CN113884000A - 高精度超低功耗角位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，具体为高精度超低功耗角位移传感器，包括转轴，感应平面，感应线圈，非金属化圆盘和金属化圆环，非金属化圆盘围绕转轴旋转，感应线圈设置在感应平面上，感应线圈围绕转轴分布，感应线圈被非金属化圆盘覆盖，感应线圈印刷在PCB电路板上，感应线圈的中心轴与转轴平行，感应线圈的走线保证电流产生的磁场方向一致且不包含转轴中心点，感应线圈与测量装置连接，本发明同现有技术相比，检测角位移精度更高，达到0.01～0.001度，不通过感应电动势比较，不需要额外增加快速放电电路，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。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体为高精度超低功耗角位移传感器。
背景技术
角位传感器主要用在流量计上，可以检测被检测目标的旋转角位移，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，现有角位移传感器精度不高，最高为0.1度，有些场合需要测量高精度的倾斜角度。
因此，需要设计高精度超低功耗角位传感器，检测角位移精度更高，不通过感应电动势比较，不需要额外增加快速放电电路，产生低频脉冲更容易实现，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，且整体装置简单美观，操作简便。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了高精度超低功耗角位传感器，检测角位移精度更高，不通过感应电动势比较，不需要额外增加快速放电电路，产生低频脉冲更容易实现，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，且整体装置简单美观，操作简便。
为了达到上述目的，本发明提供高精度超低功耗角位传感器，包括转轴，感应平面，感应线圈，非金属化圆盘和金属化圆环，非金属化圆盘围绕转轴旋转，感应线圈设置在感应平面上，感应线圈围绕转轴分布，感应线圈被非金属化圆盘覆盖，感应线圈印刷在PCB电路板上，感应线圈的中心轴与转轴平行，感应线圈的走线保证电流产生的磁场方向一致且不包含转轴中心点，感应线圈与测量装置连接。
感应线圈的数量不少于3个，所有感应线圈的几何形状和尺寸一致，所有感应线圈围绕转轴对称分布。
金属化圆环在围绕转轴旋转时，金属化圆环的中心点在感应线圈圆心组成的圆形上做圆周运动。
感应平面和非金属化圆盘平行，且感应平面和非金属化圆盘之间的距离远小于感应线圈的半径。
非金属化圆盘由磁通量非敏感材质组成。
金属化圆环由磁通量敏感材质组成。
本发明同现有技术相比，检测角位移精度更高，达到0.01～0.001度，不通过感应电动势比较，不需要额外增加快速放电电路，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。
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平面示意图。
图3为本发明的非金属化圆盘示意图。
图4为本发明的感应线圈与测试装置连接示意图。
附图标记说明：
1为转轴，2为感应平面，3为感应线圈，4为非金属化圆盘，5为金属化圆环，6为测试装置。
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。
现结合附图对本发明做进一步描述。
参见图1-4，本发明提供高精度超低功耗角位移传感器，包括转轴1，感应平面2，感应线圈3，非金属化圆盘4和金属化圆环5，所述非金属化圆盘4围绕转轴1旋转，感应线圈3设置在感应平面2上，感应线圈3围绕转轴1分布，感应线圈3被非金属化圆盘4覆盖，感应线圈3印刷在PCB电路板上，感应线圈3的中心轴与转轴3平行，感应线圈3的走线保证电流产生的磁场方向一致且不包含转轴中心店，感应线圈3与测量装置6连接。
感应线圈3的数量不少于3个，所有感应线圈3的几何形状和尺寸一致，所有感应线圈3围绕转轴1对称分布。
金属化圆环5在围绕转轴1旋转时，金属化圆环5的中心点在感应线圈3圆心组成的圆形上做圆周运动。
感应平面2和非金属化圆盘4平行，且感应平面2和非金属化圆盘4之间的距离远小于感应线圈3的半径，这样可以有效进行计算。
非金属化圆盘4由磁通量非敏感材质组成。
金属化圆环5由磁通量敏感材质组成。
感应线圈3的面积有效全覆盖金属化圆环5，有效覆盖灵敏度更高，效果更好。
工作原理：
对感应线圈3输入特定波形信号，测量装置部分电路接收感应线圈3电路部分的输出信号，测量装置电路对感应线圈3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3产生电路震荡。感应线圈3的电路震荡会产生平行于中心轴A垂直于非金属化圆盘4平面的磁力线。这样会导致金属化圆环5区域切割磁力线产生傅科电流(Foucault 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。
非金属化圆盘4在旋转过程中，感应线圈3会依次部分或者全部落入非金属化圆盘4的金属化圆环5区，落入圆环区的感应线圈3，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3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3全部落入金属区，最小值等于感应线圈3全部落入非金属区，随着非金属化圆盘4旋转，感应线圈3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3的三个线圈之间的互感值是固定的，由于金属化圆环5和感应线圈3由于自身几何尺寸的自对称性保证，金属化圆环5和三个感应线圈3之间的互感值变化唯一因素是距离R值决定的，所以通过检测三个线圈的等效感值变化，可以计算出三个感应线圈3和金属化圆环5的距离值，由距离值和反三角函数，可以精确计算出金属化圆环5的精确角位移。
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感值。
感值变化受温度影响较小。
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 (7)
1.高精度超低功耗角位传感器，其特征在于：包括转轴(1)，感应平面(2)，感应线圈(3)，非金属化圆盘(4)和金属化圆环(5)，所述非金属化圆盘(4)围绕转轴(1)旋转，所述感应线圈(3)设置在感应平面(2)上，感应线圈(3)围绕转轴(1)分布，感应线圈(3)被非金属化圆盘(4)覆盖，感应线圈(3)印刷在PCB电路板上，感应线圈(3)的中心轴与转轴(1)平行，感应线圈(3)的走线保证电流产生的磁场方向一致且不包含转轴中心点，感应线圈(3)与测量装置(6)连接。
2.根据权利要求1所述的高精度超低功耗角位传感器，其特征在于：所述感应线圈(3)的数量不少于3个，所有感应线圈(3)的几何形状和尺寸一致，所有感应线圈(3)围绕转轴(1)对称分布。
3.根据权利要求1所述的高精度超低功耗角位传感器，其特征在于：所述感应线圈(3)要保证其每个线圈自身的几何对称性。
4.根据权利要求1所述的高精度超低功耗角位传感器，其特征在于：所述金属化圆环(5)在围绕转轴(1)旋转时，金属化圆环(5)的中心点在感应线圈(3)的圆心组成的圆形上的做圆周运动。
5.根据权利要求1所述的高精度超低功耗角位传感器，其特征在于：所述感应平面(2)和非金属化圆盘(4)平行，且感应平面(2)和非金属化圆盘(4)之间的距离远小于感应线圈(3)的半径。
6.根据权利要求1所述的高精度超低功耗角位传感器，其特征在于：所述非金属化圆盘(4)由磁通量非敏感材质组成。
7.根据权利要求1所述的高精度超低功耗角位传感器，其特征在于：所述金属化圆环(5)由磁通量敏感材质组成。
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