专利名称：一种无源传感器及其传感方法
技术领域：
本发明属于传感器技术领域，涉及磁电传感器，为一种无源传感器及其传感方法， 具有旋转计数和方向识别双重功能。
背景技术：
现有旋转计数传感器有机械式、光电式、磁电式等多种方式。机械式旋转计数器由于无电信号输出，不能用于自动控制中，现已逐渐被淘汰。而光电式、磁电式旋转计数传感器一般均需使用电源，且功能单一，目前没有一种传感器能同时进行旋转计数和方向识别。并且，这些传感器工作温度范围也较窄。例如以硅材料制作的传感器极限工作温度为 150°C，当温度超过150°C时，硅材料失去半导体性能，从而使得传感器失效。
发明内容
本发明要解决的问题是现有传感器只能实现旋转计数单一功能，而且工作温度范围窄，对使用环境要求高。本发明的技术方案为一种无源传感器，包括外壳、敏感组件、印制板、外引线和密封材料，敏感组件设置在外壳内，敏感组件通过印制板与3根外引线电连接，3根外引线分别为传感器的两个输出端U1和U2和一个接地端G，外壳端口用环氧树脂密封材料封装；所述敏感组件包括2支敏感丝，4个漆包线绕组，和1个用作敏感丝和漆包线绕组载体的骨架， 所述骨架为由X轴和Y轴两根枝干交叉组成的骨架，交叉的枝干形成四个臂，骨架为非磁性材料，在X轴和Y轴上各设有一个通槽，两个通槽开口朝向相背，2支敏感丝分别埋设在X轴和Y轴的通槽中，4个漆包线绕组分别缠绕在骨架的四个臂上，绕同一支敏感丝的2个漆包线绕组串联组成所绕敏感丝的感应线圈。2支敏感丝在通槽中相隔小于0.3mm。优选骨架为正十字形。两支敏感丝的感应线圈的四个端，取相邻的两端连接后通过印制板与外引线的接地端G电连接，另外两端分别通过印制板与外引线的输出端U1和U2电连接。上述无源传感器的传感方法为同时进行旋转计数和方向识别两种传感在待测旋转物体上安装磁钢，当磁钢随待测物体旋转时产生交变磁场；所述敏感组件中的敏感丝为磁双稳态合金，ZL200610086134. 5专利文献中有详细介绍，在交变磁场激励下，敏感丝内芯的磁化方向将随外磁场极性的变化而发生瞬间翻转，并在敏感丝外围的感应线圈中感生出正负电脉冲；在连续交变磁场的激励下，所述无源传感器的两个输出端U1和U2输出的电信号以4个正负脉冲为一周期循环发生变化，对脉冲进行计数，并对正负脉冲时序特征进行分析，即可同时实现旋转计数和方向识别两种传感识别。旋转计数传感为在交变磁场的激励下，敏感丝磁化方向瞬间发生翻转，进而在感应线圈中感生出电脉冲，交变磁场每变化一周，敏感丝磁化方向各发生一次正、反向翻转， 感应线圈则感生出一对正、负电脉冲，当待测旋转物体连续旋转时，传感器的两个输出端U1和U2分别输出一系列正、负电脉冲信号，对其中一路或同时对两路电脉冲信号的正负变化进行计数，即可检测出磁钢旋转次数；方向识别传感为交变磁场作用在传感器的敏感丝上，传感器输出端U1和U2分别产生一组正、负电脉冲，两组电脉冲信号时序的特征与磁钢旋转方向直接关联，根据这两组电脉冲信号时序特征，即可分析识别出磁钢的旋转方向。进行方向识别传感时，磁钢顺时针旋转时，传感器输出电脉冲信号时序为 [V1X+V1T2-]；磁钢逆时针旋转时，传感器输出电脉冲信号时序为[Vi+V2-V1-V2+]；磁钢由丨幌时针旋转向逆时针转换时，传感器输出电脉冲信号时序由[V1Wv2]变为[Vi+V2-V1-V2+]； 磁钢由逆时针旋转向顺时针转换时，传感器输出电脉冲信号时序由[Vi+V2-V1-V2+]变为 [V1X+V1V2]，V1和V2分别为输出端U1和U2的输出脉冲信号，“ + ”和“-”表示脉冲信号的正负。本发明的有益效果(1)本发明同时兼具旋转计数和方向识别双重功能；工作时无须外接电源；输出幅值高达2伏以上，信号无须经过放大即可直接在现场进行处理，也可通过传输线远传至后级电路进行处理；方向识别方法简单；敏感丝居里温度大于500°C，可在-65°c +180°C 温度范围内工作；传感器结构简单，由一个交叉形骨架及设置其中的敏感丝，以及对应的漆包线绕组即可完成旋转计数和方向识别的功能，整体封装在外壳中，由于结构简单，本发明的传感器体积小，使用方便；(2)本发明传感器还适用于激励磁场分布不均勻的应用场合。在实际应用中，磁钢的磁感应强度随着距离的增加而迅速衰减。如果传感器敏感丝位于有效磁感应强度范围之外，有可能导致传感器失效。本发明传感器敏感组件的交叉形骨架使得用于传感的2支敏感丝相隔小于0. 3mm，确保同时位于有效磁感应强度范围内。
图1为本发明传感器结构示意图。图2为本发明敏感组件的三视示意图，(a)为主视图，(b)为左视图，(C)为俯视图。图3为本发明敏感丝的特征曲线图。图4为本发明实施例中，传感器安装位置示意图。图5为本发明实施例中，流量计磁环磁感应强度水平分量沿磁环Z轴方向衰减图。图6为本发明实施例中，磁钢顺时针旋转时传感器输出波形。图7为本发明实施例中，磁钢逆时针旋转时传感器输出波形。图8为本发明实施例中，磁钢从顺时针旋转向逆时针旋转转换时传感器输出波形。图9为本发明实施例中，磁钢从逆时针旋转向顺时针旋转转换时传感器输出波形。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1、图2所示，本发明双重功能无源传感器包括外壳1，外壳1内装有敏感组件 2，敏感组件2通过印制板3与3根外引线4电连接，外壳1端口用环氧树脂密封材料5封装。其中，所述外壳1为铝制圆柱形管壳，管壳直径Φ 11mm，高6mm;印制板3尺寸与管壳内径相适配，主要起到敏感组件2与外引线4之间的过渡电连接的作为；外引线4包括1 根接地线G，2根输出线U1和U2, 3根引线的间距符合单列直插式器件标准间距，便于安装使用。其中，所述敏感组件2由一号敏感丝21、二号敏感丝22，一号漆包线绕组23、二号漆包线绕组对、三号漆包线绕组25、四号漆包线绕组沈和骨架27组成。骨架27是用耐高温塑料制成的交叉形骨架，可以是任意夹角的交叉形骨架，优选正十字形。骨架27的X轴和Y轴各设有一个朝向相背的通槽，X轴通槽向上，Y轴通槽向下。一号敏感丝21埋设在十字形骨架27的X轴通槽中，一号漆包线绕组23和二号漆包线绕组M围绕一号敏感丝21 分别缠绕在十字形骨架27的X轴的两翼上；二号敏感丝22埋设在十字形骨架27的Y轴通槽中，三号漆包线绕组25和四号漆包线绕组沈围绕二号敏感丝22分别缠绕在十字形骨架 27的Y轴的两翼上。在实际应用中，磁环产生的磁场往往是不均勻的，为了使2支敏感丝处于同一磁场强度范围，要求2支敏感丝尽可能处于同一平面，本发明中X轴通槽底部和Y轴通槽底部相隔小于0. 3mm,使一号敏感丝21和二号敏感丝22接近处于同一平面中。4个漆包线绕组的匝数完全相同，均为2000匝。一号漆包线绕组23和二号漆包线绕组M电串联，组成一号敏感丝21的感应线圈；三号漆包线绕组23和四号漆包线绕组M电串联，组成二号敏感丝22的感应线圈；两个感应线圈的一端互相电连接，并一起通过印制板3与外引线4的接地端G电连接一号敏感丝的感应线圈的另一端通过印制板3与外引线4的输出端U1电连接，二号敏感丝的感应线圈的另一端通过印制板3与外引线4的输出端U2电连接。所述一号敏感丝21和二号敏感丝22为铁钴钒合金丝，是按照ZL200610086i;34. 5 专利技术制备的一种具有磁双稳态特性的功能合金丝，在交变磁场中，当平行于敏感丝的某极性磁场达到触发磁感应强度时，也就是激励磁场强度达到敏感丝磁场翻转阈值时，敏感丝内芯中的磁畴受到激励会发生运动，敏感丝内芯磁化方向瞬间发生翻转，转向与当前磁场同一方向，同时在敏感丝周围空间磁场也发生瞬间变化，由此在敏感丝的感应线圈中感生出一个电脉冲，此后若该磁场减弱，敏感丝磁化方向将保持稳定不变，感应线圈也无电信号输出；但当相反极性磁场增强到触发磁感应强度时，敏感丝磁化方向又瞬间发生翻转， 并在感应线圈中感生出一个方向相反的电脉冲。如此反复，即在连续交变外磁场的激励作用下，所述无源传^器的两个输出端U1和U2输出的电脉冲将以4个正负脉冲为一周期循环变化。敏感丝磁场翻转阈值大小与敏感丝的磁特性有关。用上述敏感丝制成的传感器的磁电转换特征曲线如图3所示，激励磁场的磁感应强度阈值Bt ^ 4. OmT (毫特斯拉)。图3显示，本实例敏感丝磁化方向瞬间发生翻转的激励磁场为B > 4. OmT,即当B > 4. OmT时，可使传感器正常工作。传感器输出信号幅值大于2伏，无须经过放大即可直接供后级单片机处理电路进行数据综合处理。下面以某种气体流量计为例说明本发明传感器在智能流量计量方面的应用。如图4所示，流量计旋转翼6上设有磁环7，传感器安装在磁环7的上方，传感器外引线4的两根输出线Up U2和接地线G与智能流量计量单片机处理电路相连接。所述磁环7为具有一对N、S磁极的轴向充磁磁环，图5是该磁环磁感应强度水平分量沿磁环Z轴方向衰减图。图5显示，随着距离的增加，磁环7磁感应强度迅速下降，当距离达到6mm时， 磁感应强度衰减至4. 7mT。为了确保传感器能正常工作，应使传感器两支敏感丝21和22位于磁环7上方6mm以内。当流量计中气体流动时，气体推动旋转翼6转动，并带动磁环7转动。磁环7每旋转一周，传感器两输出端分别输出一个正脉冲，一个负脉冲，共有4个正负电脉冲。当磁环连续旋转时，传感器两输出端波形则以4个正负脉冲为一周期循环发生变化。图6 图9为示波器显示的传感器两输出端U1和U2的输出波形。图中“1”所指的为U1端波形，“2”所指的为U2端波形，“CHI 2. 00V”和“CH2 2. 00V”表示通道1和通道2 纵坐标电压每格均为2. 00伏，"Μ 1. 00s”表示横坐标时间每格为1秒。假设将U1输出的正脉冲记为V1+,负脉冲记为V1-；将U2输出的正脉冲记为V2+,负
脉冲记为V2 ；磁环7每旋转一周，传感器两输出端U” U2输出的脉冲序列记为[.........]，那
么如图6，磁环7连续顺时针旋转时，传感器两输出端U” U2输出波形时序依次为 [……V1T2I [V1X+V1T2I [V1^+V1T2I [V1X+V1T2-]……；如图7，磁环7连续逆时针旋转时，传感器两输出端U” U2输出波形时序依次为 [……W] [V1XTrV2I [WV1-V2+] [V1XW]……；如图8，磁环7从顺时针向逆时针旋转转换时，传感器两输出端U” U2输出波形时序依次为[.........V2I [WW] [V1X+V1T2-] [WVW] [(V2-V1V2+]……；如图9，磁环7从逆时针向顺时针旋转转换时，传感器两输出端U” U2输出波形时序依次为[…v2_v「v2+] [WW] [WW] [V1XTrv;] [(V1-V2-] [V1X+V1T2-]……。分析上述波形时序可以发现如下特征1、当磁环连续顺时针旋转时，传感器输出以4个脉冲为一周期，脉冲时序特征为 [V1X+V1V2]，即每出现一个V1+后必然紧随出现一个V2+,每出现一个Vr后必然紧随出现一个V2_;或者，每两个V1+之间必然出现一个V2+、一个V2_，且V2+在前，V2在后。本实例中，第一周期只有两个脉冲[……V1V2],这是因为示波器是从后半周开始显示的。2、当磁环连续逆时针旋转时，脉冲时序特征为[Vi+V2-V1V2+]，即每出现一个V1+后必然紧随出现一个v2_，每出现一个Vr后必然紧随出现一个V2+；或者，每两个V1+之间必然出现一个V2、一个V/，且^在前，V2+在后。同样，本实例中，第一周期只有两个脉冲[……vrv2+]， 这也是因为示波器是从后半周开始显示的。3、当磁环从顺时针向逆时针旋转转换时，时序特征从[Vi+V/VilV]转变为 [Vi+V2V1-V2+]。本实例中，第四周期时序变为[WV2-V1-V2+]，上半周期W为顺时针特征， 下半周期V1-V2+为逆时针特征，中间多出一个V2-,说明磁环磁极在第四周期上、下半周之间开始发生转向。4、当磁环从逆时针向顺时针旋转转换时，时序特征从[Vi+V2-V1-V2+]转变为 [V1X+V1T2-]。本实例中，第五周期时序变为[Vi+V1-V2-]，上半周期本应为Vi+V2-,但少了一个 v2_，下半周期Vi_V2_为顺时针特征，说明磁环磁极在第五周期上半周开始发生转向。比较图8和图9，当磁环发生转向时，有时会多出一个脉冲，有时会少一个脉冲，这和磁环发生转向的具体位置有关。利用现有单片机技术对脉冲进行计数，并根据上述脉冲时序特征，即可同时检测出磁环旋转次数和转向，进而计算出气体的流量和流向。一旦发现有如图8或图9的时序， 说明流量计出现异常情况，单片机立即发出报警信号，并对流量计量做出相应处置。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种无源传感器，包括外壳(1)、敏感组件O)、印制板(3)、外引线(4)和密封材料 (5)，敏感组件( 设置在外壳(1)内，其特征是敏感组件( 通过印制板C3)与3根外引线电连接，3根外引线(4)分别为传感器的两个输出端仏和队和一个接地端G，外壳 (1)端口用环氧树脂密封材料( 封装；所述敏感组件( 包括2支敏感丝，4个漆包线绕组，和1个用作敏感丝和漆包线绕组载体的骨架(27)，所述骨架(XT)为由X轴和Y轴两根枝干交叉组成的骨架，交叉的枝干形成四个臂，骨架(XT)为非磁性材料，在X轴和Y轴上各设有一个通槽，两个通槽开口朝向相背，2支敏感丝分别埋设在X轴和Y轴的通槽中，4个漆包线绕组分别缠绕在骨架、2Τ)的四个臂上，绕同一支敏感丝的2个漆包线绕组串联组成所绕敏感丝的感应线圈。
2.根据权利要求1所述的一种无源传感器，其特征是X轴通槽底部和Y轴通槽底部之间的间隔距离小于0. 3mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种无源传感器，其特征是骨架07)为正十字形。
4.根据权利要求1或2所述的一种无源传感器，其特征是两支敏感丝的感应线圈的四个端，取相邻的两端连接后通过印制板⑶与外引线⑷的接地端G电连接，另外两端分别通过印制板⑶与外引线⑷的输出端U1和U2电连接。
5.根据权利要求3所述的一种无源传感器，其特征是两支敏感丝的感应线圈的四个端，取相邻的两端连接后通过印制板⑶与外引线⑷的接地端G电连接，另外两端分别通过印制板⑶与外引线⑷的输出端仏和队电连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的无源传感器的传感方法，其特征是同时进行旋转计数和方向识别两种传感在待测旋转物体上安装磁钢，当磁钢随待测物体旋转时产生交变磁场；所述敏感组件O)中的敏感丝为磁双稳态合金丝，在交变磁场激励下，敏感丝内芯的磁化方向将随外磁场极性的变化而发生瞬间翻转，并在敏感丝外围的感应线圈中感生出正负电脉冲；在连续交变磁场的激励下，所述无源传感器的两个输出端U1和U2输出的电信号以4个正负脉冲为一周期循环发生变化，对脉冲进行计数，并对正负脉冲时序特征进行分析，即可同时实现旋转计数和方向识别两种传感识别。
7.根据权利要求6所述的无源传感器的传感方法，其特征是旋转计数传感为在交变磁场的激励下，敏感丝磁化方向瞬间发生翻转，进而在感应线圈中感生出电脉冲，交变磁场每变化一周，敏感丝磁化方向各发生一次正、反向翻转，感应线圈则感生出一对正、负电脉冲，当待测旋转物体连续旋转时，传感器的两个输出端U1和队分别输出一系列正、负电脉冲信号，对其中一路或同时对两路电脉冲信号的正负变化进行计数，即可检测出磁钢旋转次数；方向识别传感为交变磁场作用在传感器的敏感丝上，传感器输出端U1和U2分别产生一组正、负电脉冲，两组电脉冲信号时序的特征与磁钢旋转方向直接关联，根据这两组电脉冲信号时序特征，即可分析识别出磁钢的旋转方向。
8.根据权利要求6或7所述的无源传感器的传感方法，其特征是进行方向识别传感时， 磁钢顺时针旋转时，传感器输出电脉冲信号时序为[Vi+V2I1V2]；磁钢逆时针旋转时，传感器输出电脉冲信号时序为M+V2-V1-V2+]；磁钢由顺时针旋转向逆时针转换时，传感器输出电脉冲信号时序由[WV1V2]变为[Vi+V2-V1-V2+]；磁钢由逆时针旋转向顺时针转换时，传感器输出电脉冲信号时序由[Vi+V2-V1-V2+]变为[V1X+V1V2]，V1和V2分别为输出端U1和U2的输出脉冲信号，“ + ”和“_”表示脉冲信号的正负。
全文摘要
一种无源传感器及其传感方法，包括外壳、敏感组件、印制板、外引线和密封材料，敏感组件设置在外壳内，敏感组件通过印制板与3根外引线电连接，3根外引线分别为传感器的两个输出端U1和U2和一个接地端G，外壳端口用环氧树脂密封材料封装；所述敏感组件包括敏感丝，漆包线绕组和骨架，所述骨架为十字形，骨架的通槽中分别埋设敏感丝，漆包线绕组分别缠绕在骨架的四个臂上，绕同一支敏感丝的漆包线串联组成所绕敏感丝的感应线圈。本发明无源传感器同时进行旋转计数和方向识别两种传感，通过电脉冲的时序特征，对脉冲进行旋转计数，并依据电脉冲的时序特征，同时进行物体旋转计数和旋转方向识别。
文档编号G01P13/02GK102306329SQ20111014117
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者凌超, 刘玉林, 崔义炜, 张年容, 李云方, 潘旭东, 郑主惠 申请人:南京艾驰电子科技有限公司