磁栅式防水数显卡尺的设计

0 引言

文中提出了一种基于磁敏电阻的的栅式位移传感器设计方案，该传感器测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污和水等介质的影响，在原理上具有真正的防水功能。［1］该原理应用于电子卡尺，将解决目前常用的容栅式数显卡尺在潮湿、有润滑油或灰尘等环境下不能使用的问题，拓展数显卡尺的使用领域，为数显卡尺进入制造加工现场创造条件。

1 磁栅式位移传感器的工作原理

磁栅式位移传感器结构如图1所示，磁栅条与磁敏电阻组合，构成磁栅位移传感器，其中磁栅条产生周期性变化的栅形磁场，作用于磁敏电阻。8个磁敏电阻构成2个惠斯通电桥，各电阻之间有固定的位置关系，使得2个电桥之间相差π/2，在未加栅形磁场时，电桥输出为零，加入栅形磁场后，随着电桥在磁场中位置的不同，两电桥分别输出正弦、余弦的交流电压信号，以供后续电路加以识别［2－3］。

磁敏电阻的位移转换原理如图2所示。

图中，2个电桥的输出可用下式表达:

S电桥:VS=Vmsin(2πx/λ)

C电桥:VC=Vmcos(2πx/λ)

式中:Vm为电桥输出幅度;x为相对位移值;λ为磁敏电阻的节距。

当电桥电源端 V1、V2分别加入 V1=Vncosωt，V2=Vnsinωt(式中Vn为驱动电压幅度，ω为载波频率)的驱动信号时，通过后续电路进行信号合成，则有

信号的相位(2πx/λ)与位移x呈线性关系，可供后续电路通过鉴相的办法进行分析计算，它构成了磁栅式位移传感器的计算原理［4－5］。

2 磁栅式防水数显卡尺的设计

图3为磁栅式防水数显卡尺的应用原理框图。电路对传感器输出的两路信号放大，放大后的信号一路到A/D变换成数字量，在MCU内用软件的方法计算比值并查表进行细分，另外一路经整形电路和逻辑电路，提取出位移的方向和位移的节距数，由可逆计数器计数，送到MCU内与细分值结合在一起，形成完整的位移值，并且送到显示驱动电路进行显示。

考虑到数显卡尺为微功耗器件，在电路原理性验证获得成功后，该项目设计专用集成电路芯片，将放大、整形、逻辑电路、可逆计数器等几部份集成到了半导体芯片中，改善电路的功耗、功、体积等方面性能，降低系统功耗，加快系统响应速度，增加系统运行的可靠性，提高系统的抗干扰能力。

3 磁栅型防水数显卡尺的结构

图4为应用磁栅式位移传感器制作的防水数显卡尺的结构图。图中磁栅条固定在不锈钢尺胚上，外敷刻度膜，构成主尺部分，磁敏电阻固定在线路板上，通过集成电路芯片及其他电路芯片，完成模数转换、数字处理，并将最终的位移量显示到液晶屏上。

整尺在采用磁栅式位移传感器进行原理性防水的同时，辅以机械密封设备，解决电路、电子元器件的防水问题。

4 试验测试与分析

文中采用的磁敏电阻布局如图5所示，8个磁敏电阻水平排列，相互之间有固定的位置关系。为了增大磁敏电阻信号的灵敏度，设计采用了巨磁电阻来做磁敏电阻，经实测可以达到实际使用要求;为了减小整尺的功耗，设计中尽可能增大了磁敏电阻的阻值，经实测单桥臂电阻阻值约为100 kΩ，有效减少了传感器的功耗，达到了国际同类产品的水平。

将磁敏电阻接成2个惠斯通电桥，随着位移变化，电桥输出特性如图6所示，电桥输出为正、余弦信号，幅度约为25 mV，两电桥的直流偏置略有差别，这是由于8个电阻的电阻一致性偏差造成，在后续电路中加入零位补偿处理，则传感器输出可以达到良好的精度。

经过样品设计与制作，组装后的样品如图7所示。

组装好的样品相关指标参数如表1所示。

表1 样尺相关参数

表中IP表示防护等级，“6”表示无灰尘进入，7表示短时间浸入水下1 m深处外壳进水量不至达到有害程度。

5 结束语

文中提出的基于磁栅式位移传感器的防水数显卡尺具有测量精度高、抗干扰性号、防水防油污等优点。该防水数显卡尺的研发成功，既可弥补传统容栅式数显卡尺的不足，又可拓展数显卡尺的应用领域，填补国内技术空白，具有良好的前景和效益。