CN208420964U - 传感器和检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了传感器和检测装置，涉及工业应用技术领域，包括总成电路板、磁性组件和用于固定总成电路板和磁性组件的壳体；壳体套设在目标对象上，以使目标对象带动磁性组件进行旋转；磁性组件用于为总成电路板提供触发磁场；总成电路板用于根据触发磁场输出方波信号，并将方波信号发送至控制器，以使控制器通过方波信号，检测目标对象的旋转方向和速度，本申请提供体积较小、成本较低的传感器来同时测量旋转物体方向和速度。

Description

传感器和检测装置

技术领域

本实用新型涉及工业应用技术领域，尤其是涉及传感器和检测装置。

背景技术

根据检测原理，目前常用集成一个霍尔速度带方向芯片或同时两个霍尔开关芯片的霍尔传感器来同时测量旋转物体的速度和方向。

与此同时，上述两种方案匹配的多分别为磁性编码器或者铁磁性信号轮。前者由于是注塑磁，因此模具及单价较高，且充磁模具设计复杂。其次，由于设计已经定型，欠缺改变磁极数量适用于不同需求的柔性；后者信号轮体积较大，同时需要在芯片背后安装或集成磁铁，系统成本也随之上升。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供传感器和检测装置，提供体积较小、成本较低的传感器来同时测量旋转物体方向和速度。

第一方面，本实用新型实施例提供了传感器，包括总成电路板、磁性组件和用于固定所述总成电路板和磁性组件的壳体；

所述壳体套设在目标对象上，以使所述目标对象带动所述磁性组件进行旋转；

所述磁性组件用于为所述总成电路板提供触发磁场；

所述总成电路板用于根据所述触发磁场输出方波信号，并将所述方波信号发送至控制器，以使所述控制器通过所述方波信号，检测所述目标对象的旋转方向和速度。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述磁性组件包括多个磁铁和用于固定多个所述磁铁的磁铁塑料外壳，其中，所述磁铁塑料外壳将所述磁铁等距间隔。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述总成电路板根据所述磁性组件生成的不同的所述触发磁场，输出不同的所述方波信号，其中，不同磁铁数目的所述磁性组件生成不同的所述触发磁场，所述目标对象不同的旋转速度、方向生成不同的所述触发磁场。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述磁性组件通过减少磁铁数目生成的所述触发磁场，增大所述总成电路板在所述目标对象正转时输出的所述方波信号的占空比与在所述目标对象反转时输出的所述方波信号的占空比之间的差异。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述总成电路板包括磁性开关芯片、电容C、电阻R1、发光二极管LED和负载电阻R2；

所述磁性开关芯片的输入端分别与电源VCC和所述电容C的一端相连接，所述电容C的另一端接地，所述磁性开关芯片的输出端分别与所述电阻R1和所述负载电阻R2的一端相连接；所述电阻R1的另一端与所述发光二极管LED的正极相连接，所述发光二极管LED的负极接地，所述负载电阻R2的另一端接地，所述磁性开关芯片的接地端与所述发光二极管LED的负极相连接。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述磁性组件与所述壳体为可拆卸连接，可将不同磁铁数目的所述磁性组件与所述壳体进行拆卸组装。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，还包括线束和密封组件；

所述线束，与所述总成电路板相连接，用于为所述总成电路板提供电能，并将所述方波信号发送至所述控制器；

所述密封组件，分别设置在所述线束与所述壳体连接位置和所述壳体与所述目标对象连接位置，用于防尘防水。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，通过卡扣将所述磁性组件与所述壳体的内圈在轴向进行固定和限位。

第二方面，本实用新型实施例还提供检测装置，包括如上所述的传感器，还包括与所述传感器相连接的控制器，用于接收所述传感器发送的方波信号，并对所述方波信号进行分析，获知目标对象的旋转方向和速度。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述控制器根据所述方波信号的占空比来获知所述目标对象的旋转方向、并通过所述方波信号在预设时间内的预设电平数目来获知所述目标对象的速度。

本实用新型实施例提供了传感器和检测装置，包括总成电路板、磁性组件和用于固定总成电路板和磁性组件的壳体；壳体套设在目标对象上，以使目标对象带动磁性组件进行旋转；磁性组件用于为总成电路板提供触发磁场；总成电路板用于根据触发磁场输出方波信号，并将方波信号发送至控制器，以使控制器通过方波信号，检测目标对象的旋转方向和速度，本申请提供体积较小、成本较低的传感器来同时测量旋转物体方向和速度。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例提供的传感器结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的传感器的零件爆炸图；

图3为本实用新型实施例提供的传感器波形原理图；

图4为本实用新型实施例提供的传感器中总成电路板的电路原理图；

图5为本实用新型实施例提供的传感器的外形示意图。

图标：1-壳体；2-磁铁塑料外壳；3-磁铁；4-总成电路板；5-塑料盖；6-橡胶密封圈；7-线束密封堵；8-线束；9-磁性组件。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

目前常用的用于测量旋转物体的速度和方向的磁性霍尔传感器通常有以下几种实现方式：

霍尔传感器使用两个霍尔开关芯片，且芯片在电路板上成一定角度布置。当齿轮或者磁性编码器旋转时，通过计数一定时间内的脉冲数量测量齿轮转速，并根据两路信号输出的相位关系来进行方向检测。将两路信号输出定义为A，B，当正传的时候A信号相位差比B信号超前90度，当反转时B信号超前A信号90度，从而可以此检测转动方向；

霍尔传感器使用一个集成式霍尔速度带方向芯片，此时芯片内部实际仍然有两颗或三颗间隔布置的霍尔单元。当齿轮或者磁性编码器旋转时，通过计数一定时间内的脉冲数量得到齿轮转速。关于方向检测，则通过正反转不同的脉冲宽度来判断，比如正传情况下脉宽45μs，反转情况下脉宽90μs；

上述两种技术的缺点是传感器及磁编码器的系统成本较高、缺乏变化的柔性。目前主流的方案至少使用两个霍尔开关或者一个集成式速度方向芯片。霍尔芯片是传感器主要成本来源，占据总材料成本一半以上。因此对前者而言，如何通过减少芯片数量来实现性价比高的速度及方向检测一直是设计的目标；对后者而言，芯片本身更为复杂，内部除了2－3个差分的霍尔单元外，还有负责处理信号的专用电路等，导致该霍尔芯片成本比前者的两个霍尔开关还要高。

基于此，本实用新型实施例提供的传感器和检测装置，可以体积较小、成本较低的传感器来同时测量旋转物体方向和速度。

下面通过实施例进行详细描述。

图1为本实用新型实施例提供的传感器结构示意图。

参照图1，传感器包括总成电路板4、磁性组件9和用于固定总成电路板4和磁性组件9的壳体1；

壳体1套设在目标对象上，以使目标对象带动磁性组件9进行旋转；

磁性组件9用于为总成电路板4提供触发磁场；

总成电路板4用于根据触发磁场输出方波信号，并将方波信号发送至控制器，以使控制器通过方波信号，检测目标对象的旋转方向和速度。

具体地，本申请提供的传感器模块化设计紧凑，且为穿孔安装，易于与被测应用集成，如轴承，电机等目标对象。不同于轴端部检测，无需额外空间，传感器套设在目标对象上，即可实现对目标对象转速和旋转方向的检测，体积较小，节省成本，具体如图5所示；

其中，传感器是塑料壳体用于固定总成电路板4(PCBA，Printed Circuit Board+Assembly)，抵抗外界机械外力，提供封装材料的密闭空间从而保护电子元器件；

进一步的，如图2所示，磁性组件9包括多个磁铁3和用于固定多个磁铁3的磁铁塑料外壳2，其中，磁铁塑料外壳2将磁铁3等距间隔。其中，磁铁塑料外壳2用于提供磁铁3的外部保护，并将磁铁3等距离间隔开，磁铁3的作用是产生触发总成电路板4中磁性开关芯片工作的磁场，通过输出不同磁性曲线，使芯片感应不同的磁场强度，从而触发芯片工作状态的变化；

这里，通过8个磁铁3与12个磁铁3的例子说明磁性编码器的原理。8个磁铁3与12个磁铁3的差异主要体现在相邻磁铁3之间的间隔距离不同，8个磁铁3的间隔距离更大。进一步的，总成电路板4上的磁性开关芯片根据磁性组件9生成的不同的触发磁场，输出不同的方波信号，其中，不同磁铁3数目的磁性组件9生成不同特性的、周期变化的触发磁场，目标对象不同的旋转速度、方向生成不同的触发磁场。

当磁性组件9旋转时(被轴或其它驱动原件驱动)，此时总成电路板4上的磁性开关芯片受到磁性组件9变化磁场的影响，使传感器输出固定占空比的连续方波信号，传感器将生成的方波信号传输至控制器，控制器对方波信号进行分析，进而得出目标对象的旋转方向和速度；

其中，在机械设计上磁铁3与传感器的安装也较为紧凑，通过卡扣将磁性组件9与传感器壳体1的内圈在轴向进行固定和限位，从而仅仅允许磁性组件9圆周旋转运动，采用这种设计，使得传感器体积更小，传感器与磁性组件9一对一的安装方式也使得产品良率更高，降低产品在使用过程中的失效或故障的可能。

进一步的，磁性组件9通过减少磁铁数目生成的触发磁场，增大总成电路板4在目标对象正转时输出的方波信号的占空比与在目标对象反转时输出的方波信号的占空比之间的差异。

具体地，如果增加磁铁3的数量，正向旋转或反向旋转的占空比均将接近50％，即正转和反转的占空比平均分配；但是如果减少磁铁3数量，正转或反转传感器输出占空比将远离50％。比如，如果磁铁3数量达到12个，占空比正转约为46％，反转约为54％。此时若将磁铁3数量减少至10个，正转占空比约为42％，反转占空比约为58％。对于同一个零件，正转反转占空比之和为100％；

其中，通过加大正反转方波信号的占空比之间的差异，使得控制器对方波信号的识别能力更加突出，进而对目标对象旋转方向的识别更加准确；

进一步的，磁性组件9与壳体1为可拆卸连接，可将不同磁铁数目的磁性组件9与壳体1进行拆卸组装。

这里，根据不同的实际情况，可能需要匹配包括有不同磁铁数目的磁性组件9，此时，若更换不同的传感器成本较高，本实用新型实施例可将满足需求的不同磁铁数量的磁性组件9与壳体1进行组装拆卸，进而得到满足要求的传感器，节省成本；

此外，本实用新型实施例提供简化的磁路设计，取消注塑磁铁编码器，使用便于安装的小磁铁组装成磁性组件9，并通过控制相邻磁铁位置实现不同占空比的柔性调整；

进一步的，如图4所示，总成电路板4包括磁性开关芯片、电容C、电阻R1、发光二极管LED和负载电阻R2；

磁性开关芯片的输入端分别与电源VCC和电容C的一端相连接，电容C的另一端接地，磁性开关芯片的输出端分别与电阻R1和负载电阻R2的一端相连接；电阻R1的另一端与发光二极管LED的正极相连接，发光二极管LED的负极接地，负载电阻R2的另一端接地，磁性开关芯片的接地端与发光二极管LED的负极相连接。

这里，总成电路板4上元器件通过SMT(Surface Mount Technology，表面贴装技术)设备贴片焊接到电路板上，然后电路板总成与线束8进行焊接。电路输入为5V直流电，输出为方波信号，高电平为：3.4-4.2V，输出低电平为0-0.5V；

其中，通过调节电路中电阻等元器件的参数值，可实现输出电压值的调整，上述输出电平值仅为一种示例，并不局限于此；

PCBA电路板子总成用于提供电子元器件的安装载体并提供电路，还包括EMC(电磁兼容性)防护功能；

本申请采用非接触式磁感应原理，仅用低成本，通过一颗磁性开关芯片(霍尔、AMR、GMR、TMR等开关芯片)的输出占空比不同，来判断转轴的正反转；

这里，磁性开关芯片优选霍尔芯片；

本申请通过软件仿真得出最优布置的芯片和磁场开关点分析结果，采用简化的电路设计，仅需要一颗芯片，无需复杂运算电路或处理器；

进一步的，发光二极管LED用于显示传感器的工作状态。

其中，发光二极管LED焊接在电路板上，且每个磁铁3转过会触发发光二极管LED闪亮，从而帮助判断传感器是否处于正常工作状态；

这里，发光二极管LED、磁性开关芯片焊接在总成电路板4上，图2中未示出；

本申请实施例提供的传感器还包括塑料盖5，用于密封并保护传感器，将传感器塑料壳体开口处密封，从而保护总成电路板4等电子器件；

进一步的，还包括与总成电路板4相连接的线束8，用于为总成电路板4提供电能，并将方波信号发送至控制器。

这里，线束8(包含接插件)用于提供传感器工作所需的电压并将传感器输出信号传递给控制器；

进一步的，还包括用于防尘防水的密封组件，分别设置在线束8与壳体1连接位置和壳体1与目标对象连接位置。

密封组件包括设置在壳体1与目标对象连接位置的橡胶密封圈6、设置在线束8和壳体1连接位置的线束密封堵7；

进一步的，本实用新型实施例还提供检测装置，包括如上所述的传感器，还包括与传感器相连接的控制器，用于接收传感器发送的方波信号，并对方波信号进行分析，获知目标对象的旋转方向和速度。进一步的，控制器根据方波信号的占空比来获知目标对象的旋转方向、并通过方波信号在预设时间内的预设电平数目来获知目标对象的速度。

本实用新型实施例通过拉大正反转的占空比方式实现旋转方向的判断；

具体地，控制器通过方波的频率计算得出目标对象的旋转速度；通过方波的占空比是低于50％还是高于50％来判断目标对象是正转还是反转。可以想象，如果磁铁数量太多，无论正转还是反转，占空比都是50％，就无法判断是正向还是反向了，所以必须通过减少磁铁数量，来拉大正向、反向旋转的占空比数值，控制器才能识别是正转还是反转；

这里，控制器可通过检测预设固定时间内的高电平或低电平数目来获知目标对象的速度；

本实用新型实施例提供低成本霍尔开关式传感器，配备可数量增减的磁编码器，从而实现占空比可调的低成本系统解决方案，传感器仅仅使用一个双极锁存型霍尔开关，通过与特定设计的磁性组件编码器正转及反转实现通过不同占空比检测转动方向的目的，因此该实用新型涉及传感器和磁性轮两个部件的匹配。

如图3所示，若图3a中a曲线在磁场强度B轴的正向部分表征为磁性编码器正转的情况，双极锁存型霍尔开关的特点就是当正向磁场(比如N极)达到一定触发磁场数值，会触发霍尔开关至低电平状态(即方波mn段)，该低电平状态一直保持，随着磁性编码器转动，直到磁场到达反向(比如S极)同样磁场触发值，此时a曲线在磁化强度M轴的负向部分，方波电平状态翻转为高电平。直到下一个N极磁场再次触发，以此往复。

此外，相邻磁铁之间的磁场变化成正余弦曲线周期交替。当磁铁数量少，相邻磁铁间距较远，因此磁场曲线相邻处较为平缓，如图3a中a曲线；当磁铁数量多，相邻磁铁间距较近，因此磁场曲线相邻处较陡，如图3b中b曲线。体现在占空比的数据差异就是t_high/T的百分比不同。

利用这一点，可以通过调整不同磁铁数量来控制正转的占空比数值，即磁铁较多的时候，占空比理论值为50％。但是如果减少磁铁数量，可以做到增大或减小占空比(即拉大正反转占空比的差异)，比如达到30％或70％(视磁铁南北极布置方向而不同)。

正常情况下，如果磁铁在圆周布置紧密，占空比应该无限接近50％。但是如图3所示，芯片是双极锁存型，所以触发芯片工作的磁场必须是相邻的下一个反极性相同数值的磁场。8个磁铁相对10个磁铁的数量少，所以对磁铁数量少的而言，从n点到p点经历的时间要长于磁铁数量多的(即左图t_high要长于右图t_high)，因此图3a的占空比要大于图3b，也就是为什么通过磁铁数量可以调节占空比；

当磁性开关芯片正面放置时，并将顺时针设置为正转，此时，正转时占空比小于反转时占空比(其中具体情况仍需视芯片贴片在电路板正面还是反面而定)，且正反转的占空比互补，正反转的占空比加和为100％，其中，正转占空比为35％－45％，反转占空比为65％－55％；

利用正向和反向占空比的差异，可以实现对于电机旋转方向的检测和判断。控制器可以设定获取的方波的占空比为30％，为正向，相反70％占空比则为反向旋转。本申请省去至少一个霍尔芯片及相关电路、信号线的成本，同时也简化了控制器设计的难度。

本实用新型实施例是一种低成本霍尔开关式传感器结合低成本的磁性组件编码器，可应用于助力自行车踏板同轴电机助力，同时兼备速度及旋转方向检测，其测量精度高、响应时间快，且工艺简单，寿命长，能工作在高温，油污的环境下，电路设计简单，不涉及解码芯片，实现方式巧妙，从而研发投入少，成本低。

本实用新型实施例提供的检测装置，与上述实施例提供的传感器具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

在本实用新型实施例的描述中，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；可以是机械连接，也可以是电连接；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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种传感器，其特征在于，包括总成电路板、磁性组件和用于固定所述总成电路板和磁性组件的壳体；

所述壳体套设在目标对象上，以使所述目标对象带动所述磁性组件进行旋转；

所述磁性组件用于为所述总成电路板提供触发磁场；

所述总成电路板用于根据所述触发磁场输出方波信号，并将所述方波信号发送至控制器，以使所述控制器通过所述方波信号，检测所述目标对象的旋转方向和速度。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述磁性组件包括多个磁铁和用于固定多个所述磁铁的磁铁塑料外壳，其中，所述磁铁塑料外壳将所述磁铁等距间隔。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述总成电路板根据所述磁性组件生成的不同的所述触发磁场，输出不同的所述方波信号，其中，不同磁铁数目的所述磁性组件生成不同的所述触发磁场，所述目标对象不同的旋转速度、方向生成不同的所述触发磁场。

4.根据权利要求1或3所述的传感器，其特征在于，所述磁性组件通过减少磁铁数目生成的所述触发磁场，增大所述总成电路板在所述目标对象正转时输出的所述方波信号的占空比与在所述目标对象反转时输出的所述方波信号的占空比之间的差异。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述总成电路板包括磁性开关芯片、电容C、电阻R1、发光二极管LED和负载电阻R2；

所述磁性开关芯片的输入端分别与电源VCC和所述电容C的一端相连接，所述电容C的另一端接地，所述磁性开关芯片的输出端分别与所述电阻R1和所述负载电阻R2的一端相连接；所述电阻R1的另一端与所述发光二极管LED的正极相连接，所述发光二极管LED的负极接地，所述负载电阻R2的另一端接地，所述磁性开关芯片的接地端与所述发光二极管LED的负极相连接。

6.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述磁性组件与所述壳体为可拆卸连接，可将不同磁铁数目的所述磁性组件与所述壳体进行拆卸组装。

7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括线束和密封组件；

所述线束，与所述总成电路板相连接，用于为所述总成电路板提供电能，并将所述方波信号发送至所述控制器；

所述密封组件，分别设置在所述线束与所述壳体连接位置和所述壳体与所述目标对象连接位置，用于防尘防水。

8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，通过卡扣将所述磁性组件与所述壳体的内圈在轴向进行固定和限位。

9.一种检测装置，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的传感器，还包括与所述传感器相连接的控制器，用于接收所述传感器发送的方波信号，并对所述方波信号进行分析，获知目标对象的旋转方向和速度。