CN104567651A - Pcb平面差动电感式角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本案为PCB平面差动电感式角位移传感器，其结构包括:传感器定子和传感器转子，其中，传感器定子为一PCB板，PCB板上加工有铜箔螺旋结构的两相绕组以及一个实现导电连接的连接器，每相绕组由两个径向相对的绕组串联构成，两相绕组共包含四个绕组，这四个绕组中的每个绕组根据PCB层数不同层叠相应层数，各层叠层的铜箔螺旋方向相同，绕组通过PCB上的导线和连接器与外部连接；传感器转子由两个相同的铁磁材料薄片及转动轴构成，每个铁磁材料薄片为径向对称的扇环形结构，两个铁磁薄片安装于一轴上，彼此轴向对称，薄片与定子PCB板上绕组轴向不发生接触；所述轴与绕组同心，绕组通过电流产生的磁通通过两片铁磁材料薄片，薄片与绕组间的气隙形成闭合磁路。本案的传感器结构简单，安装方便。

Description

PCB平面差动电感式角位移传感器

技术领域

本发明涉及一种差动电感式角位移传感器，特别是涉及一种PCB平面差动电感式角位移传感器。

背景技术

角度计量是计量科学的重要组成部分，广泛应用于机械、光学、航空、航天、航海等领域。

相对于低寿命、难维护的接触式角度传感器，非接触式的角度传感器可以避免摩擦，进而避免影响测量精度以及关键部件上的不可靠性，主要的非接触角度传感器根据其工作原理，分为光学原理和电磁感应原理非接触角度传感器。采用光学原理的传感器测量精度高，但由于本身属性的限制，制造装配困难，对使用环境也有一定的要求。而基于电磁感应原理的传感器制造容易、可在较恶劣的环境中使用。

差动电感式角位移传感器是电磁感应原理传感器的一种。常规的差动电感式角位移传感器较光学传感器简单，但也相对的存在零件件数多，装配工序多的问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种平面变面积型差动电感式角位移传感器，旨在用铜箔螺旋层叠的结构作为绕组，替代一般的磁芯电感器，以简单的结构实现高精度、高灵敏度、抗干扰能力强的角度测量。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

PCB平面差动电感式角位移传感器，其结构包括：传感器定子和传感器转子，

其中，传感器定子为一PCB板，PCB板上加工有铜箔螺旋结构的两相绕组以及一个实现导电连接的连接器，每相绕组由两个径向相对的绕组串联构成，两相绕组共包含四个绕组，这四个绕组中的每个绕组根据PCB层数不同层叠相应层数，各层叠层铜箔螺旋方向相同，绕组通过PCB上的导线和连接器与外部连接；

传感器转子由两个相同的铁磁材料薄片及转动轴构成，每个铁磁材料薄片为径向对称的扇环形结构，两个铁磁薄片安装于一轴上，彼此轴向对称，薄片与定子PCB板上绕组轴向不发生接触；所述轴与绕组同心，绕组通过电流产生的磁通通过两片铁磁材料薄片，薄片与绕组间的气隙形成闭合磁路。

优选的是，所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其中，所述四个绕组均为同心的螺旋扇环形结构。

优选的是，所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其中，转子铁磁薄片扇环外圆直径大于定子绕组线圈扇环外圆直径，转子铁磁薄片扇环内圆直径小于定子绕组线圈扇环内圆直径；

优选的是，所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其中，所述定子扇环圆心角大于转子扇环圆心角的一半。

优选的是，所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其中，所述PCB的层数为单层、双层、或者大于两层。

优选的是，所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其中，转子铁磁薄片与定子PCB间气隙厚度大于0且小于等于1mm。

优选的是，所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其中，所述轴与绕组同心转动。

优选的是，所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其中，每相绕组中的两个绕组串联连接时，其连接方式要确保在磁路中其磁通量相互叠加。

本发明的有益效果：1)该传感器不存在对温度、湿度、灰尘等因素敏感的元件，使用环境限制较小，可在高温、高湿、多尘等环境应用；2)该传感器为电感输出，后续的检测电路简单，抗干扰能力强；3)与一般的磁芯电感器相比，用铜箔螺旋层叠的结构作为绕组，结构简单，加工工艺简单，安装方便，实现了高精度、高灵敏度、抗干扰能力强的角度测量，成本、尺寸、可靠性方面都得到提高。

附图说明

图1为本发明一实施例所述的PCB平面差动电感式角位移传感器中的结构图；

图2为本发明一实施例所述的PCB平面差动电感式角位移传感器中的传感器转子结构图；

图3为本发明一实施例所述的PCB平面差动电感式角位移传感器中的采用双面PCB时的传感器定子上PCB顶层的绕组结构图；

图4为本发明一实施例所述的PCB平面差动电感式角位移传感器中的采用双面PCB时的传感器定子上PCB底层的绕组结构图；

图5为本发明一实施例所述的PCB平面差动电感式角位移传感器中的实测的转子转动角度与绕组电感差动值关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

由于铁磁材料薄片与绕组轴向距离很小，并且不考虑磁路铁损时，工程近似磁路总磁阻为

$R_m=\frac{2l}{\mathrm{\μ}{A}_f}+\frac{4\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}$

式中l——铁磁材料薄片导磁长度；

μ——铁磁材料磁导率；

A_f——铁磁材料薄片等效导磁横截面积；

δ——气隙长度；

μ₀——空气磁导率；

A——气隙导磁横截面积。

铁磁材料的磁导率相比空气的磁导率是很大的，故铁磁材料的磁阻在计算时可以忽略，故

$R_m=\frac{4\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}$

绕组的自感L与磁阻成反比例关系，故

$L=\frac{W^2}{R_m}=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_{0}A}{4\mathrm{\δ}}$

式中W——线圈匝数。

传感器转子转动时，传感器定子、转子间的气隙长度不变，气隙面积随转动角度发生变化。气隙面积变化量与转动角度成比例关系。对应于两相绕组的两个气隙，变化量相同，但一个增大时另一个减小，即为差动关系，故两相绕组气隙面积A₁、A₂分别为

$\left\{\begin{array}{c}{A}_1=A_{10}+\mathrm{K\θ}\\ A_2=A_{20}-\mathrm{K\θ}\end{array}\right.$

式中A₁₀、A₂₀两相绕组的初始气隙面积；

K——比例常数；

θ——转子转动角度。

所以，两相绕组的自感L₁、L₂为

$\left\{\begin{array}{c}{L}_1=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0{A}_{10}}{4\mathrm{\δ}}+\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{K\θ}}{4\mathrm{\δ}}\\ L_2=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0{A}_{20}}{4\mathrm{\δ}}-\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{K\θ}}{4\mathrm{\δ}}\end{array}\right.$

所以，由于转子的转动所导致的两相绕组自感变化为差动关系，L₁、L₂差值ΔL为

$\mathrm{\ΔL}=L_1-L_2=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0(A_{10}-A_{20})}{4\mathrm{\δ}}+\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{K\θ}}{2\mathrm{\δ}}$

令常数项 $\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0(A_{10}-A_{20})}{4\mathrm{\δ}}={\mathrm{\ΔL}}_0,$ 故

$\mathrm{\ΔL}={\mathrm{\ΔL}}_0+\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{K\θ}}{2\mathrm{\δ}}$

即两相差动电感的电感差动量与转子转动角度成线性关系，通过测量两相绕组自感的差值，即可得到转子转动角度。

为保证传感器有最大线性范围，安装时转子初始位置应和转子绕组对称。此时，可以测量的转子转动角度范围即传感器线性范围为

$\mathrm{\θ}\∈(-\frac{\mathrm{\α}}{2},\frac{\mathrm{\α}}{2})\∩(-\frac{2\mathrm{\β\α}}{2},\frac{2\mathrm{\β}-\mathrm{\α}}{2})$

其中α——转子扇环形铁磁薄片圆心角

传感器灵敏度S为

$S=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_{0}K}{2\mathrm{\δ}}$

改变W、δ可改变传感器灵敏度。一个可行的方法是，传感器定子PCB板采用多层线路板，在每层绕组匝数一定的情况下，增加绕组层叠的层数，可以提高绕组的匝数，提高灵敏度；或者减小气隙厚度来提高灵敏度。

以下附图是均以双面PCB为示例，PCB平面差动电感式角位移传感器，其结构包括：传感器定子和传感器转子，请参阅附图1，

其中，传感器定子为一PCB板，PCB板上加工有铜箔螺旋结构的两相绕组以及一个实现导电连接的连接器，每相绕组由两个径向相对的绕组串联构成，两相绕组共包含四个绕组，这四个绕组中的每个绕组根据PCB层数不同层叠相应层数，各层叠层铜箔螺旋方向相同，绕组通过PCB上的导线和连接器与外部连接；

请参阅附图2，传感器转子由两个相同的铁磁材料薄片及转动轴构成，每个铁磁材料薄片为径向对称的扇环形结构，两个铁磁薄片安装于一轴上，彼此轴向对称，薄片与定子PCB板上绕组轴向不发生接触；所述轴与绕组同心，绕组通过电流产生的磁通通过两片铁磁材料薄片，薄片与绕组间的气隙形成闭合磁路。

本发明还可以包括以下情况，所述四个绕组均为同心的螺旋扇环形结构。

进一步的，转子铁磁薄片扇环外圆直径大于定子绕组线圈扇环外圆直径，转子铁磁薄片扇环内圆直径小于定子绕组线圈扇环内圆直径；

进一步的，所述定子扇环圆心角大于转子扇环圆心角的一半。

本发明还包括以下变形，所述PCB的层数为单层、双层、或者大于两层。

优选的是，转子铁磁薄片与定子PCB间气隙厚度大于0且小于等于1mm。

优选的是，所述轴与绕组同心转动。

优选的是，每相绕组中的两个绕组串联连接时，其连接方式要确保在磁路中其磁通量相互叠加。

下面结合实际对本发明的一具体实施例进行详述。

传感器定子PCB材料FR-4基材，1.6mm板厚，双面板。定子PCB为直径33mm的圆形，中心有一直径8mm的供转子的轴穿过的孔，靠近PCB边缘部分有两直径3.3mm的安装孔。绕组线圈层叠两层，分别加工在PCB的顶层和底层，两层间通过过孔连接。绕组为两组径向对称的扇环形结构，扇环外圆直径28mm，内圆直径13mm，圆心角50°，线圈线宽0.127mm，每层7匝线圈，线圈的螺旋方向、层叠情况、连接方式请参阅附图3和附图4。

传感器转子采用电磁纯铁，厚度1mm，扇环外圆直径31mm，内圆直径10mm，圆心角30°，中间有一6mm直径的孔用于安装于转动轴上。

传感器整体安装参阅附图1，转子中心转动轴与定子中心孔同心安装，转子铁磁薄片与定子PCB间气隙厚度1mm。

附图5为测量结果图，在(-15°，15°)的范围内，两相绕组电感差值与转动角度为线性关系。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.PCB平面差动电感式角位移传感器，其特征在于，其结构包括：传感器定子和传感器转子，

其中，传感器定子为一PCB板，PCB板上加工有铜箔螺旋结构的两相绕组以及一个实现导电连接的连接器，每相绕组由两个径向相对的绕组串联构成，两相绕组共包含四个绕组，这四个绕组中的每个绕组根据PCB层数不同层叠相应层数，各层叠层铜箔螺旋方向相同，绕组通过PCB上的导线和连接器与外部连接；

传感器转子由两个相同的铁磁材料薄片及转动轴构成，每个铁磁材料薄片为径向对称的扇环形结构，两个铁磁薄片安装于一轴上，彼此轴向对称，薄片与定子PCB板上绕组轴向不发生接触；所述轴与绕组同心，绕组通过电流产生的磁通通过两片铁磁材料薄片，薄片与绕组间的气隙形成闭合磁路。

2.如权利要求1所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其特征在于，所述四个绕组均为同心的螺旋扇环形结构。

3.如权利要求2所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其特征在于，转子铁磁薄片扇环外圆直径大于定子绕组线圈扇环外圆直径，转子铁磁薄片扇环内圆直径小于定子绕组线圈扇环内圆直径。

4.如权利要求3所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其特征在于，所述定子扇环圆心角大于转子扇环圆心角的一半。

5.如权利要求4所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其特征在于，所述PCB的层数为单层、双层、或者大于两层。

6.如权利要求5所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其特征在于，转子铁磁薄片与定子PCB间气隙厚度大于0且小于等于1mm。

7.如权利要求6所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其特征在于，所述轴与绕组同心转动。

8.如权利要求7所述的PCB平面差动电感式角位移传感器，其特征在于，每相绕组中的两个绕组串联连接时，其连接方式要确保在磁路中其磁通量相互叠加。