CN204421990U - 一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表 - Google Patents

Abstract

一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，包括N个共轴永磁转轮以及对应磁角度传感器、采样元件、存储元件和运算元件，磁角度传感器感受需要磁场即来自所测量永磁转轮的磁场，以及干扰磁场即来自其它永磁转轮磁场的线性叠加，采样元件对N个磁电阻角度传感器的原始输出信号进行采样形成N*1的原始信号矩阵[V/V_p]_k(i)_raw，存储元件存储N*N的校正矩阵[C_ij]，运算元件进行校正信号矩阵[V/V_p]_kcorr(i)＝[V/V_p]_k(i)_raw-sum{C(i，j)*[V/V_p]_k(j)_raw}的运算，从而消除干扰磁场并根据矫正信号计算出永磁转轮的旋转角度，该直读表具有计算简单、精确度高、不需要引入磁屏蔽的优点。

Description

一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表

技术领域

本实用新型涉及磁性传感器领域，特别涉及一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表。

背景技术

直读式电子流量表包括多个共轴的转轮，所述转轮之间具有设定的传动比关系，通过对各转轮的角度位置的检测，并通过相互之间的传动比关系，即可以计算出电子流量表的总圈数。采用磁角度传感器以及永磁转轮的组合可以实现对共轴的转轮位置的测量，但是在单个永磁转轮和磁角度传感器构成的***中，磁性角度传感器可以精确的测量出永磁转轮的旋转位置和角度。但是在多永磁转轮***的直读式水表中，则存在以下问题：

由于永磁转轮之间距离间隔不能太远，磁性传感器除了检测到来自所对应的永磁转轮的磁场之外，还受到来自于其它永磁转轮的干扰磁场，在这种情况下，磁角度传感器的两路输出电压计算得到的磁场角度随永磁转轮的旋转角度不再是线性。

解决方法通常为在永磁转轮之间引入软磁材料实现磁性屏蔽，这样一方面将增加只读式水表的制造成本，另一方面，还可能改变***的磁路，增加磁场的分布的复杂性，引入非线性的成分。

发明内容

为了解决永磁转轮之间相互干扰的问题，本实用新型提出了一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，不依赖于增加磁屏蔽，通过算法，将磁性传感器所测量的原始磁场转变成矫正磁场，并根据其输出信号实现对干扰磁场的排除，从而得到旋转角度的精确的信息。

本实用新型所提出的一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，所述直读表包括N个永磁转轮以及N个对应的双轴磁电阻角度传感器，所述第i个磁电阻角度传感器沿相互垂直的X轴和Y轴感受第i个永磁转轮产生的需要磁场以及其它N-1个永磁转轮产生的干扰磁场的线性叠加，产生干扰磁场的永磁转轮为第j个永磁转轮，且j≠i，其特征在于所述直读表包括：

可以对所有N个所述双轴磁电阻角度传感器的原始输出正/余弦信号进行高速采样并形成一个N*1的原始信号矩阵[V/V_p]_k(i)_raw的采样元件，

可以储存N*N的校正矩阵[C_ij]的存储元件，

和进行[V/V_p]_kcorr(i)＝[V/V_p]_k(i)_raw-sum{C(i，j)*[V/V_p]_k(j)_raw}数学运算、以消除干扰磁场而获得所述永磁转轮的旋转角度的运算元件，

k＝x或y，原始信号矩阵[V/V_p]_k(i)_raw中的元素为V_xi/V_pxi或V_yi/V_pyi，V_xi和V_yi分别对应所述第i个双轴磁电阻传感器的沿X轴和Y轴两个轴向的输出原始信号，V_pxi和V_pyi分别对应所述第i个双轴磁电阻传感器的沿X轴和Y轴两个轴向的输出原始信号的峰值，[V/V_p]_k(i)_raw，[V/V_p]_kcorr(i)分别是所述双轴磁电阻角度传感器的N*1原始信号矩阵和校正信号矩阵。

所述原始信号V_xi、V_pxi和V_yi、V_pyi分别为所述各双轴磁角度传感器两个输出正/余弦信号曲线经过偏移处理之后的数值。

所述校正矩阵[C_ij]为通过有限元计算获得，或者通过直接测量数据计算得到。

所述校正矩阵[C_ij]的各校正系数取决于各所述永磁转轮的几何参数，所述永磁转轮与所述双轴磁角度传感器的相对位置以及磁化状态如永磁转轮的磁化方向，磁化强度，当永磁转轮的几何参数相同、磁化状态相同时，则所述校正矩阵[C_ij]的校正系数相同。

所述水表中在所述永磁转轮之间不包含软磁屏蔽材料。

所述永磁转轮为圆柱形，具有两种磁化方式，其一为平行于永磁转轮的过直径方向，其二为沿垂直于永磁转轮的上下底面方向，且在两个半圆柱内具有反平行磁化方向。

所述双轴磁阻角度传感器为X-Y双轴角度传感器。

所述双轴磁电阻角度传感器为AMR、GMR或TMR磁电阻角度传感器。

减小所述作用在所述双轴磁角度传感器上的非线性电压信号输出的成分以大大提高校正后测量的精度。

当所述双轴磁角度传感器为GMR或TMR自选阀传感器时，降低所述永磁转轮的磁场强度，从而减小所述双轴磁电阻传感器钉扎层的旋转幅度，可以减小所述双轴磁角度传感器的磁场测量角随磁场旋转角度的曲线的的非线性成分，从而减小所述原始正余弦输出电压信号的非线性成分，从而提高校正后的精度

提高所述永磁转轮磁设计以保持所述双轴磁角度传感器位置的旋转磁场的幅度的恒定从而减小所述原始正余弦输出电压信号的非线性成分，提高校正后的精度。

所述需要磁场高于于所述干扰磁场时以提高校正后的精度。

所述双轴磁角度传感器靠近所述永磁转轮的旋转轴时以提高校正后的精度。

附图说明

图1为两个永磁转轮和两个磁角度传感器的直读表***示意图。

图2为永磁转轮和磁角度传感器相对位置和旋转磁场图。

图3为永磁转轮磁化状态图：a)平行过直径方向磁化；b)垂直底面磁化。

图4为多永磁转轮和磁角度传感器直读表***示意图。

图5为包含5个永磁转轮和磁角度传感器***的校正因子矩阵的表1。

图6为包含5个永磁转轮和磁角度传感器***的各磁转轮旋转角度的表2。

图7为包含5个永磁转轮和磁角度传感器***的原始输出信号的表3。

图8为包含5个永磁转轮和磁角度传感器***的原始旋转角度计算值的表4。

图9为包含5个永磁转轮和磁角度传感器***的校正输出信号的表5。

图10为包含5个永磁转轮和磁角度传感器***的各磁转轮矫正旋转角度及误差的表6。

图11为水表校正后和未校正的角度误差比较图。

图12为多永磁转轮只读直表***信号处理图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。

实施例一

图1为最简单的情况，***为包含两个永磁转轮m1(即11)和m2(即12)及对应的磁角度传感器s1(即21)和s2(即22)的直读表。其中一个永磁转轮13与磁角度传感器23之间的位置关系以及永磁转轮13在磁角度传感器23处所产生的磁场关系如图2所示，Bi为旋转磁场，可以分解成相垂直的X、Y磁场分量B_xi和B_yi，图中磁角度传感器23位于永磁转轮13的中心轴附近，实际上，也可以位于偏离轴心的其他工作区域。图3为所述永磁转轮具有的两种磁化状态，其一为图3(a)所示，永磁转轮14具有平行于其底面直径方向的磁化方向，其二如图3(b)所示，永磁转轮15的两个180度半圆柱内分别具有垂直于上下底面方向的磁化方向，且两个半圆柱内具有反平行的磁化方向。

S1磁角度传感器21所感受的X方向磁场分量B_x1可以表示为永磁转轮m1(即11)在该处所产生的X磁场分量B_x11和永磁转轮m2(即12)在该处所产生的磁场分量B_x21的线性叠加；同样，S2磁角度传感器22所感受的X方向磁场分量B_x2可以表示为永磁转轮m1(即11)在该处所产生的X方向磁场分量B_x12和永磁转轮m2(即12)在该处所产生的B_x22的线性叠加：

B_x1＝B_x11+B_x21    (1)

B_x2＝B_x12+B_y22    (2)

进一步的，假设永磁转轮m1在磁角度传感器s1处的磁场幅度为C(R11)，其与X轴的夹角为θ₁，同时假设永磁转轮m1在磁角度传感器s2处的磁场幅度为C(R12)，其与X轴的夹角也为θ₁，同样，假设永磁转轮m2在磁角度传感器s1和s2处的磁场分别为C(R21)和C(R22)，其与X轴夹角分别同为θ₂：

$C\left(R11\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{MV}}{{4\mathrm{\πR}}_{11}^3}---\left(3\right)$

$C\left(R12\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{MV}}{{4\mathrm{\πR}}_{12}^3}---\left(4\right)$

$C\left(R21\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{MV}}{{4\mathrm{\πR}}_{21}^3}---\left(5\right)$

$C\left(R22\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{MV}}{{4\mathrm{\πR}}_{22}^3}---\left(6\right)$

则磁角度传感器s1在X方向上的磁场分量B_x1和磁角度传感器s2在X方向上的磁场分量B_x2分别为：

B_x1＝C(R₁₁)cos(θ₁)+C(R₂₁)cos(θ₂)    (7)

B_x2＝C(R₁₂)cos(θ₁)+C(R₂₂)cos(θ₂)    (8)

其中，在测量时，θ₁和θ₂角度分别为磁角度传感器m1和m2中的x轴传感器输出的电压信号V_xi相对于峰值V_xpi正则之后的值、Y轴传感器输出的电压信号V_yi相对于峰值V_ypi正则之后的值。由于Vxi为余弦曲线：

V_xi＝V_xpicosθ_i    (9)

故磁角度传感器输出V_xi/V_pxi对应于第i个双轴磁电阻传感器的沿X轴轴向的输出原始信号为余弦曲线。

同样，对于y轴分量，也有类似的关系，磁角度传感器s1在Y方向上的磁场分量B_y1和磁角度传感器s2在Y方向上的磁场分量B_y2分别为：

B_y1＝B_y11+B_y21    (10)

B_y2＝B_y12+B_y22    (11)

B_y1＝C(R₁₁)sin(θ₁)+C(R₂₁)sin(θ₂)    (12)

B_y2＝C(R₁₂)sin(θ₁)+C(R₂₂)sin(θ₂)    (13)

而V_yi为正弦曲线：

V_yi＝V_ypisinθ_i    (14)

故，磁角度传感器输出V_yi/V_pyi对应于第i个双轴磁电阻传感器的沿Y轴轴向的输出原始信号为正弦曲线。

将以上两个硬磁转轮和两个磁角度传感器的直读表***拓展到包含如图4所示的n个硬磁转轮16，17和19以及多个磁角度传感器26，27和29，则每个磁电阻角度传感器所感受的X和Y方向磁场分量分别为：

$B_{\mathrm{xj}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_{\mathrm{ij}}\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_{\mathrm{ij}}\frac{V_{\mathrm{xi}}}{V_{\mathrm{xpi}}}---\left(15\right)$

$B_{\mathrm{yj}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_{\mathrm{ij}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_{\mathrm{ij}}\frac{V_{\mathrm{yi}}}{V_{\mathrm{ypi}}}---\left(16\right)$

$C_{\mathrm{ij}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{MV}}{{4\mathrm{\πr}}_{\mathrm{ij}}^3}---\left(17\right)$

则对于包含N个永磁转轮和N个磁角度传感器的只读式水表，将X和Y磁场分量表示为矩阵的形式：

其中正对角项对应需要项，非正对角项对应为干扰项，即对于第i个磁电阻角度传感器而言，其所对应的第i个永磁转轮所产生的磁场为需要磁场，而其它N-1个永磁转轮产生的是干扰磁场，这些产生干扰磁场的永磁转轮为第j个永磁转轮，其中j≠i，而第i个磁电阻角度传感器沿相互垂直的X轴和Y轴感受到的是第i个永磁转轮产生的需要磁场以及其它N-1个永磁转轮产生的干扰磁场的线性叠加。可以看出，系数矩阵对于X和Y磁场时共同的，即

其中干扰项的系数矩阵为：

而需要项对应的系数矩阵为：

如果最近邻的相邻干扰项小于需要项，传感器的磁场角度主要由需要项来决定，则所需要磁场项具有如下近似关系：

|B_d|＝|V|_correct≈{|C_d|-|C_int|}|V|_raw    (23)

其中，|B_d|为需要磁场，|V|_correct为需要磁场所在磁角度传感器中产生的信号，|V|_raw为磁角度传感器中产生的实际信号(包含有干扰磁场产生的信号)。

则导致如下近似结果，X方向所需要磁场信号和Y方向所需要的磁场信号分别为：

其中，为校正矩阵，

则此时各个永磁转轮所对应的旋转角度可以根据上述消除干扰的磁场计算为：

${\sin \mathrm{\θ}}_i^{\′}={(V_{\mathrm{yi}}/V_{\mathrm{ypi}})}_{\mathrm{correct}}/\sqrt{{(V_{\mathrm{yi}}/V_{\mathrm{ypi}})}_{\mathrm{correct}}^2+{(V_{\mathrm{xi}}/V_{\mathrm{xpi}})}_{\mathrm{correct}}^2}---\left(26\right)$

${\cos \mathrm{\θ}}_i^{\′}={(V_{\mathrm{xi}}/V_{\mathrm{xpi}})}_{\mathrm{correct}}/\sqrt{{(V_{\mathrm{yi}}/V_{\mathrm{ypi}})}_{\mathrm{correct}}^2+{(V_{\mathrm{xi}}/V_{\mathrm{xpi}})}_{\mathrm{correct}}^2}---\left(27\right)$

由N个永磁转轮和N个磁角度传感器构成的直读表，其永磁转轮和磁角度传感器具有如下特征：所述的磁角度传感器为X-Y双轴角度传感器，位于平行于永磁转轮底面的位置上。

由于上述校正矩阵是基于各个永磁转轮在磁角度位置处的磁场的线性叠加，因此，其精度依赖于减小***的非线性因素。第一，由于所述磁角度传感器为AMR，TMR或者GMR磁阻传感器，当为TMR或GMR自旋阀时，减小来自于钉扎层在外磁场下的转动有助于减小***的非线性，因此要求永磁转轮尽可能在满足饱和的前提下的磁场不能太强；第二，还要求***中不要引入屏蔽材料等干扰磁场分布的软糍材料；第三，如果磁角度传感器尽可能的出于永磁转轮表面的线性工作区，如果磁角度传感器尽可能的靠近旋转轴心位置，则能够提高其线性。通过提高永磁转轮磁设计以保持旋转磁场的幅度的恒定有助于减小所述输出电压信号的非线性成分，提高校正后的精度。

此外，V_xi、V_pxi和V_yi、V_pyi分别为所述各磁角度传感器两个输出正/余弦信号曲线在输出时可能存在着偏离所述正余弦方程的可能，此时需要经过偏移校正(offset)处理之后，得到上述数值。

此外，根据以上分析可以看出，所述校正系数C_ij取决于硬磁转轮、硬磁转轮之间以及硬磁转轮相对于双轴磁角度传感器的几何尺寸以及硬磁转轮的磁化状态如磁化方向，磁化强度；如果上述硬磁转轮的几何尺寸相同、磁化状态相同，则所述校正矩阵的校正系数相同，校正系数及其矩阵可以通过有限元计算获得，或者通过直接测量数据计算得到。

实施例二

以下以包含5个永磁转轮以及5个磁角度传感器的直读表为例来对以上消除磁干扰的算法进行检验，即N＝5时，其校正因子矩阵如图5所示，图6为包含5个永磁转轮和磁角度传感器***的各磁转轮旋转角度，图7为包含5个永磁转轮和磁角度传感器***的对应的原始输出信号，图8为包含5个永磁转轮和磁角度传感器***的原始旋转角度计算值，图9为包含5个永磁转轮和磁角度传感器***的校正输出信号，图10为包含5个永磁转轮和磁角度传感器***的各磁转轮矫正旋转角度及误差。对图10中的校正和未校正的旋转角度误差值随5个永磁转轮的旋转角度的关系如图11所示，可以看出，未校正的角度误差在2-5度之间，而校正后的角度误差在0.5度以下，因此试验结果验证了校准算法的有效性。

实施例三

图12为一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，包含N个硬磁转轮31，32到3N，以及对应的N个双轴角度传感器即41，42到4N(其中硬磁转轮和双轴角度传感器为一一对应关系)，以及可以对所有N个所述双轴磁电阻角度传感器的原始输出正/余弦信号进行高速采样并形成一个N*1的原始信号矩阵[V/V_p]_k(i)_raw的采样元件51，可以储存N*N的校正矩阵[C_ij]的存储元件53，和进行[V/V_p]_kcorr(i)＝[V/V_p]_k(i)_raw-sum{C(i，j)*[V/V_p]_k(j)_raw}数学运算、以消除干扰磁场的运算元件52，其中，在本例中，所述采样元件为A/D转换器，所述运算元件为MCU微处理器，存储元件53为存储器，其既可以外置于MCU之外，也可以内置于MCU内部。运算元件最终根据[V/V_p]_kcorr(i)计算出所述第i个所述硬磁转轮的旋转角度位置。该直读表中，在永磁转轮之间不包含软磁屏蔽材料，即可消除干扰磁场。

上述原始信号矩阵[V/V_p]_k(i)_raw中，k＝x或y，V_xi、V_pxi和V_yi、V_pyi分别对应所述第i个双轴磁电阻传感器的沿X轴和Y轴两个轴向的输出信号及其峰值，[V/V_p]_k(i)_raw，[V/V_p]_kcorr(i)分别是所述双轴磁电阻角度传感器的N*1原始信号矩阵和校正信号矩阵。

直读表的输出经过运算元件52处理之后，从I/O元件54输出。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化，本实用新型中的实施也可以进行不同组合变化，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，所述直读表包括N个永磁转轮以及N个对应的双轴磁电阻角度传感器，所述第i个磁电阻角度传感器沿相互垂直的X轴和Y轴感受第i个永磁转轮产生的需要磁场以及其它N-1个永磁转轮产生的干扰磁场的线性叠加，产生干扰磁场的永磁转轮为第j个永磁转轮，且j≠i，其特征在于所述直读表包括：

对所有N个所述双轴磁电阻角度传感器的原始输出正/余弦信号分别进行高速采样并形成一个N*1的原始信号矩阵[V/V_p]_k(i)_raw的采样元件，

储存N*N的校正矩阵[C_ij]的存储元件，

和进行[V/V_p]_kcorr(i)＝[V/V_p]_k(i)_raw-sum{C(i，j)*[V/V_p]_k(j)_raw}数学运算、以消除干扰磁场而获得所述永磁转轮的旋转角度的运算元件，

k＝x或y，原始信号矩阵[V/V_p]_k(i)_raw中的元素为V_xi/V_pxi或V_yi/V_pyi，V_xi、和V_yi分别对应所述第i个双轴磁电阻传感器的沿X轴和Y轴两个轴向的输出原始信号，V_pxi和V_pyi分别对应所述第i个双轴磁电阻传感器的沿X轴和Y轴两个轴向的输出原始信号的峰值，[V/V_p]_k(i)_raw，[V/V_p]_kcorr(i)分别是所述双轴磁电阻角度传感器的N*1原始信号矩阵和校正信号矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，其特征在于，所述原始信号V_xi、V_pxi和V_yi、V_pyi分别为所述各双轴磁角度传感器两个输出正/余弦信号曲线经过偏移处理之后的数值。

3.根据权利要求1所述的一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，其特征在于，所述校正矩阵[C_ij]为通过有限元计算获得，或者通过直接测量数据计算得到。

4.根据权利要求1所述的一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，其特征在于，所述校正矩阵[C_ij]的各校正系数取决于各所述永磁转轮的几何参数、所述永磁转轮与所述双轴磁角度传感器的相对位置以及永磁转轮的磁化方向和磁化强度；当永磁转轮的几何参数相同、磁化状态相同时，则所述校正矩阵[C_ij]的校正系数相同。

5.根据权利要求1所述的一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，其特征在于，所述直读表中在所述永磁转轮之间不包含软磁屏蔽材料。

6.根据权利要求1所述的一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，其特征在于，所述永磁转轮为圆柱形，所述永磁转轮磁化方向为平行于所述永磁转轮过直径方向，或为沿垂直于所述永磁转轮底面方向，且在两个半圆柱内具有反平行磁化方向。

7.根据权利要求1所述的一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，其特征在于，所述双轴磁阻角度传感器为X-Y双轴角度传感器。

8.根据权利要求1或7所述的一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，其特征在于，所述双轴磁电阻角度传感器为AMR、GMR或TMR磁电阻角度传感器。

9.根据权利要求1所述的一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，其特征在于，减小所述作用在所述双轴磁角度传感器上的非线性电压信号输出的成分以提高校正后测量的精度。

10.根据权利要求9所述的一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，其特征在于，当所述双轴磁角度传感器为GMR或TMR自选阀传感器时，降低所述永磁转轮的磁场强度，从而减小所述双轴磁电阻传感器钉扎层的旋转幅度，以减小所述双轴磁角度传感器的磁场测量角度随磁场旋转角度的曲线的非线性成分，从而减小所述原始正余弦输出电压信号的非线性成分，提高校正后的精度。

11.根据权利要求9所述的一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，其特征在于，提高所述永磁转轮磁设计以保持所述双轴磁角度传感器位置的旋转磁场的幅度的恒定从而减小所述原始正余弦输出电压信号的非线性成分，提高校正后的精度。

12.根据权利要求9所述的一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，其特征在于，所述需要磁场高于于所述干扰磁场以提高校正后的精度。

13.根据权利要求9所述的一种可消除相邻转轮磁干涉的直读表，其特征在于，所述双轴磁角度传感器靠近所述永磁转轮的旋转轴以提高校正后精度。