CN105203012A - 一种磁性厚度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁性厚度传感器，包括磁性传感器芯片、磁体以及固定支架，所述磁性传感器芯片固定在固定支架上并位于磁体的一侧，且磁体的该侧面为凹状；所述磁性传感器芯片具有敏感轴，其敏感轴与所述磁体的充磁方向呈任意大于0的角度。本发明还可包括设置在固定支架一端的接触单元，接触单元的形状为针形、球体或滑轮形状。所述磁性传感器芯片可为多个以阵列形式固定在固定支架上。该磁性厚度传感器在具有高精度、高灵敏度和体积小的优势的同时，具有易装配、高良品率且抗震动干扰的优势。

Description

一种磁性厚度传感器

技术领域

本发明涉及磁性传感器技术领域，特别是一种磁性厚度传感器。

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。

中国公开号为CN103499271A的专利：一种厚度测量装置公开了一种采用磁性传感元件为敏感元件的厚度传感器，该传感器具有高精度、高灵敏度、体积小的特点，但是在实际应用中，采用该专利提出的厚度测量装置存在一定的问题，由于磁体的充磁方向和传感器的敏感方向相同，且为了抗干扰，在实际使用中传感单元通常采用差分输出，因此该传感器的信号量很微弱，从而导致后续的电路处理复杂，且对装配要求非常高，传感单元微小的位置变化会给测量结果造成极大的影响，从而影响了良品率，提高了生产成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种磁性厚度传感器，该磁性厚度传感器在具有高精度、高灵敏度和体积小的优势的同时，具有易装配、高良品率且抗震动干扰的优势。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种磁性厚度传感器，包括磁性传感器芯片、磁体以及固定支架，所述磁性传感器芯片固定在固定支架上并位于磁体的一侧，且磁体的该侧面为凹状；所述磁性传感器芯片具有敏感轴，其敏感轴与所述磁体的充磁方向呈任意大于0的角度。

作为本发明所述的一种磁性厚度传感器进一步优化方案，所述固定支架的一端端面是平面或曲面或尖状。

作为本发明所述的一种磁性厚度传感器进一步优化方案，设磁性传感器芯片的敏感轴方向为z轴，待测物运动方向为x轴，以与x轴、z轴两两垂直的方向为y轴，所述磁体沿平行于x轴和y轴的平面的截面为凹陷，该凹陷的形状为曲线形、三角形、矩形或梯形。

作为本发明所述的一种磁性厚度传感器进一步优化方案，还包括设置在固定支架一端的接触单元，接触单元的形状为针形、球体或滑轮形状。

作为本发明所述的一种磁性厚度传感器进一步优化方案，所述敏感轴与磁体的充磁方向垂直。

作为本发明所述的一种磁性厚度传感器进一步优化方案，所述磁性传感器芯片的敏感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。

一种磁性厚度传感器，包括多个磁性传感器芯片、磁体以及固定支架，所述多个磁性传感器芯片以阵列形式固定在固定支架上并位于磁体的一侧，且磁体的该侧面为凹状；所述磁性传感器芯片具有敏感轴，其敏感轴与所述磁体的充磁方向呈任意大于0的角度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：该磁性厚度传感器在具有高精度、高灵敏度和体积小的优势的同时，具有易装配、使用便利、高良品率且抗震动干扰的优势。

附图说明

图1是本发明提出的磁性厚度传感器的结构示意图的侧视图。

图2是本发明提出的磁性厚度传感器的结构示意图的俯视图。

图3是磁体沿z轴方向上的分布图。

图4是本发明提出的磁性厚度传感器的输出曲线图。

图中的附图标记解释为：1-磁性传感器芯片的敏感轴，11-磁性传感器芯片，12-磁体，13-固定支架，14-接触单元，21-待测物，31-磁体的充磁方向，32-磁体产生的背景磁场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示，本发明提出的磁性厚度传感器包括磁性传感器芯片11、磁体12、固定支架13以及接触单元14。磁性传感器芯片11位于磁体12的一侧，且磁体的该侧面为凹状，磁体12的充磁方向为31，沿x轴方向，磁性传感器芯片11的敏感轴1沿z轴方向，则磁性传感器芯片11可测量磁体12产生的背景磁场32沿其磁场敏感方向1上的分量大小。当该厚度传感器工作时，接触单元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x轴方向滑动，接触单元14随着待测物21表面的不平整发生轻微的上下位移，同时固定支架13带动磁性传感器芯片11随着接触单元14的上下位移而产生以竖直方向上（沿z轴方向）的位移，则磁体12与磁性传感器芯片11的相对位置也随着发生变化，背景磁场32沿磁性传感器芯片11的敏感轴1方向上的分量大小也随之变化，磁性传感器芯片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通过接触单元14时，可以由待测物21和平台之间的高度台阶造成接触单元14的相对较大的位移从而测量出待测物21的厚度。

接触单元14包括且不仅包括针形、球体或滑轮形状，其并不是必要的结构，可以由固定支架13的一端直接和待测物21接触，其接触端可以是平面，也可以是曲面或尖状。磁性传感器芯片11的敏感轴1和磁体12的充磁方向31可以是垂直的，也可以是任意大于0度的夹角，同时，如图2所示，磁体12靠近磁性传感器芯片11的一面是凹陷的，设磁性传感器芯片的敏感轴方向为z轴，待测物运动方向为x轴，以与x轴、z轴两两垂直的方向为y轴，所述磁体沿平行于x轴和y轴的平面的截面为凹陷，该凹陷的形状为曲线形、三角形、矩形或梯形；图2中采用的是立方形的凹陷形状，实际使用中不仅限于这种凹陷形状，也可以是球面或非球面的曲面形凹陷，也可以是圆柱形、椭圆柱形或任意截面为曲线的凹陷，同时，磁体的形状也不限于凹陷的立方体，也可以是凹陷的圆柱体或椭圆柱体（凹陷形状可以是曲面、立方形、圆柱形、椭圆柱形或任意截面为曲线或梯形的凹陷），或者是瓦片形。采用上述技术方案（磁性传感器芯片11的敏感轴1和磁体12的充磁方向31可以是垂直或是任意大于0度的夹角，磁性传感器芯片11位于磁体12的一侧，磁体12靠近磁性传感器芯片11的一面是凹陷的，磁性传感器芯片11的工作位移方向垂直于待测物21的运动方向，即沿z轴方向）带来的技术效果是磁体12沿z轴（即敏感轴1的方向）方向上的分布是线性的，且磁性传感器芯片11沿x轴和y轴方向上的位移对z轴的测量没有影响，因此该传感器对摆放位置的精度不敏感，且具有抗震能力，装配简单，大大提高了良品率，同时磁性传感器芯片11可以直接定量的测量z轴方向上背景磁场32的大小，而不用采用差分输出，其信号量很大，抗干扰能力强，不需要额外的处理电路。

图3是磁体12沿z轴方向上的分布图，如图所示，采用上述结构，磁体12沿z轴方向上的分布呈线性。

图4是本发明提出的厚度传感器的输出曲线模拟图。如图所示，在其工作范围内，其输出是线性的。

所述磁性传感器芯片11是由磁性传感元件构成的单电阻、半桥或全桥结构，所述磁性传感元件为霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。磁性传感元件可选用饱和场较大且精度很高的巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。巨磁电阻元件和磁性隧道结元件是一种阻值随外磁场变化而变化的磁电阻元件，通过现有的技术磁电阻元件的R-H（阻值-外磁场）曲线具有低磁滞，高饱和场和宽线性范围的特性，相对于传统的磁性传感元件如电感线圈和霍尔元件具有更高的精度和更好的温度特性，相比于各向异性磁电阻元件具有更高的饱和场，其作为磁性厚度传感器的敏感元件是最理想的。

磁性传感器芯片11可以是单电阻、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，半桥结构由两个物理性质相同的磁电阻串联组成，全桥结构由四个物理性质相同的磁电阻连接构成，使用时都要导入工作电流。

巨磁电阻元件以及磁性隧道元件的结构图和工作原理，以及磁性传感器芯片的具体工作方式可参考公开号为CN103645369A的中国专利：一种电流传感装置。

本发明提出的磁性厚度传感器也可以是多路的，多个磁性传感器芯片11排成一列或组成阵列对待测物进行测量，将输出信号传输至后端，每个磁性传感器芯片对应一个侧面为凹陷的磁体。

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)

1.一种磁性厚度传感器，包括磁性传感器芯片、磁体以及固定支架，其特征在于，所述磁性传感器芯片固定在固定支架上并位于磁体的一侧，且磁体的该侧面为凹状；所述磁性传感器芯片具有敏感轴，其敏感轴与所述磁体的充磁方向呈任意大于0的角度。

2.如权利要求1所述的一种磁性厚度传感器，其特征在于，所述固定支架的一端端面是平面或曲面或尖状。

3.如权利要求1所述的一种磁性厚度传感器，其特征在于，设磁性传感器芯片的敏感轴方向为z轴，待测物运动方向为x轴，以与x轴、z轴两两垂直的方向为y轴，所述磁体沿平行于x轴和y轴的平面的截面为凹陷，该凹陷的形状为曲线形、三角形、矩形或梯形。

4.如权利要求1所述的一种磁性厚度传感器，其特征在于，还包括设置在固定支架一端的接触单元，接触单元的形状为针形、球体或滑轮形状。

5.如权利要求1所述的一种磁性厚度传感器，其特征在于，所述敏感轴与磁体的充磁方向垂直。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的一种磁性厚度传感器，其特征在于，所述磁性传感器芯片的敏感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。

7.一种磁性厚度传感器，包括多个磁性传感器芯片、磁体以及固定支架，其特征在于，所述多个磁性传感器芯片以阵列形式固定在固定支架上并位于磁体的一侧，且磁体的该侧面为凹状；所述磁性传感器芯片具有敏感轴，其敏感轴与所述磁体的充磁方向呈任意大于0的角度。