专利名称：微型电涡流角度传感器及其实现方法
技术领域：
本发明涉及一种角度传感器，特别是一种微型电涡流角度传感器及其实现方法。
背景技术：
目前公知的角度传感器主要使用码盘、圆光栅、圆磁栅、旋转电位计或霍尔元件作为传感单位。这些传感角度的传感器由于自身的特点很难应用于对传感器体积要求非常苛刻的场合，比如用在直径小于Φ10的扇形扫描探头内。
其中码盘、圆光栅、圆磁栅需要使用较大的事先记录刻度信息的圆盘，其直径在10mm以上，并且使用这三种方法进行角度测量需要较大的读数头，使得传感器的整体体积较大，对于传感器体积要求非常苛刻的场合并不适用。
旋转电位计使用接触测量的方法，旋转时需要一定的驱动力，并且其寿命也受到限制，因此其不宜用在高精度、长时间使用的旋转运动系统中作为角度测量元件。
使用霍尔元件的角度传感器虽然也是非接触测量，但是其精度较低，一般在2°以上。
发明内容
为了克服现有角度传感器在体积和精度方面的不足，本发明提出了一种高精度、小体积、测量范围大的电涡流角度传感器。
实现本发明的电涡流角度传感器的技术方案如下。
一种微型电涡流角度传感器的实现方法，其特征是利用于旋转过程具有不同切入电感交变磁场中的面积的涡流片，产生不同电涡流效应强度，引起电感量的变化，通过对电感量的测量来实现角度测量。
所述的微型电涡流角度传感器的实现方法，其特征是所述切入电感交变磁场中的涡流片具有渐开线轮廓，使在旋转过程中切入电感交变磁场中的涡流片的面积随旋转角度的变化呈线性变化。
本发明还提供一种用所述方法所实现的微型电涡流角度传感器，其特征是一旋转轴，于该旋转轴上垂直固设一具有渐开线轮廓的导电涡流片；一环形电感线圈，该环形电感线圈绕设于具有涡流槽的磁环上；所述具有渐开线轮廓的导电涡流片的旋转轴与所述磁环轴线相交设置，且渐开线轮廓的导电涡流片切入所述磁环的涡流槽内；一高频电流源接电感线圈，向电感线圈提供恒定幅值的正弦电流；于电感线圈的两端连接一正弦电压幅值检测装置。
所述的微型电涡流角度传感器，其特征是所述导电涡流片是一种不导磁的导电金属片。
所述的微型电涡流角度传感器，其特征是所述磁环是锰-锌铁氧体磁环。
所述的微型电涡流角度传感器，其特征是所述绕设于磁环上的环形电感线圈是用线径小于0.1mm的铜漆包线绕成。
所述的微型电涡流角度传感器，其特征是所述高频电流源是由正弦信号发生器和电压/电流转换器所组成，正弦信号发生其提供一定频率的正弦电压经电压/电流转换器转换为正弦电流。
所述的微型电涡流角度传感器，其特征是所述的正弦电压幅值检测装置包含一连接所述电感线圈两端的正弦电压信号解调模块。
本发明的电涡流角度传感器是利用具有渐开螺旋线轮廓的涡流片旋转引起电涡流作用面积的变化来改变电涡流效应强度，直接进行角度测量，能够实现超小体积、高精度的大角度测量。
本发明和背景技术相比具有的有益效果是使用了具有渐开螺旋线轮廓的导电涡流片作为涡流片，使用电涡流的面积效应来实现角度检测。它能够实现非常小的体积，其中涡流片的体积可以小于4mm×4mm×0.3mm，磁环的体积可以小于Φ3mm×1mm，并且该传感器能嵌入到设备的其他部分里，进一步减少其体积。此外，高精度的涡流片轮廓能够保证该种角度传感器的精度能达到0.1°以下；选择大旋转角度的涡流片，能够保证该种角度传感器的测量范围达到300°以上。
为对本发明的特征功效有进一步了解，兹列举具体实施例并结合附图详细说明如下。
图1是本发明的实施例的角度传感单元结构示意图。
图2是角度传感器的电路框图。
图3为图1所示的角度传感器的输出特性。
具体实施例方式
本发明所提供的一种微型电涡流角度传感器的实现方法是利用一与被测物件同步旋转的涡流片，该涡流片在旋转过程中随旋转角度的不同而具有不同切入电感交变磁场中的面积，使产生不同电涡流效应强度，将引起电感量发生变化，当向电感输入一定大小的高频电流时，则电感两端的电压幅值将随旋转角度而变化，通过对电压幅值的测量即可实现角度测量。
为使电压的测量电路简化，所述切入电感交变磁场中的涡流片具有相对于旋转中心的渐开线轮廓，使在旋转过程中切入电感交变磁场中的涡流片的面积随旋转角度的变化呈线性变化，从而使所测电压幅值的数值可直接对应成旋转角度的数值。
本发明还提供一种用上述方法所实现的微型电涡流角度传感器(如图1所示)，该电涡流角度传感器具有一旋转轴2，于该旋转轴2上垂直固设一具有相对于旋转中心的渐开线轮廓6的电涡流片1；该旋转轴2枢设于传感器壳体的轴孔中，其外伸端供连接被测角度的物体。一环形电感线圈4，该环形电感线圈4绕设于具有涡流槽5的磁环3上；所述具有渐开线轮廓的导电涡流片1的旋转轴2与所述磁环轴线相交设置(如正交设置)，并使具有渐开线轮廓的导电涡流片1切入所述磁环3的涡流槽5内，且可随旋转轴2的转角的不同而线性地改变切入涡流槽5内的面积。当切入涡流槽5内的导电涡流片的面积越大(即深度越深)则电感线圈所呈现的电感量越小，当保持加入到电感线圈中的高频电流幅值不变时，则电感线圈两端的电压也将随旋转角度成线性变化，所测电压的数值可直接对应成旋转角度的数值。
在图1具体实施例中，所述磁环是锰-锌铁氧体磁环，磁环上所设涡流槽5的宽度略大于涡流片1的厚度。所述导电涡流片是一种不导磁的导电金属片，其厚度应大于1.5倍趋肤深度。为了保证线性度，涡流片的渐开线轮廓6在涡流片1摆动过程中切入涡流槽5的深度应小于涡流槽5本身的深度。
所述绕设于磁环上的环形电感线圈4是用线径小于0.1mm的铜漆包线绕构成。较佳地，电感线圈4采用直径为0.06mm的铜芯漆包线绕制，绕制圈数100匝。在电感线圈4两端施加150KHz的电流信号，通过对电感线圈4两端的电压信号进行幅值解调，即可以得到电感线圈4电感的变化量，即得到了涡流片的摆动角度。
图2是本发明微型电涡流角度传感器的电路图，一高频电流源接于所述电感线圈的两端，所述高频电流源是由正弦信号发生器7和电压/电流转换器8所组成，正弦信号发生器7提供一定频率的正弦电压，经电压/电流转换器8转换为正弦电流，以供给电感线圈4一恒定的高频电流。于电感线圈4的两端连接一正弦电压幅值检测装置。所述的正弦电压幅值检测装置是检测正弦电压幅值的解调模块9，正弦电压信号解调模块9接电感线圈，正弦电压信号解调模块9拾取该电压信号并对其进行解调，解调输出为与涡流片摆角线性对应的电压信号。
图3为图1中的角度传感器的输出特性。通过选择合理的涡流片渐开线轮廓6和涡流槽5深度，该种电涡流角度传感器最大能测量300°的旋转角度。通过加工高精度的涡流片渐开线轮廓6，该种电涡流角度传感器的测量精度能达到0.1°。
权利要求
1.一种微型电涡流角度传感器的实现方法，其特征是利用于旋转过程具有不同切入电感交变磁场中的面积的涡流片在交变磁场中产生不同电涡流效应强度，引起电感量的变化，通过对电感量的测量来实现角度测量。
2.根据权利要求1所述的微型电涡流角度传感器的实现方法，其特征是所述切入电感交变磁场中的涡流片具有渐开线轮廓，使在旋转过程中切入电感交变磁场中的涡流片的面积随旋转角度的变化呈线性变化。
3.一种用权利要求1的方法所实现的微型电涡流角度传感器，其特征是一旋转轴，于该旋转轴上垂直固设一具有渐开线轮廓的导电涡流片；一环形电感线圈，该环形电感线圈绕设于具有涡流槽的磁环上；所述具有渐开线轮廓的导电涡流片的旋转轴与所述磁环轴线相交设置，且渐开线轮廓的导电涡流片切入所述磁环的涡流槽内；一高频电流源接电感线圈，向电感线圈提供恒定幅值的正弦电流；于电感线圈的两端连接一正弦电压幅值检测装置。
4.根据权利要求3所述的微型电涡流角度传感器，其特征是所述导电涡流片是一种不导磁的导电金属片。
5.根据权利要求3所述的微型电涡流角度传感器，其特征是所述磁环是锰—锌铁氧体磁环。
6.根据权利要求3所述的微型电涡流角度传感器，其特征是所述绕设于磁环上的环形电感线圈是用线径小于0.1mm的铜漆包线绕成。
7.根据权利要求3所述的微型电涡流角度传感器，其特征是所述高频电流源是由正弦信号发生器和电压/电流转换器所组成，正弦信号发生其提供一定频率的正弦电压经电压/电流转换器转换为正弦电流。
8.根据权利要求3所述的微型电涡流角度传感器，其特征是所述的正弦电压幅值检测装置是检测正弦电压幅值的解调装置。
全文摘要
本发明的电涡流角度传感器是利用具有渐开螺旋线轮廓的涡流片旋转引起电涡流作用面积的变化来改变电涡流效应强度，直接进行角度测量，能够实现超小体积、高精度的大角度测量。
文档编号G01D5/12GK1667350SQ20051006650
公开日2005年9月14日 申请日期2005年4月27日 优先权日2005年4月27日
发明者王健发, 王雪乔, 徐亮禹 申请人:天津市索维电子技术有限公司