CN105180798B - 角度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种角度传感器，依次包括电路板、金属块和旋转轴，电路板上设有第一线圈，第一线圈与金属块相对设置，金属块靠近第一线圈的一侧表面相对于第一线圈的距离随旋转轴的旋转递增或递减，旋转轴的一端与金属块远离第一线圈的一侧固定连接。本发明利用金属块的厚度逐渐递增，来实现与电路板上的线圈的距离改变，产生不同强度的互感效应，电感式感测芯片检测出线圈的阻抗与电感变化，机械结构简单，检修非常方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种角度传感器。
背景技术
现有的角度传感器如接触式的电位器，通过检测连接在转轴上的电位器滑动引起的电路中电压变化，计算出转轴相应的运动情况。其原理简单，但电位器经长时间的滑动摩擦，电阻体被磨损后，精度会下降，甚至完全失效，从而会导致车辆失控。
此外还有一种情况就是磁位置传感器，利用永磁体的转动产生旋转磁场，然后通过磁位置传感芯片检测磁场的方向，从而检测出旋转角度。但是这样的结构也存在一个问题，磁位置传感芯片无法在强磁场中工作，特别是安装在电机附近，受到电机的强磁场干扰而无法正常工作。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种角度传感器来解决上述问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种角度传感器，依次包括电路板、金属块和旋转轴，所述的电路板上设有第一线圈，所述的第一线圈与金属块相对设置，所述的金属块靠近第一线圈的一侧表面相对于第一线圈的距离随旋转轴的旋转递增或递减，所述的旋转轴的一端与金属块远离第一线圈的一侧固定连接。
所述的金属块为弧形，金属块的圆心与旋转轴的轴心在同一轴线上，所述的金属块的厚度由一端向另一端渐增。
所述的电路板上还设有第一电感式感测芯片和控制芯片，所述的第一线圈与第一电感式感测芯片和控制芯片依次电连接。
实施方式1：所述的电路板上另设有第二线圈与第二电感式感测芯片，所述的第二线圈与第二电感式感测芯片也与控制芯片电连接。
实施方式2：所述的电路板设有温度传感器。
所述的旋转轴与金属块之间还设有底板，所述的电路板与底板之间还依次设有环形抵片和环形推力轴承，所述的环形抵片和环形推力轴承的内圆半径大于金属块的半径，所述的弧形金属块位于环形抵片和环形推力轴承的内圆内，所述的环形抵片是非金属环形抵片。
还包括有第一底座和第二底座，所述的第一底座上设有圆槽，所述的底板安装在圆槽内，所述的圆槽周向设有若干弹簧孔，所述的弹簧孔内设有第一弹簧，所述的第一弹簧上套有光滑塑料件，所述的光滑塑料件抵住底板的一侧，所述的圆槽内开有用于旋转轴***的第一通孔，所述的第二底座上也设有用于旋转轴***的第二通孔，所述的旋转轴通过卡簧固定在第二通孔内。
还包括有上盖，所述的上盖设置在电路板远离线圈的一侧，所述的上盖与第一底座配合连接。
所述的旋转轴远离金属块的一端固定有定位部，所述的定位部上设有螺丝通孔，所述的螺丝通孔内设有第二弹簧并用螺丝拧入。
所述的定位部远离旋转轴的一端具有限位块，所述的第二底座沿定位部转动的运动轨迹上设有挡块，所述的限位块有两个，两个限位块到定位部中心的连线形成的夹角略小于180°。
本发明本发明的有益效果是，本发明角度传感器，(1)利用金属块的厚度逐渐递增，来实现与电路板上的线圈的距离改变，产生不同强度的互感效应，电感式感测芯片检测出线圈的阻抗与电感变化，机械结构简单，检修非常方便，(2)采用先进电感式感测技术避免强磁场干扰；(3)通过温度补偿算法消除温度对测量结果的影响；(4)采用松动抖动检测算法提高传感器的稳定性与安全性；(5)无接触式传感测量提高传感器的耐用性；(6)多方式信号输出，与市场大部分角度传感器输出形式相符。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明角度传感器零部件分解图，
图2是本发明角度传感器旋转轴底部示意图，
图3是本发明角度传感器电路板的结构示意图，
图4是控制芯片的***电路以及引脚规划图，
图5是电感式感测芯片***电路图。
图中1、上盖，2、电路板，3、环形抵片，4、推力轴承，5、金属块，6、底板，7、塑料件，8、连接柱，9、第一弹簧，10、塑料环，11、皮圈，12、第一底座，13、旋转轴，14、第二底座，15、线圈，16、电感式感测芯片，17、控制芯片，18、温度传感器，19、外接接口，20、螺丝通孔，21、定位部，22、螺丝，23、第二弹簧，24、挡块，25、限位块。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明角度传感器，依次包括电路板2、金属块5和旋转轴13，电路板2上设有第一线圈15，第一线圈15与金属块5相对设置，金属块5靠近第一线圈15的一侧表面相对于第一线圈15的距离随旋转轴13的旋转递增或递减，旋转轴13的一端与金属块5远离第一线圈15的一侧固定连接。
金属块5为弧形，金属块5的圆心与旋转轴13的轴心在同一轴线上，金属块5的厚度由一端向另一端渐增。金属块5由铜制成。电路板2上还设有第一电感式感测芯片16和控制芯片17，第一线圈15与第一电感式感测芯片16和控制芯片17依次电连接。
旋转轴13与金属块5之间还设有底板6，电路板2与底板6之间还依次设有环形抵片3和环形推力轴承4，环形抵片3和环形推力轴承4的内圆半径大于金属块5的半径，弧形金属块5位于环形抵片3和环形推力轴承4的内圆内，环形抵片3是非金属环形抵片。
角度传感器还包括有第一底座12和第二底座14，第一底座12上设有圆槽，底板6安装在圆槽内，圆槽周向设有若干弹簧孔，弹簧孔内设有第一弹簧9，第一弹簧9上套有光滑塑料件7，光滑塑料件7抵住底板6的一侧，圆槽内开有用于旋转轴13***的第一通孔，第二底座14上也设有用于旋转轴13***的第二通孔，旋转轴13通过卡簧固定在第二通孔内。
旋转轴13远离金属块5的一端固定有定位部21，定位部21上设有螺丝通孔20，螺丝通孔20内设有第二弹簧23并用螺丝22拧入。定位部21远离旋转轴13的一端具有限位块25，第二底座14沿定位部21转动的运动轨迹上设有挡块24，限位块25有两个，两个限位块25到定位部21中心的连线形成的夹角略小于180°，且位于挡块24到定位部21中心的连线以及延长线的一侧。
电路板2上另设有第二线圈与第二电感式感测芯片，第二线圈与第二电感式感测芯片也与控制芯片17电连接。电路板2设有温度传感器18。角度传感器还包括有上盖1，上盖1设置在电路板2远离第一线圈15的一侧，上盖1与第一底座12配合连接。
工作原理：通过旋转方向盘，带动旋转轴13与金属块5一起旋转，金属块5表面与第一线圈15的距离随之发生变化，第一线圈15与金属块5的距离变化产生不同强度的互感效应，第一电感式感测芯片16检测出第一线圈15的阻抗与电感变化，控制芯片17通过协议读写第一电感式感测芯片16，测量出旋转轴13的角度并转化为不同形式的电信号输出。
具体的说，由于当旋转轴13不转变，即旋转角度不变时，金属块5与第一线圈15之间必须保持相对静止，不能有抖动的情况出现，否则会影响测量结果，底板6安装在第一底座12内的圆槽中，圆槽中周向设置有弹簧孔，弹簧孔内设有第一弹簧9，第一弹簧9上套有光滑的塑料件7，塑料件7与底板6相抵，产生垂直于底板6的弹力，这样金属块5与第一线圈15的距离就不会产生抖动。底板6的背面与旋转轴13端部通过连接柱8相连接，如图2所示，旋转轴13通过卡簧固定在第二底座14里，可以自由旋转；旋转轴13的底部有螺丝通孔20，螺丝通孔20内放入第二弹簧23并再用螺丝22拧入，调节螺丝22的松紧可调节旋转轴13的转动阻力的大小。由于底板6背面的弹簧弹力，使得底板6正面与环形抵片3紧贴在一起，为了减小底板6正面与环形抵片3的摩擦，底板6与环形抵片3之间设有推力轴承4，推力轴承4的轴心与金属块5的圆心在同一轴线上。由于电路板2与环形抵片3直接相接触，所以环形抵片3的材料为非金属材料。
金属块5背面通过连接柱8与旋转轴13端部相套接，这样旋转轴13的转动就可以带动金属块5的旋转，从而第一线圈15正对的金属块5的距离就会随着旋转轴13的转动而均匀增大或者减小，第一线圈15与金属块5的距离变化产生不同强度的互感效应，第一电感式感测芯片16检测出第一线圈15的阻抗与电感变化，控制芯片17通过协议读写第一电感式感测芯片16，测量出旋转轴13的角度并转化为不同形式的电信号从外接接口19输出。
传感器上盖1也通过螺丝固定在第一底座12上，第一底座12固定在第二底座14上。
如图3所示，为了解决温度对测量结果的影响，有两种实施方式。
实施方式1：在电路板2上另设一块第二电感式感测芯片和第二线圈(图中未标出)，第二电感式感测芯片和第二线圈与第一电感式感测芯片16和第一线圈15轴对称设置，且金属块5随旋转轴13转动时，相对与第二线圈无距离变化，第二电感式感测芯片由此而不受旋转轴13转动的影响，而只受到温度的影响，并且由于温度对测量结果的影响呈线性趋势，所以通过对两块芯片得出的数据做数值相比，从而可以消除温度的影响。
实施方式2：在电路板2上设置有温度传感器18，温度传感器18测量角度传感器内部的温度，控制芯片17读取该温度值，并根据温度和测量结果的线性关系得出温度补偿算法，通过该算法消除温度对测量值的影响。
该温度补偿算法为：
Pro_real＝Proximity-K_estimate*(temperature-T)
其中：
Proximity为控制芯片17读取到电感式感测芯片16的原始数据；
K_estimate为温度系数；
temperature为控制芯片17读取温度传感器18测量到角度传感器内部的温度；
T为设定的基准温度点。
Pro_real为经过温度补偿算法消除温度的影响后在基准温度点的值
电路板2上设有外部接口19，外部接口19设有DA互补模拟信号输出，PWM波输出，CAN总线接口，串口通讯接口和供电电压接口。控制芯片17将采集到的第一电感式感测芯片16数据和温度传感器18数据综合计算，得出稳定的角度值，再以PWM波、两路互补模拟信号、CAN总线信号的方式传送出去。
本发明核心部分为与第一电感式感测芯片16相连的第一线圈15与金属块5的互感效应，第一线圈15通电流之后会形成磁场，金属块5与第一线圈15相对应，金属块5表面就会受到第一线圈15的影响形成涡流效应，涡流效应同样会产生磁场，并反作用于第一线圈15，这种现象为互感效应，第一电感式感测芯片16检测到第一线圈15的阻抗和电感值。涡流效应与多因素有关，在其他因素不便情况下，只改变金属块5表面与第一线圈15的距离会影响第一线圈15阻抗和电感的大小。由于，电感随距离变化的效应与阻抗一致，且阻抗相对于电感要敏感于距离变化，所以本发明对阻抗随距离变化为例做说明。这里的距离的变化是有角度变化产生，不同的角度相对应与不用的距离，所以最终得到的是角度变化引起阻抗值变化。通过实验可以得出阻抗与角度的对应数据列表，再通过函数拟合可以得到角度与阻抗的函数关系式。然而从0°到180°对应的阻抗变化关系只用一个函数表示则需要用到3次以上的函数方程，而且次数越高，函数越拟合度越高，但是相应的参数就越多,3次以上方程加上参数都是double型的双精度浮点型数值，这样的计算量相对于单片机而言负担很大。所以可以通过分段函数来表示角度与阻抗或电感关系，保证高拟合度的同时降低参数的位数，减少单片机负担，加快其运算速度。
角度与阻抗的关系函数每隔10°一次分段。每段函数只有参数不同，其他一致。函数为：
angle＝(i-1)*10+(Pro_real-Rp_preference[i-1])/Rp_K_para[i-1]；
其中：
i为分段函数序列；
Pro_real为经过温度补偿算法后的阻抗值；
Rp_preference[i-1]为序列是角度10°的i-1数倍角度时的标准阻抗，如i为1时为0°角度的标准阻抗；
Rp_K_para[i-1]为序列是角度每变化10°标准阻抗的变化率。
本技术方案所用到的信号处理方式主要分为四部分：
(1)控制芯片17为基于Cortex-M3内核的高性能芯片，控制芯片17采集到第一电感式感测芯片16的数据和温度传感器18的数据。
(2)控制芯片17通过温度补偿算法消除温度对第一线圈15阻抗、电感的影响。
(3)控制芯片17通过角度与阻抗的函数计算出角度值。
(4)控制芯片17通过松动抖动检测算法，验证角度值的正确性。
(5)控制芯片17将角度值转换成PWM波，DA互补模拟信号和CAN总线数据的形式输出。
本发明的电路设计原理：
如图4所示，是控制芯片17的***电路以及引脚规划，该芯片采用3.3v直流稳压源供电，使用四路I/O口读写电感式感测芯片16，采用一路I/O口读取温度传感器信息18，并设置DA输出口，PWM波输出口，CAN总线输入输出接口和串口调试接口。
如图5所示，是电感式感测芯片16***电路图，L2代表线圈15，电感式感测芯片的SCLK，SDI，SDO和TBCLK分别于控制芯片17的I/O口相连，收取控制芯片17的控制信息并发送数据。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (1)
1.一种角度传感器，其特征是：依次包括电路板(2)、金属块(5)和旋转轴(13)，所述的电路板(2)上设有第一线圈(15)，所述的第一线圈(15)与金属块(5)相对设置，所述的金属块(5)靠近第一线圈(15)的一侧表面相对于第一线圈(15)的距离随旋转轴(13)的旋转递增或递减，所述的旋转轴(13)的一端与金属块(5)远离第一线圈(15)的一侧固定连接；所述的金属块(5)为弧形，金属块(5)的圆心与旋转轴(13)的轴心在同一轴线上，所述的金属块(5)的厚度由一端向另一端渐增；所述的电路板(2)上还设有第一电感式感测芯片(16)和控制芯片(17)，所述的第一线圈(15)与第一电感式感测芯片(16)和控制芯片(17)依次电连接；所述的电路板(2)上另设有第二线圈与第二电感式感测芯片，所述的第二线圈与第二电感式感测芯片也与控制芯片(17)依次电连接；所述的电路板(2)设有温度传感器(18)；所述的旋转轴(13)与金属块(5)之间还设有底板(6)，所述的电路板(2)与底板(6)之间还依次设有环形抵片(3)和环形推力轴承(4)，所述的环形抵片(3)和环形推力轴承(4)的内圆半径大于金属块(5)的半径，所述的金属块(5)位于环形抵片(3)和环形推力轴承(4)的内圆内，所述的环形抵片(3)是非金属环形抵片；还包括有第一底座(12)和第二底座(14)，所述的第一底座(12)上设有圆槽，所述的底板(6)安装在圆槽内，所述的圆槽周向设有若干弹簧孔，所述的弹簧孔内设有第一弹簧(9)，所述的第一弹簧(9)上套有光滑塑料件(7)，所述的光滑塑料件(7)抵住底板(6)的一侧，所述的圆槽内开有用于旋转轴(13)***的第一通孔，所述的第二底座(14)上也设有用于旋转轴(13)***的第二通孔，所述的旋转轴(13)通过卡簧固定在第二通孔内；还包括有上盖(1)，所述的上盖(1)设置在电路板(2)远离第一线圈(15)的一侧，所述的上盖(1)与第一底座(12)配合连接；所述的旋转轴(13)远离金属块(5)的一端固定有定位部(21)，所述的定位部(21)上设有螺丝通孔(20)，所述的螺丝通孔(20)内设有第二弹簧(23)并用螺丝(22)拧入；所述的定位部(21)远离旋转轴(13)的一端具有限位块(25)，所述的第二底座(14)沿定位部(21)转动的运动轨迹上设有挡块(24)，所述的限位块(25)有两个，两个限位块(25)到定位部(21)中心的连线形成的夹角略小于180°。
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