专利名称：差动式脉冲电涡流位移检测装置及检测方法
技术领域：
本发明属于检测技术领域，涉及一种差动式脉冲电涡流位移检测装置，本发明还
涉及利用该差动式脉冲电涡流位移检测装置进行位移检测的方法。
背景技术：
位移检测装置在工程中应用广泛，常见的位移检测装置可分为接触式传感器和非 接触式传感器两种。就接触式位移传感器而言，在被测金属高速运动的情况下，如果其与被 测金属之间长时间接触，会造成传感器的磨损，影响测量精度，严重时还会划伤金属表面， 降低产品的质量，故障率高。就非接触式位移传感器而言，目前多为电容式、霍尔式、超声式 以及传统的电涡流式位移传感器。霍尔式位移传感器是采用霍尔元件测量均匀梯度磁场中 不同位置上的磁感应强度来实现位移测量的，但受均匀磁场范围的限制，其测量范围较小， 对大范围的均匀梯度磁场设计复杂，很大程度上限制了霍尔式位移传感器的发展；电容式 位移传感器是利用电容极板遮盖面积的改变来改变电容量，从而确定位移量的大小，但电 容式位移传感器体积大，安装要求较高，传感器输出的信号弱，检测精度低；超声式位移传 感器是利用超声波在超声场的物理特性和压电效应来工作的，声波在传播过程中易受传播 介质及外界环境的干扰，从而导致精确度不高；电涡流式位移传感器是以电涡流效应为基 础，涡流强度随着待测位移的变化而变化，具有响应速度快、测量范围大等优点，但传统的 电涡流式位移传感器以高频信号或单频正弦信号作为涡流线圈的激励，易受分布参数变化 的干扰，引起测量的不准确；对于以单线圈脉冲电涡流式位移传感器，以脉冲作为激励源， 在检测线圈中允许存在高的电流而不会由于能量的持续耗散而损坏线圈，这样就可以得到 较大的瞬时功率作用于待测试件，使感应磁场变化更大，从而检测线圈上的瞬态感应电压 变化更明显，脉冲由一系列宽带频谱构成，反映被测试件的相关信息比较丰富，脉冲涡流相 应耗时少，其具有快的响应速度的同时可以有很好的实时性，并且响应总是在激励脉冲已 经通过且使差动检测装置不易受干扰时出现。基于以上可见单线圈脉冲电涡流式位移传感 器抗干扰强，响应速度快、反映被测试件信息丰富，但由于外界工作温度的变化所引起的温 漂和单线圈结构提离信号提取困难的特点，制约了测量精度的提高。解决温漂影响，提高测 量精度，使位移传感器适用于复杂环境条件下的高精确测量是检测领域的重要研究方向。
发明内容
本发明的一个目的是，提供一种差动式脉冲电涡流位移检测装置，能有效的抑制 温漂，适合复杂环境下对位移的精确测量，抗干扰强，响应速度快，线性度好，精确度高。
本发明的另一目的是，提供一种利用上述差动式脉冲电涡流位移检测装置进行位 移检测的方法，有效的抑制温漂，适合高温环境下对位移的精确测量。 本发明所采用的一种技术方案是，一种差动式脉冲电涡流位移检测装置，包括传 感器探头和信号处理电路两部分， 所述传感器探头的结构是，在圆管骨架两端上沿轴向绕制有两组线圈A和线圈B，线圈A和线圈B的线圈绕制方向相同，线圈A和线圈B的内侧端头均作为电源输入端，与外 部电源相连接，线圈A和线圈B的外侧端头均作为信号输出端， 所述信号处理电路的结构是，传感器探头的线圈A和线圈B的内侧端头同时与窄 脉冲电源连接，线圈A和线圈B的外侧端头同时与差动检测电路连接，差动检测电路与信号 处理电路连接。 本发明所采用的另一技术方案是，一种差动式脉冲电涡流位移检测的方法，该方 法利用一种差动式脉冲电涡流位移检测装置，该装置包括传感器探头和信号处理电路两部 分， 所述传感器探头的结构是，在圆管骨架两端上沿轴向绕制有两组线圈A和线圈B，
线圈A和线圈B的线圈绕制方向相同，线圈A和线圈B的内侧端头均作为电源输入端，与外
部电源相连接，线圈A和线圈B的外侧端头均作为信号输出端；所述信号处理电路的结构
是，传感器探头的线圈A和线圈B的内侧端头同时与窄脉冲电源连接，线圈A和线圈B的外
侧端头同时与差动检测电路连接，差动检测电路与信号处理电路连接， 利用上述的差动式脉冲电涡流位移检测装置，该方法按照以下步骤实施 首先，在传感器探头的圆管骨架的两端头轴心延长线上分别垂直设置待测板和固
定板，固定板和待测板选用同一金属材质，固定板与圆管骨架固定连接，将待测物体固定在
待测板上，待测板与圆管骨架的间距即为传感器所要测量的物理量； 然后，将窄脉冲电源与传感器探头中的线圈A和线圈B的内侧端头连接，将差动检 测电路与传感器探头中的线圈A和线圈B的外侧端头连接，将差动检测电路与信号处理电 路连接； 最后，接通检测信号处理电路，当待测物体带动待测板沿圆管骨架轴心延长线直 线移动时，待测板与传感器探头之间产生相对位移，信号处理电路接收到差动检测电路输 送的线圈A和线圈B的差动信号，经过程序运算，得到待测物体的位移数据，并将该位移数
据输出。 本发明的差动式脉冲电涡流位移检测装置的结构简单、位移检测方法操作方便， 无磨损，能有效的抑制温漂，适合高温环境下对位移的精确测量，抗干扰强，响应速度快，线 性度好，精确度高。
图1是本发明装置中的传感器探头结构原理示意图；
图2是本发明装置中的检测信号处理电路的工作原理框图。 图中，l.线圈A，2.线圈B，3.固定板，4.待测板，5.窄脉冲电源，6.差动检测电路， 7.信号处理电路，8.圆管骨架。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。 本发明的差动式脉冲电涡流位移检测装置包括传感器探头和信号处理电路两部 分。 如图l，本发明装置的传感器探头的结构是，在圆管骨架8上沿轴向绕制有两组线圈Al和线圈B2，线圈Al和线圈B2在圆管骨架8的两端布置，线圈Al和线圈B2的内侧端 头同时与脉冲发生器的电源端连接，线圈Al和线圈B2的外侧端头与信号处理电路的差动 检测电路6连接。 圆管骨架8选用耐高温绝缘材料，以适应于高温环境下工作的可靠性，长度为 60-120mm、外径为30-80mm。 线圈Al和线圈B2的导线选用同一材质，直径均为0. 3-1. Omm，匝数均为10-80匝， 两线圈的外侧端头距圆管骨架端口 l-2mm，线圈Al和线圈B2内侧端头之间相距30-60mm。
如图2，为本发明装置的信号处理电路的原理框图，窄脉冲电源5与差动脉冲电涡 流位移传感器中的线圈Al和线圈B2的内侧端头连接，线圈Al和线圈B2的外侧端头与差 动检测电路6连接，差动检测电路6与信号处理电路7连接。信号处理电路7经内部预先 储存的程序进行运算，最终以4-20mA的电流信号和modbus协议通信两种输出形式输出，实 现位移测量值的输出。 上述的传感器探头作为整个装置的信号采集器件，依赖于该传感器探头构成了本 发明的差动式脉冲电涡流位移检测装置，该装置以测量精度为前提，在保证高的测量精度 的同时，使得检测装置的电路结构尽可能的简单。 本发明的差动脉冲电涡流位移检测方法是，利用上述的差动式脉冲电涡流位移检 测装置，按照以下步骤实施 首先，参照图l，在传感器探头的圆管骨架8的两端头轴心延长线上分别垂直设置 固定板3和待测板4，固定板3和待测板4选用同一金属材质，固定板3与圆管骨架8固定 连接，待测板4与圆管骨架的间距即为传感器所要测量的物理量，将待测物体固定在待测 板4上， 然后，参照图2，将窄脉冲电源5与传感器探头中的线圈Al和线圈B2的内侧端头 连接，将差动检测电路6与传感器探头中的线圈Al和线圈B2的外侧端头连接，将差动检测 电路6与信号处理电路7连接， 最后，接通检测信号处理电路，当待测物体带动待测板4沿圆管骨架8轴心延长线 直线移动，待测板4与传感器探头之间产生位移时，信号处理电路7接收到差动检测电路6 输送的线圈Al和线圈B2的差动信号，经过程序运算，最终以4-20mA的电流信号和modbus 协议通信两种输出形式输出，实现位移测量值的输出。
本发明的差动脉冲电涡流位移检测方法，其工作原理是 a)、传感器的一端为固定板3，该固定板3为与待测板4同质的金属板材，该固定板 3到线圈Al的位移是固定的L1，通过特种耐高温骨架绕制线圈1和线圈2，金属的固定板3 通过螺纹固定到耐高温骨架线圈1 一侧，相对位置如图1 ;传感器的另一端为活动的待测板 4，用来测量耐高温骨架与待测板4之间的位移L2。 b)、为了使差动检测电路6具有较快的响应速度和较高的检测精确度，窄脉冲电 源5的输出频率和脉宽需满足一定的要求，窄脉冲电源5要求最高频率为10kHz、脉冲宽度 为O. lus-50us的脉冲信号，用它对传感器的两线圈同时进行激励，实现线圈充放电功能， 根据电涡流效应可在与两线圈放电回路系统上获得电压信号，其中固定板3的位移Ll不 变，输出的电压信号只受外界温度的变化影响，待测板4电压信号的变化取决于待测位移 L2和外界温度双重的变化影响，而外界变化的温度对传感器两线圈的影响是相同的。所以，本发明的差动脉冲电涡流位移传感器与差动检测电路6构成一温漂抑制系统，从而消除了 外界温度变化影响这一干扰量，同时又方便地分离出提离信号，为传感器在复杂环境条件 下进行精确测量提供了保障。 c)、信号处理电路7对所获得的电压信号进行处理，其包括有比较放大、滤波、信 号采样保持、A/D转换、拟合、特征值提取、匹配等功能，比较放大的目的在于使不同位移相 对应的信号的相对变化更加明显，以便在特征值提取上精度更高，A/D转换对采样频率有高 的要求，特征值的提取采用硬件电路实现，最终以4-20mA的电流信号和modbus协议通信两 种输出形式输出，线性测量范围在0-20mm，重复度为±0. 04mm，实现位移测量及输出。
本发明的装置及其方法，是涡流传感器的进一步延展，除具有无磨损，抗干扰强， 响应速度快、线性度好、精确度高的特点外，能有效的抑制温漂，适合复杂环境下的精确测 量。整个检测装置提供了传感器的设计参数，给出了该装置进行位移测量的测量方式及相 关步骤由脉冲发生装置产生一定值脉冲对传感器进行激励，实现传感器充放电的功能，由 于待测位移的不同，所得到的电压波形信号不同，经过信号处理，提取信号的特征值，输出 位移信号，实现了对位移的精确测量。
权利要求
一种差动式脉冲电涡流位移检测装置，其特征在于包括传感器探头和信号处理电路两部分，所述传感器探头的结构是，在圆管骨架(8)两端上沿轴向绕制有两组线圈A(1)和线圈B(2)，线圈A(1)和线圈B(2)的线圈绕制方向相同，线圈A(1)和线圈B(2)的内侧端头均作为电源输入端，与外部电源相连接，线圈A(1)和线圈B(2)的外侧端头均作为信号输出端，所述信号处理电路的结构是，传感器探头的线圈A(1)和线圈B(2)的内侧端头同时与窄脉冲电源(5)连接，线圈A(1)和线圈B(2)的外侧端头同时与差动检测电路(6)连接，差动检测电路(6)与信号处理电路(7)连接。
2. 根据权利要求1所述的位移检测装置，其特征在于所述的圆管骨架(8)选用耐高温绝缘材料，长度为60-120mm、外径为30-80mm。
3. 根据权利要求l所述的位移检测装置，其特征在于所述的线圈A(l)和线圈B(2)的导线选用同一材质，直径均为0. 3-1. 0mm，匝数均为10-80匝，线圈A (1)和线圈B (2)的外侧端头距圆管骨架端口 l-2mm，线圈A(1)和线圈B(2)内侧端头之间相距30-60mm。
4. 一种差动式脉冲电涡流位移检测的方法，其特征在于该方法利用一种差动式脉冲电涡流位移检测装置，该装置包括传感器探头和信号处理电路两部分，所述传感器探头的结构是，在圆管骨架(8)两端上沿轴向绕制有两组线圈A(l)和线圈B(2)，线圈A(1)和线圈B(2)的线圈绕制方向相同，线圈A(l)和线圈B(2)的内侧端头均作为电源输入端，与外部电源相连接，线圈A(l)和线圈B(2)的外侧端头均作为信号输出端；所述信号处理电路的结构是，传感器探头的线圈A(l)和线圈B(2)的内侧端头同时与窄脉冲电源(5)连接，线圈A(l)和线圈B(2)的外侧端头同时与差动检测电路(6)连接，差动检测电路(6)与信号处理电路(7)连接，利用上述的差动式脉冲电涡流位移检测装置，该方法按照以下步骤实施首先，在传感器探头的圆管骨架(8)的两端头轴心延长线上分别垂直设置待测板(4)和固定板(3)，固定板(3)和待测板(4)选用同一金属材质，固定板(3)与圆管骨架(8)固定连接，将待测物体固定在待测板(4)上，待测板(4)与圆管骨架(8)的间距即为传感器所要测量的物理量；然后，将窄脉冲电源(5)与传感器探头中的线圈A(l)和线圈B(2)的内侧端头连接，将差动检测电路(6)与传感器探头中的线圈A(l)和线圈B(2)的外侧端头连接，将差动检测电路(6)与信号处理电路(7)连接；最后，接通检测信号处理电路(7)，当待测物体带动待测板(4)沿圆管骨架(8)轴心延长线直线移动时，待测板(4)与传感器探头之间产生相对位移，信号处理电路(7)接收到差动检测电路(6)输送的线圈A(l)和线圈B(2)的差动信号，经过程序运算，得到待测物体的位移数据，并将该位移数据输出。
5. 根据权利要求4所述的位移检测方法，其特征在于所述的信号处理电路(7)以4-20mA的电流信号和modbus协议通信两种输出形式输出。
6. 根据权利要求4所述的位移检测方法，其特征在于所述的窄脉冲电源(5)最高频率为10kHz、脉冲宽度为0. lus-50us。
7. 根据权利要求4所述的位移检测方法，其特征在于所述的信号处理电路(7)对所获得的电压信号进行处理，其包括有比较放大、滤波、信号采样保持、A/D转换、拟合、特征值提取和匹配功能:
全文摘要
本发明公开了一种差动式脉冲电涡流位移检测装置，包括传感器探头和信号处理电路两部分，传感器探头的结构是，在圆管骨架上沿轴向绕制有两组线圈A和线圈B，线圈A和线圈B的内侧端头均作为电源输入端，线圈A和线圈B的外侧端头均作为信号输出端；信号处理电路的结构是，窄脉冲电源与传感器探头的线圈A和线圈B的内侧端头连接，线圈A和线圈B的外侧端头与差动检测电路连接，差动检测电路与信号处理电路连接。本发明还公开了利用该差动式脉冲电涡流位移检测装置进行检测的方法。本发明的装置及其方法，能有效的抑制温漂，具有无磨损，抗干扰强，响应速度快、线性度好、精确度高，适合复杂环境下的精确测量。
文档编号G01B7/02GK101726238SQ20091031119
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月10日 优先权日2009年12月10日
发明者宋念龙, 尤栋, 张涛, 李听团, 李琦, 沈红彬 申请人:西安理工大学