CN101216324A - 一种角位移传感器 - Google Patents

Abstract

一种角位移传感器，属于磁电式传感器技术领域，包括一个旋转件(1)，旋转件(1)包括一个磁性元件(2)，磁性元件(2)的充磁方向与其旋转件(1)之轴线方向大致平行。旋转件(1)所产生磁场在霍尔传感器(4)的磁通感应面形成平行、均匀的磁场。当旋转体(1)转动时，在很大角度范围内，霍尔传感器(4)所检测到的磁场强度的增量与角度增量成正比，从而实现对角位移的测量。本发明之角位移传感器结构简单、生产成本低、信号稳定性好、信号调节线性度高且可控。

Description

一种角位移传感器

技术领域

本发明属于以磁电式传递传感运动构件的位置的检测传感装置技术领域，具体涉及由磁性元件和霍尔传感器组合所构成的一种非接触式角位移传感器。

背景技术

在汽车电子领域，传统的节气门开度传感器的原理是使用滑动电位器将角位移转换成电信号，这种传感器的主要问题是滑动电位器触点部分易因为磨损而导致失效，因此，出现了使用非接触式角位移传感器的需要。非接触式的磁感应元件的角位移传感器已有许多技术方案，如中国发明专利CN1769843A“非接触式转动角度检测传感器”，由环形永久磁铁和环形固定侧轭铁和磁感应元件组成，环形固定侧轭铁由轴向重叠的两块轭铁构成，其一轭铁轴向高度沿圆周方向变化，通过的磁通量随高度变化自身磁通量变化以提高霍尔元件的输出直线性；又如中国发明专利CN1417554A“角辨向器”等，公开了提高这种传感器线形测量精度及范围的方案。但这些角位移传感器仍存在如下不足：结构相对复杂，加工生产难度大，成本较高；或传感器信号输出的线性度依靠较为复杂的形状保证，生产一致性不易保证；或线性工作范围太小，难以满足大角度范围的精确测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、生产成本低、信号稳定性好、信号调节线性度高且可控的一种角位移传感器。

为实现本发明目的采用如下技术方案：

一种角位移传感器，包括一个被测角位移的旋转件，旋转件包括一个随旋转体旋转的磁性元件；该磁性元件可以由若干个磁铁组成，其中有一个磁铁的磁场强度对传感器的输出信号的贡献最大，还包括一磁感应元件，用以磁性元件旋转时，检测到磁场强度增量与角度增量成正比输出；而且，磁性元件表面的磁场方向，即充磁方向与其旋转件之轴线方向平行时，磁感应元件处有最大的有效磁场强度；当磁性元件表面的磁场方向偏离最佳方向一定角度内时，也能够获得较好的输出信号。

所述磁感应元件包括一个或多个霍尔传感器，霍尔型传感器位于上磁轭和下磁轭之间，用于检测磁性元件所产生的磁场。

进一步，所述角位移传感器包括一个上磁轭和一个下磁轭，磁性元件和霍尔型传感器位于上磁轭和下磁轭之间，磁性元件在旋转件的带动下，可以在上磁轭和下磁轭之间运动，霍尔传感器安装在上磁轭和下磁轭之间以获得最佳磁场信号。

较为优选的是上磁轭为一个平板结构并围绕旋转件之轴线布置，上磁轭与磁性元件所形成的磁场垂直。

或，所述下磁轭围绕旋转件之轴线且大致平行于上磁轭布置，下磁轭之布置范围大于磁性元件可到达的角度区间。下磁轭围绕旋转件之轴线布置，下磁轭之布置范围大于磁性件可到达的角度区间。当下磁轭平行于上磁轭时，能够获得所需要的磁场分布，为了进一步改善线性度，也可以设计下磁轭与上磁轭成一定角度。

所述上磁轭可以包括一个下凸起部分，下凸起部并与下磁轭形成一个恰似平行的磁场。而霍尔传感器被置于平行磁场之中。

或，下磁轭包括一个上凸起部分，上凸起部与上磁轭之间形成一个恰似的平行磁场或者与上磁轭或者上磁轭之下凸起部之间形成一个恰似的平行磁场，而霍尔传感器被置于平行磁场之中。

本发明中所述磁性元件的宽度和厚度可分别或同时沿周向是变化的，其变化方式有利于改进输出信号的线性度。

在本发明角位移传感器中可以设置一个参考磁性元件，磁性元件位于上磁轭和下磁轭之间。通过在上下磁轭之间增加参考磁性元件，降低了磁通检测位置的磁场强度的绝对值，即使检测位置的磁场强度偏移，使检测位置磁场强度接近零的角度位置处于所要求高精度的位置，从而降低因环境温度变化等引起的磁场强度偏差而导致的输出结果的相对误差，提高了输出信号的稳定性。

上述参考磁性元件可以固定于旋转件中。

上述磁性元件由注塑方式整体成型或由胶合整体成型，可以简化产品结构，提高产品生产的一致性，改善产品的装配可靠性和工艺性，大大降低生产成本。

本发明角位移传感器工作原理是，当旋转体旋转时，带动磁性元件运动，从而改变磁性元件所产生的磁场在空间上的分布，因此霍尔传感器所能够检测到的磁场强度也随之改变，因而实现对旋转体角位移的测量。

相比现有技术的角位移传感器，本发明有益效果在于，因为其磁性元件表面的磁场方向即充磁方向与其旋转件之轴线方向平行，使磁感应元件处有最大的有效磁场强度，通过增加上、下磁轭，会使这个磁场变化率增强，同时能够消除外部磁场对传感器的干扰，降低了对传感器各部件形位公差的要求，提高使用角度范围内的信号输出线性度；通过改变上磁轭和下磁轭的形状，并且将霍尔传感器放置在上磁轭和下磁轭之间的最小距离处，在磁通检测位置会形成一个接近平行的、磁力线更集中的均匀磁场，从而进一步提高磁通检测位置的磁场强度的分辨率，基本消除外部磁场对传感器的干扰，进一步降低了对磁性检测元件的安装位置的精度要求，即便霍尔传感器的磁通检测方向不平行于旋转轴，也基本不会对输出结果的精度产生影响；另外本发明可以通过改变磁铁形状，使输出线性度可控，从而可以最大限度地改善输出信号的线性度。

附图说明

图1是一种角位移传感器的实施例一的轴视图。

图2(A)是图1的一种角位移传感器的实施例一的侧视图。

图2(B)是一种角位移传感器在实施例一中，当被测旋转体角度为0°时的俯视图。

图2(C)是一种角位移传感器在实施例一中，当被测旋转体角度为90°时的俯视图。

图2(D)是一种角位移传感器在实施例一中，当被测旋转体角度为0°时磁场在二维空间分布的仿真结果的侧视图。

图2(E)是一种角位移传感器在实施例一中，当被测旋转体角度为90°时磁场在二维空间分布的仿真结果的侧视图。

图3(A)是一种角位移传感器在实施例一中，磁性元件采用注塑方式整体成型的结构。

图3(B)是一种角位移传感器在实施例一中，磁性元件和参考磁性元件同时采用注塑方式整体成型的结构。

图3(C)是一种角位移传感器在实施例一中，磁性元件部分采用宽度沿圆周变化的结构。

图3(D)是一种角位移传感器在实施例一中，磁性元件部分采用厚度沿圆周变化的结构。

图3(E)是一种角位移传感器在实施例一中，磁性元件部分采用宽度和厚度都沿圆周变化的结构。

图3(F)是一种角位移传感器在实施例一中，磁性元件部分采用弧形的结构。

图4是一种角位移传感器在实施例一中，电压输出特性相对于角位移的图表。

图5是一种角位移传感器的实施例二的轴视图。

图6是一种角位移传感器的实施例二的侧视图。

图7是一种角位移传感器的实施例三的侧视图。

图8是一种角位移传感器的实施例四的轴视图。

图8(A)是一种角位移传感器的实施例四的下磁轭的轴视图。

标号说明

1：旋转体；

2：宽度和厚度方向都均匀变化的磁性元件；2a：参考磁性元件；

2b：注塑方式整体成型或胶合整体成型的磁性元件；

2c：注塑方式整体成型的磁性元件和参考磁性元件；

2d：宽度沿圆周变化的磁性元件；

2e：厚度沿圆周变化的磁性元件；

2f：宽度和厚度都沿圆周变化的磁性元件；

2g：呈弧形的磁性元件；

3：上磁轭；3a：上磁轭下凸起；

4：霍尔元件；

5：下磁轭；5a：下磁轭上凸起；

6：节气门体；6a：节气门体旋转轴；6b：节气门体门板；6c：下磁轭开孔；

6d：下磁轭下翻边；

7：旋转件旋转中心。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例1

以下结合附图1～3对本发明在节气门体角位移测量中的实施例一进行详细说明。

图1是一种角位移传感器的实施例一的轴视图。

如图所示，旋转体1包括磁性元件2和参考磁性元件2a；磁性元件2和参考磁性元件2a的充磁方向都平行于旋转体的旋转中心，但二者的充磁方向相反，各自的充磁后的极性见图2(A)。

传感器结构中还包括上磁轭3和下磁轭5；在下磁轭5上有上凸起5a。

霍尔传感器4安装在下磁轭3和上磁轭5所形成的平行磁场之间，霍尔传感器4的磁通检测方向与该处的磁场平行。

具体工作原理如下：

图2(B)是旋转体1在初始位置，即被检测角度为0°时的俯视图。从图中可以看出，此时，磁性元件2的一小部分和参考磁性元件2a的全部处于上磁轭3的投影之下，如图2(D)是旋转体1在0°位置时，磁场在二维空间分布的仿真结果的侧视图，此时霍尔传感器所检测到的下磁轭上凸起5a和上磁轭3之间形成的平行磁场绝对值接近传感器信号线性区的最小值。

当旋转体1沿逆时针方向旋转时，磁性元件2和参考磁性元件2a在下磁轭上凸起5a和上磁轭3之间所产生的磁场的强度会逐渐增强，在整个90°的旋转过程中，参考磁性元件2a的全部始终处于上磁轭3的投影之下。图2(C)是旋转体1从初始位置转过90°时的所到达位置的俯视图，此时磁性元件2的绝大部分都处于上磁轭3的投影之下，如图2(E)是旋转体1在90°位置时，磁场在二维空间分布的仿真结果的侧视图，此时霍尔传感器所检测到的下磁轭上凸起5a和上磁轭3之间形成的平行磁场绝对值接近传感器信号线性区的最大值。

通过对实施例一的输出特性进行测试，可以得到如图3所示的角位移传感器的电压输出特性相对于角位移的图表，旋转体1在90°旋转范围内，输出信号接近线性。

为了进一步改善线性度，根据使用场合的不同将磁性元件2作成如图3(C)、3(D)、3(E)和3(F)的形状。

为了简化产品结构，提高产品生产的一致性，改善产品的装配可靠性和工艺性，大大降低生成成本，在该实施例中采用注塑或整体胶合成型的工艺制作磁性元件2，即用注塑方式整体成型的磁性元件和参考磁性元件的总成2c取代磁性元件2和参考磁性元件2a，如图3(B)所示。

实施例二

与实施例一的不同之处在于增加上磁轭下凸起2b，会起到提高传感器灵敏度的效果和输出信号的线性度。图5是实施例二中一种角位移传感器的轴视图。图6是实施例二中一种角位移传感器的侧视图。

实施例三

当磁性元件温度稳定性好，或者使用环境温度变化幅度小的等情况下，为了进一步节省成本，在实施例一的基础上，去掉参考磁性元件2b。同时在特定场合下，为了便于下磁轭5从轴向安装，改变磁性检测元件4的安装位置。这就形成实施例三。图7是实施例三中一种角位移传感器的侧视图。

为了简化产品结构，提高产品生产的一致性，改善产品的装配可靠性和工艺性，大大降低生成成本，在该实施例中采用注塑或整体胶合成型的工艺制作磁性元件2b，即用注塑方式整体成型或胶合整体成型的磁性元件2b取代磁性元件2，如图3(A)所示。

实施例四

实施例四是实施例二的结构在汽油发动机进气节气门体6的开度角位移测量中应用的实例。

在其它因素固定的条件下，节气门体门板6b开度直接决定了节气门体6的进气量。节气门体门板6b的开度是由节气门体旋转轴6a的角位移决定的。实施例四是将角位移传感器用在节气门体旋转轴6a的角位移测量上。

为了便于传感器的装配，将下磁轭5设计成图8(A)所示结构。将下磁轭5冲压成型，得到下磁轭开孔6c和下磁轭下翻边6d，同时去除下磁轭上凸起5a。

通过某种方式，例如过盈配合或螺纹等，将下磁轭下翻边6d安装到节气门体6上，节气门体旋转轴6a从下磁轭开孔6c中穿出，与旋转体1相连。

节气门体门板6b从全关到全开之间的角度差小于90°。当节气门体门板6b处于全关时，对应于旋转体1在0°左右。当节气门体门板6b打开时，带动旋转体1沿逆时针方向旋转，直到达到开度最大值时，旋转体1所处的位置＜90°。

由实施例二可知，在节气门体门板6b从全关到全开的整个范围内，传感器输出值接近线性。

Claims (12)

1.一种角位移传感器，包括一个旋转件，旋转件包括一个随旋转体旋转的磁性元件；

一磁感应元件，用以磁性元件旋转时，检测到磁场强度增量与角度增量成正比输出；

其特征在于所述磁性元件表面的磁场方向与旋转件之轴线方向大致平行。

2.如权利要求1所述角位移传感器，其特征在于：磁感应元件包括一个或多个霍尔型传感器。

3.如权利要求2所述角位移传感器，其特征在于，包括一个上磁轭和一个下磁轭，所述磁性元件和霍尔型传感器位于上磁轭和下磁轭之间。

4.如权利要求3所述角位移传感器，其特征在于：上磁轭为一个平板结构并围绕旋转件之轴线布置，上磁轭与磁性元件所形成的磁场垂直。

5.如权利要求4所述角位移传感器，其特征在于：下磁轭围绕旋转件之轴线且大致平行于上磁轭布置，下磁轭之布置范围大于磁性元件可到达的角度区间。

6.如权利要求5所述角位移传感器，其特征在于在；上磁轭包括一个下凸起部分，下凸起部与下磁轭形成一个恰似平行的磁场。而霍尔型传感器置于平行磁场之中。

7.如权利要求5所述角位移传感器，其特征在于：下磁轭包括一个上凸起部分，上凸起部与上磁轭之间形成一个恰似的平行磁场，而霍尔型传感器置于平行磁场之中。

8.如权利要求6所述角位移传感器，其特征在于：下磁轭包括一个上凸起部与上磁轭之下凸起部之间形成一个恰似的平行磁场，而霍尔型传感器置于此平行磁场之中。

9.如权利要求8所述角位移传感器，其特征在于：所述磁性元件的宽度和厚度分别或同时沿周向是变化的，其变化方式有利于改进输出信号的线性度。

10.如权利要求1～9之任一项所述角位移传感器，其特征在于：包括一个参考磁性元件，参考磁性元件在上磁轭和下磁轭之间。

11.如权利要求10所述角位移传感器，其特征在于：参考磁性元件固定于旋转件中。

12.如权利要求10所述角位移传感器，其特征在于：所述磁性元件与旋转体由注塑方式整体成型或胶合整体成型。

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