本实用新型涉及自动化位移检测领域，尤其涉及一种非接触直线位移传感器。
背景技术：
直线位移传感器是一种广泛应用于自动化控制系统中位置信号反馈的元器件，传统的直线位移传感器通常是电位器型的，通过在电位器的总阻端加载一定的电压，然后从电位器输出端采样分压的电压信号来实现位置控制的功能。该种电位器型的直线位移传感器存在一个最根本的缺陷，即由于电位器的输出端的电刷始终和电阻体保持一定压力的接触，且工作状态下电刷会在电阻体上来回滑动，这种滑动会导致电刷和电阻体的磨损并进而影响输出信号的稳定，因此电位器型的直线位移传感器始终存在寿命较短的问题。
随着科技的发展，各种改良技术和新技术被应用于直线位移传感器，例如光栅、线性可变差动变压器、磁致伸缩等等，很多新类型的直线位移传感器都采用了非接触的结构来提高产品的使用寿命。虽然以上产品确实解决了寿命的问题，但是或由于结构复杂、或由于工艺难度大、或由于材料成本高，该类直线位移传感器始终无法替代价格低廉的电位器型的直线位移传感器，尤其在那些对使用寿命外其他指标要求并不高的中低端应用领域。
随着霍尔技术的发展和霍尔元件的高度集成化，价格低廉且性能优异的霍尔型传感器得到了广泛应用，成为了一种经济型的非接触型传感器。该类传感器的核心部分是一个检测磁场强度变化的霍尔元件和一个正对霍尔元件产生旋转磁场的磁钢，霍尔型传感器主要用于角位移的检测领域，用于角度测量时能得到良好的测量精度，但是将霍尔元件直接用于直线测量时其精度会很差。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于，提供一种非接触直线位移传感器，解决以上技术问题。
本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种非接触直线位移传感器，包括
一壳体，通过支架固定于待测设备的固定端；
一后盖，固定于所述壳体的后端面；
一前盖，固定于所述壳体的前端面，所述壳体，所述后盖和所述前盖构成一腔体；
一主轴，穿设于所述前盖和所述后盖的内部，沿所述壳体的长度方向前后移动；
两磁钢，嵌入设置在所述主轴的顶面，两所述磁钢均位于所述壳体内部；
一霍尔元件，通过线路板置于所述壳体顶端，用于检测磁场强度变化，所述霍尔元件位于所述磁钢的上方；
一复位装置，套设于所述主轴第一端，位于所述壳体外朝向所述前盖的一侧；
一连接装置，固定在所述主轴一端，用于与被测物体接触。
优选地，所述前盖内部固定一第一轴套，所述后盖内部固定一第二轴套，所述主轴插设于所述第一轴套和所述第二轴套的内部。
优选地，所述主轴外侧固定一磁钢套，所述磁钢套位于所述前盖与所述后盖之间，两所述磁钢均位于所述磁钢套的内部。
优选地，所述磁钢套内部设若干凸条，所述主轴的侧面设置相应数量的凹槽，每一所述凸条均插设在其对应位置的所述凹槽内。
优选地，所述壳体的内腔嵌若干滚珠，若干所述滚珠呈若干排分布，所述磁钢套外侧面设置若干弧形槽，每排所述滚珠的顶面均插入每一所述弧形槽内。
优选地，所述复位装置包括固定在所述主轴的第一端的卡圈，所述卡圈一端连接一垫圈，所述垫圈与所述前盖之间连接一套设在所述主轴上的弹簧。
优选地，所述连接装置包括一六角螺母和一球盖螺母，所述六角螺母和所述球盖螺母均与所述主轴的第一端螺纹连接，所述六角螺母与所述卡圈右侧面紧贴。
优选地，两个所述磁钢相互平行。
优选地，所述霍尔元件通过一线缆将输出信号输送至外部信号接收设备。
有益效果：本实用新型通过霍尔元件检测两个磁钢的共同磁场的变化来计算直线位移距离，相对于霍尔元件检测单个磁钢的磁场变化来测量直线位移更加精确，两个磁钢稳定地嵌装在主轴上，结构简单成本低，主轴运动阻力小，测量直线位移精确度高，磨损小，寿命长。
附图说明
图1为本实用新型的非接触直线位移传感器的剖视结构示意图；
图2为本实用新型的非接触直线位移传感器与被测物体连接示意图；
图3为本实用新型的主轴通过万向球轴承连接示意图；
图4为本实用新型的非接触直线位移传感器内部爆炸结构示意图；
图5为本实用新型的磁钢套的内部剖视图；
图6为本实用新型的磁钢与霍尔元件的位置关系图；
图7为本实用新型的传感器测量数据作出的输出曲线1；
图8为本实用新型的传感器测量数据作出的输出曲线2；
图9为本实用新型的传感器测量数据作出的输出曲线3；
图10为传统霍尔元件检测直线位移时的输出信号与位移量关系曲线图。
图11为本实用新型的传感器的输出信号与位移量的相关直线图；
图12为本发明的直线位移检测系统的电路图。
图中：1-后盖；2-壳体；3-主轴；4-磁钢套；5-磁钢；6-线路板；7-球盖螺母；8-六角薄螺母；9-卡圈；10-垫圈；11-弹簧；12-前盖；13-支架；14-万向球轴承；15-滚珠；16-凹槽；
41-嵌槽；42-弧形槽；43-凸条；
61-霍尔元件；62-线缆；
20-输入电源处理单元；30-传感器电源单元；40-传感单元；50-信号处理单元；
201-磁珠；202-二极管；
301-电源集成模块；302-第五电阻；303-第三电容；304-第四电阻；
401-第一电容；402-第二电容；403-第一电阻
501-双路运算放大器；502-第二电阻；503-第三电阻。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为本实用新型的限定。
如图1和图4所示，(图1或图4中的a，b，c，d均表示连接件螺钉)本实用新型提供了一种非接触直线位移传感器，包括
一壳体2，如图2所示，通过支架13固定于待测设备的固定端，支架13的开口处可以卡进壳体2两侧的槽内，并通过两颗螺钉d与设备连接，将非接触直线位移传感器的壳体2连接在设备的固定端，使传感器测量更准确。
一后盖1，固定于壳体2的后端面，后盖1通过两颗螺钉a固定到壳体2的后端面上。
一前盖12，固定于壳体2的前端面；前盖12和后盖1共轴线，使主轴3轻松穿过。前盖12通过两颗螺钉c固定到壳体2的前端面上。前盖12、壳体2和后盖1之间的空间共同组成了本专利所述非接触直线位移传感器的腔体。
一主轴3，穿设于前盖12和后盖1的内部，沿壳体2的长度方向前后位移；
两磁钢5，嵌入设置在主轴3的顶面，两磁钢5均位于壳体2内部；
一霍尔元件61，通过线路6板置于壳体2顶端，用于检测磁场强度变化，霍尔元件61位于磁钢5的上方，霍尔元件61与磁钢5正对而设，两者不接触，且两者之间无障碍物，测量磁场强度更精准。
一复位装置，套设于主轴3第一端，位于壳体2外朝向前盖12的一侧；
一连接装置，固定在主轴3一端，用于与被测物体接触。
本实用新型的优点如下：
通过霍尔元件检测两个磁钢的共同磁场的变化来计算直线位移距离，相对于霍尔元件检测单个磁钢的磁场变化来测量直线位移更加精确，两个磁钢稳定地嵌装在主轴上，结构简单成本低，主轴运动阻力小，测量直线位移精确度高，磨损小，寿命长。
本实用新型的非接触式直线位移传感器的工作过程为：
壳体2固定在待测设备的固定端，待测运动物与连接装置接触，并向左位移，使复位装置压缩，主轴3和磁钢5均位移，霍尔元件61检测到磁钢5的位移后的磁场强度后，经过信号处理将磁场信号输出给终端，计算得出运动物体的位移值。当物体不再与连接装置接触时，在复位装置的恢复力作用下，主轴3自动回到原位。
作为本实用新型一种优选的实施方式，前盖12内部固定一第一轴套，后盖1内部固定一第二轴套，主轴3穿过第一轴套和第二轴套，第一轴套和第二轴套可采用铜质材料制作，耐磨，可减小对前盖和后盖的磨损，也能对主轴3的滑动轨迹进行限制，使主轴3滑动轨迹不会偏离轴线太大距离。
作为本发明一种优选的实施方式，前盖12内部固定一第一轴套，后盖1内部固定一第二轴套，主轴3穿过第一轴套和第二轴套，第一轴套和第二轴套可采用铜质材料制作，耐磨，可减小对前盖和后盖的磨损，也能对主轴3的滑动轨迹进行限制，使主轴3滑动轨迹不会偏离轴线太大距离。
如图5所示，主轴3外侧固定一磁钢套4，主轴3与磁钢套4之间通过螺钉b固定在一起。磁钢套4顶端设置两嵌槽41，两磁钢5分别插设于两嵌槽41内。磁钢5呈矩形块形状，主轴3的顶端设置允许磁钢5嵌入的矩形槽，矩形槽与嵌槽41位置匹配，这样磁钢套4和磁钢5便起到相互定位的作用，将螺钉b旋入主轴3底端的螺孔内，便可轻松完成对磁钢套4的轻松定位，安装磁钢套4简单快捷。
需补充说明的是，螺钉b是通过从主轴3的底侧面穿进从而使两者连接。磁钢套4的顶端设置开口，使磁钢5的磁场在向上发散过程中没有阻挡，且磁钢套4采用非金属材料如注塑材料制作，避免对磁刚5的磁场干扰，从而减小了外界因素对磁场强度和位移测量的影响。
作为本发明一种优选的实施方式，磁钢套4位于前盖12与后盖1之间，前盖12和后盖1的内径均比磁钢套4的外径大，从而使磁钢套4不会滑出壳体2内部的腔体范围。两磁钢5均位于所述磁钢套4的内部，磁钢套4具有保护磁钢5不与壳体2内壁面摩擦的作用。
作为本发明一种优选的实施方式，主轴3侧面设置若干凹槽16，磁钢套4外侧设若干凸条43，凸条43插设在凹槽16内，使主轴3与磁钢套4同进退，且限制了磁钢套4沿着主轴3轴线的旋转，避免螺钉b受到较大的剪切应力。
作为本实用新型一种优选的实施方式，壳体2内腔嵌若干滚珠15，若干滚珠15呈若干排分布，磁钢套4外侧面上设置若干弧形槽42，每排滚珠15的顶面均插入每一弧形槽42内。在主轴3位移时，磁钢套4也跟着主轴3位移，滚珠15在弧形槽42内滚动，从而大大减小磁钢套4在腔体内运动的滑动摩擦力，减小磨损，且滚珠15插设在弧形槽42内也能起到一定的限位作用使主轴3运动时不会旋转。
作为本实用新型一种优选的实施方式，复位装置包括固定在主轴3的第一端的卡圈9，卡圈9一端连接一垫圈10，垫圈10与前盖12之间连接一套设在主轴上的弹簧11。
作为本实用新型一种优选的实施方式，连接装置包括一六角螺母8和一球盖螺母7，六角螺母8和球盖螺母7均与主轴3的第一端螺纹连接。球盖螺母7左端与六角螺母8右端紧贴，六角螺母8的左端与卡圈9右端紧贴，卡圈9的左端与垫圈10的右端紧贴。球盖螺母7为与被测运动物的接触端，在球盖螺母7不受力时，在弹簧11的作用力下，主轴3的第一端始终远离前盖12。六角螺母8用于微调球盖螺母7的前后位置。
如图3所示，可补充的是，可以根据实际需要，将球盖螺母7换成其他的接触件。如主轴的第一端连接一万向球轴承14，主轴3通过万向球轴承14与被测物体直接连接后可由被测物体牵引着前后移动，这种情况下，由卡圈9、垫圈10和弹簧11组成的主轴复位装置就不再需要了。
作为本实用新型一种优选的实施方式，主轴3的侧面设两梯形嵌槽31，两磁钢5分别插设在两个梯形嵌槽31内，磁钢5与主轴3之间过盈配合连接。梯形嵌槽31的设计使磁钢5的安装和拆卸更方便，过盈配合的连接方式使磁钢5和主轴3连接更牢固，不用担心运动次数过多而导致的磁钢5松动的现象出现。
两个磁钢5相互平行，即两个磁钢5的顶面平行，两个磁钢5在霍尔元件61处的磁场更加清晰，叠加磁场的计算也就更加准确，从而可更快地掌握磁场与磁钢5位移距离的关系和规律。
作为本实用新型一种优选的实施方式，线路板6安装于壳体2内部上方的槽内，线路板6上焊有包括霍尔元件61在内的所有电子元件。霍尔元件61可以检测所处磁场的强度变化并将这种变化转化成控制系统所需的信号，该信号可以是电压、电流等模拟量，也可以是spi、ssi等数字量，霍尔元件输出信号通过同样焊接在线路板6上的线缆62和数据线被传送到外部信号接收设备，外部设备接收到该信号后就可以检测并计算出主轴3移动的距离，即被测物体移动的距离。
作为本专利的一种具体的实施例：
如图6所示，本专利的非接触直线位移传感器采用多磁钢建立联合磁场的方式，以此大幅增加直线位移传感器所能检测的位移量。比起单个磁钢只需考虑磁钢5和霍尔元件61之间垂直距离z一个参数，多磁钢方式需要考虑两个磁钢5之间的间距a、磁钢5和霍尔元件61之间的垂直距离z两个参数，两个参数相互影响一起决定了联合磁场下的输出曲线。
如图7、图8和图9所示，理想的输出曲线应该是单调递增的且斜率变化尽可能小，输出曲线1中l1、l2两段出现了递减的现象，输出曲线3中l3段则斜率变化太大不利于后期编程，这两种曲线都是不合适的。经过反复计算和测试，配置出最优的参数a和z，该磁钢下可以得到如输出曲线2所描述的可用曲线。
如图10所示，本专利所述的非接触直线位移传感器采用的霍尔元件61原本是用于角位移测量的元件，其输出信号和旋转角度有着优秀的线性关系，但当用作直线位移测量时，输出信号和位移量之间表现出的就如同图10所示的非线性曲线。
如图11所示，在通过对霍尔元件61进行多点校核和编程后可以使其输出如图11下方所示的直线。具体方法是对直线位移的工作范围进行多段等分，且任意两个相邻等分点之间的直线位移量为δl。所述工作范围的两个端点以及所述工作范围内的每个等分点处，霍尔元件61的输出信号均有对应的特征幅值，调整工作范围内的每个等分点处霍尔元件61输出信号的特征幅值，使得霍尔元件61的输出信号具有连续的多段线性，最终使霍尔元件61的输出信号近似线性分布。
另外，本发明还提供了一种直线位移检测系统，用于上述的非接触式直线位移传感器，如图12所示，包括
一输入电源处理单元20，包括一磁珠201和一二极管202，磁珠201的第一端与原始电源连接，磁珠201的第二端与二极管202的阳极连接；磁珠201的作用是抑制输入电源的高频噪声和尖峰干扰，二极管202的作用是提供反接保护。
一传感器电源单元30，与输入电源处理单元20的输出端连接；
一传感单元40，连接于传感器电源单元30的输出端与接地端之间，用于检测磁场强度的变化；
一信号处理单元50，连接于传感单元30的输出端与接地端之间，接收传感单元30的检测输出信号，并对检测输出信号进一步处理后输出至外部信号接收设备。
本发明的直线位移检测系统具有以下优点：
专为本发明的非接触式的直线位移传感器设计，核心元件而霍尔元件，针对霍尔元件而设计了电源模块和电源处理模块(即传感器电源单元和输入电源处理模块)，使霍尔元件工作在合适的电压环境下，检测效率高，且设置信号处理模块(即信号处理单元)，霍尔元件检测磁场变化后输出一定的信号，信号处理模块对信号进行一定处理使之适合外部信号接收设备直接读取，从而提高了信号传输速度。由于设计合理，结构简单，可有效保护霍尔元件，提高霍尔元件使用寿命，也提高了检测效率和信号传输效率，从而间接提高整个位移检测系统的效率。
作为本发明一种优选的实施方案，传感器电源单元30包括一电源集成模块301，具体地，电源集成模块301的型号采用lm317lf，电源集成模块301的输入引脚与二极管202的阴极连接；
电源集成模块301的调节引脚通过一第五电阻302和一第三电容303与二极管202的阴极串联；且第五电阻302和第三电容303的第二端与接地端连接。
电源集成模块301的输出引脚的第一端与传感单元40的输入端连接，电源集成模块301的输出引脚通过一第四电阻304连接电源集成模块301的调节引脚。
第五电阻302和第四电阻304为u3的电压调节反馈电阻，用于调节电压，输出合适的电压供传感单元40稳定工作。第三电容303为电源集成模块301的输入端滤波电容，用于改善输入电源的平滑性。
优选地是，电源集成模块301可为后级的传感单元40提供稳定可调的工作电压，并起到抑制纹波、过流过热保护的作用。
作为本发明一种优选的实施方案，传感单元40包括一霍尔元件62，具体地，霍尔元件的型号为mlx90360。该元件的作用是检测磁场强度的变化，并将该变化以基础的0～5v电压输送出去。
霍尔元件62的电源输入引脚连接传感器电源单元30的输出端，具体地，霍尔元件62的电源输入引脚与电源集成模块301的输出引脚连接。霍尔元件62的电源输入引脚与接地端之间接一第二电容402，
霍尔元件62的内部引脚接一第一电容401。
第一电容401为霍尔元件62内部的滤波电容，第二电容402为霍尔元件62的输入端的滤波电容，均用于改善电源的平滑性。
第一电阻403为u1的输出负载电阻，用于调节回路电流。
作为本发明一种优选的实施方案，信号处理单元50包括一双路运算放大器501，具体地，双路运算放大器的型号为lm2904。该双路运算放大器501的第一路用作电压跟随，作为前后级之间的缓冲；第二级用于将u1输出的0～5v电压信号放大至实际需要的电压信号，如0～10v等。
双路运算放大器501的一输入引脚与霍尔元件62的输出引脚连接，且两者连接处还通过一第一电阻403与接地端连接，第一电阻403为霍尔元件62的输出负载电阻，用于调节回路电流。
双路运算放大器501的电源输入引脚连接二极管202的阴极，直接由输入电源处理单元20供电；
双路运算放大器501的输出引脚的第一端通过一第二电阻502和一第三电阻503与接地端连接，第二电阻502和第三电阻503为双路运算放大器501的放大反馈电阻。
双路运算放大器501的输出引脚的第二端与外部信号接收设备连接，经过信号处理单元处理后的信号最终被传送到外部设备。
需补充的是，信号处理单元并不仅限于以上设计，可以根据实际需求改用电流转换模块以输出电流信号，或用模数转换模块转换成数字量信号进行输出，也可以取消信号处理单元直接输出u1部分的基础的0～5v电压。
以上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本实用新型说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本实用新型的保护范围内。
1.一种非接触直线位移传感器，其特征在于，包括
一壳体，通过支架固定于待测设备的固定端；
一后盖，固定于所述壳体的后端面；
一前盖，固定于所述壳体的前端面，所述壳体，所述后盖和所述前盖构成一腔体；
一主轴，穿设于所述前盖和所述后盖的内部,沿所述壳体的长度方向前后移动；
两磁钢，嵌入设置在所述主轴的顶面，两所述磁钢均位于所述壳体内部；
一霍尔元件，通过线路板置于所述壳体顶端，用于检测磁场强度变化，所述霍尔元件位于所述磁钢的上方；
一复位装置，套设于所述主轴第一端，位于所述壳体外朝向所述前盖的一侧；
一连接装置，固定在所述主轴一端，用于与被测物体接触。
2.根据权利要求1所述的一种非接触直线位移传感器，其特征在于，所述前盖内部固定一第一轴套，所述后盖内部固定一第二轴套，所述主轴插设于所述第一轴套和所述第二轴套的内部。
3.根据权利要求1所述的一种非接触直线位移传感器，其特征在于，所述主轴外侧固定一磁钢套，所述磁钢套位于所述前盖与所述后盖之间，两所述磁钢均位于所述磁钢套的内部。
4.根据权利要求3所述的一种非接触直线位移传感器，其特征在于，所述磁钢套内部设若干凸条，所述主轴的侧面设置相应数量的凹槽，每一所述凸条均插设在其对应位置的一所述凹槽内。
5.根据权利要求3所述的一种非接触直线位移传感器，其特征在于，所述壳体的内腔嵌若干滚珠，若干所述滚珠呈若干排分布，所述磁钢套外侧面设置若干弧形槽，每排所述滚珠的顶面均插入每一所述弧形槽内。
6.根据权利要求1所述的一种非接触直线位移传感器，其特征在于，所述复位装置包括固定在所述主轴的第一端的卡圈，所述卡圈一端连接一垫圈，所述垫圈与所述前盖之间连接一套设在所述主轴上的弹簧。
7.根据权利要求6所述的一种非接触直线位移传感器，其特征在于，所述连接装置包括一六角螺母和一球盖螺母，所述六角螺母和所述球盖螺母均与所述主轴的第一端螺纹连接，所述六角螺母与所述卡圈右侧面紧贴。
8.根据权利要求1所述的一种非接触直线位移传感器，其特征在于，两个所述磁钢相互平行。
9.根据权利要求1所述的一种非接触直线位移传感器，其特征在于，所述霍尔元件通过一线缆将输出信号输送至外部信号接收设备。
技术总结