[实用新型]一种二维位移测量装置

说明书

本实用新型涉及一种二维位移传感器，尤其适合在以垂线（或引张线）作为位置参考进行二维位移检测的技术领域。

下面以垂线为例说明。

垂线是一种经典的测量工具，具有结构简单、性能稳定可靠等特点，所以至今仍广泛应用于各种测量，尤其是大坝等大型、高层工程建筑物的变形监测。为了使观测朝着自动化及遥测方向发展，必须有一种将垂线的二维位移转化成电量的位移传感器。目前位移传感器很多，但适合测量垂线的位移传感器却不理想，这是因为：（1）垂线的侧向恢复力极小，必须无接触测量；（2）垂线上的测点具有X、Y、Z三方向微小位移及绕垂线方向旋转的四个自由度，欲分离出二个水平方向数值有较大技术难度；（3）垂线使用条件十分恶劣，要求潮湿、结露对传感器的寿命、测量结果没有影响。

目前，用于测量垂线有以下几种方式：（1）光电跟踪式，虽有横向灵敏度小、线性度好等优点，但光、机系统易受潮锈蚀，维护保养困难，且不能作快速和连续测量；（2）电容式，在较大体积下可得到较好的正交抑制比和线性度，能作快速测量，但是由于空气和水的介电常数相差80倍，而电容极板暴露空气中易受潮、结露，影响测量精度，还由于电容量不能做得太大尺寸是高阻输出，所以易受干扰；（3）涡流感应式，虽可作快速测量，但线性度、正交抑制比差，横向灵敏度大。

本实用新型的目的就是克服上述几种测量垂线方式的缺点，提供一种理想的采用全新原理设计的二维位移测量装置。

图1为导线电磁变换原理图，其中0为一根直导线，L是导线长度，I是通过导线的电流强度，R是测点到导线的距离，∮1、∮2是测点到导线端点连线与导线的夹角，u.是真空导磁率。根据毕奥一沙伐尔一拉普拉斯定律，当R＜＜L时，则测点的磁感应强度：

B＝ (u.I)/(2πR) （1）

本实用新型传感器由被测直线和两个测量头组成。图2为传感器结构俯视图，图3为图2的A－A剖视图，其中O为被测直线（垂直导线），1、2为一组检测线圈，3为绝缘凹字形盒，4为测量头。一组检测线圈是由两个完全一样的线圈（指线圈截面积S、线圈匝数N，线圈长度l完全一样）组成，其位置互相平行，固定在凹字形绝缘盒内，上下两个凹字形绝缘盒及其在内的一组线圈盖好胶合密封后称作测量头。当导线通过检测线圈平面中心，并互为垂直关系时，根据公式（1），则检测线圈1、2可测出该处的磁感应强度B1、B2，当导线电流是频率f的交变电流时，则：

E1＝4.44fNSB1    （2）

E2＝4.44fNSB2    （3）

当两个线圈用差动法联接时，则输电压：

E＝E1－E2＝4.44fNS（B1－B2）    （4）

以（1）代（4），设两检测线圈之间的距离为2R，△R是导线偏离中心的距离，R1＝R－△R，R2＝R＋△R，K＝4.44fNS (u.I)/(2π) ，经整理略去高次项得：

E＝ (2K)/(R²) ·△R （5）

所以电压E和△R成线性关系。显而易见，一个测量头，即一组线圈（X方向）可检测出垂线的一维位移；另一个测量头，即另组线圈（Y方向）可测出垂线的另一维位移，从而实现了二维位移的检测。在二维情况下，选取合适的线圈长度l，则可保证传感器的横向灵敏度极小。

图4为本实用新型安装示意图1，也为垂线实施例，0为垂线，4为测量头，5为锁相放大器，6为信号发生器，7为支撑架，8为搁板，9、10、11、12为回流导线。

在被选定的位置处，垂线作为导线0，导线和电流信号发生器6相串联，导线则为一根交变载流体，在垂线被测处0′安装支撑架7，支撑架为一正多边柱体（或圆柱体）形状。安装时应保证柱体中心线和垂线重合；搁板8为水平面，在0′略下方；搁板上平放两个测量头，分别检测X、Y方向，其中心和垂线重合，测量头和锁相放大器相联，输出二维位移检测信号。此处支撑架为正四方柱体，并以柱体的四条棱作为回流导线9、10、11、12，由于使回流导线阻抗完全一样，所以回流大小相等，又由于回流导线对于垂线互为对称，所以回流电磁场对测量头无影响。

由于本实用新型采用电磁差动法原理设计，因此具有以下优点：

（1）测量媒介是磁场，所以是无接触式测量，适合垂线侧向恢复力小的特点；水和空气导磁率很小，所以在潮湿环境中，结露等现象不影响测量精度。

（2）测量头是全固体密封，没有可动的机械部件，属永久性器件，坚固可靠，可在恶劣环境下长期使用。

（3）测量头尺寸小、重量轻、易于安装。