永磁电磁混合系统的测距装置

1.本实用新型涉及距离检测技术领域，具体地涉及一种永磁电磁混合系统的测距装置。


背景技术：

2.在永磁电磁混合悬浮系统中，为了实现混合悬浮系统的稳定悬浮，需要实时获取永磁体与电磁铁之间的距离，以实现混合悬浮系统的动态平衡控制。现有技术中，通常采用激光测距、红外线传感器测距、超声波测距、光遮挡法测距和线性霍尔元件测距等技术。其中，激光测距虽精度高，但是单价昂贵、成本高；红外线传感器测距相比激光测距成本较低，但受环境光源的影响较大；超声波测距精度低且超声发生器体积较大，并不适用；光遮挡法测距结构复杂、且精度低，无法满足使用需求；线性霍尔元件单价较低、灵敏度高，所以现有混合悬浮系统常采用线性霍尔元件作为距离检测元件。但线性霍尔元件易受电磁铁产生的电磁磁场影响，使得测量结果产生偏差，故该问题亟待解决、以提高测量精度。


技术实现要素：

3.本实用新型实施例的目的是提供一种永磁电磁混合系统的测距装置，该设备用以解决上述的现有的线性霍尔元件测量距离时容易受到电磁铁产生的电磁磁场影响、使测量结果产生偏差的问题。
4.为了实现上述目的，本实用新型实施例提供一种永磁电磁混合系统的测距装置，所述永磁电磁混合系统包括电磁铁和永磁体，所述电磁铁的底面为水平的吸附面，所述永磁体位于所述电磁铁正下方且与所述电磁铁不接触；所述永磁电磁混合系统的测距装置包括：
5.至少两个线性霍尔元件，间隔设置在所述电磁铁的吸附面上，其中一个线性霍尔元件位于所述吸附面正中位置并与所述永磁体位置相对，至少两个线性霍尔元件用于获取所述永磁体所激发的永磁磁场和所述电磁铁中励磁电流所激发的电磁磁场叠加后的混合磁场的磁场强度电信号；
6.信号补偿模块，与每一线性霍尔元件电连接，用于对所述混合磁场的磁场强度电信号进行补偿以抵消来自电磁磁场的影响，并输出仅与永磁磁场相关的补偿后的磁场强度电信号，用以表征所述电磁铁与所述永磁体之间的距离。
7.可选的，所述电磁铁为e型电磁铁。
8.可选的，所述电磁铁为电磁吸盘。
9.可选的，所述永磁体为钕铁硼永磁体、钐钴永磁体或铝镍钴永磁体，所述永磁体的形状为圆柱体、长方体或环形体。
10.可选的，所述线性霍尔元件的数量为三个，呈一字型等距间隔排列在所述吸附面上，且中间位置的线性霍尔元件位于所述吸附面正中位置并与所述永磁体位置相对。
11.可选的，所述线性霍尔元件的数量为五个，且其中一个线性霍尔元件位于所述吸
附面正中位置并与所述永磁体位置相对，其余四个线性霍尔元件呈等距的旋转对称设置在所述吸附面的外围。
12.可选的，所述信号补偿模块为数字控制器。
13.可选的，所述信号补偿模块为模拟电路。
14.可选的，所述模拟电路包括：依次串联的输入信号处理模块和参数调整模块；
15.所述输入信号处理模块包括至少两个第一运算放大器，每一第一运算放大器的输出端通过第一电阻连接所述参数调整模块的输入端，每一第一运算放大器的同向输入端连接对应的线性霍尔元件的输出端，每一第一运算放大器的反向输入端连接各自的输出端；
16.所述参数调整模块包括相互串联的第二运算放大器和第三运算放大器，所述第二运算放大器的反向输入端连接所述输入信号处理模块的输出端且还通过第二电阻连接所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的同向输入端连接可调电位计，所述第二运算放大器的输出端连接所述第三运算放大器的同向输入端，所述第三运算放大器的反向输入端连接所述第三运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的输出端输出补偿后的磁场强度电信号。
17.可选的，所述装置还包括：电源模块，与所述电磁铁、所述线性霍尔元件和所述信号补偿模块连接，用于向所述电磁铁、所述线性霍尔元件和所述信号补偿模块供电。
18.本技术方案通过至少两个线性霍尔元件获取所述永磁磁场和所述电磁磁场叠加后的混合磁场的磁场强度电信号，并利用信号补偿模块，对混合磁场的磁场强度电信号进行补偿、以抵消来自电磁磁场的影响、并输出仅与永磁磁场相关的补偿后的磁场强度电信号，用以表征所述电磁铁与所述永磁体之间的距离，避免线性霍尔元件受到所述电磁磁场的干扰，使信号测量更加准确，提高距离检测精度；另外，通过设置至少三个线性霍尔元件能有效降低测量过程中永磁体摇摆、侧偏对距离信号的影响、提高距离检测的准确度。
19.本实用新型实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
20.附图是用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型实施例，但并不构成对本实用新型实施例的限制。在附图中：
21.图1是本实用新型提供的第一种永磁电磁混合系统的测距装置的结构示意图；
22.图2是本实用新型提供的第一种永磁电磁混合系统的测距装置的部分结构示意图；
23.图3是本实用新型提供的第二种永磁电磁混合系统的测距装置的结构示意图；
24.图4是本实用新型提供的第二种永磁电磁混合系统的测距装置的部分结构示意图；
25.图5是本实用新型提供的永磁电磁混合系统的测距装置的信号补偿模块的结构示意图；
26.图6是本实用新型提供的补偿后的磁场强度电信号与电磁铁和永磁体之间距离的变化关系示意图。
27.附图标记说明
28.1-电磁铁；
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2-永磁体；
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3-线性霍尔元件；
29.4-信号补偿模块；
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41-输入信号处理模块； 42-参数调整模块；
30.411-第一运算放大器；
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412-第一电阻；
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421-第二运算放大器；
31.422-第三运算放大器；
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423-第二电阻；
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424-可调电位计。
具体实施方式
32.以下结合附图对本实用新型实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型实施例，并不用于限制本实用新型实施例。
33.在本实用新型实施例中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系。
34.术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。
36.术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平、竖直或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
37.此外，“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确，而是可以有一定的偏差。例如：“大致相等”并不仅仅表示绝对的相等，由于实际生产、操作过程中，难以做到绝对的“相等”，一般都存在一定的偏差。因此，除了绝对相等之外，“大致等于”还包括上述的存在一定偏差的情况。以此为例，其他情况下，除非有特别说明，“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。
38.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
39.图1是本实用新型提供的第一种永磁电磁混合系统的测距装置的结构示意图；图2是本实用新型提供的第一种永磁电磁混合系统的测距装置的部分结构示意图；图3是本实用新型提供的第二种永磁电磁混合系统的测距装置的结构示意图；图4是本实用新型提供的第二种永磁电磁混合系统的测距装置的部分结构示意图。
40.如图1-4所示，本实用新型实施方式提供一种永磁电磁混合系统的测距装置，所述永磁电磁混合系统包括电磁铁1和永磁体2，所述电磁铁1的底面为水平的吸附面，所述永磁体2位于所述电磁铁1正下方且与所述电磁铁1不接触；所述永磁电磁混合系统的测距装置包括：
41.至少两个线性霍尔元件3，间隔设置在所述电磁铁1的吸附面上，其中一个线性霍尔元件3位于所述吸附面正中位置并与所述永磁体2位置相对，至少两个线性霍尔元件3用于获取所述永磁体2所激发的永磁磁场和所述电磁铁1中励磁电流所激发的电磁磁场叠加后的混合磁场的磁场强度电信号；
42.信号补偿模块4，与每一线性霍尔元件3电连接，用于对所述混合磁场的磁场强度电信号进行补偿以抵消来自电磁磁场的影响，并输出仅与永磁磁场相关的补偿后的磁场强度电信号，用以表征所述电磁铁1与所述永磁体2之间的距离；
43.具体地，电磁铁1包括铁芯和线圈。向线圈通入励磁电流便使电磁铁1产生电磁磁场，磁场的方向由励磁电流的方向决定；同时，永磁体2产生永磁磁场。永磁磁场与电磁铁1的铁芯和电磁磁场之间的相互作用可使永磁体2与电磁铁1之间产生磁场作用力。线性霍尔元件3的数量根据实际使用情况决定，可以设置为两至五或更多个不等，并按一定的规律进行排布，且保证其中一个线性霍尔元件3位于吸附面正中位置。线性霍尔元件3得到混合磁场的磁场强度电信号后，信号补偿模块4可以采用数字控制器、也可以采用模拟电路，对所述混合磁场的磁场强度电信号进行补偿、以抵消来自电磁磁场的影响、并输出仅与永磁磁场相关的补偿后的磁场强度电信号，用以表征所述电磁铁1与所述永磁体2之间的距离。
44.更具体地，信号补偿模块4可以再根据距离与补偿后的磁场强度电信号之间的函数关系，确定永磁体2与电磁铁1之间的实际距离。
45.在另一种实施方式中，所述装置还包括：电源模块，与所述电磁铁1、所述线性霍尔元件3和所述信号补偿模块4连接，用于向所述电磁铁1、所述线性霍尔元件3和所述信号补偿模块4供电。
46.更具体地，供电电源(未示出)可以设置整体或者单个独立分别为电磁铁1、线性霍尔元件3或信号补偿模块4供电的电源，具体包括一次性电池、可充电电池等作为电源供电。
47.更进一步地，本实用新型基于以下原理实施：
48.按照磁场的线性叠加原理，线性霍尔元件3获取的混合磁场可以被线性分解为永磁磁场b
永
和电磁磁场b
电
；其中，永磁磁场b
永
受电磁铁1与永磁体2之间的距离h和该线性霍尔元件3附近电磁铁1铁芯的磁化程度α的影响；电磁磁场b
电
受电磁铁1的励磁电流i和该线性霍尔元件3的位置系数β的影响。由于永磁体2不能被进一步磁化或退磁，故永磁磁场b
永
与励磁电流i无关；多个线性霍尔元件3之间受电磁磁场的影响呈正相关关系、以位置系数β表征，位置系数β为常数、且与励磁电流i和距离h均无关。
49.综上所述，各个线性霍尔元件3所获取的混合磁场有以下函数关系：
50.b0＝b
永
(h)+b
电(i)51.bi＝αi(h)b
永
(h)+β
ib电(i)52.其中，βi为常数，可以直接测量并对电磁磁场b
电
进行补偿。令补偿后的磁场b
补偿后
为如下表达式：
[0053][0054]
由上式可知，补偿后的磁场b
补偿后
与励磁电流i无关，而仅与距离h有关，可以表征永磁体2与电磁铁1之间的距离。
[0055]
进一步地，所述电磁铁1为e型电磁铁1或电磁吸盘。
[0056]
具体地，电磁铁1可采用e型电磁铁或电磁吸盘，且采用e型电磁铁时，其开口端垂直向下，相对永磁体2布置；另外，当采用e型电磁铁时，线性霍尔元件3可设置三个，且其中一个线性霍尔元3件位于e型电磁铁的吸附面正中位置，三个线性霍尔元件3呈一字型排列设置在e型电磁铁的铁芯上；当采用电磁吸盘，线性霍尔元件3设置五个，且其中一个线性霍尔元件3位于电磁吸盘的吸附面正中位置，其余四个线性霍尔元件3呈等距的旋转对称设置在电磁吸盘的吸附面上。
[0057]
进一步地，所述永磁体2为钕铁硼永磁体、钐钴永磁体或铝镍钴永磁体，所述永磁体2的形状为圆柱体、长方体或环形体。
[0058]
具体地，永磁体2可采用钕铁硼永磁体、钐钴永磁体或铝镍钴永磁体等磁性较强的永磁体，且形状可以为圆柱体、长方体或环形体等形状，具体可根据实际使用环境确定。
[0059]
进一步地，所述线性霍尔元件3的数量3为三个，呈一字型等距间隔排列在所述吸附面上，且中间位置的线性霍尔元件3位于所述吸附面正中位置并与所述永磁体2位置相对。
[0060]
具体地，如图1-2所示，线性霍尔元件3设置为三个时，其中一个线性霍尔元件3位于电磁铁1的吸附面正中位置，并且三个线性霍尔元件3等距离对称分布，最优选的可采取一字型排列方式，能有效降低测量过程中永磁体2摇摆、侧偏对距离信号的影响，提高距离检测的准确度，线性霍尔元件3设置为三个时可以应用在e型电磁铁上。
[0061]
进一步地，所述线性霍尔元件3的数量为五个，且其中一个线性霍尔元件3位于所述吸附面正中位置并与所述永磁体2位置相对，其余四个线性霍尔元件3呈等距的旋转对称设置在所述吸附面的外围。
[0062]
具体地，如图3-4所示，线性霍尔元件3设置为五个时，其中一个线性霍尔元件3位于电磁铁1的吸附面正中位置，其余四个线性霍尔元件3呈等距的旋转对称分布在电磁铁1的吸附面上，位于所述吸附面的外围，且该四个线性霍尔元件3与位于电磁铁1的吸附面正中位置的线性霍尔元件3的距离相等，采用这种设置方式能有效降低测量过程中永磁体2摇摆、侧偏对距离信号的影响，提高距离检测的准确度，线性霍尔元件3设置为五个时可以应用在电磁吸盘上。
[0063]
进一步地，所述信号补偿模块4为数字控制器，所述数字控制器采用以下公式计算补偿后的磁场强度电信号：
[0064][0065]
其中，u
补偿后
为补偿后的磁场强度电信号；u0为位于吸附面正中位置的线性霍尔元件获取的混合磁场的磁场强度电信号；k为补偿系数，u
调零
为调零系数；i为位于吸附面外围的第i个线性霍尔元件，且i≥1；n为位于吸附面外围的线性霍尔元件的个数；ui为位于吸附面外围的线性霍尔元件获取的混合磁场的磁场强度电信号
[0066]
具体地，当所述信号补偿模块4为数字控制器时，采用补偿公式对输入的混合磁场的磁场强度电信号进行补偿、以抵消来自电磁磁场的影响、并输出仅与永磁磁场相关的补偿后的磁场强度电信号，用以表征所述电磁铁1与所述永磁体2之间的距离。
[0067]
进一步地，所述信号补偿模块4为模拟电路；
[0068]
所述模拟电路包括：依次串联的输入信号处理模块41和参数调整模块42；
[0069]
所述输入信号处理模块41包括至少两个第一运算放大器411，每一第一运算放大器411的输出端通过第一电阻412连接所述参数调整模块42的输入端，每一第一运算放大器411的同向输入端连接对应的线性霍尔元件3的输出端，每一第一运算放大器411的反向输入端连接各自的输出端；
[0070]
所述参数调整模块42包括相互串联的第二运算放大器421和第三运算放大器422，所述第二运算放大器421的反向输入端连接所述输入信号处理模块41的输出端且还通过第二电阻423连接所述第二运算放大器421的输出端，所述第二运算放大器421的同向输入端连接可调电位计424，所述第二运算放大器421的输出端连接所述第三运算放大器422的同向输入端，所述第三运算放大器422的反向输入端连接所述第三运算放大器422的输出端，所述第三运算放大器422的输出端输出补偿后的磁场强度电信号。
[0071]
具体地，图5是本实用新型提供的永磁电磁混合系统的测距装置的信号补偿模块的结构示意图，如图5所示，本实施方式中设置五个线性霍尔元件3，所述模拟电路包括依次串联的输入信号处理模块41和参数调整模块42，所述输入信号处理模块41包括五个第一运算放大器411，每一第一运算放大器411的输出端通过第一电阻412连接所述参数调整模块42的输入端，每一第一运算放大器411的同向输入端连接对应的线性霍尔元件3的输出端，每一第一运算放大器411的反向输入端连接各自的输出端；所述参数调整模块42包括相互串联的第二运算放大器421和第三运算放大器422，所述第二运算放大器421的反向输入端连接所述输入信号处理模块41的输出端且还通过第二电阻423连接所述第二运算放大器421的输出端，所述第二运算放大器421的同向输入端连接可调电位计424，所述第二运算放大器421的输出端连接所述第三运算放大器422的同向输入端，所述第三运算放大器422的反向输入端连接所述第三运算放大器422的输出端，所述第三运算放大器422的输出端输出补偿后的磁场强度电信号。其中，第一运算放大器411和第一电阻412的数量与线性霍尔元件3的数量相同，且第一电阻412、第二电阻423均可采用滑动变阻器、变阻箱等；更进一步地，位于吸附面正中位置的线性霍尔元件3对应的第一电阻412采用滑动变阻器，位于吸附面外围的线性霍尔元件3对应的第一电阻412可采用固定阻值电阻；另外，通过调节第二电阻423的阻值，可以实现模拟电路对永磁磁场的灵敏度的调节；通过调节可调电位计424，可以实现对模拟电路的调零。
[0072]
在本实施方式中，位于吸附面正中位置的线性霍尔元件3对应的第一电阻412为vr0，位于外围的线性霍尔元件3对应的第一电阻412分别为r1、r2、r3、r4。在实际应用过程中，位于外围的线性霍尔元件3的第一电阻412设置为相同阻值。
[0073]
具体地，通过模拟电路进行信号补偿。
[0074]
以设置五个线性霍尔元件3为例，分别获取五个磁场强度电信号：u0、u1、u2、u3和u4；其中，u0是位于吸附面正中位置线性霍尔元件3获取的混合磁场的磁场强度电信号，受永磁磁场的影响较大；u1、u2、u3、u4分别是其余四个设置在所述吸附面的外围的线性霍尔元件3获取的混合磁场的磁场强度电信号，该四个线性霍尔元件3在几何上呈等距的旋转对称，受永磁磁场的影响较小。
[0075]
该模拟电路的目的在于利用多个线性霍尔元件3获取的电磁磁场的磁场强度电信号之间具有线性关系，从而抵消来自电磁磁场的影响、并输出仅与永磁磁场相关的补偿后
的磁场强度电信号。将线性霍尔元件3按同一朝向设置在电磁铁1的吸附面(如将线性霍尔元件3的工作面朝向电磁铁1)，则电磁磁场对于u0的影响与对于u1、u2、u3、u4的影响相反，例如u0增大的同时，u1、u2、u3、u4减小。
[0076]
由关于第二运算放大器421的电路分析可得以下关系：
[0077][0078]
其中，r1＝r2＝r3＝r4。进一步简化可得，
[0079][0080]
其中，u
补偿后
是所述第三运算放大器输出的补偿后的磁场强度电信号；为u0与之间的敏感度，可看作模拟电路的补偿系数；u
调零
是调零系数，由可调电位计产生。
[0081]
由上式可知，微调vr0，可以抵消电磁磁场对u
补偿后
的影响；微调vr
第二
，可以调节模拟电路对永磁磁场的灵敏度；微调u
调零
，可以对模拟电路的输出信号调零。
[0082]
实施例1
[0083]
如图1-2所示，本实施例中，电磁铁1采用e型电磁铁；永磁体2为长方体；在e型电磁铁的吸附面上设置三个线性霍尔元件3，三个线性霍尔元件3呈一字型等距间隔排列在所述吸附面上，且中间位置的线性霍尔元件3位于所述吸附面正中位置、并与所述永磁体2位置相对；信号补偿模块4设置在所述吸附面上。通过这种方式进行信号检测，能够有效降低测量过程中永磁体2摇摆、侧偏对距离信号的影响、提高距离检测的准确度。
[0084]
实施例2
[0085]
如图3-4所示，本实施例中，电磁铁1采用电磁吸盘；永磁体2为圆柱体；在电磁吸盘的吸附面上设置五个线性霍尔元件3，其中一个线性霍尔元件3位于电磁铁1的吸附面正中位置，其余四个线性霍尔元件3呈等距的旋转对称分布在电磁铁1的吸附面上，位于所述吸附面的外围，且该四个线性霍尔元件3与位于电磁铁1的吸附面正中位置的线性霍尔元件3的距离相等；信号补偿模块4设置在所述吸附面上。通过这种方式进行信号检测，能够有效降低测量过程中永磁体2摇摆、侧偏对距离信号的影响、提高距离检测的准确度。
[0086]
实施例3
[0087]
图6是本实用新型提供的补偿后的磁场强度电信号与电磁铁和永磁体之间距离的变化关系示意图；如图6所示，本实施例中所述信号补偿模块4为模拟电路，所述测距装置包括五个线性霍尔元件3，且其中一个线性霍尔元件3位于所述吸附面正中位置、并与所述永磁体2位置相对，其余四个线性霍尔元件3呈等距的旋转对称设置在所述吸附面的外围。位于外围的线性霍尔元件3对应的第一电阻412的阻值为90千欧，位于吸附面正中位置的线性霍尔元件3对应的第一电阻412的阻值为169.2千欧。利用模拟电路对线性霍尔元件3获取的混合磁场的磁场强度电信号进行补偿、以抵消来自电磁磁场的影响、并输出仅与永磁磁场相关的补偿后的磁场强度电信号。进一步地，信号补偿模块4可以再根据距离与补偿后的磁场强度电信号之间的函数关系，确定永磁体2与电磁铁1之间的实际距离，如图6所示，在三
个不同励磁电流(0ma、100ma、-100ma)的情况下，信号补偿模块4输出的补偿后的磁场强度电信号几乎一致，说明补偿后的磁场强度电信号不再受电磁磁场的影响、仅与永磁磁场相关。
[0088]
以上结合附图详细描述了本实用新型实施例的可选实施方式，但是，本实用新型实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型实施例的技术构思范围内，可以对本实用新型实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型实施例的保护范围。
[0089]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0090]
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0091]
此外，本实用新型实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型实施例的思想，其同样应当视为本实用新型实施例所公开的内容。