角度位置传感器及角度位置测量系统的制作方法

本实用新型涉及机电控制领域，尤其是一种角度位置传感器及角度位置测量系统。

背景技术：

角度位置传感器在汽车上有着广泛的应用，如液位传感器、加速油门踏板、节气门体、助力转向、车身水平传感器等。目前已有的汽车零部件上，主要采用的角度位置传感器是电位计接触式角度传感器和霍尔型非接触式角度传感器两种。

电位计式角度传感器是早期经常使用的接触式传感器，其使接触点在电阻膜上改变位置，从而改变上下电阻的比率，实现输出端电压随外部位置的变化。但是，电位计式角度传感器不可避免地存在触点和电阻膜容易磨损的问题，而且如果在触点和电阻膜间混入灰尘等污垢，则会影响测量精度。另外，在振动环境下阻值也会发生变化。因此，电位计式的角度传感器在耐气候性、耐振动等方面存在明显不足。

霍尔式角度位置传感器是当前主流的非接触式传感器，它是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，一般由外磁场和霍尔芯片组成，由霍尔电压反应位置的变化。霍尔式角度传感器具有无触点无磨损、体积小、耐气候性好、耐振动好、精度高等优点，但由于霍尔传感器中含有磁铁，EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)性能相对较差，成本较高，耐温漂性能较差。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种角度位置传感器及角度位置测量系统，以解决现有角度位置传感器在耐气候性、耐振动性、耐温漂性不足以及成本高的问题。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种角度位置传感器，包括：一激励线圈、与所述激励线圈共轴的M个接收线圈和与所述激励线圈共轴的转子；其中，所述M个接收线圈位于所述激励线圈内侧，所述转子位于所述多个接收线圈的一端，且与接收线圈之间有一间隙；所述M个接收线圈的每一圈均按正反方向绕线，两个相邻的接收线圈之间有一偏转角度，M为大于等于2的正整数。

优选的，在上述的角度位置传感器中，M为2或3。

优选的，在上述的角度位置传感器中，每个接收线圈的每一圈有N次正向绕线和反向绕线，所述正向绕线和反向绕线交叉进行，其中，N为大于等于1的正整数。

优选的，在上述的角度位置传感器中，所述偏转角度＝360/(2N*M)，其中，N为大于等于1的正整数，M为2。

优选的，在上述的角度位置传感器中，所述偏转角度＝360/(N*M)，其中，N为大于等于1的正整数，M为3。

优选的，在上述的角度位置传感器中，所述转子包含N个转子叶片，其中，N为大于等于1的正整数。

优选的，在上述的角度位置传感器中，N个转子叶片均匀分布于所述转子叶片所在的平面上，N为大于等于1的正整数。

优选的，在上述的角度位置传感器中，所述转子覆盖住所述M个接收线圈横截面的面积的一半。

优选的，在上述的角度位置传感器中，所述激励线圈和接收线圈横截面的形状相同。

优选的，在上述的角度位置传感器中，所述激励线圈横截面的形状是多边形、圆形或椭圆形。

本实用新型还提供了一种角度位置测量系统，包括：一如上所述的角度位置传感器、一第一电容、一运算放大器、一解调鉴相电路以及一控制器；其中，

所述角度位置传感器中的激励线圈和M个接收线圈、第一电容以及运算放大器组成一LC震荡电路，以产生一激励信号；

所述解调鉴相电路用于获得所述角度位置传感器中M个接收线圈的输出信号的幅值和相位；以及

所述控制器用于根据所述M个接收线圈的输出信号的幅值和相位获取所述角度位置传感器中转子的旋转角度，M为大于等于2的正整数。

优选的，在上述的角度位置测量系统中，还包括：一带通滤波电路，用于滤出所述接收线圈的输出信号中的干扰信号。

优选的，在上述的角度位置测量系统中，还包括：一自增益放大电路，用于放大滤出干扰信号后的所述M个接收线圈的输出信号，所述解调鉴相电路用于获得放大后的所述M个接收线圈的输出信号的幅值和相位。

优选的，在上述的角度位置测量系统中，所述解调鉴相电路包括：一乘法器和一低通滤波电路；其中，所述乘法器用于将所述M个接收线圈的输出信号分离成一组高频信号和一组低频信号；所述低通滤波电路用于过滤出所述高频信号，以获得所述低频信号。

优选的，在上述的角度位置测量系统中，所述M个接收线圈的每一圈有N次正向绕线和反向绕线，所述高频信号的频率为所述M个接收线圈的输出信号的载波频率的2倍，所述低频信号的幅值与所述M个接收线圈输出信号的幅值相关，其中，N为大于等于1的正整数，M为2或3。

优选的，在上述的角度位置测量系统中，所述M个接收线圈的每一圈有N次正向绕线和反向绕线，所述M个接收线圈的输出信号的幅值为所述低频信号的幅值的2倍，其中，N为大于等于1的正整数，M为2或3。

优选的，在上述的角度位置测量系统中，所述M个接收线圈的输出信号的载波频率与所述激励信号的频率相等。

在本实用新型提供的角度位置传感器及角度位置测量系统中，角度位置传感器中包括一激励线圈以及与所述激励线圈共轴的M个接收线圈和一转子，所述角度位置传感器中的M个接收线圈、第一电容以及运算放大器组成一LC震荡电路，且M个接收线圈之间有一偏转角度，其中，M为大于等于2的正整数，利用转子的旋转角度与M个接收线圈的输出信号之间的关系，在获取M个接收线圈的输出信号的前提下，即可获得转子的旋转角度，从而实现对角度变化的测量。由于转子和接收线圈之间非接触，即无机械磨损，从而提高了所述角度位置测量系统的耐气候性和耐振动性。同时，可以有效的降低成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例中角度位置传感器的俯视结构示意图；

图2为本实用新型实施例中角度位置测量系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中激励磁场作用下接收线圈输出电压和转子位置的对应关系示意图；

图4为本实用新型实施例中将0-360°的平面划分为8个象限的示意图；

图5为本实用新型实施例中使用角度位置测量系统进行角度位置测量方法的流程图；

图中：101-角度位置传感器；1011-激励线圈；1012-接收线圈；1013-转子；102-第一电容；103-运算放大器；104-解调鉴相电路；1041-乘法器；1042-低通滤波器；105-控制器；106-带通滤波电路；107-自增益放大电路。

具体实施方式

下面将结合示意图对本实用新型的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

本实用新型实施例提供了一种角度位置传感器101，如图1所示，图1为所述角度位置传感器101的俯视结构示意图。所述角度位置传感器101包括：一激励线圈1011、M个接收线圈1012以及一转子1013，所述激励线圈1011、M个接收线圈1012和转子1013共轴。所述M个接收线圈1012位于所述激励线圈1011的内侧，所述转子1013位于所述M个接收线圈1012的一端，且与所述接收线圈1012之间有一间隙，两个相邻的接收线圈1012之间有一偏转角度，M为大于等于2的正整数，进一步的，M为2或3。

每个接收线圈1012的每一圈均按正反方向绕线。具体的，所述每个接收线圈1012的每一圈有N次正向绕线和N次反向绕线，先进行N次正向绕线再进行N次反向绕线，其中，N为大于等于1的正整数。进一步的，当N为1时，每个接收线圈1012的每一圈在绕线时是接收线圈的一端固定，另一端先沿正方向(顺时针方向)绕一定的长度后，再沿着反方向(逆时针方向)绕相同的长度，并回到所述接收线圈的一端附近。当N为大于等于2的正整数时，每个接收线圈的每一圈在绕线时是接收线圈的一端固定，另一端沿着正方向(顺时针方向)完成N次绕线，然后再沿着反方向(逆时针方向)完成N次绕线，并回到所述接收线圈的一端附近。在上述中，正方向为顺时针方向，反方向为逆时针方法，同样的，也可以是正方向为逆时针方向，反方向为顺时针方向。

当M为2时，所述偏置角度＝360/(2N*M)，其中，N表示每个接收线圈1012的每一圈正向绕线的次数，为大于等于1的正整数。例如，当N为1，即，当有两个接收线圈1012(例如为第一接收线圈和第二接收线圈)，且每个接收线圈1012的每一圈仅进行一次正向绕线和反向绕线时，所述偏置角度＝360/(2N*M)＝360/(2*1*2)＝90度。即所述两个接收线圈1012之间呈90度的夹角，进一步的，所述第一接收线圈的一端和第二接收线圈的一端之间呈90°的夹角。

当M为3时，所述偏转角度＝360/(N*M)，其中，N为大于等于1的正整数，M为3。同样，当N为1时，所述偏转角度＝360/(N*M)＝360/(1*3)＝120度。即所述两个接收线圈1012之间呈120度的夹角，进一步的，所述第一接收线圈的一端和第二接收线圈的一端之间呈120°的夹角。

所述转子1013包含N个转子叶片，且所述N个转子叶片均匀分布于所述转子叶片所在的平面，N为大于等于1的正整数。即所述转子1013包含的转子叶片的个数与所述接收线圈的每一圈中正向绕线或反向绕线的次数相等。进一步的，所述转子1013覆盖住所述接收线圈横截面的面积的一半，即所述转子1013覆盖住所述接收线圈1012中正向绕线所围成的区域，或者覆盖住所述接收线圈1012中反向绕线所围成的区域。需要说明的是，当所述转子1013覆盖住所述接收线圈1012中正向绕线所围成的区域时，就不能覆盖所述接收线圈1012中反向绕线所围成的区域。同样，当所述转子1013覆盖住所述接收线圈1012中反向绕线所围成的区域时，就不能覆盖所述接收线圈1012中正向绕线所围成的区域。

具体而言，当N为1时，所述接收线圈1012的每一圈仅进行一次正向绕线和一次反向绕线，则是转子1013仅包含一个转子叶片。所述转子叶片覆盖住所述接收线圈1012中正向绕线所围成的区域，但不能覆盖住所述接收线圈1012中反向绕线所围成的区域。或者覆盖住所述接收线圈1012中反向绕线所围成的区域，但不能覆盖住所述接收线圈1012中正向绕线所围成的区域。

当N为2时，所述接收线圈1012的每一圈进行2次正向绕线和2次反向绕线，则所述转子1013包括2个转子叶片。所述接收线圈1012的每一圈被依次划分为：第一正向绕线围成的区域、第一反向绕线围成的区域、第二正向绕线围成的区域以及第二反向绕线围成的区域。由于所述接收线圈1012的每一圈在进行绕线时正向绕线和反向绕线的长度是相等的，进而使得第一正向绕线围成的区域、第一反向绕线围成的区域、第二正向绕线围成的区域以及第二反向绕线围成的区域的面积相等。这2个转子叶片分别覆盖住所述第一正向绕线围成的区域和第二正向绕线围成的区域，但不能覆盖住所述第一反向绕线围成的区域和第二反向绕线围成的区域。或者这2个转子叶片分别覆盖住所述第一反向绕线围成的区域和第二反向绕线围成的区域，但不能覆盖住所述第一正向绕线围成的区域和第二正向绕线围成的区域。

当N大于2时，与N等于2的情况类似，以此类推，是本领域技术人员所能理解的，在此不再赘述。N的取值越大，所述角度位置传感器101的测量精度越高。

所述激励线圈1011和接收线圈1012的横截面的形状相同，所述激励线圈1011和接收线圈1012的横截面是但不限于是多边形、圆形或椭圆形。需要说明的是，当所述激励线圈1011和接收线圈1012的横截面为多变形时，所述角度位置传感器101还可以用来测量直线距离。较优的，所述激励线圈1011和接收线圈1012的横截面为圆形，以减少耗材，进而降低成本。当所述激励线圈1011和接收线圈1012的横截面为圆形时，所述转子1013的转子叶片的半径大于等于所述接收线圈1012的半径。较优的，所述转子1013的转子叶片的半径等于所述接收线圈1012的半径，以减少无效覆盖，进而降低成本。

本实用新型实施例还提供了一种角度位置测量系统，如图2所示。图2示出了本实施例中角度位置测量系统的结构示意图。包括：如上所述角度位置传感器101、一第一电容102、一运算放大器103、一解调鉴相电路104以及一控制器105。其中，所述角度位置传感器101中的M个接收线圈1012、第一电容102以及运算放大器103组成一LC震荡电路。

所述角度位置测量系统还包括一带通滤波电路106和一自增益放大电路107，所述带通滤波器106用于滤出所述接收线圈1012的输出信号中的干扰信号，所述并将原始信号有效放大，提高信号的信噪比。所述自增益放大电路107用于放大滤出干扰信号后的所述M个接收线圈1012的输出信号，所述解调鉴相电路104用于获得放大后的所述M个接收线圈的输出信号的幅值和相位。所述自增益放大电路104的作用是将接收线圈的输出信号进行有效放大，获取高精度的幅值变化信号，为后续所述角度位置传感器中转子1013的位置计算提供参考。由于接收线圈1012的输出信号的输出幅值变化很大，采用固定增益的放大电路很难保证在全信号段获取足够高的AD(模数转换)采样精度，因此，本系统采用了一套自增益放大电路，其特点是当输入信号的幅值发生变化时，其内部电路可以自动识别信号的输入幅值，经过内部特殊的电阻网络调节信号的放大倍数，再将相对应的放大倍数转换成电压值，再经过固定增益放大器放大后，输入给模数转换电路。

所述角度位置传感器101中的每个接收线圈1012的每一圈均按正反方向绕线。具体的，所述每个接收线圈1012的每一圈有N次正向绕线和N次反向绕线，且所述正向绕线和反向绕线交叉进行，其中，N为大于等于1的正整数。进一步的，当N为1时，每个接收线圈1012的每一圈在绕线时是接收线圈的一端固定，另一端先沿正方向(顺时针方向)绕一定的长度后，再沿着反方向(逆时针方向)绕相同的长度，并回到所述接收线圈的一端附近。当N为大于等于2的正整数时，每个接收线圈的每一圈在绕线时是接收线圈的一端固定，另一端沿着正方向(顺时针方向)完成N次绕线，然后再沿着反方向(逆时针方向)完成N次绕线，并回到所述接收线圈的一端附近。在上述中，正方向为顺时针方向，反方向为逆时针方法，同样的，也可以是正方向为逆时针方向，反方向为顺时针方向。

所述解调鉴相电路104用于获得所述角度位置传感器101中M个接收线圈1012的输出信号的幅值和相位，M为大于等于2的正整数。具体的，所述解调鉴相电路104包括：一乘法器1041和一低通滤波电路1041。其中，所述乘法器1041用于将放大后的所述M个接收线圈1012的输出信号分离成一组高频信号和一组低频信号；所述低通滤波电路1042用于过滤出所述高频信号，以获得所述低频信号，M为大于等于2的正整数。其中，所述M个接收线圈1012的每一圈有N次正向绕线和N次反向绕线，所述高频信号的频率为所述M个接收线圈的输出信号的载波频率的2倍，所述低频信号的幅值与所述M个接收线圈输出信号的幅值相关，进一步的，所述M个接收线圈的输出信号的幅值为所述低频信号的幅值的2倍。更进一步的，所述M个接收线圈的输出信号的载波频率与所述激励信号的频率相等。其中，N为大于等于1的正整数，M为2或3。

所述控制器105用于根据所述角度位置传感器101中M个接收线圈1012的输出信号的幅值和相位获取所述角度位置传感器中转子1013的旋转角度，M为大于等于2的正整数。

在本实施例中，所述角度位置传感器中包含有2个接收线圈，且2个接收线圈的每一圈进行一次正向绕线和一次反向绕线。所述角度位置传感器中的转子包含有一个转子叶片。进一步的，所述转子叶片为导磁的金属片。

所述激励线圈的电感在2uH左右，所述LC震荡电路可产生频率我5MHz，幅值为1伏特的高频交流电压信号，即激励信号。通电后，所述激励线圈在所述高频交流电压信号的作用下，产生高频交变的激励磁场。所述角度位置传感器中的2个接收线圈的每一圈进行一次正向绕线和一次反向绕线，以抵消所述激励磁场的影响。在所述高频交变的激励磁场的作用下，所述转子叶片上会感应出涡流，所述涡流的强度取决于所述激励磁场的大小，所述转子叶片上交变的涡流也会产生交变的磁场，其产生的磁场随所述转子叶片的位置的变化而不断变化。每个接收线圈在所述转子叶片涡流交变磁场的作用下，其输出的感应电动势U0和所述转子叶片的位置相关，如图3所示。

具体的，可以看出，当所述转子叶片完全盖住接收线圈的上半圈时，所述接收线圈的感应电压的输出幅值达到正向最大，如图3中的标识1所示。当所述转子叶片顺时针转过90度后，所述转子叶片盖住所述接收线圈上下半圈的面积相等，但上下半圈的感应电流的方向相反，导致接收线圈的电压输出幅值为0，如图3中的标识2所示。当转子继续旋转90度，所述转子叶片完全盖住接收线圈的下半圈时，所述接收线圈的输出信号的输出幅值达到反向最大，如图3中的标识3所示。当所述转子叶片继续旋转90度后，所述转子叶片盖住接收线圈上下半圈的面积又相等了，其输出电压的幅值再次等于O，如图3中的标识4所示。综上所述，接收线圈的输出幅值和转子的位置相关，通过测量接收线圈的输出幅值和相位就可以确定转子的位置了。

进一步的，采用所述角度位置测量系统进行角度位置测量的方法，包括以下步骤：获得M个接收线圈的输出信号的幅值y1、y2...yM；将0-360°的平面划分为4M个象限；根据所述M个接收线圈的输出信号的幅值y1、y2...yM确定转子位于第L个象限中；以及确定所述转子的旋转角度。其中，M为2或3，1≤L≤4M，且L为正整数。

接上例，N为1，M为2。即2个接收线圈的输出信号的幅值分别为y1和y2，将0-360°的平面划分为8个象限，如图4所示，其中，π表示180°。则1≤L≤8，且L为正整数。

参见图5，图5为本实用新型实施例中角度位置测量方法的流程图。首先获取2个接收线圈的输出信号的幅值y1和y2，如图5中的步骤S1。然后将0-360°的平面划分为8个象限，如图5中的步骤S2。其次，根据所述2个接收线圈的输出信号的幅值y1和y2确定转子叶片位于第L个象限，1≤L≤8，且L为正整数，如图5中的步骤S3。

具体的，请参见图4，图4为将0-360°的平面划分为8个象限的示意图。当y1＞0且y2＞0时，所述转子叶片位于第I象限和第II象限中。进一步的，根据y1和y2的值的大小，进一步确定所述转子叶片是位于所述第I象限还是第II象限。具体的，当y2＞y1时，所述转子叶片位于第I象限中，然后根据y1和y2确定所述转子叶片的旋转角度φ，φ＝arcsin(y1)，如图5中的步骤S4。否则，当y2小于y1时，所述转子叶片位于第II象限中，此时，φ＝90-arcsin(y2)，如图5中的步骤S4。

当y1＞0且y2＜0时，所述转子叶片位于第III象限和第IV象限中。进一步的，根据y1和y2的绝对值的大小，进一步确定所述转子叶片是位于所述第III象限还是第IV象限。具体的，当|y1|＞|y2|时，所述转子叶片位于第III象限中，然后根据y1和y2确定所述转子叶片的旋转角度中，φ＝90+arcsin(|y2|)，如图5中的步骤S4。否则，当|y1|＜|y2|时，所述转子叶片位于第IV象限中，此时，φ＝180-arcsin(|y1|)，如图5中的步骤S4。

当y1＜0且y2＜0时，所述转子叶片位于第V象限和第VI象限中。进一步的，根据y1和y2的绝对值的大小，进一步确定所述转子叶片是位于所述第V象限还是第VI象限。具体的，当|y2|＞|y1|时，所述转子叶片位于第V象限中，然后根据y1和y2确定所述转子叶片的旋转角度φ，φ＝180+arcsin(|y1|)，如图5中的步骤S4。否则，当|y2|＜|y1时，所述转子叶片位于第VI象限中，此时，φ＝270-arcsin(|y2|)，如图5中的步骤S4。

当y1＜0且y2＞0时，所述转子叶片位于第VII象限和第VII象限中。进一步的，根据y1和y2的绝对值的大小，进一步确定所述转子叶片是位于所述第VII象限还是第VII象限。具体的，当|y1|＞|y2|时，所述转子叶片位于第VII象限中，然后根据y1和y2确定所述转子叶片的旋转角度φ，φ＝270+arcsin(|y2|)，如图5中的步骤S4。否则，当|y1|＜|y2|时，所述转子叶片位于第VII象限中，此时，φ＝360-arcsin(|y1|)，如图5中的步骤S4。

在本实施例中，获得的是转子相对于其初始位置的旋转角度，而转子的初始位置可以自由标定，因此使用方便。

当M为3时，即当所述角度位置传感器中包含有3个接收线圈时，将0-360°的平面划分为12个象限，然后根据获得的3个接收线圈的输出信号的幅值y1、y2和y3的大小(包括正负以及绝对值的大小)确定转子叶片具体位于0-12个象限中的哪一个象限中，然后利用3个接收线圈的输出信号的幅值y1、y2和y3计算出转子叶片的旋转角度φ。采用3个接收线圈时转子叶片的旋转角度φ的精度要高于采用2个接收线圈时的精度。因此，根据实际需要选择不同个数的接收线圈以适应不同的精度要求。

综上，在本实用新型实施例提供的角度位置传感器及角度位置测量系统中，角度位置传感器中包括一激励线圈以及与所述激励线圈共轴的M个接收线圈和一转子，所述角度位置传感器中的M个接收线圈、第一电容以及运算放大器组成一LC震荡电路，且M个接收线圈之间有一偏转角度，其中，M为≥2的正整数，利用转子的旋转角度与M个接收线圈的输出信号之间的关系，在获取M个接收线圈的输出信号的前提下，即可获得转子的旋转角度，从而实现对角度变化的测量。由于转子和接收线圈之间非接触，即无机械磨损，从而提高了所述角度位置测量系统的耐气候性和耐振动性。同时，可以有效的降低成本。

上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不对本实用新型起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术方案的范围内，对本实用新型揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本实用新型的技术方案的内容，仍属于本实用新型的保护范围之内。