专利名称：智能差动变压器式动静态位移变送器及其位移测量方法
技术领域：
本发明涉及一种智能差动变压器式动静态位移变送器及其位移测量方法。
背景技术：
随着我国国民经济的发展，科学技术的进步，自动化程度的不断提高，传感器的用量越来越大，开发高新技术位移传感器产品具有广阔的前景。差动变压式位移传感器 (LVDT)因其结构简单、线性好、精度高、测量范围大、受外界的干扰小、动态特性好及工作稳定性高等优点，目前已广泛应用于工程机械、航天航空、铁路交通、桥梁勘测、化工和科研等诸多领域。然而，现有的差动变压式位移传感器存在以下几个方面的问题(1)现有的位移传感器大多只能输出电流或电压等中间值，还需经过后台的处理和计算模块进行处理及计算，才能得到目标位移值(单位mm等)，在大型的监控系统中常常需要设置很多个位移传感器，这样后台的处理和计算工作量就很庞大，增加了后台的工作负荷。(2)如图I所示，现有差动变压器的次级线圈从中心线位置到两端面所绕制的线圈匝数相同，在衔铁移动到线圈端头时，产生的电动势输出变小，这种传统线圈绕制方式的线性精度较差。(3)我们知道，温度漂移在许多场合严重影响位移测量精度，而传统的差动变压式位移传感器都未设置温度补偿模块，影响了目标位移值的测量精度。(4)现有的差动变压式位移传感器没有设置编号识别模块，存储单元中也未储存传感器的编号信息，上位机无法对某指定编号的传感器进行操作和控制，在系统中大量使用同一种传感器的场合下，容易造成秩序的混乱。

发明内容
本发明的目的在于解决现有差动变压器式位移传感器的不足，提供一种新型的高精度、小温漂、长使用寿命且输出为目标位移值的智能差动变压器式动静态位移变送器及其位移测量方法，克服传统差动变压器式位移传感器只能输出电流或电压等中间值；次级线圈从中心线位置到两端面所绕制的线圈匝数相同，在衔铁往端面移动时，产生的电动势输出变小，线性精度较差；未设置温度补偿模块，影响了目标位移值的测量精度；未对变送器进行编号，容易造成秩序的混乱等缺点。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的智能差动变压器式动静态位移变送器，它包括电压/电流测量单元、温度测量单元、处理单元和存储单元，电压/电流测量单元、温度测量单元和存储单元分别与处理单元连接；电压/电流测量单元包括差动变压器和电压/电流处理模块，差动变压器的输出与电压/电流处理模块连接，电压/电流处理模块的输出与处理单元连接；处理单元包括处理器以及位移值计算模块、温度补偿模块和编号识别模块；所述的差动变压器包括初级线圈、次级线圈a、次级线圈b、线圈骨架、导磁外壳、连接杆和设于连接杆顶端的衔铁，线圈骨架靠近导磁外壳的一侧设有线圈腔，线圈骨架的另一侧围成中空容腔，初级线圈缠绕在线圈腔靠近线圈骨架的一侧，次级线圈a和次级线圈b对称缠绕在线圈腔靠近导磁外壳的一侧，次级线圈a和次级线圈b的截面呈阶梯形，次级线圈a和次级线圈b分别以线圈腔的中心线向两端按递增方式水平对称绕制，连接杆和衔铁位于中空容腔内；存储单元至少存储有设备编号、标定线性系数和温度补偿系数。本发明所述的温度测量单元包括一个温度传感器和一个模数转换器，温度传感器的输出与模数转换器连接，模数转换器的输出与处理单元连接。本发明所述的处理单元还可通过通信总线与上位机连接，通信总线包括RS-485 总线或CAN总线。本发明所述的处理器包括微处理器或现场可编程门阵列PFGA。智能差动变压器式动静态位移变送器的位移测量方法，它包括以下步骤
(1)驱动位移通过连接杆将位移量传达至衔铁，衔铁在中空容腔内左右平移，使得次级线圈a与次级线圈b的电动势之间产生差值；
(2)两个次级线圈之间的电动势差输出至信号调节电路，经调节后获得直流电压/电流值，再经模数转换器转换为目标数字电压/电流信号并传输至处理单元；
(3)温度传感器传感实时的环境温度值，通过模数转换器转换为目标数字温度信号并传输至处理单元；
(4)处理器读取存储单元中存储的标定线性系数，位移值计算模块将目标数字电压/ 电流信号与标定线性系数相乘，得到初始位移值；
(5)处理器根据目标数字温度信号读出该温度下的补偿系数，温度补偿模块将初始位移值与补偿系数相加，得到目标位移值。本发明还可包括一个处理单元与上位机通信的步骤，处理单元根据上位机的操作指令，将目标位移值通过通信总线发送至上位机。本发明所述的智能差动变压器式动静态位移变送器可以独立工作，自主完成位移值的采集、计算和输出；同时，智能差动变压器式动静态位移变送器也可以通过通信总线与上位机连接，上位机通过编号寻址所述的智能差动变压器式动静态位移变送器，实现便捷的数据交换与处理，智能差动变压器式动静态位移变送器发送的数据包中包含有编号，便于上位机识别和处理。本发明所述的处理器可以脱离上位机的控制独立工作，根据其内部程序完成自主的某时间点静态目标位移值的测量和处理任务；或者接收来自上位机的时间点操作指令， 采集该时间点的静态目标位移值并反馈至上位机。本发明所述的处理器可以脱离上位机的控制独立工作，根据其内部程序完成自主的某时间段内动态目标位移值的测量和处理任务；或者接收来自上位机某时间段的操作指令，读取测量频率、开始时间和结束时间信息，完成该时间段内的动态目标位移值的测量并反馈至上位机。本发明的有益效果是
(I)直接输出目标位移值(单位mm等)，无需后台再进行处理和计算，降低了后台的工作量。(2)次级线圈向端面分梯次绕制，在衔铁往端面移动时，产生的电动势输出稳定， 提高了差动变压器的线性精度。(3)温度测量单元将其测得的环境温度输出至处理单元，处理单元根据其存储单元中存储的温度补偿系数对计算所得的位移值进行温度补偿，进一步提高了位移变送器的测量精度。(4)存储单元存储了变送器的设备编号，上位机通过编号寻址所述的智能差动变压器式动静态位移变送器，实现便捷的数据交换与处理，智能差动变压器式动静态位移变送器发送的数据包中包含有编号，便于上位机识别和处理。(5)变送器可脱离上位机的控制，作为独立元件，根据其内部程序自主完成测量和处理的任务。


图I为传统差动变压器结构示意图2为本发明差动变压器结构示意图3为本发明结构示意方框图中，I-初级线圈，2-次级线圈a，3-次级线圈b，4-线圈骨架，5-导磁外壳，6-连接杆， 7-衔铁，8-线圈腔，9-中空容腔。
具体实施例方式下面结合附图进一步描述本发明的技术方案如图3所示，智能差动变压器式动静态位移变送器，它包括电压/电流测量单元、温度测量单元、处理单元和存储单元，电压/ 电流测量单元、温度测量单元和存储单元分别与处理单元连接。电压/电流测量单元包括差动变压器和电压/电流处理模块，差动变压器的输出与电压/电流处理模块连接，电压/ 电流处理模块的输出与处理单元连接；电压/电流处理模块包括一个信号调节电路和一个模数转换器，差动变压器的输出与信号调节电路连接，信号调节电路的输出与模数转换器连接，模数转换器的输出与处理单元连接；信号调节电路包括稳压电路、正弦波发生器、解调器和放大器。温度测量单元包括一个温度传感器和一个模数转换器，温度传感器的输出与模数转换器连接，模数转换器的输出与处理单元连接。处理单元包括处理器以及位移值计算模块、温度补偿模块和编号识别模块，处理器包括微处理器或现场可编程门阵列PFGA。 如图2所示，所述的差动变压器包括初级线圈I、次级线圈a2、次级线圈b3、线圈骨架4、导磁外壳5、连接杆6和设于连接杆顶端的衔铁7，衔铁7为工业纯铁衔铁、铁氧体衔铁或坡莫合金衔铁；线圈骨架4靠近导磁外壳5的一侧设有线圈腔8，线圈骨架4的另一侧围成中空容腔9，初级线圈I缠绕在线圈腔8靠近线圈骨架4的一侧，次级线圈a2和次级线圈b3对称缠绕在线圈腔8靠近导磁外壳5的一侧，次级线圈a2和次级线圈b3的截面呈阶梯形，次级线圈a2和次级线圈b3分别以线圈腔8的中心线向两端按递增方式水平对称绕制，连接杆6和衔铁7位于中空容腔9内；存储单元至少存储有设备编号、标定线性系数和温度补偿系数。智能差动变压器式动静态位移变送器的处理单元还可以通过通信总线与上位机连接，用于完成与上位机的通信，通信总线包括RS-485总线或CAN总线。智能差动变压器式动静态位移变送器的位移测量方法，它包括以下步骤
(1)驱动位移通过连接杆6将位移量传达至衔铁7，衔铁7在中空容腔9内左右平移， 使得次级线圈a2与次级线圈b3的电动势之间产生差值；
(2)两个次级线圈之间的电动势差输出至信号调节电路，经调节后获得直流电压/电流值，再经模数转换器转换为目标数字电压/电流信号并传输至处理单元；
(3)温度传感器传感实时的环境温度值，通过模数转换器转换为目标数字温度信号并传输至处理单元；
(4)处理器读取存储单元中存储的标定线性系数，位移值计算模块将目标数字电压/ 电流信号与标定线性系数相乘，得到初始位移值；
(5)处理器根据目标数字温度信号读出该温度下的补偿系数，温度补偿模块将初始位移值与补偿系数相加，得到目标位移值。位移测量方法还可包括一个处理单元与上位机通信的步骤，处理单元根据上位机的操作指令，将目标位移值通过通信总线发送至上位机。智能差动变压器式动静态位移变送器可以独立工作，自主完成位移值的采集、计算和输出；同时，智能差动变压器式动静态位移变送器也可以通过通信总线与上位机连接， 上位机通过编号寻址所述的智能差动变压器式动静态位移变送器，实现便捷的数据交换与处理，智能差动变压器式动静态位移变送器发送的数据包中包含有编号，便于上位机识别和处理。处理器可以脱离上位机的控制独立工作，根据其内部程序完成自主的某时间点静态目标位移值的测量和处理任务；或者接收来自上位机的时间点操作指令，采集该时间点的静态目标位移值并反馈至上位机。处理器可以脱离上位机的控制独立工作，根据其内部程序完成自主的某时间段内动态目标位移值的测量和处理任务；或者接收来自上位机某时间段的操作指令，读取测量频率、开始时间和结束时间信息，完成该时间段内的动态目标位移值的测量并反馈至上位机。动静态位移变送器将现有的模块整合成为以处理单元为核心的智能整体，可脱离上位机的控制单独工作，根据其内部程序完成某些测量和处理的任务；也可通过通信总线与上位机进行通信，根据上位机的指令进行不同时间点或时间段的测量，采集后经过标定线性系数和温度补偿系数的补偿后将最终的高精度目标位移值发送给上位机，进而实现动静态的测量。
权利要求
1.智能差动变压器式动静态位移变送器，其特征在于它包括电压/电流测量单元、温度测量单元、处理单元和存储单元，电压/电流测量单元、温度测量单元和存储单元分别与处理单元连接；电压/电流测量单元包括差动变压器和电压/电流处理模块，差动变压器的输出与电压/电流处理模块连接，电压/电流处理模块的输出与处理单元连接；处理单元包括处理器以及位移值计算模块、温度补偿模块和编号识别模块；所述的差动变压器包括初级线圈(I)、次级线圈a (2)、次级线圈b (3)、线圈骨架(4)、导磁外壳(5)、连接杆(6)和设于连接杆顶端的衔铁(7)，线圈骨架(4)靠近导磁外壳(5)的一侧设有线圈腔(8)，线圈骨架(4)的另一侧围成中空容腔(9)，初级线圈(I)缠绕在线圈腔(8)靠近线圈骨架(4)的一侧， 次级线圈a (2)和次级线圈b (3)对称缠绕在线圈腔(8)靠近导磁外壳(5)的一侧，次级线圈a (2)和次级线圈b (3)的截面呈阶梯形，次级线圈a (2)和次级线圈b (3)分别以线圈腔(8)的中心线向两端按递增方式水平对称绕制，连接杆(6)和衔铁(7)位于中空容腔 (9)内；存储单元至少存储有设备编号、标定线性系数和温度补偿系数。
2.根据权利要求I所述的智能差动变压器式动静态位移变送器，其特征在于所述的温度测量单元包括一个温度传感器和一个模数转换器，温度传感器的输出与模数转换器连接，模数转换器的输出与处理单元连接。
3.根据权利要求I所述的智能差动变压器式动静态位移变送器，其特征在于所述的处理单元还可通过通信总线与上位机连接，通信总线包括RS-485总线或CAN总线。
4.根据权利要求I所述的智能差动变压器式动静态位移变送器，其特征在于所述的处理器包括微处理器或现场可编程门阵列PFGA。
5.智能差动变压器式动静态位移变送器的位移测量方法，其特征在于它包括以下步骤(1)驱动位移通过连接杆(6)将位移量传达至衔铁(7 )，衔铁(7 )在中空容腔(9 )内左右平移，使得次级线圈a (2)与次级线圈b (3)的电动势之间产生差值；(2)两个次级线圈之间的电动势差输出至信号调节电路，经调节后获得直流电压/电流值，再经模数转换器转换为目标数字电压/电流信号并传输至处理单元；(3)温度传感器传感实时的环境温度值，通过模数转换器转换为目标数字温度信号并传输至处理单元；(4)处理器读取存储单元中存储的标定线性系数，位移值计算模块将目标数字电压/ 电流信号与标定线性系数相乘，得到初始位移值；(5)处理器根据目标数字温度信号读出该温度下的补偿系数，温度补偿模块将初始位移值与补偿系数相加，得到目标位移值。
6.根据权利要求5所述的智能差动变压器式动静态位移变送器的位移测量方法，其特征在于它还可包括一个处理单元与上位机通信的步骤，处理单元根据上位机的操作指令， 将目标位移值通过通信总线发送至上位机。
7.根据权利要求5所述的智能差动变压器式动静态位移变送器的位移测量方法，其特征在于所述的智能差动变压器式动静态位移变送器可以独立工作，自主完成位移值的采集、计算和输出；同时，智能差动变压器式动静态位移变送器也可以通过通信总线与上位机连接，上位机通过编号寻址所述的智能差动变压器式动静态位移变送器，实现便捷的数据交换与处理，智能差动变压器式动静态位移变送器发送的数据包中包含有编号，便于上位机识别和处理。
8.根据权利要求5所述的智能差动变压器式动静态位移变送器的位移测量方法，其特征在于所述的处理器可以脱离上位机的控制独立工作，根据其内部程序完成自主的某时间点静态目标位移值的测量和处理任务；或者接收来自上位机的时间点操作指令，采集该时间点的静态目标位移值并反馈至上位机。
9.根据权利要求5所述的智能差动变压器式动静态位移变送器的位移测量方法，其特征在于所述的处理器可以脱离上位机的控制独立工作，根据其内部程序完成自主的某时间段内动态目标位移值的测量和处理任务；或者接收来自上位机某时间段的操作指令，读取测量频率、开始时间和结束时间信息，完成该时间段内的动态目标位移值的测量并反馈至上位机。
全文摘要
本发明公开了一种智能差动变压器式动静态位移变送器及其位移测量方法，它包括电压/电流测量单元、温度测量单元、处理单元和存储单元，电压/电流测量单元包括差动变压器和电压/电流处理模块；处理单元包括处理器以及位移值计算模块、温度补偿模块和编号识别模块；次级线圈a(2)和次级线圈b(3)的截面呈阶梯形，次级线圈a(2)和次级线圈b(3)分别以线圈腔(8)的中心线向两端按递增方式水平对称绕制；存储单元至少存储有设备编号、标定线性系数和温度补偿系数。本发明具有可直接输出目标位移值，差动变压器的线性精度高，可实现上位机对某指定编号的变送器进行操作和控制，可脱离上位机的控制独立工作等特点。
文档编号G01B7/02GK102589404SQ20121001741
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者杨波, 杨绍荃 申请人:四川金码科技有限公司