CN103267486A

CN103267486A - 非接触式的位移或角度传感器及其测量位移或角度的方法

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Publication number: CN103267486A
Application number: CN2013102279876A
Authority: CN
Inventors: 张明亮
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-08
Filing date: 2013-06-08
Publication date: 2013-08-28

Abstract

本发明为一种非接触式的位移或角度传感器及其测量位移或角度的方法，其特征在于：所用的测量部件包括非接触式的位移或角度传感器及被测运动部件的表面图案A，所述的非接触式的位移或角度传感器包括光源、光学镜头、图像传感器、存储器和中央处理器，应用于油门踏板位置传感器，节气门位置传感器，或其它用途的角度或位移传感器。本发明采用图像传感器获取被测运动物体的表面图像，提取特征信息，通过计算获得角度或位移的信息。这种非接触式的角度或位移传感器具有成本低，结构简单，可靠性高的特点，特别适用于油门踏板位置传感器，节气门位置传感器等要求低成本和高可靠性的应用。

Description

非接触式的位移或角度传感器及其测量位移或角度的方法

技术领域

本发明涉及一种传感器技术，特别是公开一种非接触式的位移或角度传感器及其测量位移或角度的方法，是一种基于图像处理的用于检测旋转运动或直线运动的非接触式的测量传感器，应用于油门踏板位置传感器，节气门位置传感器，或其它用途的角度或位移传感器。

背景技术

现代机电系统中经常要求测量位移或角度。许多动态参数，如力、扭矩、速度、加速度等都是以位移或角度测量为基础的。

关于位移或角度测量的方法有很多，大多是采用各种电测或非电测的位移或角度传感器，将位移或角度转换成模拟量或者数字量。根据测量的原理不同可以分为以下几种：

（1）传感器结构随位移变化，使其位移量转换成电量，如电位器式传感器、电容式传感器、电感式传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器、霍尔传感器等均可以实现位移测量。

（2）利用某些材料的特殊功能，诸如压电传感器、金属应变片、半导体应变片等，通过将小位移转换成电荷或者阻值的变化，实现位移测量。

海拉胡克股份公司（Hella）拥有专利技术的感应式位置传感器能够在一个简单、紧凑的空间条件下能够实现对线位移和角位移的非接触式测量，另外，它对制造精度和周围的环境要求较低，在汽车制造领域内获得了广泛的应用，如节气门传感器、加速踏板传感器和转向传感器等。

感应式位置传感器同其他角传感器一样，也是由定子和转子组成的。在PCB上的定子由激励线圈、3个感应接受线圈和其他信号处理电子元件组成，转子是一块简单的冲压金属片。激励线圈中电流产生的电磁场在转子中产生感应电流。第一次感应耦合与角位置无关，其作用仅是通过感应耦合将能量传递给转子。传感器的相关信息是通过转子与接受线圈之间的第二次感应耦合来实现的，这次感应与转子相对于定子的相对位置有关。在第二次感应中，定子上的电压幅值随相对位置而变化，信号处理单元接受线圈的电压信号，进行整流、放大并成对地将其按比例输出，就可以获得角度位置信息。

感应传感原理的应用不仅仅局限于旋转机构，同样也可以将传感器设计成线性结构。

上述的传感器在许多场合得到了应用，但是，上述的传感器零部件数目多，安装复杂，需要对被测对象进行机械改动等缺点，实际上利用图像处理技术的最新进展，图像传感器和中央处理器的性能不断提高，但是价格却在不断下降，因此有可能实现成本更低、功能更强而安装使用更方便的角度或位移传感器。

发明内容

本发明的目的是充分利用集成电路技术领域和图像处理技术领域的最新技术，设计一种低成本的非接触式的位移或角度传感器。

本发明是这样实现的：一种非接触式的位移或角度传感器，所用的测量部件包括非接触式的位移或角度传感器及被测运动部件的表面图案A，其特征在于：所述的非接触式的传感器包括图像传感器，中央处理器，存储器，被测运动部件的表面图案A，光学镜头，壳体，光源等部分。所述的光学镜头设在图像传感器与被测运动部件的表面图案A的光路上，与图像传感器相隔距离为光学镜头的焦距，所述的光源位于光学镜头的下侧方或上方，所述的光源位于光学镜头的上方时需增加一个棱镜；图像传感器与中央处理器、存储器之间采用电连接，封装在一个保障图像传感器、光学镜头及被测运动部件的表面图案A构成光路的壳体中，其中壳体的光学镜头部分为透明壳体，成为非接触式的位移或角度传感器总成。所述的光学镜头设在图像传感器的正下方或侧方；所述的光学镜头在图像传感器侧方时，需增加一个棱镜。

中央处理器和存储器可以是独立的，也可以是由一个集成芯片实现。例如，单片机或数字处理器（DSP），已经包含了存储器。所述的存储器，可以是程序存储器，也可以是数据存储器。图像传感器，能感受光学图像信息并转换成可用输出信号的传感器。它是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。实际中，光源、光学镜头、图像传感器、中央处理器、存储器等可以被封装在一个单独的壳体内，输出结果是被测的角度或位移。更进一步它们可以被集成在一起，作为一个ASIC（Application Specific Integrated Circuit）制造，可以显著降低系统的成本。

所述非接触式的位移或角度传感器测量位移或角度的方法如下：

A）所述被测运动部件的表面图案A，包含至少一个图形G；

B）所述图像传感器，当被测运动部件运动时，通过光学镜头，将表面图案A在成像范围内的部分转换成电信号，再通过模拟/数字转换将电信号转化为数字信号，生成图像F，输出给中央处理器；

C）所述的存储器，用于存储图像F中的至少一个几何参数P与被测的角度或位移x的数学关系R；

D）所述的中央处理器，在工作时，该中央处理器分析所获取的图像F，提取几何参数P，根据预先存储的数学关系R，计算出被测的角度或位移。

被测运动部件的表面图案A的生成方法有两种：

方法一：直接加工在运动部件的表面。理论上可以采用任何表面加工的方法，例如打印、印刷、油漆、激光加工、电镀、化学氧化、热喷涂、微机械加工等方式生成在运动部件表面。

方法二：在其它衬底上生成图案，然后固定在被测运动部件表面的方法；另外一种方法是单独在其它的衬底上加工表面图案A（理论上可以采用方法一中所有的的表面加工方法），然后粘贴，焊接，铆接，螺纹固定等方式固定在运动部件表面。

所述的光源是可见光和不可见光。所述的几何参数P，是点的位置、点的颜色、点的灰度、两点之间的距离、点与直线的距离、直线段或曲线段的长度、直线与直线之间的夹角、或指定区域面积。

所述的数学关系R按照如下方法生成：

A）选定至少一个几何参数q；

B）定义几何参数q与被测的角度或位移x之间的数学关系为函数q=f(x)或者数值列表{(x, p)}；

C）绘制出上述数学关系q=f(x)或者{(q, x)}的图形G；

D）根据光路和图像传感器的参数，将图形G中的几何参数q映射到图像F中的几何参数P=g(q)；

E）所述的数学关系R为x=f^-1(g^-1(P))或{( g^-1(P), x)}

所述的图形G按照如下方法生成:

A）绘制图形G；

B）选定图形G中至少一个几何参数q；

C）计算出或测量出几何参数q与被测的角度或位移x之间的数学关系R为函数q=f(x)或者数据列表{(x, q)}；

所述的数学关系R为x=f^-1(g^-1(P))或{( g^-1(P), x)}。

本发明非接触式的位移或角度传感器测量位移或角度的基本原理如下：在运动过程中，图像传感器通过光学镜头获得表面图案A的一部分，生成图像F，该图像是以像素为单位的，我们还要将图像转换为以长度为单位。当表面图案A与图像传感器在运动过程中始终保持等距离平行的情况下，这个转换是一个简单的比例变换，其比例常数与光路具体设计和光学传感器有关。转换后的图像F’，对应于表面图案A的一部分。确定转换后的图像F’在整个表面图案A中的位置，我们就获得了运动的位移量或旋转角度。理论上，任何满足一一对应关系（随着角度或位移的不同，图像F也不同）的表面图案A都可以实现这种检测原理。为了使后续的图像处理和计算简化，我们尽量选取简单的图形，利用这些图形的几何参数来确定获得的图像F与整个表面图案A上的位置。由此建立被测量与图形参数之间的数学关系，这种数学关系可以作为算法或离散化后作为数据列表存储起来。在被测运动部件运动时，这些几何参数被识别，然后根据存储的数学关系计算出被测量。

数学关系R的建立可以采用两种方式，一种是定义数学关系R，再按照数学关系R生成表面图案A；另外一种是先绘制表面图案A，然后根据被测量与表面图案A的关系生成数学关系R。数学关系R可以是函数，也可以是数值列表，对于这个数学关系R的要求是：其输入参数与输出参数满足一一对应的关系，即函数和数值列表是单调的。对于表面图案A，也是类似要求，即几何参数的变化与被测量的变化为单调的关系。下面介绍表面图案A上的几何参数q与图像F的几何参数P之间的映射方法，即如何确定P=g(q)。当表面图案A与图像传感器平行等距相对移动时，表面图案A上图形的实际尺寸与图像F中对应图形的像素数之间存在一个比例系数t，其由光学系统的参数和图像传感器的参数决定。对于与尺寸相关的几何参数，如长度、距离、位置和面积，我们可以得到P=q*t；对于与尺寸无关的几何参数，如颜色、灰度、角度，我们可以得到以下的映射关系P=q。

通常情况下，每个被测量只需要一个图形中的一个几何参数就可以计算出，但是出于其它目的，例如，需要额外的参考输出，或者采用多个图形分段表示一个被测量，因此可能需要多个图形，多个参数，从而有多个数学关系，这里不再赘述。

本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、结构简单，按照上述方法实现的非接触式传感器，所有的电子器件和光学零件被封装成一个单独的部件，而被测运动部件只需要在表面进行加工处理；

2、安装方便，位置灵活，可以在被测运动部件的多个位置安装；

3、检测结果可靠性高。为了提高可靠性，常用的办法是增加额外的硬件提供参考信号，例如，海拉的感应式油门踏板位置传感器，在同一块PCB上，设计了2个独立电源、2个激励线圈、2套接受线圈、2个ASIC芯片的独立传感器。而本发明，在硬件上无需改动，只要多生成一个图形，或者多提取一个参数，就可以实现冗余的传感器信号。

4、鲁棒性好。整个传感器可以采用整体封装，包装在一个外壳之内，能够抵御恶劣环境；由于基于光学原理，电信号和电磁干扰在很大程度上也得到了抑制；另外，机械公差（如轴线偏心和倾斜）的影响，可以通过图像处理的方法进行矫正。

5、成本低，可以将传感器的电路的主要部分做成一个ASIC（Application specific integrated chips）芯片，大规模生产，成本可以大规模降低，用于普通传感器的原材料例如磁性材料成本不断上升，而集成芯片的价格却在不断下降。

附图说明

图1 是本发明非接触式位移传感器结构示意图。

图2 是本发明非接触式角度或位移传感器的工作流程。

图3 是本发明非接触式位移传感器的表面图案A、图形及几何参数。

图4 是有参考输出的非接触式角度传感器的表面图案A、图形及几何参数。

图5 是非接触式角度或位移传感器的表面图案A、图形及几何参数。

图中：110、中央处理器； 120、图像传感器； 130、光学镜头； 140、光源； 150、存储器； 100、位移或角度传感器总成； 200、旋转部件； 210、表面图案A所在区域； 220、图像传感器的取像区域； 230、表面图案A。

具体实施方式

根据附图1，本发明的非接触式角度或位移传感器的结构示意图，包括中央处理器110、图像传感器120，光学镜头130、光源140、存储器150、位移或角度传感器总成100、旋转部件200、表面图案A所在区域210、图像传感器的取像区域220和表面图案A 230。图中f是光学镜头的焦距，D是光学镜头的光学中心距离表面的表面图案A 230的距离。

根据附图2，本发明整个传感器的工作流程，在检测过程中，图像传感器的取像区域220（表面图案A230中的一部分，随位移和角度而变化），通过光学镜头130生成的光学图像投射到图像传感器120表面上，然后转为电信号，经过A/D（模数转换）转换后变为数字图像信号，生成图像F。图像F输出到中央处理器110，中央处理器110分析图像F，确定图形【G1, G2, ..., Gn】(n≥1)中的几何参数【P1, P2, ..., Pm】(m≥1)，根据设定的数学关系（数据列表或者数学公式）【R1, R2, ..., Rq】(q≥1)，就可以计算出所测的角度或位移。光路设计可以有多种选择，根据附图2中的光路，对于图像F中的几何参数P对应在表面图案A 230的对应几何参数q，通过几何光学计算有以下关系：P=f/D*S*q。（S：图像传感器单位长度内的象素数），比例系数为t= f/D*S。

实施例1：

本发明为非接触式的位移传感器，在这个例子中，运动部件沿x方向运动，最大移动距离为L。非接触式位移传感器的结构可以参考图1，图案、图形和参数请参考图3。

1、图像传感器按照如下规则放置：其成像区域中线与平移方向垂直，当位移 x 为0和L时，G的起点和终点分别位于图像传感器成像区域的中线上。

2、定义一个参数，命名为P，定义为图像F的中线与图形G的交点之间的像素数，即图3中M0M的所成像的像素数。

3、计算比例系数t，t= f/D*S。（f：光学镜头的焦距，D：光学镜头距离表面图案A的距离，S：图像传感器单位长度内的象素数）。

4、定义y=P/t=k*x，我们有以下数学关系，R：x=P*D/(S*f*k) ，上述数学公式可以作为算法保存在存储器中，或者将上述关系离散化后做成数据列表保存在存储器中。

4、在几何图案230中只包含了一个图形，命名为G。G为函数y=k*x（0≤x≤L）的对应图形。

5、在检测过程中，获得图像F中的参数P，然后根据关系R计算出被测的位移x。

实施例2：

本发明为有参考输出的非接触式的位移传感器。在这个例子中，运动部件沿x方向运动，最大移动距离为L。非接触式位移传感器的结构可以参考图1，图案、图形和参数请参考图4。

2、定义参数P1，定义为图像F的中线分别与图像F中的直线（C1和C3）的交点之间的像素数，也即M1M2所成像的像素数。定义参数P2，定义为图像F的中线分别与图像F中的直线（C4和C6）的交点之间的像素数，也即M3M4所成像的像素数。

4、我们定义y1=P1/t=k*x1，y2=P2/t=k*(L-x2)。我们有以下数学关系R1：x1=P1*D/(S*f*k)，R2：x2=L-P2*D/(S*f*k)。上述数学公式可以作为算法保存在存储器中，或者将上述关系离散化后做成数据列表保存在存储器中。

5、根据上述定义可以绘制两个图形G1和G2。

G1为以下三线段围成的三角形：

C1：y=0，0≤x≤L；

C2：x=L，0≤y≤k*L；

C3：y=k*x，0≤x≤L；

G2为以下三线段围成的三角形：

C4：y=k*L+y0，0≤x≤L；

C5：x=0，y0≤y≤k*L+y0；

C6：y=k*(L-x)+y0，0≤x≤L；

上式中，k为常数，是C3和C6的斜率。

6、在检测过程中，同时获得P1和P2，根据R1和R2计算出被测量x1和x2。如果x1和x2的差别在定义的误差范围内，说明数据是可靠的，否则就认为数据不可靠，需要重新检测或进行错误处理。

实施例2中的增加额外参考图型的方法也用于修正机械公差（如轴线偏心和倾斜）的影响，其原理是给定一个标准图形，根据这个标准图形的实际图像与理想图像的偏差，通过计算对被测量由于机械公差导致的误差进行补偿，此处不再赘述。

实施例3：

本发明为非接触式的角度传感器，在这个例子中，非接触式角度传感器的结构可以参考图1，图案、图形和参数请参考图5，运动部件以O点是旋转的圆心，旋转的角度范围为45?。

1、图像传感器按照如下规则放置：图像传感器中心位于以旋转中心为圆心，r为半径的圆周上，当旋转角度分别为0和45?时，图像传感器成像区域中线与图形G的起点和终点重合。

2、在本例中，定义一个参数，命名为P，定义为图像F的中线分别与图像F中的曲线段的交点之间的像素数，也即M1M2所成像的像素数。

4、我们定义，y=P/t= sin(45?-x)，有P=f/D*S*sin(45?-x)。我们可以获得数学关系R：x=45?- arcsin(P*D/(S*f))。

5、根据上述定义绘制图形G，G为下述直线和曲线围成的图形：

C1：y=(r+sin(x))*sin(x)，x=(r+sin(x))*cos(x)，(0≤x≤45?)；

C2：y=x，r*cos(45?)≤x≤(r+sin(45?))*cos(45?)；

C3：y=r*sin(x)，x=r*cos(x)，(0≤x≤45?)，(0≤x≤45?)；

上述数学公式可以作为算法保存在存储器中，或者将上述关系离散化后做成数据列表保存在存储器中。

6、在检测过程中，获得图像F中的参数P，然后根据关系R计算出被测的角度x。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，用以解释和说明本发明的内容，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围以本发明权利要求所述为准，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种非接触式的位移或角度传感器测量位移或角度的方法，所用的测量部件包括非接触式的位移或角度传感器及被测运动部件的表面图案A，所述的非接触式的位移或角度传感器包括光源、光学镜头、图像传感器、存储器和中央处理器，其特征在于：

A）所述被测运动部件的表面图案A，包含至少一个图形G；

2. 根据权利要求 1 所述的非接触式的位移或角度传感器测量位移或角度的方法，其特征在于：所述的光源是可见光和不可见光。

3.根据权利要求 1 所述的非接触式的位移或角度传感器测量位移或角度的方法，其特征在于：所述的几何参数P，是点的位置、点的颜色、点的灰度、两点之间的距离、点与直线的距离、直线段或曲线段的长度、直线与直线之间的夹角、或指定区域面积。

4.根据权利要求 1 所述的非接触式的位移或角度传感器测量位移或角度的方法，其特征在于：所述的数学关系R按照如下方法生成：

A）选定至少一个几何参数q；

C）绘制出上述数学关系q=f(x)或者{(q, x)}的图形G；

E）所述的数学关系R为x=f^-1(g^-1(P))或{( g^-1(P), x)}。

5.根据权利要求 1 所述的非接触式的位移或角度传感器测量位移或角度的方法，其特征在于：所述的图形G按照如下方法生成:

A）绘制图形G；

B）选定图形G中至少一个几何参数q；

E）所述的数学关系R为x=f^-1(g^-1(P))或{( g^-1(P), x)}。

6.根据权利要求 1 所述的非接触式的位移或角度传感器测量位移或角度的方法，其特征在于：所述的被测运动部件的表面图案的生成方法为采用在衬底材料上生成图案，然后粘贴，焊接，铆接，螺纹固定等方式固定在运动部件表面。

7.根据权利要求 1 所述的非接触式的位移或角度传感器测量位移或角度的方法，其特征在于：所述的被测运动部件的表面图案的生成方法为直接生成在被测运动部件的表面。

8.根据权利要求 1 所述的非接触式的位移或角度传感器测量位移或角度的方法，其特征在于：所述的被测运动部件表面图案的生成方法为打印、印刷、油漆、激光加工、电镀、化学氧化、热喷涂或微机械加工方式生成在运动部件表面。

9.一种实现权利要求 1～8中任意一项所述测量方法的非接触式的位移或角度传感器，其特征在于：所述的非接触式的位移或角度传感器包括光源、光学镜头、图像传感器、存储器、中央处理器和壳体，所述的光学镜头设在图像传感器与被测运动部件的表面图案A的光路上，与图像传感器相隔距离为光学镜头的焦距，所述的光源位于光学镜头的下侧方或上方，所述的光源位于光学镜头的上方时需增加一个棱镜；图像传感器与中央处理器、存储器之间采用电连接，封装在一个保障图像传感器、光学镜头及被测运动部件的表面图案A构成光路的壳体中，其中壳体的光学镜头部分为透明壳体，成为非接触式的位移或角度传感器总成。

10.根据权利要求 9 所述的非接触式的位移或角度传感器，其特征在于：所述的光学镜头设在图像传感器的正下方或侧方；所述的光学镜头在图像传感器侧方时，需增加一个棱镜。