一种同时监测横向和纵向相对位移的传感器的制作方法

1.本实用新型涉及位移传感器领域，尤其涉及一种同时监测横向和纵向相对位移的传感器。


背景技术：

2.传感器的作用是把各种被测物理量转换为数字，其中位移传感器是重要的一类成员。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。因具有易实现数字化、精度高、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表、航空等行业中得到日益广泛的应用。位移传感器是一种用于持续监测高精度相对位移的传感器，属于位移传感器的范畴。
3.现有的用于监测两被测部位间相对位移的位移传感器普遍存在有以下缺陷：1、技术产品精度普遍较低，无法实现在微米级精度持续监测产品的高精度相对位移监测需求；2、产品受测量面不平整、有相对断差而受到安装限制，无法准确地测量传感器安装面不在同一平面上且相差较大的两部件间的相对位移。为了解决上述问题，中国专利cn202010194649公开了一种用于间隙监测的高精度位移传感器，该传感器为分体式结构设计，可克服测量安装面不平整、有相对断差的影响，同时，传感器的测量精度可达0.5μm，具有测量精度高、测量稳定误差小的优点。但是该传感器只能监测两部件在一个方向上的相对位移，无法同时监测两部件在纵、横两个方向的相对位移。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述不足，本实用新型提供了一种同时监测横向和纵向相对位移的传感器，该位移传感器可监测两部件在纵、横两个方向上的相对位移，具有监测精度高、测量误差小、应用范围广的优点。
5.实现本实用新型上述目的所采用的技术方案为：
6.一种同时监测横向和纵向相对位移的传感器，至少包括壳体、限位块以及位于壳体内的传感模块，其中壳体和限位块分别固定于两个被测的部件上，传感模块的一端由壳体内伸出并固定于限位块上，所述传感模块包括纵向传感单元、隔离支撑板和横向传感单元，其中纵向传感单元包括纵向pcb组件、纵向滑动基体、纵向高精密磁铁和纵向滑杆，横向传感单元包括横向pcb组件、横向滑动基体、横向高精密磁铁和横向滑杆，所述隔离支撑板固定于壳体上，纵向pcb组件和横向pcb组件分别位于隔离支撑板的上下面并与隔离支撑板固定连接；
7.所述纵向滑动基体和横向滑动基体分别位于纵向pcb组件和横向pcb组件上远离隔离支撑板的一面，纵向滑动基体上沿传感器的长度方向设置有纵向滑道孔，纵向滑杆安装于纵向滑道孔内并固定于壳体上，纵向滑动基体沿纵向滑杆滑动，纵向高精密磁铁固定于纵向滑动基体上靠近纵向pcb组件的一面并随纵向滑动基体同步移动，纵向滑动基体的前端连接固定有连接头，连接头的前端固定于限位块上；所述横向滑动基体上沿传感器的
宽度方向设置有横向滑道孔，横向滑杆安装于横向滑道孔内并固定于壳体上，横向滑动基体沿横向滑杆滑动，横向高精密磁铁固定于横向滑动基体上靠近横向pcb组件的一面并随横向滑动基体同步移动，横向滑动基体的前端固定连接有连接杆，连接杆与限位块紧密接触且在限位块的带动下沿垂直于传感器安装的方向来回移动，所述限位块与连接头和连接杆的接触面为光滑表面。
8.所述限位块上沿传感器安装方向设置有安装孔，安装孔贯穿限位块，连接杆连接于安装孔内并与安装孔紧密接触，所述安装孔的表面光滑。
9.所述连接杆设置有两根，连接杆位于限位块的两侧并与限位块紧密接触。
10.所述连接杆靠近限位块的侧面上设置有固定连接的凸出块和调节螺钉，通过调整螺钉调节凸出块的伸出高度，使得凸出块与限位块表面紧密接触，所述凸出块的表面光滑。
11.所述纵向pcb组件、横向pcb组件与隔离支撑板间均设置有隔离垫片，四者之间通过螺栓连接或粘接固定。
12.所述隔离支撑板两侧固定连接有耳板，隔离支撑板与外壳通过耳板固定连接，隔离支撑板为高磁阻性材料制成。
13.所述限位块和壳体直接或者通过安装垫块固定于两个被测的部件上，使传感器整体处于一个平面上，其中限位块或壳体与安装垫块通过粘接或磁铁吸附连接。
14.所述纵向滑杆和横向滑杆的两端均套设有限位弹簧，限位弹簧限制纵向滑动基体或横向滑动基体在自由状态下处于纵向滑杆或横向滑杆上的中间位置。
15.所述连接头的前端连接有磁体，连接头和限位块通过磁体连接固定，所述磁体为强磁性永磁体。
16.所述纵向pcb组件和横向pcb组件均包括用于捕获因纵向高精密磁铁和横向高精密磁铁移动而产生磁场变化信号的高精度电磁感应芯片、将捕获的磁场变化信号经过数据处理为位移信号并将位移信号发送至上位机的单片机、用于采集环境温度数据的温度传感芯片、用于采集环境振动讯号的振动传感芯片以及防电磁干扰电路，温度传感芯片和振动传感芯片与单片机连接。
17.与现有技术相比，本实用新型提供的技术方案有以下优点：1、本实用新型中提供的位移传感器能够同时测试两个被测部件间纵向和横向的相对位移，对纵向位移和横向位移测试的测试时间、测试位置完全一致，可精准反应两部件在同一时间的相对位移。
18.2、本实用新型中纵向pcb组件与横向pcb组件之间设置有由高磁阻性材料制成的隔离支撑板，可有效减小或消除纵向高精密磁铁对横向pcb组件上高精度电磁感应芯片周围磁场的影响和横向高精密磁铁对纵向pcb组件上高精度电磁感应芯片周围磁场的影响，进一步提高监测精度。
19.3、本实用新型中提供的位移传感器采用分体式设计，通过壳体或限位块上固定连接的安装垫块使位移传感器整体位于同一平面上，便于在两部件安装面不在一个平面上且高差较大的情况下传感器的准确定位安装；同时可通过调整纵向滑动基体和横向滑动基体的长度来实现对距离不同的两被测部件间的相对位移，传感器应用范围广。
20.4、本实用新型中纵向滑动基体连接于两个纵向滑杆上，横向滑动基体连接于两个横向滑杆上，滑动方向精确度高，可精准传递两部件间的相对位移，原理简单、结构可靠。
21.5、本实用新型采用高精度电磁感应芯片来感应高精密磁铁随滑动基体移动产生
的磁场变化，可实现对实时位移的高精度测试。
附图说明
22.图1为实施例1中同时监测横向和纵向相对位移的传感器的内部结构示意图；
23.图2为实施例1中同时监测横向和纵向相对位移的传感器的外部结构示意图；
24.图3为实施例1中同时监测横向和纵向相对位移的传感器的内部结构俯视图；
25.图4为实施例1中安装垫块与外壳连接示意图；
26.图5为实施例1中纵向pcb组件、横向pcb组件与隔离支撑板固定连接示意图；
27.图6为实施例1中纵向滑动基体、纵向高精密磁铁和纵向滑杆的连接示意图；
28.图7为实施例1中横向滑动基体的结构示意图；
29.其中(a)和(b)分别为不同方向的结构图；
30.图8为实施例1中横向滑动基体、横向高精密磁铁和横向滑杆的连接示意图；
31.图9为实施例2提供的同时监测横向和纵向相对位移的传感器的外部结构示意图；
32.图10为实施例2中横向滑动基体的结构示意图；
33.图中：1-壳体，2-限位块，3-安装垫块，4-纵向传感单元，41-纵向pcb组件，42-纵向滑动基体，421-纵向滑道孔，422-连接头，43-纵向高精密磁铁，44-纵向滑杆，5-横向传感单元，51-横向pcb组件，52-横向滑动基体，521-横向滑道孔，522-连接杆，53-横向高精密磁铁，54-横向滑杆，6-隔离支撑板，61-耳板，7-螺栓，8-隔离垫片，9-限位弹簧，10-磁体，11-凸出块，12-调节螺钉。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本实用新型做详细具体的说明，但是本实用新型的保护范围并不局限于以下实施例。
35.实施例1
36.本实施例提供的同时监测横向和纵向相对位移的传感器结构如图1～3所示，至少包括壳体1、限位块2以及位于壳体内的传感模块。其中壳体和限位块分别固定于两个被测的部件上，用于监测两个被测的部件的位移变化，具体地，当限位块和壳体的安装面处于同一平面上时，限位块和壳体直接固定于两个被测的部件上，当限位块和壳体的安装面处于不同平面上时，所述限位块和壳体通过安装垫块3固定于两个被测的部件上，如图2和图4所示，通过调整限位块或壳体上连接的安装垫块的厚度，使安装完成后的传感器整体处于一个平面上。本实施例中，限位块或壳体与安装垫块通过粘接或磁铁吸附连接。
37.所述传感模块包括纵向传感单元4、隔离支撑板6和横向传感单元5，其中纵向传感单元包括纵向pcb组件41、纵向滑动基体42、纵向高精密磁铁43和纵向滑杆44；横向传感单元包括横向pcb组件51、横向滑动基体52、横向高精密磁铁53和横向滑杆54。
38.所述隔离支撑板两侧固定连接有耳板，隔离支撑板与外壳通过耳板61固定连接，纵向pcb组件和横向pcb组件分别位于隔离支撑板的上下面并与隔离支撑板固定连接，如图5所示，使纵向pcb组件和横向pcb组件固定于壳体上。本实施例中，纵向传感单元整体位于隔离支撑板的下方，横向传感单元整体位于隔离支撑板的上方，在实际生产时，纵向传感单元和横向传感单元整体的位置可以随意更换。隔离支撑板为高磁阻性材料制成，避免纵向
传感单元和横向传感单元之间电磁信号相互干扰。具体地，所述纵向pcb组件、横向pcb组件与隔离支撑板通过螺栓连接或粘接固定，本实施例中通过位于四角的螺栓7连接固定，且纵向pcb组件、横向pcb组件与隔离支撑板之间均设置有隔离垫片8，隔离垫片的设置进一步减小了纵向传感单元和横向传感单元之间电磁信号相互干扰的可能性。
39.所述纵向滑动基体和横向滑动基体分别位于纵向pcb组件和横向pcb组件上远离隔离支撑板的一面，纵向滑动基体上沿传感器的长度方向设置有纵向滑道孔421，纵向滑杆安装于纵向滑道孔内并固定于壳体上，纵向滑杆的两端均套设有限位弹簧9，限位弹簧限制纵向滑动基体在自由状态下处于纵向滑杆的中间位置，纵向滑动基体沿纵向滑杆滑动，纵向高精密磁铁固定于纵向滑动基体上靠近纵向pcb组件的一面并随纵向滑动基体同步移动，纵向滑动基体、纵向高精密磁铁和纵向滑杆的连接如图6所示。纵向滑动基体的前端连接固定有连接头422，连接头的前端固定于限位块上，所述连接头的前端连接有磁体10，连接头和限位块通过磁体连接固定，所述磁体为强磁性永磁体，可保证纵向滑动基体与限位块接触良好，当被测的两部件发生纵向相对位移时，限位块带动纵向滑动基体移动。限位块与连接头的接触面为光滑表面，这样当被测的两部件发生横向相对位移时，限位块与连接头发生横向相对移动，而不影响纵向滑动基体。
40.所述横向滑动基体上沿传感器的宽度方向设置有横向滑道孔521，横向滑杆安装于横向滑道孔内并固定于壳体上，横向滑杆的两端也套设有限位弹簧，限位弹簧限制横向滑动基体在自由状态下处于横向滑杆上的中间位置，横向滑动基体沿横向滑杆滑动，横向高精密磁铁固定于横向滑动基体上靠近横向pcb组件的一面并随横向滑动基体同步移动，横向滑动基体、横向高精密磁铁和横向滑杆的连接如图7和图8所示。横向滑动基体的前端固定连接有连接杆522，本实施例中，所述连接杆设置有两根，连接杆位于限位块的两侧，所述连接杆靠近限位块的侧面上设置有固定连接的凸出块11和调节螺钉12，通过调整螺钉调节凸出块的伸出高度，使得凸出块与限位块表面紧密接触，便于传感器的安装，当被测的两部件发生向左或向右的横向相对位移时，限位块带动左侧连接杆或右侧连接杆移动，从而带动横向滑动基体移动。所述凸出块的表面光滑，这样当被测的两部件发生纵向相对位移时，限位块与连接杆发生纵向相对移动，而不影响横向滑动基体。
41.所述纵向pcb组件和横向pcb组件均包括用于捕获因纵向高精密磁铁和横向高精密磁铁移动而产生磁场变化信号的高精度电磁感应芯片、将捕获的磁场变化信号经过数据处理为位移信号并将位移信号发送至上位机的单片机、用于采集环境温度数据的温度传感芯片、用于采集环境振动讯号的振动传感芯片以及防电磁干扰电路，温度传感芯片和振动传感芯片与单片机连接。其中温度传感芯片为一款精密集成数字温度传感芯片，具有高分辨率的特性，测量精度为
±
0.5℃。温度传感芯片先采样外部环境的温度数据，然后和单片机通过i2c协议，把采样值传给单片机；单片机把采集过来的温度数据计算后，通过信号通讯传给上位机。振动传感芯片采用业界领先的芯片，具有高分辨率、极低功耗和长期稳定的特性；振动传感芯片的分辨率为1mg，测量范围为
±
5g，可同时采集x轴、y轴、z轴的振动量。振动传感芯片首先采样外界的振动讯号，然后内部转化为电平信号传给单片机；单片机把采集过来的振动数据计算后，通过信号通讯传给上位机。温度感应芯片和振动感应芯片能够实时监测环境状况获取环境的温度数据和振动数据，通过结合单片机内部预先设定的数据模型(将高精度位移传感器模拟实际安装固定在间隙两侧，将间隙固定为零，然后将间隙
部件连同高精度位移传感器整体置于温度可调的密闭空间内；通过升温、降温模拟高精度位移传感器处于不同的温度环境下，记录高精度位移传感器受温度形变造成的位移偏移；再通过在不同温度下，将间隙部件连同高精度位移传感器置于振动台上，通过调节不同的振动条件模拟高精度位移传感器处于不同的振动环境，记录其受振动影响造成的位移偏移；重复上叙操作，统计计算出高精度位移传感器受温度、振动影响造成的位移偏移平均值，从而建立数据模型，写入高精度位移传感器的单片机内)，可自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差，从而极大的提高产品持续监测的测量精度；并将修正后的位移数据与温度数据、振动数据打包发送给上位机。
42.当两被测部件间纵向距离减小时，纵向滑动基体受到限位块纵向推力作用，纵向滑动基体将沿纵向滑杆向壳体内部滑动，纵向滑动基体的纵向滑动位移值即为被测两部件间相对位移的减小值；当两被测部件间距离增加时，纵向滑动基体受到限位块纵向拉力作用，纵向滑动基体将沿纵向滑杆向壳体外部滑动，此时纵向滑动基体的纵向滑动位移值即为两被测部件间相对位移的增加值。纵向滑动基体上设置有高精密磁铁，当纵向滑动基体沿纵向滑杆滑动时，纵向pcb组件上的高精度电磁感应芯片周围的磁场将发生变化，单片机将捕获的磁场变化信号经过数据处理为位移信号并将位移信号发送至上位机，实现纵向相对位移的测量，精度可达0.5μm，可保持微米级精度持续监测产品的高精度相对位移。
43.当限位块与壳体间出现横向相对位移时，横向滑动基体受到限位块横向推力作用，横向滑动基体将沿横向滑杆滑动，横向滑动基体沿横向的滑动位移值等于限位块相对于壳体的横向相对位移。横向滑动基体上设置有高精密磁铁，当横向滑动基体沿横向滑杆滑动时，横向pcb组件上的高精度电磁感应芯片周围的磁场将发生变化，单片机将捕获的磁场变化信号经过数据处理为位移信号并将位移信号发送至上位机，实现横向相对位移的测量，精度可达0.5μm，可保持微米级精度持续监测产品的高精度相对位移。
44.实施例2
45.本实施例提供的同时监测横向和纵向相对位移的传感器与实施例1的结构基本一致，所区别指出在于本实施例中连接杆只设置有一根，如图9～图10所示，此时限位块上沿传感器安装方向设置有安装孔，安装孔贯穿限位块，连接杆连接于安装孔内并与安装孔紧密接触，当被测的两部件发生向左或向右的横向相对位移时，限位块带动连接杆向左或向右横向移动，从而带动横向滑动基体移动。所述安装孔的表面光滑，这样当被测的两部件发生纵向相对位移时，限位块与连接杆发生纵向相对移动，而不影响横向滑动基体。