CN106017517A - 一种非接触式磁性编码传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式磁性编码传感器，其主要包括：磁性编码器和传感器本体总成，磁性编码器一个周期内的磁场呈正弦分布，而传感器本体总成采集来自于旋转磁性编码器产生的变化磁场，并对应输出一路正弦模拟信号和一路余弦模拟信号。本发明提供的非接触式绝对式磁性编码传感器，能够精确测量旋转物体的速度和绝对位置，同时能检测旋转方向。同时，该磁性编码传感器的测量精度高、响应时间快，且工艺简单，寿命长，能工作在高温，油污的环境下。

Description

一种非接触式磁性编码传感器

技术领域

本发明涉及一种测量技术，具体涉及磁性编码传感器。

背景技术

根据检测原理，目前常用的测量旋转物体的编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧，安放发光元件和光敏元件。当圆盘旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲，码盘上有之相标志，每转一圈输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。

磁性编码器经常也被称为磁电式编码器，其原理是采用磁阻或者霍尔元件对变化的磁性材料的角度或者位移值进行测量。磁性材料角度或者位移的变化会引起一定电阻或者电压的变化，再经过电路的信号处理即可输出信号。

感应式编码器(旋转变压器)是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦或余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。

旋转变压器的定子和转子之间的磁通分布符合正弦规律，因此当激磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势。其输出电压的大小取决于转子的角向位置，即随着转子偏移的角度呈正弦变化。感应电压的相位角等于转子的机械转角。因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角。

电容式编码器利用的原理与成熟、低成本而且精密的数字游标卡尺相同。它具有两个柱状或线状型式，一个在固定元件上，另一个在运动元件上，两者一起形成了一个配置为发送器/接收器对的可变电容器。当编码器转动时，处理电路对这些线的变化进行计数，并利用内插法寻找轴的位置和转动方向，建立标准的正交输出，以及其它编码器提供的换向输出。

这些编码器在实际的应用过程中都存在不同的缺点：

1.光电式编码器的缺点是结构复杂，价格高，光源寿命偏短。

2.传统磁性编码器的缺点是精度低，响应时间慢。

3.感应式编码器(旋转变压器)的缺点是结构、信号处理比较复杂，精度低，体积较大，价格高。

4.电容式编码器的缺点是工作容易受到外界(特别是湿度)的干扰，工作稳定性低，无法满足大位移(角位移)测量的要求。

发明内容

针对目前常用的测量旋转物体的编码器普遍存在结构复杂、测量精度不高的问题，本发明的主要目的在于提供一种结构简单、测量精度高的绝对式磁性编码器，能够精确测量转速和旋转绝对角度位置，可有效解决现有技术所存在的问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种非接触式磁性编码传感器，所述传感器包括：

磁性编码器，所述磁性编码器一个周期内(360°)的磁场呈正弦分布；

传感器本体总成，所述传感器本体总成采集来自于旋转磁性编码器产生的变化磁场，并对应输出一路正弦模拟信号和一路余弦模拟信号。

优选的，所述磁性编码器通过注塑充磁实现一个周期内的磁场呈正弦分布。

优选的，所述磁性编码器随目标物体旋转的同时，输出周期变化的连续磁场。

优选的，所述磁性编码器包括支撑固定圈以及铺设在支撑固定圈侧的磁性材料。

优选的，所述磁性材料在厚度方向上的磁场强度呈阶梯变化。

优选的，所述支撑固定圈支撑和定型磁性材料，并聚磁。

优选的，所述传感器本体总成包括至少5颗磁感应芯片、电路板、支架以及导线，所述至少5颗磁感应芯片对应于磁性编码器，通过支架等距安置在电路板上；所述导线与电路板连接。

优选的，所述电路板为圆环形，支架对应于电路板呈圆环形，至少5颗磁感应芯片通过圆环形支架等距安置在圆环形电路板上，并呈圆形分布。

优选的，所述传感器本体总成还包括封装件，所述封装件将传感器本体总成中的磁感应芯片、电路板以及支架封装成一体。

优选的，所述传感器本体总成还包括金属屏蔽外罩。

优选的，所述磁感应芯片感应旋转磁性编码器产生的变化磁场，形成对应的电压信号，并传至电路板，所述电路板对采集到的电压信号进行叠加运算，最终分别输出一路正弦模拟信号和一路余弦模拟信号。

本发明提供的非接触式绝对式磁性编码传感器，能够精确测量旋转物体的速度和绝对位置，同时能检测旋转方向。

同时，该磁性编码传感器的测量精度高、响应时间快，且工艺简单，寿命长，能工作在高温，油污的环境下。

再者，该磁性编码传感器的电路设计简单，不涉及解码芯片，实现方式巧妙，从而研发投入少，成本低。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明实例中非接触式磁性编码传感器的爆炸图；

图2为本发明实例中非接触式磁性编码传感器的剖视图；

图3为本发明实例中磁性编码器的结构示意图；

图4为图3中A部分的放大图；

图5为本发明实例中磁性材料的极性示意图；

图6为本发明实例中磁性编码器旋转时，输出的周期变化的连续磁场示意图。

图7为本发明实例中传感器本体总成的爆炸图；

图8为本发明实例中传感器本体总成中磁感应芯片、电路板以及磁性编码器之间的装配主视图；

图9为本发明实例中传感器本体总成中磁感应芯片、电路板以及磁性编码器之间的装配侧视图；

图10为本发明实例中磁性编码器旋转时，传感器中磁感应芯片输出信号曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1和2，其示出本发明实例中非接触式磁性编码传感器的基本组成结构结构。

由图可知，本实例中的非接触式磁性编码传感器100整体为圆环形，主要包括环形磁性编码器110、环形传感器本体总成120以及金属外壳130三部分。

其中，环形磁性编码器110非接触的嵌设在环形传感器本体总成120中，并可随目标物体在传感器本体总成120中旋转；而金属外壳130设置在传感器本体总成120外侧。

由此构成的非接触式磁性编码传感器100，其中的环形磁性编码器110随目标物体旋转的同时，输出周期变化的连续磁场(一个旋转周期内即360°，磁场强度呈正弦分布)；传感器本体总成120则采集来自于旋转磁性编码器110的变化磁场，通过计算对应输出一路正弦模拟信号和一路余弦模拟信号；基于该两路模拟信号，可精确得到旋转绝对角度位置、旋转速度以及旋转方向。

而金属外壳130对传感器形成物理防护和EMC防护，防止外界干扰，保护传感器，保证传感器检测的可靠性。

针对上述的原理方案，以下通过一具体应用实例来进一步阐释本原理方案。

本传感器100中的环形磁性编码器110，其主要用于通过旋转输出不同磁性曲线，使环形传感器本体总成120感应不同的磁场强度。

参见图3，其所示为本实例中环形磁性编码器110的结构示意图。由图可知，该环形磁性编码器110主要由磁性材料111和支撑固定圈112相互配合组成，磁性材料111沿支撑固定圈112的圆周方向铺设在支撑固定圈112的外侧面上。

这里的支撑固定圈112具体为一不锈钢圈，采用材料SUS430，用于支撑和定型磁性材料111，并防止磁性材料111的破损，同时还具有聚磁(集磁)功能。这里通过不锈钢圈112(即支撑固定圈)的集磁功能，能有效防止外界磁场对磁性材料111的干扰，使磁性材料111的磁力线分布更加均匀，磁场方向聚向磁环的径向，磁场强度更可控。

参见图4，该支撑固定圈112由横截面为倒“L”形的不锈钢圈构成，该不锈钢圈的外侧面形成横截面为倒“L”形环形槽，用于安置磁性材料111，可很好的对磁性材料111形成支撑和定型，有效防止磁性材料111的破损，且具有聚磁功能。

参见图4，对于磁性材料111，其整体为与作为支撑固定圈112的不锈钢圈的外侧面相配合的空心圆柱形(横截面为圆环形)，且内侧面具有对应于不锈钢圈外侧面的倒“L”形环形槽的环形凸块。

该磁性材料111通过内侧面的环形凸块与不锈钢圈112外侧面的横截面为倒“L”形的环形槽配合，整体安置在不锈钢圈112外侧面，由此构成环形磁性编码器110。

再者，该磁性材料111充磁后，原其圆周方向一半为N极，另一半为S极(如图5所示)。该磁性材料111充磁后使其在厚度方向有不同强度的表面磁场G1，G2，G3，由此构成阶梯变化的磁场强度，以满足传感器的使用需求。

基于上述方案构成的环形磁性编码器110，其通过注塑充磁实现一个周期(即360°)内的磁场呈正弦分布，由此本环形磁性编码器110随目标物体旋转的同时，将可输出如图6所示的周期变化的连续磁场，即一个旋转周期内即360°，磁场强度呈正弦分布。

参见图7和图2，本传感器100中的环形传感器本体总成120主要包括五颗磁感应芯片121、电路板122、支架123、导线124以及封装件125这几部分。

磁感应芯片121，为环形传感器本体总成120中的感应元件，用于感应磁性编码器110旋转时产生的磁场变化，形成对应的电压信号。

本实例中的磁感应芯片121由霍尔或磁阻芯片构成，共计采用五个，对于磁感应芯片121的数量并不限于五个，根据需要可采用6个及以上。

参见图2、图8和图9，本实例中的这五个磁感应芯片121沿圆周方向并等距的安置在电路板122上，同时在沿圆周方向等距分布的五个磁感应芯片121的内侧形成圆形感应区域126，该圆形感应区域126的大小与环形磁性编码器110的尺寸对应，可容环形磁性编码器110非接触的、可转动的安置在其内。

由此当环形磁性编码器110旋转时，由于环形磁性编码器110上具有的特定磁性曲线，使得环形磁性编码器110上磁场不断发生变化，而五个磁感应芯片121分别从不同位置感应对应的磁场信号，并输出对应的特定信号，即通过五个磁感应芯片121感应到不同位置的磁场信号，从而输出特定信号对应不同位置。

为了很好的设置五个磁感应芯片121，以保证整个传感器100性能的稳定可靠性，本实例中采用支架123来定位五个磁感应芯片121的位置，并支撑五个磁感应芯片121，使得五个磁感应芯片121整体可靠的安置在电路板122上。

参见图7，本支架123具体为圆环形的塑料支架，其尺寸大小与环形磁性编码器110对应，可容环形磁性编码器110非接触的、可转动的安置在其内；同时在内侧等距的开设有五个磁感应芯片安置槽123a。通过该圆环形的塑料支架123能够对五个磁感应芯片121进行快速、准确的定位，并形成稳定可靠的支撑，从而实现五个磁感应芯片121整体可靠与电路板122组装，以保证整个传感器的可靠性。

本实例中的电路板122为整个传感器100中的信号处理部件，其与五个磁感应芯片121连接，接收并处理五个磁感应芯片121感应环形磁性编码器110旋转时产生的周期性磁场变化所形成的电压信号，输出一路正弦信号和一路余弦信号。

为便于与磁感应芯片以及塑料支架123组装，该电路板122采用圆环形的PCBA结构，其大小对应于塑料支架123，并在对应于塑料支架123上安置槽123a的位置设置有相应的接口，用于与磁感应芯片121连接。

为了高效精确的处理五个磁感应芯片121传输的信号，该电路板122中集成有计算电路，该计算电路主要由集成运算放大器、电阻等电子元器件组成。该计算电路对5个相位差72°的正弦波进行波形叠加，输出两路周期与幅度相同，相位相差90°的正弦信号和余弦信号。

由于这两路的正弦信号和余弦信号在同一时点的相位差处处不等，在经过处理后可以得到旋转绝对角度位置；而通过计数固定时间段内正弦或余弦周期数则可以得到旋转速度。

该计算电路无需复杂运算电路或处理器，降低整个电路板122的复杂程度和成本，并保证信号的高精度。

由此设置的环形电路板122与安置有五个磁感应芯片121的塑料支架123装配连接，同时与五个磁感应芯片121连接，同步接收五个磁感应芯片121传输的信号，通过集成的计算电路对5个相位差72°的正弦波进行波形叠加，输出两路周期与幅度相同，相位相差90°的正弦信号和余弦信号。

本实例中的导线124为整个传感器100中的信号输出部件，其一端与环形电路板122的输出端连接，另一端可与相应的应用电路或设备连接，将环形电路板122产生的一路正弦信号和一路余弦信号传至。

为保证信号传输的可靠性，以及便于传感器与应用电路或设备的连接，该导线124具体为集成有的接插件的线束(参见图7)。

本实例中的封装件125，用于将组装好的磁感应芯片121、塑料支架123、环形电路板122以及导线124封装成一体，形成环形传感器本体总成120。通过封装件125的封装，对各组成部件形成很好的保护，并实现防尘、防水，保证每个组成部件性能的可靠性，由此能够大大提高整个传感器的可靠性。

为保证封装效果，该封装件125由封装材料通过一体注塑的方式形成，即针对组成好的各部件，通过一体化注塑的方式注塑封装材料进行封装。

据此封装形成的环形传感器本体总成120为一体化结构，能够很好的保持各个组装部件之间的配合关系，在中间形成的圆形感应区域126，可容环形磁性编码器110非接触的、可转动的安置在其内；五个磁感应芯片121通过塑料支架123由沿圆周方向，等距分布在圆形感应区域126四周(参见图2)。当环形磁性编码器110旋转时，五个磁感应芯片121分别从不同位置感应对应的磁场信号，并输出对应的特定信号至内部的电路板122。

参见图1和图2，本实例中的金属外壳130设置在一体化环形传感器本体总成120的外侧，以对环形传感器本体总成120进行物理保护和EMC防护，防止外界干扰，保护传感器，保证传感器检测的可靠性。

由图可知，该金属外壳130主要包括金属屏蔽外罩131和金属底盖132，其中的金属屏蔽外罩131整体为空心圆柱形，并与一体化的环形传感器本体总成120的侧面相对应。由此该金属屏蔽外罩131整体套设在环形传感器本体总成120的侧面。

金属底盖132整体为圆环形，并与一体化的环形传感器本体总成120的底面相对应。由此，该金属底盖132直接设置在环形传感器本体总成120的底面，并与环形传感器本体总成120侧面配合构成金属外壳130，从而实现对传感器的保护。

根据上述实施方案即可形成非接触式磁性编码传感器，该传感器在具体使用时，将其中的磁性编码器110与待测目标物体连接，并可随目标物体旋转；同时将环形传感器本体总成120通过其上的待接插件的线束124与相应的应用电路或设备进行连接。

其中的磁性编码器110通过注塑充磁实现一个周期(360度)内的磁场呈正弦分布，磁性编码器随目标物体旋转的同时，输出周期变化的连续磁场(磁场强度呈正弦分布)。

传感器在供电后，通过均匀周圈分布在环形电路板上的五颗磁感应芯片121(霍尔或者磁阻芯片)采集来自于旋转磁性编码器产生的变化磁场，形成对应的电压信号并传至电路板122。

参见图10，五颗磁感应芯片121均匀周圈分布环形磁性编码器110的四周，相邻磁感应芯片之间相隔72°，从五个不同方位同步感应磁性编码器110旋转时产生的呈正弦变化的磁场强度，由此产生5个相位差72°的正弦波电压信号，并同步传至电路板122。

电路板122通过计算电路对5个相位差72°的正弦波信号进行波形叠加，输出两路周期与幅度相同，相位相差90度的正弦信号和余弦信号(其中Consine信号相位比H1信号超前45°，而Sine信号比H1信号超前135°)。

由于正弦、余弦信号在同一时点的幅度组合处处不等，应用电路可以经过反正切处理后得到旋转绝对角度位置；通过计数固定时间段内正弦或余弦周期数则可以得到旋转速度；而通过两路信号的先后关系可以得到旋转方向。

可见，本非接触式磁性编码传感器能够精确测量旋转物体的速度和绝对位置，同时还能检测旋转方向。

另外，本非接触式磁性编码传感器采用非接触式磁感应原理，具有无磨损、长寿命的特征；而其内部的采用五颗磁感应芯片(霍尔或磁阻芯片)周圈均匀布置，大大提高信号精度，并性价比最高；同时无需复杂运算电路或处理器。

再者，本非接触式磁性编码传感器整体模块化设计，结构紧凑，易于与被测应用集成，如轴承。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (11)

1.一种非接触式磁性编码传感器，其特征在于，所述传感器包括：

磁性编码器，所述磁性编码器一个周期内的磁场呈正弦分布；

传感器本体总成，所述传感器本体总成采集来自于旋转磁性编码器产生的变化磁场，并对应输出一路正弦模拟信号和一路余弦模拟信号。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式磁性编码传感器，其特征在于，所述磁性编码器随目标物体旋转的同时，输出周期变化的连续磁场。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式磁性编码传感器，其特征在于，所述磁性编码器通过注塑充磁实现一个周期内的磁场呈正弦分布。

4.根据权利要求1所述的一种非接触式磁性编码传感器，其特征在于，所述磁性编码器包括支撑固定圈以及铺设在支撑固定圈侧的磁性材料。

5.根据权利要求4所述的一种非接触式磁性编码传感器，其特征在于，所述磁性材料在厚度方向上的磁场强度呈阶梯变化。

6.根据权利要求4所述的一种非接触式磁性编码传感器，其特征在于，所述支撑固定圈支撑和定型磁性材料，并聚磁。

7.根据权利要求1所述的一种非接触式磁性编码传感器，其特征在于，所述传感器本体总成包括至少5颗磁感应芯片、电路板、支架以及导线，所述至少5颗磁感应芯片对应于磁性编码器，通过支架等距安置在电路板上；所述导线与电路板连接。

8.根据权利要求7所述的一种非接触式磁性编码传感器，其特征在于，所述磁感应芯片感应旋转磁性编码器产生的变化磁场，形成对应的电压信号，并传至电路板，所述电路板对采集到的电压信号进行叠加运算，最终分别输出一路正弦模拟信号和一路余弦模拟信号。

9.根据权利要求7所述的一种非接触式磁性编码传感器，其特征在于，所述电路板为圆环形，支架对应于电路板呈圆环形，至少5颗磁感应芯片通过圆环形支架等距安置在圆环形电路板上，并呈圆形分布。

10.根据权利要求7所述的一种非接触式磁性编码传感器，其特征在于，所述传感器本体总成还包括封装件，所述封装件将传感器本体总成中的磁感应芯片、电路板以及支架封装成一体。

11.根据权利要求7所述的一种非接触式磁性编码传感器，其特征在于，所述传感器本体总成还包括金属屏蔽外罩。