CN113324465A - 一种绝对位移传感器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝对位移传感器及设计方法，属于绝对位移传感器技术领域，该传感器包括外壳、连接轴、电磁负刚度元件和测量组件；外壳的一端设有通孔；连接轴与外壳同轴设置，连接轴的一端穿过通孔伸至外壳内；电磁负刚度元件包括永磁体和线圈绕组，永磁体固接于连接轴外，线圈绕组与外壳的内壁固接，永磁体与线圈绕组之间留有径向间隙；测量组件的外缘与外壳相连、中心与连接轴相连；使用电磁准零刚度技术，将被测系统的绝对位移直接转换为传感器内质量块相对于无振动参考点的相对位移来进行测量，既降低了制造成本，又减少了测量的时间延迟和误差累积；此外一种绝对位移传感器设计方法，提供了绝对位移传感器的设计步骤。

Description

一种绝对位移传感器及其设计方法

技术领域

本发明属于绝对位移传感器技术领域，尤其涉及一种绝对位移传感器及其设计方法。

背景技术

在工业生产线、精密工程以及科学研究等实践中，要对一个系统进行控制及隔振，测量该系统的位移量是极为重要的一环。但是在很多情况下，由于被测量的对象没有一个绝对静止的参考点而导致无法直接测量该系统的绝对位移，不少研究者使用间接测量的方法来测量系统的绝对位移，然而采用间接测量的方法也不可避免的会带来测量误差及延迟。而在实际应用中，一些系统对控制精度要求比较高、系统的时间响应也比较短，很多时候达不到良好的控制效果往往是因为系统的绝对位移无法直接测量。

在主动隔振领域中，因为位置反馈系统的低传递率和低顺从性，使其在消除低频振动和对抗外部干扰的鲁棒性方面比其他类型的反馈更具优势。通常位置反馈是通过测量隔离质量(有效载荷或设备)的绝对位移来实现的。目前已经提出了几种方法来获得隔离质量的绝对运动，比如加速度积分法和速度积分法。然而，加速度积分法在对加速度信号进行积分期间可能会引入额外的时间延迟和误差累积，导致测量结果不准确，达不到很好的控制效果。速度积分法则需要用到速度传感器，测量系统的成本相对较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术中无法直接测量绝对位移的缺陷，提供了一种无振动点、能够直接测量绝对位移的绝对位移传感器，具体为一种绝对位移传感器。

本发明要解决的另一个技术问题在于克服上述现有技术中传感器制造成本高的缺陷，提供了一种制造成本低廉的传感器设计方法，具体为一种绝对位移传感器设计方法。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

提供了一种绝对位移传感器，它包括外壳、连接轴、电磁负刚度元件和测量组件；

外壳的一端设有通孔；

连接轴与外壳同轴设置，连接轴的一端穿过通孔伸至外壳内；

电磁负刚度元件包括永磁体和线圈绕组，永磁体固接于连接轴外，线圈绕组与外壳的内壁固接，永磁体与线圈绕组之间留有径向间隙；

测量组件的外缘与外壳相连、中心与连接轴相连。

优选的，外壳包括小径壳体、大径壳体和连接法兰；小径壳体为圆柱形壳体，一端开口、一端封闭，封闭端设有中心孔；大径壳体与小径壳体结构相同；大径壳体固接于连接法兰中心，小径壳体同轴连接于大径壳体的封闭端。

优选的，小径壳体的开口端设有外延的平面。

优选的，连接轴的一端伸至外壳内，其中部与永磁体相连，其底端与所述测量组件相连；轴主体的外端外连质量块，质量块的直径大于所述通孔的孔径。

优选的，测量组件包括弹性构件和应变片；弹性构件为线性弹性构件，弹性构件的外端与外壳相连、内端与所述连接轴相连；应变片连接于弹性构件的中心；多个测量组件关于连接轴呈环形阵列布置。

优选的，电磁负刚度元件包括一对永磁体和一对线圈绕组；沿轴向两永磁体的中心面与两线圈绕组的中心面重合；一对线圈绕组之间留有轴向间隙。

为了实现上述的目的，本发明还提供了一种绝对位移传感器设计方法，具体步骤为：

S1：确定电磁负刚度元件中线圈绕组和永磁体的几何参数，永磁体与线圈绕组间的径向间隙，以及线圈绕组间的轴向间隙；

S2：调节线圈绕组间的轴向间隙，直至电磁负刚度元件的负刚度非线性分量为零，得到电磁负刚度元件的线性负刚度；

S3：根据S2得到的线性负刚度，确定测量组件的刚度系数，以及测量组件中弹性构件的长度、宽度和厚度；

S4：将应变片布置在弹性构件上组成全桥测量电路。

优选的，在S1中，确定电磁负刚度元件中线圈绕组和永磁体的几何参数的具体步骤为：

S1.1：确定线圈绕组的外半径和永磁体的内半径；制作线圈绕组，确定线圈绕组的内半径和宽度；

S1.2：根据S1.1确定的线圈绕组的几何参数，确定永磁体的外半径和宽度。

优选的，全桥测量电路包括输入电压和输出电压，全桥测量电路输入电压与输出电压间满足如下公式：

其中U₀表示全桥测量电路输出电压值，U表示全桥测量电路输入电压值，R表示应变片的初始电阻值，ΔR表示应变片的阻值变化量。

优选的，弹性构件包括形变量ε，形变量ε与阻值变化量ΔR间存在如下线性关系：

则形变量ε的计算公式为：

其中K₀表示应变片的灵敏系数，ΔL表示弹性构件的变形量，L表示弹性构件的长度。

有益效果：

1.本发明使用电磁准零刚度技术，将被测系统的绝对位移直接转换为传感器内质量块相对于无振动参考点的相对位移来进行测量，既降低了制造成本，又减少了测量的时间延迟和误差累积。

2.本发明提供的电磁负刚度元件可以在一定范围内调整为线性，消除了电磁非线性刚度的影响，从而提高了测量精度。

3.本发明通过将永磁体嵌套到线圈绕组中，使得本发明结构更为紧凑，传感器本身具有比较小的外形结构尺寸，在加工、制造与装配方面成本更加低廉。

4.本发明传感器中采用了电磁负刚度元件，由于电磁力的非接触性质，使系统具有较小的阻尼系数和较长的疲劳寿命。

5.本发明使用应变片测量弹性构件的形变量，再通过全桥测量电路将形变量转换为电压信号进行测量，进一步提高了测量精度。

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为本发明实施中绝对位移传感器的结构示意图。

图2为本发明实施中绝对位移传感器沿A-A的剖面示意图。

图3为本发明实施中绝对位移传感器沿B-B的剖面示意图。

图4为本发明实施中绝对位移传感器的应变片构成的测量电路示意图。

图5为本发明实施中绝对位移传感器的位移测量关系转换示意图。

图6为本发明实施中绝对位移传感器的电磁负刚度元件几何尺寸示意图。

图7为本发明实施中绝对位移传感器的电磁负刚度元件电流方向和磁化示意图。

图8为本发明实施中绝对位移传感器设计方法的流程图。

附图标记说明：

1-外壳，11-小径壳体，12-大径壳体，13-连接法兰；

2-连接轴；

3-电磁负刚度元件，31-永磁体，32-线圈绕组；

4-测量组件，41-弹性构件，42-应变片；

5-质量块；

6-轴环；

7-轴承。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供的这种绝对位移传感器，它包括外壳1、连接轴2、电磁负刚度元件3和测量组件4。连接轴2与外壳1同轴设置，连接轴2的一端与质量块5固定连接，另一端伸入外壳1内分别穿过轴承7、电磁负刚度元件3与测量组件4连接；电磁负刚度元件3包括永磁体31和线圈绕组32，永磁体31固接于连接轴2外，线圈绕组32与外壳1的内壁固接，永磁体31与线圈绕组32之间留有径向间隙；测量组件4的外缘与外壳1相连、中心与连接轴2相连。

如图1所示，外壳1包括小径壳体11、大径壳体12和连接法兰13。小径壳体11为圆柱形壳体，一端开口、一端封闭，封闭端设有中心孔作为连接轴穿过的通孔，小径壳体11的开口端设有外延的平面。大径壳体12与小径壳体11结构相同。小径壳体11置于大径壳体12的封闭端上通过螺钉连接，大径壳体12固接于连接法兰13中心，小径壳体11同轴连接于大径壳体12的封闭端。

连接轴2的内端伸至外壳1内，连接轴2与外壳1的中心孔之间设有轴承7。连接轴2的中部在小径外壳11内通过轴环6与电磁负刚度元件3的永磁体31相连，底端在大径壳体12内与测量组件4相连。连接轴2的外端外连质量块5，质量块5的直径大于通孔的孔径以限位。

如图1、图2所示，电磁负刚度元件3包括两块永磁体31和两个线圈绕组32，两块永磁体31通过轴环6固定在连接轴2的中上部，两块永磁体31互相接触且内径、外径和宽度相同；每块永磁体31的宽度与每个线圈绕组32的宽度相等；初始状态两个线圈绕组32的中心平面与两块永磁体31的中心平面在轴向上重合；在工作过程中永磁体31与线圈绕组32不接触，两个线圈绕组32间有一定的轴向间隙，且在工作时分别通过这两个线圈绕组32的电流方向相反，用以消除电磁负刚度元件3在一定运动范围内的电磁非线性刚度。

通过上述结构，使得质量块5、连接轴2、轴环6和永磁体31只能相对于外壳1做轴向运动。并将永磁体31嵌套到线圈绕组32中，使得本发明结构更为紧凑，传感器本身具有比较小的外形结构尺寸，在加工、制造与装配方面成本更加低廉。

如图3所示，测量组件4包括弹性构件41和应变片42，弹性构件为线性弹性构件，弹性构件41的外端与所述外壳1相连、内端与所述连接轴2相连；应变片42为电阻应变片，应变片42连接于弹性构件41的中心；四组测量组件4关于连接轴2呈环形阵列布置。组成全桥测量电路如图4所示，则全桥测量电路的输出电压与输入电压满足关系：

其中U₀表示全桥测量电路输出电压值，U表示全桥测量电路输入电压值，R表示应变片42的初始电阻值，ΔR表示应变片42的阻值变化量。

随着弹性构件41的变形，全桥测量电路的输出电压值U₀随应变片42的变化而变化，应变片42的阻值变化量ΔR与弹性构件41的形变量ε存在如下线性关系：

通过输出电压与输入电压的满足关系公式，即可得到弹性构件41的形变量ε公式：

其中K₀表示应变片42的灵敏系数，ΔL表示弹性构件41的变形量，L表示弹性构件41的长度。

如图5所示，测得弹性构件41的变形量ΔL之后，由于弹性构件41本身的长度远大于其在工作过程中的形变量，故发生形变后弹性构件41可视为长度为L+ΔL的长直薄片，则绝对位移传感器的外壳1相对于工作点的位移变化量x与输出电压U₀的对应关系为：

绝对位移传感器的原理为：该传感器通过两个线圈绕组32通上相反方向的电流，从而产生相反方向的电磁力，同时作用在线圈绕组32存在一定间隙的永磁体31上，通过调节线圈绕组32间的轴向间隙，使得电磁负刚度元件3的负刚度线性化，同时在线圈绕组32和永磁体31间实现电磁负刚度并联。电磁负刚度元件3的线性负刚度与测量组件7的线性正刚度，实现电磁准零刚度，电磁负刚度元件3的非接触性质能极大的提高该传感器的测量精度。

如图6所示，组成电磁负刚度元件3的线圈绕组32的外半径、内半径和厚度分别为R_c、r_c、D_c；永磁体31的内半径、外半径和厚度分别为R_m、r_m、D_m；永磁体31和线圈绕组32间的径向间隙为ω；线圈绕组32间的轴向间隙为R_g。

线圈绕组32的通电电流方向、线圈绕组32与永磁体31的磁化方向如图7所示，两块永磁体31分别与两个线圈绕组32在轴向上磁极相互排斥，电磁负刚度元件3的负刚度特性是永磁体31和线圈绕组32在轴向上中心位置位移y的二次函数，即电磁负刚度可用k＝py+qy²表示，其中p是电磁负刚度元件3的线性负刚度，q与非线性刚度有关，表示电磁力的非线性，为了实现电磁准零刚度，p应该由测量组件4的正刚度特性来平衡，非线性刚度q则通过调节线圈绕组32间的轴向间隙R_g来消除。根据电磁负刚度元件3的线性负刚度p可以确定测量组件4的刚度系数f。质量块5与连接轴2等组成的刚性整体就可以被视为处于绝对静止状态，因为作用在该传感器外壳1上的任何扰动或振动都将被完全隔离，不能传递给质量块5与连接轴2等组成的刚性整体。再根据传感器的大径壳体12的外形尺寸大小，确定测量组件4的几何尺寸，然后在弹性构件41上贴附应变片42组成全桥测量电路；使用该传感器进行测量时，将传感器外壳1固定连接在被测对象上，与被测对象一起运动，绝对静止的质量块5与连接轴2等组成的刚性整体相对于传感器外壳1做相对运动，则相对运动的位移y即为被测对象的绝对位移。

本发明提供的一种绝对位移传感器具有以下有益效果：

1.本发明使用电磁准零刚度技术，将被测系统的绝对位移直接转换为传感器内质量块5相对于无振动参考点的相对位移来进行测量，既降低了制造成本，又减少了测量的时间延迟和误差累积。

2.本发明提供的电磁负刚度元件3可以在一定范围内调整为线性，消除了电磁非线性刚度的影响，从而提高了测量精度。

3.本发明传感器中采用了电磁负刚度元件3，由于电磁力的非接触性质，使系统具有较小的阻尼系数和较长的疲劳寿命。

如图8所示，本发明提供了一种绝对位移传感器设计方法，具体步骤为：

步骤一：根据传感器整体外形结构尺寸大小、连接轴2的直径大小及装配要求，确定电磁负刚度元件3中线圈绕组32的外半径R_C和永磁体31的内半径r_m，选择粗细d合适的铜丝绕制成线圈绕组32，确定线圈绕组32的内半径r_c、宽度D_c、径向线圈匝数N_r和轴向线圈匝数N_z。线圈绕组32的径向线圈匝数N_r和轴向线圈匝数N_z相同，组成电磁负刚度元件3的两个线圈绕组32尺寸结构完全相同，通电电流方向相反；

步骤二：根据步骤一所确定的线圈绕组32的几何参数，设计选定永磁体31的磁感应强度B、外半径R_m、永磁体31与线圈绕组32之间的径向间隙ω，以及两个线圈绕组32之间的轴向间隙R_g，每块永磁体31宽度D_m与每个线圈绕组32的宽度D_c分别相等；

步骤三：给线圈绕组32接通合适的电源，电源电压U_c，调节线圈绕组32间的轴向间隙R_g，直至电磁负刚度元件3的负刚度非线性分量Q在一定位移范围±x_g内为零，则其将产生均匀的电磁场，得到线性电磁力，消除电磁非线性的影响，使得此时电磁负刚度元件3的刚度F在一定位移范围内近似等于其线性负刚度p，以此得到电磁负刚度元件3的线性负刚度p，并确定此时两个线圈绕组32之间的轴向间隙R_g；

步骤四：根据步骤三得到的线性负刚度p，确定测量组件4的刚度系数f，电磁负刚度元件3的负刚度与测量组件4的正刚度形成正负刚度并联，从而实现电磁准零刚度。根据该传感器的外形结构尺寸及装配要求，确定弹性构件41的长度L、宽度W、厚度H；

步骤五：将阻值合适的应变片42分别布置在组成测量组件4的四个弹性构件41上，用所述四个应变片42共同组成一个全桥测量电路，接通电磁线圈绕组32的工作电源U_c和测量电路的输入电压U，传感器开始工作，根据桥路输出电压U₀的变化即可测得绝对位移值x，传感器的位移测量范围即为电磁负刚度元件3刚度为线性的位移范围±x_g。

根据上述步骤所确定的线圈绕组32的外半径R_c、内半径r_c、宽度D_c、所选铜丝粗细d、径向线圈匝数N_r和轴向线圈匝数N_z；永磁体31的外半径R_m、内半径r_m、宽度D_m，即为线圈绕组32和永磁体31的几何尺寸；所确定的测量组件4的长度L、宽度W、厚度H即为测量组件4的几何尺寸；所确定的测量组件4每个弹性构件41的刚度系数f即为测量组件4的性能参数；所确定的位移范围±x_g即为传感器的测量范围；通过以上设计步骤可以完全确定传感器的设计参数，通过负刚度匹配消除非线性刚度特性，可以获得一定位移范围内的线性负刚度，工作点可在此范围内轴向移动；再通过正负刚度的并联使得该传感器实现此范围内的准零刚度，从而实现绝对位移的测量。

本发明提供的一种绝对位移传感器设计方法的有益效果为：

1.通过以上提出的设计方法使得传感器系统的结构更为紧凑。

2.电磁力的非接触性质更是有效减小系统的阻尼系数并增长系统的疲劳寿命。

3.通过调整线圈绕组32之间的轴向间隙，消除了刚度非线性的影响，从而提高了测量精度。

4.使用应变片42测量弹性构件41的形变量，再通过全桥测量电路将形变量转换为电压信号进行测量，进一步提高了测量精度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种绝对位移传感器，其特征在于：它包括外壳(1)、连接轴(2)、电磁负刚度元件(3)和测量组件(4)；

外壳(1)的一端设有通孔；

连接轴(2)与外壳(1)同轴设置，连接轴(2)的一端穿过通孔伸至外壳(1)内；

电磁负刚度元件(3)包括永磁体(31)和线圈绕组(32)，永磁体(31)固接于连接轴(2)外，线圈绕组(32)与外壳(1)的内壁固接，永磁体(31)与线圈绕组(32)之间留有径向间隙；

测量组件(4)的外缘与外壳(1)相连、中心与连接轴(2)相连。

2.根据权利要求1所述的绝对位移传感器，其特征在于：所述外壳(1)包括小径壳体(11)、大径壳体(12)和连接法兰(13)；小径壳体(11)为圆柱形壳体，一端开口、一端封闭，封闭端设有中心孔；大径壳体(12)与小径壳体(11)结构相同；大径壳体(12)固接于连接法兰(13)中心，小径壳体(11)同轴连接于大径壳体(12)的封闭端。

3.根据权利要求2所述的绝对位移传感器，其特征在于：所述小径壳体(11)的开口端设有外延的平面。

4.根据权利要求1所述的一种绝对位移传感器，其特征在于：所述连接轴(2)的一端伸至外壳(1)内，其中部与永磁体(31)相连，其底端与所述测量组件(4)相连；连接轴(2)的外端外连质量块(5)，质量块(5)的直径大于所述通孔的孔径。

5.根据权利要求1所述的一种绝对位移传感器，其特征在于：所述测量组件(4)包括弹性构件(41)和应变片(42)；弹性构件(41)为线性弹性构件，弹性构件(41)的外端与所述外壳(1)相连、内端与所述连接轴(2)相连；应变片(42)连接于弹性构件(41)的中心；多个测量组件(4)关于连接轴(2)呈环形阵列布置。

6.根据权利要求1所述的一种绝对位移传感器，其特征在于：所述电磁负刚度元件(3)包括一对永磁体(31)和一对线圈绕组(32)；沿轴向两永磁体(31)的中心面与两线圈绕组(32)的中心面重合；一对线圈绕组(32)之间留有轴向间隙。

7.一种绝对位移传感器设计方法，其特征在于，具体步骤为：

S1：确定电磁负刚度元件(3)中线圈绕组(32)和永磁体(31)的几何参数，永磁体(31)与线圈绕组(32)间的径向间隙，以及线圈绕组(32)间的轴向间隙；

S2：调节线圈绕组(32)间的轴向间隙，直至电磁负刚度元件(3)的负刚度非线性分量为零，得到电磁负刚度元件(3)的线性负刚度；

S3：根据S2得到的线性负刚度，确定测量组件(4)的刚度系数，以及测量组件(4)中弹性构件(41)的长度、宽度和厚度；

S4：将应变片(42)布置在弹性构件(41)上组成全桥测量电路。

8.根据权利要求7所述的一种绝对位移传感器设计方法，其特征在于S1中，确定电磁负刚度元件(3)中线圈绕组(32)和永磁体(31)的几何参数的具体步骤为：

S1.1：确定线圈绕组(32)的外半径和永磁体(31)的内半径；制作线圈绕组(32)，确定线圈绕组(32)的内半径和宽度；

S1.2：根据S1.1确定的线圈绕组(32)的几何参数，确定永磁体(31)的外半径和宽度。

9.根据权利要求7所述的一种绝对位移传感器设计方法，其特征在于：所述全桥测量电路包括输入电压和输出电压，所述全桥测量电路输入电压与输出电压间满足如下公式：

其中U₀表示全桥测量电路输出电压值，U表示全桥测量电路输入电压值，R表示应变片(42)的初始电阻值，ΔR表示应变片(42)的阻值变化量。

10.根据权利要求9所述的一种绝对位移传感器设计方法，其特征在于：所述弹性构件(41)包括形变量ε，所述形变量ε与阻值变化量ΔR间存在如下线性关系：

则形变量ε的计算公式为：

其中K₀表示应变片(42)的灵敏系数，ΔL表示弹性构件(41)的变形量，L表示弹性构件(41)的长度。

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