CN114812367A - 一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法，当行程装置被外力驱动时，设置于行程装置外壳内部的带磁运动件直线运动，带动运动件上安装的至少两块不同极性的磁钢移动并产生变化的磁场，外置式位移传感器设置于行程装置外壳的外部，通过内部磁感应芯片阵列对磁场进行感应并采集磁场强度值；对磁感应芯片阵列的信号进行循环采样，并根据采样数据进行计算得到位移数据，并将计算得到的位移数据转换成电信号并输出。可以实现外置于油缸外壁的非接触式位移测量，具有安装拆卸方便、高精度测量、高稳定性高可靠性数据输出、结构精致小巧、免维护、适用于各种复杂环境的优点，可以广泛应用于直线位移检测领域。

Description

一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法

技术领域

本发明涉及位移测量技术领域，具体涉及一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法。

背景技术

目前用于行程装置，例如行程装置的内部运动件的位置检测有拉线传感器、磁致伸缩传感器等。拉线传感器由于拉线本身的弹性及拉线盒排线的问题，精度不高，有一定的寿命限制，且使用过程中对外界环境的依赖较大，如果环境比较复杂有杂物等情况下拉线极易被破坏，所以拉线传感器多用于环境比较简单的不可移动的装置或设备；磁致伸缩位移传感器由于其高精度和可靠性被大量用于军事、石化、机械制造、冶金、能源等行业，但其使用时多安装在行程装置内部运动件杆内部，需破坏内部运动件杆的内部结构，部分外置式磁致伸缩位移传感器，在安装时需要的环境条件也较高，对于在野外工作的周围环境条件得不到保证的情况下，外置式传感器的破坏风险极高。且磁致伸缩位移传感器的量程有一定的限制，一旦生产出来就不能再变更，不能进行组合使用。以上方法分别存在安装时改变原有结构强度，对环境适应能力较差，更换不方便，无法变换量程组合使用等问题。

发明内容

为此，本发明提供一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法，以解决现有位移检测传感器只能内置安装进行测量、安装拆卸不便、维护成本高的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法，所述方法包括：

当行程装置被外力驱动时，设置于行程装置外壳内部的带磁运动件直线运动，带动运动件上安装的至少两块不同极性的磁钢移动并产生变化的磁场；

外置式位移传感器设置于行程装置外壳的外部，所述外置式位移传感器内部设置有磁感应芯片阵列，所述磁感应芯片阵列包括均匀分布的多个磁感应芯片，通过磁感应芯片阵列对所述磁场进行感应并采集磁场强度值；

对磁感应芯片阵列的信号进行循环采样，并根据采样数据进行计算得到位移数据，并将计算得到的位移数据转换成电信号并输出。

进一步地，所述方法还包括：

两块磁钢之间设有固定间距，保证在移动部分运动过程中，始终有一块且仅有一块磁感应芯片在两块磁钢感应范围内。

进一步地，所述方法还包括：

磁感应芯片阵列包括N个磁感应芯片，设置第一个芯片的编号为起始零点，之后对每个磁感应芯片预设编号；

测量时首先遍历所有磁感应芯片的采样值，根据采样值确定当前处于两块磁钢的磁感应范围内的第n个磁感应芯片。

进一步地，根据采样值确定当前处于两块磁钢的磁感应范围内的第n个磁感应芯片，具体包括：

经过对磁感应芯片的测试得到其采样值的线性区间是[S_L,S_H]，对任一个芯片S_i，其采集值为S_H的时刻为T_H，其采集值为S_L的时刻为T_L，则在T_H时刻，前一个芯片的采集值为S_i-1/t＝T_H，在T_L时刻，前一个芯片的采集值为S_i-1/t＝T_L；

设定一个值S_t＝max(S_i-1/t＝T_H，S_i-1/t＝T_L)，开始测试时，遍历所有芯片的采集值，设第n个芯片的采集值为S_n，当S_H<Sn<S_L，且S_n-1<S_t时，则第n个芯片处于两块磁钢的磁感应范围内。

进一步地，根据采样数据进行计算得到位移数据，具体包括：

根据公式计算位移值L：

其中，S_H为磁感应芯片感应磁钢磁场的初始值；S_L为磁感应芯片感应磁钢磁场的终点值；Sn为磁感应芯片感应磁钢磁场临界点的数值；n为磁芯间隔数；W为磁芯间距。

进一步地，所述方法还包括：

对磁感应芯片阵列的信号进行滤波、偏置和放大后送入ADC采样。

进一步地，所述方法还包括：

多个磁感应芯片按照预设间隔均匀布设于多个磁感应芯片电路排布板上，多个磁感应芯片电路排布板之间通过电路板级联插件进行串式级联。

进一步地，所述方法还包括：

多个固定量程的单体位移传感器和/或多个量程不固定的单体位移传感器通过传感器外壳级联插件进行串式级联，以适配不同量程的行程装置。

本发明具有如下优点：

本发明提出的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法，当行程装置被外力驱动时，设置于行程装置外壳内部的带磁运动件直线运动，带动运动件上安装的至少两块不同极性的磁钢移动并产生变化的磁场，外置式位移传感器设置于行程装置外壳的外部，外置式位移传感器内部设置有磁感应芯片阵列，通过磁感应芯片阵列对磁场进行感应并采集磁场强度值；对磁感应芯片阵列的信号进行循环采样，并根据采样数据进行计算得到位移数据，并将计算得到的位移数据转换成电信号并输出。可以实现外置于油缸外壁的非接触式位移测量，具有安装拆卸方便、高精度测量、高稳定性高可靠性数据输出、结构精致小巧、免维护、适用于各种复杂环境的优点，可以广泛应用于直线位移检测领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法的测量原理示意图；

图3为本发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中磁感应芯片采集值的波形图；

图4为本发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统的结构示意图；

图5为发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统在实际使用中的整体安装示意图(采用定制量程型传感器)；

图6为发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统在实际使用中的安装示意图沿轴线的剖视图(采用组合量程型传感器)；

图7为发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统在实际使用中的安装示意图沿轴线的剖视图的局部放大图；

图8为发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统中带磁的内部运动件的安装示意图；

图9为发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统带磁的内部运动件的磁钢支架示意图；

图10为发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统的定制量程型传感器外观示意图；

图11为发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统的定制量程型传感器剖视图；

图12为发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统的组合量程型传感器外观示意图；

图13为发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统的组合量程型传感器剖视图；

图14为发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统的组合量程型传感器连接出的剖视及局部放大图；

图15为发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统的组合量程型传感器的头部传感器剖视图及局部放大图；

图16为发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统的组合量程型传感器的中间传感器剖视图；

图17为发明实施例1提供的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法中测量系统的组合量程型传感器的尾部传感器剖视图。

图中：行程装置外壳1、定制量程型传感器2、环形卡箍3、带磁的内部运动件4、头部传感器5、中间传感器6、尾部传感器7、多芯防水航空插头8、航空插头盖9、密封压垫10、第一磁感应芯片电路排布板11、磁感应芯片12、不导磁传感器外壳(固定尺寸)13、电路板级联插件14、外壳封尾15、第二磁感应芯片电路排布板16、内部运动件导向环17、弧面极性为N极的磁钢18、磁钢间距调节块19、弧面极性为S极的磁钢20、磁钢支架21、内部运动件杆体22、密封件23、不导磁传感器外壳(定制长度)24。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法，该方法基于一种外置式磁感应直线位移测量系统，该方法包括：

S100、当行程装置被外力驱动时，设置于行程装置外壳内部的带磁运动件直线运动，带动运动件上安装的至少两块不同极性的磁钢移动并产生变化的磁场；

S200、外置式位移传感器设置于行程装置外壳的外部，外置式位移传感器内部设置有磁感应芯片阵列，磁感应芯片阵列包括均匀分布的多个磁感应芯片，通过磁感应芯片阵列对磁场进行感应并采集磁场强度值；

S300、对磁感应芯片阵列的信号进行循环采样，并根据采样数据进行计算得到位移数据，并将计算得到的位移数据转换成电信号并输出。采样过程中先对磁感应芯片阵列的信号进行滤波、偏置和放大后再送入ADC采样。

本实施例中，两块磁钢之间设有固定间距，保证在移动部分运动过程中，始终有一块且仅有一块磁感应芯片在两块磁钢感应范围内。

测量原理如图2所示，磁感应芯片阵列包括N个磁感应芯片，设置第一个芯片的编号为起始零点，之后对每个磁感应芯片预设编号。测量时首先遍历所有磁感应芯片的采样值，根据采样值确定当前处于两块磁钢的磁感应范围内的第n个磁感应芯片，具体为：

如图3所示，经过对磁感应芯片的测试得到其采样值的线性区间是[S_L,S_H]，对任一个芯片S_i，其采集值为S_H的时刻为T_H，其采集值为S_L的时刻为T_L，则在T_H时刻，前一个芯片的采集值为S_i-1/t＝T_H，在T_L时刻，前一个芯片的采集值为S_i-1/t＝T_L；

设定一个值S_t＝max(S_i-1/t＝T_H，S_i-1/t＝T_L)，开始测试时，遍历所有芯片的采集值，设第n个芯片的采集值为S_n，当S_H<Sn<S_L，且S_n-1<S_t时，则第n个芯片处于两块磁钢的磁感应范围内。

然后根据公式计算位移值L：

其中，S_H为磁感应芯片感应磁钢磁场的初始值；S_L为磁感应芯片感应磁钢磁场的终点值；Sn为磁感应芯片感应磁钢磁场临界点的数值；n为磁芯间隔数；W为磁芯间距。

本实施例中，多个磁感应芯片按照预设间隔均匀布设于多个磁感应芯片电路排布板上，磁感应芯片预先按照给定间隔设置在磁感应芯片电路排布板反面，磁感应芯片电路排布板正面设有译码器，统筹管理磁感应芯片电路排布板反面布置的所有磁感应芯片。磁感应芯片电路排布板反面朝向内部运动件，检测收集磁钢磁场信号。

多个磁感应芯片电路排布板，并通过电路板连接器进行固定，电路板连接器通过精密加工控制尺寸，在安装后可以保证磁感应芯片电路排布板反面的磁感应芯片的依旧均布。

多个磁感应芯片电路排布板之间通过电路板级联插件进行串式级联，每相邻的两个电路板级联插件使用插针或软排线进行连接，电路板级联插件用于相邻两个磁感应芯片电路排布板的沟通与数据交互。

多个固定量程的单体位移传感器和/或多个量程不固定的单体位移传感器通过传感器外壳级联插件进行串式级联，以适配不同量程的行程装置。

由于行程装置外壳厚度存在不均匀性，于是磁感应芯片感应到磁钢的磁场强度也不固定，本实施例中通过传感器机器学习和标定的学习功能，在首次全量程测量时，去适应每一处外壳厚度的不均匀性。

本实施例中，位移传感器还具有自诊断功能，可以满足传感器中某个磁感应芯片损坏时依旧正常运行。

本实施例提出的测量方法，传感器可以外置于油缸外壁，便于安装拆卸，极大的降低了后期维护的成本，其本方案是基于霍尔原理的测量方式，通过均布在电路板上的磁感应芯片，对磁钢位置进行监控检测。本发明具有安装方便、高精度、高稳定性、高可靠性、使用寿命长、结构精巧、环境适应性强、隔离防爆的特点，可以广泛应用于直线位移检测领域。

本实施例的一种外置式磁感应直线位移测量系统，如图4、图5、图6、图7所示，包括行程装置外壳1、带磁的内部运动件4以及串式级联型外置传感器，带磁的内部运动件4设置于行程装置外壳1的内部，串式级联型外置传感器安装于行程装置外壳1的外侧。

如图8、图9所示，带磁的内部运动件4包括但不仅限于两块不同极性的磁钢，磁钢可以直接吸附在内部运动件4上，或者也可以通过磁钢支架21固定在内部运动件4上。外置传感器内设置有均匀分布的多个磁感应芯片12，当行程装置被外力驱动时，带磁的内部运动件4移动时带动磁钢移动并产生变化的磁场，磁感应芯片12用于对磁场的变化进行感应并采集磁场强度值，以根据磁场强度的变化实现位移检测。

本实施例中，行程装置外壳1无需做任何变更设计，对原有结构的强度没有任何影响。

本实施例中，带磁的内部运动件4，包括磁钢支架21、两个磁钢；磁钢弧顶应与传感器轴线、行程装置轴线在一个平面上。弧面极性为N极的磁钢18和弧面极性为S极的磁钢20形成的磁场穿透行程装置外壳1，磁感应芯片12采集磁场强度值。两个不同极性的磁钢的间距可以通过磁钢间距调节块19进行调节以配合传感器感应芯片实现不同的分辨率和精度。导向环17是聚四氟乙烯的密封圈，在缸筒运行的时候可起到密封作用也能起到润滑作用。磁钢支架21设置于带磁的内部运动件4的杆体22上；磁钢安装完成后外弧面与行程装置外壳1内壁不得接触，为保证安装和运行过程的安全，间距不得小于1mm；磁钢支架21包含可以调整磁钢间距的调节块19，且调节块材质是高强度塑料等不导磁材料。

本实施例中，磁钢为径向磁钢，两个径向磁钢外弧面的极性是相反的，务必为1个N极，1个S极；且在安装时N极和S极的左右位置关系是固定的不能装反；磁钢的磁场强度应保证在穿越相应规格的行程装置外壳1之后仍有一定强度的漏磁；磁钢的尺寸可以根据行程装置外壳1及导向环17的尺寸进行定制。

其中带磁的内部运动件4中的固定螺钉等件均需使用不导磁的材质。

串式级联型外置传感器有两种，一种是定制量程型传感器，如图10和图11所示；另一种是组合量程型传感器，如图12、图13和图14所示。

对于定制量程型传感器，包括带弧面的不导磁传感器外壳(固定尺寸)13、多芯防水航空插头8、航空插头盖9、密封压垫10、第一磁感应芯片电路排布板11、第二磁感应芯片电路排布板16，电路板级联插件14、外壳封尾15。传感器外壳13可选择型材、圆管等等多种形式，其长度根据量程切割，只有电路板实现串式级联；多芯防水航空插头8防水等级应大于IP67；航空插头盖9的航空插头安装面应与行程装置外壳1表面轴线有一定的夹角，其夹角的大小应保证航空插头安装时有一定的操作空间；带弧面的不导磁传感器外壳其材质应是铝合金等不导磁材料，其弧面直径应略大于适配的行程装置外壳1；密封压垫10应使用带有弹性的橡胶，且其应具有耐油、耐高温属性。

电路板级联插件14是指可以将连接两个电路板连接起来，既可以实现结构的固定，也可以实现电路信号传输并能保证信号不失真、损耗小、干扰小的插件；外壳封尾15是指具有一定结构强度，配合密封件可以实现IP67密封的不导磁的结构件，其材质应与传感器外壳材质相同或相似。

本实施例中，对于组合量程型传感器，包括头部传感器5、中间传感器6、尾部传感器7。传感器外壳和电路板均是多种长度组合实现串式级联。

头部传感器5，如图15所示，其量程是固定的，可以加上外壳封尾15之后单独使用，也可以和中间传感器6和尾部传感器7组合使用实现多量程应用；

中间传感器6，如图16所示，其长度是固定的，主要用于多节组合以增大量程；

尾部传感器7，如图17所示，其长度是不固定的，长度是根据客户的需求减去头部传感器5和中间传感器6之后剩余的长度。

头部传感器5，其结构包括：传感器外壳航空插头盖9、多芯防水航空插头8、第一磁感应芯片电路排布板11、第二磁感应芯片电路排布板16、传感器外壳级联插件、密封件23、带弧面的不导磁传感器外壳(固定尺寸)13；带弧面的不导磁传感器外壳其长度是固定的；其中传感器外壳级联插件其强度应不低于传感器外壳，且在与传感器外壳配合安装时应具有密封防水功能。

中间传感器6的结构包括：带弧面的不导磁传感器外壳(固定尺寸)13、传感器外壳级联插件、密封件23、第二磁感应芯片电路排布板16、电路板级联插件14；带弧面的不导磁传感器外壳长度是固定的；第二磁感应芯片电路排布板16其长度是固定的。

尾部传感器7的结构包括：带弧面的不导磁传感器外壳(定制长度)24、传感器外壳级联插件、密封件23、第二磁感应芯片电路排布板16、电路板级联插件14。

辅助安装装置，其结构包括环形卡箍3等；其中环形卡箍3的尺寸应与行程装置匹配；其中环形卡箍3内弧面的尺寸应略大于带弧面的不导磁传感器外壳外弧面尺寸，外弧面的尺寸应应略大于行程装置外径尺寸。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法，其特征在于，所述方法包括：

当行程装置被外力驱动时，设置于行程装置外壳内部的带磁运动件直线运动，带动运动件上安装的至少两块不同极性的磁钢移动并产生变化的磁场；

外置式位移传感器设置于行程装置外壳的外部，所述外置式位移传感器内部设置有磁感应芯片阵列，所述磁感应芯片阵列包括均匀分布的多个磁感应芯片，通过磁感应芯片阵列对所述磁场进行感应并采集磁场强度值；

对磁感应芯片阵列的信号进行循环采样，并根据采样数据进行计算得到位移数据，并将计算得到的位移数据转换成电信号并输出。

2.根据权利要求1所述的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

两块磁钢之间设有固定间距，保证在移动部分运动过程中，始终有一块且仅有一块磁感应芯片在两块磁钢感应范围内。

3.根据权利要求1所述的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

磁感应芯片阵列包括N个磁感应芯片，设置第一个芯片的编号为起始零点，之后对每个磁感应芯片预设编号；

测量时首先遍历所有磁感应芯片的采样值，根据采样值确定当前处于两块磁钢的磁感应范围内的第n个磁感应芯片。

4.根据权利要求3所述的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法，其特征在于，根据采样值确定当前处于两块磁钢的磁感应范围内的第n个磁感应芯片，具体包括：

经过对磁感应芯片的测试得到其采样值的线性区间是[S_L,S_H]，对任一个芯片S_i，其采集值为S_H的时刻为T_H，其采集值为S_L的时刻为T_L，则在T_H时刻，前一个芯片的采集值为S_i-1/t＝T_H，在T_L时刻，前一个芯片的采集值为S_i-1/t＝T_L；

设定一个值S_t＝max(S_i-1/t＝T_H，S_i-1/t＝T_L)，开始测试时，遍历所有芯片的采集值，设第n个芯片的采集值为S_n，当S_H<Sn<S_L，且S_n-1<S_t时，则第n个芯片处于两块磁钢的磁感应范围内。

5.根据权利要求3所述的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法，其特征在于，根据采样数据进行计算得到位移数据，具体包括：

根据公式计算位移值L：

其中，S_H为磁感应芯片感应磁钢磁场的初始值；S_L为磁感应芯片感应磁钢磁场的终点值；Sn为磁感应芯片感应磁钢磁场临界点的数值；n为磁芯间隔数；W为磁芯间距。

6.根据权利要求1所述的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

对磁感应芯片阵列的信号进行滤波、偏置和放大后送入ADC采样。

7.根据权利要求1所述的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

多个磁感应芯片按照预设间隔均匀布设于多个磁感应芯片电路排布板上，多个磁感应芯片电路排布板之间通过电路板级联插件进行串式级联。

8.根据权利要求1所述的一种非接触的外置式磁感应直线位移测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

多个固定量程的单体位移传感器和/或多个量程不固定的单体位移传感器通过传感器外壳级联插件进行串式级联，以适配不同量程的行程装置。

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