阅读说明：本技术 一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度的方法 (Method for non-magnetic acquisition of displacement and angular velocity of planar winding coil ) 是由 王元西 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度的方法,属于位移和角速度数据采集技术领域,具体包括如下步骤：(1)同颜色为一组,比较线圈1和9、2和10、3和11、4和12、5和13、6和14、7和15、8和16的感应电动势高低；(2)以1、2、3、4、5、6、7、8号线圈刚好在阻尼区为起始状态,然后以正流逆时针方向旋转进行分析；(3)正流从FSM1依次阿拉伯数字增加到FSM32,然后从FSM32到FSM1完成一圈；反流是从FSM32依次阿拉伯数字减少到FSM1,然后从FSM1到FSM32完成反流一圈；(4)角速度检测分析：计算出目标检测物的旋转角速度。本发明利用磁通量变化引起的感应电动势变化差检测被检测目标的旋转的位移和角速度。(The invention discloses a method for non-magnetically acquiring displacement and angular velocity by a planar winding coil, which belongs to the technical field of displacement and angular velocity data acquisition and specifically comprises the following steps: (1) comparing the induced electromotive force levels of coils 1 and 9, 2 and 10, 3 and 11, 4 and 12, 5 and 13, 6 and 14, 7 and 15, 8 and 16 in the same color group; (2) taking coils No. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 and 8 just in a damping area as an initial state, and then rotating in a positive flow anticlockwise direction for analysis; (3) the positive flow is sequentially Arabic numerals increased from FSM1 to FSM32 and then completes one turn from FSM32 to FSM 1; the reverse flow is realized by reducing Arabic numbers from FSM32 to FSM1, and then completing a reverse flow circle from FSM1 to FSM 32; (4) angular velocity detection analysis: the rotational angular velocity of the target detection object is calculated. The invention detects the rotary displacement and angular speed of the detected target by using the induced electromotive force variation difference caused by the magnetic flux variation.)

一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度的方法

技术领域

本发明涉及位移和角速度数据采集技术领域，具体为一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度的方法。

背景技术

在水表数据采集这方面主要用光电直读、干簧管、霍尔器件等进行有磁采集，受周边环境影响比较大，无磁采集技术的兴起，引起了行业的极大兴趣。

光电直读缺点是湿式表内，受水质影响读数；干簧管、霍尔器件的缺点是基表改动稍大,容易受环境和磁铁干扰，容易被盗水，湿式表内，时间久后，容易累积杂质，堵塞表；插针式无磁采集的缺点是不易生产，规模化量产成本高，良品率不高，且每个表对应出厂，需要校准；现有平面绕线线圈无磁采集的缺点是位移容易出现偏差，不能检测角速度。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度的方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

1.一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

(1)同颜色为一组，比较线圈1和9、2和10、3和11、4和12、5和13、6和14、7和15、8和16的感应电动势高低；

(2)以1、2、3、4、5、6、7、8号线圈刚好在阻尼区为起始状态，然后以正流逆时针方向旋转进行分析；

(3)正流从FSM1依次***数字增加到FSM32，然后从FSM32到FSM1完成一圈；反流是从FSM32依次***数字减少到FSM1，然后从FSM1到FSM32完成反流一圈；

(4)角速度检测分析：通过高精度定时器监测相邻状态机的切换时间，根据内插采样公式，计算出目标检测物的旋转角速度。

进一步地，步骤(4)中采样的速率高于2倍的被检测设备的旋转速度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的方法能够同时采集位移和角速度数据。

附图说明

图1为分组计算图；

图2为被检测设备的示意图；

图3为正流反流状态机切换图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。

实施例：

以图1和图2进行分析，图2中黑色部分为磁通量敏感材质，灰色部分为磁通量非敏感材质。一种平面绕线线圈无磁采集位移和角速度的方法，根据线圈1和9、2和10、3和11、4和12、5和13、6和14、7和15、8和16的感应电动势高低的比较值，计算出正流量、反流量、角速度、正反流切换的流量补偿差，具体包括如下步骤：

(1)同颜色为一组；A：(1，5，9，13)；B：(2，6，10，14)；C：(3，7，11，15)；D：(4；8；12；16)；

其中，A1＝【1，9】比较，A1＝1时，1号接收线圈感应电动势大于9号接收线圈感应电动势；A1＝0时，1号接收线圈感应电动势等于9号接收线圈感应电动势；A1＝-1时，1号接收线圈感应电动势小于9号接收线圈感应电动势；A2＝【5，13】比较，A2＝1时，5号接收线圈感应电动势大于13号接收线圈感应电动势；A2＝0时，5号接收线圈感应电动势等于13号接收线圈感应电动势；A2＝-1时，5号接收线圈感应电动势小于13号接收线圈感应电动势；

其中，B1＝【2，10】比较，B1＝1时，2号接收线圈感应电动势大于10号接收线圈感应电动势；B1＝0时，2号接收线圈感应电动势等于10号接收线圈感应电动势；B1＝-1时，2号接收线圈感应电动势小于10号接收线圈感应电动势；B2＝【6，14】比较，B2＝1时，6号接收线圈感应电动势大于14号接收线圈感应电动势；B2＝0时，6号接收线圈感应电动势等于14号接收线圈感应电动势；B2＝-1时，6号接收线圈感应电动势小于14号接收线圈感应电动势；

其中，C1＝【3，11】比较，C1＝1时，3号接收线圈感应电动势大于11号接收线圈感应电动势；C1＝0时，3号接收线圈感应电动势等于11号接收线圈感应电动势；C1＝-1时，3号接收线圈感应电动势小于11号接收线圈感应电动势；C2＝【7，15】比较，C2＝1时，7号接收线圈感应电动势大于15号接收线圈感应电动势；C2＝0时，7号接收线圈感应电动势等于15号接收线圈感应电动势；C2＝-1时，7号接收线圈感应电动势小于15号接收线圈感应电动势；

其中，D1＝【4，12】比较，D1＝1时，4号接收线圈感应电动势大于12号接收线圈感应电动势；D1＝0时，4号接收线圈感应电动势等于12号接收线圈感应电动势；D1＝-1时，4号接收线圈感应电动势小于12号接收线圈感应电动势；D2＝【8，16】比较，D2＝1时，8号接收线圈感应电动势大于16号接收线圈感应电动势；D2＝0时，8号接收线圈感应电动势等于16号接收线圈感应电动势；D2＝-1时，8号接收线圈感应电动势小于16号接收线圈感应电动势；

(2)以1、2、3、4、5、6、7、8号线圈刚好在阻尼区为起始状态来开始分析，然后以正流逆时针方向旋转分析；

FSM1：1/2/3/4/5/6/7/8在阻尼区，A1＝1、A2＝1、B1＝1、B2＝1、C1＝1、C2＝1、D1＝1、D2＝1；

FSM2：1/2/3/4/5/6/7在阻尼区，16和8各有一半在阻尼区，A1＝1、A2＝1、B1＝1、B2＝1、C1＝1、C2＝1、D1＝1、D2＝0；

FSM3：16/1/2/3/4/5/6/7在阻尼区，A1＝1、A2＝1、B1＝1、B2＝1、C1＝1、C2＝1、D1＝1、D2＝-1：

FSM4：16/1/2/3/4/5/6在阻尼区，15和7各有一半在阻尼区，A1＝1、A2＝1、B1＝1、B2＝1、C1＝1、C2＝0、D1＝1、D2＝-1；

FSM5：15/16/1/2/3/4/5/6在阻尼区,A1＝1、A2＝1、B1＝1、B2＝1、C1＝1、C2＝-1、D1＝1、D2＝-1；

FSM6：15/16/1/2/3/4/5在阻尼区，14和6各有一半在阻尼区，A1＝1、A2＝1、B1＝1、B2＝0、C1＝1、C2＝-1、D1＝1、D2＝-1；

FSM7：14/15/16/1/2/3/4/5在阻尼区，A1＝1、A2＝1、B1＝1、B2＝-1、C1＝1、C2＝-1、D1＝1、D2＝-1；

FSM8：14/15/16/1/2/3/4在阻尼区，13和5各有一半在阻尼区，A1＝1、A2＝0、B1＝1、B2＝-1、C1＝1、C2＝-1、D1＝1、D2＝-1；

FSM9：13/14/15/16/1/2/3/4在阻尼区，A1＝1、A2＝-1、B1＝1、B2＝-1、C1＝1、C2＝-1、D1＝1、D2＝-1；

FSM10：13/14/15/16/1/2/3在阻尼区，12和4各有一半在阻尼区，A1＝1、A2＝-1、B1＝1、B2＝-1、C1＝1、C2＝-1、D1＝0、D2＝-1；

FSM11：12/13/14/15/16/1/2/3在阻尼区，A1＝1、A2＝-1、B1＝1、B2＝-1、C1＝1、C2＝-1、D1＝-1、D2＝-1；

FSM12：12/13/14/15/16/1/2在阻尼区，11和3各有一半在阻尼区，A1＝1、A2＝-1、B1＝1、B2＝-1、C1＝0、C2＝-1、D1＝-1、D2＝-1；

FSM13：11/12/13/14/15/16/1/2在阻尼区，A1＝1、A2＝-1、B1＝1、B2＝-1、C1＝-1、C2＝-1、D1＝-1、D2＝-1；

FSM14：11/12/13/14/15/16/1在阻尼区，10和2各有一半在阻尼区，A1＝1、A2＝-1、B1＝0、B2＝-1、C1＝-1、C2＝-1、D1＝-1、D2＝-1；

FSM15：10/11/12/13/14/15/16/1在阻尼区，A1＝1、A2＝-1、B1＝-1、B2＝-1、C1＝-1、C2＝-1、D1＝-1、D2＝-1；

FSM16：10/11/12/13/14/15/16在阻尼区，9和1各有一半在阻尼区，A1＝0、A2＝-1、B1＝-1、B2＝-1、C1＝-1、C2＝-1、D1＝-1、D2＝-1；

FSM17：9/10/11/12/13/14/15/16在阻尼区，A1＝-1、A2＝-1、B1＝-1、B2＝-1、C1＝-1、C2＝-1、D1＝-1、D2＝-1；

FSM18：9/10/11/12/13/14/15在阻尼区，8和16各有一半在阻尼区，A1＝-1、A2＝-1、B1＝-1、B2＝-1、C1＝-1、C2＝-1、D1＝-1、D2＝0；

FSM19：8/9/10/11/12/13/14/15在阻尼区，A1＝-1、A2＝-1、B1＝-1、B2＝-1、C1＝-1、C2＝-1、D1＝-1、D2＝1；

FSM20：8/9/10/11/12/13/14在阻尼区，7和15各有一半在阻尼区，A1＝-1、A2＝-1、B1＝-1、B2＝-1、C1＝-1、C2＝0、D1＝-1、D2＝1；

FSM21：7/8/9/10/11/12/13/14，在阻尼区，A1＝-1、A2＝-1、B1＝-1、B2＝-1、C1＝-1、C2＝1、D1＝-1、D2＝1；

FSM22：7/8/9/10/11/12/13在阻尼区，6和14各有一半在阻尼区，A1＝-1、A2＝-1、B1＝-1、B2＝0、C1＝-1、C2＝1、D1＝-1、D2＝1；

FSM23：6/7/8/9/10/11/12/13在阻尼区，A1＝-1、A2＝-1、B1＝-1、B2＝1、C1＝-1、C2＝1、D1＝-1、D2＝1；

FSM24：6/7/8/9/10/11/12在阻尼区，5和13各有一半在阻尼区；A1＝-1、A2＝0、B1＝-1、B2＝1、C1＝-1、C2＝1、D1＝-1、D2＝1；

FSM25：5/6/7/8/9/10/11/12在阻尼区；A1＝-1、A2＝1、B1＝-1、B2＝1、C1＝-1、C2＝1、D1＝-1、D2＝1；

FSM26：5/6/7/8/9/10/11在阻尼区，4和12各有一半在阻尼区，A1＝-1、A2＝1、B1＝-1、B2＝1、C1＝-1、C2＝1、D1＝0、D2＝1；

FSM27：4/5/6/7/8/9/10/11在阻尼区，A1＝-1、A2＝1、B1＝-1、B2＝1、C1＝-1、C2＝1、D1＝1、D2＝1；

FSM28：4/5/6/7/8/9/10在阻尼区，3和11各有一半在阻尼区，A1＝-1、A2＝1、B1＝-1、B2＝1、C1＝0、C2＝1、D1＝1、D2＝1；

FSM29：3/4/5/6/7/8/9/10在阻尼区，A1＝-1、A2＝1、B1＝-1、B2＝1、C1＝1、C2＝1、D1＝1、D2＝1；

FSM30：3/4/5/6/7/8/9在阻尼区，2和10各有一半在阻尼区，A1＝-1、A2＝1、B1＝0、B2＝1、C1＝1、C2＝1、D1＝1、D2＝1；

FSM31：2/3/4/5/6/7/8/9在阻尼区，A1＝-1、A2＝1、B1＝1、B2＝1、C1＝1、C2＝1、D1＝1、D2＝1；

FSM32：2/3/4/5/6/7/8在阻尼区，1和9各有一半在阻尼区，A1＝0、A2＝1、B1＝1、B2＝1、C1＝1、C2＝1、D1＝1、D2＝1；

(3)如图3所示，共有32个状态机，正流从FSM1依次***数字增加到FSM32，然后从FSM32到FSM1完成一圈；反流是从FSM32依次***数字减少到FSM1，然后从FSM1到FSM32完成反流一圈；

(4)角速度检测分析：我们通过高精度定时器监测相邻状态机的切换时间，可以计算出目标检测物的旋转角速度：

T为相邻状态机切换时间。

根据内插采样公式，为保证正确，采样的速率必须高于2倍的被检测设备的旋转速度，这样才能精确测量出角速度。

算法实现

一.消除抖动及流向切换检测

被测目标由于惯性运动、流向切换、外部干扰等，会导致在相邻状态机之间来回跃迁跳变。本算法采用窗口滑动原理进行计算。由于有32个状态机，所以最大滑动窗口为32。从当前采样的FSM1跳变到下次采样FSM2，滑动窗口大小是2-1＝1。从当前采样的FSM2跳变到下次采样FSM9，滑动窗口大小是9-2＝7。那么从当前采样的FSM9跳变到下次采样FSM2，从图3可以看到，FSM9到FSM2要经过FSM10-FSM32，然后再从FSM32、FSM1到FSM2，滑动窗口大小是32-9+1+1＝25＝32-(9-2)。

采样速率保证在最大流量的情形下，每个状态机都会被采样到。

由于每个状态机都会被采样到，所以相邻两次采样，正流情况下，滑动窗口大小应该为1，而反流滑动窗口大小应该为32。

将状态机进行分组。FSM1-FSM16为一组，名为s_sample_fsm_low16；FSM17-FSM32为一组，名为s_sample_over16；状态机落入FSM1-FSM16内，且在FSM1-FSM16内抖动s_sample_low16＝1，不做其他处理；状态机落入FSM17-FSM32内，且在FSM17-FSM32内抖动s_sample_over16，不做其他处理；

正流状态中，连续2次检测到滑动窗口大于等于24，进入反流状态；

反流状态中，连续2次检测到滑动窗口小于等于8，进入正流状态。

二.正流量检测算法原理

检测状态机，如果状态机[A1，A2，B1，B2，C1，C2，D1，D2]为[0，0，0，0，0，0，0，0]，则丢弃。判定状态机在s_sample_low16还是s_sample_over16，如果在s_sample_low16，则s_sample_low16＝1；如果在s_sample_over16，则s_sample_over16＝1；若当前状态机落入s_sample_low16，且s_sample_over16＝1，则正流增加1个计量单位，设置s_sample_over16＝0；否则不予任何处理。进入下一采样周期。

三.反流量检测算法原理

检测状态机，如果状态机[A1，A2，B1，B2，C1，C2，D1，D2]为[0，0，0，0，0，0，0，0]，则丢弃。判定状态机在s_sample_low16还是s_sample_over16，如果在s_sample_low16，则s_sample_low16＝1；如果在s_sample_over16，则s_sample_over16＝1；若当前状态机落入s_sample_over16，且s_sample_low16＝1，则反流增加1个计量单位，设置s_sample_low16＝0；否则不予任何处理。进入下一采样周期。

四.流量方向切换检测及补偿算法原理

检测状态机，如果状态机[A1，A2，B1，B2，C1，C2，D1，D2]为[0，0，0，0，0，0，0，0]，则丢弃。判定状态机跳变窗口是否大于等于24，如果大于等于24，则发现第一个反流报文(注意：在反流的时候，如果发现窗口小于8，则是反流的反流即正流的第一个报文)；进入en_Normal_First_Detect_Invert/en_Invert_First_Detect_Normal状态。进入下一采样周期。

检测状态机，如果状态机为[A1，A2，B1，B2，C1，C2，D1，D2]为[0，0，0，0，0，0，0，0]，则丢弃；判定状态机跳变窗口是否大于等于24，如果大于等于24，则发现第二个反流状态机(注意：在反流的时候，如果发现窗口小于等于8，则是反流的反流即正流的第二个状态机)；进入en_Normal_Flow/en_Invert_Flow状态；即进行流向切换。由正流en_Normal_Flow进入反流en_Invert_Flow状态；或者由反流en_Invert_Flow进入正流en_Normal_Flow状态。

确认进入方向切换点，进入补偿算法。由于第一次发现反流状态机的时候，我们没有进行流量计算，所以在第二反流状态机来的时候，我们要补算一次(流量补偿)。如果第一次发现反流状态机，而第二次发现是正流状态机，则是抖动，那么第一次发现反流状态机时，不进行流量计算也是正确的。所以我们只需要对连续2次反流状态机进行补偿计算。

进入补偿算法的时候，我们保留有3个状态机，依据这三个状态机(时间次序)进行补偿计算；【fsm_index_Normal_Flow，fsm_index_Normal_First_Detect_Invert，fsm_index_Normal_Second_Detect_Invert】；或者【fsm_index_Invert_Flow，fsm_index_Invert_First_Detect_Normal，fsm_index_Invert_Second_Detect_Normal】；

依据二、三的正反流计算方法，如果这三个状态机，由正流变反流的时候，每穿过一次状态机FSM1则反流数增加一圈；同理，由反流变正流的时候，每穿过一次FSM32，则正流数增加一圈。注意：在最后一个状态机fsm_index_Normal_Second_Detect_Invert等于FSM1或者fsm_index_Invert_Second_Detect_Normal等于FSM32的时候，不增加圈数，为防止因为是抖动，需要等下个状态机来临进行判断。进行下一个采样计算周期。

依据此方法及算法，分组计算中，16个线圈32个状态机；8个线圈16个状态机；4个线圈8个状态机都同理适用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。