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CN203260444U - 非接触式电位器 - Google Patents

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CN203260444U
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Abstract

本实用新型涉及一种非接触式电位器。该非接触式电位器包括以下几个部分：带孔的机械外壳；转动杆，包括顶端和固定有永磁铁的磁铁端，顶端可接受外力矩作用，带动转动杆和永磁铁相对于外壳绕旋转轴旋转；相对于所述外壳固定的磁阻传感器组件，包括一个或多个传感器芯片，传感器芯片在感应平面上的灵敏度轴垂直于所述旋转轴，并沿旋转轴方向与永磁体之间相隔有一预定距离，用于感应永磁铁绕旋转轴旋转时的磁场变化产生感应信号；以及3个电连接端子，分别为接地端、电源端以及信号输出端。该非接触式电位器具有精密性能好、功率损耗小和成本低的优点，并且能更快、更容易将复杂的带有磁场信息的模拟信号转化为标准的数字信号。

Description

非接触式电位器
技术领域
本实用新型涉及电位器技术领域，特别涉及一种非接触式电位器，该非接触式电位器能够将机械运动转化为电信号。 
背景技术
现有技术中，电位器通常包括三个接线端，其中两个接线端固定，另一个接线端可移动。电位器的可移动的接线端经常被称为第三接线端。电位器的三个接线端输出的电信号由输入电位器的电信号的数值范围控制。输入电位器的电信号通常是典型的电压差或者电流源。 
在现有技术的电位器的一种实施方式中，电位器包括一圆柱体，该圆柱体的侧面整齐、均匀地缠绕有单层导线，该圆柱体的顶部和底部各设有一接线端，用于给电位器输入电压信号的电压源的正极和负极分别与该圆柱体的顶部和底部的接线端电连接。电位器的第三接线端为一金属触针，该金属触针可以沿着圆柱体上下滑动，且与缠绕在圆柱体侧面的导线电接触。金属触针的电压取决于金属触针沿圆柱体滑动的位置。这种电位器的总电阻与导线的长度成正比，与导线的直径成反比。这种电位器也经常被称为“绕线式变阻器”。 
在现有技术的电位器的另一种实施方式中，电位器包括一薄膜平板，该薄膜平板上设有两个接线端和狭窄的导带图案。电位器的第三接线端与薄膜平板直接电接触，且第三接线端的电压取决于第三接线端与薄膜平面板电接触的位置。这种电位器可用于检测直线运动和角向运动。 
在实际应用中，上述两种电位器都有一些缺点。上述两种电位器的第三接线端必须沿着电位器的导电部分移动，因此，第三接线端需要与电位器的导电部分保持良好的电连接。但是，如果电位器的使用时间较长时，由于接触体的腐蚀、导线的物理磨损或者机械部件的松散，电位器的第三接线端与其导电部分的电连接效果将变差。在这种情况下，需要一种机械装置通过施加机械外力的方式来改善电位器的电连接效果。但是，这种机械装置所造成的机械磨损是不可避免的。因此，需要一种非接触式的电位器，该非接触式电位器不需要第 三接线端与导电部分直接接触即可确定第三接线端与导电部分电接触位置的电位器。 
现有技术中，一种非接触式电位器包括一个磁传感器和一个磁铁，磁传感器代替上述第三接线端，用于检测磁铁的相对运动和位置。用于非接触式电位器的磁传感器通常是以霍尔元件、各向异性磁电阻（AMR）元件或巨磁电阻（GMR）元件为敏感元件的传感器。用于非接触式电位器的磁传感器也可以是感应线圈式磁传感器。感应线圈式磁传感器能够发出和接收给定频率的电磁信号，然后通过算法和校准的方式确定磁铁的位置。上述非接触式电位器也被称为线性可变差动变压器（LVDT）。总之，非接触式电位器解决了长时间使用时的磨损问题。 
但是，现有技术的非接触式电位器仍然存在精密性能差、功率损耗大和成本高的缺点，并且需要花很多的时间来构建将模拟感应信号转化为数字信号的电路。 
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种非接触式电位器。 
本实用新型提供的非接触式电位器包括： 
带孔的机械外壳，转动杆，包括顶端和固定有永磁铁的磁铁端，所述顶端可接受外力矩作用，带动所述转动杆和所述永磁铁相对于所述外壳绕旋转轴旋转； 
相对于所述外壳固定的磁阻传感器组件，包括一个或多个传感器芯片，所述传感器芯片在感应平面上的灵敏度轴垂直于所述旋转轴，并沿所述旋转轴方向与所述永磁体之间相隔有一预定距离，用于感应所述永磁铁绕所述旋转轴旋转时的磁场变化产生感应信号； 
3个电连接端子，分别为接地端、电源端以及信号输出端。 
优选地，所述永磁铁的内部磁化方向与所述旋转轴的轴向垂直。 
优选地，所述磁阻传感器组件包括两个传感器，该两个传感器的灵敏度轴彼此相互正交，并且垂直于旋转轴。 
优选地，通过使用定位销，将所述转动杆绕旋转轴旋转的角度限制在小于360°范围内。 
优选地，该转动杆包括沿转动杆周边垂直于轴向设置的凹槽和设置在凹槽中的卡簧以使所述转动杆的运动仅为绕旋转轴旋转。 
优选地，所述外壳包括限制所述转动杆的柱形壳和固定所述磁阻传感器组件的底部盖板。 
优选地，所述非接触式电位器进一步包括与所述磁阻传感器组件耦合的控制电路，以使所述感应信号以脉冲宽度调制波形形式输出，所述波形中的占空比比例与旋转角度比成正比。 
进一步地，所述控制电路包括用于电源控制电路的芯片SP6201，用于微控制器单元电路的芯片C8051F912，用于前置放大电路的芯片LMV324，以及用于传感器芯片电路的芯片MMA243。 
本实用新型具有如下有益效果： 
本实用新型提供的非接触式电位器具有精密性能好、功率损耗小和成本低的优点，并且能更快、更容易将复杂的带有磁场信息的模拟信号转化为标准的数字信号。 
附图说明
图1为本实用新型实施例1提供的非接触式电位器的分离状态的剖面图； 
图2为本实用新型实施例1提供的非接触式电位器的组合状态的剖面图； 
图3为本实用新型实施例1提供的非接触式电位器的俯视图； 
图4为本实用新型实施例1提供的非接触式电位器的传感器芯片与永磁铁的位置关系的立体示意图； 
图5为本实用新型实施例1提供的非接触式电位器的传感器芯片与永磁铁的位置关系的剖面示意图； 
图6为本实用新型实施例1提供的非接触式电位器的输出电压与旋转角度的关系曲线图； 
图7为脉冲宽度调制输出信号的波形图； 
图8为PWM波形的占空比与旋转角度比的关系曲线图； 
图9为本实用新型实施例1提供的非接触式电位器的单片机的电路图； 
图10为本实用新型实施例1提供的非接触式电位器的时钟电路的电路图； 
图11为本实用新型实施例1提供的非接触式电位器的功率调节器的电路 图； 
图12为本实用新型实施例1提供的非接触式电位器的传感器芯片电路的电路图； 
图13为本实用新型实施例1提供的非接触式电位器的前置放大器单元的电路图； 
图14为本实用新型实施例1提供的非接触式电位器的连接器单元的电路图； 
图15为本实用新型实施例2提供的非接触式电位器的组合状态的剖面图。 
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型的实用新型内容作进一步的描述。 
实施例1 
如图1和图2所示，本实施例提供的非接触式电位器包括转动杆1、永磁铁2、传感器芯片3、印刷电路板(PCB)4、底座5、盖板6和控制电路模块。底座5呈凸字形，其内部中空，且底端开口。底座5的顶端设有通孔7。转动杆1的中部设有凹槽8，且转动杆1的底部设有空腔9。永磁铁2设置于转动杆1底部的空腔9内，且永磁铁2能够随转动杆1转动。在本实施例中，永磁铁2呈例如圆盘形。转动杆1穿过底座5顶端的通孔7，转动杆1中部的凹槽8卡合固定于通孔7处，使得转动杆1能够相对于底座5转动。转动杆1的凹槽8至空腔9的部分位于底座5内，转动杆1的其余部分位于底座5外。底座5的上端面的内壁上设有连接柱10。印刷电路板4与连接柱10固定连接，且印刷电路板4从底座5的一侧壁上伸出。传感器芯片3固定于印刷电路板4上，且传感器芯片3的位置与空腔9内的永磁铁2的位置对应。传感器芯片3与永磁铁2之间的距离被设置为使得传感器芯片3工作在其线性范围内。盖板6设于底座5底端的开口处，用于封闭底座5底端的开口。 
如图3所示，优选地，转动杆1的外侧壁上设有隔档11，在底座5上设有定位销12。当转动杆1相对于底座5转动，且隔档11旋转至定位销12所在位置处时，定位销12能够阻挡隔档11，从而使转动杆1相对于底座5转动的角度范围为0-360°。印刷电路板4上设有三个焊盘，即第一焊盘13、第二焊盘14和第三焊盘15，且第一焊盘13、第二焊盘14和第三焊盘15位于底座5的 外部，其中第一焊盘13用于与电源(图中未示出)电连接；第二焊盘14接地；第三焊盘15为信号输出端，用于输出脉冲宽度调制（PWM）的数字信号。 
优选地，本实施例的非接触式电位器的转动杆1的凹槽8内设有O型环、卡簧或者塑料滑动圆盘，用于使转动杆1仅能相对于底座5转动，而不能沿平行于旋转轴101的方向移动。 
传感器芯片3包括两个独立的磁传感器(图中未示出)，该两个磁传感器的敏感方向都垂直于旋转轴101，且该两个传感器的敏感方向在传感器芯片3所在的平面内互相垂直。如图4和图5所示，在本实施例中，旋转轴101平行于Z轴方向，传感器芯片3的两个磁传感器的敏感方向分别平行于X轴和Y轴方向。永磁铁2的磁化方向如图3和图4中的N极和S极所示，即永磁铁2的磁化方向垂直于旋转轴101。如图6所示，当永磁铁2绕旋转轴101旋转时，传感器芯片3所在位置的沿X轴和Y轴方向的磁场随旋转角度的变化曲线分别呈正弦曲线9和余弦曲线10。 
传感器芯片3的两个传感器用于将永磁铁2产生的磁场的幅度变化转化为模拟电压信号，且传感器芯片3的两个传感器输出的模拟电压信号与外加磁场之间呈线性正比关系。当传感器芯片3工作在线性范围内时，传感器芯片3的两个传感器的输出电压信号分别与沿X轴和Y轴方向的外加磁场成线性关系。传感器芯片3的两个传感器输出的模拟电压信号可以直接输出，也可以用模拟数字转换器(ADC)将其转换成数字信号后输出供使用。在本实施例中，用模拟数字转换器转换后的数字信号为脉冲宽度调制PWM（Pulse width modulation）的数字信号，其波形如图7所示，横轴表示时间，波形30是一个有固定周期21TCycle的循环函数。波形30的电压值为VLow24或VHigh25。波形30的每一个周期在电压VHigh25处的时间为THigh22，在电压VLow24处的时间为TLow23。THigh22和TLow23分别为700微秒和300微秒，TCycle21为1000微秒。THigh22与TCycle21的数学比例称为“输出占空比”。在本实施例中，图7显示的波形30的输出占空比为70%。PWM的数字信号能够实现高电平与低电平之间的相互转换，并且能够体现数字信号在高电平和低电平持续的时间。PWM的数字信号的波形的占空比与永磁铁2的旋转角度成正比。 
如图8所示，用一个自定义设计电路和程序将图6中的曲线9和10上的 两个正余弦波形输入转化为曲线29，这个图是输出占空比与旋转角度比（转动杆1旋转的角度与其所能旋转的最大角度之间的比值）之间的关系图，这个示意图称为脉冲宽度调制（PWM）。因此，PWM是一种将任意振幅和形状的无规则模拟信号改变为有标准特性的规则的数字波形的方法。 
本实施例的非接触式电位器的控制电路模块包括单片机51、时钟电路52、功率调节器61、传感器芯片电路62、前置放大器单元63和连接器单元64。该控制电路模块用于将传感器芯片3检测的磁场转化为电信号输出。 
如图9所示，单片机51以及其外围电路部件第一电阻R4、第二电阻R5、第八电容C8和第九电容C9以常规的方式固定在印刷电路板4上。 
为了将放大输入信号70-73转化为PWM的输出信号75，单片机51的作用如下：第一，通过模拟数字转换器(ADC)将X轴传感器和Y轴传感器输出的模拟信号转化为数字信号；第二，基于所转化成的数字信号，采用数字电路算法计算转动杆1的适合位置所对应的角度；第三，产生PWM波形，该波形的占空比与永磁铁2的旋转角度成正比。单片机51产生的PWM波形向节点75输出，节点75与印刷电路板4的第三焊盘15电连接。 
如图10所示，时钟电路52也固定在印刷电路板4上。时钟电路52的连接件C2CK53与单片机51的连接件C2CK54电连接。时钟电路52的连接件VDD3V356用于提供3.3伏特级的电压。时钟电路52的接地端55接地，且与其他电路的接地端电连接。时钟电路52在截止频率处能产生震荡的电压信号，系统中其他电路可根据该信号来进行电子计时。 
如图11所示，功率调节器61用于从VDD5V57中减少5伏特级的非稳态电压，并用于输出一个稳定的3.3伏特的电压到连接件VDD3V356。功率调节器的外围部件第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4都固定于印刷电路板4上。功率调节器61可为敏感电子器件提供一稳定的电压。 
如图12所示，传感器芯片电路62的传感器芯片3从节点VDD3V356与接地端55之间获取电压。传感器芯片3的输出电压为所测得的X轴传感器上节点X-_SENSOR66和X+_SENSOR67之间的电压以及Y轴传感器上节点Y-_SENSOR68和Y+_SENSOR69之间的电压。这些电压信号分别是X轴传感器和Y轴传感器在图6中由曲线9和曲线10所示的电压信号。传感器芯片电 路62外围的连接器C5固定于印刷电路板4上。传感器芯片电路62用于将外加磁场的信息转化为电子电压。 
如图13所示，前置放大器63单元从节点VDD3V356与接地端55之间获取电压。前置放大器单元包括4个前置放大器，该四个前置放大器各有一个来自于传感器芯片电路62的输入信号。该四个前置放大器的放大信号输出端分别在节点X+_MCU70、X-_MCU71、Y+_MCU72和Y-_MCU73处。前置放大器63外围的连接器C7电连接到印刷电路板4上，前置放大器63的输出信号70-73电连接到单片机51的相应节点处。前置放大器63可增大传感器附近的模拟电子信号的幅度。 
如图14所示，连接器单元64包括外部连接器641和内部连接器642，其可将电子输入和输出连接点集合到合适的位置，图中所示的为4-线连接。 
在本实施例中，非接触式电位器的外形与现有技术的圆柱体形电位器相同。因此，在实际应用中，本实施例的非接触式电位器能够用于现有技术的圆柱形的电位器的替代品。 
实施例2 
如图15所示，本实施提供的非接触式电位器与实施例1的非接触式电位器的区别为：盖板6上设有两个连接柱10，印刷电路板4与连接柱10固定连接；其余与实施例1相同。 
应当理解，以上借助优选实施例对本实用新型的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本实用新型说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。 

Claims (8)

1.一种非接触式电位器，其特征在于，包括以下几个部分： 
带孔的机械外壳； 
转动杆，包括顶端和固定有永磁铁的磁铁端，所述顶端可接受外力矩作用，带动所述转动杆和所述永磁铁相对于所述外壳绕旋转轴旋转； 
相对于所述外壳固定的磁阻传感器组件，包括一个或多个传感器芯片，所述传感器芯片在感应平面上的灵敏度轴垂直于所述旋转轴，并沿所述旋转轴方向与所述永磁体之间相隔有一预定距离，用于感应所述永磁铁绕所述旋转轴旋转时的磁场变化产生感应信号；以及 
3个电连接端子，分别为接地端、电源端以及信号输出端。 
2.根据权利要求1所述的非接触式电位器，其特征在于：所述永磁铁的内部磁化方向与所述旋转轴的轴向垂直。 
3.根据权利要求1所述的非接触式电位器，其特征在于：所述磁阻传感器组件包括两个传感器，该两个传感器的灵敏度轴彼此相互正交，并且垂直于旋转轴。 
4.根据权利要求1所述的非接触式电位器，其特征在于：通过使用定位销，将所述转动杆绕旋转轴旋转的角度限制在小于360°范围内。 
5.根据权利要求1所述的非接触式电位器，其特征在于：该转动杆包括沿转动杆周边垂直于轴向设置的凹槽和设置在凹槽中的卡簧以使所述转动杆的运动仅为绕旋转轴旋转。 
6.根据权利要求1所述的非接触式电位器，其特征在于：所述外壳包括限制所述转动杆的柱形壳和固定所述磁阻传感器组件的底部盖板。 
7.根据权利要求1所述的非接触式电位器，其特征在于：所述非接触式电位器进一步包括与所述磁阻传感器组件耦合的控制电路，以使所述感应信号以脉冲宽度调制波形形式输出，所述波形中的占空比比例与旋转角度比成正比。 
8.根据权利要求7所述的非接触式电位器，其特征在于：所述控制电路包括用于电源控制电路的芯片SP6201，用于微控制器单元电路的芯片 C8051F912，用于前置放大电路的芯片LMV324，以及用于传感器芯片电路的芯片MMA243。 
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