CN112729089B - 一种应用于多场合的位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子卡尺技术领域，具体为一种应用于多场合的位移传感器，其提升环境适应性，功耗低，通用性好，其包括定尺和动尺，其特征在于，所述定尺上等间距间隔设置有反射体，所述动尺包括电源、与所述反射体配合的传感线圈，所述传感线圈一端通过驱动电路连接脉冲电路，所述传感线圈另一端连接采样电路，所述采样电路连接MCU模块；所述脉冲电路和所述驱动电路用于给所述传感线圈发送脉冲信号；所述采样电路用于采集磁场信号；所述MCU模块将采集到的磁场信号得出互感系数计算出动尺的移动距离。

Description

一种应用于多场合的位移传感器
技术领域
本发明涉及电子卡尺技术领域，具体为一种应用于多场合的位移传感器。
背景技术
电子卡尺广泛应用于工业领域以及日常生活中，是一种极其常见的量具。传统的电子卡尺大多采用位移传感器原理设计，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把被测物理量转换为电量，经由采样模块采样，并送至MCU进行分析处理，以间接表征出距离特性。
传统的位移传感器主要有电感式位移传感器、电容式位移传感器、电位器式位移传感器等。这几类位移传感器虽然都具有性能稳定、价格低廉等优势，然而却各自存在一定缺陷。
电容传感器以电容器作为传感元件，将被测物理量转换成电容量，然而由于其输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰，严重时甚至无法工作，且该类传感器寄生电容大，对环境要求较为苛刻。
电感式位移传感器是一种由铁心和线圈构成的将直线位移变化转换为线圈电感量变化的传感器，然而其对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高，不适用于高频动态测量，且耗电较大，不利于连续工作。
电位器式位移传感器利用物体的位移引起电位器移动端的电阻变化，阻值变化间接反映位移量，缺点是易磨损，对测量环境要求高。
发明内容
为了解决现有通用性差，功耗高，无法适应工厂里恶劣环境的问题，本发明提供了一种一种应用于多场合的位移传感器，其提升环境适应性，功耗低，通用性好。
其技术方案是这样的：一种应用于多场合的位移传感器，其包括定尺和动尺，其特征在于，所述定尺上等间距间隔设置有反射体，所述动尺包括电源、与所述反射体配合的传感线圈，所述传感线圈一端通过驱动电路连接脉冲电路，所述传感线圈另一端连接采样电路，所述采样电路连接MCU模块；
所述脉冲电路和所述驱动电路用于给所述传感线圈发送脉冲信号；
所述采样电路用于采集磁场信号；
所述MCU模块将采集到的磁场信号得出互感系数计算出动尺的移动距离。
其进一步特征在于，所述定尺上还设置有渐变反射条。
采用本发明后，电涡流位移传感器原理，脉冲信号经过驱动增强后向传感线圈发出电流脉冲，传感线圈产生磁场，定尺上的反射体上产生涡流，涡流产生磁场反作用于传感线圈，采样电路采样后将信号送至MCU，根据电涡流位移传感器原理，动尺中的采样电路则可以周期性地采样到互感系数M，并送于MCU进行分析，从而计算出动尺的移动距离，不容易受外界干扰，环境适应性强，脉冲电路的设计减少了功耗，整体通用性好。
附图说明
图1为本发明原理图；
图2为定尺与动尺对应示意图；
图3为电感等效示意图；
图4为电涡流位移传感器涡流产生原理示意图；
图5为传感线圈在定尺上面对应的位置与互感系数M的关系示意图；
图6为反射体的几种结构示意图；
图7为渐变反射条的几种结构示意图。
具体实施方式
见图1所示，一种电子卡尺装置，其包括定尺1和动尺2，定尺1上等间距间隔设置有反射体3，反射体3为金属板，动尺2包括电源、与反射体配合的传感线圈，传感线圈一端通过驱动电路连接脉冲电路，传感线圈另一端连接采样电路，采样电路连接MCU模块，其中MCU模块采用 TI 品牌MSP430系列的16位超低功耗MCU。反射体可以是任意形状的金属块。
电源可采用锂电池供电，用于其他模块的供电；
脉冲电路和驱动电路用于给传感线圈发送脉冲信号，可以降低功耗，脉冲信号经过驱动电路增强后向传感线圈发出电流脉冲，传感线圈产生磁场，定尺上的反射体上产生涡流，涡流产生磁场反作用于传感线圈；
采样电路用于采集磁场信号，
MCU模块采集到磁场信号，根据电涡流位移传感器原理，MCU模块可以分析出传感线圈与反射体之间的距离得出互感系数计算出动尺的移动距离；
输出接口，用于将测量到的数据输出，可无线、蓝牙或有线输出至电脑及手机，也可直接输出到电子显示屏。
下面具体描述测量原理：
首先是电涡流的产生，原理如图4，传感线圈L1上通高频信号，产生的高频磁场作用于金属板反射体上，由于趋肤效应，金属板表面感应后产生涡流，涡流产生的磁场反作用于传感线圈L1上，会导致传感线圈L1的电感等效变化，其变化程度（用M表示）取决于线圈的外形尺寸，线圈至金属板之间的距离H、金属板材料特性C，传感器线圈上的电流I1，以及线圈高频信号的频率Fosc等，因此可将该变化程度表征为函数：
M=f（I1，H，C，Fosc,......）
当传感器电流I1，信号频率Fosc、金属板材料特性C等因素固定时，传感线圈L1的电感接收金属板涡流反射的变化M仅有传感器线圈与金属板之间的距离H决定，且其相互关系一一对应。
电涡流位移传感器测量传感器线圈与金属板距离的电路模型如图3所示，L1为传感线圈，L2为金属板的产生涡流的等效线圈，I1为传感线圈电流，I2为涡流电流，R2为涡流线圈等效负载，M为两个线圈的互感系数，由前述可知，该互感系M数与两个线圈间的距离有关。
通常，传感线圈离反射体过远后，互感系数M衰减较为严重，因而在本发明中分布多个反射体。传感线圈在定尺上面对应的位置与互感系数M的关系如图5，在反射体正上方，反射信号最强，在两个反射体中间，互感最弱，因此随着动尺的移动，互感系数M呈现周期性的变化，动尺中的采样电路则可以周期性地采样到互感系数M，并送于MCU进行分析，从而计算出动尺的移动距离。本发明中，互感系数M的采样是通过LC振荡电路来实现，振荡电路的频率会随着动尺的位移距离改变振荡频率。
本发明的电子卡尺装置，使用时可以先将动尺移动到相应位置，然后打开电源，由于定尺上设置有渐变反射条，因此也能识别当前位置。下面具体举例说明：本发明的电感和金属发射体具体设计如图2所示。动尺上的电感包含L3和L4两种，定尺上的金属反射体包含等距离的方块金属体和一个单独的三角形金属体，动尺上的L3只与三角形金属体进行互感，L4只与方块金属体进行互感。L4与方块金属体互感得到卡尺位移距离的原理前文已有描述，这里不再赘述。本发明提供的电子卡尺装置正是利用了电感L3与三角形金属体的互感，从而可以自动识别当前位置，由于定尺上的三角形金属体在横线方向上的从左到右相应的面积越来越小，因而动尺上的电感L3会随着动尺的移动，与三角形金属体的互感系数会呈现规律变化，也即在每个位置处，互感系数都不同。因此，在自动识别时，先是利用定尺上的三角形反射体，粗略定位当前位置，保证至少可以判断动尺对应滑动了多少个方块发射体；然后利用定尺上的方块反射体的距离与互感系数之间的关系，如图5，精确确定动尺对应的在两块方块反射体之间的距离。当前位置可以表达为：
X=n*T+f（M）
X为当前位置；T表示两个方块反射体之间的距离（反射体中心至反射体中心），T为固定参数；n表示当前位置粗略对应移动了多少个距离T，n由电感L1与三角形反射体互感得出；f（M）表示L1与方块反射体互感系数间接得到动尺当前位置在两个方块反射体中间的具体位置。
图6和图7分别给出了反射体和渐变反射条的其中几种结构示意图。
反射体与渐变反射条的组数可以根据实际需求进行调整。

Claims (2)

1.一种应用于多场合的位移传感器，其包括定尺和动尺，其特征在于，所述定尺上等间距间隔设置有两排反射体，所述动尺包括电源、与所述反射体配合的两组传感线圈，所述传感线圈一端通过驱动电路连接脉冲电路，所述传感线圈另一端连接采样电路，所述采样电路连接MCU模块；
所述脉冲电路和所述驱动电路用于给所述传感线圈发送脉冲信号；
所述采样电路用于采集磁场信号；
所述MCU模块将采集到的磁场信号得出互感系数计算出动尺的移动距离，当前位置可以表达为：
X=n*T+f（M）
X为当前位置；T表示两个反射体中心之间的距离，T为固定参数；n表示当前位置粗略对应移动了多少个距离T，n由传感线圈与其中一排反射体互感得出；f（M）表示传感线圈与另一排反射体互感系数间接得到动尺当前位置在两个反射体中间的具体位置。
2.根据权利要求1所述的一种应用于多场合的位移传感器，其特征在于，其进一步特征在于，所述定尺上还设置有渐变反射条。
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