CN202562430U - 一种开关电感式位移传感器 - Google Patents
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Abstract
一种开关电感式位移传感器，涉及一种电感式位移传感器。为了解决目前测量位移的差动变压器成本高，结构复杂的问题。它包括电感线圈、带刻度读数的移动杆、磁棒和阻挡圈；电感线圈缠绕磁棒外，且与所述磁棒滑动连接，在电感线圈轴向一侧的侧面上固定设置阻挡圈，所述阻挡圈内直径小于磁棒的直径，带刻度读数的移动杆的一端穿过阻挡圈与磁棒的一端固定连接，带刻度读数的移动杆的直径小于阻挡圈的内径，带刻度读数的移动杆的移动行程为磁棒的长度。用于测量位移。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电感式位移传感器，特别涉及一种开关电感式位移传感器。
背景技术
目前测量位移主要采用差动变压器，有3个线圈，一个激励线圈作为初级，两个副线圈作为次级，需要加正弦激励信号，然后测量次级线圈的阻抗来间接测量磁芯的位移量，两个副线圈和磁芯要求对称一致。差动变压器的缺点是需要高频正弦信号激励，线圈多，对激励源要求高，需要高磁导率的磁芯材料，所以，差动变压器的成本高，结构复杂。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决目前测量位移的差动变压器成本高，结构复杂的问题，提供一种开关电感式位移传感器。
本实用新型的一种开关电感式位移传感器，它包括电感线圈、带刻度读数的移动杆、磁棒和阻挡圈；
电感线圈缠绕磁棒外，且与所述磁棒滑动连接，
在电感线圈轴向一侧的侧面上固定设置阻挡圈，所述阻挡圈内直径小于磁棒的直径，
带刻度读数的移动杆的一端穿过阻挡圈与磁棒的一端固定连接，带刻度读数的移动杆的直径小于阻挡圈的内径，带刻度读数的移动杆的移动行程为磁棒的长度。
本实用新型的优点在于：本实用新型所述的开关电感式位移传感器结构简单，只用一个电感线圈，并且还不要求磁路对称。本实用新型在测量位移过程中不需要正弦信号激励，使用方便。本实用新型对测量环境要求不高，由于只用1KHz的脉冲波，电流100mA，对周围的电磁干扰的影响小。本实用新型测量位移在满量程10mm时，相对偏差小于3％。
附图说明
图1为本实用新型所述的一种开关电感式位移传感器的结构示意图。
图2为本实用新型所述的一种开关电感式位移传感器的开关式电感测量电路的电路结构示意图。
图3采用具体实施方式七所述的一种开关电感式位移传感器测量的位移量与读数N的曲线示意图。图中纵坐标为ARM单片机测得的低电平持续时间的读数N，对应的横坐标为带有刻度读数的移动杆的读数。
图4为本实用新型所述的一种开关电感式位移传感器测得的绝对误差曲线。图中纵坐标为被测位移的绝对误差，对应的横坐标为实际位移x。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实用新型的一种开关电感式位移传感器，它包括电感线圈1、带刻度读数的移动杆2、磁棒3和阻挡圈4；
电感线圈1缠绕磁棒3外，且与所述磁棒3滑动连接，
在电感线圈1轴向一侧的侧面上固定设置阻挡圈4，所述阻挡圈4内直径小于磁棒的直径，
带刻度读数的移动杆2的一端穿过阻挡圈4与磁棒3的一端固定连接，带刻度读数的移动杆2的直径小于阻挡圈4的内径，带刻度读数的移动杆2的移动行程为磁棒的长度。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种开关电感式位移传感器的不同的是，它还包括有机玻璃圆筒5；电感线圈1、带刻度读数的移动杆2和磁棒3设置在有机玻璃圆筒5内，电感线圈1固定在有机玻璃圆筒5的内壁上。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的一种开关电感式位移传感器的不同的是，它还包括摩擦圈6，摩擦圈6固定在电感线圈1的轴向另一测的侧面上，所述摩擦圈6的内直径与磁棒3的直径相等。
具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的一种开关电感式位移传感器不同的是，它还包括开关式电感测量电路，所述开关式电感测量电路包括电流源8、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电子开关电路9、第二电子开关电路10、第三电子开关电路11、第四电子开关电路12和单片机控制系统13；
电流源8的电流输入端接供电电源VCC的正极，电流源8的电流输出端同时与第一电子开关电路9和第三电子开关电路11的一端连接，第一电子开关电路9的另一端同时与第一二极管D1的阴极和第二电子开关电路10的一端连接，第三电子开关电路11的另一端同时与第二二极管D2的阴极和第四电子开关电路12的一端连接，第二电子开关电路10的另一端、第四电子开关电路12的另一端、第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阳极同时接供电电源VCC的电源地；第一二极管D1的阴极与单片机控制系统13的第一信号输入端连接，第二二极管D2的阴极与单片机控制系统13的第二信号输入端连接；单片机控制系统13的第一控制信号输出端与第一电子开关电路9的开关控制端连接，单片机控制系统13的第二控制信号输出端与第二电子开关电路10的开关控制端连接，单片机控制系统13的第一控制信号输出端与第三电子开关电路11的开关控制端连接，单片机控制系统13的第一控制信号输出端与第四电子开关电路12的开关控制端连接；
电感线圈2的两端分别与第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阴极连接。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种开关电感式位移传感器的进一步说明，所述电流源8包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、可调电阻VR1和P沟道MOS管Q1；
电阻R1的一端和电阻R4的一端连接在一起作为电流源1的供电电源端，电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端、可调电阻VR1的一个固定端和可调电阻VR1的滑动端，电阻R4的另一端与P沟道MOS管Q1的源极连接，可调电阻VR1的另一个固定端同时连接电阻R2的另一端、P沟道MOS管W1的栅极和电阻R3的一端，电阻R3的另一端接供电电源的电源地，P沟道MOS管Q1的漏极是电流源1的电流输出端。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种开关电感式位移传感器的进一步说明，所述第一电子开关电路9、第二电子开关电路10、第三电子开关电路11和第四电子开关电路12组成相同，所述第一电子开关电路9包括电阻R111、电阻R121和第一N沟道MOS管Q11和第一三极管Q111；
第一N沟道MOS管Q11的漏极作为第一电子开关电路9的一端与电流源8的电流输出端连接，第一N沟道MOS管Q11的栅极同时与电阻R111的一端和第一三极管Q111的集电极连接，电阻R111的另一端接供电电源的正极，第一三极管Q111的基极与电阻R121的一端连接，第一三极管Q111的发射极接供电电源的电源地；第一N沟道MOS管Q11的源极作为第一电子开关电路9的另一端连接第一二极管D1的阴极，电阻R121的另一端是第一电子开关电路9的开关控制端。
第二电子开关电路10、第三电子开关电路11、第四电子开关电路12与第一电子开关电路9的电路结构相同。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种开关电感式位移传感器的进一步说明，单片机控制系统13包括ARM单片机、电阻R5-R14、可调电阻VR2、可调电阻VR3、第一一级运算放大器IC11、第二一级运算放大器IC21、第一二级运算放大器IC12、第二二级运算放大器IC22、第一与非门(IC13)、第二与非门(IC23)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)；
第一二极管D1的阴极和电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与第一一级运算放大器IC11的正向信号输入端连接，第一一级运算放大器IC11的反向信号输入端同时与电阻R6的一端和电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端接供电电源的电源地，电阻R6的另一端同时与第一一级运算放大器IC11的信号输出端和第一二级运算放大器IC12的反向信号输入端连接，第一二级运算放大器IC12的正向信号输入端与可调电阻VR2的滑动端连接，可调电阻VR2的一个固定端接供电电源的电源地，可调电阻VR2的另一个固定端接供电电源的的负极，第一二级运算放大器IC12的信号输出端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端同时与第三二极管(D3)的阴极、电阻R9的一端和第一与非门(IC13)一个输入端连接，电阻R9的另一端与第三二极管(D3)的阳极同时接供电电源的电源地，第一与非门(IC13)另一个输入端与ARM单片机的第一信号输出端连接，第一与非门(IC13)的输出端与ARM单片机的信号输入端连接；
第二二极管D2的阴极和电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与第二一级运算放大器IC21的正向信号输入端连接，第二一级运算放大器IC21的反向信号输入端同时与电阻R11的一端和电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端接供电电源的电源地，电阻R11的另一端同时与第二一级运算放大器IC21的信号输出端和第二二级运算放大器IC22的反向信号输入端连接，第二二级运算放大器IC22的正向信号输入端与可调电阻VR3的滑动端连接，可调电阻VR3的一个固定端接供电电源的电源地，可调电阻VR3的另一个固定端接供电电源的的负极，第二二级运算放大器IC22的信号输出端与电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端同时与第四二极管(D4)的阴极、电阻R14的一端和第二与非门IC23一个输入端连接，电阻R14的另一端与第四二极管(D4)的阳极同时接供电电源的电源地，第二与非门IC23另一个输入端与ARM单片机的第二信号输出端连接，第二与非门IC23的输出端与ARM单片机的信号输入端连接；
ARM单片机的第三信号输出端是单片机控制系统13的第一控制信号输出端且与第一电子开关电路9的开关控制端连接；ARM单片机的第四信号输出端是单片机控制系统13的第二控制信号输出端且与第二电子开关电路10的开关控制端连接，ARM单片机的第五信号输出端是单片机控制系统13的第三控制信号输出端与第三电子开关电路11的开关控制端连接，ARM单片机的第六信号输出端是单片机控制系统13的第四控制信号输出端与第四电子开关电路12的开关控制端连接。
第一电子开关电路9、第二电子开关电路10、第三电子开关电路11和第四电子开关电路12受ARM单片机的控制信号uc1-uc4信号控制。第一电子开关电路9的第一N沟道MOS管Q11和第四电子开关电路12的第四N沟道MOS管Q14导通时，电感Lx的电流从a到b充电。第三电子开关电路11的第三N沟道MOS管Q13和第二电子开关电路10的第二N沟道MOS管Q12导通时，电流从b到a充电。放电用肖特基二极管，正向导通电压低，约为2.6-3V之间。比IR530内置的二极管的导通电压低。电感a端的电压uL1被第一一级运算放大器IC11放大、第一二级运算放大器IC12比较，在ARM单片机输出的E1信号允许时，经第一与非门IC13，到ARM单片机，即ARM单片机输出信号u1o。同样，电感b端的电压uL2被第二一级运算放大器IC21放大、第二二级运算放大器IC22比较，在ARM单片机输出的E2信号允许时，经第二与非门IC23到单片机，即ARM单片机输出信号u2o。ARM单片机定时测量信号u1o和u2o的低电平持续时间为读数N1和N2。ARM单片机输出信号E1控制选择正向放电时的信号通过，ARM单片机输出信号E2控制选择反向放电时的信号通过。
运放用直流±12V电源供电，可调电阻VR2和可调电阻VR3设置门槛电压约为负的1.8-2.6V，与放电的肖特基二极管的正向导通电压有关。
ARM单片机由LM3S3748芯片构成控制系统，按表1输出控制4个状态，每个状态500μs。定时测量u1o和u2o的低电平持续时间tD。从显示屏上显示相应的定时计数值N＝(N1+N2)/2，其中N1为正向放电时间计数值，N2为反向放电时间计数值。试验中单片机的程序可以按需要随时修改算法或开关逻辑等。
表1开关式电感测量电路中开关的逻辑关系
| Q14 | Q13 | Q12 | Q11 | E1 | E2 | 状态 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 正向充电 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 正向放电 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 反向充电 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 反向放电 |
第一二级运算放大器IC12和第二二级运算放大器IC22还可以带输入电阻或形成施密特比较器。但对测量效果影响不大。
将电感线圈2接到第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阴极上，充电恒流源8为100mA，双向充放电的4个电子开关电路状态各为500μs，测得位移x与读数N的数据如表2所示。N＝12000--24000对应的电感值范围约在700-1500μH。相应的曲线如图3所示。
表2位移x与读数N的数据
| X(mm) | 正行程N | 反行程N | X(mm) | 正行程N | 反行程N |
| 0.00 | 12084 | 12080 | 6.00 | 18951 | 18964 |
| 1.00 | 12985 | 12992 | 7.00 | 20256 | 20264 |
| 2.00 | 14031 | 14046 | 8.00 | 21604 | 21612 |
| 3.00 | 15153 | 15167 | 9.00 | 22886 | 22901 |
| 4.00 | 16359 | 16387 | 10.00 | 24053 | 24051 |
| 5.00 | 17613 | 17632 |
从曲线看，正行程与反行程的变差与线性度比较起来，变差不是主要问题，主要问题是非线性，用MATLAB计算出的最大线性度的偏差为ΔN＝400。接近0.4mm的位移量。
线性偏差太大，因此采用2阶曲线拟合。即将表2的数据按N为自变量找出N与位移x的2阶拟合2曲线公式如下：
x＝-9.42×10-6×N2+1.15×N-12408 (μm)
将该公式放到ARM单片机中得到最后的测试数据，如表3所示。都用μm单位，试验用的千分尺精度是10μm的，只能确定绝对误差大于10μm的结果。从数据看，最大的绝对误差为+215μm，满量程为10mm，所以相对百分误差为3％。重复性误差、变差等都远小于这个绝对误差。
图4为表3中绝对误差数据的连线图，可以看出非线性带来的误差是不均匀的。如果非线性处理好了，还能提高测量精确度。
表3拟合读数与位移x的数据
Claims (7)
1.一种开关电感式位移传感器，其特征在于，它包括电感线圈(1)、带刻度读数的移动杆(2)、磁棒(3)和阻挡圈(4)；
电感线圈(1)缠绕磁棒(3)外，且与所述磁棒(3)滑动连接，
在电感线圈(1)轴向一侧的侧面上固定设置阻挡圈(4)，所述阻挡圈(4)内直径小于磁棒的直径，
带刻度读数的移动杆(2)的一端穿过阻挡圈(4)与磁棒(3)的一端固定连接，带刻度读数的移动杆(2)的直径小于阻挡圈(4)的内径，带刻度读数的移动杆(2)的移动行程为磁棒的长度。
2.根据权利要求1所述的一种开关电感式位移传感器，其特征在于，它还包括有机玻璃圆筒(5)；电感线圈(1)、带刻度读数的移动杆(2)和磁棒(3)设置在有机玻璃圆筒(5)内，电感线圈(1)固定在有机玻璃圆筒(5)的内壁上。
3.根据权利要求1所述的一种开关电感式位移传感器，其特征在于，它还包括摩擦圈(6)，摩擦圈(6)固定在电感线圈(1)的轴向另一测的侧面上，所述摩擦圈(6)的内直径与磁棒(3)的直径相等。
4.根据权利要求1所述的一种开关电感式位移传感器，其特征在于，它还包括开关式电感测量电路，所述开关式电感测量电路包括电流源(8)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一电子开关电路(9)、第二电子开关电路(10)、第三电子开关电路(11)、第四电子开关电路(12)和单片机控制系统(13)；
电流源(8)的电流输入端接供电电源VCC的正极，电流源(8)的电流输出端同时与第一电子开关电路(9)和第三电子开关电路(11)的一端连接，第一电子开关电路(9)的另一端同时与第一二极管(D1)的阴极和第二电子开关电路(10)的一端连接，第三电子开关电路(11)的另一端同时与第二二极管(D2)的阴极和第四电子开关电路(12)的一端连接，第二电子开关电路(10)的另一端、第四电子开关电路(12)的另一端、第一二极管(D1)的阳极和第二二极管(D2)的阳极同时接供电电源VCC的电源地；第一二极管(D1)的阴极与单片机控制系统(13)的第一信号输入端连接，第二二极管(D2)的阴极与单片机控制系统(13)的第二信号输入端连接；单片机控制系统(13)的第一控制信号输出端与第一电子开关电路(9)的开关控制端连接，单片机控制系统(13)的第二控制信号输出端与第二电子开关电路(10)的开关控制端连接，单片机控制系统(13)的第一控制信号输出端与第三电子开关电路(11)的开关控制端连接，单片机控制系统(13)的第一控制信号输出端与第四电子开关电路(12)的开关控制端连接；
电感线圈(2)的两端分别与第一二极管(D1)的阴极和第二二极管(D2)的阴极连接。
5.根据权利要求1所述的一种开关电感式位移传感器，其特征在于，所述电流源(8)包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、可调电阻VR1和P沟道MOS管(Q1)；
电阻R1的一端和电阻R4的一端连接在一起作为电流源(1)的供电电源端，电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端、可调电阻VR1的一个固定端和可调电阻VR1的滑动端，电阻R4的另一端与P沟道MOS管(Q1)的源极连接，可调电阻VR1的另一个固定端同时连接电阻R2的另一端、P沟道MOS管(Q1)的栅极和电阻R3的一端，电阻R3的另一端接供电电源的电源地，P沟道MOS管(Q1)的漏极是电流源(1)的电流输出端。
6.根据权利要求1所述的一种开关电感式位移传感器，其特征在于，所述第一电子开关电路(9)、第二电子开关电路(10)、第三电子开关电路(11)和第四电子开关电路(12)组成相同，所述第一电子开关电路(9)包括电阻R111、电阻R121和第一N沟道MOS管(Q11)和第一三极管(Q111)；
第一N沟道MOS管(Q11)的漏极作为第一电子开关电路(9)的一端与电流源(8)的电流输出端连接，第一N沟道MOS管(Q11)的栅极同时与电阻R111的一端和第一三极管(Q111)的集电极连接，电阻R111的另一端接供电电源的正极，第一三极管Q111的基极与电阻R121的一端连接，第一三极管(Q111)的发射极接供电电源的电源地；第一N沟道MOS管(Q11)的源极作为第一电子开关电路(9)的另一端连接第一二极管(D1)的阴极，电阻R121的另一端是第一电子开关电路(9)的开关控制端。
7.根据权利要求1所述的一种开关电感式位移传感器，其特征在于，单片机控制系统(13)包括ARM单片机、电阻R5-R14、可调电阻VR2、可调电阻VR3、第一一级运算放大器(IC11)、第二一级运算放大器(IC21)、第一二级运算放大器(IC12)、第二二级运算放大器(IC22)、第一与非门(IC13)、第二与非门(IC23)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)；
第一二极管(D1)的阴极和电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与第一一级运算放大器(IC11)的正向信号输入端连接，第一一级运算放大器(IC11)的反向信号输入端同时与电阻R6的一端和电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端接供电电源的电源地，电阻R6的另一端同时与第一一级运算放大器(IC11)的信号输出端和第一二级运算放大器(IC12)的反向信号输入端连接，第一二级运算放大器(IC12)的正向信号输入端与可调电阻VR2的滑动端连接，可调电阻VR2的一个固定端接供电电源的电源地，可调电阻VR2的另一个固定端接供电电源的的负极，第一二级运算放大器(IC12)的信号输出端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端同时与第三二极管(D3)的阴极、电阻R9的一端和第一与非门(IC13)一个输入端连接，电阻R9的另一端与第三二极管(D3)的阳极同时接供电电源的电源地，第一与非门(IC13)另一个输入端与ARM单片机的第一信号输出端连接，第一与非门(IC13)的输出端与ARM单片机的信号输入端连接；
第二二极管(D2)的阴极和电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与第二一级运算放大器(IC21)的正向信号输入端连接，第二一级运算放大器(IC21)的反向信号输入端同时与电阻R11的一端和电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端接供电电源的电源地，电阻R11的另一端同时与第二一级运算放大器(IC21)的信号输出端和第二二级运算放大器(IC22)的反向信号输入端连接，第二二级运算放大器(IC22)的正向信号输入端与可调电阻VR3的滑动端连接，可调电阻VR3的一个固定端接供电电源的电源地，可调电阻VR3的另一个固定端接供电电源的的负极，第二二级运算放大器(IC22)的信号输出端与电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端同时与第四二极管(D4)的阴极、电阻R14的一端和第二与非门(IC23)一个输入端连接，电阻R14的另一端与第四二极管(D4)的阳极同时接供电电源的电源地，第二与非门(IC23)另一个输入端与ARM单片机的第二信号输出端连接，第二与非门(IC23)的输出端与ARM单片机的信号输入端连接；
ARM单片机的第三信号输出端是单片机控制系统(13)的第一控制信号输出端且与第一电子开关电路(9)的开关控制端连接；ARM单片机的第四信号输出端是单片机控制系统(13)的第二控制信号输出端且与第二电子开关电路(10)的开关控制端连接，ARM单片机的第五信号输出端是单片机控制系统(13)的第三控制信号输出端与第三电子开关电路(11)的开关控制端连接，ARM单片机的第六信号输出端是单片机控制系统(13)的第四控制信号输出端与第四电子开关电路(12)的开关控制端连接。
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