一種基于電磁感應(yīng)的角度傳感器的線圈結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電磁感應(yīng)的角度傳感器的線圈結(jié)構(gòu)，包括激勵線圈、次級線圈和反饋線圈，所述反饋線圈位于所述激勵線圈和次級線圈的正上方，所述反饋線圈包括由三個扇葉形輪廓線所圍成的閉合線圈，在每個扇葉形輪廓線內(nèi)，自外周向中心依次布置有多條與扇葉形頂部輪廓等距的線，每條線的兩端均連接至該扇葉形的兩側(cè)輪廓線上。當(dāng)角度傳感器工作時，該線圈結(jié)構(gòu)能夠使得在同樣激勵條件下有效的增加感應(yīng)信號的強(qiáng)度，增大感生電動勢，以利于后續(xù)電路的信號采集，從而減輕了后面信號處理電路的設(shè)計(jì)壓力。
【專利說明】-種基于電磁感應(yīng)的角度傳感器的線圈結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明通過改善線圈的結(jié)構(gòu)和形狀，有效提高線圈的電磁感應(yīng)信號的強(qiáng)度，以利 于信號的采樣與處理。

【背景技術(shù)】
[0002] 傳感器作為一種精確的信息采集裝置，在各種計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，信息 處理速度越來越快的現(xiàn)代社會，有著信息源泉的作用。世界上許多發(fā)達(dá)國家都以傳感技術(shù) 為基礎(chǔ)，帶動其它新技術(shù)的發(fā)展。實(shí)際上，傳感器作為一種信息輸入器件，它的發(fā)展可以引 起相應(yīng)電子系統(tǒng)和相關(guān)芯片的更新?lián)Q代，成為信息時代新技術(shù)的真正發(fā)展動力和源泉。世 界傳感器市場在近些年間也以極快的速度增長，年平均增速大于10 %，帶動了與之相關(guān)的 信息產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，成為推動世界經(jīng)濟(jì)的核心科技因素之一?，F(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)和第三產(chǎn) 業(yè)其產(chǎn)業(yè)形式較半個世紀(jì)前有了翻天覆地的變化，主要原因是以傳感器為基礎(chǔ)的信息技術(shù) 的廣泛應(yīng)用帶來的生產(chǎn)方式變革。角度傳感器，作為一種角度測量工具，在儀器儀表測量、 工業(yè)自動化和航空航海等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用市場。在上述各領(lǐng)域均需要對方位角或俯仰 角等多種動態(tài)角度進(jìn)行精密測試，因此設(shè)計(jì)高精度、高可靠性的角度傳感器不僅是相關(guān)行 業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)各種重要設(shè)備的迫切需求，同時也是一個國家工業(yè)化、信息化水平的標(biāo)志。
[0003] 由于測量精度和成本的雙重要求，現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的角度傳感器主要采用非接觸式 電磁感應(yīng)耦合式角度傳感器。目前，國外一些高校、科研機(jī)構(gòu)和公司在感應(yīng)耦合式探測技術(shù) 領(lǐng)域相繼開展研究工作，對角度傳感器和其信號處理芯片有了大量成熟產(chǎn)品，如用于汽車 安全電子領(lǐng)域的由德國海拉公司所研制的汽車角度隨動傳感系統(tǒng)（含芯片）在汽車電子領(lǐng) 域占有大量的市場。于此同時，國內(nèi)對感應(yīng)耦合式角度傳感系統(tǒng)的研究主要集中在科研機(jī) 構(gòu)和高校，雖然近年來做了一定的研究，但研究成果相對較少。目前國內(nèi)汽車電子和相關(guān)設(shè) 備所使用的角度傳感系統(tǒng)均由國外廠商生產(chǎn)，由于國內(nèi)并無相關(guān)產(chǎn)品，這些角度傳感系統(tǒng) 及相關(guān)芯片的價(jià)格始終被國外廠商把持。由于價(jià)格原因，大部分國產(chǎn)中低檔汽車和相關(guān)設(shè) 備，無法全部配備該種傳感系統(tǒng)。
[0004] 為了打破國外廠商對感應(yīng)耦合式角度傳感領(lǐng)域的技術(shù)和價(jià)格壟斷，增強(qiáng)我國在該 領(lǐng)域的競爭力，開發(fā)國內(nèi)潛在的傳感器市場，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的感應(yīng)耦合式角度傳 感系統(tǒng)變得十分必要和迫切。
[0005] 經(jīng)過專利檢索，已有人提出了一種三扇葉形的電磁感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)，如圖1所示，此 結(jié)構(gòu)包括激勵線圈1、次級線圈3和反饋線圈2三部分，其中反饋線圈2的形狀如圖2 (a)所 示，通過反饋線圈2的轉(zhuǎn)動致使感應(yīng)線圈上的信號發(fā)生變化，而感應(yīng)線圈的變化是與反饋 線圈的轉(zhuǎn)動角度相對應(yīng)的，以此來反解角度。但是這種解角度的方法依賴于感應(yīng)線圈上的 信號變化。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種基于電磁感應(yīng)的角度傳感器，當(dāng)角 度傳感器工作時，該結(jié)構(gòu)能夠使得在同樣激勵條件下有效的增加感應(yīng)信號的強(qiáng)度，減輕后 面信號處理電路的設(shè)計(jì)壓力。
[0013] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種基于電磁感應(yīng)的角度傳感器的線圈結(jié)構(gòu)，包 括激勵線圈、次級線圈和反饋線圈，所述反饋線圈位于所述激勵線圈和次級線圈的正上 方，所述反饋線圈包括由三個扇葉形輪廓線所圍成的閉合線圈，在每個扇葉形輪廓線內(nèi)，自 外周向中心依次布置有多條與扇葉形頂部輪廓等距的線，每條線的兩端均連接至該扇葉形 的兩側(cè)輪廓線上。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0015] 本發(fā)明中通過采用如圖2(b)所示的反饋線圈的結(jié)構(gòu)，可以有效地增強(qiáng)線圈間的 磁感應(yīng)強(qiáng)度，增大感生電動勢，以利于后續(xù)電路的信號采集。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1現(xiàn)有技術(shù)中一種電磁感應(yīng)線圈的3D結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖2(a)是現(xiàn)有技術(shù)電磁感應(yīng)線圈中反饋線圈的形狀示意圖；
[0018] 圖2(b)是本發(fā)明基于電磁感應(yīng)的角度傳感器的線圈結(jié)構(gòu)中反饋線圈的形狀示意 圖；
[0019] 圖3是本發(fā)明基于電磁感應(yīng)的角度傳感器的線圈結(jié)構(gòu)的3D圖；
[0020] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中次級線圈的電壓信號與反饋線圈轉(zhuǎn)動角度之間的關(guān)系圖；
[0021] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中次級線圈感應(yīng)電動勢隨反饋線圈的環(huán)數(shù)的變化圖；
[0022] 圖6是具有本發(fā)明線圈結(jié)構(gòu)的角度傳感器系統(tǒng)工作圖。
[0023] 圖2(a)和圖2(b)中的網(wǎng)格為坐標(biāo)紙網(wǎng)格線。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0025] 在各領(lǐng)域中，許多情況需要對方位角或俯仰角等多種動態(tài)角度進(jìn)行精密測試，因 此設(shè)計(jì)高精度、高可靠性的角度傳感器不僅是相關(guān)行業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)各種重要設(shè)備的迫切需 求，同時也是一個國家工業(yè)化、信息化水平的標(biāo)志?？紤]測量精度和成本的兩種因素的折 中，角度傳感器多數(shù)采用非接觸式電磁感應(yīng)耦合式角度傳感器，而此種角度傳感器的難度 則主要集中于電磁感應(yīng)信號的采集。
[0026] 通常，角度傳感器的線圈結(jié)構(gòu)如圖1所示，線圈主要包括三部分：激勵線圈、次級 線圈和反饋線圈。其中激勵線圈需要供入正弦激勵信號，從而使線圈周圍產(chǎn)生交變的電磁 場。反饋線圈是一個閉合線圈，如圖2(a)所示，它的位置和相對次級線圈的角度變化會影 響空間電磁場的強(qiáng)度和分布，從而使次級線圈上感應(yīng)的電磁信號發(fā)生變化。次級線圈同時 接收激勵線圈和反饋線圈的磁場影響：激勵線圈對次級線圈的影響使其產(chǎn)生一個固定的感 生電動勢，且這個感生電動勢對于圖1中的三路線圈都是一樣的；加入反饋線圈之后，次級 線圈上也會相應(yīng)的感應(yīng)出一個額外的電動勢，這個額外電動勢是有用信號，包含了反饋線 圈的角度信息，后面的電路就是利用這個信號和一些數(shù)學(xué)方法求解其中的角度值信息。
[0027] 根據(jù)電磁場的基本原理，交變的電磁場會在線圈中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動勢，感應(yīng) 電動勢由下面的公式?jīng)Q定：
[0028] E = ηΔ Φ/At (1)
[0029] Φ = BS (2)
[0030] 公式⑴和公式（2)中，S表示反饋線圈與次級線圈的磁感應(yīng)面積，Β表示磁感應(yīng) 強(qiáng)度，Φ表示磁通量，η表示線圈阻數(shù)，Δ Φ表示磁通量的變化量。
[0031] 根據(jù)交變電磁場的互感原理結(jié)合本電磁耦合傳感器的具體結(jié)構(gòu)，次級線圈中的感 應(yīng)電壓信號應(yīng)分為兩個部分：①當(dāng)不存在反饋線圈時，主線圈和次級線圈直接互感的交變 正弦信號，這是典型的電感互感，其幅值記為②當(dāng)主線圈與次級線圈正上方加入反饋線 圈后，反饋線圈會影響原先電磁場的分布，在各個次級線圈中增加一個最大幅值為Β的感 生電動勢。同時由于正上方的反饋線圈具有方向性，即反饋強(qiáng)度與反饋線圈在次級線圈上 的投影角度值有關(guān)，故反饋線圈對次級線圈感生電壓的影響記為B*f( Θ )。因此次級線圈上 的感生電壓信號可表不為：
[0032] V = [A0+B*fi ( Θ ) ] *sin ω 〇t (3)
[0033] i = 1，2, 3,分別指三組次級線圈，為主線圈上所加激勵信號的角頻率，亦即LC 振蕩器的振蕩角頻率。三組線圈物理位置兩兩相差40°，因此?\(θ) =f2(0-4〇° )= f3( θ-80° ) = f( θ )，即三組次級線圈滿足相同的函數(shù)形式。三組次級線圈的輸出信號可 以表示如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于電磁感應(yīng)的角度傳感器的線圈結(jié)構(gòu)，包括激勵線圈、次級線圈和反饋線 圈，所述反饋線圈位于所述激勵線圈和次級線圈的正上方，所述反饋線圈包括由三個扇葉 形輪廓線所圍成的閉合線圈，其特征在于， 在每個扇葉形輪廓線內(nèi)，自外周向中心依次布置有多條與扇葉形頂部輪廓等距的線， 每條線的兩端均連接至該扇葉形的兩側(cè)輪廓線上。
【文檔編號】G01C1/00GK104217836SQ201410448163
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】趙毅強(qiáng), 呂增曉, 李旭 申請人:天津大學(xué)