CN2066971U - 霍尔效应双向数字式位移传感器 - Google Patents

Abstract

霍尔效应双向数字式位移传感器主要用于各种野外岩移和滑坡监测。其特征是采用双向旋转式精密机械传动机构，利用霍尔效应开关集成电路及门电路的组合制成的非接触式的位移传感装置。该位移传感器能将1mm的直线位移转换成电压幅度为4.5V-18V的10个脉冲输出，因而能分辨出0.1mm的位移量。由于其结构为旋转式，量程可达无限大。该位移传感器的优点是精度高于0.2％，能鉴别正、反旋转方向；电磁抗干扰性强，电耗少及寿命长、重量轻。

Description

一种测量位移量的仪器，用于监测自然界地表岩土的各种变形，特别适用于由人类活动如采矿、建水库、修铁路等所触发的滑坡及变形的监测及预报。

在采矿业的露天矿边坡稳定性研究中，需要提供各种条件下发生的位移状况及新研究区域的详细资料，以便及时对边坡稳定性数据进行修正和对滑坡提出预报，最大限度地减少滑坡造成的损失。

在滑坡位移监测中，对仪器的要求是比较严格的，当位移刚刚发生时则要求有足够的分辨力及较高的精确度，因为常有数米位移后才发展成滑坡，如武汉象鼻山边坡位移量达3.13m后开始滑落，这就要求传感要有相当大的量程。而高精度和大量程在任何传感器中，都是两个难以统一的参数。

日前常用的传感器以差动电感式和差动变压器式为主，最大量程为1m，体积已达到φ32×1877mm，最高精度仅为0.3％，其二次仪表相当复杂且需交流电源，这些限制其野外应用，CI₁－8型相对位移传感器为电位器式，最大量程达3m，但精度低于0.9％；日本的7000C型为电子光学位移计，量程0.1～无限大，精度0.1％±；美国生产的电位计式位移传感器量程610m、精度达0.1％，但上述传感器在原理和结构上与本实用新型根本不同。

在已查到的资料中与本实用新型最为相近是采用霍尔效应开关集成电路制成的非接触式直线型位移传感器，其脉冲源磁钢片贴在滑尺上，因而仪器的体积与量程为1：1，由于采用的是单磁钢、单霍尔开关集成电路，输出为单脉冲电压，仪器不能鉴别位移方向，易产生误报警现象。

鉴于上述位移传感器在精度、量程及辨别方向三个方面难以同时满足滑坡监测的要求，我院研制出一种新型的位移传感器一霍尔效应双向数字式位移传感器，该仪器吸收现用传感器的优点，解决了存在问题，完全能满足恶劣条件下边坡监测和报警要求。

霍尔效应双向数字式位移传感器包括与滑动点联接的钢丝，产生并记录、输出脉冲电压的磁钢片、霍尔开关集成电路、门电路输出系统及计算机接口，其特征有将直线位移转变为角位移的滑轮、滑轮带动的精密增速齿轮机构，由齿轮带动的反应出角位移并将其输出的铝制旋转盘，在盘的边缘等距离贴有10对钐钴镍磁钢片，作为产生脉冲电压的磁场源；和旋转铝盘对应的配有门电路的印刷线路板上贴有两片霍尔效应开关集成电路片（HGS3020DT₁、HGS3020T₂），当铝盘旋转时，线路板上的霍尔效应开关集成电路的磁敏感点与铝盘上的磁钢片吻合时，电路导通则有低电平脉冲输出，这就作为计数器有输出CP脉冲。

霍尔效应双向数字式位移传感器的主要组成部分即机械部分和脉冲电压发生与输出部分的详细结构及动作情况为：

一、机械传动部分：

这是用一φ0.2mm的不锈钢丝带动一个直径为φ24mm的滑轮、滑轮轴边接一个齿轮传动机构，见图1，最终使一个厚为0.5mm直径为φ42mm的铝质园盘做旋转运动，它们的传动比是当不锈钢丝直线移动1mm时，铝园盘旋转一周。

二、脉冲电压发生，输出部分：

在铝园盘的边缘上，等距离贴上二十片（10对）钐钴镍磁钢如图2在印刷电路板上固定有两片霍尔效应开关集成电路，UGS3020T如图3所示印刷电路板与铝盘直径相等同心安装。作用情况为霍尔效应开关集成电路UGS3020T（以下简称UGS3020T）在无磁场存在时，输出为高电平。当旋转铝园盘上的磁钢到达UGS3020T磁敏感点时，UGS3020T在磁通密度为20～35mT的磁场中即可导通    UGS3020T输出低电平脉冲。UGS3020T磁敏感区直径为φ2mm，并位于集成电路的中心部位。固定UGS3020T位置时，应将它们一反一正粘贴，并使得两中心敏感区直径处于相切位置上。而磁钢的宽度恰好为4mm，这就使得当磁钢经过两只UGS3020T时，有一个很短的共同导通时间，这个共同导通时间的低电平脉冲输出，就作为计数器的输入CP脉冲。脉冲电压发生及输出线路原理即线路版上的线路如图4，其脉冲输出波形如图5所示。

脉冲电压发生及输出过程原理如下所述：

在图中，当T1和T2均没有进入磁场中时，它们的初始状态：

a、b为均为高电平“1”，e点锁存原始状态

c、d点均为低电平“0”，f点为高电平“1”

当铝园盘作逆时针旋转时，图中各点的电平变化如下：（UGS3020T1简称T1；UGS3020T2简称T2）

T2首先进入磁场，T1尚未进入磁场：

a点：由“1”－→“0”

c点：由“0”－→“1”

b、d点：无变化，b为“0”

e点：在c点上升沿的触发下，d点的“0”被送到e点并锁存。

继续旋转，当T2，T1同时进入磁场时：

a点：仍为“0”；

c点：仍为“1”；

b点：由“1”－→“0”；

d点：由“0”－→“1”

由于c、d点均为“1”，则f点：由“1”－→“0”；

e点：锁存的“0”无变化，

继续旋转时：当T2离开磁场，T1仍留在磁场中。

bd保持不变

a点：由“0”－→“1”；

c点：由“1”－→“0”；

f点：由“0”－→“1”；

在f点脉冲上升沿的触发下将e点的“0”送入计数器中。

再继续旋转时：T2、T1都离开磁场，

上升各点都重新回到初始状态。

如果园盘继续作逆时针运动，则上述各状态作周而复始的变化，CP2不断的将e点的“0”送到计数器的U／D端，计数器做加或减的累计（视计数集成片类不同而不同）。

如果园盘作顺时针旋转时，则e点始终锁存为“1”，在f点上升沿的作用下（CP2），不断地将“1”送到计数器中，这样就实现了正反双向计数。

本实用新型的位移传感器具有如下的参数：

精确度：（在75mm为一循环周期内）0.2％

分辨率：    100μm

量程：    100μm～无限大

最大位移记录速度：    1m／秒

＋5V时脉冲上升及下降时间：    200ns

供电电压范围：    ＋4.5V～＋18V

＋5V时全导通电流：    ≤7mA

＋5时全截电流：    ≤5mA

工作环境温度：    －40℃～＋85℃

湿度：    ≤95％

克服滑轮转动静摩擦力：    0.15N

滑轮转动后施加力：    ≤0.1N

最大外径：    φ60mm

最大高度：    50mm

重量：    350克

以上面技术参数中，可以看出本实用新型位移传感器有如下的优点：

1、精确度高，在75mm一个循环周期内，精确度为0.2％，国内大位移传感器是达不到的。

2、可以鉴别正反方向的位移，不会发生误计数，误报警。

3、抗干扰性强。由于霍尔开关集成电路必须在磁通密度为20～35mT的磁场中才能导通，对高压电、电火花抗干扰性很强。曾在某采场西部安装9支传感器，其正上方是6千伏的高压电线，离高压线最近处仅6～7米，靠电机车线路约30米，均未发现对传感器有干扰。

4、省电，野外不必用交流供电，采用蓄电池、光电池，或是干电池均可。

5、寿命长，由于本实用新型是采用非接触式的霍尔开关集成电路，其余均采用进口的4000系列CMOS集成片，工作稳定可靠，寿命达12万小时，可以就是半永久性的。

6、不需专用的二次仪表。由于传感器是脉冲数输出，可以按计数器并直接由LED数码管显示，也可以直接接到单片机，单板机或其他型号微机上，接口十分简单。传感器互换性强，无需标定。

由于供电电压范围宽，稳定要求不高，可以长距离有线遥测；不受线长限制。作无线遥测时，接口电路也很简单。

该实用新型位移传感器的制造工艺。

由于机械传动部分加工精度要求高，应在技术条件较好的精密机械厂加工，以保证精度的要求。

在市场采购的钐钴镍磁钢标称尺寸为1.5×3.3×4mm，为了减少铝盘的转动惯量，必须减轻磁钢的重量，要把磁钢从1.5mm厚研磨到0.6～0.7mm。对磁钢的宽度（4mm的尺寸）要求比较高。在同一只传感器中，要尽力保持尺寸上一致性。同一支传感器中的尺寸误差不超过0.02％。同一支传感器中所使用的磁钢的磁通密度差小于1mT。

粘贴磁钢时，使用的模具如图6铣出的磁钢槽逐个累积最终误差不超过15″。该模具下面有一个0.3mm的台阶，避免粘贴磁钢时，将模具粘在一起。如磁钢尺寸小于4.0mm时，磁钢槽内有空隙，应按须时针或反时针紧靠一边粘贴。粘合剂用101胶，48小时后可干透固化。固化后，再刷一层绝缘清漆，除防潮外，也可防101胶缓慢氧化而失效。

将霍尔开关集成电路UFS3020T用914胶粘贴在印刷电路板上。为粘贴位置准确性亦采用模具如图7，使得USG3020T的敏感中心园相切，以保证它们的中心敏感区能同时落入磁钢范围内，使得T₁，T₂有一个共同的导通时间。根据磁钢的N、S极性，则UGS3020T₁和UGS3020T₂应为一反一正。并应注意到UGS3020T与磁钢间的距离一般为0.3mm～0.5mm，最在不超过0.8mm。为保证这样的间距，可以在UGS3020T下面衬垫一绝缘物（青壳纸或环氧树脂板）当磁钢的磁通密度在800GS以下时，可在UGS3020T的背面粘贴一软铁磁金属或两小块一反一正的弱磁钢（远不足使得UGS3020T导通）。以保证旋转磁钢经过时的导通能力。

传感器装配完毕以后，可用阴极射线示波器分别察看U／D输出线及CP输出线，当旋转传感器时，其正确的波形图如图5所示。

1988年10月我们为确认工业实用性某采场西部安装9支霍尔效应双向数字式位移传感器作边坡稳定性监测，传感器与滑动点间用φ1.2mm不锈钢丝连接。试验结果表明其抗干扰性和正反计数的效果都已达到预期的目的。经历了89年黄梅雨季、高温、潮湿的夏季的考验，正常连续运行至今。外形见图8。

附图为本实用新型各特征部分示意图、特殊加工模具示意图及外形图。

附图1、机械部分示意图

附图2、旋转铝图盘俯视图

附图3、印刷线路板上的UGS3020T粘贴位置图

附图4、印刷线路板10上的电路图

附图5、脉冲输出波形图

附图6、贴粘磁钢用模具示意图

附图7、贴粘UGS3020T用模具示意图

附图8、本实用新型外形图

附图标号说明：

1、滑轮；2、轴；3、齿轮对（Z₁＝151，Z₂＝20）；4、轴；5、齿轮对（Z₃＝120；Z₄＝14）；6、轴；7、铝园盘；8、钐钴镍磁钢片；9、轴孔；10、印刷线路板；11、UGS3020T霍尔开关集成电路。

Claims (2)

1、一种包括联接滑动点的钢丝、产生霍尔效应的磁钢片与霍尔开关集成电路、信号接收并输出的门电路系统及计数或显示系统接口的位移传感器。其特征：

a、机械部分：将直线位移转换成角位移的滑轮、两对精密传动齿轮和反应出角位移的旋转铝园盘；

b、信号部分：产生脉冲电压的是铝园盘边缘均匀粘贴的10对磁钢片、在与铝盘直径相等并同心安装的印刷线路板上粘贴两片霍尔开关集成电路，粘贴位置与磁钢片对应；

2、如权利要求1所述的位移传感器，其特征磁钢片为钐钴镍磁钢，宽度为4mm，加工误差＜0.02％，按厚度方向充磁，各片间磁感应强度误差小于1mT，N、S极成对粘贴；电路板上的霍尔开关集成电路贴在电路板边缘与铝园盘上磁钢片  对应，两片霍尔开关集成电路磁敏感区半径相切，位置一反一正粘贴；霍尔开关集成电路片与磁钢片间距离最大为0.8mm，一般为0.3～0.5mm。

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