CN103808244A - 一种用于位置测量的磁编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于位置测量的磁编码器，属于传感器技术领域。本发明的用于位置测量的磁编码器包括磁编码器本体和钕铁硼磁铁，所述的磁编码器本体和钕铁硼磁铁分别安装于两相对运动的物体上；所述的磁编码器本体包括磁阻传感器模块、A/D转换模块、MCU模块；所述的磁阻传感器模块的输出端与A/D转换模块的输入端相连，A/D转换模块与MCU模块相连，所述的磁阻传感器模块包括多于1个的磁阻传感器，所述的磁阻传感器等间隔排列。本发明提供的磁编码器为非接触式编码器，使用寿命长、测量精度高、对温度变化、冲击和振动等均不敏感。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁编码器，更具体地说，涉及一种用于位置测量的磁编码器。
背景技术
编码器（encoder）是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备，等同于一种将位移转换成数字脉冲信号的传感器。为了检测直线移动的位置、速度和加速度，常用各种接触和非接触型的传感器进行测量，一般采用的接触式位置传感器通常使用滑动变阻器（滑动头移动会改变阻值，从而测量滑动头位置）或线性光栅。接触式位置传感器存在的一个很大的问题就是长时间使用之后传感器本身会因为运动摩擦产生磨损，导致传感器的精度和可靠性下降，不能组成免维护系统。如光栅等的接触式位置传感器又存在对振动敏感，无法在航空器或具有振动环境的工业现场使用的问题。
具有霍尔效应的磁阻传感器具有精度高，对温度变化不敏感，对于冲击和振动不敏感，适合于在恶劣的环境中使用的优点。目前，正得到越来越多的使用。
经检索，中国专利号ZL01106543.5，授权公告日为2004年10月6日，发明创造名称为：位置编码式磁性位移传感器，该申请案由可移动的安装有永磁体的活动尺身与安装有磁敏元件的固定尺架及内置信号检测识别电路组成。由多个永磁体以不等间距组成不同的磁场强度单元，并由多个不等间距排列的磁敏元件按其输出端Cn 2（n≥2）排序二二成对，组合成若干编码集合，以根据其感应的磁场强度及位置组合编码集合来确定其在不同磁场强度单元的位置以及其位移的变量，这种位移改变量可以是直线位移或是角度位移。该申请案可以实现位置和角度测量，但该申请案结构较复杂。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服测量做直线运动的被测物体所处位置的编码器，测量精度低、对温度变化敏感的不足，提供了一种用于位置测量的磁编码器；本发明提供的磁编码器为非接触式编码器，使用寿命长，测量精度高，对温度变化、冲击和振动等均不敏感。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种用于位置测量的磁编码器，包括磁编码器本体和钕铁硼磁铁，所述的磁编码器本体和钕铁硼磁铁分别安装于两相对运动的物体上；所述的磁编码器本体包括磁阻传感器模块、A/D转换模块、MCU模块；所述的磁阻传感器模块的输出端与A/D转换模块的输入端相连，A/D转换模块与MCU模块相连，所述的磁阻传感器模块包括多于2个的磁阻传感器，所述的磁阻传感器等间隔排列。
更进一步地，所述的磁编码器本体和钕铁硼磁铁分别安装于两相对平行运动的物体上。
更进一步地，所述的磁编码器本体还包括电源模块和RS422通信模块，所述的电源模块用于给磁编码器本体供电，所述的A/D转换模块用于将接收的模拟信号转换为数字信号，所述的MCU模块用于对接收的数字信号进行处理；所述的RS422通信模块与MCU模块相连，RS422通信模块用于将MCU模块的处理结果输出显示。
更进一步地，所述的磁阻传感器模块包括8～12个磁阻传感器，磁阻传感器等间隔排布于PCB板上，相邻两磁阻传感器的距离为10mm。
更进一步地，所述的磁阻传感器为HMC1512磁阻传感器。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
（1）本发明的一种用于位置测量的磁编码器，为非接触式测量，长时间使用没有磨损，使用寿命长，且只需将钕铁硼磁铁固定于被测物体上，将磁编码器本体安装于另一物体上，控制钕铁硼磁铁相对磁编码器本体平行移动，便可测得被测物体所处位置，控制简单、便于操作；
（2）本发明的一种用于位置测量的磁编码器，其采用数字形式输出测量信号，抗干扰能力强，可以在强烈振动和冲击的条件下使用；
（3）本发明的一种用于位置测量的磁编码器，其采用的HMC1512磁阻传感器内阻随温度变化小，对温度变化不敏感，使得本发明的磁编码器可在较宽的温度范围内保持较高的测量精度。
附图说明
图1为本发明的一种用于位置测量的磁编码器的模块连接示意图；
图2中的（a）为本发明中HMC1512磁阻传感器芯片引脚图；图2中的（b）和（c）为本发明中HMC1512磁阻传感器内部包含的两个磁敏电阻电桥示意图；
图3为本发明中HMC1512磁阻传感器内阻随温度变化的曲线图；
图4为本发明中HMC1512磁阻传感器的输出电压随磁场强度变化的线性关系图；
图5为本发明的一种用于位置测量的磁编码器的使用示意图；
图6为本发明中钕铁硼磁铁在单个HMC1512磁阻传感器附近平行移动时，该HMC1512磁阻传感器的输出电压与钕铁硼磁铁所在位置的关系曲线图；
图7为本发明中距离钕铁硼磁铁最近的8个HMC1512磁阻传感器的输出电压与8个HMC1512磁阻传感器所处位置的关系曲线图。
示意图中的标号：
1、被测物体；2、钕铁硼磁铁；3、磁阻传感器；4、PCB板。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合附图，本实施例的一种用于位置测量的磁编码器，包括磁编码器本体和钕铁硼磁铁2（结合图5），由于需测量两个物体的相对位置变化，所以磁编码器本体和钕铁硼磁铁2分别安装于两物体上。一般将钕铁硼磁铁2安装于被测物体1上，磁编码器本体安装于另一物体上（图5中未画出），钕铁硼磁铁2沿着磁编码器本体安装磁阻传感器模块的一侧平行移动，磁编码器本体和钕铁硼磁铁2之间间隔的距离为b，b的取值主要取决于钕铁硼磁铁2的磁场强度，取值原则是所取距离值能够使得每个磁阻传感器3在钕铁硼磁铁2经过该磁阻传感器3测量范围时输出电压的范围在线性区间内（即图6所示倾斜上升的近似直线段）。b的取值可根据钕铁硼磁铁2的大小和磁场强度微调，本实施例b的取值为6mm。
所述的磁编码器本体（结合图1）包括磁阻传感器模块、A/D转换模块、MCU模块、电源模块和RS422通信模块；所述的电源模块用于给磁编码器本体供电，本实施例电源模块的供电电压为5VDC，所述的磁阻传感器模块的输出端与A/D转换模块的输入端相连，所述的A/D转换模块用于将接收的模拟信号转换为数字信号，A/D转换模块与MCU模块相连，所述的MCU模块用于对接收的数字信号进行处理；所述的RS422通信模块与MCU模块相连，RS422通信模块的输出端与上位机相连用于将MCU模块的处理结果输出显示。本实施例的磁编码器采用数字形式输出测量信号，抗干扰能力强，可以在强烈振动和冲击的条件下使用。磁阻传感器模块、A/D转换模块、MCU模块、电源模块和RS422通信模块均安装于PCB板4上。
本实施例磁阻传感器模块设置有10个磁阻传感器3，所述的磁阻传感器3等间隔排布于一块长条形的PCB板4上，相邻两磁阻传感器3的距离为a=10mm，10个磁阻传感器3测量的量程为100mm。由于磁阻传感器3可以检测附近磁场的范围有限，发明人经过多次试验得出磁阻传感器3的最佳测量范围为以该磁阻传感器3的中轴线为中心左右各5mm的距离。本实施例将相邻两磁阻传感器3的间隔设置为10mm，若小于该距离将导致同样量程所需的磁阻传感器3的数量增加，磁编码器的生产成本增加；若大于该距离，磁编码器的量程会相应增加，而量程的增加会导致需要的钕铁硼磁铁2相应增大以提供足够的磁场强度，这同样对磁编码器的生产和使用不利。当钕铁硼磁铁2靠近（此处所述靠近是指水平方向靠近）时，磁阻传感器3中的磁敏电桥产生的电压差就会发生变化，所述的A/D转换模块接收该变化的电压信号，并将其变换为数字信号传输给MCU模块，MCU模块对接收的数字信号进行处理后通过RS422通信模块传输给上位机进行显示，完成对被测物体1所处位置的测量。
所述的磁阻传感器3为HMC1512磁阻传感器（结合图2中的（a）），该磁阻传感器3内含两个磁敏电阻电桥（结合图2中的（b）和（c））。HMC1512磁阻传感器的一个重要指标是内阻的温度系数（结合图3），当t=-20℃～+80℃，电压为5V时HMC1512磁阻传感器内阻的温度系数为-3200ppm/℃，可见HMC1512磁阻传感器的内阻随温度变化非常小，使得本实施例的磁编码器可在较宽的温度范围内保持较高的测量精度，适合于宽温度范围（测量时的工作环境温度，t=-20℃～+80℃）的测量。
HMC1512磁阻传感器的另外一个重要指标是线性度，主要指HMC1512磁阻传感器在磁场内的线性变化范围，也就是HMC1512磁阻传感器的输出电压随磁场强度变化的非饱和区，HMC1512的线性度如图4所示。
图6为钕铁硼磁铁2在单个HMC1512磁阻传感器附近平行移动时，该HMC1512磁阻传感器的电压输出与钕铁硼磁铁2所在位置的关系曲线图，根据图6可以发现，在钕铁硼磁铁2距HMC1512磁阻传感器水平距离为正负10mm左右时（约正负0.4英寸以内），钕铁硼磁铁2与HMC1512磁阻传感器之间的距离与输出电压高度线性。故当钕铁硼磁铁2在此范围之内时，可以根据HMC1512磁阻传感器的电压输出来推算出钕铁硼磁铁2与HMC1512磁阻传感器之间的水平距离。根据这个特点，在一条直线上每间隔10mm放置一个HMC1512磁阻传感器，就可以在连续的一段距离上测量钕铁硼磁铁2的位置。本实施例的磁编码器主要就是利用该高度线性的一段来测量距离。
本实施例用磁编码器测量被测物体1位置的基本思路是：在一块条形的PCB板4上每隔10mm安装1个HMC1512磁阻传感器，各磁阻传感器3的安装位置确定，分别为L1至L10，即5，15mm，25mm……95mm。当代表被测物体1的钕铁硼磁铁2出现在这10个磁阻传感器3测量范围内时，首先确定钕铁硼磁铁2距离哪两个磁阻传感器3最近。当确定之后，因为此时两个磁阻传感器3的位置已知，只要知道被测物体1在两磁阻传感器3间的具体位置，就可以计算出被测物体1的位置。由于钕铁硼磁铁2在两磁阻传感器3之间时，距两传感器都在10mm之内，根据HMC1512磁阻传感器的输出特性（参见图6），两磁阻传感器3的输出电压和被测钕铁硼磁铁2距离他们的位置高度线性，故两磁阻传感器3输出电压的比值即为被测物体1到两磁阻传感器3距离的比值。由此即可计算出被测物体1的位置。
钕铁硼磁铁2处于任一位置均对应10个HMC1512磁阻传感器的不同输出，通过A/D转换模块，得到每个HMC1512磁阻传感器的输出电压Vi，MCU模块将该电压值存入数组用来计算位置。同时MCU模块也记录着每个HMC1512磁阻传感器的位置，距离钕铁硼磁铁2最近的8个HMC1512磁阻传感器的输出电压与8个HMC1512磁阻传感器所处位置的关系曲线如图7。由图6可知：当钕铁硼磁铁2与HMC1512磁阻传感器之间的距离在正负变化时，其输出电压也会有正负变化，且当钕铁硼磁铁2在HMC1512磁阻传感器右边时，其输出电压是正，当钕铁硼磁铁2在HMC1512磁阻传感器左边时，其输出电压是负，根据此特点可知，当钕铁硼磁铁2在两个HMC1512磁阻传感器之间时，相邻的两个HMC1512磁阻传感器的输出电压一定是异号的，且在钕铁硼磁铁2左边的磁阻传感器3输出为正，在右边的输出为负。在图7上找到符合此特征的两个磁阻传感器3，本实施例为S#3与S#4。S#3和S#4两磁阻传感器3位置已知，此时钕铁硼磁铁2的位置即由S#3与S#4的输出电压的比值决定。一般的，钕铁硼磁铁2的位置（即被测物体1的位置）L=Li+Vi(Li+1-Li)/(Vi-Vi+1)，其中Li和Li+1为第i个和第i+1的HMC1512磁阻传感器的位置，Vi和Vi+1为第i个和第i+1个HMC1512磁阻传感器输出的电压，在本实施例中，由于各磁阻传感器3之间间隔10mm，故Li+1-Li=10mm。
本实施例的磁编码器与增量式的“编码器”类的传感器不同，其测量原理不依赖某个零点，在任何时候上电都可以读出目前被测物体1的位置，不需要初始化或校准零点，是一种绝对位置传感器。
实施例2
本实施例的一种用于位置测量的磁编码器，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例磁阻传感器模块设置有8个磁阻传感器3。
实施例3
本实施例的一种用于位置测量的磁编码器，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例磁阻传感器模块设置有12个磁阻传感器3。
上述实施例的一种用于位置测量的磁编码器，为非接触式测量，长时间使用没有磨损，使用寿命长，且只需将钕铁硼磁铁2固定于被测物体1上，将磁编码器本体安装于另一物体上，控制钕铁硼磁铁2相对磁编码器本体平行移动，便可测得被测物体1所处位置，控制简单、便于操作，且测量精度高、对温度变化、冲击和振动等均不敏感。
Claims (5)
1.一种用于位置测量的磁编码器，其特征在于：包括磁编码器本体和钕铁硼磁铁（2），所述的磁编码器本体和钕铁硼磁铁（2）分别安装于两相对运动的物体上；所述的磁编码器本体包括磁阻传感器模块、A/D转换模块、MCU模块；所述的磁阻传感器模块的输出端与A/D转换模块的输入端相连，A/D转换模块与MCU模块相连，所述的磁阻传感器模块包括多于2个的磁阻传感器（3），所述的磁阻传感器（3）等间隔排列。
2.根据权利要求1所述的一种用于位置测量的磁编码器，其特征在于：所述的磁编码器本体和钕铁硼磁铁（2）分别安装于两相对平行运动的物体上。
3.根据权利要求2所述的一种用于位置测量的磁编码器，其特征在于：所述的磁编码器本体还包括电源模块和RS422通信模块，所述的电源模块用于给磁编码器本体供电，所述的A/D转换模块用于将接收的模拟信号转换为数字信号，所述的MCU模块用于对接收的数字信号进行处理；所述的RS422通信模块与MCU模块相连，RS422通信模块用于将MCU模块的处理结果输出显示。
4.根据权利要求2或3所述的一种用于位置测量的磁编码器，其特征在于：所述的磁阻传感器模块包括8～12个磁阻传感器（3），磁阻传感器（3）等间隔排布于PCB板（4）上，相邻两磁阻传感器（3）的距离为10mm。
5.根据权利要求4所述的一种用于位置测量的磁编码器，其特征在于：所述的磁阻传感器（3）为HMC1512磁阻传感器。
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