BG66781B1

BG66781B1 - Галваномагнитен измервател на механични премествания

Info

Publication number: BG66781B1
Application number: BG111600A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Атанасов Нойков Светослав; Светослав НОЙКОВ; Вълчева Лозанова Сия; Сия ЛОЗАНОВА; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2018-11-30
Also published as: BG111600A

Abstract

Галваномагнитният измервател на механични премествания съдържа полупроводникова подложка (1) с р-тип проводимост, върху едната страна на която има дълбока и тясна n-тип лента (2) с правоъгълна форма, като върху горната страна на n-лентата (2) има редица от разположени на равни разстояния един от друг 2k на брой омични контакти, където k е цяло число. Във всеки момент само един сегмент от n-веригата (2), състоящ се от три последователно разположени омични контакта - първи (3), втори (4) и трети (5) е активен. Този триконтактен сегмент формира микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ магнитно поле, генерирано от единствен цилиндричен магнит (6) с посока, успоредна на късата страна па лентата (2). Контактите (3 и 5) са захранващи, а контактът (4) е изходен. Контактите (3 и 5) са съединени към двата извода на токоизточник (7), към който са свързани и двата края на тример (8). Има още интерфейсна блок-схема с три мултиплексора - първи (9), втори (10) и трети (11), всеки от които е с 2k на брой входове, тактов генератор (12) и управляващ брояч (13), свързан с управляващите входове на мултиплексорите (9, 10 и 11). Всяка от входните линии на отделен мултиплексор е свързана към съответен контакт от лентата (2) на микросензора на Хол така, че за дадена позиция на брояча (13) изходната линия на първия мултиплексор (9) е свързана към единия извод на токоизточника (7) и към единия край на тримера (8). Изходната линия па третия мултиплексор (11) е свързана към другия извод на токоизточника (7) и към другия край на тримера (8). Изходната линия на втория мултиплексор (10) е съединена към единия вход на измервателен усилвател (14), към другия вход на който е свързан със средния извод на тримера (8). Всяка фиксирана позиция на брояча (13) формира триконтактен микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност в областта на три съседни контакта от n-лентата (2), свързани съответно към активираните входове на първия (9), втория (10) и третия (11) мултиплексор. Чрез инкрементиране на брояча (13) обособеният триконтактен сензор на Хол се премества по n-лентата (2) с един контакт. Изходът (15) на измервателния усилвател (14) е изход на галваномагнитния измервател на механични премествания, като магнитът механично се премества успоредно на лентата (2) и перпендикулярно на страничната й повърхност.

Description

(54) ГАЛВАНОМАГНИТЕН ИЗМЕРВАТЕЛ НА МЕХАНИЧНИ ПРЕМЕСТВАНИЯ

Област на техниката

Изобретението се отнася до галваномагнитен измервател на механични премествания, приложимо в областта на контролно-измервателната техника, сензориката и сензорната електроника, безконтактната автоматика, роботиката, мехатрониката, системното инженерство и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е галваномагнитен измервател на механични премествания, съдържащ микросензор на Хол с правоъгълна форма и ортогонална магнитна активация, разположен в междината между два съосни цилиндрични постоянни магнита, насочени един към друг с едноименните си полюси, като повърхността на сензора на Хол е перпендикулярна на вектора на магнитното поле на магнитите. Захранващите контакти на сензора на Хол са свързани към токоизточник. Микросензорът на Хол механично се премества в междината и по оста на цилиндричните магнити, като напрежението от двата изходни контакта на сензора е право пропорционално на разстоянието от средната точка на оста между магнитите до техните полюси [1].

Недостатък на този галваномагнитен измервател на механични премествания е понижената точност, поради ограничената магниточувствителност на полупроводниковите сензори на Хол и ниската стойност на градиента на нееднородното магнитно поле между едноименните полюси на магнитите, където се придвижва сензора.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде галваномагнитен измервател на механични премествания с повишена точност.

Тази задача се решава с галваномагнитен измервател на механични премествания, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формирана дълбока и тясна п-тип лента с правоъгълна форма. Върху горната страна на п-лентата има редица от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой омични контакти с п⁺-тип проводимост, където k е цяло число. Във всеки момент само един сегмент от редицата, състоящ се от три последователно разположени омични контакти - първи, втори и трети е активен, докато останалите 2^к - 3 контакти са висящи. Този триконтактен сегмент формира микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ магнитно поле, генерирано от цилиндричен магнит с посока, успоредна на късата страна на п-лентата. Първият и третият контакт са захранващи, а вторият е изходен като първият и третият контакт са съединени към двата извода на токоизточник, към който са свързани и двата края на тример. Средният извод на тримера и вторият контакт на сензора са изход на сензора на Хол. Измервателят включва още интерфейсна блок-схема с три мултиплексора - първи, втори и трети, всеки от които е с 2^к на брой входове, тактов генератор и управляващ брояч, свързан с управляващите входове на мултиплексорите. Всяка от входните линии на отделен мултиплексор е свързана към съответен контакт от п-лентата на сензора на Хол така, че за дадена позиция на брояча изходната линия на първия мултиплексор е свързана към единия извод на токоизточника и към единия край на тримера. Изходната линия на третия мултиплексор е свързана към другия извод на токоизточника и към другия край на тримера. Изходната линия на втория мултиплексор е съединена към единия вход на измервателен усилвател, към другия вход на който е свързан средния извод на тримера. Всяка фиксирана позиция на брояча формира триконтактния сензор на Хол с паралелна ос на чувствителност в областта на три съседни контакта от п-лентата, свързани съответно към активираните входове на първия, втория и третия мултиплексор. Чрез инкрементиране на брояча, обособеният триконтактен сензор на Хол се премества по п-лентата с един контакт. Изходът на измервателния усилвател е изход на галваномагнитния измервател на механични премествания. Магнитът механично се премества успоредно на челната повърхност на п-лентата и перпендикулярно на страничната й повърхност.

Предимство на галваномагнитния измервател на механични премествания е високата измервателна точност, поради използването (комбинирането и усредняването) на 2^к-2 сигнала, получени съответно от 2^к - 2 на брой еднотипни сензори на Хол, вместо изходното напрежение само от един микросензор

Описания на издадени патенти за изобретения № 12.2/31.12.2018 на Хол, както е в известното решение.

Предимство е също така способността да се измерват механични премествания по две перпендикулярни една на друга оси, което повишава пространствената резолюция на устройството.

Предимство е още високата надеждност, поради наличността на 2^к - 2 сигнала, получени от 2^к - 2 на брой еднотипни сензори на Хол като дефектирането на някои от тях не води до срив в измервателната система, в отличие от единственото изходно напрежение на един сензор.

Предимство е също опростената кинематика, използваща един магнит, вместо два, който е и регистратор на механичното преместване, а не самия микросензор на Хол, както е в известното решение.

Пояснение на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява с приложената фигура 1, представляваща едно негово примерно изпълнение.

Примери за изпълнение на изобретението

Галваномагнитният измервател на механични премествания съдържа полупроводникова подложка 1 с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формирана дълбока и тясна п-тип лента 2 с правоъгълна форма. Върху горната страна на п-лентага 2 има редица от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой омични контакти с п⁺-тип проводимост, където k е цяло число. Във всеки момент само един сегмент от редицата, състоящ се от три последователно разположени омични контакти - първи 3, втори 4 и трети 5 е активен, докато останалите 2^к - 3 контакта са висящи. Този триконтактен сегмент формира микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ магнитно поле, генерирано от цилиндричен магнит 6 с посока, успоредна на късата страна на п-лентата 2. Първият 3 и третият 5 контакт са захранващи, а вторият 4 е изходен, като контактите 3 и 5 са съединени към двата извода на токоизточник 7, към който са свързани и двата края на тример 8. Средният извод на тримера 8 и вторият контакт 4 на сензора са изход на сензора на Хол. Измервателят включва още интерфейсна блок-схема с три мултиплексора - първи 9, втори 10 и трети 11, всеки от които е с 2^к на брой входове, тактов генератор 12 и управляващ брояч 13, свързан с управляващите входове на мултиплексорите 9, 10 и 11. Всяка от входните линии на отделен мултиплексор е свързана към съответен контакт от п-лентата 2 на сензора на Хол така, че за дадена позиция на брояча 13 изходната линия на първия мултиплексор 9 е свързана към единия извод на токоизточника 7 и към единия край на тримера 8. Изходната линия на третия мултиплексор lie свързана към другия извод на токоизточника 7 и към другия край на тримера 8. Изходната линия на втория мултиплексор 10 е съединена към единия вход на измервателен усилвател 14, към другия вход на който е свързан средния извод на тримера 8. Всяка фиксирана позиция на брояча 13 формира триконтактния сензор на Хол с паралелна ос на чувствителност в областта на три съседни контакта от п-лентата 2, свързани съответно към активираните входове на първия 9, втория 10 и третия 11 мултиплексор. Чрез инкрементиране на брояча 13, обособеният триконтактен сензор на Хол се премества по п-лентата 2 с един контакт. Изходът 15 на измервателния усилвател 14 е изход на галваномагнитния измервател на механични премествания като магнитът механично се премества успоредно на повърхност на п-лентата 2 и перпендикулярно на страничната й повърхност.

Действието на галваномагнитния измервател на механични премествания, съгласно изобретението, е следното.

При включване на захранващия токоизточник 7, в активирания сегмент от п-лентата 2, определен от контактите 3, 4 и 5 протича захранващ ток I_s = const по веригата: токоизточник 7 - контакт 3 - контакт 5 - токоизточник 7. В участъка от п-лентата 2 между контакти 3 и 5, магнитното поле, генерирано от цилиндричния магнит 6, под действие на силата на Лоренц F_L = qV _|г х В генерира ефект на Хол, където q е елементарният товар на електрона, В е магнитното поле, генерирано от цилиндричния магнит 6, а е средната дрейфова скорост на основните токоносители, в нашия случай електроните. В зоните, където са разположени контактите 3 и 5, от една страна, и контакт 4 от друга, възникват допълнителни противоположни по знак товари. Напрежението на Хол V (В) се развива върху контакти 3 и 5, от една страна и 4 от друга. Ето защо така конфигуриран сегментът 3-4-5 представлява сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност. С помощта на интерфейсната блок-схема се осъществява виртуално движение с фиксирана честота на обособения триконтактен сензор на Хол по п-лентата 2, зададена от

Описания на издадени патенти за изобретения № 12.2/31.12.2018 тактовия генератор 12. Избраната стъпка от един контакт позволява прецизното сканиране в обхвата на п-лентата 2 за построяване графика на магнитното поле В, генерирано от цилиндричния магнит 6, по дължината на п-лентата 2, като оста х е успоредна на п-лентата 2 и по нея се нанасят разстоянията по дължината на п-лентата 2 от нейното начало до всеки контакт, а по оста у се фиксира измерената стойност на магнитната индукция от съответния активиран триконтактен сегмент от п-лентата 2. На базата на така получената информация от едно сканиране, посредством усредняване и комбиниране на резултатите от регистрираните 2^к - 2 измервания, се определят позициите на магнита 6 спрямо п-лентата 2, както по оста х, така и по оста у. Така се реализират предимствата на новото техническо решение:

- постигане на висока измервателна точност поради използването (комбинирането и усредняването) на 2^к - 2 сигнала, получени съответно от 2^к - 2 на брой еднотипни микросензори на Хол, в сравнение с известното до момента решение, при което се използва изходно напрежение само от един сензорен елемент;

- предимство е също така способността на устройството да измерва механични премествания в равнина - по две перпендикулярни една на друга оси, което повишава пространствената му резолюция. Това се постига благодарение на използването на лентова сензорна матрица със сканиране, при което на базата на получените 2^к - 2 сигнали от едно сканиране се построява графика на магнитната индукция В по дължината на сензорната матрица, от която може да бъде извлечена информация за двете координати за местоположение;

- постигане на висока надеждност, поради наличността на 2^к - 2 сигнала, получени съответно от 2^к - 2 на брой еднотипни микросензори на Хол, в сравнение с известното до момента решение. Ако излязат от строя по някаква причина няколко от микросензорите, аномалията, причинена от това, може лесно да бъде открита и изолирана благодарение на коректната информация, получавана от останалите изправни елементи на Хол;

- кинематиката е опростена като се използва само един магнит, а не два, който е и регистратор на механичното преместване, вместо самия микросензор на Хол.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че са постигнати четири важни предимства в измерването на механични премествания чрез микросензорна система, изградена от еднотипни елементи, реализирани в единен технологичен цикъл. Същественият брой на формираните елементи на Хол изключва характерните недостатъци на този клас устройства, което прави предложеното устройство без аналог в контролно-измервателната техника.

При необходимост може да се използва п-лента 2 с такова разположение на омичните контакти, че да се формират микросензори на Хол с ортогонална активация. Това се постига като се реализират две редици с по 2^к омични контакти, разположени така, че два последователни контакта от едната редица да са срещуположно разположени на два от другата редица. При това двойка диагонално срещуположни контакти да са захранващи, а другите диагонално срещуположни - да са изходни. С тази геометрична конфигурация се реализира поредица от елементи на Хол с ортогонално активиране. Интерфейсната блок-електроника е аналогична на вече описаната.

Предпочитаният полупроводник и технология за реализация на галваномагнитния измервател на механични премествания са силицият и CMOS процесите. Върху общ чип могат да се формират заедно с лентовата сензорна матрица и интерфейсната блок-електроника. Броят на контактите 2^к върху п-лентата 2 е свързан от една страна с възможностите на конкретната разновидност интегрална технология на производство, а от друга - логическите елементи, използвани в интерфейсната цифрова електроника.

Claims

Патентни претенции

1. Галваномагнитен измервател на механични премествания, съдържащ токоизточник, микросензор на Хол и постоянен магнит, преместващ се спрямо микросензора на Хол, характеризиращ се с това, че е формирана полупроводникова подложка (1) с р-тип проводимост, върху едната страна на която е разположена дълбока и тясна п-тип лента (2) с правоъгълна форма, върху горната страна на п-лентата (2) има редица от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой омични контакти с п⁺-тип проводимост, където k е цяло число, във всеки момент само един сегмент от редицата, състоящ се от три последователно разположени омични контакти - първи (3), втори (4) и трети (5) е активен, докато останалите 2^к - 3 контакти

75 Описания на издадени патенти за изобретения № 12.2/31.12.2018 са висящи, като този триконтактен сегмент е микросензорът на Хол с паралелна ос на магнигочувствителност, а магнитът (6) е с цилиндрична форма, чието поле е успоредно на късата страна на п-лентата (2), като първият (3) и третият (5) контакт са захранващи, а вторият (4) е изходен, като контактите (3 и 5) са съединени с двата извода на токоизточника (7), към който са свързани и двата края на тример (8), като средният извод на тримера (8) и вторият контакт (4) на сензора са изход на микросензора на Хол, като има още измервателна интерфейсна схема с три мултиплексора - първи (9), втори (10) и трети (11), всеки от които е с 2^к на брой входове, тактов генератор (12) и управляващ брояч (13), свързан с управляващите входове на мултиплексорите (9,10 и 11), а всяка от входните линии на отделен мултиплексор е свързана към съответен контакт от п-лентата (2) на микросензора на Хол така, че за дадена позиция на брояча (13) изходната линия на първия мултиплексор (9) е съединена към единия извод на токоизточника (7) и към единия край на тримера (8), изходната линия на третия мултиплексор (11) е свързана към другия извод на токоизточника (7) и към другия край на тримера (8), а изходната линия на втория мултиплексор (10) е свързана към единия вход на измервателен усилвател (14), към другия вход на който е съединен средният извод на тримера (8), като всяка фиксирана позиция на брояча (13) е триконтактен микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, съдържащ три съседни контакта от п-лентата (2), свързани съответно към активираните входове на първия (9), втория (10) и третия (11) мултиплексор, като триконтактният сензор на Хол се премества по п-лентата (2) с един контакт, а изходът (15) на измервателния усилвател (14) е изход на галваномагнитния измервател на механични премествания.