CN103940332B - 一种基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器，采用同规格磁钢按相邻极性相反排成一列，将其固定在磁基上作为磁栅尺；六个霍尔磁敏元件等间距排成一列作为磁头。该基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器采用磁钢作为磁栅尺可以获得较强的磁场，比一般的录磁大很多。而且采用磁钢排列可以随时更换磁钢及排列方式，便于编码以及调整测量长度；采用霍尔磁敏元件阵列作为磁头，通过将六个霍尔元件输出信号中两条相位相差一定角度的曲线叠加，在一个周期内的不同角度选择不同的插补曲线，可以使输出信号在一个周期内实现线性化，提高了位移计算精度并简化了数据处理过程。

Description

一种基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别是提供了一种基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器。

背景技术

随着现代科技的发展和自动化水平的提高，在航空航天、机械制造、高精度数控机床等领域需要大量真实可靠的反映被测对象位置信息的位移传感器，并且要求位移传感器系统具有高分辨率、体积小、重量轻、响应速度快、稳定性好等特性。并进一步要求位移传感器由传统的模拟量向数字化方向转化。磁栅尺是数字化位移传感器中最常用、最基础的一种。磁栅位移传感器，由于它的抗震动和抗冲击性能高，适宜在水、油、粉尘、高温等工业环境下应用，而且结构简单、体积较小、精度较高，因而得到广泛应用。

目前使用的磁栅位移传感器的核心部件多为磁感应线圈磁头。磁感应线圈磁头存在体积大、电路复杂、抗干扰差等缺点。而且线圈绕制和调整需要人工操作，难以自动化生产。而以单个霍尔磁敏元件作为磁头的磁栅传感器输出信号存在严重非线性，信号处理较为复杂，测量精度较差。

发明内容

针对现有磁栅位移传感器存在的上述缺陷，提供了一种使用霍尔磁敏元件阵列作为磁头的新型磁栅位移传感器。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器，采用同规格磁钢按相邻极性相反排成一列，将其固定在磁基上作为磁栅尺；六个霍尔磁敏元件等间距排成一列作为磁头；

通过实时检测磁头移动过程中霍尔磁敏元件输出的电压信号计算磁头位移量，具体步骤为：

1)采用多个同规格磁钢按相邻极性相反排成一列，将其固定在磁基上作为磁栅尺，六个霍尔磁敏元件按等间距λ/3排列作为磁头，霍尔元件阵列固定在滑轨并与磁栅尺保持一定距离平行放置；

2)当磁头与磁栅尺相对移动时，霍尔磁敏元件阵列感应到磁栅尺磁场变化并输出周期变化的电压信号，将六路霍尔元件输出信号中3组相位相差一定角度的信号分别叠加，并将一个周期内磁头位移与叠加后输出电压信号进行线性插补，得到一个周期不同区间内输出电压信号与磁头位移的数学表达式；

3)实时采集霍尔磁敏元件阵列输出的电压信号，根据输出电压信号与磁头位移之间的数学关系计算磁头位移量。

优选地，所述磁栅尺采用的磁钢材料为稀土材料或铁氧体永磁材料。

优选地，所述的磁头是由六个霍尔磁敏元件等距排列组成，间距为λ/3；霍尔磁敏元件阵列按顺序编号为A+、B+、C+、A-、B-、C-，六个霍尔磁敏元件输出端按A+和A-，B+和B-，C+和C-差分连接。

优选地，所述稀土材料为钕铁硼、钐钴或铝镍钴。

本发明的有益效果为：①采用磁钢作为磁栅尺可以获得较强的磁场，比一般的录磁大很多。而且采用磁钢排列可以随时更换磁钢及排列方式，便于编码以及调整测量长度；②采用霍尔磁敏元件阵列作为磁头，通过将六个霍尔元件输出信号中两条相位相差一定角度的曲线叠加，在一个周期内的不同角度选择不同的插补曲线，可以使输出信号在一个周期内实现线性化，提高了位移计算精度并简化了数据处理过程。

附图说明

图1为本发明基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器的结构原理图；

图2为本发明基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器的位移结构示意图；

图3为本发明基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器的霍尔磁敏元件输出信号差分放大后三相电压曲线。

图4为本发明基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器的周期内各区间磁头相对位移与输出电压插补曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，图1为本发明基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器的结构原理图。

本发明采用同规格磁钢按相邻极性相反排成一列，将其固定在磁基上作为磁栅尺。将六个霍尔磁敏元件按等间距λ/3(λ为磁钢的节距)排列组成磁头，磁栅尺与霍尔元件阵列保持一定感应距离平行放置。

如图2所示，图2为本发明基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器的位移结构示意图。

当磁栅位移传感器磁头处于某一位置时，其相对于起始点的绝对位移由两部分组成，一个是完整周期的位移偏移量S1，另一个是周期内的相对位移S2。总位移S＝S1+S2。根据输出电压信号与磁头位移之间的关系可知，S1为输出正弦电压信号周期数N与磁钢节距λ乘积的两倍。

如图3和4所示，图3为本发明基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器的霍尔磁敏元件输出信号差分放大后三相电压曲线，图4为本发明基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器的周期内各区间磁头相对位移与输出电压插补曲线。

周期内的相对位移S2按如下计算：磁头在移动的过程中，霍尔元件阵列A+、B+、C+、A-、B-、C-输出周期变化的正弦电压信号，将输出的六相正弦波按A+和A-，B+和B-，C+和C-进行差分放大后得到三相信号A、B、C。选取A、B、C三相信号中线性度较好的七段ab、bc、cd、de、ef、fg、gh进行线性插补，得到磁头周期内相对位移与输出电压之间的数学表达式yi＝kxi+bi(i＝1、2…7)其中，x为相对位移，y为输出电压。工作时，首先通过比较A、B、C三相输出电压信号的大小关系，确定磁头位移所在区间，然后根据对应区间内相对位移与输出电压之间的数学表达式yi＝kxi+bi计算磁头周期内相对位移S2。

最后，将完整周期的位移偏移量S1与周期内的相对位移S2相加即可得出磁头位移，即磁栅位移传感器测量值。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种利用基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器计算磁头位移量的方法，其特征在于，基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器采用同规格磁钢按相邻极性相反排成一列，将其固定在磁基上作为磁栅尺；六个霍尔磁敏元件等间距排成一列作为磁头；通过实时检测磁头移动过程中霍尔磁敏元件输出的电压信号计算磁头位移量，具体步骤为：

1)采用多个同规格磁钢按相邻极性相反排成一列，将其固定在磁基上作为磁栅尺，六个霍尔磁敏元件按等间距λ/3排列作为磁头，霍尔元件阵列固定在滑轨并与磁栅尺保持一定距离平行放置；

2)当磁头与磁栅尺相对移动时，霍尔磁敏元件阵列感应到磁栅尺磁场变化并输出周期变化的电压信号，将六路霍尔元件输出信号中3组相位相差一定角度的信号分别叠加，并将一个周期内磁头位移与叠加后输出电压信号进行线性插补，得到一个周期不同区间内输出电压信号与磁头位移的数学表达式；

3)实时采集霍尔磁敏元件阵列输出的电压信号，根据输出电压信号与磁头位移之间的数学关系计算磁头位移量；

所述的磁头是由六个霍尔磁敏元件等距排列组成，间距为λ/3；霍尔磁敏元件阵列按顺序编号为A+、B+、C+、A-、B-、C-，六个霍尔磁敏元件输出端按A+和A-，B+和B-，C+和C-差分连接；

磁头位移量的计算方法如下：

磁栅位移传感器磁头相对于起始点的磁头位移量由完整周期的位移偏移量S1和周期内的相对位移S2组成；磁头位移量S＝S1+S2；S1为输出正弦电压信号周期数N与磁钢节距λ乘积的两倍；

周期内的相对位移S2按如下计算：

磁头在移动的过程中，霍尔元件阵列A+、B+、C+、A-、B-、C-输出周期变化的正弦电压信号，将输出的六相正弦波按A+和A-，B+和B-，C+和C-进行差分放大后得到三相信号A、B、C；选取A、B、C三相信号中线性度较好的七段进行线性插补，得到磁头周期内相对位移与输出电压之间的数学表达式y_i＝kx_i+b_i其中，x为相对位移，y为输出电压；

工作时，首先通过比较A、B、C三相输出电压信号的大小关系，确定磁头位移所在区间，然后根据对应区间内相对位移与输出电压之间的数学表达式y_i＝kx_i+b_i计算磁头周期内相对位移S2。

2.根据权利要求1所述的利用基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器计算磁头位移量的方法，其特征在于，所述磁栅尺采用的磁钢材料为稀土材料或铁氧体永磁材料。

3.根据权利要求2所述的利用基于霍尔磁敏元件阵列的磁栅位移传感器计算磁头位移量的方法，其特征在于，所述稀土材料为钕铁硼、钐钴或铝镍钴。