CN103868451A - 一种角度传感器及角度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种角度传感器及角度测量方法，角度传感器由多个依次沿圆周按照同一方向安装的倾斜感应、单方向触发导通型滚珠开关组成；角度传感器用角度号来表示当前的旋转角度与位置，其当前角度号由所有滚珠开关的当前通/断状态确定，所述角度测量方法抗干扰能力强；可应用到精度要求不高、低速旋转、旋转轴平行于水平面的角度测量场合。

Description

一种角度传感器及角度测量方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种旋转轴平行于水平面的角度传感器及角度测量方法。

背景技术

旋转角度传感器的种类很多，例如，有光学的旋转编码器，还有电磁感应式、电容式以及电位器式等多种，他们的特点是精度高，在自动检测与控制中应用广泛，但体积大，安装不便，对诸如哑铃运动次数计数、仰卧起坐运动次数计数等精度要求不高但需要测量倾斜角度变化的场合无法应用。微加速度传感器等倾角传感器在测量过程中容易引入加速度等干扰，抗干扰算法设计复杂，且成本较高。

发明内容

本发明的目的之一在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种结构合理、价格低、简单可靠的角度传感器，可应用到精度要求不高、低速旋转、旋转轴平行于水平面的角度测量场合。

本发明的另一目的在于提供上述角度传感器的角度测量方法。

本发明的技术方案是：一种角度传感器，由2N个滚珠开关组成；2N个滚珠开关顺时针依次沿圆周按照触发端在前、稳定端在后的方向安装，或者是采用顺时针依次沿圆周按照稳定端在前、触发端在后的方向安装；2N个滚珠开关沿圆周均匀分布。 

所述角度传感器安装时，旋转轴应该平行于水平面。

所述滚珠开关是倾斜感应、单方向触发导通型滚珠开关。

所述N的数值为4、5、6三者之一。

一种上述角度传感器的角度测量方法，包括，

A、滚珠开关断开状态与接通状态的判定方法是，利用开关电平转换电路，将滚珠开关的通断状态转换成相应的电平信号，该电平信号作为触发信号输出；在检测时间区间之内，滚珠开关一直没有输出触发信号，则判定为断开状态，否则判定为接通状态。所述检测时间区间的长短根据滚珠开关在轻微震动状态下的连续通/断周期来确定。

B、角度传感器用角度号来表示当前的旋转角度与位置，角度号的定义方法是，由2N个滚珠开关组成的角度传感器共有2N个角度号，每个角度号对应360°/2N区间的旋转角度；角度传感器中的滚珠开关按照安装顺序从1至2N依次编号；在角度传感器处于每个角度号对应的旋转角度区间的中心位置时，有N个连续编号的滚珠开关断开，N个连续编号的滚珠开关接通；取连续断开的N个滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的角度号；滚珠开关编号首尾循环相接时，开关2N在开关1之前。

C、角度传感器的初始角度号确定方法是，由2N个滚珠开关组成的角度传感器，有连续编号的N－1个滚珠开关断开、N个滚珠开关断开、N＋1个滚珠开关断开等三种初始状态，在该三种初始状态的任何一种情况中，取连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的初始角度号。

D、角度传感器旋转时角度号的确定方法是，由2N个滚珠开关组成的角度传感器，初始角度号确定后，只有在连续断开的滚珠开关数量和连续接通的滚珠开关数量同为N个时，才确定连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的新角度号。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

成本低，易于自制，简单可靠，测量方法简单，角度测量方法抗干扰能力强，很容易组成低功耗测量电路，可应用到精度要求不高、低速旋转、旋转轴平行于水平面的角度测量场合。

附图说明

图1为滚珠开关示意图。

图2为8个滚珠开关组成的角度传感器结构示意图。

图3为12个滚珠开关组成的角度传感器结构示意图。

图4为8个滚珠开关组成的角度传感器的角度1状态。

图5为8个滚珠开关组成的角度传感器的角度1与角度2过度状态。

图6为8个滚珠开关组成的角度传感器的角度2状态。

图7为8个滚珠开关组成的角度传感器的角度7状态。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

图1为常用的倾斜感应、单方向触发导通型滚珠开关工作示意图，深色的A端称作稳定端，浅色的B端称作触发端。如图1-(a)所示，当A端低于水平面15度时，滚珠开关为断开状态（OFF），此时滚珠开关对振动不敏感，晃动时不易接通；如图1-(c)所示，当B端低于水平面15度时，滚珠开关为接通状态（ON），此时滚珠开关对振动非常敏感，当有轻微振动时，滚珠开关则处于不稳定的连续通/断状态；如图1-(b)所示，当滚珠开关处于水平位置时，滚珠开关为通/断不确定状态，此时轻微晃动即可接通电路或断开滚珠开关。

图2为由8个滚珠开关组成的角度传感器的结构示意图，8个滚珠开关可以如图2-(a)所示，顺时针依次沿圆周按照触发端在前、稳定端在后的方向安装，均匀分布；也可以如图2-(b)所示，顺时针依次沿圆周按照稳定端在前、触发端在后的方向安装，均匀分布；相邻滚珠开关之间的角度差为45°。

图3为由12个滚珠开关组成的角度传感器的结构示意图，12个滚珠开关顺时针依次沿圆周按照触发端在前、稳定端在后的方向安装，均匀分布；也可以采用顺时针依次沿圆周按照稳定端在前、触发端在后的方向安装，均匀分布；相邻滚珠开关之间的角度差为30°。

角度传感器中滚珠开关的数量还可以是其他数值。少于8个滚珠开关，角度传感器的精度低；多于12个滚珠开关，相邻滚珠开关之间的角度差小于滚珠开关接通与断开的转换灵敏度，不能带来角度传感器精度的实质性提高。因此，所述角度传感器中滚珠开关的数量为不少于8个，不多于12个。考虑到安装的对称性和均匀性，所述角度传感器中滚珠开关的数量为8个，10个，或者12个。角度传感器中各滚珠开关依次沿圆周按规定顺序安装时，在保证所有滚珠开关能够顺利安装的前提下，圆周周长可大可小。

角度传感器由2N个倾斜感应、单方向触发导通型的滚珠开关组成时，2N个滚珠开关顺时针依次沿圆周按照触发端在前、稳定端在后的方向安装，或者是采用顺时针依次沿圆周按照稳定端在前、触发端在后的方向安装；2N个滚珠开关沿圆周均匀分布。所述N的数值为4、5、6三者之一。

所述角度传感器安装时，旋转轴应该平行于水平面，即角度传感器的平面与水平面之间应该为竖直关系。

使用所述角度传感器进行角度测量的方法包括：

⑴ 滚珠开关断开状态与接通状态的判定方法

利用开关电平转换电路，将滚珠开关的通断状态转换成相应的电平信号，该电平信号作为触发信号输出。最简单的开关电平转换电路是滚珠开关接一个上拉电阻，滚珠开关断开时输出高电平，滚珠开关接通时输出低电平触发信号。

在检测时间区间之内，滚珠开关一直没有输出触发信号，则判定为断开状态，否则判定为接通状态。检测时间区间的长短需要根据滚珠开关在轻微震动状态下的连续通/断周期来确定，小型滚珠开关可以选择50ms。

对检测时间区间之内是否有触发信号进行检测，可以使用RS触发器实现，触发信号作为RS触发器的置位信号。在检测时间区间起始点，控制RS触发器复位；在检测时间区间终点，测量RS触发器是否被置位，判断是否有触发信号。

对检测时间区间之内是否有触发信号进行检测，也可以直接利用微控制器的外部中断。

⑵ 角度传感器的角度号定义方法

角度传感器用角度号来表示当前的旋转角度与位置。

由8个滚珠开关组成的角度传感器的角度号定义方法是：角度传感器共有8个角度号，每个角度号对应45°旋转角度；传感器中的滚珠开关按照安装顺序从1至8依次编号，如图2所示；在角度传感器处于每个角度号对应的45°旋转角度区间的中心位置时，即处于例如图4、图6、图7所示的位置之一时，有4个连续编号的滚珠开关断开，4个连续编号的滚珠开关接通；取4个连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的角度号。滚珠开关编号首尾循环相接时，开关8在开关1之前。

同样地，由12个滚珠开关组成的角度传感器的角度号定义方法是：角度传感器共有12个角度号，每个角度号对应30°旋转角度；传感器中的滚珠开关按照安装顺序从1至12依次编号；在角度传感器处于每个角度号对应的30°旋转角度区间的中心位置时，有6个连续编号的滚珠开关断开，6个连续编号的滚珠开关接通，取6个连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的角度号。滚珠开关编号首尾循环相接时，开关12在开关1之前。

角度传感器的角度号定义方法是：由2N个滚珠开关组成的角度传感器共有2N个角度号，每个角度号对应360°/2N区间的旋转角度；角度传感器中的滚珠开关按照安装顺序从1至2N依次编号；在角度传感器处于每个角度号对应的旋转角度区间的中心位置时，有N个连续编号的滚珠开关断开，N个连续编号的滚珠开关接通；取连续断开的N个滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的角度号。滚珠开关编号首尾循环相接时，开关2N在开关1之前。

⑶ 角度传感器的初始角度号确定方法

正常情况下，由8个滚珠开关组成的角度传感器中，处于断开状态的滚珠开关数量可能是4个、3个、5个等3种情况之一。

如图4所示，开关1、开关2、开关3、开关4的稳定端都因低于水平面15°以上而断开，开关5、开关6、开关7、开关8触发端都因低于水平面15°以上而接通，此时角度传感器的初始角度号为角度1。

如图6所示，开关2、开关3、开关4、开关5断开，开关6、开关7、开关8、开关1接通，此时角度传感器的初始角度号为角度2。

如图7所示，开关7、开关8、开关1、开关2断开，开关3、开关4、开关5、开关6接通，此时角度传感器的初始角度号为角度7。

如图5所示情况中，断开的开关是开关2、开关3、开关4，接通的开关是开关6、开关7、开关8，开关1和开关5的状态不确定。不管开关5的状态是断开还是接通，如果开关1断开，则确定此时角度传感器的初始角度为角度1，如果开关1接通，则确定此时角度传感器的初始角度为角度2。

图4、图5、图6所示角度传感器采用顺时针依次沿圆周按照触发端在前、稳定端在后的方向安装，图7所示角度传感器采用顺时针依次沿圆周按照稳定端在前、触发端在后的方向安装。

由8个滚珠开关组成的角度传感器初始角度的确定方法：在角度传感器的初始状态，滚珠开关状态为连续编号的3个滚珠开关断开、4个滚珠开关断开、5个滚珠开关断开等三种情况之一，在该三种情况的任何一种中，取连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的初始角度号。

由12个滚珠开关组成的角度传感器初始角度的确定方法：在角度传感器的初始状态，滚珠开关状态为连续编号的5个滚珠开关断开、6个滚珠开关断开、7个滚珠开关断开等三种情况之一，在该三种情况的任何一种中，取连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的初始角度号。

角度传感器的初始角度号确定方法是：由2N个滚珠开关组成的角度传感器，有连续编号的N－1个滚珠开关断开、N个滚珠开关断开、N＋1个滚珠开关断开等三种初始状态，在该三种初始状态的任何一种情况中，取连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的初始角度号。

⑷ 角度传感器旋转时角度号的确定方法

如图4所示的角度传感器处于角度1状态，图6所示的角度传感器处于角度2状态。角度传感器由角度1转换到角度2，或者是由角度2转换到角度1的过程中，会经历图5所示的过度状态，此时开关1和开关5的状态有4种可能性：① 开关1断开、开关5接通，则角度传感器处于角度1状态；② 开关1断开、开关5断开，不改变角度传感器的当前状态，如果角度传感器是顺时针旋转由角度1转换到角度2，则此时仍处于角度1状态；如果角度传感器是逆时针旋转由角度2转换到角度1，则此时仍处于角度2状态；③ 开关1接通、开关5接通，不改变角度传感器的当前状态，如果角度传感器是顺时针旋转由角度1转换到角度2，则此时仍处于角度1状态；如果角度传感器是逆时针旋转由角度2转换到角度1，则此时仍处于角度2状态；④ 开关1接通、开关5断开，则角度传感器处于角度2状态。由8个滚珠开关组成的角度传感器旋转时，只有在连续断开的滚珠开关数量和连续接通的滚珠开关数量同为4个时，才确定连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的新角度号。所述角度确定方法在过度状态的滚珠开关断开/接通转换时间有差异时，不改变角度传感器的当前角度号，提高了角度传感器的抗干扰能力。

同样地，如图3所示的由12个滚珠开关组成的角度传感器，初始角度号确定后，只有在连续断开的滚珠开关数量和连续接通的滚珠开关数量同为6个时，才确定连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的新角度号。

对于由2N个滚珠开关组成的角度传感器，初始角度号确定后，只有在连续断开的滚珠开关数量和连续接通的滚珠开关数量同为N个时，才确定连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的新角度号。

Claims (5)

1.一种角度传感器，其特征在于：

由2N个滚珠开关组成；2N个滚珠开关顺时针依次沿圆周按照触发端在前、稳定端在后的方向安装，或者是采用顺时针依次沿圆周按照稳定端在前、触发端在后的方向安装；2N个滚珠开关沿圆周均匀分布； 

所述角度传感器安装时，旋转轴应该平行于水平面。

2.根据权利要求1所述的一种角度传感器，其特征在于：所述滚珠开关是倾斜感应、单方向触发导通型滚珠开关。

3.根据权利要求2所述的一种角度传感器，其特征在于：所述N的数值为4、5、6三者之一。

4.一种权利要求1－3任一项所述角度传感器的角度测量方法，其特征在于：

包括，

A、滚珠开关断开状态与接通状态的判定方法是，利用开关电平转换电路，将滚珠开关的通断状态转换成相应的电平信号，该电平信号作为触发信号输出；在检测时间区间之内，滚珠开关一直没有输出触发信号，则判定为断开状态，否则判定为接通状态；

B、角度传感器用角度号来表示当前的旋转角度与位置，角度号的定义方法是，由2N个滚珠开关组成的角度传感器共有2N个角度号，每个角度号对应360°/2N区间的旋转角度；角度传感器中的滚珠开关按照安装顺序从1至2N依次编号；在角度传感器处于每个角度号对应的旋转角度区间的中心位置时，有N个连续编号的滚珠开关断开，N个连续编号的滚珠开关接通，取连续断开的N个滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的角度号；滚珠开关编号首尾循环相接时，开关2N在开关1之前；

C、角度传感器的初始角度号确定方法是，由2N个滚珠开关组成的角度传感器，有连续编号的N－1个滚珠开关断开、N个滚珠开关断开、N＋1个滚珠开关断开等三种初始状态，在该三种初始状态的任何一种情况中，取连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的初始角度号；

D、角度传感器旋转时角度号的确定方法是，由2N个滚珠开关组成的角度传感器，初始角度号确定后，只有在连续断开的滚珠开关数量和连续接通的滚珠开关数量同为N个时，才确定连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的新角度号。

5.根据权利要求4所述的一种角度传感器，其特征在于：所述检测时间区间的长短根据滚珠开关在轻微震动状态下的连续通/断周期来确定。

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