CN112367062A - 一种两线制4-20ma电流环输出的非接触式磁敏电位器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种两线制4‑20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，包括：带孔的电位器外壳；转动组件，包括：转动轴、与转动轴一端固定的旋钮及与转动轴另一端固定的永磁铁；所述旋钮在外力的作用下，带动所述转动轴及所述永磁铁绕旋转轴旋转；固定于所述电位器外壳的内底部的信号检测主板，所述信号检测主板上设置有传感器芯片、稳压电路及两线制4‑20MA电流环电路；所述两线制4‑20MA电流环电路用于连接所述稳压电路模块及所述传感器芯片。本发明通过两线制4‑20MA电流环电路传输标准，实现了电位器输出信号的长距离传输，且通过两根线进行信号传输，降低成本；本发明提出的电位器通过采用电磁感应方式，延长电位器的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电位器技术领域，特别是涉及一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器。
背景技术
电位器是一种可调节电阻值的电子元件，一般由一个可以转动或者滑动的机构让内部的电阻值发生线性的改变。传统电位器结构上有三个外接引脚，其中两个引脚间是一个电阻值固定不变的电阻，中间的引脚相对于那两个引脚的电阻值会随着转动或者滑动机构动作而发生变化。使用时通过在阻值不变的引脚端加一定的电压，则根据欧姆定律，从中间引脚端可以获取变化的电压，从而反应变化的程度。该特点被广泛用于各种电子电气设备中，例如灯光的亮度调节、收音机的音量调节、变频器的速度调节、电源的电压调节、执行器的开度反馈等。
但是，传统电位器在应用中存在以下问题：(1)滑动噪声，滑动噪声是电位器特有的噪声，在改变电阻值时，由于电位器电阻分配不当、转动或滑动系统的结构配合不当会使动触点在电阻体表面移动时，输出端的信号会叠加上不规则的噪声，严重时会有阶跃的抖动噪声。(2)机械寿命差异较大，电位器的机械寿命也称磨损寿命，常用机械耐久性表示。机械耐久性是指电位器在规定的试验条件下，动触点可靠运动的总次数，机械寿命与电位器的种类、结构、材料及制作工艺有关，差异相当大。(3)使用寿命较短，大部分应用中，会在电位器上施加一定的电压，从而会产生一定的电流，消耗一定的功率，如果散热不当或者接触不良，可能产生的火花会改变电位器本身的固有阻值，甚至令电位器失效。(4)信号传输距离短，由于是变阻值的原理，一般电位器的使用常应用在输出可变化电压信号的场合，当电压信号需要长距离传输时，其较低的电压和较高的内阻很容易被现场的电磁辐射所干扰，导致所表征的电压或者电阻数值出现较大偏差，达不到应有的使用要求。
现有技术中，一种非接触式电位器包括一个磁传感器和一个磁铁，磁传感器代替上述第三接线端，用于检测磁铁的相对运动和位置。通过非接触式电位器，可以有效地解决上述问题。但是现有技术中的非接触式电位器的电压型输出并不适合长距离传输、功率损耗较大且成本较高。
发明内容
本发明提供一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，解决了现有技术问题中磁敏电位器无法通过采用4-20毫安电流环进行信号传输的问题，以降低功率损耗并降低成本。
本发明一个实施例提供一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，包括：
带孔的电位器外壳；
转动组件，包括：转动轴、与转动轴一端固定的旋钮及与转动轴另一端固定的永磁铁；所述旋钮在外力的作用下，带动所述转动轴及所述永磁铁绕旋转轴旋转；
固定于所述电位器外壳的内底部的信号检测主板，所述信号检测主板上设置有传感器芯片、稳压电路及两线制4-20MA电流环电路；其中，
所述传感器芯片沿所述旋转轴方向与所述永磁铁之间相隔一定的距离，用于感应所述永磁铁绕旋转轴旋转时产生的感应信号；
所述两线制4-20MA电流环电路用于连接所述稳压电路模块及所述传感器芯片。
进一步的，其特征在于，所述信号检测主板用于非接触地检测所述永磁铁的旋转角位移，并将所述旋转角位移转换为电信号。
进一步地，所述电流环电路包括：三极管、第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第十一电阻、第一二极管；其中，
所述三极管的集电极通过第一电阻及第一二极管连接输入信号，发射极通过第三电阻连接所述第一运算放大器的反向输入端，基极通过第十一电阻连接所述信号放大器的输出端；
所述第一运算放大器的正向输入端通过第二电阻与所述传感器芯片连接。
进一步地，所述电流环电路还包括：第一电容、第二电容、第三电容、第四电阻、第五电阻、第一稳压二极管、第二二极管；其中，
所述第一运算放大器的正向输入端通过所述第二电阻及第二电容接地，所述第一运算放大器的正向输入端通过第五电阻连接信号输出端，所述三极管的基极通过第二二极管及第三电容与所述信号输出端连接，第四电阻、第一稳压二极管及第一电容分别并联于信号输出端。
进一步地，所述稳压电路模块包括：基准电压源、第二运算放大器、第八电阻；其中，
所述第二运算放大器的输出端与所述传感器芯片连接，第二运算放大器的反向输入端通过第八电阻与所述第二运算放大器的输出端连接，第二运算放大器的正向输入端与所述基准电压源连接。
进一步地，所述传感器芯片至少为两个，所述至少两个传感器的灵敏度轴彼此相互正交，且所述至少两个传感器垂直于旋转轴。
进一步地，所述传感器芯片与所述永磁铁不接触，所述传感器芯片与所述永磁铁的距离大于0.5mm且小于3mm。
进一步地，所述转动轴顶部的凸起嵌在所述旋钮的凹处内。
进一步地，所述带孔的电位器外壳包括电位器前盖及电位器后盖；所述电位器前盖与所述电位器后盖卡扣连接。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：
本发明一个实施例提供一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，包括：带孔的电位器外壳；转动组件，包括：转动轴、与转动轴一端固定的旋钮及与转动轴另一端固定的永磁铁；所述旋钮在外力的作用下，带动所述转动轴及所述永磁铁绕旋转轴旋转；固定于所述电位器外壳的内底部的信号检测主板，所述信号检测主板上设置有传感器芯片、稳压电路及两线制4-20MA电流环电路；其中，所述传感器芯片沿所述旋转轴方向与所述永磁铁之间相隔一定的距离，用于感应所述永磁铁绕旋转轴旋转时产生的感应信号；所述两线制4-20MA电流环电路用于连接所述稳压电路模块及所述传感器芯片。本发明通过两线制4-20MA电流环电路传输标准，实现了电位器输出信号的长距离传输，且通过两根线进行信号传输，降低成本；本发明提出的电位器通过采用电磁感应方式，延长电位器的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明某一实施例提供的一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器的结构示意图；
图2是本发明某一实施例提供的一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器的信号检测主板的电路图；
图3是本发明某一实施例提供的永磁铁的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
传统电位器在使用中由于触点运动和信号传输的特点，严重影响使用寿命和应用效果。因此，使用磁敏元件开发一种适合长距离传输和无触点的电位器可完全克服上述缺点。目前尽管存在一些磁敏电位器的设计，但其电压型的输出仍然不便于长距离传输，如果要采用4-20毫安电流环的长线传输工业标准时，由于功耗的原因，很难实现两线制的传输方式。本发明克服了功耗的难点，实现了磁敏和两线制电流环的完美结合，即供电和4-20毫安电流信号输出同时在两条线上实现，稳定可靠的同时又大幅降低了线路成本，非常适合应用于安装在不同距离的执行机构的开度、角度反馈，同时也兼容常规的应用。
如图1所示，本实施例提供的一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，包括：由电位器前盖4及电位器后盖8通过卡扣连接组成的带孔的电位器外壳；由转动轴2、与转动轴2一端固定的旋钮1及与转动轴2另一端固定的永磁铁5组成的转动组件，所述永磁体通过永磁体固定套3固定于转动轴2上，所述转动轴2顶部的凸起嵌在所述旋钮1的凹处内；所述旋钮1在外力的作用下，带动所述转动轴2及所述永磁铁5绕旋转轴旋转；及通过绝缘固体胶7固定于所述电位器后盖8的内底部的信号检测主板6。
旋钮1在外力的作用下，带动所述转动轴2及所述永磁铁5绕旋转轴旋转，形成旋转角位移，所述电位器由信号检测主板6非接触地检测永磁铁5的旋转角位移，并将所述旋转角位移转换为电信号。所述传感器芯片与所述永磁铁不接触，所述传感器芯片与所述永磁铁的距离大于0.5mm且小于3mm。所述传感器至少为两个，所述至少两个传感器的灵敏度轴彼此相互正交，且所述至少两个传感器芯片垂直于旋转轴。
磁敏元件感应的是永磁体的磁场垂直向量，磁铁表面与各磁敏元件表面之间的间距应根据磁敏元件的线性敏感度、永磁体的磁场强度等参数来选取，永磁体与感应芯片之间的距离在0.5mm至3.0mm之间。
所述电位器输出无触点噪声、寿命长，长距离传输信号，有效抑制工作环境下的电磁干扰。
在某一具体实施方式中，所述电位器由信号检测板非接触地检测永磁体的旋转角位移并转换为与角位移成正比的信号以标准的4-20MA输出，信号检测板由绝缘固定胶固定在电位器后盖上，永磁体固定在永磁体固定套上，电位器转轴穿过电位器轴套前盖并与永磁体固定套锁定，装配电位器转轴时应在中心孔内添加润滑剂以减少转轴与电位器基座之间的滑动摩擦。锁定后永磁体与信号检测板上的感应芯片不接触但距离小于1毫米，带齿旋钮套在电位器转轴上可带动转轴和永磁体灵活旋转，对于转动频繁的应用，应在电位器轴套处设置一个滚动轴承以延长传感器的使用寿命。电位器后盖与电位器轴套前盖通过螺纹拧紧成型后，带齿旋钮的转动就转换为永磁体的转动，而永磁体转动所引起的磁场变化可由信号检测板非接触地转换为4-20MA电流环信号；基于这一检测原理，电位器轴转动的角位移信息经由信号检测板检测并转换为与电位器轴转动角位移成正比例的电流信号通过P1输出；由于输出的是适合于长距离传输的4-20MA工业标准信号，因此电位器具备信号输出无触点噪声、寿命长、长距离传输、抗电磁干扰等优点。
如图2所示，信号检测主板上设置有传感器芯片、稳压电路及两线制4-20MA电流环电路。所述传感器芯片沿所述旋转轴方向与所述永磁铁之间相隔一定的距离，用于感应所述永磁铁绕旋转轴旋转时产生的感应信号。
所述两线制4-20MA电流环电路用于连接所述稳压电路模块及所述传感器芯片。所述电流环电路包括：三极管Q1、第一运算放大器IC1A、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第十一电阻R11、第一二极管D1；其中，所述三极管Q1的集电极通过第一电阻R1及第一二极管D1连接输入信号，发射极通过第三电阻R3连接所述第一运算放大器IC1A的反向输入端，基极通过第十一电阻R11连接所述第一信号放大器IC1A的输出端；所述第一运算放大器IC1A的正向输入端通过第二电阻R2与所述传感器芯片IC3连接。
优选地，所述电流环电路还包括：第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一稳压二极管Z1、第二二极管D2；其中，所述第一运算放大器IC1A的正向输入端通过所述第二电阻R2及第二电容C2接地，所述第一运算放大器IC1A的正向输入端通过第五电阻R5连接信号输出端P1，所述三极管Q1的基极通过第二二极管D2及第三电容C3与所述信号输出端连接P1，第四电阻R4、第一稳压二极管Z1及第一电容C1分别并联于信号输出端P1。
所述稳压电路模块包括：基准电压源IC2、第二运算放大器IC1B、第八电阻R8；其中，所述第二运算放大器IC1B的输出端与所述传感器芯片IC3连接，第二运算放大器ICIB的反向输入端通过第八电阻R8与所述第二运算放大器IC1B的输出端连接，第二运算放大器IC1A的正向输入端与所述基准电压源连接。
信号检测主板由基于霍尔元件的旋转磁性位置传感芯片IC3、双运放IC1、基准电压源IC2、三极管Q1等核心零件组成。IC1的一只运放IC1B和IC2用于产生提供给IC3工作的稳定电压；IC3内部有霍尔元件，分别放置在X、Y的左右方向2毫米处组成直径2毫米的圆形敏感区域，能够检测垂直于该敏感区域的磁场分量，感应量先经过模数转换器(ADC)转换成数字量，再运用坐标旋转数字计算方法计算出磁场矢量，通过自动增益控制(AGC)补偿温度和磁场变化后直接输出与角位移成线性的电压信号；IC1的另外一只运放IC1A和Q1组成电流环电路，实现把IC3输出的电压信号转换成4-20MA电流的输出；P1既是供电端子又是信号端子，构成两线制4-20MA电流环的接口。调节电位器时，转动带齿旋钮带动转轴与永磁体同步旋转，永磁体的转动经信号检测板上的磁性位置传感芯片IC3非接触检测并转换为与电位器轴转动角位移成正比的电压信号，该电压信号再由运放IC1A和三极管Q1组成的电流环电路转换成与电压成线性的电流输出，输出无触点噪声、寿命长，可在强电磁干扰的工业环境下长距离传输的4-20MA电流信号。
在某一具体实施方式中，如图2所示，P1是两线制电流环的接口，可以接入9V-30V范围的电压，同时反馈回4-20MA的电流信号，实现两线供电的同时获取电位器角位移的实时状态，由于是电流环标准，因此可以实现长达1000米的信号传输。D1用于在接入电压极性相反时对电路的保护；R4和IC2产生基准电压2.5V，该电压经过R7、R8、IC1B进行运算放大产生U3的供电电压Vo，Vo＝2.5*(1+R8/R7)＝2.5*(1+40K/120K)＝3.33V，该电压给磁敏感应芯片IC3供电；IC3所转换出来的电压信号与电位器转轴上磁铁的转动位移成正比，即0-3.33V之间变化时对应的角度是0度到360度，该电压通过IC1A、R2、R5、R6、R11、R3、R1、Q1所构建的电流环电路转换成4-20毫安电流输出。其中R3、R1、R11除了给Q1提供偏置电流外，与运放IC1A构成了负反馈电路，R6两端的电压Vr6＝Vi*R5/R2＝Vi*72K/120K＝0.6Vi，当输入电压Vi在0-3.33V之间变化时，Vr6在0-1.998V，R6的阻值是100欧姆，因此产生的电流是20毫安，由于整个电路的回路电流都经过R6,那么通过设计好IC3和电源部分的总电流不高于4毫安，就可以实现4-20毫安的输出了。电路图中Z1、Z2、D2起到稳压和浪涌抑制作用提高可靠性，C1-C5是滤波电容，用于平滑信号，提高转换精度。
如图3所示，永磁体是一个径向磁化的双极圆形磁铁，直径为D、厚度为H，磁性材料选稀土AlNiCo、SmCo5、NdFeB中的一种；厚度H≥2.5mm，磁敏感点分布参考圆直径D1≤直径D≤磁铁最大可旋转参考圆直径D2；圆形磁铁的中心轴线要对准磁敏感区域的参考圆的圆心安装。
Claims (9)
1.一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，其特征在于，包括：
带孔的电位器外壳；
转动组件，包括：转动轴、与转动轴一端固定的旋钮及与转动轴另一端固定的永磁铁；所述旋钮在外力的作用下，带动所述转动轴及所述永磁铁绕旋转轴旋转；
固定于所述电位器外壳的内底部的信号检测主板，所述信号检测主板上设置有传感器芯片、稳压电路及两线制4-20MA电流环电路；其中，
所述传感器芯片沿所述旋转轴方向与所述永磁铁之间相隔一定的距离，用于感应所述永磁铁绕旋转轴旋转时产生的感应信号；
所述两线制4-20MA电流环电路用于连接所述稳压电路模块及所述传感器芯片。
2.如权利要求1所述的一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，其特征在于，所述信号检测主板用于非接触地检测所述永磁铁的旋转角位移，并将所述旋转角位移转换为电信号。
3.如权利要求1所述的一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，其特征在于，所述电流环电路包括：三极管、第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第十一电阻、第一二极管；其中，
所述三极管的集电极通过第一电阻及第一二极管连接输入信号，发射极通过第三电阻连接所述第一运算放大器的反向输入端，基极通过第十一电阻连接所述信号放大器的输出端；
所述第一运算放大器的正向输入端通过第二电阻与所述传感器芯片连接。
4.如权利要求3所述的一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，其特征在于，所述电流环电路还包括：第一电容、第二电容、第三电容、第四电阻、第五电阻、第一稳压二极管、第二二极管；其中，
所述第一运算放大器的正向输入端通过所述第二电阻及第二电容接地，所述第一运算放大器的正向输入端通过第五电阻连接信号输出端，所述三极管的基极通过第二二极管及第三电容与所述信号输出端连接，第四电阻、第一稳压二极管及第一电容分别并联于信号输出端。
5.如权利要求3所述的一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，其特征在于，所述稳压电路模块包括：基准电压源、第二运算放大器、第八电阻；其中，
所述第二运算放大器的输出端与所述传感器芯片连接，第二运算放大器的反向输入端通过第八电阻与所述第二运算放大器的输出端连接，第二运算放大器的正向输入端与所述基准电压源连接。
6.如权利要求1所述的一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，其特征在于，所述传感器芯片至少为两个，所述至少两个传感器的灵敏度轴彼此相互正交，且所述至少两个传感器垂直于旋转轴。
7.如权利要求1所述的一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，其特征在于，所述传感器芯片与所述永磁铁不接触，所述传感器芯片与所述永磁铁的距离大于0.5mm且小于3mm。
8.如权利要求1所述的一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，其特征在于，所述转动轴顶部的凸起嵌在所述旋钮的凹处内。
9.如权利要求1所述的一种两线制4-20MA电流环输出的非接触式磁敏电位器，其特征在于，所述带孔的电位器外壳包括电位器前盖及电位器后盖；所述电位器前盖与所述电位器后盖卡扣连接。
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2020
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