CN106225657B - 位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了位移传感器，包括稳压电源、振荡器和检测电路。振荡器，其供电输入端与稳压电源的输出端耦接，具有相对金属导体设置的线圈。在金属导体逐渐靠近线圈时振荡器逐渐降低振荡幅度，以便稳压电源逐渐减小其输出端的电流。检测电路适于检测对应于稳压电源输出端的电流值的电信号。控制单元与检测电路耦接，适于根据电信号计算金属导体与线圈的距离。

Description

位移传感器

技术领域

本发明涉及设备监测技术领域，尤其涉及位移传感器。

背景技术

位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件。常见的位移传感器例如是霍尔式或涡流式等。图1示出了涡流式传感器的工作原理。电涡流位移传感器系统的工作机理是由探头(即绕制的线圈，等效为电感)和内部电路组成一个LC振荡器。在探头头部周围产生交变磁场H1。如果在磁场H1的范围内没有金属导体材料接近，则发射到这一范围内的能量都会全部释放。反之，如果有金属导体材料接近探头头部，则交变磁场H1将在导体的表面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与H1相反的交变磁场H2。由于H2的反作用，就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位。

图2示出了通常的涡流式位移传感器的结构框图。该传感器中振荡器通过固定电容与电感(图中C₁、C₂和L_x)并联谐振法产生一个高频电流信号。在探头头部周围产生交变磁场H1。当金属导体材料接近探头头部时，交变磁场H1在导体的表面产生电涡流场。该电涡流场就会产生一个方向与H1相反的交变磁场H2。由于H2的反作用，就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位。因而，振荡器的振荡幅度Ux会随探头与被测间距δ改变而改变。现有的技术方案是将Ux进行检波滤波、放大及线性修正等一系列的处理，从而实现通过输出电压Uo值来确定探头与被测间距δ的值。

然而，在高精度的应用场景中，现有的位移传感器中振荡器在受到温度等环境影响时，存在漂移等问题。相应地，位移传感器的测量值会由于环境条件的影响而存在偏差。

为此，本发明提出了一种新的位移传感器技术方案。

发明内容

为此，本发明提供一种新的位移传感器技术方案，有效的解决了上述中至少一个问题。

根据本发明的一个方面，提供一种位移传感器，包括稳压电源、振荡器和检测电路。振荡器，其供电输入端与稳压电源的输出端耦接，具有相对金属导体设置的线圈。在金属导体逐渐靠近线圈时振荡器逐渐降低振荡幅度，以便稳压电源逐渐减小其输出端的电流。检测电路适于检测对应于稳压电源输出端的电流值的电信号。控制单元与检测电路耦接，适于根据电信号计算金属导体与线圈的距离。

可选地，在根据本发明的位移传感器中，稳压电源的输出端设置有电流检测电阻。检测电路适于检测电流检测电阻两端的电压值作为电信号。

可选地，在根据本发明的位移传感器中，稳压电源包括放大器U₁。该放大器的同相输入端连接有直流电源，反相输入端设置有下拉的第一电阻R₁。稳压电源的输出端与反相输入端之间连接有第二电阻R₂。稳压电源的输出端与放大器U₁的输出端之间连接有所述电流检测电阻R₃。

可选地，在根据本发明的位移传感器中，振荡器包括晶体管Q₁。晶体管Q₁发射极连接有下拉的第四电阻R₄，基极与供电输入端VCC之间连接有第五电阻R₅。晶体管Q₁集电极与供电输入端VCC之间连接有并联的线圈L和第一电容C₁。发射极与集电极之间连接有第二电容C₂。发射极与供电输入端之间连接有第三电容C₃。振荡器的供电输入端VCC连接有旁路电容C₄。在金属导体逐渐靠近线圈L时，电流值逐渐减小。

可选地，在根据本发明的位移传感器中控制单元适于根据电信号来确定电流值，并根据该电流值计算金属导体与线圈的距离。传感器还可以包括控制单元耦接的无线通信单元。控制单元适于通过该无线通信单元对外传输所计算的距离。控制单元例如是微处理器(MCU)。无线通信单元例如是ZigBee。

综上，本发明的位移传感器技术方案从能量变化的角度对振荡器线圈与金属导体的距离进行测量。在金属导体逐渐靠近振荡器的线圈时，稳压电源输出到振荡器的电流逐渐减小。因此，本发明的技术方案可以通过检测稳压电源输出端电流的变化来确定金属导体与线圈的距离。尽管，振荡器的振荡幅度容易受到环境影响而发生偏移(例如温度漂移等)。然而，稳压电源的输出电流比振荡幅度受到环境的影响要小很多。因此，本发明的位移传感器比传统测量振荡幅度变化的方式有更好的准确度和抗干扰能力。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了涡流式传感器的工作原理图；

图2示出了通常的涡流式位移传感器的结构框图；

图3示出了根据本发明一些实施例的位移传感器300的示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的稳压电源400的示意图；以及

图5示出了根据一个实施例的振荡器500的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图3示出了根据本发明一些实施例的位移传感器300的示意图。如图3所示，位移传感器300包括稳压电源310、振荡器320、检测电路330和控制单元340。振荡器320具有相对金属导体设置的线圈。这里，稳压电源310是直流稳压电源，可以向振荡器320输出稳定的电压。这里，稳压电源310可以是多种公知的稳压式直流电源，也可以是图4所示稳压电源。振荡器320可以是多种公知的LC振荡电路，也可以是图5所示的振荡器，本发明对此不做过多限制。不同于传统的涡流传感器(检测振荡器的振荡幅度的方式)，本发明的检测电路330适于检测稳压电源310的输出端(与振荡器320的供电输入端耦接)对应电流值的电信号。这里，电信号例如是电流检测电阻两端的电压值。但不限于此，公知的各种检测电流大小的方式都可以应用在本发明中。控制单元340例如为微处理器(MCU),但不限于此。

需要说明的是，本发明的位移传感器300从能量变化的角度对振荡器320线圈与金属导体(未示出)的距离进行考虑。具体而言，金属导体在远离振荡器320的线圈时，线圈中能量被直接释放掉。在金属导体靠近振荡器320的线圈时，由于涡流效应，金属导体中涡流场能量可以反馈到线圈。这里，金属导体与线圈距离越近，反馈到线圈的能量越多。相应地，在金属导体逐渐靠近振荡器320的线圈时，振荡器320逐渐减小振荡幅度，并使得稳压电源310逐渐减小输出端的电流。

综上，在金属导体逐渐靠近振荡器320的线圈时，稳压电源310输出到振荡器320的电流逐渐减小。这样，控制单元340可以根据从检测电路330获取的稳压电源310输出端电流变化，来确定金属导体与线圈的距离。具体而言，控制单元340适于根据检测电路330提供的电信号来确定稳压电源310输出端的电流值。进而，控制单元340可以根据电流值来计算金属导体与线圈的距离。另外，在电信号是对应电流值的电压信号时，控制单元340可以直接根据电压信号来计算金属导体与线圈的距离。控制单元640还可以选择将所计算的距离进行存储。

可选地，本发明的位移传感器300还可以包括无线通信单元(未示出)。无线通信单元例如是ZigBee，也可以是WiFi或4G等其他通信单元。控制单元640可以选择通过无线通信单元将所计算的距离对外传输。

特别说明的是，在金属导体与线圈的距离未变时，振荡器320的振荡幅度容易受到环境影响而发生偏移(例如温度漂移等)。然而，稳压电源310的输出电流比振荡幅度受到环境的影响要小很多。因此，本发明的位移传感器300比传统测量振荡幅度变化的方式有更好的准确度和抗干扰能力。

图4示出了根据本发明一个实施例的稳压电源400的示意图。如图4所示，稳压电源400包括放大器U₁。放大器U₁的同相输入端连接有直流电源。放大器U₁的反相输入端设置有下拉电阻R₁。稳压电源400的输出端与反相输入端之间连接有第二电阻R₂，稳压电源的输出端与放大器U₁的输出端之间连接有电流检测电阻R₃。这里，电流检测电阻R₃是很小的电阻。检测电路(330)可以通过测量R₃的电压，并将该电压作为对应稳压电源输出电流的电信号。

图5示出了根据一个实施例的振荡器500的示意图。如图5所示，振荡器500包括晶体管Q₁。晶体管Q₁的发射极连接有下拉的第四电阻R₄，基极与供电输入端VCC之间连接有第五电阻R₅。晶体管Q₁的集电极与供电输入端VCC之间连接有并联的线圈L和第一电容C₁。晶体管Q₁的发射极与集电极之间连接有第二电容C₂，发射极与供电输入端之间连接有第三电容C₃。可选地，振荡器500的供电输入端VCC连接有旁路电容C₄。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种位移传感器，包括：

稳压电源；

振荡器，其供电输入端与稳压电源的输出端耦接，具有相对金属导体设置的线圈，在金属导体逐渐靠近线圈时逐渐降低振荡幅度，以便稳压电源逐渐减小输出端的电流；以及

检测电路，适于检测对应于稳压电源输出端的电流值的电信号；以及

控制单元，与检测电路耦接，适于根据该电信号确定所述电流值，以计算金属导体与线圈的距离。

2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述稳压电源的输出端设置有电流检测电阻；

所述检测电路，适于检测电流检测电阻两端的电压值作为所述电信号。

3.如权利要求2所述的传感器，其中，所述稳压电源包括放大器(U₁)，该放大器(U₁)的同相输入端连接有直流电源，反相输入端设置有下拉的第一电阻(R₁)，稳压电源的输出端与反相输入端之间连接有第二电阻(R₂)，稳压电源的输出端与放大器(U₁)的输出端之间连接有所述电流检测电阻(R₃)。

4.如权利要求1所述的传感器，其中，所述振荡器包括晶体管(Q₁)，

其发射极连接有下拉的第四电阻(R₄)，其基极与供电输入端(VCC)之间连接有第五电阻(R₅)，

其集电极与供电输入端(VCC)之间连接有并联的线圈(L)和第一电容(C₁)，

其发射极与集电极之间连接有第二电容(C₂)，

其发射极与供电输入端之间连接有第三电容(C₃)。

5.如权利要求4所述的传感器，其中，所述振荡器的供电输入端(VCC)连接有旁路电容(C₄)。

6.如权利要求5所述的传感器，还包括与控制单元耦接的无线通信单元；

所述控制单元适于通过该无线通信单元对外传输所计算的距离。

7.如权利要求6所述的传感器，其中，所述控制单元包括微处理器(MCU)。

8.如权利要求6所述的传感器，其中，所述无线通信单元为ZigBee。