CN104330100B - 一种确定角度位置的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用光电元件检测角度位置的装置。其目的是为了提供一种结构简单、成本低、检测精度高的一种确定角度位置的测量装置。本发明一种确定角度位置的测量装置，包括传感器板、遮光片、四个光电池和光源，所述传感器板上开设有通孔，所述四个光电池两两一组以通孔中心线中心对称安装在传感器板上，待检测电机的电机轴穿过通孔，所述光源安装在电机轴的轴心线延长线上，所述遮光片分为两个扇形遮板，两个所述扇形遮板以电机轴轴心为圆心且以电机转轴轴心中心对称分布，所述遮光片位于光电池与光源之间，所述四个光电池均为矩形，所述光源投射在光电池上的光斑直径不大于所述遮光片的扇形遮片外沿的直径。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测装置，特别是涉及一种利用光电元件检测角度位置的装置。
背景技术
角度位置检测装置主要用来对旋转部件进行角度的精确测量，涉及大量工程应用。比如对摆动电机进行转子位置测量等。测角装置的实现方式有许多种，每种方式各有优缺点，需要针对不同应用特点选择不同的测角方式。随着激光振镜在工业制造、医疗美容和科研军事领域应用范围的不断扩大，作为激光振镜的核心组件“扫描电机”起到了越来越重要的作用。在扫描电机的实际使用过程中，角度位移传感器是一种利用电机轴的角度变化来检测镜片摆动位置，从而将位置信号采集到运算控制系统中的装置。
旋转变压器测角装置因为对磁场敏感而不适于某些工业环境，利用滑动变阻器测角也因为接触电阻及寿命问题不能在许多场合应用。而目前国内整个激光行业所使用的扫描电机，大多是采用电容式角度位移传感器，装配工艺复杂、体积大、抗温漂性能差、速度低、故障率高，并且蝴蝶形电容介质片具有不可忽略的转动惯量，当电机朝微型化发展时，成为电机速度的一个重要的制约因素，只能适合在中低端打标市场中使用，不能满足所有客户的运用需求。特别在高精度的光纤激光打标、小体积的医疗美容以及OCT眼科设备等应用领域，传统电容传感器因为重复定位精度低、抗干扰能力差等缺点，已越来越不能满足高端行业的需求。
欧美国家的扫描电机均采用专业定制的扇形结构光电池作为其位置检测装置，参见美国专利US5844673公开了一种确定旋转元件角度位置的检测装置，其中采用的四个扇形的光电池作为光源接收装置，光源与光电池之间设置有蝶形遮光片，蝶形遮光片安装在电机轴端部，当电机轴转动时带动遮光片旋转，随着遮光片旋转，光电池表面接收光线的区域面积发生线性变化，从而产生的输出电流也发生变化，根据光电池输出电流值可以检测到电机轴旋转的角度位置。这种检测装置需要定制特殊的扇形光电池，定制的成本较高，并且扇形的全相大小不能做的太宽，因为多余的暴露区域会产生不必要的系统噪音，因此对扇形光电池的加工和安装都提出了很高的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、检测精度高的一种确定角度位置的测量装置。
本发明一种确定角度位置的测量装置，包括传感器板、遮光片、四个光电池和光源，所述传感器板上开设有通孔，所述四个光电池两两一组以通孔中心线中心对称安装在传感器板上，待检测电机的电机轴穿过通孔，所述光源安装在电机轴的轴心线延长线上，所述遮光片分为两个扇形遮板，两个所述扇形遮板以电机轴轴心为圆心且以电机转轴轴心中心对称分布，所述遮光片位于光电池与光源之间，所述四个光电池均为矩形，所述光源投射在光电池上的光斑直径不大于所述遮光片的扇形遮片外沿的直径；所述光源安装在光电端盖内，所述光电端盖固定安装在电机壳底部，所述光电端盖光源发射孔为锥形孔，且该锥形孔锥度不大于(R-r)/H，其中R为遮光片的扇形遮片外沿的直径，r为光源的直径，H为光源与光电池的垂直距离。
本发明一种确定角度位置的测量装置，其中所述光源的引线焊接于传感器板上。
本发明一种确定角度位置的测量装置，其中所述光电端盖的材料为黑色工程塑料。
本发明一种确定角度位置的测量装置，其中所述光电池采用四象限光敏二极管。
本发明一种确定角度位置的测量装置，其中所述遮光片与光电池之间的距离为0.2mm～0.4mm。
本发明一种确定角度位置的测量装置，其中所述遮光片的材料为合金钢片。
本发明一种确定角度位置的测量装置，其中所述电机轴通过轴承安装在电机壳内，所述传感器板固定安装在电机壳底部。
本发明一种确定角度位置的测量装置与现有技术不同之处在于：其一，本发明对安装在传感器板上的光电池的形状进行了改变，本发明的光电池改变为普通的矩形；其二，本发明对光源的投射范围进行了限定，本发明使用的光源投射在光电池上的光斑直径控制为不大于所述遮光片的扇形遮片外沿的直径。首先从本发明技术效果来讲：由于将光斑大小控制在遮光片的扇形遮片外沿的直径范围内，故即便光电池变为了普通的矩形，在实际检测时，光电池暴露在光照范围内的部分仍然呈线性变化，不会产生系统噪音，或产生的系统噪音在允许的范围内，继续保持了工业制造行业高精度的打标性能和医疗科研等应用领域长时间工作的稳定性。其次从本发明的技术难度上来讲：一方面，本发明采用的普通的矩形光电池在加工难度上较现有的扇形光电池容易很多，且安装难度上也有很大降低；另一方面，将光斑大小控制在遮光片的扇形遮片外沿的直径范围内的技术也是很容易实现的。最后，从本发明的生产成本来讲：由于本发明的检测装置采用的是普通的矩形光电池，节省了2/3的生产费用。
本发明将光斑大小控制在遮光片的扇形遮片外沿的直径范围内是通过如下方式实现的：光电端盖光源发射孔为锥形孔，且该锥形孔锥度不大于(R-r)/H，其中R为遮光片的扇形遮片外沿的直径，r为光源的直径，H为光源与光电池的垂直距离，由于光电端盖为注塑成型的，所以，很容易计算出光电端盖的形状参数，相较于扇形光电池的技术，节约了生产成本，降低了生产难度，提高了工作效率。
下面结合附图对本发明一种确定角度位置的测量装置作进一步说明。
附图说明
图1为本发明一种确定角度位置的测量装置的主视剖视图；
图2为本发明一种确定角度位置的测量装置中传感器板的仰视图；
图3为本发明一种确定角度位置的测量装置中遮光片的仰视图；
图4为本发明一种确定角度位置的测量装置中光源投射在光电池上的光斑位置示意图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，本发明一种确定角度位置的测量装置包括传感器板1、合金钢片材质遮光片3、四个矩形光电池9、10、11、12和一个光源6。传感器板1上开设有通孔8，光电池9、10、11、12采用四象限光敏二极管，四个光电池9、10、11、12两两一组以通孔8中心线中心对称安装在传感器板1上，传感器板1固定安装在电机壳2底部。待检测电机的电机轴4穿过通孔8通过轴承安装在电机壳2内，光源6安装在电机轴4的轴心线延长线上。遮光片3分为两个扇形遮板，两个扇形遮板以电机轴4轴心为圆心且以电机轴4轴心中心对称分布，遮光片3位于光电池9、10、11、12与光源6之间，遮光片3与光电池9、10、11、12之间的距离为0.2mm～0.4mm。光源6安装在黑色工程塑料材质的光电端盖5内，光电端盖5固定安装在电机壳2底部，光源6的引线7焊接于传感器板1上；光电端盖5光源发射孔51为锥形孔，且该锥形孔锥度不大于(R-r)/H，其中R为遮光片3的扇形遮片外沿的直径，H为光源6与光电池9、10、11、12的垂直距离，由此参数关系可以得知，如图4所示，光源6投射在光电池9、10、11、12上的光斑13直径不大于遮光片3的扇形遮片外沿的直径。
当启动电机时，光源6透过光源发射孔51在四个光电池9、10、11、12上形成一个光斑13，且该光斑13的直径小于遮光片3的外沿直径，随着电机轴4带动遮光片3转动，两个对角的光电池9、11上的光斑面积增大，另外两个对角的光电池10、12上的光斑面积减小，由于四片光电池9、10、11、12对角并联，因此互为对角的光电池9、10、11、12各形成一个传感器对，其中一个传感器对的输出增长时，另一个传感器对的输出会减小。两个传感器对的输出分别接至一个差分放大器的两个输入端，就会输出与电机轴4角度呈线性变化的双极性电信号，由此就可以测定电机轴4的角度位置。
本发明的光源发射孔51为锥形孔，且该锥形孔锥度不大于(R-r)/H，其中R为遮光片3的扇形遮片外沿的直径，r为光源6的直径，H为光源6与光电池9、10、11、12的垂直距离，由于光电端盖5为注塑成型的，所以，很容易计算出光电端盖5的形状参数，相较于扇形光电池的技术，节约了生产成本，降低了生产难度，提高了工作效率。基于光源6投射光斑13大小控制在遮光片3的扇形遮片外沿的直径范围内，将安装在传感器板1上的光电池9、10、11、12的形状设置为普通的矩形，其在加工难度上较现有的扇形光电池容易很多，且安装难度上也有很大降低；而且在实际检测时，光电池9、10、11、12暴露在光照范围内的部分仍然呈线性变化，不会产生系统噪音，或产生的系统噪音在允许的范围内，继续保持了工业制造行业高精度的打标性能和医疗科研等应用领域长时间工作的稳定性。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种确定角度位置的测量装置，包括传感器板、遮光片、四个光电池和光源，所述传感器板上开设有通孔，所述四个光电池两两一组以通孔中心线中心对称安装在传感器板上，待检测电机的电机轴穿过通孔，所述光源安装在电机轴的轴心线延长线上，所述遮光片分为两个扇形遮板，两个所述扇形遮板以电机轴轴心为圆心且以电机转轴轴心中心对称分布，所述遮光片位于光电池与光源之间，其特征在于：所述四个光电池均为矩形，所述光源投射在光电池上的光斑直径不大于所述遮光片的扇形遮片外沿的直径；所述光源安装在光电端盖内，所述光电端盖固定安装在电机壳底部，所述光电端盖光源发射孔为锥形孔，且该锥形孔锥度不大于(R-r)/H，其中R为遮光片的扇形遮片外沿的直径，r为光源的直径，H为光源与光电池的垂直距离。
2.根据权利要求1所述的一种确定角度位置的测量装置，其特征在于：所述光源的引线焊接于传感器板上。
3.根据权利要求2所述的一种确定角度位置的测量装置，其特征在于：所述光电端盖的材料为黑色工程塑料。
4.根据权利要求1所述的一种确定角度位置的测量装置，其特征在于：所述光电池采用四象限光敏二极管。
5.根据权利要求1所述的一种确定角度位置的测量装置，其特征在于：所述遮光片与光电池之间的距离为0.2mm～0.4mm。
6.根据权利要求1所述的一种确定角度位置的测量装置，其特征在于：所述遮光片的材料为合金钢片。
7.根据权利要求1至6之一所述的一种确定角度位置的测量装置，其特征在于：所述电机轴通过轴承安装在电机壳内，所述传感器板固定安装在电机壳底部。
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