专利名称：绕制用于弹簧线圈传感器的螺旋弹簧电感线圈的方法
技术领域：
本发明属检测技术，具体说它涉及绕制用于弹簧线圈传感器的螺旋弹簧电感线圈的方法。
本申请人在实用新型专利“一种弹簧传感器”(专利号ZL00251500.8)和发明专利申请“一种弹簧敏感元件的转换方法”(申请号00106632.3，已于2004年5月21发出《授予发明专利权通知书》)中发明的弹簧传感器及其制造方法，为利用螺旋弹簧所具有的机械零件和电子元件的双重属性，把它作为机械敏感元件和电感线圈使用提供了一种方法和实践。但上述专利文件，未对螺旋弹簧电感线圈作更深入的阐述。事实上由于有限长的螺旋弹簧电感线圈存在漏磁，螺旋弹簧电感线圈的长度和弹簧圈直径(横截面)比例大小对传感器的线性度和量程的影响是很大的，并不是任何一根螺旋弹簧电感线圈在构成传感器后都能达到传感器设定的线性度和量程指标。为了使实际应用中的螺旋弹簧电感线圈漏磁可以忽略，具有最佳的线性度，必须按照不同的传感器不同的指标要求来绕制用于弹簧线圈传感器的螺旋弹簧电感线圈，使螺旋弹簧电感线圈能够满足传感器各种不同线性度和量程的要求。
由于弹簧线圈传感器应用的范围非常广泛，几乎对所有的机械量及其由机械量派生出来的物理量都能进行测量，因而弹簧电感线圈的几何尺寸大小差别非常大，例如对于测力、测重量的传感器，弹簧电感线圈几何尺寸大到可以承受数吨重的载荷，而对于测量位移用的仪器仪表中使用的传感器，它可以小到长度仅几个毫米，弹簧圈直径(横截面)就更小了。弹簧电感线圈因测量对象的不同而造成的尺寸大小差异，也需要有一个尺寸比例来进行规范。
螺旋弹簧的绕制方法，这一现有技术在《弹簧手册》(张英会、刘辉航、王德成主编，机械工业出版社出版，2003年7月第1版第5次印刷)中作了系统的阐述和规范。把螺旋弹簧作为可变电感线圈接入传感器电路，既作为机械量的敏感元件又作为机电转换的转换元件使用是螺旋弹簧的一个新的应用领域。因此，螺旋弹簧电感线圈既要遵循《弹簧手册》关于螺旋弹簧的机械设计原则，又要按照电感线圈的电气特性和传感器对其的要求来设计绕制。
本发明的目的就是提供一种绕制用于弹簧线圈传感器的螺旋弹簧电感线圈的方法，该方法在螺旋弹簧绕制的基础上构成螺旋弹簧电感线圈接入验证电路通电进行验证测试，反复调整螺旋弹簧电感线圈长度和弹簧圈直径(横截面)的比例，直到螺旋弹簧电感线圈同时满足传感器对其机械指标和电气指标的设定要求为止。
本发明用于弹簧线圈传感器的螺旋弹簧电感线圈的绕制方法是通过以下步骤实现的，先根据传感器对螺旋弹簧电感线圈机械指标的设定要求，按照现有技术绕制螺旋弹簧的方法步骤，用金属弹簧材料绕制成自由高度或自由长度为H0，有效圈数为N圈的螺旋弹簧，在弹簧圈圈成的形状相同的每个平面上，连接与绕制弹簧圈的金属弹簧材料轴线重合的弹簧圈中(圈)周边上两点的最长线段依次为D1，D2，……Dn，平均值为D0＝(D1+D2+……Dn)/n，其特点在于以下步骤把螺旋弹簧有效螺圈部分作为螺旋弹簧电感线圈的长度l0，各圈之间有间隙，在螺旋弹簧内放入介质电感线圈心子构成螺旋弹簧电感线圈；验证螺旋弹簧电感线圈是否达到传感器对其电气指标的设定要求，它包括以下步骤把l0两端接入验证电路，通电进行验证测试，如达到传感器对其电气指标的设定要求，则其几何参数尺寸即为所绕制的螺旋弹簧电感线圈的几何参数尺寸，如未达到，反复调整l0和D0的比例并相应修改螺旋弹簧有关的几何参数尺寸，直到螺旋弹簧电感线圈同时满足传感器对其机械指标和电气指标的设定要求为止，此时的几何参数尺寸确定为所绕制的螺旋弹簧电感线圈的几何参数尺寸。
为实现上述目的，其特点在于以下步骤用直径为d的园形截面的金属弹簧材料绕制成所述D0为中径的园柱螺旋拉伸弹簧，在螺旋弹簧内放入空气介质电感线圈心子成为园柱螺旋拉伸弹簧电感线圈，调整l0和D0的比例为l0/D0＞4，所述的机械指标设定的要求为载荷F、变形量f、特性线、刚度F′及安装空间尺寸，所述的电气指标的设定的要求为线性度和量程。
作为本发明的另一种实施方式，其特点在于以下步骤用直径为d的园形截面的金属弹簧材料绕制成所述D0为中径的园柱螺旋压缩弹簧，在螺旋弹簧内放入空气介质电感线圈心子成为园柱螺旋压缩弹簧电感线圈，调整l0和D0的比例为(l0-fn)/D0＞4，式中fn为电感线圈在被测物理量作用下的最大工作变形，所述的机械指标设定的要求为载荷F、变形量f、特性线、刚度F′及安装空间尺寸，所述的电气指标的设定的要求为线性度和量程。
作为本发明的又一种实施方式，其特点在于以下步骤用直径为d的园形截面的金属弹簧材料绕制成所述D0=(D-2r)2+(D′-2r)2+2r]]>的矩形弹簧圈螺旋拉伸弹簧，式中D为矩形长边中边长，D′为短边中边长，r为弹簧圈过渡园角中半径，在螺旋弹簧内放入空气介质电感线圈心子成为矩形弹簧圈螺旋拉伸弹簧电感线圈，所述的机械指标设定的要求为载荷F、变形量f、特性线、刚度F′及安装空间尺寸，所述的电气指标的设定的要求为线性度和量程。
作为本发明的再一种实施方式，其特点在于以下步骤用直径为d的园形截面的金属弹簧材料绕制成所述D0=(D-2r)2+(D′-2r)2+2r]]>的矩形弹簧圈螺旋压缩弹簧，式中D为矩形长边中边长，D′为短边中边长，r为弹簧圈过渡园角中半径，在螺旋弹簧内放入空气介质电感线圈心子成为矩形弹簧圈螺旋压缩弹簧电感线圈，所述的机械指标设定的要求为载荷F、变形量f、特性线、刚度F′及安装空间尺寸，所述的电气指标的设定的要求为线性度和量程。
作为本发明的第五种实施方式，其特点在于以下步骤用直径为d的园形截面的金属弹簧材料绕制成所述D0为长轴中径的椭园弹簧圈螺旋拉伸弹簧，在螺旋弹簧内放入空气介质电感线圈心子成为椭园弹簧圈螺旋拉伸弹簧电感线圈，所述的机械指标设定的要求为载荷F、变形量f、特性线、刚度F′及安装空间尺寸，所述的电气指标的设定的要求为线性度和量程。
作为本发明的第六种实施方式，其特点在于以下步骤用直径为d的园形截面的金属弹簧材料绕制成所述D0为长轴中径的椭园弹簧圈螺旋压缩弹簧，在螺旋弹簧内放入空气介质电感线圈心子成为椭园弹簧圈螺旋压缩弹簧电感线圈，所述的机械指标设定的要求为载荷F、变形量f、特性线、刚度F′及安装空间尺寸，所述的电气指标的设定的要求为线性度和量程。
用该方法绕制的螺旋弹簧电感线圈具有了机械弹簧和电感线圈的双重属性和功能，变成了具有弹性的电感线圈和具有电感的机械弹簧，利用其在被测机械量作用下的伸长和缩短的方式来对螺旋弹簧电感线圈的电感量进行无触点、无级的连续量的调节，相应的又利用线圈电感量的变化来反映弹簧受到被测机械量作用的程度，使螺旋弹簧电感线圈起到机电转换的作用。螺旋弹簧电感线圈的l0和D0的比例的选择，使螺旋弹簧电感线圈能够适应各种传感器对其机械指标和电气指标的要求。该方法绕制螺旋弹簧电感线圈，改变了螺旋弹簧原来仅作为机械零件使用的局限，拓宽了螺旋弹簧的应用领域，使螺旋弹簧应用极为普遍的机械零件质变成为一种新型实用的机电转换传感器件。
本发明有如下附图
图1为本发明实施例园柱螺旋拉伸弹簧电感线圈图。
图2为本发明另一种实施方式园柱螺旋压缩弹簧电感线圈图。
图3为本发明又一种实施方式矩形弹簧圈螺旋拉伸弹簧电感线圈图。
图4为本发明再一种实施方式矩形弹簧圈螺旋压缩弹簧电感线圈图。
图5为本发明第五种实施方式椭园弹簧圈螺旋拉伸弹簧电感线圈图。
图6为本发明第六种实施方式椭园弹簧圈螺旋压缩弹簧电感线圈图。
图7为L0曲线随l0/D0的变化关系图。
图8为弹簧数显秤实验数据线性度随l0/D0的变化关系图。
图9为园柱螺旋拉伸弹簧电感线圈构成的传感器电原理图。
下面结合附1、图7、图8、图9和实施例1对本发明作详细说明。
自由高度或自由长度为H0的螺旋弹簧，在去掉了两端端部结构的高度或长度后，将其在被测物理量作用下产生变形的有效圈数N圈部分作为螺旋弹簧电感线圈的长度l0，在弹簧圈围成的每个面积和形状相同的平面上，连接与绕制弹簧圈的金属弹簧材料轴线重合的弹簧圈中(圈)周边上两点的最长线段为D0，l0两端接入电路后，就可象分析单层N匝电感线圈那样进行分析。根据电磁感应定律，当与线圈相链的(或交连的)磁通发生变化时，线圈中即产生感应电动势，(由于磁链的变化而引起的感应电势在于反抗磁链的变化，如果选取感应电势eL的方向与磁链ψ的正方向符合右螺旋关系，即感应电势eL的正方向与电流I的正方向一致，)则eL=-dψdt,]]>这里ψ＝NΦ称为磁链或磁通交连，它等于磁通Φ和与其相链的匝数N乘积。如磁通系由流经线圈的电流产生且不经过铁磁质，则电流I和磁链间有正比例的关系，即ψ＝LI，其中比例系数L称为线圈的电感量，它可由下列关系来确定L=ψI=-NΦI.---(1-1)]]>设弹簧圈的面积为S，由线圈中电流所生的磁通均匀地分布于弹簧圈围成的平面上，且所有磁通都与线圈各圈相链(这点对长度为l0比之D0大得多的线圈则是近似正确的)，此时(1-1)式可写成L=NSBI,]]>由于B＝μH，上式可写成L=NSμHI,]]>且H=NIl0,]]>(1-1)式最后可写成L=N2Sμl0,---(1-2a)]]>式中B是磁感应强度，H是磁场强度，μ是介质的导磁系数，l0是线圈长度，S为弹簧圈围成的面积。
式(1-2a)表明在园柱螺旋弹簧电感线圈满足了以上假设的情况下，其电感量L与其长度l0成近似反比关系，可以通过改变螺旋弹簧电感线圈的长度l0的办法来改变电感量，实现电感量的无触点、无级连续量的调节。
通过调整l0/D0的比值，可以调节这种近似反比关系的近似程度，比值越大，近似度越高。
中径为D0的园柱螺旋拉伸弹簧电感线圈，如图1所示，S＝πD02/4，(为计算方便，此处忽略了金属弹簧材料的直径)。
上式可写成L=πN2D02μ4l0---(1-2b)]]>对于空气介质，μ0＝4π×10-7亨/米，如以μ0之值代入上式，可得空气心线圈的电感量为 此式的单位均采用MkS制，即线圈中径及长度均以米计，但在实用中则以厘米计较为方便，因此上式又可写成 其中长度均以厘米计。
在推演上式时，曾经作了所有磁通都与线圈各匝相链的假定，这一假定只有在线圈长度l0比起中径D0大得很多的情况下才近似地成立。但在实用中，常常采用短线圈，这时线圈长度和中径的尺寸可以相比拟，线圈的漏磁也就不容忽略，所以实际电感将比按(1-3)计算的要小。线圈长度愈短，漏磁愈大，上述实际电感与计算值的差别也愈大。如在(1-3b)式中引入一校正因数k＝L0l0/π2D0以考虑漏磁的影响，则该式仍可用以计算线圈的电感量，这时(1-3b)式变成 式中长度以厘米计，L0＝kπ2D0/l0为考虑到漏磁影响而与线圈尺寸有关的一个因数，它随线圈尺寸l0/D0变化的关系曲线L0如图7所示。从图中可以看出当l0/D0＞4以后，L0变化量很小，k对L的修正量很小，在工程上线圈的漏磁可以忽略，因此当l0/D0＞4以后，(1-3)近似成立，L和l0近似成反比关系，构成的传感器具有最佳的线性度，当然l0/D0＜4的情况，(1-3)只是近似的程度差些，在一些精度要求不高的场合同样适用。L0是经过大量的实验数据得出的曲线，可在有关的手册中查到，图7L0曲线摘自《无线电技术基础》(管致中、何振亚、贡璧编，人民教育出版社出版，1963年8月出版，p32)。
本申请人在弹簧线圈传感器的应用产品弹簧数显秤研制中，曾用不同中径D0的园柱螺旋弹簧线圈作过大量实验当弹簧电感线圈的长度l0与中径D0之比l0/D0＝5时，线性度进入最佳状态，弹簧数显秤的精度基本达到国家规定的数字指示秤(4级秤)准确度不应低于满量程的1/400＝0.25％的指标要求(参照《JJG539-97中华人民共和国国家计量检定规程数字指示秤》)。图8为弹簧数显秤的线性度随l0/D0变化的关系曲线图。
现结合图9简述园柱螺旋拉伸弹簧电感线圈Lx构成的传感器电气原理。由集成电路IC1、电阻R1、R2、电容C1组成的压控振荡器产生的周期方波信号经输出端4送入三极管G1的基极，经三极管G1驱动由电阻R3、园柱螺旋拉伸弹簧电感线圈Lx串联构成隋性电路，产生微分波形输出给三极管G2，经G2的发射极取出正半周波形经R5、C4后变成直流电压，经由集成电路IC2的10脚、9脚、8脚、电阻R7、R6、电容C3组成的放大器放大后从IC2 8脚输出至由集成电路IC3、电阻R8组成的电压比较器的输入端5脚；该电压与IC3 4脚的参考电压进行比较后从12脚输出交流电压经R9、C4积分后控制压控振荡器IC1的9脚，形成一个闭环的振荡系统。当Lx在被测物理量作用下伸长时，Lx电感量变小，微分波形脉冲变窄；输入电压放大器IC2 10脚的电压减小，电压比较器IC3 5脚的电压减小，输出端12电平为高电平，送入IC1 9脚的压控电压增大，IC1输出端4脚产生的周期方波信号频率升高。反之在被测物理量作用下Lx的长度缩短时周期方波信号频率降低，测量周期方波信号的频率，就能反映被测物理量的变化情况，从而对螺旋弹簧电感线圈进行验证。
对于园柱螺旋压缩弹簧电感线圈，其分析方法与园柱螺旋拉伸弹簧电感线圈一样，不同之处仅在于当调整l0和D0的比例时为(l0-fn)/D0＞4，如图2所示。
对于矩形弹簧圈螺旋拉伸(或压缩)弹簧电感线圈，弹簧圈围成的平面，面积和形状相同，与园一样具有对称性，线圈中电流分布也具有对称性，当l0比D0大得很多，可以认为由电流产生的所有磁通都与线圈各匝交连，且均匀分布在弹簧圈所围成的平面上，满足上述(1-3)式近似成立的条件。所以其分析方法同园柱螺旋弹簧电感线圈一样。不同之处在于等面积的矩形形状不具唯一性，因为D0=(D-2r)2+(D′-2r)2+2r,]]>式中D为矩形长边中边长，D′为短边中边长，r为弹簧圈过渡园角中半径，，同样的面积情况下，D、D′、r可以有多种不同的组合和多种不同的形状，因而不能确定一个l0/D0的最佳确定值或范围，必须根据实际线圈确定的矩形弹簧圈围成的面积和形状与传感器指标的要求具体问题具体分析用实验来确定l0/D0的合理比值，如图3、图4所示。
对于椭园弹簧圈螺旋拉伸(或压缩)弹簧电感线圈，弹簧圈围成的平面，面积和形状相同，与园一样具有对称性，分析方法同矩形螺旋弹簧电感线圈一样，满足上述(1-3)式近似成立的条件。同样与园柱螺旋弹簧电感线圈不同之处在于等面积的椭园形状不具唯一性，因为同面积的椭园，由于长轴和短轴的取值不同，可以有多种不同的形状，因而不能确定一个l0/D0的最佳确定值或范围，必须根据实际线圈确定的椭园圈的面积和形状与传感器指标的要求具体问题具体分析来确定，如图5、图6所示。
对于其它具有对称形状的弹簧圈的螺旋拉伸(或压缩)弹簧电感线圈，也在本发明的范围之内。
权利要求
1.绕制用于弹簧线圈传感器的螺旋弹簧电感线圈的方法，先根据传感器对螺旋弹簧电感线圈机械指标的设定要求，按照现有技术绕制螺旋弹簧的方法步骤，用金属弹簧材料绕制成自由高度或自由长度为H0，有效圈数为N圈的螺旋弹簧，在弹簧圈围成的形状相同的每个平面上，连接与绕制弹簧圈的金属弹簧材料轴线重合的弹簧圈中(圈)周边上两点的最长线段依次为D1，D2，……Dn，平均值为D0＝(D1+D2+……Dn)/n，其特征在于以下步骤把螺旋弹簧有效螺圈部分作为螺旋弹簧电感线圈的长度l0，各圈之间有间隙，在螺旋弹簧内放入介质电感线圈心子构成螺旋弹簧电感线圈；验证螺旋弹簧电感线圈是否达到传感器对其电气指标的设定要求，它包括以下步骤把l0两端接入验证电路，通电进行验证测试，如达到传感器对其电气指标的设定要求，则其几何参数尺寸即为所绕制的螺旋弹簧电感线圈的几何参数尺寸，如未达到，反复调整l0和D0的比例并相应修改螺旋弹簧有关的几何参数尺寸，直到螺旋弹簧电感线圈同时满足传感器对其机械指标和电气指标的设定要求为止，此时的几何参数尺寸确定为所绕制的螺旋弹簧电感线圈的几何参数尺寸。
2.按照权利要求1所述的绕制用于弹簧线圈传感器的螺旋弹簧电感线圈的方法，其特征在于以下步骤用直径为d的园形截面的金属弹簧材料绕制成所述D0为中径的园柱螺旋拉伸弹簧，在螺旋弹簧内放入空气介质电感线圈心子成为园柱螺旋拉伸弹簧电感线圈，调整l0和D0的比例为l0/D0＞4，所述的机械指标设定的更求为载荷F、变形量f、特性线、刚度F′及安装空间尺寸，所述的电气指标的设定的要求为线性度和量程。
3.按照权利要求1所述的绕制用于弹簧线圈传感器的螺旋弹簧电感线圈的方法，其特征在于以下步骤用直径为d的园形截面的金属弹簧材料绕制成所述D0为中径的园柱螺旋压缩弹簧，在螺旋弹簧内放入空气介质电感线圈心子成为园柱螺旋压缩弹簧电感线圈，调整l0和D0的比例为(l0-fn)/D0＞4，式中fn为电感线圈在被测物理量作用下的最大工作变形，所述的机械指标设定的要求为载荷F、变形量f、特性线、刚度F′及安装空间尺寸，所述的电气指标的设定的要求为线性度和量程。
4.按照权利要求1所述的绕制用于弹簧线圈传感器的螺旋弹簧电感线圈的方法，其特征在于以下步骤用直径为d的园形截面的金属弹簧材料绕制成所述D0=(D-2r)2+(D′-2r)2+2r]]>的矩形弹簧圈螺旋拉伸弹簧，式中D为矩形长边中边长，D′为短边中边长，r为弹簧圈过渡园角中半径，在螺旋弹簧内放入空气介质电感线圈心子成为矩形弹簧圈螺旋拉伸弹簧电感线圈，所述的机械指标设定的要求为载荷F、变形量f、特性线、刚度F′及安装空间尺寸，所述的电气指标的设定的要求为线性度和量程。
5.按照权利要求1所述的绕制用于弹簧线圈传感器的螺旋弹簧电感线圈的方法，其特征在于以下步骤用直径为d的园形截面的金属弹簧材料绕制成所述D0=(D-2r)2+(D′-2r)2+2r]]>的矩形弹簧圈螺旋压缩弹簧，式中D为矩形长边中边长，D′为短边中边长，r为弹簧圈过渡园角中半径，在螺旋弹簧内放入空气介质电感线圈心子成为矩形弹簧圈螺旋压缩弹簧电感线圈，所述的机械指标设定的要求为载荷F、变形量f、特性线、刚度F′及安装空间尺寸，所述的电气指标的设定的要求为线性度和量程。
6.按照权利要求1所述的绕制用于弹簧线圈传感器的螺旋弹簧电感线圈的方法，其特征在于以下步骤用直径为d的园形截面的金属弹簧材料绕制成所述D0为长轴中径的椭园弹簧圈螺旋拉伸弹簧，在螺旋弹簧内放入空气介质电感线圈心子成为椭园弹簧圈螺旋拉伸弹簧电感线圈，所述的机械指标设定的要求为载荷F、变形量f、特性线、刚度F′及安装空间尺寸，所述的电气指标的设定的要求为线性度和量程。
7.按照权利要求1所述的绕制用于弹簧线圈传感器的螺旋弹簧电感线圈的方法，其特征在于以下步骤用直径为d的园形截面的金属弹簧材料绕制成所述D0为长轴中径的椭园弹簧圈螺旋压缩弹簧，在螺旋弹簧内放入空气介质电感线圈心子成为椭园弹簧圈螺旋压缩弹簧电感线圈，所述的机械指标设定的要求为载荷F、变形量f、特性线、刚度F′及安装空间尺寸，所述的电气指标的设定的要求为线性度和量程。
全文摘要
本发明公开了一种绕制用于弹簧线圈传感器的螺旋弹簧电感线圈的方法，该方法在螺旋弹簧绕制的基础上构成螺旋弹簧电感线圈接入验证电路通电进行验证测试，反复调整螺旋弹簧电感线圈长度和弹簧圈直径(横截面)的比例，直到螺旋弹簧电感线圈同时满足传感器对其机械指标和电气指标的设定要求为止。
文档编号H01F41/02GK1588590SQ20041006011
公开日2005年3月2日 申请日期2004年6月26日 优先权日2004年6月26日
发明者陈万元 申请人:陈万元