一种基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置及方法

1.本发明涉及角度检测技术领域，尤其涉及一种基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置及方法。


背景技术：

2.在现代工业生产中，传统机械指针式仪表在温度、压力、流量等物理量检测显示仍保持大量应用，对该类仪表的实时监视和自动化采集仪表数据并记录尤为重要。
3.对于旋转角度的测量，大量的技术采用处于旋转轴中心的旋转磁场源产生激励，通过固定于旋转轴中心的磁场角度传感器对磁场源激励的响应信号获得旋转角度的信息，通常称为“轴上”磁场传感器；或者通过垂直旋转轴平面的同心圆上以规则的角度布置多个磁场传感器模块对旋转中心磁场源激励的响应信号获取旋转角度的信息，通常称为“离轴”磁场传感器。随大数据和深度学习的发展，进一步开拓出图像识别技术实现角度的测量。
4.已知基于磁场角度传感器，通过测量固定于旋转轴中心的磁场源在该传感器位置产生的磁场信号获取当前角度信息：如在cn107063310a号和cn102445221a号说明书中记载的那样，将磁场源固定于旋转轴中心，通过测量处于轴心的磁角度传感器元件xy轴方向对磁场激励的响应信号，进而推算旋转角度。当磁场角度传感器或磁场源未处于旋转中心时，磁角度传感器xy轴信号将失去90
°
相位差关系，并且产生波形失真，这种相位差和波形失真将导致实际测定角度存在误差；特别是针对小角度范围，因所测角度范围而导致磁角度传感器x或y轴信号无极值，难以进行基准角度定位和角度修正。而如在cn113167598a号说明书中记载的那样，通过多个磁极对的多极磁环增加磁角度传感器信号极值可以部分解决基准角度定位问题。而如在cn104656042a号和cn104296650a号说明书记载的那样，将磁场角度传感器阵列固定于垂直旋转轴的离轴平面上，测量传感器对固定于旋转轴中心的磁场源激励的响应信号，进而计算旋转角度。不论是轴上还是离轴的磁场角度传感器，目前采用中心磁场源的方案对于小角度范围求解旋转角度存在角度基准定位问题。并且在一些特殊场合下，转动轴两端为封闭状态，无法在旋转中心安装随轴旋转的磁场源和固定的磁角度传感器。
5.已知基于图像识别技术，可以在一定程度上解决小角度范围求解旋转角度问题。目前的图像识别技术，通过安装摄像头，采集指针表盘图像，对图像进行预处理后，采用内霍夫曼直线检测和圆检测实现指针识别，进而获取指针表盘示数。此类方法对于低速转动的指针具有较好的识别度，但受限于摄像头采集帧率和算法复杂度，无法对快速转动的指针实时识别和计算角度；另外当摄像头偏移旋转轴中心时，采集的图像存在的视觉偏移，也会影响计算角度精度。如上所述，在目前基于磁和视觉角度检测技术中，对小角度范围内快速转动的指针旋转角度求解存在基准角度定位或者频率和计算量大等问题。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置及方法，目的是
解决现有技术中对小角度范围内快速转动的指针旋转角度求解存在元件安装偏移、基准角度定位缺失以及频率和计算量大等问题。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置，包括表盘和旋转体，所述旋转体转动设置在表盘中心，且垂直所述旋转体的轴体上固定有刚性支撑结构，还包括：刚性支撑结构，一端垂直固定在所述旋转体的轴体上；磁场源，设置在所述刚性支撑结构的另一端部；多个磁场传感器，绕所述旋转体均匀设置在磁场源旋转圆周下方的表盘上，多个磁场传感器构成磁场传感器阵列，用于检测磁场源的激励信号；信号处理单元，用于将磁场传感器阵列采集的所述磁场源激励信号进行处理，获得旋转体的旋转角度。
8.优选的，所述磁场源为永磁铁或通电线圈，且所述磁场源的磁性强度在所测旋转角度范围内保持恒定。
9.优选的，所述信号处理单元包括依次连接的调零电路、放大电路、滤波电路、多通道ad转换电路和处理器电路，通过调零电路、放大电路、滤波电路对磁场传感器采集的激励信号进行处理，将处理后的激励信号通过多通道ad转换电路进行ad转换，将ad转换后的激励信号发送至处理器电路进行信号分析输出，获得旋转体的旋转角度。
10.本发明还提供了基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置的表盘读数方法，包括步骤：利用多个所述磁场传感器采集磁场源随刚性支撑结构旋转时的激励信号；将所述激励信号输入k-means聚类模型，输出旋转体的旋转角度；其中，所述将所述激励信号输入k-means聚类模型，输出旋转体的旋转角度，包括步骤：对所述激励信号去偏置、最大值归一化，调用基于密度的噪声应用空间聚类dbscan方法判断并剔除所述去偏置、最大值归一化后输出激励信号的离散数据；利用剔除离散数据后的激励信号数据训练设定k值的k-means聚类模型；将训练所述k-means聚类模型后产生的聚类类别通过校准数据重定义为角度，在所述角度处做插值获得旋转体的旋转角度。
11.优选的，所述校准数据的获取方式包括：根据磁场传感器输出信号极值的特征值和传感器所在圆心角，获取测量输出信号对应旋转角度；根据理论模型仿真计算或通过comsol物理仿真计算磁场传感器输出数据和对应的旋转角度。
12.优选的，所述根据磁场传感器输出信号极值的特征值和传感器所在圆心角，标定测量输出值对应旋转角度，包括步骤：在所测量角度范围内，匀速旋转状态下，采用频率采样传感器阵列输出信号；通过磁场传感器和磁场传感器的输出极值对应数据点，作为传感器和对应的
基准角坐标；磁场传感器和磁场传感器间的其他磁场传感器输出对应角度值按照进行角度标定，构建实测标准数据。
13.优选的，所述根据理论模型仿真计算或comsol物理仿真计算传感器输出数据和对应旋转角度，包括步骤：根据磁场源形状大小姿态、传感器元件姿态、磁敏感特性和偏置、空间地磁场的实际装置结构参数建立数学模型；根据所述数学模型推导出旋转角与磁场传感器输出的函数关系；根据所述函数关系计算角度范围内传感器输出的标准数据；其中，为自变量旋转角，为模型的参数矩阵。
14.优选的，所述标准数据中的计算步骤为：根据磁场传感器所处圆心角度位置，计算所述磁场传感器在磁敏感方向上的磁场变化；
15.根据磁场传感器的磁敏感特性、静态输出偏置、后端电路放大倍数及adc量化增益系数，计算任意位置方向磁场传感器感应磁场源旋转的输出；
16.其中，hx、hy、hz为磁场传感器相对旋转轨迹的三轴磁场分量。
17.本发明还提供基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置的表盘读数方法，包括步骤：利用多个所述磁场传感器采集磁场源随刚性支撑结构旋转时的激励信号；对所述激励信号通过自适应求解模型的参数理论计算旋转体的旋转角度；其中，所述对所述激励信号通过自适应求解模型的参数理论计算旋转体的旋转角度，包括步骤：根据采集的激励信号，获取近邻磁场传感器输出分段函数模型的参数矩阵；根据参数矩阵与磁场传感器输出信号，通过所有磁场传感器的分段反函数计算旋转角度值范围，并基于旋转角度范围，采用旋转角度的唯一性计算旋转角度；或按定步长计算传感器的理论输出值与平均相对误差最小值；在平均相对误差最小值对应角度处采用插值计算旋转角度。
18.优选的，所述平均相对误差最小值的计算表达式为：在存储空间不限定时，存储标定角度后的匀速测量数据为，实际测量数据与该组标准数据按定步长求解最小平均相对误差，即：
19.在存储空间有限时，旋转角按步长依次求解最大值归一化理论值；当该理论值与实际测量的某一传感器输出值误差绝对值满足时对应的，计算角度对应传感器输出值，获得该组数据的最小平均相对误差，即：
20.其中，mre为平均相对误差最小值；为最小值对应角度；为模型的参数矩阵；为静态输出偏置；为磁场传感器感应磁场源旋转的输出理论值；m表示样本数量；为磁场传感器输出信号。
21.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、本发明通过设置离轴的磁场传感器阵列及设置在刚性支撑结构上的磁场源，通过垂直旋转轴平面的磁场传感器阵列采集并输出磁场源激励的响应信号，实现基准角度定位和角度测量。
22.2、本发明通过磁场传感器阵列对随轴转动的离轴磁场源激励的响应，将磁场传感器输出信号处理后通过校准数据进行基准角度定位；给出了不同圆心角的传感器阵列元件空间任意姿态分布，以及长方体磁场源任意姿态的装置模型计算方式，指导装置设计安装与模型参数计算，实现在小角度范围内有效检测快速转动指针的旋转角度。
附图说明
23.图1为本发明实施例1离轴转动的磁场源和磁场传感器阵列示意性侧截面图；图2为本发明实施例1离轴转动的磁场源和磁场传感器阵列示意性俯视图；图3为本发明实施例1和实施例2的磁场传感器阵列后端电路结构图；图4为本发明的实施例1的长方体永磁铁磁荷模型示意图；图5为本发明实施例1的磁场传感器阵列的输出信号波形图；图6为本发明的实施例2离轴转动的磁场源和散乱分布的磁场传感器阵列元件示意性侧面图；图7为本发明的实施例2离轴转动的磁场源姿态示意图；图8为本发明的实施例2离轴磁场传感器阵列元件姿态示意图；图9为本发明的实施例2离轴磁场传感器阵列元件二维姿态示意图；图10为本发明的计算方法流程图。
具体实施方式
24.下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
25.为了理解和说明实例结构、数据集获取和旋转角度计算过程，下面详细说明本发明提供的一种基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置及方法。
26.实施例1：本发明提供的一种基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置，包括：表盘、旋转体101、刚性支撑结构102、磁场源103、多个磁场传感器和信号处理单元。
27.具体的，如图1所示，本发明实施例1离轴转动的磁场源和磁场传感器阵列示意性侧截面图，其中旋转体101设置在表盘中心，且旋转体101的轴体上垂直固定有刚性支撑结构102的一端，刚性支撑结构102用于固定磁场源103，且磁场源103设置在刚性支撑结构102另一端部，用于带动磁场源103随旋转轴101转动。该磁场源103被实现为的长方体n40铷铁硼永磁铁，离轴半径为，ac面为南北极，平行于所处旋转圆周切线或垂直于旋转平面，并随旋转轴绕轴转动。
28.其中，下面使用元件来代替磁场传感器阵列的磁场传感器。多个磁场传感器构成磁场传感器阵列，磁场传感器阵列的元件通过分布于所测角度范围内的旋转圆周上，相邻元件输出具备非零有效数据交集。根据传感器阵列元件对磁场源激励的响应信号，构建实测数据集进行计算或优化实例进行理论计算求解小角度范围内的旋转角度。具体为，多个磁场传感器均匀设置在磁场源103旋转圆周下方的表盘上，用于检测磁场源103的激励信号。且通过调节磁场传感器离旋转体101距离、磁场传感器姿态，以及磁场传感器距离磁场源103高度校正检测激励信号的精度。当磁场传感器设置在刚性支撑结构102下方的表盘不同圆心角位置时，调整元件离轴距离、姿态和距离磁场源高度使得磁场源相对磁场传感器阵列随轴转动时，在相邻元件圆心夹角范围内，相邻的两元件对磁场源激励的响应输出对两元件间的旋转角度导数绝对值大于零；元件输出信号类型可以为数字信号或者模拟单端或模拟差分信号；元件的线性测量范围需包含磁场源的磁性强度范围；元件所处圆心角位置已知，元件体积相对整个装置可以忽略。信号处理单元用于将磁场传感器阵列采集的磁场源103激励信号进行处理，获得旋转体101的旋转角度。其中，信号处理单元包括调零电路、放大电路、滤波电路、多通道ad转换电路和处理器电路，通过调零电路、放大电路、滤波电路对磁场传感器采集的激励信号处理，将处理后的激励信号通过多通道ad转换电路进行ad转换，将ad转换后的激励信号发送至处理器电路进行信号分析输出，获得旋转角度。其中，磁场源103为永磁铁或通电线圈，且磁场源103的磁性强度在所测旋转角度范围内保持恒定。
29.具体为：该装置的磁场传感器阵列元件104~107输出信号经rc低通滤波、调零、放大后输入型号为max11040的24bit模数转换器，转换后由mcu读取并进行计算处理求解旋转角度。信号处理单元，即模数转换器和mcu具备同步测量磁场传感器阵列并计算处理能力，可选的优化方法有：省略非必要结构，如调零、滤波、放大等电路；选用不同类型元件，部分集成滤波、调零、放大、ad转换等电路或全部电路集成封装为传感器芯片；超幅值处理，传感器元件输出幅值超过背景磁场后进行采集、数字滤波和计算。
30.一种可选方案，刚性支撑结构102同磁场源103可以合并为一体的具备磁属性的刚
性结构。其俯视示意图如图2所示，磁场传感器阵列的元件数量n被实现为4，分别为104~107，固定于垂直旋转轴线的平面内，元件类型被实现为x轴单轴，大小为3
×
3mm的隧道磁阻传感器芯片，位于半径的120
°
范围内的相对角度，元件磁敏感轴分别平行于所处切向方向；传感器阵列平面距离磁场源高度为。
31.本发明提供的基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置的表盘读数方法，包括步骤：s1：利用多个磁场传感器采集磁场源103随刚性支撑结构旋转时的激励信号。
32.如步骤s1，在实施例1装置模型中，当磁场源103旋转至与元件同一旋转角度，磁场传感器阵列元件磁敏感方向平行时，该元件输出近似偶函数且存在极值。极值对应输出数据可选作基准角度用于校准。一种提高精度和范围的方案，磁场传感器阵列的元件数量n可以被实现更多用于提高精度和测量的角度范围；参照图3为传感器后端电路信号处理单元结构框图，视磁场传感器性能和输出信号类型不同，放大滤波调零和adc模块部分可省略。元件输出可以为数字信号或者模拟单端或模拟差分信号。
33.s2：将激励信号输入k-means聚类模型中计算旋转体的旋转角度；或对激励信号通过自适应求解模型的参数理论计算旋转体的旋转角度。
34.其中，将输出信号输入k-means聚类模型中计算旋转角度，包括步骤：s21：对输出信号去偏置、最大值归一化，调用基于密度的噪声应用空间聚类dbscan方法判断并剔除去偏置、最大值归一化后输出信号的离散数据，进行数据预处理。
35.s22：利用数据预处理后的数据训练设定k值的k-means聚类模型。
36.s23：将训练k-means聚类模型后的聚类类别通过校准数据重定义为角度，在角度类别处做插值计算旋转角度。
37.其中，对激励信号通过自适应求解模型的参数理论计算旋转体的旋转角度，包括步骤：
38.s21：根据采集的激励信号，获取近邻磁场传感器输出分段函数模型的参数矩阵。
39.s22：根据参数矩阵与采集的激励信号，获取输出信号，通过所有磁场传感器的分段反函数计算旋转角度值范围，并基于旋转角度范围，采用旋转角度的唯一性计算旋转角度；或按定步长计算传感器的理论输出值与平均相对误差最小值。
40.s23：在平均相对误差最小值对应角度处采用插值或进一步缩小步长公式计算旋转角度。
41.如图10中的实线箭头流程所示，根据旋转角度内所测量（同步测定）传感器阵列的元件输出数据，对该数据去偏置、最大值归一化，调用基于密度的噪声应用空间聚类dbscan的聚类方法判断剔除离散数据，进行数据预处理，剔除可能存在的无效数据后，用于训练k-means聚类。通过预处理后的数据训练设定k值的k-means聚类，按簇将预处理后的数据分类并求解簇的中心，采用k-means++方法初始化质心以提高聚类效果，k值选择按照测量范围和分辨率计算。训练聚类模型后的类别由校准数据进行重定义为角度，新测量数据直接导入模型即给定角度类别，在该角度类别附近做插值计算角度值。
42.如图10中的点线箭头流程所示，校准数据可选的有两种：第一种数据来源均匀转动测量数据。测量匀速转动一圈或所测量角度范围传感器元件输出，根据传感器输出信号
极值的特征值和传感器所在圆心角，标定测量输出值对应角度。具体为，在所测量角度范围内，匀速旋转状态下，采用较高频率采样传感器阵列输出信号。通过磁场传感器104和107的输出极值对应数据点，作为传感器104和107对应的基准角坐标，其间的其他传感器输出对应角度值按照进行角度标定，构建实测标准数据。第二种数据来源于理论模型仿真计算或comsol仿真计算传感器输出数据与旋转角度。具体为，根据磁场源形状大小姿态、传感器元件姿态、磁敏感特性和偏置、空间地磁场等实际装置结构参数建立数学模型，推导旋转角与传感器元件输出函数关系，并计算角度范围内传感器输出的标准数据。
43.根据实际装置结构建立数学模型，仿真计算求解旋转角度与磁场传感器阵列元件输出数据。参照图1和图2所示装置结构示意图，以旋转中心为原点建立三维笛卡尔右手坐标系。参照图4所示长方体永磁铁磁荷模型结构，以永磁铁体心为原点建立三维笛卡尔右手相对坐标系。根据装置定义变量：长方体永磁铁的长宽高分别设为、、，其南北磁场线垂直于ac面且平行于旋转圆周切线；距离旋转中心的半径为；定义磁场传感器阵列的元件距离旋转中心的半径为；xy平面内与x正半轴夹角为；与磁场源旋转平面在z轴方向上的高度为；传感器输出与磁场大小的敏感系数为。地磁场视为的空间均匀背景磁场，传感器静态偏置。旋转轴旋转角度为。
44.根据磁荷模型，该长方体永磁铁可以看作磁密度为的分布磁荷的空间叠加，，为剩余磁化强度，垂直于ac面均匀充磁，为常矢量，只有面磁荷存在，标量磁位与面磁荷密度关系有：，其中ds为ac面的面积元，r为点p(x,y,z)到面积元ds距离，磁场强度h由公式（1）给出：(1)参照图4所示，求解s+面在点p(x,y,z)的xyz方向分量的公式如（2）~(4)所示。公式（2）~(4)中的b替换为-b，求解s-面在点p(x,y,z)的分量的公式，则xyz方向分量的磁场如公式（5）所示（三维空间磁场分布计算公式）。
45.(2)(3)
(4)(5)视永磁铁固定不动，则磁场传感器阵列的元件在图4笛卡尔坐标系下的旋转轨迹的轨迹方程如公式（6）所示。
46.(6)元件相对旋转轨迹. .的三轴磁场分量，由公式（6）带入（2）~（5）中，并考虑空间均匀的背景磁场，如（7）所示公式给出。
47.(7)考虑磁场传感器所处圆心角度位置，则该元件的磁敏感方向上的磁场变化由（8）公式给出。考虑元件磁敏感特性、静态输出偏置、后端电路放大倍数及adc量化增益系数，则空间中任意位置方向的磁场传感器元件感应磁场源随轴旋转的输出由（9）公式给出。
48.(8)(9)当元件位置固定，背景磁场恒定，工作在磁敏感线性范围，后端电路放大倍数、adc量化增益系数为常数时。通过去偏置，最值归一化处理可忽略磁敏感特性，静态输出偏置，空间均匀的背景磁场，以及后端电路放大及adc量化增益系数对计算结果的影响。
49.如图1所示装置模型，以匀速旋转角度测量传感器阵列元件输出信号，并从理论计算传感器输出信号。将测量数据和计算输出数据去偏置，最大值归一化，相位平移后如图5所示输出信号波形，可以看出理论计算与实际测量曲线基本一致。
50.由此，两种可选优化求解角度的方法是，在对存储空间不限定时，存储标定角度后的匀速测量数据，实际测量数据与该组标准数据按定步长求解平均相对误差最小，在最小值对应角度附近采用数值插值方法或缩减步长求解精确角度。在存储空间有限而计算性能较高时，保存模型参数，旋转角按步长依次求解最大值归一化理论值，当该理论值与实际测量的某一传感器输出值误差绝对值满足时对应的，计算
角度对应传感器输出值，使得该组数据的平均相对误差最小，在最小值对应角度附近插值或缩减步长求解角度的更精确解。
51.实施例2：为更进一步泛化装置模型，在实施例1基础上考虑永磁铁姿态、磁场传感器元件类型以及磁敏感轴姿态，本发明的实施例2结合参照图6离轴转动的磁场源和散乱分布的磁场传感器阵列元件示意性侧面图，对实例模型结构、模型参数求解进行说明。
52.图6中旋转体201上安装刚性支撑结构202用于固定磁场源203，该磁场源203仍然实现为长宽高分别为的长方体，离轴半径为，ac面为南北极，随旋转轴绕轴转动；磁场传感器阵列的元件204~207类型被实现为自研x轴隧道磁阻传感器3*3mm的qfn封装芯片、多维科技tmr2003和tmr2501等三种不同敏感程度的传感器元件。
53.参照图7-9的离轴的磁场源姿态、离轴的磁场传感器阵列元件姿态以及所处圆心角示意图。定义（pitch，head，roll）分别为绕永磁铁相对坐标系的轴旋转角。定义磁敏感轴在所处圆心角位置与旋转中心构成圆的顺时针外切线角，与磁场源旋转平面在z轴方向上的高度为，仰角为。则图7所示的点旋转至坐标系下的点为公式（10）所示。
54.(10)考虑磁场传感器磁敏感方向的姿态，则该元件的磁敏感方向上的磁场变化h由（11）公式给出。
[0055] (11)即给定实际模型参数，由公式11直接计算任意模型下的磁场传感器元件输出值。特别的，当磁场传感器阵列元件的磁敏感轴姿态参数一致时，元件输出去偏置，最值归一化后输出信号仅在存在圆心角相位不同；而当或0，π时，传感器输出信号近似奇函数或偶函数特性，据此奇函数零值或偶函数极值用于解决小角度测试时基准角度定位问题。
[0056]
如实施例1中的步骤s2，对于实施例2的模型，磁场传感器元件的输出函数为，其中为自变量旋转角，为模型的参数矩阵。如图10中的虚线箭头流程所示，考虑相邻的两元件对磁场源激励的响应输出对两元件间的旋转角度导数绝对值大于零，以第个磁场传感器和相邻的第个磁场传感器的相对旋转角为界限，该界限内以第个磁场传感器输出的一阶导数分段
，使得分段范围内对自变量为单值函数，求解分段的反函数，则第的磁场传感器输出由第的磁场传感器输出所表示。转为已知求解分段函数的参数矩阵问题。根据实际模型条件设定参数上下限约束参数范围，采用非线性最小二乘法求解函数的参数矩阵。实际测量结果自适应计算参数矩阵，实现任意模型自适应调整模型参数。根据测定输出信号，计算近邻的传感器输出分段函数模型参数矩阵，根据所计算的参数矩阵，根据参数矩阵与输出信号，按定步长计算所有元件的理论输出值并求解平均相对误差最小值，最小值对应角度附近采用插值或进一步缩小步长公式计算角度；或根据传感器输出，直接求解n个元件的m个分段反函数角度可能值，存在唯一旋转角度与n个元件的角度可能值的误差满足。其中，三维空间磁场分布计算公式如公式（5）所示，通过改变磁场源的类型、大小、形状、所处位置、单个磁场源的南北极性数量和装置总体磁场源数量，变换三维空间磁场分布公式，并计算当前三维空间的磁场分布。
[0057]
对于磁场强度无法通过公式计算的实施例模型，根据匀速转动测量数据，通过极值或零值标定测量数据的角度，作为标准数据，求解实测数据与标准数据的平均相对误差最小值。或通过k-means聚类，对类别重定义为角度，并进一步采用插值计算角度。
[0058]
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置，包括表盘和旋转体（101），所述旋转体（101）转动设置在表盘中心，其特征在于，还包括：刚性支撑结构（102），一端垂直固定在所述旋转体（101）的轴体上；磁场源（103），设置在所述刚性支撑结构（102）另一端部；多个磁场传感器，绕所述旋转体（101）均匀设置在磁场源（103）旋转圆周下方的表盘上，多个磁场传感器构成磁场传感器阵列，用于检测磁场源（103）的激励信号；信号处理单元，用于将磁场传感器阵列采集的所述磁场源（103）激励信号进行处理，获得旋转体（101）的旋转角度。2.如权利要求1所述的一种基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置，其特征在于，所述磁场源（103）为永磁铁或通电线圈，且磁场源（103）的磁性强度在所测旋转角度范围内保持恒定。3.如权利要求1所述的一种基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置，其特征在于，所述信号处理单元包括依次连接的调零电路、放大电路、滤波电路、多通道ad转换电路和处理器电路，通过调零电路、放大电路、滤波电路对磁场传感器采集的激励信号进行处理，将处理后的激励信号通过多通道ad转换电路进行ad转换，将ad转换后的激励信号发送至处理器电路进行信号分析输出，获得旋转体（101）的旋转角度。4.一种根据权利要求1所述的基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置的表盘读数方法，其特征在于，包括以下步骤：利用多个所述磁场传感器采集磁场源（103）随刚性支撑结构（102）旋转时的激励信号；将所述激励信号输入k-means聚类模型，输出旋转体（101）的旋转角度；其中，所述将所述激励信号输入k-means聚类模型，输出旋转体（101）的旋转角度，包括步骤：对所述激励信号去偏置、最大值归一化，调用基于密度的噪声应用空间聚类dbscan方法判断并剔除所述去偏置、最大值归一化后输出激励信号的离散数据；利用剔除离散数据后的激励信号数据训练设定k值的k-means聚类模型；将训练所述k-means聚类模型后产生的聚类类别通过校准数据重定义为角度，在所述角度处做插值获得旋转体（101）的旋转角度。5.如权利要求4所述的基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置的表盘读数方法，其特征在于，所述校准数据的获取方式包括：根据磁场传感器输出信号极值的特征值和传感器所在圆心角，获取测量输出信号对应旋转角度；根据理论模型仿真计算或通过comsol物理仿真计算磁场传感器输出数据和对应的旋转角度。6.如权利要求5所述的基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置的表盘读数方法，其特征在于，所述根据磁场传感器输出信号极值的特征值和传感器所在圆心角，获取测量输出信号对应旋转角度，包括步骤：在所测量角度范围内，匀速旋转状态下，采用频率采样传感器阵列输出信号；
通过磁场传感器（104）和磁场传感器（107）的输出极值对应数据点，作为传感器（104）和（107）对应的基准角坐标；磁场传感器（104）和磁场传感器（107）间的其他磁场传感器输出对应角度值按照进行角度标定，构建实测标准数据。7.如权利要求5所述的基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置的表盘读数方法，其特征在于，所述根据理论模型仿真计算或通过comsol物理仿真计算磁场传感器输出数据和对应的旋转角度，包括步骤：根据磁场源形状大小姿态、传感器元件姿态、磁敏感特性和偏置、空间地磁场的实际装置结构参数建立数学模型；根据所述数学模型推导出旋转角与磁场传感器输出的函数关系；根据所述函数关系计算角度范围内传感器输出的标准数据；其中，为自变量旋转角，为模型的参数矩阵。8.如权利要求7所述的基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置的表盘读数方法，其特征在于，所述标准数据中的计算步骤为：根据磁场传感器所处圆心角度位置，计算所述磁场传感器在磁敏感方向上的磁场变化；根据磁场传感器的磁敏感特性、静态输出偏置、后端电路放大倍数及adc量化增益系数，计算任意位置方向磁场传感器感应磁场源旋转的输出；其中，hx、hy、hz为磁场传感器相对旋转轨迹的三轴磁场分量。9.一种根据权利要求1所述的基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置的表盘读数方法，其特征在于，包括以下步骤：利用多个所述磁场传感器采集磁场源（103）随刚性支撑结构（102）旋转时的激励信号；对所述激励信号通过自适应求解模型的参数理论计算旋转体（101）的旋转角度；其中，所述对所述激励信号通过自适应求解模型的参数理论计算旋转体（101）的旋转角度，包括步骤：根据采集的激励信号，计算近邻磁场传感器输出分段函数模型的参数矩阵；根据参数矩阵与输出信号，通过所有磁场传感器的分段反函数计算旋转角度值范围，并基于旋转角度范围，采用旋转角度的唯一性计算旋转角度；或按定步长计算传感器的理论输出值与平均相对误差最小值；在最小值对应角度处采用插值或进一步缩小步长公式计算旋转角度。10.如权利要求9所述的基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置的表盘读数方
法，其特征在于，所述平均相对误差最小值的计算表达式为：在存储空间不限定时，存储标定角度后的匀速测量数据为，实际测量数据与该组标准数据按定步长求解最小平均相对误差，即：在存储空间有限时，旋转角按步长依次求解最大值归一化理论值；当该理论值与实际测量的某一传感器输出值误差绝对值满足时对应的，计算角度对应传感器输出值，获得该组数据的最小平均相对误差，即：其中，mre为平均相对误差最小值；为最小值对应角度；为模型的参数矩阵；为静态输出偏置；为磁场传感器感应磁场源旋转的输出理论值；m表示样本数量；为磁场传感器输出信号。

技术总结
本发明提供了一种基于离轴磁场传感器阵列的表盘读数感应装置及方法，涉及角度检测技术领域，包括：离轴磁场源固定在刚性支撑结构上，随旋转轴绕轴转动；多个磁场传感器构成磁场传感器阵列，固定在离轴的任意空间范围内；信号处理单元用于将磁场源信号处理；计算角度方法包括基于实测数据集或理论数据集训练K-Means聚类并重定义类别为角度计算求解角度；以及基于理论推导传感器元件之间输出关系求解模型参数，根据实测数据集，更新模型参数实现自适应任意模型参数并求解角度。本发明通过离轴传感器阵列对随轴转动的离轴磁场源激励的响应信号，实现基准角度定位和角度测量，能够在小角度范围内有效检测快速转动指针的旋转角度。转角度。转角度。


技术研发人员：刘明 徐贵兴 呼玉 刘启 沈律康
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.08.29
技术公布日：2023/10/5