CN104217836A - 一种基于电磁感应的角度传感器的线圈结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁感应的角度传感器的线圈结构，包括激励线圈、次级线圈和反馈线圈,所述反馈线圈位于所述激励线圈和次级线圈的正上方，所述反馈线圈包括由三个扇叶形轮廓线所围成的闭合线圈，在每个扇叶形轮廓线内，自外周向中心依次布置有多条与扇叶形顶部轮廓等距的线，每条线的两端均连接至该扇叶形的两侧轮廓线上。当角度传感器工作时，该线圈结构能够使得在同样激励条件下有效的增加感应信号的强度，增大感生电动势，以利于后续电路的信号采集，从而减轻了后面信号处理电路的设计压力。

Description

一种基于电磁感应的角度传感器的线圈结构

技术领域

本发明通过改善线圈的结构和形状，有效提高线圈的电磁感应信号的强度，以利于信号的采样与处理。 

背景技术

传感器作为一种精确的信息采集装置，在各种计算机和网络技术迅速发展，信息处理速度越来越快的现代社会，有着信息源泉的作用。世界上许多发达国家都以传感技术为基础，带动其它新技术的发展。实际上，传感器作为一种信息输入器件，它的发展可以引起相应电子系统和相关芯片的更新换代，成为信息时代新技术的真正发展动力和源泉。世界传感器市场在近些年间也以极快的速度增长，年平均增速大于10％，带动了与之相关的信息产业链的快速发展，成为推动世界经济的核心科技因素之一。现代工业、农业和第三产业其产业形式较半个世纪前有了翻天覆地的变化，主要原因是以传感器为基础的信息技术的广泛应用带来的生产方式变革。角度传感器，作为一种角度测量工具，在仪器仪表测量、工业自动化和航空航海等领域都有广泛的应用市场。在上述各领域均需要对方位角或俯仰角等多种动态角度进行精密测试，因此设计高精度、高可靠性的角度传感器不仅是相关行业研发设计各种重要设备的迫切需求，同时也是一个国家工业化、信息化水平的标志。 

由于测量精度和成本的双重要求，现代工业领域的角度传感器主要采用非接触式电磁感应耦合式角度传感器。目前，国外一些高校、科研机构和公司在感应耦合式探测技术领域相继开展研究工作，对角度传感器和其信号处理芯片有了大量成熟产品，如用于汽车安全电子领域的由德国海拉公司所研制的汽车角度随动传感系统(含芯片)在汽车电子领域占有大量的市场。于此同时，国内对感应耦合式角度传感系统的研究主要集中在科研机构和高校，虽然近年来做了一定的研究，但研究成果相对较少。目前国内汽车电子和相关设备所使用的角度传感系统均由国外厂商生产，由于国内并无相关产品，这些角度传感系统及相关芯片的价格始终被国外厂商把持。由于价格原因，大部分国产中低档汽车和相关设备，无法全部配备该种传感系统。 

为了打破国外厂商对感应耦合式角度传感领域的技术和价格垄断，增强我国在该领域的竞争力，开发国内潜在的传感器市场，研制具有自主知识产权的感应耦合式角度传感系统变得十分必要和迫切。 

经过专利检索，已有人提出了一种三扇叶形的电磁感应线圈结构，如图1所示，此结构包括激励线圈1、次级线圈3和反馈线圈2三部分，其中反馈线圈2的形状如图2(a)所示，通过反馈线圈2的转动致使感应线圈上的信号发生变化，而感应线圈的变化是与反 馈线圈的转动角度相对应的，以此来反解角度。但是这种解角度的方法依赖于感应线圈上的信号变化。 

参考文献: 

[1]何道清，传感器与传感器技术，北京:科学出版社，2004，3-5； 

[2]赵继文，传感器与应用电路设计，北京:科学出版社，2002，19-24； 

[3]Madni A M,Wells R F,An advanced steering wheel sensor,SENSORS,2000,17(2):1-7； 

[4]J.马瑞克，H.-P.特拉汉，Y.苏左克等.汽车传感器[M]，北京：化学工业出版社，2004.348-365； 

[5]Qing Wu,Ling Lei,Jianlin Chen,etc.Research on Hardware-in-the-Loop Simulation for Advanced Front-lighting[A].2008IEEE Pacific-Asia Workshop on Computational Intelligence and Industrial Application:671-675。 

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于电磁感应的角度传感器，当角度传感器工作时，该结构能够使得在同样激励条件下有效的增加感应信号的强度，减轻后面信号处理电路的设计压力。 

为了解决上述技术问题，本发明一种基于电磁感应的角度传感器的线圈结构，包括激励线圈、次级线圈和反馈线圈,所述反馈线圈位于所述激励线圈和次级线圈的正上方，所述反馈线圈包括由三个扇叶形轮廓线所围成的闭合线圈，在每个扇叶形轮廓线内，自外周向中心依次布置有多条与扇叶形顶部轮廓等距的线，每条线的两端均连接至该扇叶形的两侧轮廓线上。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

本发明中通过采用如图2(b)所示的反馈线圈的结构，可以有效地增强线圈间的磁感应强度，增大感生电动势，以利于后续电路的信号采集。 

附图说明

图1现有技术中一种电磁感应线圈的3D结构图； 

图2(a)是现有技术电磁感应线圈中反馈线圈的形状示意图； 

图2(b)是本发明基于电磁感应的角度传感器的线圈结构中反馈线圈的形状示意图； 

图3是本发明基于电磁感应的角度传感器的线圈结构的3D图； 

图4是本发明实施例中次级线圈的电压信号与反馈线圈转动角度之间的关系图； 

图5是本发明实施例中次级线圈感应电动势随反馈线圈的环数的变化图； 

图6是具有本发明线圈结构的角度传感器系统工作图。 

图2(a)和图2(b)中的网格为坐标纸网格线。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。 

在各领域中，许多情况需要对方位角或俯仰角等多种动态角度进行精密测试，因此设计高精度、高可靠性的角度传感器不仅是相关行业研发设计各种重要设备的迫切需求，同时也是一个国家工业化、信息化水平的标志。考虑测量精度和成本的两种因素的折中，角度传感器多数采用非接触式电磁感应耦合式角度传感器，而此种角度传感器的难度则主要集中于电磁感应信号的采集。 

通常，角度传感器的线圈结构如图1所示，线圈主要包括三部分：激励线圈、次级线圈和反馈线圈。其中激励线圈需要供入正弦激励信号，从而使线圈周围产生交变的电磁场。反馈线圈是一个闭合线圈，如图2(a)所示，它的位置和相对次级线圈的角度变化会影响空间电磁场的强度和分布，从而使次级线圈上感应的电磁信号发生变化。次级线圈同时接收激励线圈和反馈线圈的磁场影响：激励线圈对次级线圈的影响使其产生一个固定的感生电动势，且这个感生电动势对于图1中的三路线圈都是一样的；加入反馈线圈之后，次级线圈上也会相应的感应出一个额外的电动势，这个额外电动势是有用信号，包含了反馈线圈的角度信息，后面的电路就是利用这个信号和一些数学方法求解其中的角度值信息。 

根据电磁场的基本原理，交变的电磁场会在线圈中产生交变的感应电动势，感应电动势由下面的公式决定： 

E＝nΔΦ/Δt  (1) 

Φ＝BS  (2) 

公式(1)和公式(2)中，S表示反馈线圈与次级线圈的磁感应面积，B表示磁感应强度，Φ表示磁通量，n表示线圈匝数，ΔΦ表示磁通量的变化量。 

根据交变电磁场的互感原理结合本电磁耦合传感器的具体结构，次级线圈中的感应电压信号应分为两个部分：①当不存在反馈线圈时，主线圈和次级线圈直接互感的交变正弦信号，这是典型的电感互感，其幅值记为A₀；②当主线圈与次级线圈正上方加入反馈线圈后，反馈线圈会影响原先电磁场的分布，在各个次级线圈中增加一个最大幅值为B的感生电动势。同时由于正上方的反馈线圈具有方向性，即反馈强度与反馈线圈在次级线圈上的投影角度值有关，故反馈线圈对次级线圈感生电压的影响记为B*f(θ)。因此次级线圈上的感生电压信号可表示为： 

V＝[A₀+B*f_i(θ)]*sinω₀t  (3) 

i＝1,2,3，分别指三组次级线圈，ω₀为主线圈上所加激励信号的角频率，亦即LC振荡器的振荡角频率。三组线圈物理位置两两相差40°，因此f₁(θ)＝f₂(θ-40°)＝f₃(θ-80°)＝f(θ)，即三组次级线圈满足相同的函数形式。三组次级线圈的输出信号可以表示如 下： 

其中，B*f_i(θ)是对反解角度有用处的部分，将公式(4)中abc三路信号的这一部分两两做差，得到： 

将公式(5)作图(假设V_m＝1)，即可得到次级线圈的电压信号与反馈线圈转动角度之间的关系，如图4。 

由公式(2)可知，若要增强感应电动势的大小，需要改变ΔΦ的大小或者n的数目。在本电磁耦合传感器的结构中，B是跟随正弦激励信号随时间变化的，即ΔB是固定的，那么改变S的大小即可改变ΔΦ的大小。 

本发明通过修改电磁线圈中反馈线圈的形状如图2(b)所示，形成一种新型的线圈结构，如图3所示，本发明一种基于电磁感应的角度传感器的线圈结构，包括激励线圈1、次级线圈3和反馈线圈2,所述反馈线圈位于所述激励线圈1和次级线圈3的正上方，所述反馈线圈2包括由三个扇叶形轮廓线所围成的闭合线圈，在每个扇叶形轮廓线内，自外周向中心依次布置有多条与扇叶形顶部轮廓等距的线，每条线的两端均连接至该扇叶形的两侧轮廓线上。这样既可以增大反馈线圈2与次级线圈3的磁感应面积S，也可以增加磁感应线圈的匝数n。将反馈线圈2固定在一个角度值，使用Agilent的ADS软件对其仿真，分析得到公式(5)中ABC信号的值随着反馈线圈2环数的变化如图5所示，充分证明本发明线圈结构在角度传感器工作时，线圈之间的磁感应强度增大，感生电动势也随之增大。感生电动势的增大有利于减轻信号采样与处理电路的设计的压力，这对于角度传感器的整体设计是十分有益的。 

如图6所示，具有本发明线圈结构的角度传感器系统工作图，该系统包括电磁线圈和解码芯片两部分。所述电磁线圈采用本发明的线圈结构，所述解码芯片又包括LC振荡器、基准电路和信号采集处理电路及数字解码电路。LC振荡器则为电磁线圈中的激励线圈(即主线圈)提供正弦激励信号。在完成芯片基本功能电路设计工作后，如图2(b)方式改进反馈线圈的结构，这种改变不会影响原来系统的机械结构和芯片中信号处理电路和数字解码算法电路。因此，只需要改变反馈线圈的形状就可以起到增强磁感应强度，增大感生电动势的效果，有效的减轻了后续信号采集处理电路及数字解码电路的设计压力。 

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明 的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。 

Claims (1)

1.一种基于电磁感应的角度传感器的线圈结构，包括激励线圈、次级线圈和反馈线圈,所述反馈线圈位于所述激励线圈和次级线圈的正上方，所述反馈线圈包括由三个扇叶形轮廓线所围成的闭合线圈，其特征在于，

在每个扇叶形轮廓线内，自外周向中心依次布置有多条与扇叶形顶部轮廓等距的线，每条线的两端均连接至该扇叶形的两侧轮廓线上。