专利名称：磁性位置传感装置及其定位方法
技术领域：
本发明涉及一种位置传感装置及其方法，尤其是涉及一种磁性位置传 感装置及其定位方法。
背景技术：
在一个物体上安装具有永磁体阵列的动尺，在另一个物体上安装具有 磁敏元件阵列及电路的静尺，静尺接收动尺的磁场从而测量两物体相对位
移的技术应用十分广泛，并已制成专用的集成电路如HLA32，该电路具有 32路霍尔元件阵列并采用单片机对霍尔元件的输出信号进行扫描，在长距 离情况下一般进行分段依次上电扫描，判断永磁体的位置。为了提高测试 精度，根据磁尺的启发，发明专利"位置编码式磁性位移传感器" (CN1309282A)引入了编码，该专利采用的永磁体阵列各单元宽度不相等， 其间距在±1/7 ±1/9之间变化，磁敏元件阵列中各元件之间的间距也不 相等，其间距在±1/11 ±1/13之间变化，磁敏感元件之间取出差分信号 序列，当永磁体阵列位于磁敏元件阵列不同位置时，取出的差分信号序列 不同，其数目由永磁体阵列单元与磁敏元件阵列单元的排列组合决定，因 此，该方法只能在有限长度内进行位置测量，在进行多段扩展时，相邻两 段接头位置的精度较低，由此降低了系统感测精度。实用新型专利"磁敏 同步数字位移传感器"(CN2544246Y)采用磁敏元件阵列和并串转换电路及 单片机，单片机对磁敏元件阵列的动作情况进行扫描并判断永磁体的位置。 实用新型专利"数字化接近传感器"(CN2615636Y)中，也采用永磁体阵列 和磁敏元件阵列，为了进行长距离测量，该专利也采用了分段依次上电扫描，判断永磁体的位置。但该专利中MCS51单片机通过4-16译码器直接驱 动16个霍尔元件上电，在驱动能力上是不可能实现的；采用4-16译码器 也限制了所能驱动的磁敏感元件的组数；另外，该实用新型专利不能接收 霍尔元件的模拟信号，也没有能够提高感测精度的信号处理方法，其串口 输出方式也使长距离测试时间过长。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的只能在有限长度内进行位置测 量，在进行多段扩展时，相邻两段接头位置的精度较低，由此降低了系统 感测精度等的技术问题；提供了一种采用位序列匹配方法定位，提高了感 测精度，同时，也可在保持精度不变的条件下减少磁敏感元件的数量，从 而节省成本的磁性位置传感装置及其定位方法。
本发明还有一目的是解决现有技术所存在的驱动能力上是不可能实现 直接驱动霍尔元件，采用译码器也限制了所能驱动的磁敏感元件的组数； 并且不能接收霍尔元件的模拟信号，也没有能够提高感测精度的信号处理 方法，其串口输出方式也使长距离测试时间过长等的技术问题；提供了一 种既能接收磁敏感元件的数字信号也能接收其模拟信号，提高了响应速度， 减小了长距离传输所引起的信号衰减和干扰，增加了编码的信息量从而提 高了确定起始位置感测精度，减少了所需永磁体数量，同时，能保证整个 静尺感测精度的一致性并扩展了感测范围的磁性位置传感装置及其定位方 法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的 磁性位置传感装置，用于感测两个物体相对位置，它包括一个内部设
有永磁体阵列的动尺， 一个能传感动尺磁场的静尺，静尺内部分别设置有
磁敏元件阵列，主控电路以及至少一个段扫描电路、至少一个段接口电路以及至少一个段缓冲电路，其特征在于主控电路连接段缓冲电路，段缓 冲电路连接段扫描电路，段扫描电路连接段接口电路，段接口电路连接主 控电路。
在上述的磁性位置传感装置，永磁体阵列和磁敏元件阵列的几何参数 满足关系式
Di=mi*d+ 5
或者，满足关系式
Di=mi*d - S d
M》--1
式中，M为永磁体阵列单元数，Di为永磁体阵列中第i个阵列单元的 宽度，i=l、 2、..... 、 M， d为静尺内磁敏元件之间的间距，5为传感装置
d
的分辨率，nu为阵列单元宽度系数，m、 nu、 ^为大于零的整数。
在上述的磁性位置传感装置，永磁体阵列中的阵列单元可以由极性交 错排列的两块永磁体和填充材料组成，也可以由一块永磁体和填充材料组
成o
在上述的磁性位置传感装置，永磁体阵列中的永磁块截面为矩形。 在上述的磁性位置传感装置，磁敏元件输出的可以是开关信号，也可 以是模拟信号。
d 1 5
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M在上述的磁性位置传感装置，所述的段扫描电路它包括一个单片机， 单片机I/O 口线连接PNP三极管基极，PNP三极管集电极连接磁敏元件的电
源端，磁敏元件的信号端连接FET开关电路，FET开关电路连接单片机。
在上述的磁性位置传感装置，单片机通过双向移位寄存器连接PNP三 极管的基极。
在上述的磁性位置传感装置，单片机的信号为PIC16F884。 一种用于上述磁性位置传感装置的定位方法，其特征在于
a、 启动段扫描电路对磁敏元件阵列进行扫描。
b、 探测到永磁体阵列信号后，段扫描单片机发送数据到主控电路单片 机，主控电路单片机将其拼接成接收信号序列。
c、 主控单片机根据接收信号序列的第一字节确定永磁体阵列对应的起 始磁敏元件位置，并以该位置作为待求位置的整数部分。
d、 主控单片机将接收信号序列依次与各参考信号序列作异或逻辑运 算，记录该运算结果中逻辑值为"1"的位的个数叫做匹配数。
e、 匹配数最小的参考信号序列对应的位置形成位置数据的小数部分。
在上述的磁性位置传感装置的定位方法，参考信号序列的个数等于或
d
者大于;-1，每个参考信号序列被赋予相应的位置信息，其中，d为静尺 内磁敏元件之间的间距，s为传感装置的分辨率。
因此，本发明具有如下优点l.设计合理，结构简单，并且使用寿命 长，易于推广；2.采用位序列匹配方法定位，提高了感测精度，同时，也 可在保持精度不变的条件下减少磁敏感元件的数量，从而节省成本；3.既 能接收磁敏感元件的数字信号也能接收其模拟信号，提高了响应速度，减 小了长距离传输所引起的信号衰减和干扰，增加了编码的信息量从而提高
8了确定起始位置感测精度，减少了所需永磁体数量，同时，能保证整个静 尺感测精度的一致性并扩展了感测范围。
图1是本发明的一种主视结构示意图； 图2是图1中所采用的电路图； 图3是图1中所采用的段扫描电路图； 图4是图1中所采用的定位方法示意图； 图5是图1中所采用的定位方法流程图
图6是本发明的另一种是实施例的一种主视结构示意图。
具体实施例方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的 说明。图中，动尺l、，基体2、，永磁体阵列3、填充物4、静尺5、密封外 壳6、磁敏元件阵列7、主电路板8、缓冲电路板9、电路板连接线IO、扫 描电路ll、主控电路12、缓冲电路13、接插端口 14、段接口电路15、编 码电路16、主控单片机17、通讯接口 18、并行输出接口 19、段扫描单片 机20、 FET开关电路21、电阻排22、双向移位寄存器23、三极管24。
实施例1:
如图1，位置传感装置由动尺(1)、静尺(5)、密封外壳(6)和接插 端口 (14)组成。在一个物体上安装动尺(1)，在另一个物体上安装静尺
(5)，静尺(5)内的磁敏元件阵列(7)接收动尺(1)内的永磁体阵列(3) 磁场信号，通过信号处理测出两物体的相对位移，其数据结果由接插端口
(14)输出。永磁体阵列(3)安装在基体(2)上。主电路板(8)上焊接磁敏元件阵列(7)、段扫描电路(11)及主控电路(12)，缓冲电路板(9)
上焊接缓冲电路(13)，各电路板之间的电连接采用电路板连接线(10)。 静尺(5)的磁敏元件阵列(7)和全部电路均安装在密封外壳(6)内。
如图2，动尺(1)内永磁体极性交错排列，磁体之间无间隔即没有填 充物，磁体阵列与霍尔元件阵列的参数为M=13、 d二2mm、 Hli =6， m2 二3， ITl3 =3， ITU =2， ITl5 =4， Hl6 = ITI7 = His = Hl9 二 III10 ==3， ITI12 =6， III13 =3， S二O. 2腿，M=13>d/S -1 = 2隱/0. 2,-1二10， Uli为阵列
单元宽度系数，M、 ITU、 d/S均为大于零的整数，永磁体阵列各单元宽度由 关系式Di iWd+S确定。永磁体阵列(3)中的永磁块截面为矩形。霍 尔元件输出的是开关信号。
如图3，在本实施例中，段扫描电路(11)、段接口电路(15)以及段 缓冲电路根据实际测量对象不同，数量也有所不同，。
静尺(5)内部的电路包括一个主控电路(12)和多个段扫描电路(11) 和段接口电路(15)及段缓冲电路(13)。具体的连接方式为，主控电路(12) 连接第一个段缓冲电路(13)，第M个段缓冲电路(13)依次与第M-1个段 缓冲电路(13)连接，第M个段接口电路(15)依次与第M-1个段接口电 路(15)连接，第M个段缓冲电路(13)连接第M个段扫描电路(11)，第 M个段扫描电路(11)连接第M个段接口电路(15)，当段扫描单片机(20) 发现有效的永磁体阵列(3)信号时，通过段缓冲电路(13)向主控单片机
(17)申请中断，主控单片机(17)通过由两个8线到3线优先级编码器 SN74HC148和一个两输入四与门74HC08构成的16线到4线优先级编码电路
(16)获得申请中断的段序号，扫描段离主控单片机(17)越远中断优先级越高，主控单片机(17)通过缓冲电路(13)对申请中断的段扫描单片
机(20)进行控制，控制线的默认电平为低电平，当控制线为高电平时选 通相应的段扫描单片机(20)，该段扫描单片机(20)通过并行输出接口U9) RD及段接口电路(15)向主控单片机(17)输出数据，这时总线收发器 SN74HC245变为高阻输出，FET总线开关SN74CBT3345导通。主控单片机(17) 对接收到的信号进行处理得到动尺的位置、角度信息，并通过通讯接口 (18) 如RS485输出。缓冲电路(13)起中继作用，对主控电路(12)发出的控 制信号及段扫描电路(11)回应的中断请求信号进行整形，去掉长距离干 扰。
如图4，段扫描电路(ll)包括并行输出接口 (19)、段扫描单片机(20)、 FET开关电路(21)、电阻排(22)、双向移位寄存器(23)、三极管(24)。 单片机通过双向移位寄存器(23)连接PNP三极管(24)基极，双向移位 寄存器(23)的每一根输出线连接一个三极管(24)的基极，PNP三极管(24) 集电极连接一组磁敏元件的电源端，磁敏元件的信号端连接FET开关电路 (21)， FET开关电路(21)连接段扫描单片机(20)。段扫描单片机(20) 通过双向移位寄存器(23)控制扫描的顺序并根据上次扫描的结果进行正 向或逆向扫描。本实施例中，磁敏元件为开关型霍尔元件，由于霍尔元件 为OC (开路集电极)输出，在FET开关电路(21)的输出端接一电阻排(22) 进行电平上拉，由段扫描单片机(20)进行处理得出阵列中的霍尔元件动 作(输出低电平)情况数据，当发现有效的永磁体阵列(3)信号时，段扫 描单片机(20)与主控单片机(17)联络，在主控单片机(17)的控制下， 段扫描单片机(20)通过并行输出接口 (19)向主控单片机(17)发送数 据。段扫描单片机(20)的型号为PIC16F884。
如图5，用于上述磁性位置传感系统的定位方法，包括如下步骤 a、启动扫描电路(11)对霍尔元件阵列(7)进行扫描。b、 探测到永磁体阵列(3)信号后，段扫描单片机(20)发送数据到
主控电路(12)单片机，主控电路(12)单片机将其拼接成接收信号序列。
c、 主控单片机(17)根据接收信号序列的第一个字节确定永磁体阵列 (3)对应的起始霍尔元件位置，并以该位置作为待求位置的整数部分。
d、 主控单片机(17)将接收信号序列依次与各参考信号序列作异或逻 辑运算，记录该运算结果中逻辑值为"1"的位的个数叫做匹配数。
e、 匹配数最小的参考信号序列对应的位置形成位置数据的小数部分。
d
参考信号序列的个数为;，每个参考信号序列被赋予相应的位置信息。
由于具有永磁体阵列(3)组成的动尺(1)和磁敏感元件阵列组成的 静尺(5)，在一般情况下，要提高精度，首先想到的是"游标卡尺原理"， 但游标卡尺是借助人眼观察的，而人眼有极强的分析能力，由于没有人眼 的参与，当使用单片机替代人眼分析时，需要考虑并解决的问题和发展的 算法已超过"游标卡尺原理"所描述的范围，况且，"游标卡尺原理"也没 有一个明确的界定，为了避免引入不必要的混淆，本发明在叙述所涉及的 定位方法时将不刻意与"游标卡尺原理"附会，而是从一种更普遍的波形 识别、曲线匹配、编码匹配理论来综合思考问题，重要的是具体的定位方 法本身，而不是该方法归属于那一个原理。本发明定位原理如下。
如图2，图中第二排为平行于霍尔元件接收方向的磁感应强度分量曲 线，其横坐标以上的磁场大于霍尔元件动作门限，因此，当对准曲线上大 于或等于其横坐标以上的部分时霍尔元件动作，曲线上面的数字为磁体阵 列单元序号。为叙述方便，霍尔元件之间的间隔d为一个单位长度。通过 设计使横轴以上三个小段即ml、 m5和m12上的磁感应强度曲线的宽度大于 两倍霍尔元件之间的宽度2d，以确保能使至少两个霍尔元件动作，这样可 以在个别霍尔元件失效后仍然保持测试数据特别是起始段测试数据的可靠
12性。假设磁体阵列前端当前位置相对某个霍尔元件有小于一个单位长度的 位移，图中假设位移为3S，标记该霍尔元件的序号为HO，电路通过扫描 得到霍尔元件的动作情况数据，发送到主控单片机后经拼接得到接收信号 序列，由接收信号序列的第一个字节可以确定第一对动作的霍尔元件的位
置，如图4中序号为H2、 H3的霍尔元件的位置，该位置减去2d即可得到 序号为HO的霍尔元件的位置，该位置就是动尺(1)位置坐标的整数部分。 动尺(1)位置坐标的小数部分即图中最左面标出的3 S ，可以从图2中磁 感应强度曲线与霍尔元件位置分布的对应关系求出来。具体做法是，首先 根据理想情况下永磁体阵列(3)与霍尔元件阵列的对应关系得到参考序列， 考虑动尺(1)与静尺(5)之间间隙增大及倾斜的情况，参考序列的个数 应大于等于d/S-l个。将扫描电路(11)得到的霍尔元件动作情况即接收 信号序列分别与上述所有参考序列作逻辑异或处理，求出每一个逻辑异或 结果中为1的位的个数，该数字叫做匹配数，匹配数越小表示匹配程度越 高，在理想情况下，扫描电路(11)得到的霍尔元件动作情况序列应该与 上述参考序列中的某一个恰好相同，这时，匹配数为零，但在实际装置中， 由于个别霍尔元件失效或者磁场分布局部畸变，使得扫描电路(11)得到 的霍尔元件动作情况序列与参考序列并不完全匹配，因此，在算法中将匹 配数最小的参考序列对应的小数作为求出的小数值，这就是位序列匹配算 法。0表示霍尔元件动作，图2中属于小数位移3S的参考序列是
(m3)……与各永磁体阵列单元对应，后面跟随的逻辑位是在理想情况下 各阵列单元相应的霍尔元件的动作情况。将接收到的霍尔元件动作情况序列与各参考序列异或运算后求出的相应的最小匹配数，如该最小匹配数对
应于位移3 S所属的参考序列，则永磁体阵列位置的小数值就是3d二0. 6mm， 再将该小数值与上面得到的整数值结合成为永磁体阵列完整的位置数据。
实施例2:
本实施例中，如图6，为进行角度测量，本实施例中的永磁体阵列(3) 和磁敏元件阵列(7)呈圆环形排列，各永磁体为扇形，结构部分在实施例 1的基础上作相应改变以适应圆环形装置的要求，其余均与实施例1类同。 本文不作赘述。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明 所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或 补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权 利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了动尺1、，基体2、，永磁体阵列3、填充物4、 静尺5、密封外壳6、磁敏元件阵列7、主电路板8、缓冲电路板9、电路板 连接线IO、扫描电路ll、主控电路12、缓冲电路13、接插端口 14、段接 口电路15、编码电路16、主控单片机17、通讯接口 18、并行输出接口 19、 段扫描单片机20、 FET开关电路21、电阻排22、双向移位寄存器23、三极 管24等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为 了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制 都是与本发明精神相违背的。
权利要求
1.一种磁性位置传感装置，用于感测两个物体相对位置，它包括一个内部设有永磁体阵列(3)的动尺(1)，一个能传感动尺(1)磁场的静尺(5)，静尺(5)内部分别设置有磁敏元件阵列(7)，主控电路(12)以及至少一个段扫描电路(11)、至少一个段接口电路(15)以及至少一个段缓冲电路(13)，其特征在于主控电路(12)连接段缓冲电路(13)，段缓冲电路(13)连接段扫描电路(11)，段扫描电路(11)连接段接口电路(15)，段接口电路(15)连接主控电路(12)。
2. 根据权利要求1所述的磁性位置传感装置，其特征在于永磁体阵列(3) 和磁敏元件阵列(7)的几何参数满足关系式<formula>formula see original document page 2</formula>或者，满足关系式<formula>formula see original document page 2</formula>式中，M为永磁体阵列(3)单元数，Di为永磁体阵列(3)中第i个 阵列单元的宽度，i=l、 2、......M， d为静尺(5)内磁敏元件之间的间距，ds为传感装置的分辨率，mi为阵列单元宽度系数，m、 mi、 ^为大于零的 整数。
3. 根据权利要求1所述的磁性位置传感装置，其特征在于永磁体阵列(3) 中的阵列单元可以由极性交错排列的两块永磁体和填充材料组成，也可以由一块永磁体和填充材料组成。
4. 根据权利要求1所述的磁性位置传感装置，其特征在于永磁体阵列(3) 中的永磁块截面为矩形。
5. 根据权利要求l所述的磁性位置传感装置，其特征在于磁敏元件输出 的可以是开关信号，也可以是模拟信号。
6. 根据权利要求1所述的磁性位置传感装置，其特征在于所述的段扫描电路(11)包括一个单片机，单片机I/0 口线连接PNP三极管(24)基极， PNP三极管(24)集电极连接磁敏元件的电源端，磁敏元件的信号端连接 FET开关电路(21)， FET开关电路(21)连接单片机。
7. 根据权利要求6所述的段扫描电路(11)，其特征在于单片机通过双 向移位寄存器(23)连接PNP三极管(24)的基极。
8. 根据权利要求6所述的段扫描电路(11)，其特征在于单片机的信号 为PIC16F884。
9. 一种用于上述磁性位置传感装置的定位方法，其特征在于a、 启动段扫描电路(11)对磁敏元件阵列(7)进行扫描。b、 探测到永磁体阵列(3)信号后，段扫描单片机(20)发送数据到 主控电路(12)单片机，主控电路(12)单片机将其拼接成接收信号序列。c、 主控单片机(17)根据接收信号序列的第一字节确定永磁体阵列(3) 对应的起始磁敏元件位置，并以该位置作为待求位置的整数部分。d、 主控单片机(17)将接收信号序列依次与各参考信号序列作异或逻 辑运算，记录该运算结果中逻辑值为"1"的位的个数叫做匹配数。e、 匹配数最小的参考信号序列对应的位置形成位置数据的小数部分。
10. 根据权利要求9所述的磁性位置传感装置的定位方法，其特征在于参考信号序列的个数等于或者大于二 -1，每个参考信号序列被赋予相应的位置信息，其中，d为静尺(5)内磁敏元件之间的间距，5为传感装置的 分辨率。
全文摘要
本发明涉及一种位置传感装置及其方法，尤其是涉及一种磁性位置传感装置及其定位方法。本发明采用多个双向移位寄存器和三极管能连接大于组磁敏感元件且驱动能力足够；本发明既能接收磁敏感元件的数字信号也能接收其模拟信号，并采用位序列匹配方法定位，提高了感测精度，各段单片机采用并口方式输出数据提高了响应速度；主控电路通过段缓冲电路与段扫描电路连接，减小了长距离传输所引起的信号衰减和干扰；采用磁敏感元件的间距相等而永磁体阵列单元的宽度可以不相等的布阵设计，增加了编码的信息量，提高了确定起始位置感测精度，减少了所需永磁体数量，同时，能保证整个静尺感测精度的一致性并扩展了感测范围。
文档编号G01D5/12GK101566484SQ200810047448
公开日2009年10月28日 申请日期2008年4月24日 优先权日2008年4月24日
发明者斯 刘, 张俊杰, 曹大平, 漩 江, 蒋昌忠, 蒋顺平 申请人:武汉大学