CN103528625A - 一种齿轮传感器 - Google Patents

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白建民
王建国
黎伟
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Abstract

本发明公布了一种齿轮传感器,位于齿轮齿面上方,其特征在于:其包括多个传感单元、背磁以及外围的控制单元;所述背磁提供磁场用于磁化齿轮;所述多个传感单元并排设置,传感单元间的间距远小于齿轮的齿距,用于检测被背磁和齿轮之间的磁场沿其磁场敏感方向上的分量;所述控制单元用于提供稳恒电压或电流,同时接收多个传感单元输出的信号,并分析判断齿轮的状况。本发明的齿轮传感器适用于高模数比的齿轮,通过设置多个间距较小的传感单元,分析多路信号实现测量,其测量精度不依赖于齿轮的模数比而依赖于传感单元之间的距离,则在提升测量精度,减小误差的同时实现了大气隙距离的测量。

Description

一种齿轮传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及磁性传感器技术领域,特别涉及一种测量机械上齿轮状态的磁性齿轮传感器。
背景技术
[0002] 齿轮传感器主要应用于自动化控制系统中,以测量齿轮的转速、位置和转动方向。目前,常用的齿轮传感器为光敏传感器和磁性传感器。在机械转动系统中,面对震动、冲击、油污等恶劣环境,磁传感器比光敏传感器具有更大的优势。现有技术中有许多不同类型的磁传感器,例如以霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件以及磁隧道结元件为敏感元件的磁传感器,其中霍尔传感器具有很大的测量范围,但是灵敏度和测量精度较低,后面几种属于磁电阻型传感元件,具有更高的灵敏度和测量精度。
[0003] 现有的工业应用中通过在其机械结构中设置齿轮,然后利用齿轮传感器来测量齿轮的状态,如位移量、速度以及位移方向等来测量机件的相应状态。通常传感器的结构为背磁和一个传感单兀,该传感单兀由两个半桥组成一个梯度全桥输出一路信号。背磁和磁性材料构成的齿轮之间形成一个梯度磁场,当齿轮的齿经过传感器时,磁场的分布发生变化,传感单元的两个半桥分别感应齿轮经过时的磁场变化,然后两个半桥之间形成电势差,输出一路类正弦波信号。对于采用不同传感元件的传感器来说,传感单元沿敏感方向上的桥臂之间的距离D和齿周期的长度P之间具有以下的关系:
对于采用霍尔元件的传感器,有:
P=2.D (I)
对于采用巨磁电阻元件的传感器,有:
P=4.D (2)
对于采用磁隧道结元件的传感器,有:
P=2.D (3)
以上的公式为实际应用中的最优结果,当满足上述条件时,输出幅度最大。我们可以看出,传感器的两个传感单元的输出信号周期依赖于齿间距P,其测量精度依赖于齿的相对大小,也就是齿轮模数比(齿轮半径/齿轮数)。
[0004] 现代工业和机械系统要求齿轮传感器要有高精度和高的气隙(Air Gap)距离。对于高精度的要求,传统的方法有两种思路,一个是降低齿轮的模数比来感知齿轮微小的位移。但是低模数比的齿轮成本非常高,且对制作工艺要求高,不容易达到精度要求且容易造成磨损,同时,测量低模数比的齿轮其气隙距离也会非常小,若距离增大则信号量会非常低,测量精度也会随之降低;另外一个思路是采用细分的方法将高模数比齿轮的输出信号细分成小的周期,但是这样是建立在推算的基础上,当齿轮转速不稳定或发生变化时,其误差非常大。
发明内容[0005] 本发明目的在于针对现有技术的缺陷提供一种适用于测量高模数比大齿轮的高精度齿轮传感器,具有高精度,高灵敏度,高气隙距离,抗干扰能力强的特点。
[0006] 本发明为实现上述目的,采用如下技术方案:
一种齿轮传感器,位于齿轮齿面上方,其特征在于:其包括多个传感单元、背磁以及外围的控制单元;
所述背磁提供磁场用于磁化齿轮;
所述多个传感单元并排设置,每个传感单元的磁场敏感方向相同,传感单元间的间距小于齿轮的齿距,用于检测背磁和齿轮之间的磁场沿其磁场敏感方向上的分量;
所述控制单元用于提供稳恒电压或电流,同时接收多个传感单元输出的信号,并分析判断齿轮的状态。
[0007] 其进一步特征在于:所述传感单元包括感应部分和相应的电路;所述每个传感单元的感应部分为单电阻、半桥或全桥结构,所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个磁性传感元件并联和/或串联组成。所述传感单元的相应的电路可根据需求将原始信号转化为方波或数字信号。
[0008] 优选的:所述全桥为梯度全桥结构。所述全桥的沿磁场敏感方向上的每个桥臂之间的距离小于齿轮的齿距。
[0009] 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。其进一步特征还在于:所述背磁为永磁体或电磁铁。
[0010] 本发明的齿轮传感器适用于高模数比的齿轮,通过设置多个间距较小的传感单元,分析多路信号实现测量,其测量精度不依赖于齿轮的模数比而依赖于传感单元之间的距离,则在提升测量精度,减小误差的同时实现了大气隙距离的测量。
附图说明
[0011] 图1是本发明提供的齿轮传感器的结构示意图。
[0012] 图2是磁电阻元件的输出曲线示意图。
[0013] 图3是梯度全桥型传感单元的磁电阻物理位置示意图。
[0014] 图4是梯度全桥型传感单元的磁电阻电连接示意图。
[0015] 图5是多个传感单元的磁电阻物理位置示意图。
[0016] 图6是多个传感单元的磁电阻的电连接示意图。
[0017] 图7是梯度全桥型传感单元的输出曲线示意图。
[0018] 图8是多个传感单元的输出波形示意图。
具体实施方式
[0019] 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。
[0020] 如图1所示,是本发明提供的齿轮传感器包括多个传感单元(lla、llb、llc......lln)、背磁12以及控制单元13。每个传感单元11之间的间距51和磁场敏感方向都相同且每个传感单元11之间的距离51很小,远小于齿周期长度P,图1中所示的I为每个传感单元11的磁场敏感方向。传感单元11由感应部分和相应的电路(电路在图中并未标示)构成,其敏感元件为磁性传感元件。背磁12的作用是提供磁场31,待测齿轮21的材料为磁性材料(如铁、钴、镍或含有铁、钴、镍的合金)。工作时齿轮21的位移方向为22,当齿轮21的齿经过传感器下方时,背磁12的磁场31的场强分布和大小就会发生变化,每个传感单兀11会测出磁场31沿其磁场敏感方向I上的分量大小变化,从而输出一个相应的正弦波信号(如图8所示)控制单元13通过分析每一组传感单元11的输出信号可以精确地判断出齿轮的转速、位置和缺齿情况。本发明的齿轮传感器适用于高模数比的齿轮,通过设置多个间距较小的传感单元11,分析多路信号实现测量,其测量精度不依赖于齿轮的模数比而依赖于传感单元之间的距离51,在提升测量精度,减小误差的同时实现了大气隙距离的测量,同时由于采用模数比低的齿轮,提升了组件的耐磨性,降低了成本。
[0021] 传感单元11的感应部分由磁性传感元件构成,常用的磁性传感元件有霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件以及磁隧道结元件。霍尔元件是通过霍尔效应的原理测量磁场,其饱和场很大,测量范围宽,但是灵敏度低,精度也低,通常需要额外的聚磁环结构增加其灵敏度,从而体积也很大,不过由于霍尔元件传感器技术成熟,对其信号的处理也相对很成熟。对于工业级高精密测量要求的齿轮传感器,采用磁电阻型传感元件是较优的选择。图2是磁电阻式传感元件的输出曲线示意图。其电阻值R随外场H在其饱和场-Hs和Hs之间线性变化,当施加的外场沿其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。
[0022] 传感单元11的感应部分可以是单电阻、半桥或全桥结构,附图1、图3、图4、图5、图6中标示的传感单元11采用的是梯度全桥结构,为本发明的最优方案,但是本发明不仅仅局限于使用梯度全桥结构。所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个相同的磁性传感元件串联和/或并联组成,每个桥臂我们可以等价于一个磁电阻,每个桥臂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。对于背磁12的磁场31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。
[0023] 图3、图4是本实施例采用的梯度全桥磁电阻的物理位置和电连接示意图,图3是磁电阻41、42、43、44的摆放位置,图4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I,磁电阻41和44的位置相同,磁电阻42和43的位置相同,且41和42以及44和43之间的距离为D,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31施加于四个磁电阻上时,由于该磁场31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的电阻值变化相同,磁电阻42和43的电阻值变化相同,磁电阻41和42 (43和44)的阻值变化不同,则梯度全桥的输出端V+和V-之间具有输出电压Vout0随着齿轮21的运动,磁体12的磁场31沿磁场敏感方向I的分量大小也会随之变化从而导致输出电压Vout的变化。通过控制单元13分析多组信号我们可以测得齿轮的相应的状态,如单齿位置,齿轮转速,及齿轮转动方向以及缺齿状态等。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,由于大磁场在测量距离范围内可以近似认为是均匀场,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,梯度全桥式磁性传感元件的输出曲线如图7所示。
[0024] 图5是多组传感单元的物理位置示意图。如图所示,在磁场敏感方向I上,同一位置的两个磁电阻41和44,42和43构成一个梯度全桥,组成传感单兀Ila的感应部分;同一位置的磁电阻45和48,46和47构成一个梯度全桥,组成传感单元Ilb的感应部分……以此可类推至第η个传感单元11η。对于一个传感单元内,不同物理位置的桥臂之间的距离D相等,且一般小于齿间距P,其最优的距离遵从公式(I)、(2)、(3)。每个传感单元之间的距离51远小于齿间距P。
[0025] 图6是多组传感单元的电连接示意图。多个磁电阻组成的多个梯度全桥并联,统一由控制单元13提供稳恒电压或稳恒电流,多组输出信号传递至控制单元13进行后期的处理和分析。
[0026] 传感单元11的感应部分的输出信号可以直接输出到控制单元13也可以通过相应的电路处理后再输出到控制单元13,例如可根据需求将模拟信号转化为方波或数字信号。
[0027] 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 (7)

1.一种齿轮传感器,位于齿轮齿面上方,其特征在于:其包括多个传感单元、背磁以及外围的控制单元; 所述背磁提供磁场用于磁化齿轮; 所述多个传感单元并排设置,每个传感单元的磁场敏感方向相同,传感单元间的间距小于齿轮的齿距,用于检测背磁和齿轮之间的磁场沿其磁场敏感方向上的分量; 所述控制单元用于提供稳恒电压或电流,同时接收多个传感单元输出的信号,并分析判断齿轮的状态。
2.根据权利要求1所述的齿轮传感器,其特征在于:所述传感单元包括感应部分和相应的电路;所述每个传感单元的感应部分为单电阻、半桥或全桥结构,所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个磁性传感元件并联和/或串联组成。
3.根据权利要求2所述的齿轮传感器,其特征在于:所述全桥为梯度全桥结构。
4.根据权利要求2所述的齿轮传感器,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。
5.根据权利要求1所述的齿轮传感器,其特征在于:所述背磁为永磁体或电磁铁。
6.根据权利要求3所述的齿轮传感器,其特征在于:所述全桥的沿磁场敏感方向上的每个桥臂之间的距离小于齿轮的齿距。
7.根据权利要求2所述的齿轮传感器,其特征在于:所述传感单元的相应的电路可根据需求将原始信号转化为方波或数字信号。
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