CN110849255A - 一种位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种位移传感器，其包括传感器探头和电路模块，电路模块与传感器探头电连接且相互分隔设置，二者分别在室温环境和液氮温区环境下工作，所述传感器探头由基于PCB板的线圈组件构成，所述线圈组件包括一组位于中心的激励线圈及分布在激励线圈四周的特征对称且差动工作的感应线圈组。本发明提出的位移传感器可以在液氮温区进行转轴径向微小位移的测量，突破了现有传感器的温度使用的限制。本发明提出的位移传感器原理简单，结构紧凑，易于工业量产，便于结合待测系统进行制造和安装。

Description

一种位移传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种位移传感器。

背景技术

随着超导技术的发展，超导磁悬浮轴承技术的应用领域逐步扩展到了低温旋转机械领域、太空领域及深空等领域。在超导磁悬浮轴承技术领域中，高温超导磁悬浮轴承工作在液氮温区。要对超导磁悬浮轴承进行特性研究，必须对其转子系统的位移等基本物理量进行监测。为能够进行准确检测，需要一款能够在低温下进行位移检测的传感器。即需要该传感器能够在液氮温区正常工作。

在非接触类的位移传感器中，电容传感器、光学传感器由于设计及成本问题在旋转机械的微位移测量中较少使用。电涡流传感器在旋转机械轴系的位移测量中使用较多，但同样具有不便定制安装和价格不菲的缺陷，尤其在需要进行多维度测量时，缺陷体现的更为明显。另外，旋转机械位移测量领域普遍使用的现有的传感器还存在的一个主要缺陷在于：其工作适宜温度的范围较窄，其一般仅能应用于零下30摄氏度到零上175摄氏度的工况环境。如果将标定的传感器置于77K等低温环境中，那么传感器中的电子元件的物理特性将会发生改变，甚至低温环境会直接损坏电子元件。

综上，既要满足旋转机械系统的装配需求，又要满足苛刻的使用温度，还需综合考虑成本造价，这些因素使得位移传感器的实现具有一定的难度。

因此，急需研究开发一种结构紧凑且能够在低温状态下使用的位移传感器。

发明内容

有鉴于此，为解决现有技术中的位移传感器不适用于低温环境的问题，本发明提供一种位移传感器，其包括传感器探头和电路模块，所述电路模块与所述传感器探头电连接且相互分隔设置，二者分别在室温环境和液氮温区环境下工作，所述传感器探头由基于PCB板的线圈组件构成，所述线圈组件包括一组位于中心的激励线圈及分布在所述激励线圈四周特征对称且差动工作的感应线圈组。

较佳地，所述电路模块包括驱动电路和信号处理电路，所述驱动电路与所述激励线圈连接，所述驱动电路用于向激励线圈提供激励信号；所述信号处理电路与所述感应线圈连接，所述信号处理电路用于将从所述感应线圈感应到的信号进行处理。

较佳地，所述电路模块通过低温屏蔽线与所述传感器探头连接。

较佳地，所述传感器探头上设有用于容纳待测转轴的容置空间，所述待测转轴置于容置空间内，所述待测转轴与所述传感器探头非接触式连接；所述激励线圈位于所述容置空间外。

较佳地，所述感应线圈组包括第一感应线圈组和第二感应线圈组，所述第一感应线圈组包括相对设置的两个感应线圈，所述第二感应线圈组包括相对设置的两个感应线圈；所述第一感应线圈组和所述第二感应线圈组的感应线圈交错分布。

较佳地，所述第一感应线圈组的两感应线圈特征对称且差动工作，所述第二感应线圈组的两感应线圈特征对称且差动工作。

较佳地，所述信号处理电路包括第一检波器、第二检波器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、差分放大器和偏置电路，同一个所述感应线圈组中的一感应线圈与所述第一检波器连接，所述第一检波器还与所述第一低通滤波器连接；同一个所述感应线圈组中的另一感应线圈与所述第二检波器连接，所述第二检波器还与所述第二低通滤波器连接；所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器分别与所述差分放大器连接；所述差分放大器与所述偏置电路连接。

较佳地，所述第一检波器和所述第二检波器为二极管峰值检波电路；所述第一低通滤波器为二阶巴特沃斯滤波器；所述差分放大器及所述偏置电路均为减法运算电路。

较佳地，所述线圈组件集成在PCB树脂基板上。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

本发明提出的位移传感器可以在液氮温区环境下进行转轴径向微小位移的测量，突破了现有传感器的温度使用的限制。

本发明提出的位移传感器原理简单，结构紧凑，易与工业量产，便于结合待测系统进行安装制作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中传感器探头的横剖面结构示意图；

图2为本发明总体设计方案示意图；

图3为本发明中信号处理电路的电路结构示意图；

图4为本发明中低温下实验待测转轴位移与电压输出关系；

图5为本发明中传感器用于径向位移测量的一个示意图。

附图标记：

待测转轴1、激励线圈2、差分放大器5、偏置电路6、直流输出模块7、第一感应线圈组10、第二感应线圈组20、第一感应线圈51、第一检波器52、第一低通滤波器53、第二感应线圈61、第二检波器62和第二低通滤波器63。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明提供一种位移传感器，其包括传感器探头和电路模块，电路模块与传感器探头分隔设置，电路模块与传感器探头电连接，优选地，电路模块通过低温屏蔽线与探头电路板连接。

电路模块包括驱动电路和信号处理电路。传感器探头可以放置在77K附近的低温环境下(液氮温区)工作，由于电路模块与传感器探头分离设置，因此，驱动电路和信号处理电路不会处于低温状态下工作，驱动电路和信号处理电路中的电子元件不会受低温环境的影响，从而保证了电路模块的正常工作。

图1为本发明传感器探头的横剖面结构示意图。如图1所示，传感器探头上设有用于容纳待测转轴1的容置空间，待测转轴1置于容置空间内，待测转轴1与传感器探头非接触式连接，即传感器探头非接触地套接在待测转轴1上。优选地，传感器探头上的容置空间为一通孔。本发明提供的一种位移传感器可以是用于检测转轴径向位移量的径向位移传感器。

传感器探头包括线圈组件，线圈组件包括激励线圈2和若干感应线圈组，所述感应线圈组在激励线圈2外侧的周向上布置，每一组感应线圈组包括相互相对设置的两个感应线圈。

本实施例中优选地，感应线圈组共有两组，分别为第一感应线圈组10和第二感应线圈组20，第一感应线圈组10包括相对设置的两个感应线圈，第二感应线圈组包括相对设置的两个感应线圈。第一感应线圈组10和第二感应线圈组20共4个感应线圈环绕设置在激励线圈2的外侧周向上。

本实施例中，传感器探头包括激励线圈2、第一感应线圈组10和第二感应线圈组20。激励线圈2的数量为一个，待测转轴能够放在所述激励线圈内。第一感应线圈组10内的两个感应线圈特征对称且差动工作。第二感应线圈组20内的两个感应线圈特征对称且差动工作。优选地，感应线圈围绕形成一个弧形的腰孔。

通过传感器探头进行测量的测量原理为：首先，向激励线圈2中通入高频电流，高频电流产生的交变磁场会使金属转轴表面感应出涡流。涡流产生的磁场反作用于感应线圈。当转轴居中时，每一方向上相对设置的两个感应线圈所感应的电压值相等，传感器输出为0，即当转轴居中时，第一感应线圈组10内的两个感应线圈所感应的电压值相等，传感器输出为0；且第二感应线圈组20内的两个感应线圈所感应的电压值相等，传感器输出为0。当转轴运动产生位移后，空间磁场的对称性被破坏，每一方向上相对设置的两个感应线圈所感应的电压值不相等，差动输出的值不再为0，而与转轴的位移近似线性相关。

可以将激励线圈2和若干感应线圈组集成在PCB板上，从而形成传感器探头的一种具体结构，在传感器探头上，除了线圈布线外，不焊接任何电子元件。该传感器探头可以适用77K甚至更低温度的低温环境。

驱动电路用来产生一定频率和幅值的激励信号，最终作用于激励线圈。

信号处理电路，用于将感应线圈感应到的信号处理为与转轴位移线性变化的电压信号。

传感器探头最终将在低温环境下工作。驱动电路和信号处理电路可以集成在一块电路板上，该集成的电路板工作在室温环境下，通过低温屏蔽线与探头电路板连接。

本发明的总体设计方案如图2所示。本发明的总体设计方案包括传感器探头线圈的设计和外电路的设计。传感器探头线圈的设计包括：确定激励线圈的内侧半径、确定铜箔走线的厚度和间距、确定感应线圈的形状、确定激励线圈和感应线圈的层数和匝数。例如，确定感应线圈的形状的过程中需要确定空白间距和张角的参数。外电路的设计：包括驱动电路和信号处理电路的设计。

确定激励线圈2内侧半径时需要综合考虑待测转轴半径、预期的测量范围、预留安全间隙等。在低温环境下使用该位移传感器，需要根据系统实际情况考虑可允许的温升效应，由此可确定承载电流和走线截面积。承载电流由激励条件、激励线圈阻抗共同决定。激励条件可以为激励电压的频率和幅值。激励条件可通过外电路的设计实现。激励线圈2的阻抗计算可用电磁场有限元软件仿真实现。相同的设计条件下，应注意保证两感应线圈的互感差值与激励线圈的电感之比对转轴位移的导数具有较大的数值，这样可以保证传感器具有较好的原始灵敏度。两感应线圈的互感差值与激励线圈的电感之比对转轴位移的导数的表达式为:

驱动电路在设计时，主要涉及两个参数，分别为激励电压的幅值和频率。激励电压越高，最终的灵敏度越高。但激励电压也不能过大，增大电压的同时激励电流也会增大。大的激励电流会引起电路板发热严重。因此电压的选择，应结合线圈阻抗和能够允许的热效应综合确定。一般在10-15V的范围内。激励线圈2会存在一个自谐振频率。相同的激励电压幅值，激励频率越靠近自谐振频率时，在感应线圈感应到的信号值越大，激励频率远离自谐振频率时，感应到的信号值较微弱。在确定具体的激励时，应该测试出已有探头电路板的自谐振频率，然后结合激励电压，预期灵敏度等在谐振频率附近合理选择。一种驱动电路的电路方案为：用非门74HC04与无源晶振产生方波；将方波进行低通滤波得到正弦波，利用驱动芯片进行放大输出。

关于信号处理电路，本实施例中的四个感应线圈分别感应四路正弦信号。对一维运动来说，随着转轴的移动，相对设置的两个感应线圈感应到的正弦信号，其相位相同，幅值此消彼长。要想将这一路信号转化为对转轴位移线性变化的直流信号，一种电路方案是：先将正弦信号分别经过二极管峰值检波得到正的包络线，包络线的幅值反映位移变化。然后，经过低通滤波滤掉包络线中的高频成分；再对两路信号做差分放大，得到能够反映转轴位移变化的直流信号。理论上，空心的探头线圈及转轴偏移为0时，电路的输出电压量应为0。但由于线圈及引线不可能完全对称，元件参数存在微小偏差，以及电路本身的直流偏置，最终的输出可能存在一定的直流偏置。为此，需要设计一个偏置电路。

检波器可采用电涡流位移传感器常用的二极管峰值检波电路，主要由检波二极管，并联的电阻、电容组成。低通滤波器采用在通频带内频率响应曲线较为平坦的二阶巴特沃斯滤波器。差分放大电路及偏置电路本质上都是做减法运算的电路。差分放大倍数需要由预期量程、灵敏度、数据采集系统的输入范围等共同决定。一般达到20mv/mm即可较好的满足磁轴承的测试需求。

为保证传感器的动态特性，还需关注电路的幅频特性，这主要由检波电路和低通滤波电路决定，可通过仿真软件计算检验。

该信号处理电路先进行检波，再进行差分，这个顺序是十分必要的。这是因为，如果对同一个感应线圈组中两个不同感应线圈所产生的两个感应信号先进行差分，会得到一个较大幅值的感应信号。但该感应信号是双向波动的，即有正有负，经过检波器以后就只能得到正的包络线，因而只能反映轴的单向移动。为了反映轴的双向位移，必须先进行检波，再进行差分。

第一感应线圈组10包括第一感应线圈51和第二感应线圈61。如图3所示，同一个感应线圈组中的第一感应线圈51与第一检波器52连接，第一检波器52还与第一低通滤波器53连接。同一个感应线圈组中的第二感应线圈61与第二检波器62连接，第二检波器62还与第二低通滤波器63连接。第一低通滤波器52和第二低通滤波器62分别与差分放大器5连接。差分放大器5与偏置电路6连接，偏置电路6与直流输出模块7连接。

本发明经过了理论分析和实验验证。对某直径30mm的铝制转轴进行测量，采用2MHz的激励频率和15V的激励电压作为激励条件进行了低温下的静态实验。保持转轴在第一方向上位置不变，沿与第一方向垂直的第二方向轴移动转轴。记录转轴在不同位置时的电压输出。一组实验包含正反行程两次测量。通过对实验数据进行整理，可以得到低温下实验转轴位移与电压输出关系，该关系如图4所示。另外还得出传感器性能参数。该参数如下表所示：

针对本发明中这种形式的位移传感器，通过改变探测线圈的材料，其实可以在不同温度得到应用。例如，用陶瓷基板代替现有PCB的树脂基板，可以在高温环境下得到应用。对传感器探头线圈的布置形式进行改变，可以测量低温下的轴向位移，角位移等。

本发明提出的位移传感器的有益效果在于：

1、经过理论分析和实验验证，本发明提出的位移传感器可以在液氮温区环境下进行转轴径向微小位移的测量，突破了现有传感器的温度使用限制。

2、本发明提出的位移传感器原理简单，结构紧凑，易与工业量产，便于结合待测系统进行安装制作。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种位移传感器，其特征在于，其包括传感器探头和电路模块，所述电路模块与所述传感器探头电连接且相互分隔设置，二者分别在室温环境和液氮温区环境下工作，所述传感器探头由基于PCB板的线圈组件构成，所述线圈组件包括一组位于中心的激励线圈及分布在所述激励线圈四周特征对称且差动工作的感应线圈组。

2.如权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述电路模块包括驱动电路和信号处理电路，所述驱动电路与所述激励线圈连接，所述驱动电路用于向激励线圈提供激励信号；所述信号处理电路与所述感应线圈连接，所述信号处理电路用于将从所述感应线圈感应到的信号进行处理。

3.如权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述电路模块通过低温屏蔽线与所述传感器探头连接。

4.如权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述传感器探头上设有用于容纳待测转轴的容置空间，所述待测转轴置于容置空间内，所述待测转轴与所述传感器探头非接触式连接；所述激励线圈位于所述容置空间外。

5.如权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述感应线圈组包括第一感应线圈组和第二感应线圈组，所述第一感应线圈组包括相对设置的两个感应线圈，所述第二感应线圈组包括相对设置的两个感应线圈；所述第一感应线圈组和所述第二感应线圈组的感应线圈交错分布。

6.如权利要求5所述的位移传感器，其特征在于，所述第一感应线圈组的两感应线圈特征对称且差动工作，所述第二感应线圈组的两感应线圈特征对称且差动工作。

7.如权利要求2所述的位移传感器，其特征在于，所述信号处理电路包括第一检波器、第二检波器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、差分放大器和偏置电路，同一个所述感应线圈组中的一感应线圈与所述第一检波器连接，所述第一检波器还与所述第一低通滤波器连接；同一个所述感应线圈组中的另一感应线圈与所述第二检波器连接，所述第二检波器还与所述第二低通滤波器连接；所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器分别与所述差分放大器连接；所述差分放大器与所述偏置电路连接。

8.如权利要求7所述的位移传感器，其特征在于，所述第一检波器和所述第二检波器为二极管峰值检波电路；所述第一低通滤波器为二阶巴特沃斯滤波器；所述差分放大器及所述偏置电路均为减法运算电路。

9.如权利要求1-8任一项所述的位移传感器，其特征在于，所述线圈组件集成在PCB树脂基板上。

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