具有防水功能的大量程位移传感器 技术领域：
本发明涉及一种具有防水功能的大量程位移传感器，可广泛用于计量测试、在线检测、产品检验、日常生活等领域，特别是生产加工现场使用，属于测量仪器技术领域。
背景技术：
位移传感器是应用最为广泛的一种传感器，而大量程位移传感器在工业领域特别是制造业领域的使用最多，例如光栅、磁栅、容栅、感应同步器、激光干涉测量系统等。然而这些传统的大量程位移传感器大多数都存在一个明显的缺点和不足：当使用环境存在各种液体时，传感器的测量结果将出现很大的偏差，有些传感器甚至根本不能正常工作。这一缺陷在很大程度上影响了上述位移传感器在生产加工现场的使用，同时也限制了位移传感器在其他领域的进一步推广应用。
目前，国内外推出的具备防水功能的大量程位移传感器只有以下几种：1)差动变压器式位移传感器：以日本三丰株式会社最具代表性，如“感应电流位置传感器”(专利申请号96108034)、“利用码轨道型标尺和读出头的感应电流式绝对位置传感器”(专利申请号98103721)、“减少偏差的高精度感应电流位置传感器”(专利申请号98106179)。这类传感器利用电涡流效应组成差动变压器式位移传感器，它由一对发射线圈和接收线圈组成，通过互感变化实现大量程位移测量，并具有防水功能。缺点是传感器线圈部分体积较大，不利于进一步小型化。2)磁阻式位移传感器：以瑞士特萨为代表，如“测量尺度的磁阻传感器”(专利申请号98107990)等。这类传感器利用磁阻效应组成磁阻式位移传感器，体积小，可以实现大量程位移测量，并具有防水功能，但不能排除磁性颗粒物质的影响。3)磁栅式位移传感器：例如国内陆济群的发明专利“磁栅数显长度计量器具”(申请号93108665)。这类传感器已经在实际生产中广为使用，但是测量精度低，抗干扰能力差，体积大，可维护性差，不能小型化。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术地不足，提出一种新型的具有防水功能的大量程位移传感器，不仅具有防水功能，不受磁性颗粒物质的影响，测量范围大，而且体积小、重量轻、耗电少、易于维护，可以形成小型位移传感器件，满足各种复杂的工业现场的使用要求。
为实现这样的目的，本发明采用电涡流传感器组成位移检测器件，在定尺上安装具有规则对称形状、按照一定波长周期性均匀排列的金属反射导体，在动尺上安装数个具有特定间距和形状的传感器线圈。当线圈中通以交变电流时，将在空间产生交变电磁场，并在定尺的反射导体上产生电涡流。当定尺与动尺之间产生相对移动时，在电涡流的作用下对磁场产生调制作用，从而改变传感器线圈的电参数，通过相应的测量电路可以输出周期性变化的电信号，由此实现位移测量。由于位移测量是通过电涡流效应来实现，因此传感器具有防水功能，可以应用于液体环境和场合。
本发明提出的具有防水功能的大量程位移传感器基于电涡流传感器原理，可称之为“涡流栅”式位移传感器，具有与其他栅式位移传感器相似的结构，它包括一个定尺、一个动尺、传感器线圈、驱动电路、显示器、控制电路、电池等部分。驱动电路包括驱动器和脉冲电路，控制电路包括单片机、控制器、采样器、显示电路和通讯接口、接口电路。在定尺上沿着定尺移动方向均匀排列着一系列具有规则形状的金属反射导体，动尺通过机械结构安装在定尺上，并可以沿着定尺尺身滑动，在动尺上安装数个电涡流传感器线圈，这些传感器线圈沿卡尺移动方向均匀排列，其间隔与定尺上的金属反射导体的分布波长具有确定的对应关系。传感器线圈通过驱动器与脉冲电路相连，传感器线圈的输出经采样器与单片机连接，单片机的输出经显示电路连接显示器，通过控制器连接脉冲电路，通过通讯接口与外部设备连接，并通过接口电路与按键相连。驱动电路、控制电路和显示器均与干电池相连。
在定尺上按照一定间距(称为测量波长)周期性均匀排列一些反射导体。这些反射导体具有规则对称形状，例如矩形、方形、菱形、六边形、八边形等等。反射体沿移动方向的长度一般等于测量波长的一半，即半波长，此时反射体之间的间隔也为半波长，即反射体宽度等于反射体间距。同时，这些反射导体可以沿测量方向排成一列、二列、三列以及更多列，相应地称之为单码道、双码道、三码道以及更多码道形式。不同码道上的反射导体的测量波长不完全相同。不同码道上的反射导体的起始位置可完全一致，也可相互错开一定间隔。
动尺上安装的传感器线圈同样具有一定规则对称形状，例如矩形、方形、菱形、六边形、八边形等等。传感器线圈沿移动方向的长度一般等于测量波长的一半，即半波长。为了提高传感器线圈的性能，可以将传感器线圈的长度设计为半波长的整数倍。有时也可以使传感器线圈的长度略大于或略小于半波长的整数倍，以便改善测量信号的质量。传感器线圈的数目至少为2，且应为偶数。传感器线圈采用印制电路板工艺制作，一般采用多层电路板工艺，以便提高线圈性能。传感器线圈沿移动方向有规则地排列，其排列规则可以是均匀排列，也可以是不均匀排列，其间隔与定尺上的反射导体的分布具有确定的对应关系，一般而言，传感器线圈的中心距离为1/4测量波长的整数倍。
与反射体的码道形式相对应，传感器线圈也可分布在多个并行的码道上，线圈的码道数目与定尺的码道数目可以相同，也可以不同。不同码道上的线圈在卡尺移动方向上的相互位置可完全一致，也可错开一定间隔，并与定尺的反射导体具有确定的对应关系。每个码道的波长可以一致，也可以略有不同，从而可以构成不同的测量模式，达到不同的测量要求和目的。
为了提高测量灵敏度，降低定尺与动尺之间的间隙变动对测量结果的影响，减小测量电路漂移、环境温度波动等因素的影响，传感器的线圈数目一般采用偶数，从而可以实现差动结构。同时，为了便于传感器线圈的安装和布局，两个差动线圈可以并列安置，也可以相距一定的距离，一般相距半波长的整数倍，例如1/2波长、3/2波长、5/2波长、7/2波长等等，以此类推。
上述传感器线圈是在驱动电路的驱动和控制下工作的。这些传感器线圈是发射线圈，里面通过交流电流，从而在线圈周围空间形成交变磁场。由于定尺上面的部分反射导体将处于此交变磁场的作用区域内，因此在这些反射导体内将产生电涡流，并反过来对发射线圈的电参数产生影响。而传感器线圈同时又是接收线圈，它可以感受来自这些反射导体中的电涡流效应，使得线圈本身的电感、阻抗、品质因数等参数产生变化，从而导致驱动电路电信号的频率、相位或幅值发生变化。当动尺与定尺之间产生相对移动后，传感器线圈与反射导体的相对位置发生变化，输出的电信号的频率、相位或幅值也相应地同步改变。因此，通过相应的后续电路，就可以输出周期性变化的电信号，从而实现位移测量。由于这种电涡流栅式位移传感器的测量量程只取决于定尺的长度，因此可以根据不同的测量范围要求，来选用不同长度的定尺，从而实现大量程位移测量。
本发明的传感器线圈可以利用多层印制电路板工艺制造，因此具有工艺稳定、价廉、快速、稳定等优点。同时，可以将传感器线圈以及驱动电路、控制电路、通讯接口等制作在同一块电路板上，形成一体化传感器，从而大大降低整个测量模块的体积和可靠性，降低成本，提高可维护性。
本发明采用脉冲间歇式供电方式为传感器线圈提供能源，而且供电脉冲的占空比很小，因此可以大幅度地降低功耗。同时，传感器具有节能功能，当一段时间未被使用后，传感器将自动关闭，以便最大限度地节约电力，避免浪费，延长电池使用时间。
本发明采用低功耗单片机系统进行驱动电路控制、传感器输出信号的采集与转换、数据处理、误差补偿与修正、数值计算、结果显示等。
本发明采用低功耗液晶显示器，符合一般观察和操作习惯，同时具有米制/英制显示转换、节能(定时关断)、清零等功能。
本发明的传感器本身具有通用的RS-232c通讯接口，因此可以方便地与PC机、打印机或其他设备连接，进行数据传输、统计分析、打印结果与报表等。
电源采用体积小、容量大的锂电池，可以满足卡尺长期连续的工作需要，同时又符合环保要求。
本发明的位移传感器可以用于构成各种大范围的长度测量器具，例如电子数显卡尺、百分表、深度尺、高度尺等，同时也可以用于实现角度测量，测量范围可以达到几百到几千毫米，而且体积小、重量轻、耗电少、易于维护，可以满足各种复杂的工业现场的使用要求。
附图说明：
图1为本发明的总体结构示意图。
图中，1为定尺，2为反射导体，3为驱动电路，4为传感器线圈，5为控制电路，6为动尺。
图2为本发明几种典型的反射导体排列与布局形式示意图。
图3为本发明几种典型的传感器线圈形式示意图。
图4为本发明几种典型的单码道线圈排列与布局形式示意图。
图5为本发明几种典型的双码道线圈排列与布局形式示意图。
图6为本发明几种典型的三码道线圈排列与布局形式示意图。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明的总体结构如图1所示，包括一个定尺1、一个动尺6、若干传感器线圈4、驱动电路3、控制电路5、显示器、通讯接口、按键、干电池等。驱动电路3包括驱动器和脉冲电路，控制电路5包括单片机、控制器、采样器、显示电路和通讯接口、接口电路。在定尺1上沿着定尺移动方向均匀排列着一系列具有规则形状的金属反射导体2；动尺6通过机械结构安装在定尺1上，并可以沿着定尺尺身滑动；在动尺6上安装数个电涡流传感器线圈4，这些传感器线圈4沿卡尺移动方向均匀排列，其间隔与定尺上的金属反射导体2的分布波长具有确定的对应关系。传感器线圈4通过驱动器与脉冲电路相连，传感器线圈4的输出经采样器与单片机连接，单片机的输出经显示电路连接显示器，通过控制器连接脉冲电路，通过通讯接口与外部设备连接，并通过接口电路与按键相连。驱动电路3、控制电路5和显示器均与干电池相连。
驱动器由脉冲电路间歇供电，为传感器线圈4提供激励信号，传感器线圈4的输出电信号经过采样器后送入单片机进行数据处理和计算，最终的测量结果通过显示电路送至显示器进行数字显示；单片机通过控制器来控制脉冲电路，实现间歇供电；单片机通过通讯接口与外部设备(例如上位机、打印机、其他终端等)传输数据；单片机通过接口电路读取按键输入，执行相应操作和实现不同功能；驱动电路3、控制电路5和显示器均由干电池统一供电，维持系统工作。
上述传感器线圈4在驱动电路3的驱动和控制下工作。这些传感器线圈4是发射线圈，里面通过交流电流，从而在线圈周围空间形成交变磁场。由于定尺1上面的部分反射导体2将处于此交变磁场的作用区域内，因此在这些反射导体2内将产生电涡流，并反过来对发射线圈的电参数产生影响。而传感器线圈4同时又是接收线圈，它可以感受来自这些反射导体中的电涡流效应，使得线圈本身的电感产生变化，从而导致驱动电路振荡器的频率和幅值变化，并将此变化信号输出。当动尺6与定尺1之间产生相对移动后，传感器线圈4与反射导体2的相对位置发生变化，输出的电信号的频率和幅值也相应同步改变，从而可以实现位移测量。
由于定尺1上的反射导体2是均匀分布的，因此，随着动尺6与定尺1之间的位置不同，输出信号的频率成周期性变化，其变化周期等于测量波长。
本发明的传感器线圈4同驱动电路3、控制电路5等制作在同一块电路板上，采用脉冲间歇式供电方式为传感器线圈提供能源，采用单片机系统进行控制，采用低功耗液晶显示器，并具有通用的通讯接口，结构紧凑，工作可靠，可以长期连续工作。
图2为本发明几种典型的反射导体排列与布局形式示意图。
图2中，(a)为单码道形式，(b)为等波长同相双码道形式，(c)等波长反相双码道形式，(d)为不等波长同相双码道形式，(e)不等波长反相双码道形式，(f)、(g)均为三码道形式。
图3为本发明几种典型的传感器线圈形式示意图。
图3中，(a)为矩形线圈，(b)为方形线圈，(c)为菱形线圈，(d)为六边形线圈，(e)为八边形线圈。
图4为本发明几种典型的单码道线圈排列与布局形式示意图。
图4中，(a)为一种均匀间隔的单码道形式，(b)为另一种均匀间隔的单码道形式，(c)为宽线圈的单码道形式，(d)为另一种宽线圈的单码道形式，(e)为非均匀间隔单码道形式，(f)为另一种非均匀间隔单码道形式，(g)为多节距单码道形式，(h)为另一种多节距单码道形式，(I)为反向串连单码道形式，(j)为另一种反向串连单码道形式。
图5为本发明几种典型的双码道线圈排列与布局形式示意图。
图5中，(a)为等波长双码道形式，(b)为另一种等波长双码道形式，(c)为不等波长双码道形式，(d)为另一种不等波长双码道形式，(e)为宽线圈双码道形式，(f)为另一种宽线圈双码道形式，(g)为多节距双码道形式，(h)为另一种多节距双码道形式，(i)为多线圈串联形式，(j)为另一种多线圈串联形式。
图6为本发明几种典型的三码道线圈排列与布局形式示意图。
图6中，(a)、(b)、(c)、(d)为四种典型的三码道形式，(e)、(f)为两种宽线圈三码道形式，(g)、(h)为两种多节距三码道形式。