CN103884264A

CN103884264A - 霍尔坐标尺

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Publication number: CN103884264A
Application number: CN201410076687.7A
Authority: CN
Inventors: 张琪奕; 张明华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-03-04
Also published as: CN103884264B

Abstract

本发明涉及一种霍尔坐标尺，包括无源信号标签和位置解码器，所述无源信号标签为多个，每个无源信号标签上设置有永久磁铁；所述位置解码器包括标尺，所述标尺是成一字排列的霍尔开关元件编码阵列，所述磁钢编码阵列与标尺相对应设置；所述多个无源信号标签沿被测移动物体运动轴线等距离排列安装，所述标尺设置在被测移动物体上，标尺在所述排列安装的磁钢编码阵列长度范围内移动，以确定被测移动物体的位置。本发明利用霍尔开关元件作为刻度，克服了其它类型编码器安装复杂，对环境要求高，使用寿命不长的缺点，可广泛应用于机械制造，冶金，建材，化工，水利，物流，港口机械等许多行业的自动控制领域。

Description

霍尔坐标尺

技术领域

本发明属于物体位置检测领域，特别是一种涉及移动物体位置检测的霍尔坐标尺。

背景技术

移动物体的位置检测方式很多,常见的方式通过电阻,电感,电容等物理量的变化或通过激光,红外来检测,这些方法无法消除温度漂移,零点漂移,灰尘等外界因素的影响,抗污染能力差。直接测量物体位置坐标一直是工业界的一个追求,目前已实现的技术包括定位编码片，条形码位置和格雷母线检测技术。

定位片编码位置检测技术：通过安装在轨道旁的定位片（带孔的铁片）检测机车的位置，是一种绝对定位的工作方式，是间歇式定位。该技术不足之处是检测数据非连续,没有精度。

条形码位置检测技术：通过安装在轨道旁的条形码或信息按钮检测机车的位置，是一种绝对定位的工作方式。与定位片编码位置检测技术相似。该技术不足之处是不耐灰尘,条形易老化或掉磁,反应速度慢。

格雷母线：通过按格雷码规律排列的感应环定位,采用电磁感应原理来进行位置检测，是一种连续非接触绝对定位的工作方式。该技术不足之处是需要双边有电源,精度不高,数据延时大,不适合实时控制的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种安装简单、对环境要求低、使用寿命长、检测精度高的用于移动物体位置检测的霍尔坐标尺，以克服现有技术的不足。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种霍尔坐标尺，包括无源信号标签和位置解码器，其特点是：所述无源信号标签为多个，多个无源信号标签构成磁钢编码阵列，每个无源信号标签上至少设置有一个永久磁铁；所述位置解码器包括标尺、驱动电路以及处理器，所述标尺是成一字排列的霍尔开关元件编码阵列，在所述霍尔开关元件编码阵列中的每个霍尔开关元件均有固定的编码，所述每个霍尔开关元件通过驱动电路与所述处理器连接，所述处理器包括显示单元，所述磁钢编码阵列与标尺相对应设置，磁钢编码阵列与标尺之间的间隙为0-10mm；所述多个无源信号标签沿被测移动物体运动轴线等距离排列安装，所述标尺设置在被测移动物体上，标尺在所述排列安装的磁钢编码阵列长度范围内移动，所述位置解码器使用接力方式检测被测移动物体的位置信号，以确定被测移动物体的位置。

所述霍尔开关元件编码阵列由512个霍尔开关元件构成，所述霍尔开关元件编码阵列通过板，块，位进行编码，所述霍尔开关元件编码阵列由1-8个霍尔开关元件编码板组成，每个编码板由8*8个霍尔开关元件组成，每个编码板分成8块，每块8位，即每块8个霍尔开关元件；相邻两个霍尔开关元件之间的间隔为6mm。

所述无源信号标签包括3个一字排列的永久磁铁,每个永久磁铁的直径为16mm，永久磁铁的中心间距62毫米,每个永久磁铁可同时驱动1-5个霍尔开关元件,所述处理器根据驱动的霍尔开关元件,计算出3个永久磁铁在霍尔开关元件编码阵列上的坐标。

所述等距离排列的相邻两个无源信号标签之间还设置有一个段标签，所述段标签为一个永久磁铁。

本发明设计新颖、结构合理，容易安装，在安装和运行上具有相当宽容的条件:位置解码器和无源信号标签探测面之间的距离可在0至10毫米之间选择，无源信号标签仅仅对位置解码器轴线的移动量敏感，而对位置解码器的侧移量，上下移动量，三维各方向上的倾斜量和环境温度，工作电压等因素均不敏感。

本发明利用霍尔开关元件作为刻度，克服了其它类型编码器安装复杂，对环境要求高，使用寿命不长的缺点，可广泛应用于机械制造，冶金，建材，化工，水利，物流，港口机械等许多行业的自动控制领域。

本发明的有益效果在于：

1）直接绝对型测量霍尔开关元件编码阵列有非常固定的编号，直接指示坐标毫米数。在失电投电不断转换的过程中，或在永久磁铁离开又回到作用区时，均能正确地反映信号标签坐标值，真正做到了“绝对编码”，无需换算，不怕掉电。

2）无接触大间隙检测磁钢编码阵列和霍尔开关元件编码阵列之间悬浮无接触且间隙0至10毫米,使用寿命长，理论上无寿命极限。

3）抗恶劣环境霍尔开关元件编码阵采用电子硅胶封灌，高强度铝合金管材全密封，具有极高的抗恶劣环境性能，可在－40℃至＋ 100℃高温范围，高粉尘、高污染、泥浆、水下1000米及高撞击、强振动工作环境中使用。

4）量程长，108米长度量程，分辨率1毫米。

5）丰富的数据接口4－20mA模拟量输出，SSI,RS485串行数据接口。

6）安装维护方便在保持适度间隙的条件下，磁钢编码阵列和霍尔开关元件编码阵列之间无约束安装运行。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的磁钢编码阵列结构示意图。

图3为本发明的无源信号标签结构示意图。

图4为本发明的段标签结构示意图。

图5为本发明的霍尔开关元件编码阵列板结构示意图。

图6为本发明的霍尔开关元件编码阵列块结构示意图。

图7为本发明的霍尔开关元件编码阵列驱动信号电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明采用由固定编号的霍尔开关元件阵列，直接指示物体位置坐标毫米数。采用永久磁铁为激发能量，通过位置算法直接绝对测量信号标签坐标值，不怕掉电。磁钢编码阵列和霍尔开关元件编码阵列之间悬浮无接触,无磨损。

本发明由一套磁钢编码阵列和一套霍尔开关元件阵列构成磁标签绝对编码尺，处理器通过检测霍尔开关元件阵列的数据确定被测移动物体的位置（图1）。

本发明的无源信号标签由高强度磁钢组成，无需供电，形成特定规则的磁编码分布（图3）；本发明的段标签为一个永久磁铁（图4），本发明由无源信号标签和段标签构成磁钢编码阵列（图2），其中无源信号标签和段标签按照表1布置。

表1（单位mm,）

	前间隔	后间隔	段1+源+段2	源1+段+源2	段1+源1+段2+源2
						段1	756	120	120+124+696=940	756+120+124=1000	940+180=1120
段2	696	180	180+124+636=940	696+180+124=1000	940+240=1180
						段3	636	240	240+124+576=940	636+240+124=1000	940+300=1240
段4	576	300	300+124+516=940	576+300+124=1000	940+360=1300
						段5	516	360	360+124+456=940	516+360+124=1000	940+420=1360
段6	456	420	420+124+396=940	456+420+124=1000	940+480=1420
						段7	396	480	480+124+336=940	396+480+124=1000	940+540=1480
段8	336	540	540+124+276=940	336+540+124=1000	940+600=1540
						段9	276	600	600+124+216=940	276+600+124=1000	940+660=1600
段10	216	660	660+124+156=940	216+660+124=1000	940+720=1660
						段11	156	720	720+124+96=940	156+720+124=1000	940+780=1720
段12	96	780	780+124+36=940	96+780+124=1000	940+840=1780
						段13	36	840	前间隔太小

表中124表示无源信号标签中两端永久磁铁的中心距离。

其计算方法是：依据标尺上霍尔开关元件阵列的通断状况

(1)先计算出前间隔,后间隔,当前位置值；

(2)根据前间隔,后间隔值的范围确定段号；

(3)根据段号和当前位置值计算具体地址。

本发明的霍尔开关元件编码阵列由64至512个霍尔开关元件构成，成一字排列，通过板，块，位进行编码，所述霍尔开关元件编码阵列由1至8个霍尔开关元件编码板组成（图5），每块霍尔开关元件编码板由8*8个霍尔开关元件组成，每块编码板分成8块（图6），每块8位，即每块8个霍尔开关元件；相邻两个霍尔开关元件之间的间隔为6mm。本发明霍尔开关元件编码阵列的霍尔开关元件数量=8位*8组*8板=512个，每个霍尔开关元件编码板长度6毫米*8*8=384mm，霍尔开关元件编码阵列的最大长度为384毫米*8=3072mm。

本发明每个霍尔开关元件编码板由二块138驱动（图7），138-1驱动板1至板8工作，138-2驱动块1至块8工作，每次驱动8个霍尔开关元件，处理器一次读取8个霍尔开关元件状态，经过64次循环，读取512个霍尔开关元件状态。

所述处理器为单片机，所述单片机的型号是PIC16F876，使用外部电源供电。单片机的接口RA配接3－8译码电路1和3－8译码电路2；接口RA的RA3脚与3－8译码电路2的A脚相接；接口RA的RA4脚与3－8译码电路2的B脚相接；接口RA的RA5脚与3－8译码电路2的C脚相接，3－8译码电路2的8位线端分别产生霍尔开关元件编码板控制信号B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8，霍尔开关元件编码板控制信号通过配接3－8译码电路G2信号发生作用；接口RA的RA0脚与3－8译码电路1的A脚相接，接口RA的RA1脚与3－8译码电路1的B脚相接；接口RA的RA3脚与3－8译码电路1的C脚相接，3－8译码电路1的8位线端分别产生霍尔开关元件编码块控制信号K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8，霍尔开关元件编码块控制信号并连8个开关型磁敏霍尔元件的1脚，每8个开关型磁敏霍尔元件为一个开关阵列，每个开关阵列中按排序对应的开关型磁敏霍尔元件的3脚相互并接后再接入单片机的一个Ｉ／Ｏ接口RB，每一个开关型磁敏霍尔元件的2脚为接地端。

本发明磁钢编码阵列和霍尔开关元件编码阵列形成本发明的两个必不可少的单元，在检测时，无源信号标签和位置解码器分别安装在欲检测相对位移物体的两边，当无源信号标签保持一定间隙沿位置解码器轴线表面移动时，相互距离0至10毫米，磁铁所在位置的霍尔开关元件导通，其他位置的霍尔元件断开，单片机读取512个霍尔开关元件状态，由位置解码器实时解析出1毫米示值误差的位移量数字信号，信号更新周期小于1毫秒。霍尔元件开关阵列仅仅对磁钢编码阵列轴线的移动量敏感，而对磁钢编码阵列的侧移量，上下移动量，三维各方向上的倾斜量和环境温度，工作电压等因素均不敏感。

本发明每个磁钢可同时驱动1-5个霍尔开关元件,单片机根据驱动的霍尔开关元件,计算出3个磁钢在霍尔开关元件编码板上的坐标,每个磁钢坐标可精确到3毫米,通过对3个磁钢推算,可得信号标签坐标精确到1毫米。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种霍尔坐标尺，包括无源信号标签和位置解码器，其特征在于：所述无源信号标签为多个，多个无源信号标签构成磁钢编码阵列，每个无源信号标签上至少设置有一个永久磁铁；所述位置解码器包括标尺、驱动电路以及处理器，所述标尺是成一字排列的霍尔开关元件编码阵列，在所述霍尔开关元件编码阵列中的每个霍尔开关元件均有固定的编码，所述每个霍尔开关元件通过驱动电路与所述处理器连接，所述处理器包括显示单元，所述磁钢编码阵列与标尺相对应设置，磁钢编码阵列与标尺之间的间隙为0-10mm；所述多个无源信号标签沿被测移动物体运动轴线等距离排列安装，所述标尺设置在被测移动物体上，标尺在所述排列安装的磁钢编码阵列长度范围内移动，所述位置解码器使用接力方式检测被测移动物体的位置信号，以确定被测移动物体的位置。

2.如权利要求1所述的霍尔坐标尺，其特征在于：所述霍尔开关元件编码阵列由512个霍尔开关元件构成，所述霍尔开关元件编码阵列通过板，块，位进行编码，所述霍尔开关元件编码阵列由1-8个霍尔开关元件编码板组成，每个编码板由8*8个霍尔开关元件组成，每个编码板分成8块，每块8位，即每块8个霍尔开关元件；相邻两个霍尔开关元件之间的间隔为6mm。

3.如权利要求1所述的霍尔坐标尺，其特征在于：所述无源信号标签包括3个一字排列的永久磁铁,每个永久磁铁的直径为16mm，永久磁铁的中心间距62毫米,每个永久磁铁可同时驱动1-5个霍尔开关元件,所述处理器根据驱动的霍尔开关元件计算出3个永久磁铁在霍尔开关元件编码阵列上的坐标。

4.如权利要求1所述的霍尔坐标尺，其特征在于：所述等距离排列的相邻两个无源信号标签之间还设置有一个段标签，所述段标签为一个永久磁铁。