CN210486909U

CN210486909U - 一种双磁聚焦转速、扭矩、角度传感器

Info

Publication number: CN210486909U
Application number: CN201921984129.5U
Authority: CN
Inventors: 李志鹏; 张超; 邱枫; 王博男; 孟旭
Original assignee: Northeast Forestry University
Current assignee: Northeast Forestry University
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2029-11-15

Abstract

一种双磁聚焦转速、扭矩、角度传感器属于传感器领域；现有传感器结构复杂，才能提取线性信号；本装置包括激励线圈采用形状为弯曲成圆弧状矩形；每层激励线圈柔性电路板印制一个激励线圈，激励线圈柔性电路板固定于罩壳内部，罩壳通过罩壳把手固定内部激励线圈柔性电路板和定子处理电路，并分别设置贴于待测轴的轴输入端和轴输出端上；接收线圈A和接收线圈B为若干个矩形围成一圈，矩形的面积由小到大排列，转子电路板上印制有转子信号处理电路；接收线圈A、接收线圈B分别设置在轴输入端和轴输出端；本装置提取的信号为高低电平形式，结构简单。

Description

一种双磁聚焦转速、扭矩、角度传感器

技术领域

本实用新型属于传感器领域，尤其涉及一种双磁聚焦转速、扭矩、角度传感器。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

对于转速的测量，已有的非接触式测量转速的传感器都是根据涡流原理，涡流是非线性的，须通过复杂的结构设计，才能提取出线性信号。且传感器内部空间存在激励线圈的交变磁场和转子的涡流场，需设计复杂的解耦结构。

实用新型内容

本实用新型克服了上述现有技术的不足，提供一种双磁聚焦转速、扭矩、角度传感器，本装置的传感器内部只存在激励线圈的交变磁场，无需解构，本装置由于磁场聚焦于一点，提取的信号是高低电平形式，结构简单，精度高；有效的解决了现有传感器需要复杂的解耦结构，才能提取出线性信号的技术问题。

本实用新型的技术方案：

一种双磁聚焦转速、扭矩、角度传感器，包括待测轴、激励线圈、罩壳、罩壳把手、接收线圈A、转子电路板和接收线圈B；所述激励线圈采用矩形激励线圈，形状为弯曲成圆弧状矩形；所述激励线圈印制在激励线圈柔性电路板上，每层激励线圈柔性电路板印制一个激励线圈，若干层的激励线圈柔性电路板层层叠加，形成金字塔式排列的激励线圈，所述若干的激励线圈柔性电路板固定于罩壳内部，所述罩壳上设置有罩壳把手，所述罩壳把手内设置有定子处理电路；所述罩壳通过罩壳把手固定内部激励线圈柔性电路板和定子处理电路，并分别设置贴于待测轴的轴输入端和轴输出端上；所述接收线圈A和接收线圈 B为若干个矩形围成一圈，矩形的面积由小到大排列，均印制在接收线圈柔性电路板上，所述转子电路板上印制有转子信号处理电路；所述接收线圈A、接收线圈B分别设置在轴输入端和轴输出端，且在罩壳下方；所述转子电路板设置在待测轴上，并且转子电路板的两端分别贴近接收线圈A和接收线圈B，在罩壳下方；所述接收线圈A和接收线圈B能够随轴输入端转动。

进一步地，所述定子处理电路包括定子电源模块、定子无线接收模块和定子芯片模块。

进一步地，所述转子信号处理电路包括转子电源模块、转子无线发送模块和转子芯片模块。

进一步地，所述罩壳把手上设置有开孔，用于引出导线。

本实用新型相对于现有技术具有以下有益效果：

本实用新型提供了一种双磁聚焦转速、扭矩、角度传感器，本装置通过在待测轴上设置若干个激励线圈，使每个激励线圈施加10MHz的高频正弦电流，每个激励线圈的电流幅值根据其位置确定，依据磁场的叠加行原理，使磁场聚焦于待测轴表面上一点，有效的解决了现有传感器需要复杂的解耦结构，才能提取出线性信号的技术问题；

本装置的传感器内部只存在激励线圈的交变磁场，无需解构，设计结构简单，本装置由于磁场聚焦于一点，提取的信号是高低电平形式，结构简单，精度高；

本装置通过在轴输入端和轴输出端同时进行采集，能够为检测扭矩提供了准确的扭矩数据，本装置通过根据接收线圈的矩形空间所占角度，能够得到待测轴的转动角度数据，所以本装置能够同时测量转速、扭矩和角度，解决了现有传感器不能同时测量转速、扭矩和角度的技术问题；

本装置采用信号无线传输，解决了现有传感器经线束传输的技术问题，并且本装置对安装位置要求简单；

附图说明

图1是本实用新型结构爆炸图；

图2是激励线圈侧视图；

图3是罩壳主视图；

图4是接收线圈主视图；

图5是本实用新型安装图；

图6是定子电源模块电路图；

图7是定子无线接收模块电路图；

图8是定子芯片模块电路图；

图9是转子电源模块电路图；

图10是转子无线发送模块电路图；

图11是转子芯片模块电路图。

图中：1待测轴、2激励线圈、3罩壳、4罩壳把手、5接收线圈A、6转子电路板、7 接收线圈B。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型进行详细说明。

具体实施方式一

一种双磁聚焦转速、扭矩、角度传感器，如图1-图5所示，包括待测轴1、激励线圈2、罩壳3、罩壳把手4、接收线圈A5、转子电路板6和接收线圈B7；所述激励线圈2采用矩形激励线圈，形状为弯曲成圆弧状矩形；所述激励线圈2印制在激励线圈柔性电路板上，每层激励线圈柔性电路板印制一个激励线圈2，若干层的激励线圈柔性电路板层层叠加，形成金字塔式排列的激励线圈2，所述若干的激励线圈柔性电路板固定于罩壳3内部，所述罩壳3上设置有罩壳把手4，所述罩壳把手4内设置有定子处理电路；所述罩壳3通过罩壳把手4固定内部激励线圈柔性电路板和定子处理电路，并分别设置贴于待测轴1 的轴输入端和轴输出端上；所述罩壳3、激励线圈2和定子处理电路构成传感器的定子；所述接收线圈A5和接收线圈B7为若干个矩形围成一圈，矩形的面积由小到大排列，均印制在接收线圈柔性电路板上，所述转子电路板6上印制有转子信号处理电路；所述接收线圈A5、接收线圈B7分别设置在轴输入端和轴输出端，且在罩壳3下方；所述转子电路板 6设置在待测轴1上，并且转子电路板6的两端分别贴近接收线圈A5和接收线圈B7，在罩壳3下方；所述接收线圈A5和接收线圈B7能够随轴输入端转动。

具体地，所述定子处理电路包括定子电源模块、定子无线接收模块和定子芯片模块。

所述定子电源模块，如图6所示，包括型号为P320A的电池板P1A的端口+BB分别连接电容C2、C22和铁镍相环的一端，铁镍相环的一端的另一端分别连接C3、C4、电阻R3 及型号为HFKW012-1HW的继电器K1的一端，所述电容C2、C22、C3及C4的另一端均与电池板P1A的端口E1连接，R3的另一端串联二极管D2，D2分别连接C5、稳压二极管D3 及型号为IRF5505的晶体管Q1，Q1分别连接型号为NCV4275的稳压芯片的引脚IN、电容 C8、稳压电容C6和电阻R5；U1的引脚OUT通过电阻R4连接到U1的引脚RESET；U1的引脚DELAY连接电容C9，C9分别连接C8和C6，R5依次串联电阻R6和型号为DTD143EC 的三极管Q3，K1的引脚3通过二极管D4分别连接K1的引脚4和三极管Q2；本模块用于将外部提供的12V电压快速地转换为传感器需要的5V电压。

所述定子无线接收模块，如图7所示，包括型号为nRF24L01的射频芯片U2引脚7 分别连接电容C5的一端、C4的一端、稳压电容C16的一端、VCC端、U2的引脚18和引脚15；U2的引脚9分别连接晶振Y1的一端，电阻R8的一端和C14的一端，Y1的另一端分别连接U2的引脚10、R8的另一端和C15的一端；U2的引脚11分别连接C10的一端、 C11的一端和电感L4的一端，L4的另一端分别连接U2的引脚12和L3的一端，L3的另一端分别连接U2的引脚13和L1的一端，L1的另一端通过串联C6分别连接C7的一端和 L5的一端，L5另一端分别连接C7的一端和天线，U2的引脚16串联R1的一端，U2的引脚17分别连接C1的一端、U2的引脚20、R1的另一端和地线；所述C16的另一端、C4 的另一端、C5的另一端、U2的引脚8、C14的另一端、C15的另一端、C10的另一端、C11 的另一端和两个C7的另一端均分别连接地线，U2的引脚1、引脚2、引脚3、引脚4、引脚5、引脚6分别连接型号为Header 4X2的定子芯片模块接头J2的引脚2、引脚1、引脚4、引脚3、引脚6、引脚5；本模块用于快速接收转子电路板发送的数据。

定子芯片模块，如图8所示，包括单片机芯片U2的引脚37分别连接SENT1端口和电阻R76，U2的引脚50分别连接SENT2端口和电阻R75，U2的引脚29分别连接PowerCheck 端口和电容C17，R75分别连接电容C13和U2的引脚25，R76分别连接U2的引脚28和 C16，C13分别连接C14、C16、C17、C18、C19、C20和GND；U2的引脚63分别连接电阻 R21和电容C21，R21分别连接+5V电源和电容C22，C22分别连接GND和C21；U2的引脚 11通过电阻R22连接到GND；U2的引脚8分别连接C28的一端、C26的一端和电感L2的一端，L2的另一端分别连接C23的一端、L3的一端、L4的一端和C24的一端，L3的另一端分别连接C27的一端、U2的引脚41和C29的一端，L4的另一端分别连接C25的一端、 C30的一端和U2的引脚7；所述C23、C24、C26、C27、C25、C28、C29和C30的另一端均连接GND；U2的引脚40、引脚9和引脚10均连接GND，U2的引脚60连接RelaySW端口，U2的引脚44、引脚45、引脚46和引脚53分别连接RX端口、MISO端口、MOSI端口和SCK端口；U2的引脚17、引脚14、引脚1、引脚18、引脚19、引脚20、引脚21、引脚52和引脚51分别连接PWM_RESET端口、LampOn端口、PowerOn端口、PWMH端口、PWML 端口、TORQUE端口、RATIONRRATE端口、CANRX端口和CANTX端口；本模块用于快速数据处理，扭矩、转速数据的快速传输，能够给激励线圈提供激励源。

具体地，所述转子信号处理电路包括转子电源模块、转子无线发送模块和转子芯片模块，用于信号采集、信号处理、无线供电和无线传输。

所述转子电源模块，如图9所示，包括5V电源分别连接电阻R1和R2的一端，R1的另一端分别连接电容C1的一端、电阻R3的一端和型号为2N3904的三极管Q1，C1的另一端分别连接电容C4的一端和电容C11的一端，C4的另一端分别连接电容C2的一端、电容C3的一端、电阻R4的一端、电阻R3的另一端和GND，C2的另一端分别连接C11的另一端、R2的另一端和Q1，R4的另一端分别连接Q1和C3的另一端；本模块用于给转子电路板快速提供稳定的5V电压和滤波。

所述转子无线发送模块，如图10所示，包括型号为nRF24L01的射频芯片U2引脚7分别连接电容C5的一端、C4的一端、稳压电容C16的一端、VCC端、U2的引脚18和引脚15；U2的引脚9分别连接晶振Y1的一端，电阻R8的一端和C14的一端，Y1的另一端分别连接U2的引脚10、R8的另一端和C15的一端；U2的引脚11分别连接C10的一端、 C11的一端和电感L4的一端，L4的另一端分别连接U2的引脚12和L3的一端，L3的另一端分别连接U2的引脚13和L1的一端，L1的另一端通过串联C6分别连接C7的一端和 L5的一端，L5另一端分别连接C7的一端和天线，U2的引脚16串联R1的一端，U2的引脚17分别连接C1的一端、U2的引脚20、R1的另一端和地线；所述C16的另一端、C4 的另一端、C5的另一端、U2的引脚8、C14的另一端、C15的另一端、C10的另一端、C11 的另一端和两个C7的另一端均分别连接地线，U2的引脚1、引脚2、引脚3、引脚4、引脚5、引脚6分别连接型号为Header 4X2的定子芯片模块接头J2的引脚2、引脚1、引脚4、引脚3、引脚6、引脚5；本模块用于将转子芯片模块采集的数据快速精确的发送给定子无线接收模块。

所述转子芯片模块，如图11所示，包括型号为PIC16F1829的单片机芯片U0的引脚1分别连接电容5V电源、电容C18的一端和C19的一端，U0的引脚4分别连接电阻R29 的一端和电容C13的一端，R29的另一端连接5V电源，U0的引脚8、引脚9、引脚10、引脚11、引脚12和引脚13分别连接IRQ端口、MOSI端口、CSN端口、SCK端口、CE端口和MISO端口，U0的引脚17分别连接电阻R38的一端、电容C7的一端和二极管D3的一端，D3的另一端分别连接电阻R16的一端和型号为AD822AR的放大器U2A的引脚1，R16 的另一端分别连接U2A的引脚2和电阻R15的一端，U2A的引脚3分别连接电阻R14的一端和R13的一端，所述C18的另一端、C19的另一端、C13的另一端、C15的另一端、R38 的另一端、C7的另一端、U2A的引脚4和U0的引脚20均分别连接GND，R14的另一端连接C端，R13的另一端连接carrier端；本模块用于精确的采集转子线圈电压，快速将数据传输给转子无线发送模块。

具体地，转子信号处理电路还包括接收线圈接口，用于接收线圈与转子芯片模块连接。

具体地，所述定子电源模块与定子芯片模块连接，所述定子芯片模块与定子无线接收模块连接，所述定子无线接收模块与转子无线发送模块连接，所述转子无线发送模块与转子芯片模块连接，所述转子芯片模块与转子电源模块连接。

具体地，所述罩壳把手4上设置有开孔，用于引出导线，所述罩壳把手4上加工有定子固定孔5，通过拧紧螺丝固定激励线圈柔性电路板和定子处理电路。

具体地，所述罩壳3包括定子处理电路固定面9和激励线圈贴附面10。

工作原理：激励线圈通高频交流电流，空间内产生交变磁场，设计激励线圈的空间分布，使磁场聚焦于待测轴上一点，此点正好位于接收线圈矩形内部。随待测轴的转动，此点的轨迹是圆。磁聚焦点在接收线圈矩形内部时，由于接收线圈内部的磁通量改变，接收线圈上产生感应电压。当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收线圈的磁通量变化为0，接收线圈的感应电压为零。接收线圈为矩形，根据公式：

其中B是磁感应强度，S是矩形的面积，U是接收线圈的感应电压。由公式可知，B 一定的情况下，一定时间内，电压电压与S成正比。S的变化，导致U的变化。

采集接收线圈的感应电压为高时，计数；通过记录一定时间的高电平个数，计算转速。

采集脉冲，通过计算采集到的脉冲时间长度，判断磁聚焦点所处在第几个矩形，根据矩形的空间所占角度，计算待测轴1的转动角度。

待测轴1的转动会产生形变角θ；轴输入端和轴输出端各一个接收线圈，两端的接收线圈参数一致；待测轴1静止时，两端采集到的信号重叠，当待测轴1转动时，轴输入端和轴输出端的信号产生相位差，通过计算轴输出端的信号延迟，计算待测轴1的形变角θ；根据下列公式计算扭矩：

上式中，θ为轴的扭转角；T为负载扭矩；L为扭杆有效长度；G为扭杆材料剪切模量；I_p为扭杆截面极惯性矩。

Claims

1.一种双磁聚焦转速、扭矩、角度传感器，其特征在于，包括待测轴(1)、激励线圈(2)、罩壳(3)、罩壳把手(4)、接收线圈A(5)、转子电路板(6)和接收线圈B(7)；所述激励线圈(2)采用矩形激励线圈，形状为弯曲成圆弧状矩形；所述激励线圈(2)印制在激励线圈柔性电路板上，每层激励线圈柔性电路板印制一个激励线圈(2)，若干层的激励线圈柔性电路板层层叠加，形成金字塔式排列的激励线圈(2)，所述若干的激励线圈柔性电路板固定于罩壳(3)内部，所述罩壳(3)上设置有罩壳把手(4)，所述罩壳把手(4)内设置有定子处理电路；所述罩壳(3)通过罩壳把手(4)固定内部激励线圈柔性电路板和定子处理电路，并分别设置贴于待测轴(1)的轴输入端和轴输出端上；所述接收线圈A(5)和接收线圈B(7)为若干个矩形围成一圈，矩形的面积由小到大排列，均印制在接收线圈柔性电路板上，所述转子电路板(6)上印制有转子信号处理电路；所述接收线圈A(5)、接收线圈B(7)分别设置在轴输入端和轴输出端，且在罩壳(3)下方；所述转子电路板(6)设置在待测轴(1)上，并且转子电路板(6)的两端分别贴近接收线圈A(5)和接收线圈B(7)，在罩壳(3)下方；所述接收线圈A(5)和接收线圈B(7)能够随轴输入端转动。

2.根据权利要求1所述一种双磁聚焦转速、扭矩、角度传感器，其特征在于，所述定子处理电路包括定子电源模块、定子无线接收模块和定子芯片模块。

3.根据权利要求1所述一种双磁聚焦转速、扭矩、角度传感器，其特征在于，所述转子信号处理电路包括转子电源模块、转子无线发送模块和转子芯片模块。

4.根据权利要求1所述一种双磁聚焦转速、扭矩、角度传感器，其特征在于，所述罩壳把手(4)上设置有开孔，用于引出导线。