腔、以及所述信号线走线槽中，填充有灌封塑料。

优选地，在所述传感器壳体靠近所述信号线缆的一端，设有扳手卡面；和/或，在所述传感器壳体的外表面设有传感器固定螺纹；和/或，所述传感器壳体为金属壳体。

优选地，所述前置器，包括：连接于所述信号线缆的感应电感值数字转换器，以及连接于所述电感数字转换器的MCU或单片机。

优选地，所述感应电感值数字转换器，以及MCU或单片机，集成设置于一控制板。

本发明的方案，通过在探头中设置了两个线圈进行差分输出，且前置器外置到探头之外，可以消除温度对探头和前置器的影响。该传感器可以应用在高温、高压的环境中进行准确测试，且具有精度高、体积小、成本低、可靠性高等特点。

进一步，本发明的方案，在线圈中心填充磁芯，可以解决线圈内置于壳体之内而造成的测试量程减小的问题。

进一步，本发明的方案，将补偿线圈的金属补偿垫片(例如：隔磁板)设置在测试线圈与补偿线圈之间，消除了补偿线圈与测试线圈之间的磁场干扰。

进一步，本发明的方案，采用感应电感值数字转换器(例如：LDC1000芯片)配合单片机(或MCU)即可完成信号的处理与输出，缩小了前置器的尺寸与制作成本，且提高了前置器的可靠性。

由此，本发明的方案解决利用探头与前置器分体设置、且在探头中设置两个线圈进行差分输出，可以应用在高温、高压的环境中进行准确测试，提升测试效率、减小测试难度的问题，从而，克服现有技术中功能少、体积大和温度适应能力差的缺陷，实现功能多、体积小和温度适应能力好的有益效果。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术中微小型一体化电涡流传感器的结构示意图；

图2为本发明的电涡流位移传感器的一实施例的结构示意图；

图3为本发明的电涡流位移传感器的一实施例的信号处理流程图。

结合附图1，本发明实施例中附图标记如下：

1-探头组件；11-谐振电路；12-线圈；2-印制板组件；21-检波滤波器；22-振荡器；23-放大器；24-线性校准电路；25-输出电路；3-不锈钢壳体；4-输出组件；41-输出电缆；42-输出插头；5-灌封胶。

结合附图2，本发明实施例中附图标记如下：

100-测试线圈；101-传感器壳体；102-测试线圈固定支架；103-补偿线圈；104-补偿线圈固定支架；105-信号线缆；106-补偿线圈磁芯；107-灌封塑料；108-测试线圈磁芯；200-传感器固定螺纹；201-金属薄片；202-信号线走线槽；203-扳手卡面；300-金属被测面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种电涡流位移传感器。该电涡流位移传感器包括：探头，前置器，以及分别连接于探头和前置器的信号线缆105；其中，探头，包括：传感器壳体101，以及采用差分结构内置于传感器壳体101的测试线圈100和补偿线圈103；探头被配置为当待测金属检测面300发生位移变化时，差分输出测试线圈100和补偿线圈103的差分信号；前置器，被配置为对差分信号进行信号处理，并输出待测金属检测面300位移变化的检测结果。通过分体式设置的探头和前置器，且采用差分结构内置于探头中的测试线圈和补偿线圈，可以克服高温、高压环境中温度漂移对位移检测结果的影响，提高传感器对温度的适应能力，进而提高检测精准性，并扩大传感器的应用范围。

该电涡流位移传感器的输出信号V采用差分输出，即测试线圈100的输出信号V1与补偿线圈103的输出信号V2相减，即：V＝V1-V2。

当该传感器在某温度、压力的环境中，测试线圈100与补偿线圈103的输出信号均会产生漂移，因测试线圈100与补偿线圈103的形状尺寸以及电参数基本相同，故测试线圈100与补偿线圈103在该环境中产生的漂移量Vp亦基本相同，故该传感器在该环境下的输出信号V′为：V′＝V1+Vp-(V2+Vp)＝V1-V2＝V。

由此可知，该传感器在某温度、压力的环境中测试时，差动输出可以有效地规避温漂对该传感器测试的影响。

优选地，探头，还包括：内置于传感器壳体101的测试线圈固定支架102和补偿线圈固定支架104；测试线圈100固定安装于测试线圈固定支架102，补偿线圈103固定安装于补偿线圈固定支架104。通过设置固定支架，可以提高线圈安装的稳定性，进而有利于提高位移检测的精准性和可靠性。

优选地，探头，还包括：内置于传感器壳体101的测试线圈磁芯108和补偿线圈磁芯106；测试线圈磁芯108位于测试线圈100的中心部位，补偿线圈磁芯106位于补偿线圈103的中心部位。测试线圈100与补偿线圈103内置到传感器壳体101(优选为金属壳体)内部，当感应线圈(例如：测试线圈100与补偿线圈103)内置到金属壳体的内部时，金属壳体对线圈的磁场会产生影响，感应线圈内置到金属壳体内部会造成电涡流位移传感器量程较小。通过在测试线圈100与补偿线圈103的中心设置磁芯来集中线圈的磁通，可以提高传感器的量程，进而扩大传感器的应用范围。

优选地，测试线圈100和补偿线圈103的线圈尺寸形状以及电参数相同或相近似，且测试线圈磁芯108和补偿线圈磁芯106的尺寸形状以及磁性相同或相近似；和/或，测试线圈100靠近待测金属检测面设置，且补偿线圈103位于测试线圈100远离所述金属检测面的一侧。在探头中内置测试线圈100与补偿线圈103，其线圈尺寸形状以及电参数近似相同；且测试线圈100中心的测试线圈磁芯108与补偿线圈103中心的补偿线圈磁芯106的尺寸形状以及磁性亦近似相同。通过采用相同或相近的结构及参数的线圈及磁芯，有利于减小差分信号的误差，进而提高位移检测精度。

优选地，探头，还包括：位于测试线圈100和补偿线圈103之间的隔磁板，隔磁板为与传感器壳体101一体式设置的金属片。通过在传感器壳体101内部设置一个金属片(例如：金属薄片201)，如图2所示，其与传感器壳体101设计为一体，可以作为测试线圈100与补偿线圈103之间的隔磁板，同时还作为补偿线圈103的检测面，减小了传感器零件数量，同时规避了为防止线圈磁场的相互干扰而需不断加大线圈之间距离的问题，缩小了传感器体积。

其中，隔磁板作为补偿线圈103的检测面，在电涡流位移传感器的差分输出方式中可以起到温度补偿的基准作用；测试线圈100的检测面为待测金属面，其材质与补偿线圈103一致，同时也在测试线圈100的量程范围内。

优选地，在隔磁板上还设有信号线走线槽202，信号线缆105穿过信号线走线槽202，与测试线圈100和补偿线圈103差分连接。通过信号线走线槽，可以使信号线缆合理走线，进而减小走线对检测结果的影响。

优选地，在传感器壳体101内壁与测试线圈100、补偿线圈103、测试线圈固定支架102和补偿线圈固定支架104之间的空腔、以及信号线走线槽202中，填充有灌封塑料107。其中，信号线走线槽202中信号线的安置处，也填充满灌封塑料107。通过灌封塑料，可以有效规避高压环境引起该探头的受压变形，规避线圈受压形变，减小或规避压力环境对该传感器测试的影响。

优选地，在传感器壳体101靠近信号线缆105的一端，设有扳手卡面203；和/或，在传感器壳体101的外表面设有传感器固定螺纹200；和/或，传感器壳体101为金属壳体。通过扳手卡面，可以方便传感器的装配或检测时的挂靠；通过传感器固定螺纹，可以方便传感器于其他设备之间的固定安装；通过金属壳体，可以提高传感器壳体对内部元件的保护力度。

其中，扳手卡面203，便于使用扳手或使用其它的固定工装将传感器壳体101通过螺纹旋转固定于具有螺纹孔的其它设备之中，即便于电涡流位移传感器的装配。

例如：基于以上所述的电涡流位移传感器，所述探头的装配步骤包括：将所述测试线圈100和补偿线圈103配合安装于所述传感器壳体101内部后，对所述传感器壳体101内部的所有空腔进行整体灌封，得到所述探头。

具体地，所述探头的装配步骤可以包括：

⑴采用形变系数符合预设值的塑料或者陶瓷制作所述测试线圈固定支架102和补偿线圈固定支架104；

⑵将所述测试线圈100、补偿线圈103、测试线圈磁芯108、补偿线圈磁芯106、测试线圈固定支架102和补偿线圈固定支架104配合安装后，内置于所述传感器壳体101内部；

⑶采用所述灌封塑料107对所述传感器壳体101内部的所有空腔进行整体灌封，得到所述探头。

由此，测试线圈100与补偿线圈103的固定支架即测试线圈固定支架102和补偿线圈固定支架104采用形变系数小的塑料(例如：PPS塑料，即聚苯硫醚)或者陶瓷(例如：氮化硅陶瓷)制作，然后采用灌封塑料8对该传感器内部的所有空腔进行整体灌封，可以有效规避高压环境引起该探头的受压变形，规避线圈受压形变，减小或规避压力环境对该传感器测试的影响。

可见，本发明的方案，可以应用在高温、高压的环境中准确测试，且具有精度高、体积小、成本低、可靠性高等特点。

优选地，前置器，包括：连接于所述信号线缆105的感应电感值数字转换器，以及连接于电感数字转换器的MCU或单片机。通过感应电感值数字转换器、MCU(或单片机)的协同处理，可以精准、高效地获取相应的检测结果，使得检测效率和可靠性大大提高。

优选地，感应电感值数字转换器，以及MCU或单片机，集成设置于一控制板(例如：前置器可以集成到另外的控制板上)。通过集成设置的电感数字转换器及MCU(或单片机)，可以减小前置器的体积，且数据处理的可靠性高、精准性好，有利于进一步提升传感器位移检测的可靠性和精准性。

例如：如图3所示，探头差动输出的信号传输到后端的前置器中，前置器中的LDC1000芯片产生谐振、信号滤波、信号放大以及进行AD采样，然后利用单片机读取结果并进行线性校正，最后输出信号。该方案操作简单，其谐振电路、滤波电路、放大电路以及采集电路均在LDC1000芯片中实现，后端的信号读取与线性校准采用一个单片机来解决，该前置器尺寸小、成本低，可靠性高。

经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，至少可以达到的有益效果是：

⑴将探头与前置器分体式设置，探头设置了前后两个线圈进行差分输出，且前置器外置到探头之外，消除温度对探头以及前置器的影响。

⑵线圈中心填充磁芯，可以增大位移传感器的测试量程，从而解决线圈内置壳体之内而造成的测试量程减小的问题。

⑶将补偿线圈对应的金属补偿垫片(例如：隔磁板)设置在测试线圈与补偿线圈之间，既可以隔开测试线圈与补偿线圈的磁场相互干扰，消除了补偿线圈与测试线圈之间的磁场干扰，又可作为补偿线圈的补偿垫片，同时还可以缩小探头体积。

⑷传感器的处理电路外置到探头之外，且采用LDC1000芯片配合单片机即可完成信号的处理与输出，缩小了前置器的尺寸与制作成本，提高前置器的可靠性。

综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的实施例而已，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权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种电涡流位移传感器，其特征在于，包括：探头，前置器，以及分别连接于所述探头和前置器的信号线缆(105)；其中，

所述探头，包括：传感器壳体(101)，以及采用差分结构内置于所述传感器壳体(101)的测试线圈(100)和补偿线圈(103)；所述探头被配置为当待测金属检测面(300)发生位移变化时，差分输出所述测试线圈(100)和补偿线圈(103)的差分信号；

所述前置器，被配置为对所述差分信号进行信号处理，并输出待测金属检测面(300)位移变化的检测结果。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述探头，还包括：内置于所述传感器壳体(101)的测试线圈固定支架(102)和补偿线圈固定支架(104)；

所述测试线圈(100)固定安装于所述测试线圈固定支架(102)，所述补偿线圈(103)固定安装于所述补偿线圈固定支架(104)。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述探头，还包括：内置于所述传感器壳体(101)的测试线圈磁芯(108)和补偿线圈磁芯(106)；

所述测试线圈磁芯(108)位于所述测试线圈(100)的中心部位，所述补偿线圈磁芯(106)位于所述补偿线圈(103)的中心部位。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述测试线圈(100)和补偿线圈(103)的线圈尺寸形状以及电参数相同或相近似，且所述测试线圈磁芯(108)和补偿线圈磁芯(106)的尺寸形状以及磁性相同或相近似；和/或，

所述测试线圈(100)靠近待测金属检测面设置，且所述补偿线圈(103)位于所述测试线圈(100)远离所述金属检测面的一侧。

5.根据权利要求1-4之一所述的传感器，其特征在于，所述探头，还包括：位于所述测试线圈(100)和补偿线圈(103)之间的隔磁板，所述隔磁板为与所述传感器壳体(101)一体式设置的金属片。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，在所述隔磁板上还设有信号线走线槽(202)，所述信号线缆(105)穿过所述信号线走线槽(202)，与所述测试线圈(100)和补偿线圈(103)差分连接。

7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，在所述传感器壳体(101)内壁与所述测试线圈(100)、补偿线圈(103)、所述测试线圈固定支架(102)和补偿线圈固定支架(104)之间的空腔、以及所述信号线走线槽(202)中，填充有灌封塑料(107)。

8.根据权利要求1-7之一所述的传感器，其特征在于，在所述传感器壳体(101)靠近所述信号线缆(105)的一端，设有扳手卡面(203)；和/或，

在所述传感器壳体(101)的外表面设有传感器固定螺纹(200)；和/或，

所述传感器壳体(101)为金属壳体。

9.根据权利要求1-8之一所述的传感器，其特征在于，所述前置器，包括：连接于所述信号线缆(105)的感应电感值数字转换器，以及连接于所述电感数字转换器的MCU或单片机。

10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述感应电感值数字转换器，以及MCU或单片机，集成设置于一控制板。