CN115325919A - 一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统及检测方法，属于直线位移检测领域。系统包括阅读器和磁源部件；阅读器包括多层立体叠放的PCB板及设置在PCB板上的线性霍尔元件阵列；磁源部件设有若干段，每一段均包括壳体及设于壳体内部的多个呈直线间隔布置的圆柱体永磁体，每个永磁体的放置角度为0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°中的任意一种，多个永磁体的间隔距离依某一预设值等距或以其倍数放大设置。本发明通过对阅读器内部线性霍尔元件进行阵列布置，及对磁源部件进行特定编码，使阅读器能够通过检测到的不同的磁感应强度来检测位移，进而使测量范围由二维空间变为立体空间，扩大了位置检测范围。

Description

一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及直线位移检测领域，包括机械制造、石油、交通、冶金、水利水电、大专院校等各个应用领域，具体涉及一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统及检测方法。

背景技术

直线位移传感器在机械制造行业、工业生产行业、交通应用等应用比较广泛，应用于测量产品尺寸和机械运动位移的测量……直线位移传感器在工业生产中应用非常广泛，小车、行车、行吊等等这些都需要一种可靠的直线位移传感器来实现安全生产和自动化控制的要求；生产基础设施轨道时，应用直线位移传感器，为行车控制高精度、控制过程的自动化提供了可能。在轨道列车运行的过程中，用直线位移传感器可以精确定位列车的停靠点。

目前直线位移检测领域有以下各种技术：

(1)磁栅式直线位移传感器

磁栅式传感器利用磁栅与磁头的磁作用进行测量的位移传感器。它是一种新型的数字式传感器，成本较低且便于安装和使用。但是磁栅与磁头的间隙需要小于1mm；

(2)容栅式直线位移传感器

容栅传感器是一种基于变面积工作原理，可测量大位移的电容式数字传感器。它与其它数字式位移传感器，如光栅、感应同步器等相比，具有体积小、结构简单、分辨率和准确度高、测量速度快、功耗小、成本低、对使用环境要求不高等突出的特点，因此在电子测量技术中占有十分重要的地位。但是动栅与定栅间隙需要小于0.5mm；

(3)绝对线性编码器

绝对线性编码器由感应标尺、阅读器这两个部分组成，感应标尺为多段式拼接，内部装有永磁体并具有一定的编码排置，阅读器和感应标尺之间做平行运动，阅读器与感应标尺安装间隙需要控制在25-55mm之间。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统及检测方法，属于一种阵列式磁感应传感器，采用一种新技术实现高间隙的直线位移检测。本发明具有安装方便、高稳定性、高可靠性、使用寿命长、结构精巧、环境适应性强等特点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统，包括阅读器和磁源部件；

所述磁源部件为多段拼接式结构，并且与阅读器平行设置；

所述阅读器包括多层立体叠放的PCB板及设置在PCB板上的线性霍尔元件阵列。

作为上述方案的优选，所述PCB板设置有三层，每一层PCB板上的线性霍尔元件均呈矩阵排列分布，阵列数为奇数行乘以2的幂次方列。

作为上述方案的优选，每层线性霍尔元件之间的间距相等，相邻两层霍尔元件的列与列之间相互错开Z毫米，Z为6的倍数。

作为上述方案的优选，所述阅读器还包括外壳，包裹在PCB板和线性霍尔元件外侧，外壳上设有防水插头及出线端。

作为上述方案的优选，所述磁源部件设有若干段，每一段均包括壳体及设于壳体内部的多个呈直线间隔布置的圆柱体永磁体。

作为上述方案的优选，每个永磁体的放置角度为0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°中的任意一种。

作为上述方案的优选，多个永磁体的间隔距离依某一预设值等距或以其倍数放大设置。

一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统的检测方法，包括以下步骤：

S1、将阅读器安装在移动车上，磁源部件安装在移动车侧面的固定位置上，阅读器随着移动车一起相对于磁源部件做平行运动，并与磁源部件发生霍尔效应；

S2、获取运动过程中磁源部件的每个单磁源与霍尔阵列中不同位置的霍尔元件发生霍尔效应所产生的实时感应电动势；

S3、根据测得的实时感应电动势计算位移量。

作为上述方案的优选，根椐以下公式(1)、(2)计算感应电动势

B(x)＝Bo*L*L/[(2x+L)*(2x+L)] (1)

E_H＝KB(x)Icosθ (2)

式中，B(x)为阅读器检测到的磁感应强度，Bo为永磁体的表磁，可通过高斯计测量得到；L为圆柱体磁铁高度，为已知；x为圆柱体永磁铁中心到霍尔元件中心的距离；E_H为霍尔效应感应电动势；K为霍尔器件的灵敏度，为常数；I为霍尔元件的工作电流；θ为磁源所形成的磁场与霍尔元件产生的夹角；

根据以下公式(3)计算位移量

X＝A*E_H (3)

式中，X为位移量，A为相邻线性霍尔元件之间的间距。

作为上述方案的优选，计算位移时，采用五点平均法求得位移量，并取三层相对应的霍尔元件所测得位移量的平均值为最终位移结果。

由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：

本申请的位置检测系统，由磁源部件与阅读器组成，它们之间的工作间隙可以从几毫米到几百毫米，适应对物体位置与传感器在高间隙下地方使用。本发明克服了大量位移传感器产品因阅读器与感应器垂直高度限制，量程限制等不足。通过对阅读器三维设置，对磁源部件进行特定编码，再以拼接安装的方式及结构创新，使得应用测量行程可以扩展到百米级，产品应用领域将更加广泛。具体地讲具备以下优势：

1、非接触式测量，使用寿命长，稳定性高，可靠性高；

2、结构形式可以多样化，使得测量范围广泛，安装与维修方便，且外观紧凑、精巧；

3、磁源部件与阅读器之间的间隙适应性强，应用场景非常广泛；

4、抗干扰能力强，不受各种电磁干扰的影响；

5、能够实现移动槽的绝对位置定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明位置检测系统的立体结构示意图；

图2为本发明位置检测系统的剖视图；

图3为本发明位置检测系统的内部结构示意图；

图4为本发明磁源体垂直角度磁感线分布图；

图5为本发明的各个霍尔元件矩阵排列的电压值的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。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。

如图1至图3所示，本实施例提供一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统，包括阅读器11和磁源部件1；所述磁源部件1为多段拼接式结构，并且与阅读器11平行设置；所述阅读器11包括多层立体叠放的PCB板及设置在PCB板上的线性霍尔元件阵列。

在本实施例中，所述PCB板设置有三层，每一层PCB板上的线性霍尔元件均呈矩阵排列分布，阵列数为奇数行×2ⁿ列(n为自然数)，即：第一层霍尔元件2阵列数为奇数排×2ⁿ列(n为自然数)分布在第一层PCB板5上，第二层霍尔元件3阵列数为奇数排×2ⁿ列(n为自然数)分布在第二层PCB板6上，第三层霍尔元件4阵列数为奇数排×2ⁿ列(n为自然数)分布在第三层PCB板7上。线性霍尔元阵列标记为第一层霍尔阵列[a1，a2，a3..an-1，an]、第二层霍尔阵列[b1，b2，b3..bn-1，bn]、第三层霍尔阵列[c1，c2，c3..cn-1，cn]。

在本实施例中，每层线性霍尔元件之间的间距相等，相邻两层霍尔元件的列与列之间相互错开Z毫米，Z为6的倍数。

在本实施例中，所述阅读器11还包括外壳8，包裹在PCB板和线性霍尔元件外侧，外壳8上设有防水插头9及出线端10。

在本实施例中，所述磁源部件1设有若干段，每一段均包括壳体及设于壳体内部的多个呈直线间隔布置的圆柱体永磁体。

在本实施例中，所述磁源部件1可进行特定编码，编码的方法是：a：根据磁体的极性，每个永磁体分布的角度是0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°中的任意一种。b：根据磁体间的距离，多个永磁体的间隔距离依某一预设值(如5.5毫米)等距或以其倍数放大设置，即永磁体间的最小距离为D_min毫米，最大距离为D_max毫米，磁体间以1个长度为U_len(标准间距)的整数倍布局。

上述结构的工作原理：

位置测定原理是通过磁源编码阵列和霍尔编码阵列协调工作，霍尔编码阵列叫作“阅读器”，磁源编码阵列叫作“感应标尺”。当霍尔元件保持一定间隙沿磁源所构成的固定轨道的表面移动时，单个磁源(磁源角度随机)与“阅读器”中不同位置的霍尔元件发生霍尔效应所产生的感应电动势是不同的(圆柱体永磁铁中心到霍尔元件中心的距离x越小，感应电动势越大)；由于磁源编码阵列中每个磁源都是按照一定角度放置的，即不同角度的磁源所形成的磁场都会与“阅读器”中的霍尔元件产生一个夹角θ，并且霍尔元件的位置不同，夹角θ也不同，而产生感应电动势的条件是磁场方向与电流方向正交，所以感应电动势E_H＝KB(x)Icosθ。那么“感应标尺”中不同角度的磁源与同一“阅读器”发生霍尔效应所产生的感应电动势是不同的，不同位置的霍尔元件所产生的感应电动势也是不同的，如此便可根据感应电动势计算出位移量，进而进行位置标定。

基于上述结构，本实施例还提供一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统的检测方法，包括以下步骤：

S1、将阅读器安装在移动车上，磁源部件安装在移动车侧面的固定位置上(例如地面、固定的支架上)，随着移动车一起按照固定轨道移动，与轨道上的磁源部件发生霍尔效应；

S2、获取运动过程中磁源部件的每个单磁源与霍尔阵列中不同位置的霍尔元件发生霍尔效应所产生的实时感应电动势；

在阅读器工作前，要对阅读器霍尔阵列(以每层PCB板上阵列3×8霍尔元件为例，第一层霍尔阵列[a1，a2，a3..an-1，a24]、第二层霍尔阵列[b1，b2，b3..bn-1，b24]、第三层霍尔阵列[c1，c2，c3..cn-1，c24])进行一次无磁化归零保存，使得霍尔阵列数据全部为归零；

在运动过程中阅读器根椐以下公式(1)、(2)计算实时感应电动势

B(x)＝Bo*L*L/[(2x+L)*(2x+L)] (1)

E_H＝KB(x)Icosθ (2)

式中，B(x)为阅读器检测到的磁感应强度，Bo为永磁体的表磁，可通过高斯计测量得到；L为圆柱体磁铁高度，为已知；x为圆柱体永磁铁中心到霍尔元件中心的距离；E_H为霍尔效应感应电动势；K为霍尔器件的灵敏度，是常数；I是霍尔元件的工作电流；θ为磁源所形成的磁场与霍尔元件产生的夹角；

S3、根据测得的实时感应电动势计算位移量；

具体根据以下公式(3)计算位移量

X＝A*E_H (3)

式中，X为位移量，A为相邻线性霍尔元件之间的间距。

在本实施例中，计算位移时，每一层采用五点平均法求得位移量，并取三层相对应的霍尔元件所测得位移量的平均值为最终位移结果。

通过霍尔阵列可以得到一个磁感应电压二维平面列表数据，如图5所示，得出各个霍尔元件之间的电压分布如下：E_H[a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9，a10，a11，a12，a13，a14，a15，a16，a17，a18，a19，a20，a21，a22，a23，a24]＝[-1，2，3，5，6，7，10，12，13，14，16，15，12，13，11，7，7，5，4，2，2，2，2，-1]；E_H[b1，b2，b3，b4，b5，b6，b7，b8，b9，b10，b11，b12，b13，b14，b15，b16，b17，b18，b19，b20，b21，b22，b23，b24]＝[0，1，2，5，6，7，8，11，11，13，14，15，14，11，13，11，8，7，4，3，2，3，0，2]；E_H[c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7，c8，c9，c10，c11，c12，c13，c14，c15，c16，c17，c18，c19，c20，c21，c22，c23，c24]＝[0，1，2，4，5，7，8，11，11，12，13，14，13，10，11，11，6，6，3，3，1，2，0，1]；从图形进行分析可以看出阅读器的第a11号霍尔元件具有明显峰值E_H最高特征，则取每一层霍尔阵列的第11号左右各2列，建立三个新的列表

E_H[a9，a10，a11，a12，a13]；

E_H[b9，b10，b11，b12，b13]；

E_H[c9，c10，c11，c12，c13]；

计算如下展开

X1＝A*(E_H[a9]+E_H[a10]+E_H[a11]+E_H[a12]+E_H[a13])/5；

X2＝B*(E_H[b9]+E_H[b10]+E_H[b11]+E_H[b12]+E_H[b13])/5；

X3＝C*(E_H[c9]+E_H[c10]+E_H[c11]+E_H[c12]+E_H[c13])/5；

式中，A为a1与a2之间的距离，B为b1与b2之间的距离，C为c1与c2之间的距离，A＝B＝C，假如A B C是已知数10mm，得到的X1、X2、X3在次累加得到X，X＝X1+X2+X3；在将X/3就得到了最终位移结果，结果多次差分计算其解悉精度可达到1mm。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统，其特征在于：包括阅读器和磁源部件；

所述磁源部件为多段拼接式结构，并且与阅读器平行设置；

所述阅读器包括多层立体叠放的PCB板及设置在PCB板上的线性霍尔元件阵列。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统，其特征在于：所述PCB板设置有三层，每一层PCB板上的线性霍尔元件均呈矩阵排列分布，阵列数为奇数行乘以2的幂次方列。

3.根据权利要求2所述的一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统，其特征在于：每层线性霍尔元件之间的间距相等，相邻两层霍尔元件的列与列之间相互错开Z毫米，Z为6的倍数。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统，其特征在于：所述阅读器还包括外壳，包裹在PCB板和线性霍尔元件外侧，外壳上设有防水插头及出线端。

5.根据权利要求1所述的一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统，其特征在于：所述磁源部件设有若干段，每一段均包括壳体及设于壳体内部的多个呈直线间隔布置的圆柱体永磁体。

6.根据权利要求5所述的一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统，其特征在于：每个永磁体的放置角度为0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°中的任意一种。

7.根据权利要求5所述的一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统，其特征在于：多个永磁体的间隔距离依某一预设值等距或以其倍数放大设置。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、将阅读器安装在移动车上，磁源部件安装在移动车侧面的固定位置上，阅读器随着移动车一起相对于磁源部件做平行运动，并与磁源部件发生霍尔效应；

S2、获取运动过程中磁源部件的每个单磁源与霍尔阵列中不同位置的霍尔元件发生霍尔效应所产生的实时感应电动势；

S3、根据测得的实时感应电动势计算位移量。

9.根据权利要求8所述的一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统的检测方法，其特征在于：根椐以下公式(1)、(2)计算感应电动势

B(x)＝Bo*L*L/[(2x+L)*(2x+L)] (1)

E_H＝KB(x)Icosθ (2)

式中，B(x)为阅读器检测到的磁感应强度，Bo为永磁体的表磁，可通过高斯计测量得到；L为圆柱体磁铁高度，为已知；x为圆柱体永磁铁中心到霍尔元件中心的距离；E_H为霍尔效应感应电动势；K为霍尔器件的灵敏度，为常数；I为霍尔元件的工作电流；θ为磁源所形成的磁场与霍尔元件产生的夹角；

根据以下公式(3)计算位移量

X＝A*E_H (3)

式中，X为位移量，A为相邻线性霍尔元件之间的间距。

10.根据权利要求8所述的一种基于三维霍尔阵列的位置检测系统的检测方法，其特征在于：计算位移时，采用五点平均法求得位移量，并取三层相对应的霍尔元件所测得位移量的平均值为最终位移结果。

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