RU2589755C1 - Способ калибровки и устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика - Google Patents
Способ калибровки и устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика Download PDFInfo
- Publication number
- RU2589755C1 RU2589755C1 RU2015113515/28A RU2015113515A RU2589755C1 RU 2589755 C1 RU2589755 C1 RU 2589755C1 RU 2015113515/28 A RU2015113515/28 A RU 2015113515/28A RU 2015113515 A RU2015113515 A RU 2015113515A RU 2589755 C1 RU2589755 C1 RU 2589755C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- angle
- bridges
- bridge
- calibration
- voltage
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам калибровки и устройствам измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика, и может быть использовано в автомобильной технике, станкостроении, авиационной и ракетной технике и других областях, где требуется измерять углы до 90° с помощью датчиков на основе магниторезисторов или элементов Холла. Устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика содержит два моста, повернутых друг относительно друга на 45°, два усилителя, два ЦАП, АЦП и вычислительное устройство. Усилители соединены с выходами мостов датчика, входы смещения нуля усилителей соединены с выходами компенсационных ЦАП, входы которых соединены с вычислительным устройством. Вход АЦП соединен с выходом первого усилителя, а вход опорного напряжения АЦП соединен с выходом второго усилителя. Вычислительное устройство содержит память программ и калибровочные данные, а также цифровой и аналоговый интерфейсы. Технический результат заключается в возможности измерения угла в диапазоне от 45° до -45° за один такт преобразования АЦП с использованием одного АЦП. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Техническое решение относится к измерительной технике, в частности, к способам калибровки и устройствам измерения угла на основе датчика, и может быть использовано в автомобильной технике, станкостроении, авиационной и ракетной технике и других областях, где требуется измерять углы до 90° с помощью мостовых магниточувствительных датчиков на основе магниторезисторов или элементов Холла.
Известен бесконтактный интеллектуальный датчик углового положения, который содержит мостовой магниторезистивный чувствительный элемент, мультиплексор, инструментальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, последовательный интерфейс, преобразователь напряжения в ток, прецизионный источник опорного напряжения [1]. Датчик обеспечивает измерение угла до 90°. При измерении на мост подают напряжение питания, напряжение с измерительной диагонали моста усиливают, измеряют с помощью АЦП, рассчитывают значение угла с использованием микропроцессора и преобразуют его в выходной ток.
Недостатком аналога является зависимость напряжения с измерительной диагонали моста от напряжения питания, что требует использования прецизионных источников питания моста и опорного напряжения.
Известен бесконтактный интеллектуальный магниторезистивный датчик углового положения, который содержит два магниторезистивных моста, повернутых друг относительно друга на 45°, коммутатор напряжений измерительных диагоналей мостов, выход которого соединен с усилителем. Выход усилителя соединен со входом АЦП, который соединен с источником опорного напряжения и информационным входом устройства вычисления угла, содержащего память программ и данных, а также цифровой и аналоговый интерфейсы [2]. Сопротивление мостов по измерительной диагонали магниторезистивных мостов, повернутых друг относительно друга на 45°, являются соответственно функциями sin и cos угла. Для измерения угла на мосты подают напряжение питания, напряжения с диагоналей мостов измеряют с помощью АЦП и на основе измеренных значений вычисляют угол по алгоритму CORDIC.
Недостатком аналога является отсутствие компенсации напряжений смещения мостов и разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов, что приводит к погрешности в вычислении угла.
Известен датчик угла и способ его калибровки, в котором датчик угла содержит два магниторезистивных моста, формирующих выходные напряжения пропорциональные синусу и косинусу угла, измерительный блок напряжений мостов, 16-разрядный микропроцессор, в котором калибровку выполняют путем подстройки напряжения смещения мостов так, чтобы отношение выходных сигналов датчика относительно начала оси координат ложилось на окружность [3].
Недостатком аналога является сложный алгоритм определения напряжения смещения мостов, требующий использования микроконтроллера, обрабатывающего 16-разрядные данные с плавающей точкой, необходимость выполнения калибровки по большому количеству точек, отсутствие калибровки разбаланса амплитуды сигналов с мостов.
В качестве прототипа выбран способ калибровки смещения и устройство измерения угла на основе магниторезистивного датчика [4].
Устройство для измерения угла на основе магниторезистивного датчика содержит два магниторезистивных моста, повернутых относительно друг друга на 45°, два усилителя, соединенные с выходами мостов и входами двух АЦП, два ЦАП выдачи компенсационных напряжений смещения мостов, соединенные с усилителями. Имеется вычислительное устройство, соединенное с ЦАП и АЦП, и содержащее программу для расчета угла и калибровочные коды ЦАП компенсационных напряжений смещения мостов, а также цифровой и аналоговый интерфейсы выдачи рассчитанного значения угла. Имеется также источник опорного напряжения АЦП.
Недостатком устройства при измерении углов ±45° является сложная электрическая схема, которая требует наличия двух АЦП и источника опорного напряжения.
Способ калибровки смещения магниторезистивных мостов в прототипе включает в себя раздельную калибровку напряжений компенсации смещения для каждого моста по двум измерениям угла. Измерения проводят после подачи и снятия внешнего магнитного поля под углом 45° (для первого моста) и 90° (для второго моста) при подаче двух напряжений компенсации и определения оптимального значения напряжения компенсации смещения калибруемого моста. Напряжения компенсации смещения мостов подают с помощью двух ЦАП, которые складывают с напряжениями измерительных диагоналей мостов.
Недостатком способа является невозможность калибровки устройства в составе изделия, необходимость измерения двух напряжений с измерительных диагоналей мостов, по которым рассчитывают угол поворота, а также отсутствие компенсации разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов.
Задачей технического решения является упрощение аппаратурной реализации устройства измерения угла, а также выполнение калибровки устройства с использованием магнитной системы собранного изделия с компенсацией напряжений смещения мостов и разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика, содержащего два моста, повернутых друг относительно друга на 45°, два усилителя, соединенные с выходами мостов и входами АЦП, два ЦАП, выходы которых соединены со входами компенсации смещения нуля усилителей, вычислительное устройство, соединенное с ЦАП и АЦП, содержащее программу для расчета угла и калибровочные данные, а также цифровой и аналоговый интерфейсы выдачи рассчитанного значения угла, предусмотрены следующие отличия, а именно, выход усилителя напряжения с диагонали второго моста соединен со входом опорного напряжения АЦП, а вычислительное устройство содержит программу для расчета угла и калибровочные данные с учетом разбаланса амплитуды напряжений с диагоналей мостов.
В способе калибровки устройства измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика, в котором с помощью двух ЦАП формируют напряжения компенсации смещения мостов датчика, которые складывают с напряжениями измерительных диагоналей мостов, калибровку напряжения смещения мостов выполняют пошагово раздельно для каждого моста, предусмотрены следующие отличия, а именно, напряжения измеряют в виде отношения напряжений с измерительных диагоналей мостов, калибровку выполняют с использованием магнитной системы собранного изделия, на первом шаге калибровки устанавливают положение магнитной системы, при котором измеренный угол равен нулю, на втором и третьем шагах магнитную систему поворачивают сперва по часовой стрелке, а потом против на заданный угол, фиксируя при этом значения результатов измерения углов, на четвертом шаге устанавливают калибровочный код ЦАП для компенсации напряжений смещения первого моста, при котором измеренный угол будет равен полу сумме значений углов, зафиксированных на предыдущих шагах, на пятом шаге магнитную систему поворачивают на предопределенный угол с фиксацией результата измерения угла, на основании имеющихся значений фактических и измеренных углов на третьем и пятом шагах определяют калибровочный коэффициент разбаланса амплитуды напряжений с диагоналей мостов, на шестом шаге устанавливают калибровочный код ЦАП для компенсации напряжений смещения второго моста, при котором измеренный угол с учетом калибровочного коэффициента разбаланса равен установленному углу магнитной.
Между совокупностью существенных признаков заявленного технического решения и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно, измерение угла проводится на основании одного измерения отношения напряжений с измерительных диагоналей мостов датчика за счет использования рациометрической схемы включения АЦП, калибровка компенсационных напряжений смещения мостов и разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов выполняется с использованием магнитной системы собранного изделия.
Техническое решение обеспечивает измерение угла в диапазоне от 45° до -45° за одно измерение выходных напряжений с мостового магниточувствительного датчика на основе маниторезистров или элементов Холла, проведение калибровки в составе изделия, а также упрощает схему устройства измерения угла.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где фиг. 1 содержит схему мостового магниточувствительного датчика, фиг. 2 содержит схему устройства для измерения угла, фиг. 3 иллюстрирует последовательность калибровки.
На фиг. 1 приведена схема мостового магниточувствительного датчика, содержащего два магниторезистивных моста 1 и 2, повернутых относительно друг друга на 45°. Мосты 1 и 2 на ортогональных сторонах содержат пары разнонаправленных магниторезисторов 3, 4 и 5, 6, а также 7, 8 и 9, 10 соответственно.
Увеличение сопротивления одной пары резисторов под влиянием магнитного поля равно уменьшению сопротивления другой пары. Результирующие выходные напряжения Usin и Ucos с измерительных диагоналей мостов смещены по фазе на 90° и пропорциональны sin 2α и cos 2α угла поворота α.
Угол определяется по формуле
В предлагаемом способе измеряется непосредственно тангенс угла в виде соотношение напряжений Usin и Ucos по формуле
Напряжения Usin и Ucos в общем случае описываются формулами
где К - коэффициент разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов,
Δsin и Δcos - напряжения смещения мостов.
Схема устройства приведена на фиг. 2. Устройство содержит два магниточувствительных моста 1, 2, повернутых друг относительно друга на 45°, два усилителя 11, 12, входы которых соединены с выходами мостов 1 и 2, два ЦАП 13, 14, выходы которых соединены со входами смещения нуля усилителей 11, 12, а входы соединены с вычислительным устройством 16, АЦП 15, измерительный вход которого соединен с выходом первого усилителя 11, а вход опорного напряжения соединен с выходом усилителя 12. Выходные данные с АЦП 15 подаются в вход вычислительного устройства 16, которое содержит память программ и калибровочные данные, а также цифровой (ЦИ) и аналоговый интерфейсы (АИ).
Устройство работает следующим образом. При измерении угла напряжение Ucos подается на вход усилителя 12, на вход смещения нуля усилителя 12 подается напряжение компенсации смещения моста 2 от ЦАП 14, напряжение Usin подается на вход усилителя 11, на вход смещения нуля усилителя 11 подается напряжение компенсации смещения моста 1 от ЦАП 13. ЦАП 13, 14 выдают напряжения компенсации в соответствии с кодом, выдаваемым вычислительным устройством 16 по калибровочным данным. Напряжение с усилителя 11 подается на измерительный вход АЦП 15, напряжение с усилителя 12 подается на вход опорного напряжения АЦП 15. Таким образом АЦП измеряет отношение напряжений или тангенс угла. На основании полученного цифрового кода тангенса от АЦП 15 вычислительное устройство 16 рассчитывает угол по алгоритму CORDIC с компенсацией разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов. Значение угла вычислительное устройство 16 выдает по цифровому или аналоговому интерфейсу.
Последовательность калибровки иллюстрирует фиг. 3, на которой изображены центры окружностей формирования выходных напряжений синус и косинус соответственно идеального моста и реального, углы магнитной системы, при которых выполняется калибровка с указанием соответствующего шага калибровки. Калибровку выполняют в составе прибора, содержащего измерительную магнитную систему.
Шаг 1. Магнитную систему устанавливают в положение, при котором измеренное значение угла равно нулю.
Шаги 2, 3. От установленного угла на шаге 1 магнитную систему поворачивают на заданный угол α по часовой (шаг 2) и против часовой стрелки (шаг 3), фиксируя при этом соответствующие результаты измерения углов -φ и +φ.
Шаг 4. Устанавливают калибровочный код ЦАП для компенсации напряжения смещения моста синус, при котором измеренный угол будет равен полу сумме значений углов +φ и |-φ|, зафиксированных на шагах 2 и 3.
Шаг 5. От установленного угла на шаге 1 магнитную систему поворачивают на предопределенный угол α1 с фиксацией результата измерения угла φ1.
В результате получаем уравнения:
Решая полученную систему уравнений, получаем формулу коэффициента разбаланса амплитуд напряжений мостов:
Шаг 6. Устанавливают калибровочный код ЦАП для компенсации напряжения смещения моста косинус, при котором измеренный угол φ1 будет равен углу α1 с учетом вычисленного коэффициента разбаланса по формуле 7.
Технико-экономический эффект от предложенного технического решения заключается в измерении угла за одно измерение напряжений на диагоналях мостов с компенсацией напряжений смещения мостов и разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов, выполнение калибровки устройства с использованием магнитной системы собранного изделия, а также в снижении себестоимости устройства.
Источники информации:
1. Патент РФ 78348
2. Патент РФ 127899
3. Патент США 2003/0042894
4. Патент США 6304074 - прототип
Claims (2)
1. Устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика, содержащее два моста, повернутых друг относительно друга на 45°, два усилителя, соединенные с выходами мостов и входами АЦП, два ЦАП, выходы которых соединены со входами компенсации смещения нуля усилителей, вычислительное устройство, соединенное с ЦАП и АЦП, содержащее программу для расчета угла и калибровочные данные, а также цифровой и аналоговый интерфейсы выдачи рассчитанного значения угла, отличающееся тем, что выход усилителя напряжения с диагонали второго моста соединен со входом опорного напряжения АЦП, а вычислительное устройство содержит программу для расчета угла и калибровочные данные с учетом разбаланса амплитуды напряжений с диагоналей мостов.
2. Способ калибровки устройства измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика, заключающийся в том, что на мосты подают напряжение питания, с помощью двух ЦАП на основе кодов, полученных при калибровке, формируют напряжения компенсации смещения мостов, которые складывают с напряжениями измерительных диагоналей мостов, результирующие напряжения измеряют и рассчитывают угол по алгоритму CORDIC, калибровку напряжения смещения мостов выполняют пошагово раздельно для каждого моста, отличающийся тем, что результирующие напряжения измеряют в виде отношения, а угол рассчитывают на основании измеренного отношения напряжений с компенсацией разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов, калибровку выполняют с использованием магнитной системы собранного изделия, на первом шаге устанавливают положение магнитной системы, при котором измеренный угол равен нулю, на втором и третьем шагах магнитную систему поворачивают сперва по часовой стрелке, а потом против нее на заданный угол, фиксируя при этом результаты измерения углов, на четвертом шаге устанавливают калибровочный код ЦАП для компенсации напряжений смещения первого моста, при котором измеренный угол будет равен полусумме значений углов, зафиксированных на втором и третьем шагах, на пятом шаге магнитную систему поворачивают на предопределенный угол с фиксацией результата измерения угла, на основании полученных на четвертом и пятом шагах значений фактических и измеренных углов определяют калибровочный коэффициент разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов, на шестом шаге устанавливают калибровочный код ЦАП для компенсации напряжений смещения второго моста, при котором измеренный угол с учетом калибровочного коэффициента разбаланса будет равен углу магнитной системы, установленному на пятом шаге.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015113515/28A RU2589755C1 (ru) | 2015-04-14 | 2015-04-14 | Способ калибровки и устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015113515/28A RU2589755C1 (ru) | 2015-04-14 | 2015-04-14 | Способ калибровки и устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2589755C1 true RU2589755C1 (ru) | 2016-07-10 |
Family
ID=56371316
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015113515/28A RU2589755C1 (ru) | 2015-04-14 | 2015-04-14 | Способ калибровки и устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2589755C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5021736A (en) * | 1989-09-19 | 1991-06-04 | Texas Instruments Incorporated | Speed/position sensor calibration method with angular adjustment of a magnetoresistive element |
| US6304074B1 (en) * | 1998-11-13 | 2001-10-16 | U.S. Philips Corporation | Method for the offset calibration of a magnetoresistive angle sensor including at least one wheatstone bridge |
| RU78348U1 (ru) * | 2008-06-30 | 2008-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Бесконтактный интеллектуальный датчик углового положения |
| RU127899U1 (ru) * | 2012-12-13 | 2013-05-10 | Открытое акционерное общество "Конструкторское Бюро точного машиностроения им. А.Э. Нудельмана" | Бесконтактный интеллектуальный магниторезистивный датчик углового положения |
-
2015
- 2015-04-14 RU RU2015113515/28A patent/RU2589755C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5021736A (en) * | 1989-09-19 | 1991-06-04 | Texas Instruments Incorporated | Speed/position sensor calibration method with angular adjustment of a magnetoresistive element |
| US6304074B1 (en) * | 1998-11-13 | 2001-10-16 | U.S. Philips Corporation | Method for the offset calibration of a magnetoresistive angle sensor including at least one wheatstone bridge |
| RU78348U1 (ru) * | 2008-06-30 | 2008-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Бесконтактный интеллектуальный датчик углового положения |
| RU127899U1 (ru) * | 2012-12-13 | 2013-05-10 | Открытое акционерное общество "Конструкторское Бюро точного машиностроения им. А.Э. Нудельмана" | Бесконтактный интеллектуальный магниторезистивный датчик углового положения |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108507594B (zh) | 位置传感器和位置感测的方法 | |
| JP5096442B2 (ja) | 回転角計測装置，モータシステム及び電動パワーステアリング・システム | |
| US20180017418A1 (en) | Magnetoresistive angle sensor and corresponding strong magnetic field error correction and calibration methods | |
| EP3469384B1 (en) | Magnetic field sensor having alignment error correction | |
| US10267870B2 (en) | Detecting sensor error | |
| US20190113592A1 (en) | Non-orthogonality compensation of a magnetic field sensor | |
| JP2002296072A (ja) | 角度測定装置 | |
| US20240125624A1 (en) | Position sensor devices, methods and systems based on magnetic field gradients | |
| JP6939754B2 (ja) | 角度センサおよび角度センサシステム | |
| US11946985B2 (en) | Electronic circuit for measuring an angle and an intensity of an external magnetic field | |
| US11193794B2 (en) | Rotation angle sensor, angle signal calculation method and non-transitory computer readable medium | |
| CN110865238A (zh) | 一种基于准谐波模型采样算法的交流电阻测量方法及装置 | |
| EP3147631A2 (en) | 360° magnetic rotary position sensor system and method for calculating high precision 360-degrees absolute angle of a rotating body | |
| CN115900528A (zh) | 用于无全旋转安全测量的角度传感器校准方法 | |
| US11175160B2 (en) | Magnetic field sensor and method with reduced distortion measurement in sideshaft applications | |
| KR100528644B1 (ko) | 차량용 조향축의 절대조향각 측정방법 | |
| IE46337B1 (en) | Error correction in electrical meters | |
| RU2589755C1 (ru) | Способ калибровки и устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика | |
| JP2003240598A (ja) | デジタル角度測定システム | |
| JP6947194B2 (ja) | 信号処理回路および磁気センサシステム | |
| Bhaskarrao et al. | A simple and efficient front-end circuit for Magneto-resistive angle sensors | |
| Anoop et al. | Tunneling magneto-resistor based angle transducer | |
| RU2714591C1 (ru) | Гибридный способ измерения углового положения | |
| JPH11190606A (ja) | 回転量測定方法および回転量測定装置 | |
| RU189784U1 (ru) | Устройство автоматического контроля цифрового преобразователя угла |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20170913 |