阅读说明：本技术 一种基于巨磁阻效应的非接触角位移传感器及测量方法 (Non-contact angle displacement sensor based on giant magnetoresistance effect and measurement method ) 是由 欧阳勇 杨超 张朝坤 刘毅 胡军 于 2020-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于巨磁阻效应的非接触角位移传感器及测量方法,包括传感单元、激励单元,所述传感单元包括固定法兰、长度调节件、电路容纳件、电路板；所述电路板包括巨磁阻芯片、处理芯片,巨磁阻芯片位于电路板中间,电路板设置在电路容纳件底部中间；所述激励单元包括磁条、上壳体,所述磁条固定于上壳体底部的中间；所述传感单元安装到待测转轴的轴向外侧的固定壁上,所述激励单元安装在待测转轴的一端头部,安装后的传感单元与激励单元处于同一轴心。该基于巨磁阻效应的非接触角位移传感器具有灵敏度突出、测量精度高、使用寿命长的特点,并且防护等级更高、使用功耗更低、体积更小、价格也较便宜,适合于广泛推广应用。(The invention discloses a non-contact angle displacement sensor based on giant magnetoresistance effect and a measuring method, wherein the sensor comprises a sensing unit and an excitation unit, wherein the sensing unit comprises a fixed flange, a length adjusting piece, a circuit accommodating piece and a circuit board; the circuit board comprises a giant magnetoresistance chip and a processing chip, wherein the giant magnetoresistance chip is positioned in the middle of the circuit board, and the circuit board is arranged in the middle of the bottom of the circuit accommodating part; the excitation unit comprises a magnetic strip and an upper shell, and the magnetic strip is fixed in the middle of the bottom of the upper shell; the sensing unit is installed on the fixed wall of the axial outside of the rotating shaft to be tested, the exciting unit is installed at the head of one end of the rotating shaft to be tested, and the installed sensing unit and the exciting unit are located in the same axis. The non-contact angle displacement sensor based on the giant magnetoresistance effect has the characteristics of outstanding sensitivity, high measurement precision and long service life, is higher in protection level, lower in use power consumption, smaller in volume and lower in price, and is suitable for wide popularization and application.)

一种基于巨磁阻效应的非接触角位移传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种基于巨磁阻效应的非接触角位移传感器及测量方法。

背景技术

目前，在工程机械、电气设备、航空航天等众多机械传动应用领域，常常使用传感器对其旋转机构的旋转速度和角度进行检测。其中，角度传感器一般安装在转向机构上，角度传感器与信号处理电路连接，信号处理电路与显示电路连接，这样便可以将转向机构转动的角度转换为可读取的电信号，并在显示电路中显示出来，进一步提高方向控制的准确性和及时性。

现有的角度传感器大多是接触式的，以电阻式角度传感器为例，机械式可变电阻必须在安装时要精确对准转轴，以确保检测的准确性。此外，由于机械式可变电阻必须与转轴有接触，除了组装误差外，也会因接触磨损而很快降低传感器的使用寿命和精度。

近年来，以非接触式传感器取代接触式传感器的趋势日益明显。例如，在CN107131893A、CN201628538U专利文献中，分别发明实现了磁敏型和霍尔型角度传感器，大大提高了传感器的使用寿命和传感灵敏度，同时也减小传感器的体积。但是，这样的角度传感器仍然存在如下问题：1、虽然磁体与磁敏元件、霍尔元件实现了非接触，但是从结构上看，仍需将固定有磁体的被测转轴伸入传感器感应腔内，使得转轴与传感器壳体有连接关系，这样的传感器仍为一体式设计，转轴转动时形成的轴向力和径向力也会对传感器产生影响，如果在能够产生较大轴向力和径向力的大型设备(如工程机械)上长时间使用，则会使传感器的测量精度降低。2、这样的传感器特别是在转轴连接处密封性、坚固性较差，因此传感器的防水防尘性能不高，其防护等级最多能达到IP43。3、霍尔型角位移传感器由于自身物理性能的原因，线性度较差，灵敏度偏低，温漂严重，影响了角位移测量的准确性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的缺点，提出一种基于巨磁阻效应的非接触角位移传感器及测量方法，进一步提高角位移传感器的测量精度和使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于巨磁阻效应的非接触角位移传感器，包括传感单元、激励单元；所述传感单元为圆柱体中空结构，在传感单元的顶端内底部中间位置设有一个巨磁阻芯片；所述激励单元为一端开口的圆柱体中空结构，在激励单元的密封端内底部中间位置固定有一根磁条，激励单元的开口端设有一个转轴连接腔。使用时，待测转轴***所述转轴连接腔通过螺钉连接固定住激励单元，所述传感单元安装到待测转轴的轴向外侧的固定壁上并与激励单元处于同一中心轴线上，巨磁阻芯片与磁条相对平行靠近。

进一步地，所述传感单元包括固定法兰、长度调节件、电路容纳件、电路板；所述固定法兰底部设有三个连接固定孔，由长螺钉通过三个连接固定孔依次将固定法兰、长度调节件和电路容纳件连接固定。

进一步地，所述电路板包括处理芯片和所述巨磁阻芯片；所述巨磁阻芯片与处理芯片及电路板上相关器件电路连接，形成传感电路；所述电路容纳件的顶端内底部中间设有一个电路容纳腔；所述电路板通过螺钉连接固定在电路容纳件的顶端内底部，电路板上的传感电路置于电路容纳腔内。

进一步地，所述长度调节件的侧壁靠近固定法兰一端开有一个出线孔，外部控制线缆通过出线孔与电路板上的传感电路连接。

进一步地，所述传感单元和激励单元的所有构件及元器件均采用封装胶进行灌封，优选采用环氧树脂封装胶。

进一步地，所述磁条为径向磁化的长方体、圆柱体或者环体状永磁体；所述固定法兰、长度调节件、电路容纳件和激励单元均用非导磁材料制成。

一种如上所述角位移传感器的测量方法，所述巨磁阻芯片为双轴巨磁阻芯片，当所述激励单元在待测转轴的带动下旋转时，在巨磁阻芯片的X轴、Y轴方向分别产生V_x和V_y输出电压，经处理芯片计算可得出角位移α的值为0～360°，其计算如式(A1)、(A2)和(A3)所示：

V_x＝V₀ sin α (A1)

V_y＝V₀ cos α (A2)

由(A1)、(A2)可得：

其中，V₀为输入初始电压值。

进一步地，在所述电路板上或外部设有一个温度传感器，温度传感器与处理芯片电路连接；所述处理芯片计算角位移值时，将所述温度传感器捕获的当前温度值带入校准曲线一并计算，对角位移的温漂进行校正，输出校正后的角位移值。

进一步地，所述校准曲线采用零点漂移曲线或输出漂移曲线；所述零点漂移曲线是将角位移传感器置于温箱中并设置为初始0°状态，改变温度，记录在所述温度传感器捕获的不同温度下的输出角位移值，得到一组温度与角位移对应的序列，对该序列拟合，从而得到不同温度下的零点漂移曲线；所述输出漂移曲线是将角位移传感器置于温箱中，改变温度，在不同温度下让角位移传感器的激励单元旋转，记录在所述温度传感器捕获的不同温度下的输出角位移值，得到一组温度与角位移对应的序列，对该序列拟合，从而得到不同温度下的输出漂移曲线。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1.由于采用分体式设计，本方案传感器包括传感单元和激励单元，激励单元内转轴产生的轴向力和径向力对传感单元的测量端不存在任何影响，因而提高了角位移传感器的测量精度；

2.由于采用巨磁阻芯片作为感应元件，使得角位移传感器的灵敏度更高、线性度更好、使用功耗更低和体积更小；

3.在分体式设计中，由于没有转轴的影响，可对传感器的所有元器件采用环氧树脂等胶水灌封，使角位移传感器的防尘、防水甚至防碰撞的防护等级大大提高，进一步增强了角位移传感器的密封性和坚固性；

4.使用中，角位移传感器的传感单元始终为固定状态，并且长度调节件可适配不同尺寸的产品，进一步提高了使用寿命，扩大了适用范围；

5.在电路结构中采用温漂校正技术，提高了角位移传感器的抗干扰能力和测量准确性。

附图说明

图1为基于巨磁阻效应的非接触角位移传感器结构示意图；

图2为基于巨磁阻效应的非接触角位移传感器左视图；

图3为基于巨磁阻效应的非接触角位移传感器剖面图；

图4为基于巨磁阻效应的非接触角位移传感器前视图；

图5为基于巨磁阻效应的非接触角位移传感器后视图；

图6为无外壳巨磁阻芯片与永磁体的相对位置示意图；

图7为双轴巨磁阻芯片两路信号的输出示意图；

图8为角位移信号处理结构示意图。

图中标记：1-传感单元，2-激励单元，3-固定法兰，4-长度调节件，5-电路容纳件，6-电路板，7-巨磁阻芯片，8-处理芯片，9-电路容纳腔，10-出线孔，11-底座固定孔，12-连接固定孔，13-永磁体，14-转轴连接腔，15-磁体固定腔，16-转轴固定孔，17-电路板连接孔。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例1

如图1至图6所示，本实施例提供了一种基于巨磁阻效应的非接触角位移传感器，包括传感单元1、激励单元2；所述传感单元1为圆柱体中空结构，在传感单元1的顶端内底部中间位置设有一个巨磁阻芯片7；所述激励单元2为一端开口的圆柱体中空结构，在激励单元2的密封端内底部中间位置固定有一根磁条13，激励单元2的开口端设有一个转轴连接腔14；使用时，待测转轴***所述转轴连接腔14通过螺钉连接固定住激励单元2，所述传感单元1安装到待测转轴的轴向外侧的固定壁上并与激励单元2处于同一中心轴线上，巨磁阻芯片7与磁条13相对平行靠近。

进一步地，所述传感单元1包括固定法兰3、长度调节件4、电路容纳件5、电路板6；所述固定法兰3底部设有三个连接固定孔12，由长螺钉通过三个连接固定孔12依次将固定法兰3、长度调节件4和电路容纳件5连接固定。

进一步地，所述电路板6包括处理芯片8和所述巨磁阻芯片7；所述巨磁阻芯片7与处理芯片8及电路板6上相关器件电路连接，形成传感电路；所述电路容纳件5的顶端内底部中间设有一个电路容纳腔9；所述电路板6通过螺钉连接固定在电路容纳件5的顶端内底部，电路板6上的传感电路置于电路容纳腔9内。

进一步地，所述长度调节件4的侧壁靠近固定法兰3一端开有一个出线孔10，外部控制线缆通过出线孔10与电路板6上的传感电路连接。

在本实施例中，一方面通过采用分体式设计，将上述传感器分为传感单元和激励单元，激励单元内转轴产生的轴向力和径向力对传感单元的测量端不存在任何影响，因而角位移传感器的测量精度更高，其寿命周期更长。另一方面将巨磁阻芯片作为感应元件，由于巨磁阻(GMR)芯片一般比磁敏电阻(AMR)的灵敏度高一个数量级，其灵敏度极高、磁效应极好，并且巨磁阻芯片具有优异的线性度和较高的可靠性，其功耗更低，体积更小，价格也很便宜。因此，该角位移传感器不但可以应用于电力系统、工程机械、数控机床等领域，而且也可以应用于精密仪器、航空航天等高端设备。

在安装使用中，传感单元与激励单元处于同一中心轴线上，即使得磁条居中平行放置于巨磁阻芯片之上，并在传感单元与激励单元之间留有适当距离，使得巨磁阻芯片与磁条相对平行靠近，两者之间的距离一般设定为1～15mm，这样的设计让巨磁阻芯片具有较强的磁感应效果，增强其感应的灵敏度。

此外，传感单元与激励单元隔离，特别是在高压区域测量时，可实现一二次完全隔离，更加安全可靠。长度调节件4可根据安装环境进行调整，大大提高安装速度和降低安装难度。

由于，实际安装的条件及环境有所不同，因此设计不同长度规格的长度调节件，通过选用合适的长度调节件进一步调整传感单元与激励单元之间的距离，使其满足实际磁感应的需要。

实施例2

如图1所示，在实施例1的基础上，所述传感单元1和激励单元2的所有构件及元器件均采用封装胶进行灌封，优选采用环氧树脂封装胶。

通过上述灌封后，能使角位移传感器的防尘、防水甚至防碰撞性能大幅提高，其可以达到最高的IP68防护等级，进一步提高了使用寿命与复杂环境条件下的应用。

实施例3

如图1所示，在实施例1的基础上，所述磁条13为径向磁化的长方体、圆柱体或者环体状永磁体；所述固定法兰3、长度调节件4、电路容纳件5和激励单元2均用非导磁材料制成。

通过将角位移传感器的所有辅助配件使用材质均选用非导磁材料，尽量减小磁敏测量的外部影响因素，确保角位移传感器具有更高的测量准确性。

实施例4

如图7和图8所示，一种如实施例1、2或3所述角位移传感器的测量方法，所述巨磁阻芯片7为双轴巨磁阻芯片，当所述激励单元2在待测转轴的带动下旋转时，在巨磁阻芯片7的X轴、Y轴方向分别产生V_x和V_y输出电压，经处理芯片8计算可得出角位移α的值为0～360°，其计算如式(B1)、(B2)和(B3)所示：

V_x＝V₀ sin α (B1)

V_y＝V₀ cos α (B2)

由(B1)、(B2)可得：

其中，V₀为输入初始电压值。

进一步地，在所述电路板6上或外部设有一个温度传感器，温度传感器与处理芯片8电路连接；所述处理芯片8计算角位移值时，将所述温度传感器捕获的当前温度值带入校准曲线一并计算，对角位移的温漂进行校正，输出校正后的角位移值。

进一步地，所述校准曲线采用零点漂移曲线或输出漂移曲线；所述零点漂移曲线是将角位移传感器置于温箱中并设置为初始0°状态，改变温度，记录在所述温度传感器捕获的不同温度下的输出角位移值，得到一组温度与角位移对应的序列，对该序列拟合，从而得到不同温度下的零点漂移曲线；所述输出漂移曲线是将角位移传感器置于温箱中，改变温度，在不同温度下让角位移传感器的激励单元2旋转，记录在所述温度传感器捕获的不同温度下的输出角位移值，得到一组温度与角位移对应的序列，对该序列拟合，从而得到不同温度下的输出漂移曲线。

在本实施例中，通过处理芯片对测量得到的正弦、余弦电压信号(只能检测180°范围以内的角度)进行求正切计算，再反正切计算后得到的角位移测量范围更大，可以检测360°范围以内的任意角度。而采用双轴巨磁阻芯进行磁敏感应，由处理芯片计算其待测目标的角位移，进一步通过温度传感器捕获当前温度适时进行角位移温漂校正，确保了在自身精度较高的情况下，角位移测量更加准确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，皆应属于本发明的保护范围。