CN102997887A - 一种多维数的角度传感器检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多维数的角度传感器检测方法与装置，对角度传感器进行高精度的静态和动态精度检测，并可实现对多种角度传感器在多轴多平面进行精度检测。该装置中闭环步进电机与蜗杆B的一端通过联轴器连接，被测角度传感器b通过联轴器与蜗杆B的另一端连接，被测角度传感器a通过联轴器与转轴连接，被测角度传感器a和被测角度传感器b都通过角度传感器安装座固定在机箱外部，转轴与蜗轮A连接，蜗轮A蜗杆B通过蜗杆安装底座固定在机箱内部，被测角度传感器a、被测角度传感器b都通过角度传感器安装座安装于机箱外部，调平结构安装在机箱外部，计算机控制及处理单元通过线缆分别与闭环步进电机、被测角度传感器a和被测角度传感器b连接。

Description

一种多维数的角度传感器检测方法与装置

技术领域

本发明涉及一种多维数的角度传感器检测方法与装置，属于光机电一体化领域。

背景技术

角度传感器是测量旋转体角位移等物理参数的传感器，高精度角度传感器在工业、科研和国防等各个领域都有着广泛的应用，为了清楚地了解角度传感器的测量精度，在用户使用之前，需要高精度的测量装置对其精度进行静态精度和动态精度进行检验。

目前国内外对角度传感器的检测设备已有若干种，与本发明最为接近的已有技术是北京理工大学自动化学院研制的角度传感器检测装置，如图1和图2所示：是由本体1、蜗杆安装座2、蜗轮3、轴4、蜗杆5、连轴盖板6、轴承盖7、底板8、角度传感器安装板9、被测角度传感器10、联轴器11、增量式码盘12、步进电机13组成的。

该检测设备是静态检测，能对18位及以下的角度传感器的静态精度进行检测，无法进行动态精度检测，且只能在单轴单个平面上进行检测。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明提供一种多维数的角度传感器检测方法与装置，对角度传感器进行高精度的静态和动态精度检测，并可实现对多种角度传感器在多轴多平面进行精度检测。

该多维数的角度传感器检测装置包括机箱14、闭环步进电机15、转轴16、角度传感器安装座17、被测角度传感器a 18、联轴器19、被测角度传感器b 20、蜗轮A 21、蜗杆B 22、蜗杆安装底座23、调平机构24；闭环步进电机15与蜗杆B 22的一端通过联轴器19连接，被测角度传感器b 20通过联轴器19与蜗杆B 22的另一端连接，被测角度传感器a 18通过联轴器19与转轴16连接，被测角度传感器a 18和被测角度传感器b 20都通过角度传感器安装座17固定在机箱14外部，转轴16与蜗轮A 21连接，蜗轮A 21蜗杆B 22通过蜗杆安装底座23固定在机箱14内部，被测角度传感器a 18、被测角度传感器b 20都通过角度传感器安装座17安装于机箱14外部，调平结构24安装在机箱14外部，计算机控制及处理单元通过线缆分别与闭环步进电机15、被测角度传感器a 18和被测角度传感器b 20连接。

该多维数的角度传感器检测方法，包括以下步骤：

第一步：将被测角度传感器a 18或者被测角度传感器b 20通过角度传感器安装座17安装于机箱14外部；

第二步：计算机控制及处理单元通过线缆分别与闭环步进电机15、被测角度传感器a 18和被测角度传感器b 20连接。

第三步：由安装在机箱14外部的调平结构24调节机箱14的水平位置。

第四步：由计算机控制单元控制闭环步进电机15转动，通过联轴器19带动固定在蜗杆安装底座23上的蜗杆B 22转动，若是安装了被测角度传感器a 18，则由蜗杆B 22带动蜗轮A 21，通过与蜗轮A 21连接的转轴16带动被测角度传感器a 18转动；若是安装了被测角度传感器b 20，则闭环步进电机15通过联轴器19和蜗杆B 22直接带动被测角度传感器b20转动，实现对多种角度传感器在多轴多平面进行检测。

本发明的有益效果：本发明能对角度传感器进行高精度的静态和动态精度检测，并可实现对多种角度传感器在多轴多平面进行精度检测。降低了相关的检测成本，提高了检测精度，可以对20位及以下的角度传感器进行静态精度检测，可以对12位及以下的角度传感器进行动态精度检测。同时，在机械结构上考虑了多种不同规格、不同接口的角度传感器精度检测的要求。本发明不仅可以自动地对角度传感器指定的输出角度进行静态测试，还可以按照指定的运动方式对角度传感器进行动态测试，并自动给出测试报告。极大的满足了角度传感器的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大大提高工作效率及检测精度。

附图说明

图1、图2是已有技术的结构示意图；

图3是本发明多维数的角度传感器检测装置的原理框图；

图4、图5是本发明的结构示意图，其中图5是图4的A-A视图；

图6是机箱外部示意图；

图7是本发明多维数的角度传感器检测方法流程图；

图8是角度传感器静态检测曲线；

图9是角度传感器动态检测曲线。

图中标记号：

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-底板，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；

14-机箱，15-闭环步进电机，16-转轴，17-角度传感器安装座，18-被测角度传感器a,19-联轴器，20-被测角度传感器b,21-蜗轮A，22-蜗杆B，23-蜗杆安装底座，24-调平机构。

具体实施方式

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3所示，结构示意图如图4、图5、图6所示。

1.检测原理

对角度传感器进行静态精度检测，需要被测角度传感器低速匀速旋转，检测装置采用高精度闭环步进系统输出可精确控制的转动角度，由高精度的蜗轮蜗杆减速器进行大减速比减速，由此可以控制步进电机每转一步使与其相连的光电编码器转动相应的角度。由于减速比的存在，系统的误差被大大缩小，而且设备的加工误差被控制在一个很小的范围内，系统的检测精度可以保证。此外，电机与被测角度传感器都处于密闭箱体及安装壳内，可以有效减少灰尘等干扰，保证检测精度。本系统单脉冲可控制电机转动0.375″，而21位绝对式光电编码器的分辨率为0.625″。

对角度传感器进行动态精度检测，需要被测角度传感器匀变速或者变加速连续旋转，动态低速检测时，可以利用上述由高精度的蜗轮蜗杆减速器进行大减速比减速后的输出轴进行动态检测；动态高速检测时，电机输出轴不经过蜗轮蜗杆减速器而直接与被测角度传感器进行连接。利用闭环步进系统高精度输出，本系统可以对12位及以下角度传感器进行动态精度检测。

为了实现对多种不同角度传感器进行检测，需要多个检测平面，检测装置设计有两个检测平面，可以通过将其进行空间翻转实现多平面检测的需要，同时装置具有调平结构，可满足角度传感器的水平检测需求。

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，数据采集传输与处理部分等几大部分组成。

（1）机械部分

如图4、图5和图6所示，检测装置为密闭箱体结构，被测角度传感器安装于机箱外壳，设有三个调平螺母及气泡，可以保证测量轴的水平与竖直。机箱内，步进电机15与蜗杆B22的一端通过联轴器19连接，被测角度传感器b20通过联轴器19与蜗杆B22的另一端连接，被测角度传感器a18通过联轴器19与转轴16连接，轴16与蜗轮A21连接，蜗轮A21和蜗杆B22通过蜗杆安装底座23固定在机箱内部。计算机控制及处理单元通过数据线分别与步进电机15、被测角度传感器a18和被测角度传感器b20连接。

（2）电机与控制部分

本系统采用高精度闭环步进系统，电机采用三相混合式步进电机，有高解析度的光学式编码器作为反馈，每25微妙的高速采样时间追踪位置，若有位置上的偏差可即时修正补偿位置偏差量，确保精准定位。配有专用驱动器，可选择5000、10000、20000、32000线等不同精度，转向可调。采用集成在工控机上的数据采集卡通过对电机驱动器对电机进行控制，可向驱动器提供指定频率和指定脉冲个数的脉冲输出，由此可按规定的要求控制电机运动。

（3）数据采集、传输与处理部分

数据采集、传输部分主要集成在数据采集卡上，数据采集卡安装在工控机上。角度传感器的输出信号，经过简单的处理，可通过串口、并口、USB、CAN总线等不同接口形式传送到数据采集卡，再传送到工控机，配合系统软件进行数据处理。数据采集卡支持串口、并口、USB、CAN总线等不同接口，可与工控机、电机驱动器进行快速的数据交换。数据的采集与电机的控制等都通过工控机上人机交互界面进行控制。

（4）电源部分

电源部分安装在工控机安装箱内。系统外部提供220V交流电，通过变压器降压整流到直流24V，其中一部分提供给步进电机和驱动器，另一部分进一步降压为12V，5V，3.3V等，可以给多种角度传感器提供电源。

3.系统软件设计

系统软件框图如图7所示。软件采用VC编写，提供人机交互界面，软件主要包含电机控制、数据采集、数据处理、数据报表等功能。

电机控制模块，主要由可调频率脉冲输出程序、脉冲计数程序组成，可调频率方波由数据采集卡输出，通过脉冲计数程序控制输出方波数，如此就可以控制步进电机按一定的速度旋转指定的角度。

数据采集模块，实时的接收数据采集卡所采集的数据，处理数据流并获取其中有用的数据。

数据处理模块，将数据采集得到的数据进行数学统计，保存在数据图表中。由于输入数据码值不同，需要对数据进行转换，如格雷码转换成二进制码，然后将各个测试点的读数值转换成角度值，利用理论角度值计算检测的误差值，平均值和方差等信息。完成数据报表、数据图。

人机交互模块，主要完成被测角度传感器各类参数的设置，如被测角度传感器的类型、位数、接口方式、数据码值等；检测方式的设置，包括静态检测、动态检测、检测速度的设置；数据保存及输出模式的设置；数据通信的设置；实时显示当前测量数据、电机状态等。

下文提供两个实施例，分别对两种不同的角度传感器在不同的测量平面进行检测，实施例一为静态检测，实施例二为动态检测。

1.实施例一

本实施例为对绝对式角度传感器进行静态精度检测。

按图3至图6所示连接方式安装好检测装置，选择相应的联轴器和角度传感器安装板，将被测角度传感器安装在相应的安装板上。连接相应的数据电缆。由于本例进行静态精度测试，需要将被测角度传感器连接到通过蜗轮蜗杆减速的输出轴。由于本例选择绝对式光电编码器进行测试，对水平或者测量方式没有要求，故可选择将检测装置按两种安放方式中的任意一种进行安放，如图4中所示安放方式，或者将装置沿A-A空间翻转90度。

在装有本发明专用软件的工控机上设置相应的参数，如被测角度传感器类型（本例为绝对式光电编码器），被测角度传感器位数（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（本例为静态检测），检测角度（本例为1度）检测速度（本例为10度/秒），输出模式（本例为数据表和数据图）。

点击开始测量，本例对某型15位绝对式光电编码器一周共360个点进行静态检测。

当系统提示测量结束后，可按照要求输出数据。

表1给出了该型绝对式光电编码器测量的部分数据。图8为该型对式光电编码器转动一周每一度检测所得到的角度误差曲线。

表1 角度传感器静态测量部分数据（每次转1度）

序号	当量值	角度值（°）	角度差值（°）	误差（°）
					1	15625	171.67	0.97	-0.03
2	15719	172.7	1.03	0.03
					3	15810	173.7	1	0
4	15900	174.69	0.99	-0.01
					5	15992	175.7	1.01	0.01
6	16086	176.73	1.03	0.03
					7	16174	177.7	0.97	-0.03
8	16262	178.67	0.97	-0.03
					9	16357	179.71	1.04	0.04
10	16448	180.71	1	0

11	16538	181.7	0.99	-0.01
					12	16630	182.71	1.01	0.01
13	16723	183.73	1.02	0.02
					14	16811	184.7	0.97	-0.03
15	16900	185.67	0.97	-0.03
					16	16995	186.72	1.05	0.05
17	17086	187.72	1	0
					18	17175	188.7	0.98	-0.02
19	17267	189.71	1.01	0.01
					20	17360	190.73	1.02	0.02

2.实施例二

本实施例为对平面电子罗盘进行动态精度检测。

按图3至图6所示连接方式安装好检测装置，选择相应的联轴器和角度传感器安装板，将被测角度传感器安装在相应的安装板上。连接相应的数据电缆。由于本例进行动态精度测试，且电子罗盘对高速性能要求不高，故可利用经由蜗轮蜗杆减速的低速输出轴进行检测。电子罗盘精度检测需要保持其水平，故选择水平检测平面（输出轴竖直），如图4所示安放方式，利用调平机构进行调平。

在装有本发明专用软件的工控机上设置相应的参数，如被测角度传感器类型（本例为电子罗盘），接口方式（本例为串口），数据码制（本例为二进制码），检测方式（本例为动态检测），旋转方式（正弦），旋转参数（幅值180度，相移0度），检测速度（本例为60度/秒），输出模式（本例为数据表和数据图）。

点击开始测量，本例对某型平面电子罗盘（标称精度0.5度）进行动态精度测试。旋转方式为正弦，旋转范围为±180度，检测速度60度/秒。当系统提示测量结束后，可按照要求输出数据。

当系统提示测量结束后，可按照要求输出数据。

表2给出了该型平面电子罗盘的部分检测数据。图9为该型平面电子罗盘转动一个正弦周期的输出角度误差曲线。

表2 角度传感器动态检测部分数据

序号	编码值	实测角度值（°）	理论值（°）	误差（°）
					1	18CC	63.48	-46.09	-1.54
2	1788	60.24	48.28	-2.41
					3	15C7	55.75	22.67	-2.79
4	1358	49.52	-41.01	-2.13
					5	10FE	43.5	59.58	-2.28
6	0E47	36.55	-58.35	-2.05
					7	0B77	29.35	52.06	-2.01
8	0853	21.31	-21.23	-1.49
					9	0550	13.6	-5.01	-1.56
10	01F2	4.98	53.37	-0.87
					11	8B8F	-2.73	-66.36	-1.15
12	884C	-11.08	65.80	-0.74
					13	852B	-19.09	-45.41	-0.51
14	81F8	-27.28	7.47	0.15
					15	7EF4	-35	19.18	0.69
16	7C11	-42.39	-34.24	1.35
					17	791E	-49.94	51.08	2.71
18	7690	-56.48	43.10	3.67
					19	74A2	-61.42	-15.42	3.72
20	7307	-65.53	69.75	3.69

本发明可对其他不同类型的20位及以下角度传感器进行静态精度检测，可对其他不同类型的12位及以下角度传感器进行动态精度检测。

本发明可对其他不同角度范围进行检测，可选择匀速、匀加速、正弦等不同的运动方式，可选择不同的检测速度。

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。

以上所述，仅为本发明中的较佳实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，所形成的变换或者替换，都应涵盖在本发明的权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.多维数的角度传感器检测装置，其特征在于：包括机箱(14)、闭环步进电机(15)、转轴(16)、角度传感器安装座(17)、被测角度传感器a(18)、联轴器(19)、被测角度传感器b(20)、蜗轮A(21)、蜗杆B(22)、蜗杆安装底座(23)、调平机构(24)；闭环步进电机(15)与蜗杆B(22)的一端通过联轴器(19)连接，被测角度传感器b(20)通过联轴器(19)与蜗杆B(22)的另一端连接，被测角度传感器a(18)通过联轴器(19)与转轴(16)连接，被测角度传感器a(18)和被测角度传感器b(20)都通过角度传感器安装座(17)固定在机箱(14)外部，转轴(16)与蜗轮A(21)连接，蜗轮A(21)蜗杆B(22)通过蜗杆安装底座(23)固定在机箱(14)内部，被测角度传感器a(18)、被测角度传感器b(20)都通过角度传感器安装座(17)安装于机箱(14)外部，调平结构(24)安装在机箱(14)外部，计算机控制及处理单元通过线缆分别与闭环步进电机(15)、被测角度传感器a(18)和被测角度传感器b(20)连接。

2.一种多维数的角度传感器检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：将被测角度传感器a(18)或者被测角度传感器b(20)通过角度传感器安装座(17)安装于机箱(14)外部；

第二步：计算机控制及处理单元通过线缆分别与闭环步进电机(15)、被测角度传感器a(18)和被测角度传感器b(20)连接；

第三步：由安装在机箱(14)外部的调平结构(24)调节机箱(14)的水平位置；

第四步：由计算机控制单元控制闭环步进电机(15)转动，通过联轴器(19)带动固定在蜗杆安装底座(23)上的蜗杆B(22)转动，若是安装了被测角度传感器a(18)，则由蜗杆B(22)带动蜗轮A(21)，通过与蜗轮A(21)连接的转轴(16)带动被测角度传感器a(18)转动；若是安装了被测角度传感器b(20)，则闭环步进电机(15)通过联轴器(19)和蜗杆B(22)直接带动被测角度传感器b(20)转动，实现对多种角度传感器在多轴多平面进行检测。

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