CN110887522A - 一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器及转速、扭矩计算方法 - Google Patents

Abstract

一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器及转速、扭矩计算方法属于传感器领域；现有传感器结构复杂，才能提取线性信号；本装置包括轴输入采集端和轴输出采集端结构相同，分别设置在轴输入端和轴输出端；轴输入采集端包括激励线圈，形状为弯曲成圆弧状矩形；印制在柔性电路板上，若干层的柔性电路板层层叠加，形成金字塔式排列的激励线圈，若干的柔性电路板固定于罩壳内部，罩壳上的罩壳把手内设置有定子处理电路；罩壳通过罩壳把手固定内部柔性电路板和定子处理电路，并贴于待测轴的轴输入端上；接收线圈为首尾相连的矩形，转子电路板上印制有转子信号处理电路；本装置提取的信号为高低电平形式，结构简单；本方法1和本方法2计算方法简单、准确。

Description

一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器及转速、扭矩计算方法

技术领域

本发明属于传感器领域，尤其涉及一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器及转速、扭矩计算方法。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

对于转速的测量，已有的非接触式测量转速的传感器都是根据涡流原理，涡流是非线性的，须通过复杂的结构设计，才能提取出线性信号。且传感器内部空间存在激励线圈的交变磁场和转子的涡流场，需设计复杂的解耦结构。

发明内容

本发明克服了上述现有技术的不足，提供一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器及转速、扭矩计算方法，本装置的传感器内部只存在激励线圈的交变磁场，无需解构，本装置由于磁场聚焦于一点，提取的信号是高低电平形式，算法简单，精度高；有效的解决了现有传感器需要复杂的解耦结构，才能提取出线性信号的技术问题；本方法1和本方法2能够根据本装置提供的数据进行计算得到准确的转速和扭矩，计算方法简单、准确。

本发明的技术方案：

技术方案一

一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器，包括待测轴、轴输入采集端和轴输出采集端；所述轴输入采集端和轴输出采集端结构相同，分别设置在轴输入端和轴输出端；所述轴输入采集端包括若干激励线圈、罩壳、罩壳把手、接收线圈和转子电路板；所述激励线圈采用矩形激励线圈，形状为弯曲成圆弧状矩形；所述激励线圈印制在激励线圈柔性电路板上，每层激励线圈柔性电路板印制一个激励线圈，若干层的激励线圈柔性电路板层层叠加，形成金字塔式排列的激励线圈，所述若干的激励线圈柔性电路板固定于罩壳内部，所述罩壳上设置有罩壳把手，所述罩壳把手内设置有定子处理电路；所述罩壳通过罩壳把手固定内部激励线圈柔性电路板和定子处理电路，并贴于待测轴的轴输入端上；所述接收线圈为首尾相连面积相同的矩形，印制在接收线圈柔性电路板上，所述转子电路板上印制有转子信号处理电路；所述接收线圈和转子电路板固定在待测轴的轴输入端上，且罩壳与轴输入端之间，随轴输入端转动。

进一步地，所述定子处理电路包括定子电源模块、定子无线接收模块和定子芯片模块。

进一步地，所述转子信号处理电路包括转子电源模块、转子无线发送模块和转子芯片模块。

进一步地，所述罩壳把手上设置有开孔，用于引出导线。

技术方案二

一种基于技术方案一所述一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器实现的转速计算方法，包括以下步骤：

步骤a、将激励线圈通高频交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈的空间分布，使磁场聚焦于待测轴上一点，所述点正好位于接收线圈矩形内部；

步骤b、随待测轴的转动，所述点的轨迹是圆；磁聚焦点在接收线圈矩形内部时，由于接收线圈内部的磁通量改变，接收线圈上产生感应电压；

步骤c、当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收线圈的磁通量变化为0，接收线圈的感应电压为零；

步骤d、接收线圈为矩形，根据下列公式：

上式中，B为磁感应强度，S为矩形的面积，U为接收线圈的感应电压；由公式得出，B在特定的情况下，特定时间内，电压电压与S成正比；S的变化，导致U的变化；

步骤e、采集接收线圈的感应电压为高时，计数；通过记录一定时间的高电平个数，计算转速。

技术方案三

一种基于技术方案一所述一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器实现的扭矩计算方法，，包括以下步骤：

步骤a、待测轴的转动会产生形变角θ；轴输入端和轴输出端各一个接收线圈，两端的接收线圈参数一致；

步骤b、待测轴静止时，两端采集到的信号重叠；当待测轴转动时，轴输入端和轴输出端的信号产生相位差，通过计算轴输出端的信号延迟，计算待测轴的形变角θ；

步骤c、根据下列公式：

上式中，θ为轴的扭转角；T为负载扭矩；L为扭杆有效长度；G为扭杆材料剪切模量；I_p为扭杆截面极惯性矩。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

本发明提供了一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器及转速、扭矩计算方法，本装置通过在待测轴上设置若干个激励线圈，使每个激励线圈施加10MHz的高频正弦电流，每个激励线圈的电流幅值根据其位置确定，依据磁场的叠加行原理，使磁场聚焦于待测轴表面上一点，有效的解决了现有传感器需要复杂的解耦结构，才能提取出线性信号的技术问题；

本装置的传感器内部只存在激励线圈的交变磁场，无需解构，设计结构简单，本装置由于磁场聚焦于一点，提取的信号是高低电平形式，算法简单，精度高；

本装置通过在轴输入端和轴输出端同时进行采集，能够为检测扭矩提供了准确的扭矩数据，所以本装置能够同时测量转速、扭矩，解决了现有传感器不能同时测量转速和扭矩的技术问题；

本装置采用信号无线传输，解决了现有传感器经线束传输的技术问题，并且本装置对安装位置要求简单；

本方法1和本方法2能够根据本装置提供的数据进行计算得到准确的转速和扭矩，计算方法简单、准确。

附图说明

图1是本发明结构爆炸图；

图2是激励线圈侧视图；

图3是罩壳主视图；

图4是接收线圈主视图；

图5是本发明安装图；

图6是转速信号脉冲曲线图；

图7是扭矩信号脉冲曲线图；

图8是定子电源模块电路图；

图9是定子无线接收模块电路图；

图10是定子芯片模块电路图；

图11是转子电源模块电路图；

图12是转子无线发送模块电路图；

图13是转子芯片模块电路图。

图中：1待测轴、2激励线圈、3罩壳、4罩壳把手、5接收线圈、6转子电路板。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

具体实施方式一

一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器，如图1-图5所示，包括待测轴1、轴输入采集端和轴输出采集端；所述轴输入采集端和轴输出采集端结构相同，分别设置在轴输入端和轴输出端；所述轴输入采集端包括若干激励线圈2、罩壳3、罩壳把手4、接收线圈5和转子电路板6；所述激励线圈2采用矩形激励线圈，形状为弯曲成圆弧状矩形；所述激励线圈2印制在激励线圈柔性电路板上，每层激励线圈柔性电路板印制一个激励线圈2，若干层的激励线圈柔性电路板层层叠加，形成金字塔式排列的激励线圈2，所述若干的激励线圈柔性电路板固定于罩壳3内部，所述罩壳3上设置有罩壳把手4，所述罩壳把手4内设置有定子处理电路；所述罩壳3通过罩壳把手4固定内部激励线圈柔性电路板和定子处理电路，并贴于待测轴1的轴输入端上，所述罩壳3、激励线圈2和定子处理电路构成传感器的定子；所述接收线圈5为首尾相连面积相同的矩形，印制在接收线圈柔性电路板上，所述转子电路板6上印制有转子信号处理电路；所述接收线圈5和转子电路板6固定在待测轴1的轴输入端上，且罩壳3与轴输入端之间，随轴输入端转动。

所述轴输出采集端包括若干激励线圈B7、罩壳B8、罩壳把手B9、接收线圈B10和转子电路板B11；所述激励线圈B7采用矩形激励线圈，形状为弯曲成圆弧状矩形；所述激励线圈B7印制在激励线圈B柔性电路板上，每层激励线圈B柔性电路板印制一个激励线圈B7，若干层的激励线圈B柔性电路板层层叠加，形成金字塔式排列的激励线圈B7，所述若干的激励线圈B柔性电路板固定于罩壳B8内部，所述罩壳B8上设置有罩壳把手B9，所述罩壳把手B9内设置有定子处理电路B；所述罩壳B8通过罩壳把手B9固定内部激励线圈B柔性电路板和定子处理电路B，并贴于待测轴1的轴输出端上；所述接收线圈B10为首尾相连的矩形，印制在接收线圈B柔性电路板上，所述转子电路板B11上印制有转子信号处理电路B；所述接收线圈B10和转子电路板B11固定在待测轴1的轴输出端上，且罩壳B8与轴输出端之间，随轴输出端转动。

具体地，所述定子处理电路和定子处理电路B均包括定子电源模块、定子无线接收模块和定子芯片模块。

所述定子无线接收模块，如图9所示，包括型号为PCH7900的射频芯片引脚SCK连接RX端口，射频芯片的引脚EN分别连接SCK端口和电阻R8，射频芯片的引脚XTAL2分别连接电容C14和外接晶振Y1，Y1分别连接射频芯片的引脚XTAL1和电容C16，射频芯片的引脚VDD分别连接+5C电源和电容C18，射频芯片的引脚VREG分别连接射频芯片的引脚VDDA、电容C21、C22和射频芯片的引脚VDDP；射频芯片的引脚PAOUT分别连接电感L2和电容C15，L2分别连接C19和L3，L3通过电容C17串联电容C20和天线，射频芯片的引脚SDIO连接MIS0端口，射频芯片的引脚CKOUT分别连接MOSI端口和电阻R7；所述R7、R8、C14、C16、C18、C21、C22、C19、C20、C15、射频芯片的引脚VSSPA和引脚VSS连接GND；本模块用于快速接收转子电路板发送的数据。

所述定子电源模块，如图8所示，包括型号为P320A的电池板P1A的端口+BB分别连接电容C2、C22和铁镍相环的一端，铁镍相环的一端的另一端分别连接C3、C4、电阻R3及型号为HFKW012-1HW的继电器K1的一端，所述电容C2、C22、C3及C4的另一端均与电池板P1A的端口E1连接，R3的另一端串联二极管D2，D2分别连接C5、稳压二极管D3及型号为IRF5505的晶体管Q1，Q1分别连接型号为NCV4275的稳压芯片的引脚IN、电容C8、稳压电容C6和电阻R5；U1的引脚OUT通过电阻R4连接到U1的引脚RESET；U1的引脚DELAY连接电容C9，C9分别连接C8和C6，R5依次串联电阻R6和型号为DTD143EC的三极管Q3，K1的引脚3通过二极管D4分别连接K1的引脚4和三极管Q2；本模块用于将外部提供的12V电压快速地转换为传感器需要的5V电压。

定子芯片模块，如图10所示，包括单片机芯片U2的引脚37分别连接SENT1端口和电阻R76，U2的引脚50分别连接SENT2端口和电阻R75，U2的引脚29分别连接PowerCheck端口和电容C17，R75分别连接电容C13和U2的引脚25，R76分别连接U2的引脚28和C16，C13分别连接C14、C16、C17、C18、C19、C20和GND；U2的引脚63分别连接电阻R21和电容C21，R21分别连接+5V电源和电容C22，C22分别连接GND和C21；U2的引脚11通过电阻R22连接到GND；U2的引脚8分别连接C28的一端、C26的一端和电感L2的一端，L2的另一端分别连接C23的一端、L3的一端、L4的一端和C24的一端，L3的另一端分别连接C27的一端、U2的引脚41和C29的一端，L4的另一端分别连接C25的一端、C30的一端和U2的引脚7；所述C23、C24、C26、C27、C25、C28、C29和C30的另一端均连接GND；U2的引脚40、引脚9和引脚10均连接GND，U2的引脚60连接RelaySW端口，U2的引脚44、引脚45、引脚46和引脚53分别连接RX端口、MISO端口、MOSI端口和SCK端口；U2的引脚17、引脚14、引脚1、引脚18、引脚19、引脚20、引脚21、引脚52和引脚51分别连接PWM_RESET端口、LampOn端口、PowerOn端口、PWMH端口、PWML端口、TORQUE端口、RATIONRRATE端口、CANRX端口和CANTX端口；本模块用于快速数据处理，扭矩、转速数据的快速传输，能够给激励线圈提供激励源。

具体地，所述转子信号处理电路和转子信号处理电路B均包括转子电源模块、转子无线发送模块和转子芯片模块，用于信号采集、信号处理、无线供电和无线传输。

所述转子电源模块，如图11所示，包括5V电源分别连接电阻R1和R2的一端，R1的另一端分别连接电容C1的一端、电阻R3的一端和型号为2N3904的三极管Q1，C1的另一端分别连接电容C4的一端和电容C11的一端，C4的另一端分别连接电容C2的一端、电容C3的一端、电阻R4的一端、电阻R3的另一端和GND，C2的另一端分别连接C11的另一端、R2的另一端和Q1，R4的另一端分别连接Q1和C3的另一端；本模块用于给转子电路板快速提供稳定的5V电压和滤波。

所述转子芯片模块，如图13所示，包括型号为PIC16F1829的单片机芯片U0的引脚1分别连接电容5V电源、电容C18的一端和C19的一端，U0的引脚4分别连接电阻R29的一端和电容C13的一端，R29的另一端连接5V电源，U0的引脚9、引脚11、引脚12和引脚13分别连接MOSI端口、SCK1端口、RX端口和MISO端口，U0的引脚17分别连接电阻R38的一端、电容C7的一端和二极管D3的一端，D3的另一端分别连接电阻R16的一端和型号为AD822AR的放大器U2A的引脚1，R16的另一端分别连接U2A的引脚2和电阻R15的一端，U2A的引脚3分别连接电阻R14的一端和R13的一端，所述C18的另一端、C19的另一端、C13的另一端、C15的另一端、R38的另一端、C7的另一端、U2A的引脚4和U0的引脚20均分别连接GND，R14的另一端连接C端，R13的另一端连接carrier端；本模块用于精确的采集转子线圈电压，快速将数据传输给转子无线发送模块。

所述转子无线发送模块，如图12所示，包括型号为PCH7900的射频芯片引脚SCK连接RX端口，射频芯片的引脚EN分别连接SCK端口和电阻R8，射频芯片的引脚XTAL2分别连接电容C15和外接晶振Y1，Y1分别连接射频芯片的引脚XTAL1和电容C17，射频芯片的引脚VDD分别连接+5C电源和电容C19，射频芯片的引脚VREG分别连接射频芯片的引脚VDDA、电容C22、C23和射频芯片的引脚VDDP；射频芯片的引脚PAOUT分别连接电感L2和电容C16，L2分别连接C20和L3，L3通过电容C18串联电容C21和天线，射频芯片的引脚SDIO连接MIS0端口，射频芯片的引脚CKOUT分别连接MOSI端口和电阻R7；所述R7、R8、C15、C17、C19、C22、C23、C20、C21、C16、射频芯片的引脚VSSPA和引脚VSS均连接GND；本模块用于将转子芯片模块采集的数据快速精确的发送给定子无线接收模块。

具体地，所述转子信号处理电路和转子信号处理电路B还包括接收线圈接口，用于接收线圈与转子芯片模块连接。

具体地，所述定子电源模块与定子芯片模块连接，所述定子芯片模块与定子无线接收模块连接，所述定子无线接收模块与转子无线发送模块连接，所述转子无线发送模块与转子芯片模块连接，所述转子芯片模块与转子电源模块连接。

具体地，所述罩壳把手4和罩壳把手B9上均设置有开孔，用于引出导线，所述罩壳把手4和罩壳把手B9上均加工有定子固定孔12，通过拧紧螺丝固定柔性电路板、定子处理电路和定子处理电路B，柔性电路板包括激励线圈柔性电路板和激励线圈B柔性电路板。

具体地，所述罩壳3和罩壳B8均包括定子处理电路固定面13和激励线圈贴附面14。

工作原理：激励线圈通高频交流电流，空间内产生交变磁场，设计激励线圈的空间分布，使磁场聚焦于待测轴上一点，此点正好位于接收线圈矩形内部。随待测轴的转动，此点的轨迹是圆。磁聚焦点在接收线圈矩形内部时，由于接收线圈内部的磁通量改变，接收线圈上产生感应电压。当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收线圈的磁通量变化为0，接收线圈的感应电压为零。接收线圈为矩形，根据公式：

其中B是磁感应强度，S是矩形的面积，U是接收线圈的感应电压。由公式可知，B一定的情况下，一定时间内，电压电压与S成正比。S的变化，导致U的变化。此过程如图6所示。

具体实施方式二

一种基于具体实施方式一所述一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器实现的转速计算方法，包括以下步骤：

步骤a、将激励线圈2通高频交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈2的空间分布，使磁场聚焦于待测轴1上一点，所述点正好位于接收线圈5矩形内部；

步骤b、随待测轴1的转动，所述点的轨迹是圆；磁聚焦点在接收线圈5矩形内部时，由于接收线圈5内部的磁通量改变，接收线圈5上产生感应电压；

步骤c、当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收线圈5的磁通量变化为0，接收线圈5的感应电压为零；

步骤d、接收线圈5为矩形，根据下列公式：

上式中，B为磁感应强度，S为矩形的面积，U为接收线圈5的感应电压；由公式得出，B在特定的情况下，特定时间内，电压电压与S成正比；S的变化，导致U的变化；

步骤e、采集接收线圈5的感应电压为高时，计数；通过记录一定时间的高电平个数，计算转速。

具体实施方式三

一种基于具体实施方式一所述一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器实现的扭矩计算方法，包括以下步骤：

步骤a、待测轴1的转动会产生形变角θ；轴输入端和轴输出端各一个接收线圈，两端的接收线圈参数一致；

步骤b、待测轴1静止时，两端采集到的信号重叠，如图6所示；当待测轴1转动时，轴输入端和轴输出端的信号产生相位差，如图7所示，虚线为轴输入端的信号，通过计算轴输出端的信号延迟，计算待测轴1的形变角θ；

步骤c、根据下列公式计算扭矩：

上式中，θ为轴的扭转角；T为负载扭矩；L为扭杆有效长度；G为扭杆材料剪切模量；I_p为扭杆截面极惯性矩。

Claims (6)

1.一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器，其特征在于，包括待测轴(1)、轴输入采集端和轴输出采集端；所述轴输入采集端和轴输出采集端结构相同，分别设置在轴输入端和轴输出端；所述轴输入采集端包括若干激励线圈(2)、罩壳(3)、罩壳把手(4)、接收线圈(5)和转子电路板(6)；所述激励线圈(2)采用矩形激励线圈，形状为弯曲成圆弧状矩形；所述激励线圈(2)印制在激励线圈柔性电路板上，每层激励线圈柔性电路板印制一个激励线圈(2)，若干层的激励线圈柔性电路板层层叠加，形成金字塔式排列的激励线圈(2)，所述若干的激励线圈柔性电路板固定于罩壳(3)内部，所述罩壳(3)上设置有罩壳把手(4)，所述罩壳把手(4)内设置有定子处理电路；所述罩壳(3)通过罩壳把手(4)固定内部激励线圈柔性电路板和定子处理电路，并贴于待测轴(1)的轴输入端上；所述接收线圈(5)为首尾相连面积相同的矩形，印制在接收线圈柔性电路板上，所述转子电路板(6)上印制有转子信号处理电路；所述接收线圈(5)和转子电路板(6)固定在待测轴(1)的轴输入端上，且罩壳(3)与轴输入端之间，随轴输入端转动。

2.根据权利要求1所述一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器，其特征在于，所述定子处理电路包括定子电源模块、定子无线接收模块和定子芯片模块。

3.根据权利要求1所述一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器，其特征在于，所述转子信号处理电路包括转子电源模块、转子无线发送模块和转子芯片模块。

4.根据权利要求1所述一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器，其特征在于，所述罩壳把手(4)上设置有开孔，用于引出导线。

5.一种基于权利要求1所述一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器实现的转速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、将激励线圈(2)通高频交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈(2)的空间分布，使磁场聚焦于待测轴(1)上一点，所述点正好位于接收线圈(5)矩形内部；

步骤b、随待测轴(1)的转动，所述点的轨迹是圆；磁聚焦点在接收线圈(5)矩形内部时，由于接收线圈(5)内部的磁通量改变，接收线圈(5)上产生感应电压；

步骤c、当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收线圈(5)的磁通量变化为0，接收线圈(5)的感应电压为零；

步骤d、接收线圈(5)为矩形，根据下列公式：

上式中，B为磁感应强度，S为矩形的面积，U为接收线圈(5)的感应电压；由公式得出，B在特定的情况下，特定时间内，电压电压与S成正比；S的变化，导致U的变化；

步骤e、采集接收线圈(5)的感应电压为高时，计数；通过记录一定时间的高电平个数，计算转速。

6.一种基于权利要求1所述一种磁聚焦式转速、扭矩一体化传感器实现的扭矩计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、待测轴(1)的转动会产生形变角θ；轴输入端和轴输出端各一个接收线圈，两端的接收线圈参数一致；

步骤b、待测轴(1)静止时，两端采集到的信号重叠；当待测轴(1)转动时，轴输入端和轴输出端的信号产生相位差，通过计算轴输出端的信号延迟，计算待测轴(1)的形变角θ；

步骤c、根据下列公式：

上式中，θ为轴的扭转角；T为负载扭矩；L为扭杆有效长度；G为扭杆材料剪切模量；I_p为扭杆截面极惯性矩。

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