CN117289186B - 一种磁栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁栅传感器，所述磁栅传感器包括一个或多个、由4个磁阻串联或并联而成的磁感应元件，所述4个磁阻为TMR或AMR，在空间上分布形成的方阵；配合4个磁阻之间特定偏置设置和灵敏度设置使磁栅传感器同时具有对灵敏方向的干扰磁场、垂直于灵敏度方向的干扰磁场的抗干扰能力，并且降低磁栅传感器的装配精度要求。本发明提供的磁栅传感器抗干扰能力强，测量精度高，装配简单，而且其在相对于磁栅尺的运动过程中，对自身的位置偏差具有较强的容错能力。
Description
技术领域
本申请涉及磁传感器技术领域或者位置检测技术领域，具体涉及一种抗干扰能力强，稳定性高的磁栅传感器。
背景技术
位移检测、特别是高精度的位移检测是自动控制、测量检测领域中所需的关键技术之一。尤其在航空航天、机械制造、高精度数控机床等应用领域往往需要实时、高精度地获取观测对象的位置。受限于***对位置传感器的限制，以及***中其他部分对位置信息的处理能力，一般要求位移传感器具有高分辨率、体积小、重量轻、响应速度快、稳定性好等特性，最好能够便捷地输出数字信号。
磁栅测量***是数字化位移传感器***中最常用、最基础的一种。磁栅位移传感器***，由于其抗震动和抗冲击性能高，适宜在水、油、粉尘、高温等工业环境下应用；而且由于其结构简单、体积较小、测量精度较高，能够满足大量应用场景对位移传感器的限制得到广泛应用。
磁栅位移磁传感器是利用磁头（磁栅传感器）与磁栅尺的相互磁作用而进行位移测量的装置，其主要由控制电路、磁头、磁尺等几部分组成。其中，磁栅尺用不导磁的金属做尺基，或者表面上镀上一层抗磁材料的钢材（如0.15-0.20mm厚的铜）做尺基；在尺基表面均匀地涂覆一层厚度为0.10-0.20mm的磁性薄膜（常用的是Ni-Co-P合金），然后录上一定波长的磁信号(等距离排列的小磁极)来实现。当磁栅传感器移动时，周期性变化的磁场会通过传感器的磁敏感部分产生变化的磁场信号，从而测量出传感器的位置和运动。
实际使用中，磁栅传感器在感应磁栅尺的周期性磁场同时，还受到干扰磁场的影响，导致检测精度降低。干扰磁场并非仅在磁栅尺磁极排布的方向（磁栅方向）存在，在垂直于磁栅尺磁极排布的方向同样存在。实际上，干扰磁场除了来源地磁场等环境磁场，还来自传感器的装配工艺以及磁头相对于磁栅的运动；这部分干扰磁场的影响常常不仅被忽略，而且其带来的测量影响难以消除。如图1所示，当磁感应单元由灵敏方向相反（均平行于磁栅尺磁极的排布方向）校正磁阻C1和磁阻串联而成。在无其它外场干扰的情况下，校正磁阻C1和磁阻R1仅在磁栅N-S级水平中轴时，感测的磁栅磁场才没有垂直于灵敏度的分量。但是这个位置在实际装配上是很难做到的。即便尽量往中轴的位置上靠，但是由于磁头相对于磁栅的运动存在偏差/抖动，校正磁阻C1和磁阻R1相对所述“中轴线”位置也处于变动过程中，自身感受到的垂直于磁栅尺磁极排布方向上的磁场分量也在不断变化。
发明内容
为了解决现有磁栅传感器存在的上述不足，使磁栅传感器能够抑制垂直于磁栅尺磁极排布方向干扰磁场的影响，本发明结提供一种抗干扰能力强，测量精度高且对装配工艺要求不严苛的磁栅传感器。
本发明提供的技术方案实现为：一种磁栅传感器，包括一个或多个、由4个磁阻串联或并联而成的磁感应元件，所述4个磁阻为TMR或AMR，在空间上分布形成的方阵。所述4个磁阻中的2个构成第一组磁阻，其余2个构成第二组磁阻；第一组磁阻、第二组磁阻中的2个磁阻偏置磁场大小相等，且方向相反、均垂直于磁栅尺N-S磁极周期排列方向。第一组磁阻的2个磁阻在空间位置上的位置连线平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向，与所述第二组磁阻中2个磁阻分别关于磁栅尺磁极在N-S周期方向的中轴线对称。第一组磁阻和第二组磁阻中关于磁栅尺磁极在N-S周期方向的中轴线对称的任意2个磁阻的偏置磁场方向相反。
进一步地，所述第一组磁阻中的2个磁阻灵敏系数大小相同，其中1个磁阻灵敏方向平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向，另1个磁阻的灵敏方向则反平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向；第一组磁阻和第二组磁阻中关于磁栅尺磁极在N-S周期方向的中轴线对称的任意2个磁阻的灵敏方向相同。通过磁感应元件4个磁阻在空间上的设置，使任一磁阻在平行、垂直于磁栅尺磁极排布方向上，均有用于消除垂直于磁栅尺排布方向上干扰场影响的相邻磁阻。即便磁栅传感器在使用过程中在垂直于磁栅尺排布方向上发生位移/抖动，也能保持测量信号的稳定性以及准确性。
优选地，所述第一组磁阻中的2个磁阻在平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的距离为d：
；
其中，k为奇数，L为磁栅距。如此设置，可以增大磁感应元件的输出信号，提高输出灵敏度。
优选地，所述第一组磁阻中的2个磁阻在平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的距离为d：
；
其中，L为磁栅距，n为大于2的偶数。如此设置，可以抑制磁感应元件偶数谐波误差，提高输出信号的质量。
优选地，所述第一组磁阻中的2个磁阻在平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的距离为d：
；
其中，L为磁栅距，m为大于1的奇数。通过将磁感应元件中磁阻沿着平行于磁栅N-S极周期排列方向上的上述距离设置，抑制磁感应元件奇数谐波误差，提高输出信号的质量。
进一步地，所述的磁栅传感器，所述磁栅传感器至少包括由2个所述磁感应元件构成的感应半桥，每1个所述磁感应元件作为该感应半桥的一个桥臂；同一感应半桥的2个所述磁感应元件在平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的投影距离为D：
；
其中，L为磁栅距，k为正整数。
进一步地，所述磁栅传感器至少包括一路由两个所述感应半桥构成的惠斯通全桥。构成所述惠斯通全桥中的两个所述感应半桥输出信号之间的相位差设置为，以消除h阶谐波误差；其中，h为正整数。
本发明提供的磁栅传感器，检测精度高，抗干扰能力，不仅能够同时抑制平行于磁栅尺磁极排布方向和垂直于磁栅尺磁极排布方向干扰磁场的影响，还能消除磁栅传感器使用过程中发生抖动对测量产生的影响。本发明提供的磁栅传感器还具有制作工艺成熟、简单，易于装配的特点（对装配工艺要求不严苛）。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍， 应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为现有的抗干扰磁栅传感器的核心部分示意图。
图2为本发明提供的磁栅传感器在一个实施例中的示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示的实施例中，本发明提供的磁栅传感器，包括一个或多个、由4个磁阻串联或并联而成的磁感应元件，所述4个磁阻为TMR或AMR(分别为图2中的R1，R2，R3，R4)，在空间上分布形成的方阵。
所述4个磁阻中的R1，R2构成第一组磁阻，R3，R4个构成第二组磁阻。所述第一组磁阻、第二组磁阻中的2个磁阻偏置磁场大小相等，且方向相反、均垂直于磁栅尺N-S磁极周期排列方向。4个磁阻的偏置磁场方向如图2中对应的箭头指向所示，磁阻R1，R2的偏置磁场方向相反，磁阻R3，R4的偏置磁场方向相反，磁阻R1-R4的偏置磁场的方向均垂直于磁栅尺N-S磁极周期排列方向。磁阻R1，R2在空间位置上的位置连线平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向，磁阻R3，R4在空间位置上的位置连线也平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向。磁阻R1、磁阻R3的位置，磁阻R2、磁阻R4的位置，分别关于磁栅尺磁极在N-S周期方向的中轴线对称。第一组磁阻和第二组磁阻中关于磁栅尺磁极在N-S周期方向的中轴线对称的任意2个磁阻的偏置磁场方向相反。
通过上述对磁阻R1-R4在空间上的设置，可以使任一磁阻具有相邻的磁阻消除垂直于磁栅尺磁极排布方向上的磁场干扰。即便磁栅传感器在使用过程中在垂直于磁栅尺排布方向上发生位移/抖动，也能保持测量信号的稳定性以及准确性。如图2所示，若磁阻R1、R3的位置能够保持关于磁栅尺磁极在N-S周期方向的中轴线对称，则理论上可以采用磁阻R1、R3配合、磁阻R2、R4配合抵消垂直于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的磁场的干扰。即便磁栅传感器在实际使用中（相对于磁栅尺的运动中）在垂直于磁栅尺磁极排布方向上抖动，导致磁阻R3、R1，磁阻R2、R4无法保持关于磁栅尺磁极在N-S周期方向的中轴线对称，此时转由磁阻R1、R2相互配合、磁阻R3、R4相互配合消除垂直于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的磁场的干扰。即便磁栅传感器在使用过程中在垂直于磁栅尺排布方向上发生位移/抖动，也能保持测量信号的稳定性以及准确性。
进一步地，为了使所述磁栅传感器同时具有平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向干扰磁场的抗干扰能力，设置所述第一组磁阻中的磁阻R1、R2的灵敏系数大小相同，方向相反。磁阻R1、R2中的1个灵敏方向平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向，另1个磁阻的灵敏方向则反平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向。磁阻R1和R3的灵敏方向相同，磁阻R2和R4的灵敏方向相同。通过上述对磁阻R1-R4灵敏方向上的限定，使本发明提供的磁栅传感器不仅能够消除垂直于磁栅尺排布方向上干扰磁场的影响，还能够消除平行磁栅尺磁极排布方向上干扰磁场的影响。
优选地，所述第一组磁阻中的2个磁阻在平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的距离为d：
；
其中，k为奇数，L为磁栅距。如此设置，可以增大磁感应元件的输出信号，提高输出灵敏度。
优选地，所述第一组磁阻中的2个磁阻在平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的距离为d：
；
其中，L为磁栅距，n为大于2的偶数。如此设置，可以抑制磁感应元件输出信号中的偶数谐波误差，提高输出信号的质量。
优选地，所述第一组磁阻中的2个磁阻在平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的距离为d：
；
其中，L为磁栅距，m为大于1的奇数。通过将磁感应元件中磁阻沿着平行于磁栅N-S极周期排列方向上的上述距离设置，还可以进一步抑制磁感应元件输出信号中奇数谐波误差，提高输出信号的质量。
进一步地，所述的磁栅传感器，所述磁栅传感器至少包括由2个所述磁感应元件构成的感应半桥；所述感应半桥中的2个所述磁感应元件分别作为该感应半桥的2个桥臂（即每1个所述磁感应元件作为该感应半桥额的一个桥臂）；同一感应半桥的2个所述磁感应元件在平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的投影距离为D：
；
其中，L为磁栅距，k为正整数。
进一步地，所述磁栅传感器至少包括一路由两个所述感应半桥构成的惠斯通全桥。优选地，构成所述惠斯通全桥中的两个所述感应半桥输出信号之间的相位差设置为，以消除h阶谐波误差；其中，h为正整数。
对于该惠斯通全桥电路，其两个感应半桥输出的信号分别包含h阶谐波，即分别为sinθ+ sinhθ和sin（θ+2π/h）+sinh（θ+2π/h）。惠斯通全桥的输出为该两个感应半桥的输出作差后得到sinθ-sin（θ+2π/h）。结果上看消除了h次谐波误差。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种磁栅传感器，其特征在于，所述磁栅传感器包括一个或多个、由4个磁阻串联或并联而成的磁感应元件，所述4个磁阻为TMR或AMR，在空间上分布形成的方阵；
所述4个磁阻中的2个构成第一组磁阻，其余2个构成第二组磁阻；第一组磁阻、第二组磁阻中各自的2个磁阻偏置磁场大小相等，且方向相反、均垂直于磁栅尺N-S磁极周期排列方向；第一组磁阻的2个磁阻在空间位置上的位置连线平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向，与所述第二组磁阻中2个磁阻分别关于磁栅尺磁极在N-S周期方向的中轴线对称；第一组磁阻和第二组磁阻中关于磁栅尺磁极在N-S周期方向的中轴线对称的任意2个磁阻的偏置磁场方向相反。
2.如权利要求1所述的磁栅传感器，其特征在于，所述第一组磁阻中的2个磁阻灵敏系数大小相同，其中1个磁阻灵敏方向平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向，另1个磁阻的灵敏方向则反平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向；第一组磁阻和第二组磁阻中关于磁栅尺磁极在N-S周期方向的中轴线对称的任意2个磁阻的灵敏方向相同。
3.如权利要求2所述的磁栅传感器，其特征在于，所述第一组磁阻中的2个磁阻在平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的距离为d：
；
其中，k为奇数，L为磁栅距。
4.如权利要求2所述的磁栅传感器，其特征在于，所述第一组磁阻中的2个磁阻在平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的距离为d：
；
其中，L为磁栅距，n为大于2的偶数。
5.如权利要求2所述的磁栅传感器，其特征在于，所述第一组磁阻中的2个磁阻在平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的距离为d：
；
其中，L为磁栅距，m为大于1的奇数。
6.如权利要求2-5中任一项所述的磁栅传感器，其特征在于，所述磁栅传感器至少包括由2个所述磁感应元件构成的感应半桥，每1个所述磁感应元件作为该感应半桥的一个桥臂；同一感应半桥的2个所述磁感应元件在平行于磁栅尺N-S磁极周期排列方向的投影距离为D：
；
其中，L为磁栅距，k为正整数。
7.如权利要求6所述的磁栅传感器，其特征在于，所述磁栅传感器至少包括一路由两个所述感应半桥构成的惠斯通全桥。
8.如权利要求7所述的磁栅传感器，其特征在于，构成所述惠斯通全桥中的两个所述感应半桥输出信号之间的相位差设置为，以消除h阶谐波误差；其中，h为正整数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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