CN210774196U - 平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器，属于传感器技术领域，包括电路板,电路板上设置有电源处理模块、主控MCU单元、增值业务处理MCU单元、流量/角速度MCU单元、对称性发送线圈、对称性接收线圈、快速充放电单元、金属割片，金属割片切割磁力线，对称性接收线圈用于获取所述金属割片的切割磁力线区域以及未被金属割片切割的磁力线区域的信号，对称性接收线圈将接收到的信号通过比较器比较以后，以数字信号的形式送入流量/角速度MCU单元进行分析、计算、累积，在对称接收电路部分增设了受流量/角速度MCU单元控制的快速放电电路。本实用新型利用磁通量变化引起的感应电动势变化差检测被检测目标的旋转的位移和角速度。

Description

平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体为一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器。

背景技术

角速度传感器可以检测线圈的角速度及角速度的公差；位移传感器主要用在流量计上。以流量计类产品水表为例，对于水表数据采集，现有技术在水表数据采集这方面是用光电直读、干簧管、霍尔器件等进行有磁采集，受周边环境影响比较大，无磁采集技术的兴起，引起了行业的极大兴趣。

光电直读缺点是湿式表内，受水质影响读数；干簧管、霍尔器件的缺点是基表改动稍大,容易受环境和磁铁干扰，容易被盗水，湿式表内，时间久后，容易累积杂质，堵塞表；插针式无磁采集的缺点是不易生产，规模化量产成本高，良品率不高，且每个表对应出厂，需要校准；现有平面绕线线圈无磁采集的缺点是位移容易出现偏差，不能检测角速度。

现有技术的缺点：

1.现有技术只有4个对称线圈，不能检测角速度。

2.4个对称线圈，只有8个状态机，精度不够高，不易消除抖动；所以在检测反流以及在正反流切换的时候，需要做出的检测以及流量不够精确。

3.由于状态机比较少，对金属片的形状要求比较严格(只能是半圆或半圆环形)，对检测设备和被检测设备之间的装配尺寸公差要求更严格，对产品规模化生产工艺要求比较高。

4.现有技术在感应电动势产生并对称比较后，没有采用快速放电技术，因此流量检测MCU单元运行处理时间过长，不能快速进入下一采样检测周期。导致功耗比较高，而且对高速旋转被检测设备有限制。

实用新型内容

针对背景技术中存在的问题，本实用新型提供了一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器，包括电路板,所述电路板上设置有电源处理模块、主控MCU单元、增值业务处理MCU单元、流量/角速度 MCU单元、对称性发送线圈、至少8个对称性接收线圈、快速充放电单元、被检测设备：

所述被检测设备为对称结构，其中一半是对磁通量变化敏感的材质，另外一半是对磁通量变化不敏感的材质，所述被检测设备切割磁力线，所述对称性接收线圈用于获取所述被检测设备的切割磁力线区域以及被检测设备未切割的磁力线区域的信号，所述对称性接收线圈将接收到的信号通过比较器比较以后，以数字信号的形式送入流量/角速度MCU单元进行分析、计算、累积，在对称接收电路部分增设了受所述流量/角速度MCU单元控制的快速放电电路，所述电源处理模块、主控MCU单元、增值业务处理MCU单元、流量/角速度MCU单元、对称性发送线圈、至少8个对称性接收线圈、快速充放电单元使用供电设备供电。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述对称性接收线圈的数量设置有 16个。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述被检测设备为圆形旋转设备，金属割片位于所述圆形旋转设备上，所述金属割片以圆心点呈对称结构，且与所述圆形旋转设备同心圆设置。

作为本实用新型一种优选的技术方案，还包括传输单元。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述传输单元包括NBIOT、GPRS、LORA 或FSK。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述增值业务处理MCU单元包括流量检测增值业务处理和角速度检测增值业务处理。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述流量/角速度MCU单元包括正流检测、反流检测、正反流切换检测、正反流切换检测及补偿算法、角速度检测。

作为本实用新型一种优选的技术方案，还包括红外可编程通讯接口模块，所述红外可编程通讯接口模块与所述主控MCU单元相连接。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述供电设备采用内置电池、外接 220V电源或者通过电压转化为12V、5V、3.3V直流电压供电。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型使得机械表盘式仪表实现低功耗，同时实时双向无线数据通讯的功能。

2.增加了红外可编程通讯接口模块，可以对整个模块进行灵活设置，出厂时可以是无线功能关闭的，可以通过该接口开启激活；可以将对应连接仪表的仪表号写入，从而使模块和仪表配对，成为一个整体；可以对模块进行初始化，写入仪表的基础数值，例如仪表本身的基数；可以根据仪表的口径大小或者目标检测旋转一圈的流量大小进行当量的设置，保证输出的准确性。

3.采用Nbiot/GPRS频段进行无线数据输出，可以实现内置电池供电前提下的长使用寿命。

4.本实用新型能检测反向流量大小，反流和正流累积对应表基数，正流、反流切换流量补偿算法。

5.本实用新型能检测角速度。同时采用快速放电技术，提高采样频率，进而提高检测角速度的速率上限。

6.16个分组对称性接收线圈，提高精度及易于消除抖动，便于量产，降低对产品的装配尺寸精度、金属切割片的形状和公差精度。

附图说明

图1为本实用新型的流程图；

图2为分组计算图；

图3为被检测设备的示意图；

图4为正流反流状态机切换图；

图5为对称性发送线圈和对称性接收线圈的示意图；

图6为对称性发送线圈、对称性接收线圈和被检测设备的结合示意图；

图7为快速放电电路的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本实用新型，但并不用来限定本实用新型的实施范围。

实施例：

请参阅图1，本实用新型提供一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器，包括电路板,电路板上设置有传输单元、电源处理模块、主控MCU单元、增值业务处理MCU单元、流量/角速度MCU单元、对称性发送线圈、至少8个对称性接收线圈、快速充放电单元、被检测设备。

其中传输单元将流量/角速度MCU单元处理的结果数据发送到云端服务器；电源处理模块提供稳定的工作电压和电流，对对称性发送线圈和对称性接收线圈的微功耗工作模式(微电压、微电流)提供保护，防止对称性发送线圈和对称性接收线圈的微功耗工作模式受***电路和工作环境干扰；主控MCU单元将流量 /角速度MCU单元处理的结果进行加密、实现和云端的应用层通讯协议，通过协议将数据加密或者不加密，然后通过传输单元发送出去，还能够进行红外处理，和红外终端通讯，接收红外终端的配置命令和数据查询命令，并将结果返回给红外终端；流量/角速度MCU单元启动和控制对称性接收线圈、对称性发送线圈工作、启动和控制快速充放电单元工作、对接收到的对称性接收线圈的信号进行处理和匹配状态机、对匹配到的状态机进行算法处理，其中算法处理包括正流检测、反流检测、正反流切换检测及补偿、角速度检测、异常状态机处理及告警等等；对称性发送线圈受流量/角速度MCU单元控制，流量/角速度MCU单元通过对称性发送线圈发送特定激励波，根据电磁感应原理，此激励波能够使感应电动势在特定时间窗口内达到最大值；对称性接收线圈监测微功耗的电压、电流，通过差分放大后进入比较器，将比较后的信号送入流量/角速度MCU单元，受流量/角速度 MCU单元及快速充放电单元控制；被检测设备用来切割磁场，产生感应电动势。

被检测设备为圆形旋转设备，金属割片位于圆形旋转设备上，金属割片以圆心点呈对称结构，且与圆形旋转设备同心圆设置。其中金属割片是对磁通量变化敏感的材质，另外一半是对磁通量变化不敏感的材质，金属割片切割磁力线，对称性接收线圈用于获取金属割片的切割磁力线区域以及未被金属割片切割的磁力线区域的信号，对称性接收线圈将接收到的信号通过比较器比较以后，以数字信号的形式送入流量/角速度MCU单元进行分析、计算、累积。在本实用新型的其他实施例中，对称性接收线圈的信号先通过ADC采样对称性接收线圈的信号，然后进行数字值比较也可实现。

在对称接收电路部分增设了受流量/角速度MCU单元控制的快速放电电路，每次采样周期，对称电路比较结束后，启动快速放电技术，防止本次采样的残留感应电动势影响下一次采样周期，这样可以降低CPU功耗、增加采样频率，以方便对被检测设备进行检测。各功能模块使用供电设备供电。供电设备采用内置电池、外接220V电源或者通过电压转化为12V、5V、3.3V直流电压供电，优选地，供电设备采用内置电池供电。

如图2-5所示，在具体实施过程中，对称性接收线圈的数量设置有16个，分布在圆形线圈中，这样共有32个状态机，有足够的状态机窗口来消除抖动，能够更好的进行正反流检测，当正反流切换的时候，方便进行流量补偿计算。也由于能够很好的消除抖动，所以对检测设备和被检测设备的装配工艺尺寸要求比较低，更利于规模化量产，容错性强。

在本实用新型的其他实施例中，采用8个对称性接收线圈也可以实现，但是 8个对称性接收线圈做为流量计和角速度传感器精度不高。

在具体实施过程中，金属割片呈半圆形，且对称性接收线圈360度分成16 等分，从而形成32个状态机，能够更好的计算角速度精确度和流量精度。在本实用新型的其他实施例中，金属割片呈半月形、半月环形、弧形或超过180的弧形都可以。

在具体实施过程中，传输单元为NBIOT、GPRS或者LORA。优选地，传输单元为NBIOT频段。

在具体实施过程中，增值业务处理MCU单元包括流量检测增值业务处理和角速度检测增值业务处理。其中，流量检测增值业务处理包括日累计流量统计、月累计流量统计、异常流量使用检测处理及告警等等；角速度检测增值业务处理包括角速度的计算、角速度公差计算、异常角速度检测及采样速率的自动智能适配、角速度按时间段累计统计值等等。

在具体实施过程中，流量/角速度MCU单元包括正流检测、反流检测、正反流切换检测、正反流切换检测及补偿算法、角速度检测。

在具体实施过程中，还包括红外可编程通讯接口模块，红外可编程通讯接口模块与主控MCU单元相连接，用于实现数据初始化、数据写入以及功能设置、读流量、读取角速度等功能。无线通讯模块投入使用时，利用红外可编程通讯接口模块激活，进行设置并写入对应连接仪表的仪表号等。

如图3所示，图3黑色部分为磁通量敏感材质，灰色部分为磁通量非敏感材质。如图6所示，图6的上半部分是对称性发送线圈和对称性接收线圈，对称性发送线圈和对称性接收线圈位于同一个平面上，且呈同心圆；图6的下半部分是被检测设备，其中黑色部分是金属割片等对磁通量敏感材质，灰色部分是对磁通量非敏感材质如塑料等。被检测设备和对称性发送线圈、对称性接收线圈在柱形坐标系内是沿Z轴平行的，圆心都处于原点处。图6上半部分的对称性发送线圈、对称性接收线圈是固定不动的，下半部分的被检测设备围绕自己的圆心旋转。磁通量敏感材质和不敏感材质引起的感应电动势电压是不同的，利用磁通量变化引起的感应电动势变化差检测被检测设备的旋转的位移和角速度。

对称性发送线圈发送激励波，由于对称性接收线圈位于对称性发送线圈同心圆内，所以内圈16个对称性接收线圈的磁通量和磁通量变化率应该都是相同的。但是由于被检测设备的存在，导致16个对称性接收线圈的磁通量和磁通量变化率不相同。参考图6，垂直于这两个平面，由下半部的圆(黑/灰各一半的圆) 投影到图6上半部的圆上，那么黑/灰部分各有一半投影到对称性接收线圈上。在黑色投影区的对称性接收线圈部分，其磁通量和磁通量变化率应该都是相同的。在灰色投影区的对称性接收线圈部分，其磁通量和磁通量变化率应该都是相同的。黑色投影区和灰色投影区磁通量和磁通量变化率肯定是不相同的。

由上可知，如果1线圈在黑色区域，那么9号线圈肯定在灰色区域，1和9 是对称线圈，1和9线圈进行感应电动势比较。同理，2和10比较，3和11比较。(如果金属割片不是半圆形，也按照对称线圈比较)。在黑色投影区的接收线圈感应电动势高于灰色投影区的感应电动势。通过比较线圈1和9、2和10、3 和11、4和12、5和13、6和14、7和15、8和16的感应电动势高低，就可以准确的判定出金属割片的位置。

启动快速放电电路，释放感应电动势累积的电量，以消除对下次采样的影响。根据线圈1和9、2和10、3和11、4和12、5和13、6和14、7和15、8和16 的感应电动势高低的比较值，流量/角速度MCU单元启动算法(正流算法、反流算法、正流反流切换算法、角速度算法)，计算出正流量、反流量、角速度、正反流切换的流量补偿差。

如图7所示，R8,R9:10Mohm电阻，R7,R10:10ohm电阻，C5,C7:200pf电容；U2:比较器，low power，push-pull output。快速放电电路实现两个功能： 1.对电容充电，给被测量信号上加偏置电位。2.对检测信号快速放电,加快对两个输入信号电压比较的检测，减少MCU处理的等待时间。当加偏置电压时，MCU_P0 和MCU_P1分别通过R8和R9电阻对C5和C7充电。当快速放电时,MCU_P3和 MCU_P4分别通过R7和R10电阻对C5和C7放电。

工作过程：

金属割片固定在机械表盘上的旋转部分。机械表盘式仪表工作时，金属割片切割磁力线，对称性接收线圈用于获取金属割片的切割磁力线区域以及未被金属割片切割的磁力线区域的信号，对称性接收线圈将接收到的信号通过比较器比较以后，以数字信号的形式送入流量/角速度MCU单元进行分析、计算、累积。以此可以检测出金属割片的旋转圈数(流量)和角速度。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器，包括电路板,其特征在于：所述电路板上设置有电源处理模块、主控MCU单元、增值业务处理MCU单元、流量/角速度MCU单元、对称性发送线圈、至少8个对称性接收线圈、快速充放电单元、被检测设备：

所述被检测设备为对称结构，其中一半是对磁通量变化敏感的材质，另外一半是对磁通量变化不敏感的材质，所述被检测设备切割磁力线，所述对称性接收线圈用于获取所述被检测设备的切割磁力线区域以及被检测设备未切割的磁力线区域的信号，所述对称性接收线圈将接收到的信号通过比较器比较以后，以数字信号的形式送入流量/角速度MCU单元进行分析、计算、累积，在对称接收电路部分增设了受所述流量/角速度MCU单元控制的快速放电电路，所述电源处理模块、主控MCU单元、增值业务处理MCU单元、流量/角速度MCU单元、对称性发送线圈、至少8个对称性接收线圈、快速充放电单元使用供电设备供电。

2.根据权利要求1所述的一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器，其特征在于：所述对称性接收线圈的数量设置有16个。

3.根据权利要求2所述的一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器，其特征在于：所述被检测设备为圆形旋转设备，金属割片位于所述圆形旋转设备上，所述金属割片以圆心点呈对称结构，且与所述圆形旋转设备同心圆设置。

4.根据权利要求1所述的一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器，其特征在于：还包括传输单元。

5.根据权利要求4所述的一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器，其特征在于：所述传输单元包括NBIOT、GPRS、LORA或FSK。

6.根据权利要求4所述的一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器，其特征在于：所述增值业务处理MCU单元包括流量检测增值业务处理和角速度检测增值业务处理。

7.根据权利要求1所述的一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器，其特征在于：所述流量/角速度MCU单元包括正流检测、反流检测、正反流切换检测、正反流切换检测及补偿算法、角速度检测。

8.根据权利要求4所述的一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器，其特征在于：还包括红外可编程通讯接口模块，所述红外可编程通讯接口模块与所述主控MCU单元相连接。

9.根据权利要求1所述的一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度传感器，其特征在于：所述供电设备采用内置电池、外接220V电源或者通过电压转化为12V、5V、3.3V直流电压供电。

Images