CN110412310A - 角位感应式传感器及感应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种角位感应式传感器及感应方法，涉及传感器技术领域。其包括定子和转子，所述转子包括转盘以及设置于转盘上的金属部；所述定子包括平行于转盘的载体、设置于载体上且呈环形的励磁线圈、相对于励磁线圈的至少一个检测接收线圈、连接于励磁线圈的励磁信号发生器、相对应于励磁线圈的基准接收线圈、与检测接收线圈一一对应的接收电路，以及连接基准接收线圈的基准电压产生电路的控制单元；所述控制单元获取由基准接收线圈产生的电压和各检测接收线圈产生的电压，并将基准接收线圈的产生的电压和所述检测接收线圈产生的电压逐一比较，并基于比较结果输出金属部的位置信号，本发明具有受环境因素影响小，测量精度准确的优点。

Description

角位感应式传感器及感应方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，更具体地说，它涉及一种角位感应式传感器及感应方法。

背景技术

现有技术中的转速测试方法，其采用电涡流传感器，电涡流传感器将高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变。因此电涡流传感器所输出的电流一般为交流电，需要通过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。

因此上述的电涡流传感器输出的电压受外界环境参数影响较大，即当外界温度变化时，可能会对电涡流传感器输出的脉冲电压值产生变化，影响测量的精度。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明的第一目的在于提供一种角位感应式传感器，其具有受环境因素影响小，测量精度准确优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种角位感应式传感器，包括定子相对定子转动的转子，所述转子包括转盘以及设置于转盘上的金属部；

所述定子包括平行于转盘的载体、设置于载体上的励磁线圈、对应于励磁线圈呈环形的基准接收线圈、与励磁线圈相对应的至少一个检测接收线圈、连接于励磁线圈的励磁信号发生器、连接到基准接收线圈上的基准电压产生电路、与检测接收线圈一一对应的接收电压产生电路以及连接基准电压产生电路和接收电压产生电路的控制单元；

所述基准电压产生电路用于获取预设时间内的由基准接收线圈控制的基准电压；所述接收电压产生电路用于获取预设时间内由检测接收线圈控制的接收电压；所述控制单元获取基准电压和接收电压，并将各个接收电压与基准电压逐一比较，并基于比较结果计算获取金属部的位置信号。

通过采用上述技术方案，基准电压产生电路获取由基准接收线圈感应的信号通过数字处理输出基准电压；由于基准接收线圈是呈环形的，因此在转盘带动金属部转动的过程中，金属部一直在基准接收线圈内部转动，其切割磁力线的面积是恒定不变的，因此基准接收线圈输出的电压是恒定不变的产生稳定的基准电压。而检测接收线圈设置在周向上，在转盘的金属部转到遮挡磁力线和未遮挡磁力线的情况下，接收电压产生电路产生的接收电压将发生改变，如金属部未遮挡磁力线时，接收电压产生电路产生的接收电压将高于基准电压；而当金属部遮挡磁力线达到阈值后，接收电压产生电路产生的接收电压将低于基准电压；控制单元只要获取基准电压和接收电压的比较结果，就能够获得金属部所在的位置，来计算出转盘的转速、圈数以及方向。

同时上述方式中，检测接收线圈和基准接收线圈所处的环境一致，当外界环境参数发生改变时，检测接收线圈和基准接收线圈输出的比较电压和基准电压，偏移的方向是相同。因此比较电压和基准电压在比较时，受到环境因素影响小，比较结果能够较为准确的反应出角位置，测量精度准确。

本发明进一步设置为：所述检测接收线圈数量至少为三个。

通过采用上述技术方案，至少三个检测接收线圈，控制单元获取基准电压和接收电压比较结果，通过脉冲的次序，就能够判断转盘处于正转还是处于反转的状态；例如输出脉冲的顺序是123为正转的，那么输出脉冲的顺序为132则为反转。

本发明进一步设置为：所述检测接收线圈设置于基准接收线圈内，并沿基准接收线圈的周向均匀布置于载体上。

通过采用上述技术方案，将检测接收线圈设置在基准接收线圈内，将外界环境的影响减少到最小；而检测接收线圈在基准接收线圈的周向内均匀布置，能够最大程度减小检测接收线圈之间的干涉，使得测量结果更为准确。

本发明进一步设置为：所述金属部占所述转盘周向的1/3至2/3。

通过采用上述技术方案，转盘上金属部和转盘上不是金属部的周向比例在1:2至2:1之间，整体转盘上金属部和转盘上不是金属部之间的比例差距不会过大，使得相远离的检测接收线圈可以在大部分时间下出现不同，利于数据的收集。

本发明进一步设置为：所述载体包括一块至少两层的PCB板，所述基准接收线圈和检测接收线圈设置于面向转盘一侧的PCB板上；所述励磁线圈所处的PCB板与基准接收线圈和检测接收线圈所处的PCB板不在同一层。

通过采用上述技术方案，励磁线圈和基准接收线圈不在PCB同一层。避免距离太近耦合效应大于磁效应。从而保证基准接收线圈能够提供稳定的基准电压。

本发明进一步设置为：所述基准接收线圈和检测接收线圈印刷于载体上构成印刷电路。

通过采用上述技术方案，通过直接印刷的方式，能够将定子的整体体积做小，减少生产成本。

本发明进一步设置为：所述基准电压产生电路包括由基准接收线圈控制的场效应管、用于存储电子的储能电容、可通过切换使得储能电容和场效应管连通的切换开关；所述控制单元连接切换开关，驱使切换开关在预设时间连通储能电容和场效应管。

通过采用上述技术方案，将激励电压转化为激励电流，通过储能电容收集激励电流，储能电容的差值为激励电流在预设时间内的积分，从而将交流的激励电压转化为直流的电压。

本发明进一步设置为：所述控制单元连接于励磁信号发生器，用于控制励磁信号发生器的输出信号。

通过采用上述技术方案，通过一个控制单元同时控制励磁信号发生器产生的脉冲和切换开关切换的时长；从而便于实现脉冲和切换时长之间的同步。

本发明进一步设置为：所述预设时间为检测接收线圈输出衰减波的前四至八个半波波形。

通过采用上述技术方案，被金属部遮挡线圈磁力线的情况下，检测接收线圈输出的为阻尼衰减波，未被金属部遮挡线圈磁力线的情况下，检测接收线圈输出的为正常衰减波；虽然所产生每个半波对比均具有差值，但是因为信号逐渐衰减，因此选用第一个半波波形效果较好。同时也可以选取多个正向或者负向的半波波形进行叠加比较。因为全波的正负半周存在互相抵消的问题。不能采用全波波形进行比较。

本发明的第二目的，第二目的在于提供一种角位感应式传感器的感应方法，其具有受便于检测、受环境因素影响小，测量精度准确优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种角位感应式传感器的感应方法，包括：

基于基准接收线圈感应的波形通过基准电压产生电路获得基准电压；

基于检测接收线圈感应的波形通过接收电压产生电路获得接收电压；

将比较电压和基准电压进行比较，基于比较结果输出在预设时间中检测接收线圈是否被金属部遮挡的结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）由基准接收线圈生成供比较的基础电压，受到的外界影响小；

（2）定子采用直接印刷电路板的方式，整体体积做小。

附图说明

图1为本实施例的结构示意图；

图2为本实施例的电路示意图；

图3为衰减波的波形示意图。

附图标记：1、定子；2、转子；3、转盘；4、金属部；5、载体；6、基准接收线圈；7、检测接收线圈；8、励磁信号发生器；9、基准电压产生电路；10、接收电压产生电路；11、数字信号处理模块；12、储能电容；13、切换开关；14、执行电路；15、场效应管；16、限流电阻；17、励磁线圈；18、比较模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

实施例，一种角位感应式传感器，如图1所示，其包括定子1和转子2，用于检测转子2相对于定子1转动的角度。举一个常用的例子，该角位感应式传感器可以安装在水表上；已知的，现有的水表将水流量转化为水表内转轴转动的圈数，并通过对转轴转动的圈数记录计算水费的。而通过使用本方案，将角位感应式传感器的转子2安装在水表内的转轴上，将角位感应式传感器的定子1安装水表的壳体上。则能够将转轴转动的圈数转化为电信号进行传输，从而能够达到无需远程获取转轴转动的圈数，及远程获取并计算用户产生的水费。

具体的，如图1所示，转子2包括转盘3以及设置于转盘3周向上的金属部4。转盘3固定于水表内转轴的顶端，金属部4呈和转盘3同轴线的扇形，且金属部4的扇形的占转盘3周向的1/3至2/3之间，本实施例中金属部4采用1/2的扇形贴合在转盘3上。

如图1、2所示，定子1包括平行于转盘3的载体5以及设置于载体5上的励磁线圈17、基准接收线圈6、检测接收线圈7、励磁信号发生器8、基准电压产生电路9、接收电压产生电路10和控制单元。

优选的，载体5包括一块至少两层的PCB板，本实施例中载体5的PCB板采用四层板结构，其中载体5面向转盘3至远离转盘3方向。基准接收线圈6和检测接收线圈7印刷于第一层PCB板上；励磁线圈17印刷于第二层PCB板上；屏蔽地印刷于第三层PCB板；而基准电压产生电路9、接收电压产生电路10和控制单元均设置于第四层PCB板（远离转盘3端面上的PCB板）。因此在检测时，基准接收线圈6和检测接收线圈7位于励磁线圈17和转子2之间,使得磁感线完全穿过基准接收线圈6和检测接收线圈7。

具体的，如图1、2所示，励磁线圈17呈环形且圆心和转盘3处于同一轴线上。基准接收线圈6也呈圆心和转盘3处于同一轴线上的环形，因此转盘3在转动的过程中，金属部4对基准接收线圈6产生的涡流磁感线阻隔的面积大小不会发生改变。检测接收线圈7的数量至少为两个，优选的为三个。基准接收线圈6在轴线上的投影处于励磁线圈17内，三个检测接收线圈7设置于基准接收线圈6构成的环形内，沿基准接收线圈6的周向上均匀布置，在励磁线圈17发出脉冲后，检测接收线圈7和基准接收线圈6能够对应生成衰减波。

励磁信号发生器8连接于励磁线圈17的回路上，用于定周期的向励磁线圈17发出励磁信号，使得励磁线圈17上通过励磁信号产生磁场。

基准电压产生电路9连接于基准接收线圈6上获取基准接收线圈6感应的衰减波信号，并基于指定时间内获取的衰减波电压的积分大小输出基准电压；

接收电压产生电路10的数量等于检测接收线圈7的数量，且接收电压产生电路10和检测接收线圈7之间一一连接。使得接收电压产生电路10通过感应检测接收线圈7输出的衰减波信号，并基于指定时间内获取的衰减波电压的积分大小输出接收电压。控制单元在指定时间内获取基准电压和接收电压，进行比较；通过比较结果判断转盘3转动的情况。

判断的原理为：首先在励磁信号发生器8的作用下，励磁线圈17会有脉冲信号输入，脉冲信号会产生与一个与输入信号相关的磁场，此时会在基准接收线圈6和检测接收线圈7上对应生成衰减波；而由于检测接收线圈7处于基准接收线圈6的不同周向上，金属部4对通过检测接收线圈7的磁感线阻挡的效果并不相同。见图3，对应的受到金属部4阻挡磁力线的检测接收线圈7所输出的衰减波的阻尼会较大，因此衰减波每一周期衰减的幅值会大；而未受到金属部4阻挡磁力线的检测接收线圈7所输出的衰减波的阻尼会较小。对于基准接收线圈6，可以认为在任一时刻都有金属部4对其进行了部分磁力线的遮挡，这个遮挡是恒定的，因此通过基准接收电压产生电路10产生的基准电压是恒定的。所以可以得到一个结论，检测接收线圈7就是在金属部4阻挡磁力线的情况下指定时间内所输出衰减波电压值的积分值会小，同理检测接收线圈7未在金属部4阻挡磁力线的情况下指定时间内所输出衰减波电压值的积分值会大。而上述中比较电压是基于指定时间内衰减波电压的积分大小生成，和指定时间内衰减波电压的积分大小正相关。因此只需要设置一个合理的阈值电压，将所有检测接收线圈7对应的接收电压产生电路10所输出的接收电压和阈值电压进行逐一比较，小于阈值电压的接收电压对应的检测接收线圈7处于磁力线被金属部4阻挡的状态。

在本方案中将基准接收电压作为阈值电压和所有的接收电压相比较。由于基准电压产生电路9和接收电压产生电路10所处的环境相同，因此只要将基准电压调试到合适的区间后，无论环境如何变化，比较电压和基准电压变化的方向相同，因此受到环境的影响小，测试结果准确。

具体的，如图2所示，从电路结构上基准电压产生电路9包括储能电容12和切换开关13，储能电容12用于存储电荷并在其高压端产生电位；切换开关13一端连接于储能电容12的高压端，另一端包括供切换的复位节点、通流节点和检测节点；控制单元输出控制信号，使切换开关13依次在复位节点、通流节点和检测节点之间切换。

如图2所示，复位节点上连接有复位电压，当切换开关13切换至复位节点时，复位电压将储能电容12的高压端电压恢复至复位电压。通流节点上连接有执行电路14，当切换开关13切换至通流节点时，在储能电容12在执行电路14上形成回路；执行电路14接收基准接收线圈6感应的衰减波电压，且基于感应电压的大小转化成执行电路14的电流通量的大小。检测节点上连接控制单元，用于向控制单元输出储能电容12高压端的电压做为基准接收电压。

进一步的，如图2所示，复位电压高于执行电路14的电位，本实施例中，复位电压采用电源电压VCC，电压值在0V至VCC电压之间。而执行电路14直接接地。因此当切换开关13切换至复位节点时，复位电压为储能电容12充电；当切换开关13切换至通流节点时，储能电容12作为电源放电；当切换开关13切换至保持节点时，储能电容12保持电压。由于电容的放电的线性好于电容充电的线性，因此放电后的电容检测的电压更加准确，且电容充电比每次充电然后把电荷放完，所消耗的电能会更少，测试方式更加的节能。

具体的，如图2所示，执行电路14包括场效应管15和限流电阻16，场效应管15具有通过输入电压控制为输出电流的作用；利用场效应管15这一性质，选用N沟道耗尽型绝缘栅场效应管15；场效应管15的栅极接收基准接收线圈6输出的衰减波电压，漏极连接通流节点，源极串联限流电阻16后接地。即当场效应管15栅极接收的检测电压值越大时，则场效应管15通过漏极和源极的电流值就越大；当场效应管15栅极接收的检测电压值越小时，则场效应管15通过漏极和源极的电流值就越小。而通过调节限流电阻16的大小，能够控制执行电路14上电流的大小，实现对执行电路14内产生的电流积分值进行控制，来将基准电压大小调节至合适大小。

如图2所示，切换开关13可以采用模拟开关或者开关芯片，本实施例采用两个场效应管15构成切换开关13。具体的，两个场效应管15分别为增强型PMOS管和增强型NMOS管。其中增强型PMOS管的源极连接复位电压，漏极连接储能电容12的高压端；增强型NMOS管的源极连接场效应管15的漏极，增强型NMOS管的漏极连接储能电容12的高压端。控制单元分别连接在增强型PMOS管和增强型NMOS管的栅极，通过输出脉冲，控制增强型PMOS管和增强型NMOS管的通断。

因此当控制单元向增强型PMOS管输出低电平信号，向增强型NMOS管输出低电平信号时，此时由于增强型PMOS管和增强型NMOS管的特性，增强型PMOS管将被导通且增强型NMOS管将被截止，等同于构成的切换开关13的复位节点导通。当控制单元向增强型PMOS管输出高电平的脉冲信号，向增强型NMOS管输出高电平的脉冲信号时，此时由于增强型PMOS管和增强型NMOS管的特性，增强型PMOS管将被截止且增强型NMOS管将被导通，等同于构成的切换开关13的通流节点被导通。而当控制单元向增强型PMOS管输出低电平信号，向增强型NMOS管输出高电平的脉冲信号时，此时由于增强型PMOS管和增强型NMOS管的特性，增强型PMOS管将被截止且增强型NMOS管将截止，等同于构成的切换开关13的检测节点被导通。而当控制单元向增强型PMOS管输出低电平信号，向增强型NMOS管输出高电平的脉冲信号时，此时由于增强型PMOS管和增强型NMOS管的特性，增强型PMOS管将被导通且增强型NMOS管也将被导通，无法构成的切换开关13的任何状态，因此在实际中，控制单元不会产生此种类型的信号至增强型PMOS管和增强型NMOS管中。

如图2所示，从电路结构上接收电压产生电路10的电路结构和基准电压产生电路9相同，也包括储能电容12和切换开关13，切换开关13一端连接于储能电容12的高压端，另一端包括供切换的复位节点、通流节点和检测节点；控制单元输出控制信号，使切换开关13依次在复位节点、通流节点和检测节点之间切换。值得一提的是接收电压产生电路10和基准电压产生电路9的切换开关13受控制单元同步控制，因此接收电压产生电路10和基准电压产生电路9的切换开关13一同在复位节点、通流节点和检测节点之间切换。同样的，接收电压产生电路10的切换开关13和基础输出电路的切换开关13结构相同，不再赘述。接收电压产生电路10的切换开关13复位节点上连接有复位电压；通流节点上连接有执行电路14，其执行电路14结构和基准电压产生电路9的执行电路14结构相同也包括场效应管15和限流电阻16，不同的，是场效应管15接收检测接收线圈7输出的衰减波电压；检测节点上连接控制单元，用于向控制单元输出比较电压。

如图2所示，控制单元可包括比较模块18和数字信号处理模块11。比较模块18包括三个比较器，三个比较器的同相输入端分别连接三个接收电压产生电路10的检测节点，三个比较器的反相输入端均连接于基准电压产生电路9的检测节点，三个比较器的输出端均连接于数字信号处理模块11。

数字信号处理模块11通过向接收电压产生电路10和基准电压产生电路9上构成切换开关13的增强型PMOS管和增强型NMOS管输出脉冲信号。使得在增强型PMOS管和增强型NMOS管构成的切换开关13在指定周期内，按照复位节点、通流节点和检测节点的顺序切换。而为了获取较好的检测效果，励磁信号发生器8可以由控制单元控制脉冲输出的周期；进一步的，励磁信号发生器8由增强型PMOS管和电源电压VCC构成，增强型PMOS管的源极连接电源电压，漏极连接基准接收线圈6的一端，栅极接收控制单元的输出信号。励磁信号发生器8输出的脉冲的持续时间可相对较短。例如，脉冲的持续时间为几纳秒，这可以减小在基准接收线圈6上的电流消耗。

因此数字信号处理模块11可以直接确定励磁信号发生器8输出脉冲的周期；从而可以根据要求输出采取所要求时段检测接收线圈7衰减波积分值的脉冲信号。例如，衰减波第一个正波形的积分值，衰减波的前四至八个正波形的积分值等等。以衰减波的前四个正波形的积分值为例，需要控制单元在衰减波第一个正波形的零点输出脉冲信号将切换开关13切换到通流节点，再在衰减波第一个负波形的零点时，切换到检测节点；再在第二个正波形的零点切换至通流节点依次类推直至第四个负波形的零点切换至检测节点为止。

角位感应式传感器的感应方法：

基准电压产生电路9的执行电路14基于基准接收线圈6感应出的衰减波电压获得基准电流；

接收电压产生电路10的执行电路14基于检测接收线圈7感应的衰减波电压获得接受电流；

控制单元将基准电压产生电路9的切换开关13在预设时间内切换通流节点，使得充电电容基于基准电流的积分值输出基准电压；

控制单元将接收电压产生电路10的切换开关13在预设时间内切换通流节点，使得充电电容基于比较电流的积分值输出接收电压；

控制单元将比较电压和基准电压进行比较，基于比较结果输出在预设时间中检测接收线圈7是否被金属部4遮挡的结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种角位感应式传感器，包括定子(1)相对定子(1)转动的转子(2)，其特征在于：所述转子(2)包括转盘(3)以及设置于转盘(3)上的金属部(4)；

所述定子(1)包括平行于转盘(3)的载体(5)、设置于载体(5)上的励磁线圈(17)、对应于励磁线圈(17)呈环形的基准接收线圈(6)、与励磁线圈(17)相对应的至少一个检测接收线圈(7)、连接于励磁线圈(17)的励磁信号发生器(8)、连接到基准接收线圈(6)上的基准电压产生电路(9)、与检测接收线圈（7）一一对应的接收电压产生电路(10)以及连接基准电压产生电路(9)和接收电压产生电路(10)的控制单元(11)；

所述基准电压产生电路(9)用于获取预设时间内由基准接收线圈(6)控制的基准电压；所述接收电压产生电路(10)用于获取预设时间内由检测接收线圈(7)控制的接收电压；所述控制单元(11)获取基准电压和接收电压，并将各个接收电压与基准电压逐一比较，并基于比较结果计算获取金属部(4)的位置信号。

2.根据权利要求1所述的角位感应式传感器，其特征在于：所述检测接收线圈(7)数量至少为三个。

3.根据权利要求1或2所述的角位感应式传感器，其特征在于：所述检测接收线圈(7)位于基准接收线圈(6)内，并沿基准接收线圈(6)的周向均匀布置于载体(5)上。

4.根据权利要求2所述的角位感应式传感器，其特征在于：所述金属部(4)占所述转盘(3)周向的1/3至2/3。

5.根据权利要求1所述的角位感应式传感器，其特征在于：所述载体(5)包括一块至少两层的PCB板，所述基准接收线圈(6)和检测接收线圈(7)设置于面向转盘(3)一侧的PCB板上；所述励磁线圈(17)所处的PCB板与基准接收线圈(6)和检测接收线圈(7)所处的PCB板不在同一层。

6.根据权利要求5所述的角位感应式传感器，其特征在于：所述励磁线圈(17)、基准接收线圈(6)和检测接收线圈(7)印刷于PCB板上构成印刷电路。

7.根据权利要求1所述的角位感应式传感器，其特征在于：所述基准电压产生电路(9)包括由基准接收线圈(6)控制的场效应管(15)、用于存储电子的储能电容(12)、可通过切换使得储能电容(12)和场效应管(15)连通的切换开关(13)；所述控制单元(11)连接切换开关(13)，驱使切换开关(13)在预设时间连通储能电容(12)和场效应管(15)。

8.根据权利要求1所述的角位感应式传感器，其特征在于：所述控制单元(11)连接于励磁信号发生器(8)，用于控制励磁信号发生器(8)的输出信号。

9.根据权利要求1所述的角位感应式传感器，其特征在于：所述预设时间为检测接收线圈(7)感应出衰减波的前四至八个半波波形。

10.应用权利要求1至9任一所述的角位感应式传感器的感应方法，其特征在于：包括：

基于基准接收线圈(6)感应的波形通过基准电压产生电路(9)获得基准电压；

基于检测接收线圈(7)感应的波形通过接收电压产生电路(10)获得接收电压；

将比较电压和基准电压进行比较，基于比较结果输出在预设时间中检测接收线圈(7)是否被金属部(4)遮挡的结果。