CN104515496B - 一种新型测角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测角传感器，包括基圆主体、测距传感器和渐开线曲面，渐开线曲面设置在基圆主体的轴侧，测距传感器设置在能够测定渐开线曲面距离变化的位置。本发明基于渐开线生成原理，通过测量渐开线发生线长度变化实现角度测量。角度变化后，测距传感器测量长度变化为λ，根据公式即可求的角度变化量。本发明的测角传感器通过测量渐开线发生线的长度变化获取对应角度变化值，该传感器结构简单，测角精度高，易于实现批量制造。

Description

一种新型测角传感器

技术领域

本发明与几何量测量有关，具体涉及一种新型测角传感器，属于精密测试技术及仪器领域。

背景技术

角传感器是一种常用的几何量传感器，在航空航天、工业生产、机械制造以及军事科学等很多领域中都有广泛的使用。目前市场上主流的测角传感器有光电编码器、旋转变压器及圆盘式感应同步器。

光电编码器俗称圆光栅，其利用圆光栅产生的莫尔条纹以及光电转换技术将角度信息以脉冲量的形式输出。与其它测角传感器相比，圆光栅具有体积小、重量轻、测角精度高、响应速度快、抗干扰能力强、使用方便等优点，在精密测量领域得到广泛应用。但由于圆光栅制造工艺采用光刻工艺的原因，圆周刻线数越多，测量精度也越高，其制造难度大，成本高，造成圆光栅价格居高不下。特别对于小型精密仪器而言，半径小的情况下很难提高圆光栅的测量精度。

旋转变压器俗称旋变是一种输出电压随转子转动角度变化而变化的测角元件。它具有坚固、耐热、耐冲击、抗干扰能力强、响应速度快、制造成本低等优点，广泛应用与工业生产各领域。旋转变压器的种类很多，其中应用最广泛的是正余弦旋转变压器。其原理相当于一个能够转动的变压器，定子与转子之间随着角度变化输出与转子转动角度相关的正余弦信号。该类旋转变压器的测角精度通常在5角秒至10角秒量级。

圆盘式感应同步器是一种基于电磁感应原理的角度传感器。圆盘式感应同步器的转子共有N个导片。当转子转过角度θ时，定子绕组A和B分别感应输出相应感应电动势。感应同步器有鉴幅型和鉴相型两种工作方式。圆盘式感应同步器具有较高精度和分辨力、抗干扰能力强、使用寿命长、成本较低、维护简单等特点。

三类角度传感器中，圆光栅的优点是测量的动态性好、抗干扰能力强、测角精度高，缺点是对机械轴线的加工精度和安装精度要求高，其价格也相对较高。旋转变压器的优点是成本低，加工精度与安装精度低，缺点是测量精度相对较低。圆盘式感应同步器测优点是制造成本低、测量精度较高、加工精度与安装精度低的特点。

当前测角精度最高的圆光栅，由于光刻工艺的限制，造成圆光栅测角精度很难再有提升，特别是对于小半径圆光栅，其测角精度在很多精密测量仪器中已经成为限制仪器精度的关键因素。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中小体积的角传感器测量精度难以再有提升的不足，提供一种新型测角传感器。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种测角传感器，包括基圆主体、测距传感器和渐开线曲面，渐开线曲面设置在基圆主体的轴侧，测距传感器设置在能够测定渐开线曲面距离变化的位置上。进一步，所述基圆主体为圆柱体，渐开线曲面是附着在其上的曲面，渐开线曲面。渐开线曲面，具有渐开线的特点，是由基圆主体衍生而出的结构，能够方便测距传感器进行跤变化的测定。

当本发明的测角传感器工作时，基圆主体转动的角度先传递到渐开线曲面上，然后测距传感器测得到渐开线曲面到测距传感器测试点的距离变化，距离变化的大小对应相应的角度变化。基于渐开线生成原理，通过测量渐开线发生线长度变化实现角度测量，其测量原理如图1所示：角度变化α后，测距传感器测量长度变化为λ。根据公式λ/r_b即可求的角度变化α，其中r_b为基圆半径。本发明的测角传感器通过测量渐开线发生线的长度变化获取对应角度变化值，该传感器结构简单，测角精度高，易于实现批量制造。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的测角传感器通过测量渐开线发生线的长度变化获取对应角度变化值，该传感器结构简单，测角精度高，易于实现批量制造。

附图说明：

图1是角度测量原理图。

图2是渐开线曲面分布原理图。

图3是齿面数据匹配示意图。

图中标记：r_a-渐开线的最大半径，r_b-基圆半径，α-基圆转动角度，

具体实施方式

本发明可以根据需求选用不同的测距传感器，测角精度与渐开线加工精度以及测距传感器精度有关。以直径10mm的基圆为例。0.1μm的测距误差对应角度误差为：

这么小直径的圆光栅现有技术是很难实现加工制造的。

对于大直径角度传感器而言，本发明的测量精度同样极高。以直径500mm的测角传感器而言，以500mm基圆半径计算，0.1μm的测距误差对应角度误差为：

这么大直径的圆光栅，精度达到±0.08"，现有技术是很难实现加工制造的。

进一步，所述测距传感器可以为接触式测头，也可以为非接触式测头。如激光干涉式测距传感器、超声波测距传感器、红外线测距传感器。

进一步，渐开线曲面有多个，优选多个渐开线曲面为等角度分布或均匀分布。

进一步，渐开线的个数为n时，渐开线的最大半径

进一步，为避免单一渐开线仅能测量小范围角度，本发明还可以设计渐开线曲面有多个。优选的，这些渐开线曲面的分布为等角度分布。如图2所示，设计等角度分布渐开线结构，渐开线的个数为n，则渐开线最大半径为实际r_a可以适当取大一些，按计算出理论r_a，在此基础上r_a增加10％-50％幅度，如20％、30％、40％。即

进一步，测距装置安装在渐开线的发生线方向上，优选测距装置测距方向线处于渐开线的发生线的延长线上。此时测距线与渐开线之间处于垂直或接近垂直的状态，测试结果准确可靠。更优选的，测距装置为激光测距装置、超声波测距传感器或红外线测距传感器。采用激光测距装置在渐开线的发生线的延长线上进行测试，通过激光干涉仪实现距离的测定。即此时的测距装置测距线与基圆相切。

进一步，渐开线呈曲面结构螺旋附着在基圆柱体上。

进一步，在渐开线曲面附近设有多个测距装置。

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

首先根据需要选择合适的测距传感器，以激光干涉测距为例进行说明。根据渐开线方程生成直角坐标系下渐开线各点X与Y坐标，以线切割机加工生成渐开线曲面。一次加工可以批量生成若干相同精度相同尺寸的渐开线曲面。将激光干涉测距装置安装在渐开线的发生线方向，即激光干涉测距装置的测量激光与基圆相切。此时激光处于渐开线的发生线延长线上。此时通过测量激光干涉仪的距离变化即可获得对于角度变化值。角度变化α后，测距传感器测量长度变化为λ。根据公式λ/r_b即可求的角度变化α，其中r_b为基圆半径。

实施例2

渐开线分布为等角度分布，如图2所示，渐开线有多个，总数为n＝11，则渐开线理论最大半径为r_a根据公式计算。实际r_a可以适当取大一些，增加20％取理论计算值的1.2倍。

如图3所示，渐开线是线切割机加工生成的曲面结构，曲面结构呈现螺旋上升式样，设置多个对称的螺旋上升式曲面，具有多个渐开线结构部分，相应的设置多个测距传感器，同时测定距离变化，得到多个数据，然后处理得到精确的角度变化值。

进一步，在同一个渐开线曲面上设置有多个测距传感器，同时测定距离变化，同时测定求解平均的值。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种测角传感器，包括基圆主体、测距传感器和渐开线曲面，渐开线曲面有多个，渐开线曲面设置在基圆主体的轴侧，测距传感器设置在能够测定渐开线曲面距离变化的位置；

所述基圆主体为圆柱体，渐开线曲面是附着在其上的曲面；

所述多个渐开线曲面为等角度分布或均匀分布；

渐开线的个数为n时，渐开线的最大半径；为基圆半径。

2.根据权利要求1所述测角传感器，其特征是，所述测距传感器为接触式测头。

3.根据权利要求1所述测角传感器，其特征是，所述测距传感器为非接触式测头。

4.根据权利要求3所述测角传感器，其特征是，所述测距传感器为激光干涉式测距传感器、超声波测距传感器或红外线测距传感器。

5.根据权利要求1所述测角传感器，其特征是，渐开线的最大半径范围是的1.2倍到1.5倍。

6.根据权利要求1所述测角传感器，其特征是，测距装置安装在渐开线的发生线方向上。

7.根据权利要求6所述测角传感器，其特征是，测距装置测距方向线处于渐开线的发生线的延长线上。

8.根据权利要求1所述测角传感器，其特征是，渐开线呈曲面结构螺旋附着在基圆主体上。