CN101576380A - 测定旋转元件角度位置的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测定旋转元件角度位置的方法及装置，参与该方法的元件包括光源、光检测器、旋转元件和随旋转元件同步摆动的漫反射元件，光源、光检测器、漫反射元件三者之间的位置关系满足：旋转元件在摆动角度范围内摆动时，漫反射元件反射出的光束能够到达分布在光源两侧的光检测器上，且漫反射元件反射到光检测器的光束面积随着摆动角度的不同而不同。光源发出的光直射到漫反射元件，经漫反射元件反射到光检测器，光检测器根据光束的面积大小进行光电转换，最后输出旋转元件的角度位置信号。本发明利用漫反射原理能够精确测定旋转元件的角度位置，解决了现有位置检测器中角度位置线性度差的问题，还解决了现有位置检测器体积大、制作难度大的问题。

Description

测定旋转元件角度位置的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种测定旋转元件角度位置的方法，还涉及一种测定旋转元件角度位置的装置，特别是测定检流计式扫描器(中文的专业名词为“振镜”，一种用于激光束扫描的元件)转轴角度位置的方法及其装置。

背景技术

现有技术中，探测有限旋转角度内旋转元件的角度位置主要有两种类型的传感器，一类是电容式位置探测器，电容式位置传感器虽然探测精度高，线性度好，但是它的体积大，制作难度大，抗电磁干扰的能力差。另一类是光电式位置传感器，目前的光电式位置传感器都是用发光元件如红外发射管发出的光束直接照射到光检测器如硅光电池等(俗称为直射式)，通过固定在转轴上的特殊形状的光遮挡器遮挡一部分光照射在光检测器上，当转轴在不同的角度时，分布在不同的位置的光检测器由于光遮挡器的遮挡受光面积不同，光检测器根据不同受光面积，分别产生不同的线性输出，依据这些线性输出来计算转轴的角度位置。这种直接照射式的光电位置传感器存在以下缺陷：任何红外发射管都有一定的发光角度范围，并且随着角度的增大和投射距离的增加光强度下降，因而很难做到均匀广角光场，这样在不同的位置上的光检测器接收到的光强度不同，光检测器的输出线性下降，从而使转轴角度位置的线性度变差。

中国专利公开号：CN1297526A，公开日：2001年5月30日。该专利公开了一种确定可回转元件角度位置的轴向发光二极管检测器，文中光电式位置传感器为直射式光电位置传感器，在四个阵列排布光检测器的上方有一个光源，光源和光检测器之间有一个蝶形的遮挡元件，该遮挡元件固定在转轴的一端，当蝶形的遮挡元件随着转轴旋转或摆动时，使得两个光检测器的受光面加大，另两个受光面减小，光检测器对角交叉连接，因此一对光检测器的求和输出增大而另一对光检测器的求和输出减小，将这两对输出信号进行计算即可得出转轴所转动的角度。该专利存在的缺点是：任何光源都有一定的发光角度范围，并且随着角度的增大和投射距离的增加光强度下降，因而很难做到均匀广角光场，这样在不同的位置上的光检测器接收到的光强度不同，光检测器的输出线性下降，从而使转轴角度位置的线性度变差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种测定旋转元件角度位置的方法，还提供一种测定旋转元件角度位置的装置(光电式位置检测器)，本发明利用漫发射原理能够精确测定旋转元件的角度位置，解决了现有位置检测器中角度位置线性度差的问题，还解决了现有位置检测器体积大、制作难度大的问题。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供的测定旋转元件角度位置的方法，参与该方法的元件包括光源、光检测器、旋转元件和随旋转元件同步摆动的漫反射元件，所述光检测器的数目至少为两个，光源、光检测器、漫反射元件三者之间的位置关系满足：使旋转元件在摆动角度范围内摆动时，漫反射元件漫反射出的光束能够到达分布在光源两侧的光检测器上，且漫反射元件漫反射到光检测器的光束面积随着摆动角度的不同而不同；步骤包括：

(1)漫反射元件接收光源发射的光束，并将接收的光束漫反射至光检测器；

(2)光检测器接收漫反射元件漫反射出的光束，并根据光束的面积大小进行光电转换，将光信号转换为电信号；

(3)对光电转换后的电信号进行处理，输出旋转元件的角度位置信号。

本发明提供的测定旋转元件角度位置的装置(即：用于测定旋转元件角度位置的光电式位置检测器)，包括

旋转元件；

光源：用于发射光束；

随旋转元件同步摆动的漫反射元件：用于接收光源发射的光束，并把接收的光束漫反射到光检测器；

光检测器：用于接收漫反射元件漫反射出的光束，并根据光束的面积大小进行光电转换，将光信号转换为电信号；以及

输出装置：对光检测器送来的电信号进行处理，输出旋转元件的角度位置信号；

光源、光检测器和漫反射元件之间的位置关系满足：使旋转元件在摆动角度范围内摆动时，漫反射元件漫反射出的光束能够到达分布在光源两侧的光检测器上，且漫反射元件漫反射到光检测器的光束面积随着摆动角度的不同而不同。

所述漫反射元件是由能够对光源所发出的光进行漫反射的材料制成的元件，或是在该元件的反射面上涂上能够对光源所发出的光进行漫发射的物质，或是在该元件的反射面上镀上能够对光源所发出的光进行漫发射的物质。

光源、漫反射元件和光检测器三者之间的距离在保证角度不变的条件下越近越好。

进一步地，所述光电位置检测器还包括支架，所述支架用于固定所述光源和所述光检测器。

所述漫反射元件通过转轴与所述旋转元件连接。

所述光检测器所在的平面与所述光源轴线的夹角为5°～200°中的任一值，优选范围是30°～60°，最优地，该夹角为45°。

进一步地，所述光检测器为硅光电池，所述漫反射元件是由陶瓷制成的元件。

本发明的工作原理是：本发明的关键是漫反射元件与光源和光检测器之间的关系，必须保证转轴在设计的摆动角度内(±40°的摆动角度范围，以光检测器输出信号大小相等时漫反射元件所在的角度位置为基准零度)摆动时漫反射元件漫反射出的光束能够同时到达分布在光源两侧的光检测器上。当漫反射元件随转轴摆动时，使一个光检测器接收的反射光面积大一些，而使另一个光检测器接收的反射光面积小一些，这样一个光检测器的输出信号增加，另一个光检测器的输出信号减小，这些输出随后连接至差动放大器的相反两端，最终生成双向的线性输出。在本发明装置工作时，光检测器产生一正比于总辐射能的电流，此辐射能是指漫反射元件漫反射到光检测器上的光能，光检测器的输出正比于其接收到的漫反射光的面积，随漫反射元件的摆动角度不同，光检测器的受光面积也不同，光检测器的最终输出即可代表转轴的摆动角度。

本发明与已有技术相比具有以下积极效果：

(1)本发明采用漫发射原理，调整光源、光检测器和漫反射元件三者之间的位置关系满足：使旋转元件在设计的摆动角度内(±40°的摆动角度范围)摆动时，漫反射元件漫反射出的光束能够同时到达分布在光源两侧的光检测器，且漫反射元件漫反射到光检测器的光束面积随着摆动角度的不同而不同。光源发出的光束经漫反射后光束的光场变得均匀，因而克服了现有光电位置检测器中角度位置线性度差的缺点。

(2)本发明由于采用漫发射原理，经漫反射后的光对转轴的径向和轴向运动不敏感，所以转轴的径向和轴向的跳动并不产生对应于转轴旋转的等效输出信号，这样第一降低了对装配精度的要求，第二增强了对径向和轴向的跳动的抗干扰能力，提高了位置输出信号的稳定性。

(3)本发明的装置主要由光源、漫反射元件和光检测器组成，结构简单，制造成本低，克服了现有位置检测器组成元件数多、装配复杂致使体积大、制作难度大的问题。

(4)本发明中光源、漫反射元件和光检测器这三者之间的距离在保证角度不变的条件下越近越好，因为越近光的损失越小，所以光检测器接收的光越强。

附图说明

图1为本发明实施例一设有测定旋转元件角度位置传感器的扫描器沿转轴方向的结构剖视图；

图2为图1沿A-A向的截面图；

图3为本发明实施例一的支架正视图；

图4为本发明实施例一的支架后视图；

图5为本发明实施例一和实施例二的漫发射元件立体图；

图6为本发明实施例二设有测定旋转元件角度位置传感器的扫描器沿转轴方向的结构剖视图；

图7为图6沿B-B向的截面图；

图8为本发明实施例二的支架正视图；

图9为本发明实施例二的支架后视图。

图号说明：1-光检测器；2-支架；3-漫反射元件；4-光源；5-转轴；6-轴承；7-壳体；8-旋转元件；9-光电位置传感器(又称光电式位置检测器)；10-传感器电路板；11-角度限制器。

具体实施方式

下面结合附图对利用本发明测定旋转元件角度位置的方法而设计的装置(即：光电式位置检测器或光电位置传感器)作进一步详细描述。

实施例一：一个光源，两个光检测器。

图1为设有测定旋转元件角度位置传感器的扫描器沿转轴方向的结构剖视图，其中沿A-A向的截面图即是光电式位置检测器(光电位置传感器)的截面图。

如图2所示，测定旋转元件角度位置的装置包括旋转元件8、光源4、漫反射元件3、光检测器1、支架2(由热膨胀系数小的工程塑料制成)和数据处理单元(数据处理单元是输出装置)。本例中采用一个红外二极管作为光源；光检测器采用硅光电池，共有两个；所述漫反射元件3由陶瓷材料制成。

各组成部分的连接结构为：

光源4：用于发射光束；

漫反射元件3：用于接收光源4发射的光束，并把接收的光束漫反射到光检测器1，本例中的漫反射元件为长方形(如图5所示)，所述漫反射元件3直接固定在转轴5的一端，所述转轴5的另一端连着旋转元件8；

光检测器1：用于接收漫反射元件3漫反射出的光束，并将光信号转化成电信号；

数据处理单元：对光检测器1送来的电信号进行处理，输出旋转元件的角度位置信号；

支架2(如图3、4所示)：用于固定所述光源4和所述光检测器1。光源4和两个光检测器1嵌在该支架的内壁上，两个光检测器1分布在光源4的两侧，光检测器所在的平面与光源轴线的夹角为45°(经试验，5°～200°中的任一值均可，但取30°～60°中的任一值时漫反射元件反射到光检测器的光束强度强，且光场均匀性好，45°时效果最佳)；所述转轴5位于该支架的中央，所述漫反射元件3能够在该支架内转动(能在±40°的摆动角度范围内摆动)。

光源4、光检测器1和漫反射元件3之间的位置关系满足：使旋转元件8在摆动角度范围内摆动时，漫反射元件3漫反射出的光束能够同时到达分布在光源4两侧的光检测器1，且在不同的摆动角度下，漫反射元件漫反射到光检测器的光束面积不同。

光源4与漫反射元件3之间不加入任何元件，光源4、光检测器1、漫反射元件3这三者之间的距离在保证角度不变的条件下越近越好，因为越近光的损失越小，光检测器接收的光越强。

实施例二：两个光源，四个光检测器。

如图6、7所示，与实施例一不同的是，本实施例的硅光电池有四个，红外二极管有两个。两个红外二极管的轴线在一条直线上，每个光源两侧的光检测器所在的平面与该光源轴线的夹角为60°(经试验，5°～200°中的任一值均可，但取30°～60°中的任一值时漫反射元件反射到光检测器的光束强度强，且光场均匀性好，45°时效果最佳，图中以60°示出)。光源与漫反射元件之间不加入任何元件，光源发出的光直射到漫反射元件上再经漫反射元件反射到光检测器上。光源、光检测器、漫反射元件这三者之间的距离在保证角度不变的条件下越近越好，越近光的损失越小，光检测器接收的光越强。

本说明书未公开的部分属于本领域的公知技术。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (12)

1.测定旋转元件角度位置的方法，其特征在于，参与该方法的元件包括光源、光检测器、旋转元件和随旋转元件同步摆动的漫反射元件，所述光检测器的数目至少为两个，光源、光检测器、漫反射元件三者之间的位置关系满足：使旋转元件在摆动角度范围内摆动时，漫反射元件漫反射出的光束能够到达分布在光源两侧的光检测器上，且漫反射元件漫反射到光检测器的光束面积随着摆动角度的不同而不同；步骤包括：

(1)漫反射元件接收光源发射的光束，并将接收的光束漫反射至光检测器；

(2)光检测器接收漫反射元件漫反射出的光束，并根据光束的面积大小进行光电转换，将光信号转换为电信号；

(3)对光电转换后的电信号进行处理，输出旋转元件的角度位置信号。

2、测定旋转元件角度位置的装置，其特征在于：包括

旋转元件(8)；

光源(4)：用于发射光束；

随旋转元件(8)同步摆动的漫反射元件(3)：用于接收光源(4)发射的光束，并把接收的光束漫反射到光检测器(1)；

光检测器(1)：用于接收漫反射元件(3)漫反射出的光束，并根据光束的面积大小进行光电转换，将光信号转换为电信号；以及

输出装置：对光检测器(1)送来的电信号进行处理，输出旋转元件的角度位置信号；

光源(4)、光检测器(1)和漫反射元件(3)之间的位置关系满足：使旋转元件(8)在摆动角度范围内摆动时，漫反射元件(3)漫反射出的光束能够到达分布在光源(4)两侧的光检测器(1)上，且漫反射元件(3)漫反射到光检测器(1)的光束面积随着摆动角度的不同而不同。

3、根据权利要求2所述的测定旋转元件角度位置的装置，其特征在于：所述光电位置检测器还包括支架(2)，所述支架(2)用于固定所述光源(4)和所述光检测器(1)。

4、根据权利要求2所述的测定旋转元件角度位置的装置，其特征在于：所述漫反射元件(3)通过转轴(5)与所述旋转元件(8)连接。

5、根据权利要求2～4所述的测定旋转元件角度位置的装置，其特征在于：所述光检测器(1)所在的平面与所述光源(4)轴线的夹角为5°～200°中的任一值。

6、根据权利要求5所述的测定旋转元件角度位置的装置，其特征在于：所述光检测器(1)所在的平面与所述光源(4)轴线的夹角为30°～60°中的任一值。

7、根据权利要求6所述的测定旋转元件角度位置的装置，其特征在于：所述光检测器(1)所在的平面与所述光源(4)轴线的夹角为45°。

8、根据权利要求2～4中任一项所述的测定旋转元件角度位置的装置，其特征在于：所述光检测器(1)为硅光电池。

9、根据权利要求2～4中任一项所述的测定旋转元件角度位置的装置，其特征在于：所述漫反射元件是由能够对光源所发出的光进行漫反射的材料制成的元件，或是在该元件的反射面上涂上能够对光源所发出的光进行漫发射的物质，或是在该元件的反射面上镀上能够对光源所发出的光进行漫发射的物质。

10、根据权利要求9所述的测定旋转元件角度位置的装置，其特征在于：所述漫反射元件(3)是由陶瓷制成的元件。

11、根据权利要求2～4所述的测定旋转元件角度位置的装置，其特征在于：所述光源(4)的数目为一个，所述光检测器(1)的数目为两个。

12、根据权利要求2～4所述的测定旋转元件角度位置的装置，其特征在于：所述光源(4)的数目为两个，所述光检测器(1)的数目为四个，两个光源(4)的轴线在一条直线上。

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