CN113884109A - 三维空间自由体位置、矢量运动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，具体地说是三维空间自由体位置、矢量运动传感器，包括金属化圆球，PCB板、感应线圈和非金属弹簧，PCB板为三个，且三个面互相垂直，感应线圈分别印刷在三块PCB板上，感应线圈走线保证电流产生的磁场方向一致，金属化圆球设置在三块PCB板的中心位置。本发明同现有技术相比，通过感应线圈接收特定波形信号，通过测量装置计算各个信号数据的变化，使感应线圈产生电路震荡，通过电路震荡产生的磁力线被金属化圆球切割产生电流，阻碍磁通量变化，进而引起震荡电路的等效阻抗、等效感值、频率和相位发生变化而进行检测，且灵敏度高，适用于微信号、微功耗的工作环境。本装置结构简单、实用，且成本低廉、性能稳定。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体地说是三维空间自由体位置、矢量运动传感器
背景技术
随着现代科学技术的进步，许多军事、工业领域对测量精度的要求越来越高，所以简单、准确的仪器检测技术就显得至关重要。
现有市场上的传感器在某些特定场景和领域的使用中，存在灵敏度不足，无法适应三维自由体部件的运动过程中，对于微功耗、微信号的工作环境，则无法满足对应的效果。
因此，需要设计三维空间自由体位置、矢量运动传感器，可以在微功耗、微信号的工作环境中，对输出信号进行检测，做到高灵敏度，适合安装在机器人力臂上，解决自由度问题、自由体三维空间运行轨迹采集、惯性制导、虚拟现实场景数据采集、模式识别等，且结构简单、实用，成本低廉、性能稳定。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了三维空间自由体位置、矢量运动传感器，在微功耗、微信号的工作环境中，对输出信号进行检测，做到高灵敏度，适合安装在机器人力臂上，解决自由度问题、自由体三维空间运行轨迹采集、惯性制导、虚拟现实场景数据采集、模式识别等，且结构简单、实用，成本低廉、性能稳定。
为了达到上述目的，本发明提供三维空间自由体位置、矢量运动传感器：包括金属化圆球，PCB板和感应线圈，非金属弹簧，PCB板为三个，且三个面互相垂直，感应线圈分别印刷在三块PCB板上，感应线圈走线保证电流产生的磁场方向一致，金属化圆球设置在三个PCB板的中心位置，非金属弹簧一端固定在金属化圆球于三个PCB板的中心位置，另一端固定在感应线圈的任意线圈中心点位置。
每个PCB板上的感应线圈的数量不限，感应线圈的几何尺寸不限，感应线圈走线保证电流产生的磁场方向一致即可。
金属化圆球为实心或空心铁球或者两两垂直的三个金属圆环。
金属化圆球的半径远小于感应线圈的半径。
金属化圆球的半径远小于金属化圆球和任意PCB板之间的垂直距离。
感应线圈与测量装置连接。
非金属弹簧一端固定在所述金属化圆球于三个PCB板组成的立方体空间内，另一端固定于感应线圈平面的任意位置或固定于立方体另外3个非线圈平面上的任意位置。
非金属弹簧可以用张力良好的固体或者液体充斥立方体空间内固定金属化圆球以替代弹簧，张力良好的固体或者液体须为非磁敏感材质固体或液体。
感应线圈可以为两个，分别印刷在两块所述PCB板上，两块PCB板互相垂直。
金属化圆球在垂直于两个感应线圈的平面上做圆周运动。
本发明同现有技术相比，通过特殊的设计，即感应线圈接收特定波形信号，通过测量装置计算各个信号数据的变化，使感应线圈产生电路震荡，通过电路震荡产生的磁力线被金属化圆球切割产生电流，阻碍磁通量变化，进而引起震荡电路的等效阻抗、等效感值、频率和相位发生变化而进行检测，且灵敏度高，适用于微信号、微功耗的工作环境。本装置结构简单、实用，且成本低廉、性能稳定。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。
附图标记说明：1为金属化圆球，2为PCB板，3为感应线圈，4为非金属弹簧。
具体实施方式
现结合附图对本发明做进一步描述。
参见图1，本发明提供三维空间自由体位置、矢量运动传感器：包括金属化圆球1，PCB板2和感应线圈3，非金属弹簧4，PCB板2为三个，且三个面互相垂直，感应线圈3分别印刷在三块PCB板2上，感应线圈3走线保证电流产生的磁场方向一致，金属化圆球1设置在三个PCB板2的中心位置。
每个PCB板2上的感应线圈3的数量不限，感应线圈3的几何尺寸不限，感应线圈3走线保证电流产生的磁场方向一致即可，可以适应不同的PCB板2的尺寸和形状，满足感应线圈3的正常设置和效果。
金属化圆球1为实心或空心铁球或两两垂直的三个金属圆环，可根据实际信号和功耗环境，以及计算金属化圆球1位移的情况进行调整，满足既可以完整测试，且满足数据的测量和计算。
金属化圆球1的半径远小于感应线圈3的半径，这样为了保证感应线圈3产生的磁力线可以完整覆盖金属化圆球1的整体。
金属化圆球1的半径远小于金属化圆球1和任意PCB板2之间的距离，这样为了保证感应线圈3产生的磁力线可以完整覆盖金属化圆球1的整体。
感应线圈3与测量装置连接，通过测量装置可以测试、分析和统计输出信号，以此来获取阻抗、等效感值、频率、相位的变化。
非金属弹簧4一端固定在所述金属化圆球1于三个PCB板2组成的立方体空间内，另一端固定于感应线圈3平面的任意位置或固定于立方体另外3个非线圈平面上的任意位置。
非金属弹簧4可以用张力良好的固体或者液体充斥立方体空间内固定金属化圆球1，以替代非金属弹簧4，张力良好的固体或者液体须为非磁敏感固体或液体。
感应线圈3可以为两个，分别印刷在两块PCB板2上，两块PCB板2互相垂直。
金属化圆球1在垂直于所述两个感应线圈3的平面上做圆周运动。
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的电路震荡会产生垂直于该PCB板2的平面的磁力线，这样会导致金属化圆球1区域切割磁力线产生傅科电流,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。
实施例：
选择感应线圈3的数量为每个PCB板2为一个，PCB板2两两互相垂直，每个感应线圈3的几何尺寸一致，在PCB板2的中心位置通过非金属弹黄4设置一个实心的金属化圆球1，每个感应线圈3的几何形状为螺旋形，每个感应线圈3与测量装置通过电线连接，由于感应线圈3所在的PCB板2的三个平面互相垂直，所以三个感应线圈3之间的互感系数为0，那么唯一影响三个感应线圈3等效感值变化的就是金属化圆球1和对应感应线圈3的相对位置，由于三平面互感系数为0，所以不互相影响。我们通过等效感值的变化，可以计算出金属化圆球1和对应PCB板2的垂直距离，也就可以计算出任一时刻金属化圆球1的空间坐标(X，Y，Z)，由于感应线圈3的三个平面互相垂直，三个感应线圈3之间的互感系数为0，所以三个线圈可以同时发射激励波信号，进行数据采集，保证了采集数据的时间唯一性和准确性。
比如我们在T1和T2时刻采样出了金属化圆球1的空间坐标(X1，Y1，Z1)、(X2，Y2，Z2)；采样间隔为0.5毫秒(T2＝T1+0.0005秒)，那么据此就可以计算出金属化圆球1的位移、位移矢量、加速度、角动量、角速度等值，完美恢复金属小球自由体在三维空间的运行轨迹。通过金属弹簧的张力方程，也可以计算出瞬时冲击力，所以透过该专利，通过变换金属球的固定方式和对应的不同运动方式，可以实现位移、位移矢量、加速度、角动量、角速度、瞬时冲击力传感器。通过上述方式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。
也可以将金属化圆球1变换成两两垂直的金属线圈，给金属线圈发送激励波，检测金属线圈的等效感值变化，而外围的PCB板2上的感应线圈3换成两两垂直的金属圆环，这种方法也可以，但是会牵涉到坐标变换和积分计算，几何级增加计算量。
本发明通过整体设计，解决了在微信号和微功耗的工作环境下，准确且精准的测量等效阻抗、等效感值、频率、相位等数据，结构简单且灵敏度高，可用在机器人力臂上，解决自由度问题、自由体三维空间运行轨迹采集、惯性制导、虚拟现实场景数据采集、模式识别等作用。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明的范围并不仅仅限于此，使用者可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更，加以实施，但是都包括在本专利的保护范围内。
Claims (10)
1.三维空间自由体位置、矢量运动传感器，包括金属化圆球(1)，PCB板(2)和感应线圈(3)，非金属弹簧(4)，其特征在于：所述PCB板(2)为三个，且三个面互相垂直，所述感应线圈(3)分别印刷在三块PCB板(2)上，所述感应线圈(3)走线保证电流产生的磁场方向一致，所述金属化圆球(1)设置在三个PCB板(2)的中心位置，所述非金属弹簧(4)一端固定在金属化圆球(1)于三个PCB板(2)的中心位置，另一端固定在感应线圈(3)的任意线圈中心点位置。
2.根据权利要求1所述的三维空间自由体位置、矢量运动传感器，其特征在于：所述每个PCB板(2)上的感应线圈(3)的数量不限，感应线圈(3)的几何尺寸不限，所述感应线圈(3)走线保证电流产生的磁场方向一致即可。
3.根据权利要求1所述的三维空间自由体位置、矢量运动传感器，其特征在于：所述金属化圆球(1)为实心或空心铁球或者两两垂直的三个金属圆环。
4.根据权利要求1所述的三维空间自由体位置、矢量运动传感器，其特征在于：所述金属化圆球(1)的半径远小于感应线圈(3)的半径。
5.根据权利要求1所述的三维空间自由体位置、矢量运动传感器，其特征在于：所述金属化圆球(1)的半径远小于金属化圆球(1)和任意PCB板(2)之间的垂直距离。
6.根据权利要求1所述的三维空间自由体位置、矢量运动传感器，其特征在于：所述感应线圈(3)与测量装置连接。
7.根据权利要求1所述的三维空间自由体位置、矢量运动传感器，其特征在于：所述非金属弹簧(4)一端固定在所述金属化圆球(1)于三个PCB板(2)组成的立方体空间内，另一端固定于感应线圈(3)平面的任意位置或固定于立方体另外3个非线圈平面上的任意位置。
8.根据权利要求1所述的三维空间自由体位置、矢量运动传感器，其特征在于：所述非金属弹簧(4)可以用张力良好的固体或者液体充斥立方体空间内固定金属化圆球(1)以替代弹簧，张力良好的固体或者液体须为非磁敏感材质固体或液体。
9.根据权利要求1所述的三维空间自由体位置、矢量运动传感器，其特征在于：所述感应线圈(3)可以为两个，分别印刷在两块所述PCB板(2)上，所述两块PCB板(2)互相垂直。
10.根据权利要求1所述的三维空间自由体位置、矢量运动传感器，其特征在于：所述金属化圆球(1)在垂直于所述两个感应线圈(3)的平面上做圆周运动。
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