专利名称：适宜于微小位移检测的分装差动式位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器领域。
背景技术：
在很多自动控制场合，需要检测被控对象对中心点的微小位移，进而对其进行相 应的控制。现有的检测线位移的传感器有很多，但在电磁轴承、机器人关节这样的狭小空间 中装配很麻烦。而且在这样的控制对象中，其位移往往很小，最多在0. 5mm，但要求分辨率要 很高，尤其在零点附近。另外，由于被控对象的敏感性，必须要采用非接触检测方式，因此， 现有的测量微小位移的电涡流式传感器在这样的场合下应用存在诸多问题。
发明内容
本发明解决了现有通常用于测量微小位移的电涡流式传感器无法克服对测试环
境要求高的缺点，而提出了适宜于微小位移检测的分装差动式位移传感器。 本发明的适宜于微小位移检测的分装差动式位移传感器由一对对称设置的测试
头组成；所述测试头中的第一测试头和第二测试头的中心线连线与导磁被测体的位移方向
一致；
第一测试头由第一铁心、第一激磁线圈、第二激磁线圈、第一信号线圈和第二信号线圈 组成；第二测试头由第二铁心、第三激磁线圈、第四激磁线圈、第三信号线圈和第四信号线 圈组成；
第一激磁线圈、第二激磁线圈、第三激磁线圈和第四激磁线圈结构相同，都由Nl匝线 圈组成；第一信号线圈、第二信号线圈、第三信号线圈和第四信号线圈结构相同，都由N2匝 数组成，其中Nl和N2均为自然数；
第一铁心为开有一对对称的柱形齿的"n"字形铁心，第一铁心与第二铁心的形状和结
构均相同，并且第一铁心与第二铁心的中心线与导磁被测体表面垂直；
第一激磁线圈和第一信号线圈依次从内向外缠绕在第一铁心的一个柱形齿上，第二激 磁线圈和第二信号线圈依次从内向外缠绕在第一铁心的另一个柱形齿上；第一激磁线圈 和第二激磁线圈的连接方式为反向串联，所述两个线圈构成第一测试头的激磁线圈；第一 信号线圈和第二信号线圈的连接方式为反向串联，所述两个线圈构成第一测试头的信号线 圈；
第三激磁线圈和第三信号线圈依次从内向外缠绕在第二铁心的一个柱形齿上，第四激磁线圈和第四信号线圈依次从内向外缠绕在第二铁心的另一个柱形齿上；第三激磁线圈 和第四激磁线圈的连接方式为反向串联，所述两个线圈构成第二测试头的激磁线圈，第三 信号线圈和第四信号线圈的连接方式为反向串联，所述两个线圈构成第二测试头的信号线 圈；
第一测试头的激磁线圈与第二测试头的激磁线圈的连接方式为正向串联构成激磁线 圈相，第一测试头的信号线圈和第二测试头的信号线圈的连接方式为反向串联构成信号线 圈相。 本发明的目的是提供一种无接触的分装式位移传感器，采用差动驱动方式，实现 在狭小空间的便利装配和被控对象对中心点位移的无接触检测，输出特性满足控制系统要 求。本发明实现了狭小空间内被控对象对中心点微小位移的有效测量，具有非接触，结构简 单、稳定性好、灵敏度高等一系列优点。传感器采用分装式差动变压器结构，能够显著减小 传感器的零点误差和提高传感器的分辨率。与通常用于测量微小位移的电涡流式传感器相 比，克服了对测试环境要求高的缺点，可以应用在非导磁金属隔离的场合。
图1是本发明的结构示意图；图2是图1的A部放大图；图3是本发明的侧视图4是图3的B部放大图；图5至图7是本发明的传感器在不同导磁被测体4中的结构示 意图，其中图5表示被测物体表面是弧形，并且本发明的传感器的测试头位于弧形内表面 时，测试头的结构示意图，图6表示被测物体表面是弧形，并且本发明的传感器的测试头位 于弧形外表面时，测试头的结构示意图，图7表示被测物体表面是平面，并且本发明的传感 器的测试头位于平面时，测试头的结构示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一、结合图l至图7说明本实施方式，本实施方式中的适宜于微小位 移检测的分装差动式位移传感器由一对对称设置的第一测试头1和第二测试头2组成；
所述测试头中的第一测试头1和第二测试头2的中心线连线与导磁被测体的位移方向 一致；
第一测试头1由第一铁心l-l、第一激磁线圈2-l-l、第二激磁线圈2-l-2、第一信号线 圈3-1-1和第二信号线圈3-1-2组成；第二测试头2由第二铁心l-2、第三激磁线圈2-2-1、 第四激磁线圈2-2-2、第三信号线圈3-2-1和第四信号线圈3-2-2组成；
第一激磁线圈2-l-l、第二激磁线圈2-l-2、第三激磁线圈2-2-1和第四激磁线圈2-2-2 结构相同，并且匝数均为N1 ;第一信号线圈3-l-l、第二信号线圈3-l-2、第三信号线圈 3-2-1和第四信号线圈3-2-2结构相同，并且匝数均为N2，其中Nl和N2均为自然数；
第一铁心i-i为开有一对对称的柱形齿的"n"字形铁心，即第一铁心1-1由方形底座
和两个柱形齿组成，两个柱形齿的端面同时一体固定在方形底座的一侧面上，并且沿底座
4的中心线对称设置；第一铁心1-1与第二铁心1-2的形状和结构均相同，并且第一铁心1-1 与第二铁心1-2的中心线与导磁被测体4表面垂直；
第一激磁线圈2-1-1和第一信号线圈3-1-1依次从内向外缠绕在第一铁心1-1的一个 柱形齿上，第二激磁线圈2-1-2和第二信号线圈3-1-2依次从内向外缠绕在第一铁心1-1 的另一个柱形齿上；第一激磁线圈2-1-1和第二激磁线圈2-1-2的连接方式为反向串联，所 述两个线圈构成第一测试头的激磁线圈a ;第一信号线圈3-1-1和第二信号线圈3-1-2的 连接方式为反向串联，所述两个线圈构成第一测试头的信号线圈A;
第三激磁线圈2-2-1和第三信号线圈3-2-1依次从内向外缠绕在第二铁心1-2的一个 柱形齿上，第四激磁线圈2-2-2和第四信号线圈3-2-2依次从内向外缠绕在第二铁心1-2 的另一个柱形齿上；第三激磁线圈2-2-1和第四激磁线圈2-2-2的连接方式为反向串联，所 述两个线圈构成第二测试头的激磁线圈b，第三信号线圈3-2-1和第四信号线圈3-2-2的连 接方式为反向串联，所述两个线圈构成第二测试头的信号线圈B ;
第一信号线圈3-1-1套于第一激磁线圈2-1-1之外，第二信号线圈3-1-2套于第二激 磁线圈2-1-2之外，第三信号线圈3-2-1套于第三激磁线圈2-2-1之外，并且第四信号线圈 3-2-2套于第四激磁线圈2-2-2之外；即上述信号线圈套在激磁线圈之外，可以减少一些信 号线圈和激磁线圈的干扰。另外，由于有两个测试头，每个测试头又有两个激磁线圈和信号 线圈，按照确定的规则放置也可以保证好的工艺性；
第一测试头的激磁线圈a与第二测试头的激磁线圈b的连接方式为正向串联构成激磁 线圈相，第一测试头的信号线圈A和第二测试头的信号线圈B的连接方式为反向串联构成 信号线圈相；信号线圈相形成信号线圈的差动输出电势，激磁线圈相通以频率为f的交流 电流，激磁的交流电流作为标准信号，与信号线圈相中信号线圈输出的差动输出电势共同 接入相敏解调电路，获得接近线性的位移一电势特性，实现狭小空间内被控对象对中心点 微小位移的有效测量。
工作原理具体说明如下
第一测试头1和第二测试头2与导磁被测体4构成测试系统；基本原理为变压器式电 磁感应，利用空间电磁场耦合在信号线圈中产生信号电压，通过电压大小与相位的变化准 确反映对中心点位移的变化。 第一测试头1和第二测试头2对称安装于固定的安装底面5上。在激磁线圈相中 通以频率为f的交流电流励磁，由于导磁被测体4是导磁的，则测试头的两个柱形齿就与被 测面形成磁路并产生主磁通。由于是高频交流励磁，在信号绕组中就会产生感应电势。经 推导可得到第一测试头的信号线圈A和第二测试头的信号线圈B的输出电压的分别为
a)
式中巧、"一第一测试头的信号线圈A和第二测试头的信号线圈B的输出电压；
A——与激磁线圈和信号线圈匝数K和N2有关的比例系数；
~在激磁线圈相施加的激磁电压； &、g2~第一测试头1与导磁被测体4及第二测试头2与导磁被测体4之间的气隙大J试系统的输出电压为
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当导磁被测体4处于中心位置时，左右两侧的气隙相等，即& = g2 = gD。此时第一测试
头和第二测试头的交变主磁通禹和惑相等，信号线圈A和信号线圈B的输出电压大小相等，
整个测试系统的输出电压为零。 当导磁被测体4沿着第一测试头1和第二测试头2的中心线连线方向的一侧发生 位移时，比如向第一测试头1的方向偏移了z，则此时两边的气隙大小变化为
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此时第一测试头的信号线圈A和第二测试头的信号线圈B的输出电压大小不再相等， 气隙小的电压高，气隙大的电压低，整个测试系统的输出电压&的大小及相位取决于导磁 被测体4的位移大小和方向。当zX)时，a,的相位与第一测试头的信号线圈A的电势同相， 当^〈0时，^的相位与第二测试头的信号线圈B同相
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把该信号进行相敏解调处理后，就可以得到一个大小与位移成正比，正负符号与位移 方向一致的直流信号电压，从而实现了所需要的转子位移测量。 本发明采用这种分装式结构有利于消除传感器的零点误差，即可以通过调节两个 传感器的初始气隙大小使合成输出电压大小为零，进而消除由于安装或信号线圈参数不对 称所带来的零点误差。
权利要求
适宜于微小位移检测的分装差动式位移传感器，它由一对对称设置的测试头组成；所述测试头中的第一测试头(1)和第二测试头(2)的中心线连线与导磁被测体的位移方向一致；第一测试头(1)由第一铁心(1-1)、第一激磁线圈(2-1-1)、第二激磁线圈(2-1-2)、第一信号线圈(3-1-1)和第二信号线圈(3-1-2)组成；第二测试头(2)由第二铁心(1-2)、第三激磁线圈(2-2-1)、第四激磁线圈(2-2-2)、第三信号线圈(3-2-1)和第四信号线圈(3-2-2)组成；第一激磁线圈(2-1-1)、第二激磁线圈(2-1-2)、第三激磁线圈(2-2-1)和第四激磁线圈(2-2-2)结构相同，都由N1匝线圈组成；第一信号线圈(3-1-1)、第二信号线圈(3-1-2)、第三信号线圈(3-2-1)和第四信号线圈(3-2-2)结构相同，都由N2匝数组成，其中N1和N2均为自然数；第一铁心(1-1)为开有一对对称的柱形齿的“∏” 字形铁心，第一铁心(1-1)与第二铁心(1-2)的形状和结构均相同，并且第一铁心(1-1)与第二铁心(1-2)的中心线均与导磁被测体(4)表面垂直；第一激磁线圈(2-1-1)和第一信号线圈(3-1-1)依次从内向外缠绕在第一铁心(1-1)的一个柱形齿上，第二激磁线圈(2-1-2)和第二信号线圈(3-1-2)依次从内向外缠绕在第一铁心(1-1)的另一个柱形齿上；第一激磁线圈(2-1-1)和第二激磁线圈(2-1-2)的连接方式为反向串联，所述两个线圈构成第一测试头的激磁线圈(a)；第一信号线圈(3-1-1)和第二信号线圈(3-1-2)的连接方式为反向串联，所述两个线圈构成第一测试头的信号线圈(A)；第三激磁线圈(2-2-1)和第三信号线圈(3-2-1)依次从内向外缠绕在第二铁心(1-2)的一个柱形齿上，第四激磁线圈(2-2-2)和第四信号线圈(3-2-2)依次从内向外缠绕在第二铁心(1-2)的另一个柱形齿上；第三激磁线圈(2-2-1)和第四激磁线圈(2-2-2)的连接方式为反向串联，所述两个线圈构成第二测试头的激磁线圈(b)，第三信号线圈(3-2-1)和第四信号线圈(3-2-2)的连接方式为反向串联，所述两个线圈构成第二测试头的信号线圈(B)；第一测试头的激磁线圈(a)与第二测试头的激磁线圈(b)的连接方式为正向串联构成激磁线圈相，第一测试头的信号线圈(A)和第二测试头的信号线圈(B)的连接方式为反向串联构成信号线圈相。
2. 根据权利要求1所述的适宜于微小位移检测的分装差动式位移传感器，其特征在于 信号线圈相的两端输出差动电势。
3. 根据权利要求1所述的适宜于微小位移检测的分装差动式位移传感器，其特征在于 激磁线圈相通以频率为f的交流电流。
4. 根据权利要求1所述的适宜于微小位移检测的分装差动式位移传感器，其特征在于 第一信号线圈(3-1-1)套于第一激磁线圈(2-1-1)之外，第二信号线圈(3-1-2)套于第二 激磁线圈(2-1-2)之外，第三信号线圈(3-2-1)套于第三激磁线圈(2-2-1)套于之外，并且 第四信号线圈(3-2-2)套于第四激磁线圈(2-2-2)之外。
全文摘要
适宜于微小位移检测的分装差动式位移传感器。它涉及传感器领域，它解决了现有传感器无法克服对测试环境要求高的缺点。它的测试头中的两个测试头的中心线连线与导磁被测体的位移方向一致；测试头均由铁心、结构相同激磁线圈和结构相同信号线圈组成；铁心均为开有一对对称的柱形齿的“∏”字形铁心，并铁心中心线与导磁被测体表面垂直；激磁线圈和信号线圈依次从内向外缠绕在铁心的一个柱形齿上；每个测试头上的两个激磁线圈反向串联构成该测试头的激磁线圈，并将所有的激磁线圈正向串联构成激磁线圈相；每个测试头上的两个信号线圈反向串联构成该测试头的信号线圈，并将所有的信号线圈反向串联构成信号线圈相。应用在非导磁金属隔离的场合。
文档编号G01B7/02GK101776433SQ201010129520
公开日2010年7月14日 申请日期2010年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者李勇, 李巍, 邢敬娓, 邹继斌, 陆永平 申请人:哈尔滨工业大学