CN111174856A - 一种旋转检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转检测装置，包括绕轴线旋转的托盘和位于托盘上方且固定不动的旋转检测模块，所述托盘上表面呈部分金属化状态，所述旋转检测模块包括依次相连的激励电路、PCB线圈和信号处理电路，所述PCB线圈包括与托盘上平面相平行且圆心位于所述轴线上的激励线圈和在激励线圈内部等角度周向排列的多个感应线圈，多个感应线圈对角两两配成对，所述信号处理电路包括开关放大电路和连接于所述开关放大电路采样端的采样电路，且每个感应线圈的一端分别连接至开关放大电路的输入端。本发明的开关放大电路能够放大感应线圈的感应信号，增加托盘的上平面与PCB线圈平面之间的最大距离。
Description
技术领域
本发明涉及液体计量、气体计量等流体计量领域，具体涉及一种旋转检测装置。
背景技术
目前流体计量应用中，最常见的方式是基于流体或气体流动带动机械部件转动来检测液体或气体的流速或流量。其中有一种旋转检测装置，其用来统计机械部件转动圈数以将流量转化为数字信号。
现有技术中的流体计量中具有几种常见的旋转检测方式：
第一种使用磁性传感器，多在转子靠边位置放置小型的永磁体，永磁体绕轴心转动，在永磁体转动路径上方放置干簧管等磁性传感器，将磁场状态变化转为电信号。但由于外部强磁场很容易干扰磁性传感器状态，因此该方法抗干扰能力较差。
第二种，如中国专利公开了一种专利号为ZL200680007522.8，专利名称为感应式角位传感器的发明专利，该发明解决了传统磁性传感器容易被永磁体干扰的问题。但是其次级线圈的输出信号直接输出给比较器，由于次级线圈的输出信号是通过感应金属化圆盘的转动感应而来，信号本身比较微弱，所以直接将信息输出给比较器的方式，会使金属化的圆盘与旋转计数器模块之间的距离受到较大的限制，两者需要有比较近的距离，稍远离一些就会大大影响检测结果。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种能够放大检测信号的旋转检测装置。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种旋转检测装置，包括绕轴线旋转的托盘和位于托盘上方且固定不动的旋转检测模块，所述托盘上表面呈部分金属化状态，所述旋转检测模块包括依次相连的激励电路、PCB线圈和信号处理电路，所述PCB线圈包括与托盘上平面相平行且圆心位于所述轴线上的激励线圈和在激励线圈内部等角度周向排列的多个感应线圈，多个感应线圈对角两两配成对，其特征在于，所述信号处理电路包括开关放大电路和连接于所述开关放大电路采样端的采样电路，且每个感应线圈的一端分别连接至开关放大电路的输入端。
在上述的旋转检测装置中，所述采样电路包括控制比较电路和连接于所述控制比较电路的充放电电路，所述开关放大电路通过所述充放电电路连接于所述控制比较电路。
在上述的旋转检测装置中，所述采样电路包括有多个所述充放电电路，所述开关放大电路包括多个放大器，各个感应线圈均连接于不同放大器的输入端，每个放大器的采样端通过所述充放电电路连接于控制比较电路，且成对感应线圈对应的两个放大器通过不同的充放电电路连接至控制比较电路。
在上述的旋转检测装置中，两个非成对感应线圈对应的两个放大器通过同一个充放电电路连接于控制比较电路。
在上述的旋转检测装置中，每个充放电电路均包括相互连接的电阻和电容，所述电容和电阻的公共端分别连接于相应放大器和控制比较电路，所述电容的另一端接地。
在上述的旋转检测装置中，每个放大器的驱动端通过脉冲发生器连接于单片机的驱动端口，每次由所述单片机控制其中两个放大器打开，且每次成对的感应线圈对应的两个放大器同时打开或关闭。
在上述的旋转检测装置中，每两个成对感应线圈对应的放大器连接至同一个脉冲发生器，非成对感应线圈对应的放大器连接于不同个脉冲发生器，不同脉冲发生器分别连接于所述单片机不同驱动端口。
在上述的旋转检测装置中，所述放大器为晶体管，每个感应线圈均连接于相应晶体管的基极，所述晶体管的发射极连接于相应脉冲发生器，集电极连接于相应的充放电电路；
所述感应线圈为大小相等的四个，依次为第一感应线圈、第二感应线圈、第三感应线圈和第四感应线圈，且位于对角的第一感应线圈和第三感应线圈配成对，第二感应线圈和第四感应线圈配成对；
第一感应线圈对应的晶体管和第三感应线圈对应的晶体管连接于同一脉冲发生器，第二感应线圈对应的晶体管和第四感应线圈对应的晶体管连接于同一脉冲发生器。
在上述的旋转检测装置中，所述控制比较电路包括所述单片机，所述单片机内集成有比较器和定时器，所述单片机上引出有连接于所述比较器的比较器正端口和比较器负端口，且比较器正端口连接于一个充放电电路，比较器负端口连接于另一个充放电电路，且成对的感应线圈各自对应的充放电电路分别连接至同一个比较器的比较器正端口和比较器负端口。
在上述的旋转检测装置中，所述托盘上表面具有扇形金属片以使托盘上表面呈部分金属化状态；
多个感应线圈分别从各自的中心点起，向外绕经多圈之后，于激励线圈的圆心处相互连接，每个感应线圈的中心点与各自对应的放大器相连；
所述旋转检测模块为多层印刷电路板，且包括PCB线圈和位于PCB线圈上方的屏蔽层，所述激励线圈和感应线圈均印制在PCB线圈层中。
本发明的优点在于：
1.开关放大电路能够放大感应线圈的感应信号，增加托盘的上平面与PCB线圈平面之间的最大距离。
2.采用分时采样的工作模式，共用一个采样电路，且采样电路中的比较器、定时器能够采用现有技术中集成比较器和定时器的单片机，节省空间和成本。
3.由电容、电阻、比较器和定时器构成采样电路，通过电容的放电时间和放电量检测感应信号的变化值，可显著提高旋转检测模块与托盘上金属片之间的距离，同时可判断两者之间的距离变化，检测旋转检测模块是否发生脱离等。
说明书附图
图1为旋转检测装置与托盘位置关系示意图；
图2为印制在印制电路板上PCB线圈的结构示意图；
图3为旋转检测装置的检测原理图。
图中：托盘1；金属片2；旋转检测模块3；轴线4；激励线圈5；感应线圈6；第一感应线圈A；第二感应线圈B；第三感应线圈C；第四感应线圈D，电容C6、C7；电阻R6、R7；单片机U1；激励电路7；采样电路8；控制比较电路81；充放电电路82；比较器83；定时器84；开关放大电路9；脉冲发生器91；晶体管Q。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
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所示，当液体或气体流动时，机械传动部件会带动托盘1绕其轴线4转动，根据实际液体或气体流向，托盘1按顺时针或者逆时针方向转动，托盘1可以为圆形托盘或者非圆形托盘，本实施例优选为圆形托盘，托盘1上表面镶嵌或者涂敷有扇形金属材料，例如图1中，托盘1上表面镶嵌了一个半圆形的金属片2，当然，实际使用时也可以是120度、150度等其他角度的金属片2。
旋转检测模块3固定在托盘1正上方，实际使用时，托盘1与旋转检测模块3之间可放置或填充玻璃，塑料等非金属材料。
具体地，本实施例的旋转检测模块3包括依次相连的激励电路7、PCB线圈和信号处理电路，且这里的旋转检测模块3为一印刷电路板，印制板可以为双层板或多层板，且最少包括PCB线圈层和位于PCB线圈层上方的屏蔽层，本实施例选择四层结构，从上至下依次为：第一层为元器件层，第二层为屏蔽层，第三层为空置层，第四层为PCB线圈层；当模块运行起来后屏蔽层很好的隔离了PCB线圈层对元器件层的干扰，同时也很好的隔离了其他电磁波对PCB线圈层的干扰。
PCB线圈包括印制在印刷电路板靠近托盘1一面的激励线圈5和多个感应线圈6，激励线圈5呈圆形且将多个感应线圈6包围在其圆形内。多个感应线圈6等角度周向排列，且每个线圈大小一致，共同组成一个圆形。进一步地，旋转检测模块3靠近托盘1的一面与托盘1上表面相平行，且激励线圈5的圆心以及多个感应线圈6合围成的圆形的圆心均位于托盘1转动的轴线4上。需要说明的是，检测转动圈数至少需要2个感应线圈6，如需判断转动方向则至少需要4个感应线圈6。如图2所示，本实施例采用4个感应线圈进行具体说明，且4个感应线圈分别为第一感应线圈A、第二感应线圈B、第三感应线圈C和第四感应线圈D。四个感应线圈6对角两两配成对，特别地，第一感应线圈A与第三感应线圈C配成对，第二感应线圈B与第四感应线圈D配成对。
进一步地，激励线圈5连接于激励电路7，激励电路7可以采用RC微分电路，激励电路7连接于单片机U1以通过单片机U1使激励电路7产生周期的激励脉冲。本实施例中，脉冲信号的脉宽设置为5～20ns，例如10ns，可有效降低功耗和减少外部干扰。
特别地，如图3所示，本实施例的信号处理电路包括开关放大电路9和连接于开关放大电路9采样端的采样电路8，且每个感应线圈6的一端分别连接至开关放大电路9的输入端，以将感应线圈6的感应信号放大，并将放大了的感应信号传送给采样电路8进行比较输出；其中，采样电路8包括控制比较电路81和多个连接于控制比较电路81的充放电电路82，开关放大电路9通过多个充放电电路82连接于控制比较电路81。
具体地，开关放大电路9包括多个放大器，各个感应线圈均连接于不同放大器的输入端，每个放大器的采样端通过充放电电路82连接于控制比较电路81，且成对感应线圈6对应的两个放大器通过不同的充放电电路82连接至控制比较电路81，两个非成对感应线圈6对应的两个开关放大电路通过同一个充放电电路82连接于控制比较电路81。具体到本实施例，如图3所示，第一感应线圈A与第二感应线圈B对应的放大器通过同一个充放电电路82连接于控制比较电路81，第三感应线圈C和第四感应线圈D对应的放大器通过另一个充放电电路82连接于控制比较电路81，这里的两个感应线圈6共用一个充放电电路82，能够节省原材料，降低成本，简化电路，并且不会对检测目的造成任何影响。
进一步地，如图2所示，本实施例的四个感应线圈6分别从各自的中心点起，向外绕经多圈之后，于激励线圈5的圆心处相互连接，每个感应线圈6的中心点与各自对应的放大器相连。
进一步地，如图3所示，每个充放电电路82包括相互连接的电容C6、C7和电阻R6、R7，每个充放电电路82中的电容C6、C7和电阻R6、R7的公共端分别连接于相应放大器和控制比较电路81，电容C6、C7的另一端接地，电阻R6、R7的另一端连于单片机U1；控制比较电路81包括前述单片机U1，单片机U1内集成有比较器83和定时器84，单片机U1上引出有连接于比较器83的比较器正端口和比较器负端口，且比较器正端口连接于一个充放电电路82，比较器负端口连接于另一个充放电电路82，且成对的感应线圈6各自对应的充放电电路82分别连接至同一个比较器83的比较器正端口和比较器负端口。具体到本实施例，如图3所示，第一感应线圈A与第三感应线圈C一端彼此相连，另一端则与各自对应的放大器相连，第一感应线圈A与第三感应线圈C各自的放大器采样端分别通过各自的充放电电路82分别连接至同一比较器83的正极和负极。同样地，第二感应线圈B与第四感应线圈D一端彼此相连，另一端则与各自对应的放大器相连，第二感应线圈B与第四感应线圈D各自的放大器采样端分别通过各自的充放电电路82分别连接同一比较器83的正极和负极。这样，一对感应线圈上的感应信号就能够通过比较器83进行比较。其中第一感应线圈A、第三感应线圈C连接的比较器与第二感应线圈B、第四感应线圈D连接的比较器可以为同一个，也可以为不同个，相应地，单片机U1内集成有一个或多个比较器。
进一步地，每个放大器的驱动端通过脉冲发生器91连接于单片机U1的驱动端口，每次由单片机U1控制其中两个放大器打开，且每次成对的感应线圈6对应的两个放大器同时打开或关闭。具体地，这里的放大器优选为晶体管Q，每个感应线圈6均连接于相应晶体管Q的基极，即输入端；晶体管Q的发射极，即驱动端通过相应脉冲发生器91连接于相应的驱动端口；晶体管Q的集电极，即采样端连接于相应的充放电电路82。
进一步地，为了节约端口和脉冲发生器91的使用，简化整体电路，同时又因为每对感应线圈需要同时有效，所以这里每对感应线圈6对应的晶体管Q连接至同一个脉冲发生器91，每个脉冲发生器91再连接至单片机U1的不同驱动端口，每次单片机U1只需要一个驱动端口就能够同时控制其中一对感应线圈有效。具体到本实施例就是第一感应线圈A对应的晶体管Q和第三感应线圈C对应的晶体管Q连接于同一脉冲发生器91，第二感应线圈B对应的晶体管Q和第四感应线圈D对应的晶体管Q连接于同一脉冲发生器91。
下面以四个感应线圈、一个比较器、两个充放电电路和半圆形金属片为例描述旋检测装置的实现原理：
工作时，圆形托盘1上的半圆形金属片2按顺时针或逆时针转动，激励电路7产生的脉冲信号通过激励线圈5按一定周期往外辐射电磁信号，感应线圈6则会产生感应的电压；当旋转检测模块3下方圆形托盘1上的半圆形金属片2转到上方某个感应线圈6处时，会形成电感涡流，导致更大的电能消耗，该处感应电压偏小；当旋转检测模块3下方的圆形托盘1上的半圆形金属片2远离上方某个感应线圈6处时，基本不存在涡流，该点感应电压相对较大。
单片机驱动端输出低电平给脉冲发生器91时，晶体管Q关闭；单片机驱动端输出高电平给脉冲发生器91时，晶体管Q导通，此时晶体管Q处于放大区域，其对应的电容C6或C7开始放电，放电速度受感应线圈6的感应电压影响，放电时间受激励信号脉宽控制，通常为几个纳秒。感应线圈6中微小的感应电压信号经过晶体管Q放大为电容上的强电压信号，可非常有效的提升检测灵敏度，增加旋转检测模块3与托盘1上的扇形金属片2之间的间距。
在采集信号前，单片机U1将电容C6，C7充满电，激励电路7产生的脉冲信号通过激励线圈5按一定周期往外辐射电磁信号；采样时，开关放大电路受单片机U1控制，按一定时间间隔分时打开第一感应线圈A、第三感应线圈C分别所在的晶体管Q，和第二感应线圈B、第四感应线圈D分别所在的晶体管Q，本领域技术人员可以根据具体的应用场景设定时间间隔，且基本原则是，应用在转速相对较快的场景的间隔时间小于应用在转速相对较慢的场景的间隔时间，以满足保证检测精度的前提下节省功耗的目标。并通过晶体管Q分别对电容C6,C7放电，将感应到的电压转化为电容C6、C7放电量大小。例如，当第一感应线圈A和第三感应线圈C开启后，由于圆形托盘1上半圆形金属片2的存在，第一感应线圈A和第三感应线圈C的感应电压大小不一样，导致电容C6和C7上放电后剩余的电压不同，随后由单片机U1中比较器83比较两个电容C6和C7的电压大小，并控制高电压的电容的缓慢放电至两个电容C6和C7电压相等，单片机U1定时器84计数获取该放电时间。由于金属片2为半圆形，故可以通过放电时间长短判断第一感应线圈A和第三感应线圈C正下方所对应金属片2位置，根据位置的变化判断转动圈数。按上述过程依次获取第一感应线圈A、第三感应线圈C，和第二感应线圈B、第四感应线圈D的状态，与预先设定的位置编码表进行比较，通过各状态变化关系，便可获取金属片2转动方向。值得注意的是，使用AD采样的方式同样可以获取充放电电容剩余电压的值，与之相比，使用比较器加定时器在功耗控制上更具有优势。
进一步地，本发明中单片机U1可以采用低功耗PIC单片机，该系列单片机具有高性能的RISC CPU，灵活的振荡器结构，同时包含模拟比较模块，定时器模块，满足实际功能需求，其低功耗的特性可满足电池供电的使用场景，故选择作为旋转检测模块3的控制核心。
需要特别说明的是，本实施例通过将微小的电压变化转为更加明显的时间变化来提高灵敏度，能够基于更小的信号进行位置判断，避免了现有技术由于信号微弱问题导致旋转检测模块与托盘1上的扇形金属片2之间的间距受到较大限制的问题。本发明可用于液体流量计量、气体流量计量、低速机械传动圈数计数等场合；且有效解决传统的干簧管计量方式、霍尔传感器计量方式、插件电感式无磁计量等方式等易受外界电磁信号干扰的问题。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种旋转检测装置，包括绕轴线(4)旋转的托盘(1)和位于托盘(1)上方且固定不动的旋转检测模块(3)，所述托盘(1)上表面呈部分金属化状态，所述旋转检测模块(3)包括依次相连的激励电路(7)、PCB线圈和信号处理电路，所述PCB线圈包括与托盘(1)上平面相平行且圆心位于所述轴线(4)上的激励线圈(5)和在激励线圈(5)内部等角度周向排列的多个感应线圈(6)，多个感应线圈(6)对角两两配成对，其特征在于，所述信号处理电路包括开关放大电路(9)和连接于所述开关放大电路(9)采样端的采样电路(8)，且每个感应线圈(6)的一端分别连接至开关放大电路(9)的输入端。
2.根据权利要求1所述的旋转检测装置，其特征在于，所述采样电路(8)包括控制比较电路(81)和连接于所述控制比较电路(81)的充放电电路(82)，所述开关放大电路(9)通过所述充放电电路(82)连接于所述控制比较电路(81)。
3.根据权利要求2所述的旋转检测装置，其特征在于，所述采样电路包括有多个所述充放电电路，所述开关放大电路(9)包括多个放大器，各个感应线圈均连接于不同放大器的输入端，每个放大器的采样端通过所述充放电电路连接于控制比较电路(81)，且成对感应线圈(6)对应的两个放大器通过不同的充放电电路(82)连接至控制比较电路(81)。
4.根据权利要求3所述的旋转检测装置，其特征在于，两个非成对感应线圈(6)对应的两个放大器通过同一个充放电电路(82)连接于控制比较电路(81)。
5.根据权利要求3所述的旋转检测装置，其特征在于，每个充放电电路(82)均包括相互连接的电阻(R6、R7)和电容(C6、C7)，所述电容(C6、C7)和电阻(R6、R7)的公共端分别连接于相应放大器和控制比较电路(81)，所述电容(C6、C7)的另一端接地。
6.根据权利要求3-5任意一项所述的旋转检测装置，其特征在于，每个放大器的驱动端通过脉冲发生器(91)连接于单片机(U1)的驱动端口，每次由所述单片机(U1)控制其中两个放大器打开，且每次成对的感应线圈(6)对应的两个放大器同时打开或关闭。
7.根据权利要求6所述的旋转检测装置，其特征在于，每两个成对感应线圈(6)对应的放大器连接至同一个脉冲发生器(91)，非成对感应线圈(6)对应的放大器连接于不同个脉冲发生器(91)，不同脉冲发生器(91)分别连接于所述单片机不同驱动端口。
8.根据权利要求7所述的旋转检测装置，其特征在于，所述放大器为晶体管(Q)，每个感应线圈(6)均连接于相应晶体管(Q)的基极，所述晶体管(Q)的发射极连接于相应脉冲发生器(91)，集电极连接于相应的充放电电路(82)；
所述感应线圈(6)为大小相等的四个，依次为第一感应线圈(A)、第二感应线圈(B)、第三感应线圈(C)和第四感应线圈(D)，且位于对角的第一感应线圈(A)和第三感应线圈(C)配成对，第二感应线圈(B)和第四感应线圈(D)配成对；
第一感应线圈(A)对应的晶体管(Q)和第三感应线圈(C)对应的晶体管(Q)连接于同一脉冲发生器(91)，第二感应线圈(B)对应的晶体管(Q)和第四感应线圈(D)对应的晶体管(Q)连接于同一脉冲发生器(91)。
9.根据权利要求7所述的旋转检测装置，其特征在于，所述控制比较电路(81)包括所述单片机(U1)，所述单片机(U1)内集成有比较器(83)和定时器(84)，所述单片机(U1)上引出有连接于所述比较器(83)的比较器正端口和比较器负端口，且比较器正端口连接于一个充放电电路(82)，比较器负端口连接于另一个充放电电路(82)，且成对的感应线圈(6)各自对应的充放电电路(82)分别连接至同一个比较器(83)的比较器正端口和比较器负端口。
10.根据权利要求3所述的旋转检测装置，其特征在于，所述托盘(1)上表面具有扇形金属片(2)以使托盘(1)上表面呈部分金属化状态；
多个感应线圈(6)分别从各自的中心点起，向外绕经多圈之后，于激励线圈(5)的圆心处相互连接，每个感应线圈(6)的中心点与各自对应的放大器相连；
所述旋转检测模块(3)为多层印刷电路板，且包括PCB线圈和位于PCB线圈上方的屏蔽层，所述激励线圈(5)和感应线圈(6)均印制在PCB线圈层中。
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