基於徑向充磁的霍爾式角度傳感器的製作方法

2023-08-05 11:25:26

本發明屬於電機傳感器技術領域，特別涉及了一種角度傳感器。

背景技術：

目前角度傳感器主要有傳統的接觸式、光電式和磁電式三種形式。

接觸式角度傳感器主要指應用廣泛的電位計式角位移傳感器。這種傳感器結構簡單，操作方便，價格低廉，性能穩定，其原理是通過觸頭改變電阻實現的。

光電式角度傳感器種類繁多，有光柵式、雷射式等各類光電器件結合的光電式角度傳感器，其中雷射式角度傳感器測量精度高，工作可靠，成本較低，實用性較強。

磁電式角度傳感器測量精度高，成本低，安裝方便，便於維護和管理，使用壽命長，是當前角度傳感器發展的重要方向。

傳統的接觸式角度傳感器極易磨損，長時間使用後會產生較大誤差，因此其測試性能不高，動態響應差，使用壽命短，需要經常檢驗其性能，更換頻繁，給使用者帶來極大不便。

雷射式角度傳感器精度高，工作可靠，成本低，實用性較強，但結構複雜，體積較大，用到光學儀器較多，對雷射光線要求嚴格，對檢測對象也有特別的要求，因此其應用領域受限。其他光電式角度傳感器雖然測量比較準確，但大多對環境要求非常苛刻，抗震性能差，安裝要求高，且價格昂貴，因此也不適合廣泛地普及使用。

磁電式角度傳感器採用集成晶片的角度傳感器，但其所採用的晶片價格昂貴，且對外圍電路要求嚴格。

現有的磁電式角度傳感器也稱互感器，互感器利用電磁感應原理，即變化的磁場產生電場的原理。將兩個線圈繞在同一個鐵芯上，二次繞組感應出於一次繞組呈比例關係的電壓或電流。因此，也有稱互感原理或變壓器原理

技術實現要素：

為克服了接觸式角度傳感器容易磨損，光電式角度傳感器對環境等要求高以及磁電式角度傳感器成本高、外圍電路要求嚴格的缺陷，本發明提供了一種基於徑向充磁的霍爾式角度傳感器。

更具體的，本發明提供了一種基於徑向充磁的霍爾式角度傳感器，包括框體，旋轉軸豎直伸入框體；設旋轉軸伸入框體內的一端為底端，底端固定設有磁體；

框體內與磁體對應的位置設置有至少2個霍爾元件，且霍爾元件位於同一平面上；

底端的中心點向平面引垂線，設其交點為原點；

所有的霍爾元件與該原點不能同時存在於同一條直線上；

旋轉軸旋轉時，霍爾元件檢測磁場改變，主控單元根據檢測到的磁場變化計算相應的旋轉角度。

在本申請中，旋轉軸在旋轉的同時，帶動底部的磁體一起轉動。該磁體的磁場隨著旋轉軸的轉動而轉動。此時，每一個霍爾元件都能夠檢測到磁場的變化。根據磁場變化量，主控單元根據預設的程序計算出旋轉的角度。該霍爾式角度傳感器具有結構簡單，安裝方便，成本低廉，測量精度高，穩定性好等優點，而且這種角度傳感器還可以進一步集成，可大幅度減小空間，節約資源，是一種比較理想的角度傳感器。

作為優選的，框體內設置4個霍爾元件。

在本申請中，採用了4個霍爾元件，通過將四個霍爾元件設置在原點的四周，相比採用2個霍爾元件檢測的霍爾式角度傳感器，具有更高的檢測精度。

作為優選的，霍爾元件分別位於原點的前、後、左、右方。

作為優選的，霍爾元件到原點的距離相等。

在本申請中，將霍爾元件分別設置在原點的前後左右四個方向，即相鄰兩個霍爾元件與原點連接的夾角為90°，並且霍爾元件與原點的距離相等，使得在設計測量角度程序的時候，能夠降低相應的程序設計難度。

作為優選的，旋轉軸的軸心與平面相垂直。

在本申請中，通過將旋轉軸的軸心設置為與平面垂直的，同樣也能降低相應的程序設計難度。

作為優選的，霍爾元件位於磁體的正下方。

在本申請中，通過將霍爾元件設置在磁體的正下方，使得霍爾元件能夠檢測到更強的磁場，提升檢測的精度。

作為優選的，磁體設於旋轉軸的徑向上。

在本申請中，如果沒有將磁體設置在旋轉軸的徑向上，旋轉軸在轉動的時候，磁場不會有規律的變化，相應的，也增大了角度變化計算程序的設計的難度。通過將磁體設置與徑向上，磁場變化是有規律的，降低了計算程序的設計難度

作為優選的，霍爾元件設置於主控板上。

在本申請中，如果不將霍爾元件直接設置於主控板上，而是通過連接到主控板上，還需要對相應的霍爾元件進行固定，增加了腔體內部的設計難度。通過此種設計，能夠降低腔體內部的設計難度。

作為優選的，框體內設有無線通信組件；

無線通信組件與外部主機相連接，將檢測結果發送到外部主機。

在本申請中，通過設計一個無線通信組件，外部設備能夠通過無線網絡與該傳感器相連接，並且通過外部終端來看檢測到的數據。

作為優選的，還包括顯示單元；

顯示單元用於顯示檢測的結果。

在本申請中，該傳感器還包括一個用於顯示檢測結果的顯示單元，使得本申請提供的傳感器能夠直觀地顯示出相應的檢測數據，提升了便利性。

附圖說明

圖1為本發明第一種實施方式中角度傳感器的整體結構圖。

圖2為一種實施方式中角度傳感器的結構剖視圖。

圖3為本發明第二種實施方式中霍爾單元分布俯視圖。

圖4為本發明第二種實施方式中轉動角度計算的程序計算流程圖。

具體實施方式

實施方式一

本申請的第一種實施方式提供了一種基於徑向充磁的霍爾式角度傳感器，如圖1和圖2所示，包括框體1，旋轉軸2豎直伸入該框體1；設旋轉軸2伸入框體1內的一端為底端，底端固定設有磁體3。該磁體3可以是永磁體3，也可以是通電帶磁性的磁體3或者其他磁體3，在本實施方式中不作具體限定。

在框體1內與磁體3對應的位置設置有2個霍爾元件4，底端的中心點向兩個霍爾元件4所在的平面引垂線(由於兩個點可以形成無數個平面，只要排除掉兩個霍爾元件4與原點不位於同一條直線上的特殊平面，都可以實現本申請中的功能，只是相應的計算程序較為複雜，相對不容易設計)，設該垂線與平面的交點為原點，所有的霍爾元件4與該原點不能同時在同一直線上。在本實施方式中，該霍爾元件4採用的是霍爾傳感器，且該霍爾元件4與主控單元相連接。

在旋轉軸2旋轉時，霍爾元件4檢測到磁場改變，主控單元根據檢測到的磁場變化計算相應的旋轉角度。

具體的，一個信號採集模塊將採集霍爾元件4輸出的電壓信號，此信號經A/D轉換後將數據送至主控單元；主控單元利用嵌入式系統對A/D轉換的數據進行處理，最後將得到的角度值。

在本實施方式中，旋轉軸2在旋轉的同時，帶動底部的磁體3一起轉動。該磁體3的磁場隨著旋轉軸2的轉動而轉動。此時，每一個霍爾元件4都能夠檢測到磁場的變化。根據磁場變化量，主控單元根據預設的程序計算出旋轉的角度。該霍爾式角度傳感器具有結構簡單，安裝方便，成本低廉，測量精度高，穩定性好等優點，而且這種角度傳感器還可以進一步集成，可大幅度減小空間，節約資源，是一種比較理想的角度傳感器。

實施方式二

本申請的第二種實施方式提供了一種基於徑向充磁的霍爾式角度傳感器，第二種實施方式是第一種實施方式的改進，其改進之處在於，框體1內設置4個霍爾元件4，且四個霍爾元件4位於同一平面中。

在本實施方式中，採用了4個霍爾元件4，通過將4個霍爾元件4設置在原點的四周，相比採用2個霍爾元件4檢測的霍爾式角度傳感器，具有更高的檢測精度。同時，如果將霍爾元件4分別設於原點的前、後、左、右方，即相鄰兩個霍爾元件4與原點連接的夾角為90°，如圖3所示，並且霍爾元件4與原點的距離相等，使得在設計測量角度程序的時候，能夠降低相應的程序設計難度。

具體的，在本實施方式中，當旋轉軸2旋轉時，霍爾元件4拾取徑向磁鐵相對位置的變化，經電路處理，由接線插頭輸出相應電壓Us、Uc。

調用C語言自帶的反正弦函數以求得角度θ。由於正弦函數是多值函數，計算時需確定所在象限，實際應用時可通過Us、Uc的正負來確定θ所在象限，確定了具體象限後就可根據所在象限將多值函數變為單值函數。計算過程如下：令α＝arcsinUc，此處us＝Us/2K，如果Us＞0且Uc＞0，則所求角度θ在第一象限，即θ＝α；如果Us＞0且Uc＜0，則所求角度θ在第二象限，即θ＝180°－α；如果Us＜0且Uc＜0，則所求角度θ在第三象限，即θ＝180°－α；如果Us＜0且Uc＞0，則所求角度θ在第四象限，即θ＝360°+α。計算流程圖如圖4所示。

實施方式三

本發明的第三種實施方式提供了一種基於徑向充磁的霍爾式角度傳感器，第三種實施方式是第二種實施方式的改進，其改進之處在於，旋轉軸2的軸心與平面相垂直，且磁體3設於旋轉軸2的徑向上。

在本實施方式中，通過將旋轉軸2的軸心設置為與平面垂直的，並且將磁體3設於旋轉軸2的徑向上，使的該旋轉軸2在轉動時，磁體3的磁場變化是有規律的，降低了計算程序的設計難度。

實施方式四

本發明的第四種實施方式提供了一種基於徑向充磁的霍爾式角度傳感器，第四種實施方式是第三種實施方式的改進，其改進之處在於，霍爾元件4位於磁體3的正下方。

在本實施方式中，通過將霍爾元件4設置在磁體3的正下方，使得霍爾元件4能夠檢測到更強的磁場，提升檢測的精度。

實施方式五

本發明的第五種實施方式提供了一種基於徑向充磁的霍爾式角度傳感器，第五種實施方式是第四種實施方式的改進，其改進之處在於，霍爾元件4設置於主控板5上。

如果不將霍爾元件4直接設置於主控板5上，而是通過導線或者其他連接線連接到主控板5上，還需要額外對相應的霍爾元件4進行固定，才能使霍爾元件4位於同一平面上，增加了腔體內部的設計難度。在本實施方式中的這種設計方式，能夠降低腔體內部的設計難度。

同時，該主控板5上還延伸出與外部設備相連接的檢測接線6。

實施方式六

本發明的第六種實施方式提供了一種基於徑向充磁的霍爾式角度傳感器，第六種實施方式是第五種實施方式的改進，其改進之處在於，在框體1內設有無線通信組件；無線通信組件與外部主機相連接，將檢測結果發送到外部主機。

在本實施方式中，通過設計一個無線通信組件，外部設備能夠通過無線網絡與該傳感器相連接，並且通過外部終端來看檢測到的數據。

實施方式七

本發明的第七種實施方式提供了一種基於徑向充磁的霍爾式角度傳感器，第七種實施方式是第六種實施方式的改進，其改進之處在於，還包括顯示單元；

顯示單元用於顯示檢測的結果。

在本實施方式中，該傳感器還包括一個用於顯示檢測結果的顯示單元，使得本申請提供的傳感器能夠直觀地顯示出相應的檢測數據，提升了便利性。該顯示單元可以包括但不限於1602LCD(液晶顯示器)顯示屏。

上述各實施方式是實現本發明的具體實施例，本領域的普通技術人員可以理解，而在實際應用中，可以在形式上和細節上對其作各種改變和組合，而不偏離本發明的精神和範圍。