一种用于检测电梯绝对位置的磁编码器的制作方法

本实用新型涉及磁性编码器技术领域，尤其涉及一种用于检测电梯绝对位置的磁编码器。

背景技术：

随着社会的发展，建筑物的高度和密度越来越高，特别是底价高企的核心地段，几百米高度的大楼已屡见不鲜。对于几百米高的建筑物，为保证安全、高效通行，对电梯的要求也随之提高。

在电梯运行过程中，电梯的实际位置是其中一个重要的信息。目前常用的电梯实际位置信息提取方法，是将旋转编码器与曳引电机转子同轴安装，通过读取旋转编码器的输出信号，计算电梯的运行距离，从而推导出电梯轿厢的实际位置。上述方法的缺点是：第一，由于多圈旋转编码器的圈数有限，若建筑物很高时，曳引电机转子旋转圈数会大于旋转编码器的最大旋转圈数，从而导致电梯轿厢的实际位置计算失效；第二，随着时间的推移，曳引机钢绳会发生形变，电梯轿厢的移动距离和旋转编码器的输出的对应关系会发生变化，导致电梯轿厢的实际位置计算产生误差。

为了解决上述问题，目前电梯领域内提出了绝对直线位置光学编码器，在电梯井内安装一个绝对直线位置光栅码道，在电梯轿厢内放置光栅传感器，这种方法可以实时得到轿厢的位置，大大提高了轿厢位置检测的效率。但是现有的绝对直线位置光学编码器测量距离不会超过30米，若建筑物高度超过30米时，需要多个直线位置光学编码器连接使用，然而在两个光学编码器的连接处，信号很难处理；且光栅码道极其昂贵，一米的绝对位置光栅编码器的价格从几千到几万，大量使用费用极其高，不切实际。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种用于检测电梯绝对位置的磁编码器，以实现高效的检测电梯轿厢的实际位置，且降低使用费用。

一方面，本发明实施例提供了一种用于检测电梯绝对位置的磁编码器，包括：绝对位置编码带、磁电阻传感器阵列、信号处理电路，其中，所述绝对位置编码带包括分段编码带和平行于分段编码带的段内编码带，所述分段编码带包括N个分段编码道，N为大于1的整数，各个分段编码道表示的信息不相同，所述分段编码道将所述分段编码带等间距分隔，各个分段编码道表示电梯处于一个特定位置范围，所述段内编码带包括一个段内编码道；

所述磁电阻传感器阵列包括竖直排列的第一列磁电阻传感器组和竖直排列的第二列磁电阻传感器组，其中，所述第一列磁电阻传感器组用于采集并输出所述分段编码带的位置信息，所述第二列磁电阻传感器组用于采集并输出所述段内编码带的段内位置信息；

所述信号处理电路用于接收所述第一列磁电阻传感器组组输出的所述分段编码带的位置信息和所述第二列磁电阻传感器组输出的所述段内编码带的段内位置信息，通过补偿以及运算得到电梯的绝对位置信息。

优选的，上述技术方案中，所述分段编码道的编码方式为二进制码，其中，分段编码道包括两组相同的二进制码，所述二进制编码位数为X，其中X为大于1的整数。

优选的，上述技术方案中，所述第一列磁电阻传感器组的磁电阻传感器的个数是各个分段编码道的二进制编码位数的至少两倍。

优选的，上述技术方案中，所述分段编码带和所述段内编码带为充磁的磁栅尺或者为具有背磁铁的打孔钢带。

优选的，上述技术方案中，所述磁电阻传感器阵列中的所述第一列磁电阻传感器组和所述第二列磁电阻传感器组均由线性磁电阻传感器构成。

优选的，上述技术方案中，所述线性磁电阻传感器由为霍尔传感器、各向异性磁阻(Anisotropy Magneto Resistance，AMR)传感器、巨磁阻(Giant Magneto Resistance，GMR)传感器或者隧道磁阻(Tunneling Magneto Resistance，TMR)传感器中的任意一种。

优选的，上述技术方案中，所述信号处理电路包括补偿电路、多路复用器、微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)和接口电路，其中，所述补偿电路、所述多路复用器、所述微控制单元MCU以及所述接口电路分别依次电连接；所述补偿电路包括运算放大电路和数字可调电阻，用于信号偏移补偿和增益补偿；所述多路复用器采用CD74HC4067芯片，用于分时采集多个传感器的输出信息，满足16路信号的串行转换输出；所述MCU采用DSPIC16GS502芯片，利用传感器的输出信息计算电梯轿厢的绝对位置；所述接口电路采用RS484总线、RS422总线或者CAN总线中的任意一种，用于将所述电梯轿厢的绝对位置输出到电梯控制端。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益技术效果：

本实用新型通过利用充磁的磁栅尺或者为具有背磁铁的打孔钢带构成绝对位置编码带，用磁电阻传感器阵列检测绝对位置编码带上的编码信息，以达到绝对位置检测的目的。其中，绝对位置编码带包括分段编码道和段内编码道，整个编码带被若干个分段编码道分成均匀的若干段，且每段的二进制编码信息都不相同，分段磁电阻传感器阵列读取到的分段信息也不同。段内编码道内只有一个编码，段内传感器阵列的输出可以分辨出其在段内的精确位置。将分段传感器阵列和段内传感器阵列输出进行计算，即可得到电梯轿厢的绝对位置。本实用新型的磁编码器中的磁电阻传感器对使用环境不敏感，相比光栅传感器，能使用在苛刻的电梯井道环境；使用打孔的钢带或者充磁的磁栅，制造难度和成本比光栅低很多，适合批量使用；磁电阻传感器的检测范围通常能到5mm以上，能够克服轿厢的晃动带来的影响，同时对安装精度要求也大大降低。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型提供的带有编码器的电梯整体结构示意图；

图2为本实用新型提供的编码道以及磁电阻传感器阵列示意图；

图3为本实用新型的钢带编码道的分段编码道信号为1时移动位置关系示意图；

图4为本实用新型的钢带编码道的分段编码道信号为0时移动位置关系示意图；

图5为本实用新型的钢带编码道的段内编码道的结构示意图；

图6为本实用新型的钢带编码道的段内传感器阵列的磁场分布示意图；

图7为本实用新型的磁栅编码道的分段编码道信号为1时移动位置关系示意图；

图8为本实用新型的磁栅编码道的分段编码道信号为0时移动位置关系示意图；

图9为本实用新型的磁栅编码道的段内编码道的结构示意图；

图10为本实用新型的磁栅编码道的段内传感器阵列的磁场分布示意图；

图11为本实用新型的信号处理电路的结构示意图；

图12为本实用新型的信号处理电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

图1为本实用新型提供的带有编码器的电梯整体结构示意图，如图1所示，其中101是导轨，用于保证电梯轿厢102在垂直方向运动，防止电梯轿厢102发生较大的位置偏移。在电梯轿厢102内，安装有磁编码器103，用于检测磁性编码带104上的编码信息。在电梯轿厢102的顶部，具有卡扣105，用于固定磁性编码带104与磁编码器103相对位置。

图2为本实用新型提供的编码道以及磁电阻传感器阵列示意图；如图2所示，本实施例提供的的磁编码器，包括绝对位置编码带201、磁电阻传感器阵列207和信号处理电路210，其中，绝对位置编码带201包括分段编码带202和平行于分段编码带的段内编码带203，所述分段编码带202具有N个分段编码道，N为大于1的整数，各个分段编码道表示的信息不相同，所述分段编码道将所述分段编码带201等间距分隔，各个分段编码道表示电梯处于一个特定位置范围，所述段内编码带203包括一个段内编码道。

进一步的，对于分段编码带202，分段编码道将整个分段编码带202分成N等份，为了方便描述，如图2所示，设定N＝3,其中三等份分别为204、205和206，图2中编码信息用圆圈表示，如图2所示，三个等份的编码道表示的信息各不同。对于段内编码带203，段内编码带203内的段内编码道也具有编码信息，在每一个等份中，编码信息均相同。在本实施例中，通过段内编码带203的段内编码道对各个分段编码道的初始位置进行定位，进而分段编码带202内不同分段编码道的二进制信息表示电梯特定的位置，在根据段内编码带203的段内编码道的位置确定电梯的精确位置。

进一步的，所述分段编码道的编码方式为二进制码，其中，分段编码道包括两组相同的二进制码，所述二进制编码位数为X，其中X为大于1的整数。示例性的，本实施例以二进制编码位数为4为例，进行说明。编码道204表示二进制的0000 0000，编码道205表示二进制的0001 0001，编码道206表示二进制的0010 0010，通过段内编码带的段内编码道对各个分段编码道的初始位置进行定位，进而使用不同编码道不同的二进制信息表示电梯特定的位置。

进一步的，如图2所示，本实施例的磁电阻传感器阵列207包括竖直排列的第一列磁电阻传感器组208和竖直排列的第二列磁电阻传感器组209；其中，第一列磁电阻传感器组208用于采集并输出分段编码带202的位置信息，第二列磁电阻传感器组209用于采集并输出段内编码带203的段内位置信息。进一步的，第一列磁电阻传感器组208的磁电阻传感器的个数是分段编码道的二进制编码位数的至少两倍。进一步的，第一列磁电阻传感器组208中的磁电阻传感器分布密度是第二列磁电阻传感器组209中的磁电阻传感器分布密度的4倍以上。第二列磁电阻传感器组209中的各个相邻磁电阻传感器的间距小于5mm。

进一步的，磁电阻传感器阵列207中第一列磁电阻传感器组208和第二列磁电阻传感器组209均由线性磁电阻传感器构成。所述线性磁电阻传感器为霍尔传感器、各向异性磁阻AMR传感器、巨磁阻GMR传感器或者隧道磁阻TMR传感器中的任意一种。

信号处理电路210用于接收第一列磁电阻传感器组208输出的所述分段编码带202的位置信息和第二列磁电阻传感器组209输出的段内编码带203的段内位置信息，通过补偿以及运算得到电梯的绝对位置信息。

本实施例中的分段编码带和段内编码带为充磁的磁栅尺或者为具有背磁铁的打孔钢带。其中，对于采用打孔钢带构成的编码道，钢带所用的材料具有较高磁导率，能够改变磁场分布。传感器的检测原理如下：

图3为本实用新型的钢带编码道的分段编码道信号为1时移动位置关系示意图。如图3所示，301是背磁铁，用于产生磁场，其与磁电阻传感器304一起，固定在轿厢内部，分段编码带302与轿厢的相对位置随着轿厢的移动而发生变化。背磁铁301的充磁方向N极或者S极指向磁电阻传感器304。当编码位303移动到传感器位置时，磁电阻传感器304位置的磁场最强。磁电阻传感器304输出的磁场强度最大。

图4为本实用新型的钢带编码道的分段编码道信号为0时移动位置关系示意图。如图4所示，随着分段编码道402的移动，当磁电阻传感器404位置没有编码位时，背磁铁401的磁场被分段编码道402屏蔽，此时磁电阻传感器404位置的磁场最弱，磁电阻传感器404输出的磁场强度最小。

在实际应用时，输出分段编码带的位置信息的第一列磁电阻传感器组是由多个磁电阻传感器构成的阵列构成的，命名为分段磁电阻传感器阵列，通过读取分段磁电阻传感器阵列的输出，通过相应的信号处理电路对磁电阻传感器阵列的输出进行计算分析，来进行分段编码道位置的判别。

在不同的分段内，分段磁电阻传感器阵列的输出不同；在同一个分段内，分段磁电阻传感器阵列的输出不变，并且分段磁电阻传感器阵列的输出随着电梯的位置单调变化。

图5为本实用新型的钢带编码道的段内编码道的结构示意图，段内编码道502具有一个段内编码位503，物理上，该编码位503是钢带上的一个孔，与分段编码道一样，背磁铁501和输出段内编码带的段内位置信息的第二列磁电阻传感器组与轿厢相对位置固定。其中，第二列磁电阻传感器组同样是由多个磁电阻传感器构成的阵列构成的，命名为段内磁电阻传感器阵列504，为了方便描述，以下都用段内磁电阻传感器阵列504来表述。随着轿厢位置的移动，段内编码道502与背磁铁501和段内磁电阻传感器阵列504的相对位置会发生改变。为了便于描述，段内磁电阻传感器阵列504由9个磁电阻传感器均匀排布而构成。

图6为本实用新型的钢带编码道的段内传感器阵列的磁场分布示意图，如图6所示，其中横坐标是图5中沿着X轴的方向，纵坐标是传感器位置处Z方向的磁场。假设图5中9个磁电阻传感器间距为1mm，则这9个磁电阻传感器处的磁场分别为16Gs，20Gs，25Gs，30Gs，32Gs，30Gs，25Gs，20Gs，16Gs，从数据上看，中间的磁电阻传感器磁场最强，其输出幅度将最大，从而判断段内编码位位于中间的磁电阻传感器位置。在实际应用时，还可以通过选取若干个输出较大的传感器，将其输出值再进行积分运算，得到更精确的段内编码位位置信息。

进一步的，本实用新型的分段编码带和段内编码带还可以采用充磁的磁栅尺。对于磁栅构成的编码道，磁栅采用非均匀充磁的磁栅尺，在其表面具有垂直于其表面的磁场。传感器的检测原理如下：

图7为本实用新型的磁栅编码道的分段编码道信号为1时移动位置关系示意图。在N极充磁的编码位，其表面磁场方向为朝上的箭头705；在S极充磁的编码位，其表面磁场方向为朝下的箭头。分段编码道701由N极充磁的编码位703和S极充磁的编码位702构成，当构成分段磁电阻传感器阵列的分段磁电阻传感器704在N极充磁的编码位703的相对位置时，其磁场方向向上，此时分段磁电阻传感器704输出最大值。

图8为本实用新型的磁栅编码道的分段编码道信号为0时移动位置关系示意图。在N极充磁的编码位，其表面磁场方向为朝上的箭头；在S极充磁的编码位，其表面磁场方向为朝下的箭头805。分段编码道801由N极充磁的编码位803和S极充磁的编码位802构成，当构成分段磁电阻传感器阵列的分段磁电阻传感器804在S极充磁的编码位位置时，其磁场方向向下，此时分段磁电阻传感器804输出最大值。在实际应用时，分段磁电阻传感器阵列是由多个磁电阻传感器构成的阵列，通过读取分段磁电阻传感器阵列的输出，来进行分段编码道位置的判别。

图9为本实用新型的磁栅编码道的段内编码道的结构示意图，为了便于描述，采用二维的图形进行说明。磁栅构成的段内编码道901具有一个编码位903，其表面磁场方向向上，如图9中箭头所示，其他位置902处，表面磁场方向向下。段内磁电阻传感器阵列904由多个磁电阻传感器构成，其灵敏方向平行于图9中箭头方向。

需要说明的是，在N极充磁的编码位，其表面磁场方向如图7-图9中朝上的箭头；在S极充磁的编码位，其表面磁场方向如图7-图9中朝下的箭头。

图10为本实用新型的磁栅编码道的段内传感器阵列的磁场分布示意图；如图10所示，横坐标为图9中沿着段内传感器阵列904排布方向的坐标，纵坐标是传感器位置处磁场分布。为了方便阐述，假设段内传感器阵列由9个磁电阻传感器构成，其坐标为-4，-3，-2，-1,0-1,2,3,4，则这些磁电阻传感器位置处磁场分别是-800Gs，-750Gs，-100Gs，800Gs，1400Gs，800Gs，-100Gs，-750Gs，-800Gs，从数据可知，位置0处的磁电阻传感器磁场最强，由此可判断段内编码位于位置0处。在实际应用时，还可以通过选取若干个输出较大的传感器，将其输出值再进行积分运算，得到更精确的段内编码位位置信息。

图11为本实用新型的信号处理电路的结构示意图，如图11所示，磁电阻传感器1101信号接到信号处理电路1102后，即可完成电梯轿厢的位置检测，本实用新型的信号处理电路1102包括补偿电路1103、多路复用器1104、微控制单元(MCU)1105和接口电路1106，其中，补偿电路1103、多路复用器1104、MCU1105和接口电路1106分别按顺序依次电连接。补偿电路1103包括运算放大电路和数字可调电阻，用于信号偏移和增益补偿；多路复用器1104采用CD74HC4067芯片，用于分时采集多个传感器的输出信息，满足16路信号的串行转换输出；MCU1105采用DSPIC16GS502芯片，用于根据传感器的输出信息计算电梯轿厢的绝对位置；接口电路1106采用RS484总线、RS422总线或者CAN总线中的任意一种，用于将电梯轿厢的位置输出到电梯控制端。

图12为本实用新型的信号处理电路的结构示意图，磁电阻传感器为线性磁电阻传感器，优选地，线性磁电阻传感器的型号可以为TMR2104线性磁电阻传感器，TMR2104线性磁电阻传感器采用了一个独特的推挽式惠斯通全桥结构设计，包含四个非屏蔽高灵敏度TMR传感器元件。当外加磁场沿平行于传感器敏感方向变化时，惠斯通全桥提供差分电压输出，并且该输出具有良好的温度稳定性，TMR2104线性磁电阻传感器的性能优越。

本实用新型的补偿电路主要是由运算放大电路以及数字可调电阻构成的，用于信号偏移和增益补偿；磁电阻传感器的每路差分信号经过SGM724构成的仪表运算放大电路，多路信号由于传感器自身的偏移及运算放大器之间的增益存在差异，经过放大以后会使得相互间信号一致性不好。其中RX1，RX2是数字可调电阻。在出厂前，统一将传感器放置在0磁场情况下，通过MCU控制每一路RX1的电阻值。对每一路的偏移进行校准。接着设定标准磁场通过MCU控制RX2的电阻值。对每一路的gain进行校准补偿。增益补偿完成再重新通过RX1对偏移进行一校准补偿，以上是整个偏移和增益补偿的大致过程。同时RX2和MCU内部温度传感器结合可以实现对温度的补偿。

多路复用器采用CD74HC4067可以满足16路信号的串行转换输出，并且CD74HC4067提供扩展功能，利用传感器的输出信息计算轿厢的实际绝对位置。

本实用新型的MCU采用的DSPIC16GS502。其具有4个专用SAR ADC内核和1个共用SAR ADC内核。12位分辨率每个通道的转换速率可达3.25Msps。满足多个通道的信号数据内部分析处理运算。本实用新型采用的所有芯片是本领域的现有技术，在此不再赘述。本领域技术人员根据需要可以选择能够实现上述功能的其他芯片类型或型号。

本实用新型的接口电路采用RS484总线、RS422总线或者CAN总线中的任意一种，用于将轿厢的位置输出到电梯的控制端。当然，本领域技术人员也可以选择其他接口，对此，本实用新型不做限定，根据需要可以灵活选择使用。

本实用新型的量程可以达到1000m，分辨率为1mm,而相应频率大于1KHz,体现了大量程、高精度的优点，使用本实用新型的磁编码器，可以节约检测装置的个数，在全楼层只需采用一段磁电阻传感器阵列即可，并且本实用新型采用的充磁的磁栅尺或者为具有背磁铁的打孔钢带易于施工，安装方便。

基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。尽管本实用新型就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本实用新型的权利要求所限定的范围，可以对本实用新型进行各种变化和修改。