CN100470204C - 一种高精度低成本的角度传感器的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度低成本角度传感器检测装置及方法，主要由机械结构部分、电机及控制部分、数据采集、传递和处理部分和多路电源管理组成，它采用多功能角度传感器安装板、联轴器适应不同规格的角度传感器，采用单片机技术控制步进电机转动指定的角度，由减速器对被测角度传感器进行减速，读取被测角度传感器和增量码盘接口和码制的数据，通过接口技术使用单片机接收测试命令，同时单片机将电机状态和被测角度传感器的读数数据发送到上位机上由专用软件自动进行数据处理，或通过配套专用软件设置检测对象、检测内容和检测环境。本发明提高了工作效率和检测精度，同时避免采用更高精度的角度传感器进行精度测试，降低了成本。

Description

一种高精度低成本的角度传感器的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高精度低成本的角度传感器的检测装置及方法，它属于光机电一体化领域。

背景技术

角度传感器是高精度传感器，需要高精度的测量装置对其精度进行检验。已有技术中只能对角度传感器进行大范围的角度检测，即每次转动一定的角度，如120度，用更高精度的编码器来对其精度进行检验。这样的系统只能进行局部角度的测量，不能在短时间内自动检测每个角度或是每个当量的精度，而且用于检测的更高精度的角度传感器的成本昂贵。

发明内容

本发明的目的是避免使用更高精度的角度传感器来检测高精度角度传感器的精度。同时由步进电机、单片机、计算机配合完成整个检测过程的自动化和数字化。输出经过数据处理的检测数据。本装置可以完成最高达18位的角度传感器的每一个旋转当量的测量。

在该检测装置中，通过机械设计技术和结构设计技术，采用一定减速比蜗轮蜗杆对被测角度传感器进行减速；采用多种不同直径的联轴器，适应不同规格的多功能角度传感器安装板、可调安装位置的底座来适应不同规格的角度传感器。

采用单片机技术控制步进电机转动指定的角度，读取被测角度传感器和增量码盘不同接口(串口、并口等)和不同码制(BCD码和格雷码)的数据。

通过接口技术使用备选的各种单片机接收由上位机发送的测试命令，与此同时单片机将电机状态和被测角度传感器的读数数据发送到作为上位机的普通PC机上。

通过软件技术由PC机通过与之配套的专用软件自动进行数据处理；同时测试人员也可以通过PC机的配套的专用软件设置不同的检测对象、检测内容和检测环境。

有益效果

本发明可在不采用更高精度的角度传感器的情况下，检测高精度角度传感器的精度。降低了相关的检测成本。它可以解决18位及以下角度传感器的精度检测问题，同时在机械结构上考虑了多种不同规格、不同码制、不同精度、不同接口的角度传感器完全精度检测的要求。这套装置不但可以自动的对角度传感器指定的输出角度进行测试，还可以对角度传感器的每一个计量当量进行测试，并自动给出测试数据报告，极大的满足了角度传感器生产者和使用者对角度传感器精度检测数字化、自动化的要求，使用本发明的用户可以大大提高工作效率和检测精度。

附图说明：

图1是检测装置原理框图

图2是单片机硬件接口连接图

图3是系统软件框图

图4是角度测量误差折线图(角度传感器每次转1度)

图5是角度测量当量误差分布直方图(角度传感器每次转1度)

图6是当量测量误差分布直方图(角度传感器每次转1个当量)

图7是本发明的机械结构图

图8是图7的A-A视图

图中：1-本体，2-蜗杆安装座，3-蜗轮，4-轴，5-蜗杆，6-联轴盖板，7-轴承盖，8-底版，9-角度传感器安装板，10-被测角度传感器，11-联轴器，12-增量式码盘，13-步进电机。

下面通过附图对本发明做进一步说明：

检测装置的原理框图如图1所示。

1、检测原理和检测装置组成

1.1 检测原理

对角度传感器进行精度测试，需要角度传感器匀速低速转动，检测装置采用高精度、可细分的小步进角的步进电机输出可控制转动角，由高精度的蜗轮蜗杆减速器进行大速比的减速，这样可以控制电机每走一步使与电机相连的角度传感器转动指定的角度。电机是否丢步由普通增量式码盘监控，由于减速比的存在，即使电机的精度只有1mil，但通过减速装置，1mil的误差被缩小了100多倍，是可以满足测量精度要求的。而设备的加工误差也可控制在一个很低的范围内，所以整个系统的测试精度是可以保证的。本系统每次可使控制角度传感器转动2.5＂，而16位绝对式编码器的分辨率只有20＂。

1.2 检测装置组成、功能及连接方式

检测装置主要由机械结构部分，电机及控制部分，数据采集、传递和处理部分，多路电源管理四大部分组成。

如图1、图7和图8所示，机械结构部分是整体安装的支架和传动减速部分，它通过三个联轴器与步进电机13、被测角度传感器10、增量式码盘12分别连接，具体为步进电机13通过联轴器11与蜗杆5一头相连接，增量式码盘10通过联轴器11与蜗杆5另一头相连接，蜗轮3蜗杆5上下连接，蜗轮3的中心通过联轴器11与被测角度传感器10相连接。控制部分主要通过数据线将单片机与电脑连接，单片机通过数据线与驱动板连接，驱动板与电机连接，单片机控制板和驱动板以及电源管理部分都安装在机械底座上。

(1)机械结构部分

机械结构部分主要由本体1、蜗轮3蜗杆5、适应不同规格的多功能角度传感器安装板9、不同直径的联轴器11、可调安装位置的底座8等组成。这样的设计是为了满足不同型号不同大小的角度传感器的需要。具体安装方式如图7、图8所示。

(2)电机及控制部分

电机采用三相混合式步进电机，采用其配套驱动器，可选择1/8、1/4、2/1、1/1步进角驱动，可调转向。采用C8051F040单片机对电机进行控制，单片机通过其特有的方波发生器，可提供指定频率和指定脉冲个数的脉冲输出，从而按规定的要求控制电机转动。

(3)数据采集、传递、处理部分

此部分的硬件部分主要集成在控制板上，通过数据电缆与普通计算机相连接，普通计算机安装本发明的专用软件后就可进行处理。由C8051F040单片机可采集串口、并口、CAN2.0B、I2C、SPI、485总线等不同接口形式的角度传感器的信号，同时可处理二进制码、格雷码等不同码制的编码信号。单片机将得到的初步信号进行简单的处理，可通过串口、并口、USB口、CAN总线接口等与PC机相连，将采集到的数据传送到普通PC机，配合相关软件进行数据处理，同时PC机通过人机交互界面可选择不同的测量方式和测量的精度等各种检测的控制信息，这些控制信息按一定的协议格式传送给单片机后，由单片机执行具体的控制程序。

此外，C8051F040单片机还通过132*64液晶显示模块提供测量数据的实时显示，通过按键进行电机的控制，所以在不接PC机的情况下也可以进行简单的半自动检测。检测装置控制部分的硬件原理图如图2所示。

(4)电源管理部分

电源管理部分安装在底座上。系统外部220V交流供电，通过变压器降压整流到直流24V，一部分提供给电机，另一部分再次降为3.3V，±5V，9V，12V以及多路互相隔离5V电源等电源，可以适应多种电压的角度传感器。同时由电源管理芯片DS2780对主要电源进行监测。

2 系统软件设计

软件控制框图

软件的整体框图如图3所示。系统软件整体分为单片机软件和上位机软件两大部分，单片机软件采用Keil C进行编写，主要提供电机控制、数据采集、数据通信、数据显示、独立控制等功能。上位机软件采用VC进行编写，主要提供人机交互界面、数据通信、数据处理、数据报表等功能。

单片机软件设计

如图3所示单片机主程序包括单片机初始化程序、各个硬件初始化程序、格雷码转二进制码程序。

单片机初始化包括输入输出端口初始化配置、系统时钟及复位源配置、UART0(增强型串口0)初始化、UART1(增强型串口1)初始化、定时器1、2、3、4初始化、CAN总线或I2C总线或SPI总线初始化。

硬件初始化程序包括液晶显示初始化、电源状态检测等。

数据通信模块包括串口、并口、CAN2.0B总线或I2C总线或SPI总线等不同接口通信程序。

电机控制模块主要由可调频率方波输出程序、脉冲计数程序组成，方波输出由定时器3工作在方波输出模式产生，脉冲计数由定时器4工作在16位计数模式下完成，当定时器4所计的脉冲到达指定数目时产生T4中断从而停止方波输出，实现可调频率和可控数目的方波输出，这样就可以控制电机按一定的速度转动指定的角度。

故障检测与诊断模块主要包括系统开机自检程序，故障检测程序，故障报告程序等组成。各子系统都设有报错程序，同时由电源管理模块提供各个重要部件的电压状态，从而判断各个重要部件是否正常工作，错误类型在故障诊断程序中得到诊断，通过液晶显示及上位机报告故障情况。

上位机软件设计

上位机软件主要完成以下功能：

从串口或并口获取下位机采集到的角度传感器的数据；

对从单片机获取的数据进行转换，并保存；

动态显示从单片机获取的数据；

基于以上功能，把整个上位机软件分成3大模块：人机交互模块、数据处理模块、数据通信模块。

人机交互模块

人机交互模块主要由设置模块、实时显示模块和实用功能模块组成。

设置模块主要完成被测角度传感器各种参数设置，如被测角度传感器的位数、接口方式、数据码制等，检测方式的设置，检测速度的设置，数据保存及输出模式的设置，以及上位机与下位机通信接口的设置等。

实时显示模块主要显示当前测量数据，电机状态数据等。

实用功能模块包括打印、帮助、生成记录文件、修改、设定参数、列表、登记、删除等。

数据处理模块

该模块首先要将设置模块得到的相关信息转化成上位机发送数据流，如将检测方式设置中得到的检测方式信息转化成电机每次转到多少角度，电机转动频率信息，单片机数据采集频率信息等。

其次，将得到的接收数据进行数学统计，保存在数据表和数据图中。首先是对不同码制的转换，如格雷码转二进制码，其次将各个测试点的绝对读数值转化成角度值或是密位值，同时计算相应的误差值，平均值，方差等信息。完成误差曲线图、误差分布图的绘制。

数据通信模块

该模块“实时”地接收从单片机通过不同需要设置的不同接口上传来的数据，处理数据流并获取其中有用的数据。接收串口数据通常是使用微软的MSComm控件。数据流按一定的协议格式编写，接收数据流将被测光编二进制码读数、增量式码盘读数发给上位机。发送数据流将数据处理模块处理后的数据信息和上位机的指令信息按一定的协议格式发送给单片机，由单片机执行具体操作。

通过下面结合附图的说明，本发明的其它特征和优点将变得很明显，其中在所有的附图中，相似的附图标记表示相同或类似的部分。

具体实施方式

下文只对每个实施例的序列图中的主要消息进行详细说明，其余的基本消息都被部分省略。以下以对国内某15位绝对式角度传感器作为被测对象为例说明整个系统的工作流程和实施方式。

对该角度传感器进行一周每隔一度进行测量的方式命名为角度测量方式，即将一周分为360度，对每一度进行测量。对角度传感器在一定范围内按每个当量测量一次命名为当量测量，即将一周分为32768个当量，对每一个当量进行测量。

(第一实施例)

由图1、图7和图8所示连接方式安装好测试装置，选择相应的联轴器11和角度传感器安装板9，将被测角度传感器10安装在相应的安装座9上。将相应的数据电缆与计算机相连接。

在装有本发明专用软件的PC机上设置相应地检测对象参数，如被测角度传感器的位数(本例为15位)，接口方式(本例为15位并口)、数据码制(本例为BCD码)，检测方式的设置(本例为当量检测)，检测速度的设置(本例为慢速)，数据保存及输出模式的设置(本例为数据表和数据图)，以及上位机与下位机通信接口的设置(本例为RS232口)。

点击开始测量，本例对15位角度传感器一周共32768个当量进行测试。整个过程对32768点进行采术，这整个过程大约需要两个半小时。

当系统提示测量结束后，可按要求输出数据。

表1给出了当量测量的部分数据。图6为角度传感器转动1200个当量左右，当量测量中的以当量为误差单位的误差分布直方图。

表1 当量测量部分数据(角度传感器每次转1个当量)

 

序号	当量读数值	当量差值	角度值	当量差值误差	电机转动角度
						0	28161		309.4
1	28162	1	309.41	0	1
						2	28163	1	309.42	0	1
3	28163	0	309.42	-1	1
						4	28164	1	309.43	0	1
5	28165	1	309.44	0	1
						6	28166	1	309.45	0	1
7	28167	1	309.46	0	1
						8	28168	1	309.47	0	1
9	28169	1	309.48	0	1
						10	28171	2	309.51	1	1
11	28172	1	309.52	0	1
						12	28173	1	309.53	0	0
13	28174	1	309.54	0	1
						14	28175	1	309.55	0	1
15	28177	2	309.57	1	1
						16	28178	1	309.58	0	1
17	28179	1	309.59	0	1
						18	28180	1	309.6	0	1
19	28181	1	309.62	0	1
						20	28182	1	309.63	0	1

(第二实施例)

由图1和图7所示连接方式，选择相应的联轴器11和角度传感器安装板9，将被测角度传感器10安装在安装座9上。

在装有专用软件的PC机上设置相应地检测对象参数，如被测角度传感器的位数(本例为15位)，接口方式(本例为15位并口)、数据码制(本例为BCD码)，检测方式的设置(本例为角度检测)，检测角度设置(本例为1度)，检测速度的设置(本例为中速)，数据保存及输出模式的设置(本例为数据表和数据图)，以及上位机与下位机通信接口的设置(本例为RS232口)。

点击开始测量，本例对15位角度传感器一周共360度进行角度检测，整个过程共有360个采样点。这整个过程需要6分钟。

当系统提示测量结束后，可按要求输出数据。

表1给出了当量测量的部分数据。图4为角度传感器转动一周每一度测量一次所得到的以当量为单位的当量误差曲线，图5为角度测量中，角度传感器转动360度，以当量为误差单位的误差分布直方图。

本发明可对其他不同角度范围进行检测，可选择慢、中、快三种不同的检测速度

本发明可检测18位以下各种角度传感器。当改变蜗轮蜗杆速比和步进电机步进角时，可测量更高精度的角度传感器。

本发明还可通过其他接口如串口，并口，CAN总线、I2C总线、SPI总线与被测角度传感器相连。

发明还可以通过其他不同的形式的接口与计算机相连，如并口，CAN总线、I2C总线、SPI总线。

上述实施例的部分功能还能通过以下步骤实现，不需要计算机，直接通过单片机的液晶显示屏人工监控整个检测过程，通过单片机控制板上的按键设置相关参数，可进行简单的半自动测量。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，本发明不仅仅局限于上述实施例，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高精度低成本的角度传感器检测装置，主要由机械结构部分、电机及控制部分、数据采集、传递和处理部分、多路电源管理四大部分组成，其特征在于：机械结构部分主要由本体、蜗轮、蜗杆、多功能角度传感器安装板、联轴器、可调安装位置的底座组成，其中由蜗轮蜗杆组成大减速比的减速器；电机及控制部分的电机采用步进电机，驱动器可选择步进角驱动，可调转向，采用单片机对电机进行控制；数据采集、传递和处理部分的硬件部分主要集成在控制板上，通过数据电缆与普通计算机相连接，由专用软件进行处理，单片机采集角度传感器的信号，同时可处理编码信号，多路电源管理部分安装在底座上；系统外部220V交流供电，通过变压器降压整流到直流24V，一部分提供给电机，另一部分再次降为3.3V、±5V、9V、12V以及多路互相隔离5V电源。

2.根据权利要求1所述的一种高精度低成本的角度传感器检测装置的方法，其特征在于：采用多功能角度传感器安装板、联轴器适应不同规格的角度传感器，采用单片机技术控制步进电机转动指定的角度，由大减速比的减速器对被测角度传感器进行减速，读取被测角度传感器和增量码盘接口和码制的数据，通过接口技术使用单片机接收由上位机发送的测试命令，同时单片机将电机状态和被测角度传感器的读数数据发送到作为上位机的普通PC机上；通过软件技术由PC机通过与之配套的专用软件自动进行数据处理；测试人员也可通过PC机的配套专用软件设置检测对象、检测内容和检测环境。

3.根据权利要求2所述的一种高精度低成本的角度传感器检测装置的方法，其特征在于：增量码盘接口为串口或并口，码制为BCD码或格雷码。

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