CN110849399B - 一种磁聚焦分体式一体化传感器及转速、扭矩、角度计算方法 - Google Patents

一种磁聚焦分体式一体化传感器及转速、扭矩、角度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种磁聚焦分体式一体化传感器及转速、扭矩、角度计算方法，属于传感器技术领域，特别是涉及一种磁聚焦分体式一体化传感器及转速、扭矩、角度计算方法。解决了现有测量轴的转速、扭矩以及角度的传感器对轴的尺寸要求高、匹配性差以及找零点困难的问题。传感器包括待测轴、和采集机构，所述待测轴两端分别为轴输入端和轴输出端，所述采集机构分别设置在轴输入端和轴输出端处，所述采集机构包括转子电路板、接收线圈、壳体和激励线圈，所述转子电路板和接收线圈印制在接收线圈柔性电路板上，接收线圈上印制有信号处理电路。它主要用于对轴的转速、扭矩以及角度进行测量和计算。

Description

一种磁聚焦分体式一体化传感器及转速、扭矩、角度计算方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种磁聚焦分体式一体化传感器及转速、扭矩、角度计算方法。
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、储存、显示、记录和控制等要求。
现有的用于测量轴的转速、扭矩以及角度的传感器多为一体式结构，这种结构对轴的尺寸要求较高，当轴的尺寸改变时，需要对传感器的壳体重新开模，成本高、匹配性较差，而且现有的传感器对测量轴零点的记录方式复杂，不易找到零点位置，为后续的计算带来困难。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种磁聚焦分体式一体化传感器及转速、扭矩、角度计算方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种磁聚焦分体式一体化传感器，它包括待测轴、和采集机构，所述待测轴两端分别为轴输入端和轴输出端，所述采集机构分别设置在轴输入端和轴输出端处，所述采集机构包括转子电路板、接收线圈、壳体和激励线圈，所述转子电路板和接收线圈印制在接收线圈柔性电路板上，接收线圈上印制有信号处理电路，所述转子电路板和接收线圈粘贴在轴输入端和轴输出端上，随待测轴一同转动，所述接收线圈为多个矩形收尾相连的结构，多个矩形中有一个矩形为零点矩形，零点矩形的面积大于其余矩形，除零点矩形外的其余矩形面积大小均相同；所述激励线圈布置在轴输入端和轴输出端的上方，所述激励线圈为弯曲成圆弧状的矩形线圈，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，形成倒金字塔式排列，所述激励线圈柔性电路板固定于壳体内部，所述壳体上设置有调节螺钉和把手，所述调节螺钉穿过激励线圈，所述把手内设置有定子处理电路。
更进一步的，所述定子处理电路包括震荡电路和无线供电发射电路。
更进一步的，所述激励线圈上施加8-12MHz的正弦电压。
更进一步的，所述信号处理电路包括信号采集模块、信号处理模块、无线供电模块和无线传输模块。
更进一步的，所述把手上设有开孔，用于引出导线。
更进一步的，所述壳体上设置有底座，所述底座安装在载体上。
本发明还提供了一种使用磁聚焦分体式一体化传感器的转速计算方法，它包括以下步骤：
步骤一：向激励线圈施加交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈的空间分布，调节螺钉作为磁引导件，通过旋转调节螺钉穿过激励线圈，改变调节螺钉到待测轴的距离，改变聚焦面积，使磁场聚焦于待测轴上一点，该点为磁聚焦点，所述磁聚焦点位于接收线圈矩形内部；
步骤二：随着待测轴的转动，所述磁聚焦点的轨迹是圆，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；
步骤三：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，接收线圈中零点矩形的面积大于其余矩形，高电平维持的时间大于其余矩形高电平维持的时间，设定零点矩形处为传感器零点；
步骤四：接收线圈为多个矩形收尾相连的结构，根据公式：
式中：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，t是时间，φ是磁通量，由公式可知，磁感应强度一定的情况下，一定时间内，电压电压与矩形的面积成正比，矩形的面积的变化，导致接收线圈感应电压的变化；
步骤五：当采集到的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。
本发明还提供了一种使用磁聚焦分体式一体化传感器的扭矩计算方法，它包括以下步骤：
步骤一：向激励线圈施加交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈的空间分布，调节螺钉作为磁引导件，通过旋转调节螺钉穿过激励线圈，改变调节螺钉到待测轴的距离，改变聚焦面积，使磁场聚焦于待测轴上一点，该点为磁聚焦点，所述磁聚焦点位于接收线圈矩形内部；
步骤二：随着待测轴的转动，所述磁聚焦点的轨迹是圆，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；
步骤三：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，接收线圈中零点矩形的面积大于其余矩形，高电平维持的时间大于其余矩形高电平维持的时间，设定零点矩形处为传感器零点；
步骤四：待测轴的转动会产生形变角。轴输入端和轴输出端各一个接收线圈，轴输入端和轴输出端的接收线圈参数一致；
步骤五：当待测轴静止时，轴输入端和轴输出端采集到的信号重叠，当待测轴转动时，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，得到待测轴的形变角θ。
步骤六：根据下列公式计算扭矩，
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；Ip为扭杆截面极惯性矩。
本发明还提供了一种使用磁聚焦分体式一体化传感器的角度计算方法，它包括以下步骤：
步骤一：向激励线圈施加交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈的空间分布，调节螺钉作为磁引导件，通过旋转调节螺钉穿过激励线圈，改变调节螺钉到待测轴的距离，改变聚焦面积，使磁场聚焦于待测轴上一点，该点为磁聚焦点，所述磁聚焦点位于接收线圈矩形内部；
步骤二：随着待测轴的转动，所述磁聚焦点的轨迹是圆，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；
步骤三：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，接收线圈中零点矩形的面积大于其余矩形，高电平维持的时间大于其余矩形高电平维持的时间，设定零点矩形处为传感器零点；
步骤四：当接收线圈采集到脉冲信号时，通过计算采集到的脉冲时间长度，可以确定磁聚焦点处于接收线圈的第几个矩形上，根据矩形空间所占角度，计算待测轴的转动角度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有测量轴的转速、扭矩以及角度的传感器对轴的尺寸要求高、匹配性差以及找零点困难的问题。本发明传感器壳体结构固定，将接收线圈粘贴在待测轴上，当轴的尺寸变化时，无需对壳体部分进行重新开模，只改变接收线圈尺寸即可，降低工艺成本，提高传感器的匹配性。通过螺钉调节磁聚焦面积大小，根据磁场的叠加性原理，使磁场聚焦于待测轴表面上一点，通过调节螺钉来调节聚焦面积，使其聚焦面积达到一点，进而调节传感器性能，进而找到载体最合适的灵敏度。使接收线圈中的某一个矩形大于其余矩形，改变接收信号的电平维持时间，实现快速找零，找零点方式简单，易分辨。
附图说明
图1为本发明所述的一种磁聚焦分体式一体化传感器***图
图2为本发明所述的接收线圈结构示意图
图3为本发明所述的壳体结构示意图
图4为本发明所述的采集机构结构示意图
图5为本发明所述的激励线圈结构示意图
图6为本发明所述的一种磁聚焦分体式一体化传感器整体结构示意图
图7为本发明所述的转速及角度脉冲信号示意图
图8为本发明所述的扭矩脉冲信号示意图
1-待测轴，2-轴输入端，3-轴输出端，4-转子电路板，5-接收线圈，6-壳体，7-激励线圈，8-零点矩形，9-调节螺钉，10-把手，11-定子处理电路固定面，12-激励线圈固定面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-8说明本实施方式，一种磁聚焦分体式一体化传感器，它包括待测轴1、和采集机构，所述待测轴1两端分别为轴输入端2和轴输出端3，所述采集机构分别设置在轴输入端2和轴输出端3处，所述采集机构包括转子电路板4、接收线圈5、壳体6和激励线圈7，所述转子电路板4和接收线圈5印制在接收线圈柔性电路板上，接收线圈5上印制有信号处理电路，所述转子电路板4和接收线圈5粘贴在轴输入端2和轴输出端3上，随待测轴1一同转动，所述接收线圈5为多个矩形收尾相连的结构，多个矩形中有一个矩形为零点矩形8，零点矩形8的面积大于其余矩形，除零点矩形8外的其余矩形面积大小均相同；所述激励线圈7布置在轴输入端2和轴输出端3的上方，所述激励线圈7为弯曲成圆弧状的矩形线圈，所述激励线圈7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7，若干层的激励线圈柔性电路板层层叠加，形成倒金字塔式排列，所述激励线圈柔性电路板固定于壳体6内部，所述壳体6上设置有调节螺钉9和把手10，所述调节螺钉9穿过激励线圈7，所述把手10内设置有定子处理电路。
本实施例在距离待测轴1的上方布置若干个激励线圈7，每个激励线圈7上施加8-12MHz的高频正弦电压，每个激励线圈7的电流幅值根据其位置来定。根据磁场的叠加性原理，通过调节螺钉9调节，使磁场聚焦于待测轴1表面上一点。安装时，首先固定壳体6，然后将含有激励线圈7的柔性电路板固定于壳体6内部，定子处理电路位于把手10内部，把手10上设有开孔，用于引出导线，通过拧紧定子固定螺孔的螺丝，固定柔性电路板和定子处理电路，壳体6、激励线圈7和定子处理电路共同组成传感器的定子。接收线圈5和转子处理电路4直接粘贴于待测轴1表面，实现接收线圈5与壳体6的分体式结构。壳体6上设置有底座，底座安装在载体上。所述定子处理电路包括震荡电路和无线供电发射电路。所述信号处理电路包括信号采集模块、信号处理模块、无线供电模块和无线传输模块。
本发明还提供了一种使用磁聚焦分体式一体化传感器的转速计算方法，它包括以下步骤：
步骤一：向激励线圈7施加交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈7的空间分布，调节螺钉9作为磁引导件，通过旋转调节螺钉9穿过激励线圈7，改变调节螺钉9到待测轴1的距离，改变聚焦面积，使磁场聚焦于待测轴1上一点，该点为磁聚焦点，所述磁聚焦点位于接收线圈5矩形内部；
步骤二：随着待测轴1的转动，所述磁聚焦点的轨迹是圆，磁聚焦点在接收线圈5矩形内部时，由于接收线圈5内部的磁通量改变，接收线圈5上产生感应电压；
步骤三：当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收线圈5的磁通量变化为0，接收线圈的感应电压为零，接收线圈5中零点矩形8的面积大于其余矩形，高电平维持的时间大于其余矩形高电平维持的时间，设定零点矩形8处为传感器零点；
步骤四：接收线圈5为多个矩形收尾相连的结构，根据公式：
式中：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，t是时间，φ是磁通量，由公式可知，磁感应强度一定的情况下，一定时间内，电压电压与矩形的面积成正比，矩形的面积的变化，导致接收线圈感应电压的变化；
步骤五：当采集到的接收线圈5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。
本发明还提供了一种使用磁聚焦分体式一体化传感器的扭矩计算方法，它包括以下步骤：
步骤一：向激励线圈7施加交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈7的空间分布，调节螺钉9作为磁引导件，通过旋转调节螺钉9穿过激励线圈7，改变调节螺钉9到待测轴1的距离，改变聚焦面积，使磁场聚焦于待测轴1上一点，该点为磁聚焦点，所述磁聚焦点位于接收线圈5矩形内部；
步骤二：随着待测轴1的转动，所述磁聚焦点的轨迹是圆，磁聚焦点在接收线圈5矩形内部时，由于接收线圈5内部的磁通量改变，接收线圈5上产生感应电压；
步骤三：当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收线圈5的磁通量变化为0，接收线圈的感应电压为零，接收线圈5中零点矩形8的面积大于其余矩形，高电平维持的时间大于其余矩形高电平维持的时间，设定零点矩形8处为传感器零点；
步骤四：待测轴1的转动会产生形变角。轴输入端2和轴输出端3各一个接收线圈5，轴输入端2和轴输出端3的接收线圈5参数一致；
步骤五：当待测轴1静止时，轴输入端2和轴输出端3采集到的信号重叠，当待测轴1转动时，轴输入端2和轴输出端3的信号产生相位差，通过计算轴输出端3的信号延迟，得到待测轴1的形变角θ。
步骤六：根据下列公式计算扭矩，
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；Ip为扭杆截面极惯性矩。
本发明还提供了一种使用磁聚焦分体式一体化传感器的角度计算方法，它包括以下步骤：
步骤一：向激励线圈7施加交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈7的空间分布，调节螺钉9作为磁引导件，通过旋转调节螺钉9穿过激励线圈7，改变调节螺钉9到待测轴1的距离，改变聚焦面积，使磁场聚焦于待测轴1上一点，该点为磁聚焦点，所述磁聚焦点位于接收线圈5矩形内部；
步骤二：随着待测轴1的转动，所述磁聚焦点的轨迹是圆，磁聚焦点在接收线圈5矩形内部时，由于接收线圈5内部的磁通量改变，接收线圈5上产生感应电压；
步骤三：当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收线圈5的磁通量变化为0，接收线圈的感应电压为零，接收线圈5中零点矩形8的面积大于其余矩形，高电平维持的时间大于其余矩形高电平维持的时间，设定零点矩形8处为传感器零点；
步骤四：当接收线圈5采集到脉冲信号时，通过计算采集到的脉冲时间长度，可以确定磁聚焦点处于接收线圈5的第几个矩形上，根据矩形空间所占角度，计算待测轴1的转动角度。
以上对本发明所提供的一种磁聚焦分体式一体化传感器及转速、扭矩、角度计算方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种磁聚焦分体式一体化传感器，其特征在于：它包括待测轴(1)、和采集机构，所述待测轴(1)两端分别为轴输入端(2)和轴输出端(3)，所述采集机构分别设置在轴输入端(2)和轴输出端(3)处，所述采集机构包括转子电路板(4)、接收线圈(5)、壳体(6)和激励线圈(7)，所述转子电路板(4)和接收线圈(5)印制在接收线圈柔性电路板上，接收线圈(5)上印制有信号处理电路，所述转子电路板(4)和接收线圈(5)粘贴在轴输入端(2)和轴输出端(3)上，随待测轴(1)一同转动，所述接收线圈(5)为多个矩形收尾相连的结构，多个矩形中有一个矩形为零点矩形(8)，零点矩形(8)的面积大于其余矩形，除零点矩形(8)外的其余矩形面积大小均相同；所述激励线圈(7)布置在轴输入端(2)和轴输出端(3)的上方，所述激励线圈(7)为弯曲成圆弧状的矩形线圈，所述激励线圈(7)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(7)，若干层的激励线圈柔性电路板层层叠加，形成倒金字塔式排列，所述激励线圈柔性电路板固定于壳体(6)内部，所述壳体(6)上设置有调节螺钉(9)和把手(10)，所述调节螺钉(9)穿过激励线圈(7)，所述把手(10)内设置有定子处理电路。
2.根据权利要求1所述的一种磁聚焦分体式一体化传感器，其特征在于：所述定子处理电路包括震荡电路和无线供电发射电路。
3.根据权利要求1所述的一种磁聚焦分体式一体化传感器，其特征在于：所述激励线圈(7)上施加8-12MHz的正弦电压。
4.根据权利要求1所述的一种磁聚焦分体式一体化传感器，其特征在于：所述信号处理电路包括信号采集模块、信号处理模块、无线供电模块和无线传输模块。
5.根据权利要求1所述的一种磁聚焦分体式一体化传感器，其特征在于：所述把手(10)上设有开孔，用于引出导线。
6.根据权利要求1所述的一种磁聚焦分体式一体化传感器，其特征在于：所述壳体(6)上设置有底座，所述底座安装在载体上。
7.一种使用如权利要求1所述的磁聚焦分体式一体化传感器的转速计算方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：向激励线圈(7)施加交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈(7)的空间分布，调节螺钉(9)作为磁引导件，通过旋转调节螺钉(9)穿过激励线圈(7)，改变调节螺钉(9)到待测轴(1)的距离，改变聚焦面积，使磁场聚焦于待测轴(1)上一点，该点为磁聚焦点，所述磁聚焦点位于接收线圈(5)矩形内部；
步骤二：随着待测轴(1)的转动，所述磁聚焦点的轨迹是圆，磁聚焦点在接收线圈(5)矩形内部时，由于接收线圈(5)内部的磁通量改变，接收线圈(5)上产生感应电压；
步骤三：当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收线圈(5)的磁通量变化为0，接收线圈的感应电压为零，接收线圈(5)中零点矩形(8)的面积大于其余矩形，高电平维持的时间大于其余矩形高电平维持的时间，设定零点矩形(8)处为传感器零点；
步骤四：接收线圈(5)为多个矩形收尾相连的结构，根据公式：
式中：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，t是时间，φ是磁通量，由公式可知，磁感应强度一定的情况下，一定时间内，电压电压与矩形的面积成正比，矩形的面积的变化，导致接收线圈感应电压的变化；
步骤五：当采集到的接收线圈(5)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。
8.一种使用如权利要求1所述的磁聚焦分体式一体化传感器的扭矩计算方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：向激励线圈(7)施加交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈(7)的空间分布，调节螺钉(9)作为磁引导件，通过旋转调节螺钉(9)穿过激励线圈(7)，改变调节螺钉(9)到待测轴(1)的距离，改变聚焦面积，使磁场聚焦于待测轴(1)上一点，该点为磁聚焦点，所述磁聚焦点位于接收线圈(5)矩形内部；
步骤二：随着待测轴(1)的转动，所述磁聚焦点的轨迹是圆，磁聚焦点在接收线圈(5)矩形内部时，由于接收线圈(5)内部的磁通量改变，接收线圈(5)上产生感应电压；
步骤三：当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收线圈(5)的磁通量变化为0，接收线圈的感应电压为零，接收线圈(5)中零点矩形(8)的面积大于其余矩形，高电平维持的时间大于其余矩形高电平维持的时间，设定零点矩形(8)处为传感器零点；
步骤四：待测轴(1)的转动会产生形变角，轴输入端(2)和轴输出端(3)各一个接收线圈(5)，轴输入端(2)和轴输出端(3)的接收线圈(5)参数一致；
步骤五：当待测轴(1)静止时，轴输入端(2)和轴输出端(3)采集到的信号重叠，当待测轴(1)转动时，轴输入端(2)和轴输出端(3)的信号产生相位差，通过计算轴输出端(3)的信号延迟，得到待测轴(1)的形变角θ；
步骤六：根据下列公式计算扭矩，
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；Ip为扭杆截面极惯性矩。
9.一种使用如权利要求1所述的磁聚焦分体式一体化传感器的角度计算方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：向激励线圈(7)施加交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈(7)的空间分布，调节螺钉(9)作为磁引导件，通过旋转调节螺钉(9)穿过激励线圈(7)，改变调节螺钉(9)到待测轴(1)的距离，改变聚焦面积，使磁场聚焦于待测轴(1)上一点，该点为磁聚焦点，所述磁聚焦点位于接收线圈(5)矩形内部；
步骤二：随着待测轴(1)的转动，所述磁聚焦点的轨迹是圆，磁聚焦点在接收线圈(5)矩形内部时，由于接收线圈(5)内部的磁通量改变，接收线圈(5)上产生感应电压；
步骤三：当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收线圈(5)的磁通量变化为0，接收线圈的感应电压为零，接收线圈(5)中零点矩形(8)的面积大于其余矩形，高电平维持的时间大于其余矩形高电平维持的时间，设定零点矩形(8)处为传感器零点；
步骤四：当接收线圈(5)采集到脉冲信号时，通过计算采集到的脉冲时间长度，可以确定磁聚焦点处于接收线圈(5)的第几个矩形上，根据矩形空间所占角度，计算待测轴(1)的转动角度。
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