CN106679560B - 一种电磁感应式扭矩角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器，特别涉及一种电磁感应式扭矩角度传感器。本发明包括PCB板、输入转子、输出转子，PCB板上的输入轴信号采集单元的输入端连接第一转角、输出端输出第一角度信号，输出轴信号采集单元的输入端连接第二转角、输出端输出第二角度信号，信号处理单元的输入端接收第一角度信号、第二角度信号，第一角度信号与霍尔传感器采集的霍尔角度信号通过游标算法得到方向盘角度信号，信号处理单元输出扭矩信号，输入轴信号采集单元所在的层面与输出轴信号采集单元所在的层面的中间位置处的层面上设置有至少一个抗干扰层，大大地降低了本发明的内部干扰，本发明能够测量方向盘角度信号和扭矩信号，且结构紧凑、测量精度高。

Description

一种电磁感应式扭矩角度传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别涉及一种电磁感应式扭矩角度传感器。

背景技术

机动车的电动助力转向系统主要由扭矩角度传感器、车速传感器、电子主控器、减速机、电动机、机械转向器构成，其中扭矩角度传感器是电动助力转向系统的核心部分，扭矩信号为ECU控制电机提供合适的辅助扭矩提供依据，方向盘扭矩信号反映当前方向盘的绝对位置，可用于方向盘自动回正、智能泊车、自动导航等功能，其测量的角度差的准确性对整个电动助力转向系统有着重要的影响。

传统的EPS系统中扭矩传感器和转角传感器是分立安装的，主要包括接触式传感器、霍尔式传感器以及电感式传感器三种，接触式EPS传感器多为仅带有扭矩测量功能，传感器的寿命短；霍尔式EPS传感器的结构复杂，而且成本高，对外界磁场的干扰表现的较为敏感；电感式EPS传感器没有集成方向盘转角测量信号，因此亟需提供一种能够同时集成测量方向盘角度信号功能和测量扭矩信号功能的扭矩角度传感器。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种电磁感应式扭矩角度传感器，本发明集成了测量方向盘角度信号功能和测量扭矩信号功能，且本发明大大地增强了抗干扰能力、具备结构紧凑、角度测量的精度高、成本低廉、可批量生产的特点。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术措施：

一种电磁感应式扭矩角度传感器包括一个PCB板，套设在输入轴上的输入转子以及套设在输出轴上的输出转子，所述输入轴与输出轴之间通过扭杆相连；

所述PCB板上设置至少一组信号处理电路，所述信号处理电路包括输入轴信号采集单元与输出轴信号采集单元以及信号处理单元，所述输入轴信号采集单元的输入端连接来自输入轴的第一转角，输入轴信号采集单元的输出端输出第一角度信号，所述输出轴信号采集单元的输入端连接来自输出轴的第二转角，输出轴信号采集单元的输出端输出第二角度信号，所述输入轴信号采集单元、输出轴信号采集单元的输出端还分别输出第一角度信号、第二角度信号至信号处理单元的输入端，所述信号处理单元的输出端输出扭矩信号；

所述输入轴信号采集单元和输出轴信号采集单元分别分布于所述PCB板的不同层面上，且输入轴信号采集单元所在的层面与输出轴信号采集单元所在的层面之间的层面上设置有至少一个与输入轴信号采集单元和输出轴信号采集单元相适配的抗干扰层，所述抗干扰层用于削弱输入轴信号采集单元与输出轴信号采集单元之间的电磁干扰。

优选的，所述抗干扰层在PCB板所处平面上的投影形成封闭的圆环。

优选的，所述抗干扰层设置为两层，每一层所述抗干扰层均包括等间距的沿圆周方向均匀排布的金属材质的格栅，两层所述抗干扰层分别分布在PCB板中间的两个层面上，且均与输入轴信号采集单元、输出轴信号采集单元之间同轴设置。

优选的，所述抗干扰层在PCB板所处平面上的投影形成间隙尽可能小的沿圆周方向均匀排布的格状条。

优选的，所述抗干扰层设置为一层，抗干扰层包括等间距的沿圆周方向均匀排布的金属材质的格栅，所述抗干扰层设置在PCB板中间的层面上，且与输入轴信号采集单元、输出轴信号采集单元之间同轴设置。

优选的，所述抗干扰层设置为两层，每一层所述抗干扰层均包括等间距的沿圆周方向均匀排布的金属材质的格栅，两层所述抗干扰层分别设置在PCB板中间的两个层面上，且均与输入轴信号采集单元、输出轴信号采集单元之间同轴设置。

优选的，所述PCB板上设置输入轴信号采集单元与输出轴信号采集单元共用的激励线圈，或输入轴信号采集单元与输出轴信号采集单元中各自设置有激励线圈，所述输入轴信号采集单元还包括输入轴线圈，所述输出轴信号采集单元还包括输出轴线圈；所述输入轴线圈和输出轴线圈绕线结构相同，二者均至少设置为第一接收线圈和第二接收线圈；

所述激励线圈采用中间抽头方式绕制，即为激励线圈设置为依次串联的第一激励线圈和第二激励线圈，所述第一激励线圈和第二激励线圈分别设置在接收线圈的内外两侧或同一侧，若第一激励线圈和第二激励线圈分别设置在接收线圈的内外两侧，则第一激励线圈和第二激励线圈的旋绕方向相反，若第一激励线圈和第二激励线圈设置在接收线圈的同一侧，则第一激励线圈和第二激励线圈的旋绕方向相同；

所述第一激励线圈和第二激励线圈的旋绕圈数相同；

所述第一激励线圈、第二激励线圈、第一接收线圈、第二接收线圈均沿圆周方向环绕排布，且均同轴设置；

单个接收线圈的绕线轨迹在PCB板所处平面上的投影形成若干依次相连的闭合回路，且相邻的闭合回路围设的格栅的面积相等，且第一接收线圈和第二接收线圈在PCB板所处平面上的投影均布置于所述格栅围成圆环的内部；

所述第一接收线圈和第二接收线圈之间以同轴设置的轴心为圆心并旋转偏差一定角度设置；

所述输入转子、输出转子、输入轴线圈、输出轴线圈、激励线圈、输入轴、输出轴均以扭杆为轴而同轴设置。

优选的，所述输入轴上还套设有与输入转子同轴设置的主动齿轮，所述主动齿轮的旁侧设置有与主动齿轮相啮合的从动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮的轴线相平行，且主动齿轮的齿数多于从动齿轮的齿数；

所述PCB板靠近输入轴的一侧安装有霍尔传感器，所述从动齿轮的正下方还设置有磁铁，所述霍尔传感器位于磁铁的正下方，且所述磁铁、从动齿轮、霍尔传感器之间均同轴设置；

所述霍尔传感器采集的霍尔角度信号与第一角度信号通过游标算法得到方向盘转角信号。

优选的，所述输入轴信号采集单元包括第一芯片，所述第一芯片的引脚1接地，第一芯片的引脚2连接第一电阻的一端、第一角度信号以及信号处理单元的输入端，所述第一电阻的另一端连接电源，所述第一芯片的引脚3连接第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端接地，第一芯片的引脚4连接第四电容的一端以及电源，所述第四电容的另一端接地，第一芯片的引脚5连接第三电容的一端并接基准电源，所述第三电容的另一端连接第一芯片的引脚6、引脚7并接地，所述第一芯片的引脚8、引脚10分别连接第三电感的一端、第四电感的一端，所述第三电感的另一端和第四电感的另一端均接地，所述第一芯片的引脚9悬空放置，所述第一芯片的引脚11连接第二电阻的一端与第三电阻的一端，所述第二电阻的另一端接基准电源，所述第一芯片的引脚12连接第二电容的一端、第二电感的一端以及输出轴信号采集单元的一端，第一芯片的引脚13连接第一电容的一端、第一电感的一端以及输出轴信号采集单元的一端，所述第二电容的另一端、第一电容的另一端以及第三电阻的另一端均接地，所述第一芯片的引脚14连接第五电容的一端，所述第五电容的另一端连接第一电感的另一端、第二电感的另一端以及电源；

所述第一电感即为第一激励线圈，所述第二电感即为第二激励线圈，所述第三电感即为第一接收线圈，所述第四电感即为第二接收线圈。

优选的，所述输出轴信号采集单元包括第二芯片，所述第二芯片的引脚1接地，第二芯片的引脚2连接第十一电阻的一端、第二角度信号以及信号处理单元的输入端，所述第十一电阻的另一端连接电源，所述第二芯片的引脚3连接第十四电阻的一端，所述第十四电阻的另一端接基准电源，第二芯片的引脚4连接第十四电容的一端以及电源，所述第十四电容的另一端接地，第二芯片的引脚5连接第十三电容的一端并接基准电源，所述第十三电容的另一端连接第二芯片的引脚6、引脚7并接地，所述第二芯片的引脚8、引脚10分别连接第十三电感、第十四电感的一端，所述第十三电感的另一端、第十四电感的另一端以及第二芯片的引脚9均接地，所述第二芯片的引脚11连接第十二电阻的一端与第十三电阻的一端，所述第十二电阻的另一端接基准电源，所述第十三电阻的另一端接地，所述第二芯片的引脚12、引脚13分别连接第十二电容的一端、第十一电容的一端，所述第十二电容的另一端、第十一电容的另一端分别连接第一芯片的引脚12、第一芯片的引脚13，所述第二芯片的引脚14连接第十五电容的一端，所述第十五电容的另一端连接电源；

所述第十三电感即为第一接收线圈，所述第十四电感即为第二接收线圈。

优选的，所述信号处理单元包括第三芯片，所述第三芯片的引脚1连接第六电容的一端以及基准电源，所述第六电容的另一端连接第三芯片的引脚8并接地，所述第三芯片的引脚6和引脚7均悬空放置，第三芯片的引脚2、引脚5分别连接第八电阻的一端、第七电阻的一端，所述第八电阻的另一端连接第二芯片的引脚2和第十一电阻的一端，所述第七电阻的另一端连接第一芯片的引脚2和第一电阻的一端，所述第三芯片的引脚4连接第六电阻的一端，所述第六电阻的另一端连接基准电源，第三芯片的引脚3连接三极管的基极，所述三极管的发射极接地，三极管的集电极连接第五电阻的一端与扭矩信号，所述第五电阻的另一端连接电源。

进一步的，单个接收线圈沿圆周方向的正反两个方向旋绕至少两个圆周；

单个接收线圈沿圆周方向呈弯折状布置，且单个接收线圈沿某一旋转方向绕设一个圆周后，再折返沿前述旋转方向的反方向绕设一个圆周。

进一步的，所述输入转子的外圆周处设置有多个第一凸齿，第一凸齿之间设置有第一空部，所述第一凸齿与第一空部的形状均相同，且所述第一凸齿沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角、第一空部沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角以及所述输入轴线圈的闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角均相等；所述输出转子的外圆周处设置有多个第二凸齿，第二凸齿之间设置有第二空部，且所述第二凸齿沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角大于或等于所述输出轴线圈的闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角，所述第二空部沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角小于或等于所述输出轴线圈的闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角。

进一步的，所述输入转子相邻的第一凸齿与第一空部沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角即为第一角度，所述输入轴线圈的相邻的两个闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角即为第二角度，所述输出转子相邻的第二凸齿与第二空部沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角即为第三角度，所述输出轴线圈相邻的两个闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角即为第四角度；所述第一角度与第二角度的角度比为1:1，所述第三角度与第四角度的角度比为1:1，且所述第一角度与第四角度的角度比为1:2。

进一步的，所述格栅由铜条和/或铜片构成，且铜条和铜片的总数为180个；所述铜条和铜片的一端截面较大，另一端截面较小，铜条和铜片的截面较小的一端朝向圆心设置；任一铜条、铜片所对应的圆心角的角度均为1.5度，相邻的铜条、铜片之间的间隙的圆心角均为0.5度。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明将输入轴信号采集单元与输出轴信号采集单元以及信号处理单元集成在同一PCB板上，输入轴信号采集单元的输出端输出第一角度信号，输出轴信号采集单元的输出端输出第二角度信号，所述输入轴信号采集单元、输出轴信号采集单元的输出端还分别输出第一角度信号、第二角度信号至信号处理单元的输入端，所述信号处理单元的输出端输出扭矩信号；因此本发明能够同时测量方向盘角度信号和扭矩信号，由于本发明的设置至少一组信号处理电路，一定会存在一组冗余电路，当其中一组电路出现故障时，另一组电路会代替故障的电路来继续测量方向盘角度信号和扭矩信号，因此本发明不会因为故障而停止工作；所述输入轴信号采集单元和输出轴信号采集单元分别分布于所述PCB板的不同层面上，输入轴信号采集单元所在的层面与输出轴信号采集单元所在的层面之间的层面上设置有至少一个与输入轴信号采集单元和输出轴信号采集单元相适配的抗干扰层，抗干扰层在PCB板所处平面上的投影形成封闭的圆环或形成间隙尽可能小的沿圆周方向均匀排布的格状条，这两种分布均能够有效地将输入轴线圈、输出轴线圈的电磁感应隔离开，防止抗干扰层两侧的输入轴信号采集单元和输出轴信号采集单元之间的电磁干扰，大大降低了电感式传感器内部干扰，且本发明的结构简单、成本低廉、适合批量生产。

2)、所述第一角度与第二角度的角度比为1:1，所述第三角度与第四角度的角度比为1:1，且所述第一角度与第四角度的角度比为1:2。有效地解决了输入转子、输出转子在转动的过程中分别对输出轴线圈、输入轴线圈的干扰，因此测量扭矩角度精度高。本发明将所述输入轴线圈和输出轴线圈、激励线圈布置于同一PCB板上，所述输入转子、输出转子、输入轴线圈、输出轴线圈、第一激励线圈、第二激励线圈、输入轴、输出轴均以扭杆为轴而同轴设置，因此本发明具备体积小、集成度高、成本低廉、可批量生产的优点。

3)、本发明中的第一接收线圈和第二接收线圈均沿圆周方向环绕排布，且均同轴设置，单个接收线圈沿圆周方向呈弯折状布置，且单个接收线圈沿某一旋转方向绕设一个圆周后，再折返沿前述旋转方向的反方向绕设一个圆周，使得单个接收线圈的正反回路之间产生的感应电动势相互抵消，激励线圈设置为依次串联的第一激励线圈和第二激励线圈，可以将第一激励线圈和第二激励线圈看成一个采用中间抽头方式绕制的激励线圈，因此这种LC自然振荡线圈结构所产生的正弦激励信号具备谐波含量低、失真度小、稳定性高的优点。

4)、所述输入轴信号采集单元与输出轴信号采集单元共用一个激励线圈，所述第一激励线圈和第二激励线圈分别设置在接收线圈的内外两侧，节约了本发明的绕线空间，所述第一激励线圈和第二激励线圈的旋绕圈数相同，且第一激励线圈和第二激励线圈的旋绕方向相反，确保内外侧产生的磁场方向相同，且相互增强，而且本发明的体积小、集成度高。

5)、所述格栅由铜条和/或铜片构成，且铜条和铜片的总数为180个，大大降低了本发明的成本。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为本发明的两组输入轴信号采集单元与输出轴信号采集单元以及信号处理单元之间的框图连接图；

图3为本发明的测量输入轴多圈角度的正面结构图；

图4为发明的测量输入轴多圈角度的俯视图；

图5为本发明的两组输入轴信号采集单元与输出轴信号采集单元以及信号处理单元之间的电路原理图；

图6为本发明的转子与定子线圈的绕线结构平面图；

图7为本发明的激励线圈与第一接收线圈和第二接收线圈之间的绕线结构图；

图8为本发明的第一激励线圈、第二激励线圈的一种绕线结构图；

图9为本发明的第一激励线圈、第二激励线圈的另一种绕线结构图；

图10为本发明的抗干扰层的结构示意图；

图11为本发明的抗干扰层在PCB板所处平面上的投影形成封闭的圆环情况下的抗干扰层设置为两层的结构示意图；

图12为本发明的抗干扰层在PCB板所处平面上的投影形成间隙尽可能小的沿圆周方向均匀排布的格状条情况下的抗干扰层设置为一层情况下的结构示意图；

图13为本发明的抗干扰层在PCB板所处平面上的投影形成间隙尽可能小的沿圆周方向均匀排布的格状条情况下的抗干扰层设置为两层情况下的结构示意图；

图14为本发明的接收线圈在平面上形成投影所围成的闭合回路与格栅之间的位置关系；

图15为图10的局部放大图。

1—抗干扰层 10—PCB板 11—格栅

20—输入轴线圈 30—和输出轴线圈 40—输入转子

50—输出转子 60—输入轴 70—输出轴

80—扭杆 101—主动齿轮 102—从动齿轮

103—霍尔传感器 104—磁铁 110—输入轴信号采集单元

120—输出轴信号采集单元 130—信号处理单元

L1、L2—第一激励线圈、第二激励线圈

L3、L4—第一接收线圈、和第二接收线圈

U1～U3—第一芯片～第三芯片 R1～R8—第一电阻～第八电阻

R11～R14—第十一电阻～第十四电阻 C1～C6—第一电容～第六电容

C11～C15—第十一电容～第十五电容 Q1—三极管

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，一种电磁感应式扭矩角度传感器包括一个PCB板10，套设在输入轴60上的输入转子40以及套设在输出轴70上的输出转子50，所述输入轴60与输出轴70之间通过扭杆80相连；

所述PCB板10上设置至少一组信号处理电路，优选的，所述PCB板10上设置两组信号处理电路，即为输入轴信号采集单元110与输出轴信号采集单元120以及信号处理单元130均设置为两组，所述输入轴信号采集单元110与输出轴信号采集单元120之间通过导线彼此相连或者彼此不相连，所述输入轴信号采集单元110的输入端连接来自输入轴60的第一转角，输入轴信号采集单元110的输出端输出第一角度信号，所述输出轴信号采集单元120的输入端连接来自输出轴70的第二转角，输出轴信号采集单元120的输出端输出第二角度信号，所述输入轴信号采集单元110、输出轴信号采集单元120的输出端还分别输出第一角度信号、第二角度信号至信号处理单元130的输入端，所述信号处理单元130的输出端输出扭矩信号；

所述第一转角为输入轴60偏转所形成的角度，第二转角为输出轴70偏转所形成的角度。

所述输入轴信号采集单元110和输出轴信号采集单元120分别分布于所述PCB板10的不同层面上，且输入轴信号采集单元110所在的层面与输出轴信号采集单元120所在的层面之间的层面上设置有至少一个与输入轴信号采集单元110和输出轴信号采集单元120相适配的抗干扰层1，所述抗干扰层1用于削弱输入轴信号采集单元110与输出轴信号采集单元120之间的电磁干扰，抗干扰层1能够有效地将输入轴线圈20、输出轴线圈30的电磁感应隔离开，大大降低了输入轴60和输出轴70之间的相互影响。

具体的，输入轴信号采集单元110所在的层面与输出轴信号采集单元120所在的层面中间位置处的层面上设置有至少一个与输入轴信号采集单元110和输出轴信号采集单元120相适配的抗干扰层1。

如图10、11所示，所述抗干扰层1在PCB板10所处平面上的投影形成封闭的圆环；所述抗干扰层1设置为两层，每一层所述抗干扰层1均包括等间距的沿圆周方向均匀排布的金属材质的格栅11，两层所述抗干扰层1分别分布在PCB板10中间的两个层面上，且均与输入轴信号采集单元110、输出轴信号采集单元120之间同轴设置；其中，一层抗干扰层1距离输入轴信号采集单元110的间距与另一层抗干扰层1距离输出轴信号采集单元120的间距相等。

所述抗干扰层1在PCB板10所处平面上的投影形成间隙尽可能小的沿圆周方向均匀排布的格状条。

具体地，间隙尽可能小的沿圆周方向均匀排布的格状条的圆心角度数为大于0°且小于0.5°。

如图10、12所示，所述抗干扰层1设置为一层，抗干扰层1包括等间距的沿圆周方向均匀排布的金属材质的格栅11，所述抗干扰层1设置在PCB板10中间的层面上，且与输入轴信号采集单元110、输出轴信号采集单元120之间同轴设置；抗干扰层1设置为一层情况下，所述抗干扰层1与输入轴信号采集单元110和输出轴信号采集单元120相适配，且所述抗干扰层1距离输入轴信号采集单元110的间距与距离输出轴信号采集单元120的间距相等。

如图10、13所示，所述抗干扰层1设置为两层，每一层所述抗干扰层1均包括等间距的沿圆周方向均匀排布的金属材质的格栅11，两层所述抗干扰层1分别设置在PCB板10中间的两个层面上，且均与输入轴信号采集单元110、输出轴信号采集单元120之间同轴设置，其中，一层抗干扰层1距离输入轴信号采集单元110的间距与另一层抗干扰层1距离输出轴信号采集单元120的间距相等。

本发明的抗干扰层1设置为一层或设置为两层均能够大大地降低输入转子40对输出轴线圈30的干扰，以及输出转子50对输入轴线圈20的干扰。

如图2、6、7、8所示，所述PCB板10上设置有输入轴信号采集单元110与输出轴信号采集单元120共用的激励线圈，或输入轴信号采集单元110与输出轴信号采集单元120中各自设置有激励线圈，所述激励线圈处于PCB板10的中间层，所述输入轴信号采集单元110还包括输入轴线圈20，所述输出轴信号采集单元120还包括输出轴线圈30，激励线圈与输入轴线圈20配合构成第一电感传感器，激励线圈与输入轴线圈20配合构成第二电感传感器；所述输入轴线圈20和输出轴线圈30结构相同，二者均至少设置为第一接收线圈L3和第二接收线圈L4；

所述激励线圈采用中间抽头方式绕制，即为激励线圈设置为依次串联的第一激励线圈L1和第二激励线圈L2，所述第一激励线圈L1和第二激励线圈L2分别设置在接收线圈的内外两侧，第一激励线圈L1和第二激励线圈L2的旋绕方向相反；

如图9所示，所述第一激励线圈L1和第二激励线圈L2分别设置在接收线圈的同一侧，则第一激励线圈L1和第二激励线圈L2的旋绕方向相同；

所述第一激励线圈L1、第二激励线圈L2、第一接收线圈L3和第二接收线圈L4均沿圆周方向环绕排布，且均同轴设置；

所述第一激励线圈L1和第二激励线圈L2的旋绕圈数相同；

所述第一激励线圈L1和第二激励线圈L2分别设置在接收线圈的内外两侧，且第一激励线圈L1和第二激励线圈L2的旋绕方向相反；

如图14所示，单个接收线圈的绕线轨迹在PCB板10所处平面上的投影形成若干依次相连的闭合回路，且相邻的闭合回路围设的格栅11的面积相等，相邻闭合回路中的一个闭合回路所围面积为在其中的每一个格栅11面积相加之和即为S1，另一个闭合回路所围面积为在其中的每一个格栅11面积相加之和即为S2，S1等于S2，且第一接收线圈L3和第二接收线圈L4在PCB板10所处平面上的投影均布置于所述格栅11围成圆环的内部；

优选的，所述接收线圈的绕线方式相同，即单个接收线圈可沿圆周方向的正反两个方向旋绕至少两个圆周；

如图6、7所示，单个接收线圈沿圆周方向呈弯折状布置，且单个接收线圈沿某一旋转方向绕设一个圆周后，再折返沿前述旋转方向的反方向绕设一个圆周；接收线圈可以有不同的绕法，但最终在PCB板10所处平面上的投影形成若干依次相连的闭合回路，单个接收线圈也可以沿第一旋转方向绕设小于一个圆周后，再折返沿前述旋转方向的反方向即为第二旋转方向绕设一个圆周，再沿第一旋转方向旋绕至起点。

所述第一接收线圈L3和第二接收线圈L4之间以同轴设置的轴心为圆心并旋转偏差一定角度设置；

所述输入转子40、输出转子50、输入轴线圈20、输出轴线圈30、第一激励线圈L1、第二激励线圈L2、输入轴60、输出轴70均以扭杆80为轴而同轴设置。

如图15所示，优选地，所述格栅11由铜条和/或铜片构成，且铜条和铜片的总数为180个，大大地降低了本发明的成本，所述铜条的一端截面较大，另一端截面较小，铜条的截面较小的一端朝向圆心设置；任一铜条所对应的圆心角即为图12中的β1的角度均为1.5度，相邻的铜条之间的间隙的圆心角即为图12中的β2均为0.5度。

经实验测试，共测试了10组，分别是在输入轴信号采集单元110所在的层面与输出轴信号采集单元120所在的层面的中间位置处的层面上没有设置圆环状格栅11的状态，以及添加格栅11的状态：分别为抗干扰层1在PCB板10所处平面上的投影形成封闭的圆环即为格栅11之间无间隙的情况，以及所述抗干扰层1在PCB板10所处平面上的投影形成间隙尽可能小的沿圆周方向均匀排布的格状条即为格栅11之间有间隙的情况，在这三种状态下分别测量输入轴60与输出轴70之间相互干扰度的变化，通过测试对比发现，如表一所示，添加格栅11能够有效的降低输入轴60与输出轴70之间的相互影响，因此可以看出，抗干扰层1在PCB板10所处平面上的投影形成封闭的圆环即为格栅11之间无间隙的情况下，大大降低了本传感器的内部干扰，输入轴信号采集单元110与输出轴信号采集单元120之间的干扰度趋近为零，抗干扰效果最好。

表一：

如图3、4所示，所述输入轴60上还套设有与输入转子40同轴设置的主动齿轮101，所述主动齿轮101的旁侧设置有与主动齿轮101相啮合的从动齿轮102，所述主动齿轮101与从动齿轮102的轴线相平行，且主动齿轮101的齿数多于从动齿轮102的齿数；

所述PCB板10靠近输入轴60的一面安装有霍尔传感器103，所述从动齿轮102的正下方还设置有磁铁104，所述霍尔传感器103位于磁铁104的正下方，且所述磁铁104、从动齿轮102、霍尔传感器103之间均同轴设置；

所述霍尔传感器103采集的霍尔角度信号与第一角度信号通过游标算法得到方向盘转角信号，方向盘转角信号即为最终测得的方向盘角度信号，转动方向盘时，所述从动齿轮102会跟着方向盘的齿轮即为主动齿轮101旋转，所述从动齿轮102正下方的磁铁104跟着旋转，此时所述霍尔传感器103会输出霍尔角度信号。

单一的霍尔传感器或者是电感传感器，测量都是有周期的，因此在采集信号时，不能确定是哪一个周期内的，因此将霍尔传感器103与第一电感传感器结合起来使用，用于确定所采集的第一转角具体是在哪一个周期内，从而测量输入轴的多圈角度。

如图6所示，所述输入转子40的外圆周处设置有多个第一凸齿，第一凸齿之间设置有第一空部，所述第一凸齿与第一空部的形状均相同，且所述第一凸齿沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角、第一空部沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角以及所述输入轴线圈20的闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角均相等；所述输出转子50的外圆周处设置有多个第二凸齿，第二凸齿之间设置有第二空部，且所述第二凸齿沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角大于或等于所述输出轴线圈30的闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角，所述第二空部沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角小于或等于所述输出轴线圈30的闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角。

所述输入转子40相邻的第一凸齿与第一空部沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角即为第一角度，所述输入轴线圈20相邻的两个闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角即为第二角度，所述输出转子50相邻的第二凸齿与第二空部沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角即为第三角度，所述输出轴线圈30相邻的两个闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角即为第四角度；所述第一角度与第二角度的角度比为1:1，所述第三角度与第四角度的角度比为1:1，且所述第一角度与第四角度的角度比为1:2。

图6(一)为输入轴线圈20与输入转子40的绕线结构平面图，所述第一角度α1即为所述输入转子40的周期为20度，第二角度α2即为所述输入轴线圈20的周期为20度，α1与α2的角度比为1:1；图6(二)为输出轴线圈30与输出转子50的绕线结构平面图，所述第三角度α3即为所述输出转子50的周期为40度，第四角度α4即为所述输出轴线圈30的周期为40度，α3与α4的角度比为1:1，且α1与α4的角度比为1:2。

如图5所示，所述输入轴信号采集单元110包括第一芯片U1，所述输出轴信号采集单元120包括第二芯片U2，所述第一芯片U1和第二芯片U2的引脚1为接地引脚、引脚2为数字输出引脚、引脚3为模拟输出引脚、引脚4为可编程电源口引脚、引脚5为电源引脚、引脚6和引脚7均为悬空引脚、引脚8和引脚10均为信号接收引脚、引脚9为接地引脚、引脚11为信号锁端口引脚、引脚12和引脚13均为正弦交流信号产生引脚、引脚14为悬空引脚；所述信号处理单元130包括第三芯片U3，所述第三芯片U3的引脚1为电源引脚、引脚2为信号输入引脚、引脚3为信号输出引脚、引脚4为电源引脚、引脚5为信号输入引脚、引脚6和引脚7均为悬空引脚；所述第一芯片U1、第二芯片U2以及第三芯片U3均为可定制芯片，凡是带有上述引脚功能的芯片均可使用。

如图5所示，所述输入轴信号采集单元110包括第一芯片U1，所述第一芯片U1的引脚1接地，第一芯片U1的引脚2连接第一电阻R1的一端、第一角度信号以及信号处理单元130的输入端，所述第一电阻R1的另一端连接电源，所述第一芯片U1的引脚3连接第四电阻R4的一端，所述第四电阻R4的另一端接地，第一芯片U1的引脚4连接第四电容C4的一端以及电源，所述第四电容C4的另一端接地，第一芯片U1的引脚5连接第三电容C3的一端并接基准电源，所述第三电容C3的另一端连接第一芯片U1的引脚6、引脚7并接地，所述第一芯片U1的引脚8、引脚10分别连接第三电感L3的一端、第四电感L4的一端，所述第三电感L3的另一端和第四电感L4的另一端均接地，所述第一芯片U1的引脚9悬空放置，所述第一芯片U1的引脚11连接第二电阻R2的一端与第三电阻R3的一端，所述第二电阻R2的另一端接基准电源，所述第一芯片U1的引脚12连接第二电容C2的一端、第二电感L2的一端以及输出轴信号采集单元120的一端，第一芯片U1的引脚13连接第一电容C1的一端、第一电感L1的一端以及输出轴信号采集单元120的一端，所述第二电容C2的另一端、第一电容C1的另一端以及第三电阻R3的另一端均接地，所述第一芯片U1的引脚14连接第五电容C5的一端，所述第五电容C5的另一端连接第一电感L1的另一端、第二电感L2的另一端以及电源；

所述第一电感L1即为第一激励线圈L1，所述第二电感L2即为第二激励线圈L2，所述第三电感L3即为第一接收线圈L3，所述第四电感L4即为第二接收线圈L4。

所述输出轴信号采集单元120包括第二芯片U2，所述第二芯片U2的引脚1接地，第二芯片U2的引脚2连接第十一电阻R11的一端、第二角度信号以及信号处理单元130的输入端，所述第十一电阻R11的另一端连接电源，所述第二芯片U2的引脚3连接第十四电阻R14的一端，所述第十四电阻R14的另一端接基准电源，第二芯片U2的引脚4连接第十四电容C14的一端以及电源，所述第十四电容C14的另一端接地，第二芯片U2的引脚5连接第十三电容C13的一端并接基准电源，所述第十三电容C13的另一端连接第二芯片U2的引脚6、引脚7并接地，所述第二芯片U2的引脚8、引脚10分别连接第十三电感L13、第十四电感L14的一端，所述第十三电感L13的另一端、第十四电感L14的另一端以及第二芯片U2的引脚9均接地，所述第二芯片U2的引脚11连接第十二电阻R12的一端与第十三电阻R13的一端，所述第十二电阻R12的另一端接基准电源，所述第十三电阻R13的另一端接地，所述第二芯片U2的引脚12、引脚13分别连接第十二电容C12的一端、第十一电容C11的一端，所述第十二电容C12的另一端、第十一电容C11的另一端分别连接第一芯片U1的引脚12、第一芯片U1的引脚13，所述第二芯片U2的引脚14连接第十五电容C15的一端，所述第十五电容C15的另一端连接电源；

所述第十三电感L13即为第一接收线圈L3，所述第十四电感L14即为第二接收线圈L4。

所述信号处理单元130包括第三芯片U3，所述第三芯片U3的引脚1连接第六电容C6的一端以及基准电源，所述第六电容C6的另一端连接第三芯片U3的引脚8并接地，所述第三芯片U3的引脚6和引脚7均悬空放置，第三芯片U3的引脚2、引脚5分别连接第八电阻R8的一端、第七电阻R7的一端，所述第八电阻R8的另一端连接第二芯片U2的引脚2和第十一电阻R11的一端，所述第七电阻R7的另一端连接第一芯片U1的引脚2和第一电阻R1的一端，所述第三芯片U3的引脚4连接第六电阻R6的一端，所述第六电阻R6的另一端连接基准电源，第三芯片U3的引脚3连接三极管Q1的基极，所述三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极连接第五电阻R5的一端与扭矩信号，所述第五电阻R5的另一端连接电源。

更进一步的，所述闭合回路的形状为菱形。

如图1、6所示，当输入轴60随着方向盘的转动而旋转时，由于输入转子40固定于输入轴60上，因此输入转子40跟随输入轴60一起旋转，同时，扭杆80靠近输入轴60的一端也会跟着旋转，扭杆80的另一端会跟着转动，然后带着输出轴70转动，由于输出转子50固定于输出轴70上，因此跟随输出轴70转动；输入转子40、输出转子50对接收线圈的正反回路进行依次遮盖时，第一接收线圈L3和第二接收线圈L4产生的感应电动势呈周期性变化。所述激励线圈与输入轴线圈20之间构成了输入轴的20度电感传感器，所述激励线圈与输出轴线圈30之间构成了输出轴的40度电感传感器，输入轴信号采集单元110、输出轴信号采集单元120分别采集输入轴、输出轴的第一转角、第二转角，所述输入轴信号采集单元110的输出端通过现有技术中的游标算法得出多圈的第一角度信号，所述输出轴信号采集单元120的输出端输出第二角度信号，所述第一角度信号与第二角度信号均被送入所述信号处理单元130，最终信号处理单元130输出扭矩信号。

Claims (13)

1.一种电磁感应式扭矩角度传感器，其特征在于：包括一个PCB板(10)，套设在输入轴(60)上的输入转子(40)以及套设在输出轴(70)上的输出转子(50)，所述输入轴(60)与输出轴(70)之间通过扭杆(80)相连；

所述PCB板(10)上设置至少一组信号处理电路，所述信号处理电路包括输入轴信号采集单元(110)与输出轴信号采集单元(120)以及信号处理单元(130)，所述输入轴信号采集单元(110)的输入端连接来自输入轴(60)的第一转角，输入轴信号采集单元(110)的输出端输出第一角度信号，所述输出轴信号采集单元(120)的输入端连接来自输出轴(70)的第二转角，输出轴信号采集单元(120)的输出端输出第二角度信号，所述输入轴信号采集单元(110)、输出轴信号采集单元(120)的输出端还分别输出第一角度信号、第二角度信号至信号处理单元(130)的输入端，所述信号处理单元(130)的输出端输出扭矩信号；

所述输入轴信号采集单元(110)和输出轴信号采集单元(120)分别分布于所述PCB板(10)的不同层面上，且输入轴信号采集单元(110)所在的层面与输出轴信号采集单元(120)所在的层面之间的层面上设置有至少一个与输入轴信号采集单元(110)和输出轴信号采集单元(120)相适配的抗干扰层(1)，所述抗干扰层(1)用于削弱输入轴信号采集单元(110)与输出轴信号采集单元(120)之间的电磁干扰；

所述抗干扰层(1)在PCB板(10)所处平面上的投影形成封闭的圆环；

所述抗干扰层(1)设置为两层，每一层所述抗干扰层(1)均包括等间距的沿圆周方向均匀排布的金属材质的格栅(11)，两层所述抗干扰层(1)分别分布在PCB板(10)中间的两个层面上，且均与输入轴信号采集单元(110)、输出轴信号采集单元(120)之间同轴设置。

2.如权利要求1所述的一种电磁感应式扭矩角度传感器，其特征在于：所述抗干扰层(1)在PCB板(10)所处平面上的投影形成间隙尽可能小的沿圆周方向均匀排布的格状条。

3.如权利要求2所述的一种电磁感应式扭矩角度传感器，其特征在于：所述抗干扰层(1)设置为一层，抗干扰层(1)包括等间距的沿圆周方向均匀排布的金属材质的格栅(11)，所述抗干扰层(1)设置在PCB板(10)中间的层面上，且与输入轴信号采集单元(110)、输出轴信号采集单元(120)之间同轴设置。

4.如权利要求2所述的一种电磁感应式扭矩角度传感器，其特征在于：所述抗干扰层(1)设置为两层，每一层所述抗干扰层(1)均包括等间距的沿圆周方向均匀排布的金属材质的格栅(11)，两层所述抗干扰层(1)分别设置在PCB板(10)中间的两个层面上，且均与输入轴信号采集单元(110)、输出轴信号采集单元(120)之间同轴设置。

5.如权利要求1或3或4所述的一种电磁感应式扭矩角度传感器，其特征在于：所述PCB板(10)上设置输入轴信号采集单元(110)与输出轴信号采集单元(120)共用的激励线圈，或输入轴信号采集单元(110)与输出轴信号采集单元(120)中各自设置有激励线圈，所述输入轴信号采集单元(110)还包括输入轴线圈(20)，所述输出轴信号采集单元(120)还包括输出轴线圈(30)；所述输入轴线圈(20)和输出轴线圈(30)绕线结构相同，二者均至少设置为第一接收线圈(L3)和第二接收线圈(L4)；

所述激励线圈采用中间抽头方式绕制，即为激励线圈设置为依次串联的第一激励线圈(L1)和第二激励线圈(L2)，所述第一激励线圈(L1)和第二激励线圈(L2)分别设置在接收线圈的内外两侧或同一侧，若第一激励线圈(L1)和第二激励线圈(L2)分别设置在接收线圈的内外两侧，则第一激励线圈(L1)和第二激励线圈(L2)的旋绕方向相反，若第一激励线圈(L1)和第二激励线圈(L2)设置在接收线圈的同一侧，则第一激励线圈(L1)和第二激励线圈(L2)的旋绕方向相同；

所述第一激励线圈(L1)和第二激励线圈(L2)的旋绕圈数相同；

所述第一激励线圈(L1)、第二激励线圈(L2)、第一接收线圈(L3)、第二接收线圈(L4)均沿圆周方向环绕排布，且均同轴设置；

单个接收线圈的绕线轨迹在PCB板(10)所处平面上的投影形成若干依次相连的闭合回路，且相邻的闭合回路围设的格栅(11)的面积相等，且第一接收线圈(L3)和第二接收线圈(L4)在PCB板(10)所处平面上的投影均布置于所述格栅(11)围成圆环的内部；

所述第一接收线圈(L3)和第二接收线圈(L4)之间以同轴设置的轴心为圆心并旋转偏差一定角度设置；

所述输入转子(40)、输出转子(50)、输入轴线圈(20)、输出轴线圈(30)、激励线圈、输入轴(60)、输出轴(70)均以扭杆(80)为轴而同轴设置。

6.如权利要求5所述的一种电磁感应式扭矩角度传感器，其特征在于：所述输入轴(60)上还套设有与输入转子(40)同轴设置的主动齿轮(101)，所述主动齿轮(101)的旁侧设置有与主动齿轮(101)相啮合的从动齿轮(102)，所述主动齿轮(101)与从动齿轮(102)的轴线相平行，且主动齿轮(101)的齿数多于从动齿轮(102)的齿数；

所述PCB板(10)靠近输入轴(60)的一侧安装有霍尔传感器(103)，所述从动齿轮(102)的正下方还设置有磁铁(104)，所述霍尔传感器(103)位于磁铁(104)的正下方，且所述磁铁(104)、从动齿轮(102)、霍尔传感器(103)之间均同轴设置；

所述霍尔传感器(103)采集的霍尔角度信号与第一角度信号通过游标算法得到方向盘转角信号。

7.如权利要求6所述的一种电磁感应式扭矩角度传感器，其特征在于：所述输入轴信号采集单元(110)包括第一芯片(U1)，所述第一芯片(U1)的引脚1接地，第一芯片(U1)的引脚2连接第一电阻(R1)的一端、第一角度信号以及信号处理单元(130)的输入端，所述第一电阻(R1)的另一端连接电源，所述第一芯片(U1)的引脚3连接第四电阻(R4)的一端，所述第四电阻(R4)的另一端接地，第一芯片(U1)的引脚4连接第四电容(C4)的一端以及电源，所述第四电容(C4)的另一端接地，第一芯片(U1)的引脚5连接第三电容(C3)的一端并接基准电源，所述第三电容(C3)的另一端连接第一芯片(U1)的引脚6、引脚7并接地，所述第一芯片(U1)的引脚8、引脚10分别连接第三电感(L3)的一端、第四电感(L4)的一端，所述第三电感(L3)的另一端和第四电感(L4)的另一端均接地，所述第一芯片(U1)的引脚9悬空放置，所述第一芯片(U1)的引脚11连接第二电阻(R2)的一端与第三电阻(R3)的一端，所述第二电阻(R2)的另一端接基准电源，所述第一芯片(U1)的引脚12连接第二电容(C2)的一端、第二电感(L2)的一端以及输出轴信号采集单元(120)的一端，第一芯片(U1)的引脚13连接第一电容(C1)的一端、第一电感(L1)的一端以及输出轴信号采集单元(120)的一端，所述第二电容(C2)的另一端、第一电容(C1)的另一端以及第三电阻(R3)的另一端均接地，所述第一芯片(U1)的引脚14连接第五电容(C5)的一端，所述第五电容(C5)的另一端连接第一电感(L1)的另一端、第二电感(L2)的另一端以及电源；

所述第一电感(L1)即为第一激励线圈(L1)，所述第二电感(L2)即为第二激励线圈(L2)，所述第三电感(L3)即为第一接收线圈(L3)，所述第四电感(L4)即为第二接收线圈(L4)。

8.如权利要求7所述的一种电磁感应式扭矩角度传感器，其特征在于：所述输出轴信号采集单元(120)包括第二芯片(U2)，所述第二芯片(U2)的引脚1接地，第二芯片(U2)的引脚2连接第十一电阻(R11)的一端、第二角度信号以及信号处理单元(130)的输入端，所述第十一电阻(R11)的另一端连接电源，所述第二芯片(U2)的引脚3连接第十四电阻(R14)的一端，所述第十四电阻(R14)的另一端接基准电源，第二芯片(U2)的引脚4连接第十四电容(C14)的一端以及电源，所述第十四电容(C14)的另一端接地，第二芯片(U2)的引脚5连接第十三电容(C13)的一端并接基准电源，所述第十三电容(C13)的另一端连接第二芯片(U2)的引脚6、引脚7并接地，所述第二芯片(U2)的引脚8、引脚10分别连接第十三电感(L13)、第十四电感(L14)的一端，所述第十三电感(L13)的另一端、第十四电感(L14)的另一端以及第二芯片(U2)的引脚9均接地，所述第二芯片(U2)的引脚11连接第十二电阻(R12)的一端与第十三电阻(R13)的一端，所述第十二电阻(R12)的另一端接基准电源，所述第十三电阻(R13)的另一端接地，所述第二芯片(U2)的引脚12、引脚13分别连接第十二电容(C12)的一端、第十一电容(C11)的一端，所述第十二电容(C12)的另一端、第十一电容(C11)的另一端分别连接第一芯片(U1)的引脚12、第一芯片(U1)的引脚13，所述第二芯片(U2)的引脚14连接第十五电容(C15)的一端，所述第十五电容(C15)的另一端连接电源；

所述第十三电感(L13)即为第一接收线圈(L3)，所述第十四电感(L14)即为第二接收线圈(L4)。

9.如权利要求8所述的一种电磁感应式扭矩角度传感器，其特征在于：所述信号处理单元(130)包括第三芯片(U3)，所述第三芯片(U3)的引脚1连接第六电容(C6)的一端以及基准电源，所述第六电容(C6)的另一端连接第三芯片(U3)的引脚8并接地，所述第三芯片(U3)的引脚6和引脚7均悬空放置，第三芯片(U3)的引脚2、引脚5分别连接第八电阻(R8)的一端、第七电阻(R7)的一端，所述第八电阻(R8)的另一端连接第二芯片(U2)的引脚2和第十一电阻(R11)的一端，所述第七电阻(R7)的另一端连接第一芯片(U1)的引脚2和第一电阻(R1)的一端，所述第三芯片(U3)的引脚4连接第六电阻(R6)的一端，所述第六电阻(R6)的另一端连接基准电源，第三芯片(U3)的引脚3连接三极管(Q1)的基极，所述三极管(Q1)的发射极接地，三极管(Q1)的集电极连接第五电阻(R5)的一端与扭矩信号，所述第五电阻(R5)的另一端连接电源。

10.如权利要求8所述的一种电磁感应式扭矩角度传感器，其特征在于：单个接收线圈沿圆周方向的正反两个方向旋绕至少两个圆周；

单个接收线圈沿圆周方向呈弯折状布置，且单个接收线圈沿某一旋转方向绕设一个圆周后，再折返沿前述旋转方向的反方向绕设一个圆周。

11.如权利要求6所述的一种电磁感应式扭矩角度传感器，其特征在于：所述输入转子(40)的外圆周处设置有多个第一凸齿，第一凸齿之间设置有第一空部，所述第一凸齿与第一空部的形状均相同，且所述第一凸齿沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角、第一空部沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角以及所述输入轴线圈(20)的闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角均相等；所述输出转子(50)的外圆周处设置有多个第二凸齿，第二凸齿之间设置有第二空部，且所述第二凸齿沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角大于或等于所述输出轴线圈(30)的闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角，所述第二空部沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角小于或等于所述输出轴线圈(30)的闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角。

12.如权利要求11所述的一种电磁感应式扭矩角度传感器，其特征在于：所述输入转子(40)相邻的第一凸齿与第一空部沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角即为第一角度，所述输入轴线圈(20)的相邻的两个闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角即为第二角度，所述输出转子(50)相邻的第二凸齿与第二空部沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角即为第三角度，所述输出轴线圈(30)相邻的两个闭合回路沿圆周方向的两端到圆心的连线所形成的夹角即为第四角度；所述第一角度与第二角度的角度比为1:1，所述第三角度与第四角度的角度比为1:1，且所述第一角度与第四角度的角度比为1:2。

13.如权利要求3或4所述的一种电磁感应式扭矩角度传感器，其特征在于：所述格栅(11)由铜条和/或铜片构成，且铜条和铜片的总数为180个；所述铜条和铜片的一端截面较大，另一端截面较小，铜条和铜片的截面较小的一端朝向圆心设置；任一铜条、铜片所对应的圆心角的角度均为1.5度，相邻的铜条、铜片之间的间隙的圆心角均为0.5度。

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