专利名称：两线制电流型位移传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及对金属位移量的非接触检测传感器，尤其涉及一种用于张力非接触检测 的传感器。
背景技术：
目前，张力非接触检测具有无机械磨损、使用寿命长等优点。虽然导电塑料电位器精度 高，线性好，但是需要刚性连接，机械磨损直接影响使用寿命，品质好的导电塑料电位器价 格不菲。
为了解决这些问题，目前使用的非接触的金属位移传感器如JCW位移传感器系列的，使用 分立元件和LC振荡器组成涡流传感器，然后对电感量的电信号变化进行放大处理，再用运放 转换电流输出的方式。缺点就是线性度差，动态小，稳漂系数大， 一致性低，运放转换的电 流环负载能力也差。供电电源需要另外配置，稳压后供给电路，电路消耗电流大，大于4mA， 无法使用两线制电流环输出的形式，目前传动装置大量使用变频器，均有标准的电流环输入 接口，这样的传感器使用上非常不方便；另外在生产调试、校正中也很复杂，不利批量化， 低成本生产的模式。
为了克服这些问题，也有后级联接线性处理的放大器，使用要求是满足了，造价也自然 上去了。也有国外产品采用专用设计的集成电路开发的产品，其价位非常高，无法满足低价 位、高性能的张力非接触检测场合。
发明内容
本实用新型是针对现有技术存在的缺点，采用专用低价高性能的集成电路组成LC振荡 器，电流转换专用电流转换集成电路，标准化两线制的电流环输出，使检测动态可以根据需 要通过改变探头大小、扩展线性动态、校正线性等方式来实现。在体积上最小的电路体积允 许情况下实现最小化。并要线性度高， 一致性强、温漂�。垢扇拍芰Ω撸坏缏芳虻ィ� 调试与校正简单，适合批量化生产。
本实用新型是通过如下的技术方案来实现的-
本实用新型由TLP355集成电路与电感磁心构成涡流感应探头，交流整流电路，电压射级跟随器，分流器，XTR115电压/电流转换专用集成电路、抗干犹电路组成。所述的XTR115电压 /电流转换专用集成电路的精密稳压器电压供给TLP355集成电路，TLP355集成电路与电感磁心 构成涡流感应探头，在电感两端提取振荡信号进行倍压整流，运放射级跟随后分流给XTR115 电压/电流转换专用集成电路，转换成的电流4-20mA输出。
所述的磁心的外围，非感应面包裹金属薄层，并焊接一只电容与电源负极相连。 所述的XTR115电压/电流转换专用集成电路输入电源回路中串联磁珠、并联TVS管。 所述的涡流感应探头为TLP355集成电路，铁氧体磁芯与线圈与振荡电容组成，电感低功 耗，内部具有恒流源，该集成电路本是接近开关的专用电路，属幅值变化型非停振型专用电 路，其工作电压宽4.5-36V直流电，静态工作电流小于0.5raA。本实用新型只把该集成电路用 于LC振荡器，LC线圈激磁，根据电磁感应原理，当金属板靠近一个交变磁场的线圈绕组时， 金属板相当于一个短路的线圈绕组，产生感应环形电流，称为涡流。它的大小与金属板的电 阻率、磁导率、厚度、线圈激磁电流的角频率与金属板间的距离等参数有关。当短路的线圈 绕组会产生相当大的电流，其磁通与交变磁场的线圈绕组的磁通相减，交变磁场的线圈绕组 磁通下降促使自身电流增加。金属板越靠近交变磁场的线圈绕组，交变磁场的线圈绕组电流 越大，在金属板上产生的涡流也大。由于集肤效应，在金属表面薄层内产生涡流反作用于线 圈上，使线圈中产生感应电势，由此引起线圈等效阻抗的变化，从而也引起振荡电压幅值的变 化。基于此原理，其特征当金属体靠近TPL355集成电路与LC线圈磁心组成的探头时，其电 感磁心的直径大小尺寸在5-100mm范围内，线圈两端的电压激励幅值下降，其幅度是金属体与 探头的位移成基本线性的函数关系。
为了满足各种场合的张力测量，需要不同量程的位移量，改变LC的线圈与磁心的组成的 探头大�。鹗籼逵隠C中的线圈与磁心的组成的探头的距离改变线圈两端的电压幅值与距离 成比例变化。
根据TLP355集成电路本身的特性，调整反馈电阻可以修正振荡电压幅值，因此如果由于 LC的线圈与磁心的组成的探头中的电感与电容及其磁心磁通量有偏差时，其特征可以调整 该反馈电阻使线圈的电压幅值满足要求。
涡流感应探头上线圈两端的信号为正弦波信号，幅度是金属体与探头的位移两成基本线 性的函数关系，需要把此信号转换成直流模拟电压信号，由于信号幅度比较�。捎帽堆拐� 流提高幅度。整流后的直流模拟电压信号幅度；其特征高端与低端线性度的微小失真，根 据电感磁心的技术要求，可靠的检测距离在磁心直径的6(W以下，非接触测量需要在低端位置 留出一定的非接触的自由机械行程，因此取高端与低端中间段的线性为动态范围数据较理想。
TLP355集成电路的振荡电压幅值反馈电阻大小与线圈的电感量相关的，当用于接近开关使用在非线性区域调节，在此应雨配合涡流感应探头上线圈其低端的线性区域里调节，其特
征反馈电阻只需要ioy。的阻值满足Lc的线圈与磁心的组成的探头中的电感与电容及其磁心磁
通量有偏差的修正。
倍压整流后的直流模拟电压，再通过运放组成电流射级跟随器，为下级分压器与电压/电 流转换，提供阻抗匹配。其特征直流模拟电压输入运放，运放组成电压射级跟随器，输出 电压跟随输入电压，保持幅度不变，提高驱动能力，运放的供电电压。
分流器作用把射级跟随器的电压分流成后级电压/电流所需要的电流范围，分流器采用了 电位器进行分流。其特征分流器调节直流模拟电压最大的电流，使这个电流满足后级转换 电路的输入要求，同时也是调节位移动态范围的上限值。
XTR115集成电路属于二线制电流变送器，内部的2. 5V基准电压可作为传感器的激励源。 XTR115可将传感器产生的40 200uA弱电流信号放大100倍，获得4 20mA的标准输出。当环 路电流接近32mA时能自动限流。
1) 芯片中增加了+5V精密稳压器，其输出电压精度为±0.05%，电压温度系数仅为20X 10—6/'C，可给外部电路单独供电，从而简化了外部电源的设计。
2) 精度高，非线性误差小。转换精度可达±0.05%，非线性误差仅为±0.003%。
3) 环路电源电压的允许范围宽，Us=7.5 36V。 XTR115由环路电源供电。 本实用新型采用XTR115其技术特点，环路电源供电，提供+ 5V精密稳压的特点，并能将
前级的电流放大转换成4 20mA的标准输出；其特征两线制电流环回路，提供+5V精密稳压 给TPL355集成电路与电流射级跟随器的电源，同时把分流器的电流放大处理成标准的于二线 制4 20mA的标准电流输出。
TLP355集成电路与电压射级跟随器的静态功耗很�。绷髂Ｄ獾缪瓜咝韵孪抟驳停琗TR115 转换后最低电压不能保证达到4mA，就需要对整个回路使用电流提升的措施。对2.5V基准电压 或+ 5V对XTR115第三脚并联一只电阻，调整使输出等于4mA，此措施并不影响转换。
TLP355集成电路与电感磁心构成涡流感应探头属高频振荡，在现在空间电磁波污染严重 的情况下，需要采取一种的措施减少电磁波对高频振荡的干扰，具体方式磁心用黄铜皮整圈 包好后焊接一只电容与电源负极连接；提高来自动力线的电源干扰，现在使用大功率变频设 备普遍，动力线的干扰很严重，电源回路在输入端串联磁珠，电源两端并联TVS管，电流环线 使用编织屏蔽线。
对于线性动态的扩展，除改变探头的大小外，金属体对传感器的感应部作相切运动，根 据线性特点做异性扇形面检测和偏心轮的方式扩展动态。
本实用新型的有益效果是电路采用现成成熟低价集成电路，巧妙使用了其中的性能，使两线制电流型位移传感器的电路简洁，改变检测动态可以根据需要通过改变探头大小、扩 展线性动态、校正线性方式来实现；线性度高， 一致性好、温漂�。垢扇拍芰η浚坏缏芳� 单，生产调试与校正简单，改变探头的大�。湍苌煌砍痰奈灰拼衅鳎屎吓炕� 生产。
图1是本实用新型电磁感应原理示意图； 图2是本实用新型电磁感应等效电路示意图3是本实用新型电气原理示意图4是本实用新型线性图5是本实用新型电感磁心结构示意图6是本实用新型探头屏蔽示意图中标号说明
l一罐型磁心 2—线圈的骨架 3—绕制好的线圈骨架 4一罐型磁心
5—TLP355集成电路 6—XTR115集成电路7—电压射级跟随器 8—金属薄层
9一感应面 IO—塑料壳体 11—环氧树脂
具体实施方式
下面结合具体的实施例，进一歩说明本实用新型是如何实现的 实施例
根据电磁感应原理，当金属板靠近一个交变磁场的线圈绕组时，金属板相当于一个短路 的线圈绕组，产生感应环形电流，称为涡流。它的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度、 线圈激磁电流的角频率与金属板间的距离等参数有关。当短路的线圈绕组会产生相当大的电 流，其磁通与交变磁场的线圈绕组的磁通相减，交变磁场的线圈绕组磁通下降促使自身电流 增加。金属板越靠近交变磁场的线圈绕组，交变磁场的线圈绕组电流越大，在金属板上产生 的涡流也大。
如图1所示，交变磁场的线圈绕组是一个LC高频振荡激磁电流的线圈，当金属板LC高频振 荡激磁电流的线圈，金属板表面薄层内产生涡流，由于集肤效应，在金属表面薄层内产生涡 流12 ， 12又产生交变电磁场,反作用于线圈上，使线圈中产生感应电势，由此引起线圈等效 阻抗Z的变化，从而也引起振荡电压幅值的变化。线圈电压的幅值容易检测，根据电压幅值 的大小就可以测定某个参数。
涡流产生的磁场对线圈阻抗的影响可用等效电路来分析，如图2所示。设线圈电阻为Rl,
6电感为LI ， L2表示金属板对涡流呈现的电感效应，R2表示金属板上的涡流损耗电阻，互感 系数M表示L2与Ll之间的相互作用程度，M与距离X成反比，V为激励电压。则根据基 尔霍夫定律有
為1塞+』晚,為-j *tf2 = F
-j録^M 2 +為為+』#2 =0 由此可导出线圈受涡流影响后的等效阻抗为
J,^进 ^f為 ,
当"较高时，
则有
品质因数Q为
6 2 > >及2
5 及| +及2 ， f
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式中K为耦合系数；Qo=" Ll/ Rl为无涡流影响下高频振荡激磁电流的线圈的Q 值。由此可见,在R1、 R2、 Ll、 L2 —定的条件下,线圈的等效阻抗的模及品质因数仅 与耦合系数K有关，K值的大小取决于线圈与金属板之间的距离X，在II 一定条件下,激磁 电压的幅值就与距离X有确定的关系,这样就可以测量线圈电压来测定距离X。基于原理， 对高频振荡激磁电流的线圈的Il的稳定性非常重要，激磁电流必须是非�：煤懔髟矗饨绲� 压的波动对Il的影响要相当�。嗬隭才能仅可能稳定。如果批量化的生产，更需要良好的 一致性。
TPL355集成电路芯片内部具有振荡级、整流级、门限比较级、驱动级、滞后控制级、延 时接通及内部稳压级。本实用新型利用了其振荡级与内部稳压级，内部的静态消耗电流O. 5mA， 工作电压宽4. 5-36VDC，其工作电压由XTR115集成电路精密稳压器提供，稳定性非�：茫� TPL355集成电路5振荡频率约100MHz，工作频率不小于2KHz,
如图3所示，涡流感应探头为此IC1为TLP355集成电路5，铁氧体磁芯与线圈与振荡电容组
成，线圈L与高频振荡电容C1接在TPL355集成电的第1，第7脚，反馈电阻R1接在第2脚与负极。
7200820157521.8
第8脚是回差调整直接接负极，第3脚是积分C2龟容，输出端悬空。电源端接XTR115集成电路6 的第8脚精密稳压器提供的电压。上电后电路起振荡，电感L两端测得为正弦波，当金属体靠 近时幅度变�。琓LP355集成电路5属幅值变化型非停振型专用电路，加上反馈电阻只使用了 10%，因此正弦波幅度与金属体位移成基本线性的函数关系。正弦波信号通过C3、 Dl、 D2、 C4、 R2组成的倍压整流电路，其变化幅度成直流模拟电压。再经过IC2运放组成的电压射级跟随电 路。
如图4所示，射级跟随器的输出电压Vo与距离X的实测结果，设定标定的动态数据偏差 时，可以微调反馈电阻R1使线性仅可能保持一致。根据大量反复测试的数据结果，该线性重 复性非常一致。高端与低端线性度的失真，根据电感磁心的技术要求，可靠的检测距离在磁 心直径的60%以下，非接触测量需要在低端位置留出一定的非接触的自由机械行程，因此取高 端与低端中间段的线性为动态范围数据较理想，Xo的值，在实际应用中对Xo的线性处理或动 态扩展方式多种，微处理器建表处理，由于线性一致性高，很适合此种方式处理，机械方面 的，相切的扇形金属体、金属偏心轮；主要体现角度方面的动态扩展。
如图3中所示，IC3为TLP355集成电路5与IC2电压射级跟随器7的静态功耗很�。绷髂Ｄ� 电压线性下限也低，XTR115转换后最低电压不能保证达至lj4mA，就需要对整个回路使用电流提 升的措施。对XTR115集成电路6的第1脚或第8脚对第3脚并联一只电阻，调整使输出等于4mA， 此措施并不影响转换；图三中只列出第1脚第3脚并联一只电阻。
根据具体的量程，确定金属体与探头之间的最大位置为上限位移，调节W分流器使输出为 20mA。确定金属体与探头之间的最小位置为下限位移，调节R2为4mA。
如图5所示，根据电磁感应原理的公式推算，线圈的等效阻抗的模及品质因数非常关键， 因此在绕制线圈时要求，自动排线绕制，才能满足要求。所述的罐型磁心l，其批量化生产要 求磁通量要尽量一致，线圈的骨架2，是线圈绕制的介体， 一般塑料注塑件，但是要求不变形 的工件，绕制好的线圈骨架3，装入罐型磁心4内。
如图6所示，所述的金属薄层8，整圈对磁心包好，然后焊接一只电容与电源负极连接，9 为感应面，探头的塑料壳体10的壳体为圆柱型或者方形，图中列出的圆柱体；感应面朝下装 入探头的塑料壳体IO，然后添充入环氧树脂ll。
根据技术方案改变LC的线圈与磁心的组成的探头大�。鹗籼逵隠C中的线圈与磁心的组 成的探头的距离改变线圈两端的电压幅值与距离成比例变化。因此磁心与线圈组成的探头的 直径在5-lOOmm范围内根据需要改变磁心与线圈的尺寸大小。
如图3所示，所述的CZ为磁珠，可过滤高频信号，TVS为抑制瞬间的高脉冲电流对电路的 冲击。
权利要求1、两线制电流型位移传感器由TLP355集成电路与电感磁心构成涡流感应探头，倍压整流电路，电压射级跟随器，分流器，XTR115电压/电流转换专用集成电路、抗干扰电路组成，其特征在于所述的XTR115电压/电流转换专用集成电路的精密稳压器电压供给TLP355集成电路，TLP355集成电路与电感磁心构成涡流感应探头，在电感两端提取振荡信号进行倍压整流，运放射级跟随后分流给XTR115电压/电流转换专用集成电路，转换成的电流4-20mA输出。
2、 根据权利要求l所述的两线制电流型位移传感器，其特征在于所述的电感磁心的直 径大小尺寸在5-100mm范围内。
3、 根据权利要求l所述两线制电流型位移传感器，其特征在于所述的磁心的外围，非 感应面包裹金属薄层，并焊接一只电容与电源负极相连。
4、 根据权利要求l所述的两线制电流型位移传感器置，其特征为所述的XTR115电压/电 流转换专用集成电路输入电源回路中串联磁珠、并联TVS管。
专利摘要本实用新型公开了两线制电流型位移传感器，由TLP355集成电路与电感磁心构成涡流感应探头，倍压整流电路，电压射级跟随器，分流器，XTR115电压/电流转换专用集成电路、抗干扰电路组成，标准化两线制的电流环输出，使检测动态可以根据需要通过改变探头大小、扩展线性动态、校正线性等方式来实现。在体积上最小的电路体积允许情况下实现最小化。本实用新型具有要线性度高，一致性强、温漂�。垢扇拍芰Ω撸坏缏芳虻ィ魇杂胄Ｕ虻サ扔诺恪�
文档编号G01B7/02GK201429406SQ20082015752
公开日2010年3月24日 申请日期2008年12月22日 优先权日2008年12月22日
发明者陈延延, 陈延龄, 陈志向 申请人:陈志向;陈延延;陈延龄
专业数控铣床产品供应商
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