CN2585178Y - 磁性位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型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；本实用新型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

本实用新型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EP0053091。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。

发明内容

本实用新型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。

本实用新型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。

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π/2。

所述的两个测量电桥的相同臂的磁敏电阻的位置相差nλ/4，式中n＝1、3、5、7……。

另在位置超前nλ/4的测量电桥与相位落后π/2的交流信号相连，式中n＝1、3、5、7……；位置落后nλ/4的测量电桥与相位超前π/2的交流信号相连，式中n＝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nλ/2，n＝1、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mλ，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mλ，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λ/2。

所述的两个测量电桥输出信号相加后经模数变换成数字信号与信号输出装置相连。

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λ。

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λ。

本实用新型相比现有技术具有如下优点：

1、本实用新型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。

2、本实用新型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。

3、本实用新型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π/2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。

4、本实用新型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、精度高的优点。

附图说明

图1是本实用新型的电子数显卡尺的分解视图

图2a是本实用新型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是主尺的实施例1

图5是主尺的实施例2

图6是主尺的实施例3

图7a是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是磁敏电阻分布的实施例2

图9是磁敏电阻分布的实施例3

图10是磁敏电阻的多层薄膜结构示意图

图11a是测量电桥S联接线路图

图11b是测量电桥C联接线路图

图12是测量电路实施例1电路原理框图

图13是测量电路实施例2电路原理框图

具体实施方式

参照图1，图1为本实用新型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。

主尺3是位移传感器的一部分，它用非磁材料31做衬底，铜箔32做过度层，表面镀覆磁性材料33，表面用带胶的塑料薄膜34保护，主尺3被粘接剂固定在尺身1的槽中，面对副尺4。

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为周期的变化的磁场。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2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)做衬底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0.1-0.5λ；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镀覆到衬底上。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＝1、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。本实用新型推荐采用图10所示的多层薄膜夹心的“三明治”(exchangebiased sandwiches)结构制作巨磁电阻GMR，如(Fe/Cr)_N、(Co/Cu)_N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，其中每层铁膜的厚度为0.9-9nm，每层铬膜0.9-3nm；一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1-10λ。

图11a、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，通过分频器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S₁～S₄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： $U_1=U_m\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{\mathrm{\λ}}\right)\cos \mathrm{\ωt}$ $U_2=U_m\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{\mathrm{\λ}}\right)\sin \mathrm{\ωt}$ $U=U_1+U_2=U_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{x}{\mathrm{\λ}}+\mathrm{\ωt})$

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U0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λ/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。

Claims (15)

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。

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λ。

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、根据权利要求3所述的磁性位移测量装置，其特征在于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。

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、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、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nλ/4，式中n＝1、3、5、7……。

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nλ/4的测量电桥与相位落后π/2的交流信号相连，式中n＝1、3、5、7……；位置落后nλ/4的测量电桥与相位超前π/2的交流信号相连，式中n＝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，其中电桥至少一相邻的两个电阻为磁敏电阻，且其位置相差nλ/2，n＝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mλ，其中m＝0、1、2、3……。

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mλ，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/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λ/2。

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信号相加后经模数变换成数字信号与信号输出装置相连。

14、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λ。

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λ。

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