CN112577414A - 脉冲型lc振荡感应式角度传感器及角度位置测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种脉冲型LC振荡感应式角度传感器及角度位置测量方法，包括可绕中心旋转的转轴、固定于转轴上的圆盘和设于圆盘上方的若干电感线圈，所述的圆盘包含有金属化半盘，其特征在于：所述的若干电感线圈以线圈旋转中心轴为中心均布设置，线圈旋转中心轴与转轴同心且同轴向，若干个所述的电感线圈一端相连在一起后再连接至测量电路的接地端，另一端则分别连接到测量电路的不同脉冲发生器端口各自设置的开关，每当开启触发脉冲并分别去关闭不同开关，经过N个脉冲后再关闭脉冲发生器，然后去读取第二电容C2上的电压就可以推导出金属化半盘的位置和旋转方向，实现通过角度判断检测出液体流动方向和转动圈数，达到正反转计量的目的。

Description

脉冲型LC振荡感应式角度传感器及角度位置测量方法
技术领域
本发明涉及一种角度传感器，特别是公开一种脉冲型LC振荡感应式角度传感器及角度位置测量方法，通过脉冲型LC振荡感应达到实现角度传感器为目的，为流动液体测试流动方向和计量。
背景技术
现有技术中LC振荡电路实现角度测量的传感器，分两种方案：
1、需要采用激励线圈和接收线圈，激励圈发起振荡，接收圈接收振荡，读取接收圈的电压值，来判断感应金属转子的位置，此方案由于同时存在激励圈和接收圈，受面积影响，均匀分布的线圈的圈数会下降，电感值随之下降，导致接收圈感应效率低。例如专利感应式角位传感器（ZL 2006 8 0007522.8）就未能避免上述问题；
2、采用单线圈直接读取振荡波的电压值，来判断金属转子所在位置。此方案振荡波的电压值读取受振荡频率和相位及幅度的影响，而且线圈下方有无金属转子的电压变化值在10mV左右，还随着金属转子和线圈距离越远越小，导致读取难度和误差都很大，造成金属转子位置判断错误。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的缺陷，设计一种脉冲型LC振荡感应式角度传感器及角度位置测量方法，采用以测量电路产生多次脉冲数量来累计每次LC振荡幅度变化的方式实现角度测量，更有利于ADC检测变化量，从而大大降低测量误差。
本发明是这样实现的：一种脉冲型LC振荡感应式角度传感器及角度位置测量方法，包括可绕中心旋转的转轴、固定于转轴上的圆盘和设于圆盘上方的若干电感线圈，所述的圆盘包含有金属化半盘，其特征在于：所述的电感线圈采用绕线电感线圈或设置于印刷电路板上的PCB印刷线圈，数量为3~5个。所述的若干电感线圈以线圈旋转中心轴为中心均布设置，所述的线圈旋转中心轴与转轴同心且同轴向，所述圆盘的大小与若干均布设置的电感线圈围成的外圆大小相配合，若干个所述的电感线圈一端相连在一起后再连接至测量电路的接地端，另一端则分别连接到测量电路的不同脉冲发生器端口，不同的脉冲发生器端口分别设有各自的开关。比如采用在印刷电路板上设置3个PCB印刷线圈的方案时，所述的PCB印刷线圈分别为第一PCB印刷线圈、第二PCB印刷线圈和第三PCB印刷线圈，分别连接至测量电路的不同脉冲发生器端口设置的第三开关K3、第二开关K2、第一开关K1。
所述的测量电路包括一个单片机 MCU、与MCU第1脚连接的放大电路和与MCU第脚连接的第一电容C1，不同脉冲发生器端口设置的各个开关并联后与第一电容C1电路连接，与MCU第1脚与放大电路的连接电路上顺序并联设有第二电容C2和第一电阻R1，第一电容C1与各个开关的连接电路上还串接第二电阻R7后与放大电路连接。
所述的放大电路采用NPN型三极管，三极管Q4的集电极顺序连接第二电容C2、第一电阻R1后再连接至三极管Q4的发射极，第二电阻R7连接至三极管Q4的基极。
所述脉冲型LC振荡感应式角度传感器的角度位置测量方法，其特征在于：所述的MCU先从第1脚产生高电平给第二电容C2充电，经过设定时间后第二电容C2充满电第1脚高电平关闭，从第2脚产生多个PWM方波脉冲，脉冲通过第一电容C1和不同的脉冲发生器端口分别设置的开关中任意一个闭合后与对应的电感线圈形成振荡电路，振荡波形通过第二电阻R7的电流被放大电路13放大，放大后的电流会导致第二电容C2通过R1对地放电，从而使已经预先充电的第二电容C2上的电压逐渐下降，测量电路10中MCU的第2脚停止脉冲输出后立即通过第1脚采集第二电容C2脚上的电压值到其内部的ADC，计算第二电容C2上的残留电压，每当开启触发脉冲并分别顺序关闭不同的脉冲发生器端口分别设置的开关，经过N个脉冲后再关闭脉冲发生器（N≥1），然后去读取第二电容C2上的电压就可以推导出金属化半盘处于电感线圈中的哪个或是其他多个电感线圈的下方，从而判断出金属化半盘是在作顺时针方向旋转，还是逆时针方向旋转。
所述脉冲型LC振荡感应式角度传感器中圆盘上的金属化半盘在以顺时针旋转方向或逆时针旋转方向转动的时候，分别顺序关闭对应不同脉冲发生器端口设置的开关，电感线圈则对应启动振荡电路并测量第二电容C2上的电压，由于金属的影响，金属化半盘在经过电感线圈下方的时候，电感线圈的电感量会发生变化，导致第二电容C2采集的电压发生变化。
通过所述脉冲型LC振荡感应式角度传感器测量旋转角度后检测出液体流动方向和转动圈数，由测量电路中的MCU记录，将转动圈数量化成液体流动的流量值。
本发明的有益效果是：本发明脉冲产生稳定可控，测量精度高，解决了现有技术两个常用方案中没有解决的难点，实现了无需激励线圈的LC振荡感应式角度测量，从而节省测量装置占用空间，解决感应线圈布局因面积受限导致的电感值过小的问题，采用PCB印刷线圈时还可进一步降低安装布置时感应线圈绕线方向必须一致的安装难度，同时本发明还解决了现有技术中由于距离产生的LC振荡波电压值读取难度和误差都偏大的难题。
附图说明
图1是本发明实施例1感应式角度传感器结构示意简图。
图2是本发明实施例1的电路原理框架示意图。
图3是本发明实施例1在工作中金属化半盘位于第二线圈下方时第二电容C2上的电压随时间变化示意图。
图4是本发明实施例1在工作中金属化半盘位于第三线圈下方时第二电容C2上的电压随时间变化示意图。
图5是本发明实施例1在工作中金属化半盘位于第四线圈下方时第二电容C2上的电压随时间变化示意图。
图中：1、圆盘； 2、第一PCB印刷线圈； 3、第二PCB印刷线圈； 4、第三PCB印刷线圈；5、逆时针旋转方向； 6、顺时针旋转方向； 7、印刷电路板； 8、转轴； 9、传感器电路； 10、测量电路； 11、金属化半盘； 12、线圈旋转中心轴； 13、放大电路；
31、MCU的第1脚；32、MCU的第2脚； 33、第一开关K1与第三PCB印刷线圈； 34、第二开关K2与第二PCB印刷线圈； 35、第三开关K3与第一PCB印刷线圈；
A、金属化半盘经过第一开关K1与第三PCB印刷线圈时电容C2上的电压变化；
B、金属化半盘经过第二开关K2与第二PCB印刷线圈时电容C2上的电压变化；
C、金属化半盘经过第三开关K3与第一PCB印刷线圈时电容C2上的电压变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
根据附图1和附图2，本发明为一种脉冲型LC振荡感应式角度传感器及角度位置测量方法，所述的脉冲型LC振荡感应式角度传感器包括可绕中心旋转的转轴8、固定于转轴8上的圆盘1和设于圆盘上方的若干电感线圈，所述的若干电感线圈以线圈旋转中心轴12为中心均布设置，所述的线圈旋转中心轴12与转轴8同心且同轴向，所述的圆盘1为部分金属化的圆盘，即圆盘1包含有金属化半盘11。所述圆盘1的大小与若干均布设置的电感线圈围成的外圆大小相配合。
所述的电感线圈采用绕线电感线圈或设置于印刷电路板7上的PCB印刷线圈，数量一般为设置3~5个。本实施例中采用的是在所述的印刷电路板7上设置3个PCB印刷线圈，3个所述的PCB印刷线圈一端相连在一起后再连接至测量电路10的接地端，另一端则分别连接到测量电路10的不同脉冲发生器端口，不同的脉冲发生器端口分别设有各自的开关。本实施例中3个所述的PCB印刷线圈分别为第一PCB印刷线圈2、第二PCB印刷线圈3和第三PCB印刷线圈4，分别对应连接至测量电路10的不同脉冲发生器端口设置的第三开关K3、第二开关K2、第一开关K1。
所述的测量电路10包括一个单片机（MCU，即图2中的U1）、与MCU第1脚连接的放大电路13和与MCU第2脚连接的第一电容C1，不同脉冲发生器端口设置的各个开关并联后与第一电容C1电路连接，与MCU第1脚与放大电路13的连接电路上顺序并联设有第二电容C2和第一电阻R1，第一电容C1与各个开关的连接电路上还串接第二电阻R7后与放大电路13连接。本实施例中的放大电路13采用NPN型三极管，即图2中的三极管Q4，三极管Q4的集电极顺序连接第二电容C2、第一电阻R1后再连接至三极管Q4的发射极，第二电阻R7连接至三极管Q4的基极。
本实施例的角度位置测量方法及工作原理如下：
根据附图2，MCU先从第1脚产生高电平给第二电容C2充电，经过设定时间后第二电容C2充满电，第1脚高电平关闭，从第2脚产生多个PWM方波脉冲，脉冲通过第一电容C1和第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3中任意一个闭合后与对应的PCB印刷线圈形成振荡电路，而与未闭合的开关对应的PCB印刷线圈则不受振荡波形影响，振荡波形通过第二电阻R7的电流被放大电路13放大，放大后的电流会导致第二电容C2通过R1对地放电，从而使已经预先充电的第二电容C2上的电压逐渐下降。测量电路10中U1的第2脚停止脉冲输出后立即通过第1脚采集第二电容C2脚上的电压值到其内部的ADC，计算第二电容C2上的残留电压。当圆盘1上的金属化半盘11在第一PCB印刷线圈线圈2、第二PCB印刷线圈3、第三PCB印刷线圈4下方以顺时针旋转方向6或逆时针旋转方向5转动的时候，分别关闭第三开关K3、第二开关K2、第一开关K1，第一PCB印刷线圈2、第二PCB印刷线圈3和第三PCB印刷线圈4对应启动振荡电路并测量第二电容C2上的电压。当金属化半盘11在第二PCB印刷线圈3和第三PCB印刷线圈4下方的时候，由于金属化半盘11的影响，第二PCB印刷线圈3和第三PCB印刷线圈4的电感量会发生变化。这种变化量会导致每一个从U1的第2脚发出的脉冲经过第二PCB印刷线圈3和第三PCB印刷线圈4的时候第二电容C2采集的电压和经过第一PCB印刷线圈2上的存在差值，把这个差值记作V， 当通过N个脉冲的时候（N≥1），就有N个对应的V的变化量，这个变化量会使得第二电容C2上的电压要低，参见附图3中的C处。
以此类推，当金属化半盘11在第一PCB印刷线圈2和第二PCB印刷线圈3下面的时候，N个脉冲，也会导致第三PCB印刷线圈4上第二电容C2采集电压和第一PCB印刷线圈2和第二PCB印刷线圈3相比有N个对应的V的变化，这个变化量会使得第二电容C2上的电压要低，参见附图4中的A处。当金属化半盘11在第一PCB印刷线圈2和第三PCB印刷线圈4上的时候，N个脉冲，也会导致第二PCB印刷线圈3上第二电容C2采集电压和第一PCB印刷线圈2和第三PCB印刷线圈4相比有N个对应的V变化，这个变化量会使得第二电容C2上的电压要低，参见附图5中的B处。
这样，每当开启触发脉冲并分别去关闭第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3，经过N个脉冲后再关闭脉冲发生器，然后去读取第二电容C2上的电压就可以推导出金属化半盘11处于第一PCB印刷线圈2、第二PCB印刷线圈3、第三PCB印刷线圈4中的哪个或是其中两个的下方。而且还可以判断出，金属化半盘11是在作从第一PCB印刷线圈2到第二PCB印刷线圈3再到第三PCB印刷线圈4的顺时针方向旋转，还是从第一PCB印刷线圈2到第三PCB印刷线圈4再到第二PCB印刷线圈3再到第一PCB印刷线圈2的逆时针方向旋转，从而实现角度判断的目的。而旋转角度可以检测出流动方向和转动圈数，并且都可以被测量电路10中的MCU记录下来，转动圈数可以量化成液体流动的流量值，实现角度传感器的作用，达到正反转计量的目的。
以上所述实施例仅用于解释本发明的技术方案，并不用以限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以本发明的权利要求书所述为准，凡根据本发明公开的技术内容进行的等同或等效替换等变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种脉冲型LC振荡感应式角度传感器，包括可绕中心旋转的转轴、固定于转轴上的圆盘和设于圆盘上方的若干电感线圈，所述的圆盘包含有金属化半盘，其特征在于：所述的若干电感线圈以线圈旋转中心轴为中心均布设置，所述的线圈旋转中心轴与转轴同心且同轴向，所述圆盘的大小与若干均布设置的电感线圈围成的外圆大小相配合，若干个所述的电感线圈一端相连在一起后再连接至测量电路的接地端，另一端则分别连接到测量电路的不同脉冲发生器端口，不同的脉冲发生器端口分别设有各自的开关，所述的测量电路包括一个单片机 MCU、与MCU第1脚连接的放大电路和与MCU第脚连接的第一电容C1，不同脉冲发生器端口设置的各个开关并联后与第一电容C1电路连接，与MCU第1脚与放大电路的连接电路上顺序并联设有第二电容C2和第一电阻R1，第一电容C1与各个开关的连接电路上还串接第二电阻R7后与放大电路连接。
2.根据权利要求 1 所述的脉冲型LC振荡感应式角度传感器，其特征在于：所述的电感线圈采用绕线电感线圈或设置于印刷电路板上的PCB印刷线圈，数量为3~5个。
3.根据权利要求 2 所述的脉冲型LC振荡感应式角度传感器，其特征在于：所述的PCB印刷线圈设有3个，分别为第一PCB印刷线圈、第二PCB印刷线圈和第三PCB印刷线圈，分别连接至测量电路的不同脉冲发生器端口设置的第三开关K3、第二开关K2、第一开关K1。
4.根据权利要求 1 所述的脉冲型LC振荡感应式角度传感器，其特征在于：所述的放大电路采用NPN型三极管，三极管Q4的集电极顺序连接第二电容C2、第一电阻R1后再连接至三极管Q4的发射极，第二电阻R7连接至三极管Q4的基极。
5.一种权利要求 1 ~4中任意一项所述脉冲型LC振荡感应式角度传感器的角度位置测量方法，其特征在于：所述的MCU先从第1脚产生高电平给第二电容C2充电，经过设定时间后第二电容C2充满电第1脚高电平关闭，从第2脚产生多个PWM方波脉冲，脉冲通过第一电容C1和不同的脉冲发生器端口分别设置的开关中任意一个闭合后与对应的电感线圈形成振荡电路，振荡波形通过第二电阻R7的电流被放大电路13放大，放大后的电流会导致第二电容C2通过R1对地放电，从而使已经预先充电的第二电容C2上的电压逐渐下降，测量电路10中MCU的第2脚停止脉冲输出后立即通过第1脚采集第二电容C2脚上的电压值到其内部的ADC，计算第二电容C2上的残留电压，每当开启触发脉冲并分别顺序关闭不同的脉冲发生器端口分别设置的开关，经过N个脉冲后再关闭脉冲发生器，然后去读取第二电容C2上的电压就可以推导出金属化半盘处于电感线圈中的哪个或是其他多个电感线圈的下方，从而判断出金属化半盘是在作顺时针方向旋转，还是逆时针方向旋转。
6.根据权利要求 5 所述的脉冲型LC振荡感应式角度传感器的角度位置测量方法，其特征在于：圆盘上的金属化半盘在以顺时针旋转方向或逆时针旋转方向转动的时候，分别顺序关闭对应不同脉冲发生器端口设置的开关，电感线圈则对应启动振荡电路并测量第二电容C2上的电压，由于金属的影响，金属化半盘在经过电感线圈下方的时候，电感线圈的电感量会发生变化，导致第二电容C2采集的电压发生变化。
7.根据权利要求 5 所述的脉冲型LC振荡感应式角度传感器的角度位置测量方法，其特征在于：通过所述脉冲型LC振荡感应式角度传感器测量旋转角度后检测出液体流动方向和转动圈数，由测量电路中的MCU记录，将转动圈数量化成液体流动的流量值。
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