CN103673869A - 角度检测装置、方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种角度检测装置、方法和系统。角度检测装置包括：第一滑环、第二滑环、转轴、第一滑片和第二滑片；第一滑环与第二滑环沿转轴的轴向间隔设置，第一滑环在转轴径向平面内的投影具有第一圆心角，第二滑环在转轴径向平面内的投影具有第二圆心角，第一圆心角与第二圆心角之和不小于360度，且第一滑环与第二滑环的开口朝向相反；第一滑片的第一端与转轴连接，第一滑片的第二端与第一滑环可滑动地电连接；第二滑片的第一端与转轴连接，第二滑片的第二端与第二滑环可滑动地电连接。本发明可以实现360度的连续检测，即完成现有技术无法对死区位置的角度进行检测的缺陷，因而，实现了检测的连续性与完整性，具有结构简单、成本低的特点。

Description

角度检测装置、方法和系统

技术领域

本发明涉及角度检测领域，更具体地，涉及一种角度检测装置、方法和系统。

背景技术

在工业设备的高端领域中，诸多机械设备需要实现360°无限制连续旋转，以完成相应的动作。因此，设备回转角度的检测和控制是十分重要的。

目前，主要通过两种方式实现回转角度的检测：（1）采用回转编码器完成；（2）采用单滑环回转电位计完成。其中，回转编码器价格较为昂贵且极易损坏，所以会增加设备的成本。

下面结合图1，对现有技术中的单滑环回转电位计检测角度的工作原理进行详细说明。如图1所示，滑环10的两端分别接入电源，滑环10具有第一端A和第二端B，假设第一端A处的电压为V_A，并标定此位置角度为0°，第二端B处的电压为V_B，可测量最大回转角度为Φ。

请参考图1，当滑片20滑动到图1所示的位置时，对应的回转采样电压值为V、实时回转角度为θ，那么可根据比例关系算是求得当前的实时回转角度为：

$\mathrm{\θ}=\frac{V-V_A}{V_B-V_A}\mathrm{\Φ}$

当滑片20到达第二端B后，测量的角度为最大可测量回转角度。由图1可知，最大可测量角度Φ必然小于360°。所以，如果滑片20继续顺时针滑动，在第一端A和第二端B之间缺口处无法测量回转采样电压，必然也无法测量对应的回转角度，即图1中的缺口区域为回转角度测量的死区。

因此，虽然单滑环回转电位计成本低廉，亦可满足精度要求，但是由于单滑环回转电位计存在有死区，无法实现360°连续检测，即在死区位置时无法完成角度的检测，所以影响了检测的连续性与完整性。

发明内容

本发明旨在提供一种角度检测装置、方法和系统，以解决现有技术的单滑环回转电位计存在死区、无法实现360度连接检测的问题。

为解决上述技术问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种角度检测装置，包括：第一滑环、第二滑环、转轴、第一滑片和第二滑片；第一滑环与第二滑环沿转轴的轴向间隔设置，第一滑环在转轴径向平面内的投影具有第一圆心角，第二滑环在转轴径向平面内的投影具有第二圆心角，第一圆心角与第二圆心角之和不小于360度，且第一滑环与第二滑环的开口朝向相反；第一滑片的第一端与转轴连接，第一滑片的第二端与第一滑环可滑动地电连接；第二滑片的第一端与转轴连接，第二滑片的第二端与第二滑环可滑动地电连接。

进一步地，第一圆心角与第二圆心角之和大于360度。

进一步地，当第一滑片位于第一滑环的第一预定区域内时，角度检测装置根据公式计算实时回转角度：

$\mathrm{\θ}=\frac{V-V_A}{V_C-V_A}\mathrm{\Φ}$ 公式（1）

当第二滑片位于第二滑环的第二预定区域内时，角度检测装置根据公式（2）计算实时回转角度：

$\mathrm{\θ}=\frac{v-v_a}{v_c-v_a}(360-\mathrm{\Φ})+\mathrm{\Φ}$ 公式（2）

其中，θ为实时回转角度；V为第一滑环（1）与第一滑片相对应的位置处的电压；V_A为第一预定区域的第一端处的电压；V_C为第一预定区域的第二端处的电压；v为第二滑环与第二滑片相对应的位置处的电压；v_a为第二预定区域的第一端处的电压；v_c为第二预定区域的第二端处的电压；Φ为第一预定区域的第一端与转轴的连线、以及第一预定区域的第二端与转轴的连线之间的夹角。

进一步地，第一预定区域的第一端与第二预定区域的第一端在径向平面内的投影重叠，且第一预定区域的第二端与第二预定区域的第二端在径向平面内的投影重叠。

进一步地，第一预定区域为第一滑片的至少一部分，第二预定区域为第二滑片的至少一部分。

进一步地，第一预定区域和第二预定区域所对应的圆心角的大小及起始点是可设定的。

根据本发明的第二个方面，提供了一种角度检测系统，其特征在于，包括：第一滑环、第二滑环、转轴、第一滑片和第二滑片；第一滑环与第二滑环沿转轴的轴向间隔设置，第一滑环在转轴径向平面内的投影具有第一圆心角，第二滑环在转轴径向平面内的投影具有第二圆心角，第一圆心角与第二圆心角之和不小于360度，且第一滑环与第二滑环的开口朝向相反；第一滑片的第一端与转轴连接，第一滑片的第二端与第一滑环可滑动地电连接；第二滑片的第一端与转轴连接，第二滑片的第二端与第二滑环可滑动地电连接；处理器，用于在第一滑片位于第一滑环的第一预定区域内时根据公式计算实时回转角度，且在第二滑片位于第二滑环的第二预定区域内时根据公式计算实时回转角度：

$\mathrm{\θ}=\frac{V-V_A}{V_C-V_A}\mathrm{\Φ}$ 公式（1）

$\mathrm{\θ}=\frac{v-v_a}{v_c-v_a}(360-\mathrm{\Φ})+\mathrm{\Φ}$ 公式（2）

其中，θ为实时回转角度；V为第一滑环与第一滑片相对应的位置处的电压；V_A为第一预定区域的第一端处的电压；V_C为第一预定区域的第二端处的电压；v为第二滑环与第二滑片相对应的位置处的电压；v_a为第二预定区域的第一端处的电压；v_c为第二预定区域的第二端处的电压；Φ为第一预定区域的第一端与转轴的连线、以及第一预定区域的第二端与转轴的连线之间的夹角。

进一步地，第一圆心角与第二圆心角之和大于360度。

根据本发明的第三个方面，提供了一种角度检测方法，其特征在于，包括：获取第一滑环上的第一滑片处的第一电压、或第二滑环上的第二滑片处的第二电压，其中，第一滑片和第二滑片同步转动，第一滑环与第二滑环间隔地设置、第一滑环在转轴径向平面内的投影具有第一圆心角，第二滑环在转轴径向平面内的投影具有第二圆心角，第一圆心角与第二圆心角之和不小于360度，且第一滑环与第二滑环的开口朝向相反；在第一滑片位于第一滑环的第一预定区域内时根据公式计算实时回转角度，且在第二滑片位于第二滑环的第二预定区域内时根据公式（2）计算实时回转角度：

$\mathrm{\θ}=\frac{V-V_A}{V_C-V_A}\mathrm{\Φ}$ 公式（1）

$\mathrm{\θ}=\frac{v-v_a}{v_c-v_a}(360-\mathrm{\Φ})+\mathrm{\Φ}$ 公式（2）

其中，θ为实时回转角度；V为第一电压；V_A为第一预定区域的第一端处的电压；V_C为第一预定区域的第二端处的电压；v为第二电压；v_a为第二预定区域的第一端处的电压；v_c为第二预定区域的第二端处的电压；Φ为第一预定区域的第一端与转轴的连线、以及第一预定区域的第二端与转轴的连线之间的夹角。

本发明可以实现360度的连续检测，即完成现有技术无法对死区位置的角度进行检测的缺陷，因而，实现了检测的连续性与完整性，具有结构简单、成本低的特点。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示意性示出了现有技术中的单滑环回转电位计的示意图；

图2示意性示出了本发明中的角度检测装置的示意图；以及

图3示意性示出了图2的轴向视图。

图中附图标记：1、第一滑环；2、第二滑环；3、转轴；4、第一滑片；5、第二滑片；10、滑环；20、滑片。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

请参考图2和图3，作为本发明的第一方面，提供了一种角度检测装置，特别是一种回转角度检测装置，可用于对回转机构的回转角度的检测。

该角度检测装置包括：第一滑环1、第二滑环2、转轴3、第一滑片4和第二滑片5；第一滑环1与第二滑环2沿转轴3的轴向间隔设置，第一滑环1在转轴3径向平面内的投影具有第一圆心角，第二滑环2在转轴3径向平面内的投影具有第二圆心角，第一圆心角与第二圆心角之和不小于360度，且第一滑环1与第二滑环2的开口朝向相反，也就是说，第一滑片4和第二滑片5的投影互补，从而可以利用第二滑片5对第一滑片4的死区进行弥补，同时，也可以利用第一滑片4对第二滑片5的死区进行弥补；第一滑片4的第一端与转轴3连接（例如，图2的O点），第一滑片4的第二端与第一滑环1可滑动地电连接；第二滑片5的第一端与转轴3连接（例如图2的o点），第二滑片5的第二端与第二滑环2可滑动地电连接。

请参考图2和图3，第一滑环1和第二滑环2沿转轴3的轴向间隔地设置，在使用时，第一滑环1和第二滑环2是固定安装的，转轴3与待测量回转角度的设备的回转机构保持以相同的速度转动。第一滑环1和第二滑环2的两端分别与电源连接，例如，可以与5V电源连接。

当回转机构转动时，转轴3随之同步转动，因而，驱动第一滑片4和第二滑片5在第一滑环1和第二滑环2的表面滑动。此时，第一滑环1和第二滑环2均可为一个电位计。这样，当第一滑片4和第二滑片5位于不同的位置时，其会对应于不同的采样电压。

在转动的过程中，第一滑片4位于第一滑环1上，此时，可利用第一滑片4上的采集电压计算出实际回转角度；随着转轴的进一步转动，当第二滑片5位于第二滑环2上时（此时，第一滑片4位于第一滑片4的死区），则可以利用第二滑片5上的采集电压计算出位于该死区内的转角。

因此，本发明可以实现360度的连续检测，即完成现有技术无法对死区位置的角度进行检测的缺陷，因而，实现了检测的连续性与完整性，具有结构简单、成本低的特点。

优选地，第一圆心角与第二圆心角之和大于或等于360度。在一个实施例中，当第一圆心角和第二圆心角之和等于360度时，第一滑环1和第二滑环2恰好互补为一个圆环形。请参考图2和图3，在另一个实施例中，当第一圆心角和第二圆心角之和大于360度时，第一滑环1和第二滑环2的投影会有相互重叠的部分，这些相互重叠的部分属于无效区域。当第一滑片4运动到相应的无效区域时，则使用第二滑片5的采集电压计算回转角度，当第二滑片5运动到相应的无效区域时，则使用第一滑片4的采集电压计算回转角度。

请参考图2和图3，第一滑环1具有第一预定区域，该第一预定区域具有第一端A和第二端C，在第一端A与第二端C之间形成该第一预定区域，在第一端A的外侧、以及第二端C的外侧分别形成两个上述的无效区域。同理，第二滑环2具有第二预定区域，该第二预定区域具有第一端a和第二端c，在第一端a和第二端c之间形成该第二预定区域，在第一端a的外侧、以及第二端c的外侧分别形成两个上述的无效区域。例如，在图2所示的状态，第一滑片4位于第一预定区域，而第二滑片5则位于无效区域，此时，取第一滑环1上的采样电压作为实时回转电压。

其中，第一端A、第二端C、第一端a和第二端c分别形成一个虚拟的切换点，是通过检测到的采样电压值，人为设置的点位，以根据设备转动方向以及滑动片组是否到达该点，来判断应该取第一滑环1上的回转采样电压，还是第二滑环2的回转采样电压。

优选地，当第一滑片4位于第一滑环1的第一预定区域内时，角度检测装置根据公式1计算实时回转角度：

$\mathrm{\θ}=\frac{V-V_A}{V_C-V_A}\mathrm{\Φ}$ 公式1

优选地，当第二滑片5位于第二滑环2的第二预定区域内时，角度检测装置根据公式2计算实时回转角度：

$\mathrm{\θ}=\frac{v-v_a}{v_c-v_a}(360-\mathrm{\Φ})+\mathrm{\Φ}$ 公式2

其中，θ为实时回转角度；V为第一滑环1与第一滑片4相对应的位置处的电压；V_A为第一预定区域的第一端处的电压；V_C为第一预定区域的第二端处的电压；v为第二滑环2与第二滑片5相对应的位置处的电压；v_a为第二预定区域的第一端处的电压；v_c为第二预定区域的第二端处的电压；Φ为第一预定区域的第一端与转轴的连线、以及第一预定区域的第二端与转轴的连线之间的夹角。例如，标定A点对应角度为0°，C(c)点对应角度为Φ，而a点为360°，也可认为是0°；在切换点A处的电压为V_A，C处电压为V_C，c处电压为v_c，a处电压为v_a。

优选地，第一预定区域为第一滑片4的至少一部分，第二预定区域为第二滑片5的至少一部分。优选地，第一预定区域的第一端与第二预定区域的第一端在径向平面内的投影重叠，且第一预定区域的第二端与第二预定区域的第二端在径向平面内的投影重叠。这样，可以使第一预定区域和第二预定区域所对应的圆心角在投影平面内互补而形成一个完整的圆形，并能保证第一滑环1和第二滑环2的死区的无缝对接。

优选地，第一预定区域和第二预定区域所对应的圆心角的大小及起始点是可设定的。例如，可以通过人工的方式，自定义第一预定区域和第二预定区域的大小，只要使二者互补形成一个完整的圆形即可。特别地，通过这种方式，可以避开第一滑环1和第二滑环2上的有缺陷的区域，提高了系统的适应性和可维护性。

请参考图2和图3，作为本发明的第二方面，提供了一种角度检测系统，包括：第一滑环1、第二滑环2、转轴3、第一滑片4和第二滑片5；第一滑环1与第二滑环2沿转轴3的轴向间隔设置，第一滑环1在转轴3径向平面内的投影具有第一圆心角，第二滑环2在转轴3径向平面内的投影具有第二圆心角，第一圆心角与第二圆心角之和不小于360度，且第一滑环1与第二滑环2的开口朝向相反；第一滑片4的第一端与转轴3连接，第一滑片4的第二端与第一滑环1可滑动地电连接；第二滑片5的第一端与转轴3连接，第二滑片5的第二端与第二滑环2可滑动地电连接；处理器，用于在第一滑片4位于第一滑环1的第一预定区域内时根据公式1计算实时回转角度，且在第二滑片5位于第二滑环2的第二预定区域内时根据公式2计算实时回转角度：

$\mathrm{\θ}=\frac{V-V_A}{V_C-V_A}\mathrm{\Φ}$ 公式1

$\mathrm{\θ}=\frac{v-v_a}{v_c-v_a}(360-\mathrm{\Φ})+\mathrm{\Φ}$ 公式2

其中，θ为实时回转角度；V为第一滑环1与第一滑片4相对应的位置处的电压；V_A为第一预定区域的第一端处的电压；V_C为第一预定区域的第二端处的电压；v为第二滑环2与第二滑片5相对应的位置处的电压；v_a为第二预定区域的第一端处的电压；v_c为第二预定区域的第二端处的电压；Φ为第一预定区域的第一端与转轴的连线、以及第一预定区域的第二端与转轴的连线之间的夹角。

优选地，第一滑环1具有第一圆心角，第二滑环2具有第二圆心角，第一圆心角与第二圆心角之和大于或等于360度。

请参考图2和图3，作为本发明的第三方面，提供了一种角度检测方法，包括：获取第一滑环1上的第一滑片4处的第一电压、或第二滑环2上的第二滑片5处的第二电压，其中，第一滑片4和第二滑片5同步转动，第一滑环1与第二滑环2间隔地设置、第一滑环1在转轴3径向平面内的投影具有第一圆心角，第二滑环2在转轴3径向平面内的投影具有第二圆心角，第一圆心角与第二圆心角之和不小于360度，且第一滑环1与第二滑环2的开口朝向相反。

该方法还包括：在第一滑片4位于第一滑环1的第一预定区域内时根据公式1计算实时回转角度，且在第二滑片5位于第二滑环2的第二预定区域内时根据公式2计算实时回转角度：

$\mathrm{\θ}=\frac{V-V_A}{V_C-V_A}\mathrm{\Φ}$ 公式1

$\mathrm{\θ}=\frac{v-v_a}{v_c-v_a}(360-\mathrm{\Φ})+\mathrm{\Φ}$ 公式2

其中，θ为实时回转角度；V为第一电压；V_A为第一预定区域的第一端处的电压；V_C为第一预定区域的第二端处的电压；v为第二电压；v_a为第二预定区域的第一端处的电压；v_c为第二预定区域的第二端处的电压；Φ为第一预定区域的第一端与转轴的连线、以及第一预定区域的第二端与转轴的连线之间的夹角。

本发明专利提在降低设备成本并满足角度检测精度的情况下，可实现360°无限制连续角度检测与控制，具有简单实用、成本低廉的特点，利于大规模推广使用。此外，本发明克服了回转编码器价格昂贵的缺陷，并解决了传统的单滑环回转电位计检测角度时存在的死区现象，可以实现360°无限制连续检测实时角度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种角度检测装置，其特征在于，包括：第一滑环（1）、第二滑环（2）、转轴（3）、第一滑片（4）和第二滑片（5）；

所述第一滑环（1）与所述第二滑环（2）沿所述转轴（3）的轴向间隔设置，所述第一滑环（1）在所述转轴（3）径向平面内的投影具有第一圆心角，所述第二滑环（2）在所述转轴（3）径向平面内的投影具有第二圆心角，所述第一圆心角与所述第二圆心角之和不小于360度，且所述第一滑环（1）与所述第二滑环（2）的开口朝向相反；

所述第一滑片（4）的第一端与所述转轴（3）连接，所述第一滑片（4）的第二端与所述第一滑环（1）可滑动地电连接；

所述第二滑片（5）的第一端与所述转轴（3）连接，所述第二滑片（5）的第二端与所述第二滑环（2）可滑动地电连接。

2.根据权利要求1所述的角度检测装置，其特征在于，所述第一圆心角与所述第二圆心角之和大于360度。

3.根据权利要求1所述的角度检测装置，其特征在于，

当所述第一滑片（4）位于所述第一滑环（1）的第一预定区域内时，所述角度检测装置根据公式（1）计算实时回转角度：

$\mathrm{\θ}=\frac{V-V_A}{V_C-V_A}\mathrm{\Φ}$ 公式（1）

当所述第二滑片（5）位于所述第二滑环（2）的第二预定区域内时，所述角度检测装置根据公式（2）计算实时回转角度：

$\mathrm{\θ}=\frac{v-v_a}{v_c-v_a}(360-\mathrm{\Φ})+\mathrm{\Φ}$ 公式（2）

其中，θ为所述实时回转角度；V为所述第一滑环（1）与所述第一滑片（4）相对应的位置处的电压；V_A为所述第一预定区域的第一端处的电压；V_C为所述第一预定区域的第二端处的电压；v为所述第二滑环（2）与所述第二滑片（5）相对应的位置处的电压；v_a为所述第二预定区域的第一端处的电压；v_c为所述第二预定区域的第二端处的电压；Φ为所述第一预定区域的第一端与所述转轴的连线、以及所述第一预定区域的第二端与所述转轴的连线之间的夹角。

4.根据权利要求3所述的角度检测装置，其特征在于，所述第一预定区域的第一端与所述第二预定区域的第一端在所述径向平面内的投影重叠，且所述第一预定区域的第二端与所述第二预定区域的第二端在所述径向平面内的投影重叠。

5.根据权利要求3所述的角度检测装置，其特征在于，所述第一预定区域为所述第一滑片（4）的至少一部分，所述第二预定区域为所述第二滑片（5）的至少一部分。

6.根据权利要求3所述的角度检测装置，其特征在于，所述第一预定区域和所述第二预定区域所对应的圆心角的大小及起始点是可设定的。

7.一种角度检测系统，其特征在于，包括：第一滑环（1）、第二滑环（2）、转轴（3）、第一滑片（4）和第二滑片（5）；

所述第一滑环（1）与所述第二滑环（2）沿所述转轴（3）的轴向间隔设置，所述第一滑环（1）在所述转轴（3）径向平面内的投影具有第一圆心角，所述第二滑环（2）在所述转轴（3）径向平面内的投影具有第二圆心角，所述第一圆心角与所述第二圆心角之和不小于360度，且所述第一滑环（1）与所述第二滑环（2）的开口朝向相反；

所述第一滑片（4）的第一端与所述转轴（3）连接，所述第一滑片（4）的第二端与所述第一滑环（1）可滑动地电连接；

所述第二滑片（5）的第一端与所述转轴（3）连接，所述第二滑片（5）的第二端与所述第二滑环（2）可滑动地电连接；

处理器，用于在所述第一滑片（4）位于所述第一滑环（1）的第一预定区域内时根据公式（1）计算实时回转角度，且在所述第二滑片（5）位于所述第二滑环（2）的第二预定区域内时根据公式（2）计算实时回转角度：

$\mathrm{\θ}=\frac{V-V_A}{V_C-V_A}\mathrm{\Φ}$ 公式（1）

$\mathrm{\θ}=\frac{v-v_a}{v_c-v_a}(360-\mathrm{\Φ})+\mathrm{\Φ}$ 公式（2）

其中，θ为所述实时回转角度；V为所述第一滑环（1）与所述第一滑片（4）相对应的位置处的电压；V_A为所述第一预定区域的第一端处的电压；V_C为所述第一预定区域的第二端处的电压；v为所述第二滑环（2）与所述第二滑片（5）相对应的位置处的电压；v_a为所述第二预定区域的第一端处的电压；v_c为所述第二预定区域的第二端处的电压；Φ为所述第一预定区域的第一端与所述转轴的连线、以及所述第一预定区域的第二端与所述转轴的连线之间的夹角。

8.根据权利要求7所述的角度检测装置，其特征在于，所述第一圆心角与所述第二圆心角之和大于360度。

9.一种角度检测方法，其特征在于，包括：

获取第一滑环（1）上的第一滑片（4）处的第一电压、或第二滑环（2）上的第二滑片（5）处的第二电压，其中，所述第一滑片（4）和所述第二滑片（5）同步转动，所述第一滑环（1）与所述第二滑环（2）间隔地设置、所述第一滑环（1）在所述转轴（3）径向平面内的投影具有第一圆心角，所述第二滑环（2）在所述转轴（3）径向平面内的投影具有第二圆心角，所述第一圆心角与所述第二圆心角之和不小于360度，且所述第一滑环（1）与所述第二滑环（2）的开口朝向相反；

在所述第一滑片（4）位于所述第一滑环（1）的第一预定区域内时根据公式（1）计算实时回转角度，且在所述第二滑片（5）位于所述第二滑环（2）的第二预定区域内时根据公式（2）计算实时回转角度：

$\mathrm{\θ}=\frac{V-V_A}{V_C-V_A}\mathrm{\Φ}$ 公式（1）

$\mathrm{\θ}=\frac{v-v_a}{v_c-v_a}(360-\mathrm{\Φ})+\mathrm{\Φ}$ 公式（2）

其中，θ为所述实时回转角度；V为所述第一电压；V_A为所述第一预定区域的第一端处的电压；V_C为所述第一预定区域的第二端处的电压；v为所述第二电压；v_a为所述第二预定区域的第一端处的电压；v_c为所述第二预定区域的第二端处的电压；Φ为所述第一预定区域的第一端与所述转轴的连线、以及所述第一预定区域的第二端与所述转轴的连线之间的夹角。

Images