CN101299048B - 旋转角加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种旋转角加速度传感器，它包括机座，机座前端和后端的前端盖和后端盖，穿过前端盖和后端盖中心的转轴，与转轴同轴心地置于机座内的带有绕组槽的外定子铁心，置于外定子铁心与转轴之间，并与外定子铁心和转轴同轴心的内定子铁心，内外定子铁心之间为励磁磁场，置于外定子铁心上绕组槽内的外定子铁心输出绕组，杯底装于转轴上，杯体位于内外定子铁心之间的励磁磁场内的杯形转子绕组。被测系统的旋转轴与传感器的转轴同轴联接，传感器直接把被测系统旋转轴上的旋转角加速度转换成电信号输出，输出的电信号与旋转角加速度直接对应，为此测量精度较高，结构简单，使用方便。

Description

旋转角加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种加速度传感器，尤其涉及一种角加速度传感器，更具体的是涉及一种旋转角加速度传感器。
背景技术
在很多运动物体的控制、监测及导航中，不仅需要角位移，角速度信息，更需要角加速度信息。旋转角加速度的测量是机械量测量中常见的测量之一。公知的旋转角加速度的测量，一般都是通过间接的几个线加速度信号的合成来求取。也有采用流动电势原理制作的直接测量旋转角加速度的液环式旋转角加速度传感器，但实现比较复杂或精度比较低。
在公开的现有技术中，中国实用新型专利号87208367提供了一种磁电式的加速度传感器，如图1所示，该传感器包括外壳01、铜环02、线圈03、磁铁04和弹簧片05。外壳01与线圈03、磁钢04之间相对静止地连成一体。与外壳01相固接的弹簧片05和支承铜环02，铜环02位于线圈03与磁铁04之间，当铜环02与线圈03、磁铁04作相对运动时，线圈03能感生出与振动加速度成正比的电压信号。该传感器是用于测量振动加速度，由于它的铜环连接在外壳上，无法测量旋转角加速度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足提出一种新型的旋转角加速度传感器，以电磁感应原理为基础，传感器与旋转机械同轴安装，直接把旋转轴上旋转角加速度转换成电信号输出，输出电压信号与旋转角加速度直接对应，结构简单，精度较高，使用方便。
本发明的目的是通过下述技术方案实现：
一种旋转角加速度传感器，它包括机座，位于机座前端的前端盖，位于机座后端的后端盖，穿过前端盖和后端盖中心的转轴，分别置于转轴与前端盖和转轴与后端盖之间的轴承，还包括：
外定子铁心，外定子铁心与转轴同轴心地置于机座内，在外定子铁心上设有绕组槽；
内定子铁心，它置于外定子铁心与转轴之间，并与外定子铁心和转轴同轴心，内定子铁心与外定子铁心之间为励磁磁场(或者称为间隙磁场)；
外定子铁心输出绕组，它置于外定子铁心的绕组槽内，它的轴线与励磁磁场(气隙磁场)的磁轴垂直；
杯形转子绕组，杯底装于转轴上，并与转轴同轴心，杯体位于外定子铁心与内定子铁心之间的励磁磁场(气隙磁场)中，并与转轴同轴心。
如上述的结构，本发明的旋转角加速度传感器，其工作原理为；内外定子铁心之间构成励磁磁场(气隙磁场)，杯形转子绕组位于内外定子铁心之间的励磁磁场(气隙磁场)内并与两定子铁心同轴心，杯形转子绕组与转轴(或称机械量输入轴)连接(固定连接)可相对于两定子铁心作旋转运动。工作时，传感器的转轴与被测系统的传动轴同轴联接。如被测系统的传动轴(转轴)作恒转速运动，则杯形转子绕组也作恒转速运动，在杯形转子绕组中产生电势，此电势产生转子电流，转子电流形成励磁磁场，此时，该励磁磁场的磁势幅值恒定，外定子铁心输出绕组的电势为零；如被测系统的传动轴作非恒转速运动，即存在旋转角加速度时，则杯形转子绕组也作非恒转速运动，则在杯形转子绕组中产生电势的大小与被测系统的非恒转速运动的转速相对应，此电势产生转子电流，该转子电流随时间变化，因此，该转子电流所产生励磁磁场的磁势幅值也随时间变化，该磁势幅值随时间变化的励磁磁场与外定子铁心输出绕组交链，从而在外定子铁心输出绕组中产生输出电势，该输出电势与被测系统的转速变化相对应。
所述内外定子铁心之间的励磁磁场(气隙磁场)可以是永磁式结构或是电磁式结构。所述永磁式结构是：所述内定子铁心与外定子铁心之间的励磁磁场是由永磁材料构成的永磁内定子铁心作为内定子铁心与外定子铁心之间磁路的励磁体所形成的励磁磁场；也就是永磁内定子铁心作为内、外定子铁心的磁路的励磁体，形成了励磁磁场(气隙磁场)。可以保持励磁磁场的恒定，使外定子铁心输出绕组的输出与被测系统转轴的加速度成正比。
所述电磁式结构是：所述内定子铁心与外定子铁心之间的励磁磁场是由置于外定子铁心上绕组槽内的外定子铁心励磁绕组通过直流恒流源供电作为内定子铁心与外定子铁心之间磁路的励磁源所形成的励磁磁场；也就是通过直流恒流电源供电给外定子励磁绕组作为内、外定子铁心磁路的励磁源，形成励磁磁场(气隙磁场)，也同样可以保持励磁磁场的恒定。
如上述的结构，本发明利用电磁感应原理构成旋转角加速度传感器，传感器与被测系统(旋转机械)同轴安装，直接把旋转轴上旋转角加速度转换成电信号输出，输出的电信号与旋转角加速度直接对应。在结构上，励磁磁场(气隙磁场)恒定，输出电压与旋转角加速度一一对应，其测量精度比较高，而且，结构简单；由于采用杯形转子绕组结构，传感器的转动惯量明显降低，灵敏度及测量精度明显提高；由于传感器与被测系统同轴相联，旋转角加速度信号获取直接。因此，使用方便。可用于各种需要测量旋转角加速度的场合。
附图说明
图1为现有技术磁电式加速度传感器的结构示意图；
图2为本发明旋转角加速度传感器的结构示意图；
图3为图2实施例1的A-A面的剖视图；
图4为图2实施例2的A-A面的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图进一步描述本发明角加速度传感器的结构特征。
图2为本发明旋转角加速度传感器的结构示意图，如图2所示，包括转轴1、轴承2、前端盖3、外定子铁心输出绕组4、机座5、外定子铁心6、杯形转子绕组7、内定子铁心8、后端盖9；
前端盖3位于机座5的前端，后端盖9位于机座5的后端，转轴1穿过前端盖3和后端盖9的中心，轴承2分别置于转轴1与前端盖3和转轴1与后端盖9之间。
外定子铁心6与转轴1同轴心地置于机座5内，在外定子铁心上设有绕组槽；
内定子铁心8置于外定子铁心6与转轴1之间，并与外定子铁心6和转轴1同轴心，内定子铁心8与外定子铁心6之间为励磁磁场(或者称为间隙磁场)；
外定子铁心输出绕组4置于在外定子铁心6的绕组槽内，它的轴线与励磁磁场的磁轴垂直；
杯形转子绕组7的杯底装于转轴1上，并与转轴1同轴心，杯体位于外定子铁心6与内定子铁心8之间的励磁磁场(气隙磁场)中，并与转轴1同轴心。
内、外定子铁心之间所形成的恒定的励磁磁场(气隙磁场)，可以通过多种结构实现。本发明的实施例1是通过永磁式结构实现的，如图3所示；实施例2通过电磁式结构实现的，如图4所示。
实施例1：角加速度传感器的结构如图2所示，图2中A-A面的剖视图如图3所示，励磁磁场是永磁式结构：即内定子铁心8与外定子铁心6之间的励磁磁场是由永磁材料构成的永磁内定子铁心作为内定子铁心8与外定子铁心6之间磁路的励磁体所形成的励磁磁场。从图3中显示出，外定子铁心输出绕组4嵌入在外定子铁心6的绕组槽内，外定子铁心输出绕组4的轴线与励磁磁场的磁轴相互垂直。杯形转子绕组7位于内、外定子铁心之间的励磁磁场(气隙磁场)内，外定子铁心6、杯形转子绕组7和内定子铁心8都与转轴1同轴心。
转轴1与被测系统的传动轴同轴联接，外定子铁心输出绕组4中的输出电势与被测系统的旋转角加速度成正比。
在本实施例中，转轴1的材料为不锈钢等材料。前端盖3、机座5、后端盖9可由铝合金等金属材料制作；永磁内定子铁心8为高性能永磁磁钢构成；所述外定子铁心6是由硅钢片或低剩磁的铁磁材料构成；外定子铁心输出绕组4为电磁漆包线；所述杯形转子绕组7是由电阻率小的铜或铝材料构成；轴承2为高速轴承。
实施例2：角加速度传感器的结构如图2所示，图2中A-A面的剖视图如图4所示。实施例2与实施例1所不同的是，其励磁磁场是电磁式结构。即内定子铁心8与外定子铁心6之间的励磁磁场是由置于外定子铁心6上绕组槽内的外定子铁心励磁绕组10通过直流恒流源供电作为内定子铁心8与外定子铁心6之间磁路的励磁源所形成的励磁磁场；如图4所示，外定子铁心励磁绕组10及外定子铁心输出绕组4均嵌入在外定子铁心6的绕组槽内，外定子铁心励磁绕组10通过直流恒流电源供电对铁心进行励磁，它作为内、外定子铁心的磁路的励磁源构成励磁磁场(气隙磁场)。外定子铁心励磁绕组10与外定子铁心输出绕组4输出绕组4的轴线相互正交。杯形转子绕组7位于内、外定子铁心之间的励磁磁场(气隙磁场)内。外定子铁心6、杯形转子绕组7和内定子铁心8都与转轴1同轴心，杯形转子绕组7与转轴1固定联接可相对于内、外定子铁心作旋转运动。
实施例2中，构成内定子铁心8与外定子铁心6的材料是一样的，均为硅钢片或低剩磁的铁磁材料。

Claims (4)

1.一种旋转角加速度传感器，包括机座，位于机座前端的前端盖，位于机座后端的后端盖，穿过前端盖和后端盖中心的转轴，分别置于转轴与前端盖和转轴与后端盖之间的轴承，置于机座内的两定子铁心以及定子铁心输出绕组，其特征在于，所述两定子铁心分别为：
外定子铁心，外定子铁心与转轴同轴心地置于机座内，在外定子铁心上设有绕组槽；
内定子铁心，置于外定子铁心与转轴之间，并与外定子铁心和转轴同轴心，内定子铁心与外定子铁心之间为励磁磁场；
所述定子铁心输出绕组为外定子铁心输出绕组，它置于在外定子铁心上的绕组槽内，它的轴线与励磁磁场的磁轴垂直；
所述旋转角加速度传感器还包括杯形转子绕组，杯底装于转轴上，并与转轴同轴心，杯体位于外定子铁心与内定子铁心之间的励磁磁场中，并与转轴同轴心。
2.根据权利要求1所述的旋转角加速度传感器，其特征在于，所述内定子铁心与外定子铁心之间的励磁磁场是永磁式结构，其励磁磁场是由永磁材料构成的永磁内定子铁心作为内定子铁心与外定子铁心之间的磁路的励磁体所形成的励磁磁场。
3.根据权利要求1所述的旋转角加速度传感器，其特征在于，所述内定子铁心与外定子铁心之间的励磁磁场是电磁式结构，其励磁磁场是由置于外定子铁心上绕组槽内的外定子铁心励磁绕组通过直流恒流源供电作为内定子铁心与外定子铁心之间的磁路的励磁源所形成的励磁磁场，所述置于外定子铁心上绕组槽内的外定子铁心励磁绕组与置于外定子铁心上绕组槽内的外定子铁心输出绕组的轴线互相正交。
4.根据权利要求1所述的旋转角加速度传感器，其特征在于：所述杯形转子绕组是由电阻率小的铜或铝材料构成。
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