CN111312491B - 耦合平面线圈、位移传感器及可穿戴电子产品 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提出一种耦合平面线圈、位移传感器及可穿戴电子产品，涉及感应线圈技术领域。该耦合平面线圈包括第一织物基板、第二织物基板、第一电感线圈及第二电感线圈，第一电感线圈及第二电感线圈均包括多匝环绕的导电纤维，第一电感线圈设置于第一织物基板，第二电感线圈设置于第二织物基板，第一电感线圈及第二电感线圈堆叠设置。由于第一电感线圈及第二电感线圈均采用导电纤维制成，同时分别设置于不同的织物基板上，这种结构既能实现耦合平面线圈的功能，又能减小耦合平面线圈的体积以及增加耦合平面线圈的柔韧性，更适应于可穿戴电子产品。

Description

耦合平面线圈、位移传感器及可穿戴电子产品
技术领域
本发明涉及感应线圈技术领域，具体而言，涉及一种耦合平面线圈、位移传感器及可穿戴电子产品。
背景技术
当两个电感线圈彼此串联耦合时，由于互感现象，由一个电感线圈产生的磁通量将在另一个电感线圈中感应出电流。互感的变化
使两个耦合电感的等效电感的变化加倍，任何导致互感变化的因素都可以被放大。
现有的电感线圈可以形成在印制电路板(Printed Circuit Board，PCB) 或印刷电路板上；或者形成在柔性印刷电路板上。虽然利用柔性印刷电路板改善了传统PCB坚硬、沉重且不易形变的缺点，但其复杂的制造工艺导致增加生产成本和损害工作环境，同时其有限的柔韧性导致铜箔在过度变形之后断裂，因此这类电感线圈并不适用于智能纺织品的许多应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种耦合平面线圈、位移传感器及可穿戴电子产品，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种耦合平面线圈，所述耦合平面线圈包括第一织物基板、第二织物基板、第一电感线圈及第二电感线圈，所述第一电感线圈及所述第二电感线圈均包括多匝环绕的导电纤维，所述第一电感线圈设置于所述第一织物基板，所述第二电感线圈设置于所述第二织物基板，所述第一电感线圈及所述第二电感线圈堆叠设置。
进一步地，所述第一电感线圈的导电纤维缝制于所述第一织物基板，所述第二电感线圈的导电纤维缝制于所述第二织物基板。
进一步地，所述第一电感线圈还包括第一基底，所述第二电感线圈还包括第二基底，所述第一电感线圈的导电纤维缝制于所述第一基底，所述第一基底设置于所述第一织物基板，所述第二电感线圈的导电纤维缝制于所述第二基底，所述第二基底设置于所述第二织物基板。
进一步地，所述耦合平面线圈还包括弹性隔离片，所述弹性隔离片设置于所述第一织物基板与所述第二织物基板之间，所述弹性隔离片的一端与所述第一织物基板连接，所述弹性隔离片的另一端与所述第二织物基板连接。
进一步地，所述第一电感线圈与所述第二电感线圈串联。
进一步地，多匝所述导电纤维等间距设置。
进一步地，所述耦合平面线圈还包括第三织物基板及第三电感线圈，所述第三电感线圈包括多匝环绕的导电纤维，所述第三电感线圈设置于所述第三织物基板，所述第三电感线圈与所述第一电感线圈堆叠设置，所述第三织物基板位于所述第一电感线圈背离所述第二电感线圈的一侧。
第二方面，本发明实施例还提供了一种位移传感器，所述位移传感器包括控制器及上述任意一种耦合平面线圈，所述控制器与所述耦合平面线圈电连接；
所述耦合平面线圈用于在所述第一电感线圈与所述第二电感线圈处于第一状态时输出第一电压至所述控制器；
所述耦合平面线圈用于在所述第一电感线圈与所述第二电感线圈处于第二状态时输出第二电压至所述控制器；
所述控制器用于根据所述第一电压及所述第二电压计算位移值。
进一步地，所述第一电压与所述第一电感线圈的线圈匝数、所述第一电感线圈的线圈参数、所述第二电感线圈的线圈匝数、所述第二电感线圈的线圈参数关联。
第三方面，本发明实施例还提供了一种可穿戴电子产品，所述可穿戴电子产品包括上述任意一种位移传感器。
本发明实施例提供的耦合平面线圈，包括第一织物基板、第二织物基板、第一电感线圈及第二电感线圈，第一电感线圈及第二电感线圈均包括多匝环绕的导电纤维，第一电感线圈设置于第一织物基板，第二电感线圈设置于第二织物基板，第一电感线圈及第二电感线圈堆叠设置。由于第一电感线圈及第二电感线圈均采用导电纤维制成，同时分别设置于不同的织物基板上，这种结构既能实现耦合平面线圈的功能，又能减小耦合平面线圈的体积以及增加耦合平面线圈的柔韧性，更适应于可穿戴电子产品。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明第一实施例提供的耦合平面线圈的结构示意图。
图2示出了本发明实施例提供的电感线圈的示意图。
图3及图4分别示出了圆形及方形的耦合平面线圈的等效电感与位移的关系示意图。
图5示出了本发明第二实施例提供的耦合平面线圈的结构示意图。
图标：100-耦合平面线圈；110-第一织物基板；120-第二织物基板； 130-第一电感线圈；140-第二电感线圈；150-弹性隔离片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
第一实施例
本发明提供了一种耦合平面线圈100，其相较于现有的耦合平面线圈 100具备更柔软、更轻巧的特点。请参阅图1，为本发明提供的耦合平面线圈100的结构示意图。该耦合平面线圈100包括第一织物基板110、第二织物基板120、第一电感线圈130及第二电感线圈140，第一电感线圈 130及第二电感线圈140均包括多匝环绕的导电纤维，第一电感线圈130设置于第一织物基板110，第二电感线圈140设置于第二织物基板120，第一电感线圈130及第二电感线圈140堆叠设置。
其中，第一织物基板110用于设置第一电感线圈130，第二织物基板 120用于设置第二电感线圈140。需要说明的是，第一织物基板110及第二织物基板120均为非导电织物，例如可以是非织造布、针织布、机织布、编织棉亚麻织物等。
在一种可选的实施方式中，第一织物基板110及第二织物基板120 均采用可拉伸的织物制成。通过采用可拉伸的织物制作第一织物基板110 及第二织物基板120，有利于第一织物基板110与第二织物基板120在受到外力的情况下发生形变，以改变第一电感线圈130与第二电感线圈140 的相对位移，从而改变耦合平面线圈100的电感值。
第一电感线圈130设置于第一织物基板110，第二电感线圈140设置于第二织物基板120，且第一电感线圈130及第二电感线圈140堆叠设置。需要说明的是，第一电感线圈130及第二电感线圈140堆叠设置可以理解为：第一电感线圈130与第二电感线圈140在竖直方向上重合。
其中，第一电感线圈130及第二电感线圈140均包括多匝环绕的导电纤维。例如，该导电纤维可以是合股的不锈钢丝束，其直径约为0.48mm，电阻率约为9.3ohm/m。
在一种可选的实施方式中，第一电感线圈130的导电纤维缝制于第一织物基板110，第二电感线圈140的导电纤维缝制于第二织物基板120。例如，用户可利用Brother商用刺绣机PR670E以400rpm的针脚速度在第一织物基板110及第二织物基板120上进行电感线圈的刺绣以生成第一电感线圈130及第二电感线圈140，最小针迹长度为1mm。
在另一种可选的实施方式中，第一电感线圈130还包括第一基底，第二电感线圈140还包括第二基底，第一电感线圈130的导电纤维缝制于第一基底，第一基底设置于第一织物基板110，第二电感线圈140的导电纤维缝制于第二基底，第二基底设置于第二织物基板120。
可以理解地，通过设置第一基底及第二基底，可使得第一电感线圈 130与第一织物基板110设置，使得第二电感线圈140与第二织物基板120 设置。从而，在出现第一电感线圈130或第二电感线圈140损坏的情况，可以直接更换第一电感线圈130或第二电感线圈140，而无需重新在织物基板上缝制电感线圈，便于用户更换。
需要说明的是，在一种可选的实施方式中，为了增强耦合平面线圈 100的灵敏度，第一电感线圈130与第二电感线圈140串联。
此外，本发明无需对第一电感线圈130及第二电感线圈140的形状进行任何限制，其可根据用户的具体需求而具体设置。在一种可选的实施方式中，第一电感线圈130与第二电感线圈140的形状可以相同。例如，第一电感线圈130与第二电感线圈140均为同心的圆形线圈、同心的方形线圈、同心的星型线圈或者其他任意规则形状或不规则形状。但在另一种可选的实施方式中，第一电感线圈130与第二电感线圈140的形状也可以相同。例如，第一电感线圈130与第二电感线圈140可以为任意两种不同形状，如第一电感线圈130为同心的圆形线圈，第二电感线圈140为同心的方形线圈。
同时，在一种可选的实施方式中，第一电感线圈130及第二电感线圈 140的多匝导电纤维等间距设置。当然，在其他实施方式中，多匝导电纤维也可以不用等间距设置。但需要说明的是，通过将多匝导电纤维等间距设置，可以使得利用该电感线圈测量位移值时得到的结果更加精确。
可以理解地，耦合平面线圈100的电感与第一电感线圈130自身的电感、第二电感线圈140自身的电感以及第一电感线圈130与第二电感线圈 140之间形成互感相关联。其中，电感线圈自身的电感与线圈匝数、线圈参数、自由空间的磁导率关联。而第一电感线圈130与第二电感线圈140 之间形成的互感则与第一电感线圈130与第二电感线圈140之间的位置关联。
具体地，线圈参数包括线圈的平均半径、线圈的内圈与外圈之间的间距。在本实施例中，以第一电感线圈130为同心且等间距的圆形线圈，第二电感线圈140为同心且等间距的方形线圈为例，并结合图2计算第一电感线圈130及第二电感线圈140的电感：
Figure GDA0003053386790000081
Figure GDA0003053386790000082
其中，L1为第一电感线圈130的电感，L2为第二电感线圈140的电感，μ0为自由空间的磁导率(μ0＝4π×10-7Hm-1)，N1为第一电感线圈130的匝数，N2为第二电感线圈140的匝数，a1为第一电感线圈130的平均半径， a2为第二电感线圈140的平均半径，c1为第一电感线圈130的内圈与外圈之间的间距，c2为第二电感线圈140的内圈与外圈之间的间距。
其中，
Figure GDA0003053386790000083
dout1为第一电感线圈130的外直径，dout2为第二电感线圈140的外直径，din1为第一电感线圈130的内直径，din2为第二电感线圈140的内直径。
此外，当第一电感线圈130与第二电感线圈140之间发生横向位移时，第一电感线圈130与第二电感线圈140之间的互感会发生变化，从而改变耦合平面线圈100的电感。
在本实施例中，分别以第一电感线圈130及第二电感线圈140 均为圆形线圈，以及以第一电感线圈130及第二电感线圈140均为方形线圈为例，测试耦合平面线圈100的电感与第一电感线圈130与第二电感线圈140之间的位移的关系。
首先搭建测试环境：第一织物基板110固定，而第二织物基板120 在网格纸上移动，且每个位移步骤间隔5mm。此外，第一电感线圈130 及第二电感线圈140由作为绝缘的非导电织物层隔开。同时，利用网络分析仪校准到适配器的端子，以消除夹具的寄生效应，并将测量频率设置为 1MHz至50MHz共201个点。
在测试过程中，将耦合平面线圈100的两个端子(第一电感线圈130 及第二电感线圈140的自由端)连接到一个适配器，并将该适配器连接到高精度的Keysight矢量网络分析仪E5071，第二织物基板120的位移从 -50mm到50mm横向进行变化，每次沿y轴间隔5mm测量在频率点 13.56MHz处的总等效电感作为耦合平面线圈100的电感，其得到的测试结果如图3及图4所示。其中，图3示出了圆形线圈的耦合平面线圈100 的等效电感与位移的关系示意图。图4示出了方线圈的耦合平面线圈100 的等效电感与位移的关系示意图。
结合图3及图4可知：耦合平面线圈100的等效电感变化与位移之间的关系非常显著。当位移从两个电感线圈(第一电感线圈130及第二电感线圈140)之间的完全重叠移动到完全分离时，耦合平面线圈100的等效电感对于圆形线圈从6.25uH变化到3.0uH，对于方形线圈从6.1uH到4.0uH 变化。同时，方形线圈的耦合平面线圈100比圆形线圈的耦合平面线圈 100具有更高的线性度。从而，在实际应用时，用户可根据耦合平面线圈 100的电感测量第一电感线圈130与第二电感线圈140之间的位移。
同时，结合3及图4还可知：若第一电感线圈130与第二电感线圈 140同向放置(即第一电感线圈130与第二电感线圈140的电流方向相同)，则等效电感随着位移的增加而减少；若第一电感线圈130与第二电感线圈 140反向放置，则等效电感随着位移的增加而增加。
根据上述内容可知，用户可根据自己对于电感的需求而灵活设置电感线圈的匝数以及电感线圈的大小，从而改变耦合平面线圈100的灵敏度及测量范围。
第二实施例
本发明实施例还提供了另一种耦合平面线圈100，需要说明的是，本发明实施例所提供的耦合平面线圈100，其基本原理及产生的技术效果和上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。
在本实施例中，请参阅图5，耦合平面线圈100还包括弹性隔离片150，弹性隔离片150设置于第一织物基板110与第二织物基板120之间，弹性隔离片150的一端与第一织物基板110连接，弹性隔离片150的另一端与第二织物基板120连接。
可以理解地，当耦合平面线圈100受到水平方向的力时，弹性隔离片 150会被拉伸从而引起第一电感线圈130与第二电感线圈140之间的位移，从而第一电感线圈130与第二电感线圈140之间的互感，并进一步改变耦合平面线圈100的等效电感。
第三实施例
本发明实施例还提供了另一种耦合平面线圈100，需要说明的是，本发明实施例所提供的耦合平面线圈100，其基本原理及产生的技术效果和上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。
在本实施例中，耦合平面线圈100还包括第三织物基板及第三电感线圈，第三电感线圈包括多匝环绕的导电纤维，第三电感线圈设置于第三织物基板，第三电感线圈与第一电感线圈130堆叠设置，第三织物基板位于第一电感线圈130背离第二电感线圈140的一侧。
需要说明的是，耦合平面线圈100包括的电感线圈越多，则可以在耦合平面线圈100的等效电感不变的情况下，缩小每个电感线圈的面积，进而缩小耦合平面线圈100的面积。此外，电感线圈的数量越多，耦合平面线圈100所能测量的范围及其灵敏度也会增加。
还需要说明的是，由于电感线圈的数量越多，则耦合平面线圈100的厚度越厚，因而设置电感线圈的数量时还应当考虑实际应用需求。
第四实施例
本发明实施例提供了一种位移传感器，其包括控制器及上述任意一种实施例提供的耦合平面线圈100，且所述控制器与所述耦合平面线圈100 电连接。
耦合平面线圈100用于在第一电感线圈130与第二电感线圈140处于第一状态时输出第一电压至控制器；耦合平面线圈100用于在第一电感线圈130与第二电感线圈140处于第二状态时输出第二电压至控制器。
在一种可选的实施方式中，该第一状态可以为第一电感线圈130与第二电感线圈140完全重合的状态；该第二状态可以为第一电感线圈130 与第二电感线圈140之前发生相对位移的状态。
控制器用于根据第一电压及第二电压计算位移值。
可以理解地，第一电压及第二电压均与第一电感线圈130的线圈匝数、第一电感线圈130的线圈参数、第二电感线圈140的线圈匝数、第二电感线圈140的线圈参数关联。
需要说明的是，当耦合平面线圈100还包括其他电感线圈，例如第三电感线圈时，则第一电压应该为当第一电感线圈130、第二电感线圈140、第三电感线圈处于重合状态时耦合平面线圈100输出的电压值。而第二电压则为第一电感线圈130、第二电感线圈140、第三电感线圈之间存在相对位移时耦合平面线圈100输出的电压值。
本发明实施例还提供了一种可穿戴电子产品，该可穿戴电子产品包括上述位移传感器。该可穿戴电子产品可以是但不仅限于运动背心、护腕、护踝等设备。
综上所述，本发明提供的耦合平面线圈、位移传感器及可穿戴电子产品，包括第一织物基板、第二织物基板、第一电感线圈及第二电感线圈，第一电感线圈及第二电感线圈均包括多匝环绕的导电纤维，第一电感线圈设置于第一织物基板，第二电感线圈设置于第二织物基板，第一电感线圈及第二电感线圈堆叠设置。由于第一电感线圈及第二电感线圈均采用导电纤维制成，同时分别设置于不同的织物基板上，这种结构既能实现耦合平面线圈的功能，又能减小耦合平面线圈的体积以及增加耦合平面线圈的柔韧性，更适应于可穿戴电子产品。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种耦合平面线圈，其特征在于，所述耦合平面线圈包括第一织物基板、弹性隔离片、第二织物基板、第一电感线圈及第二电感线圈，所述第一电感线圈及所述第二电感线圈均包括多匝环绕的导电纤维，所述第一电感线圈设置于所述第一织物基板，所述第二电感线圈设置于所述第二织物基板，所述第一电感线圈及所述第二电感线圈堆叠设置，所述弹性隔离片设置于所述第一织物基板与所述第二织物基板之间，所述弹性隔离片的一端与所述第一织物基板连接，所述弹性隔离片的另一端与所述第二织物基板连接。
2.根据权利要求1所述的耦合平面线圈，其特征在于，所述第一电感线圈的导电纤维缝制于所述第一织物基板，所述第二电感线圈的导电纤维缝制于所述第二织物基板。
3.根据权利要求1所述的耦合平面线圈，其特征在于，所述第一电感线圈还包括第一基底，所述第二电感线圈还包括第二基底，所述第一电感线圈的导电纤维缝制于所述第一基底，所述第一基底设置于所述第一织物基板，所述第二电感线圈的导电纤维缝制于所述第二基底，所述第二基底设置于所述第二织物基板。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的耦合平面线圈，其特征在于，所述第一电感线圈与所述第二电感线圈串联。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的耦合平面线圈，其特征在于，多匝所述导电纤维等间距设置。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的耦合平面线圈，其特征在于，所述耦合平面线圈还包括第三织物基板及第三电感线圈，所述第三电感线圈包括多匝环绕的导电纤维，所述第三电感线圈设置于所述第三织物基板，所述第三电感线圈与所述第一电感线圈堆叠设置，所述第三织物基板位于所述第一电感线圈背离所述第二电感线圈的一侧。
7.一种位移传感器，其特征在于，所述位移传感器包括控制器及如权利要求1-5中任意一项所述的耦合平面线圈，所述控制器与所述耦合平面线圈电连接；
所述耦合平面线圈用于在所述第一电感线圈与所述第二电感线圈处于第一状态时输出第一电压至所述控制器；
所述耦合平面线圈用于在所述第一电感线圈与所述第二电感线圈处于第二状态时输出第二电压至所述控制器；
所述控制器用于根据所述第一电压及所述第二电压计算位移值。
8.根据权利要求7所述的位移传感器，其特征在于，所述第一电压与所述第一电感线圈的线圈匝数、所述第一电感线圈的线圈参数、所述第二电感线圈的线圈匝数、所述第二电感线圈的线圈参数关联。
9.一种可穿戴电子产品，其特征在于，所述可穿戴电子产品包括如权利要求7或8所述的位移传感器。
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