專利名稱：基于霍爾電路編碼的行程傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種行程傳感器，具體說是一種用于位置檢測的基于霍爾電路編碼的行程傳感器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)行程傳感器多采用干簧管電阻分壓式，通過觸發(fā)不同的干簧管得到不同的電壓值來判斷位置。但是干簧管在震動(dòng)環(huán)境中易碎，開關(guān)易抖動(dòng)，長期使用后易吸合，導(dǎo)致整個(gè)行程傳感器報(bào)廢。而且采用干簧管的行程傳感器輸出精確度相對(duì)較差且不可調(diào)節(jié)，由于干簧管體積大，安裝密度無法很高，因此行程傳感器分辨率也較差。
發(fā)明內(nèi)容發(fā)明目的本實(shí)用新型就是針對(duì)上述不足，提供一種基于霍爾電路編碼的行程傳感器，解決現(xiàn)有行程傳感器精度低、使用壽命短的問題。為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用了如下的技術(shù)方案一種基于霍爾電路編碼的行程傳感器，包括非磁性金屬材料制成的金屬管，在金屬管上套設(shè)有與金屬管外徑相適配的磁環(huán)；在金屬管內(nèi)設(shè)有若干霍爾電路陣列，霍爾電路陣列分別通過各子單片機(jī)與主單片機(jī)相連，主單片機(jī)的輸出端連接有運(yùn)算放大電路，運(yùn)算放大電路與外引線相連。其中，在金屬管內(nèi)設(shè)有與金屬管內(nèi)徑、長度適配的雙面印制板，霍爾電路陣列安裝在雙面印制板上，各子單片機(jī)、主單片機(jī)和運(yùn)算放大電路設(shè)置在雙面印制板的另一面。其中，所述的霍爾電路陣列由若干貼片式AH3661微功耗數(shù)字霍爾電路沿金屬管軸線方向分成兩排交錯(cuò)排布在雙面印制板上。其中，所述的金屬管的端部采用密封材料密封?；魻栯娐纷鳛榇怒h(huán)位置(也就是行程位置)的感知元件，霍爾電路與磁環(huán)之間的配置采用冗余設(shè)計(jì)，要求磁環(huán)設(shè)計(jì)成適當(dāng)?shù)拇笮?，以確保當(dāng)磁環(huán)位于某一位置時(shí)，能觸發(fā)對(duì)應(yīng)于磁環(huán)附近連續(xù)多個(gè)(例如3個(gè))霍爾電路同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出低電平；而其余所有霍爾電路均處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出高電平。本實(shí)用新型的工作原理由于所有霍爾電路均一線排列，每個(gè)霍爾電路的工作狀態(tài)和磁環(huán)的位置呈現(xiàn)著對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)磁環(huán)隨運(yùn)動(dòng)部件停留在某一位置時(shí)，附近的霍爾電路被觸發(fā)，處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出低電平，而其他霍爾電路則處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出高電平。這樣， 采集和分析了霍爾電路陣列中每個(gè)霍爾電路的電平信號(hào)，即可判斷出磁環(huán)的位置。而磁環(huán)位置又是與待測行程運(yùn)動(dòng)部件相連接的，因此，霍爾電路電平信號(hào)和行程位置存在唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用單片機(jī)對(duì)霍爾電路進(jìn)行掃描和編碼，查尋霍爾電路的電平信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)行程的主動(dòng)檢測。有益效果(1)安全性高霍爾電路是一種無觸點(diǎn)電子開關(guān)，無機(jī)械磨損、無電火花，壽命長，安全可靠，特別適合于易燃易爆領(lǐng)域如煤礦、油庫中使用。(2)可靠性高與傳統(tǒng)傳感器被動(dòng)位置檢測方式不同，本實(shí)用新型使用單片機(jī)通信技術(shù)對(duì)霍爾電路主動(dòng)進(jìn)行掃描和編碼，使得傳感器具有自動(dòng)糾錯(cuò)功能，即使有個(gè)別霍爾電路失效，仍可依靠其他正常工作的霍爾電路準(zhǔn)確地判斷行程位置。(3)分辨率高本實(shí)用新型采用的霍爾電路為貼片封裝工藝，并且在印制板上密集排列，安裝密度目前為小于等于3mm每個(gè)，即檢測的分辨率可以達(dá)到3mm，比傳統(tǒng)干簧管提高很多，因此大大地提高了位置檢測分辨率。(4)功耗低以行程192mm為例，傳感器整體功耗電流小于等于7mA。(5)智能化與傳統(tǒng)傳感器信號(hào)單向傳輸不同，本實(shí)用新型通過單片機(jī)通信實(shí)現(xiàn)各電路單元與主機(jī)間的信號(hào)雙向互聯(lián)，主機(jī)輸出信號(hào)可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且備有通信接口供日后與上位機(jī)相連，從而方便于檢測現(xiàn)場智能化管理。

圖1為本實(shí)用新型的行程傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的電路單元電連接原理圖。圖3為本實(shí)用新型的測量流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明。如圖1所示，本實(shí)用新型包括非磁性金屬材料，如不銹鋼材料制成的金屬管1，在金屬管1上套設(shè)有與金屬管外徑相適配的磁環(huán)2，磁環(huán)2由軸向充磁的鐵氧體制成，磁環(huán)2 安裝在可隨行程移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)部件上，當(dāng)行程變動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件帶動(dòng)磁環(huán)2沿金屬管外壁滑動(dòng)。所述磁環(huán)2的磁感應(yīng)強(qiáng)度可觸發(fā)附近連續(xù)η個(gè)霍爾電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，而其他霍爾電路則處于截止?fàn)顟B(tài)；其中，η彡3。根據(jù)實(shí)際需要可以通過調(diào)整磁環(huán)2的尺寸來調(diào)整其可以同時(shí)觸發(fā)的霍爾電路的數(shù)量。在金屬管1內(nèi)設(shè)有與金屬管1內(nèi)徑、長度、形狀等適配的雙面印制板8，若干霍爾電路陣列3安裝在雙面印制板8的一面，各個(gè)子單片機(jī)4、主單片機(jī)5和運(yùn)算放大電路6設(shè)置在雙面印制板8的另一面?；魻栯娐逢嚵?分別通過各子單片機(jī)4與主單片機(jī)5相連，主單片機(jī)5的輸出端連接有運(yùn)算放大電路6，運(yùn)算放大電路6與外引線7 相連。金屬管1的端部采用密封材料9密封，如密封材料采用環(huán)氧樹脂。所述的霍爾電路陣列3由若干貼片式ΑΗ3661微功耗數(shù)字霍爾電路沿金屬管1軸線方向交錯(cuò)排布在雙面印制板8上。ΑΗ3661型微功耗數(shù)字霍爾集成電路的芯片上集成有霍爾電壓發(fā)生器、電源定時(shí)開關(guān)電路單元、動(dòng)態(tài)失調(diào)電壓補(bǔ)償電路單元、取樣與保持電路單元、差分放大器、雙觸發(fā)器、輸出鎖、MOS場效應(yīng)輸出管等電路單元。芯片中設(shè)置的電源定時(shí)開關(guān)電路可控制霍爾電路交替處于“休眠”和“喚醒”狀態(tài)，在2. 75V供電情況下，“休眠”時(shí)電源電流為2 μ Α，“喚醒”時(shí)為3mA，平均約為2. 75 μ Α,平均功耗只有8 μ W，比傳統(tǒng)霍爾電路功耗降低3到4個(gè)數(shù)量級(jí)；設(shè)置動(dòng)態(tài)失調(diào)電壓補(bǔ)償電路，是為了消除溫度和機(jī)械應(yīng)力對(duì)霍爾電壓發(fā)生器產(chǎn)生的失調(diào)電壓，提高霍爾電路的溫度穩(wěn)定性和磁場的對(duì)稱性；雙觸發(fā)器的設(shè)置則是為了使霍爾電路具有全磁極觸發(fā)功能，即無論使用N極或S極磁場均可觸發(fā)霍爾電路工作，改變了傳統(tǒng)霍爾電路必須固定使用某一特定磁極觸發(fā)的缺點(diǎn)，使得使用更為方便。上述型號(hào)的霍爾電路可由南京艾馳電子科技有限公司購得。所述磁環(huán)2的磁感應(yīng)強(qiáng)度可觸發(fā)連續(xù)η個(gè)霍爾電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，而其他霍爾電路則處于截止?fàn)顟B(tài)；其中η > 3。所述的金屬管1的端部采用密封材料9密封。以要求傳感器行程測量范圍192mm，分辨率3mm為例，經(jīng)計(jì)算，需要兩組霍爾電路陣列3，金屬管1的長度MOmm，外徑16mm，內(nèi)徑13mm。磁環(huán)外徑Mmm，內(nèi)徑18mm，厚度6mm。 磁環(huán)軸心附近磁感應(yīng)強(qiáng)度約5mT (毫特斯拉)。磁環(huán)安裝在可隨行程移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)部件連接器上，當(dāng)行程變動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件連接器帶動(dòng)磁環(huán)2沿金屬管1的外壁滑動(dòng)。雙面印制板8的正面上裝有2組霍爾電路陣列3，每組霍爾電路陣列3由32個(gè)貼片式AH3661微功耗高靈敏度數(shù)字霍爾電路組成。所述霍爾電路導(dǎo)通點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度(典型值)為3. 5mT，截止點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度(典型值)為2. 5mT，與所述磁環(huán)的磁感應(yīng)強(qiáng)度相匹配；霍爾電路為貼片式封裝，外形尺寸為3 X 3 X 1 (mm)，考慮到焊盤等因素，霍爾電路需要兩排錯(cuò)位安裝，以滿足分辨率3mm的要求。雙面印制板8背面對(duì)應(yīng)于霍爾電路陣列3的位置處設(shè)有兩個(gè)子單片機(jī)4。子單片機(jī)4的型號(hào)為ATmegaUS-USl、64腳MLF封裝。子單片機(jī)4分別與對(duì)應(yīng)的霍爾電路陣列3 組成基本通信單元，基本通信單元數(shù)量可根據(jù)待測行程范圍的需要進(jìn)行擴(kuò)展。基本通信單元通過兩線串行通信(I2C或者SMBUQ與主單片機(jī)5相連。雙面印制板8背面上方還裝有主單片機(jī)5和運(yùn)算放大電路6。單片機(jī)5的型號(hào)為 ATmega 8-81,32 腳 MLF 封裝。本實(shí)用新型的電連接關(guān)系如圖2所示。本實(shí)用新型各個(gè)霍爾電路陣列3分別連接有一個(gè)子單片機(jī)4，各個(gè)子單片機(jī)4均與主單片機(jī)5電連接，主單片機(jī)5與運(yùn)算放大電路6 電連接。如圖3所示，具體測量過程如下通電后，主單片機(jī)5和子單片機(jī)4分別初始化，主單片機(jī)5準(zhǔn)備掃描子單片機(jī)4的通信寄存器。同時(shí)，各組基本通信單元的子單片機(jī)4分別查尋各自存儲(chǔ)器中是否存在記錄的失效的霍爾電路，若存在，則將該霍爾電路剔除在掃描范圍之外，然后掃描當(dāng)前霍爾電路工作狀態(tài)，并將霍爾電路當(dāng)前工作狀態(tài)送入子單片機(jī)4的通信寄存器，等待主單片機(jī)5查尋。子單片機(jī)根據(jù)查詢到的單個(gè)霍爾電路的信息，將其狀態(tài)分為導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)，導(dǎo)通狀態(tài)輸出低電平，對(duì)應(yīng)的編碼為O ；截止?fàn)顟B(tài)輸出高電平，對(duì)應(yīng)的編碼為1，子單片機(jī)將各個(gè)霍爾電路對(duì)應(yīng)的編碼輸入到其通信寄存器保存。主單片機(jī)5采集得到兩組子單片機(jī)4當(dāng)前霍爾電路工作狀態(tài)的編碼后，進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合處理。為了使傳感器具有自動(dòng)糾錯(cuò)功能，本實(shí)用新型采用冗余設(shè)計(jì)，即要求磁環(huán)觸發(fā)霍爾電路陣列時(shí)，陣列中同時(shí)被觸發(fā)的霍爾電路始終保持在η個(gè)。同時(shí)設(shè)定磁環(huán)能夠保證同時(shí)觸發(fā)η個(gè)霍爾電路，并設(shè)定只有掃描到m或m個(gè)以上導(dǎo)通的霍爾電路才視為磁環(huán)運(yùn)動(dòng)位置確定，主單片機(jī)5將連續(xù)導(dǎo)通的η個(gè)霍爾電路的中點(diǎn)視為當(dāng)前磁環(huán)位置，計(jì)算出當(dāng)前磁環(huán)位置后將它轉(zhuǎn)化成行程信息，送入信號(hào)放大單元，完成一次數(shù)據(jù)輸出。重復(fù)上述步驟保持信號(hào)更新。其中，η彡3，且η彡m彡2，n、m均為整數(shù)。當(dāng)m = η時(shí)，設(shè)定掃描到m個(gè)導(dǎo)通的霍爾電路才視為磁環(huán)運(yùn)動(dòng)位置確定；當(dāng)2 < m < η時(shí)，設(shè)定掃描到m個(gè)或m個(gè)以上導(dǎo)通的霍爾電路才視為磁環(huán)運(yùn)動(dòng)位置確定。同時(shí)，若主單片機(jī)發(fā)現(xiàn)有失效的霍爾電路，則將該霍爾電路對(duì)應(yīng)的編碼信息發(fā)送到對(duì)應(yīng)的子單片機(jī)的存儲(chǔ)器中；判斷失效的霍爾電路的方法是若主單片機(jī)5發(fā)現(xiàn)連續(xù)η 個(gè)霍爾電路中只有單獨(dú)1個(gè)霍爾電路輸出低電平，則將其視為失效并將其信息發(fā)送給子單片機(jī)4的通信寄存器，將該電路視為失效霍爾電路，子單片機(jī)在下次掃描時(shí)，自動(dòng)忽略該霍爾電路，并將該霍爾電路視為輸出高電平。這樣判斷位置并不依靠單個(gè)霍爾電路，而依靠另外幾個(gè)正常工作的霍爾電路仍然可以準(zhǔn)確地判斷行程位置。其中η > 3，且η > m > 2，η、 m均為整數(shù)。例如，在本實(shí)施例中，設(shè)定磁環(huán)保證依次能同時(shí)觸發(fā)連續(xù)3個(gè)霍爾電路導(dǎo)通，設(shè)定判斷磁環(huán)位置的標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)3個(gè)電路中有2個(gè)或3個(gè)霍爾電路導(dǎo)通時(shí)，才視為磁環(huán)運(yùn)動(dòng)到這3個(gè)霍爾電路中位于中間的霍爾電路處。每一子單片機(jī)4 一次向主單片機(jī)5發(fā)送四組8位二進(jìn)制數(shù)，這四組8位二進(jìn)制數(shù)分別與霍爾電路陣列3中的32個(gè)霍爾電路一一對(duì)應(yīng)。同時(shí)由于霍爾電路截止時(shí)輸出的高電平對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)中的“ 1，，；導(dǎo)通時(shí)，輸出的低電平對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)中的“0”。而霍爾電路失效時(shí)可能輸出低電平，也可能輸出高電平；因此需要根據(jù)四組二進(jìn)制數(shù)來判斷到底有幾個(gè)霍爾電路導(dǎo)通。例如將32個(gè)霍爾電路依次編號(hào)為1、2、3、4......32，假設(shè)磁環(huán)觸發(fā)了其中17、
18、19號(hào)三個(gè)連續(xù)的霍爾電路使他們輸出低電平，并且M號(hào)霍爾電路失效后也輸出低電平，則子單片機(jī)4向主單片機(jī)5發(fā)送如下四組8位二進(jìn)制數(shù)0B11111111，0B11111111， 0B00011110，0B11111111。主單片機(jī)5收到這四組8位二進(jìn)制數(shù)后先將第一組、第二組和第四組0B11111111數(shù)據(jù)忽略，這些數(shù)據(jù)代表這些霍爾電路處于截止?fàn)顟B(tài)。重點(diǎn)分析第三組 0B_111坦，對(duì)其進(jìn)行右位移操作，從而將八位二進(jìn)制數(shù)變成八個(gè)數(shù)字0，0，0，1，1，1，1，0， 依次對(duì)應(yīng)第17，18，19，20，21，22，23，24號(hào)霍爾電路輸出的電平。從右往左依次分析24號(hào)霍爾電路輸出為0，23號(hào)霍爾電路輸出為1，22號(hào)霍爾電路輸出為1，根據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)3個(gè)霍爾電路中必須至少有2個(gè)霍爾電路導(dǎo)通才視為磁環(huán)運(yùn)動(dòng)到該位置，故判斷M號(hào)霍爾電路為失效電路；再依次對(duì)22，21，20號(hào)霍爾電路分析，均為1則表示都處于截止?fàn)顟B(tài)。再分析19號(hào)霍爾電路，發(fā)現(xiàn)其輸出為0，18號(hào)霍爾電路輸出是0，連續(xù)有2個(gè)霍爾電路導(dǎo)通；再看17霍爾電路輸出是0，連續(xù)3個(gè)霍爾電路導(dǎo)通，則目前磁環(huán)位置在18號(hào)霍爾電路上。若18號(hào)霍爾電路位于兩組霍爾電路陣列3中的上面一組，由于運(yùn)動(dòng)部件帶著磁環(huán)從下往上運(yùn)動(dòng)，則18 號(hào)霍爾電路對(duì)應(yīng)的位置為(18+32) X 3 = 150mm，故判斷出磁環(huán)的位置距離最下方霍爾電路 150mm 處。同時(shí)，主單片機(jī)將M號(hào)霍爾電路視為失效電路，將其信息發(fā)送給子單片機(jī)的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。下次掃描時(shí)直接忽略并將其輸出值為“1”。通過以上算法后電路中只要不出現(xiàn)連續(xù)失效的霍爾電路，都可以判斷磁環(huán)的準(zhǔn)確位置。上述傳感器經(jīng)實(shí)際檢測，使用的電源電壓為12V，行程范圍為192mm，分辨率為 3mm，功耗電流為7mA。各項(xiàng)指標(biāo)完全達(dá)到原設(shè)計(jì)要求。根據(jù)待測的行程范圍，可相應(yīng)擴(kuò)展霍爾電路陣列數(shù)量。例如待測行程測量范圍為 480mm?？蓪⒒魻栯娐逢嚵袛U(kuò)展為5組，每組由32個(gè)霍爾電路組成，對(duì)應(yīng)有5個(gè)子信號(hào)處理單元。實(shí)際行程傳感器總長為520mm，分辨率為3mm，功耗電流為13mA。以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種基于霍爾電路編碼的行程傳感器，包括非磁性金屬材料制成的金屬管(1)，在金屬管(1)上套設(shè)有與金屬管外徑相適配的磁環(huán)O)；其特征在于在金屬管(1)內(nèi)設(shè)有若干霍爾電路陣列(3)，霍爾電路陣列(3)分別通過各子單片機(jī)⑷與主單片機(jī)(5)相連，主單片機(jī)(5)的輸出端連接有運(yùn)算放大電路(6)，運(yùn)算放大電路(6)與外引線(7)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于霍爾電路編碼的行程傳感器，其特征在于在金屬管⑴內(nèi)設(shè)有與金屬管⑴內(nèi)徑、長度適配的雙面印制板(8)，霍爾電路陣列(3)安裝在雙面印制板(8)上，各子單片機(jī)(4)、主單片機(jī)( 和運(yùn)算放大電路(6)設(shè)置在雙面印制板(8) 的另一面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于霍爾電路編碼的行程傳感器，其特征在于所述的霍爾電路陣列⑶由若干貼片式AH3661微功耗數(shù)字霍爾電路沿金屬管(1)軸線方向分成兩排交錯(cuò)排布在雙面印制板(8)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于霍爾電路編碼的行程傳感器，其特征在于所述的磁環(huán)( 為軸向充磁的鐵氧體磁環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種基于霍爾電路編碼的行程傳感器，其特征在于所述的金屬管(1)的端部采用密封材料(9)密封。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于霍爾電路編碼的行程傳感器，包括非磁性金屬材料制成的金屬管，在金屬管上套設(shè)有與金屬管外徑相適配的磁環(huán)；在金屬管內(nèi)設(shè)有若干霍爾電路陣列，霍爾電路陣列分別通過各子單片機(jī)與主單片機(jī)相連，主單片機(jī)的輸出端連接有運(yùn)算放大電路，運(yùn)算放大電路與外引線相連。本實(shí)用新型的安全性、可靠性高，分辨率高，檢測分辨率可以達(dá)到3mm，比傳統(tǒng)干簧管提高很多，因此大大地提高了位置檢測分辨率；功耗低以行程192mm為例，傳感器整體功耗電流小于等于7mA；智能化具有自動(dòng)糾錯(cuò)和信號(hào)雙向傳輸功能，便于檢測現(xiàn)場智能化管理。
文檔編號(hào)G01B7/02GK202041169SQ20112007816
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者凌超, 劉玉林, 崔義煒, 朱云, 李云方, 鄭主惠 申請(qǐng)人:南京艾馳電子科技有限公司