专利名称：具有高防护等级的角度直接检测传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种传感器，具体地说是可以应用于特殊恶劣环境的传感器。
背景技术：
检测转角的传感器又称为编码器，如光电编码器，其基本原理为在不透明的圆形薄片上雕刻栅孔，而红外对管感器安装在光栅圆盘两侧，将光线照射在光栅圆盘上，由于栅 孔的存在，随着光栅圆盘的转动，红外对管将产生一个个脉冲，通过读取脉冲个数，即可记 录光栅圆盘所转动的角度。光电编码器原理简单，且随着光栅尺制造技术的提高，其体积和 价格已经很合理，故该类传感器种类很多，应用很广泛。但是光电编码器有个缺陷，就是对 传感器所处工作环境有较高要求，由于必须保证光线的可靠传输，其一般都带有密封的壳 体，防止粉尘的进入，同时保证检测元件周围的外界光线干扰很低，同时由于红外对管与光 栅尺之间必须没有隔离，所以一般红外对管及检测电路都是与外界空气直接接触的，水密 性较差，不能用在特殊场合。在特殊场合，例如反应釜内、高粉尘环境、液体容器内等，这些场合的转动关节等 设备的转轴角度检测就需要采用非光学性的，非直接接触式的方法。如龚征华等人所著论 文《基于角度传感器的水动力装置水翼控制系统》里面说给出的应用在水下进行角度检测 的方法就是利用小型的永磁联轴器将所需检测的转轴角度通过磁耦合的方法传递到水下 密封舱内，在密封舱内磁耦合内转子与一电位计相连，利用磁耦合的方式将转角信息间接 的传递到检测元件上，该检测方法由于磁耦合迟滞角的存在，故可以运用在对角度实时跟 踪要求不是很高场合，检测精度也受磁耦合效果的影响。也有如由日本电产三协株式会社申请的专利号为200680024211. 2磁性编码器， 其基本原理与光电编码器一致，将磁性材料按N、S极性烧结在一圆形盘上，利用霍尔元件 检测N、S磁场的变化，来记录转动角度，但是传感器测试精度取决于N、S极分别烧制的精 度，故一般精度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于高粉尘环境、高亮度、高污染环境、液体容器内 部、搅拌反应釜内部的具有高防护等级的角度直接检测传感器。本发明的目的是这样实现的本发明具有高防护等级的角度直接检测传感器，其特征是包括磁铁架装置、密封 壳、密封圈、检测电路架、电缆接头和电路板，电路板固定在检测电路架上，密封壳与检测电 路架相连，密封壳和检测电路架中间安装密封圈，磁铁架装置安装在密封壳上，电缆接头安 装在检测电路架上。本发明的具有高防护等级的角度直接检测传感器还可以包括1、所述的检测电路架包括电路板支架、支撑柱、电路板和护套，支撑柱固定在电路 板支架的上表面，电路板通过支撑柱安装在电路板支架上，护套套在电路板上。
2、所述的电路板包括芯片、电路基板和信号处理元器件，芯片安装在电路基板的上表面，信号处理元器件安装在电路基板的下表面。3、所述的磁铁架装置包括磁铁、磁铁架和转轴固定零件，磁铁架的前方和侧方分 别开有孔，磁铁通过磁铁架前方的孔安装在磁铁架中，转轴固定零件通过磁铁架侧方的孔 安装在磁铁架中。4、所述的转轴固定零件为紧定螺钉或圆柱销。本发明的优势在于本发明具有高防护等级、高检测精度，可用于特殊场合，包括 高粉尘环境、高亮度、高污染环境、液体容器内部、搅拌反应釜内部，还可用于高压环境下进 行高精度角度检测。
图1是本发明的检测用磁铁架示意图；图2是本发明的磁铁架与转轴安装关系示意图；图3是本发明的检测芯片电路板示意图；图4是本发明的检测电路板固定方式示意图；图5是本发明的独立封装传感器爆炸效果图；图6是本发明的独立封装传感器安装关系示意图；图7是本发明的磁铁架与密封壳体固定方式示意图；图8是本发明的检测部分用于内压容器上的集成安装示意图；图9是本发明的检测部分与压力罐进行集成化安装时各部件安装关系示意图；图10是本发明的检测部分用于外压容器上的集成安装示意图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述结合图1 10，本发明包括磁铁架装置、密封壳、密封圈、检测电路架、螺钉、电缆 接头和电路板，电路板固定在检测电路架上，密封壳和检测电路架通过螺钉连接，密封壳和 检测电路架中间安装密封圈，磁铁架装置安装在密封壳上，电缆接头安装在检测电路架上。图1所示为本发明的检测用磁铁架示意图，磁铁架装置5主要由检测用磁铁1、磁 铁架2、转轴固定零件3组成。其中磁铁1的材料、尺寸需符合所选霍尔编码器检测芯片的 要求，仍以雷尼绍(RENISHAW)公司的AM8192B1芯片为例，其所需磁铁要求为圆柱形，直径 为4毫米，高为4毫米，材料为Sm2Col7，材料剩磁为1. 05特斯拉，温度系数为-0. 03%/°C, 居里温度720°C，磁场为圆表面N、S磁化，磁化均勻性越高对测量精度影响越小。为提高磁 铁1的使用寿命，可在其表面涂镀耐腐蚀防护层。磁铁架2用来固定磁铁1与旋转轴4，固 定方式如图2所示，如此固定后磁铁1即能跟随旋转轴4进行同步转动，由于检测芯片对磁 铁1的转动同轴度有一定要求，故磁铁架2需要较高的加工精度，其材质可根据具体使用环 境、加工工艺条件等选择非铁磁性材料，为了保证最终安装后的转动润滑性，可选择聚四氟 乙烯等自润滑耐磨材质，而对于化工等易腐蚀场合，则可选用碳化硅等陶瓷材料进行烧结， 以提高其自身的寿命。如图2所示，转轴固定零件3为用来固定磁铁架2和旋转轴4的，其 根据工艺需要可以是紧定螺钉，也可以是圆柱销等，主要实现磁铁架2和旋转轴4的牢靠固定。该固定方式能够使检测磁铁1可靠的跟随旋转轴4进行转动，测量角度的精度较好，但 是对后期的安装精度要求较高，如果对测量精度要求不高，为降低后期安装精度，也可在磁 铁架2和旋转轴4之间利用万向连轴节或者弹性联轴器等辅助零件进行连接，这时磁铁架 2上为安装旋转轴4输入端而设计的凹坑可相应的加工成为安装辅助联轴器零件的凸台。 图3、图4、图5、图6为本发明所提供的独立封装形式的角度传感器的各部分组成 图、整体爆炸图及安装位置关系图。图3为本发明所用的检测芯片电路板9，该电路板9主要由3大部件组成，分别 为检测芯片6，电路板7，信号处理元器件8。检测芯片6选用霍尔角度编码器检测芯片 (Angular magnetic encoder IC)，其主要负责检测磁铁1传递过来的角度信息，然后将该 信息以预定的方式解算传递出来；电路板7为PCB电路板主要提供相应的布线、走线，以及 各电子元器件的焊盘，让电子元件能够通过焊接的形式牢固的固定在其上，形成一个能够 实现预定功能的完整电路；信号处理元器件8由多种不同的电子元器件组成，实现将检测 芯片6输出的信息解算成抗干扰能力更强的数字或者模拟信号而输出，例如可以将检测到 的角度信息编译成RS-232通讯协议，进行输出，提高信号的传输稳定性。图4为本发明的第二部分，检测电路架14主要用途是将图3所示的电路板9牢固 的固定起来，以保证磁铁1和检测芯片6之间的相对安装精度能够满足稳定、精确测量的要 求。电路板支架10上面开有各种不同的圆孔或者螺纹孔，用于安装固定。电路板9通过支 撑柱11和螺钉12固定在电路板支架10上；支撑柱11起将电路板9定位支起的作用，为绝 缘防护考虑，支撑柱11应尽量选择绝缘材料，如尼龙等；而螺钉12则起固定作用，为保证电 路板9的稳妥固定，螺钉12的数量应不少于2颗。护套13以绝缘材料制成，用于保护芯片 6及电路板7表面不会与金属材料直接接触，从而发生意外，产生损毁，同时可以起到调整 检测芯片6与密封壳体的间隙，护套13为辅助零件，电路板9被固定后安放在其上即可，也 可以进行简单的固定。图5为本发明所提供的独立封装角度传感器的爆炸图，图6为本发明所提供的独 立封装角度传感器的各部件安装示意图。其中密封壳16上开有法兰面及一些小孔，用于固 定整个传感器及密封整个电路板仓室。螺钉15即为用来将密封壳16和检测电路架14连 接在一起形成密封舱室的，在密封壳16和检测电路架14之间可以加装密封圈17，以提高整 个密封舱室的耐压能力。输出电缆接头18也可替换为信号电缆，其主要作用是为传感器将 信号输出提供一个统一、标准的接口，根据防护需要，该零件可以选择普通电缆接头，而在 水下或者高压环境下，则需要换成相应的水密电缆头或者耐压电缆头。如图6所示，根据检测芯片6的不同要求，磁铁架装置5与检测电路架14的安装 同轴度及间隙应符合要求。其中密封壳16起到了将磁铁1和检测芯片6隔离的作用，故其 应采用非铁磁性材料进行加工。根据检测芯片6的实际要求，密封壳16的凹孔直径D，和 壁厚d可以进行具体调整，经过精心设计，使D与d取一个合理的数值，可以提高整个传感 器的耐压强度，仍以AM8192B1芯片为例，其d最大可达0.5毫米，若D设计为10毫米，密封 壳16选用铝铜镁合金2A12，则该传感器理论耐压强度可达35Mpa，完全能胜任各类高压反 应容器内部的角度测量，而在材料经过防腐处理后，可用于更为恶劣的环境内，如深海作业 工具、水下ROV设备上等。 为进一步提高磁铁1与密封壳16和检测芯片6的安装精度及相对旋转测量角度，给出了如图7所示的整体封装结构形式。磁铁架2被左右两个轴承22所夹住，轴承一侧为 挡圈23，其和同侧轴承22组合，用来调整磁铁1与密封壳16之间的间隙，确保间隙的均勻 与稳定；另一侧为盖板20，其通过螺钉21固定在密封壳16上，利用其内侧的凸台将轴承22 和磁铁架2加紧，固定位置。磁铁架2上仍开有输入轴孔，配合紧定螺钉3来固定输入轴。 该处，为提高轴承22的寿命，其可以改成碳化硅等材质的滑动轴承。如此设计，可以保证 磁铁1和检测芯片6及密封壳16之间的间隙均勻而有稳定，使每次测量的精度更有保障。 而为了提高这种独立封装传感器内部各元器件的位置稳定性，同时提高密封壳体的耐压能 力，可以在其内部进行灌胶处理，将所有零件进行固化。 图8所示为本发明的传感器检测装置与其他设备进行集成化安装，运用在内压容器上的情况，如运用于搅拌釜、反应罐等场合，其中密封罐体25为容器；图10所示为本发明 的传感器检测装置与其他设备进行集成化安装，运用在外压容器上的情况，如运用于水下 机器人、石油天然气开拓等领域；图9所示为本发明的传感器检测装置与压力罐进行集成 化安装时，各零部件的安装关系示意图。其相对安装具体实施方法为，在密封罐体25上开 钻一孔，将密封盖24通过密封圈17和连接螺钉26与密封罐体25固定。密封盖24参照密 封壳16制作有相应的安装孔，在干燥稳定环境一侧将检测电路板9的检测电路架14用螺 钉15固定在密封盖24上，在需要检测旋转轴4的复杂环境内，按图2或者图7所示的连接 方式将检测用磁铁1可靠的固定上，且与密封盖另一侧的检测芯片6形成符合测量要求的 装配关系。
权利要求
具有高防护等级的角度直接检测传感器，其特征是包括磁铁架装置、密封壳、密封圈、检测电路架、电缆接头和电路板，电路板固定在检测电路架上，密封壳与检测电路架相连，密封壳和检测电路架中间安装密封圈，磁铁架装置安装在密封壳上，电缆接头安装在检测电路架上。
2.根据权利要求1所述的具有高防护等级的角度直接检测传感器，其特征是所述的 检测电路架包括电路板支架、支撑柱、电路板和护套，支撑柱固定在电路板支架的上表面， 电路板通过支撑柱安装在电路板支架上，护套套在电路板上。
3.根据权利要求1或2所述的具有高防护等级的角度直接检测传感器，其特征是所 述的电路板包括芯片、电路基板和信号处理元器件，芯片安装在电路基板的上表面，信号处 理元器件安装在电路基板的下表面。
4.根据权利要求1或2所述的具有高防护等级的角度直接检测传感器，其特征是所 述的磁铁架装置包括磁铁、磁铁架和转轴固定零件，磁铁架的前方和侧方分别开有孔，磁铁 通过磁铁架前方的孔安装在磁铁架中，转轴固定零件通过磁铁架侧方的孔安装在磁铁架 中。
5.根据权利要求3所述的具有高防护等级的角度直接检测传感器，其特征是所述的 磁铁架装置包括磁铁、磁铁架和转轴固定零件，磁铁架的前方和侧方分别开有孔，磁铁通过 磁铁架前方的孔安装在磁铁架中，转轴固定零件通过磁铁架侧方的孔安装在磁铁架中。
6.根据权利要求1或2所述的具有高防护等级的角度直接检测传感器，其特征是所 述的转轴固定零件为紧定螺钉或圆柱销。
7.根据权利要求3所述的具有高防护等级的角度直接检测传感器，其特征是所述的 转轴固定零件为紧定螺钉或圆柱销。
8.根据权利要求4所述的具有高防护等级的角度直接检测传感器，其特征是所述的 转轴固定零件为紧定螺钉或圆柱销。
9.根据权利要求5所述的具有高防护等级的角度直接检测传感器，其特征是所述的 转轴固定零件为紧定螺钉或圆柱销。
全文摘要
本发明的目的在于提供具有高防护等级的角度直接检测传感器。本发明包括磁铁架装置、密封壳、密封圈、检测电路架、电缆接头和电路板，电路板固定在检测电路架上，密封壳与检测电路架相连，密封壳和检测电路架中间安装密封圈，磁铁架装置安装在密封壳上，电缆接头安装在检测电路架上。本发明具有高防护等级、高检测精度，可用于特殊场合，包括高粉尘环境、高亮度、高污染环境、液体容器内部、搅拌反应釜内部，还可用于高压环境。
文档编号G01B7/30GK101819021SQ201010159029
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者吴磊, 陈东华, 陈东良 申请人:哈尔滨工程大学