CN108562326A - 一种转轴角度及速度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种转轴角度及速度测量装置,用于提升现有转轴角度及速度测量装置的测量精度,其结构包括:永磁铁、集成有磁阻传感器的芯片和PCB电路板;PCB电路板的上端面设置有多块芯片;PCB电路板的下端面设置有多个沉孔;每个沉孔的轴线均分别经过一个芯片的形心;永磁铁通过沉孔与PCB电路板紧固连接;磁阻传感器设置有:第一电源连接端、接地端、第一信号输出端和第二信号输出端,第一信号输出端与第一电阻串联后与第二电源连接端电连接;第一信号输出端与第二电阻串联后接地;第二信号输出端与第三电阻串联后与第二电源连接端电连接;第二信号输出端与第四电阻串联后接地。本发明改进永磁铁和PCB电路板间的连接关系,致使检测灵敏度得到大幅提升。
Description
技术领域
本发明涉及转轴运动参数测量设备技术领域,尤其涉及一种转轴角度及速度测量装置。
背景技术
旋转机构(机床、发动机等)角度、速度的测量对其后续的控制系统有关键作用。光电编码器本身具有精度高、非接触特点得到广泛应用,但由于光电编码器对恶劣环境适应性不强,因此近年来磁旋转编码器发展起来。如图1所示,现有技术中的磁旋转编码器一般由磁阻传感器(隧道磁阻、巨磁阻等原理,常用4-12个电阻组成的2~3个电桥封装成为集成电路芯片)、正/余弦信号插值、自校正驱动器组成。三个由磁敏电阻组成的电桥分别输出SIN+、SIN-、COS+、COS-、ZERO+、ZERO-6路信号给正/余弦信号插值、自校正驱动器,由其输出控制系统所需的ABZ信号或UVW信号。
如图2所示,现有技术中的转轴角度及速度测量装置通常采用在PCB电路板01的上端面设置集成有多个磁阻传感器的芯片02,并在PCB电路板01的下端面,每个所述芯片02的正下方设置一块永磁铁03,借助永磁铁03形成的固定磁场,利用集成有多个磁阻传感器的芯片02感应磁场被切割后产生的变化情况,对旋转机构(机床、发动机等)角度、速度实现测量。现有技术中基于上述结构的转轴角度及速度测量装置由于永磁铁的安装位置会存在细微的差异,致使装配完成后的集成有多个磁阻传感器的芯片的感应灵敏度参差不齐,部分产品甚至存在检测精度偏低的技术问题。
此外,由于磁旋转编码器中磁阻传感器的输出信号强度会随着输入旋转速度加快而减弱,当输入速度加快到一定值(如20000r/min)时,信号减弱到不能满足正/余弦信号插值、自校正驱动器(以下简称驱动器)输入信号强度要求。为了加大信号强度,采用提高磁阻传感器的供电电压的方法,当待测齿轮转动或静止时,会导致图1中各电桥的两路输出(例如正弦输出的正弦正(SIN+)和正弦负(SIN-))信号的偏移电压V1和V2的值超出驱动器允许的输入范围,导致整个系统无法输出正确的转速及角度信号,余弦(COS+和COS-)输出及零位输出(ZERO+和ZERO-)情况与此相似。
因此,提供一种转轴角度及速度测量装置,用于解决上述技术问题中的至少一种,就成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种转轴角度及速度测量装置,用于提升现有转轴角度及速度测量装置的测量精度。
为了实现上述目的,本发明提供一种转轴角度及速度测量装置,包括永磁铁、集成有磁阻传感器的芯片和PCB电路板;所述PCB电路板的上端面以电连接的方式设置有多块所述芯片;所述PCB电路板的下端面设置有多个外形与所述永磁铁相适配的沉孔;每个所述沉孔的轴线均分别经过一个所述芯片的形心;所述永磁铁通过所述沉孔与所述PCB电路板紧固连接;所述磁阻传感器设置有:第一电源连接端、接地端、第一信号输出端和第二信号输出端,其特征在于,所述第一信号输出端与第一电阻串联后与第二电源连接端电连接;所述第一信号输出端与第二电阻串联后接地;所述第二信号输出端与第三电阻串联后与第二电源连接端电连接;所述第二信号输出端与第四电阻串联后接地。
优选地,所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻中的至少一个电阻为可调电阻。
优选地,所述磁阻传感器还包括:第一电容和第二电容;所述第一信号输出端与第一电容串联后输出;所述第一电容的输出连接端与第一电阻串联后与第二电源连接端电连接;所述第一电容的输出连接端与第二电阻串联后接地;所述第二信号输出端与第二电容串联后输出;所述第二电容的输出连接端与第三电阻串联后与第二电源连接端电连接;所述第二电容的输出连接端与第四电阻串联后接地。
优选地,所述芯片包括:正弦/余弦信号差值、自校正驱动器和磁阻传感器;所述正弦/余弦信号插值、自校正驱动器的输入端电连接有三个磁阻传感器。
优选地,所述永磁铁通过多片厚度为0.01mm的双面胶膜与所述沉孔紧固连接。
优选地,所述沉孔的孔底固定设置有厚度为0.01mm的铁片,所述永磁铁靠磁吸力与所述沉孔紧固连接。
优选地,还包括多片厚度为0.01mm的铁质垫片;所述永磁铁靠磁吸力与多片所述铁质垫片吸附后与所述沉孔紧固连接。
优选地,所述沉孔与所述永磁铁以螺纹连接的方式紧固连接。
优选地,还包括螺纹套筒,所述螺纹套筒的内孔外形与所述永磁铁的外形相适配,并与所述永磁铁紧固连接,所述螺纹套筒的外螺纹与所述沉孔的外壁螺纹连接。
优选地,所述永磁铁通过胶液与所述沉孔紧固连接。
本发明中,改进永磁铁和PCB电路板间的连接关系,能够大幅提升转轴角度及速度测量装置的检测灵敏度。其中,集成有磁阻传感器的芯片在电桥输出信号的平衡及信号幅值方面均得到了更进一步的改进,对转轴角度及速度的测量精度及灵敏度均得到显著的提高。改进后的转轴角度及速度测量装置,永磁铁与PCB电路板间的装配将更为容易实现,装配后永磁铁与芯片间的对中性更佳,位于同一PCB电路板上的多个集成有磁阻传感器的芯片彼此间输出信号在灵敏度差异性方面将更为微小,进而获得的同批次转轴角度及速度测量装置产品在工作性能方面将更加趋于稳定均衡;进一步地,改进后的磁阻传感器可以分别用于输出正弦、余弦和零位三组各两路信号,这三组由磁阻传感装置组成的电桥可被封装在IC芯片内,用于实现调平各组电桥两路输出的常数项值;其中,将所述第一信号输出端与第一电阻串联后与第二电源连接端电连接,将所述第一信号输出端与第二电阻串联后接地;以及,以及,将所述第一信号输出端与第一电阻串联后与第二电源连接端电连接;将所述第一信号输出端与第二电阻串联后接地;将所述第二信号输出端与第三电阻串联后与第二电源连接端电连接;将所述第二信号输出端与第四电阻串联后接地,为得到的输出信号施加相同的偏置电压,使得偏置电压落入驱动器信号中线区域,满足驱动器的输入要求,采用本发明上述磁阻传感装置后,可以使所述芯片的供电电压提高,从而提高磁敏电阻的信号输出强度,满足编码器适应高速应用场合,解决所述芯片在生产、调试、装配过程中信号的校准问题。
进一步地,第一电容和第二电容的设置能够更进一步提升磁阻传感器的输出灵敏度,为更进一步提升转轴角度及速度测量装置的测量精度提供更为有力的结构保障。
进一步地,由于位于同一PCB电路板上,多个芯片分别与PCB电路板电连接时,难以做到芯片与PCB电路板间的距离均相同,致使按相同装配方式设置永磁铁后,各芯片在信号输出方面依然存在输出精度上的细微差异,本发明采用多片厚度为0.01mm的双面胶膜来实现永磁铁与沉孔间的紧固连接,通过控制双面胶膜的叠放片数达到调节永磁铁与芯片间的间隔距离的技术效果。装配时,选择采用2片或3片双面胶膜的芯片作为测量基准,调节其余沉孔内需要叠放的双面胶膜的片数,进而达到微调各芯片在信号输出方面一致性的技术效果。采用上述结构后,制得的转轴角度及速度测量装置在工作稳定性方面远优于未调节前,能够更进一步提升产品的工作性能。
进一步地,鉴于永磁铁在使用一段时间后磁场强度会逐渐减弱,致使转轴角度及速度测量装置的测量精度收到影响,固定设置在沉孔孔底的铁片,为采用自吸连接的方式固定磁铁提供结构保障,有助于达到方便更换永磁铁的技术效果,改进后的转轴角度及速度测量装置,能够通过定期更换永磁铁的操作方式达到长期维持转轴角度及速度测量装置高测量精度的技术效果,为将转轴角度及速度测量装置应用在高精密仪器内提供必要的结构保障。
进一步地,为转轴角度及速度测量装置更进一步设置的厚度为0.01mm的铁质垫片,用于调节永磁铁与芯片间的装配间距,能够达到和采用上述双面胶膜相类似的技术效果。
进一步地,将沉孔与永磁铁以螺纹连接的方式紧固连接,可达到通过旋转永磁铁的调节方式达到微调永磁铁与芯片间间距的技术效果。采用该结构后,永磁铁的装配及位置调节将变得更为容易,能够大幅提高转轴角度及速度测量装置的生产效率。
进一步地,考虑到永磁铁的结构强度加工出螺纹后螺纹容易磨损,进而在经历频繁拆装后使用寿命会进一步受限,致使本发明采用在永磁铁的外壁进一步套接螺纹套筒的方式来解决上述技术问题,采用螺纹套筒后,不仅能够达到上述方便微调永磁铁与芯片间间距的技术效果,还能进一步达到提升永磁铁使用寿命,及方便更换磁场衰减的永磁铁的技术效果。
进一步地,对于测量精度要求不高的加工设备,采用胶液将永磁铁与沉孔紧固连接既能充分满足相应的使用需求。采用胶液紧固的连接方式具有经济及操作简单的技术优势,能够满足高速量产的作业需求。
附图说明
图1为现有技术中的磁旋转编码器的结构示意图;
图2为现有技术中的转轴角度及速度测量装置的电路结构示意图;
图3为本发明实施例1中转轴角度及速度测量装置的电路结构示意图;
图4为图1中磁阻传感器的电路结构图;
图5为本发明实施例2中磁阻传感器改进后的电路结构图;
图6为本发明实施例2中芯片的电路结构示意图;
图7为图6所示芯片中电桥的正弦输出示意图;
图8为本发明实施例3中转轴角度及速度测量装置的改进结构示意图;
图9为图8所示转轴角度及速度测量装置的改进结构示意图;
图10为本发明实施例3中转轴角度及速度测量装置的另一改进结构示意图;
图11为图10所示转轴角度及速度测量装置的改进结构示意图。
具体实施例
下面详细描述本发明的实施例,由于下述实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,进而不能理解为对本发明的限制。
实施例一
图3所示,本发明提供了一种转轴角度及速度测量装置,包括永磁铁100、集成有磁阻传感器的芯片200和PCB电路板300;所述PCB电路板300的上端面以电连接的方式设置有多块所述芯片200;所述PCB电路板的下端面设置有多个外形与所述永磁铁相适配的沉孔310;每个所述沉孔310的轴线均分别经过一个所述芯片200的形心;所述永磁铁100通过所述沉孔310与所述PCB电路板300紧固连接;图4所示,磁阻传感器210设置有:第一电源连接端VCC1、接地端GND、第一信号输出端OUT+和第二信号输出端OUT-,所述第一信号输出端OUT+与第一电阻R1串联后与第二电源连接端VCC2电连接;所述第一信号输出端OUT+与第二电阻R2串联后接地GND;所述第二信号输出端OUT-与第三电阻R3串联后与第二电源连接端VCC2电连接;所述第二信号输出端OUT-与第四电阻R4串联后接地GND。
本实施例通过改进永磁铁和PCB电路板间的连接关系,能够大幅提升转轴角度及速度测量装置的检测灵敏度。其中,集成有磁阻传感器的芯片在电桥输出信号的平衡及信号幅值方面均得到了更进一步的改进,对转轴角度及速度的测量精度及灵敏度均得到显著的提高。改进后的转轴角度及速度测量装置,永磁铁与PCB电路板间的装配将更为容易实现,装配后永磁铁与芯片间的对中性更佳,位于同一PCB电路板上的多个集成有磁阻传感器的芯片彼此间输出信号在灵敏度差异性方面将更为微小,进而获得的同批次转轴角度及速度测量装置产品在工作性能方面将更加趋于稳定均衡;进一步地,改进后的磁阻传感器可以分别用于输出正弦、余弦和零位三组各两路信号,这三组由磁阻传感装置组成的电桥可被封装在IC芯片内,用于实现调平各组电桥两路输出的常数项值;其中,将所述第一信号输出端与第一电阻串联后与第二电源连接端电连接,将所述第一信号输出端与第二电阻串联后接地;以及,以及,将所述第一信号输出端与第一电阻串联后与第二电源连接端电连接;将所述第一信号输出端与第二电阻串联后接地;将所述第二信号输出端与第三电阻串联后与第二电源连接端电连接;将所述第二信号输出端与第四电阻串联后接地,为得到的输出信号施加相同的偏置电压,使得偏置电压落入驱动器信号中线区域,满足驱动器的输入要求,采用本发明上述磁阻传感装置后,可以使所述芯片的供电电压提高,从而提高磁敏电阻的信号输出强度,满足编码器适应高速应用场合,解决所述芯片在生产、调试、装配过程中信号的校准问题。
作为一个实施例,所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4中的至少一个电阻为可调电阻。采用可调电阻后能够更为方便的调节偏置电压,进而有助于达到最佳的输出效果。
实施例二
本发明在实施例1的基础上更进一步改进磁阻传感器。具体的,如图5所示,所述磁阻传感器210还包括:第一电容C1和第二电容C2;所述第一信号输出端OUT+与第一电容C1串联后输出;所述第一电容C1的输出连接端与第一电阻R1串联后与第二电源连接端VCC2电连接;所述第一电容C1的输出连接端与第二电阻R2串联后接地GND;所述第二信号输出端OUT-与第二电容C2串联后输出;所述第二电容C2的输出连接端与第三电阻R3串联后与第二电源连接端VCC2电连接;所述第二电容C2的输出连接端与第四电阻R4串联后接地GND。
第一电容和第二电容的设置能够更进一步提升磁阻传感器的输出灵敏度,为更进一步提升转轴角度及速度测量装置的测量精度提供更为有力的结构保障。
优选地,如图6所示,所述芯片包括:正弦/余弦信号差值、自校正驱动器和磁阻传感器;所述正弦/余弦信号插值、自校正驱动器的输入端电连接有三个磁阻传感器。
改进后的芯片,采用三个磁阻传感装置分别用于输出SIN+、SIN-、COS+、COS-、ZERO+、ZERO-6路信号给正/余弦信号插值、自校正驱动器,由其输出控制系统所需的ABZ信号或UVW信号。改进后的磁旋转编码器的输出信号不会随着输入旋转速度加快而减弱,能够充分满足20000r/min~30000r/min时的正/余弦信号插值、自校正驱动器(以下简称驱动器)输入信号强度要求,提高了磁阻传感装置的供电电压,当待测齿轮转动或静止时各电桥的两路输出(例如正弦输出的正弦正(SIN+)和正弦负(SIN-))信号的偏移电压V1和V2的值不会超出驱动器允许的输入范围,进而整个系统可以输出正确的转速及角度信号,余弦(COS+和COS-)输出及零位输出(ZERO+和ZERO-)情况与此相似。芯片输出正弦信号电压调平效果如图7所示,图7中可见在图6所示电桥的正弦输出中,正弦正(SIN+)和正弦负(SIN-))信号的偏移电压V1和V2的值均位于驱动器允许的输入范围,整个系统能够输出正确的转速及角度信号,能够有效解决现有技术中磁阻传感器在高转速状态下由于输出信号减弱,达不到自动校正驱动器所要求的信号品质的问题,以及由各因素引起的各电桥两路输出信号常数项超出驱动器允许的范围这一问题。此外,本发明还可以使芯片的供电电压提高,从而提高磁敏电阻的信号输出强度,满足编码器适应高速应用场合,解决现有磁旋转编码器生产、调试、装配过程中信号的校准问题。
实施例三
由于位于同一PCB电路板上,多个芯片分别与PCB电路板电连接时,难以做到芯片与PCB电路板间的距离均相同,致使按相同装配方式设置永磁铁后,各芯片在信号输出方面依然存在输出精度上的细微差异,本发明采用多片厚度为0.01mm的双面胶膜来实现永磁铁与沉孔间的紧固连接,通过控制双面胶膜的叠放片数达到调节永磁铁与芯片间的间隔距离的技术效果。装配时,选择采用2片或3片双面胶膜的芯片作为测量基准,调节其余沉孔内需要叠放的双面胶膜的片数,进而达到微调各芯片在信号输出方面一致性的技术效果。采用上述结构后,制得的转轴角度及速度测量装置在工作稳定性方面远优于未调节前,能够更进一步提升产品的工作性能。
优选地,如图8所示,在本实施例的其中一个优选技术方案中,所述沉孔310的孔底固定设置有厚度为0.01mm的铁片500,所述永磁铁靠磁吸力与所述沉孔紧固连接。鉴于永磁铁在使用一段时间后磁场强度会逐渐减弱,致使转轴角度及速度测量装置的测量精度收到影响,固定设置在沉孔孔底的铁片,为采用自吸连接的方式固定磁铁提供结构保障,有助于达到方便更换永磁铁的技术效果,改进后的转轴角度及速度测量装置,能够通过定期更换永磁铁的操作方式达到长期维持转轴角度及速度测量装置高测量精度的技术效果,为将转轴角度及速度测量装置应用在高精密仪器内提供必要的结构保障。
优选地,如图9所示,在本实施例的其中一个优选技术方案中,还包括多片厚度为0.01mm的铁质垫片400;所述永磁铁靠磁吸力与多片所述铁质垫片吸附后与所述沉孔紧固连接。为转轴角度及速度测量装置更进一步设置的厚度为0.01mm的铁质垫片,用于调节永磁铁与芯片间的装配间距,能够达到和采用上述双面胶膜相类似的技术效果。
优选地,如图10所示,在本实施例的其中一个优选技术方案中,所述沉孔310与所述永磁铁100以螺纹连接的方式紧固连接。将沉孔与永磁铁以螺纹连接的方式紧固连接,可达到通过旋转永磁铁的调节方式达到微调永磁铁与芯片间间距的技术效果。采用该结构后,永磁铁的装配及位置调节将变得更为容易,能够大幅提高转轴角度及速度测量装置的生产效率。
优选地,如图11所示,在本实施例的其中一个优选技术方案中,还包括螺纹套筒110,所述螺纹套筒110的内孔外形与所述永磁铁100的外形相适配,并与所述永磁铁紧固连接,所述螺纹套筒的外螺纹与所述沉孔的外壁螺纹连接。考虑到永磁铁的结构强度加工出螺纹后螺纹容易磨损,进而在经历频繁拆装后使用寿命会进一步受限,致使本发明采用在永磁铁的外壁进一步套接螺纹套筒的方式来解决上述技术问题,采用螺纹套筒后,不仅能够达到上述方便微调永磁铁与芯片间间距的技术效果,还能进一步达到提升永磁铁使用寿命,及方便更换磁场衰减的永磁铁的技术效果。
优选地,在本实施例的其中一个优选技术方案中,所述永磁铁通过胶液与所述沉孔紧固连接。对于测量精度要求不高的加工设备,采用胶液将永磁铁与沉孔紧固连接既能充分满足相应的使用需求。采用胶液紧固的连接方式具有经济及操作简单的技术优势,能够满足高速量产的作业需求。
上述各实施例仅是本发明的优选实施方式,在本技术领域内,凡是基于本发明技术方案上的变化和改进,不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (10)
1.一种转轴角度及速度测量装置,其特征在于,包括永磁铁、集成有磁阻传感器的芯片和PCB电路板;所述PCB电路板的上端面以电连接的方式设置有多块所述芯片;所述PCB电路板的下端面设置有多个外形与所述永磁铁相适配的沉孔;每个所述沉孔的轴线均分别经过一个所述芯片的形心;所述永磁铁通过所述沉孔与所述PCB电路板紧固连接;所述磁阻传感器设置有:第一电源连接端、接地端、第一信号输出端和第二信号输出端,其特征在于,所述第一信号输出端与第一电阻串联后与第二电源连接端电连接;所述第一信号输出端与第二电阻串联后接地;所述第二信号输出端与第三电阻串联后与第二电源连接端电连接;所述第二信号输出端与第四电阻串联后接地。
2.根据权利要求1所述的转轴角度及速度测量装置,其特征在于,所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻中的至少一个电阻为可调电阻。
3.根据权利要求1所述的转轴角度及速度测量装置,其特征在于,所述磁阻传感器还包括:第一电容和第二电容;所述第一信号输出端与第一电容串联后输出;所述第一电容的输出连接端与第一电阻串联后与第二电源连接端电连接;所述第一电容的输出连接端与第二电阻串联后接地;所述第二信号输出端与第二电容串联后输出;所述第二电容的输出连接端与第三电阻串联后与第二电源连接端电连接;所述第二电容的输出连接端与第四电阻串联后接地。
4.根据权利要求1所述的转轴角度及速度测量装置,其特征在于,所述芯片包括:正弦/余弦信号差值、自校正驱动器和磁阻传感器;所述正弦/余弦信号插值、自校正驱动器的输入端电连接有三个磁阻传感器。
5.根据权利要求1所述的转轴角度及速度测量装置,其特征在于,所述永磁铁通过多片厚度为0.01mm的双面胶膜与所述沉孔紧固连接。
6.根据权利要求1所述的转轴角度及速度测量装置,其特征在于,所述沉孔的孔底固定设置有厚度为0.01mm的铁片,所述永磁铁靠磁吸力与所述沉孔紧固连接。
7.根据权利要求6所述的转轴角度及速度测量装置,其特征在于,还包括多片厚度为0.01mm的铁质垫片;所述永磁铁靠磁吸力与多片所述铁质垫片吸附后与所述沉孔紧固连接。
8.根据权利要求1所述的转轴角度及速度测量装置,其特征在于,所述沉孔与所述永磁铁以螺纹连接的方式紧固连接。
9.根据权利要求1所述的转轴角度及速度测量装置,其特征在于,还包括螺纹套筒,所述螺纹套筒的内孔外形与所述永磁铁的外形相适配,并与所述永磁铁紧固连接,所述螺纹套筒的外螺纹与所述沉孔的外壁螺纹连接。
10.根据权利要求1所述的转轴角度及速度测量装置,其特征在于,所述永磁铁通过胶液与所述沉孔紧固连接。
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TA01 | Transfer of patent application right | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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