一种通讯式直线磁性编码器的制作方法

1.本发明涉及磁性编码器技术领域，具体为一种通讯式直线磁性编 码器。


背景技术：

2.现代信息技术的三大基础是信息采集技术(传感器技术)、信息 传输技术(通信技术)和信息处理技术(计算机技术)。传感器技术 属于信息技术的前沿尖端产品，由于大规模集成技术的高速发展，计 算机及通信技术已得到高速发展，并已普及到各行各业和前家万户， 惟独传感器尚处于落后状态，形成瓶颈工业。直线位移传感器是一项 重要的传感技术，在航空航天、机器人、高精度数控机床、加工中心 等国民经济各领域被广泛应用。目前应用在直线位移测量方面的传感 器主要有光栅位移传感器、磁栅位移传感器、容栅位移传感器、球栅 位移传感器和感应同步器。磁栅位移传感器是近年发展起来的一门新 兴的传感技术，它随着光栅传感技术而发展起来。磁栅传感器不易受 尘埃和结露影响，同时其结构简单紧凑，响应速度快(达到500～ 700khz)，体积比光栅传感器小，而成本更低，且易将多个元件精确 地排列组合，比用光学元件和半导体磁敏元件更容易构成新功能器件 和多功能器件。目前，制约其应用的主要是精度和分辨力不高(相对 于光栅来说)的问题。
3.由于磁栅位移传感器具有上述诸多优点，因而近年来在测量和控 制领域中的应用不断增加，作为一种重要工具，磁栅位移传感器已成 为必不可少的组成部分，其市场需求量每年以20％～30％的速度增长。 在高速度、高精度、小型化、长寿命的要求下，在激烈的市场竞争中， 磁栅位移传感器以其突出特点而独具优势，成为发展高技术产品的关 键之一。但是如何设计一款测量准确、稳定可靠的直线磁性编码器是 本领域技术人员急需解决的技术难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供了一种通讯式直线磁性编码器，通过采用 tmr磁性传感器可以更准确的测量数据，并且读数头外壳侧面开设通 孔可以增大信号接收强度，通过a\d采样集成处理芯片将转换后的数 字信号进行反正切计算输出磁栅读数头的绝对位置信息，可以提高测 量的准确度。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种通讯式直线磁 性编码器，包括磁栅读数头和磁栅尺，所述磁栅读数头包括tmr磁性 传感器，所述磁栅读数头内设有读数头电路，所述读数头电路包括双 路正交模拟信号采集模块、差分信号放大电路模块和信号滤波电路模 块；所述双路正交模拟信号采集模块与tmr磁性传感器相连接，用于 实时获取tmr磁性传感器的检测数据，所述差分信号放大电路模块与 所述双路正交模拟信号采集模块相连接，用于对差模信号进行放大， 所述信号滤波电路与所述差分信号放大电路模块相连接，用于对放大 后的信号进行滤波处理。
6.优选的，所述读数头电路还包括a\d采样集成处理芯片，所述 a\d采样集成处理芯片与信号滤波电路相连接，用于对滤波后的数据 进行模数转换。
7.优选的，所述a\d采样集成处理芯片内包括多路独立的采样保持 电路，每个采样保持电路均包括两路输入通道。
8.优选的，所述读数头电路还包括信号补偿、位置计算模块，所述 信号补偿、位置计算模块与所述a\d采样集成处理芯片的输出端相连 接，用于建立相应的数学模型，对电信号进行误差补偿。
9.优选的，所述数学模型包括幅值偏差模型、相位滞后模型和高次 谐波失真模型。
10.优选的，所述读数头电路还包括rs485通信电路模块，所述rs485 通信电路模块与所述信号补偿、位置计算模块的输出端相连接，用于 进行信号输出。
11.优选的，所述rs485通信电路模块用于与伺服驱动器进行通讯连 接。
12.优选的，所述tmr磁性传感器包括钉扎层和自由层，所述钉扎层 的磁化方向不受外加磁场影响，自由层受外加磁场磁化并平行于外加 磁场。
13.优选的，所述磁栅读数头包括外壳，所述tmr磁性传感器设置在 所述外壳的内部，所述外壳靠近磁栅尺的侧面开设有通孔。
14.优选的，所述a\d采样集成处理芯片配置有位置解算策略，所述 位置解算策略包括将转换后的数字信号进行反正切计算输出磁栅读 数头的绝对位置信息。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.本发明的磁栅读数头采用tmr磁性传感器，所述tmr磁性传感器 包括钉扎层和自由层，所述钉扎层的磁化方向不受外加磁场影响，自 由层受外加磁场磁化并平行于外加磁场，所以当外加磁场角度变化时， 传感器的输出电压波形呈正余弦曲线，本发明基于静态磁场理论，建 立接近实物的磁栅模型，获取数据的真实性和准确性更加可靠。
17.本发明的读数头外壳侧面开设通孔，保证磁阻能够在设定安装的 距离，可以更加的靠近磁栅尺，可以增大信号接收强度，获取信号更 加的准确。
18.本发明通过a\d采样集成处理芯片将转换后的数字信号进行反 正切计算输出磁栅读数头的绝对位置信息，通过矢量旋转的方式把复 杂的角度计算转为简单的位移和加减运算，提高解码速度和输出精度 的同时也提高了测量的准确度。
附图说明
19.图1为本发明一种通讯式直线磁性编码器的结构示意图；
20.图2为本发明一种通讯式直线磁性编码器中tmr磁性传感器的输 出信号图；
21.图3为本发明一种通讯式直线磁性编码器的位置解析信号图；图4为本发明一种通讯式直线磁性编码器中读数头电路的连接 框图。
22.图中：1、外壳；2、通孔。
具体实施方式
23.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。
24.如图1所示，本发明提供的第一种实施例，一种通讯式直线磁性 编码器，包括磁栅
读数头和磁栅尺，所述磁栅读数头包括外壳1，所 述tmr磁性传感器设置在所述外壳1的内部，所述外壳1靠近磁栅尺 的侧面开设有通孔2。通过读数头外壳1侧面开设通孔2，保证磁阻 能够在设定安装的距离，可以更加的靠近磁栅尺，能够实现增大tmr 磁性传感器电压幅值，从而进一步提高模拟信号的准确性，降低外部 噪音的干扰。
25.如图1和图3所示，本发明提供的第二种实施例，在第一种实施 例的基础上，该实施例下的通讯式直线磁性编码器的所述磁栅读数头 包括tmr磁性传感器，所述磁栅读数头内设有读数头电路，所述读数 头电路包括双路正交模拟信号采集模块、差分信号放大电路模块和信 号滤波电路模块；所述双路正交模拟信号采集模块与tmr磁性传感器 相连接，用于实时获取tmr磁性传感器的检测数据，确保信号的实时 性和同步性，在通讯式读数头信号发生改变的瞬间，可同时获取实时 信号。所述差分信号放大电路模块与所述双路正交模拟信号采集模块 相连接，利用电路参数的对称型和负反馈作用，有效地稳定静态工作 点，用于放大差模信号抑制共模信号，所述信号滤波电路与所述差分 信号放大电路模块相连接，用于对放大后的信号进行滤波处理。采用 tmr磁性传感器，包括钉扎层和自由层，所述钉扎层的磁化方向不受 外加磁场影响，自由层受外加磁场磁化并平行于外加磁场，所以当外 加磁场角度变化时，传感器的输出电压波形呈正余弦曲线，本发明基 于静态磁场理论，建立接近实物的磁栅模型，获取数据的真实性和准 确性更加可靠。
26.如图2所示，tmr传感器主要由两磁性层组成，一层是“钉扎层”， 磁化方向不受外加磁场影响，另一层是“自由层”，受外加磁场磁化 并平行于外加磁场。由于隧道磁电阻效应，电阻值随钉扎层和自由层 磁化方向夹角成正余弦关系变化，所以当外加磁场角度变化时，传感 器的输出电压波形呈正余弦曲线。
27.如图2和图3所示，本发明通过a\d采样集成处理芯片配置的位 置解算策略，对转换后的数字信号进行反正切计算输出磁栅读数头的 绝对位置信息，a\d采样集成处理芯片对原始信号进行软件解码，根 据使用要求，可进行分辨率细分，最高可达单位磁栅格内17bit的分 辨率。
28.具体的，如图3所示，磁栅尺的单位磁栅格对应磁极ns，a\d采 样集成处理芯片将采样磁极ns的模拟信号(sin和cos)转换成数字信 号，使用cordic算法进行数据解算，每个单位磁栅格磁极可得到0
°ꢀ
～360
°
的角度值，根据单位磁栅格的尺寸大小，将角度转换成距离 单位。每移动一个单位磁栅格ns磁极，则累加一次360
°
的角度值， 通过累计加减角度，得知当前直线读头移动的距离。根据伺服驱动器 所需要的位置分辨，可通过改变通讯式读数头的参数(最高可设17bit) 达到精确的位置输出。磁栅上的空间磁场主要是由磁栅的充磁磁层形 状、材料及其均匀度和充磁方式决定的，当磁栅被磁化后，磁栅上的 磁场将维持稳定，本发明将基于静态磁场理论，建立接近实物的磁栅 模型，获取数据的真实性更加可靠。
29.优选的，处理模拟信号转换后的数字信号，还可以将cordic算 法与数字跟踪法相结合，代替反正切法，通过矢量旋转的方式把复杂 的角度计算转为简单的位移和加减运算，提高解码速度和输出精度。 使得磁栅尺在单位磁栅格内的位置信息为绝对位置信息，使通讯式磁 编读头在误差范围内。
30.如图3所示，进一步的，所述读数头电路还包括a\d采样集成处 理芯片，所述a\d采样集成处理芯片与信号滤波电路相连接，用于对 滤波后的数据进行模数转换；所述a\d采
样集成处理芯片内包括多路 独立的采样保持电路，每个采样保持电路均包括两路输入通道，适用 于差分电路采样。a/d转换分辨率高达16bit。
31.进一步的，所述读数头电路还包括信号补偿、位置计算模块，所 述信号补偿、位置计算模块与所述a\d采样集成处理芯片的输出端相 连接，用于建立相应的数学模型，对电信号进行误差补偿。针对磁栅 尺安装过程中的偏差导致输入信号偏离理想状态(幅值偏差、相位滞 后、信号包含高次谐波导致失真等)进行数学分析，建立相应的幅值 偏差模型、相位滞后模型和高次谐波失真模型等数学模型，对电信号 进行误差补偿。
32.进一步的，所述读数头电路还包括rs485通信电路模块，所述 rs485通信电路模块与所述信号补偿、位置计算模块的输出端相连接， 用于进行信号输出；所述rs485通信电路模块用于与伺服驱动器进行 通讯连接；采用rs485与伺服驱动器进行数据交互，其通过差分传输 增加噪声抗扰度，减少噪声辐射，数据速率高达10mbps，具有良好 的抗噪声干扰性，长的传输距离，保证传输信号在复杂的工作环境中 不受外界干扰，确保数据的准确性。
33.工作原理：本发明将磁栅尺磁极(即磁栅读数头)与被检测对象 联系起来，当磁栅读数头随着被检测对象运动时,磁栅读数头产生周 期性变化的空间磁场。该磁场作用于磁敏感元件上,使元件内部的电 势差或电阻值发生变化,输出相应的电信号,反映被检测对象的位置、 速度和加速度等运动信息。磁栅上的空间磁场主要使由磁栅的充磁磁 层形状、材料及其均匀度和充磁方式决定的，当磁栅被磁化后，磁栅 上的磁场将维持稳定，本发明的磁栅读数头采用tmr磁性传感器，所 述tmr磁性传感器包括钉扎层和自由层，所述钉扎层的磁化方向不受 外加磁场影响，自由层受外加磁场磁化并平行于外加磁场，所以当外 加磁场角度变化时，传感器的输出电压波形呈正余弦曲线，本发明基 于静态磁场理论，建立接近实物的磁栅模型，获取数据的真实性和准 确性更加可靠。并且读数头外壳1侧面开设通孔2可以增大信号接收 强度，通过a\d采样集成处理芯片将转换后的数字信号进行反正切计 算输出磁栅读数头的绝对位置信息，可以提高测量的准确度。
34.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例 的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其 他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例 看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求 而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和 范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标 记视为限制所涉及的权利要求。