一种基于霍尔传感器阵列的运动测量装置及方法与流程

本发明涉及运动测量，尤其涉及一种基于霍尔传感器阵列的运动测量装置及方法。

背景技术：

1、斜面小车运动实验通常需要获得小车在不同位置处的到达时刻、速度或位移等运动参数。现有方案中，可以通过人工读数、机械限位、光电传感器、霍尔传感器等方式采集小车经过某一检测点的时间，再结合检测点之间的距离进行运动参数计算。

2、采用霍尔传感器进行小车运动检测时，霍尔传感器通常作为开关元件使用。当小车上的永磁体经过霍尔传感器附近时，霍尔传感器输出触发信号，控制端由此获得小车经过相应检测点的触发时间。该类使用方式主要关注触发信号的有无及触发时间，尚未充分利用霍尔传感器在装置中的预设物理位置以及相邻霍尔传感器之间的物理间距作为运动参数解算的空间基准。

3、因此，需要一种能够在霍尔传感器作为开关元件输出触发信号的基础上，将多个霍尔传感器的预设物理位置和物理间距转化为定距测时空间基准的运动测量装置及方法，以便在小车运动过程中同步获得可靠的触发时间和运动参数。

技术实现思路

1、为解决上述至少一个技术问题，本发明提供一种基于霍尔传感器阵列的运动测量装置及方法，其通过沿预定直线运动路径固定多个霍尔传感器，由控制采集部件记录触发时间，并基于至少两个霍尔传感器之间的物理间距和触发时间之差计算小车速度；进一步地，可基于被触发的霍尔传感器数量、相邻被触发霍尔传感器之间的物理间距以及起始物理位置确定小车位移。

2、一方面，本发明提供一种基于霍尔传感器阵列的运动测量装置，包括承载机构、小车、霍尔传感器阵列以及控制采集部件。

3、承载机构包括跑道以及用于支撑跑道的支撑架，支撑架使跑道倾斜设置，沿跑道的长度方向形成预定直线运动路径。预定直线运动路径是指由跑道的延伸方向限定的小车直线运动方向。小车设置于跑道并在重力作用下沿预定直线运动路径下滑，小车底部设有永磁体。

4、霍尔传感器阵列包括沿预定直线运动路径间隔固定的多个霍尔传感器，各霍尔传感器分别对应一预设物理位置。预设物理位置是指霍尔传感器在装置坐标或跑道长度方向上的固定安装位置；两个霍尔传感器的预设物理位置之间的距离为物理间距。物理间距可以由装配时预先确定，也可以由霍尔传感器在电路板上的固定焊接位置确定。

5、控制采集部件与霍尔传感器阵列电连接，被配置为记录各霍尔传感器响应永磁体经过而产生触发信号的触发时间，并基于至少两个霍尔传感器之间的物理间距和触发时间之差计算小车的速度。触发时间是指霍尔传感器因永磁体运动至其感应范围内而输出触发信号时，由控制采集部件记录的时间点。

6、在一种实施方式中，霍尔传感器成组设置，每组霍尔传感器包括第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，相邻两组霍尔传感器的组间距为4.0cm，每组内第一霍尔传感器与第二霍尔传感器的间距为1.5cm。由此，同一组内的两个霍尔传感器能够提供较短距离内的时间差测量，相邻两组霍尔传感器能够提供沿路径方向的多点测量。

7、在一种实施方式中，霍尔传感器阵列包括沿预定直线运动路径延伸的电路板，多个霍尔传感器固定于电路板，电路板与跑道相对固定。通过电路板统一承载多个霍尔传感器，能够使霍尔传感器作为开关元件输出触发信号的同时，对应稳定的预设物理位置和物理间距，便于控制采集部件将触发时间与空间位置关联。

8、在一种实施方式中，承载机构还包括底板，跑道的一端与底板转动连接，跑道的另一端由支撑架支撑，以使跑道择一形成5°、10°或15°的倾斜角度。由此，可通过跑道相对于底板的转动配合和支撑架的多档支撑配合，获得不同斜面倾角下的小车运动数据。

9、在一种实施方式中，支撑架为一体式阶梯支撑架，支撑架具有高度不同的一级支撑部、二级支撑部和三级支撑部，跑道的另一端择一支撑于一级支撑部、二级支撑部或三级支撑部。由此，通过不同高度的支撑部承托跑道的另一端，使跑道对应形成5°、10°或15°的倾斜角度。

10、在另一种实施方式中，支撑架包括固定于底板的支撑立板，支撑立板设有沿高度方向间隔布置的第一定位配合部、第二定位配合部和第三定位配合部，跑道的另一端设有支撑销轴，支撑销轴择一与第一定位配合部、第二定位配合部或第三定位配合部配合。由此，通过支撑销轴与不同高度定位配合部的配合，使跑道对应形成5°、10°或15°的倾斜角度。

11、在一种实施方式中，小车包括车体、设置于车体两侧的滚动支撑件以及设置于车体内的配重件，滚动支撑件与跑道滚动接触，配重件用于调整车体两侧滚动支撑件的受力，永磁体固定于车体底部。滚动支撑件可以为轴承、滚轮或其他能够沿跑道滚动支撑车体的部件，配重件可以为橡皮泥、金属配重块、树脂配重块或其他能够改变小车重量分布的配重材料或配重结构。

12、在一种实施方式中，永磁体设置于小车底部并朝向霍尔传感器阵列，永磁体的下端至少部分露出于小车底面；小车沿预定直线运动路径下滑时，永磁体经过霍尔传感器阵列的感应侧。感应侧是指霍尔传感器阵列中朝向永磁体运动轨迹、能够接收永磁体磁场变化的一侧。

13、在一种实施方式中，跑道包括沿预定直线运动路径延伸且相互间隔的两条导轨，电路板设置于两条导轨之间，小车沿两条导轨限定的路径下滑，永磁体随小车从电路板上方经过。由此，两条导轨对小车的运动方向进行约束，电路板位于小车下方且处于永磁体经过区域内，便于霍尔传感器阵列稳定触发。

14、另一方面，本发明提供一种基于霍尔传感器阵列的运动测量方法，该方法采用上述基于霍尔传感器阵列的运动测量装置，包括：

15、s1：使小车在重力作用下沿预定直线运动路径下滑；

16、s2：通过控制采集部件记录各霍尔传感器响应永磁体经过而产生触发信号的触发时间；

17、s3：基于至少两个霍尔传感器之间的物理间距和触发时间之差计算小车的速度；

18、s4：基于被触发的霍尔传感器的数量、各相邻被触发霍尔传感器之间的物理间距以及起始物理位置，确定小车的位移。

19、在一种实施方式中，步骤s2中，将至少两个霍尔传感器确定为同一组的第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，控制采集部件记录第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的触发时间，并以二者的触发时间之差作为小车通过同组霍尔传感器的时间差。

20、在一种实施方式中，在同一释放工况下重复执行s1至s4以获得多组触发时间和运动参数，并对多组触发时间和运动参数进行平均值、标准差或偏差范围处理；和/或改变小车在跑道上的释放位置或改变跑道的倾斜角度后重复执行s1至s4。

21、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

22、第一，本发明将多个霍尔传感器沿预定直线运动路径间隔固定，控制采集部件以至少两个霍尔传感器之间的物理间距作为空间量，以触发时间之差作为时间量，从而形成定距测时的运动测量方式。

23、第二，本发明可以通过电路板统一固定多个霍尔传感器，使霍尔传感器之间的物理间距由电路板或装配结构保持，减少分立安装传感器时位置易变、连线易扰动的问题。

24、第三，本发明可以通过电路板统一固定多个霍尔传感器，使霍尔传感器作为开关元件输出触发信号的同时，对应稳定的预设物理位置和物理间距，便于将触发时间转化为具有空间坐标含义的测量数据；进一步地，通过对霍尔传感器进行bh值一致性筛选，可以降低不同霍尔传感器磁滞参数差异对触发时间的影响，提高多点测量数据的一致性。

25、第四，本发明通过两条导轨限定小车运动路径，并将电路板设置于两条导轨之间，使至少部分露出于小车底面的永磁体能够从霍尔传感器阵列上方经过；同时，可通过配重件调整小车两侧滚动支撑件的受力，有利于保持永磁体与霍尔传感器阵列的相对位置稳定。

26、第五，本发明能够基于同一组或多组霍尔传感器的触发时间形成数据记录表，数据记录表可以包括磁体接近时刻、霍尔位移、两霍尔时间差、物理间距平均速度以及瞬时速度等字段。通过该类数据字段，可以直接观察同一物理间距内的时间差变化、不同释放位置下的初始速度变化以及重复测量数据的偏差情况，从而为运动参数测量结果提供可追溯的数据支撑。