CN114543647A - 物理量的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种物理量的检测装置，包括：至少一个霍尔单元、集磁片、霍尔载板、封装体和副边框架；集磁片为对称结构体；每个霍尔单元包括第一霍尔元件和第二霍尔元件，集磁片设置在霍尔载板上；霍尔载板固定在副边框架上；不同的霍尔单元设置在集磁片上的不同位置；第一霍尔元件和第二霍尔元件分别设置在集磁片上的两个互为对称位置；所有霍尔单元、霍尔载板、副边框架封装于封装体上形成目标物理量的检测装置的结构体；目标物理量为位移和/或角度。采用本申请提供的物理量的检测装置可以兼容位移检测和角度检测，解决现有技术测量单一物理量的问题。
Description
技术领域
本申请涉及磁场传感器技术领域，特别是涉及一种物理量的检测装置。
背景技术
霍尔式位移检测装置通常基于霍尔效应来实现位移测量，以及霍尔式角度检测装置通常基于霍尔效应来实现角度测量，比如，现有的磁位移传感器、磁旋转编码器等。
现有的磁位移传感器通过读取磁头和磁栅标尺，检测长距离相对量和绝对量；现有的磁旋转编码器通过感应有无铁磁的开关量检测角度。然而上述磁位移传感器和磁旋转编码器均存在结构复杂，以及测量单一物理量的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够同时测量位移和角度的物理量的检测装置。
第一方面，本申请提供一种物理量的检测装置，该物理量的检测装置包括：至少一个霍尔单元、集磁片、霍尔载板、封装体和副边框架；集磁片为对称结构体；每个霍尔单元包括第一霍尔元件和第二霍尔元件，集磁片设置在霍尔载板上；霍尔载板固定在副边框架上；
不同的霍尔单元设置在集磁片上的不同位置；
第一霍尔元件和第二霍尔元件分别设置在集磁片上的两个互为对称位置；
所有霍尔单元、霍尔载板、副边框架封装于封装体上形成目标物理量的检测装置的结构体；目标物理量为位移和/或角度。
在其中一个实施例中，第一霍尔元件设置在集磁片的顶角上，第二霍尔元件设置在集磁片上的顶角上。
在其中一个实施例中，第一霍尔元件设置在集磁片的边长上，第二霍尔元件设置在集磁片的边长上。
在其中一个实施例中，物理量的检测装置还包括芯片数字寄存器，芯片数字寄存器用于存储对物理量的检测装置进行标定后的标定参量；标定参量表示被标定物的位移与物理量的检测装置的输出电压之间的关系，以及被标定物的角度与物理量的检测装置的输出电压之间的关系。
在其中一个实施例中，集磁片为硅钢片。
在其中一个实施例中，集磁片由坡莫合金材料构成。
在其中一个实施例中，集磁片的厚度取0.2毫米至0.5毫米之间的任一值。
在其中一个实施例中，集磁片为八边体、正四边体中的一种。
第二方面，本申请还提供一种物理量的检测方法，该方法应用于第一方面或第一方面任意一种可能的实现方式中的物理量的检测装置，该方法包括：
对物理量的检测装置进行位移和角度标定，得到标定后的物理量的检测装置；
确定标定后的物理量的检测装置中的目标霍尔单元；目标霍尔单元用于测量目标物理量；
获取目标霍尔单元感应输出的物理量。
在其中一个实施例中，对物理量的检测装置进行位移和角度标定，包括：根据磁场梯度变化与位移之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的位移与物理量的检测装置的输出电压之间的关系；位移为被标定物相对于物理量的检测装置在平面内的水平和垂直方向的移动距离；根据磁场梯度变化与角度之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的角度与物理量的检测装置的输出电压之间的关系；角度为被标定物基于物理量的检测装置的中心轴进行旋转的角度。
本申请提供的物理量的检测装置包括至少一个霍尔单元、集磁片、霍尔载板、封装体和副边框架；集磁片为对称结构体；每个霍尔单元包括第一霍尔元件和第二霍尔元件，集磁片设置在霍尔载板上；霍尔载板固定在副边框架上；不同的霍尔单元设置在集磁片上的不同位置；第一霍尔元件和第二霍尔元件分别设置在集磁片上的两个互为对称位置；所有霍尔单元、霍尔载板、副边框架封装于封装体上形成目标物理量的检测装置的结构体；目标物理量为位移和/或角度。本申请提供的物理量的检测装置位于被测物产生的磁场范围内，当被测物发生位移或角度变化时，物理量的检测装置中的霍尔元件所处的磁场梯度将发生变化，从而使得霍尔元件的电压发生变化，因此可以基于霍尔电压的变化测量被测物的位移和角度等物理量。本申请提供的物理量的检测装置在集磁片的不同位置分别设置了霍尔元件，设置在集磁片上不同位置的霍尔元件用于测量被测物的不同物理量，即本申请提供的物理量的检测装置可以兼容位移检测和角度检测，解决了现有检测装置测量单一物理量的问题。而且相较于现有的磁位移传感器、磁旋转编码器等检测装置，本申请提供的物理量的检测装置结构简单，成本较低。另外，若被测物产生的磁场水平通过霍尔元件时，霍尔元件是检测不到磁场变化的，而本申请中集磁片可以基于边缘效应将水平磁场转换为竖直方向的磁场，从而被霍尔元件检测到，进一步的，物理量的检测装置可以基于转化后的磁场的变化测得被测物的位移、角度等物理量。即本申请考虑了被测物产生的磁场水平通过霍尔元件的情况，扩大了物理量的检测装置的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域不同技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个实施例提供的物理量的检测装置的结构示意图；
图2为一个实施例提供的物理量的检测装置中集磁片的形状示意图；
图3为一个实施例提供的物理量的检测装置中集磁片的尺寸示意图；
图4为一个实施例提供的物理量的检测装置的另一结构示意图；
图5为一个实施例提供的物理量的检测装置的另一结构示意图；
图6为一个实施例提供的物理量的检测装置的另一结构示意图；
图7为一个实施例提供的物理量的检测装置的另一结构示意图；
图8为一个实施例提供的物理量的检测装置的另一结构示意图；
图9为一个实施例提供的物理量的检测装置的另一结构示意图；
图10为一个实施例提供的物理量的检测装置的另一结构示意图；
图11为一个实施例提供的物理量的检测装置的另一结构示意图；
图12为一个实施例提供的物理量的检测装置的另一结构示意图；
图13为一个实施例提供的物理量的检测装置的另一结构示意图；
图14为一个实施例中被测物的位移和磁场梯度的关系示意图；
图15为一个实施例提供的物理量的检测装置的另一结构示意图；
图16为一个实施例中物理量的检测装置的结构框图；
图17为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
下面以具体的实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
霍尔式位移检测装置通常基于霍尔效应来实现位移测量，例如现有的磁位移传感器，通过读取磁头和磁栅标尺，检测长距离相对量和绝对量；霍尔式角度检测装置通常基于霍尔效应来实现角度测量，例如现有的磁旋转编码器，通过感应有无铁磁的开关量检测角度。然而上述磁位移传感器和磁旋转编码器结构复杂、成本较高，而且只能测量单一物理量，即磁位移传感器只能检测位移，磁旋转编码器只能检测角度，且各类型传感器的构成也不同，测量精度也不相同。
基于此，本申请提供了一种物理量的检测装置，能够兼容位移检测和角度检测，而且结构简单易于实现。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种物理量的检测装置，该物理量的检测装置包括：至少一个霍尔单元、集磁片、霍尔载板、封装体和副边框架；集磁片为对称结构体；每个霍尔单元包括第一霍尔元件和第二霍尔元件，集磁片设置在霍尔载板上；霍尔载板固定在副边框架上；不同的霍尔单元设置在集磁片上的不同位置；第一霍尔元件和第二霍尔元件分别设置在集磁片上的两个互为对称位置；所有霍尔单元、霍尔载板、副边框架封装于封装体上形成目标物理量的检测装置的结构体；目标物理量为位移和/或角度。
上述集磁片可以由软磁铁镍材料、坡莫合金材料等构成。软磁铁镍材料是一种磁导率较高的材料，比如，软磁铁镍材料中的硅钢片具有较高的磁导率，因此，由该类型材料构成集磁片可以提高检测到的磁场梯度变化的范围，进一步的，提高了物理量的检测装置的量程。最优的，集磁片可以直接使用硅钢片制成。可选的，上述集磁片也可以由坡莫合金材料构成，由于该类型材料也具有较高的磁导率，因此，由该类型材料构成集磁片也可以相应提高构成物理量的检测装置的量程。且较高的磁导率避免了由于集磁片的磁饱和引起的温度集中以及应力集中等现象，保证了物理量的检测装置的测量精度以及测量稳定性。另外，采用上述已有材料构成的集磁片在实际应用中可以直接进行加工后再封装至物理量的检测装置的结构，相比于传统的作为磁传感器的集磁片采用电镀、或溅射、或磁箔工艺存在的检测量程小的问题，本实施例提供的物理量的检测装置对于水平磁场分量的转化效率可以提高至数百倍，进而可以极大的提高物理量的检测装置的检测量程。且传统的采用电镀或磁箔工艺的集磁片由于检测量程较小，往往将集磁片截断以提高检测量程，而本申请实施例直接采用软磁铁镍、坡莫合金等材料作为集磁片，由于上述材料自身的特性即可满足大量程的需求，例如，硅钢片的饱和磁感应强度能够达到2000mT、矫顽力可以达到40A/m、初始导磁率为1500H/m、最大导磁率达到20000H/m、电阻率达到50μΩ/cm、居里温度可以达到750K；坡莫合金的饱和磁感应强度能够达到740mT、矫顽力可以达到2.4A/m、初始导磁率为40000H/m、最大导磁率达到200000H/m、电阻率达到60μΩ/cm、居里温度可以达到450K，因此，本申请实施例无需对集磁片进行截断处理，降低了物理量的检测装置的工艺复杂度。
可选的，集磁片采用对称结构体，如图2所示，可以是八边体，也可以是正四边体。其中，正四边体如图2a所示，八边体如图2b所示。由于集磁片的大小会影响物理量的检测装置的大小以及检测量程，因此，集磁片的尺寸可以根据实际物理量的检测装置的大小确定，可以根据物理量的检测装置的量程确定，也可以根据霍尔元件的数量确定，对此不限定。需要说明的是，当集磁片为八边体时，霍尔元件放置的短边的边长应小于或等于对边的最短边长，例如，如图3所示，在一种应用中，霍尔元件放置的短边的边长可以为0.21毫米，霍尔元件放置的短边的对边的最短边长可以为1.1毫米。
物理量的检测装置包含至少一个霍尔单元。当物理量的检测装置包含一个霍尔单元时，该霍尔单元可以设置在集磁片上的任意位置，由于一个霍尔单元同一时间内只能检测一个物理量，则该物理量的检测装置在同一时间只能检测被测物的一个物理量，比如，检测位移或角度；当物理量的检测装置包含多个霍尔单元时，由于不同的霍尔单元可以检测不同的物理量，该物理量的检测装置即可以实现同时检测被测物的不同物理量，比如，同时检测位移和角度。而且，不同的霍尔单元设置在集磁片的不同位置，例如，图1所示的四边体的上下两个顶角上的霍尔元件组成一个霍尔单元、左右两个顶角上的霍尔元件组成一个霍尔单元、左上边和右下边上的霍尔元件组成一个霍尔单元、左下边和右上边上的霍尔元件组成一个单元。
每个霍尔单元包括第一霍尔元件和第二霍尔元件两个霍尔元件，同一霍尔单元的两个霍尔元件设置在集磁片的两个互为对称的位置上。其中，两个互为对称的位置可以是集磁片的边缘位置，具体的，可以是集磁片的任意一条边上的位置，也可以是集磁片的顶角所处的位置。例如，如图1所示，第一霍尔元件和第二霍尔元件可以设置在正四边体的集磁片上的对顶角上，也可以设置在对边的相应位置上。
上述每一霍尔单元中的第一霍尔元件或第二霍尔元件可以为相同类型的霍尔元件，均是基于霍尔效应实现物理量的检测。具体的，若被测物的物理量(比如位移或角度)发生改变，则物理量的检测装置中，设置在集磁片上的每一霍尔单元的第一霍尔元件或第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，进一步的，磁场梯度的变化使得霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置在检测被测物的位移时，首先可以根据霍尔电压和梯度之间的关系以及霍尔电压的变化确定对应的磁场梯度的变化，然后根据磁场梯度和被测物位置的关系以及磁场梯度的变化确定被测物的位移；物理量的检测装置在检测被测物的角度变化时，首先可以根据霍尔电压和梯度之间的关系以及霍尔电压的变化确定对应的磁场梯度的变化，然后根据磁场梯度和被测物的角度之间的关系以及磁场梯度的变化确定被测物的角度变化。其中，处于不同位置的霍尔单元用于检测不同的物理量，例如，可以设置第一霍尔元件和第二霍尔元件处于集磁片顶角的霍尔单元检测被测物的位移，设置第一霍尔元件和第二霍尔元件处于集磁片边上的霍尔单元检测被测物的角度变化，上述仅是一种实例说明，实际应用中，也可以设置第一霍尔元件和第二霍尔元件处于集磁片边上的霍尔单元检测被测物的位移，设置第一霍尔元件和第二霍尔元件处于集磁片顶角的霍尔单元检测被测物的角度变化。另外，物理量的检测装置中，用于检测同一物理量的霍尔单元可以为一个，也可以为多个，对此不限定。
上述霍尔载板可以固定在副边框架上，用于作为集磁片以及霍尔单元中霍尔元件的载体；霍尔载板可以为半导体芯片。副边框架包括多个副边引脚，由该副边引脚可以连接外部电路，外部电路用于对检测到的电压信号进行放大、转换等处理。霍尔载板、副边框架的尺寸可以根据实际检测物理量装置的封装体的大小设置，对此不限定。
上述封装体用于将集磁片、霍尔单元中的霍尔元件、霍尔载板以及副边框架封装为一个结构体。封装体的尺寸可以根据检测电流装置和实际应用需求进行设定，对此不限定。
示例性说明本实施例所述的物理量的检测装置的检测原理，例如，如图4所示，该物理量的检测装置放置于XY平面上，集磁片为对称结构的正四边体，其两个对顶角线分别平行于X轴和Y轴，并放置于霍尔载板上，被测物产生的磁场方向为Y轴正方向，且磁力线包围霍尔载板上的集磁片，使集磁片上的霍尔元件能够感应磁场梯度发生。使用该物理量的检测装置检测被测物的位移时，可以在集磁片上设置一个霍尔单元，该霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件分别设置于集磁片靠近副边引脚的两个顶角上(即对顶角线平行于Y轴的两个顶角上)。当被测物沿着Y轴的正方向或负方向发生位移时，第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得两者的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物位置的关系以及磁场梯度的变化确定被测物的位移。比如，图4所述的检测装置用于检测被检测物在Y轴方向的位移，同理，图5所述的检测装置用于检测被检测物在X轴方向的位移，同理，图6所述的检测装置用于同时检测被检测物在X轴和Y轴方向的位移。
如图7所示，使用该物理量的检测装置检测被测物的角度变化时，可以在四边体的集磁片的两个对边上分别设置第一霍尔单元和第二霍尔单元两个霍尔单元，第一霍尔单元的第一霍尔元件设置于该集磁片的任意一条边上，第二霍尔元件设置于该边的对边上；第二霍尔单元的第一霍尔元件设置于第一霍尔单元的第一霍尔元件所处边的任一邻边上，第二霍尔元件设置于该邻边的对边上。在实际测量时，当被测物在XY平面内转动时，上述两个霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得霍尔元件的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及两个霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物角度的关系以及磁场梯度的变化确定被测物的旋转角度。比如，图7所述的检测装置用于检测被检测物在正方向(顺时针方向)旋转的角度，同理，图8所述的检测装置用于检测被检测物在负方向(逆时针方向)旋转的角度，同理，图9所述的检测装置用于同时检测被检测物在各个方向的旋转角度。
如图10所示，使用该物理量的检测装置同时检测被测物的位移以及角度变化时，可以在集磁片的两个对顶角以及两个对边设置四个霍尔单元，放置于对顶角线平行于Y轴的顶角上的霍尔元件(即放置于靠近副边引脚的顶角上的两个霍尔元件)构成的第一霍尔单元用于检测被测物在Y轴方向上的位移，放置于对顶角线平行于X轴的顶角上的两个霍尔元件(即放置于远离副边引脚的顶角上的两个霍尔元件)构成的第二霍尔单元用于检测被测物在X轴方向上的位移，位于集磁片边上的第三霍尔单元和第四霍尔单元用于检测被测物在XY平面内的角度变化。当被测物沿着Y轴的正方向或负方向发生位移时，第一霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得两者的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及第一霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物位置的关系以及磁场梯度的变化确定被测物在Y轴方向的位移。当被测物沿着X轴的正方向或负方向发生位移时，第二霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得两者的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及第二霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物位置的关系以及磁场梯度的变化确定被测物在X轴方向的位移。当被测物在XY平面内转动时，第三霍尔单元和第四霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得霍尔元件的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及第三霍尔单元和第四霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物角度的关系以及磁场梯度的变化确定被测物的旋转角度。
在实际应用中，集磁片的摆放位置不同，其上设置的霍尔单元测量的物理量不同，对应的水平磁场的转化率也不同，进而使得物理量的检测装置的检测量程也不同。基于图10结构形式的物理量的检测装置，本实施例还提供了一种可能的实现方式，如图11所示，该物理量的检测装置放置于XY平面上，集磁片为对称结构的正四边体，其四条边平行于X轴和Y轴放置于霍尔载板上，被测物产生的磁场方向为Y轴正方向，且磁力线包围霍尔载板上的集磁片，使集磁片上的霍尔元件能够感应磁场梯度发生。。使用该物理量的检测装置同时检测被测物的位移以及角度变化时，可以在集磁片的两个对顶角以及两个对边设置四个霍尔单元，放置于平行于X轴的边上的两个霍尔元件构成的第一霍尔单元用于检测被测物在Y轴方向上的位移，放置于平行于Y轴的边上的两个霍尔元件构成的第二霍尔单元用于检测被测物在X轴方向上的位移，位于集磁片顶角的第三霍尔单元和第四霍尔单元用于检测被测物在XY平面内的角度变化。当被测物沿着Y轴的正方向或负方向发生位移时，第一霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得两者的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及第一霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物位置的关系以及磁场梯度的变化确定被测物在Y轴方向的位移。当被测物沿着X轴的正方向或负方向发生位移时，第二霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得两者的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及第二霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物位置的关系以及磁场梯度的变化确定被测物在X轴方向的位移。当被测物在XY平面内转动时，第三霍尔单元和第四霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得霍尔元件的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及第三霍尔单元和第四霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物角度的关系以及磁场梯度的变化确定被测物的旋转角度。
在实际应用中，集磁片的形状不同，对应转化率也不同，基于图10结构形式的封装体，本实施例还提供了一种可能的实现方式中，如图12所示，该装置中的集磁片为八边体，且其中四个边为短边对称设置，四个边为长边对称设置。该物理量的检测装置放置于XY平面上，集磁片为对称结构的八边体，其四个短边分别平行于X轴和Y轴，且放置于霍尔载板上，以及两个短边之间的连线分别平行于X轴和Y轴，被测物产生的磁场方向为Y轴正方向。使用该物理量的检测装置同时检测被测物的位移以及角度变化时，可以在集磁片的两个短对边以及两个长对边分别设置四个霍尔单元，放置于平行于X轴的短边上的两个霍尔元件构成的第一霍尔单元用于检测被测物在Y轴方向上的位移，放置于平行于Y轴的短边上的两个霍尔元件构成的第二霍尔单元用于检测被测物在X轴方向上的位移，位于集磁片长边上的第三霍尔单元和第四霍尔单元用于检测被测物在XY平面内的角度变化。当被测物沿着Y轴的正方向或负方向发生位移时，第一霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得两者的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及第一霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物位置的关系以及磁场梯度的变化确定被测物在Y轴方向的位移。当被测物沿着X轴的正方向或负方向发生位移时，第二霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得两者的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及第二霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物位置的关系以及磁场梯度的变化确定被测物在X轴方向的位移。当被测物在XY平面内转动时，第三霍尔单元和第四霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得霍尔元件的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及第三霍尔单元和第四霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物角度的关系以及磁场梯度的变化确定被测物的旋转角度。
基于上述八边体结构，当八边体的摆放位置发生改变时，对应转化率也不同，本实施例还提供了一种可能的实现方式中，如图13所示，该物理量的检测装置放置于XY平面上，集磁片为对称结构的八边体，其四个长边分别平行于X轴和Y轴，且放置于霍尔载板上，以及两个长边之间的连线分别平行于X轴和Y轴，被测物产生的磁场方向为Y轴正方向。使用该物理量的检测装置同时检测被测物的位移以及角度变化时，可以在集磁片的两个短对边以及两个长对边设置四个霍尔单元，放置于平行于X轴的长边上的两个霍尔元件构成的第一霍尔单元用于检测被测物在Y轴方向上的位移，放置于平行于Y轴的长边上的两个霍尔元件构成的第二霍尔单元用于检测被测物在X轴方向上的位移，位于集磁片短边上的第三霍尔单元和第四霍尔单元用于检测被测物在XY平面内的角度变化。当被测物沿着Y轴的正方向或负方向发生位移时，第一霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得两者的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及第一霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物位置的关系以及磁场梯度的变化确定被测物在Y轴方向的位移。当被测物沿着X轴的正方向或负方向发生位移时，第二霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得两者的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及第二霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物位置的关系以及磁场梯度的变化确定被测物在X轴方向的位移。当被测物在XY平面内转动时，第三霍尔单元和第四霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件所检测到的磁场梯度将会发生变化，从而使得霍尔元件的霍尔电压发生改变。因此，物理量的检测装置可以根据霍尔电压和磁场梯度之间的关系以及第三霍尔单元和第四霍尔单元的第一霍尔元件和第二霍尔元件的霍尔电压的变化确定所检测到的磁场梯度的变化，进而根据磁场梯度和被测物角度的关系以及磁场梯度的变化确定被测物的旋转角度。
本申请提供的物理量的检测装置包括至少一个霍尔单元、集磁片、霍尔载板、封装体和副边框架；集磁片为对称结构体；每个霍尔单元包括第一霍尔元件和第二霍尔元件，集磁片设置在霍尔载板上；霍尔载板固定在副边框架上；不同的霍尔单元设置在集磁片上的不同位置；第一霍尔元件和第二霍尔元件分别设置在集磁片上的两个互为对称位置；所有霍尔单元、霍尔载板、副边框架封装于封装体上形成目标物理量的检测装置的结构体；目标物理量为位移和/或角度。本申请提供的物理量的检测装置位于被测物产生的磁场范围内，当被测物发生位移或角度变化时，物理量的检测装置中的霍尔元件所处的磁场梯度将发生变化，从而使得霍尔元件的电压发生变化，因此可以基于霍尔电压的变化测量被测物的位移和角度等物理量。本申请提供的物理量的检测装置在集磁片的不同位置分别设置了霍尔元件，设置在集磁片上不同位置的霍尔元件用于测量被测物的不同物理量，即本申请提供的物理量的检测装置可以兼容位移检测和角度检测，解决了现有检测装置测量单一物理量的问题。而且相较于现有的磁位移传感器、磁旋转编码器等检测装置，本申请提供的物理量的检测装置结构简单，成本较低。另外，若被测物产生的磁场水平通过霍尔元件时，霍尔元件是检测不到磁场变化的，而本申请中集磁片可以基于边缘效应将水平磁场转换为竖直方向的磁场，从而被霍尔元件检测到，进一步的，物理量的检测装置可以基于转化后的磁场的变化测得被测物的位移、角度等物理量。即本申请考虑了被测物产生的磁场水平通过霍尔元件的情况，扩大了物理量的检测装置的应用范围。再者，本申请提供了多种设置霍尔单元的方式，且霍尔单元所设置位置不同，检测的物理不同，具体可以检测单一方向，也可以检测多方向的位移和角度，具体检测装置可以根据实际应用需求灵活设置，因此，本申请提供的检测装置的应用范围很广，且可以灵活应用。
在实际应用中，集磁片的厚度也会对集磁片的转化率产生影响。在一个实施例中，集磁片的厚度可以取0.2毫米至0.5毫米之间的任一值，厚度处于该数值范围内可以增强集磁片的边缘效应，使得更多水平方向的磁场转换为竖直方向的磁场，增大了检测到的磁场梯度变化的范围，从而提高了物理量的检测装置的量程。例如，在实际应用中，通过实验最优地，集磁片的厚度可以取0.26毫米。
上述实施例中涉及了物理量的检测装置根据霍尔电压和磁场变化之间的关系、位移、角度等物理量和磁场变化之间的关系确定被测物的物理量的方案。在本申请的另一实施例中，上述霍尔电压、磁场变化、以及物理量之间的关系可以直接存储于物理量的检测装置中，以便于物理量的检测装置在进行物理量检测时，可以直接根据霍尔电压的变化以及霍尔电压、磁场变化、物理量之间的关系自动化地确定被测物的物理量。
具体实现中，物理量的检测装置还可以包括芯片数字寄存器，在对物理量的检测装置进行标定后，可以将获得的标定参量储存至芯片数字寄存器中。当物理量的检测装置在对被测物进行检测时，芯片数字寄存器可以直接获取相应的霍尔单元中，霍尔元件的输出电压，并根据获取的霍尔电压以及标定参量确定出被测物的物理量。
其中，标定参量表示被标定物的位移与物理量的检测装置的输出电压之间的关系，以及被标定物的角度与物理量的检测装置的输出电压之间的关系。
本申请实施例中，物理量的检测装置还可以包括芯片数字寄存器，用于存储标定物的标定参量，并可以根据霍尔电压以及标定参量直接确定出被测物的物理量，提高了物理量的检测装置的检测灵敏度。
基于现有技术中磁传感器只能测量单一物理量的问题，本申请还提供了一种物理量的检测方法，采用本申请提供的物理量的检测装置检测被测物的物理量，从而兼容位移检测和角度检测，解决测量单一物理量的问题。图14为本申请实施例提供的一种物理量的检测方法的流程示意图，包括以下步骤：
步骤1401、对物理量的检测装置进行位移和角度标定，得到标定后的物理量的检测装置。
本申请实施例为了实现利用物理量的检测装置确定被测物的物理量，首先要对该物理量的检测装置进行标定。
具体实现中，可以分别对被测物的物理量进行位移标定和角度标定。对物理量的检测装置进行位移标定，可以根据磁场梯度变化与位移之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的位移与物理量的检测装置的输出电压之间的关系。具体的，可以先确定被标定物与集磁片的相对距离、被标定物产生的磁场在集磁片最远距离有稳定电压信号输出、物理量的检测装置的检测灵敏度。然后确定需要标定的关键特征点，根据被标定物在每一关键特征点的位移与电压输出，确定被标定物的位移和霍尔电压之间的关系，上述被标定物的位移和霍尔电压之间的关系可以通过函数表示，并保存在物理量的检测装置中的芯片数字寄存器中。
对物理量的检测装置进行角度标定，可以根据磁场梯度变化与角度变化之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的位移与物理量的检测装置的输出电压之间的关系。具体的，可以先确定被标定物与集磁片的角度、被标定物产生的磁场在集磁片极限角度有稳定电压信号输出、物理量的检测装置的检测灵敏度。然后确定需要标定的关键特征角，根据被标定物在每一关键特征角的角度变化与电压输出，确定被标定物的角度变化和霍尔电压之间的关系，上述被标定物的角度变化和霍尔电压之间的关系可以通过函数表示，并保存在物理量的检测装置中的芯片数字寄存器中。
其中，位移为被标定物相对于物理量的检测装置在平面内的水平和垂直方向的移动距离；角度为被标定物基于物理量的检测装置的中心轴进行旋转的角度；被标定物的位移和霍尔电压之间的关系的函数表示可以为一段，可以为两段，也可以为三段；被标定物的角度变化和霍尔电压之间的关系的函数表示可以为一段，可以为两段，也可以为三段。其中，被检测物的位移和磁场梯度之间的关系可以如图15所示，Y轴表示集磁片与被标定物之间距离，X轴表示Y轴相对位置方向上的磁场梯度值，Φ表示被标定物相对集磁片的初始夹角。
步骤1402、确定标定后的物理量的检测装置中的目标霍尔单元；目标霍尔单元用于测量目标物理量。
具体实现中，由于集磁片上不同霍尔单元用于检测不同的物理量，因此，在使用标定后的物理量的检测装置进行目标物理量(位移或角度)的检测时，首先要确定检测目标物理量的目标霍尔单元。例如，可以根据物理量的检测装置的标定过程确定目标霍尔单元。即若物理量的检测装置在位移标定过程中，通过第一霍尔单元的输出电压和位移之间的关系获得标定参量，则在对被测物的位移进行检测时，第一霍尔单元即为目标霍尔单元；物理量的检测装置在角度标定过程中，通过第三霍尔单元以及第四霍尔单元的输出电压和角度变化之间的关系获得标定参量，则在对被测物的角度进行检测时，三霍尔单元以及第四霍尔单元即为目标霍尔单元。
步骤1403、获取目标霍尔单元感应输出的物理量。
具体实现中，在确定了目标霍尔单元后，可以获取目标霍尔单元感应输出的物理量，即目标霍尔单元的输出电压，进而根据目标霍尔单元的输出电压以及保存在芯片数字寄存器中的标定参量确定被测物的物理量。
本申请实施例提供的物理量的检测方法首先对物理量的检测装置进行位移和角度标定，将标定结果储存在物理量的检测装置中，从而得到标定后的物理量的检测装置。然后确定用于检测目标物理量的目标霍尔单元以及目标霍尔单元的输出电压，则根据目标霍尔单元的输出电压以及保存在芯片数字寄存器中的标定参量即可确定被测物的物理量。可见，本申请通过采用物理量的检测装置检测被测物的物理量，从而兼容位移检测和角度检测，解决测量单一物理量的问题。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的物理量的检测方法的物理量的检测装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个物理量的检测装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于物理量的检测方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，如图16所示，提供了一种物理量的检测装置，包括：标定模块、确定模块和获取模块，其中：
标定模块1601，用于对物理量的检测装置进行位移和角度标定，得到标定后的物理量的检测装置；
确定模块1602，用于确定标定后的物理量的检测装置中的目标霍尔单元；目标霍尔单元用于测量目标物理量；
获取模块1603，用于获取目标霍尔单元感应输出的物理量。
在一个实施例中，对物理量的检测装置进行位移和角度标定，包括：根据磁场梯度变化与位移之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的位移与物理量的检测装置的输出电压之间的关系；位移为被标定物相对于物理量的检测装置在平面内的水平和垂直方向的移动距离；根据磁场梯度变化与角度之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的角度与物理量的检测装置的输出电压之间的关系；角度为被标定物基于物理量的检测装置的中心轴进行旋转的角度。
上述物理量的检测装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图17所示。该计算机设备包括通过***总线连接的处理器、存储器、通信接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作***和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作***和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、移动蜂窝网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种物理量的检测方法。
本领域技术人员可以理解，图17中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
对物理量的检测装置进行位移和角度标定，得到标定后的物理量的检测装置；
确定标定后的物理量的检测装置中的目标霍尔单元；目标霍尔单元用于测量目标物理量；
获取目标霍尔单元感应输出的物理量。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据磁场梯度变化与位移之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的位移与物理量的检测装置的输出电压之间的关系；位移为被标定物相对于物理量的检测装置在平面内的水平和垂直方向的移动距离；根据磁场梯度变化与角度之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的角度与物理量的检测装置的输出电压之间的关系；角度为被标定物基于物理量的检测装置的中心轴进行旋转的角度。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
对物理量的检测装置进行位移和角度标定，得到标定后的物理量的检测装置；
确定标定后的物理量的检测装置中的目标霍尔单元；目标霍尔单元用于测量目标物理量；
获取目标霍尔单元感应输出的物理量。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：
根据磁场梯度变化与位移之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的位移与物理量的检测装置的输出电压之间的关系；位移为被标定物相对于物理量的检测装置在平面内的水平和垂直方向的移动距离；根据磁场梯度变化与角度之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的角度与物理量的检测装置的输出电压之间的关系；角度为被标定物基于物理量的检测装置的中心轴进行旋转的角度。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
对物理量的检测装置进行位移和角度标定，得到标定后的物理量的检测装置；
确定标定后的物理量的检测装置中的目标霍尔单元；目标霍尔单元用于测量目标物理量；
获取目标霍尔单元感应输出的物理量。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：
根据磁场梯度变化与位移之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的位移与物理量的检测装置的输出电压之间的关系；位移为被标定物相对于物理量的检测装置在平面内的水平和垂直方向的移动距离；根据磁场梯度变化与角度之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的角度与物理量的检测装置的输出电压之间的关系；角度为被标定物基于物理量的检测装置的中心轴进行旋转的角度。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种物理量的检测装置，其特征在于，所述物理量的检测装置包括：至少一个霍尔单元、集磁片、霍尔载板、封装体和副边框架；所述集磁片为对称结构体；每个所述霍尔单元包括第一霍尔元件和第二霍尔元件，所述集磁片设置在所述霍尔载板上；所述霍尔载板固定在所述副边框架上；
不同的所述霍尔单元设置在所述集磁片上的不同位置；
所述第一霍尔元件和所述第二霍尔元件分别设置在所述集磁片上的两个互为对称位置；
所有所述霍尔单元、所述霍尔载板、所述副边框架封装于所述封装体上形成目标物理量的检测装置的结构体；所述目标物理量为位移和/或角度。
2.根据权利要求1所述的物理量的检测装置，其特征在于，所述第一霍尔元件设置在所述集磁片的顶角上，所述第二霍尔元件设置在所述集磁片上的顶角上。
3.根据权利要求1所述的物理量的检测装置，其特征在于，所述第一霍尔元件设置在所述集磁片的边长上，所述第二霍尔元件设置在所述集磁片的边长上。
4.根据权利要求1所述的物理量的检测装置，其特征在于，所述物理量的检测装置还包括芯片数字寄存器，所述芯片数字寄存器用于存储对所述物理量的检测装置进行标定后的标定参量；所述标定参量表示被标定物的位移与所述物理量的检测装置的输出电压之间的关系，以及被标定物的角度与所述物理量的检测装置的输出电压之间的关系。
5.根据权利要求2所述的物理量的检测装置，其特征在于，所述集磁片为硅钢片。
6.根据权利要求1所述的物理量的检测装置，其特征在于，所述集磁片由坡莫合金材料构成。
7.根据权利要求1所述的物理量的检测装置，其特征在于，所述集磁片的厚度取0.2毫米至0.5毫米之间的任一值。
8.根据权利要求1所述的物理量的检测装置，其特征在于，所述集磁片为八边体、正四边体中的一种。
9.一种物理量的检测方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-6任一项所述的物理量的检测装置，所述方法包括：
对所述物理量的检测装置进行位移和角度标定，得到标定后的物理量的检测装置；
确定所述标定后的物理量的检测装置中的目标霍尔单元；所述目标霍尔单元用于测量目标物理量；
获取所述目标霍尔单元感应输出的物理量。
10.根据权利要求9所述的物理量的检测方法，其特征在于，所述对所述物理量的检测装置进行位移和角度标定，包括：
根据磁场梯度变化与位移之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的位移与所述物理量的检测装置的输出电压之间的关系；所述位移为所述被标定物相对于所述物理量的检测装置在平面内的水平和垂直方向的移动距离；
根据磁场梯度变化与角度之间的对应关系，以及磁场梯度变化与电压之间的对应关系，确定被标定物的角度与所述物理量的检测装置的输出电压之间的关系；所述角度为所述被标定物基于所述物理量的检测装置的中心轴进行旋转的角度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210153606.3A CN114543647A (zh) | 2022-02-18 | 2022-02-18 | 物理量的检测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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2022
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