CN111380449A - 基于霍尔效应的盾构机长行程位移测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于物理参数测量技术领域，涉及一种基于霍尔效应的盾构机长行程位移测量装置和测量方法。提出一种基于霍尔效应的盾构机长行程位移测量装置具有至少一组线性霍尔传感器；多组线性霍尔传感器构成传感器阵列；每组霍尔传感器均匀一字排布在一个PCB板上，相邻两个线性霍尔传感器之间的间距L不小于磁性浮子上的磁铁在传感器阵列排列方向上的尺寸；若一组线性霍尔传感器的个数为n个，n个线性传感器的差分输出通过n通道模拟多路复用器复用两根差分电压信号传输线；两根差分电压信号传输线与信号处理电路的输入接口相连。本发明实现了盾构机长行程位移的测量，其测量方法简单、方便。

Description

基于霍尔效应的盾构机长行程位移测量装置和测量方法

技术领域

本发明属于物理参数测量技术领域，涉及一种基于霍尔效应的盾构机长行程位移测量装置和测量方法。

背景技术

盾构机是一种在隧道掘进过程中同时能构建隧道支撑结构的专用装备，可靠性要求高，利用霍尔位移测量方法可以准确测量盾构机的行程。目前磁性浮子液位计的变送器部分使用干簧管传感器。磁性浮子液位计的变送器的部分技术参数 ：液体密度 ：＞ 0.4g/cm3，最大量程 ：0-6m，分辨率 ：±1cm，信号传输方式 ：（4-20）mA（两线制）。磁性浮子液位计是一种对测量精度有一定要求（分辨率 ：±1cm），但是要求不是太高的液位仪表，其价格比较适中。如果对精度要求较高，如精度±1mm，则需要使用其他液位液位计，比如磁致伸缩液位计，但其价格也比较昂贵。磁性浮子液位计上的每个干簧管输出一个开关量信号，要达到上述分辨率，每米长度需要人工焊接 100 个干簧管（同时还需焊接 100 个电阻），生产效率低。另外，干簧管易碎，导致生产中、产品运输和安装过程中仪表易发生故障。液位计生产厂家一般使用进口干簧管，价格相对较高。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的不足，本发明的目的是针对磁性浮子液位计，提供一种低功耗、采用的器件较少、维护方便且成本较低的基于霍尔效应的长行程位移测量装置和测量方法。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

一种基于霍尔效应的盾构机长行程位移测量装置长行程位移测量装置，位移测量装置具有至少一组线性霍尔传感器；多组线性霍尔传感器构成传感器阵列；每组霍尔传感器均匀一字排布在一个PCB 板上，相邻两个线性霍尔传感器之间的间距L不小于磁性浮子上的磁铁在传感器阵列排列方向上的尺寸；若一组线性霍尔传感器的个数为 n 个，n个线性传感器的差分输出通过n通道模拟多路复用器复用两根差分电压信号传输线 ；两根差分电压信号传输线与信号处理电路的输入接口相连 ；相邻两个PCB板之间通过扩展接口相连 ；各组线性霍尔传感器由同一个恒流源分时供电，同一时间只有一组n通道模拟多路复用器输出电压信号到差分电压信号传输线上，其它模拟多路复用器输出处于高阻状态；差分电压信号经两根差分传输线传输到信号处理电路进行滤波放大处理后，由模数转换器转换成数字量后传送到单片机。

所述磁性浮子的N极和S极方向与线性霍尔传感器排列方向相同，磁性浮子与PCB板保持恒定距离，沿着线性霍尔传感器排列方向前后移动或静止；线性霍尔传感器的测量磁场方向与线性霍尔传感器的排列方向垂直。

所述PCB板的两端均具有可用以扩展长度的有扩展接口。

一种基于霍尔效应的盾构机长行程位移测量方法：测量任意线性霍尔传感器输出电压，使能要测量的霍尔传感器所在组的恒流源和模拟多路复用器电源，使用模拟多路复用器通道选择控制总线选通要测量的线性霍尔传感器，该线性霍尔传感器输出电压通过模拟多路复用器输出到霍尔电压信号传输总线上，该电压信号通过信号处理电路后，经AD转换，由MCU获取；具体测量步骤为：

1）按照传感器阵列的排布顺序，设传感器阵列的第二个传感器为当前传感器；

2）获取与当前传感器相邻的前一个传感器和后一个传感器及其本身的电压值，若三个传感器电压绝对值均大于设定阈值，而且当前传感器的电压绝对值最大且前一个传感器的电压绝对值大于后一个传感器的电压绝对值，则判定磁性浮子在当前传感器位置之前0.5L以内的某位置，结束磁性浮子粗略位置的定位；若三个传感器电压绝对值均大于阈值，而且当前传感器的电压绝对值最大且前一个传感器的电压绝对值小于后一个传感器的电压绝对值，则判定磁性浮子在当前传感器位置之后0.5L以内的某位置，结束磁性浮子粗略位置的判定 ；

3）按照步骤 2）的方法，判定磁性浮子的位置是否当前传感器位置前后0.5L之间，若在则执行步骤；

4）否则将当前传感器的下一个传感器视为当前传感器，再次判定 ；若扫描完毕所有传感器仍无法判定磁性浮子粗略位置，返回步骤 1）；

5）磁性浮子粗略位置定位后，再次进行电压扫描采集，按照步骤 2）方法，先判定磁性浮子是否在当前传感器位置的前后 0.5L 距离的之间，若在，该传感器仍为当前传感器 ；若不在，判定磁性浮子是否在当前传感器前一个传感器位置的前后0.5L距离之间，若在，把当前传感器前一个传感器设为当前传感器 ；否则判定磁性浮子是否在当前传感器后一个传感器位置的前后0.5L距离之间，若在，把当前传感器后一个传感器设为当前传感器 ；重复本步骤，完成磁性浮子静止或位移过程中粗略位置的跟踪判定，否则返回步骤 1）；

6）每次判定磁性浮子的粗略位置在某个传感器前后0.5L之间后，若判定磁性浮子在该传感器 位置之前；使用该传感器前一个传感器 输出电压，在“磁性浮子与传感器相对位置传感器输出电压值”中线性插值，得到磁性浮子相对前一个传感器 的精确位置 S2；若判定磁性浮子在该传感器位置之后，则使用后一个传感器的输出电压，在“磁性浮子与传感器相对位置传感器输出电压值”中进行插值计算，得到磁性浮子相对后一个传感器的精确位置，从而计算出浮子所在具体精确位置。

本发明提出的一种基于霍尔效应的盾构机长行程位移测量装置和测量方法,采用上述技术方案，利用传感器阵列与测量电路的配合实现了盾构机长行程位移的测量，是一种低功耗、采用的器件较少、维护方便且成本较低的测量装置，其测量方法简单、方便。

附图说明

图1是本发明线性霍尔传感器的结构示意图。

图2是本发明测量磁场方向的示意图；

图3是本发明的线性霍尔传感器排列结构及和磁性浮子位置关系示意图；

图4是采用供电方式的测量电路示意图。

图中：1、磁性浮子，2、PCB 板，21、线性霍尔传感器，22、扩展接口，23、模拟开关，24、多路复用器，3、信号处理电路，31、MCU 单片机，32 、其他电路，33、恒流源 ，34、信号处理电路，35、AD 转换器。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明加以说明：

本发明对磁性浮子液位计进行了改进，利用霍尔效应测量长行程磁性浮子的位移；磁性浮子里包括一块磁铁，因而在本发明的各个附图中，用磁铁的磁性方向来表达磁性浮子的磁性方向。本发明主要包括传感器部分和测量部分两个部分，下面先介绍传感器部分。

本发明采用的传感器为线性霍尔传感器阵列，图 1 、图2给出了所采用的单个线性霍尔传感器的管脚定义和测量磁场方向示意图。左半部分是管脚定义示意图，INPUT+ 和INPUT- 分别是线性霍尔传感器电源正负输入管脚，线性霍尔传感器电源可以是恒流源也可以是恒压源，本发明使用的恒流供电，OUTPUT+ 和 OUTPUT- 是线性霍尔传感器电压输出管脚，其输出差分电压；右半部分是测量磁场方向示意图，若磁场方向与此方向相同，则线性霍尔传感器输出正电压 ；若磁场方向与此方向相反，则线性霍尔传感器输出负电压 ；线性霍尔传感器输出电压大小与磁场强度成正比。

本发明的线性霍尔传感器在长条形 PCB 板上呈线性排列，图 3磁性浮子的磁场分布与线性霍尔传感器之间的位置关系，磁性浮子 1 中的磁铁为可实现此磁场分布的任意形状或组合；图2中，线性霍尔传感器21排列在 PCB 板2上，排列间距L，间距 L不小于磁性浮子 1中磁铁在线性霍尔传感器排列方向上的尺寸，磁性浮子1的N极和 S极方向与线性霍尔传感器21排列方向相同，磁性浮子1与 PCB 板 2 保持恒定距离，沿着线性霍尔传感器21排列方向前后移动或静止；线性霍尔传感器21测量磁场方向与线性霍尔传感器21排列方向垂直；PCB 板2两端有扩展接口22，测量长度可扩展。

设一组线性霍尔传感器21的个数为n个，则n个线性霍尔传感器21在PCB板上均匀排布，间距L不小于磁性浮子1中磁铁在线性霍尔传感器排列方向上的尺寸。比如磁性浮子1中磁铁在线性霍尔传感器排列方向上的尺寸是 4cm，线性霍尔传感器21排列间距L可为8cm，在PCB两端有电气接口，可扩展长度；输出的差分电压通过n通道模拟多路复用器25复用两根差分传输线；n取值可以是：32、16、8、4 或 2。

如图4所示，本发明的信号处理电路主要由MCU单片机31、恒流源33、信号处理电路34、AD 转换器35 和其他电路32 组成。恒流源33给传感器部分提供唯一共用恒流源。信号处理电路34差分电压信号总线电压滤波放大等处理后给AD转换器35，转换成数字信号给MCU31。MCU提供控制信号CS1、CS2……CSm 和 C1、C2……Ck。其他电路包括420mA变换电路等。

图3中，同一组线性霍尔传感器21阵列排放在一个PCB板2上，电源管脚串联在一起，由同一个恒流源供电，并由开关23控制；这一组线性霍尔传感器21输出电压通过模拟多路复用器25后复用差分电压总线上，模拟多路复用器25选择哪个线性霍尔传感器21输出到差分电压总线是由控制总线C1、C2……Ck来控制的，例如 ：一组有8个线性霍尔传感器，模拟多路复用器可以用两个8选1模拟多路复用器，一个选择线性霍尔传感器输出正，一个选择线性霍尔传感器输出负，控制总线需要三根：C1、C2 和 C3。模拟多路复用器 25 电源由开关24 控制；PCB板2可以级联，级联后，共用总线；线性霍尔传感器对应的开关23和24，由CS1、CS2……CSm 控制。

测量方法：测量任意线性霍尔传感器输出电压 ：使能要测量的霍尔传感器所在组的恒流源和模拟多路复用器电源，使用模拟多路复用器通道选择控制总线选通要测量的线性霍尔传感器，该线性霍尔传感器输出电压通过模拟多路复用器输出到霍尔电压信号传输总线上，该电压信号通过信号处理电路后，经AD转换，由MCU获取。

测量步骤：1）按照传感器阵列的排布顺序，设传感器阵列的第二个传感器为当前传感器 ；2）获取与当前传感器相邻的前一个传感器和后一个传感器及其本身的电压值，若三个传感器电压绝对值均大于设定阈值，而且当前传感器的电压绝对值最大且前一个传感器的电压绝对值大于后一个传感器的电压绝对值，则判定磁性浮子在当前传感器位置之前0.5L以内的某位置，结束磁性浮子粗略位置的定位 ；若三个传感器电压绝对值均大于阈值，而且当前传感器的电压绝对值最大且前一个传感器的电压绝对值小于后一个传感器的电压绝对值，则判定磁性浮子在当前传感器位置之后 0.5L 以内的某位置，结束磁性浮子粗略位置的判定 ；3）按照步骤 2）的方法，判定磁性浮子的位置是否当前传感器位置前后0.5L 之间，若在则执行步骤 4）；否则将当前传感器的下一个传感器视为当前传感器，再次判定 ；若扫描完毕所有传感器仍无法判定磁性浮子粗略位置，返回步骤 1）；4）磁性浮子粗略位置定位后，再次进行电压扫描采集，按照步骤 2）方法，先判定磁性浮子是否在当前传感器位置的前后 0.5L 距离的之间，若在，该传感器仍为当前传感器 ；若不在，判定磁性浮子是否在当前传感器前一个传感器位置的前后 0.5L 距离之间，若在，把当前传感器前一个传感器设为当前传感器 ；否则判定磁性浮子是否在当前传感器后一个传感器位置的前后 0.5L 距离之间，若在，把当前传感器后一个传感器设为当前传感器 ；重复本步骤，完成磁性浮子静止或位移过程中粗略位置的跟踪判定，否则返回步骤 1）；5）每次判定磁性浮子的粗略位置在某个传感器21(i)前后0.5L之间后，若判定磁性浮子在该传感器 21(i) 位置之前，使用该传感器前一个传感器 21(i-1) 输出电压 V(i-1)，在“磁性浮子与传感器相对位置传感器输出电压值”中线性插值，得到磁性浮子 1 相对前一个传感器 21(i-1) 的精确位置 S2。若判定磁性浮子在该传感器位置之后，则使用后一个传感器的输出电压，在“磁性浮子与传感器相对位置传感器输出电压值”中进行插值计算，得到磁性浮子相对后一个传感器的精确位置，从而计算出浮子所在具体精确位置。

Claims (4)

1.一种基于霍尔效应的盾构机长行程位移测量装置，其特征在于：位移测量装置具有至少一组线性霍尔传感器；多组线性霍尔传感器构成传感器阵列；每组霍尔传感器均匀一字排布在一个 PCB 板上，相邻两个线性霍尔传感器之间的间距L不小于磁性浮子上的磁铁在传感器阵列排列方向上的尺寸；若一组线性霍尔传感器的个数为n个，n个线性传感器的差分输出通过n通道模拟多路复用器复用两根差分电压信号传输线 ；两根差分电压信号传输线与信号处理电路的输入接口相连；相邻两个PCB板之间通过扩展接口相连 ；各组线性霍尔传感器由同一个恒流源分时供电，同一时间只有一组n通道模拟多路复用器输出电压信号到差分电压信号传输线上，其它模拟多路复用器输出处于高阻状态；差分电压信号经两根差分传输线传输到信号处理电路进行滤波放大处理后，由模数转换器转换成数字量后传送到单片机。

2.如权利要求1所述的一种基于霍尔效应的盾构机长行程位移测量装置，其特征在于：所述磁性浮子 的 N极和 S 极方向与线性霍尔传感器排列方向相同，磁性浮子 与 PCB 板保持恒定距离，沿着线性霍尔传感器排列方向前后移动或静止；线性霍尔传感器的测量磁场方向与线性霍尔传感器的 排列方向垂直。

3.如权利要求1所述的一种基于霍尔效应的盾构机长行程位移测量装置，其特征在于：所述PCB板的两端均具有可用以扩展长度的有扩展接口。

4.一种基于霍尔效应的盾构机长行程位移测量装置方法：其特征在于：测量任意线性霍尔传感器输出电压 ，使能要测量的霍尔传感器所在组的恒流源和模拟多路复用器电源，使用模拟多路复用器通道选择控制总线选通要测量的线性霍尔传感器，该线性霍尔传感器输出电压通过模拟多路复用器输出到霍尔电压信号传输总线上，该电压信号通过信号处理电路后，经 AD 转换，由 MCU 获取；具体测量步骤为：

1）按照传感器阵列的排布顺序，设传感器阵列的第二个传感器为当前传感器；

2）获取与当前传感器相邻的前一个传感器和后一个传感器及其本身的电压值，若三个传感器电压绝对值均大于设定阈值，而且当前传感器的电压绝对值最大且前一个传感器的电压绝对值大于后一个传感器的电压绝对值，则判定磁性浮子在当前传感器位置之前0.5L以内的某位置，结束磁性浮子粗略位置的定位；若三个传感器电压绝对值均大于阈值，而且当前传感器的电压绝对值最大且前一个传感器的电压绝对值小于后一个传感器的电压绝对值，则判定磁性浮子在当前传感器位置之后0.5L以内的某位置，结束磁性浮子粗略位置的判定 ；

3）按照步骤 2）的方法，判定磁性浮子的位置是否当前传感器位置前后 0.5L 之间，若在则执行步骤；

4）否则将当前传感器的下一个传感器视为当前传感器，再次判定 ；若扫描完毕所有传感器仍无法判定磁性浮子粗略位置，返回步骤 1）；

5）磁性浮子粗略位置定位后，再次进行电压扫描采集，按照步骤 2）方法，先判定磁性浮子是否在当前传感器位置的前后 0.5L 距离的之间，若在，该传感器仍为当前传感器 ；若不在，判定磁性浮子是否在当前传感器前一个传感器位置的前后 0.5L 距离之间，若在，把当前传感器前一个传感器设为当前传感器 ；否则判定磁性浮子是否在当前传感器后一个传感器位置的前后 0.5L 距离之间，若在，把当前传感器后一个传感器设为当前传感器；重复本步骤，完成磁性浮子静止或位移过程中粗略位置的跟踪判定，否则返回步骤 1）；

6）每次判定磁性浮子的粗略位置在某个传感器前后0.5L之间后，若判定磁性浮子在该传感器 位置之前；使用该传感器前一个传感器 输出电压，在“磁性浮子与传感器相对位置传感器输出电压值”中线性插值，得到磁性浮子相对前一个传感器 的精确位置 S2；若判定磁性浮子在该传感器位置之后，则使用后一个传感器的输出电压，在“磁性浮子与传感器相对位置传感器输出电压值”中进行插值计算，得到磁性浮子相对后一个传感器的精确位置，从而计算出浮子所在具体精确位置。

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