CN116996057B - 一种接近开关传感器及检测转动位置的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁传感器技术领域，提供了一种接近开关传感器及检测转动位置的系统，包括：两块相同的永磁体，以空间中某一直线为Z轴，两块永磁体以Z轴为对称轴对称放置，但两块永磁体N、S极位置相反，且两者各自的N‑S极连线与Z轴轴线平行，以两块永磁体的连线为X轴；磁感应单元位于两块永磁体之间，用于感测不平行于Z轴轴线的磁场变化。当两块永磁体之间的磁场有不平行于Z轴轴线的分量上的变化，磁感应单元即可感测到；并以此接近开关传感器为基础，当磁性物质接近时，两块永磁体之间形成的磁场产生不平行于Z轴轴线的磁场分量的变化，磁感应单元感测到该变化，传感器的输出发生变化实现齿轮的转动位置检测。

Description

一种接近开关传感器及检测转动位置的系统

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，尤其是涉及一种接近开关传感器及检测转动位置的系统。

背景技术

现有技术采用Hall传感器，主要通过检测垂直方向磁场变化，来判别凸轮轴转动的凹凸位置。由于一般的转动部件无磁性，磁性传感器无法直接感应转动部件的运动。需要在传感器背面放置一永磁磁石，可以提供可感应的磁场信号。磁敏元件具有一定的敏感方向，可以感应磁场强度的分量。

由于磁传感器通常以桥式形式（或者Hall传感器具有一定长度的电流）实现，主要通过检测垂直方向磁场变化，因此其适用范围有限，测量灵敏度低，同时Hall传感器输出比较小，受干扰的影响比较大，抗干扰能力弱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种接近开关传感器及检测转动位置的系统，以解决了现有技术中存在的传感器测量灵敏度低的技术问题。

第一个方面，本发明实施例提供了一种接近开关传感器，所述接近开关传感器包括：两块永磁体，所述两块永磁体相同，以空间中某一直线为Z轴，所述两块永磁体以Z轴为对称轴对称放置，但所述两块永磁体N、S极位置相反，且两者各自的N-S极连线与Z轴轴线平行，以所述两块永磁体的连线为X轴；磁感应单元，所述磁感应单元位于所述两块永磁体之间，用于感测不平行于Z轴轴线的磁场变化。

进一步的，所述磁感应单元包括位于所述两块永磁体中间的两个磁敏元件，所述两个磁敏元件的连线平行于所述X轴，且关于所述Z轴对称；所述两个磁敏元件的磁敏方向相反、且磁敏方向不平行于Z轴轴线，所述两个磁敏元件构成半桥结构。

进一步的，所述磁感应单元包括四个磁敏元件，所述四个磁敏元件组成全桥结构，相邻桥臂中的所述磁敏元件的磁敏方向相反。

进一步的，所述磁敏元件包括TMR、AMR、GMR、CMR、SMR 在内的XMR磁阻传感器之中的一种。

进一步的，接近开关传感器还包括信号调理芯片，所述信号调理芯片的信号输入端与所述磁感应单元的输出端电连接。

进一步的，所述信号调理芯片的输出信号包括TTL/HTL信号、UVW信号、SIN/COS信号及数字编码信号中的一种或者多种。

进一步的，所述永磁体的材料包括铁氧体、或钕铁硼、或钐钴、或铝镍钴。

第二个方面，本发明实施例还提供了一种检测转动位置的系统，包括：如前项任一项所述的接近开关传感器，以及凸轮；所述凸轮沿Z轴方向设置于所述接近开关传感器的上方，所述凸轮的轴向线与所述Z轴及所述X轴垂直，或所述凸轮的轴向线与所述两个永磁体所在位置的连线平行，且所述凸轮绕其轴向线转动使得所述磁感应单元所在位置的X轴方向的磁场分量发生变化。

进一步的，所述凸轮为不规则形状，且至少有一个凸出部分。

进一步的，所述凸出部分的材料为软磁材料，或者在所述凸出部分的外部贴软磁材料，或者所述凸轮为软磁材料制成。

进一步的，所述软磁材料为15号钢、或45号钢、或纯铁。

本发明实施例至少具有以下技术效果：

本发明实施例提供的一种接近开关传感器，通过两块相同的永磁体之间会形成大小相等、方向相反的磁场，当两块永磁体之间的磁场有不平行于Z轴轴线的分量上的变化，磁感应单元即可感测到，因此其灵敏度较高。当磁性物质接近时，磁感应单元感测到不平行于Z轴轴线的磁场变化，磁性物质的接近程度不同，输出信号会有相应不同，以此输出信号可反映传感器所在位置的磁场梯度，根据此输出信号反推出磁性物质的位置。以此接近开关传感器为基础，实现齿轮的转动位置检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述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为本发明实施例提供的一种接近开关传感器及凸轮的位置示意图；

图2为本发明实施例提供的无外界磁性物质时接近开关传感器的XZ平面磁场分布示意图；

图3为本发明实施例提供的有外界磁性物质时接近开关传感器的XZ平面磁场分布示意图；

图4为本发明实施例提供的一种接近开关传感器及凸轮的第二种位置示意图；

图5为本发明实施例提供的第二例凸轮截面示意图；

图6为图5的凸轮旋转时接近开关传感器的输出波形图。

图标：2-凸轮；101-第一永磁体；102-第二永磁体；111-第一磁敏元件；112-第二磁敏元件；20-磁性物质。

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。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

第一个方面，请参阅图1及图2，本发明实施例提供了一种接近开关传感器，包括：两块相同的永磁体，即第一永磁体101及第二永磁体102，以空间中某一直线为Z轴，两块永磁体以Z轴为对称轴对称放置，但两块永磁体N、S极位置相反，且两者各自的N-S极连线与Z轴轴线平行，以两块永磁体的连线为X轴；磁感应单元，磁感应单元位于所述两块永磁体之间，用于感测不平行于Z轴轴线的磁场变化。

本实施例中，两块相同的永磁体之间会形成大小相等、方向相反的磁场，当两块永磁体之间的磁场有不平行于Z轴轴线的分量上的变化，磁感应单元即可感测到，因此传感器灵敏度较高。两块永磁体的形状可以是方块形、圆柱形或者凹形等。例如图1中的永磁体为圆柱形，只要能保持两块永磁体的形状一致，并且能以两块永磁体的连线的中垂线为轴形成对称分布的大小相等、方向相反的磁场即可。

可选的，磁感应单元包括两个磁敏元件，即第一磁敏元件111及第二磁敏元件112，两个磁敏元件位于两块永磁体中间，其连线平行于X轴，且关于Z轴对称；两个磁敏元件的磁敏方向相反、且磁敏方向不平行于Z轴轴线，两个磁敏元件构成半桥结构。

本实施例中，接近开关传感器主要利用磁敏元件随磁场强度变化，输出信号产生相应变化的原理。两个磁敏元件分别位于两块永磁体中间磁场大小相同、但方向相反的位置上，静态时，参考图2，两个磁敏元件的磁敏方向上的磁场分量为零，因此输出信号在静态下接近开关传感器的输出为零或者接近于零。两块永磁体中间的磁场并非是均匀磁场，两个相同的磁敏元件放置在一个强度不均匀的磁场中，参考图3，当磁性物质20接近时导致磁场分布发生变化，只要两个磁敏元件的磁敏方向不平行于Z轴轴线，两个磁敏元件的磁敏方向上的磁场分量发生变化，则由两个磁敏元件构成的半桥感测电路输出相应的信号。磁性物质的接近程度不同，输出信号会有相应不同，以此输出信号可反映传感器所在位置的磁场变化。优选的，两个磁敏元件的磁敏方向平行于两个永磁体所在位置的连线，这样当磁场分布发生变化时，两个磁敏元件的磁敏方向上磁场分量的变化最大，其感测效果最明显。

可选的，磁感应单元还可以包括四个磁敏元件甚至更多，只要将磁敏元件每两个分为一组，一组中的两个磁敏元件分别位于大小相同、方向相反的磁场中即可。如果是四个磁敏元件，也可以组成全桥输出，保证相邻桥臂中的磁敏元件的磁敏方向相反，也能使输出的变化更加明显。

可选的，磁敏元件包括TMR、AMR、GMR、CMR、SMR 在内的XMR磁阻传感器之中的一种。优选的，磁敏元件采用TMR磁阻元件，其输出信号大，抗干扰能力强。

可选的，接近开关传感器包括信号调理芯片，信号调理芯片的信号输入端与磁感应单元的输出端电连接。本实施例中，在传感器内设置信号调理芯片，通过简单的设置和调节来对传感器的失调或者输出进行校准和补偿，使得输出信号精度更高，提高传感器的灵敏度。

可选的，信号调理芯片的输出信号包括TTL/HTL信号、UVW信号、SIN/COS信号及数字编码信号中的一种或者多种。本实施例中，信号调理芯片的输出信号具有周期性，当磁性物质接近时输出信号的波形也会发生变化。

可选的，永磁体的材料包括铁氧体、或钕铁硼、或钐钴、或铝镍钴。本实施例中，不同材料的永磁体可以适应不同的环境，例如铁氧体磁铁价格低廉，钐钴比钕铁硼更适合工作在高温环境中，不同的材料对应不同的需求。

第二个方面，请参阅图1、图4至图6，本发明实施例提供了一种检测转动位置的系统，包括如前项所述的接近开关传感器，以及凸轮2；凸轮2沿Z轴方向设置于接近开关传感器的上方，如图1，凸轮2的轴向线与Z轴及X轴垂直，或，如图4，凸轮2的轴向线与两个永磁体所在位置的连线平行，且凸轮2绕其轴向线转动使得所述两个磁敏元件所在位置的X轴方向的磁场分量发生变化。

本实施例中，不论是如图1的凸轮2的轴向线与Y轴平行，或，如图4的凸轮2的轴向线与X轴平行，凸轮2在绕其轴向线的转动过程中会使得两个磁敏元件所在位置的磁场发生变化，因此接近开关传感器的输出信号产生同步变化。凸轮2引起磁场变化主要为凸轮2的凸出部分经过接近开关传感器的附近时，引起磁敏元件所在位置的磁场强度梯度的变化，在凸轮2的转动过程中这一变化是周期性发生的，同时接近开关传感器与凸轮2之间的距离也会影响信号输出的强度及精度。本发明提供的检测转动位置的系统，能够根据输出信号波形的变化，判断凸轮2的转动位置。

可以想到的是，可以在本发明提供的检测转动位置的系统中，在凸轮2的下方，多放置几个接近开关传感器，比如并排或者并列放置两到三个，甚至更多，只要凸轮2的转动能使这些接近开关传感器的输出信号产生周期性的变化即可。

可选的，凸轮2为不规则形状，且至少有一个凸出部分。本实施例中，如图1中凸轮2只有一个凸出部分，当凸轮2旋转时，接近开关传感器输出的波形会产生一次变化。将图1中一个凸出部分的凸轮2换成图5中的凸轮2，图5中凸轮2有四个不规则的凸出部分，图6是根据图5的凸轮2逆时针旋转的信号输出波形，凸轮2的A点旋转靠近接近开关传感器，对应图6中的T1时刻的信号，B点旋转靠近接近开关传感器，对应图6中的T2时刻的信号，继续旋转，到T3时刻，A点旋转靠近接近开关传感器，输出了凸轮2旋转一圈的信号波形图，通过波形图的变化即可确定凸轮2的转动位置。

可选的，凸出部分的材料为软磁材料，或者在凸出部分的外部贴软磁材料，或者凸轮为软磁材料制成。本实施例中，将凸出部分设置为软磁材料或在凸出部分的外部贴软磁材料，当凸出部分靠近接近开关传感器时，信号会产生明显变化；如果整个凸轮为软磁材料，由于凸出部分更靠近接近开关传感器，因此信号也会产生变化，后续可以通过信号调理芯片使得变化更加明显。

可选的，软磁材料为15号钢、或45号钢、或纯铁。在工作时，中高频损耗低，成本低。

本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体状况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种接近开关传感器，其特征在于，所述接近开关传感器包括：

两块永磁体，所述两块永磁体相同，以空间中某一直线为Z轴，所述两块永磁体以Z轴为对称轴对称放置，但所述两块永磁体N、S极位置相反，且两者各自的N-S极连线与Z轴轴线平行，以所述两块永磁体的连线为X轴；

磁感应单元，所述磁感应单元位于所述两块永磁体之间，用于感测不平行于Z轴轴线的磁场变化；

所述磁感应单元包括位于所述两块永磁体中间的两个磁敏元件，所述两个磁敏元件的连线平行于所述X轴、且关于所述Z轴对称；

所述两个磁敏元件的磁敏方向相反、且磁敏方向不平行于Z轴轴线，所述两个磁敏元件构成半桥结构。

2.根据权利要求1所述的接近开关传感器，其特征在于，所述磁感应单元包括四个磁敏元件，所述四个磁敏元件组成全桥结构，相邻桥臂中的所述磁敏元件的磁敏方向相反。

3.根据权利要求1所述的接近开关传感器，其特征在于，所述磁敏元件包括TMR、AMR、GMR、CMR、SMR 在内的XMR磁阻传感器之中的一种。

4.根据权利要求1所述的接近开关传感器，其特征在于，包括信号调理芯片，所述信号调理芯片的信号输入端与所述磁感应单元的输出端电连接。

5.根据权利要求4所述的接近开关传感器，其特征在于，所述信号调理芯片的输出信号包括TTL/HTL信号、UVW信号、SIN/COS信号及数字编码信号中的一种或者多种。

6.根据权利要求1所述的接近开关传感器，其特征在于，所述永磁体的材料包括铁氧体、或钕铁硼、或钐钴、或铝镍钴。

7.一种检测转动位置的系统，其特征在于，包括：权利要求1至6中任一项所述的接近开关传感器，以及凸轮；所述凸轮沿Z轴方向设置于所述接近开关传感器的上方，所述凸轮的轴向线与所述Z轴及所述X轴垂直，或所述凸轮的轴向线与所述两块永磁体所在位置的连线平行，且所述凸轮绕其轴向线转动使得所述磁感应单元所在位置的X轴方向的磁场分量发生变化。

8.根据权利要求7所述的检测转动位置的系统，其特征在于，所述凸轮为不规则形状，且至少有一个凸出部分。

9.根据权利要求8所述的检测转动位置的系统，其特征在于，所述凸出部分的材料为软磁材料，或者在所述凸出部分的外部贴软磁材料，或者所述凸轮为软磁材料制成。

10.根据权利要求9所述的检测转动位置的系统，其特征在于，所述软磁材料为15号钢、或45号钢、或纯铁。