CN110823300A - 一种平面绕线线圈角位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面绕线线圈角位传感器，包括部分金属化圆盘和转轴，所述部分金属化圆盘围绕转轴旋转，还包括感应线圈和PCB电路板，所述感应线圈的数量不少于两个，所述感应线圈印刷在PCB电路板上，所述感应线圈的中心轴与所述转轴平行，所述感应线圈被部分金属化圆盘有效覆盖，所述感应线圈围绕转轴分布，所述感应线圈走线保证电流产生的磁场方向一致且不包含转轴中心点，各所述感应线圈和测量装置连接。本发明，不受感应线圈个数和几何形状限制，在安装环境复杂，PCB电路板空间受限制的情况下，有更大的使用空间。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体为一种平面绕线线圈角位传感器。
背景技术
角位传感器可以检测被检测目标的旋转角位移；角位传感器主要用在流量计上。以流量计类产品水表为例，对于水表数据采集，现有技术在水表数据采集这方面是用光电直读、干簧管、霍尔器件等进行有磁采集，受周边环境影响比较大，无磁采集技术的兴起，引起了行业的极大兴趣。
光电直读缺点是湿式表内，受水质影响读数；干簧管、霍尔器件的缺点是基表改动稍大,容易受环境和磁铁干扰，容易被盗水，湿式表内，时间久后，容易累积杂质，堵塞表；插针式无磁采集的缺点是不易生产，规模化量产成本高，良品率不高，且每个表对应出厂，需要校准；现有平面绕线线圈无磁采集的缺点是：
1.1个初级线圈和4个对称次级线圈，4个次级线圈被包含于初级线圈之内，在PCB电路板空间受制约的情况下，因为增加了初级线圈，现有方案的线圈几何分布比较占用PCB电路板空间，几何尺寸受限，而感应线圈的几何尺寸受限，意味着灵敏度受限，同时不易于大规模生产。
2.需要对初级线圈馈送激励波(脉冲信号)，在低功耗需求环境下、CPU/MCU主频不高的情况下，需要额外增加复杂电路产生激励波(高频脉冲信号)。
3.现有技术在感应电动势产生并对称比较后，为提高采样率和精度，需要增加快速放电。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平面绕线线圈角位传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种平面绕线线圈角位传感器，包括部分金属化圆盘和转轴，所述部分金属化圆盘围绕转轴旋转，还包括感应线圈和PCB电路板，所述感应线圈的数量不少于两个，所述感应线圈印刷在PCB电路板上，所述感应线圈的中心轴与所述转轴平行，所述感应线圈被部分金属化圆盘有效覆盖，所述感应线圈围绕转轴分布，所述感应线圈走线保证电流产生的磁场方向一致且不包含转轴中心点，各所述感应线圈和测量装置连接。
优选的，所述感应线圈的数量为偶数，所述感应线圈的几何尺寸一致，所述感应线圈围绕转轴对称分布。
优选的，所述感应线圈的数量为四个，四个所述感应线圈分别为感应线圈a、感应线圈b、感应线圈c和感应线圈d,四个所述感应线圈的几何尺寸一致，所述感应线圈围绕转轴对称分布。
优选的，所述感应线圈的数量为奇数个，所述感应线圈的几何尺寸一致，所述感应线圈围绕转轴对称分布。
优选的，所述感应线圈的数量为偶数，所述感应线圈的几何尺寸不一致，所述感应线圈围绕转轴分布。
优选的，所述感应线圈的数量为奇数，所述感应线圈的几何尺寸不一致，所述感应线圈围绕转轴分布。
优选的，所述部分金属化圆盘由磁通量敏感材质半圆部分和磁通量非敏感材质半圆部分组成。
优选的，所述感应线圈面积有效全覆盖部分金属化圆盘。
优选的，所述感应线圈所在平面和部分金属化圆盘平行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.不受感应线圈个数和几何形状限制，在安装环境复杂，PCB电路板空间受限制的情况下，有更大的使用空间；
2.不通过感应电动势比较，不需要额外增加快速放电电路；
3.相比于超出CPU/MCU主频限制的高频脉冲，产生低频脉冲更容易实现；
4.相比于纯电感焊接在PCB板上的方式，平面绕线电感精度和几何尺寸易于控制，便于计算等效感值和等效阻抗，不受产品装配影响，易于规模化生产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的感应线圈结构示意图；
图3为本发明的部分金属化圆盘结构示意图。
图中：1、转轴；2、感应线圈；3、部分金属化圆盘。
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。
实施例1
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种平面绕线线圈角位传感器，包括部分金属化圆盘3和转轴1，部分金属化圆盘3围绕转轴1旋转，还包括感应线圈2和PCB电路板，感应线圈2的数量不少于两个，感应线圈2印刷在PCB电路板上，感应线圈2的中心轴与转轴2平行，感应线圈2被部分金属化圆盘3有效覆盖，感应线圈2绕转轴1分布，感应线圈2走线保证电流产生的磁场方向一致且不包含转轴1中心点，各感应线圈2和测量装置连接。
具体的，感应线圈2的数量为偶数，感应线圈2的几何尺寸一致，感应线圈2围绕转轴1对称分布，进行差分比较计算，以转轴1为中心对称的两个感应线圈2进行两两比较计算。
具体的，感应线圈的数量为四个，四个感应线圈分别为感应线圈a、感应线圈b、感应线圈c和感应线圈d,四个感应线圈的几何尺寸一致，感应线圈围绕转轴对称分布。
具体的，部分金属化圆盘3由磁通量敏感材质半圆部分和磁通量非敏感材质半圆部分组成。
具体的，感应线圈2面积有效全覆盖部分金属化圆盘3，有效覆盖灵敏度更高，效果更好。
具体的，感应线圈2所在平面和部分金属化圆盘3平行，计算方便。
实施例2
一种平面绕线线圈角位传感器，包括部分金属化圆盘3和转轴1，部分金属化圆盘3围绕转轴1旋转，还包括感应线圈2和PCB电路板，感应线圈2的数量不少于两个，感应线圈2印刷在PCB电路板上，感应线圈2的中心轴与转轴1平行，感应线圈2被部分金属化圆盘3有效覆盖，感应线圈2围绕转轴1分布，各感应线圈2和测量装置连接。
具体的，感应线圈2的数量为奇数个，感应线圈2的几何尺寸一致，感应线圈2围绕转轴1对称分布，进行两两差分比较计算，剩余一个和原始输入波形且假设感应线圈2不在阻尼区的输出进行自己比较。
具体的，部分金属化圆盘3由磁通量敏感材质半圆部分和磁通量非敏感材质半圆部分组成。
具体的，感应线圈2面积有效全覆盖部分金属化圆盘3。
具体的，感应线圈2所在平面和部分金属化圆盘3平行。
实施例3
一种平面绕线线圈角位传感器，包括部分金属化圆盘3和转轴1，部分金属化圆盘3围绕转轴1旋转，还包括感应线圈2和PCB电路板，感应线圈2的数量不少于两个，感应线圈2印刷在PCB电路板上，感应线圈2的中心轴与转轴1平行，感应线圈2被部分金属化圆盘3有效覆盖，感应线圈2围绕转轴1分布，各感应线圈2和测量装置连接。
具体的，感应线圈2的数量为偶数，感应线圈2的几何尺寸不一致，感应线圈2围绕转轴1分布，在PCB电路板上不在圆盘覆盖区的空白区再分布几何尺寸和PCB电路板上的一模一样的感应线圈2，这样变成偶数个线圈，再进行两两差分比较计算。
具体的，部分金属化圆盘3由磁通量敏感材质半圆部分和磁通量非敏感材质半圆部分组成。
具体的，感应线圈2面积有效全覆盖部分金属化圆盘3。
具体的，感应线圈2所在平面和部分金属化圆盘3平行。
实施例4
一种平面绕线线圈角位传感器，包括部分金属化圆盘3和转轴1，部分金属化圆盘3围绕转轴1旋转，还包括感应线圈2和PCB电路板，感应线圈2的数量不少于两个，感应线圈2印刷在PCB电路板上，感应线圈2的中心轴与转轴1平行，感应线圈2被部分金属化圆盘3有效覆盖，感应线圈2围绕转轴1分布，各感应线圈2和测量装置连接。
具体的，感应线圈2的数量为奇数，感应线圈2的几何尺寸不一致，感应线圈2围绕转轴1分布，每个感应线圈2的输出信号和原始输入波形且假设感应线圈2不在阻尼区的输出进行自己比较。
具体的，部分金属化圆盘3由磁通量敏感材质半圆部分和磁通量非敏感材质半圆部分组成。
具体的，感应线圈2面积有效全覆盖部分金属化圆盘3。
具体的，感应线圈2所在平面和部分金属化圆盘3平行。
工作原理：对感应线圈2输入特定波形信号，测量装置部分电路接收感应线圈电路部分的输出信号，测量装置电路对感应线圈电路部分的输出信号进行处理和计算。处理计算信号的频率变化、相位变化、等效阻抗变化、等效感值变化，激励电路使感应线圈2产生电路震荡。感应线圈2的电路震荡会产生平行于中心轴A垂直于部分金属化圆盘3平面的磁力线。这样会导致金属化区域切割磁力线产生傅科电流(Foucau lt current),阻碍磁通量变化。进而引起震荡电路的等效阻抗、等效感值、频率、相位发生变化。
部分金属化圆盘3在旋转过程中，感应线圈2会依次部分或者全部落入部分金属化圆盘3的金属区。落入金属区的感应线圈2，LC震荡时等效阻抗会增大。落入的面积越多，等效阻抗增加的越大。所以，感应线圈2的等效阻抗最大值和最小值都是一样的。最大值等于感应线圈2全部落入金属区。最小值等于感应线圈2全部落入非金属区。随着部分金属化圆盘3旋转，感应线圈2的等效阻抗在最大值和最小值之间来回变化。
如图1所示，感应线圈2的一半落入金属区，感应线圈2的的另一半落入非金属区。以转轴1为中心对称的两个感应线圈2进行两两等效阻抗比较。通过这种方式，可以精确的判定部分金属化圆盘的精确位置，以转轴1为中心对称的两组感应线圈2分别为感应线圈a和感应线圈b、感应线圈c和感应线圈d。
感应线圈a和感应线圈b的等效阻抗比较值：Cab＝Ra-Rb；
感应线圈c和感应线圈d的等效阻抗比较值：Ccd＝Rc-Rd；
Cab可能大于0(设此时Cab＝1)、等于0(设此时Cab＝0)、小于0(设此时Cab＝-1).Ccd可能大于0(设此时Ccd＝1)、等于0(设此时Ccd＝0)、小于0(设此时Ccd＝-1)。
Cab的值范围【1，0，-1】；Ccd的值范围【1，0，-1】；这样【Cab，Ccd】共有9个可能值。由于两组感应线圈2对称性分布及部分金属化圆盘3金属半圆化，所以【Cab，Ccd】＝【0，0】不可能存在，这样共有8个值，8个状态机。
部分金属化圆盘3旋转，就在这8个状态机里面遍历循环。遍历8个状态机一个周期，就是一个计量单位。
同样可以检测等效感值、频率、相位变化进行处理计算，本发明实施案例优选地使用等效阻抗。阻抗有温漂，建议用对称性线圈。
感值变化受温度影响较小，可以不对线圈进行对称性分布，优选地，偶数对称分布效果更好。
本发明的优势就是对感应线圈的输出信号的频率、相位、等效感值、等效阻抗进行检测，灵敏度高，这样可以适用到对微功耗、微信号的工作环境。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种平面绕线线圈角位传感器，包括部分金属化圆盘和转轴，所述部分金属化圆盘围绕转轴旋转，其特征在于：还包括感应线圈和PCB电路板，所述感应线圈的数量不少于两个，所述感应线圈印刷在PCB电路板上，所述感应线圈的中心轴与所述转轴平行，所述感应线圈被部分金属化圆盘有效覆盖，所述感应线圈围绕转轴分布，所述感应线圈走线保证电流产生的磁场方向一致且不包含转轴中心点，各所述感应线圈和测量装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种平面绕线线圈角位传感器，其特征在于：所述感应线圈的数量为偶数，所述感应线圈的几何尺寸一致，所述感应线圈围绕转轴对称分布。
3.根据权利要求2所述的一种平面绕线线圈角位传感器，其特征在于：所述感应线圈的数量为四个，四个所述感应线圈分别为感应线圈a、感应线圈b、感应线圈c和感应线圈d,四个所述所述感应线圈的几何尺寸一致，所述感应线圈围绕转轴对称分布。
4.根据权利要求3所述的一种平面绕线线圈角位传感器，其特征在于：所述感应线圈的数量为奇数个，所述感应线圈的几何尺寸一致，所述感应线圈围绕转轴对称分布。
5.根据权利要求2所述的一种平面绕线线圈角位传感器，其特征在于：所述感应线圈的数量为偶数，所述感应线圈的几何尺寸不一致，所述感应线圈围绕转轴分布。
6.根据权利要求4所述的一种平面绕线线圈角位传感器，其特征在于：所述感应线圈的数量为奇数，所述感应线圈的几何尺寸不一致，所述感应线圈围绕转轴分布。
7.根据权利要求4所述的一种平面绕线线圈角位传感器，其特征在于：所述部分金属化圆盘由磁通量敏感材质半圆部分和磁通量非敏感材质半圆部分组成。
8.根据权利要求5所述的一种平面绕线线圈角位传感器，其特征在于：所述感应线圈面积有效全覆盖部分金属化圆盘。
9.根据权利要求7所述的一种平面绕线线圈角位传感器，其特征在于：所述感应线圈所在平面和部分金属化圆盘平行。
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