CN109916285A - 一种大量程电涡流位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大量程电涡流位移传感器，所述大量程电涡流位移传感器包括传感器探头、传感器前置器和位于两者之间的线缆，传感器探头包括线圈，线圈的横截面设为前端大、后端小的形式；所述传感器前置器的信号处理电路采用模拟电路，通过包括运算放大器的激励电路产生高频信号，并对信号进行检波、滤波和放大处理。本发明能够在有效的大量程范围内，提高传感器的分辨率并减小传感器探头尺寸外径，使其应用范围更加广泛且提高了传感器整体精度。

Description

一种大量程电涡流位移传感器

技术领域

本发明涉及电涡流位移传感器，特别涉及一种大量程电涡流位移传感器。

背景技术

对于现阶段市场上的非接触位移测量的电涡流位移传感器来说，大部分传感器的量程都是处于2-6mm之间。如果需要测量更远(量程更大)的非接触测量传感器，其精度与分辨率都比较差，比如目前20mm量程的电涡流位移传感的分辨率仅仅为10μm，并不能满足用户的需要。

此外，目前电涡流位移传感器的探头尺寸大小也存在问题，探头尺寸大的话，在小空间内测量大量程位移时就没办法操作，比如目前市场上的20mm量程的电涡流位移传感的尺寸为那么如果在空间直径为32mm的情况下，市场上的20mm量程的电涡流位移传感就没办法操作，此时选择量程小的电涡流位移传感器的话，此时虽然探头尺寸能满足要求，但是量程要求又满足不了，所以使用范围相对较窄。

综上所述，迫切需要一种在大量程范围的电涡流位移传感器，而且要同时具备探头尺寸小以及分辨率高的条件。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种大量程电涡流位移传感器，其能够在有效的大量程范围内，提高传感器的分辨率并减小传感器探头尺寸外径，使其应用范围更加广泛且提高了传感器整体精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种大量程电涡流位移传感器，其特征在于，所述大量程电涡流位移传感器包括传感器探头、传感器前置器和位于两者之间的线缆，传感器探头包括线圈，线圈的横截面设为前端大、后端小的形式；所述传感器前置器的信号处理电路采用模拟电路，通过包括运算放大器的激励电路产生高频信号，并对信号进行检波、滤波和放大处理。

进一步地，所述线圈的横截面的形状为直角梯形除外的一般梯形，梯形的两腰分别朝所述传感器探头的端部延伸。

进一步地，所述线圈的横截面的形状为单边倒梯形，即直角梯形，梯形的腰朝所述传感器探头的端部延伸，梯形的直角边位于所述线圈的内侧或外侧。

进一步地，所述线圈包括检测线圈和补偿线圈，两者在所述传感器探头内对称设置，且两者结构相同。

更进一步地，所述传感器探头还包括外壳、检测线圈支架、隔磁板和补偿线圈支架，所述检测线圈与补偿线圈分别绕在相应支架的凹槽内，且关于所述隔磁板对称设置。

进一步地，所述传感器探头连接在所述激励电路两端，通过对所述激励电路信号的涡流场效应，会反馈与检测位移成正比的正弦波信号；通过检波与放大电路后正弦波信号变为一组电压信号；电压信号通过反相与限伏电路输出一组0-5V的电压信号；滤波信号对各电路与所述线缆中所产生的干扰进行滤波。

更进一步地，所述激励电路为采用运算放大器、三极管、电阻及电容组成的高频信号电路，其包括正弦波产生电路和LC高频信号发生电路。

更进一步地，所述正弦波产生电路包括三极管、电阻、运算放大器串联，在电阻处并联电容进行滤波，运算放大器的其中一个引脚与所述三极管连接；所述LC高频信号发生电路包括另两个电容串联，再与另一电阻和所述检测线圈并联组成。

进一步地，所述包括运算放大器的激励电路可由晶体振荡器代替而产生固定频率信号。

进一步地，所述传感器探头的外径为31-33mm。

本发明的发明点在于：

(1)优化了传感器探头内部结构与线圈排布方式，而且线圈采用前端大、后端小的形式(线圈的横截面为一般梯形或直角梯形均可，梯形的腰朝向探头的端部延伸，形成线圈前端大后端小的形式)，相同线圈匝数情况下，能够增强检测探头磁场强度。

(2)信号处理电路采用模拟电路方案设计，应用运算放大器来产生激励信号，并对信号进行检波、滤波、放大等操作。

总之，本发明是基于小量程电涡流位移传感器技术之上，通过改进与重新设计探头结构、信号采集电路、信号传输方式等，有效地解决电涡流位移传感器在大量程测量位移的缺陷，且在量程增大的情况下，精度能够在允许使用范围内变化且探头尺寸更小。

本发明的20mm量程电涡流位移传感器产品的开发，能够有效解决现在市场上大量程电涡流位移传感器产品比较少且分辨率比较低的问题。本发明的20mm量程范围内的电涡流位移传感器，其分辨率达到5μm，市场上的20mm量程范围内的电涡流位移传感器的分辨率仅为10μm。

此外，本发明的20mm量程范围内的电涡流位移传感器，其探头外形尺寸相比其他厂家更小，尺寸为φ(31-33)(外径)*44.8(探头长度)mm，其他厂家的尺寸为φ36(外径)*39(探头长度)mm，因此本发明传感器的探头外径更小，其应用空间更广泛。

附图说明

图1是本发明传感器探头的主视图；

图2是本发明传感器探头的爆炸图；

图3是本发明传感器信号处理电路图；

图4是实施例2的电涡流位移传感器原理图；

图5是实施例3的传感器探头线圈与支架的部分示意图；

图6是实施例3的探头的截面图：(a)线圈横截面为矩形，(b)线圈横截面为直角梯形；

其中，1-塑料外壳、2-检测线圈、3-检测线圈支架、4-隔磁板、5-补偿线圈、6-补偿线圈支架、7-金属外壳，8-线圈架，9-绕线凹槽，10-直角梯形线圈，11-被测物，12-矩形线圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

本实施例的大量程电涡流位移传感器包括传感器探头、传感器前置器(信号处理)以及线缆组成，传感器探头是探测机构，对外部金属物体进行检测；线缆是信号传输机构，将探头高频信号传输给前置器；传感器前置器是信号处理电路，将探头传输的检测高频信号转换成电压信号输出。其中关键技术在传感器探头与传感器前置器两个部分，本实施例是针对大量程20mm以内的电涡流位移传感器针对现有技术进行改进，能够在有效的量程范围内，提高传感器的分辨率并减小传感器探头尺寸外径，使其应用范围更加广泛且提高了传感器整体精度。

参见图1和图2，传感器探头包括外壳、检测线圈2、检测线圈支架3、隔磁板4、补偿线圈5及补偿线圈支架6，检测线圈2与补偿线圈5分别绕在相应支架的凹槽内，隔磁板4放置在检测线圈2与补偿线圈5中间，补偿线圈5是与检测线圈2完全相同的一组线圈，仅仅是以隔磁板4对称排布，将以上整体放置在外壳内部。外壳包括前端盖和壳体，壳体为金属外壳7，前端盖为塑料外壳1，传感器探头内部组装完成后，最后将塑料外壳1盖上。

其中，该部分相对于市场上的矩形线圈优势是：线圈一侧的横截面的形状呈两侧梯形，即直角梯形除外的一般梯形，梯形的两腰分别朝探头的端部延伸出去，梯形的长底边靠近探头的端部；线圈形式为前端大后端小，线圈部分主要集中靠在检测面侧，从而在磁场感应及在被测物中产生的涡流场会更强，从而激励信号在通过检测线圈2中产生的反馈电信号更强，反馈的电信号与检测距离(量程范围内)成正比，因此，该改进方案能够在原有量程范围内，在减小传感器尺寸(检测线圈外径)后，也能够保证传感器量程在0-20mm范围内呈现线性变化。

其中，补偿线圈5的作用是在高温的情况下，能够对检测线圈2进行温度补偿，由于两个探头线圈受温度影响电阻和电感变化相同，通过补偿线圈5对检测线圈2差分信号处理后，能够有效地减少温度漂移对检测位移的影响。

传感器前置器内的信号处理电路全部均为模拟电路组成，通过运算放大器与电阻、电容等元器件搭建而成，由图3可知，传感器探头连接在激励电路两端，通过对激励信号的涡流场效应，会反馈一个与检测位移成正比的正弦波信号；通过检波与放大电路后正弦波信号变为一组电压信号；电压信号通过反相与限伏电路输出一组0-5V的电压信号；滤波信号对电路与线缆中所产生的干扰进行滤波，有效提高输出位移电压的稳定性。

经过上述模拟电路处理后，信号处理电路经过检波与滤波两个电路有效处理，而且通过上述线圈前端大后端小的结构设计能够将输出信号的分辨率提高到5μm。

在激励电路中，该电路采用运算放大器、三极管、电阻及电容组成的高频信号电路，运算放大器OP113与三极管S8050中间加一个电阻R3及电容C2组成正弦波产生电路，在连接信号处由电容C9、电容C10、电阻R1以及检测线圈2组成LC高频信号发生电路，采用LC高频信号发生电路将高频信号发射到传感器探头部分，从而产生涡流效应进行检测。

具体的是，正弦波产生电路：由三极管S8050、电阻R3、运算放大器OP113串联组成，在R3处并联电容C2进行滤波，OP113的2引脚与S8050连接，OP113的3引脚与R7和C15相连接。

LC高频信号发生电路：该电路由两个电容C9、C10串联，再与电阻R1和检测线圈2并联组成，信号在输出在C9与C10连接处，再经过检波、滤波、放大信号处理，输出电压信号。

实施例2

图4中的原理图说明了电涡流位移传感器前置器信号处理过程，当一组高频激励信号通过电感L和电容C后，会输出相应的一个频率不变、幅值变化的交流电压反馈信号，幅值随着电感L与检测面不同位移而变化，该反馈信号经过检波、放大、滤波等处理后会输出相对应的电压信号。

实施例1的激励电路采用运算放大器与三极管等组成产生高频信号，而图4中的晶体振荡器产生固定频率的信号，其最终测得的数据较实施例1差，但是比目前现有的产品效果要好。

实施例3

图5是电涡流位移传感器探头中线圈绕制支架和线圈的部分示意图，经过对电涡流位移传感器研究，线圈绕制结构外径大小可以进而引起线圈涡流场大小，最终会影响传感器整体线性量程范围；图中所示方案是图1中的一种替代方案，虽然也可以提高传感器的线性量程，但是所提高的范围有限。图5和图6(b)中，探头线圈一侧的横截面的形状为单边倒梯形，即直角梯形，直角边位于线圈的外侧或内侧均可，梯形的腰朝向探头的端部延伸，形成线圈前端大后端小的形式，在传感器探头外径与线圈电感匝数相同情况下，通过对传感器线圈各种不同结构仿真与实际验证得出，矩形线圈(图6(a))或中单边倒梯形线圈(图5和图6(b))所形成的涡流场，不更改线圈匝数情况下，也能够进行位移检测，但是所形成的涡流场没有图1方案的强，且探头外径也会变大，不是有效的对线圈最佳排列方式，所以其相对于现有技术而言，提升的范围较为有限，整体效果并没有实施例1好。

以上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大量程电涡流位移传感器，其特征在于，所述大量程电涡流位移传感器包括传感器探头、传感器前置器和位于两者之间的线缆，传感器探头包括线圈，线圈的横截面设为前端大、后端小的形式；所述传感器前置器的信号处理电路采用模拟电路，通过包括运算放大器的激励电路产生高频信号，并对信号进行检波、滤波和放大处理。

2.如权利要求1所述的一种大量程电涡流位移传感器，其特征在于，所述线圈的横截面的形状为直角梯形除外的一般梯形，梯形的两腰分别朝所述传感器探头的端部延伸。

3.如权利要求1所述的一种大量程电涡流位移传感器，其特征在于，所述线圈的横截面的形状为单边倒梯形，即直角梯形，梯形的腰朝所述传感器探头的端部延伸，梯形的直角边位于所述线圈的内侧或外侧。

4.如权利要求1-3任意之一所述的一种大量程电涡流位移传感器，其特征在于，所述线圈包括检测线圈和补偿线圈，两者在所述传感器探头内对称设置，且两者结构相同。

5.如权利要求4所述的一种大量程电涡流位移传感器，其特征在于，所述传感器探头还包括外壳、检测线圈支架、隔磁板和补偿线圈支架，所述检测线圈与补偿线圈分别绕在相应支架的凹槽内，且关于所述隔磁板对称设置。

6.如权利要求1-3任意之一所述的一种大量程电涡流位移传感器，其特征在于，所述传感器探头连接在所述激励电路两端，通过对所述激励电路信号的涡流场效应，会反馈与检测位移成正比的正弦波信号；通过检波与放大电路后正弦波信号变为一组电压信号；电压信号通过反相与限伏电路输出一组0-5V的电压信号；滤波信号对各电路与所述线缆中所产生的干扰进行滤波。

7.如权利要求6所述的一种大量程电涡流位移传感器，其特征在于，所述激励电路为采用运算放大器、三极管、电阻及电容组成的高频信号电路，其包括正弦波产生电路和LC高频信号发生电路。

8.如权利要求7所述的一种大量程电涡流位移传感器，其特征在于，所述正弦波产生电路包括三极管、电阻、运算放大器串联，在电阻处并联电容进行滤波，运算放大器的其中一个引脚与所述三极管连接；所述LC高频信号发生电路包括另两个电容串联，再与另一电阻和所述检测线圈并联组成。

9.如权利要求1-3任意之一所述的一种大量程电涡流位移传感器，其特征在于，所述包括运算放大器的激励电路可由晶体振荡器代替而产生固定频率信号。

10.如权利要求1-3任意之一所述的一种大量程电涡流位移传感器，其特征在于，所述传感器探头的外径为31-33mm。