本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)動參數(shù)測量技術(shù)，具體是一種自供電轉(zhuǎn)動參數(shù)測量傳感器。

背景技術(shù)：

目前被廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)動參數(shù)傳感器有光柵、光電編碼器、磁編碼器、感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器等，這些均為有源傳感器。有源傳感器的使用都存在一個共性問題，即如何方便高效地進(jìn)行能源供應(yīng)，目前普遍采用電源線和電池兩種供能形式。電源線雖然能夠長時間提供穩(wěn)定的能源，但面對眾多的傳感器時則會出現(xiàn)布線復(fù)雜等問題，電池則因容量限制不可避免的會出現(xiàn)替換等維護(hù)問題。

為了使傳感器實現(xiàn)免維護(hù)、自維持的長時間工作，能量采集技術(shù)無疑是替代電源線和電池的最理想手段和最具潛力的研究領(lǐng)域。能量采集技術(shù)是一種通過采集環(huán)境中的能量并轉(zhuǎn)換成電能為傳感器以及便攜式電子設(shè)備提供能源的技術(shù)。目前對轉(zhuǎn)動能量采集和對轉(zhuǎn)動參數(shù)傳感的研究都是相互獨立的，還沒有將同時實現(xiàn)能量采集和轉(zhuǎn)動參數(shù)傳感的功能融合在同一器件上的研究，以實現(xiàn)同一器件既可作為轉(zhuǎn)動能量采集器又可作為轉(zhuǎn)動參數(shù)傳感器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種自供能轉(zhuǎn)動參數(shù)測量傳感器，其能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動參數(shù)測量的同時又能實現(xiàn)傳感器的自供電功能。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種自供電轉(zhuǎn)動參數(shù)測量傳感器，其包括同軸設(shè)置的轉(zhuǎn)子和定子，所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸和相對于所述轉(zhuǎn)軸固定的多極磁環(huán)，所述多極磁環(huán)在轉(zhuǎn)動過程中在周圍形成變化的磁場；所述定子包括磁路、磁電換能器和電磁換能器，一個磁電換能器和一個電磁換能器置于同一磁路中，不同磁路中的每兩個磁電換能器正交放置，不同磁路的每兩個電磁換能器也正交放置；所述磁電換能器連接有信號處理電路，磁電換能器感應(yīng)磁路中變化的磁場并產(chǎn)生周期性變化的交流電，空間正交放置的兩個磁電換能器感應(yīng)的兩路正交變換的交流電通過信號處理電路，得到相位與轉(zhuǎn)子空間位置相對應(yīng)，頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的電信號，通過檢測此信號的相位可以得到轉(zhuǎn)子相對于定子轉(zhuǎn)過的角度，通過檢測此信號頻率即可得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；所述電磁換能器連接有電源調(diào)理電路，電磁換能器感應(yīng)磁路中變化的磁場并產(chǎn)生電壓，該電壓經(jīng)電源調(diào)理電路穩(wěn)壓處理后為傳感器供電。

本方案中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，多極磁環(huán)也隨轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動，在空間形成周期變化的磁場，磁電換能器感受磁場變化，產(chǎn)生幅值呈周期變化的交流電，該交流電的幅值與多極磁環(huán)對于磁電換能器的空間位置相關(guān)，該交流電的周期與多極磁環(huán)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的磁場變化周期相關(guān)，信號處理電路對該該電流進(jìn)行處理，得到相位與多極磁環(huán)的空間位置相對應(yīng)、頻率與多極磁環(huán)轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的電信號，也即是得到相位與轉(zhuǎn)子的空間位置相對應(yīng)、頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的電信號，通過檢測該電信號的相位就能夠得到轉(zhuǎn)子相對于定子轉(zhuǎn)過的角度，檢測該電信號的頻率即可得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動參數(shù)的測量。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，電磁換能器也將磁場的變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出，此電壓輸出通過電源調(diào)理電路調(diào)理成穩(wěn)定的電壓輸出，為傳感器的信號處理電路或其他低功耗電子設(shè)備供電，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動參數(shù)測量傳感器的自供電功能。

進(jìn)一步的，所述磁路由多個磁場匯聚塊和扼磁件構(gòu)成，磁電換能器和電磁換能器的兩端分別通過磁場匯聚塊和扼磁件上相對的U形槽安裝固定，磁電換能器和電磁換能器的個數(shù)一致，并與多極磁環(huán)的極對數(shù)一致。

磁路通過扼磁件和磁場匯聚塊將磁場約束其內(nèi)，使磁電換能器和電磁換能器感受到的磁場強(qiáng)度更高，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的電信號，有利于信號分析和能量采集。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，多極磁環(huán)就能產(chǎn)生數(shù)個周期的變化磁場，其周期數(shù)與磁路的數(shù)量一致，使磁場能夠規(guī)則地限制在磁路中，使感應(yīng)產(chǎn)生的電信號周期性變化明顯，辨識度高。

進(jìn)一步的，所述多極磁環(huán)為兩對極結(jié)構(gòu)，所述磁場匯聚塊為四個，所述扼磁件為兩個，所述磁電換能器和電磁換能器均為兩個，所述磁場匯聚塊環(huán)繞在多極磁環(huán)外側(cè)分布，所述一個扼磁件對應(yīng)設(shè)置在兩個磁場匯聚塊外側(cè)；一個扼磁件與其對應(yīng)的一個磁場匯聚塊之間設(shè)置有一個磁電換能器，該扼磁件與其對應(yīng)的另一個磁場匯聚塊之間設(shè)置有一個電磁換能器。

上述方案中，當(dāng)多極磁環(huán)轉(zhuǎn)過360度，磁電換能器將導(dǎo)出四個周期的電信號，兩個磁電換能器因空間正交放置，導(dǎo)出的電信號相差90度相位，形成正交，兩路正交的電信號輸入到信號處理電路方便處理，經(jīng)調(diào)制、相加后形成一個相位與空間位置關(guān)系相對應(yīng)，頻率與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的電信號，經(jīng)過對電信號進(jìn)行相位檢測就可以知道轉(zhuǎn)子相對于定子轉(zhuǎn)過的角度，通過對電信號進(jìn)行頻率檢測就可知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動速度兩個參數(shù)的同時測量。由于兩個電磁換能器空間正交放置，其輸出的電壓之間存在90°相位差，便于電源調(diào)理電路進(jìn)行處理，得到一個直流電壓輸出。

進(jìn)一步的，所述磁電換能器由磁致伸縮層和壓電層構(gòu)成，磁電換能器的長度方向在所述定子的徑向上。

當(dāng)磁電換能器的磁電層合結(jié)構(gòu)通過兩端夾持的方式固定在U形槽中，形成牙形磁路，牙形磁路通過減少漏磁能夠使磁場最大限度的通過磁電換能器。U形槽除了起到固定作用外，還可以對層合結(jié)構(gòu)施加一定的預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而提高輸出性能。

進(jìn)一步的，所述磁電換能器為中間層是磁致伸縮層、其余兩層是壓電層的PMP型結(jié)構(gòu)或者是中間層為壓電層，其余兩層為磁致伸縮層的MPM結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述電源調(diào)理電路包括整流模塊、濾波模塊、能量存儲模塊、過壓保護(hù)模塊和LDO穩(wěn)壓模塊，所述每個電磁換能器輸出的電壓均經(jīng)一個整流模塊整流后輸出至濾波模塊，所述濾波模塊輸出一個直流電壓，所述直流電壓對能量存儲模塊充電，能量存儲模塊輸出額定電壓，該額定電壓經(jīng)過壓保護(hù)模塊限壓以及LDO穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓后輸出。

本傳感器融合了轉(zhuǎn)動參數(shù)傳感和轉(zhuǎn)動能量采集兩種功能，其轉(zhuǎn)子和定子既是轉(zhuǎn)動參數(shù)測量的關(guān)鍵部件，又同時是提供能量來源的關(guān)鍵部件，同一部件在同個時間下集合傳感測量和供能功能。本發(fā)明的傳感器既可用于構(gòu)建自供電無線轉(zhuǎn)動參數(shù)傳感，又可用于為轉(zhuǎn)動環(huán)境中的無線傳感器供電，這種可實現(xiàn)自供電且具有替換現(xiàn)有轉(zhuǎn)動參數(shù)傳感技術(shù)的自供電轉(zhuǎn)動參數(shù)測量傳感器具有顯著的經(jīng)濟(jì)、實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的轉(zhuǎn)子和定子的結(jié)構(gòu)爆炸圖；

圖2為本發(fā)明的磁場匯聚塊和扼磁件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的U形槽的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的電路原理圖；

圖5為本發(fā)明的磁電換能器的一種具體實施例的結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本發(fā)明的多極磁環(huán)在轉(zhuǎn)動過程中的磁場分布示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

一種自供電轉(zhuǎn)動參數(shù)測量傳感器，如圖1所示，其包括同軸設(shè)置的轉(zhuǎn)子1和定子2，所述轉(zhuǎn)子1包括轉(zhuǎn)軸12，所述轉(zhuǎn)子1相對于所述定子2轉(zhuǎn)動設(shè)置。所述轉(zhuǎn)子1包括轉(zhuǎn)軸12和相對于所述轉(zhuǎn)軸12固定的多極磁環(huán)11，所述多極磁環(huán)11在轉(zhuǎn)動過程中在周圍形成變化的磁場。所述定子2包括磁路、磁電換能器和電磁換能器，一個磁電換能器和一個電磁換能器置于同一磁路中，不同磁路中的每兩個磁電換能器正交放置，不同磁路的每兩個電磁換能器也正交放置。所述磁電換能器連接有信號處理電路4，磁電換能器感應(yīng)磁路中變化的磁場并產(chǎn)生周期性變化的交流電，空間正交放置的兩個磁電換能器感應(yīng)的兩路正交變換的交流電通過信號處理電路，得到相位與轉(zhuǎn)子1空間位置相對應(yīng)，頻率與轉(zhuǎn)子1轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的電信號。通過檢測此信號的相位可以得到轉(zhuǎn)子1相對于定子2轉(zhuǎn)過的角度，通過檢測此信號頻率即可得到轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速。所述電磁換能器連接有電源調(diào)理電路3，電磁換能器感應(yīng)磁路中變化的磁場并產(chǎn)生電壓，該電壓經(jīng)電源調(diào)理電路穩(wěn)壓處理后為傳感器供電。

本發(fā)明中的磁電換能器可以有多種結(jié)構(gòu)形式，本實施例采用的如圖5所示的PMP型結(jié)構(gòu)形式不應(yīng)當(dāng)作為本發(fā)明技術(shù)方案的限制或限定。如圖6所示，所述磁路由多個磁場匯聚塊23和扼磁件21構(gòu)成，磁電換能器和電磁換能器的兩端分別通過磁場匯聚塊23和扼磁件21上相對的U形槽25安裝固定，如圖2、3所示，磁電換能器和電磁換能器的個數(shù)一致，并與多極磁環(huán)11的極對數(shù)一致，磁路的數(shù)量與多極磁環(huán)11的對極數(shù)對應(yīng)相等。多極磁環(huán)11在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生多個磁場，將磁場導(dǎo)入磁路中。當(dāng)通過一個磁路中磁電換能器22-1和電磁換能器24-1的磁場強(qiáng)度最強(qiáng)時，通過相鄰磁路中磁電換能器22-2和電磁換能器24-2的磁場強(qiáng)度最弱，實現(xiàn)正交布置。

所述磁電換能器的中間層是磁致伸縮層221，其余兩層是壓電層222，在外磁場的變化作用下，磁致伸縮層221產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)變，此機(jī)械運(yùn)動通過粘結(jié)磁致伸縮層221和壓電層222的粘結(jié)層傳遞到壓電層222，由于壓電效應(yīng)，在壓電層222的上下表面堆積電荷，將電荷引出來形成電流，電流的幅值大小與磁場的大小有關(guān)。當(dāng)通過一個磁路中磁電換能器22-1和電磁換能器24-1的磁場強(qiáng)度最強(qiáng)時，通過相鄰磁路中磁電換能器22-2和電磁換能器24-2的磁場強(qiáng)度最弱，那么磁電換能器22-1和22-2之間輸出的電流相差90°的相位，信號處理電路4結(jié)合分析每個磁電換能器輸出的電流，就能夠得到轉(zhuǎn)子1較為精確的轉(zhuǎn)動角度。而電磁換能器24-1和24-2之間輸出的電壓相差90°，能夠很好地被電源調(diào)理電路處理成恒壓穩(wěn)定的直流電壓，適合作為電子電路的供電電壓使用。

本發(fā)明提出的傳感器是基于磁電換能器、電磁換能器和多極磁環(huán)11的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中要求多極磁環(huán)11的極對數(shù)至少為兩對極。以兩對極的多極磁環(huán)11為例，磁場匯聚塊23為四個，所述扼磁件21為兩個，所述磁電換能器和電磁換能器均為兩個，磁場匯聚塊23以及扼磁件21均呈弧形條狀，所述磁場匯聚塊23環(huán)繞在多極磁環(huán)11外側(cè)分布，所述一個扼磁件21對應(yīng)環(huán)繞兩個磁場匯聚塊23分布；一個扼磁件21及其對應(yīng)的一個磁場匯聚塊之間設(shè)置有一個磁電換能器24-1，該扼磁件21及其對應(yīng)的另一個磁場匯聚塊之間設(shè)置有一個電磁換能器24-2。

將一個磁電換能器和一個電磁換能器置于同一磁路中，且不同磁路中的兩個磁電換能器22-1、22-2在空間正交放置，不同磁路的每兩個電磁換能器24-1、24-2也正交放置。當(dāng)傳感器的定子2、轉(zhuǎn)子1處于如圖6所示位置時，通過多極磁環(huán)11、磁場匯聚塊23、磁電換能器22-1、扼磁件21、電磁換能器24-1、磁場匯聚塊23、再回到多極磁環(huán)11的磁路如圖所示，此時通過磁電換能器22-1的磁場強(qiáng)度最強(qiáng)，輸出的電信號幅值也最大，而通過磁電換能器22-2的磁場強(qiáng)度則最弱，輸出的電信號幅值也最小。多極磁環(huán)11沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，通過磁電換能器22-1的磁場強(qiáng)度逐步減小，而通過磁電換能器22-2的磁場強(qiáng)度則隨之增強(qiáng)，從磁電換能器上導(dǎo)出的電信號幅值也隨之減小或增大，如此往復(fù)。因磁電換能器的磁致伸縮層221只感受磁場大小，所以當(dāng)多極磁環(huán)11轉(zhuǎn)過一個對極，在磁電換能器的壓電層222上導(dǎo)出的電流則經(jīng)過了兩個周期。兩個磁電換能器22-1、22-2因空間正交放置，導(dǎo)出的電流也正好相差90度相位，形成正交。兩路正交的電流輸入到信號處理電路，經(jīng)調(diào)制、相加后形成一個相位與轉(zhuǎn)子1的空間位置關(guān)系相對應(yīng)，頻率與轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的電信號，經(jīng)過對電信號進(jìn)行相位檢測就可以知道轉(zhuǎn)子1相對于定子2轉(zhuǎn)過的角度，通過對信號進(jìn)行頻率檢測就可知道轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動速度兩個參數(shù)的同時測量。

在轉(zhuǎn)子1轉(zhuǎn)動過程中，空間正交放置的電磁換能器24-1、24-2將磁通量的變化轉(zhuǎn)換為線圈的電壓輸出，此電壓輸出通過電源調(diào)理電路3調(diào)理成需要的電壓輸出，用以為此傳感器的信號處理電路4或其他低功耗電子設(shè)備供電，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動參數(shù)傳感器的自供能功能。由于兩個電磁換能器24-1、24-2空間正交放置，其輸出電壓之間存在90°相位差，所以需要在每個電磁換能器后均接一個整流模塊。如圖4所示，所述電源調(diào)理電路3包括整流模塊31、濾波模塊32、能量存儲模塊33、過壓保護(hù)模塊35和LDO穩(wěn)壓模塊34，所述每個電磁換能器輸出的電壓均經(jīng)一個整流模塊31整流后輸出至濾波模塊32，所述濾波模塊32輸出一個直流電壓，所述直流電壓對能量存儲模塊33充電，能量存儲模塊33輸出額定電壓，該額定電壓經(jīng)過壓保護(hù)模塊35限壓以及LDO穩(wěn)壓模塊34穩(wěn)壓后輸出。設(shè)計的過壓保護(hù)模塊保護(hù)儲能器件在充電過程中不會超過其額定電壓。

所述磁電換能器由磁致伸縮層221和壓電層222構(gòu)成，磁電換能器的長度方向在所述定子2的徑向上，上述磁電換能器也可以采用中間層為壓電層222，其余兩層為磁致伸縮層221的MPM結(jié)構(gòu)。所述扼磁件21和磁場匯聚塊23上設(shè)有安裝磁電換能器的端部的U形槽25，磁電換能器的兩端被夾持固定在U形槽25中，形成牙形磁路，牙形磁路通過減少漏磁能夠使磁場最大限度的通過磁電換能器；U形槽25還可以對層合結(jié)構(gòu)施加一定的預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而提高輸出性能。

本裝置在實際運(yùn)用中，會采用外殼來封裝轉(zhuǎn)子1和定子2，如圖1中的殼體5、6相對于定子2都是固定的，轉(zhuǎn)子1則安裝在殼體5、6內(nèi)，殼體5、6起固定和封裝的作用。所述轉(zhuǎn)軸12的一端連接軸承3，右邊的軸承4是和定子2聯(lián)接在一起的，軸承3、4起支撐旋轉(zhuǎn)軸12的作用，使轉(zhuǎn)軸12實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，控制轉(zhuǎn)軸12在軸向、徑向的移動。