CN103531011A

CN103531011A - 微型旋转传感器/换能器的脉冲信号非接触传输装置

Info

Publication number: CN103531011A
Application number: CN201310533614.1A
Authority: CN
Inventors: 傅德永; 周铁英; 陈宇; 陈晓冬; 薛平
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: CN103531011B

Abstract

本发明涉及微型旋转传感器/换能器的脉冲信号非接触传输装置，属于微型旋转传感器/换能器的脉冲信号非接触传输装置领域，该装置由两个微型空心电感线圈、固定支架和放置于空心电感线圈内的磁棒构成。一个空心电感线圈固接在固定支架上，电感线圈引线接入外部脉冲信号源和信号接收器；一个空心电感线圈引线连接到微型传感器/换能器上，并一同固定于微型驱动器的旋转轴，一起旋转运动；本发明利用电磁场理论，利用电感线圈的耦合作用，对脉冲信号进行非接触传输，且体积小，成本低，制作容易，对微型旋转传感或换能器件的寿命没有影响，适合其产业化发展的需要。

Description

微型旋转传感器/换能器的脉冲信号非接触传输装置

技术领域

本发明属于微型旋转传感器/换能器的脉冲信号非接触传输装置领域，尤其是涉及在狭小空间里微型旋转传感器/换能器的脉冲信号非接触传输装置结构设计。

背景技术

许多工业管道需要微型传感器进行环向扫描检测，对内壁进行探伤。很多人体器官需要微型超声换能器进行环向扫描早期检测诊断病变。一般接入微型旋转传感或换能器件的脉冲信号使用电刷传输，会发生接触不稳定，降低信噪比，信号丢失等问题。

对于目前使用的超声电子内窥镜设备（如日本富士能和奥林巴斯公司）中的超声换能器和电机之间由一根长约1.5米的细软钢丝柔性连接。电机留在体外带动软钢丝旋转，进而驱动另一端的超声换能器旋转，实现人体内腔断层的扫描成像，不将电机置于探头内部的主要原因是电机体积较大，无法由内窥镜的活检钳道进入体内，并且电磁电机对超声信号有较强的电磁干扰。软钢丝承受较大的扭矩，使用寿命不到50小时，而软钢丝的损坏直接导致了超声换能器探头的报废，因此大大增加了超声电子内窥镜设备成本。

本申请人研究的一种超声电子内窥镜设备，将超声微电机，高频脉冲超声换能器都集成在窥镜探头内。超声换能器由电机轴驱动旋转，这样换能器的信号线也随换能器一起转动，无法直接连接到脉冲信号源。前期采用电刷的方式进行了实验尝试，由于电刷尺寸很小，测试发现电刷的导通效果很差，不能满足脉冲信号传输使用。

微型旋转传感器/换能器是指与微型旋转驱动器（如微型电磁电机和微型超声电机）集成、以旋转运动方式工作的微型传感器/换能器。微型传感器主要包括温度、压力、速度、加速度和磁场强度等测量传感器，涡流传感器和光电传感器等。微型换能器主要指微型超声检测换能器，包括压电换能器、静电换能器和电磁声换能器等。受微型旋转驱动器和微型传感器/换能器集成的探测器系统尺寸限制，对微型旋转驱动器和微型传感器/换能器、和信号传输系统的设计都提出了很高要求。

发明内容

本发明的目的是为克服微型电刷接触不稳定对脉冲信号传输的影响和电刷的摩擦力对旋转驱动的阻力等弊端，提出一种微型旋转传感器/或换能器的脉冲信号非接触传输装置，本发明利用电磁场理论，利用电感线圈的耦合作用，对脉冲信号进行非接触传输，且体积小，成本低，制作容易，对微型旋转传感或换能器件的寿命没有影响，适合其产业化发展的需要。

本发明提出一种微型旋转传感器/换能器件的脉冲信号非接触传输装置，其特征在于，该装置包括至少两个同轴相套的内外电感线圈，电感线圈的引出线、导线，固定支架和一根磁棒；磁棒设置在一个内电感线圈内，两者一起固结到传感器或换能器的驱动器旋转轴上一起同步旋转；内电感线圈通过导线与连接微型传感器或换能器；一个外电感线圈与同轴相套的内电感线圈之间保持微小间隙,并与固定支座固定在一起，通过外电感线圈引出线连接脉冲信号源和信号接收器。

本发明提出第二种微型旋转传感器/换能器的脉冲信号非接触传输装置，其特征在于，该装置包括至少两个同轴上下设置的电感线圈，电感线圈的引出线、导线，固定支架和一根磁棒；磁棒下部设置在一个下电感线圈内，两者一起固结到传感器或换能器的驱动器旋转轴上一起同步旋转；下电感线圈通过导线与连接微型传感器或换能器；一个上电感线圈同轴套在磁棒上部外面，与磁棒及下电感线圈均保持微小间隙，并与固定支座固定在一起，通过其引出线连接脉冲信号源和信号接收器。

本发明提出第三种微型旋转传感器/换能器的脉冲信号非接触传输装置，其特征在于，该装置包括至少两个同轴相套的内外电感线圈，电感线圈的引出线、导线，固定支架和一根磁棒；磁棒设置在一个内电感线圈内，两者一起固结到固定支架；内电感线圈通过其引出线连接脉冲信号源和信号接收器；一个外电感线圈同轴套在内电感线圈外面与其保持微小间隙,并固结到微型传感器或换能器的驱动器旋转轴上一起同步旋转，外电感线通过导线与连接微型传感器或换能器。

本发明提出第四种微型旋转传感器/换能器的脉冲信号非接触传输装置，其特征在于，该装置包括至少两个同轴上下设置的电感线圈，电感线圈的引出线、导线，固定支架和一根磁棒；磁棒上部设置在一个上电感线圈内，两者一起与固定支架固定，上电感线圈通过其引出线连接脉冲信号源和信号接收器；下电感线圈同轴套在磁棒下部外面，并与磁棒及上电感线圈保持微小间隙，下电感线圈通过导线与连接微型传感器或换能器，并固接到传感器或换能器的驱动器旋转轴上一起同步旋转。

本发明的特点及有益效果：

本发明采用两个空心电感线圈与微型旋转驱动器的旋转轴同轴装配，两者之间保留一定的微小间隙，两者可以非接触、无摩擦的相对旋转运动。根据电磁场理论，两个间隙很小，同轴装配的电感线圈可以通过耦合稳定高效的传递高频脉冲电信号，线圈之间旋转运动基本不影响电感的耦合性能。旋转的传感器/换能器可以通过电感间的耦合获取脉冲电源提供的脉冲激励信号，传感器/换能器件检测的脉冲回波信号也可以由电感间的耦合传输到信号接收器。在空心电感线圈中插入磁棒，以便增强磁通量增强耦合度，提高接收信号的强度。

本发明的微型旋转传器/感或换能器的脉冲信号非接触传输装置，实现了从固定设备到旋转运动换能器的发射脉冲信号、从旋转运动换能器到固定设备双向的、非接触的高效信号传输，同时消除了电刷方式中不可避免的摩擦阻力。装置结构简单，易于安装，体积微小，直径小到1mm，长度小到2-3mm，将在生物、医疗、微机械、国防科技等方面有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的套管式旋转轴型微型旋转超声检测换能器的脉冲信号非接触传输装置实施例一的结构示意图。

图2为本发明的层叠式旋转轴型微型旋转涡流传感器的脉冲信号非接触传输装置实施例二的结构示意图。

图3为本发明的套管式固定轴型微型旋转超声检测换能器的脉冲信号非接触传输装置实施例三的结构示意图。

图4为本发明的层叠式固定轴型微型旋转涡流传感器的脉冲信号非接触传输装置实施例四的结构示意图。

图5为实施例一的实验效果图。

具体实施方式

本发明提出的一种微型旋转超声检测换能器的脉冲信号非接触传输装置结合附图及实施例详细说明如下：

实施例一为套管式旋转轴型微型旋转超声检测换能器的脉冲信号非接触传输装置，该装置的结构如图1所示，主要由外层电感线圈11、磁棒（或称磁芯）12、内层电感线圈13、导线15、固定支座17和引出线19构成；其中，外层电感线圈11通过固定支座17与微型超声检测换能器的驱动器定子外壳18固定，形成稳定结构，其引出线19与微型超声检测换能器的脉冲信号源及信号接收器连接。导线15由微型超声检测换能器的旋转轴14的中空管道穿过，用于内层电感线圈13和超声换能器16的连接。磁棒12同轴插在内层电感线圈13内，并固定于旋转轴14端部，与固定在旋转轴14另一端的超声换能器16一起旋转；外层电感线圈11同轴套在内层电感线圈13外，两者留有微小间隙，以便于内层电感线圈13的旋转。

本实施例的内层、外层电感线圈为圆环形空心结构，其横截面形状还可以是椭圆环形、三角形框、矩形框或其他凸多边形框。外层线圈的径向尺寸小于5mm，最小可以到1mm；长度小于15mm，最小可以到1mm。线圈可采用成品。内层线圈与磁棒固定，可以是直接绕制在磁棒上，也可以用成品的空心线圈。内层线圈应略小于外层线圈的内径，以便于内层线圈的旋转运动。

磁棒的形状可以是圆柱型、圆锥型、方柱型或多面体柱型及其组合，如工字型、梯形变截面杆型。磁棒的长度一般应略长于内层线圈，磁棒插入内层线圈部分的外径尺寸尽量与内层线圈的内径一致，磁棒伸出在电感线圈外的部分，外径可以大于外层电感线圈的外径。

外层电感线圈11与内层电感线圈13的径向间隙可以从0到2.5mm，通常取0.1-0.2mm。间隙过大会影响的电信号的耦合传输，间隙过小则难以避免内外层电感线圈的接触摩擦造成旋转驱动力的损耗。

固定支座17采用具有一定弹性、可以适当弯折的金属丝或金属片，以便于固定和调整外层电感线圈的位置和方向角。

外层电感线圈11通过引出线19与脉冲信号源、信号接收器连接电路中，以及电感线圈13与换能器16的连接电路中，都可以加入适当的匹配电容或匹配电阻，

本实施例可用于超声窥镜探头中微型旋转超声检测换能器的脉冲信号非接触传输。当外层电感线圈11通过引出线19获得脉冲信号源激励信号时，内层电感线圈13由于电磁感应产生相应的电压脉冲，并通过导线15加载和激励超声检测换能器16发射声脉冲，对目标进行检测；超声检测换能器16检测到的回波信号，经由导线15作用到电感线圈13，外层电感线圈11由于电磁感应产生相应的电压信号，该电压信号通过引出线19输送到信号接收器。这样，通过该套管式微型旋转传感或换能器件的脉冲信号非接触传输装置被接收。

实施例二为层叠式旋转轴型微型旋转涡流传感器的脉冲信号非接触传输装置

本实施例由上层电感线圈21、磁棒22、下层电感线圈23、导线25、固定支座27和引出线29构成。如图2所示，本实施例和实施例一的区别在于：电感线圈在旋转轴的轴向上下层叠分布。其中，

上层电感线圈21通过固定支座27与驱动器定子外壳28固定，形成稳定结构，其引出线29与脉冲信号源及信号接收器连接。导线25由旋转轴24的中空管道穿过，用于下层电感线圈23和微型涡流传感器26的连接。磁棒22的下半段同轴插在下层电感线圈23内，并固定于旋转轴24端部，与固定在旋转轴24另一端的微型涡流传感器26一起旋转。上层电感线圈21同轴套在磁棒22的上半段外，上层电感线圈21与磁棒22、下层电感线圈23之间均留有微小间隙，以便于下层电感线圈23和磁棒22一起旋转。

电感线圈和磁棒的外形和尺寸与实施例一相同，此处不再赘述。

上层电感线圈21与下层电感线圈23的轴向间隙可以从0到5mm，通常取0.1-1mm。上层电感线圈21与磁棒22的径向间隙可以从0到2.5mm，通常取0.1-0.2mm。

本实施例可应用于脉冲涡流传感器在狭小管道内的管壁缺陷无损检测领域，以旋转方式工作的微型脉冲涡流传感器26和脉冲信号源及信号接收器之间通过上、下层电感线圈之间的耦合来传输电信号。

实施例三固定轴型套管式微型旋转超声检测换能器的脉冲信号非接触传输装置

本实施例和实施例一的区别在于：外层电感线圈31固定在旋转轴34上，而作为套管中轴的内层电感线圈31和磁棒32则用与固定支座37固定，导线35与外层电感线圈31连接，引出线39与内层电感线圈33连接。如图3所示，装置由外层电感线圈31、磁棒32、内层电感线圈33、导线35、固定支座37和引出线39构成。

外层电感线圈31固定于旋转轴34端部，导线35由旋转轴34的中空管道穿过，连接到固定在旋转轴34另一端的微型超声检测换能器36，并随旋转轴34一起旋转。磁棒32同轴插在内层电感线圈33内，通过固定支座37与驱动器定子外壳38固定，形成稳定结构。内层电感线圈33的引出线39与脉冲信号源及信号接收器连接。外层电感线圈31同轴套在内层电感线圈33外，与两者留有微小间隙，内层电感线圈33和磁棒32与旋转轴34端部也留有微小间隙，以便于外层电感线圈31的旋转。

外层电感线圈31与内层电感线圈33的径向间隙可以从0到2.5mm，通常取0.1-0.2mm。内层电感线圈33和磁棒32与旋转轴34端部的轴向间隙取0.1-1mm，可以避免旋转时的接触，同时有利于导线35的通过。

实施例三的用途与实施例一完全相同。由于为连接导线35保留了的通过空隙，可能更有利于实际安装。

实施例四层叠式固定轴型微型旋转涡流传感器的脉冲信号非接触传输装置

本实施例和实施例二的区别在于：磁棒与上层电感线圈固定，磁棒与内层电感线圈及旋转轴留有空隙，有利于导线45的通过。如图4所示，装置由上层电感线圈41、磁棒42、下层电感线圈43、导线45、固定支座47和引出线49构成。

上层电感线圈41和部分插入其中的磁棒42一起通过固定支座47与驱动器定子外壳48固定，形成稳定结构，其引出线49与脉冲信号源及信号接收器连接。导线45由旋转轴44的中空管道穿过，用于下层电感线圈43和微型涡流传感器46的连接。下层电感线圈43内固定于旋转轴44端部，与固定在旋转轴44另一端的涡流传感器46一起旋转。磁棒42的下半段同轴插入下层电感线圈43。磁棒42的下半段与下层电感线圈43及旋转轴44端部之间，上层电感线圈41和下层电感线圈43之间，都留有微小间隙，以便于下层电感线圈43的旋转。

上层电感线圈41与下层电感线圈43的轴向间隙可以从0到5mm，通常取0.1-1mm。磁棒42与上层电感线圈43的径向间隙可以从0到2.5mm，通常取0.1-0.2mm。磁棒32与旋转轴34端部的轴向间隙取0.1-1mm，可以避免旋转时的接触，同时有利于导线35的通过。

实施例四的用途与实施例二完全相同。由于为连接导线35保留了的通过空隙，可能更有利于实际安装。

本发明的实施效果使用套管式的脉冲信号非接触传输装置得到的超声回波波形

根据实施例一，制作了一个套管式的脉冲信号非接触传输装置。具体参数为：磁棒长6mm，直径1.0mm；内层电感线圈用直径0.05mm的漆包线直接绕在磁棒上，线圈长度4mm，外径1.4mm，测出电感0.12mH；外层电感线圈用相同直径的漆包线绕在空心塑料管上，塑料管内径1.6mm，线圈外径2.3mm，线圈长度5mm，把磁棒放入其中测出电感为0.18mH。

实验测试时，未加旋转驱动器，只是把内层电感线圈完全放入外层电感线圈中。外层电感线圈连接一台脉冲发射接收仪5077PR，内层电感线圈连接一个发射面为4mm×2mm中心频率8-9MHz的超声窥镜探头用微型超声换能器。超声换能器放在水中，与铝块反射面距离10mm。5077PR发射的脉冲电压为100V，直接作用于外层电感线圈；由于电磁感应，内层电感线圈超声相应的脉冲电压，为换能器的发射信号，激励换能器发射超声波脉冲；经铝块反射超声信号，由超声换能器接收转换为电信号，也叫回波信号。通过一台双通道的泰克示波器显示波形同时观测外层电感线圈（接通道1）和内层电感线圈（接通道2）上的发射信号波形以及回波信号波形。

图5为实施例一的实验效果图。图5内容为示波器上显示回波信号波形的图像，通道1为外层电感线圈上的信号波形，通道2内层电感线圈上的信号波形。通道1信号幅度为1.1V，通道2的信号峰峰值为4V，二者之比约为1:4，但二者的波形基本一致。从通道1信号幅度看，已经能够满足使用的要求。通过改变内、外层电感线圈的匝数和匝数比，以及采用适当的匹配电路，可以进一步提高外层电感线圈上的信号幅度，并减小脉冲信号的畸变。

Claims

1.一种微型旋转传感器/换能器的脉冲信号非接触传输装置，其特征在于，该装置包括至少两个同轴相套的内外电感线圈，电感线圈的引出线、导线，固定支架和一根磁棒；磁棒设置在一个内电感线圈内，两者一起固结到传感器或换能器的驱动器旋转轴上一起同步旋转；内电感线圈通过导线与连接微型传感器或换能器；一个外电感线圈与同轴相套的内电感线圈之间保持微小间隙,并与固定支座固定在一起，通过外电感线圈引出线连接脉冲信号源和信号接收器。

2.一种微型旋转传感器/换能器的脉冲信号非接触传输装置，其特征在于，该装置包括至少两个同轴上下设置的电感线圈，电感线圈的引出线、导线，固定支架和一根磁棒；磁棒下部设置在一个下电感线圈内，两者一起固结到传感器或换能器的驱动器旋转轴上一起同步旋转；下电感线圈通过导线与连接微型传感器或换能器；一个上电感线圈同轴套在磁棒上部外面，与磁棒及下电感线圈均保持微小间隙，并与固定支座固定在一起，通过其引出线连接脉冲信号源和信号接收器。

3.一种微型旋转传感器/换能器的脉冲信号非接触传输装置，其特征在于，该装置包括至少两个同轴相套的内外电感线圈，电感线圈的引出线、导线，固定支架和一根磁棒；磁棒设置在一个内电感线圈内，两者一起固结到固定支架；内电感线圈通过其引出线连接脉冲信号源和信号接收器；一个外电感线圈同轴套在内电感线圈外面与其保持微小间隙,并固结到微型传感器或换能器的驱动器旋转轴上一起同步旋转，外电感线通过导线与连接微型传感器或换能器。

4.一种微型旋转传感器/换能器的脉冲信号非接触传输装置，其特征在于，该装置包括至少两个同轴上下设置的电感线圈，电感线圈的引出线、导线，固定支架和一根磁棒；磁棒上部设置在一个上电感线圈内，两者一起与固定支架固定，上电感线圈通过其引出线连接脉冲信号源和信号接收器；下电感线圈同轴套在磁棒下部外面，并与磁棒及上电感线圈保持微小间隙，下电感线圈通过导线与连接微型传感器或换能器，并固接到传感器或换能器的驱动器旋转轴上一起同步旋转。

5.根据权利要求1或3所述的微型旋转传感或换能器件的脉冲信号非接触传输装置，其特征在于，所述内外电感线圈端部还包括匹配电感和/或匹配电容，匹配电阻。

6.根据权利要求2或4所述的微型旋转传感或换能器件的脉冲信号非接触传输装置，其特征在于，所述上下电感线圈端部可包括匹配电感和/或匹配电容，匹配电阻。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的微型旋转传感或换能器件的脉冲信号非接触传输装置，其特征在于，所述电感线圈为圆环形空心结构，其横截面形状还可以是椭圆环形、三角形框、矩形框或其他凸多边形框。

8.根据权利要求1、2、3或4所述的微型旋转传感或换能器件的脉冲信号非接触传输装置，其特征在于，所述磁棒的形状是圆柱型、圆锥型、方柱型、工字型、梯形变截面杆型或多面体柱型及其组合之任一种。