CN102706508A - 精确的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是关于压力传感器的技术，它可以精确检测压力，更详细地说，磁铁为四边形，如正方形结构，或者右边高于左边，而上面为倾斜的梯形结构，在与N极或者S极的磁极表面保持一定距离的位置上，沿着从磁极表面任意点形成的直线移动距离时，相应产生线性磁通密度。该压力传感器使用上述磁铁准确地检测距离（位置）变化，并根据距离的变化，准确地测量压力差异。本发明包括：连接正负压的管；根据正负压差异移动的隔膜；装在隔膜一侧的隔膜支撑架；安装在隔膜支撑架，并产生线性磁通密度的磁铁；支撑隔膜的弹簧；容纳所有构件的上下壳。在通过检测压力并完成精确控制的精密控制装置中，由于现有的磁铁位置传感器的不能准确检测准确的位置信息，不可避免出现控制问题。本发明的压力传感器根据距离的变化，检测准确的压力差异，从而完成更加精确的控制。

Description

精确的压力传感器

技术领域

本发明是关于压力传感器的技术，它可以精确检测压力，更详细地说，磁铁为图4所示的长方形结构，或者如图5所示，右边高于左边且上面为倾斜的梯形结构，在与N极或者S极的磁极表面保持一定距离的位置上，沿着从磁极表面任意点形成的直线移动的距离变化相对应，通过使用产生线性磁通密度准确地检测距离（位置）变化（位移），并根据距离的变化，准确地导出压力差异。

背景技术

 在介绍压力传感器之前，先介绍在本发明中使用的磁铁总体特性。

磁通密度（magnetic flux density）指考虑在磁场任意一点到磁场的垂直面时，单位面积的磁通量，单位使用磁通量单位Wb(韦伯)。穿过单位面积的磁通量称为磁通量密度（磁通密度），其单位使用高斯（G）或者特斯拉（T）。磁通量密度表示磁场强度，垂直穿过面积为S的截面的磁通量Φ和磁场强度B的关系如下（公式1）。磁力线越密，磁场越强。磁铁两侧磁极的磁力线的密度大，而离磁极越远，磁力线密度越低。

（公式1）。

磁铁（magnet）指吸引铁粉，带磁力的物质体，工业生产的强磁称为永久磁铁，通常称为磁铁。

磁铁会吸引周边的铁块。受磁力影响的空间称为磁场。换句话说，磁铁创造磁场。在磁铁表面上放厚厚的白纸，在其白纸上面均匀洒下铁粉，可以看到磁力线的形状。在其上面放小指南针，便可看到指针顺着磁力线方向从N极指向S极。

根据库仑定律，两极间的磁力与距离平方成反比，与磁极强度成正比。磁极强度乘于两极间距离称为磁矩。磁极必须有一对相同强度N极和S极，相比磁极强度，磁矩为本质上的物理量。磁矩表示为，从S极到N极方向的矢量。两个磁矩之间的磁力以距离的4次方成反比。这是因为两个磁铁靠近时引力大，分离时引力急速下降。

磁化通过磁场区域的形状、排列、方向等切换过程来进行。这些切换过程具有不容易变化的结构是由于一旦磁化后即使磁场为0，也不会回到原来状态，剩下磁矩。这些残留磁化大的就是永久磁铁。

磁通（magnetic flux）将磁通密度或者磁感应对其方向垂直的截面积进行积分的量，也称为磁通量。在CGS单位制中的单位是麦克斯韦（符号Mx），而在MKS单位制或者SI单位制中的单位是韦伯（符号Wb）。如在线圈中穿过的磁通量随时间变化时，按其变化率的比例在线圈两端会产生电压(法拉第电磁感应定律)。通过电流产生的磁场阻碍磁通变化的方向为该电压的方向，这就是楞次定律。磁通是根据在永久磁铁或者线圈中通过的电流产生的。

根据磁场检测的方法，检测用传感器的种类繁多，但是使用最广泛的是霍尔传感器(hall sensor)。霍尔传感器工作模式是，先在半导体（磁敏）的电极中通过电流，然后在垂直方向施加磁场，这样便产生与电流方向和磁场方向垂直的电位差（electric potential）。

在通常情况下，作为测量最简单的距离的装置，采用可以检测永久磁铁和磁通的传感器，根据远离或者靠近永久磁铁，测量磁通密度的变化，通过在磁性传感器中产生的电位差测量距离。

但是，由于在永久磁铁中产生的磁通密度不会随距离线性产生，为了有效地将其作为测量距离的传感器来使用，应具备可以补偿非线性的程序或者电路，这样才能更加准确地测量距离。此外，为了补偿在一块磁铁上随距离产生的非线性性磁通密度的分布，并组合多种磁铁和多块磁铁来获得线性磁通密度结构，进行了不断的研究。

关于线性范围或者角度范围，为了检测待测物体绝对位置，并测量形成线性角度的位移，最近开发了多种非接触距离测量装置。

非接触测量位置检测有多种形式。最具代表性的有滑动式记录位移计（potentiometer），但还是达不到要求。光学位移计具有读取如slit等光学范围的光学传感器，但其结构更加复杂。还有其他如用于磁媒体的磁性传感器读取的磁力范围，其结构也是复杂，甚至无法检测绝对位置。

即，只能测量任意两个点之间的距离。本发明可以检测待测物体的绝对位置，如采用具有非常简单的结构和广泛的测量范围以及可靠性高，而且具有线性磁通密度的磁铁，那么就不需要使用补偿非线性的程序或者电路，只使用低廉的传感器，也能准确测量距离。

现有技术磁性传感器（1014）的结构是，它沿着磁铁（1012）极轴（pole axis）方向，对永久磁铁（1012）做相对移动，并测量距离，可以参照如图10所示的现有技术位置检测装置（以下为位置检测器）剖视图。在图上可以看出，永久磁铁（1012）正对磁性传感器（1014）进行排列，两者之间的距离L可以变化。即，两个构件可以做相对移动。磁性传感器（1014）沿着磁铁（1012）极轴（pole axis）方向，对永久磁铁做相对移动。永久磁铁（1012）产生的磁场是通过磁性传感器（1014）自带的敏感的磁感应件来感应的。距离L由磁性传感器输出的信号来检测并显示。但是，这种结构的线性特性曲线的有效距离非常短。

此外，图11为如U字型磁轭（1022）、永久磁铁（1024）、barber pole type器件等具有磁电阻感应器件并包含磁性传感器（1026）的闭磁路（1028），磁性传感器（1026）沿着磁铁（1024）的极轴（pole axis）垂直方向，对永久磁铁1024做相对移动。但是，这种结构也无法得到准确的线性特性曲线。

因此，我们需要具有线性磁通密度的磁铁，这种磁铁对磁铁直线变化的位移成比例，改变磁铁形状以及磁化位置，并根据位移磁通密度值得到线性（直线）改变，使得磁通传感器能够更加准确地测量位移。综上所述，在现有技术中使用的磁铁，无法准确测出线性磁通密度，而且，线性磁通密度的范围相对较小。

图12a表示通常使用的磁铁形状和磁化形状，其N极和S极以相同的面积半分而磁化。通常使用的利用磁铁的传感器是通过传感器测量远离或者靠近极轴的距离。本发明采用的方式是，测量垂直于极轴，与N极或者S极的磁极表面保持一定距离，平行方向移动的距离。现有方式由于远离磁铁过程中，磁通密度无法得到线性改变，而且与距离的平方成反比，因此，很难得到线性性。本发明的重要内容是，改变磁铁的形状，并调整磁化强度和范围，在磁极表面产生的磁通强度形成为线性。沿着磁极表面用传感器测量磁极表面产生的线性磁通密度，通过在传感器中产生的电压，准确测量绝对距离。

图12b表示普通磁铁的形状和磁化的形状，磁铁与图12a中的磁铁相同，只是测量磁通密度的方向与极轴垂直，移动方向与磁极表面平行。在图12中的磁铁中，表示磁通密度线性性的区域非常小。

本发明包括：连接正负压的管；根据正负压差异移动的隔膜；装在隔膜一端的隔膜支撑架；安装在隔膜支撑架，并产生线性磁通密度的磁铁；支撑隔膜的弹簧；容纳所有构件的上下壳。

压力（pressure）指物体所承受的与表面垂直的作用力。一种物体中，其内部各部分相互作用力也叫压力，在这种情况下，它是考虑物体内部任意表面，其两部分在此面相互施加的作用力（应力）。这种作用力如不与表面垂直，则将其分为与表面垂直的作用力和与表面平行的作用力，其中与表面垂直的作用力称为压力（使物体延伸的力为张力）。

由于压力均匀作用于受力面积，即便所有力的大小相同，根据受力面积，表面各点承受的压强也会不同。压力大小P均匀作用于受力面积S时，压强为P/S。将物体放在桌面时，一般情况下，压强随着位置会发生变化，因此，根据某个点的微小面积以及作用于其面积的微小压力大小，求出某个点的压强。压强也可以简单称为压力。

测量这种压力的传感器有多种，根据需要测量的对象，其种类会不同。

压力根据需要测量的对象，分为流体、固体、气体三大类，测量固体形状压力的代表性仪器有应变仪，但是，在测量流体或者气体压力时，由于测量相对压力，因此，使用利用隔膜测量相对比较压力的仪器。

相对压力测量方法为，测量与弹簧相结合的隔膜随相对压差产生的位移，最终完成相对压力的测量。

本发明是利用隔膜和弹簧测量相对压力的传感器相关技术，这种传感器广泛用于流体或者气体的测量。

本发明一种实施例可适用于带传感器的锅炉中，这种传感器可以测量空气流量的压力。现有锅炉用空气压力（风压）检测装置中使用开/关型风压传感器（压力传感器），它将鼓风机流入的空气压力传递到风压传感器（压力传感器）的隔膜中，此时在隔膜上安装的微型开关起到开闭电路作用，并调整空气量。但是，上述风压传感器（压力传感器）使用在一个固定的工作压力下，因此，根据鼓风机的不同，使用特定风压传感器。

此外，上述风压传感器不是准确测量流入的空气流量（空气量），而是根据流入的空气压力大小，通过调节鼓风机转数，仅仅起到增大或者减少流入空气压力（空气量）的作用。

这种检测流体压力的传感器种类很多，其中，利用流体流动压力（差压）检测流量的传感器占多数。

图1示出了检测水位的现有压力传感器的一种，在韩国实用新型No.0119708公开。该压力传感器包括主体100，其具有上壳110和下壳130以及设置在主体内部的隔膜140。该压力传感器根据隔膜140的变化检测水压室131内的压力，其中隔膜140的变化是由水压室131内的压力变化引起的。该压力传感器还具有光拦截元件200，它随着隔膜140的变化相比例改变其横截面，以便于调节穿过光拦截元件200的光量。以上述光拦截件200的升降路径为中心，发光二极管210与光敏晶体管220对向排列。上述上壳110管体150内侧有螺纹151，弹簧160在管体150内部。上述弹簧160根据管体150内侧螺纹151和连接的盖子170升降，调整上述弹簧160的弹力。通过发光二极管210施加的光量而发生变化的光敏晶体管220的输出电压，检测水压室131内的压力。上述光耦合器件的光量变化将导致电压变化，该压力传感器根据电压的变化检测水位。

 图2示出了另一种压力传感器，在韩国实用新型No.0273056中公开。该压力传感器包括外壳10，一侧形成的流通口11a和12a，具有流体出入的空间13，根据流体压力和弹性元件的弹性而上下移动的隔膜14。上述隔膜14与永久磁铁20进行联动。感应元件30，其设置于接近永久磁铁20的工作区间，检测永久磁铁20升降时的磁力。根据流体轻微变化，永久磁铁20也将发生轻微移动，感应元件30通过测量永久磁铁20的磁力变化，更加准确地检测流体的流量及压力变化。然而，这种结构中使用的永久磁铁和感应元件30受到磁铁的非线性特性影响，还是无法测出准确的位置。

对图2更详细的解释是：测量随压力差异移动的隔膜14位移时，考虑到其密封于内部，为了解其位移的准确控制信息，采用一种通常使用的磁化作用非接触式近程传感器，测量磁通密度的方式。由于磁通密度的减少与距离平方成反比的非线性磁通密度的分布，即使使用价格昂贵的变换算法，进行线性改变，也无法克服根本性的算法误差和测量装置的误差等结构上的缺点。

另一种示例为如图3所示，在图中，没有只用一个磁极，而是使用了相互对应的四个磁极。在使用四个磁极的时候，通过永久磁铁20测量磁力的感应元件40处在永久磁铁20升降的工作区域一侧，但由于受到磁铁的非线性特性影响，检测磁通密度的传感器信息也具有非线性特性，因此，没有测量实质性的位置，只能得到具有非线性特性的错误的位置信息。

这种错误的位置信息只能导致设备控制基础信息，即压力信息出现错误，基于这些信息，不能准确控制锅炉或者设备，这样，只能降低工作效率。

因此，需要一种能够更加准确地测量位移，并准确测量压力差异的压力传感器。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供关于压力传感器的技术，它可以精确检测压力，更详细地说，磁铁为四边形，如正方形结构，或者右边高于左边，而上面为倾斜的梯形结构，在与N极或者S极的磁极表面保持一定距离的位置上，沿着从磁极表面任意点形成的直线移动距离时，相应产生线性磁通密度。该压力传感器使用上述磁铁准确地检测距离（位置）变化 ，并根据距离的变化，准确地测量压力差异。

为了达到上述目的，本发明的特点在于：本发明压力传感器的磁铁是四边形结构，为了得到与距离平方成反比的磁通密度的线性，N极和S极从四边形的棱角沿着对角线的方向磁化成犹如正弦波形（如，sin波形）。通过从磁铁的极表面保持一定距离，并沿着与磁极表面相互平行的直线（C-D）(C-D:C1-D1、C2-D2、C3-D3、 C4-D4)分布的线性磁通密度的磁铁，测量位移，并检测压力。

在上述磁铁的组成部分N极或者S极磁化的磁通密度较高的磁极边缘上，从磁极表面垂直保持一定距离的点为传感器测量的起点C，从磁极另一个边缘垂直保持一定距离，与起点C相等高度的点为磁铁传感器测量的终点D。

对应于从上述起点C沿着与磁极表面平行的方向（连接起点与终点的直线（C-D:C1-D1、C2-D2、C3-D3、C4-D4）），移动到终点D时产生的距离变化，，在所有测量区域0-12中的有效区域2-10中产生线性磁通密度，并测量磁铁的位移，最终检测压力。

在上述磁铁的组成部分N极或者S极的磁通密度中加大从起点C到终点D的距离d，磁性传感器分别沿着直线C1-D1、C2-D2、C3-D3、 C4-D4进行移动，在这些直线中选择磁通密度具有线性的直线（如，C2-D2），磁性传感器沿着这条直线C2-D2测量磁通密度，并测量由距离变化造成的位移，最终完成压力的检测。

 精密压力传感器特征在于，压力传感器包括隔膜支撑架62、磁铁、磁性传感器68、弹簧82、隔膜66、正压连接部、负压连接部。 隔膜支撑架62与隔膜66进行连接；上述隔膜支撑架62上连接磁铁，而通过磁性传感器测量磁铁磁通密度的连接起点C2和终点D2的直线与隔膜66的工作方向相垂直。磁性传感器68检测上述磁铁的磁通密度，与通过磁性传感器测量磁铁磁通密度的连接起点C2和终点D2的直线一致，并垂直设置于下壳下表面。弹簧82安装在上述隔膜支撑架62下端和下壳下表面之间。隔膜66将上述下壳和上壳之间的内部空间分为两个隔间。在上述两个隔间中，正压连接部与上隔间进行连接，而负压连接部与下隔间进行连接。根据隔膜66的上下移动，测量与隔膜支撑架62进行连接的磁铁相对位移，并检测压力。

通常磁力强度一定时，与测量的距离平方成反比。因此，一般情况下，磁铁的形状（如，环形、条形）以及一定强度的磁化结构，随位移变化的磁力强度变化在二次函数曲线图中无法得到线性。因此，在本发明中如图4所示，通过模具改变了磁铁形状以及磁化结构，从而得到了线性。

  此外，为了通过磁性传感器测量随压力变化而上下移动的隔膜66的相对距离变化，对于使用磁铁的压力传感器，磁铁的左边高于右边，而上面是倾斜的梯形结构。

 在N极或者S极的磁化的磁通密度较高的磁极右边缘，从磁极表面垂直保持一定距离的点为磁性传感器测量的起点A；在磁化的磁通密度较低的磁极左边缘，从磁极表面垂直保持一定距离的点为磁性传感器测量的终点（B：B1、B2、B3、B4）。沿着连接上述起点A和终点（B：B1、B2、B3、B4）的直线，通过磁性传感器测量磁通密度的各距离作为测量区域，在测量区域0-12中，具有非线性的边缘区域除外的有效区域，即，在2-10区域中，通过具有线性磁通密度的磁铁测量相对位移，并检测压力。

上述磁铁的组成部分，即N极和S极以左边与右边宽度比为1：1.5-4的金属上磁化形成磁铁，沿着连接上述起点（A）和终点（B：B1、B2、B3、B4）的直线，通过磁性传感器测量磁通密度的各距离作为测量区域，在测量区域0-12中，具有非线性的边缘区域除外的有效区域，即，在2-10区域中，通过具有线性磁通密度的磁铁测量相对位移，并检测压力。

在上述磁铁N极或者S极的磁化的磁通密度较高的磁极边缘，从磁极表面垂直保持一定距离的点为磁性传感器测量的起点A；在磁化的磁通密度较低的磁极边缘，从磁极表面保持一定距离的点为磁性传感器测量的终点（B：B1、B2、B3、B4）；从上述起点A沿着与磁极表面平行的直线（连接起点与终点的线：A-B4），到终点（B4）的有效区域2-10中通过磁性传感器测量磁通密度的线性；  通过反复操作，使终点绝对距离达到起点（A）的高度，在磁极表面垂直保持一定距离的上述终点到增加高度后的点（B3、B2、B1）之间的磁通密度有效区域2-10中找出具有线性的终点（如，B3），并测量磁铁磁通密度有效区域2-10的线性，然后，在连接上述起点A和终点B3的直线（A-B3）上放置测量磁通密度的磁性传感器。

精密压力传感器特征在于，压力传感器包括隔膜支撑架62、磁铁、磁性传感器68、弹簧82、隔膜66、正压连接部、负压连接部。隔膜支撑架62与隔膜66进行连接；上述隔膜支撑架62上连接磁铁，而通过磁性传感器测量磁铁磁通密度的连接起点A和终点B的直线与隔膜66的工作方向相垂直；磁性传感器68检测上述磁铁的位置，与通过磁性传感器测量磁铁磁通密度的连接起点（A）和终点（B3）的直线一致，并垂直设置于下壳下表面；弹簧82安装在上述隔膜支撑架62下端和下壳下表面之间；隔膜66将上述下壳和上壳之间的内部空间分为两个隔间；在上述两个隔间中，正压连接部与上隔间进行连接，而负压连接部与下隔间进行连接。根据隔膜66的上下移动，测量与隔膜支撑架62进行连接的磁铁位移，并检测压力。

此外，精密压力传感器特征在于，压力传感器包括隔膜支撑架、磁铁、磁性传感器、弹簧、隔膜、正压连接部、负压连接部。隔膜支撑架与隔膜进行连接；上述隔膜支撑架上连接磁铁，磁通密度与N极或者S极的磁极表面保持一定距离，而具有长方形或者梯形结构的磁铁磁极表面垂直置于隔膜工作方向；检测上述磁铁位置的磁性传感器与磁铁N极或者S极的磁极表面相互平行，并垂直置于下壳下表面；弹簧安装在上述隔膜支撑架下端和下壳下表面之间；隔膜将上述下壳和上壳之间的内部空间分为两个隔间；在上述两个隔间中，正压连接部与上隔间进行连接，而负压连接部与下隔间进行连接。根据隔膜的上下移动，准确测量与隔膜支撑架进行连接的磁铁相对位移，并检测压力。

在通过检测压力并完成精确控制的精密控制装置中，由于现有的磁铁位置传感器的不正确的位置信息，不可避免不正确的控制。本发明的压力传感器通过距离变化，检测准确的压力差异，从而能够实施更加精确的控制。

附图说明

图1为利用光线的现有技术压力传感器剖视图；

  图2为现有技术的利用磁铁的压力传感器剖视图；

  图3为现有技术的利用多个磁铁的压力传感器剖视图；

  图4为根据本发明的磁铁形状和磁铁磁化形状示意图；

  图5为根据本发明的另一种实施例磁铁形状和磁铁磁化形状示意图；

  图6为本发明梯形和长方形的磁通密度变化曲线图；

  图7为在本发明中使用产生线性磁通密度的磁铁的精密压力传感器剖视图；

  图8为本发明使用产生线性磁通密度磁铁的精密压力传感器侧视图；

  图9为本发明使用产生线性磁通密度磁铁的精密压力传感器俯视图；

  图10为现有位置检测机的立体图；

  图11为使用U字型磁轭的现有位置检测机；

  图12分别表示普通磁铁极轴方向与测量位移方向平行（a）和垂直（b）的示意图。

主要附图标记说明

60：磁铁           62：隔膜支撑架      64：连接部

66：隔膜           68：磁性传感器（Programmable Hall IC）

70:PCB             72:上壳             74：下壳

82：弹簧           92：负压连接部      94：正压连接部

A：起点            B：终点

C：方型磁铁起点    D：方型磁铁的终点。

具体实施方式

在下文中将结合附图详细介绍本发明的优选实施例。

图1为利用光线的现有技术压力传感器剖视图；图2为现有技术磁铁压力传感器剖视图；图3为现有技术多磁铁压力传感器剖视图；图4为本发明磁铁形状和磁化形状示意图；图5为本发明另一种实施例磁铁形状和磁化形状示意图；图6为本发明梯形和长方形的磁通密度变化曲线图；图7为在本发明中使用产生线性磁通密度的磁铁的精密压力传感器的剖面图；图8为本发明使用产生线性磁通密度磁铁的精密压力传感器侧视图；图9为本发明使用产生线性磁通密度磁铁的精密压力传感器俯视图。

图1至图3在现有技术中已经介绍；图4为本发明磁铁形状和磁化形状示意图，在图中磁铁形状按照如图中虚线方向即对角线方向磁化时，随位移的N极的磁通密度与距离的平方成反比，这时，磁通的分布不是一定方向排列，而是向对角线方向进行排列的，由此，在N极保持指定距离如1mm区域测量磁通密度时，在磁通密度曲线图上，随位移变化的磁通密度无法显示线性，因此，为了在一定区域中显示线性，如图4所示实线，该磁化作用改变为曲形，比如正弦波（sin波）形状。

为了随距离变化的磁通密度在一定区域内形成线性，把磁化作用结构沿着图4所示的对角线方向随曲线略微失真（歪曲）变形。本发明中实现磁通密度的线性是，如上所述通过变换测量位置以及一系列反复测量过程，最终找出具有最佳线性的测量位置。因此，将上述磁铁的磁化方向的曲线或者正弦波形（例如sin波形）根据频率、周期、振幅、波长等，在本说明书上没有必要特定。由于本发明磁铁磁化方向曲线或者正弦波形的反复周期不会超过2次，因此，在特定其曲线的形态或者波形中，不需要“周期”概念。正弦板的波形所定为适合于磁铁的使用目的、使用用途、安装位置等。很明显，按照磁通密度与测量距离增加的平方成反比减少的原理，磁化方向如为直线，将无法得到线性，只有曲线才能得到线性。此外，测量的磁通密度距离越远，与距离平方成反比，因此，结合测量距离，设计磁化作用结构。

  此外，磁铁N极和S极界面磁化成正弦波形，并不意味着产生交流磁场，也不意味着磁场方向连续变化。图4以及图5的双方向箭头不是磁力线的方向，而是磁性传感器的移动方向。

  比如，在本发明的直线C2-D2中，磁通密度的变化随测量位置的变化具有线性，这并不代表磁铁的磁通密度本身具有线性。

  在图4中，磁性传感器位移，沿着与连接C-D的各线即C1-D1、C2-D2、C3-D3、C4-D4，形成为直线。磁性传感器沿着C1-D1、C2-D2、C3-D3、C4-D4进行移动，并测量磁通密度，而且，将每条线作为测量区域。测量区域将每条线划分为12等分，有0-12刻度。

  磁性传感器在0-12区域进行测量，间隔（d）与磁极表面保持一定距离，垂直于极轴、与磁极表面水平方向移动。在测量区域0-12中，除具有非线性的边缘，可以选择2-10区域作为位置传感器的使用区域（有效区域）。

  在测量区域0-12中选择有效区域2-10是因为如对全部测量区域都具有线性磁通密度，只能导致磁化过程非常复杂，因此排除了相比中间区域更加难以体现线性的两端。如要两端全部使用，只能进行复杂的磁化过程，将会需要很多费用。这是由于磁通密度集中于各形状的两端，只能复杂地变换磁化强度。因此采用容易磁化的区域将提高效率。

  在上述磁铁的组成部分N极或者S极的磁通密度中，逐步增加从起点（C）到终点（D）的距离d，磁性传感器分别沿着直线C1-D1、C2-D2、C3-D3、 C4-D4进行移动，在这些直线中选择磁通密度具有线性的直线（如，C2-D2），磁性传感器沿着这条直线C2-D2测量磁通密度，并测量随距离变化产生的磁铁的位移，最终检测出压力传感器的压力。

  为了测量随距离的磁通密度，使用可编程的霍尔集成电路（Programmable Hall IC）来测量各位移的磁通密度变化。可编程的霍尔集成电路（Programmable Hall IC）是由Micronas公司制造的部件，其误差为±1%。实验结果如图6中的曲线所示。

  图6为本发明的磁通密度变化曲线图。在全部区域（0-12）（如，C2-D2）（测量区域）中，磁通密度随距离具有一定程度的线性，而在一定区域（2-8）（有效区域）中，各位移的磁通密度值表现出几乎完美的线性。因此，改变磁铁的磁化结构，在一定区域内将各位移的磁通密度值形成线性。但是，测量磁通密度的距离越远，与距离的平方成反比，所以，根据测量的距离设计磁化结构。

   本发明压力传感器的磁铁是四边形结构，为了得到与距离平方成反比的磁通密度的线性，N极和S极从四边形的棱角沿着对角线的方向进行磁化，其磁化结构犹如正弦波形（如，sin波形）。在一定区域中找出各位移的磁通密度值形成线性的轨迹（C2-D2），在此轨迹上放置磁性传感器，磁性传感器根据隔膜的位移变化，测量在隔膜支撑架上连接的磁铁位移。

在图4中，通过传感器移动于连接磁铁两侧之间的点的轨迹并进行检测。测量装置的数据（传感器的输出值为伏特）在表面一定轨迹上移动，找出线性变化的直线，结合压力传感器测量位移。

   当然，此时找出的轨迹不止一条，其理由是，传感器测量的输出值为伏特，相对位移变化以伏特的变化体现出来，如其变化在允许误差范围之内，便可找出多条轨迹（Trajectory）。但是，实际使用的压力传感器中，由于隔膜的移动轨迹为直线，所以将需要测量的轨迹限定为直线，并找出输出的位移根据传感器的位移发生一致变化的最佳轨迹，进行使用。

图5为本发明另一个实施例的磁铁的磁化结构图，磁铁下平面宽度W根据需要可以调整大小，磁铁S极的左侧边为Sd1，而右侧边的高度为Sd2。此外，磁铁N极的左侧边为Nd1，而右侧边的高度为Nd2，N极在S极的上方。因此，对于S极和N极布置结构，左侧边为Sd1+Nd1，而右侧边高度为Sd2+Nd2,右侧边高度大于左侧边的高度，是四边形的结构。

 如将磁铁的形状表示为数字的话，磁铁S极的左侧边为1，而右侧边的高度为2。此外，如磁铁N极的左侧边是1，那么，右侧边的高度为2，N极在S极的上方。因此，在S极和N极的布置结构中，左侧边为2，右侧边的高度为4，右侧边的高度为左侧边高度的2倍，是四边形结构。

  较为理想的磁化结构为，N极和S极的左侧边与右侧边宽度比例为1：1.5-1：1.4，这种结构对通过磁性传感器测量的磁通密度保持线性，带来帮助。

  根据如图5所示的结构磁化磁铁，测量各位移的磁通密度变化。

测量位置从磁铁右侧边上端部保持一定距离（d）的A点到左侧边B点形成不同角度的B1至B4之间的直线。

   再详细地讲，在磁铁N极或者S极中磁化的磁通密度较高的磁极边缘，从磁极表面垂直保持一定距离的点为磁性传感器测量的起点（A）；在磁化的磁通密度较低的磁极边缘，与磁极表面垂直保持一定距离的点为磁性传感器测量的终点（B：B1、B2、B3、B4）。 

从上述起点（A）沿着与磁极表面平行的直线（连接起点和终点（B4）的直线）通过磁性传感器测量磁通密度；在从起点（A）到各终点（B3、B2、B1），依次测量磁铁磁通密度的线性。

补充说明的话，从磁极表面垂直保持一定距离，从上述终点逐渐提高高度，通过反复操作使绝对高度（B1）与起点（A）的高度相等，然后，依次提高终点（B）的高度B4、B3、B2、B1，最后，沿着A-B4、A-B3、A-B2、A-B1直线，测量磁铁磁通密度的线性，找出磁通密度具有线性的终点（在B1、B2、B3、B4中的其中一个点）。

“从磁极表面垂直保持一定距离”含义不仅代表“磁极表面”（图5a），也可以包括其磁极延长的表面（图5b）。

此外，“测量区域0-12”是将测量轨迹（C-D或者A-B）划分为一定区域。即，在图4中将测量轨迹分为11等分，标了0-12的刻度；在图5中将测量轨迹分为11等分，标了0-12的刻度，而测量的轨迹A-B1、A-B2、A-B3、A-B4的距离是不同的。反复测量的区域2-10作为有效区域，不过，可以缩小有效区域的范围或者可以平行移动一定距离。

图6为在测量值中线性最好的曲线图。除去边缘部分，在线性最好的位置中选择起点（A）和终点（如：B3），适用于压力传感器，促使磁性传感器位置通过直线（A-B3）。此时，上述介绍的磁铁区域（测量区域），即0-12中除去边缘部分，在2-10区域中测量磁通密度，并将此区域作为位置传感器的使用区域。除去磁铁边缘区域是因为磁化作用无法保证到边缘区域的线性。这种技术以后需要不断地研究。

通过传感器测量线性磁通密度可以获得线性输出值。其输出值显示为电压。图6的y轴显示，传感器在削减磁通量按恒定速度移动时输出的电压。

在本发明中，最重要的是，找出“与移动距离成比例，并具有线性的直线”，通过反复进行测量，在所测出的结果中找出一定区域出现直线形状的轨迹（直线），如图6所示。将磁铁安装到压力传感器，促使磁铁按照这条直线移动。

线性的磁通密度，指由磁铁产生的磁通量在测量的轨迹上具有线性，而线性指由传感器测量的磁通密度根据轨迹输出值（Voltage）具有线性，其实，两者的含义本质上相同的。

如图5所示，改变测量位置角度是为了找出由磁性传感器测量的磁通密度的线性最佳位置。另外需要考虑的是，磁通密度越大，对磁通造成影响的轨迹越少，而磁通密度越小，对磁通造成影响的轨迹越大。起初测量的A点位置也可以更改，根据磁铁大小和磁化强度，左侧边和右侧边的高度比例会发生变化，磁铁的形状也会发生变化。

图6为本发明磁通密度变化曲线图。在曲线图上可以看出，改变长方形磁铁的磁化作用测出的结果和改为非等边四边形，即梯形磁铁的磁化作用而测出的结果几乎相等。在图6的磁铁有效区域2-10中可以发现随距离的线性，利用这种磁铁，分析准确的绝对位置，可以进行精确的控制，沿着连接上述有效区域的起点（区域2）和终点（区域10），形成为具有线性磁通密度的磁铁。

图7为根据本发明使用产生线性磁通密度的磁铁的精密压力传感器剖视图；图8为根据本发明使用产生线性磁通密度磁铁的精密压力传感器侧视图；图9为根据本发明使用产生线性磁通密度磁铁的精密压力传感器俯视图。

压力传感器上壳72与下壳74对接形成内部空间，通过在上壳72和下壳74之间安装的隔膜66将内部空间分为两个隔室。

在隔膜（66）的下方有连接部64，它可以紧密连接隔膜支撑架（62）和隔膜（66），而隔膜支撑架（62）和隔膜（66）根据压力变化进行移动；在隔膜支撑架（62）下方有磁铁（60），磁铁（60）沿着连接上述起点和终点的直线产生磁通密度，而磁铁（60）的N极或者S极的磁极表面与隔膜的移动方向相同，与磁性传感器（Programmable Hall IC）(68)平行保持一定距离。

磁性传感器68与PCB70进行连接，通过测出的电信号输出值向控制器传送压力信息。

安装在隔膜支撑架（62）下方的弹簧（82）起到平衡正压和负压的作用。隔膜66根据在正压连接部94与负压连接部92施加的压力差异上下移动，如正压大于负压，也就是根据压力差异的大小，弹簧上下移动，通过弹簧变形的程度，磁性传感器（Programmable Hall IC）68测量磁铁60的线性磁通密度，检测绝对位移。

以上介绍了根据本发明精密压力传感器，本发明的权利范围不限于此，将涉及到申请范围内记录的内容和类似范围的全部技术内容。

在通过检测压力并完成精确控制的精密控制装置中，由于现有的磁铁位置传感器的不正确的位置信息，不可避免不正确的控制。本发明的压力传感器通过距离变化，检测准确的压力差异，从而能够实施更加精确的控制。

Claims (10)

1.一种精确的压力传感器，其特征在于：包括磁铁，为了得到与距离平方成反比的线性磁通密度，磁铁的N极和S极从四边形的棱角沿着对角线的方向磁化为犹如正弦波形，通过沿着从磁铁的极表面保持一定距离并与磁极表面相互平行的直线（C-D）(C-D:C1-D1、C2-D2、C3-D3、 C4-D4)具有线性磁通密度的磁铁，来测量位移，并检测压力。

2.根据权利要求书1所述的精确的压力传感器，其特征在于，在上述磁铁N极或者S极中磁通密度较高的磁极边缘，从磁极表面垂直保持一定距离的点为磁性传感器测量的起点C，从磁极另一个边缘的磁极表面垂直保持一定距离，与C点相等高度的点为终点D；

对应于从上述起点C沿着与磁极表面平行的方向（连接起点与终点的直线（C-D:C1-D1、C2-D2、C3-D3、C4-D4）），移动到终点D时产生的距离变化，在所有测量区域0-12中的有效区域2-10中产生线性磁通密度，并测量磁铁的位移，最终检测压力。

3.根据权利要求书2所述的精确的压力传感器，其特征在于，在上述磁铁的组成部分N极或者S极的磁通密度中加大从起点C到终点D的距离d，磁性传感器分别沿着直线C1-D1、C2-D2、C3-D3、 C4-D4进行移动，在这些直线中选择磁通密度具有线性的直线（如，C2-D2），磁性传感器沿着这条直线C2-D2测量磁通密度，并测量由距离变化产生的位移，最终完成压力的检测。

4.根据权利要求书第1至3项任何一项所述的精确的压力传感器，其特征在于， 

 压力传感器包括隔膜支撑架、磁铁、磁性传感器、弹簧、隔膜、正压连接部、负压连接部；

 隔膜支撑架与隔膜进行连接；

上述隔膜支撑架上连接磁铁，而通过磁性传感器测量磁铁磁通密度并连接起点（C2）和终点（D2）的直线与隔膜的工作方向相垂直；

磁性传感器检测上述磁铁的磁通密度，与通过磁性传感器测量磁铁磁通密度并连接起点（C2）和终点（D2）的直线一致，并垂直置于下壳下表面；

弹簧安装在上述隔膜支撑架下端和下壳下表面之间；

隔膜将上述下壳和上壳之间的内部空间分为两个隔间；

在上述两个隔间中，正压连接部与上隔间进行连接，而负压连接部与下隔间进行连接；

根据隔膜的上下移动，测量与隔膜支撑架进行连接的磁铁相对位移，并检测压力。

5.一种精确的压力传感器，其特征在于，包括磁铁，磁铁的右边高于左边，而上面是倾斜的梯形结构；

在磁铁N极或者S极磁化的磁通密度较高的磁极右边缘，从磁极表面垂直保持一定距离的点为磁性传感器测量的起点A；

在被磁化的磁通密度较低的磁极左边缘，从磁极表面垂直保持与起点相等距离的点为磁性传感器测量的终点B（B1、B2、B3、B4）；

     沿着连接上述起点A和终点B（B1、B2、B3、B4）的直线，通过磁性传感器测量磁通密度的各距离作为测量区域，在测量区域0-12中，具有非线性性的边缘区域除外的有效区域，即，在2-10区域中，通过测量具有线性磁通密度的磁铁的位移，并检测压力。

6.根据权利要求书5所述的精确的压力传感器，其特征在于，上述磁铁的组成部分，即N极和S极磁化于左边与右边宽度比为1：4的金属元件上。

7.根据权利要求书6所述的精确的压力传感器，其特征在于，上述磁铁的磁通密度沿着N极或者S极的磁极表面线性改变，沿着连接上述起点和终点的直线，通过具有线性磁通密度的磁铁测量相对位移，并检测压力。

8.根据权利要求书7所述的精确的压力传感器，其特征在于，在上述磁铁N极或者S极中磁通密度较高的磁极边缘，从磁极表面垂直保持一定距离的点为磁性传感器测量的起点；

在被磁化的磁通密度较低的磁极边缘，与磁极表面垂直保持与起点相等距离的点为磁性传感器测量的终点；

沿着与磁极表面平行的直线（连接起点与终点的线），在上述起点到终点中测量磁通密度的线性；

从磁极表面垂直保持一定距离的上述终点，通过反复操作，使终点绝对距离达到起点的高度，增加磁场来测量磁通密度的线性，找出具有线性的终点，然后，在连接上述起点和终点的直线上放置磁性传感器。

9.根据权利要求书第5至8项任何一项所述的精确的压力传感器，其特征在于，压力传感器包括隔膜支撑架、磁铁、磁性传感器、弹簧、隔膜、正压连接部、负压连接部； 隔膜支撑架与隔膜进行连接；上述隔膜支撑架上，磁铁N极或者S极的磁极表面垂直置于隔膜工作方向；

检测上述磁铁位置的磁性传感器与磁铁N极或者S极的磁极表面相互平行，并垂直置于下壳下表面；

弹簧安装在上述隔膜支撑架下端和下壳下表面之间；

隔膜将上述下壳和上壳之间的内部空间分为两个隔间；在上述两个隔间中，正压连接部与上隔间进行连接，而负压连接部与下隔间进行连接；

根据隔膜的上下移动，测量与隔膜支撑架进行连接的磁铁相对位移，并检测压力。

10.一种精确的压力传感器，其特征在于， 

压力传感器包括隔膜支撑架、磁铁、磁性传感器、弹簧、隔膜、正压连接部、负压连接部；

 隔膜支撑架与隔膜进行连接；在上述隔膜支撑架上，磁铁的磁通密度与N极或者S极的磁极表面保持一定距离，而具有长方形或者梯形结构的磁铁磁极表面垂直置于隔膜工作方向；

检测上述磁铁位置的磁性传感器与磁铁N极或者S极的磁极表面相互平行，并垂直置于下壳下表面；

弹簧安装在上述隔膜支撑架下端和下壳下表面之间；

隔膜将上述下壳和上壳之间的内部空间分为两个隔间；在上述两个隔间中，正压连接部与上隔间进行连接，而负压连接部与下隔间进行连接；

根据隔膜的上下移动，准确测量与隔膜支撑架进行连接的磁铁相对位移，并检测压力。

Images