一種精確測量轉速和旋轉絕對角度位置的傳感器的製作方法

2023-09-14 21:11:20

本實用新型涉及一種測量技術，具體涉及磁性編碼傳感器。

背景技術：

根據檢測原理，目前常用的測量旋轉物體的編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。

光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈衝或數字量的傳感器。在圓盤上有規則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側，安放發光元件和光敏元件。當圓盤旋轉時，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經過整形後變為脈衝，碼盤上有之相標誌，每轉一圈輸出一個脈衝。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈衝信號。

磁性編碼器經常也被稱為磁電式編碼器，其原理是採用磁阻或者霍爾元件對變化的磁性材料的角度或者位移值進行測量。磁性材料角度或者位移的變化會引起一定電阻或者電壓的變化，再經過電路的信號處理即可輸出信號。

感應式編碼器(旋轉變壓器)是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦或餘弦函數關係，或保持某一比例關係，或在一定轉角範圍內與轉角成線性關係。

旋轉變壓器的定子和轉子之間的磁通分布符合正弦規律，因此當激磁電壓加到定子繞組上時，通過電磁耦合，轉子繞組產生感應電動勢。其輸出電壓的大小取決於轉子的角向位置，即隨著轉子偏移的角度呈正弦變化。感應電壓的相位角等於轉子的機械轉角。因此只要檢測出轉子輸出電壓的相位角，就知道了轉子的轉角。

電容式編碼器利用的原理與成熟、低成本而且精密的數字遊標卡尺相同。它具有兩個柱狀或線狀型式，一個在固定元件上，另一個在運動元件上，兩者一起形成了一個配置為發送器/接收器對的可變電容器。當編碼器轉動時，處理電路對這些線的變化進行計數，並利用內插法尋找軸的位置和轉動方向，建立標準的正交輸出，以及其它編碼器提供的換向輸出。

這些編碼器在實際的應用過程中都存在不同的缺點：

1.光電式編碼器的缺點是結構複雜，價格高，光源壽命偏短。

2.傳統磁性編碼器的缺點是精度低，響應時間慢。

3.感應式編碼器(旋轉變壓器)的缺點是結構、信號處理比較複雜，精度低，體積較大，價格高。

4.電容式編碼器的缺點是工作容易受到外界(特別是溼度)的幹擾，工作穩定性低，無法滿足大位移(角位移)測量的要求。

技術實現要素：

針對目前常用的測量旋轉物體的編碼器普遍存在結構複雜、測量精度不高的問題，本實用新型的主要目的在於提供一種結構簡單、測量精度高的絕對式磁性編碼器，能夠精確測量轉速和旋轉絕對角度位置，可有效解決現有技術所存在的問題。

為了達到上述目的，本實用新型採用如下的技術方案：

一種精確測量轉速和旋轉絕對角度位置的傳感器，所述傳感器包括：

磁性編碼器，所述磁性編碼器一個周期內(360°)的磁場呈正弦分布；

傳感器本體總成，所述傳感器本體總成採集來自於旋轉磁性編碼器產生的變化磁場，並對應輸出一路正弦模擬信號和一路餘弦模擬信號。

優選的，所述磁性編碼器通過注塑充磁實現一個周期內的磁場呈正弦分布。

優選的，所述磁性編碼器隨目標物體旋轉的同時，輸出周期變化的連續磁場。

優選的，所述磁性編碼器包括支撐固定圈以及鋪設在支撐固定圈側的磁性材料。

優選的，所述磁性材料在厚度方向上的磁場強度呈階梯變化。

優選的，所述支撐固定圈支撐和定型磁性材料，並聚磁。

優選的，所述傳感器本體總成包括至少5顆磁感應晶片、電路板、支架以及導線，所述至少5顆磁感應晶片對應於磁性編碼器，通過支架等距安置在電路板上；所述導線與電路板連接。

優選的，所述電路板為圓環形，支架對應於電路板呈圓環形，至少5顆磁感應晶片通過圓環形支架等距安置在圓環形電路板上，並呈圓形分布。

優選的，所述傳感器本體總成還包括封裝件，所述封裝件將傳感器本體總成中的磁感應晶片、電路板以及支架封裝成一體。

優選的，所述傳感器本體總成還包括金屬屏蔽外罩。

優選的，所述磁感應晶片感應旋轉磁性編碼器產生的變化磁場，形成對應的電壓信號，並傳至電路板，所述電路板對採集到的電壓信號進行疊加運算，最終分別輸出一路正弦模擬信號和一路餘弦模擬信號。

本實用新型提供的非接觸式絕對式磁性編碼傳感器，能夠精確測量旋轉物體的速度和絕對位置，同時能檢測旋轉方向。

同時，該磁性編碼傳感器的測量精度高、響應時間快，且工藝簡單，壽命長，能工作在高溫，油汙的環境下。

再者，該磁性編碼傳感器的電路設計簡單，不涉及解碼晶片，實現方式巧妙，從而研發投入少，成本低。

附圖說明

以下結合附圖和具體實施方式來進一步說明本實用新型。

圖1為本實用新型實例中非接觸式磁性編碼傳感器的爆炸圖；

圖2為本實用新型實例中非接觸式磁性編碼傳感器的剖視圖；

圖3為本實用新型實例中磁性編碼器的結構示意圖；

圖3a為圖3在D-D方向的剖視圖；圖4為圖3a中A部分的放大圖；

圖5為本實用新型實例中磁性材料的極性示意圖；

圖6為本實用新型實例中磁性編碼器旋轉時，輸出的周期變化的連續磁場示意圖。

圖7為本實用新型實例中傳感器本體總成的爆炸圖；

圖8為本實用新型實例中傳感器本體總成中磁感應晶片、電路板以及磁性編碼器之間的裝配主視圖；

圖9為本實用新型實例中傳感器本體總成中磁感應晶片、電路板以及磁性編碼器之間的裝配側視圖；

圖10為本實用新型實例中磁性編碼器旋轉時，傳感器的狀態示意圖；

圖11為本實用新型實例中磁性編碼器旋轉時，傳感器中磁感應晶片輸出信號曲線示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本實用新型。

參見圖1和2，其示出本實用新型實例中非接觸式磁性編碼傳感器的基本組成結構結構。

由圖可知，本實例中的非接觸式磁性編碼傳感器100整體為圓環形，主要包括環形磁性編碼器110、環形傳感器本體總成120以及金屬外殼130三部分。

其中，環形磁性編碼器110非接觸的嵌設在環形傳感器本體總成120中，並可隨目標物體在傳感器本體總成120中旋轉；而金屬外殼130設置在傳感器本體總成120外側。

由此構成的非接觸式磁性編碼傳感器100，其中的環形磁性編碼器110隨目標物體旋轉的同時，輸出周期變化的連續磁場(一個旋轉周期內即360°，磁場強度呈正弦分布)；傳感器本體總成120則採集來自於旋轉磁性編碼器110的變化磁場，通過計算對應輸出一路正弦模擬信號和一路餘弦模擬信號；基於該兩路模擬信號，可精確得到旋轉絕對角度位置、旋轉速度以及旋轉方向。

而金屬外殼130對傳感器形成物理防護和EMC防護，防止外界幹擾，保護傳感器，保證傳感器檢測的可靠性。

針對上述的原理方案，以下通過一具體應用實例來進一步闡釋本原理方案。

本傳感器100中的環形磁性編碼器110，其主要用於通過旋轉輸出不同磁性曲線，使環形傳感器本體總成120感應不同的磁場強度。

參見圖3和圖3a，其所示為本實例中環形磁性編碼器110的結構示意圖。由圖可知，該環形磁性編碼器110主要由磁性材料111和支撐固定圈112相互配合組成，磁性材料111沿支撐固定圈112的圓周方向鋪設在支撐固定圈112 的外側面上。

這裡的支撐固定圈112具體為一不鏽鋼圈，採用材料SUS430，用於支撐和定型磁性材料111，並防止磁性材料111的破損，同時還具有聚磁(集磁)功能。這裡通過不鏽鋼圈112(即支撐固定圈)的集磁功能，能有效防止外界磁場對磁性材料111的幹擾，使磁性材料111的磁力線分布更加均勻，磁場方向聚向磁環的徑向，磁場強度更可控。

參見圖4，該支撐固定圈112由橫截面為倒「L」形的不鏽鋼圈構成，該不鏽鋼圈的外側面形成橫截面為倒「L」形環形槽，用於安置磁性材料111，可很好的對磁性材料111形成支撐和定型，有效防止磁性材料111的破損，且具有聚磁功能。

參見圖4，對於磁性材料111，其整體為與作為支撐固定圈112的不鏽鋼圈的外側面相配合的空心圓柱形(橫截面為圓環形)，且內側面具有對應於不鏽鋼圈外側面的倒「L」形環形槽的環形凸塊。

該磁性材料111通過內側面的環形凸塊與不鏽鋼圈112外側面的橫截面為倒「L」形的環形槽配合，整體安置在不鏽鋼圈112外側面，由此構成環形磁性編碼器110。

再者，該磁性材料111充磁後，原其圓周方向一半為N極，另一半為S極(如圖5所示)。該磁性材料111充磁後使其在厚度方向有不同強度的表面磁場G1，G2，G3，由此構成階梯變化的磁場強度，以滿足傳感器的使用需求。

基於上述方案構成的環形磁性編碼器110，其通過注塑充磁實現一個周期(即360°)內的磁場呈正弦分布，由此本環形磁性編碼器110隨目標物體旋轉的同時，將可輸出如圖6所示的周期變化的連續磁場，即一個旋轉周期內即360°，磁場強度呈正弦分布。

參見圖7和圖2，本傳感器100中的環形傳感器本體總成120主要包括五顆磁感應晶片121、電路板122、支架123、導線124以及封裝件125這幾部分。

磁感應晶片121，為環形傳感器本體總成120中的感應元件，用於感應磁性編碼器110旋轉時產生的磁場變化，形成對應的電壓信號。

本實例中的磁感應晶片121由霍爾或磁阻晶片構成，共計採用五個，對於磁感應晶片121的數量並不限於五個，根據需要可採用6個及以上。

參見圖2、圖8和圖9，本實例中的這五個磁感應晶片121沿圓周方向並等距的安置在電路板122上，同時在沿圓周方向等距分布的五個磁感應晶片121的內側形成圓形感應區域126，該圓形感應區域126的大小與環形磁性編碼器110的尺寸對應，可容環形磁性編碼器110非接觸的、可轉動的安置在其內。

由此當環形磁性編碼器110旋轉時，由於環形磁性編碼器110上具有的特定磁性曲線，使得環形磁性編碼器110上磁場不斷發生變化，而五個磁感應晶片121分別從不同位置感應對應的磁場信號，並輸出對應的特定信號，即通過五個磁感應晶片121感應到不同位置的磁場信號，從而輸出特定信號對應不同位置。

為了很好的設置五個磁感應晶片121，以保證整個傳感器100性能的穩定可靠性，本實例中採用支架123來定位五個磁感應晶片121的位置，並支撐五個磁感應晶片121，使得五個磁感應晶片121整體可靠的安置在電路板122上。

參見圖7，本支架123具體為圓環形的塑料支架，其尺寸大小與環形磁性編碼器110對應，可容環形磁性編碼器110非接觸的、可轉動的安置在其內；同時在內側等距的開設有五個磁感應晶片安置槽123a。通過該圓環形的塑料支架123能夠對五個磁感應晶片121進行快速、準確的定位，並形成穩定可靠的支撐，從而實現五個磁感應晶片121整體可靠與電路板122組裝，以保證整個傳感器的可靠性。

本實例中的電路板122為整個傳感器100中的信號處理部件，其與五個磁感應晶片121連接，接收並處理五個磁感應晶片121感應環形磁性編碼器110旋轉時產生的周期性磁場變化所形成的電壓信號，輸出一路正弦信號和一路餘弦信號。

為便於與磁感應晶片以及塑料支架123組裝，該電路板122採用圓環形的PCBA結構，其大小對應於塑料支架123，並在對應於塑料支架123上安置槽123a的位置設置有相應的接口，用於與磁感應晶片121連接。

為了高效精確的處理五個磁感應晶片121傳輸的信號，該電路板122中集成有計算電路，該計算電路主要由集成運算放大器、電阻等電子元器件組成。該計算電路對5個相位差72°的正弦波進行波形疊加，輸出兩路周期與幅度相同，相位相差90°的正弦信號和餘弦信號。

由於這兩路的正弦信號和餘弦信號在同一時點的相位差處處不等，在經過處理後可以得到旋轉絕對角度位置；而通過計數固定時間段內正弦或餘弦周期數則可以得到旋轉速度。

該計算電路無需複雜運算電路或處理器，降低整個電路板122的複雜程度和成本，並保證信號的高精度。

由此設置的環形電路板122與安置有五個磁感應晶片121的塑料支架123裝配連接，同時與五個磁感應晶片121連接，同步接收五個磁感應晶片121傳輸的信號，通過集成的計算電路對5個相位差72°的正弦波進行波形疊加，輸出兩路周期與幅度相同，相位相差90°的正弦信號和餘弦信號。

本實例中的導線124為整個傳感器100中的信號輸出部件，其一端與環形電路板122的輸出端連接，另一端可與相應的應用電路或設備連接，將環形電路板122產生的一路正弦信號和一路餘弦信號傳至。

為保證信號傳輸的可靠性，以及便於傳感器與應用電路或設備的連接，該導線124具體為集成有的接插件的線束(參見圖7)。

本實例中的封裝件125，用於將組裝好的磁感應晶片121、塑料支架123、環形電路板122以及導線124封裝成一體，形成環形傳感器本體總成120。通過封裝件125的封裝，對各組成部件形成很好的保護，並實現防塵、防水，保證每個組成部件性能的可靠性，由此能夠大大提高整個傳感器的可靠性。

為保證封裝效果，該封裝件125由封裝材料通過一體注塑的方式形成，即針對組成好的各部件，通過一體化注塑的方式注塑封裝材料進行封裝。

據此封裝形成的環形傳感器本體總成120為一體化結構，能夠很好的保持各個組裝部件之間的配合關係，在中間形成的圓形感應區域126，可容環形磁性編碼器110非接觸的、可轉動的安置在其內；五個磁感應晶片121通過塑料支架123由沿圓周方向，等距分布在圓形感應區域126四周(參見圖2)。當環形磁性編碼器110旋轉時，五個磁感應晶片121分別從不同位置感應對應的磁場信號，並輸出對應的特定信號至內部的電路板122。

參見圖1和圖2，本實例中的金屬外殼130設置在一體化環形傳感器本體總成120的外側，以對環形傳感器本體總成120進行物理保護和EMC防護，防止外界幹擾，保護傳感器，保證傳感器檢測的可靠性。

由圖可知，該金屬外殼130主要包括金屬屏蔽外罩131和金屬底蓋132，其中的金屬屏蔽外罩131整體為空心圓柱形，並與一體化的環形傳感器本體總成120的側面相對應。由此該金屬屏蔽外罩131整體套設在環形傳感器本體總成120的側面。

金屬底蓋132整體為圓環形，並與一體化的環形傳感器本體總成120的底面相對應。由此，該金屬底蓋132直接設置在環形傳感器本體總成120的底面，並與環形傳感器本體總成120側面配合構成金屬外殼130，從而實現對傳感器的保護。

根據上述實施方案即可形成非接觸式磁性編碼傳感器，該傳感器在具體使用時，將其中的磁性編碼器110與待測目標物體連接，並可隨目標物體旋轉；同時將環形傳感器本體總成120通過其上的待接插件的線束124與相應的應用電路或設備進行連接。

其中的磁性編碼器110通過注塑充磁實現一個周期(360度)內的磁場呈正弦分布，磁性編碼器隨目標物體旋轉的同時，輸出周期變化的連續磁場(磁場強度呈正弦分布)。

傳感器在供電後，通過均勻周圈分布在環形電路板上的五顆磁感應晶片121(霍爾或者磁阻晶片)採集來自於旋轉磁性編碼器產生的變化磁場，形成對應的電壓信號並傳至電路板122。

參見圖10和圖11，五顆磁感應晶片121均勻周圈分布環形磁性編碼器110的四周，相鄰磁感應晶片之間相隔72°，從五個不同方位同步感應磁性編碼器110旋轉時產生的呈正弦變化的磁場強度，由此產生5個相位差72°的正弦波電壓信號，並同步傳至電路板122。

電路板122通過計算電路對5個相位差72°的正弦波信號進行波形疊加，輸出兩路周期與幅度相同，相位相差90度的正弦信號和餘弦信號(其中Consine信號相位比H1信號超前45°，而Sine信號比H1信號超前135°)。

由於正弦、餘弦信號在同一時點的幅度組合處處不等，應用電路可以經過反正切處理後得到旋轉絕對角度位置；通過計數固定時間段內正弦或餘弦周期數則可以得到旋轉速度；而通過兩路信號的先後關係可以得到旋轉方向。

可見，本非接觸式磁性編碼傳感器能夠精確測量旋轉物體的速度和絕對位置，同時還能檢測旋轉方向。

另外，本非接觸式磁性編碼傳感器採用非接觸式磁感應原理，具有無磨損、長壽命的特徵；而其內部的採用五顆磁感應晶片(霍爾或磁阻晶片)周圈均勻布置，大大提高信號精度，並性價比最高；同時無需複雜運算電路或處理器。

再者，本非接觸式磁性編碼傳感器整體模塊化設計，結構緊湊，易於與被測應用集成，如軸承。

以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特徵和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和範圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型範圍內。本實用新型要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。