CN216668572U - 滑杆式磁致伸缩位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了滑杆式磁致伸缩位移传感器，其包括感应线圈、放大电路、回波整形电路和控制器，在放大电路中设置前级放大器和后级放大器对应变脉冲信号进行放大，提高放大电路的放大水平，保证应变脉冲信号的信噪比以及稳定性；在回波整形电路中设置比较器和与非门，比较器将回波电压脉冲信号与基准电压进行比较，并输出高电平，比较器对回波电压脉冲信号具有整形的作用；设置与非门对比较器输出信号再次整形，当比较器输出不确定状态信号时，通过上拉电阻将不确定状态信号钳位在高电平，提高应变脉冲信号的稳定性。
Description
技术领域
本实用新型涉及位移传感器技术领域，尤其涉及滑杆式磁致伸缩位移传感器。
背景技术
磁致伸缩位移传感器的原理是利用两个不同磁场相交时产生一个应变脉冲信号，然后计算这个信号被探测所需的时间周期，从而换算出准确的位置。这两个磁场一个来自磁环中的永磁铁，另一个来自传感器电子仓中的电子部件产生的激励脉冲。激励脉冲沿传感器内用磁致伸缩材料制造的波导丝以声速运行。当与磁环中的永磁场相交时，由于磁致伸缩现象，波导丝产生的机械振动形成一个应变脉冲。应变脉冲很快便被电子仓中的感测电路探测到。拉杆式磁致伸缩位移传感器从产生激励脉冲的一刻到应变脉冲被探测到总的时间乘以固定的声速，我们便能准确的计算出磁铁的位置变化。这个过程是连续不断的，所以每当磁环位置改变时，新的位置会被迅速测量出来。
由于应变脉冲信号非常微弱，因此，需要在感测电路中设置放大电路对应变脉冲信号进行放大。但是现有感测电路中的放大电路对应变脉冲信号的放大水平低，不能保证应变脉冲信号的信噪比以及稳定性。因此，为了解决上述问题，本实用新型提供了滑杆式磁致伸缩位移传感器，在放大电路中设置前级放大器和后级放大器对应变脉冲信号进行放大，提高放大电路的放大水平，保证应变脉冲信号的信噪比以及稳定性；在回波整形电路中设置比较器和与非门，对回波电压脉冲信号整形，提高应变脉冲信号的稳定性。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提出了滑杆式磁致伸缩位移传感器，在放大电路中设置前级放大器和后级放大器对应变脉冲信号进行放大，提高放大电路的放大水平，保证应变脉冲信号的信噪比以及稳定性；在回波整形电路中设置比较器和与非门，对回波电压脉冲信号整形，提高应变脉冲信号的稳定性。
本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了滑杆式磁致伸缩位移传感器，其包括感应线圈、放大电路、回波整形电路和控制器，回波整形电路包括比较器和与非门；
感应线圈与波导丝感应连接，拾取波导丝上的应变脉冲，感应线圈的两端通过放大电路与比较器输入端电性连接，比较器的输出端与与非门的第一输入端电性连接，与非门的第二输入端与控制器的模拟输出端口电性连接，与非门的输出端与控制器的模拟输入端口电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，放大电路包括前级放大器和后级放大器；
感应线圈的两端通过顺次连接的前级放大器、后级放大器、比较器与与非门的第一输入端电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，前级放大器包括运算放大器U000、电阻R004、电阻R005和电容C003；
感应线圈的一端与运算放大器U000的同相输入端电性连接，感应线圈的另一端接地；电阻R004的一端与运算放大器U000的反相输入端电性连接，电阻R004的另一端通过电容C003接地，电阻R005并联在运算放大器U000的反相输入端及其输出端之间，运算放大器U000的输出端与后级放大器的输入端电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，后级放大器包括：电阻R006-R010以及运算放大器U001；
电阻R010的一端与电源电性连接，电阻R010的另一端通过电阻R009分别与电阻R008的一端以及运算放大器U001的同相输入端电性连接；
运算放大器U000的输出端通过电阻R007与运算放大器U001的反相输入端电性连接，电阻R006并联在运算放大器U001的反相输入端及其输出端之间；运算放大器U001的输出端与比较器的输入端电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，比较器包括运算放大器LMV7239、电阻R11、电阻R13和电阻R15；
后级放大器的输出端通过电阻R13与运算放大器LMV7239的同相输入端电性连接，电源通过电阻R11分别与电阻R15的一端以及运算放大器LMV7239的反相输入端电性连接，电阻R15的另一端接地。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括转换电路；
转换电路把数字信号转换为4～20mA的模拟信号；
转换电路的输入端与控制器的数字输出端电性连接，转换电路的输出端与外部二次仪表连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括RS485模块；
RS485模块与控制器的通信端电性连接。
本实用新型的滑杆式磁致伸缩位移传感器相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)在放大电路中设置前级放大器和后级放大器对应变脉冲信号进行放大，提高放大电路的放大水平，保证应变脉冲信号的信噪比以及稳定性；
(2)在回波整形电路中设置比较器和与非门，比较器将回波电压脉冲信号与基准电压进行比较，并输出高电平，比较器对回波电压脉冲信号具有整形的作用；设置与非门对比较器输出信号再次整形，当比较器输出不确定状态信号时，通过上拉电阻将不确定状态信号钳位在高电平，提高应变脉冲信号的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型滑杆式磁致伸缩位移传感器的结构图；
图2为本实用新型滑杆式磁致伸缩位移传感器中放大电路的电路图；
图3为本实用新型滑杆式磁致伸缩位移传感器中回波整形电路的电路图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型的滑杆式磁致伸缩位移传感器，其包括感应线圈、放大电路、回波整形电路、控制器、转换电路和RS485模块。其中，拉杆式磁致伸缩位移传感器还包括波导丝以及激励电路。
感应线圈，用于拾取波导丝产生的应变脉冲，并产生回波电压脉冲信号。属于现有技术，在此不再累述。
放大电路，由于应变脉冲信号非常微弱，因此，需要在感测电路中设置放大电路对应变脉冲信号进行放大。但是现有感测电路中的放大电路对应变脉冲信号的放大水平低，不能保证应变脉冲信号的信噪比以及稳定性，因此，为了解决上述问题，本实施例中，放大电路包括前级放大器和后级放大器；电感电路的输出端通过顺次连接的前级放大器、后级放大器、回波整形电路与控制器的模拟输入端口电性连接。
优选的，前级放大器，由于应变脉冲信号非常微弱，因此，需要在感测电路中设置放大电路对应变脉冲信号进行放大。但是现有感测电路中的放大电路对应变脉冲信号的放大水平低，不能保证应变脉冲信号的信噪比以及稳定性，因此，为了解决这个问题，本实施例采用了两级放大的结构，前级放大器提供高增益，后级放大器提供大的摆幅。本实施例中，感应线圈通过顺次连接的前级放大器、后级放大器以及回波整形电路与控制器的模拟输入端口电性连接。优选的，如图2所示，前级放大器包括运算放大器U000、电阻R004、电阻R005和电容C003；感应线圈的一端与运算放大器U000的同相输入端电性连接，感应线圈的另一端接地；电阻R004的一端与运算放大器U000的反相输入端电性连接，电阻R004的另一端通过电容C003接地，电阻R005并联在运算放大器U000的反相输入端及其输出端之间，运算放大器U000的输出端与后级放大器的输入端电性连接。其中，电阻R004和电容C003起到滤波作用；电阻R005起到反馈作用。
优选的，后级放大器，对前级放大器放大后的信号进一步放大。如图2所示，后级放大器包括：电阻R006-R010以及运算放大器U001；电阻R010的一端与电源电性连接，电阻R010的另一端通过电阻R009分别与电阻R008的一端以及运算放大器U001的同相输入端电性连接；运算放大器U000的输出端通过电阻R007与运算放大器U001的反相输入端电性连接，电阻R006并联在运算放大器U001的反相输入端及其输出端之间；运算放大器U001的输出端与回波整形电路的输入端电性连接。其中，电阻R010和电阻R009起到分压的作用；电阻R008和电容C006起到滤波作用；电阻R007为输入电阻，电阻R006为反馈电阻，通过调节两者阻值的比值即可调节放大倍数。
回波整形电路，波导丝中产生的应变脉冲经波导丝中传递至感应线圈中的感应线圈，利用磁致伸缩逆效应，感应线圈产生回波电压脉冲信号，该回波电压脉冲信号经过放大电路放大后回波电压脉冲信号的波形会失真，控制器无法采集该回波电压脉冲信号，因此，本实施例中回波整形电路包括比较器和与非门；后级放大器的输出端与比较器输入端电性连接，比较器的输出端与与非门的第一输入端电性连接，与非门的第二输入端与控制器的模拟输出端口电性连接，与非门的输出端与控制器的模拟量输入端电性连接。其中，比较器将回波电压脉冲信号与基准电压进行比较，并输出高电平，比较器对回波电压脉冲信号具有整形的作用。由于比较器输出的信号除了高电平和低电平两种状态外，还有不确定的状态，当出现不确定状态时，控制器是无法拾取回波电压脉冲信号，因此，设置与非门对比较器输出信号再次整形，当比较器输出不确定状态信号时，通过上拉电阻将不确定状态信号钳位在高电平。
优选的，如图3所示，比较器包括运算放大器LMV7239、电阻R11、电阻R13和电阻R15；后级放大器的输出端通过电阻R13与运算放大器LMV7239的同相输入端电性连接，电源通过电阻R11分别与电阻R15的一端以及运算放大器LMV7239的反相输入端电性连接，电阻R15的另一端接地。其中，电阻R11、电阻R15起到分压作用，并为运算放大器LMV7239的反相输入端提供基准电压，由于本实施例中，电阻R11的阻值为30K，电阻R15的阻值为100K，因此，基准电压为1.15V；电阻R13为输入电阻；后级放大器输出信号与运算放大器LMV7239的反相输入端的基准电压进行比较，后级放大器输出信号电压值大于基准电压，运算放大器LMV7239输出高电平。其中，图2中“信号输出”与图3中“信号输出”表示同一连接端子。
优选的，如图3所示，与非门的第一输入端设置上拉电阻R12，因此，与非门的第一输入端被钳位在高电平，当控制器的模拟输出端口输出高电平时，与非门输出低电平；反之，输出高电平。本实施例中控制器输出低电平信号至与非门的第二输入端，使得与非门输出高电平至控制器。图3中PB0表示控制器的模拟输出端口；PA11表示控制器的模拟量输入端。控制器优选STM32F103C8T6芯片。
转换电路，通过回波整形电路获取的回波电压脉冲信号被控制器拾取后，需要传给外部二次仪表设备，一般做法是通过数模转换再经过放大等操作处理后才能与外部二次仪表适配，在放大过程中信号会漂移或变值，因此，需要定期维护与重新标定。为了解决上述问题，本实施例设置了转换电路，把数字信号转换为4～20mA的模拟信号；所述4～20mA的模拟信号为标准的模拟信号，其输出信号是真正的值，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，更不必像其他传感器那样需要定期重标。本实施例中，转换电路的输入端与控制器的数字输出端电性连接，转换电路的输出端与外部二次仪表连接。所述外部二次仪表可以是工控机或者上位机等设备，在此不做限定。优选的，转换电路可以是数模转换器。
RS485模块，与外部设备进行有线通信。本实施中，RS485模块与控制器的通信端电性连接。
本实施例的工作原理为：控制器发送出激励脉冲信号给激励电路，控制器发出高电平的电压脉冲，波导丝产生电流，当控制器发出低电平的电压脉冲，波导丝中无电流产生；控制器发出的高电平经过激励电路的处理与放大，在波导丝中产生应变脉冲，应变脉冲的电流大小为2安培，产生电流激励信号的同时，控制器启动时间计时；应变脉冲在波导丝中传递至感应线圈中的感应线圈，利用磁致伸缩逆效应，感应线圈产生回波电压脉冲信号，回波电压脉冲信号经过前级放大器、后级放大器放大后与比较器的基准电压进行比较，并输出高电平至与非门的第一输入端，此时，控制器将与非门的第二输入端置于低电平，与非门输出高电平至控制器，回波电压脉冲信号被探测到，控制器结束时间计时，从产生激励脉冲的一刻到应变脉冲被探测到总的时间乘以固定的声速，便能准确的计算出磁铁的位置变化。
本实施例的有益效果为：在放大电路中设置前级放大器和后级放大器对应变脉冲信号进行放大，提高放大电路的放大水平，保证应变脉冲信号的信噪比以及稳定性；
在回波整形电路中设置比较器和与非门，比较器将回波电压脉冲信号与基准电压进行比较，并输出高电平，比较器对回波电压脉冲信号具有整形的作用；设置与非门对比较器输出信号再次整形，当比较器输出不确定状态信号时，通过上拉电阻将不确定状态信号钳位在高电平。
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，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.滑杆式磁致伸缩位移传感器，其包括感应线圈、放大电路、回波整形电路和控制器，其特征在于：所述回波整形电路包括比较器和与非门；
所述感应线圈与波导丝感应连接，拾取波导丝上的应变脉冲，感应线圈的两端通过放大电路与比较器输入端电性连接，比较器的输出端与与非门的第一输入端电性连接，与非门的第二输入端与控制器的模拟输出端口电性连接，与非门的输出端与控制器的模拟输入端口电性连接。
2.如权利要求1所述的滑杆式磁致伸缩位移传感器，其特征在于：所述放大电路包括前级放大器和后级放大器；
所述感应线圈的两端通过顺次连接的前级放大器、后级放大器、比较器与与非门的第一输入端电性连接。
3.如权利要求2所述的滑杆式磁致伸缩位移传感器，其特征在于：所述前级放大器包括运算放大器U000、电阻R004、电阻R005和电容C003；
所述感应线圈的一端与运算放大器U000的同相输入端电性连接，感应线圈的另一端接地；电阻R004的一端与运算放大器U000的反相输入端电性连接，电阻R004的另一端通过电容C003接地，电阻R005并联在运算放大器U000的反相输入端及其输出端之间，运算放大器U000的输出端与后级放大器的输入端电性连接。
4.如权利要求3所述的滑杆式磁致伸缩位移传感器，其特征在于：所述后级放大器包括：电阻R006-R010以及运算放大器U001；
所述电阻R010的一端与电源电性连接，电阻R010的另一端通过电阻R009分别与电阻R008的一端以及运算放大器U001的同相输入端电性连接；
所述运算放大器U000的输出端通过电阻R007与运算放大器U001的反相输入端电性连接，电阻R006并联在运算放大器U001的反相输入端及其输出端之间；运算放大器U001的输出端与比较器的输入端电性连接。
5.如权利要求2所述的滑杆式磁致伸缩位移传感器，其特征在于：所述比较器包括运算放大器LMV7239、电阻R11、电阻R13和电阻R15；
所述后级放大器的输出端通过电阻R13与运算放大器LMV7239的同相输入端电性连接，电源通过电阻R11分别与电阻R15的一端以及运算放大器LMV7239的反相输入端电性连接，电阻R15的另一端接地。
6.如权利要求1或2所述的滑杆式磁致伸缩位移传感器，其特征在于：还包括转换电路；
所述转换电路把数字信号转换为4～20mA的模拟信号；
所述转换电路的输入端与控制器的数字输出端电性连接，转换电路的输出端与外部二次仪表连接。
7.如权利要求6所述的滑杆式磁致伸缩位移传感器，其特征在于：还包括RS485模块；
所述RS485模块与控制器的通信端电性连接。
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