非接触式位移传感器和非接触式位移测量方法

摘要

一种非接触式位移传感器(2)和一种非接触式位移测量方法，位移传感器(2)包括具有至少两个沿着中心轴(A)分布的测量线圈(4,6)的线圈组，导电和/或导磁的被测物体(18)与线圈组产生交变电磁场，此外，位移传感器(2)还包括用于计算和测量被测物体(18)位置的计算电路(30)，非接触式位移传感器(2)除了测量线圈(4,6)以外，还具有一个沿中心轴(A)分布并与计算电路(30)连接的辅助线圈(8)，该辅助线圈与两个测量线圈(4,6)中的至少一个测量线圈至少部分重叠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触式位移传感器，包括：具有至少两个沿着中心轴分 布的测量线圈的线圈组、导电和/或导磁的被测物体、沿中心轴分布的辅助线圈。 被测物体与线圈组产生交变电磁场，辅助线圈与两个测量线圈中的至少一个测 量线圈至少部分重叠。此外，本发明还涉及一种非接触式位移测量方法。

背景技术

现有技术已公开的例如采用差动扼流工作原理或差动变压器工作原理 （LVDT）的非接触式位移传感器根据其结构形式的不同而存在一定的技术问 题，即使当被测物体在测量范围以外时，也可以调整测量信号，并且无法对该 测量范围和有效的测量信号进行区分。采用差动扼流工作原理的位移传感器， 两个线圈串联并且和作为被测物体的典型磁性铁芯一起构成惠斯通半桥进行工 作。铁芯可能是例如布置在线圈内部的可自由移动的杆状衔铁，当铁芯处于两 个测量线圈的中间位置时，电桥电路达到平衡且测量电压为0。当铁芯在线圈内 部移动并偏离中心位置时，改变了两个反向连接的测量线圈之间的互感量，输 出电压在有效测量范围内升高，理想情况下，这个输出的电压值与铁芯的位移 量（也就是被测物体的位移量）成比例关系。根据这种位移传感器输出的电 压信号，无法对铁芯处在线圈间正中间位置（即初始位置）的情形和铁芯例如 因位移传感器故障而移动到有效测量范围以外的情形进行区分。出于这个原因， 为了避免被测物体偏离有效测量范围，必须对现有技术公开的位移传感器采取 费用较大的预防措施。

采用差动变压器工作原理的位移传感器会面临类似的技术挑战。这种位移 传感器由一个初级线圈和两个次级线圈组成，初级线圈和次级线圈通过铁芯（同 时也是布置在线圈内部的可自由移动的杆状衔铁）按照变压器原理进行耦合。 从沿着上述三个线圈的纵向延伸方向来看，向位于两个次级线圈之间的初级线 圈供给一定的交变电压。铁芯会对初级、次级线圈之间的耦合产生一定的作用。 与初级线圈相邻的两个次级线圈中会产生感应电压，当铁芯处在线圈间正中间 位置时，两个反向连接的次级线圈感应电压相等但相位相反，这样输出电压为0。 当铁芯在线圈内移动并偏离中心位置时，有电压输出，其电压大小取决于铁芯 位移量的大小。对于采用差动变压器工作原理的位移传感器来说，也存在无法 仅仅根据这种位移传感器输出的电压信号而对铁芯处在两个次级线圈间正中间 位置和铁芯移动到线圈组以外进行区分的情形。因而为了避免被测物体偏离有 效测量范围，必须对这类位移传感器采取相应的预防措施。

在某些情况下，这类位移传感器的上述特性会导致对传感器输出的电压信 号的解释错误。此外，能够用于避免被测物体偏离有效测量范围的预防措施还 意味着需要支出额外的设计技术费用。

发明内容

本发明的任务是提供一种经过改进的非接触式位移传感器以及一种经过改 进的非接触式位移测量方法，特别是利用该方法能够发现位移传感器的铁芯是 否处在有效测量范围内。

本发明所述非接触式位移传感器包括线圈组，该线圈组由至少两个沿着中 心轴分布的测量线圈组成。此外，这种位移传感器包括导电和/或导磁的被测物 体，该被测物体与线圈组产生交变电磁场。用于计算和测量被测物体位置的计 算电路和线圈组的电压抽头连接。在该电压抽头处对信号进行采集，该信号可 给出被测物体相对于初始位置（例如线圈间正中间位置）的所处位置。计算电 路被设计成能够将该信号转换成电压信号输出，该输出值能够给出被测物体相 对于初始位置而言的位置。此外，非接触式位移传感器还包括沿中间轴分布且 与计算电路连接的辅助线圈，辅助线圈被布置成与两个测量线圈中的至少一个 测量线圈至少部分重叠。

有利地，在非接触式位移传感器中有另外一个信号，即辅助线圈的信号， 供计算电路使用。根据对该信号的计算结果，可对被测物体是否处在位移传感 器的有效测量范围内进行判断。从本发明的角度来讲，非接触式位移传感器一 方面比现有技术公开的位移传感器更稳定可靠，另一方面它的机械设计结构更 简单。

从沿着中心轴的方向来看，一种实施方式是相对于初始位置来说，位移传 感器的线圈系统呈对称结构。与之相反的是，同样从沿着中心轴的方向来看， 相对于初始位置来说，辅助线圈呈不对称分布。

换句话说，线圈系统与垂直于中心轴的平面呈镜面对称结构。该镜面在被 测物体的静止位置（或称线圈间正中间位置）处与中心轴相切。从本发明的其 他角度来讲，非接触式位移传感器若采用的是差动扼流工作原理或差动变压器 工作原理，则在最简单的情况下，可对静止位置和线圈间正中间位置进行定义 如下：即被测物体处于初始位置（线圈间正中间位置），线圈系统的两个测量线 圈平衡并且在电压抽头处未测量出信号。

当被测物体处在测量范围的中间位置时，现有技术公开的具有对称结构的 线圈系统的位移传感器根据结构形式的不同，会输出和线圈系统中没有被测物 体时相同的信号。辅助线圈的不对称分布能够克服这个视结构形式而定的缺点， 正如所述，辅助线圈能够输出另外一个信号。

一种实施方式是，位移传感器及其线圈组具有开放式末端，被测物体在该 开放式末端处可以偏离位移传感器的测量范围。从沿着中心轴的方向来看，这 种实施方式所述的辅助线圈分布在被测物体的初始位置和位移传感器的开放式 末端之间。辅助线圈最好在中间轴的方向上延伸至与被测物体的线圈间正中间 位置相邻的区域。利用辅助线圈可产生辅助信号。有利地，通过对该辅助信号 进行计算来确定被测物体是否还处在有效测量范围内或是偏离了有效测量范 围。

另外一种实施方式是，被测物体分布在线圈组的内部。换句话说，被测物 体分布在被线圈系统环绕的内腔中。这种实施方式可实现位移传感器的紧凑型 结构。然后同样可以使辅助线圈环绕线圈组。辅助线圈的这种位置可将辅助线 圈简单集成在现有位移传感器的线圈组中。有利地，在生产位移传感器时，这 种布置形式只需进行很小幅度的调整。

测量线圈和辅助线圈优先采用长线圈，例如纵向圆柱形线圈。此外，有利 地，线圈组外侧还使用磁罩作屏蔽。这种实施方式所述的位移传感器不仅具有 紧凑型结构，而且还非常坚固耐用。

另外一种实施方式是，辅助线圈被耦合成使得能够在空载下运行。可通过 例如采用带高输入电阻的仪表放大器来实现辅助线圈的这种耦合结构。原则上， 测量线圈和辅助线圈的直接相邻会造成意外的相互间的影响。为了避免测量线 圈的单面加载，可以在空载状态下运行辅助线圈。

另外一种有优点的位移传感器拥有一个线圈组，该线圈组包括串联的一次 和二次测量线圈。从沿着中心轴的方向来看，电压抽头位于两个测量线圈之间。 电压抽头至少近似地位于被测物体的初始位置处。在这种实施方式的位移传感 器中，一次测量线圈和二次测量线圈与被测物体一起构成半桥。可以通过这种 方式发明一种非接触式位移传感器，其优点是它采用的是差动扼流工作原理。

在另外一种实施例中，可以通过将辅助线圈和电压抽头相连接，来进一步 减少位移传感器所需的元件数。测量线圈的信号总和以及辅助线圈产生的信号 会在辅助线圈的一个抽头处相连接。优先选择在采用运算放大器的情况下对这 个总信号进行采集、然后进行数字探测扫描。同样可以对该信号进行数字式后 续处理。

另外一种有优点的位移传感器包括一个线圈组，该线圈组具有第一至第三 线圈。第一线圈和第三线圈作为测量线圈。为布置在中心轴方向上的、第一线 圈和第三线圈之间的第二线圈供给一定频率的交变电压。第一线圈和第三线圈 反向连接，使得线圈组和被测物体按差动变压器原理共同作用。第一线圈和第 三线圈作为次级线圈，第二线圈作为差动变压器的初级线圈。这种实施方式所 述的位移传感器，电压抽头在相连接的第一线圈和第三线圈的自由端之间实现 差动。可以发明一种采用差动变压器工作原理的位移传感器。

跟采用差动扼流工作原理的位移传感器相比，这种实施例所述的采用差动 变压器工作原理的位移传感器具有两个电压抽头，而不是一个电压抽头。

在另外一种实施方式中，非接触式位移传感器的计算电路被设计成应确保 可根据辅助线圈所检测到的信号来确定在电压抽头处检测到的信号是有效还是 无效的。优选地，计算电路被设计成能根据被测物体相对于其初始位置的位移 量来首先计算出极限值。取决于是否高于或低于根据辅助线圈所检测到的信号 极限值，计算电路能够确定辅助线圈所检测到的信号是有效还是无效的。

从本发明的其他角度来讲，提供了一种非接触式位移测量方法。通过在电 压抽头处采集给出被测物体相对于初始位置的所处位置的测量信号，可确定导 电和/或导磁的被测物体相对于至少具有两个沿着中心轴分布的测量线圈的线圈 组的位置。此外，在辅助线圈处对信号进行采集，该辅助线圈与两个测量线圈 中的至少一个测量线圈至少部分重叠。利用这种方法和方式，可确定在电压抽 头处检测到的信号是有效还是无效的。

在另外一种实施方式中，采用这种方法时优选首先在电压抽头处对该测量 信号进行采集。根据该测量信号计算出极限值，通过对该极限值和在辅助线圈 处采集到的信号进行对比，可以确定在电压抽头处检测到的信号是有效还是无 效的。

针对非接触式位移传感器已经提到的相同的或类似的优点对非接触式位移 测量方法也适用，因而无需进行进一步的说明。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明，其中：

图1是根据第一实施例的非接触式位移传感器的简化横截面视图，

图2是根据另一实施例的非接触式位移传感器的另外一个简化横截面视图，

图3是根据实施例的具有计算电路的非接触式位移传感器的简化电路图，

图4是测量线圈采集到的测量值与辅助线圈采集到的测量值之间的比值图， 根据极限值曲线，对采集到的测量值进行区分和验证。

具体实施方式

图1是位移传感器2的简化横截面视图，位移传感器2具有第一测量线圈4、 第二测量线圈6和辅助线圈8。线圈4、6、8绕制在线圈骨架10上，线圈骨架 具有一个例如用磁罩12封闭的端部和一个开放式末端14。线圈骨架10最好是 圆柱形。相应地，第一和第二测量线圈4、6以及辅助线圈8最好是圆柱形长线 圈。第一和第二测量线圈4、6以及辅助线圈8沿着中心轴A分布。中心轴A 最好和线圈4、6、8的各个轴互相重叠。被测物体18位于由第一和第二测量线 圈4、6组成的线圈组的内腔16中，被测物体最好是导电和/或导磁的并且和线 圈组及辅助线圈8产生交变磁场。利用保持部20将被测物体18保持在内腔16 中。被测物体18通过保持部20与图1中未示出的位移测量按键连接。视结构 形式的不同而定，被测物体18仅向线圈骨架10的开放式末端14处偏离位移传 感器2。在可替选的实施例中，被测物体18并不是布置在线圈组的内腔16中， 而是分布在由第一和第二测量线圈4、6以及辅助线圈8组成的线圈系统的外侧。 这种位移传感器2的工作原理和如图1所示被测物体18位于线圈组的内腔16 中的位移传感器2的工作原理相同。出于这个原因，下列实施例仅仅涉及被测 物体18位于由线圈系统环绕的内腔16中的位移传感器2。

图1所示实施例中的位移传感器2采用差动扼流工作原理。为了检测到沿 着中心轴A自由移动的被测物体18的位置，首先在端子S1和端子S3处向由第 一和第二测量线圈4、6组成的线圈组供给一定频率的电压。在作为电压抽头工 作的端子S2处，采集对位移测量所需的信号。在电压抽头S2处测得的电压大 小与第一和第二测量线圈4、6的电感比值有关。第一、第二测量线圈4、6和 导电的被测物体18一起构成了惠斯通半桥。如图1中虚线所示，当被测物体18 （其例如被设计为可自由移动的杆状衔铁）处于初始位置（例如线圈间正中间 位置）时，被测物体18会使第一和第二测量线圈4、6具有相同的视在阻抗且 使电桥电路平衡。当被测物体18在线圈内部移动并偏离中心位置时（如图1所 示的实线段），第一和第二测量线圈4、6的视在阻抗会相位相反地变化，在电 压抽头S2处测得的电压会在有效测量范围内上升或下降，这个输出的电压值与 被测物体18的位移量成比例关系。

视结构形式而定，与图1所示位移传感器2不同，只具有第一和第二测量 线圈4、6而不具有辅助线圈8的位移传感器无法对被测物体18处在初始位置 （例如线圈间正中心位置）的情形（在这种情况下，在电压抽头S2处检测不到 任何信号）和被测物体18在其开放式末端14处偏离位移传感器2和线圈骨架 10的情形进行区分。有利地，图1所示实施例中的位移传感器2克服了这个取 决于结构形式的缺点。通过使用辅助线圈8实现了这一点，可以在端子Z1和 Z2处对辅助线圈的信号进行采集。辅助线圈8仅仅安装在由测量线圈4、6组成 的线圈系统的部分区域内。有利地，从沿着中心轴A的方向来看，相对于被测 物体18处在线圈间正中间位置来说，辅助线圈在位移传感器2的测量区内呈不 对称分布。辅助线圈8从测量区的大约中间位置、接近电压抽头S2处开始，向 线圈骨架10的开放式末端14的方向上延伸。因为线圈骨架10在对面一侧采用 磁罩12作为屏蔽，所以被测物体18在测量范围的这一侧不会偏离线圈骨架10。 如果辅助线圈8分布在被测物体18的初始位置（例如线圈间正中间位置）、电 压抽头S2和线圈骨架10的开放式末端14之间的区域内，同样是可以的。通过 对在辅助线圈8的端子Z1和Z2处采集的信号进行分析，可明显识别出被测物 体18在线圈组中的位置。换句话说，可根据在辅助线圈8处采集到的信号对在 电压抽头S2处检测到的位置信号进行验证。

原则上，测量线圈4、6和辅助线圈8可作为单独的传感器进行运行。由于 其空间上直接临近，会产生意想不到的相互影响。因而有益的做法是，利用第 一和第二测量线圈4、6的绕组作为初级线圈，利用辅助线圈8作为变压器次级 线圈。为了避免第一和第二测量线圈4、6的绕组出现单面加载，有益的做法是 在空载状态下运行辅助线圈，也就是说，通过具有高输入电阻的仪表放大器对 在端子Z1和Z2处采集到的信号进行分析和计算。

借助于合适的计算电路为第一和第二测量线圈4、6供给一定频率的电压。 计算电路同时可用来对在电压抽头S2和辅助线圈8的端子Z1和Z2处采集到的 信号进行处理。在对这种计算电路进行详细说明之前，在图2中给出了根据另 一实施例的另一种位移传感器2的简化横截面视图并进行说明。

图2中给出的位移传感器2包括第一线圈22，该线圈与第三线圈24反向连 接。第一和第三线圈22、24作为测量线圈。从沿着中心轴A的方向来看，第二 线圈26位于第一和第三线圈22、24之间。第一至第三线圈22、24、26分布在 共同的线圈骨架10上并由该骨架进行保持。在图1所示的实施例中，线圈骨架 10的一侧采用磁罩12作为屏蔽并且在对置的一侧具有开放式末端14。线圈骨 架10最好是圆柱形。相应地，第一至第三线圈22、24、26最好是细长的圆柱 形线圈。

在图2所示的位移传感器2中，被测物体18利用保持部20而被保持在内 腔16中并且被设计为可自由移动的杆状衔铁。然而在另一实施例中，不是将被 测物体18布置在内腔16中，而是环绕在由第一至第三线圈22、24、26以及辅 助线圈8组成的线圈系统的外侧。在这种实施例中，被测物体被设计成环绕所 述线圈系统的环形。仅仅作为例子，利用位移传感器2进行下列说明，如图2 所示，被测物体18位于内腔16中。位移传感器2的工作原理和利用图2进行 说明的工作原理相同，最好被设计成环形的被测物体18环绕在线圈系统的外侧。

图2所示的位移传感器2采用差动变压器工作原理。这种位移传感器2也 叫做LVDT-传感器，第一和第三线圈22、24最好是通过磁性被测物体18、根据 变压器原理进行连接。第一和第三线圈22、24作为次级线圈，第二线圈作为差 动变压器的初级线圈。优选通过端子S1和S3为第二线圈26供给一定频率的交 变电压。如图2的虚线段所示，当被测物体18处在初始位置（例如线圈间正中 间位置）时，在第一和第三线圈22、24中会产生与供给电压存在相位差的感应 电压。通过将作为测量线圈工作的第一和第三线圈22、24进行反向连接，当被 测物体18处在线圈间正中间位置时，在电压抽头S 21、S 22处检测到的信号等 于0。当被测物体18（其例如可以被设计成可自由移动的杆状衔铁）的位置发 生改变时，在电压抽头S21、S22处检测到的电压会改变，这个电压值与被测 物体18的位移量成比例关系。

在图2给出的位移传感器2中，当被测物体18处在线圈间正中间位置时， 在电压抽头S21、S22处检测到的信号也等于0并且因此无法与被测物体18在 其开放式末端14处偏离线圈组和线圈骨架10的情形进行区分。为了对这两种 情形进行区分，图2所示的位移传感器2具有辅助线圈8。相对于被测物体18 处在线圈间正中间位置的角度而言，辅助线圈8布置在线圈组的区域内并向线 圈骨架10的开放式末端14的方向上进行延伸。当被测物体18（如图2实线段 所示）位于线圈中心位置以外的位置且处在与线圈骨架10的开放式末端14相 连的测量区时，对被测物体18在辅助线圈8中产生的信号进行测量。因为被测 物体18在线圈骨架10的相对一侧不会偏离线圈骨架10，可以根据在辅助线圈 8的端子Z1和Z2处采集到的信号来确定在电压抽头S21、S22处检测到的信 号是有效还是无效的。

图1和图2所示的非接触式位移传感器2还包括用来对在端子和电压抽头 处检测到的信号进行计算和分析的计算电路（在图中未示出）。

图3给出了一种非接触式位移传感器2，它由已在图1中公开的位置传感器 28和与之相连的计算电路30组成。在优选实施例中，辅助线圈8的端子Z1和 电压抽头S2相连。在辅助线圈8的端子Z2处，得到在电压抽头S2处的测量信 号与辅助线圈8中产生的感应信号的电压总和。

通过端子S1和S3为第一和第二测量线圈4、6供给一定频率的电压。为了 这个目的，利用脉冲计数器34的脉冲节拍为合适的放大器32供给一定频率的 电压。脉冲计数器34最好是处理单元36，其例如是计算机或单片机的一部分， 它也可以是计算电路30的一部分。在电压抽头S2处，对由第一和第二测量线 圈4、6组成的线圈系统的信号进行采集，该信号给出了被测物体18在测量区 内的位置。采用合适的输入放大器35（例如运算放大器）对这个信号进行采集， 首先利用A/D转换器38在处理单元36内部进行数字探测扫描，然后对该信号 进行进一步处理。最好对A/D转换器输出的信号进行数字式后续处理。

同样可以利用输入放大器35对在端子Z2采集到的辅助线圈8的信号进行 放大和然后利用处理单元36中已有的A/D转换器38进行探测扫描和数字化。 在处理单元36中，相应地有数字位移信号DW和辅助线圈8的数字信号，该数 字信号称为数字靶信号DTE。在位置单元40中、利用表明被测物体18所处位 置的信号对数字位移信号DW进行处理。由位移传感器2来提供这个数字位移 信号DW并在综合设备中将该信号用于控制和调节。

将数字位移信号DW和数字靶信号DTE输入到靶信号识别单元42中。在 靶信号识别单元42中，对在辅助线圈8和端子Z2处采集到的信号进行处理， 同时可根据数字靶信号DTE来决定，位置单元40中的数字位移信号DW是有 效还是无效的。

通过图4对实施这样的判定准则示例方法进行说明。在图4中给出了与在 线圈系统（由第一和第二测量线圈4、6组成）处采集到的信号SM有关的、在 辅助线圈8的端子Z2处采集的信号和辅助线圈8的转换成位移信号的信号SZ。 此外，图4还给出了和线圈系统SM的测量值有关的极限值曲线44。当曲线46 上的辅助线圈的测量值SZ位于极限值曲线44上方时，被测物体18位于有效测 量范围内。跟电子元件的布线和线圈的接线有关，信号的符号会改变，然而图4 所示测量值的分布和走向始终保持不变。

在最简单的情况下，将极限值曲线44定义为第1阶的功能，即直线方程。 然而为了避免在对测量线圈4、6的测量值SM和辅助线圈8的测量值SZ进行 分配时出现意义不明确和含糊不清的情况，也可以采用更高阶，例如第2阶的 功能。如图4所示，这种更高阶的极限值曲线44和测量值曲线46例如在最高 点处相交。极限值曲线44和测量值曲线46之间的交点描述了有效测量范围的 极限值。