CN111895904A - 一种具备防水功能的角度传感器 - Google Patents

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张波
田跃
闻小龙
裴屹杰
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    • G—PHYSICS
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    • G01D11/245—Housings for sensors

Abstract

一种具备防水功能的角度传感器，属于传感器领域。传感器设有非铁磁性材料的前端盖，转轴由轴承连接同心的固定在前端盖的上开口端；在转轴下端，由磁体固定套将固定取向的永磁体同心安装于前端盖的上端，随着转轴的转动，形成一个旋转的磁场；隔离层采用桶帽性非导磁材料加工制备，将以上旋转磁场完全罩住，用螺丝固定，密封胶灌封；在转动轴承前端放置一个密封油封，保护轴承在浸水状态下能正常的使用；将磁敏感检测集成芯片在保持同心度精度要求安置焊接在电信号处理线路板模块的线路板上。本发明将角度传感器的转动部分与电信号检出部分完全实现物理隔离，利用磁敏感元件对于磁场非接触信号感应的特点，实现角度传感器绝对防水特性，实现最高IP68的防水等级。

Description

一种具备防水功能的角度传感器
技术领域
本发明属于传感器领域，涉及一种具备防水功能的角度传感器，特别是针对一种磁敏感原理的防水型角度传感器。
背景技术
角度传感器从物理效应或原理上主要分为几类，分别是导电塑料、光电式、容栅式和磁电式。导电塑料型角度传感器，电信号提取属于接触型。由导电塑料材料制成圆环状导电膜，两端固定电极和与转轴连接的耐磨导电触点构成分压式输出结构，实现转轴旋转与输出电压的电信号输出。除了存在触点磨损外，水、油、粉尘等可能导致触点接触电阻的改变，影响输出电信号的准确性。如要实现防水功能只能依靠外壳结构的密封。光电角度传感器是由一个中心转轴带动光电码盘，通过光电发射接收管和莫尔条纹技术识别光码盘上明暗刻线条纹，实现旋转角度或位移的测量。测量精度越高，光电码盘明暗条纹间距越小，如果有水、油、粉尘、盐雾等浸入，可以导致光电器件识别率降低，影响到角度测量的准确性。容栅式角度传感器依靠刻蚀有金属周期性导电间隔条纹的两个极板，保持一定间隙形成电容栅格，当两个极板产生相对转动时，导致板间电容发生周期性变化，致使固有激振频率发生变化实现角度测量。如果在极板间存在水、油、粉尘等介质，将会导致极间电容发生变化，影响测量准确性。以上几种不同原理的角度传感器要实现较好的环境使用特性，特别是防水功能，一般只能通过传感器外壳和电信号处理电路密封和防水涂胶处理来解决。但是，由于角度传感器测量时一定存在转轴与固定不动的外壳间的相对转动，在有水，特别是在深水下，具有强大的水压，其防水渗入依然存在一定的技术难度。如果存在腐蚀性液体、盐雾、长期高湿工况下使用，仅靠外部防水密封处理有时还是达不到完全防水的使用需求。
发明内容
本发明的目的是利用磁敏感物理效应的基本原理，采用高灵敏度磁敏感元器件，通过机械结构将角度传感器的转动部分与电信号感应部分实现物理上的隔绝，实现根本解决角度传感器动态检测过程中包括深水使用状态下带压工作的防水问题，提高角度传感器的综合环境适用性，从而拓展角度传感器的应用场景及使用工况，大大提高了角度传感器的品质。
为实现上述目的，本发明的实施方案如下：
一种具备防水功能的角度传感器，包括：前端盖，转轴，转动轴承，磁体固定套，永磁体，轴承油封，磁敏感检测集成芯片，线路板，密封胶，输出引线，传感器后盖；非导磁材料桶帽型扣盖，固定螺栓。转轴由轴承连接按同心精度要求固定在前端盖的上开口端；在转轴下端，由磁体固定套将有固定取向永磁体同心的安装于前端盖的上仓端，随着转轴的转动，可以形成一个旋转的磁场。在转动轴承外前端放置一个密封油封，用于一定程度上保护轴承在浸水状态下能够正常的使用；将磁敏感检测集成芯片保持与旋转的磁场同心度精度要求安置焊接在电信号处理线路板模块的线路板上。
本发明核心是增加一个非导磁材料桶帽型扣盖，将以上旋转磁场完全罩住，用螺丝固定在前端盖上，然后用密封胶将周围灌满密封。焊有磁敏感检测集成芯片的线路板以一个可以感知旋转永磁体触发磁场强度的距离L固定在前端盖上。利用密封胶将线路板和输出引线完全密封，可以实现防水功能。
进一步地，所述传感器后盖可以通过前端盖圆周端增加O型密封圈实现外部机械结构的密封。
进一步地，所述前端盖采用非铁磁性材料制成，包括铝、铜、钛及合金材料。
进一步地，所述轴承为单个轴承、轴套或轴承组。
进一步地，所述电信号处理线路板模块的线路板为圆型，与高灵敏度磁敏感集成芯片的同心度精度要满足±0.001～±2mm之内。
进一步地，所述磁敏感集成芯片可以是霍尔器件、集成微处理器正交差分霍尔器件、半导体磁敏电阻(SMR)、金属各向异性磁敏电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)或隧道结巨磁电阻(TMR)、巨磁阻抗(GMI)等敏感元件。
进一步地，所述电信号处理模块的线路板上设计有微处理器(MCU)、电源处理电路、模拟量输出或数字量输出的转换电路、温度补偿电路、抗干扰与多种保护电路；通过编程利用MCU实现进行量程变换、线性度校准、温度修正、看门狗保护重启等控制功能，提高防水角度传感器的精度与可靠性。
进一步地，所述磁敏感检测集成芯片中的磁敏感元件与永磁体之间的距离L是本发明的关键参数。它的确定需要根据磁敏感元件的机械尺寸、磁性材料牌号、磁敏感元件不同的工作原理和外壳上下仓室间隔层的厚度综合确定。以磁敏感元件能够感受永磁体旋转磁场并保证测量精度为宜；范围在0.2～15mm之间。且非导磁材料桶帽型扣盖厚度要小于L，厚度范围在0.1～10mm之间。
本发明的设计利用磁敏角度传感器非接触信号感应的特点，采用产生角度转动的机构与电信号采集电路部分完全物理隔离，实现极其优异的防水性能。可以适用于深水带压极其防腐抗污的复杂恶劣的使用场合。
本发明的最大特点是将角度传感器的转动部分与电信号检出部分完全实现物理隔离，利用磁敏感元件对于磁场非接触信号感应的特点，实现角度传感器绝对防水特性，由此可以适用于高深水下带压力状态下的正常工作。实现目前最高IP68级防水等级。
本发明通过增加一个非导磁材料桶帽型扣盖，用螺丝固定在前端盖上，然后用密封胶将周围灌满密封的结构实现转动部分与电检测线路板的物理隔绝。检测圆形线路板与固定的转轴上的永磁体均定位在前端盖上，易于实现同心度控制，降低机械加工与传感器组装的难度，是一种较简易的防水处理方法。
如果整体防水角度传感器外端面作了防腐、防盐雾抗酸碱的喷漆或喷塑等方法的处理，就可以实现在极其严酷使用环境下保持长期稳定工作的优异性能。
附图说明
图1为本发明普通磁敏角度传感器结构的基础上设计的一种具备防水功能的磁敏角度传感器。
包括：前端盖1，转轴2，转动轴承3，磁体固定套4，永磁体5，轴承油封6，磁敏感检测集成芯片7，线路板8，密封胶9，输出引线10，传感器后盖11；非导磁材料桶帽型扣盖12，固定螺栓13、O型密封圈14。
具体实施方式
实施例1
本发明磁敏防水角度传感器由前端盖1，转轴2，转动轴承3，磁体固定套4，永磁体5，轴承油封6，磁敏感检测集成芯片7，电信号处理线路板模块8，密封胶9，输出引线10，传感器后盖11，非导磁材料桶帽型扣盖12，螺丝13组成。非导磁材料桶帽型扣盖12由螺丝13固定在前端盖1上，然后用密封胶9将周围灌满密封。焊有磁敏感检测集成芯片7的线路板8以一个可以感知旋转永磁体触发磁场强度的距离L固定在前端盖上。利用密封胶9将线路板和输出引线10完全密封，可以实现防水功能。传感器后盖11可以通过前端盖圆周端增加O型密封圈14实现外部机械结构的密封。同样可以实现较好的防水性能，达到IP68的防护等级。
前端盖1，可以是铝、铜、钛及合金材料。转轴2由轴承3连接同心的固定在前端盖1的上开口端。轴承3可以是单个轴承、轴套或轴承组。在转轴2下端，由磁体固定套4将具有一定方向的永磁体5同心的安装于前端盖1的上端。随着转轴的转动，可以形成一个旋转的磁场。在转动轴承前端放置一个密封油封6，用于一定程度上保护轴承在浸水状态下能够正常的使用。
将磁敏感检测集成芯片7在保持同心度精度要求安置焊接在电信号处理模块的线路板8上，线路板8一般制备成外圆为圆形形状，便于满足同心安装的技术要求，其同心度精度要满足±0.001～±2mm之内。磁敏感集成芯片7可以是霍尔器件、集成微处理器正交差分霍尔器件、半导体磁敏电阻(SMR)、金属各向异性磁敏电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)、隧道结巨磁电阻(TMR)、巨磁阻抗(GMI)等敏感元件。
电信号处理模块的线路板8上设计有微处理器(MCU)、电源处理电路、模拟量输出或数字量输出的转换电路、温度补偿电路、抗干扰与多种保护电路。通过编程利用MCU实现进行量程变换、线性度校准、温度修正、看门狗保护重启等控制功能，提高防水角度传感器的精度与可靠性。
磁敏感元件7与永磁体5之间的距离L是本发明的关键参数。它的确定需要根据永磁体5的机械尺寸、磁性材料牌号、磁敏感元件不同的工作原理和外壳上下仓室间隔层的厚度综合确定。以磁敏元件7能够感受永磁体5旋转磁场并保证测量精度为宜。一般在0.2～10mm之间。

Claims (8)

1.一种具备防水功能的角度传感器，其特征在于包括：前端盖(1)，转轴(2)，转动轴承(3)，磁体固定套(4)，永磁体(5)，轴承油封(6)，磁敏感检测集成芯片(7)，电信号处理线路板模块(8)，密封胶(9)，输出引线(10)，传感器后盖(11)，扣盖(12)，螺丝(13)；转轴(2)由轴承(3)连接同心的固定在前端盖(1)的上开口端；在转轴(2)下端，由磁体固定套(4)将永磁体(5)同心的安装于前端盖(1)的上端，随着转轴的转动，可以形成一个旋转的磁场；在转动轴承前端放置一个密封油封(6)，用于一定程度上保护轴承在浸水状态下能够正常的使用；将磁敏感检测集成芯片(7)在保持同心度精度要求安置焊接在电信号处理线路板模块(8)的线路板上；焊有磁敏感元件(7)的线路板(8)以一个可以感知旋转永磁体触发磁场强度的距离L固定在前端盖上；利用密封胶(9)将线路板和输出引线(10)完全密封，可以实现防水功能。
2.如权利要求1所述一种具备防水功能的角度传感器，其特征在于所述传感器后盖(11)通过前端盖圆周端增加O型密封圈(14)实现外部机械结构的密封。
3.如权利要求1所述一种具备防水功能的角度传感器，其特征在于非导磁材料桶帽型扣盖(12)，用螺丝固定在前端盖(1)上，然后用密封胶将周围灌满密封，桶帽型扣盖为非导磁材料制成，包括铝、铜、钛及合金材料。
4.如权利要求1所述一种具备防水功能的角度传感器，其特征在于所述轴承(3)为单个轴承、轴套或轴承组。
5.如权利要求1所述一种具备防水功能的角度传感器，其特征在于所述线路板(8)带有电信号处理模块，形状为圆型，与磁敏感检测集成芯片(7)的同心度精度要满足±0.001～±2mm之内。
6.如权利要求1或5所述一种具备防水功能的角度传感器，其特征在于所述磁敏感集成芯片(7)可以是霍尔器件、集成微处理器正交差分霍尔器件、半导体磁敏电阻(SMR)、金属各向异性磁敏电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)、隧道结巨磁电阻(TMR)或巨磁阻抗(GMI)敏感元件。
7.如权利要求1或5所述一种具备防水功能的角度传感器，其特征在于所述电信号处理模块的线路板(8)上设计有微处理器(MCU)、电源处理电路、模拟量输出或数字量输出的转换电路、温度补偿电路、抗干扰与多种保护电路；通过编程利用MCU实现进行量程变换、线性度校准、温度修正、看门狗保护重启控制功能，提高防水角度传感器的精度与可靠性。
8.如权利要求1所述一种具备防水功能的角度传感器，其特征在于所述磁敏感集成芯片(7)中的磁敏感元件与永磁体(5)之间的距离L以永磁体(5)能够感受永磁体旋转磁场并保证测量精度为宜；范围在0.2～15mm之间；且非导磁材料桶帽型扣盖厚度要小于L，厚度范围在0.1～10mm之间。
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