基于霍爾效應的長行程位移測量裝置的制作方法

專利名稱：基于霍爾效應的長行程位移測量裝置的制作方法
技術領域：
基于霍爾效應的長行程位移測量裝置技術領域[0001]本實用新型屬于物理參數測量技術領域，涉及一種霍爾效應位移測量裝置和測量方法，尤其涉及一種通過線性霍爾傳感器進行長行程位移測量的霍爾位移測量裝置。
背景技術：
[0002]目前磁性浮子液位計的變送器部分使用干簧管傳感器。磁性浮子液位計的變送器的部分技術參數[0003]液體密度>O. 4g/cm3,[0004]最大量程0_6m,[0005]分辨率±lcm,[0006]信號傳輸方式(4-20) mA (兩線制)。[0007]磁性浮子液位計是一種對測量精度有一定要求(分辨率土 lcm)，但是要求不是太高的液位儀表，其價格比較適中。如果對精度要求較高，如精度土 1mm，則需要使用其他液位液位計，比如磁致伸縮液位計，但其價格也比較昂貴。[0008]磁性浮子液位計上的每個干簧管輸出一個開關量信號，要達到上述分辨率，每米長度需要人工焊接100個干簧管(同時還需焊接100個電阻)，生產效率低。另外，干簧管易碎，導致生產中、產品運輸和安裝過程中儀表易發生故障。液位計生產廠家一般使用進口干簧管，價格相對較高。[0009]專利“霍爾位移測量裝置及測量方法”，申請號200910105137. 2，提出了一種使用霍爾開關測量位移的方法，使用霍爾開關雖然在降低故障率上優于干簧管傳感器，但是其缺陷也顯而易見[0010]I、開關型霍爾傳感器與干簧管同輸出開關量，使用霍爾開關并不能減少器件使用數量，比如分比率為± lcm，測量I米長度也需要100個開關型霍爾傳感器，加上附屬電路， 整個測量設備電路將十分復雜。[0011]2、干簧管是無源器件，測量電路簡單，易實現細長條型設備，測量范圍大。開關型霍爾傳感器為有源器件，加上附屬電路，測量范圍大將無法實現細條型設備。[0012]3、使用開關型霍爾傳感器，隨著測量長度增大，電路復雜度成倍增加，其低功耗測量方法將無意義。[0013]4、使用開關型霍爾傳感器，隨著測量長度增大，電路復雜度成倍增加，測量設備成本將大大超過使用干簧管，應用受限。[0014]專利申請“長行程線性位移非接觸式測量裝置”，申請號201210016996. 6，提出一種使用線性霍爾傳感器測量永磁鐵直線位移的方法。其使用本實用新型中的圖6線性曲線段42進行測量永磁鐵位置，使用兩個及多個線性霍爾傳感器測量時，需要線性霍爾傳感器間的間距小于磁鐵長度，這樣前后線性霍爾傳感器的線性曲線段42對應的位移才能有重合部分，測量方法才能實現。如果采用此種測量原理實現長位移測量，要么增加磁性浮子的磁鐵長度，要么需要使用的傳感器數量要大大增加，但前者可能導致無法有效測量，而后者勢必加大成本。實用新型內容[0015]鑒于上述現有技術存在的不足，本實用新型的目的是針對磁性浮子液位計，提供一種低功耗、采用的器件較少、維護方便且成本較低的基于霍爾效應的長行程位移測量裝置。本實用新型的技術方案如下[0016]一種基于霍爾效應的長行程位移測量裝置，包括單片機、恒流源、信號處理電路、 模數轉換器和傳感器陣列，所述的傳感器陣列為至少一組線性霍爾傳感器，每組霍爾傳感器均勻一字排布在一個PCB板上，相鄰的線性霍爾傳感器間距不小于磁性浮子上的磁鐵在傳感器陣列排列方向上的尺寸，設一組線性霍爾傳感器的個數為η個，η個線性傳感器的差分輸出通過η通道模擬多路復用器復用兩根差分電壓信號傳輸線；兩根差分電壓信號傳輸線與信號處理電路的輸入接口相連；相鄰的兩個PCB板通過擴展接口相連；各組線性霍爾傳感器由同一個恒流源分時供電，同一時間只有一組η通道模擬多路復用器輸出電壓信號到差分電壓信號傳輸線上，其它模擬多路復用器輸出處于高阻狀態；差分電壓信號經兩根差分傳輸線傳輸到信號處理電路進行濾波放大處理后，由模數轉換器轉換成數字量后傳送到單片機。[0017]作為優選實施方式，使用模擬多路選擇器選擇為同一組的線性霍爾傳感器組內的每個線性霍爾傳感器單獨供電。[0018]本實用新型的有益效果如下[0019]使用線性霍爾傳感器可降低因干簧管易損壞而導致的儀表故障。本實用新型利用分布在多個PCB板上的多組線性霍爾傳感器的測量方式，同時采用總線控制和傳輸霍爾輸出電壓，另外，在工作原理上，本實用新型選取霍爾傳感器輸出電壓曲線段41和曲線段43 (圖6)，擴大了單個線性霍爾元件的測量范圍，從而實現使用線性霍爾傳感器測量長行程的位移。比如要求分辨率± lcm，測量I米位移距離，使用干簧管或者開關型霍爾元件，需要 100個傳感器器件，而本實用新型如果把線性霍爾傳感器器間距設為8cm，則只需要使用13 個線性霍爾傳感器，因此，本實用新型在滿足長行程測量磁性浮子位移的情況下可減少元器件焊接數量，提高磁性浮子液位計生產效率和降低液位計材料和制造成本。此外，實用新型提出的使用單一恒流源對霍爾傳感器供電和對測量電路分組分時供電的方式，降低了裝置的功率，裝置總供電電流可小于4mA。


意圖；意圖；[0023][0024][0025]圖I是本實用新型線性霍爾傳感器結構(左圖)及測量磁場方向(右圖)示意圖；圖2是本實用新型的第一種線性霍爾傳感器排列結構及和磁性浮子位置關系示圖3是本實用新型的第二種線性霍爾傳感器排列結構及和磁性浮子位置關系示圖4是采用第一種供電方式的測量電路示意圖；圖5是采用第二種供電方式的測量電路示意圖；圖6是本實用新型實施例磁性浮子與傳感器相對位置傳感器輸出電壓值示意圖；[0026]圖7是本實用新型實施例判斷粗略位置和計算精確位置方法示意圖。
具體實施方式
[0027]下面通過實施例和附圖對本實用新型進行說明，但本實用新型并不局限于此。[0028]本實用新型對磁性浮子液位計進行了改進，利用霍爾效應測量長行程磁性浮子的位移。磁性浮子里包括一塊磁鐵，因而在本實用新型的各個附圖中，用磁鐵的磁性方向來表達磁性浮子的磁性方向。本實用新型主要包括傳感器部分和測量部分兩個部分，下面先介紹傳感器部分。[0029]本實用新型采用的傳感器為線性霍爾傳感器陣列，圖I給出了所采用的單個線性霍爾傳感器的管腳定義和測量磁場方向示意圖。左半部分是管腳定義示意圖，INPUT+和 INPUT-分別是線性霍爾傳感器電源正負輸入管腳，線性霍爾傳感器電源可以是恒流源也可以是恒壓源，本實用新型使用的恒流供電，OUTPUT+和OUTPUT-是線性霍爾傳感器電壓輸出管腳，其輸出差分電壓。右半部分是測量磁場方向不意圖，若磁場方向與此方向相同，貝1J線性霍爾傳感器輸出正電壓；若磁場方向與此方向相反，貝1J線性霍爾傳感器輸出負電壓；線性霍爾傳感器輸出電壓大小與磁場強度成正比。[0030]本實用新型的線性霍爾傳感器在長條形PCB板上呈線性排列，圖2和圖3分別給出一種磁性浮子的磁場分布與線性霍爾傳感器之間的位置關系，磁性浮子I中的磁鐵為可實現此磁場分布的任意形狀或組合。圖2中，線性霍爾傳感器21排列在PCB板2上，排列間距L，間距L不小于磁性浮子I中磁鐵在線性霍爾傳感器排列方向上的尺寸，磁性浮子I 的N極和S極方向與線性霍爾傳感器21排列方向相同，磁性浮子I與PCB板2保持恒定距離，沿著線性霍爾傳感器21排列方向前后移動或靜止。線性霍爾傳感器21測量磁場方向與線性霍爾傳感器21排列方向垂直。PCB板2兩端有擴展接口 22，測量長度可擴展。圖3 中，線性霍爾傳感器21排列在PCB板2上，排列間距L，間距L不小于磁性浮子I中磁鐵在線性霍爾傳感器排列方向上的尺寸，磁性浮子I的N極和S極方向與線性霍爾傳感器21排列方向垂直，磁性浮子I與PCB板2保持恒定距離，沿著線性霍爾傳感器21排列方向前后移動或靜止。線性霍爾傳感器21測量磁場方向與線性霍爾傳感器21排列方向相同。PCB 板2兩端有擴展接口 22，測量長度可擴展。[0031]設一組線性霍爾傳感器21的個數為η個，則η個線性霍爾傳感器21在PCB板上均勻排布，間距L不小于磁性浮子I中磁鐵在線性霍爾傳感器排列方向上的尺寸。比如磁性浮子I中磁鐵在線性霍爾傳感器排列方向上的尺寸是4cm，線性霍爾傳感器21排列間距 L可為8cm，在PCB兩端有電氣接口，可擴展長度。輸出的差分電壓通過η通道模擬多路復用器25復用兩根差分傳輸線。η取值可以是32、16、8、4或2。[0032]如圖4和圖5所示，本實用新型的測量電路部分，主要由MCU31單片機、恒流源33、 信號處理電路34、AD轉換器35和其他電路32組成。恒流源33給傳感器部分提供唯一共用恒流源。信號處理電路34差分電壓信號總線電壓濾波放大等處理后給AD轉換器35，轉換成數字信號給MCU31。MCU提供控制信號CSl、CS2……CSm和C1、C2……Ck。其他電路包括4-20mA變換電路等。圖4和圖5分別給出了兩種測量電路的實施方式。圖5給出的供電方式，由于采用了每次只是為同一組線性霍爾傳感器中的一個供電的方式，可增大供電電流，可以作為本實用新型的最佳實施方式。[0033]圖4中，同一組線性霍爾傳感器21陣列排放在一個PCB板2上，電源管腳串聯在一起，由同一個恒流源供電，并由開關23控制。這一組線性霍爾傳感器21輸出電壓通過模擬多路復用器25后復用差分電壓總線上，模擬多路復用器25選擇哪個線性霍爾傳感器21 輸出到差分電壓總線是由控制總線C1、C2……Ck來控制的，例如一組有8個線性霍爾傳感器，模擬多路復用器可以用兩個8選I模擬多路復用器，一個選擇線性霍爾傳感器輸出正， 一個選擇線性霍爾傳感器輸出負，控制總線需要三根C1、C2和C3。模擬多路復用器25電源由開關24控制。PCB板2可以級聯，級聯后，共用總線。線性霍爾傳感器對應的開關23 和 24，由 CS1、CS2......CSm 控制。[0034]圖5的測量方式與圖4的區別是每組線性霍爾傳感器21由串聯一起供電改變為使用模擬多路選擇器26選擇為每組內的單個線性霍爾傳感器21單獨供電。模擬多路選擇器26與模擬多路復用器25共用電源和控制信號C1、C2……Ck。[0035]圖6為“磁性浮子與傳感器相對位置傳感器輸出電壓”關系示意圖。本實用新型使用曲線41段和43段計算磁性浮子精確位置。經過傳感器21與橫坐標垂直虛線與橫坐標交點為傳感器位置。經過磁性浮子I中心與橫坐標垂直虛線與橫坐標交點為磁性浮子位置，該虛線與曲線相交點對應的電壓值為V，即磁性浮子在當前位置傳感器輸出電壓V，磁性浮子相對傳感器的位置為SI。[0036]測量方法[0037]測量任意線性霍爾傳感器輸出電壓使能要測量的霍爾傳感器所在組的恒流源和模擬多路復用器電源，使用模擬多路復用器通道選擇控制總線選通要測量的線性霍爾傳感器，該線性霍爾傳感器輸出電壓通過模擬多路復用器輸出到霍爾電壓信號傳輸總線上，該電壓信號通過信號處理電路后，經AD轉換，由MCU獲取。[0038]磁性浮子I在線性霍爾傳感器21保持與PCB板2恒定距離，沿著平行PCB板2的傳感器21陣列的方向移動或靜止在某位置。設傳感器21排列間距L ；[0039]如圖6所示，磁性浮子I從遠處接近傳感器21陣列中的某個傳感器到遠離該傳感器，記錄磁性浮子I與該傳感器相對位置S和該傳感器輸出電壓值V，獲得“磁性浮子與傳感器相對位置傳感器輸出電壓值” 一組關系值，該關系值適用于PCB板上任一傳感器。[0040]傳感器輸出電壓說明磁性浮子在某個傳感器位置時，磁性浮子距離該傳感器前后傳感器的距離相等，因此該傳感器的前后兩個傳感器輸出符號相反但絕對值相同的電壓；如圖7所示，磁性浮子I在該傳感器位置之前且距離小于O. 5L時，磁性浮子I與該傳感器的前一個傳感器距離小于與其后一個傳感器的距離，則前傳感器輸出電壓絕對值I V(i-I) I大于后傳感器輸出值I V(i+1) I且符號相反；磁性浮子在該傳感器位置之后且距離小于O. 5L時，磁性浮子與該傳感器后一個傳感器距離小于與其前一個傳感器的距離， 該后傳感器輸出電壓絕對值大于前傳感器輸出值且符號相反。磁性浮子在該傳感器位置前后O. 5L內，距離距離該傳感器最近，該傳感器輸出的電壓值絕對值I V(i) I最大。[0041]測量步驟[0042]I)按照傳感器陣列的排布順序，設傳感器陣列的第二個傳感器為當前傳感器；[0043]2)獲取與當前傳感器相鄰的前一個傳感器和后一個傳感器及其本身的電壓值， 若三個傳感器電壓絕對值均大于設定閾值，而且當前傳感器的電壓絕對值最大且前一個傳感器的電壓絕對值大于后一個傳感器的電壓絕對值，則判定磁性浮子在當前傳感器位置之前O. 5L以內的某位置，結束磁性浮子粗略位置的定位；若三個傳感器電壓絕對值均大于閾值，而且當前傳感器的電壓絕對值最大且前一個傳感器的電壓絕對值小于后一個傳感器的電壓絕對值，則判定磁性浮子在當前傳感器位置之后O. 5L以內的某位置，結束磁性浮子粗略位置的判定；[0044]3)按照步驟2)的方法，判定磁性浮子的位置是否當前傳感器位置前后O. 5L之間， 若在則執行步驟4);否則將當前傳感器的下一個傳感器視為當前傳感器，再次判定；若掃描完畢所有傳感器仍無法判定磁性浮子粗略位置，返回步驟I);[0045]4)磁性浮子粗略位置定位后，再次進行電壓掃描采集，按照步驟2)方法，先判定磁性浮子是否在當前傳感器位置的前后O. 5L距離的之間，若在，該傳感器仍為當前傳感器； 若不在，判定磁性浮子是否在當前傳感器前一個傳感器位置的前后O. 5L距離之間，若在， 把當前傳感器前一個傳感器設為當前傳感器；否則判定磁性浮子是否在當前傳感器后一個傳感器位置的前后O. 5L距離之間，若在，把當前傳感器后一個傳感器設為當前傳感器；重復本步驟，完成磁性浮子靜止或位移過程中粗略位置的跟蹤判定，否則返回步驟I)；[0046]5)每次判定磁性浮子的粗略位置在某個傳感器21 (i)前后O. 5L之間后，若判定磁性浮子在該傳感器21 (i)位置之前，如圖7所示，使用該傳感器前一個傳感器21 (i-Ι)輸出電壓V (i-1)，在“磁性浮子與傳感器相對位置傳感器輸出電壓值”中線性插值，得到磁性浮子I相對前一個傳感器21 (i-Ι)的精確位置S2。若判定磁性浮子在該傳感器位置之后，則使用后一個傳感器的輸出電壓，在“磁性浮子與傳感器相對位置傳感器輸出電壓值”中進行插值計算，得到磁性浮子相對后一個傳感器的精確位置。從而計算出浮子所在具體精確位置。[0047]與專利申請201210016996. 6相比，本實用新型使用曲線段41和43，線性霍爾傳感器排列間距需要大于磁鐵長度，此時使用線性曲線段42是無法實現上述專利測量方法的。 使用曲線段41和43的原因和優點[0048]I、磁性浮子中磁鐵占浮子重量比例較大，在低密度液體(比如0. 4g/cm3)液位測量中，磁性浮子中磁鐵的尺寸在線性霍爾傳感器排列方向比較小，如果磁鐵尺寸大，磁鐵重量過重，磁性浮子將漂浮不起來，無法測量液位，磁鐵尺寸在線性霍爾傳感器排列方向越小線性曲線段42斜率就越大，線性曲線段42對應的位移段就越小，單個線性霍爾傳感器能夠測量的位移就越小，此時使用線性曲線段42測量長行程位移就需要大量線性霍爾傳感器， 本實用新型測量的實現將會很困難。而使用曲線段41和43，突破了磁鐵尺寸的限制，擴展了單個線性霍爾傳感器的測量范圍，有利于測量裝置的實現。[0049]2、本實用新型擴展了單個線性霍爾傳感器的測量范圍，本實用新型單個線性霍爾傳感器測量范圍可為上述專利單個線性霍爾傳感器測量范圍的2倍以上，減少了線性霍爾傳感器的使用數量，易于實現大量程測量，降低成本，比如使用長度4cm的磁鐵，本實用新型線性霍爾陣列間距可達到8cm，而上述實用新型線性霍爾陣列間距最大可能只能為3cm。[0050]通過比較可以看出，本實用新型不但與開關型霍爾傳感器相比有使用傳感器數量小測量范圍大的優點，而且與同樣使用線性霍爾傳感器測量位移的方法相比也有使用傳感器數量小測量范圍大的優點。
權利要求1.一種基于霍爾效應的長行程位移測量裝置，包括單片機、恒流源、信號處理電路、模數轉換器和傳感器陣列，所述的傳感器陣列為至少一組線性霍爾傳感器，每組霍爾傳感器均勻一字排布在一個PCB板上，其特征在于，相鄰的線性霍爾傳感器間距不小于磁性浮子上的磁鐵在傳感器陣列排列方向上的尺寸，設一組線性霍爾傳感器的個數為n個，n個線性傳感器的差分輸出通過n通道模擬多路復用器復用兩根差分電壓信號傳輸線；兩根差分電壓信號傳輸線與信號處理電路的輸入接口相連；相鄰的兩個PCB板通過擴展接口相連；各組線性霍爾傳感器由同一個恒流源分時供電，同一時間只有一組n通道模擬多路復用器輸出電壓信號到差分電壓信號傳輸線上，其它模擬多路復用器輸出處于高阻狀態；差分電壓信號經兩根差分傳輸線傳輸到信號處理電路進行濾波放大處理后，由模數轉換器轉換成數字量后傳送到單片機。
2.根據權利要求I所述的基于霍爾效應的長行程位移測量裝置，其特征在于，使用模擬多路選擇器選擇為同一組的線性霍爾傳感器組內的每個線性霍爾傳感器單獨供電。
專利摘要本實用新型屬于物理參數測量技術領域，涉及一種基于霍爾效應的長行程位移測量裝置，包括單片機、恒流源、信號處理電路、模數轉換器和傳感器陣列，傳感器陣列為至少一組線性霍爾傳感器，每組霍爾傳感器均勻一字排布在一個PCB板上，相鄰的線性霍爾傳感器間距不小于磁性浮子上的磁鐵在傳感器陣列排列方向上的尺寸，線性傳感器的差分輸出通過n通道模擬多路復用器復用兩根差分電壓信號傳輸線；兩根差分電壓信號傳輸線與信號處理電路的輸入接口相連；相鄰的兩個PCB板通過擴展接口相連；各組線性霍爾傳感器由同一個恒流源分時供電。本實用新型具有低功耗、采用的器件較少、維護方便且成本較低的優點。
文檔編號G01F23/30GK202814328SQ20122043943
公開日2013年3月20日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者楊會峰 申請人:楊會峰