感应磁铁内置于油缸的外置式磁致伸缩位移传感器的制作方法

1.本实用新型涉及传感器技术领域的一种磁致伸缩位移传感器，特别涉及一种感应磁铁内置于油缸的外置式磁致伸缩位移传感器。


背景技术：

2.磁致伸缩位移传感器由于其高可靠性、高精度、非接触式等特点，被广泛用于液压缸或气缸等驱动器的位移检测。磁致伸缩位移传感器由感应尺及磁铁两部分组成。目前磁致伸缩位移传感器安装方式有内置安装和外置安装两种。
3.内置安装是指将磁铁安装到油缸的活塞上随之运动，感应尺安装在油缸端面，从而测量出活塞的位移量。内置式安装具有结构紧凑、可靠性好、安装简单等特点，但是内置安装需要对油缸的活塞杆加工一个深长细孔，用于容纳感应尺的测杆。在活塞杆上加工一个深长细孔不仅降低了活塞杆的结构强度，而且加工费用较为昂贵。在拆装传感器，还需要油缸端面保持一定的空间，但对于空间结构紧凑的装置，只能拆卸油缸后才能拆换传感器，对于传感器的维护带来了不便。
4.外置安装是指感应尺安装在油缸外壁上，与油缸保持平行状态，而磁铁通过其他装置连接到活塞杆上。例如cn201820521325.8中提出，内置式传感器外置安装一般需要设计一些辅助装置才能实现磁铁与感应尺稳定相对运动，安装结构较为复杂，可靠性相对不高，而且需要较大的安装空间。再例如cn202020098882.0中提出，外置式传感器的槽型滑块与设备运动端相连接，且一般需要其他支架与设备运动端相连接，可以预见安装到油缸运动部件结构将会非常复杂，正如cn201921804295.2针对外置式传感器所提出的一种安装方案。
5.而对于感应磁铁内置于油缸，感应尺外置安装在油缸壁的这种情况，由于油缸壁的材质一般为碳钢，往往对内置感应磁铁的磁场形成一个屏蔽作用，导致泄露到油缸外壁的磁场强度非常小，外置于油缸的感应尺一般很难感应到磁铁，故一般感应磁铁内置于油缸的安装方案难以实现。


技术实现要素：

6.本实用新型针对现有内置安装需要加工深长细孔带来结构强度降低、成本高、拆装不便，而外置安装结构复杂、可靠性差等问题，提出了一种感应磁铁可内置于油缸的外置式磁致伸缩位移传感器，可实现感应尺安装在油缸外壁，感应磁铁安装到活塞上，仅对活塞结构做适当调整而无需对活塞杆进行深孔加工。本实用新型传感器不仅实现了感应尺在油缸外部即可感应到内置于油缸的感应磁铁，而且可以实现传感器快速拆装，解决了内置式安装带来的维修不便等问题。
7.本实用新型采用的技术方案如下：
8.本实用新型包括传感器本体、固定件、感应磁铁模块和油缸，油缸包括活塞、活塞杆和油缸外筒，活塞和活塞杆设置在油缸外筒内，活塞套设在活塞杆中，活塞杆的一端固定
安装有感应磁铁模块，传感器本体通过固定件固定安装在油缸外筒的圆周侧面外，传感器本体与活塞杆平行布置。
9.所述传感器本体包括后盖、密封垫、型材外壳、感应测杆、信号处理单元、前盖和航空插座；
10.型材外壳内设置有感应测杆和信号处理单元，感应测杆设置在感应磁铁模块的上方，信号处理单元固定安装在感应测杆的一端，信号处理单元与航空插座相连，型材外壳的前后端分别固定安装有前盖和后盖，前盖与型材外壳的前端之间、后盖与型材外壳的后端之间还设置有密封垫，使得感应测杆和信号处理单元密封地安装在型材外壳内。
11.所述信号处理单元向感应测杆发送激励电流，感应测杆位于感应磁铁模块穿过油缸外筒后的磁场中，感应测杆上的激励电流产生的周向磁场强度与感应磁铁模块透过油缸外筒后在感应测杆上的轴向磁场强度相同。
12.所述固定件包括传感器压片、螺钉、侧向安装块和轴向定位安装块，侧向安装块和轴向定位安装块之间的油缸外筒的外圆周侧面外固定安装有传感器本体；油缸外筒的外圆周侧面焊接固定有多个轴向定位安装块和侧向安装块，轴向定位安装块设置在传感器本体两端的油缸外筒的外圆周侧面上，用于限位传感器本体的轴向，侧向安装块设置在传感器本体轴向两侧的油缸外筒的外圆周侧面上，用于限位传感器本体的侧向，侧向安装块上通过螺钉固定安装有传感器压片，传感器压片与传感器本体固接。
13.所述传感器压片为c字型金属弹片，c字型金属弹片的一端卡装在传感器本体内，c字型金属弹片的另一端卡装在侧向安装块内，c字型金属弹片的中部通过螺钉固定在侧向安装块上。
14.所述传感器本体底部的两侧边缘还设置有密封条，使得传感器本体的底部与油缸外筒的外圆周侧面之间密封连接。
15.所述感应磁铁模块包括第一磁极和第二磁极，第一磁极和第二磁极间隔布置，第一磁极产生的信号波的波形和第二磁极产生的信号波的波形的相位差为180
°
，第一磁极和第二磁极自身的宽度、两个磁极之间的距离的调整，使得第一磁极产生的信号波和第二磁极产生的信号波进行波形叠加，获得叠加信号波；具体地，第一磁极产生的信号波中靠近第二磁极的波峰与第二磁极产生的信号波中靠近第一磁极的波峰叠加形成累加波峰，第一磁极产生的信号波中靠近第二磁极的波谷与第二磁极产生的信号波中靠近第一磁极的波谷叠加形成累加波谷。
16.所述感应磁铁模块包括环形磁钢、环形导磁环和非导磁轴套，环形磁钢的外径小于环形导磁环，环形导磁环为第一环形导磁环和第二环形导磁环，第一环形导磁环和第二环形导磁环分别为第一磁极和第二磁极；活塞杆的一端外套设有非导磁轴套，非导磁轴套外沿活塞杆轴向依次安装有第一环形导磁环、环形磁钢和第二环形导磁环，环形磁钢的磁场方向沿着活塞杆轴向布置。
17.所述感应磁铁模块包括非导磁安装环、第一磁钢块和导磁块，活塞杆的一端外套设有非导磁安装环，导磁块包括第一导磁块和第二导磁块，第一导磁块和第二导磁块分别为第一磁极和第二磁极，非导磁安装环的圆周侧面开设有安装槽，安装槽中沿活塞杆轴向依次安装有第一导磁块、第一磁钢块和第二导磁块，第一磁钢块的磁场方向沿着油缸轴向布置，第一磁钢块的圆弧直径小于导磁块。
18.所述感应磁铁模块包括第三导磁块、第二磁钢块和第三磁钢块；第三导磁块的下表面固定安装在活塞杆一端的外圆周侧面外，第三导磁块的上表面固定安装有第二磁钢块和第三磁钢块，第二磁钢块和第三磁钢块分别为第一磁极和第二磁极，第二磁钢块和第三磁钢块沿活塞杆轴向间隔布置，第二磁钢块和第三磁钢块的极性相反。
19.本实用新型实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：
20.本实用新型的一种感应磁铁内置于油缸的外置式磁致伸缩位移传感器，通过轴向固定安装块及后盖在油缸上进行轴向定位，通过传感器安装块进行周向定位，最终通过多个对称的c字型安装片进行压紧，可以达到传感器快速、准确的安装与拆卸，可大大降低传感器的安装与维护的难度。
21.本实用新型通过调整激励电流大小和感应磁铁模块中南北磁极间距可有效提高磁致伸缩传感器的换能效率一倍以上，使得感应磁铁内置于油缸的外置式磁致伸缩位移传感器的方案得以实现。
22.同时本实用新型中嵌入到传感器外壳的密封条，可以阻止传感器在使用过程中一些铁磁性粉末、碎屑靠近磁钢，从而影响感应磁铁模块的磁场，减少传感器的受外界的干扰。
23.本实用新型中感应磁铁模块针对不同使用场景，提出了三种结构：
24.结构一是由一个环形磁钢、两个环形导磁环及非导磁轴套组成的，通过环形导磁环及油缸缸筒之间的小间隙配合将环形磁钢的磁场形成磁路回线，轴套采用了非导磁材料，导磁块具有高磁导率特性，且不小于油缸缸筒，上述结构可以使得环形磁钢的磁场尽可能导入到油缸缸筒并泄露到油缸外部，从而被外置式磁致伸缩位移传感器感应到，从而导致磁铁内置而传感器外置于油缸的方案得以实现。结构一可用于活塞的安装或者使用过程中会周向旋转或者旋转角度过大的场合。
25.结构二中的磁力线设计与方案一较为相似，但是磁钢产生的磁场没有在整个油缸360度方向上均布，这种结构适用于油缸的活塞相对油缸外筒不相互旋转或者角度较小的场合。且由于只需要油缸外壁部分区域有磁场，因此磁钢可以做的比较小，成本更低。
26.结构三中的磁场由两个磁钢提供，中间有导磁块进行连接，同样也能实现与油缸缸筒形成一个闭合的磁力线，本结构适用于油缸壁厚较大的场合，两个磁钢才能提供足够的磁场，使得外置式磁致伸缩位移传感器感应到。
27.本实施例中感应磁铁模块内置于油缸中，结构简单，无任何摩擦等损伤，一般在油缸产品全寿命周期内无需维护，而比较容易出现故障的外置磁致伸缩位移传感器则外置于油缸，且产品无需承受油缸内部的油压，结构更简单、成本更低，且更容易更换及维护，极大方便了客户的使用和替换。
28.综合来说，本实用新型一种感应磁铁内置于油缸的外置式磁致伸缩位移传感器，实现了感应磁铁内置于油缸而磁致伸缩位移传感器外安装于油缸的技术方案，大大提高了磁致伸缩位移传感器的拆装便利性和产品维护性，而且使得产品的结构更加简单、成本更低，配套油缸的加工成本也更加低，具有较大的实用价值和推广价值。
附图说明
29.图1为本实用新型实施例外置式磁致伸缩位移传感器及感应磁铁内置于油缸的安装图。
30.图2为本实用新型实施例外置式磁致伸缩位移传感器及感应磁铁内置于油缸的安装侧视图。
31.图3为本实用新型感应磁场模块的第一种结构示意图。
32.图4为本实用新型实施例中外置式磁致伸缩位移传感器的内部结构示意图。
33.图5为本实用新型实施例中感应磁铁模块的回波信号图。
34.图6为本实用新型感应磁场模块的第二种结构示意图。
35.图7为本实用新型感应磁场模块的第三种结构示意图。
36.图中：外置式磁致伸缩位移传感器1，侧向安装块2，油缸外筒3，活塞杆4，活塞5，感应磁铁模块6，轴向定位安装块7，螺钉101，后盖102，密封垫103，型材外壳104，传感器压片105，感应测杆106，信号处理单元107，前盖108，航空插座109，密封条110，非导磁轴套611，两个环形导磁环612，环形磁钢613，非导磁安装环621，导磁块622，第一磁钢块623，第三导磁块631，第二磁钢块632，第三磁钢块633，第一磁极产生的信号波801，第二磁极产生的信号波802，叠加信号波803。
具体实施方式
37.下面结合实施例以及附图对本实用新型作进一步详细的描述，显然，这是本实用新型的一个实施例，但不限于此。基于本实用新型中的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
38.如图1、图2和图4所示，本实用新型包括传感器本体、固定件、感应磁铁模块6和油缸，油缸包括活塞5、活塞杆4和油缸外筒3，活塞5和活塞杆4设置在油缸外筒3内，活塞5套设在活塞杆4中，活塞杆4的一端设置有螺纹，活塞杆4的一端通过螺母固定安装有感应磁铁模块6，传感器本体通过固定件固定安装在油缸外筒3的圆周侧面外，传感器本体与活塞杆4平行布置并且传感器本体与感应磁铁模块6始终相对布置，保证传感器本体的感应测杆106始终在感应磁铁模块6微弱磁场内，能够测量到磁场的变化，感应磁铁模块6始终位于传感器本体的检测量程范围内；传感器本体通过感应感应磁铁模块6穿过油缸外筒3的微弱磁场，从而检测到活塞5的运动位移。
39.传感器本体包括后盖102、密封垫103、型材外壳104、感应测杆106、信号处理单元107、前盖108和航空插座109；型材外壳104内设置有感应测杆106和信号处理单元107，感应测杆106为圆形细长杆，长度最长可达3米，卡在型材外壳104卡槽内并且靠近型材壳体104下表面且居中布置。感应测杆106设置在感应磁铁模块6的上方，信号处理单元107固定安装在感应测杆106的一端，信号处理单元107与航空插座109相连，信号处理单元107的电源及数据通过航空插座109与外部控制器进行传输。型材外壳104的前后端分别通过铆钉或螺钉方式固定安装有前盖108和后盖102，信号处理单元107设置在型材外壳104的后端，前盖108与型材外壳104的前端之间、后盖102与型材外壳104的后端之间还设置有密封垫103，形成水密性腔体，使得感应测杆106和信号处理单元107密封地安装在型材外壳104的水密性腔体内，信号处理单元107与航空插座109之间的连接线穿过后盖102设置，航空插座109设置
在型材外壳104外；传感器本体底部的两侧边缘还设置有两根密封条110，密封条110可卡在或粘接在型材壳体104的外底面，密封条110的圆弧半径与油缸缸筒3的外径相同，可与油缸缸筒3形成一个粉尘密封的环境，使得传感器本体的底部与油缸外筒3的外圆周侧面之间密封连接。
40.固定件包括传感器压片105、螺钉101、侧向安装块2和轴向定位安装块7，侧向安装块2和轴向定位安装块7之间的油缸外筒3的外圆周侧面外固定安装有传感器本体；油缸外筒3的外圆周侧面焊接固定有多个轴向定位安装块7和侧向安装块2，轴向定位安装块7设置在传感器本体两端的油缸外筒3的外圆周侧面上，用于限位传感器本体的轴向，后盖102和航空插座109卡接在后端的轴向定位安装块7中，侧向安装块2设置在传感器本体轴向两侧的油缸外筒3的外圆周侧面上，用于限位传感器本体的侧向，侧向安装块2上通过螺钉101固定安装有传感器压片105，传感器压片105与传感器本体的型材外壳104固接。
41.传感器压片105为c字型金属弹片，c字型金属弹片的一端卡装在传感器本体的型材壳体104的槽内，c字型金属弹片的另一端卡装在侧向安装块2内，c字型金属弹片的中部通过螺钉101固定在侧向安装块2上，使得c字型金属弹片固定在侧向安装块2上，无法旋转。
42.如图3所示，感应磁铁模块6包括环形磁钢613、环形导磁环612和非导磁轴套611，环形磁钢613的外径略小于环形导磁环612，环形导磁环612为第一环形导磁环和第二环形导磁环，第一环形导磁环和第二环形导磁环分别为第一磁极和第二磁极；活塞杆4的一端外套设有非导磁轴套611，非导磁轴套611外沿活塞杆4轴向依次安装有第一环形导磁环、环形磁钢613和第二环形导磁环，环形磁钢613的磁场方向沿着活塞杆4轴向布置，具体磁场分布如图2所示，感应磁铁模块6与油缸缸筒3的间隙不大于1mm，即环形磁钢613与油缸缸筒3的间隙不大于1mm。
43.信号处理单元107向感应测杆106发送激励电流，感应测杆106位于感应磁铁模块6穿过油缸外筒3后的磁场中，感应测杆106上的激励电流产生的周向磁场强度与感应磁铁模块6透过油缸外筒3后在感应测杆106上的轴向磁场强度相同，可使得磁致伸缩位移传感器中的感应测杆可以产生足够大的磁致伸缩效应，确保信号处理单元可以识别到感应磁铁模块。
44.感应磁铁模块6包括第一磁极和第二磁极，第一磁极和第二磁极间隔布置，第一磁极产生的信号波的波形和第二磁极产生的信号波的波形的相位差为180
°
，第一磁极和第二磁极自身的宽度、两个磁极之间的距离的调整，使得第一磁极产生的信号波和第二磁极产生的信号波进行波形叠加，获得叠加信号波，叠加信号的信噪比相比第一磁极产生的信号波和第二磁极产生的信号波的信噪比更高；具体地，第一磁极产生的信号波中靠近第二磁极的波峰与第二磁极产生的信号波中靠近第一磁极的波峰叠加形成累加波峰，第一磁极产生的信号波中靠近第二磁极的波谷与第二磁极产生的信号波中靠近第一磁极的波谷叠加形成累加波谷。本实施例中，第一磁极产生的后2/3信号与第二磁极产生的前2/3信号形成叠加，形成一个新的回波波形，信噪比相对未叠加前可增加0.5倍以上，并可减小整个回波的波包宽度，降低传感器的盲区。如图5所示，图5的(a)为南北磁极间距过大时的回波信号图，当感应磁铁模块6产生的南北磁极间距过大时，在感应测杆会产生两个分离的回波信号。当调整感应磁铁模块磁铁的宽度和间距，可以使得第一磁极产生的信号波801中的b1波谷和第二磁极产生的信号波802中的a2波谷相叠加，第一磁极产生的信号波801中的c1波峰
和第二磁极产生的信号波802中的b2波峰相叠加，形成一个南北磁极叠加后产生信号803，如图5的(b)所示，图5的(b)为南北磁极达到合适间距时的回波信号图。
45.如图6所示，感应磁铁模块6包括非导磁安装环621、第一磁钢块623和导磁块622，活塞杆4的一端外套设有非导磁安装环621，导磁块622包括第一导磁块和第二导磁块，第一导磁块和第二导磁块分别为第一磁极和第二磁极，非导磁安装环621的圆周侧面开设有安装槽，安装槽中沿活塞杆4轴向依次安装有第一导磁块、第一磁钢块623和第二导磁块，第一磁钢块623的磁场方向沿着油缸轴向布置，第一磁钢块623的圆弧直径略小于导磁块622。
46.如图7所示，感应磁铁模块6包括第三导磁块631、第二磁钢块632和第三磁钢块633；第三导磁块631的下表面固定安装在活塞杆4一端的外圆周侧面外，第三导磁块631的上表面固定安装有第二磁钢块632和第三磁钢块633，第二磁钢块632和第三磁钢块633分别为第一磁极和第二磁极，第二磁钢块632和第三磁钢块633沿活塞杆4轴向间隔布置，第二磁钢块632和第三磁钢块633的极性相反，可用于油缸缸筒壁厚较大的油缸。