CN212303338U - 三轴感应线圈装置及其支架 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于空间磁场方向测量的三轴感应线圈装置及其支架设计。所述三轴感应线圈装置包括支架和多个饼状无磁芯线圈。所述支架包括：壳体，呈六面体形，包括两两对称的多个侧面，所述每个侧面均包括线圈安装孔与线圈走线孔，所述壳体还包括多个固定孔与固定槽；紧固螺钉，穿过所述壳体的固定孔，用以安装三轴感应线圈装置。紧固螺母，位于所述壳体的固定槽内，用于连接所述螺钉。本申请提供的三轴感应线圈装置，通过使用无磁芯线圈，提高了装置的线性度；通过增大线圈的匝数和直径，弥补了无磁芯线圈带来的灵敏度损失；通过将六组线圈对称地安装于所述支架上，有效地解决了三轴感应线圈装置的串扰问题，并降低了轴与轴之间的正交误差。

Description

三轴感应线圈装置及其支架

技术领域

本发明主要涉及空间磁场方向测量领域，尤其涉及一种对称的无磁芯三轴感应线圈装置及其支架设计。

背景技术

感应线圈是一种被广泛应用的磁场传感器，基于法拉第定律，可以有效地检测通过线圈的磁场。相较于其他磁场传感器，感应线圈有着较大的磁场强度测量范围。此外，由于感应线圈生产工艺简单，成本低廉，因此在诸多领域有着广泛的应用。

其中，三轴感应线圈可测量三维空间中的磁场，其在地球物理研究、室内定位、太空磁场测量、以及水下机器人入坞对接等领域均有广阔的应用前景。

现有的三轴感应线圈装置大多将三枚棒状线圈两两垂直地固定在支架上。但是此种结构不够紧凑，空间利用率低，如图1的最左图所示。因此为了提高空间利用率，一些设计调整了每个线圈的长度/直径比，使之可以更紧凑地安装于壳体内。图1的右两图为传统的三轴感应线圈放入壳体中的示意图(其中，X为磁通集中器，即线圈的磁芯，Y为线圈绕组)。

但是研究发现，采用三枚棒状线圈的三轴感应线圈装置由于无法将三枚线圈对称布置，线圈间将不可避免地出现串扰问题。不过，有文献指出，若将多枚线圈(如六枚)对称布置，如图2左中两图所示，可有效解决三轴感应线圈装置的串扰问题。如图2最右图所示，少数现有的三轴感应线圈装置使用了对称的多线圈设计。

而在现有的对称多线圈设计中，往往单个线圈尺寸较小，需使用磁芯以提高线圈灵敏度，如图2最右图所示。而有文献指出，即使使用性能优良的磁芯材料，也无法避免由磁芯造成的非线性问题，且非线性度取决于线圈工作的温度、频率、以及磁通密度等因素。非线性问题影响了通过线圈的磁场强度测量，进而影响了三轴感应线圈装置的测量精度。

综上，现有三轴感应线圈装置难以以较低的成本同时满足结构紧凑、无串扰、高线性度等要求。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种用于感应线圈的支架，并在此支架上安装有高匝数大直径的饼状线圈以构成三轴感应线圈装置。

本申请涉及的用于感应线圈的支架，包括，壳体，呈六面体形，包括两两对称的多个侧面，所述多个侧面中的每个侧面均包括线圈安装孔，所述壳体还包括多个固定孔和/或多个固定槽，所述固定孔和所述固定槽相连通，且所述固定孔的轴线方向和相应的所述固定槽的开口方向垂直；

紧固装置，包括紧固螺钉和/或紧固螺母，所述固定孔的侧面或固定槽内具有待连接基体，且所述待连接基体具有安装孔，所述紧固螺钉依次穿过所述待连接基体和所述壳体与位于所述固定槽内的紧固螺母固定连接，或所述安装孔为螺纹孔，所述紧固螺钉穿过所述壳体与位于所述固定槽内的所述待连接基体通过螺纹固定连接。

根据本申请的一个实施方式，所述壳体为正方体。

根据本申请的一个实施方式，所述线圈安装孔位于每一个侧面的中心。

根据本申请的一个实施方式，所述线圈安装孔内部具有沿周向凸起的凸台，所述凸台用于支撑所述线圈。

根据本申请的一个实施方式，包括不导磁材料。

根据本申请的一个实施方式，所述壳体由3D打印机一体成型。

本申请还涉及一种三轴感应线圈装置，包括如上所述的支架，所述感应线圈安装于所述线圈安装孔中，所述感应线圈的一面抵靠所述凸台，使所述感应线圈固定在所述支架上。

根据本申请的一个实施方式，所述感应线圈的直径大于或等于所述壳体边长的75％。

根据本申请的一个实施方式，所述感应线圈的匝数大于或等于1000。

根据本申请的一个实施方式，所述无磁芯感应线圈嵌入安装于所述线圈安装孔，所述感应线圈的表面凹于所述壳体的表面。

本申请提供的支架可以紧凑地安装6个大直径饼状线圈，充分利用空间。而线圈安装孔的设计可有效定位线圈的安装位置，保证各线圈之间的对齐与正交。并且本申请提供的支架采用不导磁的树脂或尼龙材料利用3D打印技术一体成型制成，精度高，强度好，也避免了金属零件对磁场存在的潜在干扰。

本申请提供的感应线圈装置，将各个线圈固定在支架上后，可以有效保证各个线圈的对称放置，有效解决了三轴感应线圈的串扰问题。通过使用无磁芯线圈，满足了磁场方向测量应用中的高线性度要求。通过增大线圈的匝数和直径，可以弥补无磁芯带来的线圈灵敏度损失，保证了装置的灵敏度。并且当线圈嵌入线圈安装孔后，线圈的表面略凹于所述壳体的表面，可保证线圈不易受到意外伤害。

附图说明

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1及图2最左图是传统的采用非对称且有磁芯设计的三轴感应线圈的示意图。

图2右两图是传统的采用对称且有磁芯设计的三轴感应线圈的示意图。

图3是本申请第一实施例的支架的示意图。

图4是本申请第一实施例的三轴感应线圈装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

图3是本申请第一实施例的支架的示意图。图4是本申请第一实施例的三轴感应线圈装置的示意图。

如图4所示，本实施例中提供的三轴感应线圈装置包括支架A1和感应线圈A2。通过将感应线圈A2嵌入固定在支架A1中形成。下面将首先介绍支架A1。

如图3所示，支架A1包括壳体1和紧固螺钉2。

如图3所示，壳体1为六面体形状，包括两两对称的多个侧面11，且每个侧面11上均包括线圈安装孔111。在壳体1上也存在多个固定孔112与固定槽113。

在本实施例中，壳体1的形状为正方体。因此壳体1包括6个面积相同的侧面11。每一个侧面11上，均包括一个线圈安装孔111。为了保证无磁芯的感应线圈的对称安装，所述线圈安装孔的圆心位于每一个侧面的中心处。此时即可保证每一个线圈孔111均和相对面的线圈孔111相对于壳体的中轴线对称。

如图3所示，线圈孔111的内部具有沿周向凸起的凸台1111。即线圈孔111是由两个直径不同的通孔拼接而成。靠近正方体体心的孔的尺寸较小，靠近侧面的孔的尺寸较大。这样在两个孔拼接的地方，将形成凸台1111。该凸台可用于支撑感应线圈A2。

支架A1需固定连接在待连接的基体上。若基体上具有可嵌入固定槽113中的相应结构，且该相应结构上具有螺纹，则固定螺钉2穿过固定孔112，与固定槽113内的基体固定连接。若基体上仅有与固定孔112相对应的安装孔时，则固定螺钉2穿过基体上的安装孔和壳体上的固定孔112，与固定槽113内的紧固螺母固定连接。

在本实施例中，每一个固定孔112位于侧面11的四个角处，而固定槽113位于固定孔112所处的侧面相邻的棱上。固定孔112和固定槽113相连通，且固定孔112的轴线方向与相应的固定槽113的开口方向垂直。

本实施例中的固定孔112一共为8个，分别位于相对的两个侧面的四个角上。此设置可以稳定地将支架A1固定在基体上。

实际上，将支架A1固定在基体的方法有多种，如粘接，卡接等等，且固定孔112和固定槽113的位置也不作限定。可根据支架的具体结构和待连接基体的结构而定。对此不作为对本实施例的限制。

在本实施例中，壳体1的形状为正方形，这是为了保证其上面的线圈孔便于相互对称，且节省空间而设置。若根据实际使用情况的变化，壳体1的形状不局限于正方体，如长方体也可达到相同效果。对此不作为对本实施例的限制。

本实施例中的支架A1中用的所有材料，即壳体1，紧固螺钉2，与紧固螺母的材料均为不导磁的材料，如树脂或尼龙材料。该支架A1结构较复杂，可采用3D打印形式一体成型制成。3D打印制成的支架A1可保证良好的精度、强度，也避免了金属零件对磁场存在的潜在干扰。

将感应线圈A2安装在线圈孔111之后，即可组成三轴感应线圈装置。下面将着重介绍本申请中涉及的三轴感应线圈装置。

本申请中选择的感应线圈A2的匝数为4800，直径为正方形壳体边长77％的高匝数大直径的无磁芯饼状线圈。根据研究发现，无磁芯线圈的灵敏度与其直径的三次方成正比，与其厚度成正比。无磁芯线圈的信噪比与其直径的二次方成正比，与其厚度的平方根成正比。由于线圈的直径对灵敏度和信噪比的影响相较于线圈的厚度大，因此为了在有限的体积内获得尽量大的灵敏度和信噪比，也为了弥补因不使用磁芯给单个线圈带来的灵敏度损失，选择使用了大直径高匝数的饼状线圈。实际上，对于无磁芯线圈而言，匝数大于或等于1000，线圈的直径大于或等于正方体壳边长的75％即可达到效果。当然匝数和直径越大，效果越显著。

为了方便无磁芯线圈的安装拆卸与走线，本实施例中的壳体1的侧面11上还包括拆装走线孔114。该拆装走线孔114穿过侧面11，线圈安装孔111与凸台1111。

安装时，需将线圈A2安装于线圈安装孔111中，使线圈A2的一面抵在凸台1111上。由于线圈直径接近于线圈安装孔的直径，拆装走线孔114可方便线圈的安装、拆卸、与走线。线圈A2的走线根据实际使用情况也可不经由拆装走线孔114，对此不作为对本实施例的限制。

需注意的是，在线圈A2安装完成后，线圈A2的高度需低于周围侧面11的高度。此时可以保证若发生撞击等意外情况时，首先受影响的为壳体，尽可能大地保护线圈。

本申请中的三轴感应线圈装置，由于支架A1中的线圈孔111的对称设计，可以简便有效地将线圈A2精准地对称放置，解决了传统三轴感应线圈的串扰问题，并降低了轴与轴之间的正交误差。并且，线圈A2安装后的高度低于壳体的侧面11的高度，使得线圈A2嵌入到线圈孔111中，使线圈A2得到更好的保护，不易被损伤。

本申请中除必要的线圈A2和连接线圈使用的导线外，均不具有导磁性，减少了金属部件带来的潜在干扰。且非金属材料的使用减少了整个装置的重量，有助于对重量敏感的应用。

本申请中的三轴感应线圈装置中通过采用无磁芯线圈，提高了装置的线性度。通过增大线圈的匝数和直径，弥补了无磁芯线圈带来的灵敏度损失。此外，无磁芯线圈的使用也避免了对磁芯非线性的补偿工作，节省了开发时间，降低了材料成本。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于感应线圈的支架，其特征在于，包括：

壳体，呈六面体形，包括两两对称的多个侧面，所述多个侧面中的每个侧面均包括线圈安装孔，所述壳体还包括多个固定孔和多个固定槽，所述固定孔和所述固定槽相连通，且所述固定孔的轴线方向和相应的所述固定槽的开口方向垂直；

紧固装置，包括紧固螺钉和/或紧固螺母，所述固定孔的侧面或固定槽内具有待连接基体，且所述待连接基体具有安装孔，所述紧固螺钉依次穿过所述待连接基体和所述壳体与位于所述固定槽内的紧固螺母固定连接，或所述安装孔为螺纹孔，所述紧固螺钉穿过所述壳体与位于所述固定槽内的所述待连接基体通过螺纹固定连接。

2.如权利要求1所述的支架，其特征在于，所述壳体为正方体。

3.如权利要求1所述的支架，其特征在于，所述线圈安装孔位于每一个侧面的中心。

4.如权利要求1所述的支架，其特征在于，所述线圈安装孔内部具有沿周向凸起的凸台，所述凸台用于固定支撑所述线圈。

5.如权利要求1所述的支架，其特征在于，包括不导磁材料。

6.如权利要求1所述的支架，其特征在于，所述壳体由3D打印机一体成型。

7.一种三轴感应线圈装置，包括如权利要求1-3、5-6中任一项所述的支架，其特征在于，所述感应线圈安装于所述线圈安装孔中，所述线圈安装孔内部具有沿周向凸起的凸台，所述感应线圈的一面抵靠所述凸台，使所述感应线圈固定在所述支架上。

8.如权利要求7所述的三轴感应线圈装置，其特征在于，所述感应线圈无磁芯。

9.如权利要求7所述的三轴感应线圈装置，其特征在于，所述感应线圈的直径大于或等于所述壳体边长的75％，所述感应线圈的匝数大于或等于1000。

10.如权利要求7所述的三轴感应线圈装置，其特征在于，所述感应线圈嵌入安装于所述线圈安装孔，所述感应线圈的表面凹于所述壳体的表面。

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