CN100578156C - 光电式角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电式角度传感器，其包括有壳体、输出轴、光源、透镜、分度盘、狭缝组件、线性CCD、模数转换器和处理器；输出轴从下至上顺次连接有D连杆、C连杆、B连杆、A连杆，线性CCD安装在D连杆的端部，狭缝组件安装在C连杆的端部，透镜安装在B连杆的端部，光源安装在A连杆的端部；分度盘通过中心孔连接在输出轴上，且位于透镜、狭缝组件之间。该传感器采用线性CCD对分度盘进行角度细分，从而获得高分辨率的角度测量。

Description

光电式角度传感器

技术领域

本发明涉及一种角度传感器，更特别地说，是指一种光电式角度传感器。

背景技术

角度传感器是应用于仪表测量、工业自动化、航空航海等领域的一种重要传感器。在测控系统中，经常要使用角度传感器采集各种角度参数或对转动机构进行测速。各种精密机台的旋转测量与控制均需要高分辨率、高精度的角度测量。在飞行姿态仿真转台伺服控制系统中，精密角度测量更是获得高精度位置定位的技术关键。

角度传感器的测量原理多种多样，常用的有编码盘式、光栅式及电位器式等。电位器式角度传感器结构简单，但触点易磨损且输出特性为阶梯状，分辨率不高；编码盘式、光栅式等精度及分辨率较高、角度测量范围宽，但体积较大，后续测量电路比较复杂。

目前编码盘式角度传感器应用较为广泛，但其受到码盘刻线、轴的安装及电气响应等因素影响，难以达到秒级的分辨率，不能满足飞行姿态仿真转台伺服控制系统中对高精度角度测量的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种光电式角度传感器，该传感器采用线性CCD对分度盘进行角度细分，从而获得高分辨率的角度测量。

本发明是一种光电式角度传感器，包括有传感体和信号处理控制器两部分，所述传感体包括有壳体、上端盖、输出轴、光源、透镜、分度盘、狭缝组件、线性CCD；所述信号处理控制器包括有串行输出接口、模数转换器和处理器；输出轴从下至上顺次连接有D连杆、C连杆、B连杆、A连杆，线性CCD安装在D连杆的端部，狭缝组件安装在C连杆的端部，透镜安装在B连杆的端部，光源安装在A连杆的端部；分度盘通过中心孔连接在输出轴上，且位于透镜、狭缝组件之间。

本发明的信号处理控制器对线性CCD输出的模拟信号经模数转换器转换为不规则方波数字信号PWM后输出给处理器，所述不规则方波数字信号PWM在处理器中进行“刻槽角度转换计算”后输出角度值D给串行输出接口；同时处理器给线性CCD一个时序控制信号T，用于驱动线性CCD输出高电平信号。在处理器中进行的“刻槽角度转换计算”为：

(A)对所述不规则方波数字信号PWM的上升沿进行计数，获得第一计数值n；

(B)根据线性CCD(5)具有的像元数目，以及第一计数值n获得第二计数值K_N，所述第二计数值K_N即为分度盘(3)从开始转动至停止时所转过的刻槽数目，则有完整刻槽旋转角β为α×K_N，α表示相邻刻槽之间的圆心角；

(C)对所述的第一计数值n依据像元-角度联立式F解析得到当前刻槽旋转的角度

(D)依据(C)步骤获得的当前刻槽旋转的角度

与(B)步骤获得的完整刻槽旋转角β采用旋转角度计算式

求得旋转角φ，旋转角φ为光电式角度传感器输出的角度值D。

本发明光电式角度传感器的优点：(1)采用线性CCD 5对分度盘3进行角度细分从而获得高分辨率的角度测量；(2)线性CCD投影线5D与分度盘3上的CB边线重合，能够完整地细分相邻刻槽之间的圆心角α；(3)线性CCD 5的像元焦线5B与狭缝组件4的矩形透光槽4B的对角线4C平行，能够使得单个CCD像元5A输出一个高电平信号；(4)将光源1、透镜2、分度盘3、狭缝组件4、线性CCD 5同轴安装，可以保证同一时刻只有一个像元被输出光照射。

附图说明

图1是本发明角度传感器的等轴剖视图。

图2是本发明角度传感器的信号处理控制器的信号流程框图。

图3是本发明分度盘的结构图。

图4是本发明狭缝组件与线性CCD装配的简示图。

图5是本发明分度盘的另一结构图。

图中：        1.光源        1A.光源输出光    2.透镜        3.分度盘

3A.中心孔     3B.盘体       3C.第一刻槽      3D.第二刻槽   3N.第N刻槽

3b.向心刻槽   3a.斜刻槽     4.狭缝组件       4A.狭缝基体   4B.矩形透光槽

4C.对角线     5.线性CCD     5A.CCD像元       5B.像元焦线   5C.基板

5D.线性CCD投影线            6.模数转换器     7.处理器      8.串行输出接口

10.壳体       10A.上端盖    11.输出轴        12.A连杆      13.B连杆

14.C连杆      15.D连杆      16.A轴承         17.B轴承      18.凸台

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图2所示，本发明是一种光电式角度传感器，包括有传感体和信号处理控制器两部分；所述传感体包括有壳体10、上端盖10A、输出轴11、光源1(采用半导体激光器)、透镜2、分度盘3、狭缝组件4、线性CCD 5；所述信号处理控制器包括有串行输出接口8、模数转换器6和处理器7；在本发明中，处理器7可以采用单片机、DSP处理芯片或者FPGA处理芯片对经模数转换器6输出的不规则方波数字信号PWM进行“刻槽角度转换计算”来得到角度输出。

一、传感体结构

参见图1所示，在壳体10的底部中心设有凸台18，凸台18上开有圆孔，圆孔内放置有B轴承17；凸台18上安装有模数转换器6和处理器7。

参见图1所示，在上端盖10A的中心开有圆孔，圆孔内放置有A轴承16；上端盖10A安装在壳体10的上端。

参见图1所示，在输出轴11上套接有分度盘3；输出轴11的上端穿过放置于上端盖10A的A轴承16后，延伸至上端盖10A外；输出轴11的下端安装在壳体10底部凸台18的B轴承17上。输出轴11的的装配关系：输出轴11的下端顺次穿过上端盖10A的A轴承16、分度盘3的中心孔3A后，安装在壳体10底部凸台18的B轴承17上2；输出轴11的上端延伸至上端盖10A外。

参见图3、图5所示，分度盘3的盘体3B边缘开有多个刻槽，盘体3B的中心位置开有中心孔3A；盘体3B上设置刻槽的个数为4～360个。所述刻槽可以是沿半径方向的向心刻槽3b(如图3所示)，也可以是斜刻槽3a(如图5所示)。分度盘3通过中心孔3A套装在输出轴11上，且位于壳体10内。在本发明中，为了方便叙述向心刻槽与线性CCD投影线5D之间的关系，向心刻槽可以是指第一刻槽3C、第二刻槽3D、……、第N刻槽3N。

在本发明中，相邻两个刻槽(向心刻槽或者斜刻槽)之间的圆心角α＝1～90°，即第一刻槽3C与第二刻槽3D之间的圆心角，即AO连线与BO连线的夹角；AO连线是第一刻槽3C底部的中心点A与圆心O之间的连线，BO连线是第二刻槽3D底部的中心点B与圆心O之间的连线。第一刻槽3C在盘体3B边缘上的中心点C与圆心O之间的连线为CO连线，由于第一刻槽3C为向心刻槽，则CO连线也是AO连线沿长至盘体3B边缘的连线，中心点C与中心点B的连线即CB连线，CB连线能够与线性CCD 5的线性CCD投影线5D重合，实现了线性CCD 5对分度盘3的角度细分。

当为斜刻槽3a时，刻槽中心线EC的沿长线交于分度盘3的半径上一点F，则EF连线与GO连线构成的夹角θ₂为135°角，则EC连线与ED连线构成的投影角θ₁保持45°角，从而能够实现ED连线与线性CCD 5的线性CCD投影线5D重合，实现了线性CCD 5对分度盘3的角度细分。在本发明中，投影角θ₁(图5)与投影角θ(图3)为同一意义的投影角。

中心孔3A用于输出轴11穿过，同时使分度盘3安装在输出轴11上。

分度盘3的盘体3B采用不透光材料加工成圆盘结构。

参见图4所示，狭缝组件4的狭缝基体4A上开有多个矩形透光槽4B(矩形透光槽4B用于光源输出光1A通过)。所述矩形透光槽4B的宽度d为0.5～4μm，相邻两个矩形透光槽的距离d₄为3～11μm。在本发明中，矩形透光槽4B的对角线4C与线性CCD 5的像元焦线5B保持平行，且长度相等。对角线4C与像元焦线5B的平行保证了光源输出光1A经矩形透光槽4B后，垂直照射在线性CCD 5的像元焦线5B上。

在本发明中，参见图4所示，线性CCD 5采用线性CCD像元数目范围为3000～10000，每个像元宽度范围为3～11μm。光源输出光1A通过狭缝组件4的透光槽4B后照射在基板5C的CCD像元5A中的像元焦线5B上。

本发明传感体的输出轴11从下至上顺次连接有D连杆15、C连杆14、B连杆13、A连杆12，线性CCD 5安装在D连杆15的端部，狭缝组件4安装在C连杆14的端部，透镜2安装在B连杆13的端部，光源1安装在A连杆12的端部；分度盘3通过中心孔3A连接在输出轴11上，且位于透镜2、狭缝组件4之间。

二、信号处理控制器结构

参见图2所示，本发明的角度传感器对线性CCD 5输出的模拟信号经模数转换器6转换为不规则方波数字信号PWM后输出给处理器7，所述不规则方波数字信号PWM在处理器7中进行“刻槽角度转换计算”后输出角度值D给串行输出接口8；同时处理器7给线性CCD 5一个时序控制信号T，用于驱动线性CCD 5输出高电平信号。所述串行输出接口8用于与外部器件进行连接，实现将本发明的角度传感器测得的角度信息输出。

在本发明中，模数转换器6可以是LTC2355-14A/D转换芯片、ADC0809芯片。处理器7选取FPGA处理器时可以是EPF10K20型号芯片。处理器7选取单片机时可以是80C51芯片。处理器7选取DSP处理器时可以是TMS320系列芯片。对于串行输出接口8是处理器7芯片上自带的信息输出接口。关于线性CCD 5、模数转换器6、处理器7之间的连接为常规连接方式，故在本专利申请中不作说明。但处理器7中通过编写软件方式内嵌有“刻槽角度转换计算”程序，该“刻槽角度转换计算”程序能够对模数转换器6输出的不规则方波数字信号PWM进行解析从而获得本发明角度传感器的角度输出。

在本发明中，处理器7进行的“刻槽角度转换计算”为：

(A)对所述不规则方波数字信号PWM的上升沿进行计数，获得第一计数值n，所述第一计数值n即为当前刻槽转动时已覆盖的线性CCD的像元数目；

(B)根据线性CCD 5具有的像元数目，以及第一计数值n获得第二计数值K_N，所述第二计数值K_N即为分度盘3从开始转动至停止时所转过的刻槽数目；则有完整刻槽旋转角β为α×K_N，α表示相邻刻槽之间的圆心角；

(C)对所述的第一计数值n依据像元-角度联立式F解析得到当前刻槽旋转的角度

式中，n表示第一计数值，m表示采用的线性CCD 5的像元数目，l表示线性CCD 5的长度，R表示分度盘的半径，θ表示光源输出光的投影角。所述投影角θ是指线性CCD 5在分度盘3上的投影线(CB连线)与分度盘3上OC连线(OC连线长度为分度盘的半径R)的夹角(如图3所示)。

(D)依据(C)步骤获得的当前刻槽旋转的角度

与(B)步骤获得的完整刻槽旋转角β采用旋转角度计算式求得旋转角φ，旋转角φ为光电式角度传感器输出的角度值D。

所述旋转角φ也是指从第一刻槽3C至分度盘3半径OM夹角，即AO连线与OM连线的夹角；AO连线是第一刻槽3C底部在分度盘3上平面的中心点A与圆心O之间的连线，OM连线是分度盘3盘体上点M与圆心O之间的连线。

所述完整刻槽旋转角β也是指从第一刻槽3C至第N刻槽3N之间夹角，即AO连线与NO连线的夹角；AO连线是第一刻槽3C底部在分度盘3上平面的中心点A与圆心O之间的连线，NO连线是第N刻槽3N底部在分度盘3上平面的中心点N与圆心O之间的连线。

本发明的光电式角度传感器的工作原理：本发明角度传感器的光源1输出光1A经透镜2后变化为平行光线，垂直照射在分度盘3上，当分度盘3旋转时，刻槽与狭缝组件4的矩形透光槽重合时，光源输出光1A就会照射到线性CCD5的像元焦线5B上，线性CCD5将产生一个高电平信号。随着分度盘的旋转，当前刻槽将依次覆盖线性CCD5的所有像元，产生一系列高电平信号。当前刻槽覆盖完所有线性CCD5的像元后，下一条刻槽又将依次覆盖线性CCD的所有像元，同样产生一系列高电平信号。所述高电平信号经模数转换器6转换后，输出不规则方波数字信号PWM，所述不规则方波数字信号PWM在处理器7中进行“刻槽角度转换计算”后输出角度值D给串行输出接口8。

Claims (6)

1、一种光电式角度传感器，包括有传感体和信号处理控制器两部分，其特征在于：所述传感体包括有壳体(10)、上端盖(10A)、输出轴(11)、光源(1)、透镜(2)、分度盘(3)、狭缝组件(4)、线性CCD(5)；所述信号处理控制器包括有串行输出接口(8)、模数转换器(6)和处理器(7)；

在壳体(10)的底部中心设有凸台(18)，凸台(18)上开有圆孔，圆孔内放置有B轴承(17)；凸台(18)上安装有模数转换器(6)和处理器(7)；

在上端盖(10A)的中心开有圆孔，圆孔内放置有A轴承(16)；上端盖(10A)安装在壳体(10)的上端；

输出轴(11)的上端穿过放置于上端盖(10A)的A轴承(16)后，延伸至上端盖(10A)外；输出轴(11)的下端安装在壳体(10)底部凸台(18)的B轴承(17)上；

分度盘(3)的盘体(3B)边缘开有多个刻槽，盘体(3B)的中心位置开有中心孔(3A)；所述刻槽是沿半径方向的向心刻槽(3b)，或者是斜刻槽(3a)；分度盘(3)安装在输出轴(11)上；

狭缝组件(4)的狭缝基体(4A)上开有多个矩形透光槽(4B)，矩形透光槽(4B)的对角线(4C)与线性CCD(5)的像元焦线(5B)保持平行，且长度相等；

线性CCD(5)采用线性CCD像元数目范围为3000～10000，每个像元宽度范围为3～11μm；

输出轴(11)从下至上顺次连接有D连杆(15)、C连杆(14)、B连杆(13)、A连杆(12)，线性CCD(5)安装在D连杆(15)的端部，狭缝组件(4)安装在C连杆(14)的端部，透镜(2)安装在B连杆(13)的端部，光源(1)安装在A连杆(12)的端部；分度盘(3)通过中心孔(3A)连接在输出轴(11)上，且位于透镜(2)、狭缝组件(4)之间；

所述信号处理控制器对线性CCD(5)输出的模拟信号经模数转换器(6)转换为不规则方波数字信号PWM后输出给处理器(7)，所述不规则方波数字信号PWM在处理器(7)中进行“刻槽角度转换计算”后输出角度值D给串行输出接口(8)；同时处理器(7)给线性CCD(5)一个时序控制信号T，用于驱动线性CCD(5)输出高电平信号。

2、根据权利要求1所述的光电式角度传感器，其特征在于：分度盘(3)的盘体(3B)上设置刻槽的个数为4～360个。

3、根据权利要求1所述的光电式角度传感器，其特征在于：分度盘(3)上的相邻两个刻槽之间的圆心角α＝1～90°。

4、根据权利要求1所述的光电式角度传感器，其特征在于：分度盘(3)的盘体(3B)采用不透光材料加工成圆盘结构。

5、根据权利要求1所述的光电式角度传感器，其特征在于：狭缝组件(4)的狭缝基体(4A)上的矩形透光槽(4B)的宽度d为0.5～4μm，相邻两个矩形透光槽的距离d₄为3～11μm。

6、根据权利要求1所述的光电式角度传感器，其特征在于处理器(7)进行的“刻槽角度转换计算”为：

(A)对所述不规则方波数字信号PWM的上升沿进行计数，获得第一计数值n；

(B)根据线性CCD(5)具有的像元数目，以及第一计数值n获得第二计数值K_N，所述第二计数值K_N即为分度盘(3)从开始转动至停止时所转过的刻槽数目，则有完整刻槽旋转角β为α×K_N，α表示相邻刻槽之间的圆心角；

(C)对所述的第一计数值n依据像元-角度联立式F解析得到当前刻槽旋转的角度

式中，n表示第一计数值，m表示采用的线性CCD(5)的像元数目，l表示线性CCD(5)的长度，R表示分度盘的半径，θ表示光源输出光的投影角；

(D)依据(C)步骤获得的当前刻槽旋转的角度

与(B)步骤获得的完整刻槽旋转角β采用旋转角度计算式

求得旋转角φ，旋转角φ为光电式角度传感器输出的角度值D。

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