磁敏无触点电位器

摘要

本发明公开了一种磁敏无触点电位器，由电位信号产生电路板、永磁体、电位器转轴、电位器基座、电位器封盖、半开口弹性金属卡环、转轴旋转定位槽、电路板固定螺钉、磁铁固定螺钉等组成。其有益效果在于：本发明电位器的调节是转动其转轴及与转轴同步的永磁体，永磁体的转动经电位信号产生电路板上的磁敏元件非接触检测并转换为与电位器轴转动角位移成正比的电压信号输出，电位信号产生电路安装在螺纹连接的电位器基座与电位器封盖形成的圆柱形密封金属壳体内；本发明电位器应用非接触磁敏技术实现与转轴角位移成正比的电压信号输出，输出无触点噪声、寿命长，且可有效抑制工作环境下的电磁干扰。

说明书

技术领域

本发明属于电位器，尤其是一种磁敏无触点电位器。

背景技术

电位器是一种可调的电子元件。传统电位器由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成，当电阻体的两个固定触点之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。电位器一般用来调节电压（含直流电压与信号电压）和电流的大小，广泛用于电子设备中，如在音响和接收机中作音量控制用、激光头的功率大小调节等。用于分压的可变电阻器，在裸露的电阻体上，紧压着一至两个可移金属触点，触点位置确定电阻体任一端与触点间的阻值；按材料分线绕、碳膜、实芯式电位器；按输出与输入电压比与旋转角度的关系分直线式电位器（呈线性关系）、函数电位器（呈曲线关系）。

传统电位器在应用中存在两个难以克服的问题：（1）滑动噪声。滑动噪声是电位器特有的噪声，在改变电阻值时，由于电位器电阻分配不当、转动系统配合不当以及电位器存在接触电阻等原因，会使动触点在电阻体表面移动时，输出端除有有用信号外，还伴有随着信号起伏不定的噪声。对于线绕电位器来说，除了上述的动触点与绕组之间的接触噪声外，还有分辨力噪声和短接噪声。分辨力噪声是由电阻变化的阶梯性所引起的，而短接噪声则是当动触点在绕组上移动而短接相邻线匝时产生的，它与流过绕组的电流、线匝的电阻以及动触点与绕组间的接触电阻成正比。（2）机械寿命。电位器的机械寿命也称磨损寿命，常用机械耐久性表示。机械耐久性是指电位器在规定的试验条件下，动触点可靠运动的总次数，常用 "周"表示。机械寿命与电位器的种类、结构、材料及制作工艺有关，差异相当大。

传统电位器在使用中由于触点的原因常产生噪声信号，而且寿命不长；因此，使用磁敏元件开发一种无触点电位器以克服上述缺点是非常必要的。电位器的转动或滑动实质是角位移或线位移的变化，测量线位移时，选用霍尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管和磁敏电阻元件均可以。在角位移测量时，除了以上磁敏元件外，还可以选择强磁体磁阻元件，因为其输出特性比较特殊，当磁场达到一定幅值后，输出只与被测磁场和磁敏电阻的表面所成的角度相关，利用该特点来测量角位移具有其特殊的优点。所以本专利选用磁敏元件作为敏感材料来达到需要的效果。

发明内容

针对目前电位器存在的不足，本发明公布了一种磁敏无触点电位器。

本发明采用的技术方案是：一种磁敏无触点电位器，包括电位信号产生电路板1、永磁体2、电位器转轴3、电位器基座4、电位器封盖5、半开口弹性金属卡环6、转轴旋转定位槽7、电路板固定螺钉8、磁铁固定螺钉9；其特征是：所述电位器由经电路板固定螺钉8固定于电位器基座4上的电位信号产生电路板1非接触检测经磁铁固定螺钉9固定于电位器转轴3大端的永磁体2的旋转角位移并转换为与角位移成正比的电压输出，电位器转轴3与电位器基座4过盈装配并由半开口弹性金属卡环6径向锁紧、其转动角度范围可由转轴旋转定位槽7的形状调节，电位信号产生电路板1安装在螺纹连接的电位器基座4与电位器封盖5形成的圆柱形密封金属壳体内；所述电位器输出无触点噪声、寿命长，且可有效抑制工作环境下的电磁干扰。

在本发明中，电位信号产生电路板1由磁敏元件HX1、HX2、HY1、HY2，电阻R1~R13，电容C1~C6，双运放IC1，具有ADC和PWM功能的单片机IC2，仿真编程连接件JK1和输出连接件JK2组成；磁敏元件HX1、HX2分别安装在X方向的左、右，磁敏元件HY1、HY2分别安装在Y方向的上、下，且其磁敏感点均匀分布在直径为D1的参考圆周上用于对永磁体2在电路板表面分布的磁场垂直向量进行检测；运放IC1B、电阻R1~R4和运放IC1A、电阻R5~R8组成的放大电路分别用于对X、Y方向的正交相关分量进行差分放大，放大信号V_X1-X2、V_Y1-Y2经电容C3、电阻R9和电容C4、电阻R10组成的一阶低通滤波后分别送单片机IC2的两个ADC输入端；单片机IC2对输入信号进行采样、处理后计算得角度偏移：θ≈arctan(V_Y1-Y2/>X1-X2)，再将角度偏移θ转换为PWM波形输出至电容C5~C6、电阻R12~>

在本发明中，永磁体2是一个径向磁化的（俯视：左侧-右侧）双极圆形磁铁，直径为D、厚度为H，磁性材料优选稀土AlNiCo/SmCo5 或NdFeB；厚度H≥2.5mm，磁敏感点分布参考圆直径D1≤直径D≤磁铁最大可旋转参考圆直径D2；圆形磁铁的中心轴线要对准磁敏感点分布参考圆的圆心安装。

在本发明中，电位器转轴3由一根整轴经机加工成一端大另一端小的圆柱体，再在该圆柱体的大端加工出磁铁固定螺孔5-1和转轴旋转定位销5-2、小端加工出径向固定卡口5-3和调节旋钮定位销5-4，通过转轴旋转定位销5-2与转轴旋转定位槽7的配合以实现不同旋转幅度的电位器。

本发明的有益效果是：本发明电位器的调节是转动其转轴及与转轴同步的永磁体，永磁体的转动经电位信号产生电路板上的磁敏元件非接触检测并转换为与电位器轴转动角位移成正比的电压信号输出，电位信号产生电路安装在螺纹连接的电位器基座与电位器封盖形成的圆柱形密封金属壳体内；本发明电位器应用非接触磁敏技术实现与转轴角位移成正比的电压信号输出，输出无触点噪声、寿命长，且可有效抑制工作环境下的电磁干扰。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中：1.电位信号产生电路板，2.永磁铁，3.电位器转轴，4.电位器基座，5.电位器封盖，6.半开口弹性金属卡环，7. 转轴旋转定位槽，8.电路板固定螺钉，9.磁铁固定螺钉。

图2是本发明实施例的电位信号产生电路原理图。

图3是本发明实施例的电路板结构及磁敏元件安装位置图。

图4是本发明实施例的永磁体外形图。

图5是本发明实施例的电位器转轴结构示意图；

图中：5-1.磁铁固定螺孔，5-2.转轴旋转定位销，5-3.径向固定卡口，5-4.调节旋钮定位销。

图6是本发明实施例的输出波形图。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

参见附图，图1是本发明的结构示意图。一种磁敏无触点电位器，包括电位信号产生电路板1、永磁体2、电位器转轴3、电位器基座4、电位器封盖5、半开口弹性金属卡环6、转轴旋转定位槽7、电路板固定螺钉8、磁铁固定螺钉9。装配时，首先将永磁体2通过磁铁固定螺钉9固定于电位器转轴3的大端上，然后再把电位器转轴3以过盈装配方式穿过电位器基座4上的中心孔并由半开口弹性金属卡环6与电位器转轴3上的小端径向固定卡口5-3径向锁紧，该中心孔靠电位器转轴3大端侧设置有转轴旋转定位槽7，通过与电位器转轴3上的转轴旋转定位销5-2配合可实现不同旋转幅度的调节，以满足不同转动角度范围电位器的应用要求；装配电位器转轴3时应在中心孔内添加润滑剂以减少转轴与电位器基座之间的滑动摩擦。以上将电位器轴的转动转换为永磁体2的转动，而永磁体2转动所引起的磁场变化可由磁敏元件非接触地转换为电信号；基于这一检测原理，电位器轴转动的角位移信息经由电路板固定螺钉8固定于电位器基座4内的电位信号产生电路板1检测并转换为与电位器轴转动角位移成正比例的电压信号通过电路板的连接件JK2输出；电位信号产生电路板1安装在螺纹连接的电位器基座4与电位器封盖5形成的圆柱形密封金属壳体内。本发明电位器应用非接触磁敏技术实现与转轴角位移成正比的电压信号输出，输出无触点噪声、寿命长，且可有效抑制工作环境下的电磁干扰。

附图4是本发明实施例的永磁体外形图。本发明传感器的永磁体2是一个径向磁化的（俯视：左侧-右侧）双极圆形磁铁，直径为D、厚度为H，磁性材料优选稀土AlNiCo/SmCo5 或NdFeB；厚度H≥2.5mm，磁敏感点分布参考圆直径D1≤直径D≤磁铁最大可旋转参考圆直径D2；圆形磁铁的中心轴线要对准磁敏感点分布参考圆的圆心安装。本发明实施例中，D1＝8mm、D2＝14mm，则永久磁铁的直径：8mm≤D≤14mm；磁敏元件感应的是永磁体2的磁场垂直向量，磁铁表面与各磁敏元件表面之间的间距应根据磁敏元件的线性敏感度、永磁体2的磁场强度等参数来选取，建议采用间距在0.3mm 至3.0mm之间；若所要求的磁场强度能够保持在磁敏元件的线性敏感范围以内，尽可能采用更大的间距以减少制造误差、安装误差、使用误差等因素带来的影响。

附图2是本发明实施例的电位信号产生电路原理图，附图3是本发明实施例的电路板结构及磁敏元件安装位置图。本发明传感器的电位信号产生电路板1由磁敏元件HX1、HX2、HY1、HY2，电阻R1~R13，电容C1~C6，双运放IC1，具有ADC和PWM功能的单片机IC2，仿真编程连接件JK1和输出连接件JK2组成。磁敏元件HX1、HX2分别安装在磁敏感点分布参考圆X方向的左、右，用于检测永磁体2的磁场垂直向量在X方向的分量；磁敏元件HY1、HY2分别安装在磁敏感点分布参考圆Y方向的上、下，用于检测永磁体2的磁场垂直向量在Y方向的分量；HX1、HX2、HY1、HY2的四个磁敏感点均匀分布在直径为D1的参考圆周上，且参考圆的中心在永磁体2的中心轴线上，通过调节电位信号产生电路板1上磁敏元件与永磁体2之间的间距以保证HX1、HX2、HY1、HY2四个磁敏元件能可靠检测永磁体2在电路板表面分布的磁场垂直向量。运放IC1B、电阻R1~R4组成一个减法电路用于对X方向的正交相关分量进行差分放大，电阻R1~R4的取值范围取决于磁敏元件HX1、HX2在最强磁场位置输出电压差的大小和单片机ADC输入电压范围大小，若在最强磁场位置，磁敏元件HX1、HX2的输出V_HX1=3.96V、V_HX2=0.89V，工作电压VCC＝5.0V，ADC>X1-X2=R3/>HX1－V_HX2）=3.991V；电阻R9与电容C3组成一个一阶低通滤波器用于滤出X方向差分检测信号上的高频干扰，取R9=15KΩ、C3=0.1uF，则其截止频率＝1/2π*15K*0.1u≈106.1Hz。运放IC1A、电阻R5~R8组成一个减法电路用于对Y方向的正交相关分量进行差分放大，电阻R5~R8的取值范围取决于磁敏元件HY1、HY2在最强磁场位置输出电压差的大小和单片机ADC输入电压范围大小，若在最强磁场位置，磁敏元件HY1、HY2的输出V_HY1=4.03V、V_HY2=1.16V，工作电压VCC＝5.0V，ADC>Y1-Y2=R7/>HY1－V_HY2）=3.731V；电阻R10与电容C4组成一个一阶低通滤波器用于滤出Y方向差分检测信号上的高频干扰，仍取R10=15KΩ、C4=0.1uF，则其截止频率＝1/2π*15K*0.1u≈106.1Hz。X、Y方向的检测信号经低通滤波后分别送单片机IC2的两个ADC输入端，单片机IC2对输入信号V_X1-X2、V_Y1-Y2进行采样、抗干扰处理后计算得角度偏移：θ≈arctan(V_Y1-Y2/>X1-X2)，再将角度偏移θ转换为PWM波形输出至电容C5~C6、电阻R12~>OUT>OUT>X1-X2、V_Y1-Y2分别接到单片机的引脚2（PB3/ADC3）、引脚3（PB4/ADC2），通过片内ADC转换为数字信号，ATtiny13>X1-X2、V_Y1-Y2进行采样、抗干扰处理后计算得角度偏移：θ≈arctan(V_Y1-Y2/>X1-X2)，然后将角度偏移θ转换为PWM波形输出至二阶低通滤波电路，本发明实施例选用单片机IC2的T/C0是通用8位定时器/>f_PWM，然后根据转轴旋转定位槽7和转轴旋转定位销5-2配合决定最小转动角度θ_MIN、最大转动角度θ_MAX以及实时检测角位移θ来设置输出比较寄存器OCR0A>o>o，在有转轴旋转定位槽7和转轴旋转定位销5-2的情况下的角位移范围会小于此范围（如：30^o>o、90^o>o等），为进一步提高PWM波形输出的精度，本发明实施例引入了最小转动角度θ_MIN、最大转动角度θ_MAX设置，以充分利用单片机IC2所能提供的8位PWM波形分辨率。

附图5是本发明实施例的电位器转轴结构示意图。电位器转轴3由一根整轴经机加工成一端大另一端小的圆柱体，再在该圆柱体的大端加工出磁铁固定螺孔5-1和转轴旋转定位销5-2、小端加工出径向固定卡口5-3和调节旋钮定位销5-4，通过转轴旋转定位销5-2与转轴旋转定位槽7的配合以实现不同旋转幅度的电位器。电位器转轴3以过盈配合方式穿过电位器基座4上的中心孔并由半开口弹性金属卡环6径向锁紧；永磁体2通过磁铁固定螺钉9固定于电位器转轴3的大端，以保证永磁体2的转动与电位器转轴3的转动同步；为减少电位器转轴与电位器基座之间的滑动摩擦，装配时应在电位器基座4上的中心孔内添加润滑剂；对于转动频繁的应用系统，应在该中心孔处设置一个滚动轴承以延长传感器的使用寿命。

综上所述，本发明的磁敏无触点电位器，由电位信号产生电路板、永磁体、电位器转轴、电位器基座、电位器封盖、半开口弹性金属卡环、转轴旋转定位槽、电路板固定螺钉、磁铁固定螺钉等组成。其有益效果在于：本发明电位器的调节是转动其转轴及与转轴同步的永磁体，永磁体的转动经电位信号产生电路板上的磁敏元件非接触检测并转换为与电位器轴转动角位移成正比的电压信号输出，电位信号产生电路安装在螺纹连接的电位器基座与电位器封盖形成的圆柱形密封金属壳体内；本发明电位器应用非接触磁敏技术实现与转轴角位移成正比的电压信号输出，输出无触点噪声、寿命长，且可有效抑制工作环境下的电磁干扰。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。