專利名稱：具有防水功能的大量程位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有防水功能的大量程位移傳感器，可廣泛用于計量測試、在線檢測、產(chǎn)品檢驗、日常生活等領(lǐng)域，特別是生產(chǎn)加工現(xiàn)場使用，屬于測量儀器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
位移傳感器是應(yīng)用最為廣泛的一種傳感器，而大量程位移傳感器在工業(yè)領(lǐng)域特別是制造業(yè)領(lǐng)域的使用最多，例如光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器、激光干涉測量系統(tǒng)等。然而這些傳統(tǒng)的大量程位移傳感器大多數(shù)都存在一個明顯的缺點和不足當(dāng)使用環(huán)境存在各種液體時，傳感器的測量結(jié)果將出現(xiàn)很大的偏差，有些傳感器甚至根本不能正常工作。這一缺陷在很大程度上影響了上述位移傳感器在生產(chǎn)加工現(xiàn)場的使用，同時也限制了位移傳感器在其他領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
目前，國內(nèi)外推出的具備防水功能的大量程位移傳感器只有以下幾種1)差動變壓器式位移傳感器以日本三豐株式會社最具代表性，如“感應(yīng)電流位置傳感器”(專利申請?zhí)?6108034)、“利用碼軌道型標(biāo)尺和讀出頭的感應(yīng)電流式絕對位置傳感器”(專利申請?zhí)?8103721)、“減少偏差的高精度感應(yīng)電流位置傳感器”(專利申請?zhí)?8106179)。這類傳感器利用電渦流效應(yīng)組成差動變壓器式位移傳感器，它由一對發(fā)射線圈和接收線圈組成，通過互感變化實現(xiàn)大量程位移測量，并具有防水功能。缺點是傳感器線圈部分體積較大，不利于進(jìn)一步小型化。2)磁阻式位移傳感器以瑞士特薩為代表，如“測量尺度的磁阻傳感器”(專利申請?zhí)?8107990)等。這類傳感器利用磁阻效應(yīng)組成磁阻式位移傳感器，體積小，可以實現(xiàn)大量程位移測量，并具有防水功能，但不能排除磁性顆粒物質(zhì)的影響。3)磁柵式位移傳感器例如國內(nèi)陸濟(jì)群的發(fā)明專利“磁柵數(shù)顯長度計量器具”(申請?zhí)?3108665)。這類傳感器已經(jīng)在實際生產(chǎn)中廣為使用，但是測量精度低，抗干擾能力差，體積大，可維護(hù)性差，不能小型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種新型的具有防水功能的大量程位移傳感器，不僅具有防水功能，不受磁性顆粒物質(zhì)的影響，測量范圍大，而且體積小、重量輕、耗電少、易于維護(hù)，可以形成小型位移傳感器件，滿足各種復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場的使用要求。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明采用電渦流傳感器組成位移檢測器件，在定尺上安裝具有規(guī)則對稱形狀、按照一定波長周期性均勻排列的金屬反射導(dǎo)體，在動尺上安裝數(shù)個具有特定間距和形狀的傳感器線圈。當(dāng)線圈中通以交變電流時，將在空間產(chǎn)生交變電磁場，并在定尺的反射導(dǎo)體上產(chǎn)生電渦流。當(dāng)定尺與動尺之間產(chǎn)生相對移動時，在電渦流的作用下對磁場產(chǎn)生調(diào)制作用，從而改變傳感器線圈的電參數(shù)，通過相應(yīng)的測量電路可以輸出周期性變化的電信號，由此實現(xiàn)位移測量。由于位移測量是通過電渦流效應(yīng)來實現(xiàn)，因此傳感器具有防水功能，可以應(yīng)用于液體環(huán)境和場合。
本發(fā)明提出的具有防水功能的大量程位移傳感器基于電渦流傳感器原理，可稱之為“渦流柵”式位移傳感器，具有與其他柵式位移傳感器相似的結(jié)構(gòu)，它包括一個定尺、一個動尺、傳感器線圈、驅(qū)動電路、顯示器、控制電路、電池等部分。驅(qū)動電路包括驅(qū)動器和脈沖電路，控制電路包括單片機(jī)、控制器、采樣器、顯示電路和通訊接口、接口電路。在定尺上沿著定尺移動方向均勻排列著一系列具有規(guī)則形狀的金屬反射導(dǎo)體，動尺通過機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝在定尺上，并可以沿著定尺尺身滑動，在動尺上安裝數(shù)個電渦流傳感器線圈，這些傳感器線圈沿卡尺移動方向均勻排列，其間隔與定尺上的金屬反射導(dǎo)體的分布波長具有確定的對應(yīng)關(guān)系。傳感器線圈通過驅(qū)動器與脈沖電路相連，傳感器線圈的輸出經(jīng)采樣器與單片機(jī)連接，單片機(jī)的輸出經(jīng)顯示電路連接顯示器，通過控制器連接脈沖電路，通過通訊接口與外部設(shè)備連接，并通過接口電路與按鍵相連。驅(qū)動電路、控制電路和顯示器均與干電池相連。
在定尺上按照一定間距(稱為測量波長)周期性均勻排列一些反射導(dǎo)體。這些反射導(dǎo)體具有規(guī)則對稱形狀，例如矩形、方形、菱形、六邊形、八邊形等等。反射體沿移動方向的長度一般等于測量波長的一半，即半波長，此時反射體之間的間隔也為半波長，即反射體寬度等于反射體間距。同時，這些反射導(dǎo)體可以沿測量方向排成一列、二列、三列以及更多列，相應(yīng)地稱之為單碼道、雙碼道、三碼道以及更多碼道形式。不同碼道上的反射導(dǎo)體的測量波長不完全相同。不同碼道上的反射導(dǎo)體的起始位置可完全一致，也可相互錯開一定間隔。
動尺上安裝的傳感器線圈同樣具有一定規(guī)則對稱形狀，例如矩形、方形、菱形、六邊形、八邊形等等。傳感器線圈沿移動方向的長度一般等于測量波長的一半，即半波長。為了提高傳感器線圈的性能，可以將傳感器線圈的長度設(shè)計為半波長的整數(shù)倍。有時也可以使傳感器線圈的長度略大于或略小于半波長的整數(shù)倍，以便改善測量信號的質(zhì)量。傳感器線圈的數(shù)目至少為2，且應(yīng)為偶數(shù)。傳感器線圈采用印制電路板工藝制作，一般采用多層電路板工藝，以便提高線圈性能。傳感器線圈沿移動方向有規(guī)則地排列，其排列規(guī)則可以是均勻排列，也可以是不均勻排列，其間隔與定尺上的反射導(dǎo)體的分布具有確定的對應(yīng)關(guān)系，一般而言，傳感器線圈的中心距離為1/4測量波長的整數(shù)倍。
與反射體的碼道形式相對應(yīng)，傳感器線圈也可分布在多個并行的碼道上，線圈的碼道數(shù)目與定尺的碼道數(shù)目可以相同，也可以不同。不同碼道上的線圈在卡尺移動方向上的相互位置可完全一致，也可錯開一定間隔，并與定尺的反射導(dǎo)體具有確定的對應(yīng)關(guān)系。每個碼道的波長可以一致，也可以略有不同，從而可以構(gòu)成不同的測量模式，達(dá)到不同的測量要求和目的。
為了提高測量靈敏度，降低定尺與動尺之間的間隙變動對測量結(jié)果的影響，減小測量電路漂移、環(huán)境溫度波動等因素的影響，傳感器的線圈數(shù)目一般采用偶數(shù)，從而可以實現(xiàn)差動結(jié)構(gòu)。同時，為了便于傳感器線圈的安裝和布局，兩個差動線圈可以并列安置，也可以相距一定的距離，一般相距半波長的整數(shù)倍，例如1/2波長、3/2波長、5/2波長、7/2波長等等，以此類推。
上述傳感器線圈是在驅(qū)動電路的驅(qū)動和控制下工作的。這些傳感器線圈是發(fā)射線圈，里面通過交流電流，從而在線圈周圍空間形成交變磁場。由于定尺上面的部分反射導(dǎo)體將處于此交變磁場的作用區(qū)域內(nèi)，因此在這些反射導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生電渦流，并反過來對發(fā)射線圈的電參數(shù)產(chǎn)生影響。而傳感器線圈同時又是接收線圈，它可以感受來自這些反射導(dǎo)體中的電渦流效應(yīng)，使得線圈本身的電感、阻抗、品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致驅(qū)動電路電信號的頻率、相位或幅值發(fā)生變化。當(dāng)動尺與定尺之間產(chǎn)生相對移動后，傳感器線圈與反射導(dǎo)體的相對位置發(fā)生變化，輸出的電信號的頻率、相位或幅值也相應(yīng)地同步改變。因此，通過相應(yīng)的后續(xù)電路，就可以輸出周期性變化的電信號，從而實現(xiàn)位移測量。由于這種電渦流柵式位移傳感器的測量量程只取決于定尺的長度，因此可以根據(jù)不同的測量范圍要求，來選用不同長度的定尺，從而實現(xiàn)大量程位移測量。
本發(fā)明的傳感器線圈可以利用多層印制電路板工藝制造，因此具有工藝穩(wěn)定、價廉、快速、穩(wěn)定等優(yōu)點。同時，可以將傳感器線圈以及驅(qū)動電路、控制電路、通訊接口等制作在同一塊電路板上，形成一體化傳感器，從而大大降低整個測量模塊的體積和可靠性，降低成本，提高可維護(hù)性。
本發(fā)明采用脈沖間歇式供電方式為傳感器線圈提供能源，而且供電脈沖的占空比很小，因此可以大幅度地降低功耗。同時，傳感器具有節(jié)能功能，當(dāng)一段時間未被使用后，傳感器將自動關(guān)閉，以便最大限度地節(jié)約電力，避免浪費，延長電池使用時間。
本發(fā)明采用低功耗單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動電路控制、傳感器輸出信號的采集與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、誤差補償與修正、數(shù)值計算、結(jié)果顯示等。
本發(fā)明采用低功耗液晶顯示器，符合一般觀察和操作習(xí)慣，同時具有米制/英制顯示轉(zhuǎn)換、節(jié)能(定時關(guān)斷)、清零等功能。
本發(fā)明的傳感器本身具有通用的RS-232c通訊接口，因此可以方便地與PC機(jī)、打印機(jī)或其他設(shè)備連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、統(tǒng)計分析、打印結(jié)果與報表等。
電源采用體積小、容量大的鋰電池，可以滿足卡尺長期連續(xù)的工作需要，同時又符合環(huán)保要求。
本發(fā)明的位移傳感器可以用于構(gòu)成各種大范圍的長度測量器具，例如電子數(shù)顯卡尺、百分表、深度尺、高度尺等，同時也可以用于實現(xiàn)角度測量，測量范圍可以達(dá)到幾百到幾千毫米，而且體積小、重量輕、耗電少、易于維護(hù)，可以滿足各種復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場的使用要求。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1為定尺，2為反射導(dǎo)體，3為驅(qū)動電路，4為傳感器線圈，5為控制電路，6為動尺。
圖2為本發(fā)明幾種典型的反射導(dǎo)體排列與布局形式示意圖。
圖3為本發(fā)明幾種典型的傳感器線圈形式示意圖。
圖4為本發(fā)明幾種典型的單碼道線圈排列與布局形式示意圖。
圖5為本發(fā)明幾種典型的雙碼道線圈排列與布局形式示意圖。
圖6為本發(fā)明幾種典型的三碼道線圈排列與布局形式示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一個定尺1、一個動尺6、若干傳感器線圈4、驅(qū)動電路3、控制電路5、顯示器、通訊接口、按鍵、干電池等。驅(qū)動電路3包括驅(qū)動器和脈沖電路，控制電路5包括單片機(jī)、控制器、采樣器、顯示電路和通訊接口、接口電路。在定尺1上沿著定尺移動方向均勻排列著一系列具有規(guī)則形狀的金屬反射導(dǎo)體2；動尺6通過機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝在定尺1上，并可以沿著定尺尺身滑動；在動尺6上安裝數(shù)個電渦流傳感器線圈4，這些傳感器線圈4沿卡尺移動方向均勻排列，其間隔與定尺上的金屬反射導(dǎo)體2的分布波長具有確定的對應(yīng)關(guān)系。傳感器線圈4通過驅(qū)動器與脈沖電路相連，傳感器線圈4的輸出經(jīng)采樣器與單片機(jī)連接，單片機(jī)的輸出經(jīng)顯示電路連接顯示器，通過控制器連接脈沖電路，通過通訊接口與外部設(shè)備連接，并通過接口電路與按鍵相連。驅(qū)動電路3、控制電路5和顯示器均與干電池相連。
驅(qū)動器由脈沖電路間歇供電，為傳感器線圈4提供激勵信號，傳感器線圈4的輸出電信號經(jīng)過采樣器后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計算，最終的測量結(jié)果通過顯示電路送至顯示器進(jìn)行數(shù)字顯示；單片機(jī)通過控制器來控制脈沖電路，實現(xiàn)間歇供電；單片機(jī)通過通訊接口與外部設(shè)備(例如上位機(jī)、打印機(jī)、其他終端等)傳輸數(shù)據(jù)；單片機(jī)通過接口電路讀取按鍵輸入，執(zhí)行相應(yīng)操作和實現(xiàn)不同功能；驅(qū)動電路3、控制電路5和顯示器均由干電池統(tǒng)一供電，維持系統(tǒng)工作。
上述傳感器線圈4在驅(qū)動電路3的驅(qū)動和控制下工作。這些傳感器線圈4是發(fā)射線圈，里面通過交流電流，從而在線圈周圍空間形成交變磁場。由于定尺1上面的部分反射導(dǎo)體2將處于此交變磁場的作用區(qū)域內(nèi)，因此在這些反射導(dǎo)體2內(nèi)將產(chǎn)生電渦流，并反過來對發(fā)射線圈的電參數(shù)產(chǎn)生影響。而傳感器線圈4同時又是接收線圈，它可以感受來自這些反射導(dǎo)體中的電渦流效應(yīng)，使得線圈本身的電感產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致驅(qū)動電路振蕩器的頻率和幅值變化，并將此變化信號輸出。當(dāng)動尺6與定尺1之間產(chǎn)生相對移動后，傳感器線圈4與反射導(dǎo)體2的相對位置發(fā)生變化，輸出的電信號的頻率和幅值也相應(yīng)同步改變，從而可以實現(xiàn)位移測量。
由于定尺1上的反射導(dǎo)體2是均勻分布的，因此，隨著動尺6與定尺1之間的位置不同，輸出信號的頻率成周期性變化，其變化周期等于測量波長。
本發(fā)明的傳感器線圈4同驅(qū)動電路3、控制電路5等制作在同一塊電路板上，采用脈沖間歇式供電方式為傳感器線圈提供能源，采用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用低功耗液晶顯示器，并具有通用的通訊接口，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，可以長期連續(xù)工作。
圖2為本發(fā)明幾種典型的反射導(dǎo)體排列與布局形式示意圖。
圖2中，(a)為單碼道形式，(b)為等波長同相雙碼道形式，(c)等波長反相雙碼道形式，(d)為不等波長同相雙碼道形式，(e)不等波長反相雙碼道形式，(f)、(g)均為三碼道形式。
圖3為本發(fā)明幾種典型的傳感器線圈形式示意圖。
圖3中，(a)為矩形線圈，(b)為方形線圈，(c)為菱形線圈，(d)為六邊形線圈，(e)為八邊形線圈。
圖4為本發(fā)明幾種典型的單碼道線圈排列與布局形式示意圖。
圖4中，(a)為一種均勻間隔的單碼道形式，(b)為另一種均勻間隔的單碼道形式，(c)為寬線圈的單碼道形式，(d)為另一種寬線圈的單碼道形式，(e)為非均勻間隔單碼道形式，(f)為另一種非均勻間隔單碼道形式，(g)為多節(jié)距單碼道形式，(h)為另一種多節(jié)距單碼道形式，(I)為反向串連單碼道形式，(j)為另一種反向串連單碼道形式。
圖5為本發(fā)明幾種典型的雙碼道線圈排列與布局形式示意圖。
圖5中，(a)為等波長雙碼道形式，(b)為另一種等波長雙碼道形式，(c)為不等波長雙碼道形式，(d)為另一種不等波長雙碼道形式，(e)為寬線圈雙碼道形式，(f)為另一種寬線圈雙碼道形式，(g)為多節(jié)距雙碼道形式，(h)為另一種多節(jié)距雙碼道形式，(i)為多線圈串聯(lián)形式，(j)為另一種多線圈串聯(lián)形式。
圖6為本發(fā)明幾種典型的三碼道線圈排列與布局形式示意圖。
圖6中，(a)、(b)、(c)、(d)為四種典型的三碼道形式，(e)、(f)為兩種寬線圈三碼道形式，(g)、(h)為兩種多節(jié)距三碼道形式。
權(quán)利要求
1.一種具有防水功能的大量程位移傳感器，包括定尺(1)、動尺(6)、傳感器線圈(4)、驅(qū)動電路(3)和控制電路(5)，其特征在于驅(qū)動電路(3)包括驅(qū)動器和脈沖電路，控制電路(5)包括單片機(jī)、控制器、采樣器、顯示電路和通訊接口、接口電路，在定尺(1)上按照測量波長周期性均勻排列具有規(guī)則形狀的反射導(dǎo)體(2)，在動尺(6)上安裝電渦流傳感器線圈(4)，傳感器線圈(4)沿卡尺移動方向均勻排列，其間隔與反射導(dǎo)體(2)的分布波長具有確定的對應(yīng)關(guān)系，傳感器線圈(4)通過驅(qū)動器與脈沖電路相連，傳感器線圈(4)的輸出經(jīng)采樣器與單片機(jī)連接，單片機(jī)的輸出經(jīng)顯示電路連接顯示器，通過控制器連接脈沖電路，通過通訊接口與外部設(shè)備連接，并通過接口電路與按鍵相連，驅(qū)動電路(3)、控制電路(5)和顯示器均與干電池相連。
2.如權(quán)利要求1的具有防水功能的大量程位移傳感器，其特征在于所述的反射導(dǎo)體(2)為矩形、方形、菱形、六邊形或八邊形，反射導(dǎo)體(2)沿移動方向的長度等于半波長，即反射體寬度等于反射體間距，反射導(dǎo)體(2)具有一個或者多個碼道，不同碼道上的測量波長不完全相等。
3.如權(quán)利要求1的具有防水功能的大量程位移傳感器，其特征在于所述的傳感器線圈(4)為矩形、方形、菱形、六邊形或八邊形，傳感器線圈(4)沿移動方向的長度等于半波長的整數(shù)倍，傳感器線圈(4)的數(shù)目至少為2，且應(yīng)為偶數(shù)，傳感器線圈沿移動方向有規(guī)則地排列，其排列規(guī)則可以是均勻排列，也可以是不均勻排列，傳感器線圈的中心距離為1/4測量波長的整數(shù)倍。
4.如權(quán)利要求3的具有防水功能的大量程位移傳感器，其特征在于所述的傳感器線圈(4)與反射體(2)的碼道形式相對應(yīng)，傳感器線圈(4)也可分布在多個并行的碼道上，傳感器線圈(4)的碼道數(shù)目與反射導(dǎo)體(2)的碼道數(shù)目相一致。
5.如權(quán)利要求3或4的具有防水功能的大量程位移傳感器，其特征在于所述的傳感器線圈(4)為差動式布局，兩個差動線圈的距離為半波長的整數(shù)倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有防水功能的大量程位移傳感器，包括定尺、動尺以及傳感器線圈、驅(qū)動電路及控制電路。在定尺上安裝具有一定規(guī)則形狀、按照一定波長周期性均勻排列的金屬反射導(dǎo)體，在動尺上安裝數(shù)個具有特定間距和形狀的傳感器線圈，傳感器線圈通過驅(qū)動器與脈沖電路相連，傳感器線圈的輸出經(jīng)采樣器與單片機(jī)連接，單片機(jī)的輸出經(jīng)顯示電路連接顯示器，通過控制器連接脈沖電路，通過通訊接口與外部設(shè)備連接。當(dāng)線圈中通以交變電流時，將在空間產(chǎn)生交變電磁場，并在定尺的反射導(dǎo)體上產(chǎn)生電渦流。當(dāng)定尺與動尺之間產(chǎn)生相對移動時，在電渦流的作用下對磁場產(chǎn)生調(diào)制作用，由此可以實現(xiàn)位移測量，同時具有防水功能。
文檔編號G01B7/02GK1553138SQ20031012273
公開日2004年12月8日 申請日期2003年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月19日
發(fā)明者趙輝, 劉偉文, 俞樸, 趙 輝 申請人:上海交通大學(xué)