基于磁敏元件的双重纠错绝对式编码油缸设计

刘 毅

（同济大学机械电子研究所，上海200092）

随着电力电子技术的发展，采用微功耗的集成磁敏元件进行非接触式测量，是传感检测技术的重要发展方向。针对长行程液压缸的位移检测，文献[1]和文献[2]提出了基于磁场强度测量的油缸位移测量方法。该方法采用一个线性霍尔元件，对油缸活塞杆齿槽内的磁场强度进行测量，霍尔元件通过移位读取绝对位置编码。但是该方法需要模数转化，初始运动较大一段距离后，才能读数测量，并且按照帧重叠进行的编码序列，不具有唯一性，这不利于编码的标准化扩展。为解决上述问题，文献[3]提出了一种利用磁敏元件阵列的数字式位移测试方法，在编码识别中采用具有标识码的间隔移位读数方法，测量分辨率小于霍尔元件的轴间尺寸。但是，该方法的测量结果不能跨越两个完整码区，所以不能进行码值的逐位纠错。本文使用微功耗集成霍尔元件TLE4913，设计一种基于以上基础的双重纠错编译码油缸，通过编码过程的码区填充和译码过程的逐位纠错，使测量分辨率小于霍尔元件的轴间尺寸的同时，提高位移测量过程的可靠性和抗干扰能力。该方法在长行程油缸位移测量中具有很高的性价比。

1 磁敏元件的选择

磁场检测所用的磁敏元件主要包括半导体磁阻和霍尔器件，它们都可以制成集成线性器件和开关器件。当作为开关器件使用时，选择磁敏元件则主要关心磁敏元件的体积、测试探头的尺寸以及探头封装的垂直度，磁敏元件的面积与被测磁场的面积相比越小，磁场检测的分辨率和精度越高。

如图1所示为微功耗集成霍尔开关TLE4913，SC59-3-x贴片封装，供电电压2.4～5.5V，输入电流1 μA，导通电流1 mA，长度和宽度均为3 mm，磁敏感区小于0.5 mm。该芯片价格便宜，内部集成误差补偿和逻辑运算电路，抗干扰能力强，并且具有4 kV静电保护，正常工作温度为-40～85℃，适应工程应用中液压油缸的作业环境。此外，该芯片工作电压和功耗都很低，能够适应由电池直接供电的场合，如制成无线位移传感器等。

图1 霍尔元件TLE4913结构原理

2 活塞杆编译码的设计

2.1 活塞杆编码原理

工业工程领域中，长行程油缸作为执行机构应用十分广泛，特别是在大型、重型设备（如大型水闸提升设备、海洋工程、工程机械等）中，使用极其普遍。采用传统方法对长行程油缸进行位移测量时，必须使用大量程的位移传感器，如拉线式传感器、磁致伸缩传感器等，显然既不经济，安装十分困难，并且不能进行绝对位移测量。

图2 磁敏元件位移测试原理

根据文献[3]所述，采用如图2所示的非接触式测量结构。在被测的铁磁性材料工作部件（即油缸活塞杆）表面加工有凹槽和凸槽，上面喷涂有非磁性材料（如陶瓷）。霍尔元件按照排列方向与活塞杆平行安装，当相对活塞杆运动时，能够检测到凹凸部位不同的磁场强度。以单位宽度为b（mm）的凹槽表示数据位“0”或填充位，以单位宽度的凸槽表示数据位“1”或标志位，凹槽或凸槽的高度均为h（mm）。标志位用两个连续的凸槽表示，相邻两个数据位之间，或者数据位与标志位之间，均有一个填充位。所以，在活塞杆表面任取一个码段，出现连续凸槽的一定为标志位。另外，数据位的编码规则采用格雷码，因为格雷码在相邻两个码值转化时，只有一位元素发生变化，可以减少逻辑混淆和实现纠错。

按照图2所示的编码方法，若活塞杆上每个码段数据的位数为m，则每个码段的长度为L=(2m+3)×b，可测量的活塞杆总长度为S=2m×(2m+3)×b。若槽宽b=2 mm，当m=6时，S=1 920 mm，当m=10时，S=47 104 mm。实际中，数据码的位数由油缸的设计行程决定，数据码位数每增加一位，可测量的油缸总行程将成倍增加。

霍尔元件的排列覆盖两个码段，这样在任意时刻都能读取一个完整的码段。磁敏元件的排列方法，在一维范围内受元件尺寸的限制，轴间距应＞3 mm；在二维范围内受油缸轴径的限制，径向范围排列以2～3组为宜。

2.2 一维霍尔阵列的译码

图3 磁敏元件的一维排列结构和滑动码区

按照一维直线排列霍尔元件，设数据位m=6，轴间距为N=4 mm，则码段长度为L=30 mm，覆盖两个码区需要16个霍尔元件，霍尔阵列平行与活塞杆。当活塞杆从左往右运动时，霍尔阵列每次读取16位二进制序列，如图3（a）所示。

在X=X0时刻，霍尔阵列读取到二进制序列为

该序列中能够找到或补全标识码序列，因此能够计算初始位移

其中，D为标识码的前置数值码，t为标识码右移的位数，p根据标识码完整与否取为0或者2，具体分析参照文献[3]。但是，上述霍尔元件阵列读取到的二进制序列是间隔的，因此不保证具有唯一性，所以初始读数可能出现错误译码。

在X=X0+b时刻，霍尔阵列读取到二进制序列为

将两次读取到的二进制序列错一位合并成32位序列，即得到一段滑动码区

从该滑动码区低位的某一位开始（记为k第位），总能找到两组连续的“11”，即为标志位R，其中间的低12位部分即为数值码（带填充位的格雷码，其十进制值记为D），如图3（b）所示。因此，此时的位移

以上方法使用了滑动码区，使测量分辨率小于霍尔阵列的轴间尺寸，所用霍尔元件较少。但是，间隔读数所得的序列不具有唯一性，因此上电后第一次读数可能出现误读。

2.3 二维霍尔阵列的译码

如图4所示，按照二维平面排列两组霍尔元件，PCB布线时使霍尔元件公共地在一条直线上。当活塞杆从左往右运动时，霍尔阵列每次读取32位二进制序列，用同样的方法判定标志位的位置，可求得活塞杆的位移l。

图4 磁敏元件的二维排列结构

二维排列使霍尔元件数量增加了一倍，但是每次读数使用静态码区，滑动码区仅用于填充位和格雷码规律双重纠错，因此实现了完全绝对式带纠错测量。

2.4 活塞杆的测试实验

制作一段按照图1所示编码规律、编码长度S=480的活塞杆，采用如图3所示的译码和纠错方式制作传感器电路板，译码芯片采用XC164CS单片机，该芯片内置CAN控制器，能够为传感器建立CAN总线接口。位移测量结果通过串口发送到计算机（如图5所示），为活塞杆匀速运动和产生阶跃时传感器的跟踪曲线。

图5 活塞杆运动测试曲线

3 结束语

利用磁敏元件绝对式编码测量油缸位移，相对传统接触式和模拟测量方式而言，具有安装方便、功耗低和可靠性高等特点，在长行程油缸绝对位移测量中具有良好的应用前景。本文设计了一种使用霍尔开关TLE4913的编译码方案，在试制的油缸活塞杆上进行了实际测试，测试结果表明该编译码方案具有良好的测量精度和纠错能力。

[1]潘 峰，丁 凡.帧重叠编码方法及其在行程传感液压缸磁性标尺中的应用研究[J].仪器仪表学报，2003，24（4）：364-367.

[2]潘 峰，丁 凡.基于磁场测量的行程传感液压缸技术的研究[J].中国机械工程，2003，14(2)：24-26，

[3]陈耿彪，乌建中，王达华.基于磁敏传感技术的位移测量编码与识别[J].电子测量与仪器学报，2008，（22）：483-485.

[4]古松一.液压缸活塞杆的陶瓷保护层和行程测量系统[J].水力发电，1995，(5)：39-41.

[5]龚向东，王 晨，喻开安.一种测量液压油缸位移的新方法[J].机械与电子，1995，(4)：7-8.

[6]尚群立，殷玲玲.基于磁阻原理非接触式位移测量的非线性方法[J].仪器仪表学报，2007，28（3）：524-528.