CN209945255U - 一种角度检测传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种角度检测传感器，其包括发射端和感应端，所述发射端的内侧形成有检测区域，并在所述检测区域内形成有磁场，所述感应端的感应部置于发射端检测区域内的磁场中，且两者之间可相对转动；所述检测区域内磁场中与感应端的感应部相配合的磁场磁力线之间相互平行或接近平行。本实用新型提供的角度检测传感器方案，结构简单精巧，性能优异且抗干扰性强，且可适用于各种狭小空间和恶劣环境，且成本低廉，有较好的市场前景。

Description

一种角度检测传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术，具体涉及角度传感器技术。

背景技术

现有角度检测传感技术中高精度角度检测主要使用编码器和旋转变压器两类。

编码器虽然精度高，但是成本高昂，而且其中精度相对较高的光编对温度、机械冲击、油污、尘埃等非常敏感，无法适用于恶劣环境。旋转变压器虽然有良好的耐机械冲击、耐油污、宽温度适应等优点，但是其结构决定了对电磁干扰敏感，对于电磁干扰大的环境容易出错，而且高精度产品的成本及其高昂。

虽然目前也有基于盘形磁铁设计的角度检测传感器，如图1所示，现有的角度检测传感器中，充磁时盘形磁体Ⅰ一半充N极，一半充S极，检测元件Ⅱ利用从N极到S极的空间磁场进行检测。该方案结构虽然简单，但是如图1标示的磁力线所示，代表磁力线为空间曲线，即该磁铁Ⅰ方案所形成空间磁场的强度和方向是不均匀的，这将大大影响检测精度。同时，该方案需要磁铁Ⅰ磁场自由发散而不受外物干扰，以防止磁场发生畸变而严重影响测试效果。为达此要求，磁铁Ⅰ和检测元件Ⅱ附近不能有导磁物体存在，从而极大限制了传感器的屏蔽保护，使其极易被空间杂散磁场干扰，大大地影响其输出精度和应用范围。

由此可见提供一种经济且可靠的角度检测传感器是本领域亟需解决的问题。

实用新型内容

针对角度检测传感技术所存在的问题，需要一种经济且高可靠性的角度检测传感方案。

为此，本实用新型的目的在于提供一种角度检测传感器，其结构简单且可靠性，可有效克服现有技术所存在的问题。

为了达到上述目的，本实用新型提供的角度检测传感器，包括发射端和感应端，所述发射端的内侧形成有检测区域，并在所述检测区域内形成有磁场，所述感应端的感应部置于发射端检测区域内的磁场中，且两者之间可相对转动；所述检测区域内磁场中与感应端的感应部相配合的磁场磁力线之间相互平行或接近平行。

进一步的，所述发射端包括磁性元件和安装支架，所述磁性元件安置在安装支架上，并在磁性元件的内侧构成包络空间作为检测区域。

进一步的，所述磁性元件与位于其内侧的检测区域内的感应部之间的高度差至少为1mm。

进一步的，所述磁性元件形状为中空的几何形体。

进一步的，所述磁性元件中空的腔体直径为4～50毫米。

进一步的，所述磁性元件高度为中空腔腔体直径的0.2～10倍。

进一步的，所述磁性元件由若干磁性元件块排列构成。

进一步的，所述感应端包括检测元件和外壳，所述检测元件安装于外壳内，感应端的感应部。

进一步的，所述检测元件随外壳整体置于发射端检测区域内的磁场中。

进一步的，所述检测元件为磁阻元件或基于磁阻技术的检测芯片。

本实用新型提供的角度检测传感器方案，其结构简单精巧，性能优异且抗干扰性强，本角度检测传感器可适用于各种狭小空间和恶劣环境，且成本低廉，有较好的市场前景。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1为既有方案工作原理示意图；

图2为本实例提供的角度检测传感器结构示意图；

图3为本实例提供的角度检测传感器详细结构示意图；

图4为本实例提供的角度检测传感器中磁性元件和检测元件相对位置关系示意图；

图5为本实例提供的角度检测传感器中磁性元件磁场分布示意图；

图6为本实例提供的磁性元件简化设计的结构示意图；

图7为本实例提供的磁性元件简化设计磁场分布示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

本实例摒弃现有角度检测传感器的设计方案，创新地采用相互嵌套的构成方案，由此利用磁性元件的形状来屏蔽空间杂散磁场的不利影响，再配合相应的磁场方向设计，极大地提高了有效磁场的强度，同时还能够有效简化角度检测传感器的整体结构，进一步提升了产品性能和稳定性。由此，通过简化结构实现产品的经济性的同时，很好地解决了既有产品或者结构复杂、价格昂贵，或者性能低下、抗干扰能力弱、可靠性低的缺点。

具体的，本实例通过将检测元件包络在磁性元件内部，检测元件与磁性元件不接触，很好地利用磁性元件基体屏蔽了外界杂散磁场的干扰，极大地提高了产品的性能和稳定性。同时，再配合磁性元件内所形成的特定磁场磁力线方向，使检测元件检测磁性元件内部空间强磁场即可实现角度检测，进一步大大提高了产品性噪比，从而进一步提升产品性能与稳定性。

参见图2，其所示为基于上述原理形成的一种角度检测传感器示例方案。

由图可知，本角度检测传感器主要包括磁性元件(1)，磁性元件支架(2)，检测元件(3)以及外壳(4)，这四个部件。

其中，磁性元件(1)与磁性元件支架(2)相互配合形成相应的发射端，在内部形成相应的检测磁场。据此，支架(2)安装在被测对象的旋转轴上并随被测轴一起旋转；磁性元件(1)安装在支架(2)上，可随支架(2)一起旋转，而由此，磁性元件(1)与被测对象的旋转轴同步旋转；该磁性元件(1)在其内侧形成有相应的包络空间，作为检测区域，并在该包络空间内形成有磁力线整体为平行或接近平行的磁场(如图5所示)。

检测元件(3)与外壳(4)相互配合构成相应的感应端，用于与发射端配合完成角度检测。检测元件(3)作为感应部件安置在外壳(4)内，而外壳(4)固定在被测对象的静止壳体上，与壳体相对静止，由此外壳带动其内的检测元件(3)整体悬空的内置在通过支架(2)安置在被测对象旋转轴上的磁性元件(1)内的检测区域内(即与磁性元件不接触)，使得检测元件(3)整体置于磁性元件(1)内的检测磁场内，这样磁性元件(1)与检测元件(3)之间的相对角度即为被测对象旋转轴的转角。

这里说明需要，本方案将构成的发射端安置在被测对象旋转轴上，而构成的感应端安置在被测对象的静止壳体上；具体的方案并不限于此，根据需要也采用将发射端安置在被测对象的静止壳体上，而将感应端安置在被测对象旋转轴上。

参见图3，其所示为本实例给出的角度检测传感器的具体构成方案。

由图可知，本实例给出的角度检测传感器中，磁性元件支架(2)用于支撑磁性元件(1)，整体为多级的圆台阶结构，此处优选两级圆台阶结构。

其中，磁性元件支架(2)的小端中心部位设置有连接孔(201)，用于与被测对象旋转轴进行连接；而在大端中心部位设置有安置孔(202)，用于安置磁性元件(1)。

由此构成的磁性元件支架(2)通过连接孔(201)定位到被测旋转轴上，并使连接孔(201)的轴心线X和被测旋转轴的轴心线一致(即同轴安装)，而检测元件(3)安置在磁性元件支架(2)上的安置孔(202)中，并且检测元件(3)中心轴线与轴心线X一致(即同轴安装)。由此，本实施例中，检测时，检测元件(3)与外壳(4)组成的检测端静止不动，磁性元件(1)与支架(2)组成的发射端绕X轴旋转运动。

对于本实例中的磁性元件(1)整体为由磁性材料或可磁化材料制成中空的几何形体。

如图4所示，本实施例中的磁性元件(1)优选为截面为矩形的中空圆柱环，而该磁性元件内侧的空腔腔体作为检测区域，其直径优选为4～50毫米；磁性元件高度优选为空腔腔体直径的0.2～10倍。

如此结构的磁性元件(1)沿垂直于磁性元件的中心轴方向对磁性元件(1)磁化，使得磁性元件(1)在充磁磁化后，在其内侧作为检测区域的空腔腔体内形成有相应的磁场，同时该磁场的磁力线为在沿磁性元件(1)的径向上为平行或接近平行的空间曲线(如图5所示)。

与之配合的，外壳(4)整体为圆柱形，尺寸与磁性元件(1)内的空腔腔体相配合。该外壳(4)上开设有相应的安置孔，用于安置检测元件(3)。

本实施例中外壳(4)使用塑料材质，以避免影响磁性元件(1)空腔内磁场分布，实际实施中也可选用诸如铝合金、黄铜等非导磁材料。

检测元件(3)作为感应部件安置在外壳(4)上安置孔的底部，优选与外壳(4)同轴安置，即检测元件(3)的中心轴与外壳(4)的中心轴共线。作为举例，该检测元件优选磁阻元件或基于磁阻技术的检测芯片，同时将检测元件(3)的感应方向设置为垂直于旋转轴X(即垂直于检测元件的中心轴)。

如此，安置有检测元件(3)的外壳(4)同轴的安置在磁性元件(1)上作为检测区域的空腔内，使得检测元件(3)与磁性元件(1)之间同轴安装可使产品对磁场均匀性要求最小化；并且与磁性元件(1)空腔的内壁不接触，以保证后续两者相对转转时的可靠性；这样使得检测元件(3)整体置于磁性元件(1)检测区域的磁场内，使得在沿相对旋转轴方向上，磁性元件(1)与检测元件(3)之间的高度差在1毫米以上，由此进一步减小外部杂散场影响。

优选为，检测元件(3)可放置于磁体腔体圆柱面长度方向中心面与轴心线X的交点处。

由此构成的角度检测器方案中，在磁性元件(1)磁化时，沿垂直于圆柱轴向方向对磁性元件(1)磁化，从而使磁性元件(1)内部空腔的磁场磁力线为垂直于圆柱轴的平行线，如图5所示。虽然磁体边缘磁场曲线会有一定的畸变，但是使得放置于磁性元件(1)内部的检测元件(3)附近的磁场方向仍可以维持一致并垂直于旋转轴X。

使用磁阻芯片作为检测元件(3)，并将检测元件(3)感应方向设置为垂直于旋转轴X，检测元件(3)与检测元件(3)之间的相对角度即为被测对象旋转轴的转角，而其输出结果将仅随磁性元件(1)的旋转角度而变化，能够精确检测出旋转角度，这样能够很好地解决了传统方案由于磁场方向不一致，输出结果受其他方向磁场分量影响的问题。

本角度检测器方案在具体应用时，检测元件(3)安装在被检测体外壳上固定不动，磁性元件(1)随被检测轴绕X轴旋转，使检测元件(3)周围形成随转速变化的旋转磁场，检测元件(3)感应到的磁场分量随磁场角度成正弦或余弦变化，由此可计算出被检测轴的角度位置。

由上可知，在本角度检测器方案中，鉴于被测对象与传感器发射端均绕X轴旋转，而检测元件(3)放置在轴心线X上，检测过程中，检测元件(3)仅相对于磁性元件(1)做相对旋转运动而无相对平移，检测元件(3)的输出仅和其所在位置的磁场强度相关，检测结果不受磁性元件(1)产生的空间磁场均匀性的影响，大大降低了磁性元件制造难度并提高了检测的精确度和稳定性。

再者，在本角度检测器方案中，一方面有效磁场方向沿垂直于圆柱轴向方向，由于检测元件(3)处于圆柱环的内部，沿有效磁场方向，检测元件(3)被严密地包覆在磁性元件(1)的基体内，空间杂散磁场有效地被屏蔽于磁体包络形体外，不易影响放置于磁体内部腔体内的检测元件(3)，极大地提高产品的抗干扰性和检测精度；另一方面，磁性元件(1)磁化后，内部腔体内磁场强度较高，检测元件(3)的输出将更为稳定、精准；此外，设计方案中，有效磁场方向与磁性元件(1)的磁化方向一致，磁力线方向的一致性好，便于检测端实现稳定检测。

最后，需要说明的，根据具体的不同应用环境，磁性元件(1)也可以设计为中空的六面体，球体，多边棱柱等其他几何体；根据磁性元件(1)外形和磁场方向的不同，检测元件(3)也可以放置于磁性元件外形形成包络空间的其他位置。

参见图6和图7所示，其所示为一种简化可行替代方案。某些使用场合下，例如，沿有效磁场方向的杂散干扰场磁场强度较小或杂散干扰场磁场强度远小于有效磁场时，本方案的磁性元件(1)可以进一步简化为两片或多片分体的更小的形状更简洁的磁性元件，同样可以达到上述功能。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.角度检测传感器，其特征在于，包括发射端和感应端，所述发射端的内侧形成有检测区域，并在所述检测区域内形成有磁场，所述感应端的感应部置于发射端检测区域内的磁场中，且两者之间可相对转动；所述检测区域内磁场中与感应端的感应部相配合的磁场磁力线之间相互平行或接近平行。

2.根据权利要求1所述的角度检测传感器，其特征在于，所述发射端包括磁性元件和安装支架，所述磁性元件安置在安装支架上，并在磁性元件的内侧构成包络空间作为检测区域。

3.根据权利要求2所述的角度检测传感器，其特征在于，所述磁性元件与位于其内侧的检测区域内的感应部之间的高度差至少为1mm。

4.根据权利要求2所述的角度检测传感器，其特征在于，所述磁性元件形状为中空的几何形体。

5.根据权利要求4所述的角度检测传感器，其特征在于，所述磁性元件中空的腔体直径为4～50毫米。

6.根据权利要求4所述的角度检测传感器，其特征在于，所述磁性元件高度为中空腔腔体直径的0.2～10倍。

7.根据权利要求2所述的角度检测传感器，其特征在于，所述磁性元件由若干磁性元件块排列构成。

8.根据权利要求1所述的角度检测传感器，其特征在于，所述感应端包括检测元件和外壳，所述检测元件安装于外壳内，感应端的感应部。

9.根据权利要求8所述的角度检测传感器，其特征在于，所述检测元件随外壳整体置于发射端检测区域内的磁场中。

10.根据权利要求8所述的角度检测传感器，其特征在于，所述检测元件为磁阻元件或基于磁阻技术的检测芯片。

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