CN202195796U - 基于单端初级电感转换器电路的位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭露了一种位移传感器，特别涉及一种高精度的位移传感器。本实用新型至少包括：采用单端初级电感转换器升压电路的电源输入单元，信号激励单元，信号放大处理单元和信号输出单元。本实用新型可解决目前基于使用Boost升压电路的位移传感器中出现的功耗大，干扰多等问题，优点是电源电流和负载电流都是连续的，有利于输入和输出的滤波，达到布线合理，保护电路，高精度，低功耗，性能稳的目的。

Description

基于单端初级电感转换器电路的位移传感器

【技术领域】

本实用新型总体上涉及一种磁致伸缩位移传感器，更具体地涉及利用单端初级电感转换器升压电路的位移传感器。 

【背景技术】

磁致伸缩位移传感器，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁铁的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，不会对传感器造成任何磨损，可以提高检测的可靠性和使用寿命。因而它能应用在高温、高压和高振荡等各种环境中。 

该种传感器是利用磁致伸缩原理、通过波导管会在两个不同磁场相交点产生一个应变脉冲信号的原理来准确地测量位置的。用一根波导管作为测量元件，波导管内的敏感元件由磁致伸缩材料制成。测量时由传感器的驱动单元产生一个在波导管内传输的电流脉冲，该电流脉冲会在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场与在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩效应，在波导管内会产生一个应脉冲信号，这个应变脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被信号处理单元所检测到，从而达到测量目的。 

综上所述磁致伸缩位移传感器在驱动电路时需要较大的电压用以输出较大的脉冲电流，这个脉冲电流是短暂的，但由于电路瞬间电流会很大，因此需要在输入端加入升压电路实现高效节能，保护电路的目的。 

目前在磁致伸缩位移传感器领域较为常见的方法是采用Boost升压电路。该电路图如图1所示。在充电时，开关闭合，这时三极管导通，开关处用导线代替。输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。当开关断开时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。该升压电路的弊端是在该模块电路停止工作时，当输入电压不等于0，输出电压等于输入电压，而不等于0.对磁致伸缩传感器来说，会出现大的功耗，不能完全保护电路，且干扰测量结果。 

因此希望提供一种磁致伸缩传感器，能够达到当模块电路停止工作时，输出电压总是为0，具有保护电路，功耗小，测量更精准的特点。本发明的其他期望特征和特性将在结合附图以及前面的技术领域和背景技术的情况下，从后面的详细描述以及所附权利要求中变得显而易见。 

【发明内容】

本实用新型目的是提供一种磁致伸缩位移传感器，其利用单端初级电感转换器的升压电路结构，降低位移传感器功耗，保护电路，提高测量精度。 

根据本实用新型，提供一种磁致伸缩位移传感器，包括： 

电源输入单元，信号激励单元，信号放大单元，信号处理单元和信号输出单元，其中：电源输入单元，包括输入电源，电感，开关，控制芯片，二极管及电容组成的单端初级电感转换器的升压电路；信号激励单元，包括磁 铁，波导丝与信号采集器；信号放大单元，该单元包括信号检测电路与放大整形器；信号处理单元，该单元包括微控制器和D/A变换电路。

进一步的，所述传感器电源输入单元中一电感与电容及二极管相串联。 

进一步的，所述传感器电源输入单元中一电感与二极管相并联。 

进一步的，所述传感器电源输入单元中开关闭合时，输入电压加在串联电感上，能量也储存在电感上，电容俩端电压加在并联电感上，二极管截止；开关断开时，二极管导通，电感上能量释放到负载上，达到较大的升压值。 

进一步的，所述波导丝与磁铁非接触。 

进一步的，所述输出单元与外部数据读取装置相联。 

与现有技术相比较，采用本实用新型之技术方案，使用单端初级电感转换器电路作为升压电路的磁致伸缩位移传感器，可安全隔离，保护电路，降低功耗，同时电源电流和负载电流都是连续的，有利于输入和输出的滤波，从而提高测量精度。 

【附图说明】

下文中将结合下面的附图来描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1背景技术中BOOST升压电路图 

图2本实用新型实施例的磁致伸缩位移传感器电源输入单元的部分升压电路图 

图3本实用新型实施例的磁致伸缩位移传感器的升压电路功能图 

图4本实用新型实施例的磁致伸缩位移传感器的的第一实施例的功 能图 

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以理解本实用新型，并不用于限定本实用新型。 

结合本发明的内容提供一下实施例： 

如图4所示，一种磁致伸缩位移传感器，包括：电源输入单元105，信号激励单元102，信号放大103，信号处理单元104和信号输出单元130，其特征在于电源输入单元中使用单端初级电感转换器电路作为升压电路。 

如图3所示电源输入单元105采用单端初级电感转换器电路为升压电路，包括输入电源121，电感L3，L4，开关Q1，控制芯片U1，二极管D6，电容C17。 

当电源Vin流入电压为一定值，经由电源输入单元105中单端初级电感转换器电路，开关Q1闭合时，输入电压加在电感L3上，能量也储存在电感上，当电容C17两端电压加在L4上，能量也储存在电感上，此时二极管D6截止，一旦Q1断开，D6使导通，这样，储存在L3，L4中的能量就释放到负载上，达到较大的升压值。用于信号激励单元102中波导丝感应磁场变化形成扭转信号波，由信号放大单元103采集并放大扭转信号，输入信号处理单元104中，经由微处理器测算磁铁位置，进而通过运放电路发送到输出单元130，完成数据读取。 

该实施例升压电路中对于电感等元器件的选择可通过以下步骤来考虑： 

电感的选择 

使纹波电流的峰峰值为最小输入电压时最大输入电流的40％是一个确定电感值的好方法。在数值相同的电感L3和L4中流动的纹波电流由下面公式算出：

$\mathrm{\Δ}{I}_L=I_{\mathrm{IN}}\×40\%=I_{\mathrm{OUT}}\×\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IN}\left(\min \right)}}\×40\%$

电感值由下式计算：

$L_3=L_4=L=\frac{V_{\mathrm{IN}\left(\min \right)}}{\mathrm{\Δ}{I}_L\×f_{\mathrm{SW}}}\×D_{\max }$

f_SW为开关频率，Dmax是Vin时的占空比。

维持电感发挥作用的电感峰值电流的计算公式为：

$I_{L3\left(\mathrm{PEAK}\right)}=I_{\mathrm{OUT}}\×\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IN}\left(\min \right)}}\×(1+\frac{40\%}{2})$

$I_{L4\left(\mathrm{PEAK}\right)}=I_{\mathrm{OUT}}\×(1+\frac{40\%}{2})$

功率MOSFET的选择 

最小阈值电压Vth(min)，导通电阻RDS(ON)，栅极电荷和最大漏源电压是选择MOSFET的关键参数。

MOSFET峰值开关电流的计算公式为：

I_Q1(PEAK)＝I_L3(PEAK)+I_L4(PEAK)

流过开关的RMS电流由下式给出：

$I_{Q1\left(\mathrm{RMS}\right)}=I_{\mathrm{OUT}}\sqrt{V\frac{(V_{\mathrm{OUT}}+V_{\mathrm{IN}\left(\min \right)})\×V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IN}\left(\min \right)}}}$

MOSFET的散耗功率PQ1大概为：

$P_{Q1}=I_{Q1\left(\mathrm{RMS}\right)}^2\×R_{\mathrm{DS}\left(\mathrm{ON}\right)}\×D_{\max }+(V_{\mathrm{IN}\left(\min \right)}+V_{\mathrm{OUT}})\×I_{Q1\left(\mathrm{PEAK}\right)}\×\frac{Q_{\mathrm{GD}\×f_{\mathrm{SW}}}}{I_{\mathrm{GATE}}}$

其中Q_GD为栅漏电荷；

SEPIC偶合电容的选择 

SEPIC电容C17的选择主要看RMS电流(有效电流)，可由下式得出：

$I_{C17\left(\mathrm{RMS}\right)}=I_{\mathrm{OUT}}\×\sqrt{\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IN}\left(\min \right)}}}$

SEPIC电容必须能够承受跟输出功率有关的大有效电流。SEPIC的耐压值必须大于输入电压。

C17的纹波电压的峰峰值可以这样计算：

$\mathrm{\Δ}{V}_{C17}=\frac{I_{\mathrm{OUT}}\×D_{\max }}{C17\×f_{\mathrm{SW}}}$

满足需要的有效电流的电容在C17上一般不会产生太大的纹波电压，因此峰值电压通常接近输入电压。

应当理解的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型的保护范围。对本领域普通技术人员来说，根据上述说明所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种磁致伸缩位移传感器，其特征在于，包括：

电源输入单元，信号激励单元，信号放大单元，信号处理单元和信号输出单元，

其中：

电源输入单元，包括输入电源，电感，开关，控制芯片，二极管及电容组成的单端初级电感转换器的升压电路；

信号激励单元，包括磁铁，波导丝与信号采集器；

信号放大单元，该单元包括信号检测电路与放大整形器；

信号处理单元，该单元包括微控制器和D/A变换电路。

2.如权利要求1所述的磁致伸缩传感器，其特征在于，传感器电源输入单元中一电感与电容及二极管相串联。

3.如权利要求所述的磁致伸缩传感器，其特征在于传感器电源输入单元中一电感与二极管相并联。

4.如权利要求1所述的磁致伸缩传感器，其特征在于传感器电源输入单元中开关闭合时，输入电压加在串联电感上，能量也储存在电感上，电容俩端电压加在并联电感上，二极管截止；开关断开时，二极管导通，电感上能量释放到负载上，达到较大的升压值。

5.如权利要求1所述的信号激励单元中，其特征在于波导丝与磁铁非接触。

6.如权利要求1所述的输出单元，其特征在于输出单元与外部数据读取装置相联。 

Images