[發明專利]一種基于霍爾磁敏元件陣列的磁柵位移傳感器

有效

• 申請號: 201410183333.2
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103940332B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 嚴厚廣;梅從立;薛斌斌;陳子國;廖志凌;周志剛;王興云;丁曉梅
• 申請（專利權）人: 江蘇百協精鍛機床有限公司
• 主分類號: G01B7/02
• 分類號: G01B7/02
• 代理公司: 北京同輝知識產權代理事務所(普通合伙)11357
• 代理人: 劉洪勛

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，特別是提供了一種基于霍爾磁敏元件陣列的磁柵位移傳感器。

背景技術

隨著現代科技的發展和自動化水平的提高，在航空航天、機械制造、高精度數控機床等領域需要大量真實可靠的反映被測對象位置信息的位移傳感器，并且要求位移傳感器系統具有高分辨率、體積小、重量輕、響應速度快、穩定性好等特性。并進一步要求位移傳感器由傳統的模擬量向數字化方向轉化。磁柵尺是數字化位移傳感器中最常用、最基礎的一種。磁柵位移傳感器，由于它的抗震動和抗沖擊性能高，適宜在水、油、粉塵、高溫等工業環境下應用，而且結構簡單、體積較小、精度較高，因而得到廣泛應用。

目前使用的磁柵位移傳感器的核心部件多為磁感應線圈磁頭。磁感應線圈磁頭存在體積大、電路復雜、抗干擾差等缺點。而且線圈繞制和調整需要人工操作，難以自動化生產。而以單個霍爾磁敏元件作為磁頭的磁柵傳感器輸出信號存在嚴重非線性，信號處理較為復雜，測量精度較差。

發明內容

針對現有磁柵位移傳感器存在的上述缺陷，提供了一種使用霍爾磁敏元件陣列作為磁頭的新型磁柵位移傳感器。

本發明采用的技術方案如下：

一種基于霍爾磁敏元件陣列的磁柵位移傳感器，采用同規格磁鋼按相鄰極性相反排成一列，將其固定在磁基上作為磁柵尺；六個霍爾磁敏元件等間距排成一列作為磁頭；

通過實時檢測磁頭移動過程中霍爾磁敏元件輸出的電壓信號計算磁頭位移量，具體步驟為：

1)采用多個同規格磁鋼按相鄰極性相反排成一列，將其固定在磁基上作為磁柵尺，六個霍爾磁敏元件按等間距λ/3排列作為磁頭，霍爾元件陣列固定在滑軌并與磁柵尺保持一定距離平行放置；

2)當磁頭與磁柵尺相對移動時，霍爾磁敏元件陣列感應到磁柵尺磁場變化并輸出周期變化的電壓信號，將六路霍爾元件輸出信號中3組相位相差一定角度的信號分別疊加，并將一個周期內磁頭位移與疊加后輸出電壓信號進行線性插補，得到一個周期不同區間內輸出電壓信號與磁頭位移的數學表達式；

3)實時采集霍爾磁敏元件陣列輸出的電壓信號，根據輸出電壓信號與磁頭位移之間的數學關系計算磁頭位移量。

優選地，所述磁柵尺采用的磁鋼材料為稀土材料或鐵氧體永磁材料。

優選地，所述的磁頭是由六個霍爾磁敏元件等距排列組成，間距為λ/3；霍爾磁敏元件陣列按順序編號為A+、B+、C+、A-、B-、C-，六個霍爾磁敏元件輸出端按A+和A-，B+和B-，C+和C-差分連接。

優選地，所述稀土材料為釹鐵硼、釤鈷或鋁鎳鈷。

本發明的有益效果為：①采用磁鋼作為磁柵尺可以獲得較強的磁場，比一般的錄磁大很多。而且采用磁鋼排列可以隨時更換磁鋼及排列方式，便于編碼以及調整測量長度；②采用霍爾磁敏元件陣列作為磁頭，通過將六個霍爾元件輸出信號中兩條相位相差一定角度的曲線疊加，在一個周期內的不同角度選擇不同的插補曲線，可以使輸出信號在一個周期內實現線性化，提高了位移計算精度并簡化了數據處理過程。

附圖說明

圖1為本發明基于霍爾磁敏元件陣列的磁柵位移傳感器的結構原理圖；

圖2為本發明基于霍爾磁敏元件陣列的磁柵位移傳感器的位移結構示意圖；

圖3為本發明基于霍爾磁敏元件陣列的磁柵位移傳感器的霍爾磁敏元件輸出信號差分放大后三相電壓曲線。

圖4為本發明基于霍爾磁敏元件陣列的磁柵位移傳感器的周期內各區間磁頭相對位移與輸出電壓插補曲線。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

如圖1所示，圖1為本發明基于霍爾磁敏元件陣列的磁柵位移傳感器的結構原理圖。

本發明采用同規格磁鋼按相鄰極性相反排成一列，將其固定在磁基上作為磁柵尺。將六個霍爾磁敏元件按等間距λ/3(λ為磁鋼的節距)排列組成磁頭，磁柵尺與霍爾元件陣列保持一定感應距離平行放置。

如圖2所示，圖2為本發明基于霍爾磁敏元件陣列的磁柵位移傳感器的位移結構示意圖。

當磁柵位移傳感器磁頭處于某一位置時，其相對于起始點的絕對位移由兩部分組成，一個是完整周期的位移偏移量S1，另一個是周期內的相對位移S2?？偽灰芐＝S1+S2。根據輸出電壓信號與磁頭位移之間的關系可知，S1為輸出正弦電壓信號周期數N與磁鋼節距λ乘積的兩倍。