CN1695037A - 磁性位移测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁性位移测量装置，该装置包括尺身和游标，在尺身上固定主尺，游标上固定副尺；所述的副尺上包括磁性传感器和测量电路，所述的磁性传感器由磁敏电阻构成；所述的测量电路包括至少两个由磁敏电阻构成的测量电桥；游标移动的距离经磁性传感器检测和由测量电路处理后显示在装置的显示屏上；本发明既能在潮湿和油污环境下正常工作，又具有结构简单、制造方便、价格便宜、功耗低、精度高的特点。

Description

磁性位移测量装置 技术领域
本发明涉及一种用于长度和角度测量的磁性测量装置， 特别是指一种电 子数显卡尺的磁性测量装置。 背景技术
传统的机械式游标卡尺逐渐被电子数字显示卡尺代替。 目前使用最广泛 的电子数显卡尺采用电容式位移传感器， 传感器的输出与主尺和副尺上电容 器极板的相对位置有关， 经电子电路的处理， 在显示屏上显示相对的位置数 据。 这种原理的电子数显卡尺的描述可以参照 SE7714010 和欧洲专利 EP0053091 o 尽管这种原理的电子数显卡尺有较高的精度和较低的功耗， 但 是对使用的环境有一定的要求， 在潮湿的环境中或有润滑油和灰尘等的环境 中， 卡尺就会工作不正常， 而在实际的工作中又难以避免这种环境， 所以影 响了这种电子数显卡尺的使用范围。
利用磁性位移传感器来测量位移是解决电子数显卡尺在潮湿的环境中， 有润滑油和灰尘等环境中能正常工作的一种方法。磁性位移测量方法在美国 专利 US4,226,024、 US4,612,502、 US5，174,041中已有介绍，但是它们的结构 复杂， 功耗大， 精度低不适宜作为便携式的测量工具。 在中国专利申请 CN1254412A中介绍了一种磁性便携式电子数显卡尺， 它采用的磁性位移传 感器的结构如图 3所示，尺身 101上设主尺 103，在主尺表面有塑料薄膜 134; 主尺 103采用磁性材料做基材， 沿移动方向等距离磁化， 形成栅型磁极， 这 样在主尺 103表面的磁场强度以栅距 λ为周期地变化， 在与主尺 103相对位 置的游标上固定有基材 141， 在基材 141上设磁敏电阻 142， 所述的磁敏电 阻 142检测主尺 103表面的磁场强度大小， 可以实现位置的测量。 由于主尺 103磁化强度受栅距小的限制不容易做得较高， 磁化强度随温度和时间会发 生变化， 而且容易受外界磁场的磁化， 从而影响测量精度和可靠性。 它采用 的磁敏电阻 142是单层薄膜的形式， 所以它的电阻变化率小， 这对测量电路 提出了较高的要求， 另外检测电阻变化的电桥为直流电桥， 根据电桥输出的 幅度的大小来计算位移量， 这种方法容易受外界的电子干扰和受环境变化引 起漂移， 最终对测量的精度带来影响。 发明的公开
本发明的目的是为了提供一种既能在潮湿和油污环境下正常工作， 又具 有结构简单、 制造方便、 价格便宜、 功耗低、 精度高的磁性位移测量装置。
本发明的目的可通过如下措施来实现：
一种磁性位移测量装置， 包括相对的移动的尺身和游标； 在尺身上固定 磁性主尺， 游标上固定副尺， 副尺上包括磁性传感器和测量电路， 所述的测 量电路将移动距离的信号与输出装置相连， 其中：
所述的磁性主尺成栅型， 其栅条沿移动方向等距离呈间隔排列， 栅距为 λ。
所述的磁性传感器由磁敏电阻构成， 与磁性主尺正对， 且沿移动方向排 列。
所述的测量电路包括至少两个测量电桥， 所述的测量电桥由磁敏电阻构 成， 电桥的输出与位移有函数关系。
所述的磁性主尺是在非磁性材料衬底上设磁性栅条呈间隔排列， 栅距为 λ。
所述的磁性传感器的磁敏电阻由至少一层磁性薄膜和非磁性薄膜间隔 排列而成。
所述的磁敏电阻的磁性薄膜选自金属薄膜、合金薄膜或半导体薄膜中的 一种。
所述的至少两个测量电桥与交流电源电连接， 且与两个测量电桥相连的 交流电源的相位相差 π /2。
所述的磁性主尺是在非磁性材料衬底上设磁性栅条呈间隔排列， 栅距为 λ； 所述的磁性传感器的磁敏电阻由至少一层磁性薄膜和非磁性薄膜间隔排 列而成； 所述的至少两个测量电桥与交流电源电连接， 且与两个测量电桥相 连的交流信号的相位相差 II。
所述的两个测量电桥的相同臂的磁敏电阻的位置相差 ηλ/4，式中 η=1、3、 5、 7 。
另在位置超前 ηλ/4的测量电桥与相位落后31 /2的交流信号相连， 式中 n= 3、 5、 7……； 位置落后 η λ /4的测量电桥与相位超前 π /2的交流信号 相连， 式中 η=1、 3、 5、 7 ······。
所述的测量电桥由至少两个磁敏电阻组成， 其中电桥的至少一相邻的两 个电阻为磁敏电阻， 且其位置相差 η λ /2， η=Κ 3、 5、 7......。
所述的测量电桥中相对的两个磁敏电阻的位置相差 mA， 其中 m=0、 1、 2、 3……。
所述的测量电桥的每一桥臂上的磁敏电阻由位于不同位置、数目相同的 磁敏电阻串联组成， 其位置相差 ηι λ， 其中 m=0、 1、 2、 3……。
所述的磁敏电阻的宽度小于 λ /2， 每个磁敏电阻由相同数目、 相同宽度 的磁敏电阻串联而成， 其总宽度小于入/2。
所述的两个测量电桥的输出信号相加后经模数变换成数字信号与输出 装置相连。
所述的磁性主尺是在非磁性材料衬底上镀膜蚀刻形成磁性栅条， 或在非 磁性材料衬底上镶嵌磁性栅条， 其栅距为人。
所述的磁性主尺是在磁性材料表面制成栅型凹凸条， 其栅距为人。 附图的简要说明
图 1是本发明的电子数显卡尺的分解视图
图 2a是本发明采用的磁性传感器的结构图
图 2b是图 2a的 A-A剖视图
图 3是公知的磁性传感器的结构图
图 4是本发明主尺的实施例 1
图 5是本发明主尺的实施例 2
图 6是本发明主尺的实施例 3
图 7a是本发明磁敏电阻分布的实施例 1
图 7b是与图 7a对应的主尺示意图
图 8是本发明磁敏电阻分布的实施例 2
图 9是本发明磁敏电阻分布的实施例 3
图 10是本发明磁敏电阻的多层薄膜结构示意图
图 11a是本发明测量电桥 S联接线路图 图 lib是本发明测量电桥 C联接线路图
图 12是本发明测量电路实施例 1电路原理框图
图 13是本发明测量电路实施例 2电路原理框图 实现本发明的最佳方式
参照图 1， 图 1为本发明的电子数显卡尺的分解图， 其尺身 1和游标 2 与一般的机械式游标卡尺相似， 用金属或合成材料制作， 差别在于尺身 1中 间铣长槽， 放置主尺 3， 游标上固定副尺 4和外壳 50， 量爪 10与尺身 1是 一个整体， 量爪 20与游标 2是一个整体， 这样游标 2可以沿着尺身 1来回 移动。 被测物体的尺寸通过量爪 10、 20使游标 2带动副尺 4移动， 并将测 量数据显示在外壳 50的液晶显示屏 48上。
副尺 4是位移传感器的另一部分， 它由衬底 40、 印刷线路板 41、 磁敏 电阻 42、 永磁体 43、 集成电路芯片 44、 石英晶体 45、 电子组件 46、 电池 47等组成。 线路板 41用螺钉 51〜54与游标 2固定。 罩壳 50用导电橡胶 58 将液晶屏 48和线路板 41联接起来， 并用螺钉 55〜57与游标 2固定， 通过 固定在罩壳 50上的按键 49实现对电子电路的控制。
图 2a、 b是磁性传感器的结构图。 传感器包括主尺 3和副尺 4两部分， 主尺 3用粘接剂固定在尺身 1上， 副尺 4用螺钉固定在游标 2上。 主尺 3由 衬底 31、 铜箔 32、 磁性薄膜 33和保护膜 34组成， 磁性薄膜 33做成栅型， 栅条沿移动方向等距离排列， 栅距为 λ。 副尺 4由衬底 40、 磁敏电阻 42、 线路板 41、 永磁体 43、 集成电路芯片 44、 石英晶体 45、 电池 47组成。 磁 敏电阻 42安置在线路板 41的下方，面对主尺 3，磁敏电阻 42按一定的间距， 沿移动方向排列。永磁体 43安置在线路板 41的上方， 正对磁敏电阻 42， 其 面积应该大于整个磁敏电阻组 42的面积。这样永磁体 43在栅型磁性薄膜 33 表面产生的磁场， 是沿移动方向以 λ 为周期的 化的磁场。 这样磁敏电阻 42和栅型磁性薄膜 33的不同位置， 检测到的磁场强度是不一样的， 根据不 同的磁场强度可以判别出游标 1和尺身 1的位移。 主尺 3和副尺 4的间隙 d 一般为 0.2〜1.0mm。
图 4是主尺 3的实施例 1。 主尺 3用非磁性的印刷线路板（PCB)做衬 ]¾ 31 ,将所需的栅条形状和尺寸制作成母版，然后把图形复制到带有感光膜 的铜箔 32上，通过化学腐蚀的方法将铜箔 32做成所需的栅条,其栅距为 λ， 栅条的宽度为 0.1-0.5 λ；最后通过电镀或化学镀的方法将磁性材料镍镀覆到 栅条表面，形成磁性薄膜 33。这种方法的优点是制作精度高、加工工艺先进、 成本低， 主尺 3的厚度薄， 非常利于大批量生产， 特别是制作便携式量具。 也可以用玻璃、 陶瓷做衬底， 采用真空镀膜和蚀刻的方法， 按栅条的图形将 磁性材料鍍覆到衬底上。 这种方法制作的主尺 3的工艺稍微复杂一些， 成本 略高， 但主尺 3的稳定性更好， 也是一种可取的方法。
图 5是主尺 3的实施例 2。 主尺 3用非磁性的材料做衬底 31， 按所需的 栅条形状和尺寸， 用机械加工的方法， 如冲、 铣、 线切割等方法， 将磁性材 料加工成栅条 33， 然后将栅条 33与衬底 31复合成整体， 成为主尺 3。
图 6是主尺 3的实施例 3。 主尺 3用磁性材料直接用机械加工的方法加 工成栅条 33， 成为主尺 3。 这种方法对机械加工提出了较高的要求。
图 7a是磁敏电阻分布的实施例 1。图示的图形是最基本的由八个磁敏电 阻 42a〜42h组成的两个测量电桥， 在实际使用中为了降低功耗， 采用多个 电阻串联的方法， 如图 8、 图 9所示。 磁敏电阻 42a〜42d组成电桥 S， 磁敏 电阻 42e〜42h组成电桥 C， 两个电桥的位置相差" %， n=l、 3、 5、 7 ······， 以便测量电路判别游标 2移动的方向。 每个电桥中的磁敏电阻的位置相差 λ /2， 如图 7所示， 并依次联接成电桥， 如图 11所示。 所述的磁敏电阻 42 可以采用一般的磁性金属薄膜制作， 如 NiFe合金， 也可以用半导体磁敏材 料制作， 如 InSb。 本发明推荐采用图 10所示的多层薄膜夹心的 "三明治"
(exchange biased sandwiches) 结构制作巨磁电阻 GMR， 如 (Fe/Cr) N、
(0)/01)]^多层膜。
图 8磁敏电阻分布的实施例 2。 它由多组组成。
图 9磁敏电阻分布的实施例 3。 它由多组组成。
图 10是磁敏电阻即巨磁电阻多层薄膜结构的示意图。 图示为 3层铁、 2 层铬的 5层夹心结构的示意， 实际的夹心层数可以多达上百层， 每层铁膜的 厚度为 0.9-9nm，每层铬膜 0.9-3nm; —般都是磁性材料和非磁性材料交替排 列， 形成夹心结构， 利用层间的耦合， 提高了对磁场检测的灵敏度， 比一般 W
6 的磁敏电阻高一个数量级， 故对检测主尺 3表面磁场的变化很有利。 其中磁 敏电阻 42的长度为 1-10入。
图 l la、 b是测量电桥 S、 C联接线路图。 按图 7〜图 9所示磁敏电阻分 布的顺序， 分别联接成电桥 S和电桥 C。
图 12是测量电路的实施例 1。图示是采用交流供电电桥的测量电路的框 图， 由石英晶体振荡器 51产生整个测量系统的时钟信号， 通过分频 52分 频以后产生两路正交的交流信号， 即正弦（sin)信号 53和余弦（cos)信号 54， 作为电桥 C和电桥 S的供电信号， 也就是说向位置超前 λ /4的电桥 S 提供相位滞后 π /2的余弦信号 54, 向位置滞后 λ /4的电桥 C提供相位超前 π /2的正弦信号 53， 为了减少功耗， 由电子开关 S! SA控制， 间歇地向电 桥供电。 电桥输出的信号经放大器 55、 56放大以后， 在加法器 57中相加， 后经滤波器 58、 整形器 59的滤波和整形后， 得到信号的相位与位移 X有相 关的函数， 如下式所示：
U m sin 2 —J (；。 s ωί
U = U y + U 2 = U m sin( 2π— + ωί) 通过调整主尺 3栅条的栅距 λ和磁敏电阻 42与主尺 3之间的距离 d，可 以使电桥 S、 C的输出与位移 X的关系非常近似正弦和余弦函数。 合成信号 U经放大整形以后的信号与参考信号 Uo在鉴相器 60中比较， 输出的信号去 控制判向器 61和数据处理器 62,将处理的结果经显示驱动器 64在液晶显示 屏 65上显示。 当卡尺的量爪 10和 20闭合时， 通过清零按键和控制器 63、 数据处理器 62输出零位信号， 并在显示屏 65上显示零。 当卡尺的游标 2移 动时， 合成信号的相位发生变化， 通过鉴相器 60输出与位移量成线性关系 的数字量， 经数据处理器 62处理成位移量， 并经显示驱动器 64驱动液晶显 示屏 65显示位移量。根据游标 2移动的方向， 判向器 61输出的信号控制数 据的加减。其它的一些功能， 如公英制转换（mm/inch)、 电源控制（on/off) 等通过控制器 63实现。 所述的放大器、 加法器、 滤波器、 整形器、 鉴相器、 判向器、 数据处理器、 控制器、 显示驱动器、 显示器均为公知电路。
图 13是测量电路实施例 2。 图示是采用直流供电电桥的测量电路框图， 向电桥 S和电桥 C提供同一直流电源 E，.由于电桥 S和电桥 C在位置上相差 入 /4， 所以两个电桥的输出是不同的， 如果在主尺 3上匀速移动， 则从电桥 S输出正弦信号，从电桥 C输出余弦信号。从电桥 S和电桥 C输出的模拟信 号分别送入模数变换器 153、 154, 输出的数字信号同时送入微处理器 155， 根据电桥输出信号的幅度可以计算出位移量， 根据两个电桥输出信号的关系 可以判断出位移的方向， 最终确定游标和尺身的相对位置， 处理的结果在显 示器 156上显示。 工业实用性
本发明提供的磁性位移测量装置既能在潮湿和油污环境下正常工作， 又 具有结构简单、 制造方便、 价格便宜、 功耗低、 精度高的特点， 除用于传统 的游标卡尺外， 还可制成圆形或滚筒型作角度测量装置。 本发明采用环氧玻 璃布与铜箔复合的板材， 即印刷线路板（PCB) ， 采用化学腐蚀的工艺， 做 成等距的栅条， 随后在栅条表面镀覆磁性的材料， 如镍、 铁、 钴等， 使沿移 动方向的磁场强度随栅条的间距周期地变化； 也可以用玻璃或陶瓷做衬底， 表面镀覆磁性材料的方法制作主尺， 这种磁性主尺的制作精度高、 加工工艺 先进、 成本低， 可便于大规模生产。 本发明中检测磁场大小的敏感组件即磁 敏电阻采用多层薄膜夹心的 "三明治"结构制作的巨磁电阻， 利用层间的耦 合， 提高了对磁场检测的灵敏度， 其电阻变化率比一般的单层薄膜结构制作 的磁敏电阻大一个数量级， 可以方便地检测磁场的微小变化， 使检测电路和 主尺的制作变得简单。 本发明中的两个测量电桥的空间位置相差 λ /4， 分别 供给相位相差 12的两路交流信号， 向位置超前 λ /4的电桥供给相位落后 π /2的交流信号， 向位置落后 λ /4的电桥供给相位超前 π /2的交流信号， 两个 电桥的合成信号的相位与位移 X成线性关系， 并以栅距 λ 为周期变化， 同 时根据两个电桥输出信号的关系可以判出位移的方向， 最终确定游标和尺身 的相对位置。

Claims (12)

  1. 权利要求
    1、 一种磁性位移测量装置， 包括相对移动的尺身和游标； 在尺身上固定 磁性主尺，游标上固定副尺，副尺上包括磁性传感器和测量电路，所述的测量 电路将移动距离的信号与信号输出装置相连， 其特征在于：
    所述的磁性主尺成栅型，其栅条沿移动方向等距离呈间隔排列，栅距为入。 所述的磁性传感器由磁敏电阻构成，与磁性主尺正对，且沿移动方向排列。 所述的测量电路包括至少两个测量电桥， 所述的测量电桥由磁敏电阻构 成。
  2. 2、 根据权利要求 1所述的磁性位移测量装置， 其特征在于所述的磁性主 尺是在非磁性材料衬底上设磁性栅条呈间隔排列， 栅距为入。
  3. 3、 根据权利要求 1所述的磁性位移测量装置， 其特征在于所述的磁性传 感器的磁敏电阻由至少一层磁性薄膜和非磁性薄膜间隔排列而成。
  4. 4、 根据权利要求 3所述的磁性位移测量装置， 其特征在于所逑的磁敏电 阻的磁性薄膜选自金属薄膜、 合金薄膜或半导体薄膜中的一种。
  5. 5、 根据权利要求 1所述的磁性位移测量装置， 其特征在于所述的至少两 个测量电桥与交流电源电连接，且与两个测量电桥相连的交流电源的相位相差 π /2。
  6. 6、 根据权利要求 1所述的磁性位移测量装置， 其特征在于所述的磁性主 尺是在非磁性材料衬底上设磁性栅条呈间隔排列，栅距为 λ ;所述的磁性传感 器的磁敏电阻由至少一层磁性薄膜和非磁性薄膜间隔排列而成;所述的至少两 个测量电桥与交流电源电连接，且与两个测量电桥相连的交流信号的相位相差 π /2。
  7. 7、 根据权利要求 1或 6所述的磁性位移测量装置， 其特征在于所述的两 个测量电桥的相同臂的磁敏电阻的位置相差 ηλ/4， 式中 η=1、 3、 5、 7… ·。
  8. 8、根据权利要求 1、 5或 7所述的磁性位移测量装置，其特征在于位置超 前 ηλ/4的测量电桥与相位落后 /2的交流信号相连， 式中 η=1、 3、 5、 7……； 位置落后 η λ /4的测量电桥与相位超前 π /2的交流信号相连，式中 η=1、 3、 5、 7 。
    9、 根据权利要求 1或 6所述的磁性位移测量装置， 其特征在于所述的测 量电桥由至少两个磁敏电阻组成，其中电桥的至少一相邻的两个电阻为磁敏电 阻， 且其位置相差 η λ /2， η=1、 3、 5、 7......。
    10、根据权利要求 9所述的磁性位移测量装置，其特征在于所述的测量电 桥中相对的两个磁敏电阻的位置相差 πι λ， 其中 m=0、 1、 2、 3......。
  9. 11、根据权利要求 1或 6所述的磁性位移测量装置，其特征在于所述的测 量电桥的每一桥臂上的磁敏电阻由位于不同位置、数目相同的磁敏电阻串联组 成， 其位置相差 ηι λ， 其中 m=0、 1、 2、 3〜〜。
    12、根据权利要求 1或 6所述的磁性位移测量装置，其特征所述的磁敏电 阻的宽度小于 λ 12,每个磁敏电阻由相同数目、相同宽度的磁敏电阻串联而成, 其总宽度小于 λ /2。 .
  10. 13、根据权利要求 1或 6所述的磁性位移测量装置，其特征在于所述的两 个测量电桥输出与位移有函数关系的信号相加后的信号经模数变换成数字信 号与信号输出装置相连。
  11. 14、根据权利要求 2或 6所述的 性位移测量装置，其特征在于所述的磁 性主尺是在非磁性材料衬底上镀膜蚀刻形成磁性栅条，或在非磁性材料衬底上 镶嵌磁性栅条， 其栅距为入。
  12. 15、根据权利要求 2或 6所述的磁性位移测量装置，其特征在于所述的磁 性主尺是在磁性材料表面制成栅型凹凸条， 其栅距为 。
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