CN208736342U - 一种非金属物旋转装置及检测系统 - Google Patents

Abstract

一种非金属物旋转装置及检测系统，其检测系统包括PCB线圈和与PCB线圈电连接的控制电路；所述PCB线圈包括主线圈和次级线圈，次级线圈包括多个排布在主线圈内部的感应线圈，各感应线圈排布形成平衡桥式电路结构，次级线圈接收主线圈发送的高频电磁波，且在没有金属物件干扰的情况下，各感应线圈处于相对平衡状态；控制电路连接主线圈和次级线圈的控制端。本实用新型还包括一种非金属物旋转装置。本实用新型具有耗电低、成本低廉、结构简单、应用范围广、抗干扰能力强、检测功能多等优点。

Description

一种非金属物旋转装置及检测系统

技术领域

本实用新型涉及非金属物转动检测技术领域，特别是一种非金属物旋转装置及检测系统。

背景技术

隔着一定距离检测旋转圈数和旋转方向的方法有很多，比如现在用的非常多的红外光栅法、磁检测法等。

红外光栅检测法是通过红外光的穿透或者反射来判断圆形物件是否旋转，优点是技术简单，成本低。缺点是一方面功耗大，不能用到采用电池供电的超低功耗电路中；另一方面，容易受到光线的干扰导致转动检测的不稳定和不可靠；而且不能穿透非透明物件，不太方便判断正反转。

磁检测法是通过在旋转物件上面安装一块永久磁铁，采样端采用干簧管、霍尔元件、韦根传感器等方式，感知磁铁的位置从而得到旋转的圈数。优点是结构简单，功耗低，可以穿透非透明物体。缺点是容易受到磁场干扰，磁铁长时间退磁后导致稳定性变差，磁铁会吸附其他金属物件（比如铁屑）导致旋转受阻碍功能失效。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种耗电低，成本低廉，结构简单，应用范围广，抗干扰能力强，检测功能多的非金属物旋转装置及检测系统。

本实用新型的技术方案是：

本实用新型之一种非金属物旋转检测系统，包括PCB线圈和与PCB线圈电连接的控制电路；所述PCB线圈包括主线圈和次级线圈，次级线圈包括多个排布在主线圈内部的感应线圈，各感应线圈排布形成平衡桥式电路结构，次级线圈接收主线圈发送的高频电磁波，且在没有金属物件干扰的情况下，各感应线圈处于相对平衡状态；控制电路连接主线圈和次级线圈的控制端。

进一步，所述控制电路用于采集次级线圈发送的信号电平，并对信号电平处理分析，通过检测电平的变化来获得金属物件位置，从而检测出非金属旋转物的旋转方向、旋转位置和圈数，并对外输出脉冲信号。

进一步，所述控制电路包括：

感应线圈检测电路，用于采集次级线圈发送的信号电平并放大信号电平；

微处理器，用于对信号电平处理分析，通过检测电平的变化来获得金属物件位置，从而检测出非金属旋转物的旋转方向和圈数；

脉冲输出电路，与微处理器的输出端连接，用于对外输出脉冲信号；

电源管理电路，用于为微处理器供电。

进一步，所述控制电路还包括主线圈驱动电路，与微处理器的输出端连接，用于控制主线圈的输出驱动信号。

进一步，所述PCB线圈还包括：

放大整形电路，用于将感应线圈接收到的高频电磁波整形放大成稳定和平衡的感应震荡波

通道切换电路，用于切换感应线圈，形成多路通道。

进一步，所述感应线圈的数量至少为四个。

进一步，所述PCB线圈和控制电路设于同于电路板上或者独立设置在电路板上；若设置在同一电路板上，多层电路板之间加入防干扰接地屏蔽层。

进一步，所述脉冲输出电路采用OC门输出；或者脉冲输出电路采用外部电源供电，通过两根电极单独向外输出脉冲，两根电极分别为正向脉冲输出电极和反向脉冲输出电极，正转从正向输出电极上输出脉冲信号，反转从反向输出电极上输出脉冲。

本实用新型之一种非金属物旋转装置，包括非金属旋转物、金属物件以及由前述任一项所述的非金属物旋转检测系统；所述金属物件与非金属旋转物的轴心连接，PCB线圈与金属物件间隔设置。

进一步，所述PCB线圈与金属物件的垂直设置。

进一步，所述PCB线圈与金属物件的垂直距离为1~12mm。

本实用新型的有益效果：

（1）本实用新型通过将次级线圈设置成桥式平衡结构，能够检测金属物件的位置、旋转方向和圈数，以及金属物件距离装置的大概距离，还可以检测金属物件的面积大小，检测功能多，检测灵活度高；

（2）采用高频电桥式PCB线圈，抗干扰能力强，功耗非常低；

（3）采用PCB线圈相较于其他现成的检测传感器而言，成本低廉，结构简单；

（4）本实用新型能够适用于任何非金属物旋转装置，应用范围广。

附图说明

图1是本实用新型实施例的电路结构示意图；

图2是本实用新型实施例PCB线圈的结构示意图；

图3是本实用新型一个实施例中圆形旋转物与金属物件连接的结构示意图（其中金属物件为黑色部分，可以是半圆形，扇形等各种形状）。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、 “厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

一种非金属物旋转系统，包括PCB线圈以及与PCB线圈线路连接的控制电路。

如图1和图2所示：PCB线圈包括主线圈1和与主线圈1连接的次级线圈2，主线圈1用于发出脉冲震荡信号，次级线圈2用于接收震荡信号。

具体地，主线圈1在外，次级线圈2在内，次级线圈2包括多个排布在主线圈内部的感应线圈21，形成平衡桥式电路结构。其中，感应线圈的形状可以是扇形、圆形、N边形（N≥3）等。主线圈可以是圆形、N边形（N≥3）等。可以理解的是，本实用新型不具体限定主线圈和感应线圈的具体形状，只要感应线圈能够排布形成平衡桥式电路结构即可。本实施例中，主线圈1优选为圆形，便于感应线圈21均匀排布，且排布范围较大。感应线圈21优选为扇形。次级线圈21采用一个悬浮的公共端与主线圈连接。当各感应线圈不同程度受到外部金属物件的影响后，会影响震荡波的平衡，从而输出不同的信号电平，通过检测电平的变化来感知金属物件位置从而检测出金属物件的旋转方向、旋转位置和圈数。

PCB线圈和控制电路可以设于同于电路板上，也可以独立设置在电路板上。若设置在同一电路板上，为了防止相互干扰或者外界干扰影响，可采用多层电路板中间加入防干扰接地屏蔽层。

如图1所示：控制电路包括微处理器（MCU）、电源管理电路、脉冲输出电路、主线圈驱动电路和感应线圈检测电路。微处理器的输出端经主线圈驱动电路连接主线圈，次级线圈中的每个感应线圈均经过感应线圈检测电路连接微处理器的输入端；微处理器的输出端还连接脉冲输出电路。电源管理电路的电源输出端连接微处理器，输入端接入市电，用于将交流电转换为直流电。

本实施例的工作原理为：

电磁波发射源每隔预定时间（毫秒级）发出高频脉冲电磁波给主线圈，内部的次级线圈同时感应到主线圈微量的高频电磁波，次级线圈内部设有放大整形电路，微量的高频电磁波经整形放大后形成一个稳定和平衡的感应震荡波。此时，次级线圈内部的通道切换电路打开，通道切换电路分为两路，分别与对角的感应线圈相对应。

本实施例的感应线圈优选为四个，当没有金属物体干扰的情况下，四个感应线圈处于一种相对平衡状态，感应到的信号波相同。一旦有金属物体进入感应区后，感应线圈失去平衡，有金属靠近的感应线圈接收到的感应电压降低，而没有金属靠近的感应线圈电压变高。感应线圈检测电路采集感应线圈发送的电压信息，并发送给微处理器，由微处理器对电压高低变化的信息进行处理分析，就可判断出是哪个感应线圈受到金属物体的影响，四个感应线圈就可感应到四个金属物体的位置。根据位置变化进而可以判断出金属物质旋转的方位以及旋转的圈数。然后微处理器通过脉冲输出电路对外输出脉冲信号。

本实施例中，脉冲输出电路采用OC门输出（集电极开路输出），以方便匹配不同的电平信号，电压匹配性良好。另外，脉冲输出电路还可以是采用外部电源供电，通过两根电极单独向外输出脉冲，两根电极分别为正向脉冲输出电极和反向脉冲输出电极，正转从正向输出电极上输出脉冲信号，反转从反向输出电极上输出脉冲，如图2所示。

本实施例中，对金属物件的探测距离与金属物件的面积有关，与厚度无关，感应距离1~12mm左右，不受磁场干扰，不受温度变化的影响。本实施例所述的感应距离为金属物件与PCB线圈之间的垂直距离。例如，如图3所示：在距离1~12mm之间的圆形旋转物3，圆形旋转物3上设置金属物件4，且金属物件设于圆形旋转物3的中心位置，金属物件可在PCB线圈正下方旋转，电路能够输出正反脉冲，根据脉冲的方向和速率，检测旋转圈数、旋转方向、方位。

本系统能够自动降低检测频率以节省电量损耗，当检测到金属物件移动（比如旋转）后，通过动态调整检测频率，调高频率后以方便检测金属物件更加快速的变化，这样可以在降低功耗的同时不影响检测的灵敏度和速度。具体地，如果检测到被测金属物件发生位移或者旋转，MCU判断后增加主线圈脉冲频率以提高检测灵敏度；反之，如果检测被测金属物件连续一段时间未发生任何位移或者旋转，MCU将降低主线圈脉冲频率以降低功耗。可以说，当金属物件静止不动时，电源功耗可以做到6uA以内，金属物件变化时功耗大约在18-25uA之间。

此方法可安装于机械水表上，在机械水表的旋转指针上增加一个扇形金属片，就可以通过此系统检测机械水表的指针上的金属片的旋转方向和旋转圈数，从而将机械水表的计量信息电子化改造。可以理解的是，本实用新型的金属片可以是任何形状，并不限定于扇形。

本系统适用范围广泛，能够检测金属物件的位置、旋转方向和圈数，以及金属物件距离装置的大概距离，或者可以检测金属物件的面积大小。例如金属物件的面积检测方法为：通过检测N个感应线圈的感应电压的变化，即越多的感应线圈被同时感应到，则说明金属物件面积大，反之，则金属物件面积小；其中N≥4。

除了应用于机械水表上，还可以设置在自行车和摩托车上，能够准确检测车辆的速度，相较于现成的传感器而言，大大降低成本。本系统还可透过任何非金属物件去检测金属物件，即在感应线圈与被测金属物件之间可以允许任何非金属物质填充，如玻璃/塑料/水/空气等。

此处需要说明的是，与上述方案有关的计算机程序已是现有技术，并不在本申请的保护范围内，本申请主要保护PCB线圈结构和各电路连接关系。至于主线圈驱动电路、感应线圈检测电路、电源管理电路、脉冲输出电路的具体电路结构已是现有成熟技术，此处不再赘述。

Claims (10)

1.一种非金属物旋转检测系统，其特征在于，包括PCB线圈和与PCB线圈连接的控制电路；所述PCB线圈包括主线圈和次级线圈，次级线圈包括多个排布在主线圈内部的感应线圈，各感应线圈排布形成平衡桥式电路结构，次级线圈接收主线圈发送的高频电磁波，且在没有金属物件干扰的情况下，各感应线圈处于相对平衡状态；控制电路连接主线圈和次级线圈的控制端。

2.根据权利要求1所述的非金属物旋转检测系统，其特征在于，所述控制电路用于采集次级线圈发送的信号电平，并对信号电平处理分析，通过检测电平的变化来获得金属物件位置，从而检测出非金属旋转物的旋转方向、旋转位置和圈数，并对外输出脉冲信号。

3.根据权利要求1或2所述的非金属物旋转检测系统，其特征在于，所述控制电路包括：

感应线圈检测电路，用于采集次级线圈发送的信号电平；

微处理器，用于对信号电平处理分析，通过检测电平的变化来获得金属物件位置，从而检测出非金属旋转物的旋转方向和圈数；

脉冲输出电路，与微处理器的输出端连接，用于对外输出脉冲信号；

电源管理电路，用于为微处理器供电。

4.根据权利要求3所述的非金属物旋转检测系统，其特征在于，所述控制电路还包括主线圈驱动电路，与微处理器的输出端连接，用于控制主线圈的输出驱动信号。

5.根据权利要求1或2所述的非金属物旋转检测系统，其特征在于，所述PCB线圈还包括：

放大整形电路，用于将感应线圈接收到的高频电磁波整形放大成稳定和平衡的感应震荡波

通道切换电路，用于切换感应线圈，形成多路通道。

6.根据权利要求1或2所述的非金属物旋转检测系统，其特征在于，所述感应线圈的数量至少为四个。

7.根据权利要求1或2所述的非金属物旋转检测系统，其特征在于，所述PCB线圈和控制电路设于同于电路板上或者独立设置在电路板上；若设置在同一电路板上，多层电路板之间加入防干扰接地屏蔽层。

8.根据权利要求3所述的非金属物旋转检测系统，其特征在于，所述脉冲输出电路采用OC门输出；或者脉冲输出电路采用外部电源供电，通过两根电极单独向外输出脉冲，两根电极分别为正向脉冲输出电极和反向脉冲输出电极，正转从正向输出电极上输出脉冲信号，反转从反向输出电极上输出脉冲。

9.一种非金属物旋转装置，其特征在于，包括非金属旋转物、金属物件以及由权利要求1~8任一项所述的非金属物旋转检测系统；所述金属物件与非金属旋转物的轴心连接，PCB线圈与金属物件间隔设置。

10.根据权利要求9所述的非金属物旋转装置，其特征在于，所述PCB线圈与金属物件的垂直距离为1~12mm。