CN202101681U - 一种无源传感器 - Google Patents

Abstract

一种无源传感器，包括外壳、敏感组件、印制板、外引线和密封材料，敏感组件设置在外壳内，敏感组件通过印制板与3根外引线电连接，3根外引线分别为传感器的两个输出端U₁和U₂和一个接地端G，外壳端口用环氧树脂密封材料封装；所述敏感组件包括敏感丝，漆包线绕组和骨架，所述骨架为十字形，骨架的通槽中分别埋设敏感丝，漆包线绕组分别缠绕在骨架的四个臂上，绕同一支敏感丝的漆包线串联组成所绕敏感丝的感应线圈。本实用新型无源传感器同时进行旋转计数和方向识别两种传感，通过电脉冲的时序特征，对脉冲进行旋转计数，并依据电脉冲的时序特征，同时进行物体旋转计数和旋转方向识别。

Description

一种无源传感器

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，涉及磁电传感器，为一种无源传感器，具有旋转计数和方向识别双重功能。

背景技术

现有旋转计数传感器有机械式、光电式、磁电式等多种方式。机械式旋转计数器由于无电信号输出，不能用于自动控制中，现已逐渐被淘汰。而光电式、磁电式旋转计数传感器一般均需使用电源，且功能单一，目前没有一种传感器能同时进行旋转计数和方向识别。并且，这些传感器工作温度范围也较窄。例如以硅材料制作的传感器极限工作温度为150℃，当温度超过150℃时，硅材料失去半导体性能，从而使得传感器失效。

发明内容

本实用新型要解决的问题是：现有传感器只能实现旋转计数单一功能，而且工作温度范围窄，对使用环境要求高。

本实用新型的技术方案为：一种无源传感器，包括外壳、敏感组件、印制板、外引线和密封材料，敏感组件设置在外壳内，敏感组件通过印制板与3根外引线电连接，3根外引线分别为传感器的两个输出端U₁和U₂和一个接地端G，外壳端口用环氧树脂密封材料封装；所述敏感组件包括2支敏感丝，4个漆包线绕组，和1个用作敏感丝和漆包线绕组载体的骨架，所述骨架为由X轴和Y轴两根枝干交叉组成的骨架，交叉的枝干形成四个臂，骨架为非磁性材料，在X轴和Y轴上各设有一个通槽，两个通槽开口朝向相背，2支敏感丝分别埋设在X轴和Y轴的通槽中，4个漆包线绕组分别缠绕在骨架的四个臂上，绕同一支敏感丝的2个漆包线绕组串联组成所绕敏感丝的感应线圈。

2支敏感丝在通槽中相隔小于0.3mm。

优选骨架为正十字形。

两支敏感丝的感应线圈的四个端，取相邻的两端连接后通过印制板与外引线的接地端G电连接，另外两端分别通过印制板与外引线的输出端U₁和U₂电连接。

本实用新型无源传感器能够同时进行旋转计数和方向识别两种传感：在待测旋转物体上安装磁钢，当磁钢随待测物体旋转时产生交变磁场；所述敏感组件中的敏感丝为磁双稳态合金，ZL200610086134.5专利文献中有详细介绍，在交变磁场激励下，敏感丝内芯的磁化方向将随外磁场极性的变化而发生瞬间翻转，并在敏感丝外围的感应线圈中感生出正负电脉冲；在连续交变磁场的激励下，所述无源传感器的两个输出端U₁和U₂输出的电信号以4个正负脉冲为一周期循环发生变化，对脉冲进行计数，并对正负脉冲时序特征进行分析，即可同时实现旋转计数和方向识别两种传感识别。

旋转计数传感为：在交变磁场的激励下，敏感丝磁化方向瞬间发生翻转，进而在感应线圈中感生出电脉冲，交变磁场每变化一周，敏感丝磁化方向各发生一次正、反向翻转，感应线圈则感生出一对正、负电脉冲，当待测旋转物体连续旋转时，传感器的两个输出端U₁和U₂分别输出一系列正、负电脉冲信号，对其中一路或同时对两路电脉冲信号的正负变化进行计数，即可检测出磁钢旋转次数；

方向识别传感为：交变磁场作用在传感器的敏感丝上，传感器输出端U₁和U₂分别产生一组正、负电脉冲，两组电脉冲信号时序的特征与磁钢旋转方向直接关联，根据这两组电脉冲信号时序特征，即可分析识别出磁钢的旋转方向。

进行方向识别传感时，磁钢顺时针旋转时，传感器输出电脉冲信号时序为[V₁ ⁺V₂ ⁺V₁ ^-V₂ ^-]；磁钢逆时针旋转时，传感器输出电脉冲信号时序为[V₁ ⁺V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺]；磁钢由顺时针旋转向逆时针转换时，传感器输出电脉冲信号时序由[V₁ ⁺V₂ ⁺V₁ V₂]变为[V₁ ⁺V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺]；磁钢由逆时针旋转向顺时针转换时，传感器输出电脉冲信号时序由[V₁ ⁺V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺]变为[V₁ ⁺V₂ ⁺V₁ V₂]，V₁和V₂分别为输出端U₁和U₂的输出脉冲信号，“+”和“-”表示脉冲信号的正负。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型同时兼具旋转计数和方向识别双重功能；工作时无须外接电源；输出幅值高达2伏以上，信号无须经过放大即可直接在现场进行处理，也可通过传输线远传至后级电路进行处理；方向识别方法简单；敏感丝居里温度大于500℃，可在-65℃～+180℃温度范围内工作；传感器结构简单，由一个交叉形骨架及设置其中的敏感丝，以及对应的漆包线绕组即可完成旋转计数和方向识别的功能，整体封装在外壳中，由于结构简单，本实用新型的传感器体积小，使用方便；

(2)本实用新型传感器还适用于激励磁场分布不均匀的应用场合。在实际应用中，磁钢的磁感应强度随着距离的增加而迅速衰减。如果传感器敏感丝位于有效磁感应强度范围之外，有可能导致传感器失效。本实用新型传感器敏感组件的交叉形骨架使得用于传感的2支敏感丝相隔小于0.3mm，确保同时位于有效磁感应强度范围内。

附图说明

图1为本实用新型传感器结构示意图。

图2为本实用新型敏感组件的三视示意图，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图。

图3为本实用新型敏感丝的特征曲线图。

图4为本实用新型实施例中，传感器安装位置示意图。

图5为本实用新型实施例中，流量计磁环磁感应强度水平分量沿磁环Z轴方向衰减图。

图6为本实用新型实施例中，磁钢顺时针旋转时传感器输出波形。

图7为本实用新型实施例中，磁钢逆时针旋转时传感器输出波形。

图8为本实用新型实施例中，磁钢从顺时针旋转向逆时针旋转转换时传感器输出波形。

图9为本实用新型实施例中，磁钢从逆时针旋转向顺时针旋转转换时传感器输出波形。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1、图2所示，本实用新型双重功能无源传感器包括外壳1，外壳1内装有敏感组件2，敏感组件2通过印制板3与3根外引线4电连接，外壳1端口用环氧树脂密封材料5封装。

其中，所述外壳1为铝制圆柱形管壳，管壳直径φ11mm，高6mm；印制板3尺寸与管壳内径相适配，主要起到敏感组件2与外引线4之间的过渡电连接的作为；外引线4包括1根接地线G，2根输出线U₁和U₂，3根引线的间距符合单列直插式器件标准间距，便于安装使用。

其中，所述敏感组件2由一号敏感丝21、二号敏感丝22，一号漆包线绕组23、二号漆包线绕组24、三号漆包线绕组25、四号漆包线绕组26和骨架27组成。骨架27是用耐高温塑料制成的交叉形骨架，可以是任意夹角的交叉形骨架，优选正十字形。骨架27的X轴和Y轴各设有一个朝向相背的通槽，X轴通槽向上，Y轴通槽向下。一号敏感丝21埋设在十字形骨架27的X轴通槽中，一号漆包线绕组23和二号漆包线绕组24围绕一号敏感丝21分别缠绕在十字形骨架27的X轴的两翼上；二号敏感丝22埋设在十字形骨架27的Y轴通槽中，三号漆包线绕组25和四号漆包线绕组26围绕二号敏感丝22分别缠绕在十字形骨架27的Y轴的两翼上。在实际应用中，磁环产生的磁场往往是不均匀的，为了使2支敏感丝处于同一磁场强度范围，要求2支敏感丝尽可能处于同一平面，本实用新型中X轴通槽底部和Y轴通槽底部相隔小于0.3mm，使一号敏感丝21和二号敏感丝22接近处于同一平面中。4个漆包线绕组的匝数完全相同，均为2000匝。

一号漆包线绕组23和二号漆包线绕组24电串联，组成一号敏感丝21的感应线圈；三号漆包线绕组23和四号漆包线绕组24电串联，组成二号敏感丝22的感应线圈；两个感应线圈的一端互相电连接，并一起通过印制板3与外引线4的接地端G电连接：一号敏感丝的感应线圈的另一端通过印制板3与外引线4的输出端U₁电连接，二号敏感丝的感应线圈的另一端通过印制板3与外引线4的输出端U₂电连接。

所述一号敏感丝21和二号敏感丝22为铁钴钒合金丝，是按照ZL200610086134.5专利技术制备的一种具有磁双稳态特性的功能合金丝，在交变磁场中，当平行于敏感丝的某极性磁场达到触发磁感应强度时，也就是激励磁场强度达到敏感丝磁场翻转阈值时，敏感丝内芯中的磁畴受到激励会发生运动，敏感丝内芯磁化方向瞬间发生翻转，转向与当前磁场同一方向，同时在敏感丝周围空间磁场也发生瞬间变化，由此在敏感丝的感应线圈中感生出一个电脉冲，此后若该磁场减弱，敏感丝磁化方向将保持稳定不变，感应线圈也无电信号输出；但当相反极性磁场增强到触发磁感应强度时，敏感丝磁化方向又瞬间发生翻转，并在感应线圈中感生出一个方向相反的电脉冲。如此反复，即在连续交变外磁场的激励作用下，所述无源传感器的两个输出端U₁和U₂输出的电脉冲将以4个正负脉冲为一周期循环变化。敏感丝磁场翻转阈值大小与敏感丝的磁特性有关。用上述敏感丝制成的传感器的磁电转换特征曲线如图3所示，激励磁场的磁感应强度阈值B_t≈4.0mT(毫特斯拉)。图3显示，本实例敏感丝磁化方向瞬间发生翻转的激励磁场为B≥4.0mT，即当B≥4.0mT时，可使传感器正常工作。传感器输出信号幅值大于2伏，无须经过放大即可直接供后级单片机处理电路进行数据综合处理。

下面以某种气体流量计为例说明本实用新型传感器在智能流量计量方面的应用。

如图4所示，流量计旋转翼6上设有磁环7，传感器安装在磁环7的上方，传感器外引线4的两根输出线U₁、U₂和接地线G与智能流量计量单片机处理电路相连接。所述磁环7为具有一对N、S磁极的轴向充磁磁环，图5是该磁环磁感应强度水平分量沿磁环Z轴方向衰减图。图5显示，随着距离的增加，磁环7磁感应强度迅速下降，当距离达到6mm时，磁感应强度衰减至4.7mT。为了确保传感器能正常工作，应使传感器两支敏感丝21和22位于磁环7上方6mm以内。当流量计中气体流动时，气体推动旋转翼6转动，并带动磁环7转动。磁环7每旋转一周，传感器两输出端分别输出一个正脉冲，一个负脉冲，共有4个正负电脉冲。当磁环连续旋转时，传感器两输出端波形则以4个正负脉冲为一周期循环发生变化。

图6～图9为示波器显示的传感器两输出端U₁和U₂的输出波形。图中“1”所指的为U₁端波形，“2”所指的为U₂端波形，“CH1 2.00V”和“CH2 2.00V”表示通道1和通道2纵坐标电压每格均为2.00伏，“M 1.00s”表示横坐标时间每格为1秒。

假设将U₁输出的正脉冲记为V₁ ⁺，负脉冲记为V₁ ^-；将U₂输出的正脉冲记为V₂ ⁺，负脉冲记为V₂；磁环7每旋转一周，传感器两输出端U₁、U₂输出的脉冲序列记为[… … … …]，那么：

如图6，磁环7连续顺时针旋转时，传感器两输出端U₁、U₂输出波形时序依次为[… …V₁ ^-V₂ ^-][V₁ ⁺V₂ ⁺V₁ ^-V₂ ^-][V₁ ⁺V₂ ⁺V₁ ^-V₂ ^-][V₁ ⁺V₂ ⁺V₁ ^-V₂ ^-]……；

如图7，磁环7连续逆时针旋转时，传感器两输出端U₁、U₂输出波形时序依次为[… …V₁ ^-V₂ ⁺][V₁ ⁺V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺][V₁ ⁺V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺][V₁ ⁺V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺]……；

如图8，磁环7从顺时针向逆时针旋转转换时，传感器两输出端U₁、U₂输出波形时序依次为[… … …V₂ ^-][V₁ ⁺V₂ ⁺V₁ ^-V₂ ^-][V₁ ⁺V₂ ⁺V₁ ^-V₂ ^-][V₁ ⁺V₂ ⁺V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺][V₁ ⁺V₂ ^-V₁ V₂ ⁺]……；

如图9，磁环7从逆时针向顺时针旋转转换时，传感器两输出端U₁、U₂输出波形时序依次为[…V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺][V₁ ⁺V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺][V₁ ⁺V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺][V₁ ⁺V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺][V₁ ⁺V₁ ^-V₂ ^-][V₁ ⁺V₂ ⁺V₁ ^-V₂ ^-]……。

分析上述波形时序可以发现如下特征：

1、当磁环连续顺时针旋转时，传感器输出以4个脉冲为一周期，脉冲时序特征为[V₁ ⁺V₂ ⁺V₁ V₂]，即每出现一个V₁ ⁺后必然紧随出现一个V₂ ⁺，每出现一个V₁ ^-后必然紧随出现一个V₂ ^-；或者，每两个V₁ ⁺之间必然出现一个V₂ ⁺、一个V₂ ^-，且V₂ ⁺在前，V₂在后。本实例中，第一周期只有两个脉冲[… …V₁ V₂]，这是因为示波器是从后半周开始显示的。

2、当磁环连续逆时针旋转时，脉冲时序特征为[V₁ ⁺V₂ ^-V₁ V₂ ⁺]，即每出现一个V₁ ⁺后必然紧随出现一个V₂ ^-，每出现一个V₁ ^-后必然紧随出现一个V₂ ⁺；或者，每两个V₁ ⁺之间必然出现一个V₂ ^-、一个V₂ ⁺，且V₂ ^-在前，V₂ ⁺在后。同样，本实例中，第一周期只有两个脉冲[… …V₁ ^-V₂ ⁺]，这也是因为示波器是从后半周开始显示的。

3、当磁环从顺时针向逆时针旋转转换时，时序特征从[V₁ ⁺V₂ ⁺V₁ ^-V₂ ^-]转变为[V₁ ⁺V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺]。本实例中，第四周期时序变为[V₁ ⁺V₂ ⁺V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺]，上半周期V₁ ⁺V₂ ⁺为顺时针特征，下半周期V₁ ^-V₂ ⁺为逆时针特征，中间多出一个V₂ ^-，说明磁环磁极在第四周期上、下半周之间开始发生转向。

4、当磁环从逆时针向顺时针旋转转换时，时序特征从[V₁ ⁺V₂ ^-V₁ ^-V₂ ⁺]转变为[V₁ ⁺V₂ ⁺V₁ ^-V₂ ^-]。本实例中，第五周期时序变为[V₁ ⁺V₁ ^-V₂ ^-]，上半周期本应为V₁ ⁺V₂ ^-，但少了一个V₂，下半周期V₁ V₂为顺时针特征，说明磁环磁极在第五周期上半周开始发生转向。

比较图8和图9，当磁环发生转向时，有时会多出一个脉冲，有时会少一个脉冲，这和磁环发生转向的具体位置有关。

利用现有单片机技术对脉冲进行计数，并根据上述脉冲时序特征，即可同时检测出磁环旋转次数和转向，进而计算出气体的流量和流向。一旦发现有如图8或图9的时序，说明流量计出现异常情况，单片机立即发出报警信号，并对流量计量做出相应处置。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种无源传感器，包括外壳(1)、敏感组件(2)、印制板(3)、外引线(4)和密封材料(5)，敏感组件(2)设置在外壳(1)内，其特征是敏感组件(2)通过印制板(3)与3根外引线(4)电连接，3根外引线(4)分别为传感器的两个输出端U₁和U₂和一个接地端G，外壳(1)端口用环氧树脂密封材料(5)封装；所述敏感组件(2)包括2支敏感丝，4个漆包线绕组，和1个用作敏感丝和漆包线绕组载体的骨架(27)，所述骨架(27)为由X轴和Y轴两根枝干交叉组成的骨架，交叉的枝干形成四个臂，骨架(27)为非磁性材料，在X轴和Y轴上各设有一个通槽，两个通槽开口朝向相背，2支敏感丝分别埋设在X轴和Y轴的通槽中，4个漆包线绕组分别缠绕在骨架(27)的四个臂上，绕同一支敏感丝的2个漆包线绕组串联组成所绕敏感丝的感应线圈。

2.根据权利要求1所述的一种无源传感器，其特征是X轴通槽底部和Y轴通槽底部之间的间隔距离小于0.3mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种无源传感器，其特征是骨架(27)为正十字形。

4.根据权利要求1或2所述的一种无源传感器，其特征是两支敏感丝的感应线圈的四个端，取相邻的两端连接后通过印制板(3)与外引线(4)的接地端G电连接，另外两端分别通过印制板(3)与外引线(4)的输出端U₁和U₂电连接。

5.根据权利要求3所述的一种无源传感器，其特征是两支敏感丝的感应线圈的四个端，取相邻的两端连接后通过印制板(3)与外引线(4)的接地端G电连接，另外两端分别通过印制板(3)与外引线(4)的输出端U₁和U₂电连接。

Images