CN105953715A - 一体化结构智能总线电涡流位移传感器 - Google Patents

一体化结构智能总线电涡流位移传感器 Download PDF

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何琳
施亮
徐伟
赵应龙
吕志强
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Abstract

本发明公开一种一体化结构智能总线电涡流位移传感器,壳体内装智能总线模块、信号调理电路板；两侧装与总线网络连接的电连接器，壳体与探测板之间有内置传感器探头的导电橡胶电磁屏蔽罩。传感器探头接信号调理电路板。智能总线模块上集成安装的电源模块分接信号调理电路板、A/D转换芯片、传感器探头、温度传感器、DSP运算模块、CAN总线收发器；信号调理电路板接传感器探头、A/D转换芯片；CAN总线收发器接DSP运算模块、电连接器；DSP运算模块接温度传感器。本发明有在线温度漂移补偿及非线性误差修正、电磁屏蔽防护、数字信号输出、故障自诊断等功能，集成化程度高、测量精度高、智能化程度高、抗干扰能力强、适应性好。

Description

一体化结构智能总线电涡流位移传感器
技术领域
本发明涉及传感器测量技术领域，具体涉及一种一体化结构智能总线电涡流位移传感器。
背景技术
位移信号主要用于反映被测对象相对参考基准面的位移变化，也可用于反映机械设备的低频振动。位移测量在工业、民用领域中应用比较广泛，是一种较为常用的测量手段。
位移传感器按工作方式不同通常可分为接触式、非接触式两种类型。接触式位移传感器包括电感式位移传感器、拉绳式位移传感器等，其优点是结构简单、性价比较高，缺点是工作寿命较短、测量精度易受工作环境中油污等因素的影响；非接触式位移传感器包括激光位移传感器、电涡流位移传感器等。激光位移传感器的优点是测量距离远、精度高，缺点是激光发射器工作寿命短、环境适应性差。电涡流位移传感器的优点是工作寿命长、测量精度高、环境适应性好，缺点是量程通常较小(一般在30mm以内)。在位移变化较小的测量应用领域，选用电涡流位移传感器比较适宜。
一般的商用电涡流位移传感器通常主要由探头、前置器、射频连接电缆等部件组成，其缺点主要体现在以下方面：探头、前置器、射频连接电缆需配对使用，不同传感器的上述部件之间缺乏互换性；使用过程较为繁琐，通常需设置传感器的特征斜率、截矩参数才能进行位移测量，传感器不具备在线非线性误差修正及故障自诊断等智能化功能；由于探头输出的模拟信号比较微弱，测量现场探头与前置器之间的射频连接电缆长度通常要求小于15m，测量信号远距离传输时易受干扰；分离式的传感器结构既不利于传感器的抗冲击防护，无法应用于工作环境恶劣的场合，也造成工程应用时安装及维护较为复杂。
例如，CN203489834包括探头和前置器，所述探头与所述前置器电连接，所述探头包括主探头线圈和金属外壳，所述主探头线圈位于所述金属外壳围成的空腔内，用于感测被测金属体的位移变化，其特征在于：所述探头还包括补偿探头线圈、金属挡板和屏蔽金属体，所述屏蔽金属体位于所述补偿探头线圈和所述主探头线圈之间；所述补偿探头线圈位于由所述金属外壳、屏蔽金属体以及金属挡板形成的封闭空间内，与所述金属挡板的相对位置固定；所述补偿探头线圈和所述主探头线圈采用相同的材料和绕制方式，并且具有相同的电学参数；所述前置器包括差分减法电路，所述差分减法电路用于处理所述主探头线圈的输出信号和所述补偿探头线圈的输出信号。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种集成度高、测量精度高、智能化程度高、抗干扰能力强、防护性能好；可以实现远距离的高精度、高可靠位移信号测量及监测，能在线补偿环境温度变化引起的传感器测量误差以及传感器的非线性误差，并具备故障自诊断能力的一体化结构智能总线电涡流位移传感器。
本发明目的的实现方式为，一体化结构智能总线电涡流位移传感器，智能总线模块、信号调理电路板装在壳体内；电连接器装在壳体两侧，在壳体外的连接端接总线网络，进行数据通讯；导电橡胶电磁屏蔽罩安装于传感器本体与探测板之间，传感器探头置于导电橡胶电磁屏蔽罩内；智能总线模块装在壳体内部上层，信号调理电路板装在壳体内部下层；所述传感器探头内封装有电磁线圈，电磁线圈与信号调理电路板连接；
所述智能总线模块上集成安装的电源模块分接信号调理电路板、A/D转换芯片、传感器探头、温度传感器、DSP运算模块、CAN总线收发器；信号调理电路板分接传感器探头、A/D转换芯片；CAN总线收发器分接DSP运算模块、电连接器；DSP运算模块接温度传感器。
采用本发明，A/D转换芯片将信号调理电路板输出的4～20mA传感器信号转换为数字信号传输至DSP运算模块，DSP运算模块内置软件根据温度传感器输出的温度测量信号，对传感器测量值进行温度漂移误差补偿，并根据预设的非线性误差特性参数对传感器测量值进行分段非线性误差修正，经过温度漂移误差补偿、分段非线性误差修正后的传感器测量值信号传输至CAN总线收发器，CAN总线收发器将该测量值信号转换为CAN总线数据格式，然后通过电连接器传输至总线网络。
本发明的技术效果如下：
1、传感器探头、电连接器、智能总线模块、信号调理电路集成安装为一体化结构，集成化程度高，便于安装及更换，传感器的可维护性好；
2、采用智能总线模块，将传感器输出信号调理为数字信号，具有传感器输出信号抗干扰能力强、传输距离远的优点，同时传感器可“即插即用”且不需输入工作特性参数，使用较为便捷，另外传感器具备故障自诊断功能，智能化程度较高；
3、DSP运算模块存储有传感器的非线性误差特性参数，传感器工作过程中，DSP运算模块预置的控制软件可进行在线非线性误差修正，提高了传感器测量精度；
4、温度测量模块集成到传感器中，可在线补偿由于环境温度变化导致的传感器温度漂移误差，提高了传感器的测量精度；
5、电磁屏蔽罩可有效隔离工作环境电磁干扰对传感器测量精度的影响，屏蔽罩采用增强帘线骨架材料，可有效防护工作环境的冲击、碰撞对传感器的损伤，具有良好的防护性能；
6、采用防腐蚀塑料涂层的探测体，有效避免了传感器长期工作过程中，探测体锈蚀影响造成的传感器测量误差。
本发明集成度高、测量精度高、智能化程度高、抗干扰能力强、防护性能好；可以实现远距离的高精度、高可靠位移信号测量及监测，可为工业、民用、船舶领域的位移测量提供新的解决途径。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的智能总线模块原理图；
图3为本发明的智能总线模块电原理图。
具体实施方式
下面参照附图详述本发明。
参照图1，智能总线模块6、信号调理电路板7装在壳体4内，电连接器5装在壳体两侧，在壳体外的连接端接总线网络进行数据通讯。导电橡胶电磁屏蔽罩2安装于传感器本体1与探测板3之间，传感器探头8置于导电橡胶电磁屏蔽罩内。所述传感器探头内封装有电磁线圈，电磁线圈与信号调理电路板连接。
智能总线模块6在壳体4内部上层，通过明胶固定；信号调理电路板7在壳体内部下层，通过环氧树脂固定。
传感器探头8、电连接器5、智能总线模块6、信号调理电路7集成安装在传感器壳体4上，实现了传感器的一体化结构设计，传感器安装、更换较为便捷。
所述导电橡胶电磁屏蔽罩2为由增强帘线骨架结构的导电橡胶材料罩，可有效屏蔽环境电磁干扰信号提高传感器的抗干扰能力，有效防止工程应用环境外来物体碰撞导致的传感器损坏，同时具备防水、防油污等功能，可提高传感器的工作寿命。
所述探测板3有非金属防腐蚀涂层。可有效提高探测体的防腐蚀性能，避免传感器长期使用过程中由于被测体锈蚀原因导致的传感器测量误差。
参照图2、3，智能总线模块6上集成安装的电源模块9分接信号调理电路板7、A/D转换芯片10、传感器探头8、温度传感器11、DSP运算模块12、CAN总线收发器13；信号调理电路板7分接传感器探头8、A/D转换芯片10；CAN总线收发器13分接DSP运算模块12、电连接器5；DSP运算模块12接温度传感器11。
参照图1、2、3，CAN总线收发器13有两路相互独立的CAN总线通讯通道，并同时通过电连接器5.1及电连接器5.2连接至总线网络进行数据通讯，当电连接器5.1或电连接器5.2中的任意一个产生断线故障时，传感器对外数据传输功能不受影响。
电源模块9分别为传感器探头8、信号调理电路板7、A/D转换芯片10、温度传感器11、DSP运算模块12、CAN总线收发器13供电。
信号调理板将传感器探头输出的微弱电压信号调理为4～20mA电流信号，然后传输至智能总线模块，A/D转换芯片10将调理电路板7输出的4～20mA电流信号转换为数字信号并传输至DSP运算模块12。温度传感器11实时测量传感器的工作环境温度并将信号传输至DSP运算模块12，CAN总线收发器13将DSP运算模块12处理得到传感器测量值数据转换为CAN总线格式的数据并通过电连接器5传输至总线网络。
所述DSP运算模块高速采集位移传感器测量数据并进行滤波处理，并对处理后的传感器输出信号进行温度漂移误差补偿，以减小环境温度变化引起的传感器测量误差；根据预设传感器非线性误差特性进行分段非线性误差修正，减小传感器非线性误差导致的测量误差，使得传感器输出数字量形式的位移测量值。该DSP运算模块还具备传感器故障自诊断功能，能够对传感器断线、测量值异常等故障进行精确诊断。
本发明的温度补偿方法如下：
如果
式中，ε1为温度漂移影响补偿量；ζi为分段线性温度漂移影响补偿系数，i＝1,2...10为位移传感器工作温度范围的线性分段区间编号；t为当前传感器工作环境温度；为第i个分段区间的起始点温度坐标。
非线性误差修正方法如下：
如果
式中，ε2为非线性误差修正量；ηj为线性分段非线性误差修正系数，j＝1,2...10为位移传感器量程的线性分段区间编号；l为当前未经非线性误差修正的传感器位移测量值；为第j个分段区间的起始点位移值。
上述技术方案中，CAN总线收发器13包括两路相互独立的CAN总线通讯通道，并同时通过电连接器5.1及电连接器5.2连接至总线网络进行数据通讯，当电连接器5.1或电连接器5.2中的任意一个产生断线故障时，传感器对外数据传输功能不受影响。
本发明的工作原理为：
本发明采用了将传感器探头8、电连接器5、智能总线模块6、信号调理电路7集成安装在传感器壳体4上的一体化结构设计，传感器安装、更换较为便捷。
本发明传感器探头8输出的电压信号给信号调理电路板7，信号调理电路板7将该电压信号调理为4～20mA模拟信号传输至智能总线模块6，智能总线模块6将4～20mA模拟信号转换为数字信号传输至DSP运算模块12，DSP运算模块12根据温度传感器11测量的温度数据及预置的线性误差特性参数，对传感器数字信号测量值分别进行温度漂移补偿及非线性误差补偿，补偿后的数字信号经CAN总线收发器13转换为CAN总线格式的数字信号数据传输至总线网络，供上位机查询使用。
智能总线模块6集成了传感器温度漂移补偿、非线性误差补偿、故障自诊断功能，具有传感器测量精度高、智能化程度高等优点。
本发明传感器具有不需要输入传感器特性参数“即插即用”的优点，可以直接输出CAN总线格式的数字量位移测量值，有效提高了传感器信号远距离传输能力及抗干扰性能。
说明书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 (5)

1.一体化结构智能总线电涡流位移传感器，其特征在于：智能总线模块、信号调理电路板装在壳体内；电连接器装在壳体两侧，在壳体外的连接端接总线网络，进行数据通讯；导电橡胶电磁屏蔽罩安装于传感器本体与探测板之间，传感器探头置于导电橡胶电磁屏蔽罩内；智能总线模块装在壳体内部上层，信号调理电路板装在壳体内部下层；所述传感器探头内封装有电磁线圈，电磁线圈与信号调理电路板连接；
所述智能总线模块上集成安装的电源模块分接信号调理电路板、A/D转换芯片、传感器探头、温度传感器、DSP运算模块、CAN总线收发器；信号调理电路板分接传感器探头、A/D转换芯片；CAN总线收发器分接DSP运算模块、电连接器；DSP运算模块接温度传感器。
2.根据权利要求1所述的一体化结构智能总线电涡流位移传感器，其特征在于：智能总线模块(6)在壳体(4)内部上层，通过明胶固定；信号调理电路板(7)在壳体内部下层，通过环氧树脂固定。
3.根据权利要求1所述的一体化结构智能总线电涡流位移传感器，其特征在于：所述导电橡胶电磁屏蔽罩(2)为由增强帘线骨架结构的导电橡胶材料罩。
4.根据权利要求1所述的一体化结构智能总线电涡流位移传感器，其特征在于：述探测板(3)有非金属防腐蚀涂层。
5.根据权利要求1所述的一体化结构智能总线电涡流位移传感器，其特征在于：CAN总线收发器(13)有两路相互独立的CAN总线通讯通道，并同时通过电连接器(5.1)及电连接器(5.2)连接至总线网络进行数据通讯。
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