一种线性位移高精度测量装置及缝纫机
阅读说明：本技术 一种线性位移高精度测量装置及缝纫机 (Linear displacement high-precision measuring device and sewing machine ) 是由 于恒基 张涵 甘志强 杨通 于 2020-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种线性位移高精度测量装置及缝纫机,线性位移高精度测量装置包括线性霍尔传感器、以及在同一平面内平行间隔放置的第一磁铁和第二磁铁,第一磁铁朝向线性霍尔传感器的磁极与第二磁铁朝向线性霍尔传感器的磁极相反,线性霍尔传感器中的芯片与第一磁铁和第二磁铁的安装平面相平行、且上下相对设置,线性霍尔传感器在第一磁铁和第二磁铁的中心连线的正上方侧、并沿第一磁铁和第二磁铁的中心连线方向同第一磁铁和第二磁铁相对移动。本发明低成本地实现高精度的线性位移测量,能够适用于较多要求低成本、高精度的应用场合,特别适用于缝纫机中的一些测量,如压脚高度检测、电子膝靠旋转角度检测、音圈电机位置检测等。(The invention provides a linear displacement high-precision measuring device and a sewing machine, wherein the linear displacement high-precision measuring device comprises a linear Hall sensor, a first magnet and a second magnet which are arranged in the same plane at intervals in parallel, the magnetic pole of the first magnet facing the linear Hall sensor is opposite to the magnetic pole of the second magnet facing the linear Hall sensor, a chip in the linear Hall sensor is parallel to the installation plane of the first magnet and the second magnet and is arranged oppositely up and down, and the linear Hall sensor is arranged on the right upper side of the central connecting line of the first magnet and the second magnet and moves relative to the first magnet and the second magnet along the central connecting line direction of the first magnet and the second magnet. The invention realizes high-precision linear displacement measurement with low cost, can be suitable for application occasions with more requirements on low cost and high precision, and is particularly suitable for some measurements in sewing machines, such as presser foot height detection, electronic knee rotation angle detection, voice coil motor position detection and the like.)
技术领域
本发明涉及物***移量的测量，特别是涉及一种线性位移高精度测量装置、以及包含有该线性位移高精度测量装置的缝纫机。
背景技术
物***移量的测量是工业自动化中的关键技术之一，目前有较多测量装置能够实现对物***移量的高精度测量，然而其成本也会随着精度的提高而大幅度上升。在缝纫机行业，由于所面对的下游市场接受能力的限制，很多需要高精度测量位移的应用场合往往由于位移测量装置的成本而怯步。
目前，缝纫机中所使用的位移测量装置多数由线性霍尔传感器和磁铁构成，线性霍尔传感器和磁铁之间能够作相对运动，磁铁用于产生磁场，通过线性霍尔传感器输出的电位来计算物体的位移量。由于线性霍尔传感器输出的电位应与其所在位置的磁感应强度的垂直分量是线性关系，而实际上大多数场合下，空间的磁感应强度的分布都不是线性的，故线性霍尔传感器的输出电位随位置的变化也不是线性的，由此不能实现高精度的线性位移测量。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种线性位移高精度测量装置，能够低成本地实现高精度的线性位移测量。
为实现上述目的，本发明提供一种线性位移高精度测量装置，包括线性霍尔传感器、以及在同一平面内平行间隔放置的第一磁铁和第二磁铁，所述第一磁铁朝向线性霍尔传感器的磁极与第二磁铁朝向线性霍尔传感器的磁极相反，所述线性霍尔传感器中的芯片与第一磁铁和第二磁铁的安装平面相平行、且上下相对设置，所述线性霍尔传感器在第一磁铁和第二磁铁的中心连线的正上方侧、并沿第一磁铁和第二磁铁的中心连线方向同第一磁铁和第二磁铁相对移动。
进一步地，所述线性霍尔传感器的相对移动范围为第一磁铁和第二磁铁的中心连线区域。
进一步地，所述线性霍尔传感器可直线移动，所述第一磁铁和第二磁铁固定不动。
进一步地，所述线性霍尔传感器固定不动，所述第一磁铁和第二磁铁可同步直线移动。
本申请还提供一种缝纫机，所述缝纫机中配置有如上所述的线性位移高精度测量装置。
如上所述，本发明涉及的线性位移高精度测量装置及缝纫机，具有以下有益效果：
本申请由第一磁铁和第二磁铁形成空间磁场，通过对该空间磁场的分析找出一个高度，在该高度处平行于第一磁铁和第二磁铁的中心连线的一段路径上磁感应强度的垂直分量是线性变化的，使线性霍尔传感器布置在上述高度、并设置在第一磁铁和第二磁铁之间沿第一磁铁和第二磁铁的中心连线方向相对移动，由此使线性霍尔传感器在这一段路径上的输出电位与线性霍尔传感器同第一磁铁和第二磁铁间的相对位移呈正比例关系，从而达到高精度测量线性位移的目的；并且，本申请结构简单、容易实现、成本低。因此，本申请低成本地实现高精度的线性位移测量，能够适用于较多要求低成本、高精度的应用场合，特别适用于缝纫机中的一些测量，如压脚高度检测、电子膝靠旋转角度检测、音圈电机位置检测等。
附图说明
图1为本申请中线性位移高精度测量装置的结构示意图。
图2为图1中线性霍尔传感器的芯片与磁场之间的关系示意图。
图3至图5为线性霍尔传感器在不同高度下测得的线性霍尔传感器的输出电位与线性霍尔传感器同第一磁铁和第二磁铁间的相对位移之间的关系曲线图。
元件标号说明
10 线性霍尔传感器
11 芯片
20 第一磁铁
30 第二磁铁
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本申请提供一种线性位移高精度测量装置，包括线性霍尔传感器10、以及在同一平面内平行且间隔放置的第一磁铁20和第二磁铁30；第一磁铁20和第二磁铁30为两块相同的磁铁，第一磁铁20和第二磁铁30并排设置、构成一对磁铁组，用于产生空间磁场；线性霍尔传感器10与第一磁铁20和第二磁铁30的安装平面相对设置。为便于叙述，将第一磁铁20和第二磁铁30的并排方向定义为左右方向，将线性霍尔传感器10与第一磁铁20和第二磁铁30的安装平面的相对方向定义为上下方向；并且，第一磁铁20分布在第二磁铁30的左侧，线性霍尔传感器10在第一磁铁20和第二磁铁30的安装平面的正上方侧。
进一步地，第一磁铁20朝向线性霍尔传感器10的磁极与第二磁铁30朝向线性霍尔传感器10的磁极相反；图1所示的视图中，第一磁铁20的S极朝上、第二磁铁30的N极朝上；当然，也可以为第一磁铁20的N极朝上、第二磁铁30的S极朝上，第一磁铁20和第二磁铁30中朝上的磁极也即朝向线性霍尔传感器10。线性霍尔传感器10中的芯片11与第一磁铁20和第二磁铁30的安装平面相平行、且上下相对设置，线性霍尔传感器10布置在第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线的正上方侧的一个高度H处，该高度H通过对第一磁铁20和第二磁铁30形成的空间磁场分析找出、并满足下述条件：在该高度H处平行于第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线的一段路径上磁感应强度的垂直分量是线性变化的。线性位移高精度测量装置测量时，线性霍尔传感器10同第一磁铁20和第二磁铁30之间沿第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线方向能够相对移动；基于此，线性霍尔传感器10可直线移动，第一磁铁20和第二磁铁30固定不动；或者，线性霍尔传感器10固定不动，第一磁铁20和第二磁铁30可同步直线移动。本实施例中，第一磁铁20和第二磁铁30固定不动，线性霍尔传感器10在第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线的正上方侧高度H处沿第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线方向直线移动。
进一步地，第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线左右延伸，第一磁铁20和第二磁铁30之间的间距为D。线性霍尔传感器10的输出电位V与其所在位置处磁感应强度矢量B的垂直分量B⊥之间的关系为：V＝k*B⊥，k为线性霍尔传感器10的比例系数；如图2所示，B⊥＝B(X,Y,Z)*cosθ，B为磁感应强度矢量，θ为磁感应强度矢量B与线性霍尔传感器10中芯片11所在平面的法线间的夹角。因此，当第一磁铁20和第二磁铁30间的间距D固定的情况下，第一磁铁20和第二磁铁30产生的空间磁场分布也是固定的，而在高度H处磁感应强度B的垂直分量B⊥在平行于第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线的一段运动路径上是线性变化的，当线性霍尔传感器10在该高度H处、沿第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线方向相对于第一磁铁20和第二磁铁30在上述运动路径内移动时，线性霍尔传感器10的输出电位与线性霍尔传感器10同第一磁铁20和第二磁铁30间的相对位移呈正比例关系，从而达到高精度测量线性位移的目的；并且，本申请结构简单、容易实现、成本低。因此，本申请低成本地实现高精度的线性位移测量，能够适用于较多要求低成本、高精度的应用场合，特别适用于缝纫机。
进一步地，线性霍尔传感器10距第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线的高度H与第一磁铁20和第二磁铁30间的间距D相关，第一磁铁20和第二磁铁30间的间距D增加时，线性霍尔传感器10距第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线的高度H也会增加；第一磁铁20和第二磁铁30间的间距D减小时，线性霍尔传感器10距第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线的高度H也会减小。比如：当第一磁铁20和第二磁铁30间的间距D为6mm时，线性霍尔传感器10距第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线的高度H为4.5mm。更具体地，第一磁铁20和第二磁铁30间的间距D固定为6mm时，当线性霍尔传感器10距第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线的高度H为2.5mm时，如图3所示，线性霍尔传感器10的输出电位与线性霍尔传感器10同第一磁铁20和第二磁铁30间的相对位移之间不具有线性关系；当线性霍尔传感器10距第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线的高度H为4.5mm时，如图4所示，线性霍尔传感器10的输出电位与线性霍尔传感器10同第一磁铁20和第二磁铁30间的相对位移之间有一段严格呈线性关系；当线性霍尔传感器10距第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线的高度H为6mm时，如图5所示，线性霍尔传感器10的输出电位与线性霍尔传感器10同第一磁铁20和第二磁铁30间的相对位移之间呈近似正弦曲线关系。因此，当第一磁铁20和第二磁铁30间的间距D为6mm时，线性霍尔传感器10距第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线的高度H优选为4.5mm。
进一步地，线性霍尔传感器10在第一磁铁20和第二磁铁30之间移动，即线性霍尔传感器10的移动范围为第一磁铁20和第二磁铁30间的间距D、也即为第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线区域。更具体地，第一磁铁20正上方侧高度H处构成线性霍尔传感器10的第一极限位，第二磁铁30正上方侧高度H处构成线性霍尔传感器10的第二极限位，第一极限位和第二极限位之间的连线平行于第一磁铁20和第二磁铁30的中心连线，第一极限位和第二极限位之间的连线即为线性霍尔传感器10的移动范围。在高度H处磁感应强度B的垂直分量B⊥在第一极限位和第二极限位之间线性变化，故当线性霍尔传感器10在第一极限位和第二极限位之间移动时，线性位移高精度测量装置的线性度高达0.9995以上。
本申请还提供一种缝纫机，缝纫机中配置有如上的线性位移高精度测量装置。在缝纫机中，线性位移高精度测量装置作为缝纫机压脚高度传感器、用于测量缝纫机的压脚高度，测量范围在7mm以内，精度远高于0.1mm；或者，线性位移高精度测量装置作为短行程位置传感器，比如音圈电机位置传感器；或者，线性位移高精度测量装置作为电子膝靠传感器、用于测量膝靠时产生的位移，其输出的信号近似正比于膝靠转过的角度，实现电子膝靠抬压脚。
综上所述，本申请涉及的线性位移高精度测量装置成本低，结构简单、易实现，不怕油污和粉尘污染，测量精度高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。