CN114166106A - 磁致伸缩位移传感器 - Google Patents

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张登友
杨百炼
王宏
邓晓冬
洛文波
岳恩
罗松
於舟
王�华
吴承汕
张立新
赵彦
王东哲
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Abstract

一种磁致伸缩位移传感器，探测杆的杆体内设有磁致伸缩波导丝回路，杆体上滑动配合游标磁环，杆体的一端设置探测头，探测头设置接收线圈，磁致伸缩波导丝回路和接收线圈通过信号远距离传输电缆与变送器连接，变送器包括单片机、激励脉冲电路模块、信号远传模块、时间采集模块，信号远距离传输电缆为编织铠装电缆，该编织铠装电缆内包括三根同轴电缆，其中一根为二同轴电缆，二同轴电缆一端连接激励脉冲电路模块，另一端连接磁致伸缩波导丝回路，另外两根均为三同轴电缆，接收线圈通过两根三同轴电缆连接信号远传模块，信号远传模块经信号调理电路模块、时间采集模块连接单片机，激励脉冲电路模块连接单片机，变送器设置在盒体内，盒体远离被测源。

Description

磁致伸缩位移传感器
技术领域
本发明涉及传感器测量领域，具体涉及一种磁致伸缩位移传感器。
背景技术
磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩原理制造的高精度、长行程绝对位置测量的位移传感器，一般由含敏感检测元件（即磁致伸缩波导丝回路）的探测头、以及游标磁环安装在探测杆上，与安装在电子仓的变送器一起组成。磁致伸缩线性位移传感器的检测机理基于传感器核心检测元件磁致伸缩波导丝回路与游标磁环间的魏德曼效应。测量时，变送器在磁致伸缩线性位移传感器的检测机理基于传感器核心检测元件——磁致伸缩波导丝回路与游标磁环间的魏德曼效应。
如图1所示，在测量时电子仓发送一个电流激励脉冲Ip（初始脉冲）至波导丝回路，电流激励脉冲Ip会在波导丝周围形成环形磁场。该环形磁场与游标磁环产生的永久磁场相遇时，由于磁致伸缩效应，在波导丝磁化点会产生一个扭转应力弹性波，以恒定速度从游标磁环所在的位置沿波导丝传输至探测头，并被接收线圈感应脉冲信号（结束脉冲），计算下初始脉冲信号与结束脉冲信号的时间差t，结合扭转应力机械波的恒定波速V，即可确定游标磁环与探测头之间的距离L=V*t。
现有的磁致伸缩位移传感器均为一体化结构形式，即探测杆与电子仓在磁致伸缩位移传感器中的相对位置非常近。若磁致伸缩位移传感器在高温环境或者核辐照环境下使用，会加速电子仓内的半导体电子元器件在高温或γ射线、热中子等高能粒子的影响下，寿命大大缩短。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种磁致伸缩位移传感器，使用时，只让探测杆处于高温环境或核辐照环境，利用“信号远距离传输电缆”将电子仓内的变送器与探测杆连接来传输信号对位移进行测量，使含有半导体电子元器件部分不会受到高温或γ射线、热中子等高能粒子的影响，大大提高了整个磁致伸缩位移传感器的使用寿命。
本发明的目的是采用下述方案实现的：一种磁致伸缩位移传感器，包括探测杆，所述探测杆的杆体内设有磁致伸缩波导丝回路，所述杆体上滑动配合一游标磁环，所述杆体的一端设置探测头，所述探测头设置接收线圈，所述磁致伸缩波导丝回路的一端和接收线圈通过一信号远距离传输电缆与一变送器连接，所述变送器包括单片机、激励脉冲电路模块、信号远传模块、时间采集模块，所述信号远距离传输电缆为编织铠装电缆，该编织铠装电缆内包括三根同轴电缆，其中一根为二同轴电缆，该二同轴电缆一端连接激励脉冲电路模块，另一端连接磁致伸缩波导丝回路，另外两根均为三同轴电缆，所述接收线圈通过两根三同轴电缆连接信号远传模块，所述信号远传模块经信号调理电路模块、时间采集模块连接单片机，所述激励脉冲电路模块连接单片机，所述变送器设置在一盒体内，该盒体远离被测源。
优选地，所述单片机与变送器的电源模块连接，所述电源模块分别与变送器的激励脉冲电路模块、信号远传模块、信号调理电路模块、时间采集模块、数模转换模块、模拟信号输出模块、CAN信号输出模块、数字信号输出模块连接。
优选地，所述三同轴电缆由里到外包括导电内芯、屏蔽层，所述导电内芯、屏蔽层之间设有一与导电内芯同轴的导体管，所述导体管、导电内芯、屏蔽层之间均设有绝缘层。
优选地，所述信号远传模块包括第一运放、第二运放，所述第一运放的同相输入端与一根三同轴电缆的导电内芯连接，该三同轴电缆的导体管与第一运放的输出端连接，所述第二运放的同相输入端与另一根三同轴电缆的导电内芯连接，该三同轴电缆的导体管与第二运放的输出端连接，所述第一运放与第二运放的同相输入端之间并联两个串联的电阻，两个串联的电阻相连的一端接地。
优选地，所述第一运放与第二运放的反相输入端通过第一电阻相连。
优选地，所述第一运放、第二运放的输出端均通过反馈电阻分别与所述第一运放、第二运放的反相输入端对应连接。
优选地，所述第一运放的输出端通过第二电阻与一根三同轴电缆的导体管连接，所述第二电阻与该三同轴电缆的导体管之间并联第四电阻，所述第二运放的输出端通过第三电阻与另一根三同轴电缆的导体管连接，所述第三电阻与该三同轴电缆的导体管之间并联第五电阻，所述第四电阻、第五电阻均接地；
所述第一运放、第二运放的输出端分别与信号调理电路模块的第一信号输入端、第二信号输入端对应连接。
优选地，所述单片机通过数模转换模块与模拟信号输出模块连接。
优选地，所述单片机通过CAN信号输出模块与数字信号输出模块连接。
本发明包含如下有益效果：所述磁致伸缩波导丝回路的一端和接收线圈通过一信号远距离传输电缆与一变送器连接，所述变送器包括单片机、激励脉冲电路模块、信号远传模块、时间采集模块，所述信号远距离传输电缆为编织铠装电缆，该编织铠装电缆内包括三根同轴电缆，其中一根为二同轴电缆，该二同轴电缆一端连接激励脉冲电路模块，另一端连接磁致伸缩波导丝回路，另外两根均为三同轴电缆，所述接收线圈通过两根三同轴电缆连接信号远传模块，所述信号远传模块经信号调理电路模块、时间采集模块连接单片机，所述激励脉冲电路模块连接单片机，所述变送器设置在一盒体内，该盒体远离被测源。
利用“信号远距离传输电缆”将电子仓内的变送器与探测杆连接来传输信号对位移进行测量，只让探测杆处于高温环境或核辐照环境，含有半导体电子元器件的变送器远离被测源，所以不会受到高温或γ射线、热中子等高能粒子的影响，大大提高了整个磁致伸缩位移传感器的使用寿命。
优选地，所述单片机与变送器的电源模块连接，所述电源模块分别与变送器的激励脉冲电路模块、信号远传模块、信号调理电路模块、时间采集模块、数模转换模块、模拟信号输出模块、CAN信号输出模块、数字信号输出模块连接。
优选地，所述三同轴电缆由里到外包括导电内芯、屏蔽层，所述导电内芯、屏蔽层之间设有一与导电内芯同轴的导体管，所述导体管、导电内芯、屏蔽层之间均设有绝缘层。
由于磁致伸缩传感器的回波信号为高频弱信号，当传输距离过长时，同轴电缆的电容过大，会吸收掉回波信号，所述三同轴电缆就是在同轴电缆的导电内芯与屏蔽层之间加一金属导体管，其横截面为一个与导电内芯同轴的环形，通过导电内芯传输的信号经运算放大器进行电流放大后，施加在金属导体管上，使金属导体管上的电压与导电内芯的电压信号相等，相位相等，导电内芯与屏蔽层之间的电流被阻断，从而实现磁致伸缩传感器回波信号的远距离传输。
优选地，所述信号远传模块包括第一运放、第二运放，所述第一运放的同相输入端与一根三同轴电缆的导电内芯连接，该三同轴电缆的导体管与第一运放的输出端连接，所述第二运放的同相输入端与另一根三同轴电缆的导电内芯连接，该三同轴电缆的导体管与第二运放的输出端连接，所述第一运放与第二运放的同相输入端之间并联两个串联的电阻，两个串联的电阻相连的一端接地。
优选地，所述第一运放与第二运放的反相输入端通过第一电阻相连。
优选地，所述第一运放、第二运放的输出端均通过反馈电阻分别与所述第一运放、第二运放的反相输入端对应连接。
优选地，所述第一运放的输出端通过第二电阻与一根三同轴电缆的导体管连接，所述第二电阻与该三同轴电缆的导体管之间并联第四电阻，所述第二运放的输出端通过第三电阻与另一根三同轴电缆的导体管连接，所述第三电阻与该三同轴电缆的导体管之间并联第五电阻，所述第四电阻、第五电阻均接地，所述第四电阻、第五电阻的电阻一般根据电缆特性阻抗确定，所述第二电阻、第三电阻的作用是避免产生自激，其阻值均为20～51欧姆。
所述第一运放、第二运放的输出端分别与信号调理电路模块的第一信号输入端、第二信号输入端对应连接。
优选地，所述单片机通过数模转换模块与模拟信号输出模块连接。
优选地，所述单片机通过CAN信号输出模块与数字信号输出模块连接。
本发明的优点如下：
① 本发明采用分体式结构，利用“信号远距离传输电缆”将电子仓内的变送器与探测杆连接来传输信号对位移进行测量，只让探测杆处于高温环境或核辐照环境，含有半导体电子元器件的变送器远离被测源，所以不会受到高温或γ射线、热中子等高能粒子的影响，大大提高了整个磁致伸缩位移传感器的使用寿命，满足特殊工况环境的应用需求；
② 在电子仓的变送器中增加了信号远传模块，消除“信号远距离传输电缆”上分布电容对磁致伸缩传感器的回波信号——高频微弱信号的吸收影响，从而实现了高频微弱信号远距离的传输要求；
③ 采用铠装“信号远距离传输电缆”，有利于减少干扰信号的影响，通过金属编织铠装屏蔽层提高抗电磁干扰能力和工作可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的信号远距离传输电缆结构示意图；
图3为本发明的信号远距离传输电缆剖视图；
图4为本发明的信号远传模块的电路图。
具体实施方式
如图1至图4所示，一种磁致伸缩位移传感器，包括探测杆1，所述探测杆1的杆体2内设有磁致伸缩波导丝回路，所述杆体2上滑动配合一游标磁环3，所述杆体2的一端设置探测头4，所述探测头4设置接收线圈5，所述磁致伸缩波导丝回路的一端和接收线圈5通过一信号远距离传输电缆与一变送器18连接，所述变送器18包括单片机6、激励脉冲电路模块7、信号远传模块8、时间采集模块9，所述信号远距离传输电缆为编织铠装电缆，该编织铠装电缆包括三根同轴电缆、外护套26、金属编织铠装27，所述三根同轴电缆位于外护套26内，其中一根为二同轴电缆10，该二同轴电缆10一端连接激励脉冲电路模块7，另一端连接磁致伸缩波导丝回路，另外两根均为三同轴电缆11，本实施例中，所述三同轴电缆11由里到外包括导电内芯19、屏蔽层20，该屏蔽层20接地，即三同轴电缆11与变送器8相连的一端的屏蔽层20接地，所述导电内芯19、屏蔽层20之间设有一与导电内芯21同轴的导体管22，所述导体管22、导电内芯19、屏蔽层20之间均设有绝缘层24。所述三同轴电缆11的屏蔽层20外还设有内护套25，所述二同轴电缆10为常规的二同轴电缆。所述接收线圈5通过两根三同轴电缆11连接信号远传模块8，所述信号远传模块8经信号调理电路模块12、时间采集模块9连接单片机6，所述激励脉冲电路模块7连接单片机6，所述变送器18设置在一盒体内，该盒体远离被测源。
本实施例中，所述单片机6与变送器18的电源模块13连接，所述电源模块13分别与变送器18的激励脉冲电路模块7、信号远传模块8、信号调理电路模块12、时间采集模块9、数模转换模块14、模拟信号输出模块15、CAN信号输出模块16、数字信号输出模块17连接，通过电源模块13给变送器18的所有模块供电。
所述信号远传模块8包括第一运放U1、第二运放U2，本实施例中，第一运放为运放U1，第二运放为运放U2，所述第一运放U1的同相输入端与一根三同轴电缆的导电内芯连接，即第一运放U1的同相输入端与一根三同轴电缆的导电内芯相连于B端，该三同轴电缆的导体管与第一运放的输出端连接，即运放U1的输出端与该三同轴电缆的导体管相连于A端，所述第二运放的同相输入端与另一根三同轴电缆的导电内芯连接，即运放U2的同相输入端与另一根三同轴电缆的导电内芯相连于C端，该三同轴电缆的导体管与第二运放的输出端连接，即运放U2的输出端与该三同轴电缆的导体管相连于D端，所述第一运放与第二运放的同相输入端之间并联两个串联的电阻，两个串联的电阻相连的一端接地，本实施例中，两个串联的电阻为电阻R3/电阻R7，电阻R3与电阻R7的阻值均为0.1KΩ。
所述第一运放与第二运放的反相输入端通过第一电阻相连，本实施例中，第一电阻为电阻R5，其阻值为2KΩ。
所述第一运放、第二运放的输出端均通过反馈电阻分别与所述第一运放、第二运放的反相输入端对应连接，本实施例中，运放U1的反馈电阻为电阻R4，运放U2的反馈电阻为电阻R6，电阻R4与电阻R6的阻值均为1KΩ。
所述第一运放的输出端通过第二电阻与一根三同轴电缆的导体管连接，所述第二电阻与该三同轴电缆的导体管之间并联第四电阻，所述第二运放的输出端通过第三电阻与另一根三同轴电缆的导体管连接，所述第三电阻与该三同轴电缆的导体管之间并联第五电阻，所述第四电阻、第五电阻均接地；本实施例中，第二电阻为电阻R2，第三电阻为电阻R9，电阻R2与电阻R9的阻值均为24Ω，第四电阻为电阻R1，第五电阻为电阻R8，电阻R1与电阻R8的阻值均为51Ω
所述第一运放、第二运放的输出端分别与信号调理电路模块的第一信号输入端、第二信号输入端对应连接，本实施例中，运放U1的输出端与信号调理电路模块的第一信号输入端相连于E端，运放U2的输出端与信号调理电路模块的第二信号输入端相连于F端。
本实施例中，所述单片机6通过数模转换模块14与模拟信号输出模块15连接，最终的位移计算结果经数模转换模块14转换成模拟输出信号经模拟信号输出模块15输出，或者，所述单片机6通过CAN信号输出模块16与数字信号输出模块17连接，最终的位移计算结果经CAN信号输出模块16从数字信号输出模块17输出。
本实施例中，所述第一运放、第二运放均为高速放大器AD847，如下所述，本发明在实验中，本发明可以实现二百米至三百米外的物体位移进行远距离的传输测量：
单片机6发送激励脉冲的同时启动时间采集模块9，经激励脉冲电路模块7形成电流脉冲Ip，经二同轴电缆远距离传输到探测杆1杆体2中的波导丝回路；该激励脉冲会在波导丝周围形成环形磁场。该环形磁场与游标磁环3产生的永久磁场相遇时，由于磁致伸缩效应，在波导丝磁化点会产生一个扭转应力弹性波。该扭转应力弹性波以恒定速度从游标磁环3沿波导丝传输至探测头4，并被接收线圈5感应脉冲信号，即结束脉冲信号。该结束脉冲信号通过三同轴电缆，在信号远传模块8的作用下保证信号几乎无衰减地进行传输至信号调理电路模块12，经放大整形后进入时间采集模块9；单片机6根据时间采集模块9获得的时间，计算所对应的游标磁环3的位置信息，经数模转换模块14转换成模拟输出信号经模拟信号输出模块15输出，或者经CAN信号输出模块16从数字信号输出模块17输出。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神的前提下，对本发明进行的改动均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种磁致伸缩位移传感器，包括探测杆，所述探测杆的杆体内设有磁致伸缩波导丝回路，所述杆体上滑动配合一游标磁环，所述杆体的一端设置探测头，所述探测头设置接收线圈，其特征在于：所述磁致伸缩波导丝回路的一端和接收线圈通过一信号远距离传输电缆与一变送器连接，所述变送器包括单片机、激励脉冲电路模块、信号远传模块、时间采集模块，所述信号远距离传输电缆为编织铠装电缆，该编织铠装电缆内包括三根同轴电缆，其中一根为二同轴电缆，该二同轴电缆一端连接激励脉冲电路模块，另一端连接磁致伸缩波导丝回路，另外两根均为三同轴电缆，所述接收线圈通过两根三同轴电缆连接信号远传模块，所述信号远传模块经信号调理电路模块、时间采集模块连接单片机，所述激励脉冲电路模块连接单片机，所述变送器设置在一盒体内，该盒体远离被测源。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩位移传感器，其特征在于：所述单片机与变送器的电源模块连接，所述电源模块分别与变送器的激励脉冲电路模块、信号远传模块、信号调理电路模块、时间采集模块、数模转换模块、模拟信号输出模块、CAN信号输出模块、数字信号输出模块连接。
3.根据权利要求1所述的磁致伸缩位移传感器，其特征在于：所述三同轴电缆由里到外包括导电内芯、屏蔽层，所述导电内芯、屏蔽层之间设有一与导电内芯同轴的导体管，所述导体管、导电内芯、屏蔽层之间均设有绝缘层。
4.根据权利要求1所述的磁致伸缩位移传感器，其特征在于：所述信号远传模块包括第一运放、第二运放，所述第一运放的同相输入端与一根三同轴电缆的导电内芯连接，该三同轴电缆的导体管与第一运放的输出端连接，所述第二运放的同相输入端与另一根三同轴电缆的导电内芯连接，该三同轴电缆的导体管与第二运放的输出端连接，所述第一运放与第二运放的同相输入端之间并联两个串联的电阻，两个串联的电阻相连的一端接地。
5.根据权利要求4所述的磁致伸缩位移传感器，其特征在于：所述第一运放与第二运放的反相输入端通过第一电阻相连。
6.根据权利要求4所述的磁致伸缩位移传感器，其特征在于：所述第一运放、第二运放的输出端均通过反馈电阻分别与所述第一运放、第二运放的反相输入端对应连接。
7.根据权利要求4所述的磁致伸缩位移传感器，其特征在于：所述第一运放的输出端通过第二电阻与一根三同轴电缆的导体管连接，所述第二电阻与该三同轴电缆的导体管之间并联第四电阻，所述第二运放的输出端通过第三电阻与另一根三同轴电缆的导体管连接，所述第三电阻与该三同轴电缆的导体管之间并联第五电阻，所述第四电阻、第五电阻均接地；
所述第一运放、第二运放的输出端分别与信号调理电路模块的第一信号输入端、第二信号输入端对应连接。
8.根据权利要求1或2所述的磁致伸缩位移传感器，其特征在于：所述单片机通过数模转换模块与模拟信号输出模块连接。
9.根据权利要求1或2所述的磁致伸缩位移传感器，其特征在于：所述单片机通过CAN信号输出模块与数字信号输出模块连接。
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