CN102042801B - 镜像柱面螺线形线圈电磁角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镜像柱面螺线形线圈电磁角度传感器，它采用具有正反柱面螺线形线圈镜面对称的结构制做激磁线圈和感应线圈，由此来消除激磁线圈相对感应线圈轴向微小窜动对相对转动角度计算精度的影响，本发明采用一路激磁信号输入，两路感应电压输出的设计，由同步于激磁信号的采样获得两路感应电压的模数转换后的数值，利用这两个数值之比，计算出相对旋转角度。激磁电流的强度曲线为间断曲线，在保证采样正常的前提下，空闲时间段激磁电流为零，从而减少热量产生，提高稳定性。

Description

镜像柱面螺线形线圈电磁角度传感器

所属技术领域：

本发明属于电磁角度传感器技术领域，应用于机械转角的测量。

背景技术：

目前，利用电磁原理制造的角度传感器在各种仪器和设备上有着广泛的应用，感应同步器(INDUCTOSYN)就是这类部件的典型代表，它出现于20世纪50年代，由美国一家公司(FARRAND)发明和生产，如今仍然是有着重大应用意义的一类测量部件。感应同步器有角度传感器和长度传感器。

电磁角度传感器是采用电磁感应原理为设计基本根据，通过激磁电路对激磁线圈(原线圈)输入变化电流，使得感应线圈(副线圈)输出感应电压，感应电压的形状取决于激磁电流的变化、线圈形状和激磁线圈与感应线圈的相互位置。主要有两种电磁感应方式，一种是两路正交的激磁信号输入，一路感应电压信号输出，利用相位移动量换算出角位移；另一种是一路激磁信号输入，两路不同位置感应线圈感应的电压信号输出，利用它们幅值量之比换算出角位移。随着模数转换器件的发展，后一种已成为了主流设计。实现角度测量应包括如下部分：电磁角度传感器、激磁电路、感应电压放大电路、模数转换电路、数字处理器和数据处理软件。

发明内容：

要解决的技术问题：

当激磁线圈和感应线圈的导线与旋转轴垂直或平行情况下，在原理上两组线圈的轴向相对窜动不会对两路输出的感应电压幅值量之比产生影响，从而不会影响角度测量精度。当前，有采用垂直于旋转轴平面上阿基米德螺线形线圈的电磁角度传感器(美国CARCO公司生产)。如果两组线圈的导线与回转轴不垂直且不平行，都有一个相同的固定角度时，两组线圈的轴向相对窜动会对两路输出的感应电压幅值量之比产生较大的影响，其程度相当于转角对此比值的影响，于是，轴向相对窜动影响了相对角度的测量。为了解决这个问题，本发明采用一柱面正螺线形线圈传感头和一柱面反螺线形线圈传感头组成一个传感器，可以消除一定范围内的轴向窜动对两路输出的感应电压幅值量之比的影响，从而消除对角度测量精度产生的影响。

发明具体内容：一种电磁角度传感器，其特征为：采用柱面正反螺线形的激磁线圈和感应线圈的同轴镜像对称结构，该传感器包括一路激磁信号输入，两路感应电压信号输出，激磁信号为激磁电流强度曲线为间断正弦形或间断的锯齿形，在保证感应电压采样前提下，空闲时间激磁电流为零；其中，激磁线圈产生有用磁场的导线形状和感应线圈感应有用电压的导线形状均为柱面螺线，每根导线的螺距和轴向尺寸是相等的，激磁线圈有2N根螺线形导线，感应线圈有4N根螺线形导线，这两组导线分别均匀分布在两个直径不同的圆柱形机体上；将激磁线圈和感应线圈的同轴地、端点对齐地套在一起，即组成了一个电磁传感头；采用正螺线形和反螺线形线圈各做一个电磁传感头，两个电磁传感头再镜像对称地相接，即形成了本发明所指的电磁角度传感器核心部分；激磁线圈连接方法是：(1)、将两个电磁传感头的激磁线圈镜像相邻的导线端相接，形成每根导线都具有正反螺线两个部分，(2)、激磁线圈上的导线的一端第2根与第3根相接，第4根与第5根相接，直到第(N-2)根与第(N-1)根相接，留有第1根与第N根的两端为激磁信号的输入端，(3)、激磁线圈上的导线的另一端第1根与第2根相接，第3根与第4根相接，直到第(2N-1)根与第2N根相接；感应线圈连接方法是：(1)、将两个电磁传感头的感应线圈镜像相邻的导线端相接，形成每根导线都具有正反螺线两个部分，(2)、感应圈上的导线的一端第3根与第5根相接，第4根与第6根相接，第7根与第9根相接，第8根与第10根相接，直到第(4N-5)根与第(4N-3)根相接和第(4N-4)根与第(4N-2)根相接，留有第1根与第(4N-1)根的两端为一路感应电压的输出端，留有第2根与第4N根的两端为另一路感应电压的输出端，(3)、感应圈上的导线的另一端第1根与第3根相接，第2根与第4根相接，直到第(N-3)根与第(N-1)根相接和第(N-2)根与第N根相接。

有益效果：

本发明的有益效果是提供了一种具有使用价值的螺线形线圈的电磁角度传感器，可以自动消除转动轴相对于机械本体的轴向微小窜动所带来的测量误差。相对于平面阿基米德螺线形线圈的电磁角度传感器径向占用空间较小，在某些空间尺寸有要求的情况下，是很有实用意义的。

附图说明：

图1为激磁线圈绕法和感应线圈绕法图；

图2为输入和输出图；

图3为电磁感应示意图；

图4为电压采样数据曲线图。

具体实施方式：

激磁线圈产生有用磁场的导线形状和感应线圈感应有用电压的导线形状均为柱面螺线，每根导线的螺距和轴向尺寸是相等的，激磁线圈有2N条螺线形导线，感应线圈有4N条螺线形导线，这两组导线分别均匀分布在两个直径不同的圆柱形机体上，所谓均匀分布指的是：起始端和末端，分别都在垂直于轴线的两个截面上，且在360°内均匀分布。将两个线圈同轴地、端点对齐地套在一起，即组成了一个电磁传感头。采用正螺纹形和反螺纹形线圈各做一个电磁传感头，两个电磁传感头再镜像对称地相接，即形成了本发明所指的电磁角度传感器核心部分，螺线形导线连接成激磁回路和感应回路的具体方法之一是按如下面所讲的规则连接。激磁线圈连接方法是：1、将两个电磁传感头的激磁线圈镜像相邻的导线端相接，形成每根导线都具有正反螺线两个部分，2、激磁线圈上的导线的一端第2根与第3根相接，第4根与第5根相接，直到第(N-2)根与第(N-1)根相接，留有第1根与第N根的两端为激磁信号的输入端，3、激磁线圈上的导线的另一端第1根与第2根相接，第3根与第4根相接，直到第(2N-1)根与第2N根相接。感应线圈连接方法是：1、将两个电磁传感头的感应线圈镜像相邻的导线端相接，形成每根导线都具有正反螺线两个部分，2、感应圈上的导线的一端第3根与第5根相接，第4根与第6根相接，第7根与第9根相接，第8根与第10根相接，直到第(4N-5)根与第(4N-3)根相接和第(4N-4)根与第(4N-2)根相接，留有第1根与第(4N-1)根的两端为一路感应电压的输出端，留有第2根与第4N根的两端为另一路感应电压的输出端，3、感应圈上的导线的另一端第1根与第3根相接，第2根与第4根相接，直到第(N-3)根与第(N-1)根相接和第(N-2)根与第N根相接，至此，连接完成。

将平面360°等分为N个区域，在每个区域内，可以测量出相对角度值。因为感应电压的采样值曲线在360°范围内为具有N个周期的周期函数曲线，当实际转角角度超出区域范围时，将无法测量实际角度值(需加另一个传感器与之配和，才能测量，不在本文讨论)。根据测量角度区域的大小、测量精度和制造的难易程度来决定N的取值。

以平面360°对应感应电压定时采样的数据曲线为一个周期的传感器为例(选N＝1)。图1为激磁线圈和感应线圈形状的示意图，它们的左右工作部分线圈相对于垂直轴线的中面是镜像对称的。此两种线圈分别安装在两个相对转动的同轴部件上，哪个线圈在外层可根据实际情况而定。以外部是激磁线圈为例，图1中直径大的激磁线圈是套在直径小的感应线圈外部。当变化的电流接入e+和e-两端后，激磁线圈里变化的电流将产生变化的磁场。感应线圈为两个独立的线圈，这两个线圈的绕法相同，位置有区别，其中一个输出感应电压的信号由S+和S-两端输出，记为S，另一个输出感应电压的信号由C+和C-两端输出，记为C。

有多种电流变化曲线的激磁方式，本发明采用激磁电流强度曲线为间断正弦形或间断的锯齿形，现以间断的锯齿形为例，感应输出的电压为间断方波，如图2所示。间断比连续要减小功耗，减少热的产生。采样频率与激磁频率相同。

参看示意图3，下一排导线代表激磁线圈，线段12和线段34代表感应线圈。在时刻t_i，线段12上感应出的电压U1_i与激磁线圈的相对位置有关，定L1为激磁线圈和感应线圈相对位移量在平行于轴线且含有轴线的选定平面上的投影分量(选定一个合适的零点，)，可得到感应电压U1_i相对于L1的变化曲线，如图3的左下脚所示，其周期为激磁线圈导线的2倍螺距，同理，线段34上感应电压U2_i随L2的变化曲线如图3的右下脚所示。

将2端和3端连通，1端和4端之间的电压输出为U1_i+U2_i，可表示为：

${U1}_i+{U2}_i=U_{\mathrm{MAX}}\mathrm{SIN}\left(2\mathrm{\π}\frac{L1}{L}\right)+U_{\mathrm{MAX}}\mathrm{SIN}\left(2\mathrm{\π}\frac{L2}{L}\right)$

在感应头实际工作中，激磁线圈与感应线圈除了绕轴相对转动角度θ可以引起L1和L2变化外，轴向的相对窜动也引起它们的变化，设轴向相对移动量为ΔX，则感应线圈的输出为：

${U1}_i+{U2}_i=U_{\mathrm{MAX}}\mathrm{SIN}(\mathrm{\θ}+2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ΔX}}{L})+U_{\mathrm{MAX}}\mathrm{SIN}(\mathrm{\θ}-2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ΔX}}{L})$

$=2\×U_{\mathrm{MAX}}\mathrm{SIN\θ}\·\mathrm{COS}\left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ΔX}}{L}\right)$

U_MAX为感应线圈在所有位置输出值的最大值。由此可知：按照图2所示的采样节拍，则感应线圈的输出的电压值仅取决于θ和ΔX。

由于两组相互独立的感应线圈的特定的空间位置关系，信号S和信号C电压采样值相对于空间位置的变化曲线相差四分之一个周期。将信号S和信号C在时刻i时输出的感应电压放大后再进行模数转换(也可采用以t_i时刻为中点的一个很小时间区间内的多次采样的平均值)，我们就可以得到相对于相对转动角度θ和轴向相对移动量ΔX的关系式，记为：

$D_S=A_{\mathrm{MAX}}\mathrm{SIN\θ}\·\mathrm{COS}\left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ΔX}}{L}\right)$

$D_C=A_{\mathrm{MAX}}\mathrm{COS\θ}\·\mathrm{COS}\left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ΔX}}{L}\right)$

A_MAX是相对于2U_MAX的模数转换值。当移动量ΔX为定值时，Ds和Dc曲线形状如图4所示。

当移动量ΔX相对于L足够小时，

的绝对值大于0.5，于是，

当|D_S|小于或等于|D_C|时有：

$\frac{D_S}{D_C}=\frac{A_{\mathrm{MAX}}\mathrm{SIN\θ}\·\mathrm{COS}\left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ΔX}}{L}\right)}{A_{\mathrm{MAX}}\mathrm{COS\θ}\·\mathrm{COS}\left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ΔX}}{L}\right)}=\frac{\mathrm{SIN\θ}}{\mathrm{COS\θ}}=\mathrm{tg\θ}$

当|D_S|大于|D_C|时有：

$\frac{D_C}{D_S}=\frac{A_{\mathrm{MAX}}\mathrm{COS\θ}\·\mathrm{COS}\left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ΔX}}{L}\right)}{A_{\mathrm{MAX}}\mathrm{SIN\θ}\·\mathrm{COS}\left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ΔX}}{L}\right)}=\frac{\mathrm{COS\θ}}{\mathrm{SIN\θ}}=\mathrm{Ctg\θ}$

通过反三角函数运算，既可以得到转角θ的数值。至此，已经消除了轴向相对移动量ΔX对解算θ的影响。

Claims (1)

1.一种电磁角度传感器，其特征为：采用柱面正反螺线形的激磁线圈和感应线圈的同轴镜像对称结构，该传感器包括一路激磁信号输入，两路感应电压信号输出，激磁信号是激磁电流强度曲线为间断正弦形或间断的锯齿形，在保证感应电压采样前提下，空闲时间激磁电流为零；其中，激磁线圈产生有用磁场的导线形状和感应线圈感应有用电压的导线形状均为柱面螺线形状，每根导线的螺距和轴向尺寸是相等的，激磁线圈有2N根螺线形导线，感应线圈有4N根螺线形导线，这两组导线分别均匀分布在两个直径不同的圆柱形机体上，所谓均匀分布是指：起始端和末端分别都在垂直于轴线的两个截面上，且在360°内均匀分布；将激磁线圈和感应线圈同轴地、端点对齐地套在一起，即组成了一个电磁传感头；采用正螺线形和反螺线形线圈各做一个电磁传感头，两个电磁传感头再镜像对称地相接，即形成了电磁角度传感器核心部分；激磁线圈连接方法是：(1)、将两个电磁传感头的激磁线圈镜像相邻的导线端相接，形成每根导线都具有正反螺线两个部分，(2)、激磁线圈上的导线的一端第2根与第3根相接，第4根与第5根相接，直到第(N-2)根与第(N-1)根相接，留有第1根与第N根的两端为激磁信号的输入端，(3)、激磁线圈上的导线的另一端第1根与第2根相接，第3根与第4根相接，直到第(2N-1)根与第2N根相接；感应线圈连接方法是：(1)、将两个电磁传感头的感应线圈镜像相邻的导线端相接，形成每根导线都具有正反螺线两个部分，(2)、感应圈上的导线的一端第3根与第5根相接，第4根与第6根相接，第7根与第9根相接，第8根与第10根相接，直到第(4N-5)根与第(4N-3)根相接和第(4N-4)根与第(4N-2)根相接，留有第1根与第(4N-1)根的两端为一路感应电压的输出端，留有第2根与第4N根的两端为另一路感应电压的输出端，(3)、感应圈上的导线的另一端第1根与第3根相接，第2根与第4根相接，直到第(N-3)根与第(N-1)根相接和第(N-2)根与第N根相接。

Images