一種齒輪傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公布了一種齒輪傳感器，位于齒輪齒面上方，其特征在于：其包括多個傳感單元、背磁以及外圍的控制單元；所述背磁提供磁場用于磁化齒輪；所述多個傳感單元并排設置，傳感單元間的間距遠小于齒輪的齒距，用于檢測被背磁和齒輪之間的磁場沿其磁場敏感方向上的分量；所述控制單元用于提供穩恒電壓或電流，同時接收多個傳感單元輸出的信號，并分析判斷齒輪的狀況。本實用新型的齒輪傳感器適用于高模數比的齒輪，通過設置多個間距較小的傳感單元，分析多路信號實現測量，其測量精度不依賴于齒輪的模數比而依賴于傳感單元之間的距離，則在提升測量精度，減小誤差的同時實現了大氣隙距離的測量。
【專利說明】一種齒輪傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及磁性傳感器【技術領域】，特別涉及一種測量機械上齒輪狀態的磁性齒輪傳感器。
【背景技術】
[0002]齒輪傳感器主要應用于自動化控制系統中，以測量齒輪的轉速、位置和轉動方向。目前，常用的齒輪傳感器為光敏傳感器和磁性傳感器。在機械轉動系統中，面對震動、沖擊、油污等惡劣環境，磁傳感器比光敏傳感器具有更大的優勢。現有技術中有許多不同類型的磁傳感器，例如以霍爾元件、各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件以及磁隧道結元件為敏感元件的磁傳感器，其中霍爾傳感器具有很大的測量范圍，但是靈敏度和測量精度較低，后面幾種屬于磁電阻型傳感元件，具有更高的靈敏度和測量精度。
[0003]現有的工業應用中通過在其機械結構中設置齒輪，然后利用齒輪傳感器來測量齒輪的狀態，如位移量、速度以及位移方向等來測量機件的相應狀態。通常傳感器的結構為背磁和一個傳感單兀，該傳感單兀由兩個半橋組成一個梯度全橋輸出一路信號。背磁和磁性材料構成的齒輪之間形成一個梯度磁場，當齒輪的齒經過傳感器時，磁場的分布發生變化，傳感單元的兩個半橋分別感應齒輪經過時的磁場變化，然后兩個半橋之間形成電勢差，輸出一路類正弦波信號。對于采用不同傳感元件的傳感器來說，傳感單元沿敏感方向上的橋臂之間的距離D和齒周期的長度P之間具有以下的關系:
[0004]對于采用霍爾元件的傳感器，有:
[0005]P=2.D(I)
[0006]對于采用巨磁電阻元件的傳感器，有:
[0007]P=4.D(2)
[0008]對于采用磁隧道結元件的傳感器，有:
[0009]P=2.D(3)
[0010]以上的公式為實際應用中的最優結果，當滿足上述條件時，輸出幅度最大。我們可以看出，傳感器的兩個傳感單元的輸出信號周期依賴于齒間距P，其測量精度依賴于齒的相對大小，也就是齒輪模數比(齒輪半徑/齒輪數)。
[0011]現代工業和機械系統要求齒輪傳感器要有高精度和高的氣隙(Air Gap)距離。對于高精度的要求，傳統的方法有兩種思路，一個是降低齒輪的模數比來感知齒輪微小的位移。但是低模數比的齒輪成本非常高，且對制作工藝要求高，不容易達到精度要求且容易造成磨損，同時，測量低模數比的齒輪其氣隙距離也會非常小，若距離增大則信號量會非常低，測量精度也會隨之降低；另外一個思路是采用細分的方法將高模數比齒輪的輸出信號細分成小的周期，但是這樣是建立在推算的基礎上，當齒輪轉速不穩定或發生變化時，其誤差非常大。
實用新型內容
[0012]本實用新型目的在于針對現有技術的缺陷提供一種適用于測量高模數比大齒輪的高精度齒輪傳感器，具有高精度，高靈敏度，高氣隙距離，抗干擾能力強的特點。
[0013]本實用新型為實現上述目的，采用如下技術方案:
[0014]一種齒輪傳感器，位于齒輪齒面上方，其特征在于:其包括多個傳感單元、背磁以及外圍的控制單元；
[0015]所述背磁提供磁場用于磁化齒輪；
[0016]所述多個傳感單元并排設置，每個傳感單元的磁場敏感方向相同，傳感單元間的間距小于齒輪的齒距，用于檢測背磁和齒輪之間的磁場沿其磁場敏感方向上的分量；
[0017]所述控制單元用于提供穩恒電壓或電流，同時接收多個傳感單元輸出的信號，并分析判斷齒輪的狀態。
[0018]其進一步特征在于:所述傳感單元包括感應部分和相應的電路；所述每個傳感單元的感應部分為單電阻、半橋或全橋結構，所述單電阻、半橋或全橋的橋臂由一個或多個磁性傳感元件并聯和/或串聯組成。所述傳感單元的相應的電路可根據需求將原始信號轉化為方波或數字信號。
[0019]優選的:所述全橋為梯度全橋結構。所述全橋的沿磁場敏感方向上的每個橋臂之間的距離小于齒輪的齒距。
[0020]所述磁性傳感元件包括且不僅包括霍爾元件、各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件或磁性隧道結元件。其進一步特征還在于:所述背磁為永磁體或電磁鐵。
[0021]本實用新型的齒輪傳感器適用于高模數比的齒輪，通過設置多個間距較小的傳感單元，分析多路信號實現測量，其測量精度不依賴于齒輪的模數比而依賴于傳感單元之間的距離，則在提升測量精度，減小誤差的同時實現了大氣隙距離的測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型提供的齒輪傳感器的結構示意圖。
[0023]圖2是磁電阻元件的輸出曲線示意圖。
[0024]圖3是梯度全橋型傳感單元的磁電阻物理位置示意圖。
[0025]圖4是梯度全橋型傳感單元的磁電阻電連接示意圖。
[0026]圖5是多個傳感單元的磁電阻物理位置示意圖。
[0027]圖6是多個傳感單元的磁電阻的電連接示意圖。
[0028]圖7是梯度全橋型傳感單元的輸出曲線示意圖。
[0029]圖8是多個傳感單元的輸出波形示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖及實施例對本實用新型的實用新型內容作進一步的描述。
[0031]如圖1所示，是本實用新型提供的齒輪傳感器包括多個傳感單元(lla、llb、Ilc……lln)、背磁12以及控制單元13。每個傳感單元11之間的間距51和磁場敏感方向都相同且每個傳感單元11之間的距離51很小，遠小于齒周期長度P，圖1中所示的I為每個傳感單元11的磁場敏感方向。傳感單元11由感應部分和相應的電路(電路在圖中并未標示)構成，其敏感元件為磁性傳感元件。背磁12的作用是提供磁場31，待測齒輪21的材料為磁性材料(如鐵、鈷、鎳或含有鐵、鈷、鎳的合金)。工作時齒輪21的位移方向為22，當齒輪21的齒經過傳感器下方時,背磁12的磁場31的場強分布和大小就會發生變化,每個傳感單兀11會測出磁場31沿其磁場敏感方向I上的分量大小變化，從而輸出一個相應的正弦波信號(如圖8所示)控制單元13通過分析每一組傳感單元11的輸出信號可以精確地判斷出齒輪的轉速、位置和缺齒情況。本實用新型的齒輪傳感器適用于高模數比的齒輪，通過設置多個間距較小的傳感單元11，分析多路信號實現測量，其測量精度不依賴于齒輪的模數比而依賴于傳感單元之間的距離51，在提升測量精度，減小誤差的同時實現了大氣隙距離的測量，同時由于采用模數比低的齒輪，提升了組件的耐磨性，降低了成本。
[0032]傳感單元11的感應部分由磁性傳感元件構成，常用的磁性傳感元件有霍爾元件、各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件以及磁隧道結元件。霍爾元件是通過霍爾效應的原理測量磁場，其飽和場很大，測量范圍寬，但是靈敏度低，精度也低，通常需要額外的聚磁環結構增加其靈敏度，從而體積也很大，不過由于霍爾元件傳感器技術成熟，對其信號的處理也相對很成熟。對于工業級高精密測量要求的齒輪傳感器，采用磁電阻型傳感元件是較優的選擇。圖2是磁電阻式傳感元件的輸出曲線示意圖。其電阻值R隨外場H在其飽和場-Hs和Hs之間線性變化，當施加的外場沿其敏感方向的場強的絕對值大于其飽和場的絕對值時，其阻值不變。
[0033]傳感單元11的感應部分可以是單電阻、半橋或全橋結構，附圖1、圖3、圖4、圖5、圖6中標示的傳感單元11采用的是梯度全橋結構，為本實用新型的最優方案，但是本實用新型不僅僅局限于使用梯度全橋結構。所述單電阻、半橋或全橋的橋臂由一個或多個相同的磁性傳感元件串聯和/或并聯組成，每個橋臂我們可以等價于一個磁電阻，每個橋臂中的磁性傳感元件的磁場敏感方向都相同。前述的單電阻結構含有一個磁電阻，半橋結構由兩個磁電阻串聯組成，全橋結構由四個磁電阻連接構成。對于背磁12的磁場31的微小變化，實際應用中對傳感單元的靈敏度和抗干擾能力要求很高，因此，由磁電阻構成梯度全橋結構是傳感單元的一個最優選擇。
[0034]圖3、圖4是本實施例采用的梯度全橋磁電阻的物理位置和電連接示意圖，圖3是磁電阻41、42、43、44的擺放位置，圖4是其電連接方式。我們可以看到沿著傳感單元11的磁場敏感方向I,磁電阻41和44的位置相同，磁電阻42和43的位置相同，且41和42以及44和43之間的距離為D，在焊點Vbias和GND之間輸入穩恒電壓。在沒有外場的作用下，磁電阻41、42、43、44的阻值相同，輸出端沒有電勢差，無輸出。當磁體的磁場31施加于四個磁電阻上時，由于該磁場31是梯度場，沿著梯度場方向的場強大小不同，則沿著梯度方向位置相同的磁電阻41和44的電阻值變化相同，磁電阻42和43的電阻值變化相同，磁電阻41和42 (43和44)的阻值變化不同，則梯度全橋的輸出端V+和V-之間具有輸出電壓Vout0隨著齒輪21的運動，磁體12的磁場31沿磁場敏感方向I的分量大小也會隨之變化從而導致輸出電壓Vout的變化。通過控制單元13分析多組信號我們可以測得齒輪的相應的狀態，如單齒位置，齒輪轉速，及齒輪轉動方向以及缺齒狀態等。采用梯度全橋結構的最大優點在于，若一個大磁場對傳感單元11造成干擾，由于大磁場在測量距離范圍內可以近似認為是均勻場，則不會產生相應的輸出電壓，故梯度全橋的抗干擾能力很強，梯度全橋式磁性傳感元件的輸出曲線如圖7所示。
[0035]圖5是多組傳感單元的物理位置示意圖。如圖所示，在磁場敏感方向I上，同一位置的兩個磁電阻41和44,42和43構成一個梯度全橋,組成傳感單兀Ila的感應部分；同一位置的磁電阻45和48，46和47構成一個梯度全橋，組成傳感單元Ilb的感應部分……以此可類推至第η個傳感單元lln。對于一個傳感單元內，不同物理位置的橋臂之間的距離D相等，且一般小于齒間距P，其最優的距離遵從公式(I)、(2)、(3)。每個傳感單元之間的距離51遠小于齒間距P。
[0036]圖6是多組傳感單元的電連接示意圖。多個磁電阻組成的多個梯度全橋并聯，統一由控制單元13提供穩恒電壓或穩恒電流，多組輸出信號傳遞至控制單元13進行后期的處理和分析。
[0037]傳感單元11的感應部分的輸出信號可以直接輸出到控制單元13也可以通過相應的電路處理后再輸出到控制單元13，例如可根據需求將模擬信號轉化為方波或數字信號。
[0038]應當理解，以上借助優選實施例對本實用新型的技術方案進行的詳細說明是示意性的而非限制性的。本領域的普通技術人員在閱讀本實用新型說明書的基礎上可以對各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和范圍。
【權利要求】
1.一種齒輪傳感器，位于齒輪齒面上方，其特征在于:其包括多個傳感單元、背磁以及外圍的控制單元； 所述背磁提供磁場用于磁化齒輪； 所述多個傳感單元并排設置，每個傳感單元的磁場敏感方向相同，傳感單元間的間距小于齒輪的齒距，用于檢測背磁和齒輪之間的磁場沿其磁場敏感方向上的分量； 所述控制單元用于提供穩恒電壓或電流，同時接收多個傳感單元輸出的信號，并分析判斷齒輪的狀態。
2.根據權利要求1所述的齒輪傳感器，其特征在于:所述傳感單元包括感應部分和相應的電路；所述每個傳感單元的感應部分為單電阻、半橋或全橋結構，所述單電阻、半橋或全橋的橋臂由一個或多個磁性傳感元件并聯和/或串聯組成。
3.根據權利要求2所述的齒輪傳感器，其特征在于:所述全橋為梯度全橋結構。
4.根據權利要求2所述的齒輪傳感器，其特征在于:所述磁性傳感元件包括且不僅包括霍爾元件、各向異性磁電阻元件、巨磁電阻元件或磁性隧道結元件。
5.根據權利要求1所述的齒輪傳感器，其特征在于:所述背磁為永磁體或電磁鐵。
6.根據權利要求3所述的齒輪傳感器，其特征在于:所述全橋的沿磁場敏感方向上的每個橋臂之間的距離小于齒輪的齒距。
7.根據權利要求2所述的齒輪傳感器，其特征在于:所述傳感單元的相應的電路可根據需求將原始信號轉化為方波或數字信號。
【文檔編號】G01D5/12GK203981183SQ201320646744
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年10月18日 優先權日:2013年10月18日
【發明者】白建民, 王建國, 黎偉 申請人:無錫樂爾科技有限公司