CN206556673U - 位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种位移传感器，包括：固定模块，在固定模块上设有激励线圈及接收线圈；其中激励线圈用于通过高频周期性交流电压和电流，在固定模块区域内产生交变电磁场；接收线圈设置在激励线圈产生的交变电磁场区域内，并产生感应电动势；移动模块用于影响激激励线圈和接收线圈之间的电磁耦合强度；处理电路与固定模块连接，处理电路处理从接收线圈上得到的电压信号输出物体位移信号。本实用新型具有以下优点：提高信号精度，固定模块上的接收线圈具有1个或多个周期性重复的特定几何图形结构特点。接收线圈重复周期越小，在物体位移范围内得到的接收信号数量越多，输出信号的分辨率越高，这样做可以提高编码信号精度，加快处理电路计算速度。

Description

位移传感器

技术领域

本实用新型涉及一种新型的电磁感应式位移传感器,特别涉及但不限于一种用于测量物体位移的电磁感应式位移传感器。

背景技术

位移传感器通过把位移量转换为电量，从而实现对位移量的检测。位移传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是实现测试与自动控制的重要环节。在实际工程应用中，位移传感器有着非常重要的作用。目前市面上为人们所常用的位移传感器主要包括：

绕线电位器式位移传感器

工作方式：绕线电位器由电阻丝绕制在绝缘骨架上，由电刷引出与滑动点电阻对应的输入变化。电刷由待测量位移部分拖动，输出与位移成正比的电阻或电压的变化。

缺陷：存在物理摩擦易损坏、精度低。

电阻应变式位移传感器

工作方式：电阻应变式位移传感器是以弹簧和悬臂梁串联作为弹性元件，在矩形界面悬臂梁根部正反两面贴四片应变片，组成全桥电路，拉伸弹簧一端与测量杆连接，当测量杆随试件产生位移时，带动弹簧使悬臂梁根部发生弯曲，弯曲所产生的应变与测量杆的位移成线性关系。

缺陷：位移测量范围小、精度低。

电容式位移传感器

工作方式：电容式位移传感器是以理想的平板电容为基础，两个平行极板由传感器测头和被测物体表面构成,基于运算放大器测量电路原理,当恒定频率的正弦激励电流通过传感器电容时,传感器上产生的电压幅值与电容极板间隙成比例关系。

缺陷：电容式传感器存在寄生电容和分布电容，导致位移测量范围小、精度低、存在非线性误差。

霍尔式位移传感器

工作方式：霍尔位移传感器主要由两个半环形磁钢组成的梯度磁场和位于磁场中心的锗材料半导体霍尔片(敏感元件)装置构成。当霍尔元件通过恒定电流时,在其垂直于磁场和电流的方向上就有霍尔电势输出。霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时,输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量x。测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。

缺陷：信号随温度变化、位移测量范围小。

LVDT位移传感器

工作方式：LVDT是线性可变差动变压器的缩写，属于直线位移传感器，由铁芯、衔铁、初级线圈、次级线圈组成，当衔铁处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为0；当衔铁在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。

缺陷：结构复杂、成本高、无法测量非线性位移。

以上方案在精度、可靠性、位移测量范围和测量非线性位移等方面均有不同程度的缺陷。因此，市场如今迫切需要一种新的位移传感器，来克服现在方案所存在的缺陷。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型目的在于提供一种解决上述方案在传感器易损坏、信号分辨率、输出形式和安装方式等方面缺陷的位移传感器。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种位移传感器，包括：固定模块，在所述固定模块上设有激励线圈及接收线圈；其中所述激励线圈用于通过高频周期性交流电压和电流，在所述固定模块区域内产生交变电磁场；所述接收线圈设置在所述激励线圈产生的交变电磁场区域内，并产生感应电动势；移动模块，所述移动模块用于影响激所述激励线圈和所述接收线圈之间的电磁耦合强度；处理电路，所述处理电路与所述固定模块连接，所述处理电路处理从所述接收线圈上得到的电压信号输出物体位移信号。

优选地，所述移动模块包括金属块、金属片或载具以及设置在所述载具上的导电件。

优选地，所述导电件为金属、同心闭合矩形金属导线、闭合螺旋形金属导线、闭合多圈金属导线或矩形导电胶。

优选地，所述移动模块的数量为一个或多个。

优选地，所述激励线圈由一匝或多匝沿所述移动模块位移路径的方向上绕制的金属导线串联构成。

优选地，所述接收线圈由一个或多个接收单元组成。

优选地，所述接收单元包括一个或多个周期的类正弦形、菱形、三角形或螺旋形图形。

优选地，所述处理电路至少包括振荡电路和信号计算电路；其中所述振荡电路配合所述激励线圈产生高频周期性交流电压和电流，所述信号计算电路用于处理接收线圈的耦合信号并输出正交AB、线性模拟输出、PWM或正余弦信号。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)提高信号精度，固定模块上的接收线圈具有1个或多个周期性重复的特定几何图形结构特点，其几何图形包括类正弦形、菱形、三角形、矩形和螺旋形。接收线圈重复周期越小，在物体位移范围内得到的接收信号数量越多，输出信号的分辨率越高，这样做可以提高编码信号精度，同时加快处理电路计算速度。

2)可靠性，固定模块和移动模块之间没有物理接触，不会产生任何摩擦，避免了物料的损耗。同时，移动模块采用机械强度高的材料(如金属)，在移动速度过快的情况下因其本身材料的坚固也不会发生变形、碎裂的情况。

3)位移测量范围，本实用新型所述的电磁感应式位移传感器，其位移测量范围可以从微米级扩展到10米甚至更远，远远超过其他类型位移传感器的测量范围，且其精度不受位移距离长短的影响。

4)测量非线性位移，本实用新型所涉及的电磁感应式位移传感器不仅可以适用于直线位移，也可以通过改变移动模块和固定模块的图形来应用于非线性位移。灵活的结构特点保证了本实用新型所涉及的电磁感应式位移传感器可以满足客户不同应用的需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征目的和优点将会变得更明显。

图1为本实用新型位移传感器使用示意图；

图2a为本实用新型位移传感器移动模块实例一结构示意图；

图2b为本实用新型位移传感器移动模块实例二结构示意图；

图2c为本实用新型位移传感器移动模块实例三结构示意图；

图2d为本实用新型位移传感器移动模块实例四结构示意图；

图2e为本实用新型位移传感器移动模块实例五结构示意图；

图2f为本实用新型位移传感器移动模块实例六结构示意图；

图2g为本实用新型位移传感器移动模块实例七结构示意图；

图3a为本实用新型位移传感器激励线圈实例一结构示意图；

图3b为本实用新型位移传感器激励线圈实例二结构示意图；

图3c为本实用新型位移传感器激励线圈实例三结构示意图；

图4a为本实用新型位移传感器接收线圈实例一结构示意图；

图4b为本实用新型位移传感器接收线圈实例二结构示意图；

图4c为本实用新型位移传感器接收线圈实例三结构示意图；

图4d为本实用新型位移传感器接收线圈实例四结构示意图；

图4e为本实用新型位移传感器接收线圈实例五结构示意图；

图5为接收线圈实例五使用示意图；

图6为本实用新型位移传感器处理电路流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。

根据图1所示，这是一个常用的直线位移传感器，移动模块1位于固定模块2上方，可以沿被检测方向(图1中为直线方向)前后移动。固定模块2上包括一匝或多匝通有高频周期性交流电压的激励线圈4和N个具有1个或多个周期性重复的特定几何图形结构特点的接收线圈5。激励线圈4和接收线圈5通过通孔连接到处理电路3上。

根据图1所示，本实用新型所涉及的电磁感应式位移传感器为非接触式位移传感器，其固定模块和移动模块之间没有物理接触，不会产生任何摩擦，避免了物料的损耗。

本实用新型所涉及的电磁感应式位移传感器可以适用于直线位移，也可以通过改变移动模块和固定模块的图形来应用于非线性位移。灵活的结构特点保证了本实用新型所涉及的电磁感应式位移传感器可以满足客户不同应用的需求。

图2为本实用新型所述的移动模块实例图。

图2a-2g展示了移动模块多种实现方式及其结构特点：

图2a-2b为电磁感应材料(例如金属)制作而成的具有1个或多个周期性重复的特定图形金属片(块),其图形包括矩形、弯曲四边形或闭合螺旋形。

如图2a所示，移动模块为由金属制作而成的矩形图案片6。

如图2b所示，移动模块为由金属制作而成的弯曲四边形图案块7，该图形左右两侧平整，上下两侧向内弯曲。

图2c-2f为电磁感应材料(例如导电胶)构成的具有1个或多个周期性重复的特定几何图形覆盖于非电磁感应材料(例如绝缘材料)制作的载具上,其图形包括矩形、弯曲四边形或闭合螺旋形。

如图2c所示，移动模块将一块矩形导电胶9均匀覆盖于绝缘材料载具8的正反面上。

如图2d所示，移动模块将相距特定距离的矩形导电胶11和矩形导电胶12均匀覆盖于绝缘材料载具10上。

如图2e所示，移动模块将多圈同心闭合矩形金属导线14均匀覆盖于绝缘材料载具13上。

如图2f所示，移动模块将一条闭合金属导线16均匀覆盖于绝缘材料载具15上，该金属导线内部呈螺旋状摆放。

图2e为电磁感应材料(例如金属)制作的导线缠绕于非电磁感应材料(例如绝缘材料)制作的具有1个或多个周期性重复的特定几何图形载具上,其图形包括矩形、弯曲四边形或闭合螺旋形。

如图2g所示，移动模块将多圈金属导线18缠绕于一块绝缘材料载具17上，该绝缘材料形状根据物体位移路线定制。

本实用新型所涉及的电磁感应式位移传感器，其移动模块的外形轮廓一般为矩形，如图2a、2c、2d、2e和2f，也可以采用如图2b的弯曲四边形图案，其均适用于直线位移传感器。如果物体运动路线非线性，则可以采用如图2f的弯曲四边形图案移动模块，其外形同物体运动路径方向相同。

本实用新型所涉及的组成移动模块的电磁感应材料和非电磁感应材料一般采用机械强度高的材料，因为在实际应用中，当移动模块移动过快的情况下容易造成普通材料(如印刷电路板)发生变形、碎裂等情况，造成对传感器本身的损坏。而采用机械强度高的材料(如金属)可以使移动模块在转速过快的情况下因其本身材料的坚固不会发生变形、碎裂的情况。但如果只是将印刷电路板材料换成实心金属材料，虽然能加强传感器机械强度，但是在实心金属上产生的涡流场对接收线圈的影响不均匀，会导致接感应圈上的电压信号曲线受到影响，降低输出信号的精度。所以本实用新型将普通材料换成机械强度高的材料(如金属)的同时，对其形状进行修改(如闭合金属导线)，使得最终成形的移动模块上的几何图形和接收线圈的几何图形相似，移动模块产生的涡流场将均匀影响接收线圈，使接收线圈上的电压信号保持稳定，提高输出信号的精度。

本实用新型所涉及的电磁感应式位移传感器，其移动模块受到激励线圈交变电磁场的影响而产生涡流场，从而削弱激励线圈上的电磁场。由于移动模块的特定几何形状，涡流场沿特定路线，即圆周方向改变激励电磁场。不均匀的激励电磁场将导致接收线圈中的感应电动势发生变化，且其变化根据移动模块与接收线圈的相对物理位置而不同。

本实用新型所述的电磁感应式位移传感器，其激励线圈位于固定模块上，由1匝或者多匝金属导线绕制的图案而成，图案一般为矩形、弯曲四边形，也可以根据应用改变形状。图3a为激励线圈实例一示意图。

如图3a所示，激励线圈可以放在接收线圈的外圈。激励线圈21由3匝矩形金属导线串联而成，放置在接收线圈19和接收线圈20外侧，激励线圈21通过通孔21-1和21-2 连接到处理电路3上。

图3b为激励线圈实例二示意图。

如图3b所示，如果安装空间受到限制，可以将激励线圈平行放置于接收线圈底下来节省固定模块的面积。激励线圈22由3匝矩形图形金属导线绕制而成，平行放置在接收线圈19和接收线圈20底下，激励线圈22通过通孔21-1和21-2连接到处理电路3 上。

图3c为激励线圈实例三示意图。

如图3c所示，如果被检测路径为非线性曲线，可以将激励线圈的形状绘制成同被检测路径图形一致。激励线圈23由2匝弯曲四边形金属导线串联而成，放置在接收线圈19和接收线圈20外侧，激励线圈23通过通孔23-1和23-2连接到处理电路3上。

本实用新型所述的电磁感应式位移传感器，其激励线圈与处理电路相连接，用于通过高频周期性交流电压和电流，在固定模块区域内产生交变电磁场。

本实用新型所述的电磁感应式位移传感器，其接收线圈位于固定模块上，接收线圈包括1个或多个独立的接收线圈,接收线圈相互之间保持特定的相位差距离。每个接收线圈具有1个或多个周期性重复的特定几何图形结构特点，其几何图形包括类正弦形、菱形、三角形或螺旋形。

图4a为接收线圈实例一示意图。

如图4a所示，固定模块上包括2个接收线圈25和接收线圈26，其放置在激励线圈24内侧。2个接收线圈之间保持特定的相位差距离。每个接收线圈沿位移路径方向绕制 3个菱形闭合金属导线。接收线圈25通过通孔25-1和25-2接入处理电路3，形成闭合回路。接收线圈26通过通孔26-1和26-2接入处理电路3，形成闭合回路。采用上述接收线圈可以在特定测量范围内得到2组相互之间存在特定距离相位差的接收信号。

图4b为接收线圈实例二示意图。

如图4b所示，固定模块上包括3个接收线圈27、接收线圈28和接收线圈29，其放置在激励线圈24内侧。3个接收线圈之间保持特定的相位距离差。每个接收线圈沿位移路径方向绕制2个三角形闭合金属导线。接收线圈27通过通孔27-1和27-2接入处理电路3，形成闭合回路。接收线圈28通过通孔28-1和28-2接入处理电路3，形成闭合回路。接收线圈29通过通孔29-1和29-2接入处理电路3，形成闭合回路。采用上述接收线圈可以在特定测量范围内得到3组相互之间存在特定距离相位差的接收信号。

图4c为接收线圈实例三示意图。

如图4c所示，固定模块上包括2个接收线圈30和接收线圈31，其放置在激励线圈24内侧。2个接收线圈之间保持特定的相位距离差。每个接收线圈沿位移路径方向绕制 2个类正弦形闭合金属导线。接收线圈30通过通孔30-1和30-2接入处理电路3，形成闭合回路。接收线圈31通过通孔31-1和31-2接入处理电路3，形成闭合回路。采用上述接收线圈可以在特定测量范围内得到2组相互之间存在特定距离相位差的接收信号。

图4d为接收线圈实例四示意图。

如图4d所示，固定模块上包括1个接收线圈32，其放置在激励线圈24内侧。接收线圈32沿位移路径方向绕制2个矩形螺旋形闭合金属导线。接收线圈32通过通孔32-1 和32-2接入处理电路3，形成闭合回路。采用上述接收线圈可以在特定周期范围内得到 1组相互之间存在特定距离相位差的接收信号。

图4e为接收线圈实例五示意图。

如图4e所示，固定模块上包括两组接收线圈，实线所示接收线圈为图4a所示实例一的接收线圈25和接收线圈26，虚线所示接收线圈为接收线圈33和接收线圈34。接收线圈33和接收线圈34平行放置于接收线圈25和接收线圈26下侧。两组接收线圈均放置在激励线圈24内侧。接收线圈33和接收线圈34分别沿位移路径方向绕制2个菱形闭合金属导线。接收线圈33和接收线圈34之间保持特定的相位距离差。接收线圈33 通过通孔33-1和33-2接入处理电路3，形成闭合回路。接收线圈34通过通孔34-1和 34-2接入处理电路3，形成闭合回路。采用上述接收线圈可以在特定测量范围内得到4 组接收信号，其中，接收线圈25和接收线圈26上的接收信号为细调接收信号；接收线圈33和接收线圈34上的接收信号为粗调接收信号。

图5为接收线圈实例五应用图。

如图5所示，移动模块1a位于固定模块2的上侧，移动模块1b位于固定模块2的下侧。固定模块2上包括2组接收线圈。实线所示接收线圈为接收线圈25和接收线圈 26，虚线所示接收线圈为接收线圈33和接收线圈34。2组接收线圈均放置于激励线圈 24内侧。当移动模块1a沿位移路径发生位置变化时，会在接收线圈25和接收线圈26 上产生一组周期性变化的电压曲线信号，其为细调接收信号；当移动模块1b沿位移路径发生位置变化时，会在接收线圈33和接收线圈34上产生一组周期性变化的电压曲线信号，其为粗调接收信号。

本实用新型所述的电磁感应式位移传感器，其接收线圈位于激励线圈产生的交变电磁场区域内，根据法拉第电磁感应定律可知，通过闭合线圈的磁通量发生变化，会在闭合线圈上产生感应电动势。因此，接收线圈上将产生相应的感应电动势，然后输入处理电路进行计算。

为了方便信号检测和计算，固定模块上绘制的几何图形及重复周期一般与接收线圈的几何图形及重复周期保持一致，但实际应用中也可以不同。

本实用新型所述的电磁感应式位移传感器，其固定模块上的接收线圈具有1个或多个周期性重复的特定几何图形结构特点，其几何图形包括类正弦形、菱形、三角形或螺旋形。接收线圈重复周期越小，在物体位移范围内得到的接收信号数量越多，输出信号的分辨率越高，这样做可以提高编码信号精度，同时加快处理电路计算速度。

本实用新型所述的电磁感应式位移传感器，其固定模块上可以同时包含2组或多组不同周期、不同几何形状的接收线圈。若固定模块包含2组或多组不同周期、不同几何形状的接收线圈时，可以配合1个移动模块，也可以配合多个周期、几何形状相同或者不同的移动模块。

本实用新型所述的电磁感应式位移传感器，其位移测量范围可以从微米级扩展到10 米甚至更远，远远超过其他类型位移传感器的测量范围，且其精度不受位移距离长短的影响。

本实用新型所述的电磁感应式位移传感器，其接收线圈和激励线圈被放置在一块非电磁感应材料板上，如印刷电路板(PCB)。

本实用新型所述的电磁感应式编码器，其处理电路可以放置在非电磁感应材料板上，也可以放在其他地方。处理电路可以是由分立器件构建的外围电路，也可以是一颗ASIC专用处理芯片。

本实用新型所述的电磁感应式编码器，其内部包括一个振荡电路和信号处理电路。

本实用新型所述的电磁感应式编码器，其振荡电路用于产生配合激励线圈产生高频周期性交流电压和电流。

如图6所示，本实用新型所述的电磁感应式位移传感器，其信号处理电路用于处理接收线圈上产生的电压信号，通过解调、运放和其他计算模块处理后，最终输出正交AB、线性模拟输出、PWM或正余弦信号。

基于上述电磁感应式位移传感器架构，其测量物体位移方式及特点如下：

1)当电源给电磁感应式位移传感器通电后，处理电路配合激励线圈产生高频周期性交流电压和电流，流过激励线圈的交变电流将在固定模块区域内形成交变电磁场。

2)根据法拉第电磁感应定律可知，通过闭合线圈的磁通量发生变化，会在闭合线圈上产生感应电动势。当激励线圈上产生的交变电磁场穿过闭合接收线圈时，由于通过闭合接收线圈的磁通量发生交变，在每个接收线圈上产生频率相同的交变感应电动势。

3)移动模块用于影响激励线圈和接收线圈之间的耦合关系，当移动模块移动时，激励线圈的交变电磁场使得移动模块产生涡流场，从而削弱激励线圈的电磁场。不均匀的电磁场将导致接收线圈上的感应电动势发生变化。当移动模块与固定模块的位置发生相对变化时，在接收线圈上得到N组周期性变化的电压信号曲线，通过处理电路计算后输出正交AB、线性模拟输出、PWM或正余弦信号。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种位移传感器，其特征在于，包括：

固定模块，在所述固定模块上设有激励线圈及接收线圈；其中

所述激励线圈用于通过高频周期性交流电压和电流，在所述固定模块区域内产生交变电磁场；

所述接收线圈设置在所述激励线圈产生的交变电磁场区域内，并产生感应电动势；

移动模块，所述移动模块用于影响激所述激励线圈和所述接收线圈之间的电磁耦合强度；

处理电路，所述处理电路与所述固定模块连接，所述处理电路处理从所述接收线圈上得到的电压信号输出物体位移信号。

2.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述移动模块包括金属块、金属片或载具以及设置在所述载具上的导电件。

3.根据权利要求2所述的位移传感器，其特征在于，所述导电件为金属、同心闭合矩形金属导线、闭合螺旋形金属导线、闭合多圈金属导线或矩形导电胶。

4.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述移动模块的数量为一个或多个。

5.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述激励线圈由一匝或多匝沿所述移动模块位移路径的方向上绕制的金属导线串联构成。

6.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述接收线圈由一个或多个接收单元组成。

7.根据权利要求6所述的位移传感器，其特征在于，所述接收单元包括一个或多个周期的类正弦形、菱形、三角形或螺旋形图形。

8.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述处理电路至少包括振荡电路和信号计算电路；其中

所述振荡电路配合所述激励线圈产生高频周期性交流电压和电流，所述信号计算电路用于处理接收线圈的耦合信号并输出正交AB、线性模拟输出、PWM或正余弦信号。