採用tmr磁性傳感器的智能流量計的製作方法
2023-05-24 06:52:36
專利名稱：採用tmr磁性傳感器的智能流量計的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種流量計，具體是一種採用TMR磁性傳感器的智能流量計。
背景技術：
通常流量計信號採集所選用的傳感器，主要是幹簧管，霍爾元件和韋根傳感器。由磁體和幹簧管作為提取信號的傳感系統，當磁體靠近幹簧管簧片時，磁力大到 能克服簧片的彈力時，簧片就吸合短接；當磁體遠離簧片，吸引力小於彈力時簧片就分開， 即一個脈衝發出。幹簧管具有使用方便、價格低廉、安裝簡單等特點。但作為觸點開關，它 又具有脈衝波形差、維護性差、觸點易抖動、易受外磁場及震動(如水錘現象)幹擾等固有 缺陷。應用於智能流量計中的霍爾傳感器主要是低功耗開關型霍爾集成元件，該傳感器 利用霍爾效應，實現磁電轉換，從而可將智能流量計中計量元件的轉動轉化為磁場的周期 性變化，從而將磁場的變化轉化為高、低電平的輸出。它具有結構牢固、體積小、壽命長、安 裝方便、功耗小、耐震動、輸出波形清晰、無抖動、位置重複精度高等優點。但是從霍爾元件 的降耗原理來看，對於功耗數十微瓦的霍爾傳感器，其響應頻率一般為20Hz 30Hz，而智 能流量計，特別是智能水錶的初級計量元件的轉動頻率通常為30Hz，因此低功耗霍爾元件 一般應用於次級計量元件的流量信號採集，這限制了霍爾元件在智能水錶領域的應用範 圍。韋根傳感器的工作原理是，傳感器中的雙穩態功能合金材料在交變外磁場的激勵 下，磁化方向瞬間發生翻轉，而當外磁場撤離後，它瞬間恢復到原有的磁化方向，由此在合 金材料周圍的檢測線圈中會感生電信號，從而實現磁電轉換。這種傳感器的最大特點是無 須使用外加電源(零功耗)、無機械觸點、無震動影響等，適用於微功耗儀表。它的缺點是輸 出幅值低，只有IV左右，脈寬也只有30幾個微秒。不利於信號遠傳，只能用於近距離採集、 處理。
實用新型內容本實用新型的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種採用TMR磁性傳感器 的智能流量計，可應用在水量，油量，氣體，熱能等測量領域。按照本實用新型提供的技術方案，所述採用TMR磁性傳感器的智能流量計包括 流量計外殼，所述流量計外殼被保護層分隔為流體通道和流量計傳感器區域；在所述流體 通道內設有與流量計外殼連接的支架，所述支架上安裝旋轉葉輪，旋轉葉輪兩端分別設置 一個N極朝上的小磁體和一個S極朝上的小磁體；在所述流量計傳感器區域設置有TMR流量計傳感器，所述TMR流量計傳感器包括 與TMR傳感器晶片連接的無線及有線數據收發模塊和數據顯示面板，所述TMR傳感器晶片、 無線及有線數據收發模塊和數據顯示面板均連接系統及電源管理模塊。在所述TMR流量計傳感器和系統及電源管理模塊外包裹有磁性屏蔽層，所述磁性
3屏蔽層位於流量計外殼內。 所述TMR傳感器晶片包括兩個TMR電橋，所述兩個TMR電橋的輸出連接傳感器專 用ASIC晶片，再連接微型中央處理器和存儲單元。 所述TMR電橋包括兩個TMR磁阻傳感器元件，兩個TMR磁阻傳感器元件的磁性被 釘扎層的磁矩方向相互反平行，磁性自由層的方向相互平行。所述兩個TMR電橋相互平行排列，並且之間留有距離。在所述保護層上固定所述TMR傳感器晶片、無線及有線數據收發模塊、數據顯示 面板、系統及電源管理模塊。本實用新型的工作原理是當有被測量流體通過時，流體帶動旋轉葉輪旋轉，從而 帶動N極朝上的小磁體和S極朝上的小磁體同時旋轉，當N極朝上的小磁體經過TMR傳感 器晶片時，TMR傳感器晶片輸出高電平，當S極朝上的小磁體經過TMR傳感器晶片時，TMR傳 感器晶片輸出低電平。高低電平通過微型中央處理器進行處理後，存儲到流量計數據存儲 單元，可通過數據顯示面板顯示，也可通過無線或有線數據收發模塊進行數據傳輸。系統及 電源管理模塊的功能是協調控制整個TMR流量傳感器系統和對系統提供低功耗控制。本實用新型的優點是功耗微小、工作頻率範圍寬、工作溫度範圍寬、結構牢固、體 積小、壽命長、安裝方便、耐震動、輸出波形清晰、無抖動、位置重複精度高，電磁屏蔽結構簡 單，防倒轉錯誤計算等。
圖1是隧道結磁阻效應(TMR)原理及結構示意圖；圖2是TMR電橋的工作原理及結構示意圖；圖3是TMR流量計傳感器的電路框圖；圖4是TMR流量計的結構示意圖；圖5是單個TMR電橋的信號輸出波形圖；圖6是流量計正轉時TMR電橋的信號輸出波形圖；圖7是流量計倒轉時TMR電橋的信號輸出波形圖。
具體實施方式
本實用新型涉及一種採用TMR磁性傳感器的智能流量計。包括流量計外殼，旋轉 葉輪，旋轉葉輪支架，一個N極朝上的小磁體和一個S極朝上的小磁體，流量計的進出口，磁 性屏蔽層，流量計晶片與流體隔離的保護層，流量計晶片(TMR傳感晶片，無線及有線數據 收發模塊，數據顯示面板和系統及電源管理模塊)。
以下結合附圖，對本實用新型予以進一步地詳盡闡述。TMR隧道結磁阻效應元件的結構，如圖1 (a)所示，由納米級多層膜組成釘扎層1， 磁性被釘扎層2，非磁性氧化物層3，磁性自由層4。磁性被釘扎層2的磁矩方向如5所示。 磁性自由層4的磁矩方向如6所示。磁性被釘扎層2的磁矩方向5與磁性自由層4的磁矩 方向6相互垂直。磁性自由層4的磁矩方向6隨著外加磁場7的大小和方向的改變而變化。隧道結磁阻效應(TMR)的工作原理，隧道結TMR的磁阻隨著磁性自由層4的磁矩 方向6與磁性被釘扎層2的磁矩方向5的夾角的變化而變化。當磁性自由層4的磁矩方
4向6隨著外加磁場7的大小和方向的改變而變化時，隧道結TMR的磁阻也隨之變化。如圖 1 (b)所示，當外加磁場7的方向與被釘扎層2的磁矩方向5平行時，同時外加磁場的強度大 於Hl時，磁性自由層4的磁矩方向與外加磁場7的方向平行，進而與磁性被釘扎層2的磁 矩方向5平行，如8所示，這時隧道結TMR的磁阻最小。當外加磁場7的方向與被釘扎層2 的磁矩方向5反平行時，同時外加磁場的強度大於H2時，磁性自由層4的磁矩方向與外加 磁場7的方向反平行，進而與磁性被釘扎層2的磁矩方向5反平行，如9所示，這時隧道結 TMR的磁阻最大。Hl與H2之間的磁場範圍就是TMR的測量範圍。TMR電橋的結構，如圖2(a)所示，由了兩個TMR元件組成214和215。其中TMR元 件214的磁性被釘扎層的磁矩方向216與TMR元件215的磁性被釘扎層的磁矩方向217方 向反平行。TMR元件214和215的磁性自由層的方向218和219相互平行。電極211，212 是TMR電橋的電壓輸入端，電極213是TMR電橋的電壓輸出端。TMR電橋的工作原理，如圖2 (b)所示，TMR電橋的輸出電壓V隨著外磁場7的方向 和大小的改變而發生變化。當外加磁場7的方向為負(_)且磁場強度大於Hl時，TMR電橋 的輸出電壓最低。當外加磁場7的方向為正⑴且磁場強度大於H2時，TMR電橋的輸出電 壓最高。Hl與H2之間的磁場範圍就是TMR惠斯通電橋的測量範圍。如圖3所示，TMR流量計傳感器的結構包括與TMR傳感器晶片312連接的無線及 有線數據收發模塊315和數據顯示面板319，所述TMR傳感器晶片312、無線及有線數據收 發模塊315和數據顯示面板319均連接系統及電源管理模塊316。TMR傳感器晶片312包括兩個TMR電橋317，所述兩個TMR電橋317的輸出連接傳 感器專用ASIC晶片313，再連接微型中央處理器和存儲單元314。這些晶片可以封裝在同 一模塊內，也可以不封裝在同一模塊內。如圖4所示，TMR流量計的結構包括流量計外殼414和421，流量計進出口 411和 412，旋轉葉輪413，旋轉葉輪支架415，一個N極朝上的小磁體417和一個S極朝上的小磁 體416，N極朝上的小磁體417產生的磁場418，S極朝上的小磁體416產生的磁場419，磁性 屏蔽層422，流量計傳感器與流體隔離的保護層420，TMR傳感器晶片312，系統及電源管理 模塊316，數據顯示面板無線及有線數據收發模塊319，315。所述流量計外殼414，421被保 護層420分隔為流體通道和流量計傳感器區域；在所述流體通道內設有與流量計外殼414 連接的支架415，所述支架415上安裝旋轉葉輪413，所述N極朝上的小磁體417和S極朝 上的小磁體416與旋轉葉輪413相連，並可以隨著旋轉葉輪413的旋轉而同步旋轉。在所 述流量計傳感器區域設置TMR流量計傳感器，在所述保護層上固定所述TMR傳感器晶片、無 線及有線數據收發模塊、數據顯示面板、系統及電源管理模塊。TMR流量計傳感器和系統及電源管理模塊外罩有磁性屏蔽層，所述磁性屏蔽層位 於流量計外殼內。所述磁性屏蔽層只屏蔽TMR磁性傳感器晶片和系統及電源管理模塊，並 不妨礙TMR磁性傳感器晶片感應流量計內部磁體的磁場信號。TMR流量計的工作原理是當有被測量流體通過流量計進出口 411，412流過時，流 體帶動旋轉葉輪413旋轉，從而帶動N極朝上的小磁體417和S極朝上的小磁體416同時旋 轉，當N極朝上的小磁體417經過TMR傳感器晶片312時，TMR傳感器晶片感應磁場418輸 出高電平，當S極朝上的小磁體416經過TMR傳感器晶片312時，TMR傳感器晶片輸出感應 磁場418低電平。隔離的保護層420的功能是隔離被測流體與傳感器模塊及相應的電路。磁性屏蔽層422屏蔽外界磁性的幹擾。TMR流量計傳感器的工作原理是TMR電橋晶片317，318採集流量計N極朝上的小 磁體和S極朝上的小磁體產生的磁場信息，並傳遞到傳感器專用晶片ASIC 313進行信號處 理，處理後的TMR電橋317和318的信號如圖5所示，當N極朝上的小磁體417經過TMR電 橋317和318，信號為高電平，當S極朝上的小磁體416經過TMR電橋317和318，信號為低 電平。由於TMR電橋317和318的位置不同(如圖3所示)，當流量計正轉時，磁體先經過 TMR電橋317，然後是TMR電橋318，所以TMR電橋317的信號變化先於TMR電橋318的信 號變化，如同6所示，TMR電橋317的信號變化611先於TMR電橋318的信號612變化。當 流量計倒轉時，磁體先經過TMR電橋318，然後是TMR電橋317，所以TMR電橋318的信號變 化先於TMR電橋317的信號變化，如同7所示，TMR電橋318的信號變化612先於TMR電橋 317的信號611變化。微型中央處理器MCU和存儲單元314從傳感器專用晶片ASIC 313採集處理後的 信號並進一步處理成流量數據並存儲。流量數據可通過數據顯示面板319顯示，也可以通 過無線及有線數據收發模塊315向外傳輸。系統及電源管理模塊316的功能是是協調控制 整個TMR流量傳感器系統和對系統提供低功耗控制。種採用TMR磁性傳感器的智能流量計的特點是功耗微小、工作頻率範圍寬、工作 溫度範圍寬、結構牢固、體積小、壽命長、安裝方便、耐震動、輸出波形清晰、無抖動、位置重 復精度高，電磁屏蔽結構簡單，防倒轉錯誤計算等。
權利要求採用TMR磁性傳感器的智能流量計，其特徵是包括流量計外殼，所述流量計外殼被保護層分隔為流體通道和流量計傳感器區域；在所述流體通道內設有與流量計外殼連接的支架，所述支架上安裝旋轉葉輪，旋轉葉輪兩端分別設置一個N極朝上的小磁體和一個S極朝上的小磁體；在所述流量計傳感器區域設置有TMR流量計傳感器，所述TMR流量計傳感器包括與TMR傳感器晶片連接的無線及有線數據收發模塊和數據顯示面板，所述TMR傳感器晶片、無線及有線數據收發模塊和數據顯示面板均連接系統及電源管理模塊。
2.如權利要求1所述的流量計，其特徵是在所述TMR流量計傳感器和系統及電源管理 模塊外包裹有磁性屏蔽層，所述磁性屏蔽層位於流量計外殼內。
3.如權利要求1所述的流量計，其特徵是所述TMR傳感器晶片包括兩個TMR電橋，所述 兩個TMR電橋的輸出連接傳感器專用ASIC晶片，再連接微型中央處理器和存儲單元。
4.如權利要求3所述的流量計，其特徵是所述TMR電橋包括兩個TMR磁阻傳感器元件， 兩個TMR磁阻傳感器元件的磁性被釘扎層的磁矩方向相互反平行，磁性自由層的方向相互 平行。
5.如權利要求3所述的流量計，其特徵是所述兩個TMR電橋相互平行排列，並且之間留有距離。
6.如權利要求1所述的流量計，其特徵是在所述保護層上固定所述TMR傳感器晶片、無 線及有線數據收發模塊、數據顯示面板、系統及電源管理模塊。 專利摘要本實用新型涉及一種採用TMR磁性傳感器的智能流量計。包括TMR流量計傳感器、流量計外殼、旋轉葉輪、旋轉葉輪支架、一個N極朝上的小磁體和一個S極朝上的小磁體、流量計的進出口、磁性屏蔽層、流量計晶片與流體隔離的保護層。當有被測量流體通過時，流體帶動旋轉葉輪旋轉，從而帶動N極朝上的小磁體和S極朝上的小磁體同時旋轉，TMR傳感器感應磁場，從而達到計量的目的。本實用新型的優點是功耗微小、工作頻率範圍寬、工作溫度範圍寬、結構牢固、體積小、壽命長、安裝方便、耐震動、輸出波形清晰、無抖動、位置重複精度高，電磁屏蔽結構簡單，防倒轉錯誤計算等。
文檔編號G01F1/58GK201748938SQ201020217378
公開日2011年2月16日 申請日期2010年6月1日 優先權日2010年6月1日
發明者王建國, 薛松生 申請人:王建國;薛松生