CN110332880B - 一种无线位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种无线位移传感器，无线位移传感器包括两个谐振频率相同的无源无线LC谐振器，其中一个LC谐振器作为传感器定子，另一个LC谐振器作为传感器动子。动子能附着在被监测的位移体上并随之移动。动子与定子保持电磁耦合状态，此时，在信号读取端上呈现出奇模和偶模两个分裂的谐振频率信号；动子在传感器可检测的位移范围内移动时，动子与定子的电磁耦合状态会随之变化，奇模和偶模频率分裂差的大小也随之变化。动子与定子电磁耦合形成的奇模和偶模频率分裂差的大小作为无线位移传感器的位移敏感信号。

Description

一种无线位移传感器

技术领域

本发明涉及传感器研究领域，具体涉及一种无线位移传感器。

背景技术

在建筑物结构健康状态监测和工业生产自控领域设备中多采用位移传感器或者行程传感器对结构位移参数和设备位移量进行监控测量。根据不同的工作原理和应用场景，位移传感器可分为以下几种：电磁式（电感、电涡流、差动变压器）、电容式、电位器式、应变式、激光式、霍尔效应传感器等。作为广泛使用的一类位移传感器，电磁式位移传感器主要基于电磁感应原理，以电感，电流或者电压变化作为敏感信号，由于不受油污，沙尘等外部自然环境影响，可靠性高，安装方便，在石油化工、机床加工和检测仪表等行业中获得了广泛的应用。

电磁式位移传感器通常是由金属线圈和磁芯构成的LC谐振回路组成，磁芯作为传感器动子在外力作用下随位移体移动，通过接近和远离磁场线圈，进而改变线圈磁场分布和电感值，并以LC谐振回路频率变化作为敏感信号，这种结构和原理常见于电感式和差动变压器式位移传感器中。

此外，还有仅依靠电感线圈对金属目标形成的电涡流效应进行位移检测的传感器，但电涡流式位移传感器只适合于金属目标物的移动检测。根据LC谐振频率计算公式，LC谐振回路频率信号与电感量的平方根成反比，因此，电磁式位移传感器对电感值变化引起的频率变化很小，分别率较低，传感器灵敏度也非常依赖于磁芯材料。

目前，大多数电磁式位移传感器都是通过外围读取电路设计，以及磁芯材料和结构优化等方式提升位移传感器的性能。另一方面，传统的电磁式位移传感器大都需要外界电源线和信号线连接，而连接线会随着物体运动，时间长易出现连接线磨损，同时，有线连接插拔器件的频繁使用也是传感器故障的主要原因之一。此外，在一些旋转，密闭，高温和腐蚀的恶劣环境下，有线连接的传感器通常无法实现长期稳定的工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线位移传感器，以解决现有电磁式位移传感器依靠引线连接和灵敏度低的问题，也为LC无线传感器的设计提供一个新的思路。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：所述的无线位移传感器包括两个谐振频率相同的无源无线LC谐振器，其中一个LC谐振器作为传感器定子（固定部分），另一个LC谐振器作为传感器动子（移动部分）。动子能附着在被监测的位移体上并随之移动。动子与定子保持电磁耦合状态，此时，在信号读取端（例如，网络分析仪等）上呈现出奇模和偶模两个分裂的谐振频率信号；所述动子在传感器可检测的位移范围内移动时，动子与定子的电磁耦合状态会随之变化，奇模和偶模频率分裂差的大小也随之变化。所述动子与定子电磁耦合形成的奇模和偶模频率分裂差的大小作为所述无线位移传感器的位移敏感信号。

本发明提供的上述基于电磁耦合原理的无线位移传感器，由两个无源无线的LC谐振器组成，无需外部引线连接，敏感信号可直接通过无线方式传输，有望应用于发动机叶片间隙、旋转轴承、输油管道、桥梁建筑智能监测等领域。本发明的有益效果在于，所述传感器无需外部引线连接，敏感信号可直接通过无线方式传输，同时，与具有单个LC谐振回路的传感器相比，本发明所述的传感器具有更高的灵敏度。此外，本发明所述的无线传感器原理还可以推广应用到压力、温度、气体、液体的无线检测中。

本发明所述传感器动子与定子的相对位置改变可引起动子与定子的电磁耦合状态变化，其奇模和偶模频率分裂差的大小会随着动子位移变化而变化，并以此作为所述传感器的位移敏感信号，这与传统电磁式位移传感器以线圈电感量变化或者谐振频率变化为敏感信号完全不同。本发明在传感器结构和原理上与现有技术相比都有很大发展和创新。

具体而言，初始位置下，所述传感器动子和定子的中心轴线可互相重合，相互重合可避免其他方向移动带来的信号偏移干扰。动子可以附着在被监测的位移体上，并随之移动；动子在传感器可检测的位移范围内移动时与定子保持电磁耦合状态，并在信号读取端呈现出奇模和偶模两个分裂的谐振频率信号；当动子位移范围超过传感器可检测的位移范围后，信号读取端仅呈现单个LC谐振器（定子）的谐振频率信号。

进一步地，所述传感器可检测的位移范围与LC谐振器电感尺寸的大小呈正比关系。

本发明所述的LC谐振器包括电感-电容谐振回路电极，以及承载电感-电容谐振回路电极（LC谐振回路电极）的电路基板。

进一步地，所述电感-电容谐振回路电极中的电感结构包括但不限于平面螺旋电感，多层螺旋电感，弯折线电感等（这三种都是常用的电感结构形式，共同特点是电感面积越大，电感量越大；其中，采用多层陶瓷技术可以获得多层螺旋电感，有益效果是，可以在相同电感面积下获得更大的电感量，增强传感器灵敏度；）；所述电感-电容谐振回路电极中的电容结构包括但不限于叉指电容，平行板电容等（叉指电容为平面结构，所有电极图案在同一平面，平行板电容是多层结构，上、下电极板在不同平面）。LC谐振回路电极中的电感和电极结构形式多样，可以根据实际需要和制备工艺特点灵活组合。

所述电感-电容谐振回路电极的谐振频率可以根据电感和电容的电极结构尺寸进行调节。LC谐振回路的谐振频率与电感和电容电极尺寸有关，可以根据无线通讯频段要求，通过调整电感和电容电极结构尺寸设计传感器工作频率。

所述电感-电容谐振回路电极材料可以是金、银、或铜中的至少一种。与其他电极材料相比，金、银、铜金属电极具有高的电导率，可以有效降低LC谐振回路损耗，提高LC谐振回路的Q值。

所述承载LC谐振回路电极的电路基板，可以采用包括陶瓷（LTCC或HTCC），印制电路板（PCB），硅基板等常用电路基板材料和工艺制成。LC谐振器的制备工艺有多种，其中，多层陶瓷基板（采用LTCC或HTCC材料和工艺制成的基板）具有耐高温和耐腐蚀的特点，适用于高温恶劣工作环境，PCB板成本低，适用于一般工作环境，硅基板适合与半导体器件和其他功能电路集成。

本发明的核心是提出了利用两个LC谐振器电磁耦合后形成的奇模和偶模频率分裂差的大小作为无线位移敏感信号，这种无线位移传感原理是创新的。

本发明传感器工作原理是利用两个LC谐振器电磁耦合后形成的奇模和偶模频率分裂差的大小作为无线位移敏感信号。LC谐振器结构形式和制备工艺不做特别说明，默认为该领域的共识内容。

这里详细描述一下这种无线位移敏感机理：当两个LC谐振器接近并形成电磁耦合后，在信号读取端（例如，读取天线连接的网络分析仪）会呈现两个谐振频率峰，这两个频率峰值分别被称为奇模频率和偶模频率，特别需要注意的是，并不是因为有两个LC谐振器才有两个谐振峰。由于两个LC谐振器的初始频率是相同的，这两个LC谐振器形成电磁耦合后出现的是单个LC谐振频率峰的分裂/劈裂，其产生的原理可以利用泡利不相容原理来解释，即一个原子轨道上最多可容纳两个电子，而这两个电子的自旋方向必须相反，也就是不能有两个粒子处于完全相同的状态。同理可见，两个谐振频率相同的LC谐振器在电磁耦合状态下，不能处在同一个谐振频率，呈现出的必然是一种频率分裂的状态（与同轨道的两个电子的自旋方向必须相反一样），频率分裂差的大小与两个LC谐振器的相对位置有关，两个LC谐振器距离越近，耦合越强，频率分裂差越大（亦可参见后文图3）。当两个LC谐振器距离拉开后，电磁耦合变弱，频率分裂差减小，直到两个LC谐振器离的很远，之间不再有电磁耦合时，此时呈现出来的就只有一个LC谐振器的频率峰，频率分裂现象消失。

附图说明

图1为本发明一实施形态的无线位移传感器结构和工作原理示意图。

图2为本发明一实施形态的无线位移传感器中LC谐振器的电极和基板结构示意图。

图3为本发明一实施形态的无线位移传感器信号响应的示意图。

图4为本发明一实施形态的无线位移传感器动子在Z方向位移的无线测试信号。

图5为本发明一实施形态的无线位移传感器动子与定子在不同的Z方向距离上，动子在X或Y方向上的位移量与频率差的关系曲线。

具体实施方式

以下结合具体实例，对本发明进行详细说明。应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

如图1所示，本发明一实施形态的无线位移传感器包括两个谐振频率相同的无源无线LC谐振器，其中一个LC谐振器作为传感器定子1，另一个LC谐振器作为传感器动子2，动子2可以附着在被监测的位移体上，并随之移动。本实施形态中在初始位置下，所述传感器动子2和定子1的中心轴线3互相重合，由于定子1与动子2相对位置改变即可产生不同的无线响应信号，当传感器用作单方向上的位移测量时，例如仅测量Z方向移动时，需要保证动子2和定子1的中心轴线3互相重合，避免X或Y方向移动带来的信号偏移干扰；当然这种干扰也可以通过在传感器测试前的定标来解决，因此互相重合不是必须条件。所述传感器的位移敏感信号可通过与定子1平行放置的外部读取天线4获取，在外部读取天线4的激励下，磁场线5穿过动子和定子，并形成电磁耦合。

所述无线位移传感器的工作原理是利用两个LC谐振器的相对位置改变引起两个LC谐振器间电磁耦合强度变化，两个LC谐振器电磁耦合形成的奇模和偶模频率分裂差的大小会随着位移变化而变化，并以此作为位移敏感信号，传感器无线信号通过与定子形成电磁耦合的外部读取天线获取。与现有的电磁式位移传感器相比，本发明不需要额外的磁芯，动子和定子均无需外部引线连接，敏感信号可无线传输，具有结构简单，载体灵活，灵敏度高，稳定性好等优点，在工业生产监控和建筑物结构状态监测等领域有着广泛的应用前景。

具体而言，动子和定子具有相同的谐振频率（动子和定子的形状和结构可以不同，只要保证谐振频率相同即可）。

所述两个LC谐振器分别由电感-电容谐振回路电极，以及承载该电感-电容谐振回路电极（LC谐振回路电极）的电路基板8组成，电感和电容的一端可在同一平面连接，电感的另一端可通过电极通孔9与电容的另一端电极通孔10在基板背面通过电极连线10连接；也可通过表面电极飞线的形式（虚线10）连接，以此形成电容-电感谐振的闭合回路，如图2所示，虚线表示可以在基板背后连接，也可以在表面通过飞线形式连接，目的是形成闭合回路。

作为优选，本实施例中所述电感-电容谐振回路电极中的电感6为平面螺旋电感（该电感为平面结构，易于印刷制作），所述电感-电容谐振回路电极中的电容7为平面叉指电容（该电容为平面结构，易于印刷制作），所述电感-电容谐振回路电极材料为银电极（具有高的电导率，可降低谐振回路损耗）。本实施例中所述承载LC谐振回路电极的电路基板8，是采用低温共烧陶瓷（LTCC）材料和多层陶瓷工艺制成。LTCC可耐高温和化学腐蚀，适合于恶劣工况，还可以是HTCC，PCB印制电路板或有机材料基板。多层陶瓷工艺（LTCC或HTCC）可以实现多层螺旋电感，增大电感量，提升传感器灵敏度和探测距离。外部读取天线4通常为线圈天线，通过连接网络分析仪获得激励信号，当外部读取天线4靠近定子1并与定子1形成电磁耦合后，即可实现对传感器信号的读取。为使传感器的读取信号最大化，读取天线优选与定子1同轴放置。

此实施例中的单个LC谐振器的初始频率约为64 MHz，该谐振频率值与电感6和电容7的电极尺寸大小，以及LTCC基板材料的介电常数有关，在电路基板材料固定不变的情况下，可通过调节电感6和电容7的电极尺寸大小获得不同的谐振频率。

本发明所述传感器动子2可以沿X，Y，Z方向（参见图1）移动。动子2在传感器可检测的位移范围内移动时与定子1保持电磁耦合状态，根据电磁耦合理论，两个谐振频率相同的谐振器在电磁耦合状态下会呈现出奇模和偶模两个分裂的谐振频率信号；当动子位移范围超过传感器可检测的位移范围后，即动子和定子间无电磁耦合时，信号读取端（例如外部读取天线连接的网络分析仪）仅呈现单个LC谐振器（定子）的谐振频率信号f₀，所述的传感器信号响应如图3所示。

本实施例中的传感器动子2在Z方向位移的测试结果如图4所示，可以看出，当动子2与定子1在Z方向上靠近时，会出现奇模和偶模两个谐振频率峰值，随着动子2与定子1在Z方向上距离的增加，奇模和偶模间的频率差Df逐渐减小，当动子2位移范围超过传感器可检测的位移范围后（此实施例中的最远探测位移约为20 mm，最远探测距离与LC谐振器电感和电容的尺寸有关，LC谐振器电感和电容的尺寸越大，探测距离越远），仅呈现单个LC谐振器（定子）的谐振频率信号（约为64 MHz）。

本实施例中的传感器动子2与定子1在Z方向上的距离分别为1mm，5mm和15mm时，动子2在X或Y方向上位移时（X方向与Y方向移动效果相同），传感器奇模和偶模频率差Δf与位移距离的测试结果如图5所示。可以看出，传感器动子2在X或Y方向位移和在Z方向上位移的信号响应强度有所不同，即频率差不同。当动子2离定子1越远时，动子2在X或Y方向的位移响应越小。

如果仅作为单方向上的位移测量，本发明所述的传感器信号响应更加灵敏，抗干扰性更强，因为频率分裂差的大小（位移敏感信号）是通过电磁耦合的无线方式探测的，而且只与动子和定子的相对位置变化有关，不受其它外界因素影响。

Claims (7)

1.一种无线位移传感器，其特征在于：

包括两个谐振频率相同的无源无线LC谐振器，其中一个LC谐振器作为传感器的定子，另一个LC谐振器作为传感器的动子，所述动子能附着在被监测的位移体上并随之移动；

所述动子与定子保持电磁耦合状态，此时，在信号读取端上呈现出奇模和偶模两个分裂的谐振频率信号；

所述动子在传感器能够检测的位移范围内移动时，动子与定子的电磁耦合状态会随之变化，奇模和偶模频率分裂差的大小也随之变化；

所述动子与定子电磁耦合形成的奇模和偶模频率分裂差的大小作为所述无线位移传感器的位移敏感信号，

当两个LC谐振器接近并形成电磁耦合后，在信号读取端会呈现两个谐振频率峰，这两个频率峰值分别被称为奇模频率和偶模频率。

2.根据权利要求1所述的无线位移传感器，其特征在于：

所述位移敏感信号通过与所述定子形成电磁耦合的外部读取天线获取。

3.根据权利要求1或2所述的无线位移传感器，其特征在于：

所述传感器可检测的位移范围与LC谐振器的电感尺寸的大小呈正比关系。

4.根据权利要求1或2所述的无线位移传感器，其特征在于：

所述LC谐振器包括电感-电容谐振回路电极，以及承载所述电感-电容谐振回路电极的电路基板。

5.根据权利要求4所述的无线位移传感器，其特征在于，

所述电感-电容谐振回路电极中的电感为平面螺旋电感，多层螺旋电感，弯折线电感之一；所述电感-电容谐振回路中的电容为叉指电容或平行板电容；所述电感-电容谐振回路的谐振频率根据电感和电容的电极结构尺寸进行调节。

6.根据权利要求4所述的无线位移传感器，其特征在于，

所述电感-电容谐振回路电极材料是金、银、或铜中的至少一种。

7.根据权利要求4所述的无线位移传感器，其特征在于：

所述承载电感-电容谐振回路电极的电路基板，采用陶瓷、印制电路板、硅基板制成。

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