CN116499501B - 一种磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁传感器。该磁传感器包括：导磁金属圆盘、磁感应单元以及位置计算电路。在该导磁金属圆盘的一个圆面以该圆面中心为圆心的两个/三个圆周上均匀刻画有径向刻线形成刻度环，每个刻度环上的刻度线数量不同。在以所述圆心的某个圆的半径上，且正对每个刻度环位置分别设置有对应的磁感应单元。所述磁感应单元分别向所述主表面发出磁场，并检测平行于所述主表面、且平行于导磁金属圆盘旋转切线方向的磁场分量。所述位置计算电路，根据检测每个磁感应单元输出的周期性信号之间的相位差计算出第一磁感应单元正对于所述导磁金属圆盘的位置。本发明提供的磁传感器结构简单，可靠度高，制作工艺简单，易实现小型化且成本低。

Description

一种磁传感器

技术领域

本申请涉及磁传感器技术领域或者位置检测技术领域，具体涉及一种磁传感器技术用于检测位置的传感器。

背景技术

旋转检测器主要以高精度计量圆光栅为位移基准，以光栅的莫尔条纹技术为基础，将空间角位移转换为数字信息，具有高精度、高分辨率、高智能化、无接触测量等优点，被广泛应用于国防、工业、生物工程和科技领城的精密测量和实时控制系统中。旋转检测器在闭环运动控制系统中通常被用作位置传感器，其性能参数直接影响控制系统精度、增益和稳定性。随着对自动化技术和机器人的发展，控制系统要求相应的反馈传感器（包括位置传感器）具有高精度、高分辨率以及高响应速度等特点以便能够快速、精准地输出绝对位置；同时要求反馈传感器的结构小型化。

目前市场上所使用的旋转位置传感器大致可以分为两大类：增量式位置传感器和绝对式位置传感器。绝对式位置传感器的每一个位置都拥有一个唯一的代表值（即绝对的）；增量式位置传感器的位置则由原位基准的计数脉冲累计来决定位置。增量式位置传感器则测量时读数状态要始终连续、不可间断，抗干扰能力差；并且运动控制系统每次开机都无法获知当前位置传感器所处于什么位置或角度，主要用于短时的相对位移或速度测量。绝对式位置传感器基于每个位置输出的数据码都是不同的，可以即时根据输出的数据码即时读出当前的位置。

绝对式位置传感器中根据其工作原理又可以分为：绝对式光电轴角位置传感器，游标式光栅位置传感器，绝对式矩阵轴角位置传感器，伪随机码绝对式位置传感器，M序列绝对式位置传感器等。图1为现有技术中的一种绝对式光电位置传感器单圈绝对位置读取装置。它将角度信息以刻制在旋转圆盘位置上，每个位置对应唯一的二进制或其它进制编码。该绝对式光电位置传感器在不同位置输出的数值为该位置所处的角度信息（或输出数值与所对角度具有单值转换关系）。显然，该绝对式光电位置传感器制造工艺和装设复杂，且由于位数对应于其圈数，位数越高对应的尺寸越大，不易实现小型化。游标式光栅位置传感器基于光栅干涉原理进行位置测量，其测量精度越高则光栅的制作工艺以及光源的性能要求越高，且光栅的透光性容易受到灰尘、光线的影响，导致测量不准。

发明内容

为了解决现有技术中旋转位置传感器存在的上述不足，本发明结合磁传感器技术提供一种实现体积小、抗干扰能力强，且制作工艺简单，响应速度高、精度高的旋转位置传感器。

本发明提供的技术方案具体实现为一种磁传感器。所述磁传感器包括：导磁金属圆盘、磁感应单元以及位置计算电路。

所述导磁金属圆盘的一个圆面作为主表面，在所述主表面以导磁金属圆盘中心为圆心、第一圆周上刻画第一刻度环、第二圆周上刻画第二刻度环，所述第一刻度环位于所述第二刻度环靠近圆心的内侧。所述第一刻度环包括均分第一圆周的K条径向刻线，所述第二刻度环包括均分第二圆周的K-1条径向刻线，K优选为 2 幂次方数。在靠近所述导磁金属圆盘的主表面一侧，与所述第一刻度环相对的位置设置有第一磁感应单元、与第二刻度环相对的位置设置第二磁感应单元，第一、第二磁感应单元在导磁金属圆盘主表面的投影均位于所述第二圆周的一条半径上。所述第一、第二磁感应单元分别向所述主表面发出磁场，并检测平行于所述主表面、且平行于导磁金属圆盘旋转切线方向的磁场分量。

所述位置计算电路，根据检测第一、第二磁感应单元输出的周期性信号，计算并输出第一磁感应单元正对所述导磁金属圆盘位置的位置信息。

进一步地，在所述导磁金属圆盘的主表面以导磁金属圆盘中心为圆心、第三圆周上刻画有第三刻度环，所述第三刻度环位于第一刻度环内侧。所述第三刻度环包括均分第三圆周的条径向刻线，/>；其中、D为磁传感器输出的位置信息中、为由第三刻度环与第一刻度环之间相位差得到的第二子信息预留的二进制位数，U为磁传感器输出的位置信息中、为由第二刻度环与第一刻度环之间相位差得到第一子信息预留的位数。在所述上与第三刻度环相对的位置上还设置有第三磁感应单元，所述第一、第二、第三磁感应单元在导磁金属圆盘主表面的投影均位于第二圆周的一条半径上；所述第三磁感应单元向所述主表面发出磁场，并检测平行于所述主表面、且平行于导磁金属圆盘旋转切线方向的磁场分量。

所述位置计算电路，基于第一、第二、第三磁感应单元输出的周期性信号，计算并输出第一磁感应单元正对所述导磁金属圆盘位置的位置信息。

进一步地，所述磁感应单元包括磁阻单元或霍尔传感器，以及设置所述磁阻单元或霍尔传感器底部的背磁，磁阻单元或霍尔传感器正面靠近导磁金属圆盘主表面。所述背磁为N-S极连线垂直于所述主表面的永磁体，所述磁阻单元/霍尔传感器的灵敏方向相同，均平行/反平行于所述导磁金属圆盘旋转的切线。优选地，所述磁阻单元为包括AMR 、TMR在内的任一种XMR。

进一步地，所述位置计算电路输出的位置信息包括第一子信息和第二子信息。所述位置计算电路基于第一、第二磁感应单元输出的周期性信号的相位差计算并输出所述位置信息中的第一子信息；基于第一、第三磁感应单元输出的周期性信号的相位差计算并输出所述位置信息中的第二子信息部。

本发明将游标卡尺测量原理创造性与磁传感器测量技术结合，科学地提出一种绝对式位置传感器。该绝对式位置传感器具有结构简单，易装调，可靠度高，制作工艺简单、易于实现小型化且成本低的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍， 应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为现有的一种绝对式光电位置信息器示意图。

图2为本发明一个实施例中导磁金属圆盘的示意图。

图3为本发明另一个实施例中导磁金属圆盘的示意图。

图4为对应图3所示导磁金属圆盘的位置计算电路的结构框图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。

本发明一个实施例提供了一种磁传感器包括：导磁金属圆盘、磁感应单元以及位置计算电路。其中，导磁金属圆盘结构如图2所示，所述导磁金属圆盘的一个圆面作为主表面，在所述主表面以导磁金属圆盘中心为圆心、第一圆周上刻画第一刻度环H1、第二圆周上刻画第二刻度环H2，所述第一刻度环H1位于所述第二刻度环H2靠近圆心的内侧。所述第一刻度环H1包括均分第一圆周的K条径向刻线，所述第二刻度环H2包括均分第二圆周的K-1条径向刻线。优选地，K为 2 幂次方数。

在靠近所述导磁金属圆盘的主表面一侧，与所述第一刻度环H1相对的位置设置有第一磁感应单元、与第二刻度环H2相对的位置设置第二磁感应单元，第一、第二磁感应单元在导磁金属圆盘主表面的投影均位于所述第二圆周的一条半径上（图2中未示出）。所述第一、第二磁感应单元分别向所述主表面发出磁场，并检测平行于所述主表面、且平行于导磁金属圆盘旋转切线方向的磁场分量。

在该实施例中，所述磁感应单元包括磁阻单元或霍尔传感器，以及设置所述磁阻单元或霍尔传感器底部的背磁。所述背磁为N-S极连线垂直于所述主表面的永磁体，磁阻单元或霍尔传感器正面靠近导磁金属圆盘主表面。所有磁感应单元的磁阻单元/霍尔传感器的灵敏方向相同，均平行/反平行于所述导磁金属圆盘旋转的切线。所述磁阻单元为包括AMR 、TMR在内的任一种XMR。

由于每个磁感应单元所发出的磁场（主要是平行于导磁金属圆盘旋转切线方向的磁场分量）均受到其与对应的码道径向刻线相对位置的影响。第一刻度环H1对应的磁感应单元输出信号与第二刻度环H2对应的磁感应单元的输出信号之间的相位差，与磁感应单元正对导磁金属圆盘的位置是一一对应的。因此，可以设置所述位置计算电路，根据检测第一、第二磁感应单元输出的周期性信号，计算并输出第一磁感应单元正对所述导磁金属圆盘位置的位置信息。

为了提高位置传感器的分辨率，通常会使用三个刻度环进行位置测量。在图3所示的本发明的另一个实施例中，除了在图2所示实施例中第一刻度环H1和第二刻度环H2基础上，在所述导磁金属圆盘的主表面以导磁金属圆盘中心为圆心、第三圆周上刻画有第三刻度环H3。所述第三刻度环H3位于第一刻度环H1内侧，包括均分第三圆周的条径向刻线，/>；其中、D为磁传感器输出的位置信息中、为由第三刻度环H3与第一刻度环H1之间相位差得到的第二子信息预留的二进制位数，U为磁传感器输出的位置信息中、为由第二刻度环H2与第一刻度环H1之间相位差得到第一子信息预留的二进制位数。

相应地，在与第三刻度环相对的位置上还设置有第三磁感应单元，所述第一、第二、第三磁感应单元在导磁金属圆盘主表面的投影均位于第二圆周的一条半径上。同样的，所述第三磁感应单元向所述主表面发出磁场，并检测平行于所述主表面、且平行于导磁金属圆盘旋转切线方向的磁场分量。

如图4所示，所述位置计算电路输出的位置信息包括第一子信息和第二子信息。所述位置计算电路基于第一磁感应单元XMR1、第二磁感应单元XMR2输出的周期性信号的相位差计算并输出所述位置信息中的第一子信息；基于第一磁感应单元XMR1、第三磁感应单元XMR3输出的周期性信号的相位差计算并输出所述位置信息中的第二子信息部。如图4所示，位置计算电路的主要功能包括对三个磁感应单元XMR1-XMR3输出的信号进行放大，然后对放大后的信号进行幅度、相位以及偏置（Offset）进行调节；然后基于三个磁感应单元XMR1-XMR3输出的三个正弦信号的相移，通过插补细分计算出绝对角度的位置，最后输出位置的串行数据（位置信息数据）。

在图3、图4所示的实施例中，第一刻度环H1决定了细分分辨率和反馈数据的精度，第二刻度环H2和第三刻度环H3产生的信号用来决定当前相移量。对应第二刻度环H2、第三刻度环H3对应的位置信息中的数据位长度分别为 U、D，则第一刻度环H1的刻线数K、第二刻度环H2的刻线数K-1、第三刻度环H3的刻线数DN，其关系如下：

；

。

为了更好适配位置传感器输出分辨率，第一刻度环H1的刻线数通常满足 2 幂次方数，如256、512、 1024 等。在第一刻度环H1的刻线数K增大的同时，意味着第二刻度环H2的刻线数K-1、第三刻度环H3的刻线数DN也需要增大，导致第一刻度环H1与第三刻度环H3的相邻刻线相位差更小。因为第一刻度环H1、第二刻度环H2的刻线数相差 1，第二刻度环H2与第一刻度环H1的相位差在整个位置传感器距离内是唯一确定的；第三刻度环H3对第一刻度环H1的相位差在整个位置传感器距商内是周期性交化的。通过第三刻度H3环对第一刻度环H1的周期性相位差得到第二位置子信息，再结合第二刻度环H2和第一刻度环H1的相位差得到第一位置子信息，将第一位置子信息和第二位置子信息组合成当前准确位置信息。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种磁传感器，其特征在于，所述磁传感器包括导磁金属圆盘、磁感应单元以及位置计算电路；

所述导磁金属圆盘的一个圆面作为主表面，在所述主表面以导磁金属圆盘中心为圆心、第一圆周上刻画第一刻度环、第二圆周上刻画第二刻度环，所述第一刻度环位于所述第二刻度环靠近圆心的内侧；所述第一刻度环包括均分第一圆周的K条径向刻线，所述第二刻度环包括均分第二圆周的K-1条径向刻线，K为2的幂次方数；

在正对所述主表面一侧，与所述第一刻度环相对的位置设置有第一磁感应单元、与第二刻度环相对的位置设置第二磁感应单元，所述第一、第二磁感应单元在所述主表面的投影均位于所述第二圆周的一条半径上；所述第一、第二磁感应单元分别向所述主表面发出磁场，并检测平行于所述主表面、且平行于导磁金属圆盘旋转切线方向的磁场分量；

所述第一、第二磁感应单元均包括：磁阻单元或霍尔传感器，以及设置所述磁阻单元或霍尔传感器底部的背磁；所述磁阻单元或霍尔传感器正面靠近导磁金属圆盘主表面，所述背磁为N-S极连线垂直于所述主表面的永磁体；所述磁阻单元/霍尔传感器的灵敏方向相同，均平行/反平行于所述导磁金属圆盘旋转的切线；

所述位置计算电路，根据检测第一、第二磁感应单元输出的周期性信号，计算并输出第一磁感应单元正对所述导磁金属圆盘位置的位置信息。

2.如权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述位置计算电路，根据同一时刻检测到的第一、第二磁感应单元输出的周期性信号之间相位差计算出第一磁感应单元正对所述导磁金属圆盘位置的位置信息。

3.如权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，在所述主表面以导磁金属圆盘中心为圆心、第三圆周上刻画有第三刻度环，所述第三刻度环位于第一刻度环内侧；

在正对所述主表面一侧、与第三刻度环相对的位置上还设置有第三磁感应单元，所述第一、第二、第三磁感应单元在导磁金属圆盘主表面的投影均位于第二圆周的一条半径上；所述第三磁感应单元向所述主表面发出磁场，并检测平行于所述主表面、平行于导磁金属圆盘旋转切线方向的磁场分量；

所述第三刻度环包括均分第三圆周的 条径向刻线，/>；其中、U为磁传感器输出的位置信息中，为所述位置计算电路基于第一、第二磁感应单元输出的周期性信号的相位差计算得到的第一子信息预留的二进制位数；D为磁传感器输出的位置信息中、为所述位置计算电路基于第一、第三磁感应单元输出的周期性信号的相位差计算得到的第二子信息预留的二进制位数。

4.如权利要求1-3中任一种所述的磁传感器，其特征在于，所述磁阻单元为包括AMR 、TMR在内的任一种XMR。