CN113899298A - 一种基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置，采样叶轮为可旋转的圆形塑料盘，其表面覆盖有一层半圆形铜箔；计量单元包括激励模块、激励线圈和双路感应线圈；激励线圈与双路感应线圈置于采样叶轮的正上方，激励模块与激励线圈相连；检测单元包括模拟前端模块、模数转换模块和信号处理模块；模拟前端模块对感应线圈上产生的感应电压进行解调、增益控制处理，输入到模数转换模块，将感应电压转换为数字信号；信号处理模块将数字电压信号转换成角度、幅度信号，输出线性化的角度信号。本发明的有益效果是：不需要磁性元件，不受外界磁场干扰，采样叶轮与感应线圈的间距大小不影响计量结果，鲁棒性高，功耗低，硬件成本低。
Description
技术领域
本发明涉及感应式非接触传感技术领域，特别涉及一种基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置。
背景技术
目前市场上用于水表计量的非接触式传感技术，主要包括磁传感技术、LC振荡激励技术、两级线圈感应式传感技术。其中，磁传感计量大多采用干簧管、霍尔元件，这种磁性传感器的缺点是容易受外界磁场干扰，导致计量出错。基于LC振荡传感器的计量方式，对于电感的要求较高，若要达到一定的传感距离，需要在电感中间放置铁芯，容易受到外界磁场的影响；而空心电感会导致感应能量弱，传感距离不够，实际应用效果差。
两级线圈感应式技术方案，采用初级线圈激励、次级线圈感应的方式进行信号传导，解决了磁性传感器容易被外界磁场干扰的问题。现有的两级线圈感应式方案，基本上是由单个初级激励线圈及多个次级感应线圈构成的，其中的次级线圈形状相同、以轴对称或中心对称的方式排列；其原理是在水表叶轮旋转时采集各次级线圈的感应电压，通过直接比较电压值的大小，或将电压转换为时间参数进行比较，以确定水表叶轮的位置，进而实现水表的计量。这种技术方案的缺点在于各个次级线圈相互独立，计量结果取决于单个线圈的感应电压，单个感应线圈的感应电压变化会影响最终的计量结果，进而影响计量的鲁棒性；各次级线圈对称排列，由于多个线圈对激励能量的均衡作用，导致每个线圈感应到的能量少，只能适应于近距离的感应式计量。
为此，本申请设计了一种基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提出了一种基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置，包括采样叶轮、计量单元、检测单元，其特征在于：
所述采样叶轮为可旋转的圆形塑料盘，其表面覆盖有一层半圆形铜箔，铜箔覆盖叶轮一半的面积；所述采样叶轮由水流带动旋转，铜箔跟随叶轮相应转动；
所述计量单元包括激励模块、激励线圈和双路感应线圈；所述激励线圈与双路感应线圈置于采样叶轮的正上方，所述激励模块与激励线圈相连，激励模块通过激励线圈产生激励电压，并在双路感应线圈上产生感应电压，当叶轮旋转时，感应线圈上产生的感应电压随着铜箔位置的不同而变化，由此将水的流动信息转换为电压信号，实现对水流的计量；
所述检测单元包括模拟前端模块、模数转换模块和信号处理模块；所述模拟前端模块对感应线圈上产生的感应电压进行解调、增益控制处理，输入到模数转换模块，将感应电压转换为数字信号；所述信号处理模块将数字电压信号转换成角度、幅度信号，通过角度偏置、校准、反馈及线性修正，输出线性化的角度信号。
进一步的，为了更好的实现本发明，所述激励线圈为PCB板载式线圈，以同心圆的方式绕线组成；所述激励线圈置于采样叶轮正上方，激励线圈所包围的面积刚好覆盖整个叶轮。
进一步的，为了更好的实现本发明，所述激励模块包括晶振和并联电容，放置于PCB板上，与激励线圈相连，组成LC振荡回路，用于产生激励电压。
进一步的，为了更好的实现本发明，所述双路感应线圈由两路相互独立的线圈组成，两路线圈均为PCB板载式线圈，并且分别绕制成圆环相交形状的内交圆，其中一路线圈以X轴为基准逆时针旋转45度放置，另一路则旋转135度放置，构成四个圆形相交的形状。
进一步的，为了更好的实现本发明，所述双路感应线圈与激励线圈分别位于PCB板的正反两面，双路感应线圈位于PCB板靠近采样叶轮一侧，而激励线圈位于PCB板的另一侧；所述双路感应线圈处于激励线圈围成的圆形区域内，在竖直方向上看，感应线圈与激励线圈不重合，双路感应线圈位于内侧，激励线圈位于外侧，并且包围住整个双路感应线圈。
进一步的，为了更好的实现本发明，激励模块通过激励线圈产生激励电压，并在双路感应线圈上产生感应电压。由于双路感应线圈绕制成两圆内交的形状，在两个圆形回路中感应出的电流方向相反、电压极性相反，双路感应线圈上的电压为两个圆形回路电压的累加和。叶轮旋转时，半圆形的铜箔相应旋转，使得双路感应线圈上产生的感应电压随着铜箔位置的不同而变化，即双路感应线圈下方有铜箔时，其产生的感应电压相比没有铜箔时要小。因此，铜箔旋转一周，双路感应线圈上产生的感应电压呈现出类似正弦波形变化的电压。由于两路感应线圈以90度正交形式布置于PCB板上，它们产生的感应电压刚好形成90度相移，即形成了90度相移正余弦双路感应电压。
进一步的，为了更好的实现本发明，所述检测单元中的模拟前端模块与双路感应线圈相连，通过Cordic角度转换模块，将正余弦双路感应电压转换为角度的反正切值，输入到模数转换模块，将感应电压转换为数字信号。
进一步的，为了更好的实现本发明，所述角度转换模块使用的Cordic算法，由已知的某个角度的正余弦值，在极坐标系向量模式下，通过逐步旋转、多次迭代，使向量旋转至X轴的正半轴，并在这一旋转的过程中累加每次的旋转角度，最终获得角度的反正切值，迭代公式如下所示：
上式中，X为余弦值，Y为正弦值，Z为旋转角度累加值，i为迭代次数，d为常量，-1表示顺时针旋转，+1表示逆时针旋转，
经过n次旋转后，可得：Zn= Z0 + tan-1(Y0/X0),其中Z0为0，Y0、X0为正余弦双路感应电压，Zn即为角度的反正切值。
本发明的有益效果是：
本发明采用的基于相移正余弦双路感应电压检测的电感位置传感装置，不需要磁性元件，不受外界磁场干扰，采样叶轮与感应线圈的间距大小不影响计量结果，鲁棒性高，功耗低，硬件成本低。
附图说明
图1为本发明的基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置的结构框图；
图2为本发明的激励线圈和感应线圈结构图；
图3为本发明的双路感应电压检测原理示意图；
图4为本发明的相移正余弦双路感应电压波形；
图5为本发明的角度及输出数字量的线形对应关系。
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的一部分实施例，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。
图1-图5为本发明的一种具体实施例，如图1所示，本实施例为一种基于相移正余弦双路感应电压检测的电感位置传感装置，包括采样叶轮、激励模块、激励线圈、双路感应线圈、模拟前端模块、模数转换模块、信号处理模块这些结构。
其中，采样叶轮为可旋转的圆形塑料盘，由水流带动旋转，其表面覆有一层半圆形铜箔，铜箔覆盖叶轮一半的面积；铜箔跟随叶轮转动，将水流信息转换为铜箔的转动信号。
如图2所示，本实施例的激励线圈、双路感应线圈为PCB板载式线圈，分别位于PCB板的正反两面，双路感应线圈位于PCB板靠近采样叶轮一侧，而激励线圈位于PCB板的另一侧。同时，双路感应线圈处于激励线圈围成的圆形区域内，在竖直方向上看，双路感应线圈与激励线圈不重合，双路感应线圈位于内侧，激励线圈位于外侧，并且包围住整个双路感应线圈。
其中，双路感应线圈由两路相互独立的线圈组成，分别绕制成类似“
”形状的内交圆；其中一路线圈以X轴为基准逆时针旋转45度放置，另一路则旋转135度放置，构成四个圆形相交的形状。激励线圈以同心圆的方式绕线组成，置于采样叶轮正上方，线圈所包围的面积刚好覆盖整个叶轮。构成激励模块的晶振和并联电容放置于PCB板上，与激励线圈相连，组成LC振荡回路，产生激励电压。
如图3所示，激励模块通过激励线圈产生激励电压，并在双路感应线圈上产生感应电压。由于双路感应线圈绕制成两圆内交的形状，在两个圆形回路中感应出的电流方向相反、电压极性相反，双路感应线圈上的电压为两个圆形回路电压的累加和。叶轮旋转时，半圆形的铜箔相应旋转，使得双路感应线圈上产生的感应电压随着铜箔位置的不同而变化，即感应线圈下方有铜箔时，其产生的感应电压相比没有铜箔时要小。因此，铜箔旋转一周，双路感应线圈上产生的感应电压呈现出类似正弦波形变化的电压。
如图4所示，由于两路感应线圈以90度正交形式布置于PCB板上，它们产生的感应电压刚好形成90度相移，即形成了90度相移正余弦双路感应电压。
在本实施例中，检测单元中的模拟前端模块与感应线圈相连，通过Cordic角度转换模块，将正余弦双路感应电压转换为角度的反正切值，输入到模数转换模块，将感应电压转换为数字信号；信号处理模块将数字电压信号转换成角度、幅度信号，通过角度偏置、校准、反馈及线性修正，输出线性化的角度信号。
角度转换模块使用的Cordic算法，其基本原理是由已知的某个角度的正余弦值，在极坐标系向量模式下，通过逐步旋转、多次迭代，使向量旋转至X轴的正半轴，并在这一旋转的过程中累加每次的旋转角度，最终获得角度的反正切值。迭代公式如下所示：
上式中，X为余弦值，Y为正弦值，Z为旋转角度累加值，i为迭代次数，d为常量，-1表示顺时针旋转，+1表示逆时针旋转。
经过n次旋转后，可得：Zn= Z0 + tan-1(Y0/X0),其中Z0为0，Y0、X0为正余弦双路感应电压，Zn即为角度的反正切值。
如图5所示，角度的反正切值通过模数转换模块，转换为数字信号，再通过信号处理模块进行角度偏置、校准、反馈及线性修正，最终输出线性化的角度信号值，即0o--360o的旋转角度对应于0—1023的数字量。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置，包括采样叶轮、计量单元、检测单元，其特征在于：
所述采样叶轮为可旋转的圆形塑料盘，其表面覆盖有一层半圆形铜箔，铜箔覆盖叶轮一半的面积；所述采样叶轮由水流带动旋转，铜箔跟随叶轮相应转动；
所述计量单元包括激励模块、激励线圈和双路感应线圈；所述激励线圈与双路感应线圈置于采样叶轮的正上方，所述激励模块与激励线圈相连，激励模块通过激励线圈产生激励电压，并在双路感应线圈上产生感应电压，当叶轮旋转时，感应线圈上产生的感应电压随着铜箔位置的不同而变化，由此将水的流动信息转换为电压信号，实现对水流的计量；
所述检测单元包括模拟前端模块、模数转换模块和信号处理模块；所述模拟前端模块对感应线圈上产生的感应电压进行解调、增益控制处理，输入到模数转换模块，将感应电压转换为数字信号；所述信号处理模块将数字电压信号转换成角度、幅度信号，通过角度偏置、校准、反馈及线性修正，输出线性化的角度信号。
2.根据权利要求1所述的基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置，其特征在于：
所述激励线圈为PCB板载式线圈，以同心圆的方式绕线组成；所述激励线圈置于采样叶轮正上方，激励线圈所包围的面积刚好覆盖整个叶轮。
3.根据权利要求1所述的基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置，其特征在于：
所述激励模块包括晶振和并联电容，放置于PCB板上，与激励线圈相连，组成LC振荡回路，用于产生激励电压。
4.根据权利要求1所述的基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置，其特征在于：
所述双路感应线圈由两路相互独立的线圈组成，两路线圈均为PCB板载式线圈，并且分别绕制成圆环相交形状的内交圆，其中一路线圈以X轴为基准逆时针旋转45度放置，另一路则旋转135度放置，构成四个圆形相交的形状。
5.根据权利要求1所述的基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置，其特征在于：
所述双路感应线圈与激励线圈分别位于PCB板的正反两面，双路感应线圈位于PCB板靠近采样叶轮一侧，而激励线圈位于PCB板的另一侧；所述双路感应线圈处于激励线圈围成的圆形区域内，在竖直方向上看，感应线圈与激励线圈不重合，双路感应线圈位于内侧，激励线圈位于外侧，并且包围住整个双路感应线圈。
6.根据权利要求1所述的基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置，其特征在于：
所述检测单元中的模拟前端模块与双路感应线圈相连，通过Cordic角度转换模块，将正余弦双路感应电压转换为角度的反正切值，输入到模数转换模块，将感应电压转换为数字信号。
7.根据权利要求6所述的基于相移正余弦双路电压检测的电感位置传感装置，其特征在于：
所述角度转换模块使用的Cordic算法，由已知的某个角度的正余弦值，在极坐标系向量模式下，通过逐步旋转、多次迭代，使向量旋转至X轴的正半轴，并在这一旋转的过程中累加每次的旋转角度，最终获得角度的反正切值，迭代公式如下所示：
上式中，X为余弦值，Y为正弦值，Z为旋转角度累加值，i为迭代次数，d为常量，-1表示顺时针旋转，+1表示逆时针旋转，
经过n次旋转后，可得：Zn= Z0 + tan-1(Y0/X0),其中Z0为0，Y0、X0为正余弦双路感应电压，Zn即为角度的反正切值。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220107 |