CN106441432A - 一种自供电转动参数测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自供电转动参数测量传感器，其包括同轴设置的转子和定子，所述转子包括转轴和相对于所述转轴固定的多极磁环，所述定子包括磁路、磁电换能器和电磁换能器，不同磁路中的每两个磁电换能器正交放置；所述磁电换能器感应磁路中变化的磁场并产生周期性变化的交流电，交流电通过信号处理电路，得到相位与转子空间位置相对应，频率与转子转速相对应的电信号，通过检测此信号的相位和频率即可得到转子转过的角度和转速；所述电磁换能器连接有电源调理电路，电磁换能器感应磁路中变化的磁场并产生电压，该电压经电源调理电路稳压处理后为传感器供电。本方案能够实现转动参数测量的同时又能实现传感器的自供电功能。

Description

一种自供电转动参数测量传感器

技术领域

本发明涉及转动参数测量技术，具体是一种自供电转动参数测量传感器。

背景技术

目前被广泛应用的转动参数传感器有光栅、光电编码器、磁编码器、感应同步器、旋转变压器等，这些均为有源传感器。有源传感器的使用都存在一个共性问题，即如何方便高效地进行能源供应，目前普遍采用电源线和电池两种供能形式。电源线虽然能够长时间提供稳定的能源，但面对众多的传感器时则会出现布线复杂等问题，电池则因容量限制不可避免的会出现替换等维护问题。

为了使传感器实现免维护、自维持的长时间工作，能量采集技术无疑是替代电源线和电池的最理想手段和最具潜力的研究领域。能量采集技术是一种通过采集环境中的能量并转换成电能为传感器以及便携式电子设备提供能源的技术。目前对转动能量采集和对转动参数传感的研究都是相互独立的，还没有将同时实现能量采集和转动参数传感的功能融合在同一器件上的研究，以实现同一器件既可作为转动能量采集器又可作为转动参数传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自供能转动参数测量传感器，其能够实现转动参数测量的同时又能实现传感器的自供电功能。

本发明的技术方案如下：

一种自供电转动参数测量传感器，其包括同轴设置的转子和定子，所述转子包括转轴和相对于所述转轴固定的多极磁环，所述多极磁环在转动过程中在周围形成变化的磁场；所述定子包括磁路、磁电换能器和电磁换能器，一个磁电换能器和一个电磁换能器置于同一磁路中，不同磁路中的每两个磁电换能器正交放置，不同磁路的每两个电磁换能器也正交放置；所述磁电换能器连接有信号处理电路，磁电换能器感应磁路中变化的磁场并产生周期性变化的交流电，空间正交放置的两个磁电换能器感应的两路正交变换的交流电通过信号处理电路，得到相位与转子空间位置相对应，频率与转子转速相对应的电信号，通过检测此信号的相位可以得到转子相对于定子转过的角度，通过检测此信号频率即可得到转子的转速；所述电磁换能器连接有电源调理电路，电磁换能器感应磁路中变化的磁场并产生电压，该电压经电源调理电路稳压处理后为传感器供电。

本方案中，转子转动时，多极磁环也随转轴同步转动，在空间形成周期变化的磁场，磁电换能器感受磁场变化，产生幅值呈周期变化的交流电，该交流电的幅值与多极磁环对于磁电换能器的空间位置相关，该交流电的周期与多极磁环转动产生的磁场变化周期相关，信号处理电路对该该电流进行处理，得到相位与多极磁环的空间位置相对应、频率与多极磁环转速相对应的电信号，也即是得到相位与转子的空间位置相对应、频率与转子的转速相对应的电信号，通过检测该电信号的相位就能够得到转子相对于定子转过的角度，检测该电信号的频率即可得到转子的转速，实现转动参数的测量。在转子转动过程中，电磁换能器也将磁场的变化转换为电压输出，此电压输出通过电源调理电路调理成稳定的电压输出，为传感器的信号处理电路或其他低功耗电子设备供电，以实现转动参数测量传感器的自供电功能。

进一步的，所述磁路由多个磁场汇聚块和扼磁件构成，磁电换能器和电磁换能器的两端分别通过磁场汇聚块和扼磁件上相对的U形槽安装固定，磁电换能器和电磁换能器的个数一致，并与多极磁环的极对数一致。

磁路通过扼磁件和磁场汇聚块将磁场约束其内，使磁电换能器和电磁换能器感受到的磁场强度更高，从而产生较强的电信号，有利于信号分析和能量采集。转子旋转一周，多极磁环就能产生数个周期的变化磁场，其周期数与磁路的数量一致，使磁场能够规则地限制在磁路中，使感应产生的电信号周期性变化明显，辨识度高。

进一步的，所述多极磁环为两对极结构，所述磁场汇聚块为四个，所述扼磁件为两个，所述磁电换能器和电磁换能器均为两个，所述磁场汇聚块环绕在多极磁环外侧分布，所述一个扼磁件对应设置在两个磁场汇聚块外侧；一个扼磁件与其对应的一个磁场汇聚块之间设置有一个磁电换能器，该扼磁件与其对应的另一个磁场汇聚块之间设置有一个电磁换能器。

上述方案中，当多极磁环转过360度，磁电换能器将导出四个周期的电信号，两个磁电换能器因空间正交放置，导出的电信号相差90度相位，形成正交，两路正交的电信号输入到信号处理电路方便处理，经调制、相加后形成一个相位与空间位置关系相对应，频率与转速相对应的电信号，经过对电信号进行相位检测就可以知道转子相对于定子转过的角度，通过对电信号进行频率检测就可知道转子的转速，以实现对转动角度和转动速度两个参数的同时测量。由于两个电磁换能器空间正交放置，其输出的电压之间存在90°相位差，便于电源调理电路进行处理，得到一个直流电压输出。

进一步的，所述磁电换能器由磁致伸缩层和压电层构成，磁电换能器的长度方向在所述定子的径向上。

当磁电换能器的磁电层合结构通过两端夹持的方式固定在U形槽中，形成牙形磁路，牙形磁路通过减少漏磁能够使磁场最大限度的通过磁电换能器。U形槽除了起到固定作用外，还可以对层合结构施加一定的预应力，进而提高输出性能。

进一步的，所述磁电换能器为中间层是磁致伸缩层、其余两层是压电层的PMP型结构或者是中间层为压电层，其余两层为磁致伸缩层的MPM结构。

进一步的，所述电源调理电路包括整流模块、滤波模块、能量存储模块、过压保护模块和LDO稳压模块，所述每个电磁换能器输出的电压均经一个整流模块整流后输出至滤波模块，所述滤波模块输出一个直流电压，所述直流电压对能量存储模块充电，能量存储模块输出额定电压，该额定电压经过压保护模块限压以及LDO稳压模块稳压后输出。

本传感器融合了转动参数传感和转动能量采集两种功能，其转子和定子既是转动参数测量的关键部件，又同时是提供能量来源的关键部件，同一部件在同个时间下集合传感测量和供能功能。本发明的传感器既可用于构建自供电无线转动参数传感，又可用于为转动环境中的无线传感器供电，这种可实现自供电且具有替换现有转动参数传感技术的自供电转动参数测量传感器具有显著的经济、实用价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的转子和定子的结构爆炸图；

图2为本发明的磁场汇聚块和扼磁件的结构示意图；

图3为本发明的U形槽的结构示意图；

图4为本发明的电路原理图；

图5为本发明的磁电换能器的一种具体实施例的结构图；

图6为本发明的多极磁环在转动过程中的磁场分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

一种自供电转动参数测量传感器，如图1所示，其包括同轴设置的转子1和定子2，所述转子1包括转轴12，所述转子1相对于所述定子2转动设置。所述转子1包括转轴12和相对于所述转轴12固定的多极磁环11，所述多极磁环11在转动过程中在周围形成变化的磁场。所述定子2包括磁路、磁电换能器和电磁换能器，一个磁电换能器和一个电磁换能器置于同一磁路中，不同磁路中的每两个磁电换能器正交放置，不同磁路的每两个电磁换能器也正交放置。所述磁电换能器连接有信号处理电路4，磁电换能器感应磁路中变化的磁场并产生周期性变化的交流电，空间正交放置的两个磁电换能器感应的两路正交变换的交流电通过信号处理电路，得到相位与转子1空间位置相对应，频率与转子1转速相对应的电信号。通过检测此信号的相位可以得到转子1相对于定子2转过的角度，通过检测此信号频率即可得到转子1的转速。所述电磁换能器连接有电源调理电路3，电磁换能器感应磁路中变化的磁场并产生电压，该电压经电源调理电路稳压处理后为传感器供电。

本发明中的磁电换能器可以有多种结构形式，本实施例采用的如图5所示的PMP型结构形式不应当作为本发明技术方案的限制或限定。如图6所示，所述磁路由多个磁场汇聚块23和扼磁件21构成，磁电换能器和电磁换能器的两端分别通过磁场汇聚块23和扼磁件21上相对的U形槽25安装固定，如图2、3所示，磁电换能器和电磁换能器的个数一致，并与多极磁环11的极对数一致，磁路的数量与多极磁环11的对极数对应相等。多极磁环11在转动时产生多个磁场，将磁场导入磁路中。当通过一个磁路中磁电换能器22-1和电磁换能器24-1的磁场强度最强时，通过相邻磁路中磁电换能器22-2和电磁换能器24-2的磁场强度最弱，实现正交布置。

所述磁电换能器的中间层是磁致伸缩层221，其余两层是压电层222，在外磁场的变化作用下，磁致伸缩层221产生应力或应变，此机械运动通过粘结磁致伸缩层221和压电层222的粘结层传递到压电层222，由于压电效应，在压电层222的上下表面堆积电荷，将电荷引出来形成电流，电流的幅值大小与磁场的大小有关。当通过一个磁路中磁电换能器22-1和电磁换能器24-1的磁场强度最强时，通过相邻磁路中磁电换能器22-2和电磁换能器24-2的磁场强度最弱，那么磁电换能器22-1和22-2之间输出的电流相差90°的相位，信号处理电路4结合分析每个磁电换能器输出的电流，就能够得到转子1较为精确的转动角度。而电磁换能器24-1和24-2之间输出的电压相差90°，能够很好地被电源调理电路处理成恒压稳定的直流电压，适合作为电子电路的供电电压使用。

本发明提出的传感器是基于磁电换能器、电磁换能器和多极磁环11的结构设计，其中要求多极磁环11的极对数至少为两对极。以两对极的多极磁环11为例，磁场汇聚块23为四个，所述扼磁件21为两个，所述磁电换能器和电磁换能器均为两个，磁场汇聚块23以及扼磁件21均呈弧形条状，所述磁场汇聚块23环绕在多极磁环11外侧分布，所述一个扼磁件21对应环绕两个磁场汇聚块23分布；一个扼磁件21及其对应的一个磁场汇聚块之间设置有一个磁电换能器24-1，该扼磁件21及其对应的另一个磁场汇聚块之间设置有一个电磁换能器24-2。

将一个磁电换能器和一个电磁换能器置于同一磁路中，且不同磁路中的两个磁电换能器22-1、22-2在空间正交放置，不同磁路的每两个电磁换能器24-1、24-2也正交放置。当传感器的定子2、转子1处于如图6所示位置时，通过多极磁环11、磁场汇聚块23、磁电换能器22-1、扼磁件21、电磁换能器24-1、磁场汇聚块23、再回到多极磁环11的磁路如图所示，此时通过磁电换能器22-1的磁场强度最强，输出的电信号幅值也最大，而通过磁电换能器22-2的磁场强度则最弱，输出的电信号幅值也最小。多极磁环11沿顺时针方向旋转，通过磁电换能器22-1的磁场强度逐步减小，而通过磁电换能器22-2的磁场强度则随之增强，从磁电换能器上导出的电信号幅值也随之减小或增大，如此往复。因磁电换能器的磁致伸缩层221只感受磁场大小，所以当多极磁环11转过一个对极，在磁电换能器的压电层222上导出的电流则经过了两个周期。两个磁电换能器22-1、22-2因空间正交放置，导出的电流也正好相差90度相位，形成正交。两路正交的电流输入到信号处理电路，经调制、相加后形成一个相位与转子1的空间位置关系相对应，频率与转子1的转速相对应的电信号，经过对电信号进行相位检测就可以知道转子1相对于定子2转过的角度，通过对信号进行频率检测就可知道转子1的转速，以实现对转动角度和转动速度两个参数的同时测量。

在转子1转动过程中，空间正交放置的电磁换能器24-1、24-2将磁通量的变化转换为线圈的电压输出，此电压输出通过电源调理电路3调理成需要的电压输出，用以为此传感器的信号处理电路4或其他低功耗电子设备供电，以实现转动参数传感器的自供能功能。由于两个电磁换能器24-1、24-2空间正交放置，其输出电压之间存在90°相位差，所以需要在每个电磁换能器后均接一个整流模块。如图4所示，所述电源调理电路3包括整流模块31、滤波模块32、能量存储模块33、过压保护模块35和LDO稳压模块34，所述每个电磁换能器输出的电压均经一个整流模块31整流后输出至滤波模块32，所述滤波模块32输出一个直流电压，所述直流电压对能量存储模块33充电，能量存储模块33输出额定电压，该额定电压经过压保护模块35限压以及LDO稳压模块34稳压后输出。设计的过压保护模块保护储能器件在充电过程中不会超过其额定电压。

所述磁电换能器由磁致伸缩层221和压电层222构成，磁电换能器的长度方向在所述定子2的径向上，上述磁电换能器也可以采用中间层为压电层222，其余两层为磁致伸缩层221的MPM结构。所述扼磁件21和磁场汇聚块23上设有安装磁电换能器的端部的U形槽25，磁电换能器的两端被夹持固定在U形槽25中，形成牙形磁路，牙形磁路通过减少漏磁能够使磁场最大限度的通过磁电换能器；U形槽25还可以对层合结构施加一定的预应力，进而提高输出性能。

本装置在实际运用中，会采用外壳来封装转子1和定子2，如图1中的壳体5、6相对于定子2都是固定的，转子1则安装在壳体5、6内，壳体5、6起固定和封装的作用。所述转轴12的一端连接轴承3，右边的轴承4是和定子2联接在一起的，轴承3、4起支撑旋转轴12的作用，使转轴12实现转动，控制转轴12在轴向、径向的移动。

Claims (6)

1.一种自供电转动参数测量传感器，包括同轴设置的转子和定子，其特征在于：所述转子包括转轴和相对于所述转轴固定的多极磁环，所述多极磁环在转动过程中在周围形成变化的磁场；所述定子包括磁路、磁电换能器和电磁换能器，一个磁电换能器和一个电磁换能器置于同一磁路中，不同磁路中的每两个磁电换能器正交放置，不同磁路的每两个电磁换能器也正交放置；所述磁电换能器连接有信号处理电路，磁电换能器感应磁路中变化的磁场并产生周期性变化的交流电，空间正交放置的两个磁电换能器感应的两路正交变换的交流电通过信号处理电路，得到相位与转子空间位置相对应，频率与转子转速相对应的电信号，通过检测此信号的相位可以得到转子相对于定子转过的角度，通过检测此信号频率即可得到转子的转速；所述电磁换能器连接有电源调理电路，电磁换能器感应磁路中变化的磁场并产生电压，该电压经电源调理电路稳压处理后为传感器供电。

2.根据权利要求1所述的一种自供电转动参数测量传感器，其特征在于：所述磁路由多个磁场汇聚块和扼磁件构成，磁电换能器和电磁换能器的两端分别通过磁场汇聚块和扼磁件上相对的U形槽安装固定，磁电换能器和电磁换能器的个数一致，并与多极磁环的极对数一致。

3.根据权利要求2所述的一种自供电转动参数测量传感器，其特征在于：所述多极磁环为两对极结构，所述磁场汇聚块为四个，所述扼磁件为两个，所述磁电换能器和电磁换能器均为两个，所述磁场汇聚块环绕在多极磁环外侧分布，所述一个扼磁件对应设置在两个磁场汇聚块外侧；一个扼磁件与其对应的一个磁场汇聚块之间设置有一个磁电换能器，该扼磁件与其对应的另一个磁场汇聚块之间设置有一个电磁换能器。

4.根据权利要求3所述的一种自供电转动参数测量传感器，其特征在于：所述磁电换能器由磁致伸缩层和压电层构成，磁电换能器的长度方向在所述定子的径向上。

5.根据权利要求4所述的一种自供电转动参数测量传感器，其特征在于：所述磁电换能器为中间层是磁致伸缩层、其余两层是压电层的PMP型结构或者是中间层为压电层，其余两层为磁致伸缩层的MPM结构。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种自供电转动参数测量传感器，其特征在于：所述电源调理电路包括整流模块、滤波模块、能量存储模块、过压保护模块和LDO稳压模块，所述每个电磁换能器输出的电压均经一个整流模块整流后输出至滤波模块，所述滤波模块输出一个直流电压，所述直流电压对能量存储模块充电，能量存储模块输出额定电压，该额定电压经过压保护模块限压以及LDO稳压模块稳压后输出。