专利名称：基于霍尔电路编码的行程传感器及其行程测量方法
技术领域：
本发明涉及一种行程传感器，具体说是一种用于位置检测的基于霍尔电路编码的行程传感器，以及使用该行程传感器进行行程测量的方法。
背景技术：
传统行程传感器多采用干簧管电阻分压式，通过触发不同的干簧管得到不同的电压值来判断位置。但是干簧管在震动环境中易碎，开关易抖动，长期使用后易吸合，导致整个行程传感器报废。而且采用干簧管的行程传感器输出精确度相对较差且不可调节，由于干簧管体积大，安装密度无法很高，因此行程传感器分辨率也较差。
发明内容
发明目的本发明就是针对上述不足，提供一种基于霍尔电路编码的行程传感器， 解决现有行程传感器精度低、使用寿命短的问题。本发明的另一个目的在于提供使用上述基于霍尔电路编码的行程传感器进行行程测量的方法。为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案一种基于霍尔电路编码的行程传感器，包括非磁性金属材料制成的金属管，在金属管上套设有与金属管外径相适配的磁环；在金属管内设有若干霍尔电路阵列，霍尔电路阵列分别通过各子单片机与主单片机相连，主单片机的输出端连接有运算放大电路，运算放大电路与外引线相连。其中，在金属管内设有与金属管内径、长度适配的双面印制板，霍尔电路阵列安装在双面印制板上，各子单片机、主单片机和运算放大电路设置在双面印制板的另一面。其中，所述的霍尔电路阵列由若干贴片式AH3661微功耗数字霍尔电路沿金属管轴线方向分成两排交错排布在双面印制板上。其中，所述的磁环为轴向充磁的铁氧体磁环；所述磁环的磁感应强度可触发连续 η个霍尔电路处于导通状态，而其他霍尔电路则处于截止状态；其中η > 3。其中，所述的金属管的端部采用密封材料密封。 使用基于霍尔电路编码的行程传感器进行行程测量的方法，它包括如下步骤(1)通电后，主单片机和子单片机分别初始化，主单片机等待子单片机完成信息采集，主单片机准备扫描子单片机的通信寄存器；(2)子单片机采集各个霍尔电路的信息子单片机查询其存储器内是否有失效霍尔电路的记录，若有，则将其剔除在扫描的范围之外；若无，则子单片机查询各个霍尔电路当前工作状态，进行编码后送入子单片机的通信寄存器，等待主机查询；(3)主单片机扫描子单片机的通信寄存器内信息，采集霍尔电路当前工作状态；(4)主单片机对采集到的数据进行综合处理
设定磁环同时触发连续η个霍尔电路设定其中有m个或m个以上的霍尔电路导通时，则判断磁环运动到η个霍尔电路的中间位置，计算出当前磁环位置后将它转化成行程信息，送入信号运算放大电路；若发现有失效的霍尔电路，则将该霍尔电路对应的编码信息发送到对应的子单片机的存储器中；其中η彡3，且η彡m彡2，n、m均为整数；(5)信号经放大后完成一次信号输出。(6)重复2 4步骤，保持子单片机的通信寄存器数据实时更新；其中，步骤⑵中，子单片机根据查询到的单个霍尔电路的信息，将其状态分为导通和截止，导通状态输出低电平，对应的编码为0，截止状态输出高电平，对应的编码为1， 子单片机将各个霍尔电路对应的编码输入到其通信寄存器保存。其中，步骤(4)中判断失效的霍尔电路时，若发现连续η个霍尔电路中只有1个霍尔电路输出低电平，则判断该霍尔电路为失效电路，主单片机将该霍尔电路对应的信息发还给子单片机的存储器；其中η > 3。霍尔电路作为磁环位置(也就是行程位置)的感知元件，霍尔电路与磁环之间的配置采用冗余设计，要求磁环设计成适当的大小，以确保当磁环位于某一位置时，能触发对应于磁环附近连续多个(例如3个)霍尔电路同时处于导通状态，输出低电平；而其余所有霍尔电路均处于截止状态，输出高电平。本发明的工作原理由于所有霍尔电路均一线排列，每个霍尔电路的工作状态和磁环的位置呈现着对应关系。当磁环随运动部件停留在某一位置时，附近的霍尔电路被触发，处于导通状态，输出低电平，而其他霍尔电路则处于截止状态，输出高电平。这样，采集和分析了霍尔电路阵列中每个霍尔电路的电平信号，即可判断出磁环的位置。而磁环位置又是与待测行程运动部件相连接的，因此，霍尔电路电平信号和行程位置存在唯一的对应关系。利用单片机对霍尔电路进行扫描和编码，查寻霍尔电路的电平信号，即可实现对行程的主动检测。有益效果(1)安全性高霍尔电路是一种无触点电子开关，无机械磨损、无电火花，寿命长， 安全可靠，特别适合于易燃易爆领域如煤矿、油库中使用。(2)可靠性高与传统传感器被动位置检测方式不同，本发明使用单片机通信技术对霍尔电路主动进行扫描和编码，使得传感器具有自动纠错功能，即使有个别霍尔电路失效，仍可依靠其他正常工作的霍尔电路准确地判断行程位置。(3)分辨率高本发明采用的霍尔电路为贴片封装工艺，并且在印制板上密集排列，安装密度目前为小于等于3mm每个，即检测的分辨率可以达到3mm，比传统干簧管提高很多，因此大大地提高了位置检测分辨率。(4)功耗低以行程192mm为例，传感器整体功耗电流小于等于7mA。(5)智能化与传统传感器信号单向传输不同，本发明通过单片机通信实现各电路单元与主机间的信号双向互联，主机输出信号可以在较大范围内调节，且备有通信接口供日后与上位机相连，从而方便于检测现场智能化管理。
图1为行程传感器结构示意图。图2为电路单元电连接原理图。图3为本发明测量流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的说明。如图1所示，本发明包括非磁性金属材料，如不锈钢材料制成的金属管1，在金属管1上套设有与金属管外径相适配的磁环2，磁环2由轴向充磁的铁氧体制成，磁环2安装在可随行程移动的运动部件上，当行程变动时，运动部件带动磁环2沿金属管外壁滑动。所述磁环2的磁感应强度可触发附近连续η个霍尔电路处于导通状态，而其他霍尔电路则处于截止状态；其中，η彡3。根据实际需要可以通过调整磁环2的尺寸来调整其可以同时触发的霍尔电路的数量。在金属管1内设有与金属管1内径、长度、形状等适配的双面印制板 8，若干霍尔电路阵列3安装在双面印制板8的一面，各个子单片机4、主单片机5和运算放大电路6设置在双面印制板8的另一面。霍尔电路阵列3分别通过各子单片机4与主单片机5相连，主单片机5的输出端连接有运算放大电路6，运算放大电路6与外引线7相连。 金属管1的端部采用密封材料9密封，如密封材料采用环氧树脂。所述的霍尔电路阵列3由若干贴片式ΑΗ3661微功耗数字霍尔电路沿金属管1轴线方向交错排布在双面印制板8上。ΑΗ3661型微功耗数字霍尔集成电路的芯片上集成有霍尔电压发生器、电源定时开关电路单元、动态失调电压补偿电路单元、取样与保持电路单元、差分放大器、双触发器、输出锁、MOS场效应输出管等电路单元。芯片中设置的电源定时开关电路可控制霍尔电路交替处于“休眠”和“唤醒”状态，在2. 75V供电情况下，“休眠”时电源电流为2 μ �。盎叫选笔蔽�3mA，平均约为2. 75 μ Α,平均功耗只有8 μ W，比传统霍尔电路功耗降低3到4个数量级；设置动态失调电压补偿电路，是为了消除温度和机械应力对霍尔电压发生器产生的失调电压，提高霍尔电路的温度稳定性和磁场的对称性；双触发器的设置则是为了使霍尔电路具有全磁极触发功能，即无论使用N极或S极磁场均可触发霍尔电路工作，改变了传统霍尔电路必须固定使用某一特定磁极触发的缺点，使得使用更为方便。 上述型号的霍尔电路可由南京艾驰电子科技有限公司购得。所述磁环2的磁感应强度可触发连续η个霍尔电路处于导通状态，而其他霍尔电路则处于截止状态；其中η > 3。所述的金属管1的端部采用密封材料9密封。以要求传感器行程测量范围192mm，分辨率3mm为例，经计算，需要两组霍尔电路阵列3，金属管1的长度MOmm，外径16mm，内径13mm。磁环外径Mmm，内径18mm，厚度6mm。 磁环轴心附近磁感应强度约5mT (毫特斯拉)。磁环安装在可随行程移动的运动部件连接器上，当行程变动时，运动部件连接器带动磁环2沿金属管1的外壁滑动。 双面印制板8的正面上装有2组霍尔电路阵列3，每组霍尔电路阵列3由32个贴片式AH3661微功耗高灵敏度数字霍尔电路组成。所述霍尔电路导通点磁感应强度(典型值)为3. 5mT，截止点磁感应强度(典型值)为2. 5mT，与所述磁环的磁感应强度相匹配；霍尔电路为贴片式封装，外形尺寸为3 X 3 X 1 (mm)，考虑到焊盘等因素，霍尔电路需要两排错位安装，以满足分辨率3mm的要求。
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双面印制板8背面对应于霍尔电路阵列3的位置处设有两个子单片机4。子单片机4的型号为ATmegaUS-USl、64脚MLF封装。子单片机4分别与对应的霍尔电路阵列3 组成基本通信单元，基本通信单元数量可根据待测行程范围的需要进行扩展。基本通信单元通过两线串行通信(12C或者SMBUQ与主单片机5相连。双面印制板8背面上方还装有主单片机5和运算放大电路6。单片机5的型号为 ATmega 8-81,32 脚 MLF 封装。本发明的电连接关系如图2所示。本发明各个霍尔电路阵列3分别连接有一个子单片机4，各个子单片机4均与主单片机5电连接，主单片机5与运算放大电路6电连接。如图3所示，具体测量过程如下通电后，主单片机5和子单片机4分别初始化，主单片机5准备扫描子单片机4的通信寄存器。同时，各组基本通信单元的子单片机4分别查寻各自存储器中是否存在记录的失效的霍尔电路，若存在，则将该霍尔电路剔除在扫描范围之外，然后扫描当前霍尔电路工作状态，并将霍尔电路当前工作状态送入子单片机4的通信寄存器，等待主单片机5查寻。子单片机根据查询到的单个霍尔电路的信息，将其状态分为导通和截止两种状态，导通状态输出低电平，对应的编码为0 ；截止状态输出高电平，对应的编码为1，子单片机将各个霍尔电路对应的编码输入到其通信寄存器保存。主单片机5采集得到两组子单片机4当前霍尔电路工作状态的编码后，进行数据综合处理。为了使传感器具有自动纠错功能，本发明采用冗余设计，即要求磁环触发霍尔电路阵列时，阵列中同时被触发的霍尔电路始终保持在η个。同时设定磁环能够保证同时触发η个霍尔电路，并设定只有扫描到m或m个以上导通的霍尔电路才视为磁环运动位置确定，主单片机5将连续导通的η个霍尔电路的中点视为当前磁环位置，计算出当前磁环位置后将它转化成行程信息，送入信号放大单元，完成一次数据输出。重复上述步骤保持信号更新。其中，η彡3，且η彡m彡2，n、m均为整数。当m = η时，设定扫描到m个导通的霍尔电路才视为磁环运动位置确定；当2 < m < η时，设定扫描到m个或m个以上导通的霍尔电路才视为磁环运动位置确定。同时，若主单片机发现有失效的霍尔电路，则将该霍尔电路对应的编码信息发送到对应的子单片机的存储器中；判断失效的霍尔电路的方法是若主单片机5发现连续η 个霍尔电路中只有单独1个霍尔电路输出低电平，则将其视为失效并将其信息发送给子单片机4的通信寄存器，将该电路视为失效霍尔电路，子单片机在下次扫描时，自动忽略该霍尔电路，并将该霍尔电路视为输出高电平。这样判断位置并不依靠单个霍尔电路，而依靠另外几个正常工作的霍尔电路仍然可以准确地判断行程位置。其中η > 3，且η > m > 2，η、 m均为整数。例如，在本实施例中，设定磁环保证依次能同时触发连续3个霍尔电路导通，设定判断磁环位置的标准为连续3个电路中有2个或3个霍尔电路导通时，才视为磁环运动到这3个霍尔电路中位于中间的霍尔电路处。每一子单片机4 一次向主单片机5发送四组8位二进制数，这四组8位二进制数分别与霍尔电路阵列3中的32个霍尔电路一一对应。同时由于霍尔电路截止时输出的高电平对应数据中的“ 1” ；导通时，输出的低电平对应数据中的“0”。而霍尔电路失效时可能输出低电平，也可能输出高电平；因此需要根据四组二进制数来判断到底有几个霍尔电路导通。例如将32个霍尔电路依次编号为1、2、3、4......32，假设磁环触发了其中17、
18、19号三个连续的霍尔电路使他们输出低电平，并且M号霍尔电路失效后也输出低电平，则子单片机4向主单片机5发送如下四组8位二进制数0B11111111，0B11111111， 0B00011110，0B11111111。主单片机5收到这四组8位二进制数后先将第一组、第二组和第四组0B11111111数据忽略，这些数据代表这些霍尔电路处于截止状态。重点分析第三组 0B00011110，对其进行右位移操作，从而将八位二进制数变成八个数字0，0，0，1，1，1，1，0， 依次对应第17，18，19，20，21，22，23，24号霍尔电路输出的电平。从右往左依次分析24号霍尔电路输出为0，23号霍尔电路输出为1，22号霍尔电路输出为1，根据判断标准3个霍尔电路中必须至少有2个霍尔电路导通才视为磁环运动到该位置，故判断M号霍尔电路为失效电路；再依次对22，21，20号霍尔电路分析，均为1则表示都处于截止状态。再分析19号霍尔电路，发现其输出为0，18号霍尔电路输出是0，连续有2个霍尔电路导通；再看17霍尔电路输出是0，连续3个霍尔电路导通，则目前磁环位置在18号霍尔电路上。若18号霍尔电路位于两组霍尔电路阵列3中的上面一组，由于运动部件带着磁环从下往上运动，则18 号霍尔电路对应的位置为(18+32) X 3 = 150mm，故判断出磁环的位置距离最下方霍尔电路 150mm 处。同时，主单片机将M号霍尔电路视为失效电路，将其信息发送给子单片机的存储器存储。下次扫描时直接忽略并将其输出值为“1”。通过以上算法后电路中只要不出现连续失效的霍尔电路，都可以判断磁环的准确位置。上述传感器经实际检测，使用的电源电压为12V，行程范围为192mm，分辨率为 3mm，功耗电流为7mA。各项指标完全达到原设计要求。根据待测的行程范围，可相应扩展霍尔电路阵列数量。例如待测行程测量范围为 480mm。可将霍尔电路阵列扩展为5组，每组由32个霍尔电路组成，对应有5个子信号处理单元。实际行程传感器总长为520mm，分辨率为3mm，功耗电流为13mA。
权利要求
1.一种基于霍尔电路编码的行程传感器，包括非磁性金属材料制成的金属管(1)，在金属管(1)上套设有与金属管外径相适配的磁环O)；其特征在于在金属管(1)内设有若干霍尔电路阵列(3)，霍尔电路阵列(3)分别通过各子单片机⑷与主单片机(5)相连，主单片机(5)的输出端连接有运算放大电路(6)，运算放大电路(6)与外引线(7)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于霍尔电路编码的行程传感器，其特征在于在金属管⑴内设有与金属管⑴内径、长度适配的双面印制板(8)，霍尔电路阵列(3)安装在双面印制板(8)上，各子单片机(4)、主单片机( 和运算放大电路(6)设置在双面印制板(8) 的另一面。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于霍尔电路编码的行程传感器，其特征在于所述的霍尔电路阵列⑶由若干贴片式AH3661微功耗数字霍尔电路沿金属管(1)轴线方向分成两排交错排布在双面印制板(8)上。
4.根据权利要求3所述的一种基于霍尔电路编码的行程传感器，其特征在于所述的磁环( 为轴向充磁的铁氧体磁环。
5.根据权利要求4所述的一种基于霍尔电路编码的行程传感器，其特征在于所述磁环O)的磁感应强度可触发连续η个霍尔电路处于导通状态，而其他霍尔电路则处于截止状态；其中η >3。
6.根据权利要求1、4或5所述的一种基于霍尔电路编码的行程传感器，其特征在于 所述的金属管(1)的端部采用密封材料(9)密封。
7.权利要求1所述的使用基于霍尔电路编码的行程传感器进行行程测量的方法，其特征在于，它包括如下步骤(1)通电后，主单片机和子单片机分别初始化，主单片机等待子单片机完成信息采集， 主单片机准备扫描子单片机的通信寄存器；(2)子单片机采集各个霍尔电路的信息子单片机查询其存储器内是否有失效霍尔电路的记录，若有，则将其剔除在扫描的范围之外；若无，则子单片机查询各个霍尔电路当前工作状态，进行编码后送入子单片机的通信寄存器，等待主机查询；(3)主单片机扫描子单片机的通信寄存器内信息，采集霍尔电路当前工作状态；(4)主单片机对采集到的数据进行综合处理设定磁环同时触发连续η个霍尔电路设定其中有m个或m个以上的霍尔电路导通时，则判断磁环运动到η个霍尔电路的中间位置，计算出当前磁环位置后将它转化成行程信息，送入信号运算放大电路；若发现有失效的霍尔电路，则将该霍尔电路对应的编码信息发送到对应的子单片机的存储器中；其中η≥3，且η≥m≥2，n、m均为整数；(5)信号经放大后完成一次信号输出；(6)重复2 4步骤，保持子单片机的通信寄存器数据实时更新。
8.权利要求7所述的行程测量的方法，其特征在于，步骤O)中，子单片机根据查询到的单个霍尔电路的信息，将其状态分为导通和截止，导通状态输出低电平，对应的编码为0 ； 截止状态输出高电平，对应的编码为1，子单片机将各个霍尔电路对应的编码输入到其通信寄存器保存。
9.权利要求7或8所述的行程测量的方法，其特征在于，步骤(4)中判断失效的霍尔电路时，若发现连续η个霍尔电路中只有1个霍尔电路输出低电平，则判断该霍尔电路为失效电路，主单片机将该霍尔电路对应的信息发还给子单片机的存储器；其中η > 3。
全文摘要
本发明公开了一种基于霍尔电路编码的行程传感器，包括非磁性金属材料制成的金属管，在金属管上套设有与金属管外径相适配的磁环；在金属管内设有若干霍尔电路阵列，霍尔电路阵列分别通过各子单片机与主单片机相连，主单片机的输出端连接有运算放大电路，运算放大电路与外引线相连。本发明还公开了使用上述基于霍尔电路编码的行程传感器进行行程测量的方法。本发明的安全性、可靠性高，分辨率高，检测分辨率可以达到3mm，比传统干簧管提高很多，因此大大地提高了位置检测分辨率；功耗低以行程192mm为例，传感器整体功耗电流小于等于7mA；智能化具有自动纠错和信号双向传输功能，便于检测现场智能化管理。
文档编号G01D5/14GK102200426SQ20111007043
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者凌超, 刘玉林, 崔义炜, 朱云, 李云方, 郑主惠 申请人:南京艾驰电子科技有限公司
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