[发明专利]一种绝对位移传感器及其设计方法

权利要求书

1.一种绝对位移传感器，其特征在于：它包括外壳(1)、连接轴(2)、电磁负刚度元件(3)和测量组件(4)；

外壳(1)的一端设有通孔；

连接轴(2)与外壳(1)同轴设置，连接轴(2)的一端穿过通孔伸至外壳(1)内；

电磁负刚度元件(3)包括永磁体(31)和线圈绕组(32)，永磁体(31)固接于连接轴(2)外，线圈绕组(32)与外壳(1)的内壁固接，永磁体(31)与线圈绕组(32)之间留有径向间隙；

测量组件(4)的外缘与外壳(1)相连、中心与连接轴(2)相连；

所述测量组件(4)包括弹性构件(41)和应变片(42)；弹性构件(41)为线性弹性构件，弹性构件(41)的外端与所述外壳(1)相连、内端与所述连接轴(2)相连；应变片(42)连接于弹性构件(41)的中心；多个测量组件(4)关于连接轴(2)呈环形阵列布置。

2.根据权利要求1所述的绝对位移传感器，其特征在于：所述外壳(1)包括小径壳体(11)、大径壳体(12)和连接法兰(13)；小径壳体(11)为圆柱形壳体，一端开口、一端封闭，封闭端设有中心孔；大径壳体(12)与小径壳体(11)结构相同；大径壳体(12)固接于连接法兰(13)中心，小径壳体(11)同轴连接于大径壳体(12)的封闭端。

3.根据权利要求2所述的绝对位移传感器，其特征在于：所述小径壳体(11)的开口端设有外延的平面。

4.根据权利要求1所述的一种绝对位移传感器，其特征在于：所述连接轴(2)的一端伸至外壳(1)内，其中部与永磁体(31)相连，其底端与所述测量组件(4)相连；连接轴(2)的外端外连质量块(5)，质量块(5)的直径大于所述通孔的孔径。

5.根据权利要求1所述的一种绝对位移传感器，其特征在于：所述电磁负刚度元件(3)包括一对永磁体(31)和一对线圈绕组(32)；沿轴向两永磁体(31)的中心面与两线圈绕组(32)的中心面重合；一对线圈绕组(32)之间留有轴向间隙。

6.一种绝对位移传感器设计方法，其特征在于，具体步骤为：

S1：确定电磁负刚度元件(3)中线圈绕组(32)和永磁体(31)的几何参数，永磁体(31)与线圈绕组(32)间的径向间隙，以及线圈绕组(32)间的轴向间隙；

S2：调节线圈绕组(32)间的轴向间隙，直至电磁负刚度元件(3)的负刚度非线性分量为零，得到电磁负刚度元件(3)的线性负刚度；

S3：根据S2得到的线性负刚度，确定测量组件(4)的刚度系数，以及测量组件(4)中弹性构件(41)的长度、宽度和厚度；

根据得到的线性负刚度，确定测量组件(4)的刚度系数，电磁负刚度元件(3)的负刚度与测量组件(4)的正刚度形成正负刚度并联，从而实现电磁准零刚度；根据绝对位移传感器的外形结构尺寸及装配要求，确定弹性构件(41)的长度、宽度、厚度；

S4：将应变片(42)布置在弹性构件(41)上组成全桥测量电路。

7.根据权利要求6所述的一种绝对位移传感器设计方法，其特征在于S1中，确定电磁负刚度元件(3)中线圈绕组(32)和永磁体(31)的几何参数的具体步骤为：

S1.1：确定线圈绕组(32)的外半径和永磁体(31)的内半径；制作线圈绕组(32)，确定线圈绕组(32)的内半径和宽度；

S1.2：根据S1.1确定的线圈绕组(32)的几何参数，确定永磁体(31)的外半径和宽度。

8.根据权利要求6所述的一种绝对位移传感器设计方法，其特征在于：所述全桥测量电路包括输入电压和输出电压，所述全桥测量电路输入电压与输出电压间满足如下公式：

其中U₀表示全桥测量电路输出电压值，U表示全桥测量电路输入电压值，R表示应变片(42)的初始电阻值，ΔR表示应变片(42)的阻值变化量。

9.根据权利要求8所述的一种绝对位移传感器设计方法，其特征在于：所述弹性构件(41)包括形变量ε，所述形变量ε与阻值变化量ΔR间存在如下线性关系：

则形变量ε的计算公式为：

其中K₀表示应变片(42)的灵敏系数，ΔL表示弹性构件(41)的变形量，L表示弹性构件(41)的长度。