专利名称：一种磁敏传感器综合演示实验仪的制作方法
技术领域：
本发明属于仪器仪表领域。特别涉及磁敏传感器原理与特性展示，以及传感器与电动机结合揭示电动机运动状态模拟与数字开环检测和闭环控制特性研究的教学演示仪器。
背景技术：
信息、通讯、计算机技术的融通与结合是21世纪科技发展的总体趋势。传 感器技术是信息拾取、信号传输，实现自动化检测与控制的关键纽带，传感器的 品质很大程度决定着测控系统的精确程度。磁敏传感器是传感器技术领域中具有 独特属性的一个重要分支，随着当代科学技术的发展，磁敏传感与检测技术成为 现代信息技术中极为重要的检测手段，其应用涉及到国民经济众多领域，属于机 电一体化基础元器件。磁敏传感器主要特点是触发磁场与磁敏感元件非接触信号 感应，具有无触点、无磨损、无电噪声、高灵敏度，高分辨率，高可靠性、高重 复性、传感器使用寿命长等特点。利用磁敏感元件开发的传感器结构简单轻巧、 可适用于水、油、汽、粉尘、高低温、振动、冲击等多种工业恶劣环境，各主要 制造工艺易于标准化控制、性能价格比优异等特点。特别适用于现代工业检测 及自动控制的应用。磁学是物理学的一个重要分支，磁场检测与磁传感技术是现代磁学的重要应 用和发展方向。磁敏感材料、器件、磁电子技术凝聚着许多近代物理思想与基础 效应，通过不同的传感器将与磁场变化相关联的各种运动形式转化为电信号输 出，是跨学科的综合性高新技术。如何将科技前沿技术，物理思想明确、演示效 果直观、基础教学与应用技术关联密切、学习型与研究创新型内容有机结合，引 入到大、中学基础物理实验、演示实验或专业实验中，以最直观、最生动的方式 展示当代科技的前沿成果与基本物理原理结合的内在联系。而目前在国内外各高 校的物理实验教学中，与磁检测技术相关的基础实验几乎是空白，只有少数几种 有关磁传感器的实验，但实验内容单一，综合性和可研究性不强，急需内容新颖 与当代科技发展相适应全新理念的基础实验予以填充。
发明内容
本发明的目的是设计一台磁敏传感器特性研究新型教学实验仪器，通过无触 点角度传感器、倾斜角传感器、微位移传感器、测速传感器、磁编码器、电流传 感器的特性测量，展示以磁敏感为转换机理系列传感器的属性与特点。将传感器 检测技术与电动机模拟量、数字量检测，开环检测与闭环控制，速度闭环、位置 闭环、功率闭环等自动化基础实验有机融入该基础实验平台。
一种磁敏传感器综合演示实验仪，由演示实验仪机箱,角度传感器测量系统、 位移测试系统、电机闭环测试系统，安装测试仪表、操控键盘、切换开关和接线 插孔的前面板，带有单片机处理电路的配线线路板构成。
本发明演示实验仪的基本功能如图1所示，整体外形如图2照片所示。
角度传感器测量系统如图3所示，包括基座架l、固定外刻度盘2、内刻 度盘3、角度测试台转轴4、固定架5、倾斜角传感器6、顶部紧固螺丝7、角度 传感器固定架8、固定螺丝9、磁敏角度传感器IO、固定螺丝ll、磁敏角度传感 器转轴12、止动螺丝13、紧固螺丝14。具有360°角度分度的固定外刻度盘2 固定在基座1上，具有沿直径180°对称位置分别安装2个游标分度尺的内刻度 盘3同心紧固在角度测试台转轴4上，转轴穿过滑动配合孔安装在基座架上部。 当转轴相对与固定架转动时，通过内、外刻度盘给出的示数可以准确给出相对转 的角度。在转轴4一端固定一个倾斜角传感器固定架5，圆形倾斜角传感器6滑 动配合安装在固定架5上，由顶部紧固螺丝7固定倾斜角传感器的相对位置。角 度传感器固定架8通过3个固定螺丝9与转轴4同心固定在基座1的另一侧。磁 敏角度传感器10由2个固定螺丝11同心安装在固定架8上。磁敏角度传感器转 轴12同心插入角度测试台转轴4另一端滑动配合孔中，由止动螺丝13固定。这 样可以给出角度传感器转轴转动时的相应角度标准示数。角度传感器测量装置由 2个紧固螺丝14固定在演示仪机箱的上表面上。
微位移传感器测量系统如图4所示，包括千分尺主尺15、支架16、磁敏 微位移传感器17、螺丝18、支架19、微位移传感器移动轴20、紧固螺丝21、 移动尺22;千分尺主尺15固定在支架16上，磁敏微位移传感器17由螺丝18 固定在支架19上，支架16与支架19之间的距离由微位移传感器移动轴20与千 分尺15在有效量程范围内的位置确定，通过紧固螺丝21固定在演示仪机箱的上 表面上。当千分尺刻度轮转动时，移动尺22会推动带有弹性恢复力的微位移传 运动，准确实现位移测量。为了观测磁敏齿轮测速传感器、磁编码器的特性，同时利用磁敏传感器对电 机运动特性进行研究，电机闭环测试系统如图5所示。选用双通轴直流无刷电机 23，由电机固定架24、 25通过螺丝紧固于仪器上端面。在双通轴直流电机23 — 端，同轴安装一个磁编码器26，该磁编码器输出双路90。位相差矩型方波和每 360° l个脉冲零位信号。本发明设置2个同步带轮，其中1个同步带轮27安装 固定在电机23的另一端输出长轴靠近电机侧，另一个同步带轮28固定在含轴承 与转轴的轴承座29上，轴承座将同步带30与2个同步带轮张紧，由2个螺丝 31固定在实验仪上表面，保持2个同步带轮直线联接。由此可以演示电机转动 如何转变成直线位移的过程。紧连同步带轮27，在电机轴上安装了一个导磁材料齿轮32，不同敏感元件， 包括电感线圈型、霍尔效应型、电涡流型、半导体磁敏电阻型、自旋阀巨磁电阻 型、隧道结巨磁电阻型、磁阻抗型磁敏齿轮测速传感器33，选择一种备件固定 在T字型固定架34上，2个紧固螺丝35将固定架34保持测速传感器与导磁齿 轮32在同一条过中心的等高线的情况下固定在实验仪的上表面。本实验可以通 过任意选择替换不同检测原理测速传感器的备品，观察不同敏感元件检出信号特 性以及成品齿轮测速传感器的检测特性。柔性联轴器36 —端由固定螺丝联接电机23长轴最外端，另一端由螺丝固定 小型测速发电机37，测速发电机37由T型固定架38通过2个紧固螺丝39等同 心轴固定在实验仪的表面上。当电机23带动测速发电机37转动时，可以检出与 电机转速成正比的模拟量输出电压信号特性。电流传感器40串联于电机23通电 回路中，用于检测电机通电电流大小以及研究功率闭环控制时给出反馈电压信 号。本发明实验仪前面板如图6所示，指针电压表41显示电机的工作电压；数 字电压表42显示测速发电机的输出电压;数字电压表43显示传感器的工作电压； 数字电压表44显示传感器的输出电压；、数字电流表45显示传感器的输出电流； 液晶显示表46用于闭环控制中功能提示、转速显示、计长显示等；16键功能输 入键盘47用于闭环控制功能选择设置。双向开关48置于"on电机控制"实验 仪
置于"闭环控制"电机系统处于闭环特性研究状态；双向开关50置于"加负载"， 电机加入模拟电子负载，并可调节负载大小，置于"空载"时，电机系统处于不 加负载工作状态；多圈旋钮51通过调节电压控制开环状态下电机转速；模拟负 载旋钮52用于控制闭环工作状态下，加在电机23驱动的测速发电机37上模拟电子负载，可分别研究模拟量与数字量电机闭环控制以及速度闭环与功率闭环控制的工作状态与特性研究；复位按键开关53用于电机闭环控制系统清零复位； 传感器工作电压调节旋钮54:可对角度传感器与微位移传感器的工作电压连续 从0调到24Voc;锁位按键开关55为传感器输出电压通路选择键，按下锁定位 置为通道l输出电压，弹起为通道2输出电压；锁位按键开关56为传感器输出 电流通路选择键，按下锁定位置为通道l输出电流，弹起为通道2输出电流。本发明实验仪内部配电电路板如图7所示，电源模块57，可以为所有要研 究特性的传感器提供5 12Vdc电源，可以为无刷电机23提供0 30Voc驱动电 源。单片机信号处理电路58，单片机通过程序设计及软件编程，微电机性能测 试实验装置系统框图如图8所示，闭环反馈系统构成的基本原理框图如图9所示， 据此实现电机开环检测、闭环控制，包括速度闭环、位置闭环、功率闭环，以及 磁编码器与测速传感器特性研究。电路接线配线电路59，将总电源57输配到各个显示仪表，为每一个传感器提供供电电压，将传感器检出信号输入相应显示仪 表，或将传感器信号接入单片机信号处理电路板58的相应信号采集接口。 本实验仪电机闭环控制功能选择键各键功能如图10所示。 磁敏传感器教学演示仪融入最新国际先进磁敏传感器技术，拓展学生研究创 新实验，以典型的工业应用磁传感器为背景，整合实验装置，进行组合设计，开 发出了整套系列磁敏传感器特性及应用演示实验仪器。本实验仪器还具有开放型 平台的效用，可以类比研究其它不同工作原理的同类传感器或新开发出来的新型 传感器的特性。
图1、磁敏传感器综合实验仪功能框图 图2、磁敏传感器综合实验仪实物图 图3、角度测量系统结构图 图4、位移测量系统结构图 图5、电机闭环测量系统结构图
图6、实验仪前面板7、实验仪电路板示意8、微电机性能测试实验装置系统框9、闭环反馈系统构成的基本原理框10、电机闭环控制功能键盘定义具体实施方式
实施例本发明制备的磁敏传感器教学实验仪宽47cm，长52cm，高17cm，外型如 图2所示。角度传感器测试台外分度盘(2)直径200mm，最小刻度0.5° ,内 刻度盘3沿直径18(T对称位置2个游标分度30格，最小分度1'。倾斜角传感 器6直径64mm，由紧固螺丝7固定在支架5上。倾斜角传感器6通过电路接线 到配线电路板59得到传感器工作电压，同时将传感器输出电压信号传送到实验 仪前面板电压显示表44,得到随着测试台转动对应的输出电信号；如果倾斜角 传感器6选用标准电流输出样品，通过电路接线到配线电路板59得到传感器工 作电压，同时将传感器输出电流信号传送到实验仪前面板电流显示表45。磁敏 角度传感器10直径38mm，法兰直径52mm,由2个固定螺丝11同心安装在固 定架8上。磁敏角度传感器转轴12同心插入角度测试台转轴4另一端滑动配合 孔中，由止动螺丝13固定。当角度测量装置转轴12发生转动时，传感器10可 以给出相应角度输出信号。通过电路接线到配线电路板59得到传感器工作电压， 同时将角度传感器10输出电压信号传送到实验仪前面板电压显示表44,得到随 着测试台转动对应的输出电信号；如果磁敏角度传感器IO选用标准电流输出样 品，通过电路接线到配线电路板59得到传感器工作电压，同时将传感器输出电 流信号传送到实验仪前面板电流显示表45。微位移传感器17直径25mm，长度50mm,法兰直径50mm，由螺丝18固 定在支架19上，150mm量程千分尺15固定在支架16上，支架16与支架19之 间的距离为40mm。当千分尺刻度轮转动时，移动尺23会推动带有弹性恢复力 的微位移传感器移动轴20往复运动，准确实现位移测量。位移传感器17通过电 路接线到配线电路板59得到传感器工作电压，同时将位移传感器的输出电压信 号传送到实验仪前面板电压显示表44，得到随着测试台移动对应的输出电信号； 如果微位移传感器17选用标准电流输出样品，通过电路接线到配线电路板59得 到传感器工作电压，同时将传感器输出电流信号传送到实验仪前面板电流显示表 45。传感器工作电压调节旋钮54:可对角度传感器与微位移传感器的工作电压 连续从0调到24VDc;锁位按键开关55为传感器输出电压通路选择键，按下锁 定位置为通道l输出电压，弹起为通道2输出电压；锁位按键开关56为传感器 输出电流通路选择键，按下锁定位置为通道1输出电流，弹起为通道2输出电流。本发明选用双通轴直流无刷电机23，由电机固定架24、 25通过螺丝紧固于 仪器上端面。在双通轴直流电机23—端，同轴安装具有双路90°位相差方波和 零位脉冲信号的磁编码器26。采用直径30mm的2个同步带轮，其中1个同步 带轮27安装固定在电机23的另一端输出长轴靠近电机侧，另一个同步带轮28 固定在含轴承轴承座29上，轴承座将同步带30与2个同步带轮张紧，由2个 螺丝31固定在实验仪上表面，保持2个同步带轮直线联接。由此可以观察演示 电机转动如何转变成直线位移的过程。紧连同步带轮27，在电机轴上安装了一个齿数30、模数2的导磁材料齿轮 32，磁敏齿轮测速传感器33，固定在T字型固定架34上，2个紧固螺丝将固定 架34保持测速传感器与导磁齿轮32在同一条过中心的等高线。本实验可以通过 任意选择替换不同检测原理测速传感器的备品，观察不同敏感元件齿轮测速传感 器的检测特性。柔性联轴器36 —端由固定螺丝联接电机23长轴最外端，另一端由螺丝固定 小型测速发电机37,测速发电机37由T型固定架38通过2个紧固螺丝39等同 心轴固定在实验仪的表面上。当电机23带动测速发电机37转动时，可以检出与 电机转速成正比的模拟量输出电压信号特性。电流传感器40串联于电机23通电 回路中，用于检测电机通电电流大小以及研究功率闭环控制时给出反馈电压信 号。电机测试系统中电动机23、磁编码器26、齿轮测速传感器33、测速发电机 37、电流传感器40的所有电信号，通过电路接线到单片机信号处理电路板58和 配线电路板59，通过软件处理，得到电机开环检测、闭环控制，包括速度闭环、 位置闭环、功率闭环，以及磁编码器与测速传感器特性研究。实验仪前面板指针 电压表41显示电机的工作电压，数字电压表42显示测速发电机的输出电压，数 字电压表43显示传感器的工作电压，液晶显示表46用于闭环控制中功能提示、
转速显示、计长显示等；16键功能输入键盘47用于闭环控制功能选择设置。双 向开关48选择开通或关闭电机实验系统，关闭状态同时接通其它传感器测量系 统；双向开关49选择系统置于"开环控制"还是"闭环控制"；双向开关50选 择"加负载"状态，电机加入模拟电子负载，旋钮52可调节负载大小。多圈旋 钮51通过调节电压控制开环状态下电机转速，可分别研究模拟量与数字量电机 闭环控制以及速度闭环与功率闭环控制的工作状态与特性研究；复位按键开关 53用于电机闭环控制系统清零复位；本发明实验仪内部配电电路板如图7所示，电源模块57可以为所有要研究 特性的传感器提供5 12Vdc电源,可以为无刷电机23提供0 30Voc驱动电源， 为单片机信号处理电路58，通过电路接线配线电路59，将总电源输配到各个显 示仪表，为每一个传感器提供供电电压。电路接线配线电路59将传感器检出信 号输入相应显示仪表，或将传感器信号接入单片机信号处理电路板58的相应信 号采集接口。单片机信号处理电路58驱动液晶显示板46正常工作。
权利要求
1. 一种磁敏传感器综合演示实验仪，其特征是由演示实验仪机箱，角度传 感器测量系统、位移测试系统、电机闭环测试系统，安装测试仪表、操控键盘、 切换开关和接线插孔的前面板，带有单片机处理电路板与配线线路板构成；整个 实验仪能够实现磁敏角度传感器特性研究，磁敏倾斜角传感器特性研究，磁敏微 位移传感器特性研究，磁敏齿轮测速传感器特性研究，磁编码器特性研究，测速 发电机特性研究。实现电动机转动传感器模拟量、数字量检测特性研究；以及单 片机程序控制实现开环检测与闭环控制，包括速度闭环、位置闭环、功率闭环特 性研究。
2. 如权利要求1所述一种磁敏传感器综合演示实验仪，其特征是角度传感 器测量系统包括基座架(1)、固定外刻度盘(2)、内刻度盘(3)、角度测试台 转轴(4)、固定架(5)、倾斜角传感器(6)、顶部紧固螺丝(7)、角度传感器固 定架(8)、固定螺丝(9)、磁敏角度传感器(10)、固定螺丝(11)、磁敏角度传 感器转轴(12)、止动螺丝(13)、紧固螺丝(14);具有360°角度分度的固定 外刻度盘(2)固定在基座(1)上，在沿直径18(T对称位置安装了2个游标分 度尺的内刻度盘(3)同心紧固在角度测试台转轴(4)上，转轴(4)穿过滑动 配合孔安装在基座架上部；当转轴(4)相对与固定架(5)转动时，通过内、外 刻度盘给出的示数能准确给出相对转的角度；在转轴(4) 一端固定一个倾斜角 传感器固定架(5)，圆形倾斜角传感器(6)滑动配合安装在固定架(5)上，由 顶部紧固螺丝(7)固定倾斜角传感器的相对位置；角度传感器固定架(8)通过 3个固定螺丝(9)与转轴(4)同心固定在基座(1)的另一侧；磁敏角度传感 器(10)由2个固定螺丝(11)同心安装在固定架(8)上；磁敏角度传感器转 轴(12)同心插入角度测试台转轴(4)另一端滑动配合孔中，由止动螺丝(13) 固定；这样能给出角度传感器转轴转动时的相应角度标准示数；角度传感器测量 装系统由2个紧固螺丝(14)固定在演示仪机箱的上表面上。
3. 如权利要求1所述一种磁敏传感器综合演示实验仪，其特征是微位移传 感器测量系统包括千分尺主尺(15)、支架(16)、磁敏微位移传感器(17)、 螺丝(18)、支架(19)、微位移传感器移动轴(20)、紧固螺丝(21 )、移动尺(22); 千分尺主尺(15)固定在支架(16)上，磁敏微位移传感器(17)由螺丝18固 定在支架(19)上，支架(16)与支架(19)之间的距离由微位移传感器移动轴 (20)与千分尺(15)在有效量程范围内的位置确定，通过紧固螺丝(21)固定 在演示仪机箱的上表面上；当千分尺刻度轮转动时，移动尺(22)会推动带有弹 性恢复力的微位移传感器移动轴(20)往复运动，准确实现位移测量。
4. 如权利要求1所述一种磁敏传感器综合演示实验仪，其特征是电机闭环 测试系统包括双通轴直流无刷电机(23)，电机固定架(24)、(25)，磁编码器(26)， 同步带轮(27)、 (28)，轴承座(29)，同步带(30)，螺丝(31);双通轴直流无 刷电机(23)由电机固定架(24)、 (25)通过螺丝紧固于仪器上端面；在双通轴 直流电机(23) —端，同轴安装一个磁编码器(26)，该磁编码器输出双路90。 位相差矩型方波和每360° l个脉冲零位信号；同步带轮(27)安装固定在电机(23)的另一端输出长轴靠近电机侧，另一个同步带轮(28)固定在含轴承与转 轴的轴承座(29)上，轴承座将同步带(30)与2个同步带轮张紧，由2个螺 丝(31)固定在实验仪上表面，保持2个同步带轮直线联接；由此可以观察演示 电机转动如何转变成直线位移的过程。
5. 如权利要求4所述一种磁敏传感器综合演示实验仪，其特征是紧连同步 带轮(27)，在电机轴上安装了一个导磁材料齿轮(32);不同敏感元件，包括电 感线圈型、霍尔效应型、电涡流型、半导体磁敏电阻型、自旋阀巨磁电阻型、隧 道结巨磁电阻型、磁阻抗型磁敏齿轮测速传感器(33)，选择一种备件固定在T 字型固定架(34)上，2个紧固螺丝(35)将固定架(34)保持测速传感器与导 磁齿轮(32)在同一条过中心的等高线的情况下固定在实验仪的上表面；通过任 意选择替换不同检测原理测速传感器的备品，观察不同敏感元件检出信号特性以 及成品齿轮测速传感器的检测特性。
6. 如权利要求4所述一种磁敏传感器综合演示实验仪，其特征是柔性联轴 器(36) —端由固定螺丝联接电机(23)长轴最外端，另一端由螺丝固定小型测 速发电机(37)，测速发电机(37)由T型固定架(38)通过2个紧固螺丝(39) 等同心轴固定在实验仪的表面上；当电机(23)带动测速发电机(37)转动时， 能检出与电机转速成正比的模拟量输出电压信号特性；电流传感器(40)串联于 电机(23)通电回路中，用于检测电机通电电流大小以及研究功率闭环控制时给 出反馈电压信号。
全文摘要
一种磁敏传感器综合演示实验仪，属于仪器仪表领域。特别涉及磁敏传感器与电动机结合揭示电动机运动状态模拟与数字开环检测和闭环控制特性研究型教学演示仪器。演示仪由机箱，角度传感器测量系统、位移测试系统、电机闭环测试系统，安装测试仪表、操控键盘、切换开关和接线插孔的前面板，带有单片机处理电路的配线线路板构成。本仪器能给出角度传感器转轴转动时的相应角度标准示数，能准确实现位移测量，可以观察演示电机转动如何转变成直线位移的过程。通过任意选择替换不同检测原理测速传感器的备品，能观察不同敏感元件检出信号特性以及成品齿轮测速传感器的检测特性。能检出与电机转速成正比的模拟量输出电压信号特性；能检测电机通电电流大小以及研究功率闭环控制时给出反馈电压信号。
文档编号G09B25/02GK101123046SQ20071012035
公开日2008年2月13日 申请日期2007年8月16日 优先权日2007年8月16日
发明者张朝晖, 方少波, 杰 李, 桧 李, 王丹丹, 跃 田, 裴屹杰, 赵雪丹, 高翠翠, 黄筱玲 申请人:北京科技大学