CN103983184A - 一种面向物联网的角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及角度传感器，具体为一种面向物联网的角度传感器，采用无线射频技术进行识别。该发明包括介质板和V形散射单元两部分。其中V形散射单元包含两条金属臂A与B，它们之间的夹角θ用来编码待测物体的地址信息。使用时将该角度传感器粘贴在待测物体上，当待测物体在角度传感器所在的平面内发生旋转时，通过测量角度传感器在水平和垂直两个极化方向上的反向复散射电场，可以同时检测出待测物体的地址信息和实时的角度信息。该角度传感器结构简单，制作成本低；传感器工作时占用频带较窄，提高了频谱利用率。

Description

一种面向物联网的角度传感器

技术领域

本发明涉及角度传感器领域，具体为一种面向物联网的角度传感器，其特征为采用无线射频技术实现对传感器信息的感知和检测。

背景技术

目前，无论是机车床、机电设备，还是汽车、轮船、甚至飞机上都会用到对角度进行检测的传感器，其中一类角度传感器是利用转动轴进行计数，进而测量位移，速度等物理量；也有一类应用于工业自动化设备、工程机械、纺织机械等领域的磁敏无触点角度传感器，又称无接触电位器；还有一类经常用于系统水平测量的倾角传感器，它从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”式三种，理论基础都是牛顿第二定律。

目前的角度传感器大部分都不能用无线射频技术感知并传递信息，并且不能携带地址信息，因此不能直接应用于物联网。本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种可以直接用于物联网的角度传感器。

发明内容

本发明的目的在于设计一种低成本的、可以直接用于物联网的角度传感器。

本发明的构思如下：本发明主要由介质板和V形散射单元构成。V形散射单元两条臂之间的夹角为θ。将该角度传感器粘贴在待测物体上。初始位置时，V形单元两臂与水平方向的夹角分别为θ₀和θ₀+θ。检测时，平面波入射到散射单元，会产生散射场。当入射场和入射距离固定时，散射场在水平和垂直两个极化方向的分量(E_x0,E_y0)与(θ₀,θ₀+θ)存在一一对应关系。因此，通过实时测量(E_x0,E_y0)，就可以得到对应的初始位置θ₀。同理，当待测物体在角度传感器所在的平面内发生旋转时，可以通过测量实时的(E_x,E_y)来得到待测物体的实时角度信息。同时，待测物体处于不同的角度位置时，θ为固定值，因此可以用其表征待测物体的地址信息。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种面向物联网的角度传感器，包括介质板和散射单元两部分，所述的散射单元为V形散射单元，所述V形散射单元是由两条金属臂A与B构成，两条臂之间的夹角为θ(0°<θ<180°，优选60°<θ<180°)，θ用来编码待测物体的地址信息；臂A与水平向右方向的夹角是传感器所要感知的实时角度信息，采用无线射频技术读取传感器角度信息及其地址信息。使用时，将角度传感器粘贴在待测物体上，初始位置时，V形散射单元臂A与水平方向的夹角分别为θ₀。

所述的两臂与水平方向的夹角与角度传感器在水平和垂直两个极化方向上的反向复散射电场(E_x,E_y)有一一对应关系。不失一般性，以待测物体位于初始位置时为例，具体说明散射场(E_x0,E_y0)与(θ₀,θ)的关系，具体的推导过程如下：

1)、将两臂夹角为180°的角度传感器作为标准传感器，沿水平方向放置，测量其水平方向上的后向散射电场，并将其表示为E_x-180°；

2)、将E_x-180°作为标准值，那么被识别角度传感器的臂A与臂B在水平和垂直方向上的后向散射电场分别为

3)、被识别角度传感器在水平和垂直方向上的后向散射电场分量E_x0、E_y0分别是臂A与臂B在相应方向上电场的叠加，即，

从(1)、(2)两式可以看出，测量(E_x0,E_y0)和E_x-180°，可以得到唯一的θ₀和θ。

同理，当待测物体在角度传感器所在的平面内旋转到不同角度时，(E_x,E_y)将随之发生变化，通过测量(E_x,E_y)，可以同时检测出地址信息θ和此时的角度信息θ₁。用当前角度θ₁减去初始角度θ₀可得到待测物体的旋转角度(θ₁-θ₀)。

所述的发明根据传感器工作时频谱的分布情况可选择θ＝90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°这8个角度来编码地址信息，相应的地址码为000、001、010、011、100、101、110、111；每个单元可以实现3bit的编码，对应3位的地址信息；

所述的发明在实际使用过程中，如果需要检测的目标超过8个，可以通过增加单元来增加编码的数量，从而增加地址信息的容量。

与现有技术相比本发明具有如下优点：

传感器既包含了要检测的角度信息，同时也携带了其地址信息，采用无线射频技术读取传感器信息，可以应用于物联网。通过测量角度传感器在水平和垂直两个极化方向上的反向复散射电场，可以同时实现对地址信息的识别和对实时角度信息的感知。结构简单，制作成本低，占用频带较窄，大大提高了频谱利用率。

附图说明

图1是本发明一种面向物联网的角度传感器的结构示意图；

图2是地址信息为011的角度传感器在臂A与x轴正方向夹角为30°时对应的后向散射场的曲线图；

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详尽的描述：

如图1所示，本发明所述的面向物联网的角度传感器是在一层介质上面覆盖了V形散射单元，放置在xy平面。介质为介电常数3.48的罗杰斯4350，厚度为0.8mm。V形散射单元包含两条金属臂A和B，它们的尺寸都是28.7×1mm²。A与B之间的夹角θ用来编码地址信息。臂A与x轴正方向的夹角θ₁代表实时角度信息。角度传感器用沿着-z方向传播的圆极化平面波作为激励，接收系统的天线为极化方向在x和y方向的双极化天线；

图2示出了地址信息为011的角度传感器在θ₁＝30°时对应的后向散射场的曲线图，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表散射电场幅度变量，单位为mv/m。预先测得E_x-180°为38.82mv/m。由图2可见，在谐振频率f＝2.11GHz处，E_x1＝34mv/m、E_y1＝1.6mv/m。将E_x1、E_y1与E_x-180°对应代入公式(1)、(2)，求得解为：θ₁′＝31.4°，地址信息θ′＝122.5°。说明传感器的实时角度为31.4°，对应的地址码为011。

下表是本发明的部分具体实施例的检测结果，为方便区分，将实际的地址信息记为θ，实时角度信息记为θ₁，相应的检测的结果分别记为θ′、θ₁′。

表中详细列出了两臂夹角为120°、130°和150°的角度传感器处于不同角度位置时的谐振频率f、后向散射场分量E_x和E_y、利用公式(1)、(2)计算得到的地址信息θ′、感知的实时角度θ₁′以及相应的误差。从表中可以看出，检测的地址信息θ′与实际的地址信息θ之间误差均小于2.5°，检测的实时角度θ₁′与实际的角度θ₁之间的误差均小于3°。由此可以说明，利用水平和垂直两个极化方向上的反向散射电场，可以实现对地址信息和实时角度信息的识别。另外，各角度传感器的谐振频率均在2-2.11GHz之内，占用的频带非常窄，可以大大减小射频识别系统的成本。

Claims (3)

1.一种面向物联网的角度传感器，包括介质板和散射单元，其特征在于，所述的散射单元为V形散射单元，所述V形散射单元是由两条金属臂A与B构成，两条臂之间的夹角为θ，0°<θ<180°，θ用来编码待测物体的地址信息；臂A与水平向右方向的夹角是传感器所要感知的实时角度信息。

2.如权利要求1所述的一种面向物联网的角度传感器，其特征在于，所述的两条臂之间的夹角60°<θ<180°。

3.如权利要求1所述的一种面向物联网的角度传感器检测待测物体地址信息和旋转角度的方法，其特征在于，采用无线射频技术进行识别，通过检测传感器在水平和垂直两个方向的散射场来实现对传感器地址的识别和实时角度的感知，识别设备发射天线为圆极化天线，接收天线为极化方向在水平和垂直两个方向的双极化天线，识别步骤为：

1)、测量标准值：采用传播方向垂直面向传感器的圆极化平面波作为激励信号，并将两臂夹角为180°的角度传感器作为标准传感器，沿水平方向放置，测量其水平方向上的后向散射电场，并将其表示为E_x-180°；

2)、测量待测物体的初始位置θ₀和地址信息θ：将两臂夹角为θ的角度传感器粘贴在待测物体上。初始位置时，V形散射单元的臂A、臂B与水平向右方向的夹角分别表示为θ₀和θ₀+θ；测量此时角度传感器在水平和垂直方向上的后向散射电场分量E_x0与E_y0，并将E_x0、E_y0和E_x-180°代入公式(1)和公式(2)，

根据已经选定的地址码所用的角度，可以得到唯一的θ₀和θ；即通过测量传感器在水平和垂直方向上的后向散射电场分量(E_x0,E_y0)，可以检测出待测物体的初始角度θ₀，以及地址信息θ；

3)、同理，当待测物体在角度传感器所在的平面内发生旋转时，实时测量角度传感器在水平和垂直方向上的后向散射电场分量(E_x,E_y)，就可以得到待测物体的实时角度，当前位置与初始位置的角度差值即为待测物体的旋转角度。