一种霍尔式角位移测量装置

本发明涉及电子技术、传感器技术、检测与控制技术领域，更具体的说，尤其涉及一种霍尔式角位移测量装置。 

物体转动角度即角行程的测量，是检测与控制技术领域的重要内容之一。角行程测量装置广泛应用于工业生产中，尤其是过程控制工程领域。角行程测量装置的工作原理主要是：对物体转动一定角度时，角位移传感器中的敏感元件便会产生相应的电信号输出，对该信号进行实时采样和数据处理，便可以获取当前物体转动的角度；处理后的角行程数据，可以通过反馈电路传输至上位机。 

目前，在现有技术中的角行程测量装置、阀门定位器或者阀位变送器的角位移测量装置中，普遍采用的有两种结构： 

其一，是“反馈连杆+齿轮组+旋转式电位器”机械结构，其中，反馈连杆与阀门的阀杆或其它运动物体连接在一起，并随着阀杆或其它物体的运动而围绕反馈连杆的另一端转动，该转动的角位移量，被传递给齿轮组件，并通过齿轮组件被放大若干倍，齿轮组带动与之相连接的旋转式电位器旋转一定的角度，通过电位器输出相应大小的电压信号，该电压信号输出至主电路进行信号的采样与数据处理。采用上述现有技术的接触式阀位检测装置，在测量过程中，位移传感器往往存在机械磨损、易受外界振动影响、精度低、结构寿命短等诸多缺点。

其二，是目前霍尔式角位移测量装置，目前霍尔式角位移测量装置有两种方法。第一种是旋转磁性编码器，非连续式检测模式，不仅功耗较大，难以在4-20mA环路中使用，而且不能进行连续测量；第二种是利用非线性测量原理进行具体测量和计算。采用上述现有技术的霍尔式角位移测量装置，在测量过程中，或者功耗大、计算精度低，或由于利用非线性测量原理，导致不仅计算方式复杂，而且计算时间较长，应用于自动控制过程中，控制效果差。 

本发明的目的是提供一种霍尔式角位移线性测量装置，不仅能够克服现有接触式位移传感器存在的机械磨损大、机械滞后严重、易受外界振动影响、测量精度低、结构寿命低等缺点，而且能克服目前霍尔角位移传感器在角位移测量中功耗过大、非连续性测量或由于采用非线性测量原理，导致计算方式复杂、计算时间过长、计算精度低等缺点；同时，还能够经过行程变换，进行直行程测量，解决直行程霍尔传感器存在的测量过程中传感器行程不足的问题。本发明能够实现角位移的线性测量和测量数据的高精度反馈传输。 

本发明的技术方案如下： 

本发明提供了一种霍尔式角位移测量装置，包括：

霍尔式角行程传感器，与阀门的阀杆或其它物体相连接；用于在阀门的阀杆或其它物体运动时，将角位移量转变成电信号，并将所述角位移电信号传输给主电路；

主电路，用于接收所述霍尔式角行程传感器发送的所述角位移电信号，并对所述角位移电信号进行采样和数据处理，以便实现对当前角位移量的测量。

进一步的，所述霍尔式角行程传感器包括： 

磁钢构件，所述磁钢构件由四部分组成：同心放置的两个圆弧状条形永久磁钢，两个“U”形导磁钢片，磁屏蔽层，加固与保护层。其中，根据设计需求，将2条特殊材料和特定尺寸的磁钢，加工制作成具有同一圆心、不同半径的圆弧形状，且2条磁钢的弧度均为180度，且沿圆弧方向充磁；在同一平面上，将2条圆弧状条形磁钢同心放置，并将其中一条磁钢的N极与另一条磁钢的S极内外相对放置，且间隔一定距离；在所述圆弧状条形磁钢的两个端点处，各用一片高导磁率的“U”形导磁钢片将内外两个圆弧状条形磁钢连接，在2条圆弧状的条形磁钢之间形成一个特殊结构的磁场；在上述结构体的外部是磁屏蔽层。整个磁钢构件被封装成带有180度或360度弧度的圆环状沟槽的圆盘体。所述磁钢构件用于产生可进行角位移测量的磁场；

霍尔探头，所述霍尔探头设置在所述两个圆弧状条形永久磁钢之间，即2条磁钢所在圆的径之和二分之一的位置；所述霍尔探头备设计为一端密封的中空金属结构体，其外部圆滑呈圆柱状，顶部密封呈半球状，且内部中空，内部侧壁带有固定沟槽，用于固定所述霍尔附属电路的电路板；所述霍尔探头的底部带有橡胶密封圈和连接法兰，并通过螺栓与所述角位移测量装置的本体或固定连杆连接固定。所属霍尔探头用于安装和保护所述霍尔元件及其附属电路和霍尔电路板；

霍尔元件及其附属电路，安装并密封于所述霍尔探头内，且所述霍尔元件被焊接于是所述霍尔附属电路的电路板上，所属霍尔附属电路的输入输出端口与所述主电路相连接；用于将所述霍尔元件输出的所述模拟电压信号发送给所述主电路；

固定连杆，当所述磁钢构件与角位移测量装置本体固定时，用于连接所述霍尔探头、所述霍尔式角行程传感器转轴和所述运动物体，使霍尔探头绕着转轴随着运动物体同步运动。

进一步的，所述霍尔式角位移测量装置还可以包括： 

反馈输出电路，所述反馈输出电路通过接口电路与所述主电路和上位机连接；用于将所述主电路输出的角位移量测量数据以总线的方式，采用有线传输电路或无线传输电路发送给上位机。

进一步的，所述有线传输电路包括：开关光耦，触发整形电路，D/A转换器，模拟电压放大器，电流放大器以及电流负反馈电路； 

其中，所述开关光耦的信号输入端与所述主电路的信号输出端相连接，所述开关光耦的信号输出端与触发整形电路的信号输入端相连；所述触发整形电路的信号输出端与D/A转换器的信号输入端相连；所述D/A转换器的信号输出端与模拟电压放大器的信号输入端相连；所述模拟电压放大器的信号输出端与电流放大器的信号输入端相连接；所述电流放大器的信号输出端与电流负反馈电路的信号输入端相连接；所述电流负反馈电路的信号输出端与模拟电压放大器的信号输入端相连接。

进一步的，将所述主电路输出的测量数据以总线的方式发送给所述上位机，包括： 

将所述测量数据以4-20mA,0-20mA或者HART总线等方式，通过有线传输电路或无线传输电路发送给上位机。

进一步的，所述测量装置还可以包括： 

按键与液晶电路，所述按键与液晶电路通过接口与所述主电路连接，用于设定、修改软件的参数，或者，用于调取角位移数据等信息进行显示。

本发明技术方案的实现， 

不仅能够克服现有接触式角位移传感器存在的机械磨损大、机械滞后严重、易受外界振动影响、测量精度低、结构寿命低等缺点，而且能克服目前霍尔式角位移传感器在角位移测量中，或者由于应用旋转磁性编码器，而导致的测量中功耗过大、非连续性测量；或者由于采用非线性测量原理，导致具体计算方式复杂、计算时间过长、计算精度低等缺点。同时，还能够解决直行程霍尔位移传感器存在的测量过程中传感器行程不足的问题。能够实现角位移的线性测量和角位移数据的高精度反馈传输。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。 

图1为本发明实施例提供的霍尔式角位移测量装置的结构示意图； 

图2为本发明实施例提供的霍尔式角位移测量装置的原理示意图； 

图3为本发明实施例提供的霍尔式角行程传感器结构示意图； 

图4为本发明实施例提供的霍尔式角行程传感器结构示意图； 

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。 

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。 

如图1所示，本发明实施例霍尔式角位移测量装置具体包括霍尔式角行程传感器11、主电路12和附属电路13： 

所述霍尔式角行程传感器11，与阀门的阀杆或其它物体相连接；用于在阀门的阀杆或其它物体运动时，将角位移量转变成电信号，并将所述电信号传输给主电路；

所述主电路12，用于接收所述霍尔式角行程传感器发送的所述电信号，并对所述电信号进行采样和数据处理，实现对阀门的阀杆或其它物体角位移量的测量。

所述附属电路13，如图2所示，包括所述按键与液晶显示电路131和所述反馈输出电路132，用于人—机交互，可进行数据、参数设置和数据显示，并可将有关数据进行反馈输出至上位机。 

进一步地，如图2所示，所述霍尔式角行程传感器，包括： 

磁钢构件111，所述磁钢构件111被封装成带有圆环状沟槽的圆盘体形状；与阀门的阀杆或其它物体相连接，用于产生进行角位移测量的磁场。

霍尔探头112，所述霍尔探头112设置在所述磁钢构件111的圆环形沟槽的中心位置；用于保护、固定所述霍尔元件及其附属电路113。 

霍尔元件及其附属电路113，所述霍尔元件及其附属电路113包括霍尔元件和相关的附属电路，还有霍尔电路板，安装并密封于所述霍尔探头112内，霍尔元件是磁敏感元件，可产生与所处磁场场强成某种函数关系的模拟电压，所述霍尔元件及其附属电路113的输入输出端口与所述主电路12相连接；用于将所述霍尔元件输出的所述模拟电压信号发送给所述主电路12。 

霍尔式角行程传感器的具体结构，参见图3、图4所示： 

所述霍尔式角行程传感器包括所述磁钢构件25、所述霍尔探头17、所述固定连杆23、所述轴承连接器24组成。

其中，所述磁钢构件25包括2条所述圆弧状条形磁钢21、22，2个所述“U”形导磁钢片15、16，磁屏蔽层2、6，所述加固与保护层7、4；两条圆弧状条形磁钢的圆弧弧度均为180度，均沿圆弧方向充磁，在同一平面同一圆心放置，且2条所述圆弧状条形磁钢21、22磁钢的N极、S极内外相对放置； 

所述霍尔探头17由所述探头保护层12、所述霍尔元件及其附属电路11、所述霍尔电路板10组成；霍尔探头外部圆滑呈圆柱状，顶部密封呈半球状，且内部侧壁带有固定沟槽，电路板10可以插接固定其中；所述霍尔探头17，被放置于所述圆弧状条形磁钢21、22之间，其半径等于所述圆弧状条形磁钢21、22各自所在圆半径之和的一半；所述霍尔探头17的底部带有橡胶密封圈和连接法兰，可通过螺栓与所述角位移测量装置的本体或所述固定连杆连接固定；

所述固定连杆23用于连接所述霍尔探头17和轴承连接器24，当所述磁钢构件25与角位移测量装置本体固定连接时，所述霍尔探头17通过所述固定连杆23绕着所述磁钢构件25的转轴随物体同步转动，实现角位移测量；

所述轴承连接器24，用于连接所述固定连杆23与所述磁钢构件25的转动轴承，使所述固定连杆23能绕着所述磁钢构件25的转动轴承转动；

进一步的，如图2所示，所述霍尔式角位移测量装置还可以包括：

反馈输出电路132，所述反馈输出电路132通过接口电路与所述主电路12连接；用于将所述主电路12采样、处理后的测量数据以总线的方式，采用有线传输电路或无线传输电路发送给上位机。因此，可以看出，本发明实施例中可以将所述测量数据以4-20mA,0-20mA或者HART总线等方式，通过有线传输电路或无线传输电路发送给上位机。通过在阀位反馈输出回路中，增加电流负反馈输出单元电路设计，提高了负载适应性和电流信号输出的稳定性；在测量装置的阀位反馈输出部分，采用开关光耦隔离和数字式传输，降低了信号传输的误码率，提高了信号传输距离。

进一步的，如图2所示，所述霍尔式角位移测量装置还可以包括： 

按键与液晶电路131，所述按键与液晶电路131通过接口与所述主电路12连接，用于设定、修改相关参数，或者，用于调取内部数据等信息进行显示。

更进一步的，通过将所述霍尔探头17设置在所述2条所述圆弧状条形磁钢21、22之间；将所述霍尔元件及其附属电路11、所述霍尔电路板10 安装密封于所述霍尔探头17内部；将所述2条所述圆弧状条形磁钢21、22，2个导磁钢片15、16，磁屏蔽层2、13和加固与保护层7、4等设计、封装成带有圆环状沟槽的圆盘体磁钢构件；不仅形成了一个稳定的可进行角位移测量的磁场，而且提高了霍尔传感器的抗干扰能力。 

更进一步的，霍尔式角位移测量装置的具体测量原理与计算方法如下： 

如图4所示，当霍尔探头沿着上述半径所确定的圆弧、即，在一定角度范围内运动时，可以实现近似线性测量和线性计算。假设L3、L4为霍尔式角位移测量装置的线性测量区间边界线，则角位移的起始线可设置为L3或L4，具体计算方法有如下两种：

（1）  输出模拟电压—周长计算公式： ；其中，

：与霍尔元件（霍尔芯片）有关的常数，即霍尔系数；

：角位移所对应的圆弧的弧长；

：霍尔元件的输出的模拟电压幅值；

（2）  输出模拟电压—角度计算公式：；其中，

：与霍尔元件（霍尔芯片）有关的常数，即霍尔系数；

：角位移量（弧度数值）；

：霍尔探头运行轨迹的圆周半径；

：圆弧状条形磁钢22所在圆周半径；

：圆弧状条形磁钢21所在圆周半径；

：霍尔元件的输出的模拟电压的幅值；

另外，上述测量装置的位移输入量与输出信号幅值之间的特殊函数关系，包括线性特征、线性计算方法及其具体计算公式—公式（1），具有通用性，不仅仅适用于本发明中所描述的所述角位移测量装置中的磁钢结构，也同样适用于另外一种磁钢结构，即在同一平面上平行放置的2条具有相同几何形状、尺寸和用相同方式充磁的磁钢，且2条磁钢的N、S极相对排列、2条磁钢对称放置，彼此间隔一定距离。

进一步的， 

所述直行程霍尔传感器包括两块所述条形磁钢21、所述“U”形导磁钢片22、磁屏蔽层23和所述霍尔探头，所述霍尔探头由探头护层26、霍尔电路板25和霍尔元件及其附属电路24。所述条形磁钢21，其中一条磁钢的N极与另一条磁钢的S极相对放置，且2条磁钢左右对称、平行放置于通一平面之上，两者之间间隔一定距离。

当霍尔探头沿着所述条形磁钢之间中点处的垂线，在某一线性区间移动时，该直行程霍尔传感器的输入—输出关系为近似线性关系，具体计算方法如下： 

（3）    ；其中，

：与霍尔元件（霍尔芯片）有关的常数，即霍尔系数；

：霍尔探头的相对于线性区间下限的垂直位移；

：霍尔元件的输出模拟电压的幅值；

所述霍尔元件产生的模拟电压信号通过所述霍尔附属电路被送入所述主控电路，完成信号的采样与数据处理，从而实现角位移量的近似线性测量和计算。

综上所述，采用本实施方式提供的技术方案，通过采用霍尔式角位移测量装置来实现角数据的采集和处理，不仅能够克服现有接触式位移传感器存在的机械磨损大、机械滞后严重、易受外界振动影响、测量精度低、结构寿命低等缺点，而且能克服目前霍尔传感器角位移测量中功耗大、不能连续测量或由于采用非线性测量原理，导致计算方式复杂、计算时间过长、计算精度低等缺点。同时，还能够解决直行程霍尔传感器存在的测量过程中传感器行程不足的问题。并能实现角位移数据的高精度反馈传输。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。