运动方向识别传感器的制作方法

专利名称：运动方向识别传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测机械运动方向的传感器制造技术。
在机械运动中，机械装置或机械具有运动方向的变化。为了实现自动检测与自动控制，需要利用传感器对其运动方向进行检测并转换为可以处理的电信号输出。目前，在位移传感器、光电编码器和数字米数计等装置中，一般都设有两路相位错开90°的判向轨道，并需要采用判向硬件电路或利用计算机软件处理的方法进行方向识别。本发明旨在制造一种专用于机械运动方向识别的传感器，以适应各类机械装置或机构对其运动方向的开环检测与闭环控制的需要，并可用于需要判向的仪器中。
本发明运动方向识别传感器是一种用于检测机械运动方向的数字型传感器，该传感器对各种机械直线往复运动、摆动或回转运动机构的运动方向具有正确地检测、识别、显示及开关量信号(数字0，数字1)输出。
运动方向识别传感器是由外壳、帽、电路系统、电缆引线等组成，并使用粘接剂、吸潮剂和填料封装制成。其特征在于外壳内装有对外部强磁场及其磁极性敏感识别的电路系统，该电路系统由检测电路、运动方向信号处理电路、显示输出电路和稳压器组成。
检测电路由半导体霍尔元件构成，其作用是将检测到的磁场信号转换为可以处理的电信号输出。霍尔元件输出端与运动方向信号处理电路相连。
运动方向信号处理电路由差动放大器、施密特双稳电路和积分电路组成。积分电路的输出端与显示输出电路相连。
显示输出电路是由LED驱动器、LED支路1、LED支路2和输出缓冲器组成。
稳压器的输入端与外部电源相连，其输出端为内部电路提供稳定的工作电压。滤波电容器跨接在稳压器输出端与地之间。
根据霍尔效应原理，在磁场N作用下，霍尔元件将产生一个霍尔电势输出;在磁场S作用下，霍尔元件将产生一个负的霍尔电势输出。霍尔元件产生的霍尔电势经差动放大器放大后，送至施密特双稳电路进行整形，并将该信号记忆保持。施密特双稳电路的输出信号经积分电路送至显示输出电路。显示输出电路的输出信号分两路输出，一路经LED驱动器驱动LED支路1和LED支路2，并作为外部的输出端。另一路经输出缓冲器进行功率放大，以OC方式输出。


图1为本发明实施方案电路系统原理方框图。
图2为本发明实施例1电路图。
本发明实施方案如下
将一块磁体安装在被测机构适当位置上。磁体的工作面具有N、S两种极性。磁体工作面与传感器头部平面相对时，到达霍尔元件Ⅰ敏感面的磁感应强度一般应大于0.01T，这是为了提高传感器工作稳定性和对杂散磁场的抗干扰能力。霍尔元件Ⅰ的敏感面紧粘贴于帽的内壁中心，并与外磁场方向垂直。帽封装于传感器壳体头部，是用高导磁材料或无磁材料制成。电路系统元件及电缆引线焊接在一块印刷电路板上，两只不同颜色的LED(LED1和LED2)安装在壳体后部上方小孔中并露出壳体，电缆引线从壳体尾部引出。整个电路系统经封装技术固化在壳体内部。本传感器应安装固定在被测机构运动轨迹的中部位置。传感器头部平面与磁体工作面相对时的最近距离一般为3-8mm，可调整到传感器灵敏度所要求的磁感应强度。
当机构运动时，所载磁体反复经过传感器表面。霍尔元件Ⅰ在垂直磁场作用下产生霍尔电势(一般为mv级)，经差动放大器Ⅱ将信号放大，并触发施密特双稳电路Ⅲ。利用施密特回差特性对信号进行整形并消除信号抖动，产生纯净的开关信号。施密特双稳电路Ⅲ还可将信号记忆保持。其输出信号在高电平时接近电源电压，在低电平时接近地电位。
当机构向某一方向运动时，磁体的N极在前、S极在后;当机构向另一方向运动时，磁体的S极在前、N极在后。当机构向某一方向运动，若磁体的在前磁场极性为N极时，所产生的磁场使施密特双稳电路Ⅲ产生一跳变，紧接着，在后磁场S极使其产生一反跳变，形成一个信号脉冲，该脉冲被积分电路Ⅳ吸收，施密特双稳电路Ⅲ的状态保持在在后极性S极所产生的信号电平上。若机构向另一方向运动时，在前磁场的极性是S极，所产生的磁场使施密特双稳电路Ⅲ产生一反跳变，形成相反的信号脉冲，该脉冲被积分电路Ⅳ吸收，施密特双稳电路Ⅲ的状态保持在在后极性N极所产生的信号电平上。积分电路Ⅳ的构成有两种，一种是数字积分电路;一种是阻容积分电路，其作用是对磁体经过传感器时所产生的窄脉冲进行吸收，使后接的显示输出电路的状态由积分电路Ⅳ前级的施密特双稳电路Ⅲ的稳态电平控制。
显示输出电路的LED驱动器Ⅴ是末级具有图腾柱结构的推挽式功率放大器，其等效电路为一反相器，其作用是将信号进行功率放大，提供200MA驱动电流，驱动LED支路并向外部输出电压信号。LED支路Ⅶ是由LED1和限流电阻R1串联;LED支路Ⅷ是由LED2和限流电阻R2串联。LED支路Ⅶ连接在稳压器Ⅸ输出端与M点之间，LED支路Ⅷ连接在M点与地之间。当机构向某一方向运动，施密特双稳电路Ⅲ输出保持在高电平时，经LED驱动器Ⅴ反相输出低电平，使对应此方向的LED1亮。当机构向另一方向运动，施密特双稳电路Ⅲ输出保持在低电平时，经LED驱动器Ⅴ反相输出高电平。使对应这一方向的LED2亮。输出缓冲器Ⅵ是一个集电极开路的功率放大器，也可提供200MA电流负荷，其集电极作为信号数据远传输出端，本传感器以LED1、LED2不同颜色的显示和输出开关量信号(数字0，数字1)来指示出运动机构不同的运动方向。
稳压器Ⅸ为整个电路提供稳定的直流工作电压，使传感器电路系统的工作电压不随外部电源电压波动。因此，本传感器的工作电源电压范围较宽(E+＝5-18V)。滤波电容C跨接在稳压器Ⅸ输出端与地之间，其作用是滤除直流电源中的交流成份。在整个电路系统中除LED支路、RC型积分电路和滤波电容C外，其他电路单元可以集成在一起制成集成电路。
本发明电路系统的实施例1如下如图2所示，U1和U2为集成电路。在U1中主要集成了霍尔电势发生器、差动放大器、施密特双稳电路;U2中主要集成了LED驱动器和输出缓冲器。R1为U1输出端的上拉电阻，R2C1构成阻容积分电路，并满足τ》T的条件。由LEDA和限流电阻R3串联组成LED支路1，由LEDB和限流电阻R4串联组成LED支路2，其公共接点M为U2的电压输出端，U2的另一输出端为OC输出，C2为滤波电容器，当机构运动时，U1在磁场作用下产生的窄脉冲被积分电路吸收，使后接的显示输出电路的状态由积分电路前级U1的稳态电平控制，当机构向某一方向运动时，U1输出高电平，经U2反相输出低电平，使LEDA亮(红)。当机构向另一方向运动时，U1输出低电平，经U2反相输出高电平，使LEDB亮(绿)。
本实施例1中R1＝10K;R3＝R4＝1.2K;C2＝0.1μ。电路参数允许有较大的取值范围。R2C1的取值可根据传感器的工作频率确定，如R2＝100K，C1＝15μ。
本发明运动方向识别传感器，可对多种机械设备、装置和机构的直线往复运动、摆动或回转运动进行运动方向的检测、显示及远传控制，是一种新型的无触点、无磨损、无抖动、非接触式测量的磁电转换型数字传感器。它具有电压输出和OC输出两种可选择的形式。其工作电源电压范围宽，抗干扰能力强，电路简单可靠。本传感器体积小、寿命长、使用方便、温度特性好、抗振动，可长期工作在恶劣的环境中。由于发明本身具有显示识别功能，因此简化了自控系统的硬件电路和节省了计算机CPU处理时间，提高了自控系统的实时响应速度。本传感器的输出信号既可与计算机直接接口，又可驱动执行机构组成独立的检测控制系统及联锁保护系统。
权利要求
1.一种运动方向识别传感器，是由外壳、帽、电路系统、电缆引线等组成，并使用粘接剂、吸潮剂和填料封装制成，其特征在于外壳内装有对外部强磁场及其磁极性敏感识别的电路系统；该电路系统由检测电路、运动方向信号处理电路、显示输出电路和稳压器组成。
2.如权利要求1所说的传感器，其特征在于检测电路由半导体霍尔元件构成，其作用是将检测到的磁场信号转换为可以识别处理的电信号输出;霍尔元件输出端与运动方向信号处理电路相连。
3.如权利要求1所说的传感器，其特征在于运动方向信号处理电路由差动放大器、施密特双稳电路和积分电路组成。积分电路的输出端与显示输出电路的控制端相连。
4.如权利要求1所说的传感器，其特征在于显示输出电路由LED驱动器、LED支路1、LED支路2和输出缓冲器组成。
全文摘要
本发明运动方向识别传感器，是一种用于检测机械运动方向的数字型传感器。其特征在于传感器具有对机构所载磁体的磁场及磁极性敏感识别的电路系统。该传感器对各种机械直线往复运动、摆动或回转运动机构的运动方向具有正确地检测、识别和显示，并以开关量信号(数字0，数字1)输出。该传感器的输出信号既可与计算机直接接口，又可驱动执行机构组成独立的检测控制系统及联锁保护系统。
文档编号G01P13/02GK1084974SQ9211102
公开日1994年4月6日 申请日期1992年9月28日 优先权日1992年9月28日
发明者吴友农 申请人:吴友农