一种磁栅尺精密测量仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种磁栅尺精密测量仪，包括：定片刻度盘，其包括沿其长度方向排列的多个磁传感器芯片，每个所述磁传感器芯片包括至少两条彼此平行的磁感应薄膜和焊盘，所述焊盘与所述磁感应薄膜电连接，所述磁感应薄膜连接成具有独立输出通道的惠斯通电桥；移动磁极，其沿所述定片刻度盘的长度方向移动，所述移动磁极产生的磁场可使与其位置相对的所述磁传感器芯片感应并输出差分信号；信号处理单元，其用于根据所述差分信号获得所述移动磁极在所述定片刻度盘的相对位置并将其转换成所测量器件的长度尺寸；显示单元，其用于显示所测量器件的长度尺寸。该磁栅尺精密测量仪集成度高，精度高，便于制作，适于批量生成，而且，成本低，使用方便，具有广泛地市场应用前景。
【专利说明】一种磁栅尺精密测量仪
【技术领域】
[0001] 本发明属于精密测量领域，具体涉及一种磁栅尺精密测量仪。
【背景技术】
[0002] 目前工业领域采用的精密测量仪均是通过机械方式将最小刻度放大，以获得更加 精确的测量值。如，游标卡尺即是利用游标将主尺的最小刻度放大，从而达到〇. 〇2_的测 量精度。再如，螺旋测微器是利用螺旋尺将主尺的最小刻度放大，即利用螺旋尺将直线距离 转化为角位移，从而将测量精度提高到0. 〇1_。
[0003] 对于游标卡尺而言，要想提高其测量精度，只能增加游标卡尺的游标格数，然而， 由于主尺和游标每格相差1/n毫米，游标格数的增加会增大视差，这将增大使用者辨别游 标的难度。对于螺旋测微器而言，只能通过缩小螺旋尺的最小刻度来提高其精确度，这同样 会增加使用的难度。实际上，由于受机械加工能力的限制，这种通过机械放大来提高测量精 度的方式将导致制作难度和成本的增加，而且实施困难，不适于批量生产。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题就是针对精密测量仪中存在的上述缺陷，提供一种磁栅 尺精密测量仪，其测量精度高，而且制作方便、成本低。
[0005] 为此，本发明提供一种磁栅尺精密测量仪，包括：
[0006] 定片刻度盘，其包括沿其长度方向排列的多个磁传感器芯片，每个所述磁传感器 芯片包括至少两条彼此平行的磁感应薄膜和焊盘，所述焊盘与所述磁感应薄膜电连接，所 述磁感应薄膜连接成具有独立输出通道的惠斯通电桥；
[0007] 移动磁极，其沿所述定片刻度盘的长度方向移动，所述移动磁极产生的磁场可使 与其位置相对的所述磁传感器芯片感应并输出差分信号；
[0008] 信号处理单元，其用于根据所述差分信号获得所述移动磁极在所述定片刻度盘的 相对位置，并将其转换成所测量器件的长度尺寸；
[0009] 显示单元，其用于显示所测量器件的长度尺寸。
[0010] 其中，所述磁传感器芯片在所述定片刻度盘的长度方向上纵向排列设置。
[0011] 其中，在所述定片刻度盘的长度方向上，相邻两个所述磁传感器芯片错位排列。
[0012] 其中，所述磁感应薄膜在其长度方向错位设置。
[0013] 其中，所述磁敏感薄膜包括巨磁阻磁敏感薄膜、各向异性磁阻磁敏感薄膜、隧穿效 应磁阻磁敏感薄膜、巨磁阻抗效应磁阻磁敏感薄膜、霍尔效应薄膜或巨霍尔效应薄膜。
[0014] 其中，还包括印制电路板，设于所述印制电路板的布线通过所述焊盘与所述磁感 应薄膜电连接，所述差分信号通过所述印制线路板传输至所述信号处理单元。
[0015] 其中，所述移动磁极包括永磁体和屏蔽壳，所述屏蔽壳包含至少一条狭缝使得所 述永磁体置于所述屏蔽壳内，并使所述永磁体的磁场通过狭缝向所对应的磁敏感薄膜发射 出去。
[0016] 其中，还包括复位单元，其用于使所述信号处理单元复位，以及使所述显示单元的 读数归零。
[0017] 其中，所述磁栅尺精密测量仪为游标卡尺，所述定片刻度盘设于所述游标卡尺的 主尺；所述移动磁极设于所述游标卡尺的游标上。
[0018] 其中，所述磁栅尺精密测量仪为螺旋测微器，将一套所述定片刻度盘和所述移动 磁极分别设于测微螺杆和主尺；同时将另一套所述定片刻度盘和所述移动磁极分别设于螺 旋尺和主尺；或者，将移动磁极设于主尺，将两个所述定片刻度盘分别设于测微螺杆和螺旋 尺。
[0019] 本发明具有以下有益效果：
[0020] 本发明提供的磁栅尺精密测量仪包括定片刻度盘和移动磁极，在定片刻度盘的长 度方向排列设置多个磁传感器芯片单元或一个包含多个磁传感器芯片的单元，每一磁传感 器芯片包括由磁感应薄膜构成的惠斯通电桥，移动磁极沿定片刻度盘的长度方向移动，使 与其位置相对的磁传感器芯片感应输出差分信号，信号处理单元根据该差分信号可以确定 移动磁极在定片刻度盘的相对位置，依据该相对位置可以获得移动磁极在定片刻度盘方向 的移动距离，进而获得被测物体的尺寸；显示单元可以显示移动磁极在定片刻度盘的相对 位置的数值或者显示被测物体的尺寸。由于磁传感器芯片的集成度高，而且便于制作，适于 批量生成，可以降低制作成本。而且，该磁栅尺精密测量仪是通过磁传感器芯片感应移动磁 极的磁场，及通过磁传感器芯片与移动磁极的相对位移来测量待测物体的尺寸，精度高，使 用方便，符合现代社会对精密测量仪的发展需求，具有广泛地市场应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明实施例磁栅尺精密测量仪的原理框图；
[0022] 图2为本发明实施例定片刻度盘的结构示意图；
[0023] 图3为本发明实施例磁传感器芯片的结构示意图；
[0024] 图4为本发明实施例磁传感器芯片的原理图。 图5为本发明实施例磁栅尺精密测量仪的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025] 为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提 供的磁栅尺精密测量仪进行详细描述。
[0026] 图1为本发明实施例磁栅尺精密测量仪的原理框图。如图1所示，本实施例提供 的磁栅尺精密测量仪包括定片刻度盘1、移动磁极2、信号处理单元3和显示单元4。定片刻 度盘1上设有磁传感器芯片，其在移动磁极2的感应下输出差分信号。信号处理单元3与 磁传感器芯片连接，其根据磁传感器芯片输出的差分信号获得被测器件的长度。显示单元 4与信号处理单元3连接，用于显示被测器件的长度。
[0027] 图2为本发明实施例定片刻度盘的结构示意图。如图2所示，定片刻度盘1包括 沿其长度方向排列的多个磁传感器芯片……C n。每个磁传感器芯片C包括至少两 条彼此平行的磁感应薄膜，磁感应薄膜的钉扎方向可以相同，也可以相反，而且两条磁感应 薄膜形成具有独立输出通道的惠斯通电桥，即每个磁传感器芯片C具有一个独立的输出通 道。当磁传感器芯片C受外磁场的感应时，惠斯通电桥输出差分信号。
[0028] 具体地，如图3所示，磁传感器芯片C包括两个磁感应薄膜和三个焊盘，第一焊盘 12a和第二焊盘12b分别设置在第一磁感应薄膜11a和第二磁感应薄膜lib的一端部，第一 磁感应薄膜11a和第二磁感应薄膜lib的另一端部连接第三焊盘12c，即第三焊盘12c作为 公共端将第一磁感应薄膜11a和第二磁感应薄膜lib电连接。利用三个焊盘12a、12b、12c 可将两个磁感应薄膜lla、llb连接成惠斯通半桥电路。
[0029] 在本实施例中，磁敏感薄膜可以采用包括巨磁阻磁敏感薄膜、各向异性磁阻磁敏 感薄膜、隧穿效应磁阻磁敏感薄膜、巨磁阻抗效应磁阻磁敏感薄膜、霍尔效应薄膜或巨霍 尔效应薄膜。
[0030] 本实施例多个磁传感器芯片C沿定片刻度盘的长度方向排列。优选地，在定片刻 度盘的长度方向，磁传感器芯片纵向排列。需要说明的是，本实施例将磁感应薄膜的长度方 向定义为磁传感器芯片的横向，将磁感应薄膜的宽度方向定义为磁传感器芯片的纵向。也 就是说，磁传感器芯片的纵向比磁传感器芯片的横向要窄。使磁传感器芯片纵向排列可以 提高磁栅尺精密测量仪的精度。
[0031] 更优选地，在定片刻度盘的长度方向上，相邻两个磁传感器芯片错位设置，以减小 相邻两个磁传感器芯片之间的距离，从而进一步提高磁栅尺精密测量仪的精度。
[0032] 为了更进一步提高磁栅尺精密测量仪的精度，本实施例将构成磁传感器芯片的磁 感应薄膜在其长度方向错位设置，以减少磁传感器芯片的宽度。
[0033] 在另一实施例中，每个磁传感器芯片C包括多个惠斯通电桥，多个惠斯通电桥在 定片刻度盘的长度方向排列。每一惠斯通电桥具有一个输出通道，即每个磁传感器芯片C 具有与惠斯通电桥数量一致的输出通道。惠斯通电桥的结构如上文所述，在此不再赘述。
[0034] 如图1所示，移动磁极2包括永磁体。当然，永磁体也可以采用线圈等其它能够产 生磁场的部件代替。移动磁极2在定片刻度盘1的长度方向移动，并在移动过程中，使位置 与其相对的惠斯通电桥感应并输出一近似正弦波的差分信号。
[0035] 优选地，移动磁极2还包括屏蔽材料制作的屏蔽壳（图中未示出），在屏蔽壳上设置 一条或多条缝隙。永磁体置于屏蔽壳内，永磁体产生的磁场穿过缝隙使与其位置相对的惠 斯通电桥感应输出差分信号，屏蔽外壳一方面可以提高测量精度；另一方面，可以防止外部 环境磁场对磁传感器芯片产生干扰，从而提高磁栅尺精密测量仪的可靠性。
[0036] 图4为本发明实施例磁传感器芯片的原理图。图中，箭头表示磁感应薄膜的钉扎 方向；横坐标表示位移（μ m)，纵坐标表示电压（mV)。如图4所示，磁传感器芯片受移动磁 极2的磁场作用，致使其阻抗发生变化从而输出差分信号，该差分信号为一正弦波，相邻波 峰和波谷的中心位置即为磁传感器芯片的对称中心，即两个磁感应薄膜的对称中心。该对 称中心即作为磁传感器芯片的标尺。在制作磁栅尺精密测量仪时，以该磁传感器芯片的标 尺为基准，将磁传感器芯片在定片刻度盘的长度方向等距排列。
[0037] 本实施例磁传感器芯片1还包括印制电路板和焊针，设于印制电路板的布线的 一端与对应的焊针（图中未示出）电连接，另一端与对应的设于磁传感器芯片1的焊盘（图中 未示出）电连接，即借助焊针将磁传感器芯片1的输入输出端与设于印制电路板的布线电连 接。信号处理单元3的输入端与印制电路板的布线电连接，以接收磁传感器芯片1输出的 差分信号，如图1所示。信号处理单元3对磁传感器芯片输出的差分信号进行处理，并获得 移动磁极2在定片刻度盘的相对位置。
[0038] 信号处理单元3包括处理器31和数模转换模块32,数模转换模块32用于将磁传 感器芯片输出的差分信号转换为数字信号，并发送至处理器31。处理器31对数模转换模块 32转换的差分信号进行处理，获得移动磁极1与定片刻度盘2的相对位置。根据移动磁极 1与定片刻度盘2的相对位置可获得被测器件的长度。
[0039] 显示单元4与信号处理单元3电连接，用于显示移动磁极2在定片刻度盘的相对 位置或被测器件的长度。使用者可以从显示单元直接读出移动磁极2的相对位置或被测器 件的长度。显示单元4可以为液晶屏或其它能用于显示数值的部件。
[0040] 本实施例磁栅尺精密测量仪还可以包括复位单元，用于信号处理单元3复位，以 及使显示单元4的读数归零。复位单元使得磁栅尺精密测量仪使用更灵活。例如，如果使 用者要对被测物体进行多段测量，在测量第一位置后，只要利用复位单元使信号处理单元3 复位以及显示单元4归零，然后将移动磁极2移至第二测量位置，此时显示单元4的读数即 是第一位置和第二位置之间的距离。
[0041] 本实施例磁栅尺精密测量仪可以应用于游标卡尺，即，将定片刻度盘设于游标卡 尺的主尺，将移动磁极设于游标卡尺的游标。
[0042] 本实施例磁栅尺精密测量仪还可以应用于螺旋测微器，如将一套定片刻度盘和移 动磁极分别设于测微螺杆101和主尺102,以获得主尺的尺寸；同时将另一套定片刻度盘和 移动磁极分别设于螺旋尺103和主尺102,以获得螺旋尺的尺寸。或者，将移动磁极设于主 尺102,将两个定片刻度盘分别设于测微螺杆101和螺旋尺103,即利用一个移动磁极分别 感应设于测微螺杆101和螺旋尺103的磁传感器芯片，从而获得被测器件的尺寸。
[0043] 当然，本发明磁栅尺也可以应用于其它位移测量仪器或尺寸测量仪器，可以获得 同样的技术效果。
[0044] 本实施例提供的磁栅尺精密测量仪包括定片刻度盘和移动磁极，在定片刻度盘的 长度方向排列设置多个磁传感器芯片，每一磁传感器芯片包括由磁感应薄膜构成的惠斯通 电桥，移动磁极沿定片刻度盘的长度方向移动时，能使与其位置相对的磁传感器芯片感应 输出差分信号，信号处理单元根据该差分信号可以确定移动磁极在定片刻度盘的相对位 置，依据该相对位置可以获得移动磁极在定片刻度盘方向的移动距离，进而获得被测物体 的尺寸；显示单元可以显示移动磁极在定片刻度盘的相对位置的数值或者显示被测物体的 尺寸。由于磁传感器芯片的集成度高，而且便于制作，适于批量生成，可以降低制作成本。而 且，该磁栅尺精密测量仪是通过磁传感器芯片感应移动磁极的磁场，并通过移动磁极和磁 传感器芯片的相对位置获得被测物体的尺寸，使用方便，符合现代社会对精密测量仪的发 展需求，具有广泛地市场应用前景。
[0045] 可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施 方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精 神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种磁栅尺精密测量仪，其特征在于，包括： 定片刻度盘，其包括沿其长度方向排列的多个磁传感器芯片，每个所述磁传感器芯片 包括至少两条彼此平行的磁感应薄膜和焊盘，所述焊盘与所述磁感应薄膜电连接，所述磁 感应薄膜连接成具有独立输出通道的惠斯通电桥； 移动磁极，其沿所述定片刻度盘的长度方向移动，所述移动磁极产生的磁场可使与其 位置相对的所述磁传感器芯片感应并输出差分信号； 信号处理单元，其用于根据所述差分信号获得所述移动磁极在所述定片刻度盘的相对 位置，并将其转换成所测量器件的长度尺寸； 显示单元，其用于显示所测量器件的长度尺寸。
2. 根据权利要求1所述的磁栅尺精密测量仪，其特征在于，所述磁传感器芯片在所述 定片刻度盘的长度方向上纵向排列设置。
3. 根据权利要求1所述的磁栅尺精密测量仪，其特征在于，在所述定片刻度盘的长度 方向上，相邻两个所述磁传感器芯片错位排列。
4. 根据权利要求1所述的磁栅尺精密测量仪，其特征在于，所述磁感应薄膜在其长度 方向错位设置。
5. 根据权利要求1所述的磁栅尺精密测量仪，其特征在于，所述磁敏感薄膜包括巨磁 阻磁敏感薄膜、各向异性磁阻磁敏感薄膜、隧穿效应磁阻磁敏感薄膜、巨磁阻抗效应磁阻磁 敏感薄膜、霍尔效应薄膜或巨霍尔效应薄膜。
6. 根据权利要求1所述的磁栅尺精密测量仪，其特征在于，包括印制电路板，设于所述 印制电路板的布线通过所述焊盘与所述磁感应薄膜电连接，所述差分信号通过所述印制线 路板传输至所述信号处理单元。
7. 根据权利要求1所述的磁栅尺精密测量仪，其特征在于，所述移动磁极包括永磁体 和屏蔽壳，所述屏蔽壳包含至少一条狭缝使得所述永磁体置于所述屏蔽壳内，并使所述永 磁体的磁场通过狭缝向所对应的磁敏感薄膜发射出去。
8. 根据权利要求1所述的磁栅尺精密测量仪，其特征在于，包括复位单元，其用于使所 述信号处理单元复位，以及使所述显示单元的读数归零。
9. 根据权利要求1所述的磁栅尺精密测量仪，其特征在于，所述磁栅尺精密测量仪为 游标卡尺，所述定片刻度盘设于所述游标卡尺的主尺；所述移动磁极设于所述游标卡尺的 游标上。
10. 根据权利要求1所述的磁栅尺精密测量仪，其特征在于，所述磁栅尺精密测量仪为 螺旋测微器，将一套所述定片刻度盘和所述移动磁极分别设于测微螺杆和主尺；同时将另 一套所述定片刻度盘和所述移动磁极分别设于螺旋尺和主尺；或者，将移动磁极设于主尺， 将两个所述定片刻度盘分别设于测微螺杆和螺旋尺。
【文档编号】G01B7/02GK104142115SQ201310166809
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年5月8日 优先权日:2013年5月8日
【发明者】刘乐杰, 彭春雷 申请人:北京嘉岳同乐极电子有限公司