一种位移传感器、检测装置及具有其的电子设备的制作方法

本实用新型涉及传感设备技术领域，尤其涉及一种位移传感器、检测装置及具有其的电子设备。

背景技术：

目前市面上检测微小位移的方案主要是通过电阻式传感器进行检测，电阻式传感器是基于压敏电阻来检测形变的大小，具体如图1所示，其为现有电阻式传感器的位移检测示意图。其中，101与102分别为压力支架、104为压敏电阻、103为电阻器、105为放大器、106为直流电源。当外部受到压力时，压力支架102与101的距离会发生微小的形变，形变引发压敏电阻104阻值的变化，并经过放大器105输出相应的电压值，通过校准电压值与形变大小的曲线就可得知形变位移大小。

但这种通过电阻式传感器进行位移检测的方式灵敏度低，且位移范围较窄(一般只有几十微米)，因此，适用范围较小。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种位移传感器、检测装置及具有其的电子设备，旨在解决现有电阻式传感器的位移检测方式灵敏度低、位移范围窄、适用范围较小的技术问题。

为了解决以上提出的问题，本实用新型实施例采用的技术方案包括：

一种位移传感器，包括：第一支架、磁体、电感器和用于检测电感器的电感值变化量并根据所述电感变化量计算所述磁体的位移的检测电路；所述磁体的一侧与第一支架接触，所述电感器位于磁体的另一侧，所述磁体与电感器相互间隔，所述检测电路与电感器电连接；当所述第一支架受到外部压力时，所述第一支架带动所述磁体移动，使所述磁体与电感器之间的距离发生变化并导致所述电感器的电感值发生改变。

本实用新型实施例采取的技术方案还包括：所述检测电路包括：

与所述电感器形成谐振的LC振荡器；及

用于调控LC谐振网络的谐振电流的反馈单元；及

用于根据所述LC振荡器的谐振信号的频率处理得到所述位移的处理单元。

本实用新型实施例采取的技术方案还包括：所述LC振荡器包括谐振电容、第一电阻器、第二电阻器、第一场效应管、第二场效应管和恒流源，所述第一场效应管的漏极分别与第二场效应管的栅极、第一电阻器的一端和电感器的一端连接，所述第一场效应管的栅极分别与第二场效应管的漏极、第二电阻器的一端和电感器的另一端连接，所述第一场效应管的源极分别与第二场效应管的源极和恒流源的一端连接；所述第二场效应管的漏极分别与第一场效应管的栅极、第二电阻器和电感器连接；所述第一电阻器的另一端同时连接第二电阻器的另一端和电源；所述谐振电容与电感器并联形成LC谐振网络，所述恒流源的另一端接地。

本实用新型实施例采取的技术方案还包括：所述反馈单元包括信号缓冲器和滤波器，所述信号缓冲器的输入端连接所述电感器的另一端，所述信号缓冲器的输出端连接所述滤波器，所述滤波器的输出端与恒流源连接。

本实用新型实施例采取的技术方案还包括：所述检测电路还包括信号整形器，所述谐振电容的一端连接到信号整形器的输入端，所述信号整形器的输入端还分别与电感器的一端、第一电阻器的一端、第一场效应管的漏极和第二场效应管的栅极相连；所述信号整形器的输出端与处理单元相连。

本实用新型实施例采取的技术方案还包括：所述磁体与电感器之间的间隔距离为2mm以内。

本实用新型实施例采取的技术方案还包括第二支架，所述第一支架、磁体、电感器和检测电路分别安装于第二支架上。

本实用新型实施例采取的另一技术方案为：一种检测装置，包括如上所述的位移传感器及根据所述位移传感器获取的位移计算处理得到待测量的计算单元。

本实用新型实施例采取的技术方案还包括：所述检测装置为具有压力检测功能的装置，所述计算单元根据所述位移计算得到待测压力；或者所述检测装置为具有角度检测功能的装置，所述计算单元根据所述位移计算得到待测角度。

本实用新型实施例采取的又一技术方案为：一种电子设备，包括如上所述的检测装置。

本实用新型实施例采取的技术方案还包括：所述电子设备为主动笔。

与现有技术相比，本实用新型实施例的有益效果在于：本实用新型实施例的位移传感器、检测装置及具有其的电子设备通过将磁体与电感器近距离设置，由于磁体的磁场会使电感器的内部磁通量发生剧烈变化，当磁体受到外界压力并与电感器之间的距离发生变化时，导致电感器电感值发生变化，并通过检测电路实时检测电感器的电感值变化量，从而计算位移或压力大小。相对于现有技术，本实用新型结构原理新颖，灵敏度与检测精度高，检测范围宽，适用范围广且成本较低。

附图说明

图1为现有电阻式传感器的位移检测示意图；

图2为本实用新型第一实施例的位移传感器的结构示意图；

图3为本实用新型第一实施例的检测电路的电路图；

图4为本实用新型第二实施例的利用第一实施例的位移传感器原理设计的检测装置的结构示意图；

图5为压力传感器内位移距离与电感量的关系曲线示意图；

图6为本实用新型第三实施例的利用第一实施例的位移传感器原理设计的检测装置的结构示意图；

图7是本实用新型第四实施例的利用第二实施例的检测装置原理设计的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

请参阅图2，是本实用新型第一实施例的位移传感器的结构示意图。本实用新型第一实施例的位移传感器包括第一支架201、磁体202、电感器203、检测电路204和第二支架205。其中，第一支架201、磁体202和电感器203分别安装于第二支架205上，第一支架201位于第二支架205的一端，磁体202的一侧与第一支架201的内侧紧密接触，且磁体202的另一侧与电感器203之间具有一定的间隔距离；检测电路204安装于第二支架205上，电感器203的两端分别与检测电路204连接。其中，第一支架201为活动支架，第二支架205为固定支架。当第一支架201的外侧受到外部压力时，会推动与之接触的磁体202沿第二支架205进行水平移动，由于电感器203的电感值与其内部磁通量有密切关系，磁体202的磁场会使电感器203的内部磁通量发生剧烈变化，从而导致电感器203的电感值发生改变，通过检测电路204实时检测电感器203的电感值变化量即可得到磁体202的位移大小。

在本实用新型实施例中，由于磁体202与电感器203的安装距离非常近，且磁体202的磁感应强度是电感器203内部铁氧体磁感应强度的数倍，当第一支架201推动磁体水平移动时，电感器203内部的铁氧体处于临界磁饱和状态，对外部磁感应强度反应极其剧烈，即使磁体202与电感器203之间有非常微小的位移都能够使电感器203的电感值发生明显的变化，因此即使外部有微小的位移都能够检测出来。相对于现有的电阻式位移传感器，本实用新型实施例的位移传感器具有更高的灵敏度与检测精度，适用范围广且成本较低。

请一并参阅图3，是本实用新型第一实施例的检测电路的电路图。检测电路204利用LC谐振原理来检测电感器203的电感值。具体地，检测电路204包括谐振电容2042、第一电阻器2043a、第二电阻器2043b、第一NMOS场效应管2044a、第二NMOS场效应管2044b、信号缓冲器2045、低通滤波器2046、压控恒流源2047、信号整形器2048和处理单元(MCU)2049。其中，第一NMOS场效应管2044a的漏极分别与第二NMOS场效应管2044b的栅极、第一电阻器2043a、电感器203和信号整形器2048输入端连接，第一NMOS场效应管2044a的栅极分别与第二NMOS场效应管2044b的漏极、第二电阻器2043b和电感器203连接，第一NMOS场效应管2044a的源极分别与第二NMOS场效应管2044b的源极和压控恒流源2047连接；第二NMOS场效应管2044b的漏极分别与第一NMOS场效应管2044a的栅极、第二电阻器2043b和电感器203连接，第二NMOS场效应管2044a的栅极分别与第一NMOS场效应管2044b的漏极、第一电阻器2043a、电感器203和信号整形器2048输入端连接，第二NMOS场效应管2044b的源极分别与第一NMOS场效应管2044b的源极和压控恒流源2047连接。第一电阻器2043a的另一端连接第二电阻器2043b和VCC(电源)，第二电阻器2043b的另一端连接第一电阻器2043a和VCC(电源)，为第一NMOS场效应管2044a和第二NMOS场效应管2044b提供偏置电流；电感器203与谐振电容2042并联连接后分别连接到第一NMOS场效应管2044a和第二NMOS场效应管2044b的漏极。信号缓冲器2045的输入端连接电感器203的另一端，输出端连接到低通滤波器2046，低通滤波器2046的输出端与压控恒流源2047连接，经低通滤波器2046输出的信号进入压控恒流源2047，压控恒流源2047的另一端接地。谐振电容2042的一端连接到信号整形器2048的输入端，信号整形器2048的输入端还分别与电感器203、第一电阻器2043a、第一NMOS场效应管2044a的漏极和第二NMOS场效应管2044a的栅极相连，信号整形器2048的输出端与处理单元2049相连。

电感器203与谐振电容2042组成并联型LC谐振网络(电感电容谐振网络)；LC谐振网络与第一电阻器2043a、第二电阻器2043b、第一NMOS场效应管2044a、第二NMOS场效应管2044b和压控恒流源2047组成差分型LC振荡器；差分型LC振荡器具有输出波形对称度好的特点，使谐振电流在同一周期内对电感器203的充放电时间趋于一致，不会产生剩磁，从而达到位移检测精度高的目的。此外差分型LC振荡器还有振荡波形抖动小的特点，有助于进一步提高位移检测精度。

信号缓冲器2045与低通滤波器2046组成AGC(自动增益控制)反馈单元，用于调控LC谐振网络的谐振电流，过大的谐振电流会增加电感器203的磁损导致电感器203发热，影响检测精度。当谐振电压过大时，电压信号经过信号缓冲器2045与低通滤波器2046之后输出一直流电压控制压控恒流源2047，使差分型LC振荡器的静态工作电流减小，从而减少谐振时流过电感器203的电流。

信号整形器2048和处理单元2049组成频率检测电路，谐振电压经过信号整形器2048进行整形之后输出方波信号，并将方波信号送入处理单元2049进行频率检测，从而得知当前的电感值，通过校准后即可得到当前的位移大小。

在本实用新型第一实施例中，磁体202与电感器203之间的间隔距离为2mm之内，具体可根据检测需求进行设定。

请参阅图4，是本实用新型第二实施例的利用第一实施例的位移传感器原理设计的检测装置的结构示意图。本实用新型第二实施例的检测装置包括第一实施例中的位移传感器以及计算单元(图未示，本实用新型实施例中，计算单元集成于检测电路的MCU中)。该检测装置为压力传感器。压力传感器包括第一支架301、第二支架302、检测电路303、钕铁硼磁304和叠层电感器305；第二支架302为一侧开口的框型结构(在本实用新型实施例中，第二支架302为上方开口)，第一支架301安装于第二支架302的开口处，钕铁硼磁304安装于第一支架301的下表面；第二支架302内部还包括一内部支架306，叠层电感器305安装于该内部支架306上，并位于钕铁硼磁304的下方，钕铁硼磁304与叠层电感器305之间具有一定的间隔距离；检测电路303安装于第二支架302内，叠层电感器305的两端分别与检测电路303连接。

在本实用新型第二实施例中，第一支架301为形变材料支架，第二支架302为固定支架。

本实用新型第二实施例的检测装置的工作原理为：因为钕铁硼磁304安装在距离叠层电感器305非常近的位置，此时的叠层电感器305处于磁通量临界饱和状态，叠层电感器305的电感值对外界磁通量的变化是非常敏感的。当外部压力按压第一支架301时，第一支架301会发生形变，而安装在第一支架301上的钕铁硼磁304会向下移动，钕铁硼磁304与叠层电感器305之间的距离会发生变化，导致叠层电感器305的电感值发生相应的变化，通过检测电路303实时检测叠层电感器305电感值的变化量，集成于检测电路303内的计算单元通过校准第一支架301的压力曲线即可检测出相应的压力大小。请一并参阅图5，是压力传感器内位移距离与电感量的关系曲线示意图。在2mm的位移范围内电感量的变化率达到1000％，这种行为特性为传感器的高灵敏度提供了重要依据。

请参阅图6，是为本实用新型第三实施例的利用第一实施例的位移传感器原理设计的检测装置的结构示意图。本实用新型第三实施例的检测装置包括第一实施例的位移传感器及计算单元(图未示，本实用新型实施例中，计算单元集成于检测电路的MCU中)。该检测装置为角度传感器。角度传感器包括角度螺旋卡尺501、第二支架502、内部支架503钕铁硼磁504、叠层电感器505和检测电路506。其中，第二支架502为上方开口的圆柱结构，角度螺旋卡尺501安装在第二支架502上方的开口处，钕铁硼磁504安装于角度螺旋卡尺501的下表面；内部支架503水平安装于第二支架502的内部中间，叠层电感器505安装于内部支架503上，并位于钕铁硼磁504的下方，可通过调整内部支架503的安装位置调节钕铁硼磁504与叠层电感器505之间的间隔距离，在本实用新型实施例中，钕铁硼磁504与叠层电感器505之间的间隔距离为2mm之内；检测电路506安装在第二支架502内，并位于叠层电感器505的下方，叠层电感器505的两端分别与检测电路506连接。

本实用新型第三实施例的检测装置的工作原理为：钕铁硼磁504安装在叠层电感器505的上方2mm之内，角度螺旋卡尺501转动时，安装于角度螺旋卡尺501下方的钕铁硼磁504就会向下移动(角度螺旋卡尺501转动180°，钕铁硼磁504会向下移动1mm)，钕铁硼磁504与叠层电感器505之间的距离会发生变化，导致叠层电感器505的电感值发生相应的变化，通过检测电路506测定当前叠层电感器505的电感值，集成于检测电路506内的计算单元通过校准距离与电感曲线就能得到角度螺旋卡尺501的转动角度。

请参阅图7，是本实用新型第四实施例的利用第二实施例的检测装置原理设计的电子设备的结构示意图。本实用新型第四实施例的电子设备为主动笔。所述主动笔包括外壳610以及分别设于外壳610内部的笔头601、第一支架602、磁体603、电感器604、第二支架605、导电连接器606、主控板607、电池608、第一弹性件609和第二弹性件611。其中，外壳610的前端为锥形结构，后端为圆柱结构，笔头601位于外壳610的锥形结构内，且笔头601的前端突出于外壳610之外。第一支架602安装于外壳610内锥形结构与圆柱结构的连接处，且第一支架602的中间为通孔结构，笔头601的后端通过该通孔结构延伸至第一支架602之外。位于锥形结构内的笔头601上还安装有第一弹性件609，第一弹性件609为锥形结构，第一弹性件609的大直径端与第一支架602紧密接触；通过第一支架602与第一弹性件609对笔头601进行限位固定。

磁体603、电感器604、第二支架605、导电连接器606、主控板607、电池608和第二弹性件611分别位于外壳610后端的圆柱结构内；其中，磁体603与电感器604通过一金属外壳(图未示)组装成一个整体，且磁体603与电感器604具有2mm以内的间隔距离。笔头601延伸至第一支架602之外的一端与磁体603紧密接触，第二支架605位于电感器604与主控板607之间，电感器604与第二支架605紧密接触，在笔头601受到压力时，磁体603与电感器604组成的整体能够发生微小的形变，此时，通过第二支架605对该整体进行固定。电感器604的一端通过导电连接器606与主控板607连接，主控板607内设有检测电路(图未示)；主控板607的另一端与电池608连接，通过电池608向主控板607供电；第二弹性件611固定在外壳610的后端，且一端与电池608连接，用于对电池608与主控板607进行固定。

在本实用新型第四实施例中，第一弹性件609和第二弹性件611分别为弹簧。

本实用新型第四实施例的主动笔的工作原理为：主动笔书写时，笔头601的前端受到压力后会向后移动，导致安装在笔头601上的第一弹性件609收缩，通过第一支架602及第一弹性件609对笔头601限位；此时，与笔头601后端接触的磁体603也会向后移动，导致磁体603与电感器604之间的距离发生变化，一旦磁体603与电感器604之间的距离发生变化，电感器604的电感值也会发生相应变化，通过主控板607内的检测电路实时检测电感器604的电感值变化量，从而计算出当前的压力大小。当主动笔停止书写时，笔头601前端的压力消失，通过第一支架602的阻力使第一弹性件609回弹，并使笔头610复位。

本实用新型实施例的位移传感器、检测装置及具有其的电子设备通过将磁体与电感器近距离设置，由于磁体的磁场会使电感器的内部磁通量发生剧烈变化，当磁体受到外界压力并与电感器之间的距离发生变化时，导致电感器电感值发生变化，并通过检测电路实时检测电感器的电感值变化量，从而计算位移或压力大小。相对于现有技术，本实用新型结构原理新颖，灵敏度与检测精度高，检测范围宽，适用范围广且成本较低。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。