CN205718823U - 位移测量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及位移测量技术领域，尤其涉及一种位移测量传感器，包括磁性传感单元组以及编码模块，所述编码模块包含硬磁材料，磁性传感单元组包括三个以上的磁场敏感方向相同的磁性传感单元，所述磁性传感单元沿着编码模块的移动方向排成一列，测量时，编码模块与待测物相连，当编码模块移动时，多个磁性传感单元测出编码模块的磁信号，多个磁性传感单元输出信号可通过计数器来控制工作时序，最终输出信号可转化为串行模拟输出，由于编码模块的磁信号是唯一且只与编码模块的绝对位置相关，因此可根据多个磁性传感单元的输出信号得出编码模块的移动位移，进而可以得出待测物的移动位移，该位移测量传感器精度较高、稳定性好、成本低。

Description

位移测量传感器

技术领域

本实用新型涉及位移测量技术领域，尤其涉及一种位移测量传感器。

背景技术

编码器被广泛用于测量位移或角位移，编码器是一种可以把角位移或直线位移转换成电信号的传感器，其广泛应用于电机转速测量、机器位置控制、精密仪器控制等工业领域。

目前主流的编码器为光电式编码器，光电式编码器对环境要求高，会受到气泡、强光、污垢以及渗透等因素的影响，因此其抗干扰能力差，测量精度低。另外，按照工作原理划分，编码器可以分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小；绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关，绝对式编码器的精度远胜于增量式编码器。

目前，应用较多的绝对式编码器主要是光电式编码器，由于目前常用的磁性传感器元件霍尔元件灵敏度低，精度低，且需要额外的聚磁环，因此体积大，而绝对位移传感器的码盘或码尺的编码单元信号量低且密集，而且需要传感单元体积足够小可以集成到设备中，因此采用现有技术的磁性绝对位移编码器难以实现。另外，现有的磁性编码器采用硅钢作为编码模块，其中精密加工的硅钢是编码器的主要成本，由于加工精度要求高因此价格昂贵。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种精度较高、稳定性好、成本低的位移测量传感器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种位移测量传感器，包括磁性传感单元组以及编码模块，所述编码模块包含硬磁材料，磁性传感单元组包括三个以上的磁场敏感方向相同的磁性传感单元，所述磁性传感单元沿着编码模块的移动方向排成一列。

测量时，编码模块与待测物相连，当编码模块移动时，多个磁性传感单元测出编码模块的磁信号，多个磁性传感单元输出信号可通过计数器来控制工作时序，最终输出信号转化为串行模拟输出，也可以通过特定的电路模块转化为串行数字输出，由于编码模块的磁信号是唯一且只与编码模块的绝对位置相关，因此可根据多个磁性传感单元的输出信号得出编码模块的移动位移，因编码模块和待测物相连，进而可以得出待测物的移动位移。

有益效果：由于采用磁性传感单元，避免了现有技术的光敏元件容易脏污的缺陷，提高了稳定性；由于采用绝对位移编码器的结构，同时，由于多个磁性传感单元测量编码模块的磁信号，因此其测量精度高，由于采用包含硬磁材料的编码模块，不需要采用硅钢制作编码模块，因此降低了成本。

第二方面，本实用新型还提供了一种位移测量传感器，包括磁性传感单元组、编码模块以及磁体，所述编码模块包含磁性材料且其表面具有磁图案，磁图案的形状对应不同的编码，磁性传感单元组包括三个以上的磁场敏感方向相同的磁性传感单元，所述磁性传感单元沿着编码模块的移动方向排成一列。其工作原理与上述位移测量传感器相同。

有益效果：由于采用磁性传感单元，避免了现有技术的光敏元件容易脏污的缺陷，提高了稳定性；由于采用绝对位移编码器的结构，同时，由于多个磁性传感单元测量编码模块的磁信号，因此其测量精度高，同时，其测量精度可通过设置磁性传感单元的个数来提高，不需要对包含磁性材料的编码模块进行精加工，因此降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的实施例一对应的结构示意图；

图2是本实用新型实施例二对应的结构示意图；

图3是线性磁电阻元件的阻值随外磁场变化的曲线图；

图4是V型磁电阻元件的阻值随外磁场变化的曲线图；

图5是数字输出波形图；

图6是原始输出波形图。

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，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合图1-图6，对本实用新型作进一步的描述。

实施例一

一种位移测量传感器，包括磁性传感单元组10以及编码模块20，所述编码模块20包含硬磁材料，磁性传感单元组10包括三个以上的磁场敏感方向相同的磁性传感单元，所述磁性传感单元沿着编码模块20的移动方向排成一列。如图1所示，为了便于理解，我们先将磁性传感单元组10中的磁性传感单元依次命名为10a、10b、10c……10n，将编码模块20分为多个编码单元20.1、20.2、20.3……20.n，每个编码单元20.n的磁信号对应由多个磁性传感单元10a-10n组成的磁性传感单元组10，编码模块20与待测物相连。当编码模块20移动时，多个磁性传感单元10a-10n测出编码模块20所对应的编码单元20.n的磁信号，多个磁性传感单元10a-10n的输出信号可以通过计数器来控制工作时序，最终输出信号转化为串行模拟输出，也可以通过特定的电路模块转化为串行数字输出。由于每个编码单元20.n的磁信号是唯一且只与编码模块20的位置相关，因此可根据多个磁性传感单元10a-10n的输出信号得出编码模块20的移动位移，因编码模块20和待测物相连，进而可以得出待测物的移动位移。整个结构的测量精度较高。

其中，编码模块20的材料组成可以有多种。所述编码模块20由硬磁材料构成；或者所述编码模块20的表面为硬磁材料，或所述编码模块20的表面为硬磁材料和软磁材料的混合物。即编码模块20可以单纯的由硬磁材料构成，也可以只在编码模块20的表面涂覆(或采用电镀、物理汽相淀积、化学气相沉积、固定连接、贴永磁体块、焊接、镶嵌等方式)硬磁材料或硬磁材料和软磁材料的混合物，以保证编码模块20有稳定的磁场。编码模块20的磁信号可由写磁头对编码模块20施加磁场预先写入，或者，磁性编码模块20具有凹凸不平的磁图案，预先充磁即可。另外，所述的编码模块20为测量直线位移的码尺或测量角位移的码盘。

实施例二

一种位移测量传感器，包括磁性传感单元组10、编码模块20以及磁体30，所述编码模块20包含磁性材料且具有凹凸不平的磁图案，凹凸不平的磁图案对应不同的编码，磁性传感单元组10包括三个以上的磁场敏感方向相同的磁性传感单元，所述磁性传感单元沿着编码模块20的移动方向排成一列。如图2所示，磁体30用以向编码模块20施加磁场，编码模块20表面凹凸不平的磁图案对应不同的编码，其磁场分布与图案形状相关，该磁场分布的特征信号也是唯一的，只与编码模块20的位置相关，测量原理如同实施例一所述。

编码模块20表面的凹凸不平是特指磁图案的，例如一个表面凹凸不平的包含磁性材料合金的编码模块20表面涂有非磁性材料使其表面平整，我们依然认为其具有凹凸不平的磁图案。

即编码模块20可以单纯的由磁性材料构成，也可以是由包含磁性材料的非金属材料构成，也可以是非磁性材料构成，非磁性材料编码模块20的表面涂覆(或采用电镀、物理汽相淀积、化学气相沉积、固定连接、贴磁性材料块、焊接、镶嵌等方式)磁性材料。凹凸不平的磁图案可以由刻蚀、反溅射、光刻、钻孔、切割等方式形成。以保证编码模块20在磁体30施加的磁场下有特定的磁信号。

进一步的，所述磁体30为电磁铁或永磁体。

上述位移传感器中，编码模块20的“表面”特指其具有磁信号的表面，若在编码模块20上覆盖有其他非磁性材料，我们依然认为其“表面”具有特征磁信号或磁图案，其等同本实用新型的方案。

上述位移测量传感器中，磁性传感单元由后端提供工作电流，其优选方案为，所述磁性传感单元由磁电阻构成，所述磁电阻由一个或两个以上的磁性传感元件构成，所述两个以上的磁性传感元件串联和/或并联。

将两个以上的磁性传感元件串联和/或并联的有益效果是可以通过预先设置磁性传感元件的个数来解决磁性传感元件在纳米加工或微加工中的一致性(Uniformity)问题，同时还可以降低磁性传感元件的电子遂穿几率，提高其静电防护能力。

进一步的，所述磁性传感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。这三种磁性传感元件具有高精度、高灵敏度和体积小的优势，可以精确测量编码模块的密集信号，且可以高度集成。

优选的，所述磁性传感单元为单电阻结构，单电阻结构包括一个磁电阻。

或者所述磁性传感单元为半桥结构，半桥结构包括两个串联的磁电阻。

或者所述磁性传感单元为全桥结构，全桥结构包括两个并联的半桥结构，半桥结构包括两个串联的磁电阻。

上述半桥或全桥结构可以是抗干扰能力高的梯度半桥或梯度全桥结构。梯度半桥的两个磁电阻位于编码模块的磁场梯度的不同位置，梯度全桥的四个磁电阻中，以第一、第二、第三、第四磁电阻分别指代四个磁电阻，其中第一、第四磁电阻沿着外磁场梯度的方向处于相同位置，其阻值相同；第二、第三磁电阻沿着外磁场梯度的方向处于相同位置，其阻值相同；而第一磁电阻(第四磁电阻)和第二磁电阻(第三磁电阻)沿着外磁场梯度的方向处于不同位置，其阻值不同。梯度半桥或梯度全桥对梯度磁场，即本实用新型中编码模块的磁信号敏感，对于均匀场，即干扰场不敏感，因此抗干扰能力强。梯度半桥和梯度全桥的工作原理可参考中国公开号CN105136349A的专利：一种磁性压力传感器。

以巨磁电阻元件和磁性隧道结元件为代表的磁电阻元件是一种在工作磁场下其电阻随外磁场线性变化或呈V型变化的传感器元件，其电阻R随外磁场H的变化如图3和图4所示。

如图3所示，当外磁场H的绝对值小于饱和磁场HS的绝对值时，磁电阻元件的电阻R随着外磁场H线性变化，该磁电阻元件称之为“线性磁电阻元件”；如图4所示，当外磁场H的绝对值小于饱和磁场HS的绝对值时，磁电阻元件的电阻随着外部磁场的变化曲线为倒“V”型曲线，称之为“V型磁电阻元件”。在本实用新型的实施例二中包含有磁体30，由于磁体30和磁电阻元件的相对位置的误差以及磁体30的加工误差等因素的影响，在磁电阻元件的磁场敏感方向上可能会有一定大小的磁场，但是该磁场均可以被控制在磁电阻元件的工作区间之内。对于线性磁电阻元件，使磁体30相对于磁电阻元件对称的位置布置，可以使得磁电阻元件的工作区间靠近零磁场；对于V型磁电阻元件，可以适当调整磁体30相对于磁电阻元件的位置的非对称性，调整磁电阻元件的工作区间位于正磁场区间或者负磁场区间。

上述位移测量传感器中，为了后端处理方便，所述位移测量传感器还包括计数器，所述计数器与所述磁性传感单元组10电连接，所述计数器来控制工作时序，将磁性传感单元10a-10n的模拟输出信号转化为串行模拟信号输出。由于计数器可以设置在后端，本实用新型提出的位移测量传感器只要提供可供后端使用的输出信号即可，因此计数器并不是必要结构。

上述位移测量传感器中，为了后端处理方便，所述位移测量传感器还包括模数转化电路，所述模数转化电路与所述磁性传感单元组10电连接，或，与计数器电连接，将磁性传感单元10a-10n的输出信号转化为数字信号，波形如图5所示，由于采用巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的磁性传感单元具有足够的输出精度和信号量，因此其原始输出的模拟信号(原始模拟信号波形图如图6所示)也是可用的，转化为数字信号并不是必须的，只是一个优选方式，因此模数转化电路不是必要的结构。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。由本实用新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (21)

1.一种位移测量传感器，其特征在于：包括磁性传感单元组(10)以及编码模块(20)，所述编码模块(20)包含硬磁材料，磁性传感单元组(10)包括三个以上的磁场敏感方向相同的磁性传感单元，所述磁性传感单元沿着编码模块(20)的移动方向排成一列。

2.根据权利要求1所述的位移测量传感器，其特征在于：所述编码模块(20)由硬磁材料构成。

3.根据权利要求1所述的位移测量传感器，其特征在于：所述编码模块(20)的表面具有硬磁材料，或所述编码模块(20)的表面具有硬磁材料和软磁材料的混合物。

4.根据权利要求1-3任一项所述的位移测量传感器，其特征在于：所述磁性传感单元由磁电阻构成，所述磁电阻由一个或两个以上的磁性传感元件构成，所述两个以上的磁性传感元件串联和/或并联。

5.根据权利要求4所述的位移测量传感器，其特征在于：所述磁性传感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。

6.根据权利要求4所述的位移测量传感器，其特征在于：所述磁性传感单元为单电阻结构，单电阻结构包括一个磁电阻。

7.根据权利要求4所述的位移测量传感器，其特征在于：所述磁性传感单元为半桥结构，半桥结构包括两个串联的磁电阻。

8.根据权利要求4所述的位移测量传感器，其特征在于：所述磁性传感单元为全桥结构，全桥结构包括两个并联的半桥结构，半桥结构包括两个串联的磁电阻。

9.根据权利要求1-3任一项所述的位移测量传感器，其特征在于：所述位移测量传感器还包括计数器，所述计数器与所述磁性传感单元组(10)电连接。

10.根据权利要求1-3任一项所述的位移测量传感器，其特征在于：所述位移测量传感器还包括模数转化电路，所述模数转化电路与所述磁性传感单元组(10)电连接。

11.一种位移测量传感器，其特征在于：包括磁性传感单元组(10)、编码模块(20)以及磁体(30)，所述编码模块(20)包含磁性材料且其具有磁图案，磁图案的形状对应不同的编码，磁性传感单元组(10)包括三个以上的磁场敏感方向相同的磁性传感单元，所述磁性传感单元沿着编码模块(20)的移动方向排成一列。

12.根据权利要求11所述的位移测量传感器，其特征在于：所述磁体(30)为电磁铁或永磁体。

13.根据权利要求11所述的位移测量传感器，其特征在于：所述编码模块(20)由磁性材料构成。

14.根据权利要求11所述的位移测量传感器，其特征在于：所述编码模块(20)的表面具有磁性材料。

15.根据权利要求11-14任一项所述的位移测量传感器，其特征在于：所述磁性传感单元由磁电阻构成，所述磁电阻由一个或两个以上的磁性传感元件构成，所述两个以上的磁性传感元件串联和/或并联。

16.根据权利要求15所述的位移测量传感器，其特征在于：所述磁性传感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。

17.根据权利要求15所述的位移测量传感器，其特征在于：所述磁性传感单元为单电阻结构，单电阻结构包括一个磁电阻。

18.根据权利要求15所述的位移测量传感器，其特征在于：所述磁性传感单元为半桥结构，半桥结构包括两个串联的磁电阻。

19.根据权利要求15所述的位移测量传感器，其特征在于：所述磁性传感单元为全桥结构，全桥结构包括两个并联的半桥结构，半桥结构包括两个串联的磁电阻。

20.根据权利要求11-14任一项所述的位移测量传感器，其特征在于：所述位移测量传感器还包括计数器，所述计数器与所述磁性传感单元组(10)电连接。

21.根据权利要求11-14任一项所述的位移测量传感器，其特征在于：所述位移测量传感器还包括模数转化电路，所述模数转化电路与所述磁性传感单元组(10)电连接。