CN103499271A - 一种厚度测量装置 - Google Patents

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白建民
王建国
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Abstract

本发明公布了一种厚度测量装置，其特征在于：包括一个传感单元、一个磁体、一个连杆以及一个表面接触单元；所述传感单元位于磁体的正上方或其正上方的一侧，包括感应部分和相应的电路，用于测量其磁敏感方向上磁体磁场的分量；所述磁体的顶端中心附近的场强分布均匀且场强较小；所述连杆连接磁体以及表面接触单元；所述表面接触单元与待测物表面相接触，用于将待测物表面的厚度变化通过连杆转变成磁体的位移。本发明通过表面接触单元将待测物厚度变化通过连杆使磁体产生位移，然后传感单元检测磁体的位移变化来测量待测物厚度。具有测量精确、抗干扰能力强、结构简单的优点。

Description

一种厚度测量装置
技术领域
本发明涉及磁性传感器技术领域，特别涉及一种利用磁性传感器测量物体厚度的厚度测量装置。
背景技术
在工业生产和日常生活中通常要对工件和物品的表面粗糙度和厚度进行测量，现有的厚度测量方式有超声波脉冲反射、光干涉以及激光位移测厚等，不同的测量方法对应不同的技术特点以及应用范围。超声波脉冲反射以及激光位移法的精度较低，而光干涉法仅适用于透明的薄膜，且其体积较大且对环境要求高，应用起来并不方便。我们不难看出现有的厚度测量方法并不能够满足工业生产的高精度和使用便利的要求。
本发明提供了一种厚度测量装置，使用磁性传感器为敏感元件，具有高精度，使用便利的特点，可以测量任何非磁性材料物品的粗糙度以及厚度。
发明内容
本发明目的在于提供一种测量精确、使用便利的厚度测量装置。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种厚度测量装置，其特征在于：包括一个传感单元、一个磁体、一个连杆以及一个表面接触单元；
所述传感单元位于磁体的正上方或其正上方的一侧，包括感应部分和相应的电路，用于测量其磁敏感方向上磁体磁场的分量；
所述磁体的顶端中心附近的场强分布均匀且在其相对传感单元的位移范围内对传感单元施加的场强不会使传感单元达到饱和；
所述连杆连接磁体以及表面接触单元；
所述表面接触单元与待测物表面相接触，用于将待测物表面的厚度变化通过连杆传递转变成磁体的位移。
其进一步特征在于：所述表面接触单元包括且不仅包括针形、球体或滑轮形状的非磁性耐磨材料。
进一步的：所述球体或滑轮型表面接触单元的半径要大于待测物的厚度。
其进一步特征还在于：所述磁体包括且不仅包括长形柱体或长形立方体的硬磁铁氧体材料，或片状柱体或片状立方体的硬磁金属材料。
所述磁体的形状为包括空心柱体、空心立方体或凹槽形等中心凹陷的形状。
所述磁性传感元件包括且不仅包括霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。
所述传感单元的感应部分为一个或多个磁电阻构成的单电阻、半桥或全桥结构，所述磁电阻由一个或多个磁性传感元件并联或串联组成。
优选的：所述磁性传感元件组成的全桥为梯度全桥。
优选的：所述传感单元和所述磁体的位置可以对调。
本发明通过表面接触单元将待测物厚度变化传递给磁体，使其产生位移，然后传感单元检测磁体的位移变化来测量待测物厚度。具有测量精确、抗干扰能力强、结构简单的优点。
附图说明
图1是本发明提供的用于厚度测量装置的第一种实施例的示意图。
图2是本发明提供的用于厚度测量装置的第二种实施例的示意图。
图3是本发明提供的用于厚度测量装置的第三种实施例的示意图。
图4是磁电阻元件的输出曲线示意图。
图5是传感单元的磁电阻的位置摆放示意图。
图6是传感单元的磁电阻的电连接示意图。
图7是全桥式传感单元的输出曲线示意图。
图8是本发明中的一种磁体形状示意图。
图9是本发明中的第二种磁体形状示意图。
图10是本实施例中最优的磁体中心区域的场强分布图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。
如图1所示，本实施例提供的用于厚度测量的装置包括传感单元11、磁体12、L形连杆13以及滑轮14。所述传感单元11包括感应部分及相应的电路。传感单元11位于磁体12的正上方或正上方的一侧，磁体12的充磁方向为31，传感单元11的磁场敏感方向为1，则传感单元11可测量磁体12的磁场32沿其磁场敏感方向1上的分量大小。当该测量装置工作时，滑轮14与待测物21的表面接触，待测物21置于一个标准平台上沿水平方向滑动，滑轮14随着待测物21表面的不平整发生轻微的上下位移，同时L形连杆13带动磁体12随着滑轮14的上下位移而产生以竖直方向为主的位移，则磁体13与传感单元11的相对位置也随着发生变化，其磁场32沿传感单元11磁场敏感方向1上的分量大小也随之变化，传感单元11通过测量变化的场强输出电信号，我们可以用校准表分析其输出信号的波形从而得到待测物21的表面粗糙度。对于厚度测量，待测物21与平台之间有一个高度差台阶，当待测物21通过滑轮14时，可以由待测物21和平台之间的高度台阶造成滑轮14的相对较大的位移从而测量出待测物21的厚度。
本发明提供的厚度测量装置也可采用另外两种形状的连杆。如图2所示，长形的连杆13的一端为滑轮14，另一端为磁体12，滑轮随着待测物21的粗糙表面以及待测物21与平台形成的高度台阶发生上下运动，同时长形连杆13带动磁体12发生上下位移，传感单元11则测量出由于磁体13的位移而导致其磁场32沿其磁场敏感方向1上分量的变化，从而测量出其表面粗糙度和厚度。图3采用的连杆则是将上下位移转化成磁体12以水平方向为主的位移，传感单元11再测出磁体12因为位移变化导致其磁场沿磁场敏感方向1的分量变化。
前三种实施例中的滑轮14为一种表面接触单元，除了采用滑轮外还可采用球形或针尖结构。采用球形和滑轮形状时则滑轮的直径要大于被待测物的厚度，若采用针尖结构则接触待测物21表面的力要足够小（一般为毫克力级）且运动速度要足够缓慢以避免对待测物造成划痕或导致针尖的断裂。
同时本发明中传感单元11和磁体12的位置可以对调，传感单元11与连杆13连接并随其运动，而磁体12则位于固定的位置。
图4是磁电阻式（各向异性磁电阻、巨磁电阻或磁隧道结）磁性传感元件的输出曲线示意图。其电阻随外场在其饱和场-Hs和Hs之间变化，当施加的外场沿敏感方向的场强的绝对值大于其饱和场的绝对值时，其阻值不变。
传感单元11由感应部分和相应的电路构成。感应部分为单电阻、半桥或全桥结构。通常我们把由一个或多个相同的磁性传感元件串联或并联组成的等价于一个电阻的单元称为磁电阻，每个磁电阻中的磁性传感元件的磁场敏感方向都相同。前述的单电阻结构含有一个磁电阻，半桥结构由两个磁电阻串联组成，全桥结构由四个磁电阻连接构成。对于磁体12微小的位移量33导致其磁场32的微小变化，实际应用中对传感单元的灵敏度和抗干扰能力要求很高，因此，由磁电阻构成梯度全桥结构是传感单元的一个最优选择。图5、6是本实施例采用的梯度全桥磁电阻的位置摆放和电连接示意图，图5是磁电阻41、42、43、44的摆放位置，图6是其电连接方式。我们可以看到沿着传感单元11的磁场敏感方向1，磁电阻41和44的位置相同，磁电阻42和43的位置相同，在焊点Vbias和GND之间输入稳恒电压。在没有外场的作用下，磁电阻41、42、43、44的阻值相同，输出端没有电势差，无输出。当磁体的磁场32施加于四个磁电阻上时，由于该磁场32是梯度场，沿着梯度场方向的场强大小不同，则沿着梯度方向位置相同的磁电阻41和44的电阻值相同，磁电阻42和43的电阻值相同，磁电阻41和42的阻值不同，则梯度全桥的输出端V+和V-之间具有输出电压Vout。随着磁体12位移的变化其磁场32沿磁场敏感方向1的分量大小也会随之变化从而导致输出电压Vout的变化。通过制定标准的位移-电压表我们可以测得待测物的表面粗糙度和厚度。采用梯度全桥结构的最大优点在于，若一个大磁场对传感单元11造成干扰，由于大磁场不是梯度场，则不会产生相应的输出电压，故梯度全桥的抗干扰能力很强。图7是全桥式磁性传感元件的输出曲线示意图，我们可以看到当施加的外场的绝对值大于其饱和场的绝对值时，其输出电压不变。
传感单元11的磁性传感元件可采用霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁隧道结元件。若采用霍尔元件则传感部分通常为单个元件构成的单电阻结构，其输出曲线为电压-磁场曲线，饱和场很大，灵敏度和精度较低。在本发明中优先选择的是灵敏度高，信号值大，饱和场大，功耗低的磁隧道结元件。通常将传感单元11置于磁体12的正上方或偏离正上方位于其一侧。对于柱形或立方体结构的磁体12，若其充磁方向为31，则其磁场32在磁场敏感方向1上的分布为正弦波，随着传感元件11远离磁体12顶端中心位置，磁场32的场强逐渐增强，然后又减小。若传感单元11距离磁体12顶端的中心位置在一定范围内过远，则磁场32会使磁性传感元件达到饱和而无法输出电压。因此对于磁体12我们要求其场强(H)-位置(R)曲线（其中R是指沿磁场敏感方向1到磁体顶端中心的距离）在其顶端中心位置附近要足够小且平缓，使磁体12在相对传感单元11运动的范围内，对传感单元11施加的磁场32不会导致传感单元11饱和。一般我们可以将磁体设计为中心凹陷的形状，如空心柱体、空心立方体等。如图8所示的空心柱体和图9所示的凹槽形状的磁体为本实施例的最优选择，其H-R曲线如图10所示。
控制磁体12的磁场32沿磁场敏感方向1的分量大小还可以通过采用选取不同材料按照需求来控制，例如铁氧体硬磁材料的剩磁较小，其磁场也偏小，则铁氧体磁体采用更长的形状。对于钐钴或钕铁硼这类剩磁大的材料，也可以将其做成片式形状以降低其磁场沿传感单元的磁场敏感方向1的分量大小。
应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种厚度测量装置，其特征在于：包括一个传感单元、一个磁体、一个连杆以及一个表面接触单元；
所述传感单元位于磁体的正上方或其正上方的一侧，包括感应部分和相应的电路，用于测量其磁敏感方向上磁体磁场的分量；
所述磁体的顶端中心附近的场强分布均匀且在其相对传感单元的位移范围内对传感单元施加的场强不会使传感单元达到饱和；
所述连杆连接磁体以及表面接触单元；
所述表面接触单元与待测物表面相接触，用于将待测物表面的厚度变化通过连杆转变成磁体的位移。
2.如权利要求1所述的厚度测量装置，其特征在于：所述表面接触单元包括且不仅包括针形、球体或滑轮形状的非磁性耐磨材料。
3.如权利要求2所述的厚度测量装置，其特征在于：所述球体或滑轮型表面接触单元的半径大于待测物的厚度。
4.如权利要求1所述的厚度测量装置，其特征在于：所述磁体包括且不仅包括长形柱体或长形立方体的硬磁铁氧体材料，或片状柱体或片状立方体的硬磁金属材料。
5.如权利要求1所述的厚度测量装置，其特征在于：所述磁体的形状包括且不仅包括空心柱体、空心立方体或凹槽形的中心凹陷的形状。
6.如权利要求1所述的厚度测量装置，其特征在于：所述磁性传感元件包括且不仅包括霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。
7.如权利要求1所述的厚度测量装置，其特征在于：所述传感单元的感应部分为一个或多个磁电阻构成的单电阻、半桥或全桥结构，所述磁电阻由一个或多个磁性传感元件并联或串联组成。
8.如权利要求7所述的厚度测量装置，其特征在于：所述磁性传感元件组成的全桥为梯度全桥。
9.如权利要求1所述的厚度测量装置，其特征在于：所述传感单元和所述磁体的位置对调。
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