TWI611165B - 積木式電位計 - Google Patents

Description

積木式電位計

本發明係關於一種利用電位計之量測裝置，特別是關於一種利用霍爾效應之可變行程電位計。

現今市面上之位移量測裝置種類繁多，最常見的諸如光學尺，電位計，以及精度高但價格不婓的雷射測距儀等，使用者可根據量測需求、精度、環境等因素選擇自己所需之設備。

光學尺是一種利用光學原理之位移量測裝置，光學尺的內部基本結構是由光柵尺，光罩板與複數發光元件及複數感測元件所組合而成，其中光柵尺及光罩板都是由間隔均勻分布的透明及不透明的線條相隔而成，光柵尺之透明與不透明的線條間隔距離相等，而光罩板之線條的分布大致可分為兩大部分，例如可分為A光罩板與B光罩板，兩光罩版間有90°的角度差，即為當光罩板A與光柵尺之透明與不透明部分排列整齊時，光罩板B與光柵尺之透明與不透明部分相差0.25光柵週期，反之亦同，其中光學尺中的發光元件則排列在光柵尺背面，感測元件則位於光罩板A與光罩板B背面，而當光學尺使用時，光柵尺及發光器是固定不動，係利用移 動光罩板及感測器測量位移；一般光學尺之外型具有金屬外殼，而較新型之光學尺已無金屬外殼，是以一組滑塊搭配一組磁性尺身達到與傳統光學尺相同之功能，此類型之優點為構造較輕盈，但黏貼尺身時手續繁雜，需有專門人員黏貼。

電位計依其感應原理的不同而大致可分為三類，第一類為非接觸磁感應型電位計，是由霍爾元件與永久磁石構成，永久磁石與偏壓線圈之間的位移所產生的磁場變化藉由霍爾元件轉換為電訊號。

第二類為非接觸磁阻變化型電位計由磁感式電阻元件與永久磁石所構成，是將永久磁石固定而磁感式電阻元件位移而得到阻抗變化，經過分壓量取中間電壓輸出，即可換算位移量。

第三類為接觸型導電橡膠電位計，是以精製碳元素細填充劑與合成樹脂的表面壓縮加熱一體成型的元件，平坦的滑動面印刷上碳元素系，製作時以雷射切割調校方式，調整局部電阻，使其有精密性的電壓-位置性能。

然而這些市面上的位移量測裝置共通的缺點為裝置購買後，行程即被限定，若要改變行程，不論是增加或減少，需要購買其他位移系統，且大行程之導軌將佔掉過多的空間，導致攜帶不易。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明特別提供一種 可變行程之位移量測裝置，整合一磁塊滑軌單元、一磁場感測單元及一訊號處理單元等，以可分段式之滑軌及磁場感測單元，達成可變行程，且容易製造、安裝、拆卸、攜帶，並以模組化設計降低製作成本。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種積木式電位計，包括：一磁塊滑軌單元，包含一磁塊、一滑軌，該磁塊設置於該滑軌上；一磁場感測單元，平行磁塊滑軌單元設置，其包含單一或複數霍爾元件、一電路板，該霍爾元件與該電路板電性相連，此電路板能以類似積木的方式串聯，達到彈性調整感測距離的目的；一訊號處理單元，電性相連該磁場感測單元，用以接收該磁場感測單元所傳來的感測訊號，以計算出該磁塊的移動距離。

上述中滑軌係以可以拆式結構組成，具增加或減少該滑軌長度的功能，而其相對應的霍爾元件的數量可以依該滑軌長度而變動，且該霍爾元件可以電磁感測方式來感測該磁塊在滑軌上的位置；霍爾元件可以直接設置於該電路板上，也可以電性相連的方式與一電路板連結，而藉由電路板可將複數霍爾元件感應的訊號作統計，上述中磁場感測單元所產生之感測訊號，可以為電壓值(但不以此為限)；該訊號處理單元內建一電壓位置資訊，可作為磁塊位置判斷依據，因霍爾元件與磁塊之間的距離係依霍爾元件以電磁感測方式感測到的霍爾電壓值來設計，訊號處理單元可將電壓值與電壓 位置資訊作比對，因而可判斷出該磁塊位置。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

110‧‧‧磁塊滑軌單元

111‧‧‧滑軌

112‧‧‧磁塊

120‧‧‧磁場感測單元

121‧‧‧霍爾元件

122‧‧‧電路板

131‧‧‧訊號處理單元

211‧‧‧滑軌

211-1‧‧‧側板

211-2‧‧‧蓋板

211-3‧‧‧底板

212‧‧‧滑塊

221‧‧‧霍爾元件

222‧‧‧電路板

341‧‧‧GND

342‧‧‧正電

343‧‧‧訊號線

351‧‧‧Pin針

352‧‧‧Pin針套筒

410‧‧‧線性滑軌

420‧‧‧滑軌載台

第一圖係為本發明一種積木式電位計的基本結構示意圖；第二圖係為本發明一種積木式電位計爆炸示意圖；第三圖係為本發明一種積木式電位計的電路板對接示意圖；第四圖係為本發明另一種積木式電位計示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

本發明藉由霍爾元件(Hall device，又稱為線性霍爾效應感測器Linear Hall-effect Sensor IC，LHE)之霍爾效應(Hall effect)，設計出一種可變行程之磁場感測單元，可較習知技術進一步調整適當的電位計長度；本發明中非接觸式 感測技術係利用磁塊與複數霍爾元件，主因為磁塊可提供能讓線性霍爾元件輸出與位置相關關係的訊號，而複數霍爾元件可增加或減少感測的距離，多組線性霍爾元件的輸出訊號可確保訊號處理單元比對出磁塊的正確位置。

本發明設計出之架構請參閱第一圖，一組LHE 121被安裝在一片電路板122上，一磁塊112安裝在滑軌111上，該磁塊體積小，無須設計特殊形狀，亦無需精確控制充磁強度，使滑軌置於距離感測器適當的地方，以LHE偵測的磁場資訊，傳給訊號處理單元131(Micro control unit，MCU)，MCU根據LHE傳入的資訊以查表的方式(比對內建的電壓位置資訊)計算磁塊位置，以及對應到該磁塊位置時的兩組輸出電壓，即為本發明之位置感測概念，無論是滑軌長度或LHE數量皆可依照需求給予增加或減少。

實施例

請參閱第二圖，為本發明積木式電位計爆炸示意圖。如圖所示，將整體結構分為承載整體機構的底板211-3，作為感測輸出的霍爾元件221及其處理電路的電路板222，附有磁塊與受測體連結的滑塊212，提供滑塊滑動平面的蓋板211-2，限制各區塊位置的側板211-1；整體滑軌設計步驟如下：1.確認磁塊長度，並對此磁塊量測其與霍爾元件之間輸出較佳距離，LHE電壓輸出範圍視該元件供電條件及特性而定。於本實施例中，磁塊總長度46mm，而磁塊與霍爾元件 間大約留下3-4mm之距離；2.決定各霍爾元件之間的距離，其距離應小於磁塊長度，以避免MCU訊號判斷失敗，此值即為電路板長度。本實施例霍爾元件之間的距離約磁塊0.9倍，46*0.9=41.4mm，取41mm；3.決定增加/減少長度之基本單位，其值應為電路板長度之倍數，本實施例取電路板5倍之距離，即205mm作為單次增加/減少之距離，若增減之距離與此基本距離不同，則可在末端製作一較短之模組以配合全長；4.設計時應避免銜接處重疊，以避免組裝時工差的問題放大，造成整阻機構歪斜，因此不能將各區塊長度切為一致，為解決此問題，將底板切為五塊，蓋板四塊，側板八塊，雙側板塊長度與中間板塊長度不一樣；5.完整電路板設計，因完整機構中，電路板是一塊塊拼裝出來的，若直接焊線將會造成組裝上的麻煩，本實施例以Pin針對接的方式取代焊線的方式，只需將各霍爾元件訊號線接出即可，底板承載整組電位計的重量，上方放置電路板，側板有數個溝槽，可放置電路板及蓋板，並使滑塊滑動時只有一個自由度，而蓋板為提供滑塊滑動之平台，若有水密之需求可在交界處點膠等處理。

請參閱第三圖，為本發明之電路板對接示意圖。為因應可變行程之滑軌，電路板亦須拆裝數塊，不能直接以SMD作法相接通，若以直接焊線之方式除了不方便拆裝，更會造成線路擁擠，因此，電路板將訊號線343獨立接出，而正電342及GND 341在每片電路板前後以一公一母Pin針的 方式聯結；正電及GND將分別聯接Pin針351以及Pin針套筒352，唯有將訊號線獨立拉出，其兩兩對接，即各電路板皆有兩套Pin針以及Pin針套筒，以方便組裝對接，此設計可免除焊線之麻煩，且可方便安裝及拆卸，對插時由於有滑軌之限制，不會有插錯之疑慮，下方輸出口為訊號輸出，最終將各條訊號線連接至接頭對外聯結即可。

裝置的輸出訊號一般為0-5V之直流電壓，此直流電壓可以數位類比轉換晶片(DAC)達成，或以脈波寬度調變(Pulse width modulation，PWM)經低通濾波的方式達成，視使用與成本考量而定。本發明之輸出，除直流電壓外，尚可利用MCU之數位介面，提供並列數位輸出介面，或串列UART(RS232/422/485)、CAN、SPI、LIN，以及I2C等介面，或以PWM之方式輸出，可大幅提升產品之附加價值及應用場合。

本發明使用之磁塊類型不需特別設計其外型，一般長方形、圓形，或任意形狀之磁塊均可應用，但為節省空間，長方形之磁塊較佳，但若選擇長方形縱向磁塊，會使訊號範圍只剩一半(N極只對應到2.5~4.5V，S極只對應到0.5V~2.5V)，故長方形橫向充磁磁塊為最佳選擇，可使訊號範圍約為(0.5~4.5V)，選用磁塊時需注意磁塊與LHE的距離，使得LHE的輸出範圍不超過MCU ADC(類比數位資料轉換器Analog-to-digital converter，ADC)的輸入範圍，選擇磁塊時需注意磁塊的長度應足夠，其長度應能使得MCU(訊號處理單元) 可由資料表(內建的電壓位置資訊)搜尋到唯一對應位置，若磁塊太短，可能使MCU無法由資料表(內建的電壓位置資訊)以LHE的資料反推磁塊位置。

當LHE數量增加時，資料表的欄數也會增加，且MCU(訊號處理單元)若要掃描所有LHE的輸出，AD轉換所需的時間也會增加，實際上MCU做AD轉換的時間遠大於計算時間，本發明提出局部掃描技術，僅在開機啟動時掃描所有AD頻道找出起始位置，之後根據磁塊目前位置去掃描在該位置附近的2組LHE即可，此原因為磁塊附近的2顆LHE感應的磁場資料變化較明顯，其他較遠位置的LHE感應不到磁塊的磁場變化，無需掃描距離磁塊較遠的LHE的訊號；而成本方面，增加多出的LHE或是ADC晶片，產品製作與校驗流程無須大幅改變，MCU的等級亦無需隨調器長度而提升，可精簡成本。量產時在校正夾具上將不同長度的產品納入考慮即可。

本發明的校正實施例請參閱第四圖，一組磁塊吸附在一滑軌載台420上，滑軌載台420與一線性滑軌410連接，此滑軌410除了讓機構可保持直線移動，並記錄滑軌載台420的位移(此功能可由外部光學尺輕易達成)，作為霍爾元件矯正訊號之使用，當訊號完成校正，可將線性滑軌移除。此圖示中，各LHE隨磁塊滑動而變化的訊號經ADC介面傳給MCU，MCU同時擷取校正滑軌之光學尺訊號，將所有資料透 過UART或其他介面傳遞給個人電腦，在個人電腦端設計適當介面，處理MCU傳來的校正資料，寫成資料表後，燒錄進MCU，達成獨立運作的功能。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

110‧‧‧磁塊滑軌單元

111‧‧‧滑軌

112‧‧‧磁塊

120‧‧‧磁場感測單元

121‧‧‧霍爾元件

122‧‧‧電路板

131‧‧‧訊號處理單元

Claims (8)

1. 一種積木式電位計，包括：一磁塊滑軌單元，包含一磁塊、一滑軌，該磁塊設置於該滑軌上，該滑軌係以可拆式結構組成，具增加或減少該滑軌長度的功能；一磁場感測單元，平行磁塊滑軌單元設置，其包含單一或複數霍爾元件、一電路板，該霍爾元件與該電路板電性相連，此電路板能以類似積木的方式串聯；一訊號處理單元，電性相連該磁場感測單元，用以接收該磁場感測單元所傳來的感測訊號，該訊號處理單元內建一電壓位置資訊；其中根據該磁塊去感應在該磁塊位置附近的霍爾元件，再利用該電壓位置資訊比對出該磁塊的位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之積木式電位計，其中，該磁場感測單元能以類似積木的方式串聯，達到彈性調整裝置長度的目的。
3. 如申請專利範圍第1項所述之積木式電位計，其中，該霍爾元件係以電磁感測方式來感測該磁塊的位置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之積木式電位計，其中，該霍爾元件係設置於該電路板上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之積木式電位計，其中，該感測訊號係為一電壓值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之積木式電位計，其中，該訊號處理單元係內建一電壓位置資訊。
7. 如申請專利範圍第6項所述之積木式電位計，其中，該訊號處理單元係將該電壓值與該電壓位置資訊作比對，而判斷出該磁塊位置。
8. 如申請專利範圍第1項所述之積木式電位計，其中，該霍爾元件與該磁塊的距離係依該霍爾元件以電磁感測方式感測到的霍爾電壓值來設計。