CN1084973A

CN1084973A - 运动状态识别传感器

Info

Publication number: CN1084973A
Application number: CN 92111026
Authority: CN
Inventors: 吴友农
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-09-28
Filing date: 1992-09-28
Publication date: 1994-04-06

Abstract

本发明运动状态识别传感器，是一种用于检测机械装置或机构运动或停止及其运动方向的复合型数字传感器。其特征在于传感器具有对机构所载磁体的磁场及磁极性敏感识别的电路系统。该传感器对各种机械直线往复运动、摆动或回转运动机构的运动状态——运动或停止及其运动方向同时加以正确地检测、识别和显示，并以双路开关量信号(数字0，数字1)输出。该传感器的输出信号既可与计算机直接接口，又可驱动执行机构组成独立的检测控制系统及联锁保护系统。

Description

本发明涉及用于检测机械运动状态的传感器制造技术。

在机械运动中，机械装置或机构具有运动或停止及其运动方向的状态变化。为了实现自动检测与自动控制。需要利用传感器对机构的运动或停止及运动方向进行检测，并转换为可以处理的电信号输出。

本发明运动状态识别传感器是一种用于检测机械装置或机构运动或停止及其运动方向的复合型数字传感器，该传感器对各种机械直线往复运动、摆动或回转运动机构的运动状态-运动或停止及其运动方向同时加以正确地检测、识别和显示，并以双路开关量信号（数字0，数字1）输出。

运动状态识别传感器是由外壳、帽、电路系统、电缆引线等组成，并使用粘接剂、吸潮剂和填料封装制成。其特征在于外壳内装有对外部强磁场及其磁极性敏感识别的电路系统，该电路系统由检测电路、运动状态信号处理电路、显示输出电路和稳压器组成。

检测电路由半导体霍尔元件1和霍尔元件2构成，其作用是分别将检测到的磁场信号转换为可以处理的双路电信号输出，一路是停动信号，一路是运动方向信号，其输出端分别与运动状态信号处理电路连接。

运动状态信号处理电路由两路组成。一路由差动放大器、施密特触发器、可再触发的单稳电路和外接阻容元件R₂C₁组成;另一路由差动放大器₂、施密特双稳电路和积分电路组成。其输出端分别与显示输出电路相连。

显示输出电路具有两个相同的通道，均由LED驱动器和输出缓冲器组成。通道1的输出端接有LED支路1，通道2的输出端接有LED支路2和LED支路3。

稳压器的输入端与外部电源相连，其输出端为内部电路提供稳定的工作电压。滤波电容器跨接在稳压器输出端与地之间。

根据霍尔效应原理，霍尔元件1在其敏感极性的磁场作用下产生一个霍尔电势输出，该信号经差动放大器1放大后，送至施密特触发器整形，形成具有垂直跳变边沿的脉冲，该脉冲信号作为单稳电路的触发信号，单稳电路的输出信号作为显示输出电路通道1的控制信号。显示输出电路通道1的输出信号分两路输出，一路经LED驱动器驱动LED支路1，并作为外部输出端。另一路经输出缓冲器进行功率放大，以OC方式输出。

根据霍尔效应原理，在磁场N作用下，霍尔元件₂将产生一个霍尔电势输出;在磁场S的作用下，霍尔元件₂将产生一个负的霍尔电势输出。霍尔元件₂产生的霍尔电势经差动放大器2放大后，送至施密特双稳电路进行整形，并将该信号记忆保持。施密特双稳电路的输出信号经积分电路送至显示输出电路通道2。显示输出电路通道2的输出信号分两路输出，一路经LED驱动器驱动LED支路2和LED支路3，并作为外部输出端。另一路经输出缓冲器进行功率放大，以OC方式输出。

图1为本发明实施方案电路系统原理方框图。

图2为本发明实施例1电路图。

本发明实施方案如下：

将一块磁体安装在被测机构适当位置上。磁体的工作面具有N、S两种极性。磁体工作面与传感器头部平面相对时，到达霍尔元件A₁A₂敏感面的磁感应强度一般应大于0.01T，这是为了提高传感器工作稳定性和对杂散磁场的抗干扰能力。霍尔元件A₁A₂的敏感面紧粘贴于帽的内壁中心，并与外磁场方向垂直。帽封装于传感器壳体头部，是用高导磁材料或无磁材料制成。电路系统元件及电缆引线焊接在一块印刷电路板上，三只不同颜色的LED灯（LED₁、LED₂和LED₃）安装在壳体后部上方小孔中并露出壳体，电缆引线从壳体尾部引出。整个电路系统经封装技术固化在壳体内部。本传感器应安装固定在被测机构运动轨迹的中部位置。传感器头部平面与磁体工作面相对时的最近距离一般为3-8mm，可调整到传感器灵敏度所要求的磁感应强度。

当机构运动时，所载磁体产生的磁场反复经过传感器表面。霍尔元件A₁敏感面的极性若选用对N极磁场敏感时，对S极则不敏感，相当于磁场撤除;反之若选用对S极磁场敏感时，对N极则不敏感，相当于磁场撤除。霍尔元件A₁在其所敏感的磁场作用下，产生霍尔电势（一般为mv级），经差动放大器B₁放大，再由施密特触发D₁将信号进行整形，当磁场到达传感器时，施密特触发器D₁输出信号变为低电平（接近地电位），当磁场撤除时施密特触发器D₁输出信号变为高电平（接近电源电压）。利用施密特触发器D₁的回差特性消除信号抖动，产生纯净的开关信号。该信号作为单稳电路的触发信号。由单稳集成电路F₁和阻容元件R₄C₁组成的一种可再触发单稳电路，其作用是在前级产生的多个重复脉冲再触发作用下维持单稳电路的暂稳态，当再触发脉冲消失后，单稳电路迅速恢复到稳态（即复位状态）。阻容元件R₄C₁作为单稳电路的定时电阻和定时电容，改变电阻和电容值，可选择单稳电路的脉冲宽度，并决定传感器的最低工作频率。单稳电路的输出信号作为显示输出电路通道1的控制信号。

当机构运动时，所载磁体产生的磁场反复经过传感器。霍尔元件A₂在垂直磁场作用下产生霍尔电势（一般为MV级），经差动放大器B₂将信号放大，并触发施密特双稳电路D₂。利用施密特回差特性对信号进行整形并消除信号抖动，产生纯净的开关信号，施密特双稳电路D₂还可将信号记忆保持。其输出信号在高电平时接近电源电压，在低电平时接近地电位。

当机构向某一方向运动时，磁体的N极在前，S极在后，当机构向另一方向运动时，磁体的S极在前，N极在后。当机构向某一方向运动，若磁体的在前磁场极性为N极时，所产生的磁场使施密特双稳电路D₂产生一跳变，紧接着，在后磁场S极使其产生一反跳变，形成一个信号脉冲，该脉冲被积分电路F₂吸收，施密特双稳电路D₂的状态保持在在后极性S极所产生的信号电平上。若机构向另一方向运动时在前磁场的极性是S极，所产生的磁场使施密特双稳电路D₂产生一反跳变，形成相反的信号脉冲，该脉冲被积分电路F₂吸收。施密特双稳电路D₂的状态保持在在后极性N极所产生的信号电平上。积分电路D₂的构成有两种，一种是数字积分电路;一种是RC阻容积分电路（并满足τ》T的条件），其作用是对磁体经过传感器时所产生的窄脉冲进行吸收，使后接的显示输出电路通道2的状态由积分电路F₂前级的施密特双稳电路D₂的稳态电平控制。

显示输出电路通道1和通道2具有相同的结构。LED驱动器G₁、G₂是末级具有图腾柱结构的推挽式功率放大器，其等效电路为一反相器，其作用是将信号进行功率放大，提供200MA驱动电流、驱动LED支路并向外部输出电压信号。G₁驱动LED支路L₁，G₂驱动LED支路L₂和LED支路L₃。输出缓冲器H₁、H₂是集电极开路的功率放大器，可提供200MA电流负荷，其集电极作为信号数据远传输出端。

LED支路L₁由LED₁和限流电阻R₁串联组成。LED支路L₁连接在稳压器W输出端与M点之间。当机构处于运动状态时，单稳电路输出高电平，经LED驱动器G₁反相输出低电平，使LED1亮（红）;当机构处于停止状态，单稳电路输出低电平，经LED驱动器G₁反相输出高电平，使LED₁灭。

LED支路L₂由LED₂和限流电阻R₂串联组成，LED支路L₃由LED₃和限流电阻R₃串联组成，LED支路L₂连接在稳压器W输出端与N点之间，LED支路L₃连接在N点与地之间。当机构向某一方向运动，施密特双稳电路D₂输出保持在高电平时，经LED驱动器G₂反相输出低电平，使对应此方向的LED₂亮（绿），当机构向另一方向运动，施密特双稳电路D₂输出保持在低电平时，经LED驱动器G₂反相输出高电平，使对应这一方向的LED₃亮（黄）。

稳压器W为整个电路提供稳定的直流工作电压，使传感器电路系统的工作电压不随外部电源电压波动。因此，本传感器的工作电源电压范围较宽（E₊＝5-16V）。滤波电容器C₂跨接在稳压器W输出端与地之间，其作用是滤除直流电源中的交流成份。

本发明运动状态识别传感器是一种具有停动识别和方向识别复合功能的传感器，当外加磁场经过传感器时同时对两路霍尔元件（霍尔元件A₁霍尔元件A₂）产生作用，霍尔元件A₁和霍尔元件A₂同时把外磁场的磁场信号转换为电信号，经电路系统识别处理、显示，以标准开关量信号输出。以达到同时对机构的停止或运动状态及其运动方向加以正确地检测、识别和显示，并以双路开关量信号输出。

本发明电路系统的实施例如下：

如图2所示，U₁、U₂、U₃、U₄为集成电路。在U₁中主要集成了霍尔电势发生器、差动放大器、施密特触发器;U₂中主要集成了霍尔电势发生器、差动放大器、施密特双稳电路;U₃是可再触发单稳电路，R₄C₁是U₃的定时电阻和定时电容，调整R₄C₁的值可选择U₃的脉冲宽度，并决定传感器的最低工作频率。R₃C₃构成阻容积分电路。R₁R₂分别为U₁U₂的上拉电阻。U₄是双通道的显示输出电路（U₄：A、U₄：B），主要集成了LED驱动器和输出缓冲器。R₅R₆R₇分别为LED_A（红）、LED_B（绿）、LED_C（黄）的限流电阻。当被测机构所载磁体的磁场经过传感器时，U₂所产生的脉冲被RC积分电路吸收，U₄：B控制端受U₂的稳定电平触发，当机构向某一方向运动时，U₂输出的稳定电平为高电平，由U₄：B反相输出为低电平，对应的LED_B亮，当机构向另一方运动时，U₂输出的稳定电平为低电平，由U₄：B反相输出高电平，对应的LED_C亮。与此同时，U₁在运动机构磁体的反复作用下，产生系列脉冲串，使U₃处于暂稳态输出高电平，经U₄：A反相输出为低电平，使LED_A亮，当机构处于停止状态，U₃输入端的脉冲串消失，使U₃恢复到稳态（复位状态）其输出为低电平，经U₄：A反相输出高电平，使LED_A灭。C₂为滤波电容器。

本实施例中：R₁＝R₂＝10K;

R₅＝R₆＝R₇＝1.2K;C₂＝0.1μ。

电路参数允许有较宽的取值范围。R₄C₁和R₃C₃的取值可根据传感器的工作频率确定，如R₄＝100K，C₁＝4.7μ，R₃＝100K，C₃＝15μ。

本发明运动状态识别传感器，可对多种机械设备、装置和机构进行运动或停止及其运动方向的传感检测、显示及远传控制，是一种新型的无触点、无磨损、无抖动、非接触式测量的磁电转换型数字传感器。它具有电压输出和OC输出两种可选择的形式。其工作电源电压范围宽，抗干扰能力强，电路简单可靠。本传感器体积小、寿命长、使用方便、温度特性好、抗振动、可长期工作在恶劣的环境中。由于发明本身具有显示识别功能，因此简化了自控系统的硬件电路和节省了计算机CPU处理时间，提高了自控系统的实时响应速度。本传感器的输出信号既可与计算机直接接口，又可驱动执行机构组成独立的检测控制系统及联锁保护系统。

Claims

1、一种运动状态识别传感器，是由外壳、帽、电路系统、电缆引线等组成，并使用粘接剂、吸潮剂和填料封装制成，其特征在于外壳内装有对外部强磁场及其磁极性敏感识别的电路系统；该电路系统由检测电路、运动状态信号处理电路、显示输出电路和稳压器组成。

2、如权利要求1所说的传感器，其特征在于检测电路由半导体霍尔元件1和霍尔元件2构成，其作用是分别将检测到的磁场信号转换为可以识别处理的双路电信号输出，一路是停动信号，一路是运动方向信号;其输出端分别与运动状态信号处理电路相连。

3、如权利要求1所说的传感器，其特征在于运动状态信号处理电路由两路组成，一路由差动放大器1、施密特触发器、可再触发的单稳电路和外接阻容元件组成;另一路由差动放大器₂、施密特双稳电路和积分电路组成;其输出端分别与显示输出电路相连。

4、如权利要求1所说的传感器，其特征在于显示输出电路具有两个相同的通道，均由LED驱动器和输出缓冲器组成，通道1的输出端接有LED支路1，通道2的输出端接有LED支路2和LED支路3。