(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 106197254 A(43)申请公布日 2016.12.07
(21)申请号 201610463616.1(22)申请日 2016.06.23
(71)申请人 上海电机学院
地址 200240 上海市闵行区江川路690号(72)发明人 杨鑫 迟长春 谢涛 耿晋中
李明明 王杰 (74)专利代理机构 上海伯瑞杰知识产权代理有
限公司 31227
代理人 孟旭彤(51)Int.Cl.
G01B 7/30(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图2页
(54)发明名称
基于径向充磁的霍尔式角度传感器(57)摘要
本发明提供了一种基于径向充磁的霍尔式角度传感器，包括框体，旋转轴竖直伸入框体；设旋转轴伸入框体内的一端为底端，底端固定设有磁体；框体内与磁体对应的位置设置有至少2个霍尔元件，且霍尔元件位于同一平面上；底端的中心点向平面引垂线，设其交点为原点；所有的霍尔元件与原点不同时存在于同一条直线上；旋转轴旋转时，霍尔元件检测磁场改变，主控单元根据检测到的磁场变化计算相应的旋转角度。通过此种设计，实现通过简易的霍尔元件检测旋转轴转动的角度，降低了相应传感器的成本。
CN 106197254 ACN 106197254 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于径向充磁的霍尔式角度传感器，包括框体，其特征在于，旋转轴竖直伸入所述框体；设所述旋转轴伸入所述框体内的一端为底端，所述底端固定设有磁体；
所述框体内与所述磁体对应的位置设置有至少2个霍尔元件，且所述霍尔元件位于同一平面上；
所述底端的中心点向所述平面引垂线，设其交点为原点；
所有的所述霍尔元件与所述原点不同时存在于同一条直线上；所述旋转轴旋转时，所述霍尔元件检测磁场改变，主控单元根据检测到的磁场变化计算相应的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的基于径向充磁的霍尔式角度传感器，其特征在于，所述框体内设置4个霍尔元件。
3.根据权利要求2所述的基于径向充磁的霍尔式角度传感器，其特征在于，所述霍尔元件分别位于所述原点的前、后、左、右方。
4.根据权利要求3所述的基于径向充磁的霍尔式角度传感器，其特征在于，所述霍尔元件到所述原点的距离相等。
5.根据权利要求1所述的基于径向充磁的霍尔式角度传感器，其特征在于，所述旋转轴的轴心与所述平面相垂直。
6.根据权利要求5所述的基于径向充磁的霍尔式角度传感器，其特征在于，所述霍尔元件位于所述磁体的正下方。
7.根据权利要求1所述的基于径向充磁的霍尔式角度传感器，其特征在于，所述磁体设于所述旋转轴的径向上。
8.根据权利要求1所述的基于径向充磁的霍尔式角度传感器，其特征在于，所述霍尔元件设置于主控板上。
9.根据权利要求1所述的基于径向充磁的霍尔式角度传感器，其特征在于，所述框体内设有无线通信组件；
所述无线通信组件与外部主机相连接，将检测结果发送到所述外部主机。10.根据权利要求1所述的基于径向充磁的霍尔式角度传感器，其特征在于，还包括显示单元；
所述显示单元用于显示检测的结果。
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说 明 书
基于径向充磁的霍尔式角度传感器
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技术领域
[0001]本发明属于电机传感器技术领域，特别涉及了一种角度传感器。
背景技术
[0002]目前角度传感器主要有传统的接触式、光电式和磁电式三种形式。[0003]接触式角度传感器主要指应用广泛的电位计式角位移传感器。这种传感器结构简单，操作方便，价格低廉，性能稳定，其原理是通过触头改变电阻实现的。[0004]光电式角度传感器种类繁多，有光栅式、激光式等各类光电器件结合的光电式角度传感器，其中激光式角度传感器测量精度高，工作可靠，成本较低，实用性较强。[0005]磁电式角度传感器测量精度高，成本低，安装方便，便于维护和管理，使用寿命长，是当前角度传感器发展的重要方向。
[0006]传统的接触式角度传感器极易磨损，长时间使用后会产生较大误差，因此其测试性能不高，动态响应差，使用寿命短，需要经常检验其性能，更换频繁，给使用者带来极大不便。
[0007]激光式角度传感器精度高，工作可靠，成本低，实用性较强，但结构复杂，体积较大，用到光学仪器较多，对激光光线要求严格，对检测对象也有特别的要求，因此其应用领域受限。其他光电式角度传感器虽然测量比较准确，但大多对环境要求非常苛刻，抗震性能差，安装要求高，且价格昂贵，因此也不适合广泛地普及使用。[0008]磁电式角度传感器采用集成芯片的角度传感器，但其所采用的芯片价格昂贵，且对外围电路要求严格。
[0009]现有的磁电式角度传感器也称互感器，互感器利用电磁感应原理，即变化的磁场产生电场的原理。将两个线圈绕在同一个铁芯上，二次绕组感应出于一次绕组呈比例关系的电压或电流。因此，也有称互感原理或变压器原理发明内容
[0010]为克服了接触式角度传感器容易磨损，光电式角度传感器对环境等要求高以及磁电式角度传感器成本高、外围电路要求严格的缺陷，本发明提供了一种基于径向充磁的霍尔式角度传感器。[0011]更具体的，本发明提供了一种基于径向充磁的霍尔式角度传感器，包括框体，旋转轴竖直伸入框体；设旋转轴伸入框体内的一端为底端，底端固定设有磁体；[0012]框体内与磁体对应的位置设置有至少2个霍尔元件，且霍尔元件位于同一平面上；[0013]底端的中心点向平面引垂线，设其交点为原点；
[0014]所有的霍尔元件与该原点不能同时存在于同一条直线上；[0015]旋转轴旋转时，霍尔元件检测磁场改变，主控单元根据检测到的磁场变化计算相应的旋转角度。
[0016]在本申请中，旋转轴在旋转的同时，带动底部的磁体一起转动。该磁体的磁场随着
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旋转轴的转动而转动。此时，每一个霍尔元件都能够检测到磁场的变化。根据磁场变化量，主控单元根据预设的程序计算出旋转的角度。该霍尔式角度传感器具有结构简单，安装方便，成本低廉，测量精度高，稳定性好等优点，而且这种角度传感器还可以进一步集成，可大幅度减小空间，节约资源，是一种比较理想的角度传感器。[0017]作为优选的，框体内设置4个霍尔元件。[0018]在本申请中，采用了4个霍尔元件，通过将四个霍尔元件设置在原点的四周，相比采用2个霍尔元件检测的霍尔式角度传感器，具有更高的检测精度。[0019]作为优选的，霍尔元件分别位于原点的前、后、左、右方。[0020]作为优选的，霍尔元件到原点的距离相等。[0021]在本申请中，将霍尔元件分别设置在原点的前后左右四个方向，即相邻两个霍尔元件与原点连接的夹角为90°，并且霍尔元件与原点的距离相等，使得在设计测量角度程序的时候，能够降低相应的程序设计难度。[0022]作为优选的，旋转轴的轴心与平面相垂直。[0023]在本申请中，通过将旋转轴的轴心设置为与平面垂直的，同样也能降低相应的程序设计难度。
[0024]作为优选的，霍尔元件位于磁体的正下方。[0025]在本申请中，通过将霍尔元件设置在磁体的正下方，使得霍尔元件能够检测到更强的磁场，提升检测的精度。[0026]作为优选的，磁体设于旋转轴的径向上。[0027]在本申请中，如果没有将磁体设置在旋转轴的径向上，旋转轴在转动的时候，磁场不会有规律的变化，相应的，也增大了角度变化计算程序的设计的难度。通过将磁体设置与径向上，磁场变化是有规律的，降低了计算程序的设计难度[0028]作为优选的，霍尔元件设置于主控板上。[0029]在本申请中，如果不将霍尔元件直接设置于主控板上，而是通过连接到主控板上，还需要对相应的霍尔元件进行固定，增加了腔体内部的设计难度。通过此种设计，能够降低腔体内部的设计难度。[0030]作为优选的，框体内设有无线通信组件；[0031]无线通信组件与外部主机相连接，将检测结果发送到外部主机。[0032]在本申请中，通过设计一个无线通信组件，外部设备能够通过无线网络与该传感器相连接，并且通过外部终端来看检测到的数据。[0033]作为优选的，还包括显示单元；[0034]显示单元用于显示检测的结果。[0035]在本申请中，该传感器还包括一个用于显示检测结果的显示单元，使得本申请提供的传感器能够直观地显示出相应的检测数据，提升了便利性。附图说明
[0036]图1为本发明第一种实施方式中角度传感器的整体结构图。[0037]图2为一种实施方式中角度传感器的结构剖视图。
[0038]图3为本发明第二种实施方式中霍尔单元分布俯视图。
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图4为本发明第二种实施方式中转动角度计算的程序计算流程图。
具体实施方式
[0040]实施方式一
[0041]本申请的第一种实施方式提供了一种基于径向充磁的霍尔式角度传感器，如图1和图2所示，包括框体1，旋转轴2竖直伸入该框体1；设旋转轴2伸入框体1内的一端为底端，底端固定设有磁体3。该磁体3可以是永磁体3，也可以是通电带磁性的磁体3或者其他磁体3，在本实施方式中不作具体限定。
[0042]在框体1内与磁体3对应的位置设置有2个霍尔元件4，底端的中心点向两个霍尔元件4所在的平面引垂线(由于两个点可以形成无数个平面，只要排除掉两个霍尔元件4与原点不位于同一条直线上的特殊平面，都可以实现本申请中的功能，只是相应的计算程序较为复杂，相对不容易设计)，设该垂线与平面的交点为原点，所有的霍尔元件4与该原点不能同时在同一直线上。在本实施方式中，该霍尔元件4采用的是霍尔传感器，且该霍尔元件4与主控单元相连接。
[0043]在旋转轴2旋转时，霍尔元件4检测到磁场改变，主控单元根据检测到的磁场变化计算相应的旋转角度。[0044]具体的，一个信号采集模块将采集霍尔元件4输出的电压信号，此信号经A/D转换后将数据送至主控单元；主控单元利用嵌入式系统对A/D转换的数据进行处理，最后将得到的角度值。
[0045]在本实施方式中，旋转轴2在旋转的同时，带动底部的磁体3一起转动。该磁体3的磁场随着旋转轴2的转动而转动。此时，每一个霍尔元件4都能够检测到磁场的变化。根据磁场变化量，主控单元根据预设的程序计算出旋转的角度。该霍尔式角度传感器具有结构简单，安装方便，成本低廉，测量精度高，稳定性好等优点，而且这种角度传感器还可以进一步集成，可大幅度减小空间，节约资源，是一种比较理想的角度传感器。[0046]实施方式二
[0047]本申请的第二种实施方式提供了一种基于径向充磁的霍尔式角度传感器，第二种实施方式是第一种实施方式的改进，其改进之处在于，框体1内设置4个霍尔元件4，且四个霍尔元件4位于同一平面中。[0048]在本实施方式中，采用了4个霍尔元件4，通过将4个霍尔元件4设置在原点的四周，相比采用2个霍尔元件4检测的霍尔式角度传感器，具有更高的检测精度。同时，如果将霍尔元件4分别设于原点的前、后、左、右方，即相邻两个霍尔元件4与原点连接的夹角为90°，如图3所示，并且霍尔元件4与原点的距离相等，使得在设计测量角度程序的时候，能够降低相应的程序设计难度。[0049]具体的，在本实施方式中，当旋转轴2旋转时，霍尔元件4拾取径向磁铁相对位置的变化，经电路处理，由接线插头输出相应电压Us、Uc。[0050]调用C语言自带的反正弦函数以求得角度θ。由于正弦函数是多值函数，计算时需确定所在象限，实际应用时可通过Us、Uc的正负来确定θ所在象限，确定了具体象限后就可根据所在象限将多值函数变为单值函数。计算过程如下：令α＝arcsinUc，此处us＝Us/2K，如果Us＞0且Uc＞0，则所求角度θ在第一象限，即θ＝α；如果Us＞0且Uc＜0，则所求角度θ在
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第二象限，即θ＝180°－α；如果Us＜0且Uc＜0，则所求角度θ在第三象限，即θ＝180°－α；如果Us＜0且Uc＞0，则所求角度θ在第四象限，即θ＝360°+α。计算流程图如图4所示。[0051]实施方式三
[0052]本发明的第三种实施方式提供了一种基于径向充磁的霍尔式角度传感器，第三种实施方式是第二种实施方式的改进，其改进之处在于，旋转轴2的轴心与平面相垂直，且磁体3设于旋转轴2的径向上。[0053]在本实施方式中，通过将旋转轴2的轴心设置为与平面垂直的，并且将磁体3设于旋转轴2的径向上，使的该旋转轴2在转动时，磁体3的磁场变化是有规律的，降低了计算程序的设计难度。[0054]实施方式四
[0055]本发明的第四种实施方式提供了一种基于径向充磁的霍尔式角度传感器，第四种实施方式是第三种实施方式的改进，其改进之处在于，霍尔元件4位于磁体3的正下方。[0056]在本实施方式中，通过将霍尔元件4设置在磁体3的正下方，使得霍尔元件4能够检测到更强的磁场，提升检测的精度。[0057]实施方式五
[0058]本发明的第五种实施方式提供了一种基于径向充磁的霍尔式角度传感器，第五种实施方式是第四种实施方式的改进，其改进之处在于，霍尔元件4设置于主控板5上。[0059]如果不将霍尔元件4直接设置于主控板5上，而是通过导线或者其他连接线连接到主控板5上，还需要额外对相应的霍尔元件4进行固定，才能使霍尔元件4位于同一平面上，增加了腔体内部的设计难度。在本实施方式中的这种设计方式，能够降低腔体内部的设计难度。
[0060]同时，该主控板5上还延伸出与外部设备相连接的检测接线6。[0061]实施方式六
[0062]本发明的第六种实施方式提供了一种基于径向充磁的霍尔式角度传感器，第六种实施方式是第五种实施方式的改进，其改进之处在于，在框体1内设有无线通信组件；无线通信组件与外部主机相连接，将检测结果发送到外部主机。[0063]在本实施方式中，通过设计一个无线通信组件，外部设备能够通过无线网络与该传感器相连接，并且通过外部终端来看检测到的数据。[00]实施方式七
[0065]本发明的第七种实施方式提供了一种基于径向充磁的霍尔式角度传感器，第七种实施方式是第六种实施方式的改进，其改进之处在于，还包括显示单元；[0066]显示单元用于显示检测的结果。[0067]在本实施方式中，该传感器还包括一个用于显示检测结果的显示单元，使得本申请提供的传感器能够直观地显示出相应的检测数据，提升了便利性。该显示单元可以包括但不限于1602LCD(液晶显示器)显示屏。
[0068]上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，本领域的普通技术人员可以理解，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变和组合，而不偏离本发明的精神和范围。
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