CN111256575A - 一种用于间隙监测的高精度位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于间隙监测的高精度位移传感器，壳体和限位块分别固定于间隙两侧的部件上，所述壳体内设置有PCB组件、导杆、滑动基体和高精密磁铁，导杆和PCB组件固定于壳体内，滑动基体的内端套在导杆上并能够沿导杆滑动，滑动基体的外端由壳体内伸出，滑动基体的外端设置有磁体并通过磁力吸附固定于限位块上，高精密磁铁固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动；所述PCB组件中包括用于捕获因高精密磁铁移动而造成的磁场变化信号的高精度电磁感应芯片，以及将捕获的磁场变化信号经过数据处理为位移信号的单片机。所述用于间隙监测的高精度位移传感器具有测量精度高、测量稳定误差小的优点，同时还能适用于不平整的安装面。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于间隙监测的位移传感器，尤其涉及一种高精度的用于监测机械间隙的传感器。
背景技术
传感器的作用是把各种被测物理量转换为数字，其中位移传感器是重要的一类成员。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。因具有易实现数字化、精度高、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表、航空等行业中得到日益广泛的应用。机械间隙传感器是一种用于持续监测高精度相对位移的传感器，是一种金属感应的线性器件，也属于位移传感器的范畴。
现有的用于监测机械间隙的位移传感器普遍存在有以下缺陷：1、技术产品精度普遍较低，无法实现在微米级精度持续监测产品的高精度相对位移监测需求；2、产品受测量面不平整、有相对断差而受到安装限制，无法准确的监测间隙两侧上下的相对位移；3、现有技术产品的环境适应性较差，持续监测时误差受环境(温度、振动)影响较大。
发明内容
本发明提供了一种用于间隙监测的高精度位移传感器，解决了背景技术中的不足，所述用于间隙监测的高精度位移传感器具有测量精度高、测量稳定误差小的优点，同时还能适用于不平整的安装面。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种用于间隙监测的高精度位移传感器，至少包括壳体和限位块，所述壳体和限位块分别固定于间隙两侧的部件上，所述壳体内设置有PCB组件、导杆、滑动基体和高精密磁铁，导杆和PCB组件固定于壳体内，滑动基体的内端套在导杆上并能够沿导杆滑动，滑动基体的外端由壳体内伸出，滑动基体的外端设置有磁体并通过磁力吸附固定于限位块上，高精密磁铁固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动；
所述PCB组件中包括单片机、高精度电磁感应芯片、温度传感芯片和振动传感芯片，高精度电磁感应芯片用于捕获因高精密磁铁移动而产生的磁场变化信号，高精度电磁感应芯片与单片机连接并将磁场变化信号传输至单片机；温度传感芯片用于采集环境温度数据，温度传感芯片与单片机连接并将环境温度数据传输至单片机；振动传感芯片用于采集环境振动讯号并转化为电平信号，振动传感芯片与单片机连接并将电平信号传输至单片机；单片机将磁场变化信号经过数据处理为位移数据，将电平信号进行数据处理为振动数据，然后基于环境温度数据和振动数据对位移数据进行修正处理，最后将环境温度数据、振动数据和修正后的位移数据发送至上位机。
所述修正处理方法如下：通过大量模拟环境试验，统计计算得出待监测间隙因受温度形变和振动影响造成的位移测量值偏移，建立数据模型，从而自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差。
进一步的，所述修正处理具体方法如下：将高精度位移传感器模拟实际安装固定在间隙两侧，将间隙固定为零，然后将间隙部件连同高精度位移传感器整体置于温度可调的密闭空间内；通过升温、降温模拟高精度位移传感器处于不同的温度环境下，记录高精度位移传感器受温度形变造成的位移偏移；再通过在不同温度下，将间隙部件连同高精度位移传感器置于振动台上，通过调节不同的振动条件模拟高精度位移传感器处于不同的振动环境，记录其受振动影响造成的位移偏移；重复上叙操作，统计计算出高精度位移传感器受温度、振动影响造成的位移偏移平均值，建立数据模型，写入高精度位移传感器的单片机内，从而自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差。
滑动基体的内端为套设在导杆上的滑块，所述导杆的两端均套设有限位弹簧，限位弹簧位于滑块的左右两侧并限制滑块在自由状态下处于导杆上的中间位置。
壳体的顶面设置有开口，开口处设置有盖板，所述壳体及盖板均为不锈钢材质。
所述PCB组件中还设置有防电磁干扰电路。
所述磁体为强磁性永磁体。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案有以下优点：1、本发明中在产品内部设计有高精度电磁感应芯片和高精密磁铁，高精密磁铁平行于高精度电磁感应芯片安装，并贴合在芯片表面，高精密磁铁周围的磁场强度是稳定不变的，当间隙发生相对移动时，高精密磁铁相对高精度电磁感应芯片同步移动，高精密电磁感应芯片周围的磁场就会发生线性变化，从而输出对应磁场强度变化的电信号到单片机内，经过单片机运算将电信号转换为位移信号，并输出对应的位移信号到上位机，来实现位移的测量，精度可达0.5μm，可保持微米级精度持续监测产品的高精度相对位移。2、本发明采用特有的分体式结构设计，可克服测量安装面不平整，有相对断差的影响，能够准确的持续测量产品的相对位移。3、本发明内部设计有温度感应芯片和振动感应芯片，通过实时监测环境状况获取环境的温度数据和振动数据，通过结合单片机内部预先设定的程序(通过大量模拟环境试验，统计计算得出因受温度形变和振动影响造成的位移测量值偏移)，可自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差，从而极大的提高产品持续监测的测量精度；并将修正后的位移数据与温度数据、振动数据打包发送给上位机。
附图说明
图1为本发明提供的用于间隙监测的高精度位移传感器的安装示意图；
图2为本发明提供的用于间隙监测的高精度位移传感器的结构剖视图；
图中：1-壳体，2-限位块，3-PCB组件，4-导杆，5-滑动基体，6-高精密磁铁，7-磁体，8-限位弹簧，9-盖板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
本实施例提供的用于间隙监测的高精度位移传感器中，所述壳体1和限位块2分别固定于间隙两侧的部件上，如图1所示，间隙的两侧为部件A和部件B，两者之间存在有断面高度差。
本实施例提供的用于间隙监测的高精度位移传感器的结构剖面如图2所示，壳体的顶面设置有开口，开口处设置有盖板9，所述壳体及盖板均为不锈钢材质，整体采用金属外壳设计，同时壳体内部还设置有防电磁干扰电路，因此可屏蔽外界对产品的干扰，产品稳定性极强。所述壳体内设置有PCB组件3、导杆4、滑动基体5和高精密磁铁6，导杆和PCB组件固定于壳体内，滑动基体的内端套在导杆上并能够沿导杆滑动，滑动基体的内端为套设在导杆上的滑块，所述导杆的两端均套设有限位弹簧8，限位弹簧位于滑块的左右两侧并限制滑块在自由状态下处于导杆上的中间位置。滑动基体的外端由壳体内伸出，滑动基体的外端设置有磁体7并通过磁力吸附固定于限位块上，所述磁体为强磁性永磁体。在本专利中，传感器设计为两部分，限位块与A部分固定在一起，传感器本体与B部分固定在一起，传感器本体依靠端部的强磁性永磁铁吸附在限位块上，避免因环境温度、振动造成测试结果失真，实时准确的监测A部分与B部分的相对间隙变化。
所述高精密磁铁固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动；所述PCB组件中包括用于捕获因高精密磁铁移动而产生的磁场变化信号的高精度电磁感应芯片，以及将捕获的磁场变化信号经过数据处理为位移信号并将位移信号发送至上位机的单片机。当间隙的两侧发生相对移动时，滑动基体在导杆上左右滑动，滑动基体滑动的同时带动高精密磁铁移动。随着高精密磁铁移动，PCB组件上的高精度电磁感应芯片周围的磁场会随之变化，高精度电磁感应芯片可快速捕捉磁场的变化，通过单片机采集电磁感应信号，然后单片机内部对数据进行处理，发送信号给上位机，来实现位移的测量，精度可达0.5μm，可保持微米级精度持续监测产品的高精度相对位移。
所述PCB组件中还设置有用于采集环境温度数据的温度传感芯片，温度传感芯片为一款精密集成数字温度传感芯片，具有高分辨率的特性，测量精度为±0.5℃。温度传感芯片先采样外部环境的温度数据，然后和单片机通过I2C协议，把采样值传给单片机；单片机把采集过来的温度数据计算后，通过信号通讯传给上位机。
所述PCB组件中还设置有振动传感芯片，振动传感芯片采用业界领先的芯片，具有高分辨率、极低功耗和长期稳定的特性；振动传感芯片的分辨率为1mg，测量范围为±5g，可同时采集X轴、Y轴、Z轴的振动量。振动传感芯片首先采样外界的振动讯号，然后内部转化为电平信号传给单片机；单片机把采集过来的振动数据计算后，通过信号通讯传给上位机。
当周围环境变化时(温度变化、振动环境变化)，产品自身的精度受温度变形、振动影响必然会发生变化。为克服此缺陷，本发明内部设计有温度感应芯片和振动感应芯片，通过实时监测环境状况获取环境的温度数据和振动数据，通过结合单片机内部预先设定的数据模型(将高精度位移传感器模拟实际安装固定在间隙两侧，将间隙固定为零，然后将间隙部件连同高精度位移传感器整体置于温度可调的密闭空间内；通过升温、降温模拟高精度位移传感器处于不同的温度环境下，记录高精度位移传感器受温度形变造成的位移偏移；再通过在不同温度下，将间隙部件连同高精度位移传感器置于振动台上，通过调节不同的振动条件模拟高精度位移传感器处于不同的振动环境，记录其受振动影响造成的位移偏移；重复上叙操作，统计计算出高精度位移传感器受温度、振动影响造成的位移偏移平均值，从而建立数据模型，写入高精度位移传感器的单片机内)，可自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差，从而极大的提高产品持续监测的测量精度；并将修正后的位移数据与温度数据、振动数据打包发送给上位机。
Claims (7)
1.一种用于间隙监测的高精度位移传感器，至少包括壳体和限位块，其特征在于：所述壳体和限位块分别固定于间隙两侧的部件上，所述壳体内设置有PCB组件、导杆、滑动基体和高精密磁铁，导杆和PCB组件固定于壳体内，滑动基体的内端套在导杆上并能够沿导杆滑动，滑动基体的外端由壳体内伸出，滑动基体的外端设置有磁体并通过磁力吸附固定于限位块上，高精密磁铁固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动；
所述PCB组件中包括单片机、高精度电磁感应芯片、温度传感芯片和振动传感芯片，高精度电磁感应芯片用于捕获因高精密磁铁移动而产生的磁场变化信号，高精度电磁感应芯片与单片机连接并将磁场变化信号传输至单片机；温度传感芯片用于采集环境温度数据，温度传感芯片与单片机连接并将环境温度数据传输至单片机；振动传感芯片用于采集环境振动讯号并转化为电平信号，振动传感芯片与单片机连接并将电平信号传输至单片机；单片机将磁场变化信号经过数据处理为位移数据，将电平信号进行数据处理为振动数据，然后基于环境温度数据和振动数据对位移数据进行修正处理，最后将环境温度数据、振动数据和修正后的位移数据发送至上位机。
2.根据权利要求1所述的用于间隙监测的高精度位移传感器，其特征在于：所述修正处理方法如下：通过大量模拟环境试验，统计计算得出待监测间隙因受温度形变和振动影响造成的位移测量值偏移，建立数据模型，从而自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差。
3.根据权利要求2所述的用于间隙监测的高精度位移传感器，其特征在于：所述修正处理具体方法如下：将高精度位移传感器模拟实际安装固定在间隙两侧，将间隙固定为零，然后将间隙部件连同高精度位移传感器整体置于温度可调的密闭空间内；通过升温、降温模拟高精度位移传感器处于不同的温度环境下，记录高精度位移传感器受温度形变造成的位移偏移；再通过在不同温度下，将间隙部件连同高精度位移传感器置于振动台上，通过调节不同的振动条件模拟高精度位移传感器处于不同的振动环境，记录其受振动影响造成的位移偏移；重复上叙操作，统计计算出高精度位移传感器受温度、振动影响造成的位移偏移平均值，建立数据模型，写入高精度位移传感器的单片机内，从而自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差。
4.根据权利要求1所述的用于间隙监测的高精度位移传感器，其特征在于：滑动基体的内端为套设在导杆上的滑块，所述导杆的两端均套设有限位弹簧，限位弹簧位于滑块的左右两侧并限制滑块在自由状态下处于导杆上的中间位置。
5.根据权利要求1所述的用于间隙监测的高精度位移传感器，其特征在于：壳体的顶面设置有开口，开口处设置有盖板，所述壳体及盖板均为不锈钢材质。
6.根据权利要求1所述的用于间隙监测的高精度位移传感器，其特征在于：所述PCB组件中还设置有防电磁干扰电路。
7.根据权利要求1所述的用于间隙监测的高精度位移传感器，其特征在于：所述磁体为强磁性永磁体。
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