WO2014108075A1

WO2014108075A1 - 一种角度磁编码器和电子水表

Info

Publication number: WO2014108075A1
Application number: PCT/CN2014/070360
Authority: WO
Inventors: 迪克·詹姆斯·G; 周志敏
Original assignee: 江苏多维科技有限公司
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2014-07-17
Also published as: US9638561B2; EP2944917A1; CN103913183A; JP6412014B2; JP2016503173A; EP2944917A4; US20150355010A1

Abstract

一种角度磁编码器，包括数字转轮（2001），与数字转轮同轴安装的永磁体（100，300），隧道磁阻角位移传感器（500），以及数字处理电路。在该编码器中，隧道磁阻角位移传感器位于永磁体（100，300）的检测面（120，320）内距离永磁体（100，300）柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定半径范围的区域内，永磁体（100，300）产生的磁场在检测面（120，320）内的分量的旋转磁场相位角（Φ）与永磁体旋转相位角（α）呈线性变化关系。还公开了一种电子水表，包括多个计数单元和数字处理电路，计数单元进一步包括数字计数转轮（2001）、永磁体（100，300）和隧道磁阻角位移传感器（500），数字处理电路与每一隧道磁阻角位移传感器连接，将隧道磁阻角位移传感器的输出转换为数字读数。该角度磁编码器和电子水表具有体积小、测量精度高的优点。

Description

一种角度磁编码器和电子水表

技术领域

本发明涉及的是一种测量技术领域的永磁体，具体是涉及一种适用于角度磁编码器的永磁体，包含该永磁体的角度磁编码器和电子水表。

背景技术

随着传感器技术的迅猛发展，传统的机械水表逐渐向新颖的电子水表过渡。在各种传感器技术中，光电编码技术可以实现数字计数转轮代码的直接读取计量，而且不需要累积，从而得到广泛应用。但该技术普遍存在进位误码现象，而且对气泡、强光、污垢、渗漏等因素的抗干扰能力差。与光电编码技术相比，角度磁编码技术分辨率更高，无进位误码现象，稳定性好，而且可以完全根除光电技术引起的各种不良故障，成为一种可替代光电编码的编码技术。角度磁编码技术通过对数字计数转轮进行编码来得到计量读数，其原理是利用磁阻传感器如隧道磁阻角位移传感器来感应安装在数字计数转轮上的环形永磁体的旋转磁场相位角来测量转轮的转角和位置，并采用电子技术转变成相应数字读数。

角度磁编码技术的测量精度取决于磁敏角位移传感器和永磁体两个组成部分的性能特征。与霍尔传感器相比，磁阻传感器如隧道磁阻传感器具有更高的磁场灵敏度，其功耗和尺寸也可大大降低。隧道磁阻角位移传感器包含两个相互正交的隧道磁阻传感器。隧道磁阻角位移传感器工作时形成的两个正弦和余弦输出与永磁体检测磁场分量即永磁体产生的磁场在检测面内的分量及隧道磁阻角位移传感器敏感轴之间形成的旋转磁场相位角 φ ，本文中也称为探测磁场相位角，关系如下：

OUT1=COS （ φ ）

OUT2=SIN （ φ ）

利用反正切函数，就能根据隧道磁阻角位移传感器的输出 OUT1 和 OUT2 计算出旋转磁场相位角 φ 角度：

φ =ATAN （ OUT2/OUT1 ）。

永磁体在旋转过程中其旋转相位角 α ，定义为永磁体在旋转过程中依次经过隧道磁阻角位移传感器的位置矢量点 r 的相位角，永磁体的检测磁场分量使隧道磁阻角位移传感器产生感应。当永磁体旋转相位角 α 和旋转磁场相位角 f 之间形成线性关系，满足在 0~360 °范围内一一对应时，就可以将隧道磁阻角位移传感器所探测的旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 位置关系对应起来。例如为了能使 0-9 这 10 个代表数字在转轮的某一直径的圆周上以等间距角度增量间隔开，事先将 α 的范围划分成 10 个区间，每一区间用一个预期的数字表示。通过将永磁体角度进行编码，进而通过电子技术转化，可以实现水表读数的直接输出。

因此，隧道磁阻角度磁编码器技术在应用于电子水表时对于永磁体的设计性能将具有特殊要求，而现有的角度磁编码器采用的永磁体具有如下缺点：

（ 1 ）现有的角度磁编码器大都采用霍尔传感器作为角度传感器，其对应的检测磁场分量为永磁体产生的磁场垂直于检测面的分量，而隧道磁阻角位移传感器对应的检测磁场分量为磁场在检测面内的分量，因此现有角度磁编码器的永磁体不能满足于隧道磁阻角位移传感器磁场测量的要求。

（ 2 ）现有的角度磁编码器永磁体一般采用的是实心圆柱设计，而电子水表为尽量减少安装空间，要求永磁体为圆环形以便直接安装在转轮上。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺点，提供一种适用于角度磁编码器的永磁体，使之能够安装在电子水表转轮上，节省安装空间，并能够满足隧道磁阻角位移传感器与检测面内磁场分量之间的旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 之间线性关系的要求，从而提高角度磁编码器的测量精度。

根据本发明的一个方面，提供一种角度磁编码器，该角度磁编码器包括：

数字转轮；

与所述数字转轮同轴安装的永磁体，

隧道磁阻角位移传感器，位于所述永磁体检测面上用于感测所述永磁体产生的磁场在该检测面内的分量并输出感测信号，以及

数字处理电路，用于根据来自所述隧道磁阻角位移传感器的感测信号计算并输出表征所述数字转轮旋转角度的代码，

该永磁体具有柱状圆环结构，并包含第一永磁单元和第二永磁单元，所述第一永磁单元和第二永磁单元相对于直径截面何对称，所述直径截面为永磁体的外直径与轴向长度所构成的截面，

所述第一永磁单元的磁化强度和第二永磁单元的磁化强度平行于柱状圆环的轴向，且方向相反，或

所述第一永磁单元的磁化强度和第二永磁单元的磁化强度垂直于所述直径截面，且方向平行一致，

所述隧道磁阻角位移传感器位于所述永磁体的检测面内距离永磁体柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，所述特定半径范围的区域大小和柱状圆环结构的永磁体的半径大小有关，在该特定半径范围的区域内，所述永磁体产生的磁场在检测面内的分量的旋转磁场相位角与永磁体旋转相位角呈线性变化关系。

优选地，所述隧道磁阻角位移传感器包括两个彼此正交设置的单轴旋转传感器或惠斯通桥相对彼此 90 度旋转的双轴旋转传感器。

优选地，所述永磁体所对应的检测面位于柱状圆环端面前方且平行于端面。

优选地，所述隧道磁阻角位移传感器所在检测面与所述永磁体的柱状圆环端面之间的距离为 1-5 mm 。

优选地，所述第一永磁单元的磁化强度和第二永磁单元的磁化强度大小相同。

优选地，所述柱状圆环结构的永磁体的外径为 3-200mm ，内径为 1-100 mm ，轴向长度为 1-50 mm 。

根据本发明的另一方面，提供一种电子水表，包括多个计数单元和数字处理电路，

所述每个计数单元包括：

与转动轴连接的数字计数转轮，

与所述数字计数转轮同轴安装的永磁体，和

隧道磁阻角位移传感器，位于所述永磁体检测面上用于感测所述永磁体产生的磁场在该检测面内的分量并输出感测信号，

相邻计数单元中的数字计数转轮旋转圈数是 N:1 ， N 是大于 1 的整数，

所述数字处理电路与每一隧道磁阻角位移传感器连接，将所述隧道磁阻角位移传感器的输出转换为数字读数，

该永磁体具有柱状圆环结构，并包含第一永磁单元和第二永磁单元，所述第一永磁单元和第二永磁单元相对于直径截面几何对称，所述直径截面为永磁体的外直径与轴向长度所构成的截面，

优选地，该电子水表进一步包括与所述数字处理电路连接的抄表接口。

优选地，所述永磁体所对应的检测面位于柱状圆环端面前方且平行于端面，与所述永磁体的柱状圆环端面之间的距离为 1-5 mm 。

优选地，所述柱状圆环结构的永磁体的外径为 3-20 mm ，内径为 1-15 mm ，轴向长度为 1-10 mm 。

优选地，该电子水表包括 2-10 个计数单元。

优选地，相邻计数单元中的数字计数转轮旋转圈数比是 10:1 。

本发明具有如下有益效果：

1 ）本发明采用的柱状圆环永磁体，结构简单，能够直接镶嵌在水表数字转轮内，减小对安装空间的要求。

2 ）本发明采用的柱状圆环永磁体，包含两个简单永磁单元，其磁化组态简单，易于实现。

3 ）本发明采用的柱状圆环永磁体，在检测面内存在检测磁场分量旋转相位角和永磁体旋转相位角之间具有线性关系的特定检测区域，满足隧道磁阻角位移传感器的测量要求。

4 ）本发明采用的柱状圆环永磁体，检测面与端面距离，检测面内的特定检测区域与轴心的距离都可以在较大范围内变化，使得隧道磁阻角位移传感器的安装空间较为灵活。

5 ）根据本发明的磁编码器和电子水表具有小的体积和高的测量精度。

附图说明

图 1 为根据本发明实施例 1 的永磁体的顶视图。

图 2 为图 1 所示永磁体的前视图。

图 3 为根据本发明实施例 2 的永磁体的顶视图。

图 4 为图 3 所示永磁体的前视图。

图 5 为根据本发明的永磁体相对于隧道磁阻角位移传感器的安装位置顶视图。

图 6 为根据本发明的永磁体相对于隧道磁阻角位移传感器的安装位置侧视图。

图 7 为实施例 1 的永磁体在检测面内的三维磁场矢量分布图。

图 8 为实施例 1 的永磁体检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 的典型线性关系图。

图 9 为实施例 1 的永磁体检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 的非线性关系曲线图。

图 10 为实施例 1 的永磁体检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 的介于线性和非线性之间的关系图。

图 11 为实施例 1 的永磁体检测面内检测磁场分量磁场幅度 Bx-y 和永磁体旋转相位角度 α 关系图。

图 12 为实施例 1 的永磁体检测面内，检测磁场分量的旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 关系的直线拟合参数 R² 与隧道磁阻角位移传感器距离轴心相对位置 r/Ro 关系图。

图 13 为实施例 1 的永磁体检测面内，检测磁场分量的正则磁场幅度与隧道磁阻角位移传感器距离轴心相对位置 r/Ro 关系图。

图 14 为实施例 2 的永磁体在检测面内的三维磁场矢量分布图。

图 15 为实施例 2 的永磁体检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 的典型线性关系图。

图 16 为实施例 2 的永磁体检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 的非线性关系图。

图 17 为实施例 2 的永磁体检测面内旋转磁场分量的旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 的介于线性和非线性之间的关系图。

图 18 为实施例 2 的永磁体检测面内检测磁场分量的磁场幅度 Bx-y 与永磁体旋转相位角度 α 关系图。

图 19 为实施例 2 的永磁体检测面内，检测磁场分量的旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 的直线拟合参数 R² 与隧道磁阻角位移传感器距离轴心相对位置 r/Ro 的关系图。

图 20 为实施例 2 的永磁体检测面内，检测磁场分量的正则磁场幅度与隧道磁阻角位移传感器距离轴心相对位置 r/Ro 关系图。

图 21 为电子水表结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图并结合具体实施例对本发明进行详细的说明。

实施例 1

图 1 和图 2 示意性示出根据本发明实施例 1 的永磁体 100 的示意图。永磁体 100 为柱状圆环几何结构，包含永磁单元 101 和永磁单元 102 ，永磁单元 101 和永磁单元 102 以直径截面 110 几何对称。永磁单元 101 的磁化强度 103 和永磁单元 102 的磁化强度 104 沿轴心方向反平行。优选的，所述永磁体 101 的磁化强度 103 和永磁单元 102 的磁化强度 104 大小相同。

本领域技术人员可以根据需要设计永磁体 100 的尺寸。优选的，永磁体 100 的柱状圆环的内径为 1-100mm ，柱状圆环的外径为 3-200 mm ，柱状圆环的轴向长度为 1-50 mm 。

永磁体 100 对应的检测面 120 位于柱状圆环端面前方且平行于端面。优选的，该检测面 120 与柱状圆环端面之间的距离为 1-5 mm 。本文中，永磁体 100 所对应的检测磁场分量 121 为永磁体产生的磁场在检测面 120 内的分量。本文中，检测面 120 内所对应的特定检测区域 122 位于距离柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定检测区域内，检测磁场分量 121 的旋转相位角和永磁体 100 旋转相位角具有线性变化特征，这将在下文具体描述。

优选的，永磁体 100 的组成材料为 Alnico 。可替换地，永磁体 100 的组成材料为铁氧体陶瓷材料 MO·6Fe₂O₃ ， M 为 Ba ， Sr 或者两者的组合。可替换地，永磁体 100 的组成材料为 RECo₅ ， RE=Sm 和 / 或 Pr ； RE₂TM₁₇ ， RE=Sm ， TM=Fe ， Cu ， Co ， Zr 和 / 或 Hf 以及 RE₂TM₁₄B ， RE=Nd ， Pr 和 / 或 Dy ， TM=Fe 和 / 或 Co 。可替换地，所述永磁体 100 的组成材料为 FeCrCo 合金或 NbFeB 合金。优选的，所述永磁体 100 为上述永磁体材料的粉末和塑料、橡胶或树脂等形成的复合体。

实施例 2

图 3 和图 4 示意性示出根据本发明实施例 2 的永磁体 300 的示意图。永磁体 300 为柱状圆环几何结构，包含永磁单元 301 和永磁单元 302 ，永磁单元 301 和永磁单元 302 以直径截面 310 几何对称。永磁单元 301 的磁化强度 303 和永磁单元 302 的磁化强度 304 沿垂直于直径截面方向平行一致。优选的，所述永磁单元 301 的磁化强度 303 和永磁单元 302 的磁化强度 304 大小相同。

本领域技术人员可以根据需要设计永磁体 300 的尺寸。优选的，永磁体 300 的柱状圆环的内径为 1-100mm ，柱状圆环的外径为 3-200 mm ，柱状圆环的轴向长度为 1-50 mm 。

永磁体 300 对应的检测面 320 位于柱状圆环端面前方且平行于端面。优选的，该检测面 320 与柱状圆环端面之间的距离为 1-5 mm 。本文中，永磁体 300 所对应的检测磁场分量 321 为永磁体产生的磁场在检测面 320 内的分量。本文中，检测面 320 内所对应的特定检测区域 322 位于距离柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定检测区域内，检测磁场分量 321 的旋转相位角和永磁体 300 旋转相位角具有线性变化特征，这将在下文具体描述。

优选的，永磁体 300 的组成材料为 Alnico 。可替换地，永磁体 300 的组成材料为铁氧体陶瓷材料 MO·6Fe₂O₃ ， M 为 Ba ， Sr 或者两者的组合。可替换地，永磁体 300 的组成材料为 RECo₅ ， RE=Sm ， Pr ，或 RE₂TM₁₇ ， RE=Sm ， TM=Fe ， Cu ， Co ， Zr ， Hf 以及 RE₂TM₁₄B ， RE=Nd ， Pr ， Dy ， TM=Fe ， Co 。可替换地，所述永磁体 300 的组成材料为 FeCrCo 合金或 NbFeB 合金。优选的，所述永磁体 300 为上述永磁体材料的粉末和塑料、橡胶或树脂等形成的复合体。

实施例 3

实施例 3 为根据本发明的一种角度磁编码器，包括可绕轴旋转的数字转轮，镶嵌在数字转轮中的永磁体，隧道磁阻角位移传感器和数字处理电路。永磁体为根据本发明的永磁体。隧道磁阻角位移传感器位于所述永磁体检测面上，用于感测所述永磁体产生的磁场在该检测面内的分量并输出感测信号。隧道磁阻角位移传感器被布置在永磁体的检测面内距离永磁体柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定半径范围的区域内，所述永磁体产生的磁场在检测面内的分量的旋转磁场相位角 φ 与永磁体旋转相位角 α 呈线性变化关系。数字处理电路用于根据来自所述隧道磁阻角位移传感器的感测信号计算并输出表征所述永磁体旋转角度的代码。

图 5 和图 6 分别为实施例 3 中永磁体 100 ， 300 和隧道磁阻角位移传感器 500 安装位置的顶视图和侧视图，检测面 120 ， 320 距离永磁体端面距离为 d 。以永磁体轴心为原点在检测面 120 ， 320 内建立 X-Y 坐标系统，如图 5 所示。假定永磁体 100 ， 300 的柱状圆环内半径为 Ri ，外半径为 Ro ，厚度为 t ，隧道磁阻角位移传感器 500 在检测面 120 ， 320 内的位置矢量为 r(x ， y) ，其相对于 X 轴的方位角为 α 。假定 r 处的检测磁场分量 Bx-y(Bx ， By) 方位角度为 β 。角度 α 和角度 β 的计算关系如下：

， (x>0) ，

， (x<0 ， y>0) ，

， (x<0 ， y<0) ，

， (Bx>0) ，

， (Bx<0 ， By>0) ，

， (Bx<0 ， By<0) ，

α 和 β 在 (-180⁰ ， 180⁰) 之间变化。

隧道磁阻角位移传感器 500 所测量的为检测磁场分量 Bx-y 与其敏感轴的夹角 φ = β -α 。

当角度磁编码器工作时，隧道磁阻角位移传感器 500 保持固定，而永磁体 100 ， 300 围绕轴心旋转，则检测平面内以原点为圆心， r 为半径的圆上各点依次经过隧道磁阻角位移传感器 500 ，并产生旋转磁场，其相位角度和幅度被隧道磁阻角位移传感器 500 所测量。这等效于永磁体 100 ， 300 保持固定，隧道磁阻角位移传感器 500 依次平移到圆周上不同位置点并测量检测磁场。则此时，永磁体旋转相位角为 α ，而旋转磁场相位角为 φ 。

图 7 为永磁体 100 在检测平面 120 上的三维磁场矢量图，通过对检测平面 120 内二维磁场分量 Bx-y 分布特征进行计算，可以得到 r 在 (0 ， Ro) 范围内变化时旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 的关系，其关系可以是线性关系，非线性关系或介于线性和非线性之间的关系特征。例如，图 8 所示曲线 18 为旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 之间可能出现的典型的线性关系，图 9 所示曲线 19 为旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 之间可能出现的典型非线性关系，图 10 所示曲线 20 为旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 之间可能出现的介于线性和非线性之间关系特征。图 11 为旋转磁场幅度 Bx-y 和旋转角度 α 关系图，曲线 21 。由曲线 21 看出，旋转磁场幅度是周期 W 形变化，其对应的最大值和最小值为 B_H ， B_L 。对于磁阻角度传感器而言，希望永磁体在旋转过程中磁场幅度的波动尽可能小，以保证传感器信号不受影响。

采用直线函数来拟合如图 8 ， 9 ， 10 所示的 φ 和 α 之间关系，并计算其线性拟合参数 R² ， R² 越接近 1 表示线性越好。

曲线 21 所示的磁场波动程度可以采用如下关系式进行表征：

normalized B 数值越小，表明磁场波动越小。

为了确定检测面 120 内旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 之间线性的区域以及非线性的区域的范围，对 r 在（ 0 ， Ro ）之间取不同值时的旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 关系曲线进行拟合，并计算得到磁场波动关系 normalized B 与永磁体旋转相位角 α 关系曲线。

图 12 为线性拟合参数 R² 与 r/Ro 的关系图。从曲线 22 可以看出，在区域 23 内，其值接近于 1 ，表明在此区域内旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 接近线性关系，因此区域 23 即为隧道磁阻角位移传感器在永磁体 100 的检测面 120 内所对应的特定检测区域，该区域适合于放置隧道磁阻角位移传感器 17 ，而在区域 24 范围内则不适合于隧道磁阻角位移传感器 17 的放置。

图 13 为检测面 120 内， normalized B 与隧道磁阻角位移传感器 500 相对位置 r/Ro 的关系曲线。从曲线 25 可以看出，在特定检测区域 23 内磁场变化幅度适合于隧道磁阻角位移传感器 17 的信号探测。

实施例 4

实施例 4 为根据本发明的另一种角度磁编码器，包括可绕轴旋转的如具体如实施例 2 所述结构的永磁体，隧道磁阻角位移传感器和数字处理电路。除永磁体外，实施例 4 与实施例 3 相同，这里不再赘述。

图 14 为永磁体 300 在检测面 320 内的三维磁场矢量图，通过对检测平面 310 内二维磁场分量 Bx-y 分布特征进行计算，得到如图 15 ， 16 ， 17 所示的检测面 320 内旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 之间线性关系曲线 26 ，非线性关系曲线 27 和介于线性非线性的关系曲线 28 。线性关系曲线 26 的存在表明永磁体 300 在其检测面上存在旋转磁场相位角 φ 和永磁体旋转相位角 α 之间呈线性关系的区域，该永磁体可以应用于角度磁编码器。

图 18 为旋转磁场幅度 Bx-y 与永磁体旋转相位角度 α 关系图，从曲线 29 可以看出，旋转磁场 Bx-y 随旋转相位角 α 为周期性 M 形波动关系。

同样，为了确定线性区域在检测面 320 内的范围，对不同相对位置 r/Ro 数值的 φ -α 关系曲线进行拟合，得到图 19 所示的线性拟合参数 R² 曲线，由曲线 30 可以看出，检测面 320 内的特定检测区域 31 为适合于隧道磁阻角位移传感器 500 的工作区域，而在区域 32 内则不适合于放置隧道磁阻角位移传感器 500 。进一步，由图 20 可以看出， Normalized B 随隧道磁阻角位移传感器 500 相对位置 r/Ro 关系曲线 33 在特定检测区域 31 内变化幅度相对于非工作区域 32 变化较小。

以上分析可以看出，对于永磁体 100 和永磁体 300 ，在检测平面 120 和 320 内，存在着特定检测区域 23 和 31 ，使得隧道磁阻角位移传感器 500 在该区域内旋转磁场相位角 φ 与永磁体旋转相位角 α 之间存在线性关系，并且其磁场波动幅度满足传感器的要求。这样，隧道磁阻角位移传感器所测量的旋转磁场角度可被转变化成永磁体旋转角度，并由数字处理电路计算并输出为表征所述永磁体旋转角度的代码，实现角度磁编码器的角度编码。根据本发明的角度磁编码器可应用于电子水表等领域。

实施例 5

图 21 所示为安装有永磁体 100 或 300 的角度磁编码单元的电子水表结构图。下面结合实施例 1 的永磁体和实施例 4 的角度磁编码单元描述根据本发明的电子水表。电子水表包括中心转轴，数字计数转轮和至少一个角度磁编码单元。当电子水表包括多个角度磁编码单元时，依次排列的角度磁编码单元的转轴间具有确定的转数关系。

该电子水表包括与数字计数转轮 2001 镶嵌在其中与数字计数转轮一同旋转的柱状圆环永磁体 100 。在数字计数转轮对面的电路板上安装有隧道磁阻角位移传感器 500 。中心转轴穿过数字计数转轮的中心。柱状圆环永磁体 100 与数字计数转轮 2001 连同位于永磁体检测面上的隧道磁阻角位移传感器 500 ，形成一个磁编码单元。优选地，电子水表可包含有 2 到 10 个这样的编码单元。相邻编码单元中数字计数转轮的旋转圈数成 N:1 的关系， N 是大于 1 的整数。数字处理电路与每一隧道磁阻角位移传感器连接，将所述隧道磁阻角位移传感器的输出转换为数字读数。优选地，相邻编码单元中数字计数转轮的旋转圈数成 10:1 的关系，即若左边第 1 个编码单元旋转 10^M 圈的话， M 为大于 1 的整数，就会使相邻右边的计数单元旋转 10^{M
-1} 圈，以此类推。每一隧道磁阻角位移传感器的输出端与电路板上的数字处理电路连接，数字处理电路的输出端与抄表接口连接。隧道磁阻角位移传感器由两个磁隧道结电桥传感器组成。这两个磁隧道结电桥传感器的钉扎层的磁化方向相互垂直，这样就能产生彼此有 90 度相位差的输出，通过所产生的正余弦输出就能计算出施加到隧道磁阻角位移传感器上的磁场方向即旋转磁场相位角 φ 。这两种输出函数可能是由两个彼此正交的单轴旋转传感器提供，或者是一个双轴旋转传感器提供。这些旋转传感器的代表型号有由江苏多维科技有限公司生产的 MMA153F 和 MMA253F ，但不限于上面所说的两个型号。

如实施例 1 所述，永磁体 100 为柱状圆环结构，包含永磁单元 101 和永磁单元 102 ，且相对于直径截面 110 几何对称，永磁单元 101 和永磁单元 102 的对应磁化强度 103 和 104 沿轴线方向反平行，且大小相同。

在每个角度磁编码单元中，永磁体 100 外径为 3-20 mm ，内径为 1 -15 mm ，轴向长度为 1.5-10 mm ，永磁体 100 镶嵌在数字转轮 2001 中，数字转轮围绕中心轴 2003 转动，隧道磁阻角位移传感器 500 安装在距离永磁体 100 端面 1-5 mm 的检测面 120 内的距离轴心 r/Ro 特定检测区域 23 内，在该特定检测区域内，检测磁场分量的旋转磁场相位角 φ 与永磁体旋转相位角 α 呈线性关系。检测磁场分量 121 为磁场在检测面 120 内的分量。隧道磁阻角位移传感器 500 位于电路板 2002 上，其两端信号通过电路板 2002 输出。数字转轮 2001 安装在中心轴 2003 上，和电路板 2002 一起固定在水表机架 2004 上。由于检测磁场分量 121 的旋转磁场相位角 φ 和永磁体相位角 α 之间的线性关系，因此，能够将根据隧道磁阻角位移传感器 500 测量得到的旋转磁场相位角 φ 和永磁体相位角 α 一一对应起来。隧道磁阻角位移传感器所测量的旋转磁场角度可被转变化成数字计数转轮的旋转角度，并由数字处理电路计算并输出为表征所述计数数字转轮旋转角度的代码。

数字水表转轴上不同的数字转轮用于读出不同的位数，相邻数字转轮之间为 N:1 的转数关系。优选地， N 为 10 。各数字转轮的角位移即为永磁体旋转相位角 α ，可通过各隧道磁阻角位移传感器 500 对固定在数字转轮中的永磁体 100 的旋转磁场的测量计算得到。通过将转轮的角度在 0~360 °内分成十个等分，并分别用十个数字进行表征，就可以建立转轮的角位移和数字之间的关系，并通过电路板 2002 上的数字处理电路处理显示成数字代码形式。通过对不同的数字转轮所对应的数字的读取，即可获得电子水表读数显示。

安装有永磁体 300 的电子水表的工作原理类似于采用永磁体 100 的电子水表。永磁体 300 为柱状圆环结构，包含永磁单元 301 和永磁单元 302 ，且相对于直径截面 310 几何对称。永磁单元 301 和永磁单元 302 磁化强度大小相同，方向沿垂直于直径截面 310 方向平行。永磁体 300 外径例如为 5-20 mm ，内径为 1-5 mm ，轴向长度为 1-5 mm 。隧道磁阻角位移传感器 500 安装在距离永磁体 300 端面 1-5 mm 的检测面 320 内的距离轴心距离为 r/Ro 的特定检测区域 31 内，在该特定检测区域内，检测磁场分量的旋转磁场相位角 φ 与永磁体旋转相位 α 呈线性关系。检测磁场分量 321 为磁场在检测面 320 内的分量。其检测过程类似于采用永磁体 100 的电子水表，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1 ．一种角度磁编码器，该角度磁编码器包括：

数字转轮；

与所述数字转轮同轴固定安装的永磁体(100，300)，

其特征在于，

该永磁体(100，300)具有柱状圆环结构，并包含第一永磁单元(101，301)和第二永磁单元(102，302)，所述第一永磁单元(101，301)和第二永磁单元(102，302)相对于直径截面(110，310)几何对称，

所述第一永磁单元(101，301)的磁化强度(103，303)和第二永磁单元(102，302)的磁化强度(104，304)平行于柱状圆环的轴向，且方向相反，或

所述第一永磁单元(101，301)的磁化强度(103，303)和第二永磁单元(102，302)的磁化强度(104，304)垂直于所述直径截面(110，310)，且方向平行一致，

所述隧道磁阻角位移传感器位于所述永磁体的检测面内距离永磁体柱状圆环轴心一特定半径范围的区域内，在该特定半径范围的区域内，所述永磁体产生的磁场在检测面内的分量的旋转磁场相位角（ f ）与永磁体旋转相位角( a ) 呈线性变化关系。

2 ．根据权利要求1所述的角度磁编码器，其特征在于，所述隧道磁阻角位移传感器包括两个彼此正交设置的单轴旋转传感器或惠斯通桥相对彼此90度旋转的双轴旋转传感器。

3 ．根据权利要求1所述的角度磁编码器，其特征在于，所述永磁体(100，300)所对应的检测面(120，320)位于柱状圆环端面前方且平行于该端面。

4 ．根据权利要求1所述的角度磁编码器，其特征在于，所述隧道磁阻角位移传感器所在检测面与所述永磁体的柱状圆环端面之间的距离为1-5 mm。

5 ．根据权利要求1所述的角度磁编码器，其特征在于，所述第一永磁单元(101，301)的磁化强度(103，303)和第二永磁单元(102，302)的磁化强度(104，304)大小相同。

6 ．根据权利要求1所述的角度磁编码器，其特征在于，所述柱状圆环结构的永磁体(100，300)的外径为3-200mm，内径为1-100 mm，轴向长度为1-50 mm。

7 ．一种电子水表，包括多个计数单元和数字处理电路，

所述每个计数单元包括：

与转动轴连接的数字计数转轮，

与所述数字计数转轮同轴固定安装的永磁体，和

相邻计数单元中的数字计数转轮旋转圈数比是N:1，N是大于1的整数，

所述隧道磁阻角位移传感器位于所述永磁体的检测面内距离永磁体柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定半径范围的区域内，所述永磁体产生的磁场在检测面内的分量的旋转磁场相位角（φ）与永磁体旋转相位角(α)呈线性变化关系。

8 ．根据权利要求7所述的电子水表，其特征在于，所述隧道磁阻角位移传感器包括两个彼此正交设置的单轴旋转传感器或惠斯通桥相对彼此90度旋转的双轴旋转传感器。

9 ．根据权利要求7所述的电子水表，其特征在于，该电子水表进一步包括与所述数字处理电路连接的抄表接口。

10 ．根据权利要求7所述的电子水表，其特征在于，所述永磁体(100，300)所对应的检测面(120，320)位于柱状圆环端面前方且平行于端面，与所述永磁体的柱状圆环端面之间的距离为1-5 mm。

11 ．根据权利要求7所述的电子水表，其特征在于，所述第一永磁单元(101，301)的磁化强度(103，303)和第二永磁单元(102，302)的磁化强度(104，304)大小相同。

12 ．根据权利要求7所述的电子水表，其特征在于，所述柱状圆环结构的永磁体(100，300)的外径为3-20 mm，内径为1-15 mm，轴向长度为1-10 mm。

13 ．根据权利要求7所述的电子水表，其特征在于，该电子水表包括2-10个计数单元。

14 ．根据权利要求7所述的电子水表，其特征在于，相邻计数单元中的数字计数转轮旋转圈数比是10:1。