CN202814328U - 基于霍尔效应的长行程位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于物理参数测量技术领域，涉及一种基于霍尔效应的长行程位移测量装置，包括单片机、恒流源、信号处理电路、模数转换器和传感器阵列，传感器阵列为至少一组线性霍尔传感器，每组霍尔传感器均匀一字排布在一个PCB板上，相邻的线性霍尔传感器间距不小于磁性浮子上的磁铁在传感器阵列排列方向上的尺寸，线性传感器的差分输出通过n通道模拟多路复用器复用两根差分电压信号传输线；两根差分电压信号传输线与信号处理电路的输入接口相连；相邻的两个PCB板通过扩展接口相连；各组线性霍尔传感器由同一个恒流源分时供电。本实用新型具有低功耗、采用的器件较少、维护方便且成本较低的优点。

Description

基于霍尔效应的长行程位移测量装置

技术领域

本实用新型属于物理参数测量技术领域，涉及一种霍尔效应位移测量装置和测量方法，尤其涉及一种通过线性霍尔传感器进行长行程位移测量的霍尔位移测量装置。

背景技术

目前磁性浮子液位计的变送器部分使用干簧管传感器。磁性浮子液位计的变送器的部分技术参数：

液体密度：＞0.4g/cm3，

最大量程：0-6m，

分辨率：±1cm，

信号传输方式：（4-20）mA（两线制）。

磁性浮子液位计是一种对测量精度有一定要求（分辨率：±1cm），但是要求不是太高的液位仪表，其价格比较适中。如果对精度要求较高，如精度±1mm，则需要使用其他液位液位计，比如磁致伸缩液位计，但其价格也比较昂贵。

磁性浮子液位计上的每个干簧管输出一个开关量信号，要达到上述分辨率，每米长度需要人工焊接100个干簧管（同时还需焊接100个电阻），生产效率低。另外，干簧管易碎，导致生产中、产品运输和安装过程中仪表易发生故障。液位计生产厂家一般使用进口干簧管，价格相对较高。

专利“霍尔位移测量装置及测量方法”，申请号：200910105137.2，提出了一种使用霍尔开关测量位移的方法，使用霍尔开关虽然在降低故障率上优于干簧管传感器，但是其缺陷也显而易见：

1、开关型霍尔传感器与干簧管同输出开关量，使用霍尔开关并不能减少器件使用数量,比如分比率为±1cm，测量1米长度也需要100个开关型霍尔传感器，加上附属电路，整个测量设备电路将十分复杂。

2、干簧管是无源器件，测量电路简单，易实现细长条型设备，测量范围大。开关型霍尔传感器为有源器件，加上附属电路，测量范围大将无法实现细条型设备。

3、使用开关型霍尔传感器，随着测量长度增大，电路复杂度成倍增加，其低功耗测量方法将无意义。

4、使用开关型霍尔传感器，随着测量长度增大，电路复杂度成倍增加，测量设备成本将大大超过使用干簧管，应用受限。

专利申请“长行程线性位移非接触式测量装置”，申请号：201210016996.6，提出一种使用线性霍尔传感器测量永磁铁直线位移的方法。其使用本实用新型中的图6线性曲线段42进行测量永磁铁位置，使用两个及多个线性霍尔传感器测量时，需要线性霍尔传感器间的间距小于磁铁长度，这样前后线性霍尔传感器的线性曲线段42对应的位移才能有重合部分，测量方法才能实现。如果采用此种测量原理实现长位移测量，要么增加磁性浮子的磁铁长度，要么需要使用的传感器数量要大大增加，但前者可能导致无法有效测量，而后者势必加大成本。

实用新型内容

鉴于上述现有技术存在的不足，本实用新型的目的是针对磁性浮子液位计，提供一种低功耗、采用的器件较少、维护方便且成本较低的基于霍尔效应的长行程位移测量装置。本实用新型的技术方案如下：

一种基于霍尔效应的长行程位移测量装置，包括单片机、恒流源、信号处理电路、模数转换器和传感器阵列，所述的传感器阵列为至少一组线性霍尔传感器，每组霍尔传感器均匀一字排布在一个PCB板上，相邻的线性霍尔传感器间距不小于磁性浮子上的磁铁在传感器阵列排列方向上的尺寸，设一组线性霍尔传感器的个数为n个，n个线性传感器的差分输出通过n通道模拟多路复用器复用两根差分电压信号传输线；两根差分电压信号传输线与信号处理电路的输入接口相连；相邻的两个PCB板通过扩展接口相连；各组线性霍尔传感器由同一个恒流源分时供电，同一时间只有一组n通道模拟多路复用器输出电压信号到差分电压信号传输线上，其它模拟多路复用器输出处于高阻状态；差分电压信号经两根差分传输线传输到信号处理电路进行滤波放大处理后，由模数转换器转换成数字量后传送到单片机。

作为优选实施方式，使用模拟多路选择器选择为同一组的线性霍尔传感器组内的每个线性霍尔传感器单独供电。

本实用新型的有益效果如下：

使用线性霍尔传感器可降低因干簧管易损坏而导致的仪表故障。本实用新型利用分布在多个PCB板上的多组线性霍尔传感器的测量方式，同时采用总线控制和传输霍尔输出电压，另外，在工作原理上，本实用新型选取霍尔传感器输出电压曲线段41和曲线段43（图6），扩大了单个线性霍尔元件的测量范围，从而实现使用线性霍尔传感器测量长行程的位移。比如要求分辨率±1cm，测量1米位移距离，使用干簧管或者开关型霍尔元件，需要100个传感器器件，而本实用新型如果把线性霍尔传感器器间距设为8cm，则只需要使用13个线性霍尔传感器，因此，本实用新型在满足长行程测量磁性浮子位移的情况下可减少元器件焊接数量，提高磁性浮子液位计生产效率和降低液位计材料和制造成本。此外，实用新型提出的使用单一恒流源对霍尔传感器供电和对测量电路分组分时供电的方式，降低了装置的功率，装置总供电电流可小于4mA。

附图说明

图1是本实用新型线性霍尔传感器结构（左图）及测量磁场方向（右图）示意图；

图2是本实用新型的第一种线性霍尔传感器排列结构及和磁性浮子位置关系示意图；

图3是本实用新型的第二种线性霍尔传感器排列结构及和磁性浮子位置关系示意图；

图4是采用第一种供电方式的测量电路示意图；

图5是采用第二种供电方式的测量电路示意图；

图6是本实用新型实施例磁性浮子与传感器相对位置传感器输出电压值示意图；

图7是本实用新型实施例判断粗略位置和计算精确位置方法示意图。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本实用新型进行说明，但本实用新型并不局限于此。

本实用新型对磁性浮子液位计进行了改进，利用霍尔效应测量长行程磁性浮子的位移。磁性浮子里包括一块磁铁，因而在本实用新型的各个附图中，用磁铁的磁性方向来表达磁性浮子的磁性方向。本实用新型主要包括传感器部分和测量部分两个部分，下面先介绍传感器部分。

本实用新型采用的传感器为线性霍尔传感器阵列，图1给出了所采用的单个线性霍尔传感器的管脚定义和测量磁场方向示意图。左半部分是管脚定义示意图，INPUT+和INPUT-分别是线性霍尔传感器电源正负输入管脚，线性霍尔传感器电源可以是恒流源也可以是恒压源，本实用新型使用的恒流供电，OUTPUT+和OUTPUT-是线性霍尔传感器电压输出管脚，其输出差分电压。右半部分是测量磁场方向示意图，若磁场方向与此方向相同，则线性霍尔传感器输出正电压；若磁场方向与此方向相反，则线性霍尔传感器输出负电压；线性霍尔传感器输出电压大小与磁场强度成正比。

本实用新型的线性霍尔传感器在长条形PCB板上呈线性排列，图2和图3分别给出一种磁性浮子的磁场分布与线性霍尔传感器之间的位置关系，磁性浮子1中的磁铁为可实现此磁场分布的任意形状或组合。图2中，线性霍尔传感器21排列在PCB板2上，排列间距L，间距L不小于磁性浮子1中磁铁在线性霍尔传感器排列方向上的尺寸，磁性浮子1的N极和S极方向与线性霍尔传感器21排列方向相同，磁性浮子1与PCB板2保持恒定距离，沿着线性霍尔传感器21排列方向前后移动或静止。线性霍尔传感器21测量磁场方向与线性霍尔传感器21排列方向垂直。PCB板2两端有扩展接口22，测量长度可扩展。图3中，线性霍尔传感器21排列在PCB板2上，排列间距L，间距L不小于磁性浮子1中磁铁在线性霍尔传感器排列方向上的尺寸，磁性浮子1的N极和S极方向与线性霍尔传感器21排列方向垂直，磁性浮子1与PCB板2保持恒定距离，沿着线性霍尔传感器21排列方向前后移动或静止。线性霍尔传感器21测量磁场方向与线性霍尔传感器21排列方向相同。PCB板2两端有扩展接口22，测量长度可扩展。

设一组线性霍尔传感器21的个数为n个，则n个线性霍尔传感器21在PCB板上均匀排布，间距L不小于磁性浮子1中磁铁在线性霍尔传感器排列方向上的尺寸。比如磁性浮子1中磁铁在线性霍尔传感器排列方向上的尺寸是4cm，线性霍尔传感器21排列间距L可为8cm，在PCB两端有电气接口，可扩展长度。输出的差分电压通过n通道模拟多路复用器25复用两根差分传输线。n取值可以是：32、16、8、4或2。

如图4和图5所示，本实用新型的测量电路部分，主要由MCU31单片机、恒流源33、信号处理电路34、AD转换器35和其他电路32组成。恒流源33给传感器部分提供唯一共用恒流源。信号处理电路34差分电压信号总线电压滤波放大等处理后给AD转换器35，转换成数字信号给MCU31。MCU提供控制信号CS1、CS2……CSm和C1、C2……Ck。其他电路包括4-20mA变换电路等。图4和图5分别给出了两种测量电路的实施方式。图5给出的供电方式，由于采用了每次只是为同一组线性霍尔传感器中的一个供电的方式，可增大供电电流，可以作为本实用新型的最佳实施方式。

图4中，同一组线性霍尔传感器21阵列排放在一个PCB板2上，电源管脚串联在一起，由同一个恒流源供电，并由开关23控制。这一组线性霍尔传感器21输出电压通过模拟多路复用器25后复用差分电压总线上，模拟多路复用器25选择哪个线性霍尔传感器21输出到差分电压总线是由控制总线C1、C2……Ck来控制的，例如：一组有8个线性霍尔传感器，模拟多路复用器可以用两个8选1模拟多路复用器，一个选择线性霍尔传感器输出正，一个选择线性霍尔传感器输出负，控制总线需要三根：C1、C2和C3。模拟多路复用器25电源由开关24控制。PCB板2可以级联，级联后，共用总线。线性霍尔传感器对应的开关23和24，由CS1、CS2……CSm控制。

图5的测量方式与图4的区别是：每组线性霍尔传感器21由串联一起供电改变为使用模拟多路选择器26选择为每组内的单个线性霍尔传感器21单独供电。模拟多路选择器26与模拟多路复用器25共用电源和控制信号：C1、C2……Ck。

图6为“磁性浮子与传感器相对位置传感器输出电压”关系示意图。本实用新型使用曲线41段和43段计算磁性浮子精确位置。经过传感器21与横坐标垂直虚线与横坐标交点为传感器位置。经过磁性浮子1中心与横坐标垂直虚线与横坐标交点为磁性浮子位置，该虚线与曲线相交点对应的电压值为V，即磁性浮子在当前位置传感器输出电压V，磁性浮子相对传感器的位置为S1。

测量方法：

测量任意线性霍尔传感器输出电压：使能要测量的霍尔传感器所在组的恒流源和模拟多路复用器电源，使用模拟多路复用器通道选择控制总线选通要测量的线性霍尔传感器，该线性霍尔传感器输出电压通过模拟多路复用器输出到霍尔电压信号传输总线上，该电压信号通过信号处理电路后，经AD转换，由MCU获取。

磁性浮子1在线性霍尔传感器21保持与PCB板2恒定距离，沿着平行PCB板2的传感器21阵列的方向移动或静止在某位置。设传感器21排列间距L；

如图6所示，磁性浮子1从远处接近传感器21阵列中的某个传感器到远离该传感器，记录磁性浮子1与该传感器相对位置S和该传感器输出电压值V，获得“磁性浮子与传感器相对位置传感器输出电压值”一组关系值，该关系值适用于PCB板上任一传感器。

传感器输出电压说明：磁性浮子在某个传感器位置时，磁性浮子距离该传感器前后传感器的距离相等，因此该传感器的前后两个传感器输出符号相反但绝对值相同的电压；如图7所示，磁性浮子1在该传感器位置之前且距离小于0.5L时，磁性浮子1与该传感器的前一个传感器距离小于与其后一个传感器的距离，则前传感器输出电压绝对值｜V(i-1)｜大于后传感器输出值｜V(i+1)｜且符号相反；磁性浮子在该传感器位置之后且距离小于0.5L时，磁性浮子与该传感器后一个传感器距离小于与其前一个传感器的距离，该后传感器输出电压绝对值大于前传感器输出值且符号相反。磁性浮子在该传感器位置前后0.5L内，距离距离该传感器最近，该传感器输出的电压值绝对值｜V(i)｜最大。

测量步骤：

1）按照传感器阵列的排布顺序，设传感器阵列的第二个传感器为当前传感器；

2）获取与当前传感器相邻的前一个传感器和后一个传感器及其本身的电压值，若三个传感器电压绝对值均大于设定阈值，而且当前传感器的电压绝对值最大且前一个传感器的电压绝对值大于后一个传感器的电压绝对值，则判定磁性浮子在当前传感器位置之前0.5L以内的某位置，结束磁性浮子粗略位置的定位；若三个传感器电压绝对值均大于阈值，而且当前传感器的电压绝对值最大且前一个传感器的电压绝对值小于后一个传感器的电压绝对值，则判定磁性浮子在当前传感器位置之后0.5L以内的某位置，结束磁性浮子粗略位置的判定；

3）按照步骤2）的方法，判定磁性浮子的位置是否当前传感器位置前后0.5L之间，若在则执行步骤4）；否则将当前传感器的下一个传感器视为当前传感器，再次判定；若扫描完毕所有传感器仍无法判定磁性浮子粗略位置，返回步骤1）；

4）磁性浮子粗略位置定位后，再次进行电压扫描采集，按照步骤2）方法，先判定磁性浮子是否在当前传感器位置的前后0.5L距离的之间，若在，该传感器仍为当前传感器；若不在，判定磁性浮子是否在当前传感器前一个传感器位置的前后0.5L距离之间，若在，把当前传感器前一个传感器设为当前传感器；否则判定磁性浮子是否在当前传感器后一个传感器位置的前后0.5L距离之间，若在，把当前传感器后一个传感器设为当前传感器；重复本步骤，完成磁性浮子静止或位移过程中粗略位置的跟踪判定，否则返回步骤1）；

5）每次判定磁性浮子的粗略位置在某个传感器21(i)前后0.5L之间后，若判定磁性浮子在该传感器21(i)位置之前，如图7所示，使用该传感器前一个传感器21(i-1)输出电压V(i-1)，在“磁性浮子与传感器相对位置传感器输出电压值”中线性插值，得到磁性浮子1相对前一个传感器21(i-1)的精确位置S2。若判定磁性浮子在该传感器位置之后，则使用后一个传感器的输出电压，在“磁性浮子与传感器相对位置传感器输出电压值”中进行插值计算，得到磁性浮子相对后一个传感器的精确位置。从而计算出浮子所在具体精确位置。

与专利申请201210016996.6相比，本实用新型使用曲线段41和43，线性霍尔传感器排列间距需要大于磁铁长度，此时使用线性曲线段42是无法实现上述专利测量方法的。使用曲线段41和43的原因和优点：

1、磁性浮子中磁铁占浮子重量比例较大，在低密度液体（比如：0.4g/cm3）液位测量中，磁性浮子中磁铁的尺寸在线性霍尔传感器排列方向比较小，如果磁铁尺寸大，磁铁重量过重，磁性浮子将漂浮不起来，无法测量液位，磁铁尺寸在线性霍尔传感器排列方向越小线性曲线段42斜率就越大，线性曲线段42对应的位移段就越小，单个线性霍尔传感器能够测量的位移就越小，此时使用线性曲线段42测量长行程位移就需要大量线性霍尔传感器，本实用新型测量的实现将会很困难。而使用曲线段41和43，突破了磁铁尺寸的限制，扩展了单个线性霍尔传感器的测量范围，有利于测量装置的实现。

2、本实用新型扩展了单个线性霍尔传感器的测量范围，本实用新型单个线性霍尔传感器测量范围可为上述专利单个线性霍尔传感器测量范围的2倍以上，减少了线性霍尔传感器的使用数量，易于实现大量程测量，降低成本，比如使用长度4cm的磁铁，本实用新型线性霍尔阵列间距可达到8cm，而上述实用新型线性霍尔阵列间距最大可能只能为3cm。

通过比较可以看出，本实用新型不但与开关型霍尔传感器相比有使用传感器数量小测量范围大的优点，而且与同样使用线性霍尔传感器测量位移的方法相比也有使用传感器数量小测量范围大的优点。

Claims (2)

1.一种基于霍尔效应的长行程位移测量装置，包括单片机、恒流源、信号处理电路、模数转换器和传感器阵列，所述的传感器阵列为至少一组线性霍尔传感器，每组霍尔传感器均匀一字排布在一个PCB板上，其特征在于，相邻的线性霍尔传感器间距不小于磁性浮子上的磁铁在传感器阵列排列方向上的尺寸，设一组线性霍尔传感器的个数为n个，n个线性传感器的差分输出通过n通道模拟多路复用器复用两根差分电压信号传输线；两根差分电压信号传输线与信号处理电路的输入接口相连；相邻的两个PCB板通过扩展接口相连；各组线性霍尔传感器由同一个恒流源分时供电，同一时间只有一组n通道模拟多路复用器输出电压信号到差分电压信号传输线上，其它模拟多路复用器输出处于高阻状态；差分电压信号经两根差分传输线传输到信号处理电路进行滤波放大处理后，由模数转换器转换成数字量后传送到单片机。

2.根据权利要求1所述的基于霍尔效应的长行程位移测量装置，其特征在于，使用模拟多路选择器选择为同一组的线性霍尔传感器组内的每个线性霍尔传感器单独供电。

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