位置编码式磁性位移传感器

1、一种用于感测二个物体间相对位移的磁性位移传感器，它包括一个安装 有永磁体的活动尺身与安装有磁敏元件的固定尺架及内置于该传感器的信号检 测识别电路组成，其特征在于，活动尺身上开有一凹形槽，凹形槽二侧端面上 呈直线或圆弧状不等间距钻有二个以上若干成对小孔，小孔上下相对，平行排 列，圆形状永磁体一一安装在小孔内，二个以上若干磁敏元件以不等间距平行 呈直线或圆弧状排列安装在固定尺架的凸形头上，各磁敏元件的信号输出端与 内置于本传感器的信号检测识别电路的差分信号输入端相连接，尺身凹形槽与 尺架上凸形头间留有间隙相互配合后，可进行线性移动或绕轴心转动。
2、根据权利要求1所说的位移传感器，其特征在于以不等间距安装于活动 尺身凹形槽内的永磁体在同一侧内按N-S，S-N极性二二相邻排列，在上下相对 二侧按N-S，N-S或S-N，S-N极性二二相对排列，永磁体间不等间距变化差异 在其平均间距的±1/7-±1/9之间呈随机排列，磁敏元件间不等间距变化差异在其 平均间距的±1/11-±1/13之间呈随机排列，以形成具有不同磁场强度随机排列的若 干磁场单元。
3、根据权利要求1所说的位移传感器，其特征在于各磁敏元件的信号引出 端按cn2排序组合，其中n≥2，二二成对形成位置编码，并按位置编码组合成若 干组差分信号输出。
4、根据权利要求3所说的位移传感器，其特征在于，内置于本传感器的信 号检测识别电路由一个多路差分输入模拟开关，一个差分输入A/D转换器，一 个微处理器芯片及一个串行接口芯片组成，各编码组合后的磁敏元件输出端与 多路差分模拟开关的输入端相连接，多路差分模拟开关的输出端同A/D转换器 的差分输入端相连接，A/D转换器的数字输出端与微处理器的数据总线相连接， 微处理器的I/O口与串行接口芯片相连接。

本发明涉及一种磁场强度随位移量改变而变化的磁性位移传感器。更具体 地说，本发明涉及由多个永磁体以不等间距组成不同的磁场强度单元，并由多 个不等间距排列的磁敏元件按其输出端cn2(n≥2)排序二二成对组合成若干编码集 合，以根据其感应的磁场强度及位置组合编码集合来确定其在不同磁场强度单 元的位置以及其位移的变量。这种位移改变量可以是直线位移或是角度位移。\n美国费希尔控制公司帕特里克·约翰·迪尔格等人申请的发明 WO97/18441号专利(中国专利申请公开号CN1203660A)表述了一种通过一固 定体，一活动体间随位移变化的磁阻来感知位移变化量，它通过标板与活动板 相互位移变化的间隙来改变磁通量，这种传感器只是在一个磁路单元内工作， 对于有较大的位移距离，其精度、分辨率将大受影响，其应用范围将大受限制。 此外，瑞士汉斯·乌尔里希·迈尔发明的感应位移传感器(中国发明专利申请 公开号CN1164639A)表述一种通过多个曲折交错的第一元件绕组线圈与第二元 件绕组线圈相互电感耦合，通过其曲折交错的节距形成标尺刻度，第一元件与 第二元件的相互间位移运动，感应出若干组不同时间间隔变化的脉冲电流，读 出脉冲间隔及其间隔变化函数即可得出位移变化量，这种设计思想虽有点类似 于某种编码技术，但本发明的编码技术是根据多组磁敏元件在不同磁场单元感 应强度来确定磁场单元位置及其位移量变化来编码组合的，而不是通过脉冲时 间间隔来确定位移变化量。汉斯·乌尔里希·迈尔发明的最大缺点在于由于瞬 时停电或其它原因，其脉冲计数一旦丢失，整个传感器的初置0点将不复存在， 且仍然存在一个测量非单值性问题，造成传感器指示位移量混乱。本发明的优 点在于完全克服了上述二项发明的缺点。本发明可根据量程范围由多个S-N， N-S永磁体与多个磁敏元件组成多个磁场强度检测单元来确定，并通过多个不同 磁场强度单元位置间隔的顺序，组成多个编码集合，它的量程范围大，每一磁 场强度单元检测分辨精度不受影响，最小可分辨0.1～1μm。使用多个磁敏元件 的输出端差分编码集合这一编码技术，在有限的测距范围内，不会造成测量非 单值性问题，即重码问题。在瞬时停电或其它原因造成完全断电时，传感器仍 能保持记录掉电期间的位移变化状态，恢复供电后，也能得出与初值0点一致 的实际位移值。\n图1是本发明的位移传感器安装有永磁体的活动尺身与安装有磁敏元件的 固定尺架结构示意图；\n图2是本发明安装于凹形槽二侧端面永磁体及安装于凸形头的磁敏元件位 置编码顶视示意图；\n图3是本发明安装于凹形槽二侧端面永磁体及安装于凸形头的磁敏元件位 置编码主侧平视图；\n图4是本发明各磁敏元件信号输出端组合编码示意图；\n图5是本发明内置的信号检测识别电路电原理图；\n图6是根据图1原理改变的角位移传感器结构示意图。\n上述6个图形均表述了本发明的最佳实施例的结构、组成及工作原理。以 下是对实施例的说明。\n图1、图6与图5分别组成实施例的二种形式。图1，图5，图6中，① 为活动尺身；②为活动尺身上的凹形槽；③为圆形永磁体；④为磁敏元件； ⑤为固定尺架；⑥为固定尺架上的凸形头；⑦为磁敏元件的信号引出线。图 1中，活动尺身与固定尺架由非导磁材料制成，活动尺身上开有一凹形槽， 凹形槽二侧端面上呈直线或圆弧(参见图1，图6)状不等间距钻有二个以上 若干成对小孔，小孔上下相对，平行排列，圆形状永磁体一一安装在小孔内， 二个以上若干磁敏元件以不等间距平行呈直线或圆弧(参见图1，图6)状排列 安装在固定尺架的凸形头上，各磁敏元件的信号输出端(图1，图6中的⑦)与 内置于本传感器的信号检测识别电路的差分信号输入端(见图5中的 (1A)～(nA)(1B)～(nB))相连接，以实现机电间的编码组合。活动尺身凹形槽与固 定尺架上的凸形头间留有间隙相互配合后，可沿箭头所指方向进行线性移动或 绕轴心转动。图1中所示的永磁体可以是钕、铁、硼晶态合金，也可以是非晶 态合金。图1中所示的磁敏元件可以是霍耳(HALL)效应元件，也可以是磁阻 敏感元件。图2、图3中，②为活动尺身凹形槽顶视图；③为排列于凹形槽中的 二侧端面的不等间距圆形永磁体；④为磁敏元件；⑥为固定尺架凸形头顶视图。 A-A为活动尺身凹形槽上端侧面平视图；B-B为活动尺身凹形槽下端侧面平视 图；⑦为磁敏元件信号引出线。图2、图3中，以不等间距安装于活动尺身凹形 槽内的永磁体在同一侧内按N-S，S-N极性二二相邻排列，在上下相对二侧按 N-S，N-S或S-N，S-N极性二二相对排列，永磁体间不等间距变化差异在其平 均间距的±1/7-±1/9之间呈随机排列，磁敏元件间不等间距变化差异应在其平均 间距的±1/11-±1/13之间呈随机排列，以形成具有不同磁场强度随机排列的若干磁 场单元；图2、图3中，a，b，c，z分别表示相邻二对永磁体间的距离， a≠b，b≠c，c≠z，……。l1，l2，l3分别表示相邻二磁敏元件间的距离，l1≠l2≠l3……。 图4举出一个实际应用例子，1，2，3，4分别代表4个磁敏元件，按c42方式共 有6对输出方式组合，即组合成12，13，14，23，24，34等6对差分组合信号。 对于n个磁敏元件(n≥2)，即有cn2对输出方式组合成差分信号。根据图2、图 3、图4所示，各磁敏元件的信号引出端按cn2(n≥2)排序组合，二二成对形成位置 编码，并按位置编码组合成若干组差分信号输出。这些差分信号同内置于本传 感器内的信号检测识别电路差分信号输入端相连接。由于磁敏元件信号引出端 按cn2(n≥2)方式组合编码，因此，在位移检测范围内，任一点组合编码信号值 均由表示该位置的多个不同磁场单元强度所检测的电压值来表示，这就是本发 明位置编码技术的概念。在有限测距范围内不可能发生重码现象，即测量的非 单值性问题，这一点可以从理论上给予证明，不在本发明讨论范围之内。图4 中12、13、14、23、24、34等6个组合差分引出信号分别同图5中的 (1A)(1B)，(2A)(2B)，(3A)(3B)，(4A)(4B)，(5A)(5B)，(6A)(6B)信号引入端相连接。图5 中，1为多路差分模拟开关，2为差分输入A/D转换器，3为微处理器芯片，4 为串行接口芯片，5为连接于多路差分模拟开关1、微处理器芯片3之间的通道 地址选择线，6为连接于差分输入A/D转换器2、微处理芯片3之间的数据总线， 7为连接于微处理芯片3、串行接口芯片4之间的I/O总线，8为串口输出线可 同RS232或RS485串口通讯标准兼容。图5为内置于本传感器内的信号检测识 别电路图，该电路由一个多路差分输入模拟开关1，一个差分输入A/D转换器2， 一个微处理器芯片3及一个串行接口芯片4组成，各编码组合后的磁敏元件输 出端与多路差分模拟开关的输入端相连接，多路差分模拟开关的输出端同A/D 转换器的差分输入端相连接，A/D转换器的数字输出端与微处理器的数据总线 相连接，微处理器的I/O口与串行接口芯片相连接。综上所述，由若干磁敏元件 输出端编码组合的磁场强度电压信号经多路模拟开关及A/D转换器后，可一一 将其转换成多组数字信号，这些数字信号即含有活动尺身与固定尺架的位置相 对变化的信息，这些信息经微处理器芯片解码处理后，即可得出实测位移值， 经串口输出送计算机显示器显示。\n本发明提供的位置编码式磁性位移传感器的积极效果可同一般同类传感器 相比较。如，电感调频式位移传感器，它存在分辨精度较低，一般在0.01mm左 右，线性度不好的缺点。如，光栅式位移传感器虽然精度高，但在测量过程中 不能掉电，一旦掉电，将会丢失掉电期间位移发生改变的数值。如，容栅式位 移传感器耐湿性较差，不能适用复杂多变的工程作业环境。如，采用一般磁敏 技术的传感器，虽能耐受复杂多变的工程作业环境，并具有分辨精度高、线性 好的优点，但其量程范围较小。本发明的关键是采用位置编码技术，它保留了 一般磁敏位移传感器的优点，它既能扩大量程范围，它又能记忆每一工作磁场 单元的位置及其改变量，因此它具有分辨精度高，量程范围大，稳定特性好， 使用寿命长，且有不怕潮湿的优点，具有能胜任各种复杂环境作业的特点。熟 悉本领域的工程技术人员都可以用其他具体形式来实施本发明，而不背离本发 明的精神或基本特征。所以无论从哪一点来看，都应将所给出的那些实施例考 虑为说明性的，而不是限制性的，专业人员可以从本发明的特征实质来选用不 同材料、元件和几何形状，本发明的保护范围要求由所附的权利要求书来指明， 其等价性的含义及变化均在保护性范围之内。