CN105698671B - 一种新型角位移传感器 - Google Patents

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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means

Abstract

本发明涉及一种新型角位移传感器，由转子、空间正交且固定不动的至少两组隧穿磁阻TMR芯片以及相匹配的永磁体组成的定子和时栅信号处理系统组成。转子由具有周向分布齿槽结构的导磁材料构成。永磁体随着转子转动产生变化的磁场，TMR隧穿磁阻芯片感应磁场的变化，输出和变化磁场同频的电压信号。随着转子转动，给空间正交的TMR芯片施加时间正交的激励输出反映转轴转动角位移量的信号，将信号送入时栅信号处理系统经过一系列的滤波、整形等处理后输出角位移信息。与传统的角位移传感器相比，本发明具有结构简单、成本低、环境适应性强的特点，在较少的机械等分下可实现高精度的角位移测量。

Description

一种新型角位移传感器
技术领域
本发明属于精密测量传感器技术领域，具体涉及角位移传感器。
背景技术
角度是仪器仪表、电子产品和制造业中的重要几何参数，它的准确度直接影响着产品的质量和寿命。角位移传感器作为一种实时测量角度的机电元件，从测量方式上可以分为接触式和非接触式。接触式的角位移传感器如电位计式角位移传感器、应变片式角位移传感器等，存在由于机械接触而产生磨损的缺点；而非接触式的角位移传感器一般是根据磁场、电场和光学原理测量角位移，则克服了接触式角位移传感器的缺点，常见的如光栅、圆形感应同步器、光电编码器、磁电编码器等。这些传感器虽然工作原理不同，但都离不开精密的沿空间等分刻划分度。由于栅线数难以进一步提高，只能依靠电子细分，从而存在高成本、可靠性低、抗干扰能力差等方面的问题。
近年来专利文献CN1869594公开的一种以时钟脉冲作为测量基准的齿电式时栅传感器，不需要依赖精密空间刻线就能实现高精度位移测量。但是由于齿电式时栅传感器中的定子和转子结构上都需要绕线圈，存在加工复杂的缺点。随后，专利文献CN101363709公开的一种时栅角位移传感器，提出了在定子或转子上绕制线圈，使加工简便了很多，但是仍存在绕线不均的缺点。其中只在定子绕线圈的时栅结构，开了槽的转子类似于齿轮结构。而在专利文献CN202102001U公开了一种齿轮测速传感器，使用单片磁传感器芯片实现齿轮速度的测量，但不能实现角位移的测量，并且其使用的灵敏度较低的巨磁阻磁敏元件，使测量的精度低，应用的范围窄。
发明内容
本发明针对上述问题,公开一种新型角位移传感器，将时栅的测量原理与转动部件测速方法相结合，达到既能实现速度测量又能实现角位移测量的目的。
本发明的测量原理是：利用定子上空间正交且施加时间正交激励的两组TMR芯片感受与其相匹配的永磁体随着转动元件转动所提供的变化磁场，输出反映转轴角位移量的信号，将信号送入时栅信号处理系统，经过一系列的滤波、整形等处理后输出角位移信息。
本发明采用的技术方案如下：
一种新型角位移传感器，包括转子、空间正交且固定不动的至少两组磁传感器以及相匹配的永磁体组成的定子、时栅信号处理系统。
所述转子是具有周向分布齿槽结构的导磁元件，可以专门加工后安装在需测量的旋转轴上，或者直接采用被测对象的转动部件，通过转动时齿和槽的交替变化来使永磁体产生的磁场发生规律变化。
所述TMR芯片设置至少两组，它们的敏感方向沿转子转动圆周的切向方向放置，且位于转子与永磁体之间，随着磁场的规律变化，灵敏输出变化的电压，TMR芯片与时栅信号处理系统通过信号线连接。
所述与隧道磁阻效应TMR芯片相匹配，两者固定形成定子，永磁体的磁极正对转子沿转动的径向方向设置，通过磁化转子且随着转子转动在TMR芯片所处位置产生变化的磁场。
每两组匹配永磁体的TMR芯片空间正交放置，且永磁体、齿轮和TMR芯片的中心处于同一水平线上。
所述时栅信号处理系统进行时栅激励信号加载，并对TMR芯片得到的反映转轴角位移量时栅输出信号进行滤波、整形和信号解调计算。
本角位移传感器是通过空间正交且施加时间正交激励的至少两组TMR芯片感受与其相匹配的永磁体随着转子随被测量转轴转动所提供的变化磁场，输出反映转轴角位移量的信号，将信号送入时栅信号处理系统，经过滤波、整形处理后输出角位移信息，实现角位移的测量。
本发明用于实现角位移测量，转子与永磁体配合，芯片感受到带转动信息的变化磁场。由于在一定磁场变化大小范围内，TMR隧穿磁阻芯片的输出和磁场的变化成线性关系，因此TMR感受到变化磁场，输出同频信号，进而给空间正交的两组TMR芯片施加时间正交的激励就会得到两路反映转轴角位移量的信号。信号送入时栅信号处理系统，经过滤波、整形送入处理器后计算得到角位移量。
本发明与传统的角位移传感器相比，采用隧穿磁阻效应的线性传感器作为敏感元件，具有小型化、低功耗、适用性强和高灵敏度等特性；采用简单的齿栅结构作为转子与永磁体配合随着转动提供被测量的角位移信息，具有结构简单、成本低、环境适应性强的特点；采用时栅信号处理系统处理电信号，使在较少的机械等分下可实现高精度的角位移测量。
附图说明
图1是角位移传感器的结构图；
图2a-图2b是传感器的模块结构和齿轮一个周期内的磁场。
具体实施方式
下面以两组TMR芯片构成的角位移传感器为例，结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
参见图1，本角位移传感器的作为转子采用了导磁材料的特制齿轮10，定子为两组TMR芯片11a和11b以及与芯片相匹配的永磁体12a和12b，时栅的信号处理系统16与两组TMR芯片11a和11b进行信号连接。
所述齿轮10作为转子安装到要测量角位移的转轴上，两组TMR芯片11a和11b、与芯片相匹配的永磁体12a和12b固定作为定子，固定放置在传感器内部圆周。所述定子可通过轴承与转子集成在一起，也可以固定在被测部件相应的固定部件或位置上。永磁体12a和12b分别正对TMR芯片11a和11b，并沿着齿轮的径向固定设置，将两个这样的芯片在转轴外空间正交固定放置。齿轮10沿芯片敏感方向转动，给两组芯片施加时间正交的激励13a和13b后分别输出两路信号14a和14b，送入时栅信号处理系统16中,最终实现角位移的测量。
转子不仅可以通过联轴器等方式与被测转动部件连接在一起，也可以在被测转动部件上集成加工，或者直接采用符合本专利条件的被测转动部件作为转子。本例中所使用的齿轮10是具有周向分布齿槽结构，需选用具有高磁导率的导磁材料加工而成。齿轮10被永磁体磁化，随着转动，磁场变为可提供TMR芯片带转动信息的变化磁场。根据具体的测量需求可以设计出与其相适应的齿轮10，参见图2(a)，现以其中一种齿轮10设计进行说明：
图示齿轮的齿和槽所对应的圆心角的度数比最好为1:3，外径R和齿高H分别为50mm和10mm，齿宽23并不是越小越好，因为齿宽W越小其转动时磁场变化的幅值小，而本发明需要的是在保证芯片线性范围内的磁场最大，当然齿宽W也不能太大，齿宽W太大会导致齿数减少，影响测量精度，因此以5°圆心角对应的齿宽最宜。齿长L不超过20mm最好，具体可依据要求定。若齿长L超过20mm，切线方向的磁场也就是芯片敏感方向的磁场变小，小于20mmm以下，对磁场值没有影响。同时，在设计时，当转子齿距所对应的圆心角为α时，要保证两组TMR芯片中心位置之间所对应的圆心角为(2n+1)α/4，n≥1。
参见图2(b)，本发明的角位移传感器的定子部件中采用的TMR隧穿磁阻芯片，它能在敏感方向灵敏感受磁场变化，变化磁场的大小在一定范围内，TMR芯片可输出随磁场线性变化的电压波形。与芯片相匹配的永磁体12a和12b要正对两组TMR芯片11a和11b沿着特制齿轮的径向放置，由此，芯片只感受齿轮转动磁场沿切线方向分量，以产生规律磁场。高磁导率材料的齿轮被永磁体磁化，随着齿轮的转动，磁场变成如图所示带转动信息的变化磁场。
本发明采用公知技术的时栅信号处理系统，将两组TMR芯片输出的反映转轴角位移变化的信号和时栅的激励信号(同频的基准信号)输入时栅信号处理系统，进行放大、滤波、整形等信号处理，再通过微处理器进行信号解调和角位移计算，并对采集的数据进行处理和修正，最终实现角位移的测量。

Claims (5)

1.一种新型角位移传感器，其特征在于：包括转子、至少两组隧穿磁阻TMR芯片以及相匹配的永磁体组成的定子、时栅信号处理系统；
所述转子是具有周向分布齿槽结构的导磁元件，安装在需测量的旋转轴上或者直接采用被测对象的转动部件，通过转动时齿和槽的交替变化来使永磁体产生的磁场发生规律变化；
所述TMR芯片有至少两组，它们的敏感方向沿转子转动圆周的切向方向放置，且位于转子与永磁体之间，随着磁场的规律变化，灵敏输出变化的电压，TMR芯片与时栅信号处理系统通过信号线连接；
所述永磁体与隧道磁阻效应TMR芯片相匹配，两者固定形成定子，永磁体的磁极正对转子沿转动的径向方向设置，通过磁化转子且随着转子转动在TMR芯片所处位置产生变化的磁场；
每两组匹配永磁体的TMR芯片空间正交布置，且永磁体、转子和TMR芯片的中心处于同一水平线上；
所述时栅信号处理系统进行时栅激励信号加载，并对TMR芯片得到的反映转轴角位移量时栅输出信号进行滤波、整形和信号解调计算；
所述角位移传感器通过空间正交且施加时间正交激励的至少两组TMR芯片感受与其相匹配的永磁体随着转子随被测量转轴转动所提供的变化磁场，输出反映转轴角位移量的信号，将信号送入时栅信号处理系统，经过滤波、整形处理后输出角位移信息，实现角位移的测量。
2.根据权利要求1所述的角位移传感器，其特征在于：转子的齿距所对应的圆心角为α，两组TMR芯片中心位置之间所对应的圆心角为(2n+1)α/4，n≥1。
3.根据权利要求1所述的角位移传感器，其特征在于：对每两组TMR芯片施加的时间正交激励是分别加载频率和幅值相同且相位相差90°的电激励。
4.根据权利要求1所述的角位移传感器，其特征在于：所述转子为齿轮结构。
5.根据权利要求1所述的角位移传感器，其特征在于：所述定子可以安装在被测对象的固定部件或部位上。
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