CN108981664A - 一种光电式闭环倾角传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光电式闭环倾角传感器，所述传感器包括：弹性体、基座、电路板、电磁线圈、永磁铁、光电二极管、定位销；所述电磁线圈对称设置在所述永磁铁的两侧，所述两个电磁线圈电流流向相反，当所述质量块向一侧倾斜时，远离所述质量块的所述电磁线圈与所述永磁体产生吸力，靠近所述质量块的所述电磁线圈与所述永磁体产生排斥力，所述质量块受到排斥力作用回到平衡位置。实现一种测量范围约‑90°～+90°的大量程角度测量的倾角传感器，将电磁反馈与光电式倾角传感器结合的闭环式倾角传感器，提高了检测的精度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种光电式闭环倾角传感器。
背景技术
倾角传感器是用于测量相对于水平面倾斜角的装置，在机械工程、土木建筑、地质探测、军工、航天等工程领域有着广泛的应用。
目前，现有的倾角传感器从原理上可分为：固定摆式、液体摆式和气体摆式三种。
固体摆式倾角传感器基于惯性原理，实质是一种加速度传感器，应用的理论基础就是牛顿第二定律。虽然能够有效的测出被测物的倾斜程度，但由于积分效应造成的累积误差问题与加速度造成的附加动态信号问题，都限制了倾角传感器的推广。
光电式倾角传感器是一种将光电检测与弹性敏感元件相结合的传感器。现有的光电检测方法具有灵敏度高、反应快、非接触的优点，而且可测参数多。弹性体是由弹性材料制成的敏感元件，能够将力、压力、力矩、振动等被测量转换成应变量或者位移量。弹性体具有结构简单、变化范围广、寿命长、频响特性好的优点。
但现有技术中，没有将光电检测与弹性体结合起来用于测量倾角的传感器。
传统的传感器是开环系统，总灵敏度为各环节灵敏度之积，总相对误差为各环节相对误差之和。因此，每个环节的相对误差对系统总相对误差的影响是等权的。为了保证系统的总精度，必须降低每一环节的误差。若串联环节越多，给每一环节的允许误差就越小，设计以及加工制造也就越困难。所以，现有技术中的传感器必须在保证加工精度的同时简化结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高检测精度的光电式闭环倾角传感器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光电式闭环倾角传感器，所述传感器包括：弹性体、基座、电路板、电磁线圈、永磁铁、光电二极管、定位销；
所述弹性体包括：薄壁圆柱底座、弹性梁、质量块；
所述弹性体通过所述定位销固定在所述基座内；
所述薄壁圆柱底座的中心设置有所述弹性梁；所述薄壁圆柱底座的内部设置有所述电路板；
所述质量块设置在所述薄壁圆柱底座上；
所述基座的两个互相垂直的侧面设置有对称的第一组孔和第二组孔；
在所述第一组孔内安装所述光电二极管，在所述第二组孔内安装电磁线圈；
所述质量块的上端两侧对称开出两个圆柱孔，所述两个圆柱孔用于安装所述永磁铁；
所述电磁线圈对称设置在所述永磁铁的两侧，所述两个电磁线圈电流流向相反，当所述质量块向一侧倾斜时，远离所述质量块的所述电磁线圈与所述永磁体产生吸力，靠近所述质量块的所述电磁线圈与所述永磁体产生排斥力，所述质量块受到排斥力作用回到平衡位置。
可选的，所述传感器还包括：外壳、顶盖、温度传感器、沉头螺钉；
所述顶盖设置在所述基座的上表面，所述外壳用于密封所述基座的外表面；
所述温度传感器设置在所述电磁线圈的内部，所述温度传感器检测所述电磁线圈因电流变化所产生的温度变化；
所述弹性体、所述基座和所述外壳用所述沉头螺钉固定连接。
可选的，所述质量块还包括：挡光板，所述挡光板设置在所述质量块的下端，所述挡光板挡住两对所述光电二极管的右半部分和左半部分。
可选的，所述弹性梁的厚度为0.4mm。
可选的，所述电路板具体包括：电压检测与放大电路、PID调节与驱动电路、模数转换电路、主控芯片电路和温度补偿电路。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种光电式闭环倾角传感器，所述传感器包括：弹性体、基座、电路板、电磁线圈、永磁铁、光电二极管、定位销；所述电磁线圈对称设置在所述永磁铁的两侧，所述两个电磁线圈电流流向相反，当所述质量块向一侧倾斜时，远离所述质量块的所述电磁线圈与所述永磁体产生吸力，靠近所述质量块的所述电磁线圈与所述永磁体产生排斥力，所述质量块受到排斥力作用回到平衡位置。将电磁反馈与光电式倾角传感器结合的闭环式倾角传感器，提高了检测的精度，简化了传感器的结构。
所述的弹性体底端的质量块在传感器偏转时，因重力使弹性梁发生变形，从而使质量块产生偏移，进而分别增大和减小左右两端接收二极管接收光的光强。光强信号转化为电信号放大后传输至电磁线圈产生与质量块偏移方向相反的平衡力，使质量块从新回到平衡位置。通过模数转换转换标定后可以得到传感器的偏转角度，通过电磁反馈可以对传感器进行闭环控制，提高传感器的测量精度。本发明实现一种测量范围约-90°～+90°的大量程角度测量的倾角传感器。
所述传感器将光电检测技术与弹性体形变相结合，以弹性体形变量表征倾角量，利用光电检测倾角量，光电检测输出的电信号经运算放大后便于直接测量，电磁线圈带动所述质量块，使之形变恢复作为实现闭环电磁反馈，基于电磁反馈来消减振动或噪声误差，提高传感器测量的精度和动态特性。
采用光电检测实现了所述传感器的响应快、精度高、误差小、结构简单、体积小、线性度好、测量误差范围较大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种光电式闭环倾角传感器的主视图；
图2为本发明提供的一种光电式闭环倾角传感器的侧视图；
图3为本发明提供的弹性体的结构图；
图4为本发明提供的基座的结构图；
图5为本发明提供的挡光板初始位置图；
图6为本发明提供的电路控制的原理图；
图7为本发明提供的一种光电式闭环倾角传感器偏转结构图；
图8为本发明提供的一种光电式闭环倾角传感器方向桥电路图；
图9为本发明提供的一种光电式闭环倾角传感器倾角桥电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种能够提高检测精度的光电式闭环倾角传感器。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图4所示，一种光电式闭环倾角传感器，所述传感器包括：弹性体1、基座2、电路板5、电磁线圈6、永磁铁7、光电二极管9、定位销11；
所述弹性体1包括：薄壁圆柱底座12、弹性梁13、质量块14；所述弹性梁的厚度为0.4mm；
所述弹性体1通过所述定位销11固定在所述基座2内；
所述薄壁圆柱底座12的中心设置有所述弹性梁13；所述薄壁圆柱底座12的内部设置有所述电路板5；
所述质量块14设置在所述薄壁圆柱底座12上；
所述基座2的两个互相垂直的侧面设置有对称的第一组孔15和第二组孔16；
在所述第一组孔15内安装所述光电二极管9，在所述第二组孔16内安装电磁线圈6；
所述质量块14的上端两侧对称开出两个圆柱孔，所述两个圆柱孔用于安装所述永磁铁7；
所述电磁线圈6对称设置在所述永磁铁7的两侧，所述两个电磁线圈6电流流向相反，当所述质量块14向一侧倾斜时，远离所述质量块14的所述电磁线圈6与所述永磁体7产生吸力，靠近所述质量块14的所述电磁线圈6与所述永磁体7产生排斥力，所述质量块14受到排斥力作用回到平衡位置。
如图1所示，所述传感器还包括：外壳3、顶盖4、温度传感器8、沉头螺钉10；
所述顶盖4设置在所述基座2的上表面，所述外壳3用于密封所述基座2的外表面；
所述温度传感器8设置在所述电磁线圈6的内部，所述温度传感器8检测所述电磁线圈6因电流变化所产生的温度变化；所述温度传感器8安装在所述电磁线圈6内部，用来补偿所述传感器因温度变化而产生的漂移。
所述电磁线圈6安装在左右对称的所述永磁铁7两侧，用来平衡所述质量块14因重力偏移所产生的力。
所述弹性体1、所述基座2和所述外壳3用所述沉头螺钉10固定连接。
所述弹性体1由1Cr18Ni9Ti制造，保证弹性体热处理后屈服强度高于200Mpa。并具备一定的力学性能、抗弹减性能、疲劳性能以及物理化学性能(无磁、耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)，从而保证所述发明传感器能够适应较为普遍的测量环境，进一步降低测量环境的影响。
所述外壳3由2AL2铝制造，在于相对完全密封保证传感器内部的光电二极管对的光电效应不受外部环境影响。
所述基座2由夹布胶木材料制造，绝缘电阻很大，防止与光电二极管对的连线发生短路现象。
如图2所示，所述质量块14还包括：挡光板17，所述挡光板17设置在所述质量块14的下端，所述挡光板17挡住两对所述光电二极管9的右半部分和左半部分。经实验标定，所述挡光板17左端与所述第一组孔孔15左端距离b＝2.15mm时，所述挡光板17左右偏移时产生的电压差线性度最好。
所述电路板5具体包括：电压检测与放大电路、PID调节与驱动电路、模数转换电路、主控芯片电路和温度补偿电路。
所述质量块14上部分是方块，下部分是十字结构，既保证了质量块具有足够的质量，又使得光电二极管对之间的距离足够小，提高测量精度。
所述弹性体2中间弹性梁厚度为0.4mm，既保证弹性梁的力学性能，同时也能使挡光板最大偏移达到0.03mm。
所述质量块14上端两侧对称处镶嵌两片永磁铁，用于配合电磁线圈产生平衡力。
所述薄壁圆柱底座12内部安装所述电路板5，使所述电路板5与所述弹性体1成为一个整体，从而有效地降低外界的影响。
所述电磁线圈6对称的安装在所述永磁铁7两侧，且电流流向相反，当所述质量块14向一侧倾斜时，远离所述质量块14的所述电磁线圈6与所述永磁体7产生吸力，靠近所述质量块14的所述电磁线圈6与所述永磁铁7产生斥力，从而提高了电磁反馈产生的平衡力。
所述温度传感器8安装在线圈架内部，用于检测所述电磁线圈6因电流变化所产生的温度变化。
所述光电二极管9安装于所述基座2的两对孔中，保证装配后同一对所述光电二极管9对的发射管91与接收管92的中心线位于同一轴线上，所述质量块14下端所述挡光板17挡住两所述光电二极管9对的右半部分和左半部分；初始位置b＝2.15mm，所述挡光板17左右偏移时产生的电压差线性度最好。
所述弹性体1、基座2、与外壳3用个沉头螺钉固定连接。装配务必使得薄壁圆柱底座12底端两导线孔与所述基座2导线孔对齐，定位销孔与所述基座2定位销孔对齐，侧面导线孔与所述外壳3导线孔对齐。
所述传感器的工作原理具体如下：
当倾角传感器倾斜时，所述质量块14因为重力使得弹性梁变形，所述质量块14向右倾斜。当所述质量块14向右倾斜时，所述图1中左端所述接收二极管92接收到的光强变强，右端所述接收二极管92接收到的光强变弱，所述光电二极管9连接差动电路，所输入的是两所述接收二极管92接收到的光强的差值，这样有效提高所述传感器的抗干扰能力，响应快，提高了测量的可靠性。
测量倾角时，所述传感器偏转造成所述质量块14偏转，遮挡的光通量发生改变，左端所述接收二极管92接收的光强变强，右端所述接收二极管92接收的光强变弱，由于所述光电二极管9的光电效应，所述光电二极管9的电阻发生改变；然而不同倾角所造成所述质量块14端输出角度不同，遮挡的光通量也不同，因此得到不同的测量角度。
所述光电二极管9接收到的光强变化信号转换成电压信号传输到所述电路板5中，经过运算电路运算放大后驱动所述电磁线圈6产生与所述质量块14倾斜方向相反的平衡力，使得所述质量块14重新回到平衡位置，此时输出的电压信号经过A/D数模转换后在上位机系统中直接读取出来。
电路原理图如图6、图8、图9所示，所述传感器的主体结构采用薄壁柔性梁支撑铁磁性质量块的对称结构形式，具有水平和垂直两个方向的弹性支撑刚度。在所述传感器安装座发生倾斜时，所述质量块14在重力的作用下，沿水平和垂直方向产生偏移。测量所述质量块14两方向的偏移采用成对使用的光敏电阻作为敏感元件。光敏电阻的阻值随光照强度的变化而反向变化。当所述质量块14在垂直方向发生偏移时，光敏电阻R1和R2的阻值相互反向变化。当所述质量块14在水平方向发生偏移时，光敏电阻R3和R4的阻值相互反向变化。因此每个质量块14后侧的每一对光敏电阻的阻值按照差动方式变化。将每对光敏电阻设计为电压桥电路中的一对对边电阻，另一对对边电阻为定值电阻。则桥电路的输出电压与所述质量块14的偏移量成比例。把方向桥电路的输出电压进行运算放大，可判断出倾角传感器是否处于倒置状态；把倾角桥电路的输出电压进行运算放大并在必要时进行功率放大，并把放大后的倾角桥电路电压作为所述电磁线圈6的可调电压电源，则所述电磁线圈6产生的电磁力与其施加的电源电压成正比。在电磁力作用下，所述质量块14被拉回平衡位置。当所述质量块14被稳定控制在其平衡位置时，则所述电磁线圈6的控制电压与所述质量块14的倾斜角度成比例。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种光电式闭环倾角传感器，其特征在于，所述传感器包括：弹性体、基座、电路板、电磁线圈、永磁铁、光电二极管、定位销；
所述弹性体包括：薄壁圆柱底座、弹性梁、质量块；
所述弹性体通过所述定位销固定在所述基座内；
所述薄壁圆柱底座的中心设置有所述弹性梁；所述薄壁圆柱底座的内部设置有所述电路板；
所述质量块设置在所述薄壁圆柱底座上；
所述基座的两个互相垂直的侧面设置有对称的第一组孔和第二组孔；
在所述第一组孔内安装所述光电二极管，在所述第二组孔内安装电磁线圈；
所述质量块的上端两侧对称开出两个圆柱孔，所述两个圆柱孔用于安装所述永磁铁；
所述电磁线圈对称设置在所述永磁铁的两侧，所述两个电磁线圈电流流向相反，当所述质量块向一侧倾斜时，远离所述质量块的所述电磁线圈与所述永磁体产生吸力，靠近所述质量块的所述电磁线圈与所述永磁体产生排斥力，所述质量块受到排斥力作用回到平衡位置。
2.根据权利要求1所述的一种光电式闭环倾角传感器，其特征在于，所述传感器还包括：外壳、顶盖、温度传感器、沉头螺钉；
所述顶盖设置在所述基座的上表面，所述外壳用于密封所述基座的外表面；
所述温度传感器设置在所述电磁线圈的内部，所述温度传感器检测所述电磁线圈因电流变化所产生的温度变化；
所述弹性体、所述基座和所述外壳用所述沉头螺钉固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种光电式闭环倾角传感器，其特征在于，所述质量块还包括：挡光板，所述挡光板设置在所述质量块的下端，所述挡光板挡住两对所述光电二极管的右半部分和左半部分。
4.根据权利要求1所述的一种光电式闭环倾角传感器，其特征在于，所述弹性梁的厚度为0.4mm。
5.根据权利要求1所述的一种光电式闭环倾角传感器，其特征在于，所述电路板具体包括：电压检测与放大电路、PID调节与驱动电路、模数转换电路、主控芯片电路和温度补偿电路。
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- 2018-08-03 CN CN201810875154.3A patent/CN108981664B/zh not_active Expired - Fee Related
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