专利名称：采用巨霍尔效应磁性传感器的智能流量计的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种流量计，尤其是一种采用巨霍尔效应(GHE，Giant HallEffect)磁性传感器的智能流量计。
背景技术：
通常流量计信号采集所选用的传感器，主要是干簧管，半导体霍尔元件和韦根传 感器。由磁体和干簧管作为提取信号的传感系统，当磁体靠近干簧管簧片时，磁力大到 能克服簧片的弹力时，簧片就吸合短接；当磁体远离簧片，吸引力小于弹力时簧片就分开， 即一个脉冲发出。干簧管具有使用方便、价格低廉、安装简单等特点。但作为触点开关，它 又具有脉冲波形差、维护性差、触点易抖动、易受外磁场及震动(如水锤现象)干扰等固有 缺陷。应用于智能流量计中的半导体霍尔传感器主要是低功耗开关型霍尔集成元件，该 传感器利用霍尔效应，实现磁电转换，从而可将智能流量计中计量元件的转动转化为磁场 的周期性变化，从而将磁场的变化转化为高、低电平的输出。它具有结构牢固、体积小、寿命 长、安装方便、功耗小、耐震动、输出波形清晰、无抖动、位置重复精度高等优点。但是从霍尔 元件的降耗原理来看，对于功耗数十微瓦的霍尔传感器，其响应频率一般为20Hz 30Hz， 而智能流量计，特别是智能水表的初级计量元件的转动频率通常为30Hz，因此低功耗霍尔 元件一般应用于次级计量元件的流量信号采集，这限制了霍尔元件在智能水表领域的应用 范围，同时霍尔器件的制造工艺比较复杂。韦根传感器的工作原理是，传感器中的双稳态功能合金材料在交变外磁场的激励 下，磁化方向瞬间发生翻转，而当外磁场撤离后，它瞬间恢复到原有的磁化方向，由此在合 金材料周围的检测线圈中会感生电信号，从而实现磁电转换。这种传感器的最大特点是无 须使用外加电源(零功耗)、无机械触点、无震动影响等，适用于微功耗仪表。它的缺点是输 出幅值低，只有IV左右，脉宽也只有30几个微秒。不利于信号远传，只能用于近距离采集、 处理。异常霍尔效应是一种很久以前就发现，但由于通常的金属材料中反常霍尔效应较 小而未引起足够注意。最近几年由于磁性多层膜的研究，发现在磁性金属多层膜中的异常 霍尔效应比通常的金属中要高几个数量级。因而仿照巨磁电阻效应而称其为巨霍尔效应。 由于磁性多层膜中的巨霍尔效应具有灵敏度高，高温度稳定性，低电阻率，制作工艺简单， 高频响应好的特点。因而可以被用来作为智能流量计中的磁场器件并提高流量计的综合性 能。
发明内容本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种采用巨霍尔效应 (GHE)磁性传感器的智能流量计，可应用在水量，油量，气体，热能等测量领域。[0008]按照本实用新型提供的技术方案，所述采用巨霍尔效应磁性传感器的智能流量计 包括流量计外壳，所述流量计外壳被保护层分隔为流体通道和流量计传感器区域；在所述 流体通道内设有与流量计外壳连接的支架，所述支架上安装旋转叶轮，旋转叶轮两端分别 设置一个N极朝上的小磁体和一个S极朝上的小磁体；在所述流量计传感器区域设置有流量计芯片，所述流量计芯片包括与GHE传感器 芯片连接的无线及有线数据收发�？楹褪菹允久姘澹鯣HE传感器芯片、无线及有线 数据收发�？楹褪菹允久姘寰酉低臣暗缭垂芾砟？�。在所述GHE传感器芯片外包裹有磁性屏蔽层，所述磁性屏蔽层位于流量计外壳 内。 所述GHE传感器芯片包括两个GHE器件，所述两个GHE器件的输出连接传感器专 用ASIC芯片，再连接微型中央处理器和存储单元。在所述保护层上固定所述GHE传感器芯片、无线及有线数据收发模块、数据显示 面板、系统及电源管理模块。本实用新型的工作原理是当有被测量流体通过时，流体带动旋转叶轮旋转，从而 带动N极朝上的小磁体和S极朝上的小磁体同时旋转，当N极朝上的小磁体经过GHE传感 器芯片时，GHE传感器芯片输出高电平，当S极朝上的小磁体经过GHE传感器芯片时，GHE传 感器芯片输出低电平。高低电平通过微型中央处理器进行处理后，存储到流量计数据存储 单元，可通过数据显示面板显示，也可通过无线或有线数据收发�？榻惺荽�。系统及 电源管理�？榈墓δ苁切骺刂普鯣HE流量传感器系统和对系统提供低功耗控制。本实用新型的优点是功耗微小、工作频率范围宽、工作温度范围宽、结构牢固、体 积小、寿命长、安装方便、耐震动、输出波形清晰、无抖动、位置重复精度高，电磁屏蔽结构简 单，防倒转错误计算等。
图1 (a)是巨霍尔效应(GHE)工作原理；图1(b)是巨霍尔效应的电压输出特性示意图；图2是GHE流量计传感器电路�？槭疽馔迹煌�3是GHE流量计结构示意图；图4是单个GHE器件的信号输出示意图；图5是流量计正转时GHE器件的信号输出示意图；图6是流量计倒转时GHE器件的信号输出示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。GHE磁场传感器工作原理的及其电压输出特性如图1所示。GHE磁场传感器，其材 料是磁性多层膜结构(材料为X/CoPt，X为Fe、Co、Ni)。传感器形状如图1 (a)所示，包括 电流输入端13、输出端14，电流15，电压输出端11、12，以及垂直于传感器的外加磁场16。GHE传感器的电压输出特性，如图1 (b)所示。当电流15由电流输入端13流向电 流输出端14时，在外加垂直于传感器的磁场16作用下，在电压输出端11和12输出霍尔电时，巨霍尔磁场传感器的输出电压V = V0Ut(+)-V0Ut(-)随 着外磁场16的方向和大小的改变而发生变化。当GHE传感器工作在开关状态时，外加磁场 方向为正且大于H2时，GHE传感器达到饱和，并输出高电平18 ；外磁场方向为负且大于Hl 时，GHE传感器达到饱和并输出低电平17。如图2所示，GHE流量计芯片的结构包括与GHE传感器芯片212连接的无线及有 线数据收发�？�215和数据显示面板219，所述GHE传感器芯片212、无线及有线数据收发 �？�215和数据显示面板219均连接系统及电源管理�？�216。其中GHE传感器芯片212包括两个GHE器件芯片217、218的输出连接传感器专 用芯片(ASIC) 213，再连接微型中央处理器(MCU)和存储单元214，它们被封装在同一个模 块内。如图3所示，本实用新型所述的GHE智能流量计的结构包括流量计外壳314、 321，流量计进出口 311和312，流量计外壳314、321内部被保护层320分隔为流体通道和流 量计传感器区域；在所述流体通道内设有与流量计外壳连接的支架315，所述支架315上安 装旋转叶轮313，旋转叶轮313两端分别设置一个N极朝上的小磁体317和一个S极朝上的 小磁体316 ；在流量计传感器区域设置有所述GHE流量计芯片；N极朝上的小磁体317产生 的磁场318，S极朝上的小磁体316产生的磁场319 ；磁性屏蔽层322包裹着GHE传感器芯 片212。磁性屏蔽层322只屏蔽外部磁场对GHE传感器芯片212的干扰，并不妨碍GHE传感 器芯片212感应流量计内部磁体的磁场信号。所述GHE传感器芯片212、无线及有线数据收 发�？楹褪菹允久姘�215、219、系统及电源管理�？�216固定在将流量计传感器与流体 隔离的保护层320上。本实用新型的工作原理是当有被测量流体通过流量计进出口 311，312流过时， 流体带动旋转叶轮313旋转，从而带动N极朝上的小磁体317和S极朝上的小磁体316同 时旋转，当N极朝上的小磁体317经过GHE传感器芯片212时，GHE传感器芯片感应到磁场 318并输出高电平，当S极朝上的小磁体216经过GHE传感器芯片212时，GHE传感器芯片 感应到磁场319并输出低电平。隔离的保护层320的功能是隔离被测流体与传感器�？榧� 相应的电路。磁性屏蔽层322屏蔽外界磁性的干扰。GHE流量计传感器的工作原理是GHE芯片217，218采集流量计N极朝上的小磁体 和S极朝上的小磁体产生的磁场信息，并传递到传感器专用芯片ASIC 213进行信号处理， 处理后的GHE芯片217和218的信号如图4所示，当N极朝上的小磁体317经过GHE芯片 217和218，信号为高电平，当S极朝上的小磁体316经过GHE芯片217和218，信号为低电 平。由于GHE芯片217和218的位置不同(图2所示)，当流量计正转时，磁体先经过GHE 芯片217，然后是GHE芯片218，所以GHE芯片217的信号变化先于GHE芯片218的信号变 化，如图5所示，GHE芯片217的信号变化511先于GHE芯片218的信号512变化。当流量 计倒转时，磁体先经过GHE芯片218，然后是GHE芯片217，所以GHE芯片218的信号变化先 于GHE芯片217的信号变化，如图6所示，GHE芯片218的信号变化512先于GHE芯片217 的信号511变化。微型中央处理器MCU和存储单元214从传感器专用芯片ASIC 213采集处理后的 信号并进一步处理成流量数据并存储。流量数据可通过数据显示面板219显示，也可以通 过无线及有线数据收发�？�215向外传输。系统及电源管理�？�216的功能是协调控制整
5个GHE流量传感器系统和对系统提供低功耗控制。
权利要求采用巨霍尔效应磁性传感器的智能流量计，其特征是包括流量计外壳，所述流量计外壳被保护层分隔为流体通道和流量计传感器区域；在所述流体通道内设有与流量计外壳连接的支架，所述支架上安装旋转叶轮，旋转叶轮两端分别设置一个N极朝上的小磁体和一个S极朝上的小磁体；在所述流量计传感器区域设置有流量计芯片，所述流量计芯片包括与GHE传感器芯片连接的无线及有线数据收发�？楹褪菹允久姘澹鯣HE传感器芯片、无线及有线数据收发�？楹褪菹允久姘寰酉低臣暗缭垂芾砟？�。
2.如权利要求1所述的流量计，其特征是在所述GHE传感器芯片外包裹有磁性屏蔽层， 所述磁性屏蔽层位于流量计外壳内。
3.如权利要求1所述的流量计，其特征是所述GHE传感器芯片包括两个GHE器件，所述 两个GHE器件的输出连接传感器专用ASIC芯片，再连接微型中央处理器和存储单元。
4.如权利要求1所述的流量计，其特征是在所述保护层上固定所述GHE传感器芯片、无 线及有线数据收发�？�、数据显示面板、系统及电源管理�？椤�
专利摘要本实用新型提供一种采用巨霍尔效应磁性传感器的智能流量计，包括流量计外壳，所述流量计外壳被保护层分隔为流体通道和流量计传感器区域；在所述流体通道内设有与流量计外壳连接的支架，所述支架上安装旋转叶轮，旋转叶轮两端分别设置一个N极朝上的小磁体和一个S极朝上的小磁体；在所述流量计传感器区域设置有流量计芯片。本实用新型的优点是功耗微小、工作频率范围宽、工作温度范围宽、结构牢固、体积小、寿命长、安装方便、耐震动、输出波形清晰、无抖动、位置重复精度高，电磁屏蔽结构简单，防倒转错误计算等。
文档编号G01F1/58GK201740550SQ20102023642
公开日2011年2月9日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者王建国, 薛松生 申请人:王建国;薛松生
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