[发明专利]一种无线位移传感器

说明书

本发明的目的是提供一种无线位移传感器，无线位移传感器包括两个谐振频率相同的无源无线LC谐振器，其中一个LC谐振器作为传感器定子，另一个LC谐振器作为传感器动子。动子能附着在被监测的位移体上并随之移动。动子与定子保持电磁耦合状态，此时，在信号读取端上呈现出奇模和偶模两个分裂的谐振频率信号；动子在传感器可检测的位移范围内移动时，动子与定子的电磁耦合状态会随之变化，奇模和偶模频率分裂差的大小也随之变化。动子与定子电磁耦合形成的奇模和偶模频率分裂差的大小作为无线位移传感器的位移敏感信号。

技术领域

本发明涉及传感器研究领域，具体涉及一种无线位移传感器。

背景技术

在建筑物结构健康状态监测和工业生产自控领域设备中多采用位移传感器或者行程传感器对结构位移参数和设备位移量进行监控测量。根据不同的工作原理和应用场景，位移传感器可分为以下几种：电磁式（电感、电涡流、差动变压器）、电容式、电位器式、应变式、激光式、霍尔效应传感器等。作为广泛使用的一类位移传感器，电磁式位移传感器主要基于电磁感应原理，以电感，电流或者电压变化作为敏感信号，由于不受油污，沙尘等外部自然环境影响，可靠性高，安装方便，在石油化工、机床加工和检测仪表等行业中获得了广泛的应用。

电磁式位移传感器通常是由金属线圈和磁芯构成的LC谐振回路组成，磁芯作为传感器动子在外力作用下随位移体移动，通过接近和远离磁场线圈，进而改变线圈磁场分布和电感值，并以LC谐振回路频率变化作为敏感信号，这种结构和原理常见于电感式和差动变压器式位移传感器中。

此外，还有仅依靠电感线圈对金属目标形成的电涡流效应进行位移检测的传感器，但电涡流式位移传感器只适合于金属目标物的移动检测。根据LC谐振频率计算公式，LC谐振回路频率信号与电感量的平方根成反比，因此，电磁式位移传感器对电感值变化引起的频率变化很小，分别率较低，传感器灵敏度也非常依赖于磁芯材料。

目前，大多数电磁式位移传感器都是通过外围读取电路设计，以及磁芯材料和结构优化等方式提升位移传感器的性能。另一方面，传统的电磁式位移传感器大都需要外界电源线和信号线连接，而连接线会随着物体运动，时间长易出现连接线磨损，同时，有线连接插拔器件的频繁使用也是传感器故障的主要原因之一。此外，在一些旋转，密闭，高温和腐蚀的恶劣环境下，有线连接的传感器通常无法实现长期稳定的工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线位移传感器，以解决现有电磁式位移传感器依靠引线连接和灵敏度低的问题，也为LC无线传感器的设计提供一个新的思路。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：所述的无线位移传感器包括两个谐振频率相同的无源无线LC谐振器，其中一个LC谐振器作为传感器定子（固定部分），另一个LC谐振器作为传感器动子（移动部分）。动子能附着在被监测的位移体上并随之移动。动子与定子保持电磁耦合状态，此时，在信号读取端（例如，网络分析仪等）上呈现出奇模和偶模两个分裂的谐振频率信号；所述动子在传感器可检测的位移范围内移动时，动子与定子的电磁耦合状态会随之变化，奇模和偶模频率分裂差的大小也随之变化。所述动子与定子电磁耦合形成的奇模和偶模频率分裂差的大小作为所述无线位移传感器的位移敏感信号。

本发明提供的上述基于电磁耦合原理的无线位移传感器，由两个无源无线的LC谐振器组成，无需外部引线连接，敏感信号可直接通过无线方式传输，有望应用于发动机叶片间隙、旋转轴承、输油管道、桥梁建筑智能监测等领域。本发明的有益效果在于，所述传感器无需外部引线连接，敏感信号可直接通过无线方式传输，同时，与具有单个LC谐振回路的传感器相比，本发明所述的传感器具有更高的灵敏度。此外，本发明所述的无线传感器原理还可以推广应用到压力、温度、气体、液体的无线检测中。

本发明所述传感器动子与定子的相对位置改变可引起动子与定子的电磁耦合状态变化，其奇模和偶模频率分裂差的大小会随着动子位移变化而变化，并以此作为所述传感器的位移敏感信号，这与传统电磁式位移传感器以线圈电感量变化或者谐振频率变化为敏感信号完全不同。本发明在传感器结构和原理上与现有技术相比都有很大发展和创新。