專利名稱：采用tmr磁性傳感器的智能流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種流量計，具體是一種采用TMR磁性傳感器的智能流量計。
背景技術(shù)：
通常流量計信號采集所選用的傳感器，主要是干簧管，霍爾元件和韋根傳感器。由磁體和干簧管作為提取信號的傳感系統(tǒng)，當磁體靠近干簧管簧片時，磁力大到 能克服簧片的彈力時，簧片就吸合短接；當磁體遠離簧片，吸引力小于彈力時簧片就分開， 即一個脈沖發(fā)出。干簧管具有使用方便、價格低廉、安裝簡單等特點。但作為觸點開關(guān)，它 又具有脈沖波形差、維護性差、觸點易抖動、易受外磁場及震動(如水錘現(xiàn)象)干擾等固有 缺陷。應(yīng)用于智能流量計中的霍爾傳感器主要是低功耗開關(guān)型霍爾集成元件，該傳感器 利用霍爾效應(yīng)，實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，從而可將智能流量計中計量元件的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為磁場的周期 性變化，從而將磁場的變化轉(zhuǎn)化為高、低電平的輸出。它具有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、壽命長、安 裝方便、功耗小、耐震動、輸出波形清晰、無抖動、位置重復(fù)精度高等優(yōu)點。但是從霍爾元件 的降耗原理來看，對于功耗數(shù)十微瓦的霍爾傳感器，其響應(yīng)頻率一般為20Hz 30Hz，而智 能流量計，特別是智能水表的初級計量元件的轉(zhuǎn)動頻率通常為30Hz，因此低功耗霍爾元件 一般應(yīng)用于次級計量元件的流量信號采集，這限制了霍爾元件在智能水表領(lǐng)域的應(yīng)用范 圍。韋根傳感器的工作原理是，傳感器中的雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料在交變外磁場的激勵 下，磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，而當外磁場撤離后，它瞬間恢復(fù)到原有的磁化方向，由此在合 金材料周圍的檢測線圈中會感生電信號，從而實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。這種傳感器的最大特點是無 須使用外加電源(零功耗)、無機械觸點、無震動影響等，適用于微功耗儀表。它的缺點是輸 出幅值低，只有IV左右，脈寬也只有30幾個微秒。不利于信號遠傳，只能用于近距離采集、 處理。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種采用TMR磁性傳感器 的智能流量計，可應(yīng)用在水量，油量，氣體，熱能等測量領(lǐng)域。按照本實用新型提供的技術(shù)方案，所述采用TMR磁性傳感器的智能流量計包括 流量計外殼，所述流量計外殼被保護層分隔為流體通道和流量計傳感器區(qū)域；在所述流體 通道內(nèi)設(shè)有與流量計外殼連接的支架，所述支架上安裝旋轉(zhuǎn)葉輪，旋轉(zhuǎn)葉輪兩端分別設(shè)置 一個N極朝上的小磁體和一個S極朝上的小磁體；在所述流量計傳感器區(qū)域設(shè)置有TMR流量計傳感器，所述TMR流量計傳感器包括 與TMR傳感器芯片連接的無線及有線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)顯示面板，所述TMR傳感器芯片、 無線及有線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)顯示面板均連接系統(tǒng)及電源管理模塊。在所述TMR流量計傳感器和系統(tǒng)及電源管理模塊外包裹有磁性屏蔽層，所述磁性
3屏蔽層位于流量計外殼內(nèi)。 所述TMR傳感器芯片包括兩個TMR電橋，所述兩個TMR電橋的輸出連接傳感器專 用ASIC芯片，再連接微型中央處理器和存儲單元。 所述TMR電橋包括兩個TMR磁阻傳感器元件，兩個TMR磁阻傳感器元件的磁性被 釘扎層的磁矩方向相互反平行，磁性自由層的方向相互平行。所述兩個TMR電橋相互平行排列，并且之間留有距離。在所述保護層上固定所述TMR傳感器芯片、無線及有線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)顯示 面板、系統(tǒng)及電源管理模塊。本實用新型的工作原理是當有被測量流體通過時，流體帶動旋轉(zhuǎn)葉輪旋轉(zhuǎn)，從而 帶動N極朝上的小磁體和S極朝上的小磁體同時旋轉(zhuǎn)，當N極朝上的小磁體經(jīng)過TMR傳感 器芯片時，TMR傳感器芯片輸出高電平，當S極朝上的小磁體經(jīng)過TMR傳感器芯片時，TMR傳 感器芯片輸出低電平。高低電平通過微型中央處理器進行處理后，存儲到流量計數(shù)據(jù)存儲 單元，可通過數(shù)據(jù)顯示面板顯示，也可通過無線或有線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)及 電源管理模塊的功能是協(xié)調(diào)控制整個TMR流量傳感器系統(tǒng)和對系統(tǒng)提供低功耗控制。本實用新型的優(yōu)點是功耗微小、工作頻率范圍寬、工作溫度范圍寬、結(jié)構(gòu)牢固、體 積小、壽命長、安裝方便、耐震動、輸出波形清晰、無抖動、位置重復(fù)精度高，電磁屏蔽結(jié)構(gòu)簡 單，防倒轉(zhuǎn)錯誤計算等。

圖1是隧道結(jié)磁阻效應(yīng)(TMR)原理及結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是TMR電橋的工作原理及結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是TMR流量計傳感器的電路框圖；圖4是TMR流量計的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是單個TMR電橋的信號輸出波形圖；圖6是流量計正轉(zhuǎn)時TMR電橋的信號輸出波形圖；圖7是流量計倒轉(zhuǎn)時TMR電橋的信號輸出波形圖。
具體實施方式
本實用新型涉及一種采用TMR磁性傳感器的智能流量計。包括流量計外殼，旋轉(zhuǎn) 葉輪，旋轉(zhuǎn)葉輪支架，一個N極朝上的小磁體和一個S極朝上的小磁體，流量計的進出口，磁 性屏蔽層，流量計芯片與流體隔離的保護層，流量計芯片(TMR傳感芯片，無線及有線數(shù)據(jù) 收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)顯示面板和系統(tǒng)及電源管理模塊)。
以下結(jié)合附圖，對本實用新型予以進一步地詳盡闡述。TMR隧道結(jié)磁阻效應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)，如圖1 (a)所示，由納米級多層膜組成釘扎層1， 磁性被釘扎層2，非磁性氧化物層3，磁性自由層4。磁性被釘扎層2的磁矩方向如5所示。 磁性自由層4的磁矩方向如6所示。磁性被釘扎層2的磁矩方向5與磁性自由層4的磁矩 方向6相互垂直。磁性自由層4的磁矩方向6隨著外加磁場7的大小和方向的改變而變化。隧道結(jié)磁阻效應(yīng)(TMR)的工作原理，隧道結(jié)TMR的磁阻隨著磁性自由層4的磁矩 方向6與磁性被釘扎層2的磁矩方向5的夾角的變化而變化。當磁性自由層4的磁矩方
4向6隨著外加磁場7的大小和方向的改變而變化時，隧道結(jié)TMR的磁阻也隨之變化。如圖 1 (b)所示，當外加磁場7的方向與被釘扎層2的磁矩方向5平行時，同時外加磁場的強度大 于Hl時，磁性自由層4的磁矩方向與外加磁場7的方向平行，進而與磁性被釘扎層2的磁 矩方向5平行，如8所示，這時隧道結(jié)TMR的磁阻最小。當外加磁場7的方向與被釘扎層2 的磁矩方向5反平行時，同時外加磁場的強度大于H2時，磁性自由層4的磁矩方向與外加 磁場7的方向反平行，進而與磁性被釘扎層2的磁矩方向5反平行，如9所示，這時隧道結(jié) TMR的磁阻最大。Hl與H2之間的磁場范圍就是TMR的測量范圍。TMR電橋的結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示，由了兩個TMR元件組成214和215。其中TMR元 件214的磁性被釘扎層的磁矩方向216與TMR元件215的磁性被釘扎層的磁矩方向217方 向反平行。TMR元件214和215的磁性自由層的方向218和219相互平行。電極211，212 是TMR電橋的電壓輸入端，電極213是TMR電橋的電壓輸出端。TMR電橋的工作原理，如圖2 (b)所示，TMR電橋的輸出電壓V隨著外磁場7的方向 和大小的改變而發(fā)生變化。當外加磁場7的方向為負(_)且磁場強度大于Hl時，TMR電橋 的輸出電壓最低。當外加磁場7的方向為正⑴且磁場強度大于H2時，TMR電橋的輸出電 壓最高。Hl與H2之間的磁場范圍就是TMR惠斯通電橋的測量范圍。如圖3所示，TMR流量計傳感器的結(jié)構(gòu)包括與TMR傳感器芯片312連接的無線及 有線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊315和數(shù)據(jù)顯示面板319，所述TMR傳感器芯片312、無線及有線數(shù)據(jù)收 發(fā)模塊315和數(shù)據(jù)顯示面板319均連接系統(tǒng)及電源管理模塊316。TMR傳感器芯片312包括兩個TMR電橋317，所述兩個TMR電橋317的輸出連接傳 感器專用ASIC芯片313，再連接微型中央處理器和存儲單元314。這些芯片可以封裝在同 一模塊內(nèi)，也可以不封裝在同一模塊內(nèi)。如圖4所示，TMR流量計的結(jié)構(gòu)包括流量計外殼414和421，流量計進出口 411和 412，旋轉(zhuǎn)葉輪413，旋轉(zhuǎn)葉輪支架415，一個N極朝上的小磁體417和一個S極朝上的小磁 體416，N極朝上的小磁體417產(chǎn)生的磁場418，S極朝上的小磁體416產(chǎn)生的磁場419，磁性 屏蔽層422，流量計傳感器與流體隔離的保護層420，TMR傳感器芯片312，系統(tǒng)及電源管理 模塊316，數(shù)據(jù)顯示面板無線及有線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊319，315。所述流量計外殼414，421被保 護層420分隔為流體通道和流量計傳感器區(qū)域；在所述流體通道內(nèi)設(shè)有與流量計外殼414 連接的支架415，所述支架415上安裝旋轉(zhuǎn)葉輪413，所述N極朝上的小磁體417和S極朝 上的小磁體416與旋轉(zhuǎn)葉輪413相連，并可以隨著旋轉(zhuǎn)葉輪413的旋轉(zhuǎn)而同步旋轉(zhuǎn)。在所 述流量計傳感器區(qū)域設(shè)置TMR流量計傳感器，在所述保護層上固定所述TMR傳感器芯片、無 線及有線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)顯示面板、系統(tǒng)及電源管理模塊。TMR流量計傳感器和系統(tǒng)及電源管理模塊外罩有磁性屏蔽層，所述磁性屏蔽層位 于流量計外殼內(nèi)。所述磁性屏蔽層只屏蔽TMR磁性傳感器芯片和系統(tǒng)及電源管理模塊，并 不妨礙TMR磁性傳感器芯片感應(yīng)流量計內(nèi)部磁體的磁場信號。TMR流量計的工作原理是當有被測量流體通過流量計進出口 411，412流過時，流 體帶動旋轉(zhuǎn)葉輪413旋轉(zhuǎn)，從而帶動N極朝上的小磁體417和S極朝上的小磁體416同時旋 轉(zhuǎn)，當N極朝上的小磁體417經(jīng)過TMR傳感器芯片312時，TMR傳感器芯片感應(yīng)磁場418輸 出高電平，當S極朝上的小磁體416經(jīng)過TMR傳感器芯片312時，TMR傳感器芯片輸出感應(yīng) 磁場418低電平。隔離的保護層420的功能是隔離被測流體與傳感器模塊及相應(yīng)的電路。磁性屏蔽層422屏蔽外界磁性的干擾。TMR流量計傳感器的工作原理是TMR電橋芯片317，318采集流量計N極朝上的小 磁體和S極朝上的小磁體產(chǎn)生的磁場信息，并傳遞到傳感器專用芯片ASIC 313進行信號處 理，處理后的TMR電橋317和318的信號如圖5所示，當N極朝上的小磁體417經(jīng)過TMR電 橋317和318，信號為高電平，當S極朝上的小磁體416經(jīng)過TMR電橋317和318，信號為低 電平。由于TMR電橋317和318的位置不同(如圖3所示)，當流量計正轉(zhuǎn)時，磁體先經(jīng)過 TMR電橋317，然后是TMR電橋318，所以TMR電橋317的信號變化先于TMR電橋318的信 號變化，如同6所示，TMR電橋317的信號變化611先于TMR電橋318的信號612變化。當 流量計倒轉(zhuǎn)時，磁體先經(jīng)過TMR電橋318，然后是TMR電橋317，所以TMR電橋318的信號變 化先于TMR電橋317的信號變化，如同7所示，TMR電橋318的信號變化612先于TMR電橋 317的信號611變化。微型中央處理器MCU和存儲單元314從傳感器專用芯片ASIC 313采集處理后的 信號并進一步處理成流量數(shù)據(jù)并存儲。流量數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)顯示面板319顯示，也可以通 過無線及有線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊315向外傳輸。系統(tǒng)及電源管理模塊316的功能是是協(xié)調(diào)控制 整個TMR流量傳感器系統(tǒng)和對系統(tǒng)提供低功耗控制。種采用TMR磁性傳感器的智能流量計的特點是功耗微小、工作頻率范圍寬、工作 溫度范圍寬、結(jié)構(gòu)牢固、體積小、壽命長、安裝方便、耐震動、輸出波形清晰、無抖動、位置重 復(fù)精度高，電磁屏蔽結(jié)構(gòu)簡單，防倒轉(zhuǎn)錯誤計算等。
權(quán)利要求采用TMR磁性傳感器的智能流量計，其特征是包括流量計外殼，所述流量計外殼被保護層分隔為流體通道和流量計傳感器區(qū)域；在所述流體通道內(nèi)設(shè)有與流量計外殼連接的支架，所述支架上安裝旋轉(zhuǎn)葉輪，旋轉(zhuǎn)葉輪兩端分別設(shè)置一個N極朝上的小磁體和一個S極朝上的小磁體；在所述流量計傳感器區(qū)域設(shè)置有TMR流量計傳感器，所述TMR流量計傳感器包括與TMR傳感器芯片連接的無線及有線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)顯示面板，所述TMR傳感器芯片、無線及有線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)顯示面板均連接系統(tǒng)及電源管理模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的流量計，其特征是在所述TMR流量計傳感器和系統(tǒng)及電源管理 模塊外包裹有磁性屏蔽層，所述磁性屏蔽層位于流量計外殼內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的流量計，其特征是所述TMR傳感器芯片包括兩個TMR電橋，所述 兩個TMR電橋的輸出連接傳感器專用ASIC芯片，再連接微型中央處理器和存儲單元。
4.如權(quán)利要求3所述的流量計，其特征是所述TMR電橋包括兩個TMR磁阻傳感器元件， 兩個TMR磁阻傳感器元件的磁性被釘扎層的磁矩方向相互反平行，磁性自由層的方向相互 平行。
5.如權(quán)利要求3所述的流量計，其特征是所述兩個TMR電橋相互平行排列，并且之間留有距離。
6.如權(quán)利要求1所述的流量計，其特征是在所述保護層上固定所述TMR傳感器芯片、無 線及有線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)顯示面板、系統(tǒng)及電源管理模塊。 專利摘要本實用新型涉及一種采用TMR磁性傳感器的智能流量計。包括TMR流量計傳感器、流量計外殼、旋轉(zhuǎn)葉輪、旋轉(zhuǎn)葉輪支架、一個N極朝上的小磁體和一個S極朝上的小磁體、流量計的進出口、磁性屏蔽層、流量計芯片與流體隔離的保護層。當有被測量流體通過時，流體帶動旋轉(zhuǎn)葉輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動N極朝上的小磁體和S極朝上的小磁體同時旋轉(zhuǎn)，TMR傳感器感應(yīng)磁場，從而達到計量的目的。本實用新型的優(yōu)點是功耗微小、工作頻率范圍寬、工作溫度范圍寬、結(jié)構(gòu)牢固、體積小、壽命長、安裝方便、耐震動、輸出波形清晰、無抖動、位置重復(fù)精度高，電磁屏蔽結(jié)構(gòu)簡單，防倒轉(zhuǎn)錯誤計算等。
文檔編號G01F1/58GK201748938SQ201020217378
公開日2011年2月16日 申請日期2010年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者王建國, 薛松生 申請人:王建國;薛松生