位移传感器及位移传感器测量位移的方法

摘要

本发明提供一种位移传感器和位移传感器测量位移的方法，其位移传感器包括磁阻开关阵列模块、并行/串行模块、微处理器、数模转换器、运算放大器、位移磁体，磁阻开关阵列模块包括按照预设间隔成直线分布的磁阻开关，各磁阻开关依次连接并行/串行模块的并行接口，并行/串行模块的串行接口与微处理器连接，微处理器还依次连接数模转换器、运算放大器；微处理器通过并行/串行模块获取磁阻开关阵列模块中的各个磁阻开关的状态信息，根据各个磁阻开关的状态信息判断得到位移磁体的相对位置信息，并经数模转换器数模转换以及运算放大器放大，调整。本发明可大大缩减产品制造成本、生产工艺简单，有效改善产品成品率，提高生产效率。

说明书

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，特别是涉及一种位移传感器及一种位移传感 器测量位移的方法。

背景技术

目前，我国煤炭、化工、石油、冶金等领域设备多采用位移传感器或行程 传感器以实现设备自动化控制，提高生产效率。然而当前市场中传统的位移传 感器多采用干簧管电阻分压式，通过触发不同干簧管得到相对应输出电压或电 流来判断位置。干簧管在震动剧烈环境中易碎，开关易抖动，长期使用易吸合， 从而导致整根传感器报废，不易发挥系统的最优性能，且易引发事故。出于某 些工业领域的安全及节能要求，对功耗要求极为严格。采用干簧管实现的行程 传感器输出不可调节，精度相对较差，这些都是由于干簧管自身的体积较大， 安装密度不能很高，因此位移传感器的分辨率也相对较差。

基于霍尔效应实现的位移传感器，功耗大，价格成本高，性价比差，不适 于规模生产制造。采用磁致伸缩技术设计的位移传感器虽然精度很高，但生产 工艺复杂，制造成本相对较高，价格昂贵。

出于成本、体积、性能、功耗及生产工艺等多方面考虑，在位移传感器结 构不易改进的前提下，一般励磁机构在外，检测模块在内，新方法和原理不易 应用，从而增加了产品设计难度。

发明内容

本发明的目的针对上述现有技术的缺点和不足，提供一种位移传感器及位 移传感器测量位移的方法，其位移传感器制造成本低、工艺简单，性能稳定、 功耗低，其测量方法设计简单、构思巧妙。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种位移传感器，包括磁阻开关阵列模块、并行/串行模块、微处理器、数 模转换器、运算放大器、位移磁体，所述磁阻开关阵列模块包括按照预设间隔 成直线分布的磁阻开关，所述位移磁体的移动方向和所述磁阻开关的分布方向 相匹配，各磁阻开关依次连接所述并行/串行模块的并行接口，所述并行/串行模 块的串行接口与所述微处理器连接，所述微处理器还依次连接所述数模转换器、 所述运算放大器；所述微处理器通过并行/串行模块获取磁阻开关阵列模块中的 各个磁阻开关的状态信息，根据各个磁阻开关的状态信息判断得到位移磁体的 相对位置信息，并通过控制数模转换器输出模拟信号，所述运算放大器将所述 模拟信号进行放大，并调整至电平信号的预设范围。

依据上述本发明的方案，本发明的位移传感器是基于磁阻开关阵列的，磁 阻开关阵列在受位移磁体的磁场作用时会改变状态，微处理器通过并行/串行模 块获取各磁阻开关的状态信息，而后根据各磁阻开关的状态信息判断磁体的相 对位移，并将位移转换为数值，经过数模转换器转换为模拟信号，最后送至运 算放大电路调整至对应电压信号并输出，实现位移与电压一一对应关系，本发 明可大大缩减产品制造成本、生产工艺简单，有效改善产品成品率，提高生产 效率。

一种位移传感器测量位移的方法，所述位移传感器包括磁阻开关阵列模块、 并行/串行模块、微处理器、数模转换器、运算放大器、位移磁体，所述磁阻开 关阵列模块包括按照预设间隔成直线分布的磁阻开关，所述位移磁体的移动方 向和所述磁阻开关的分布方向相匹配，各磁阻开关依次连接所述并行/串行模块 的并行接口，所述并行/串行模块的串行接口与所述微处理器连接，所述微处理 器还依次连接所述数模转换器、所述运算放大器；

所述位移传感器测量位移的方法包括如下步骤：

所述微处理器向所述并行/串行模块发送第一控制信号；

所述并行/串行模块接收到第一控制信号后，将各磁阻开关的当前的状态信 息载入并锁存在并行/串行模块中；

所述微处理器读取锁存在并行/串行模块中的各磁阻开关的状态信息，并将 读取到的信息存储在微处理器；

所述微处理器根据所述磁阻开关的状态信息计算位移磁体的位置信息。

依据上述本发明的方案，磁阻开关阵列在受位移磁体的磁场作用时会改变 状态，所述微处理器通过并行/串行模块获取各磁阻开关的当前状态信息，并根 据各磁阻开关的当前状态信息计算位移磁体的位置信息，本发明的位移传感器 测量位移的方法设计简单，构思巧妙。

附图说明

图1为本发明实施例的位移传感器的结构框图；

图2为图1中的磁阻开关阵列模块的结构框图；

图3为位移磁体引起磁阻开关阵列状态变化示意图；

图4为一实施例的磁阻开关阵列模块、并行/串行模块、微处理器的结构及 连接示意图；

图5为本发明实施例的位移传感器测量位移的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明进行详细阐述，但本发明的实施方式不限 于此。

实施例1

参见图1所示，是本发明实施例的位移传感器的结构框图。如图1所示， 本实施例的位移传感器包括：磁阻开关阵列模块1、并行/串行模块2、微处理器 3、数模转换器4、运算放大器5、位移磁体6，如图2所示，磁阻开关阵列模块 1包括按照预设间隔成直线分布的磁阻开关100，位移磁体6的移动方向和磁阻 开关100的分布方向和相匹配，如位移磁阻开关100的是按照从左到右的直线 分布的，则相应的方向位移磁体6的移动方向也相应的设置成左右移动，各磁 阻开关100分别依次连接并行/串行模块2的并行接口，并行/串行模块2的串行 接口与微处理器3连接，微处理器3还依次连接数模转换器4、运算放大器5； 微处理器3通过并行/串行模块2获取磁阻开关阵列模块1中的各个磁阻开关100 的状态信息，根据各个磁阻开关100的状态信息判断得到位移磁体6的相对位 置信息，并通过控制数模转换器4输出模拟信号，运算放大器5将模拟信号进 行放大，并调整至电平信号的预设范围。

其中，预设间隔是根据实际情况设定的，且一般是相邻的两个磁阻开关之 间的距离是固定的，以便于计算位移磁体6的位置；磁阻开关阵列模块1中磁 阻开关100的个数一般为多个，但也可以为一个，且在连接并行/串行模块2的 并行接口时，是分别依次连接的，如第一个磁阻开关100连接第一个并行接口， 第二个磁阻开关连接第二个并行接口，第三个磁阻开关连接第三个并行接口， 以此类推。位移磁体6一般是安装在待测体上的，当待测体运动时，位移磁体6 也相应的运动，则位移磁体6的位置也可以相应的反应了待测体的位移，位移 磁体6在运动时，参见图3所示，位移磁体6周围的磁场变化会导致磁阻开关 阵列模块1中的磁阻开关100状态发生变化，进而根据磁阻开关的状态信息得 出位移磁体6的位置信息(如位移等)，位移磁体6的形状、大小等无特殊要求， 只要保证其满足一定的磁力要求，使得其在移动过程中，可以引起磁阻开关100 状态发生变化，位移传感器中的关键器件可以采用COMS工艺，实现产品整体 低功耗特性。

依据上述本发明的方案，本发明的位移传感器是基于磁阻开关100阵列的， 测磁阻开关100在受外部的磁体磁场作用时会改变磁阻开关100的状态，微处 理器3通过并行/串行模块2获取各磁阻开关100的状态信息，而后根据得到的 磁阻开关100的状态信息判断位移磁体6相对位移，并将位移转换为数值，经 过数模转换器4转换为模拟信号，最后送至运算放大器5调整至对应电压信号 并输出，实现位移与电压一一对应关系，本发明可大大缩减产品制造成本、生 产工艺简单，有效改善产品成品率，提高生产效率。

由于，一般并行/串行转化电路的并行接口有限，如一般是八个，但为了更 加精确的表示出位移磁体6的位移信息，磁阻开关阵列模块1中的磁阻开关100 应该尽可能的密集分布，即相邻两个磁阻开关100之间的距离应该尽可能的小， 则相应的磁阻开关100的数目也会相应的增加，而一个磁阻开关100对应的需 要有一个并行接口，所以往往需要更多的并行接口，因此，在其中一个实施例 中，在上述实施例的基础上，并行/串行模块2可以包括至少一个并行/串行单元 20，若包括一个并行/串行单元20，该并行/串行单元20与微处理器3串联连接， 若包括两个以上并行/串行单元20，则并行/串行单元20之间串行连接，最后一 个并行/串行单元20的串行接口再串行连接微处理器3，如共包括m个并行/串 行单元20，则这m个并行/串行单元20相邻的两个之间串行连接，即第一个并 行/串行单元20串行连接第二个并行/串行单元20，第二个并行串行单元串行20 连接第三个并行/串行单元20......倒数第二个并行/串行单元20串行连接最后一 个并行/串行单元20，最后一个并行/串行单元20的串行接口再串行连接微处理 器3。

为了便于管理各个磁阻开关100，在其中一个实施例中，如图4所示，磁阻 开关阵列模块包括至少一个磁阻开关单元10，每个磁阻开关单元10包括至少一 个磁阻开关100，各个磁阻开关100依次和并行/串行单元的一个并行接口连接， 图4中示出的是每个磁阻开关单元10中包括八个磁阻开关100的情况，即跟一 般的并行/串行单元20的并行接口的数量相一致，但本发明实际实施方式不限于 此。

此外，为了表示各磁阻开关100的状态信息，也是为了能反应各磁阻开关 100的状态，在其中一个实施例中，因一般磁阻开关常态下为开状态，其表现为 输出高电平，受外部磁场作用时输出低电平，即受到位移磁体6的磁场影响时 变为关状态，则相应的输出低电平，根据是高电平还是低电平，就可以判断磁 阻开关100的状态，此外，数字处理器处理的是数字信号，则可以将输出高电 平时以二进制的“1”表示，输出低电平时以二进制的“0”表示，也可以将输 出高电平时以二进制的“0”表示，输出低电平时以二进制的“1”。

实施例2

根据实施例1中提及的位移传感器，本实施例给出了应用此位移传感器测 量位移的方法，其中，如图1所示，位移传感器包括：磁阻开关阵列模块1、并 行/串行模块2、微处理器3、数模转换器4、运算放大器5、位移磁体6，如图2 所示，磁阻开关阵列模块1包括按照预设间隔成直线分布的磁阻开关100，位移 磁体6的移动方向和磁阻开关100的分布方向和相匹配，如位移磁阻开关100 的是按照从左到右的直线分布的，则相应的方向位移磁体6的移动方向也相应 的设置成左右移动，各磁阻开关100分别依次连接并行/串行模块2的并行接口， 并行/串行模块2的串行接口与微处理器3连接，微处理器3还依次连接数模转 换器4、运算放大器5；其中，预设间隔是根据实际情况设定的，且一般是相邻 的两个磁阻开关之间的距离是固定的，以便于计算位移磁体6的位置；磁阻开 关阵列模块1中磁阻开关100的个数一般为多个，但也可以为一个，且在连接 并行/串行模块2的并行接口时，是分别依次连接的，如第一个磁阻开关100连 接第一个并行接口，第二个磁阻开关连接第二个并行接口，第三个磁阻开关连 接第三个并行接口，以此类推。位移磁体6一般是安装在待测体上的，当待测 体运动时，位移磁体6也相应的运动，则位移磁体6的位置也可以相应的反应 了待测体的位移，位移磁体6在运动时，参见图3所示，位移磁体6周围的磁 场变化会导致磁阻开关阵列模块1中的磁阻开关100状态发生变化，进而根据 磁阻开关的状态信息得出位移磁体6的位置信息(如位移等)，位移磁体6的形 状、大小等无特殊要求，只要保证其满足一定的磁力要求，使得其在移动过程 中，可以引起磁阻开关100状态发生变化，位移传感器中的关键器件可以采用 COMS工艺，实现产品整体低功耗特性；

参见图5所示，应用该位移传感器测量位移的方法包括如下步骤：

步骤S501：微处理器3向并行/串行模块2发送第一控制信号，进入步骤 S502；

步骤S502：并行/串行模块2接收到第一控制信号后，将各磁阻开关100的 当前的状态信息载入并锁存在并行/串行模块2中，即并行/串行模块2记录了其 接收到第一控制信号时各磁阻开关100的状态信息，进入步骤S503，其中，只 有并行/串行模块2再次接收到下一个第一控制信号时，才重新将各磁阻开关100 的状态信息载入并锁存在并行/串行模块2中；

步骤S503：微处理器3读取锁存在并行/串行模块2中的各磁阻开关的状态 信息，并将读取到的信息存储在微处理器3，进入步骤S504，微处理器3在读 取锁存并行/串行模块2中的各磁阻开关的状态信息前，一般要向并行/串行模块 2发送第二控制信号，并行/串行模块2在接收到第二控制信号时，微处理器3 才开始读取；

步骤S504：微处理器3根据各磁阻开关100的状态信息计算位移磁体6的 位置信息，这里包括统计表现为某一状态的磁阻开关100的个数，以及相应的 磁阻开关100的位置等等。

依据上述本发明的方案，并行/串行模块2在接收到第一控制信号后，将各 磁阻开关100的当前的状态信息载入并锁存在并行/串行模块2中，微处理器3 读取锁存在并行/串行模块2中的各磁阻开关100的状态信息，并将读取到的信 息存储在微处理器，并根据各磁阻开关100的状态信息计算位移磁体6的位置 信息；如果再需要得到下一时刻的位移磁体6的位置信息只需要重复执行各步 骤即可，因此可以实时的获得位移磁体6的位置信息，该方法构思巧妙，易于 实现。

在其中一个实施例中，给出了磁阻开关100的状态输出的两种方式，因为 一般磁阻开关100一般在常态下为开状态，其表现为输出高电平，受外部磁场 作用时输出低电平，即受到位移磁体6的磁场影响时变为关状态，则相应的输 出低电平，根据输出的是高电平还是低电平，就可以判断磁阻开关100的状态， 此外，数字处理器处理的是数字信号，则可以将输出高电平时以二进制的“1” 表示，输出低电平时以二进制的“0”表示，也可以将输出高电平时以二进制的 “0”表示，输出低电平时以二进制的“1”。

在其中一个实施例中，给出了一种：微处理器3读取锁存在并行/串行模块 2中的各磁阻开关100的状态信息，并将读取到的信息存储在微处理器3的方法， 可以包括如下步骤：

第一步：微处理器3每次读入并行/串行模块2中最后一位的锁存信息并存 储在微处理器3，并从倒数第二位开始依次将每一位的锁存信息向后移动一位并 锁存，进入第二步，即倒数第二位锁存信息会覆盖倒数第一位的锁存信息，倒 数第三位锁存信息会覆盖倒数第二位的锁存信息，倒数第四位锁存信息会覆盖 倒数第三位的锁存信息......，以此类推；这样微处理器3每次读取的都是最后 一位的锁存信息，且每读取一次，锁存信息也相应的减少一位；

第二步：循环执行第一步，直至并行/串行模块2中所有的锁存信息都被读 入并存储在微处理器3中。

在另一个实施例中，和上一个实施不同之处在于，本实施例是具体针对位 移传感器的并行/串行模块2和磁阻开关阵列模块采用的结构为：并行/串行模块 2可以包括至少一个并行/串行单元20，若包括一个并行/串行单元20，该并行/ 串行单元20与微处理器3串联连接，若包括两个以上并行/串行单元20，则并 行/串行单元20之间串行连接，最后一个并行/串行单元20的串行接口再串行连 接微处理器3，所述磁阻开关阵列模块1包括至少一个磁阻开关单元10，每个 磁阻开关单元10包括至少一个磁阻开关100，各个磁阻开100关依次分别和并 行/串行单元的一个并行接口连接，以图4所示结构为例，并行/串行模块2包括 m个并行/串行单元20，每个并行/串行单元20包括有n个并行接口，相应的每 个磁阻开关阵列单元10包括n个磁阻开关100，其中，m和n均为大于等于1 的整数，位移传感器的并行/串行模块2包括两个以上并行/串行单元20，则并行 /串行单元20之间串行连接，第一个磁阻开关阵列单元10中的n个磁阻开关100 依次为MR_11、MR_12、......、MR_1n，第二个磁阻开关阵列单元10中的n 个磁阻开关100依次为MR_21、MR_22、......、MR_2n，......，第m个磁阻开 关阵列单元10中的n个磁阻开关100依次为MR_m1、MR_m2、.....、MR_mn， 针对本实施例中这种类似结构的位移传感器，其微处理器3读取锁存在并行/串 行模块2中的各磁阻开关的状态信息，并将读取到的信息存储在微处理器3具 体可以包括如下步骤：

第一步：所述微处理器3每次读入与微处理器3连接距离最近的并行/串行 单元20中高位锁存信息并存储在微处理器3，并从与微处理器3连接距离最近 的并行/串行单20中高位的前一位开始依次将每一位的锁存信息向高位移动一 位，其中，与微处理器3连接距离最近的并行/串行单元20即为图4中并行/串 行单元m，高位锁存信息即对应的并行/串行单元m的第n位的锁存信息，并行 /串行单20中高位的前一位即并行/串行单元m的第n-1位，从与微处理器3连 接距离最近的并行/串行单20中高位的前一位开始依次将每一位的锁存信息向 高位移动一位是指：即MR_mn-1位锁存信息会覆盖MR_mn位的锁存信息， MR_mn-2锁存信息会覆盖MR_mn-1位的锁存信息，MR_mn-3位锁存信息会覆 盖MR_mn-2位的锁存信息......，以此类推；这样微处理器3每次读取的都是最 后一位的锁存信息，且每读取一次，锁存信息也相应的减少一位；

第二步：循环执行第一步，直至并行/串行单元20中所有的锁存信息都被读 入并存储在微处理器3中。

在其中一个实施例中，给出了一种具体计算位移磁体6的位置信息的方法， 即给出了一种步骤S404的具体实现方式，具体可以包括如下步骤：

将第一个磁阻开关对应位置设置为零点位移，且从第一个磁阻开关向最后 一个磁阻开关依次编辑位置号，如磁阻开关的位置号依次为1、2、3......或者磁 阻开关的位置号依次为0、1、2、3......等等，将第一个磁阻开关的位置号记为 Z，此步骤一般在位移传感器生产过程中或者使用前预先设置的；

微处理器3从存储的第一个磁阻的状态信息向最后一个磁阻开关的状态信 息进行遍历，记录出现第一磁阻开关状态为关的信息，将出现第一个开关状态 为关的磁阻开关对应的位置号记为X，继续遍历存储的余下磁阻开关的状态信 息，并累计出现状态为关的磁阻开关的个数Y；

判断Y是否为偶数：

若是，则磁体相对位移为：S＝[(X-Z)+Y/2)]×L，若Z＝0，则磁体相对 位移为：S＝(X+Y/2)×L；

若否，则磁体相对位移为：S＝[(X-Z)+(Y+1)/2]×L，若Z＝0，则磁体 相对位移为：S＝[X+(Y+1)/2]×L；

其中，L为两个相邻磁阻开关之间的距离，如图2(或者图3)中标记所示。

此外，微处理器3得到了位移磁体6的位置信息，即相对位移，还需要以 一定的形式输出，以便操作人员检测与监控等，在其中一个实施例中，本发明 的位移传感器测量位移的方法，还可以包括如下步骤：

微处理器3将相对位移转化为对应数值，并把此数值送至数模转换器4，从 而实现位置与电信号的转换，后经过数模转换器4后级的运算放大器5，调整输 出电信号大小，其中运算放大器5在起到调整输出电信号大小的作用的同时， 还可以起到一定的隔离作用。

本发明的优点及有益效果如下：

(1)与同等性能产品相比，可大大缩减产品制造成本；

(2)生产工艺简单，有效改善产品成品率，提高生产效率；

(3)抗冲击效果佳，可承受大于500m/s2的冲击要求，延长使用寿命；

(4)关键器件采用COMS工艺，实现产品整体低功耗特性，以位移小于 500mm，分辨率不小于3mm为例，整体功耗电流小于4mA；

(5)输出信号可调。可以根据需求通过微处理或后级电路模块调整传感器 输出信号；

(6)采用小型贴片封装形式的磁阻开关，可有效改善产品分辨率，提高测 量精度；

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但 并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改 进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权 利要求为准。