本發(fā)明屬于角位移傳感器，尤其是一種用于高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)的角位移傳感器。

背景技術(shù)：

高壓斷路器在電力系統(tǒng)中起著重要的控制和保護(hù)作用，它的功能相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，關(guān)合正常電路使其投入電網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)它能及時(shí)切斷電路，以免給電網(wǎng)帶來危害。高壓斷路器隨著自身的運(yùn)行時(shí)間加長和一些環(huán)境因素，伴隨著有各種故障發(fā)生，其中機(jī)械故障是最常見且最多的，高壓斷路器在運(yùn)行中，其操動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及動(dòng)靜觸頭等部件，需要承受沖擊、振動(dòng)、摩擦等各種能量的作用，當(dāng)能量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，將導(dǎo)致有害過程的出現(xiàn)，引起機(jī)械零部件初始性能和狀態(tài)的變化。如儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)以一定的動(dòng)力和速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，將互相產(chǎn)生有害的摩擦過程，摩擦的結(jié)果將導(dǎo)致儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化。可見隨著有害過程的發(fā)展，首先將零部件出現(xiàn)損傷，具體表現(xiàn)為磨損、變形、裂紋、疲勞、腐蝕等。隨著損傷程度的進(jìn)一步擴(kuò)大，機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)逐漸超出允許值。若機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)超出允許值，而功能輸出參數(shù)并未超出允許極限范圍，則認(rèn)為高壓斷路器機(jī)械出現(xiàn)了潛在故障，對(duì)應(yīng)狀態(tài)為失常狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)通過適當(dāng)?shù)臋z查與維護(hù)予以消除；若結(jié)構(gòu)參數(shù)超過極限值后，功能輸出參數(shù)也超出允許值，則認(rèn)為高壓斷路器機(jī)械發(fā)生了功能故障，對(duì)應(yīng)狀態(tài)為故障狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)通過修理排除相應(yīng)的故障。

高壓斷路器位于電網(wǎng)與負(fù)荷系統(tǒng)之間，工作在高電壓、大電流狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置及傳感器種類繁多且復(fù)雜，選擇不適當(dāng)?shù)臋z測(cè)傳感器會(huì)影響系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。傳感器中的敏感材料的選用是最為重要的，敏感材料的主要功能是接收光、聲、電、熱、磁、機(jī)械、化學(xué)等形式的能量信號(hào)，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。按工作原理，敏感材料可分為結(jié)構(gòu)型、物理型和復(fù)合型三類，以物理型為例，物理型的敏感材料的敏感原理是利用材料的某種宏觀屬性的變化，這種屬性主要包括物理特性、化學(xué)特性和生物特性。其中物理特性敏感材料是根據(jù)無力特性變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的敏感材料，如熱敏電阻、光敏電阻、巨磁阻效應(yīng)等。測(cè)量轉(zhuǎn)速、角位移時(shí)所需要的敏感材料，一般用光、磁兩個(gè)種類的比較多，從靈敏度和精確度方面來講，磁生電要比光電轉(zhuǎn)換適用于電力設(shè)備，現(xiàn)在電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備大多使用封裝式組合器件會(huì)使光電轉(zhuǎn)換的使用達(dá)不到預(yù)計(jì)的效果。

磁敏元件在均勻梯度和磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，輸出與磁場(chǎng)具有線性關(guān)系，通過其輸出的變化可以測(cè)量磁敏元件或者磁鋼的位移量。磁場(chǎng)的梯度越大，磁敏元件的輸出對(duì)位移的靈敏度越高，磁場(chǎng)的梯度越均勻，它的測(cè)量位移的精度就越高。測(cè)量線位移時(shí)，選用霍爾元件、磁敏二極管、磁敏三極管和磁敏電阻元件均可以。在角位移測(cè)量時(shí)，除了以上磁敏元件外，還可以選擇強(qiáng)磁體磁阻元件，因?yàn)槠漭敵鎏匦员容^特殊，當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到一定幅值后，輸出只與被測(cè)磁場(chǎng)和磁敏電阻的表面所成的角度相關(guān)，利用該特點(diǎn)來測(cè)量角位移具有其特殊的優(yōu)點(diǎn)。所以本專利選用磁敏元件作為敏感材料來達(dá)到需要的效果。

現(xiàn)有高壓斷路器機(jī)械監(jiān)測(cè)中所采的角位移傳感器大都來源于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位移檢測(cè)，而這類傳感器一般是單端輸出信號(hào)方式，輸出精確度低且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以滿足高壓斷路器運(yùn)行工況要求，常因復(fù)雜的機(jī)械損傷而出現(xiàn)誤診、漏診。因此，開發(fā)一種適用于滿足高壓斷路器運(yùn)行工況的角位移監(jiān)測(cè)傳感器非常必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)目前高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)中所采用角位移傳感器存在的不足，本發(fā)明公布了一種高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)用角位移傳感器。

本專利采用的技術(shù)方案是：一種高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)用角位移傳感器，包括永久磁鐵1、磁敏元件與檢測(cè)電路板2、聯(lián)軸器及連接軸3、信號(hào)輸出插座4、傳感器底座5、傳感器上蓋6、半開口彈性金屬卡環(huán)7、傳感器固定螺釘8、電路板固定螺釘9、磁鐵固定螺釘10；其特征是：所述傳感器由傳感器固定螺釘8固定于高壓斷路器的被測(cè)位置殼體上，通過聯(lián)軸器及連接軸3與高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的被測(cè)轉(zhuǎn)軸連接，永久磁鐵1由磁鐵固定螺釘10固定于連接軸端并與經(jīng)半開口彈性金屬卡環(huán)7徑向鎖緊且和傳感器底座5過盈裝配的連接軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移信息經(jīng)由電路板固定螺釘9固定于傳感器底座5內(nèi)的磁敏元件與檢測(cè)電路板2檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過固定于傳感器上蓋6內(nèi)的信號(hào)輸出插座4輸出；非接觸檢測(cè)角位移信息的磁敏元件、檢測(cè)電路均安裝在螺紋連接的傳感器上蓋與傳感器底座形成的圓柱形密封金屬殼體內(nèi)，可有效抑制高壓斷路器監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電磁干擾，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

在本發(fā)明中，所述的磁敏元件與檢測(cè)電路板2由磁敏元件hx1、hx2、hy1、hy2，電阻r1~r11，電容c1~c4，雙運(yùn)放ic1，具有adc和pwm功能的單片機(jī)ic2，輸出連接件jk1組成；磁敏元件hx1、hx2分別安裝在x方向的左、右，磁敏元件hy1、hy2分別安裝在y方向的上、下，且其磁敏感點(diǎn)均勻分布在直徑為d1的參考圓周上用于對(duì)永久磁鐵1在電路板表面分布的磁場(chǎng)垂直向量進(jìn)行檢測(cè)；運(yùn)放ic1b、電阻r1~r4和運(yùn)放ic1a、電阻r5~r8組成的放大電路分別用于對(duì)x、y方向的正交相關(guān)分量進(jìn)行差分放大，放大信號(hào)vx1-x2、vy1-y2經(jīng)電容c3、電阻r9和電容c4、電阻r10組成的低通濾波后分別送單片機(jī)ic2的兩個(gè)adc輸入端；單片機(jī)ic2對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣、處理后計(jì)算得角度偏移：θ≈arctan(vy1-y2/vx1-x2)，再將角度偏移θ轉(zhuǎn)換為pwm格式的數(shù)字信號(hào)通過連接件jk1輸出；r10為上拉電阻，電容c1解耦電容，c2旁路電容，磁敏元件優(yōu)選線性霍爾元件或磁敏電阻。

在本發(fā)明中，所述的永久磁鐵1是一個(gè)徑向磁化的（俯視：左側(cè)-右側(cè)）雙極圓形磁鐵，直徑為d、厚度為h，磁性材料優(yōu)選稀土alnico/smco5或ndfeb；厚度h≥2.5mm，磁敏感點(diǎn)分布參考圓直徑d1≤直徑d≤磁鐵最大可旋轉(zhuǎn)參考圓直徑d2；安裝時(shí)，圓形磁鐵的中心軸線要對(duì)準(zhǔn)磁敏感點(diǎn)分布參考圓的圓心。

在本發(fā)明中，所述的聯(lián)軸器及連接軸3包括通過螺紋連接在一起的可調(diào)節(jié)聯(lián)軸器和連接軸兩部分，可調(diào)節(jié)聯(lián)軸器由連接高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸的聯(lián)軸器輸入端5-1、通過螺紋與連接軸連接的聯(lián)軸器輸出端5-2、適應(yīng)不同大小被測(cè)軸的調(diào)節(jié)螺孔5-3、用于被測(cè)軸鎖緊的可伸縮夾片5-4組成，連接軸由一根整軸通過機(jī)加工出與可調(diào)節(jié)聯(lián)軸器連接的連接螺紋5-5、徑向固定連接軸于傳感器底座5的徑向固定卡口5-6、用于固定永久磁鐵1的磁鐵固定螺孔5-7而成。

在本發(fā)明中，所述的信號(hào)輸出插座4是一個(gè)通過外螺帽固定于傳感器上蓋6的金屬外殼五芯航空插座，五芯的信號(hào)定義分別是vcc、pwma/mosi、sck、pwmb/miso、gnd，可通過五芯屏蔽電纜與監(jiān)測(cè)裝置或仿真器連接，用于信號(hào)輸出或內(nèi)部單片機(jī)的仿真、調(diào)試與編程，檢測(cè)信號(hào)輸出是一對(duì)互補(bǔ)的占空比與實(shí)時(shí)檢測(cè)角位移成正比的pwm波形。

本發(fā)明的有益效果是，通過聯(lián)軸器連接被測(cè)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行非接觸角位移檢測(cè)，檢測(cè)磁敏元件與電路安裝在螺紋連接的傳感器上蓋與傳感器底座形成的圓柱形密封金屬殼體內(nèi)，檢測(cè)結(jié)果以一對(duì)互補(bǔ)的占空比與角位移θ成正比的pwm波形輸出，可適用于在有效調(diào)節(jié)范圍內(nèi)、規(guī)格不同的旋轉(zhuǎn)軸，有效抑制高壓斷路器監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電磁干擾，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1.永久磁鐵，2.磁敏元件與檢測(cè)電路板，3.聯(lián)軸器及連接軸，4.信號(hào)輸出插座，5.傳感器底座，6.傳感器上蓋，7.半開口彈性金屬卡環(huán)，8.傳感器固定螺釘，9.電路板固定螺釘，10.磁鐵固定螺釘。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的磁敏元件與檢測(cè)電路原理圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的電路板結(jié)構(gòu)及磁敏元件安裝位置圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的永久磁鐵外形圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例的聯(lián)軸器及連接軸結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：5-1.聯(lián)軸器輸入端，5-2.聯(lián)軸器輸出端，5-3.調(diào)節(jié)螺孔，5-4.可伸縮夾片，5-5.連接螺紋，5-6.徑向固定卡口，5-7.磁鐵固定螺孔。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例的傳感器輸出連接示意圖。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例的pwm輸出波形示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述；顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參見附圖，圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。一種高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)用角位移傳感器，包括永久磁鐵1、磁敏元件與檢測(cè)電路板2、聯(lián)軸器及連接軸3、信號(hào)輸出插座4、傳感器底座5、傳感器上蓋6、半開口彈性金屬卡環(huán)7、傳感器固定螺釘8、電路板固定螺釘9、磁鐵固定螺釘10。安裝時(shí)，首先根據(jù)高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的被測(cè)轉(zhuǎn)軸大小，通過調(diào)節(jié)聯(lián)軸器及連接軸3上的可調(diào)節(jié)聯(lián)軸器，使高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的被測(cè)轉(zhuǎn)軸與聯(lián)軸器及連接軸3可靠連接；接著在高壓斷路器被測(cè)轉(zhuǎn)軸周邊的殼體對(duì)應(yīng)位置通過攻絲或點(diǎn)焊螺帽，再由傳感器固定螺釘8將傳感器底座5固定于高壓斷路器的被測(cè)位置殼體上，使傳感器外殼與高壓斷路器殼體之間形成可靠的電連接以用于傳感器的屏蔽接地。連接軸的一端（小端）通過螺紋與可調(diào)節(jié)聯(lián)軸器連接，另一端（大端）由磁鐵固定螺釘10將永久磁鐵1固定于連接軸端以保證永久磁鐵1的轉(zhuǎn)動(dòng)與被測(cè)轉(zhuǎn)軸同步；連接軸經(jīng)過盈裝配方式穿過傳感器底座5上的中心孔并由半開口彈性金屬卡環(huán)7徑向鎖緊，裝配時(shí)應(yīng)在中心孔內(nèi)添加潤滑劑以減少連接軸與底座之間的滑動(dòng)摩擦。以上將被測(cè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為永久磁鐵1的轉(zhuǎn)動(dòng)，而永久磁鐵1轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的磁場(chǎng)變化可由磁敏元件非接觸地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；基于這一檢測(cè)原理，被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移信息經(jīng)由電路板固定螺釘9固定于傳感器底座5內(nèi)的磁敏元件與檢測(cè)電路板2檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過固定于傳感器上蓋6內(nèi)的信號(hào)輸出插座4輸出。本發(fā)明傳感器非接觸檢測(cè)角位移信息的磁敏元件、檢測(cè)電路均安裝在螺紋連接的傳感器底座與傳感器上蓋形成的圓柱形密封金屬殼體內(nèi)，可有效抑制高壓斷路器監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電磁干擾，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

附圖4是本發(fā)明實(shí)施例的永久磁鐵外形圖。本發(fā)明傳感器的永久磁鐵1是一個(gè)徑向磁化的（俯視：左側(cè)-右側(cè)）雙極圓形磁鐵，直徑為d、厚度為h，磁性材料優(yōu)選稀土alnico/smco5或ndfeb；厚度h≥2.5mm，磁敏感點(diǎn)分布參考圓直徑d1≤直徑d≤磁鐵最大可旋轉(zhuǎn)參考圓直徑d2；安裝時(shí)，圓形磁鐵的中心軸線要對(duì)準(zhǔn)磁敏感點(diǎn)分布參考圓的圓心。本發(fā)明實(shí)施例中，d1＝8mm、d2＝14mm，則永久磁鐵的直徑：8mm≤d≤14mm；磁敏元件感應(yīng)的是永久磁鐵1的磁場(chǎng)垂直向量，磁鐵表面與各磁敏元件表面之間的間距應(yīng)根據(jù)磁敏元件的線性敏感度、永久磁鐵1的磁場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)來選取，建議采用間距在0.3mm至3.0mm之間；若所要求的磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠保持在磁敏元件的線性敏感范圍以內(nèi)，盡可能采用更大的間距以減少制造誤差、安裝誤差、使用誤差等因素帶來的影響。

附圖2是本發(fā)明實(shí)施例的磁敏元件與檢測(cè)電路原理圖，附圖3是本發(fā)明實(shí)施例的電路板結(jié)構(gòu)及磁敏元件安裝位置圖。本發(fā)明傳感器的磁敏元件與檢測(cè)電路板2由磁敏元件hx1、hx2、hy1、hy2，電阻r1~r11，電容c1~c4，雙運(yùn)放ic1，具有adc和pwm功能的單片機(jī)ic2，輸出連接件jk1組成。磁敏元件hx1、hx2分別安裝在磁敏感點(diǎn)分布參考圓x方向的左、右，用于檢測(cè)永久磁鐵1的磁場(chǎng)垂直向量在x方向的分量；磁敏元件hy1、hy2分別安裝在磁敏感點(diǎn)分布參考圓y方向的上、下，用于檢測(cè)永久磁鐵1的磁場(chǎng)垂直向量在y方向的分量；hx1、hx2、hy1、hy2的四個(gè)磁敏感點(diǎn)均勻分布在直徑為d1的參考圓周上，且參考圓的中心在永久磁鐵1的中心軸線上，通過調(diào)節(jié)磁敏元件安裝電路板與永久磁鐵1之間的間距以保證hx1、hx2、hy1、hy2四個(gè)磁敏元件能可靠檢測(cè)永久磁鐵1在電路板表面分布的磁場(chǎng)垂直向量。運(yùn)放ic1b、電阻r1~r4組成一個(gè)減法電路用于對(duì)x方向的正交相關(guān)分量進(jìn)行差分放大，電阻r1~r4的取值范圍取決于磁敏元件hx1、hx2在最強(qiáng)磁場(chǎng)位置輸出電壓差的大小和單片機(jī)adc輸入電壓范圍大小，若在最強(qiáng)磁場(chǎng)位置，磁敏元件hx1、hx2的輸出vhx1=3.96v、vhx2=0.89v，工作電壓vcc＝5.0v，adc輸入電壓范圍0-vcc，取r1＝r2＝300kω、r3＝r4＝390kω，則vx1-x2=r3/r1*（vhx1－vhx2）=3.991v；電阻r9與電容c3組成一個(gè)一階低通濾波器用于濾出x方向差分檢測(cè)信號(hào)上的高頻干擾，取r9=15kω、c3=0.1uf，則其截止頻率＝1/2π*15k*0.1u≈106.1hz。運(yùn)放ic1a、電阻r5~r8組成一個(gè)減法電路用于對(duì)y方向的正交相關(guān)分量進(jìn)行差分放大，電阻r5~r8的取值范圍取決于磁敏元件hy1、hy2在最強(qiáng)磁場(chǎng)位置輸出電壓差的大小和單片機(jī)adc輸入電壓范圍大小，若在最強(qiáng)磁場(chǎng)位置，磁敏元件hy1、hy2的輸出vhy1=4.03v、vhy2=1.16v，工作電壓vcc＝5.0v，adc輸入電壓范圍0-vcc，取r5＝r6＝300kω、r7＝r9＝390kω，則vy1-y2=r7/r5*（vhy1－vhy2）=3.731v；電阻r10與電容c4組成一個(gè)一階低通濾波器用于濾出y方向差分檢測(cè)信號(hào)上的高頻干擾，仍取r10=15kω、c4=0.1uf，則其截止頻率＝1/2π*15k*0.1u≈106.1hz。x、y方向的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)低通濾波后分別送單片機(jī)ic2的兩個(gè)adc輸入端，單片機(jī)ic2對(duì)輸入信號(hào)vx1-x2、vy1-y2進(jìn)行采樣、抗干擾處理后計(jì)算得角度偏移：θ≈arctan(vy1-y2/vx1-x2)，再將角度偏移θ轉(zhuǎn)換為pwm格式的數(shù)字信號(hào)通過連接件jk1輸出；r10為上拉電阻，電容c1解耦電容，c2旁路電容，磁敏元件優(yōu)選線性霍爾元件或磁敏電阻。本發(fā)明實(shí)施例中，磁敏元件可選ugn3503、ss496a等線性霍爾元件，以u(píng)gn3503為例，根據(jù)封裝形式的不同有ugn3503lt（sot-89/to-243aa表貼封裝）、ugn3503u（微型3引腳sip塑封）、ugn3503ua（3引腳超迷你塑封）等型號(hào)，可準(zhǔn)確跟蹤磁通極微小的變化，每個(gè)霍爾效應(yīng)集成電路包括霍爾傳感元件、線性放大器和發(fā)射極跟隨器輸出級(jí)，額定連續(xù)工作溫度范圍：-20℃到85℃，工作電壓范圍：4.5-6v，工作電流范圍：9-13毫安，典型靜態(tài)輸出電壓vout=2.50v（磁感應(yīng)強(qiáng)度為0高斯時(shí)，即b=0g），典型敏感度δvout=1.30mv/g（b=0g到±900g），-3db帶寬23khz，寬帶內(nèi)（10hz至10khz）輸出噪聲90μv。本發(fā)明的單片機(jī)ic2為具有adc和pwm功能的通用單片機(jī)，實(shí)施例中選用了，美國atmel公司的tiny系列單片機(jī)attiny13，其基本特性如下：（1）高性能、低功耗的8位avr?微處理器；（2）高級(jí)risc結(jié)構(gòu)，120條指令（大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期），32個(gè)8位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作，工作于20mhz時(shí)性能高達(dá)20mips；（3）非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，1k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程flash（擦寫壽命:10,000次），64字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程eeprom（擦寫壽命:100,000次），64字節(jié)的片內(nèi)sram，可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以及實(shí)現(xiàn)eeprom數(shù)據(jù)的加密；（4）外設(shè)特點(diǎn)，一個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及兩條pwm通道，含有片內(nèi)參考電壓的4路10位adc，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，片內(nèi)模擬比較器；（5）特殊的處理器特點(diǎn)，片內(nèi)調(diào)試系統(tǒng)，通過spi端口在系統(tǒng)內(nèi)可編程，片內(nèi)/片外中斷源，低功耗空閑模式、噪聲抑制模式、省電模式，增強(qiáng)型上電復(fù)位，可編程的掉電檢測(cè)，片內(nèi)標(biāo)定振蕩器；（6）i/o封裝和工作電壓，8引腳pdip/soic:6可編程i/o線，工業(yè)級(jí)溫度范圍，attiny13v：1.8-5.5v，attiny13：2.7-5.5v；（7）速度等級(jí)與低功耗，attiny13v:0-4mhz@1.8-5.5v,0-10mhz@2.7-5.5v，attiny13:0-10mhz@2.7-5.5v,0-20mhz@4.5-5.5v，正常模式:1mhz,1.8v:240μa，掉電模式:<0.1μaat1.8v；（8）開發(fā)工具:匯編、仿真和模擬調(diào)試環(huán)境:avrstudio4.08，c語言編譯器:iar的ewavr、codevisionavr，仿真器:ice50，編程器:isp下載電纜avrisp,通用編程器。本發(fā)明實(shí)施例中，兩個(gè)輸入信號(hào)vx1-x2、vy1-y2分別接到單片機(jī)的引腳2（pb3/adc3）、引腳3（pb4/adc2），通過片內(nèi)adc轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，attiny13片內(nèi)有一個(gè)10位的逐次逼近型adc，adc與一個(gè)4通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口b的四路單端輸入電壓進(jìn)行采樣，單端電壓輸入以0v(gnd)作為基準(zhǔn)，具有以下特點(diǎn)：10位精度、0.5lsb的非線性度、±2lsb的絕對(duì)精度13-260μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間、最大精度達(dá)到15ksps、四路復(fù)用單端輸入通道、可選的向左調(diào)整adc讀數(shù)、0-vcc的adc輸入電壓范圍、可選的1.1v的adc參考電壓、連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式、通過中斷源自動(dòng)觸發(fā)的adc轉(zhuǎn)換啟動(dòng)、adc轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷、基于睡眠模式的噪聲抑制器；該片內(nèi)adc包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到adc的電壓保持恒定。（1）片內(nèi)adc操作：adc通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)10位的數(shù)字量，最小值代表gnd，最大值代表vcc或1.1v參考電壓；模擬輸入通道可以通過寫admux寄存器的mux位來選擇，任何adc輸入引腳，都可以作為adc的單端輸入；adc由adcsr寄存器的aden位使能，在aden設(shè)置前，參考電壓與輸入通道無效，當(dāng)aden清零時(shí)，adc沒有功耗，因此建議在進(jìn)入省電模式前關(guān)閉adc；adc轉(zhuǎn)換結(jié)果為10位，存放于adc數(shù)據(jù)寄存器adch及adcl中，默認(rèn)情況下轉(zhuǎn)換結(jié)果為右對(duì)齊，但可通過設(shè)置admux寄存器的adlar變?yōu)樽髮?duì)齊；如果要求轉(zhuǎn)換結(jié)果左對(duì)齊，且最高只需8位的轉(zhuǎn)換精度，那么只要讀取adch就足夠了，否則要先讀adcl，再讀adch，以保證數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容是同一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，一旦讀出adcl，adc對(duì)數(shù)據(jù)寄存器的尋址就被阻止了，也就是說，讀取adcl之后，即使在讀adch之前又有一次adc轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)也不會(huì)更新，從而保證了轉(zhuǎn)換結(jié)果不丟失，adch被讀出后，adc即可再次訪問adch及adcl寄存器，adc轉(zhuǎn)換結(jié)束可以觸發(fā)中斷，即使由于轉(zhuǎn)換發(fā)生在讀取adch與adcl之間而造成adc無法訪問數(shù)據(jù)寄存器，并因此丟失了轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，中斷仍將觸發(fā)。（2）啟動(dòng)轉(zhuǎn)換：通過在adsc位寫入邏輯1來啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，該位在轉(zhuǎn)換過程中始終為1，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后該位置0，若在轉(zhuǎn)換過程中選擇差分?jǐn)?shù)據(jù)通道，adc將在執(zhí)行通道變換前結(jié)束轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換可以由不同的源自動(dòng)觸發(fā)，設(shè)置adcsra寄存器的adate位使能自動(dòng)觸發(fā)，觸發(fā)源由adcsrb寄存器的adts位的設(shè)定來決定(見有關(guān)adts位的說明)，當(dāng)選擇的觸發(fā)信號(hào)正邊沿出現(xiàn)，adc預(yù)分頻器復(fù)位，轉(zhuǎn)換啟動(dòng)；這樣可以實(shí)現(xiàn)固定轉(zhuǎn)換啟動(dòng)時(shí)間間隔，若轉(zhuǎn)換完成后觸發(fā)信號(hào)仍然置位，將不會(huì)啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換，如果在轉(zhuǎn)換過程中觸發(fā)信號(hào)出現(xiàn)其他正邊沿，則應(yīng)將其忽略；注意，即使相應(yīng)的中斷禁用或sreg中i位清零，中斷標(biāo)志仍會(huì)設(shè)置，這樣可在沒有中斷的情況下觸發(fā)轉(zhuǎn)換，然而必須清除中斷標(biāo)志以便下一次中斷可以觸發(fā)新的轉(zhuǎn)換；使用adc中斷標(biāo)志作為觸發(fā)源，可使系統(tǒng)在一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后立即開始新的轉(zhuǎn)換，adc進(jìn)入連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，不斷采樣與更新adc數(shù)據(jù)寄存器，第一次轉(zhuǎn)換必須通過在adcsra寄存器的adsc位寫“1”來啟動(dòng)，在該模式下，轉(zhuǎn)換成功與否取決于adc中斷標(biāo)志與adif是否清零；如果使能自動(dòng)觸發(fā)，通過在adcsra寄存器的adsc寫“1”啟動(dòng)單次轉(zhuǎn)換，adsc還可用來檢測(cè)是否正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，無論轉(zhuǎn)換是通過何種方式啟動(dòng)，在轉(zhuǎn)換進(jìn)行時(shí)，adsc值為“1”。（3）預(yù)分頻與轉(zhuǎn)換：默認(rèn)情況下，逐次逼近電路需要一個(gè)從50khz到200khz的輸入時(shí)鐘以獲得最大精度；若需要低于10位的精度，adc輸入時(shí)鐘頻率要高于200khz，以達(dá)到高采樣率；adc模塊包括一個(gè)預(yù)分頻器，它可以產(chǎn)生可接受的adc時(shí)鐘，adcsr寄存器的adps位用于從片內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)超過100khz的適當(dāng)?shù)腶dc時(shí)鐘輸入信號(hào)，預(yù)分頻器從adcsr寄存器的aden位置位啟動(dòng)adc起開始計(jì)數(shù)，aden置位時(shí)預(yù)分頻器保持運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)aden為低時(shí)預(yù)分頻器復(fù)位；轉(zhuǎn)換在adcsr的adsc位設(shè)置后的上升沿開始，如果使用差分通道，轉(zhuǎn)換在aden設(shè)置后的第二個(gè)上升沿啟動(dòng)；正常轉(zhuǎn)換需要13個(gè)adc時(shí)鐘周期，adc使能(adcsra寄存器的aden置位)后的第一次轉(zhuǎn)換需要25個(gè)adc時(shí)鐘周期；在普通的adc轉(zhuǎn)換過程中，采樣保持在轉(zhuǎn)換啟動(dòng)之后的1.5個(gè)adc時(shí)鐘開始，而第一次adc轉(zhuǎn)換的采樣保持則發(fā)生在轉(zhuǎn)換啟動(dòng)之后的14.5個(gè)adc時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，adc結(jié)果被送入adc數(shù)據(jù)寄存器，且adif標(biāo)志置位，adsc同時(shí)清零(單次轉(zhuǎn)換模式)，之后軟件可以再次置位adsc標(biāo)志，從而在adc的第一個(gè)上升沿啟動(dòng)一次新的轉(zhuǎn)換；當(dāng)使用自動(dòng)觸發(fā)時(shí)，當(dāng)觸發(fā)事件出現(xiàn)時(shí)，預(yù)分頻器復(fù)位，這保證從觸發(fā)到轉(zhuǎn)換啟動(dòng)有一個(gè)給定的延時(shí)，在該模式下，觸發(fā)源信號(hào)上升沿后有兩個(gè)adc時(shí)鐘周期的采樣與保持時(shí)間；為同步還需要三個(gè)額外的cpu時(shí)鐘周期，在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，當(dāng)adsc為1時(shí)，只要轉(zhuǎn)換一結(jié)束，下一次轉(zhuǎn)換馬上開始。本發(fā)明實(shí)施例中，單片機(jī)ic2首先對(duì)輸入信號(hào)vx1-x2、vy1-y2進(jìn)行采樣、抗干擾處理后計(jì)算得角度偏移：θ≈arctan(vy1-y2/vx1-x2)，然后將角度偏移θ轉(zhuǎn)換為pwm格式的數(shù)字信號(hào)通過連接件jk1輸出，本發(fā)明實(shí)施例選用單片機(jī)ic2的t/c0是通用8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊實(shí)現(xiàn)。t/c0是通用8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊，有兩個(gè)獨(dú)立的輸出比較單元，且支持pwm功能，它提供精確的執(zhí)行時(shí)序與波形產(chǎn)生，其主要特點(diǎn)如下：兩個(gè)獨(dú)立輸出比較單元、雙緩沖輸出比較寄存器、比較匹配發(fā)生時(shí)清除定時(shí)器(自動(dòng)加載)、無干擾脈沖，相位正確的pwm、可變pwm周期、頻率發(fā)生器、三個(gè)獨(dú)立中斷源(tov0,ocf0a及ocf0b)；寄存器t/c(tcnt0)和輸出比較寄存器(ocr0a與ocr0b)為8位寄存器，中斷請(qǐng)求信號(hào)在定時(shí)器中斷標(biāo)志寄存器tifr0都有反映，所有中斷都可以通過定時(shí)器中斷屏蔽寄存器timsk0單獨(dú)進(jìn)行屏蔽；t/c可以通過預(yù)分頻器由內(nèi)部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)，或者是通過t0引腳的外部時(shí)鐘源來驅(qū)動(dòng)，時(shí)鐘選擇邏輯模塊控制使用哪一個(gè)時(shí)鐘源與什么邊沿來增加(或降低)t/c的數(shù)值，如果沒有選擇時(shí)鐘源t/c就不工作，時(shí)鐘選擇模塊的輸出定義為定時(shí)器時(shí)鐘clkt0；雙緩沖的輸出比較寄存器(ocr0a與ocr0b)一直與t/c的數(shù)值進(jìn)行比較，比較的結(jié)果可用來產(chǎn)生pwm波，或在輸出比較引腳oc0上產(chǎn)生變化頻率的輸出，比較匹配事件還將置位比較標(biāo)志(ocf0a或ocf0b)，此標(biāo)志可以用來產(chǎn)生輸出比較中斷請(qǐng)求。附圖7是本發(fā)明實(shí)施例的pwm輸出波形示意圖，本發(fā)明實(shí)施例中，pwma與pwmb為一對(duì)互補(bǔ)輸出，即pwmb輸出波形是pwma輸出波形的取反，其目的是為了提高輸出信號(hào)的抗干擾能力；首先設(shè)置單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器tcnt0以確定pwm波形輸出頻率fpwm，然后根據(jù)最小檢測(cè)角度θmin、最大檢測(cè)角度θmax、實(shí)時(shí)檢測(cè)角位移θ來設(shè)置輸出比較寄存器ocr0a與ocr0b，使pwma（單片機(jī)引腳4）、pwmb（單片機(jī)引腳5）輸出占空比與實(shí)時(shí)檢測(cè)角位移θ成正比的pwm波形。本發(fā)明傳感器的角位移檢測(cè)范圍是：從0^o到360^o，許多應(yīng)用的檢測(cè)范圍都小于此范圍（如：30^o到150^o、90^o到270^o等），為進(jìn)一步提高pwm波形輸出的精度，本發(fā)明實(shí)施例引入了最小檢測(cè)角度θmin、最大檢測(cè)角度θmax設(shè)置，以充分利用單片機(jī)ic2所能提供的8位pwm波形分辨率。

附圖5是本發(fā)明實(shí)施例的聯(lián)軸器及連接軸結(jié)構(gòu)示意圖。聯(lián)軸器及連接軸3包括通過螺紋連接在一起的可調(diào)節(jié)聯(lián)軸器和連接軸兩部分，可調(diào)節(jié)聯(lián)軸器由連接高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸的聯(lián)軸器輸入端5-1、通過螺紋與連接軸連接的聯(lián)軸器輸出端5-2、適應(yīng)不同大小被測(cè)軸的調(diào)節(jié)螺孔5-3、用于被測(cè)軸鎖緊的可伸縮夾片5-4組成，連接軸由一根整軸通過機(jī)加工出與可調(diào)節(jié)聯(lián)軸器連接的連接螺紋5-5、徑向固定連接軸于傳感器底座5的徑向固定卡口5-6、用于固定永久磁鐵1的磁鐵固定螺孔5-7而成。聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件，常用聯(lián)軸器有膜片聯(lián)軸器，齒式聯(lián)軸器，梅花聯(lián)軸器，滑塊聯(lián)軸器，鼓形齒式聯(lián)軸器，萬向聯(lián)軸器，安全聯(lián)軸器，彈性聯(lián)軸器及蛇形彈簧聯(lián)軸器；本發(fā)明實(shí)施例中，為適應(yīng)不同大小被測(cè)軸的監(jiān)測(cè)，選用了三爪卡盤式聯(lián)軸器；對(duì)于一些標(biāo)準(zhǔn)軸的監(jiān)測(cè)宜選結(jié)構(gòu)較為簡單的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器。連接軸由一根整軸通過機(jī)加工而成，連接軸的一端（小端）通過螺紋與可調(diào)節(jié)聯(lián)軸器連接，另一端（大端）由磁鐵固定螺釘10將永久磁鐵1固定于連接軸端，連接軸以過盈配合方式穿過傳感器底座5上的中心孔并由半開口彈性金屬卡環(huán)7徑向鎖緊；由于傳感器底座5與被測(cè)軸處外殼固定連接，連接軸經(jīng)被測(cè)軸聯(lián)動(dòng)下在傳感器底座5上的中心孔內(nèi)同步轉(zhuǎn)動(dòng)（以保證永久磁鐵1的轉(zhuǎn)動(dòng)與被測(cè)轉(zhuǎn)軸同步），為減少連接軸與底座之間的滑動(dòng)摩擦，裝配時(shí)應(yīng)在傳感器底座5上的中心孔內(nèi)添加潤滑劑；對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)頻繁的被測(cè)軸監(jiān)測(cè)，應(yīng)在該中心孔處設(shè)置一個(gè)滾動(dòng)軸承以延長傳感器的使用壽命。

附圖6是本發(fā)明實(shí)施例的傳感器輸出連接示意圖。信號(hào)輸出插座4是一個(gè)通過外螺帽固定于傳感器上蓋6的金屬外殼五芯航空插座，五芯的信號(hào)定義分別是vcc、pwma/mosi、sck、pwmb/miso、gnd，可通過五芯屏蔽電纜與監(jiān)測(cè)裝置或仿真器連接，用于測(cè)試信號(hào)輸出或內(nèi)部單片機(jī)的仿真、調(diào)試與編程。本發(fā)明實(shí)施例中，vcc、gnd用于向傳感器提供電源，工作電源的電壓范圍：4.5v-5.5v；信號(hào)輸出插座4具有兩方面的用途：（1）傳感器的仿真、調(diào)試與編程，在該狀態(tài)下，sck為spi接口的同步時(shí)鐘，pwma/mosi為spi接口的主輸出從輸入數(shù)據(jù)線，pwmb/miso為spi接口的主輸入從輸出數(shù)據(jù)線，可通過上位機(jī)軟件對(duì)傳感器進(jìn)行仿真、調(diào)試、參數(shù)設(shè)置、工作程序下載等操作；（2）傳感器的供電與信號(hào)輸出，在該狀態(tài)下，sck為無用，由pwma/mosi、pwmb/miso輸出一對(duì)互補(bǔ)的占空比與實(shí)時(shí)檢測(cè)角位移θ成正比的pwm波形，以提高輸出信號(hào)的抗干擾能力。

綜上所述，本發(fā)明的高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)用角位移傳感器，由永久磁鐵、磁敏元件與檢測(cè)電路板、聯(lián)軸器及連接軸、信號(hào)輸出插座、傳感器底座、傳感器上蓋、半開口彈性金屬卡環(huán)、傳感器固定螺釘、電路板固定螺釘、磁鐵固定螺釘?shù)冉M成。其有益效果在于：通過聯(lián)軸器連接被測(cè)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行非接觸角位移檢測(cè)，檢測(cè)磁敏元件與電路安裝在螺紋連接的傳感器上蓋與傳感器底座形成的圓柱形密封金屬殼體內(nèi)，檢測(cè)結(jié)果以一對(duì)互補(bǔ)的占空比與角位移θ成正比的pwm波形輸出，可適用于在有效調(diào)節(jié)范圍內(nèi)、規(guī)格不同的旋轉(zhuǎn)軸，有效抑制高壓斷路器監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電磁干擾，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而己，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。