CN108982899B - 一种力平衡式闭环角速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种力平衡式闭环角速度传感器。所述传感器包括：外壳、设置在所述外壳内部的测量部和设置在所述外壳外部的连接部；所述测量部包括两个敏感元件结构、转子、中心轴、导电轴承；所述两个敏感元件结构对称分布在所述转子上；所述中心轴与所述外壳固定连接；所述导电轴承的内圈连接所述中心轴，所述导电轴承的外圈连接所述转子；所述转子的小径部分为所述连接部，所述连接部与所述待测物连接，所述待测物带动所述连接部转动；所述转子的大径部分为所述测量部。采用结合弹性元件和光电元件作为敏感元件的优势，应用反馈控制原理闭环控制，提高了力平衡式闭环角速度传感器的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种力平衡式闭环角速度传感器。
背景技术
传感器是一种检测装置，能够检测到被测量的变化，然后通过一定的转换规律将被测模拟量转化为数字信号输出，能够实现信息的传输、处理、记录、显示和控制的要求。
在传统的惯性测量中，选用陀螺仪来测量物体运动的角速度，而传统的机械式陀螺仪，可动部件满载量很小，导致量程有限，灵敏度低。为了解决量程有限的问题，采用光学陀螺仪进行惯性测量，但是光学陀螺仪对光源的要求较高，且不便于维护，成本太高；微机械陀螺由于加工工艺复杂，精度低，并没有得到广泛的应用。
传统的测量用传感器都是开环控制，各个环节相互串联，测量精度、动态响应特性及可靠性等都受到了很大限制。由于开环控制，传感器的精度就取决于各个环节的精度，所以要严格控制每个环节的精度才能提高整个传感器的精度，环节越多就会导致传感器的测量精度越低。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高测量精度的力平衡式闭环角速度传感器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种力平衡式闭环角速度传感器，所述传感器包括：
外壳、设置在所述外壳内部的测量部和设置在所述外壳外部的连接部；
所述测量部用于处理检测信号，所述连接部用于连接所述测量部与待测物；
所述测量部包括两个敏感元件结构、转子、中心轴、导电轴承；
所述两个敏感元件结构对称分布在所述转子上；
所述中心轴与所述外壳固定连接；
所述导电轴承的内圈连接所述中心轴，所述导电轴承的外圈连接所述转子；
所述转子的小径部分为所述连接部，所述连接部与所述待测物连接，所述待测物带动所述连接部转动；
所述转子的大径部分为所述测量部。
可选的，每个所述敏感元件结构具体包括：电磁线圈、两个光敏电阻、两个弹性梁、两个发光二极管、铁磁性质量块；
所述电磁线圈沿所述转子直径方向对称固定安装，两个所述电磁线圈的轴线重合且平行于所述转子的端面且通过所述旋转轴；
所述电磁线圈的截面与所述铁磁性质量块的截面位置正对；
所述铁磁性质量块的两个对称侧面的中心位置分别都设置有所述弹性梁；
所述弹性梁的另一端固定设置在所述转子上；
两个所述发光二极管与两个所述光敏电阻相对设置在所述铁磁性质量块的两侧。
可选的，所述传感器还包括：反馈电路，所述反馈电路包括运算放大器和桥电路；
所述桥电路与所述运算放大器连接；
所述电磁线圈与所述运算放大器连接。
可选的，所述铁磁性质量块沿径向产生偏移，所述光敏电阻的阻值随光照强度的变化而反向变化，所述反馈电路中的桥电路16产生输出电压；
将所述输出电压进行功率放大后输出放大电压；
所述放大电压为所述电磁线圈供电；
所述铁磁质量块受到电磁力回到平衡位置；
所述放大电压与铁磁性质量块的偏移量成正比；
所述电磁线圈所产生的电磁力大小与所述电磁线圈施加的电源电压成正比；
所述电磁线圈的控制电压与所述转子的角速度的平方成比例，根据公式
计算出角速度值；
其中，所述电磁线圈的回路的等效电阻为R，所述电磁线圈的匝数为N，所述铁磁性质量块的质量为m，离心半径为r，所述电磁线圈的控制电压U。
可选的，所述铁磁性质量块的形状为长方体。
可选的，所述中心轴采用新型无机非金属的陶瓷材料制成。
可选的，所述桥电路中设置有两对电阻，分别为光敏电阻对、定值电阻对；
所述光敏电阻对和所述定值电阻对产生电压差经过所述运算放大器进行功率放大后输出放大电压；
所述放大电压为所述电磁线圈的可调电源。
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：铁磁性质量块2沿径向产生偏移，光敏电阻的阻值随光照强度的变化而反向变化，反馈电路中的桥电路16产生输出电压，将该电压进行功率放大，并作为电磁线圈5的可调电源为其供电，在电磁力的作用下，铁磁性质量块2被拉回到平衡位置，此时，电磁线圈5的控制电压与转子3的角速度的平方成比例，计算出所述待测物的角速度值。采用结合弹性元件和光电元件作为敏感元件的优势，应用反馈控制原理闭环控制，提高了力平衡式闭环角速度传感器的检测精度。
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为本发明提供的力平衡式闭环角速度传感器的俯视图；
图2为本发明提供的力平衡式闭环角速度传感器的主视图；
图3为本发明提供的力平衡式闭环角速度传感器的设计原理图；
图4为本发明提供的力平衡式闭环角速度传感器的结构爆炸图；
图5为本发明提供的力平衡式闭环角速度传感器的反馈控制电路原理图；
图6为本发明提供的力平衡式闭环角速度传感器的三维模型图；
图7为本发明提供的铁磁性质量块的结构应力-应变云图；
图8为本发明提供的铁磁性质量块的质心处力-位移特性曲线图。
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测量精度的力平衡式闭环角速度传感器。
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3所示，一种力平衡式闭环角速度传感器的结构图，所述传感器包括：
外壳10、设置在所述外壳10内部的测量部和设置在所述外壳10外部的连接部；
所述测量部用于处理检测信号，所述连接部用于连接所述测量部与待测物；所述测量部用于对信号进行获取、变化、转换；
所述测量部包括两个敏感元件结构、转子6、中心轴、导电轴承12；
所述两个敏感元件结构的冗余设计由两个敏感元件和对应的反馈控制电路，所述两个敏感元件结构的参数及受力情况均相同，对应的反馈控制电路的作用相同，得到的测量结果能够通过优化提高信号输出的稳定性和可靠性；
所述两个敏感元件结构对称分布在所述转子6上；
所述中心轴与所述外壳10固定连接；所述中心轴采用新型无机非金属的陶瓷材料制成；
所述导电轴承12的内圈连接所述中心轴，所述导电轴承12的外圈连接所述转子6；所述导电轴承的内圈与通过中心轴上的导线槽与外部电源相连接，外圈与所述转子6上的负载相连接，实现了外部电源与所述转子6上负载的电信号的导通，有效解决了电源和信号引线缠绕的问题。
所述转子6的小径部分为所述连接部，所述连接部与所述待测物连接，所述待测物带动所述连接部转动；
所述转子6的大径部分为所述测量部。
如图1-图3所示，每个所述敏感元件结构具体包括：电磁线圈5、光敏电阻141、光敏电阻142、两个弹性梁4、两个发光二极管、铁磁性质量块3；
所述电磁线圈5沿所述转子6直径方向对称固定安装，两个所述电磁线圈5的轴线重合且平行于所述转子6的端面且通过所述旋转轴；确保了系统在最短的时间内响应，以最快的速度稳定；
所述电磁线圈5的截面与所述铁磁性质量块3的截面位置正对；
所述铁磁性质量块3的两个对称侧面的中心位置分别都设置有所述弹性梁4；
所述弹性梁4的另一端固定设置在所述转子6上；
两个所述发光二极管与两个所述光敏电阻相对设置在所述铁磁性质量块3的两侧，所述发光二极管和所述光敏电阻一一对应，相对安装并且同心，各组所述发光二极管光源之间完全隔离，互不影响。
如图3所示，所述传感器还包括：反馈电路，所述反馈电路包括运算放大器15和桥电路16；
所述桥电路16与所述运算放大器15连接；
所述电磁线圈5与所述运算放大器15连接，所述光敏电阻对为一对对边电阻，阻值呈差动变化，产生输出电压，所述输出电压经过所述运算放大器15放大处理，输出的放大电压为所述电磁线圈5供电。
所述铁磁性质量块3沿径向产生偏移，所述光敏电阻的阻值随光照强度的变化而反向变化，所述反馈电路中的所述桥电路16产生输出电压；
将所述输出电压进行功率放大后输出放大电压；
所述放大电压为所述电磁线圈5供电；
所述铁磁质量块3受到电磁力回到平衡位置；
所述放大电压与铁磁质量块3的偏移量成正比；
所述电磁线圈5所产生的电磁力大小与所述电磁线圈5施加的电源电压成正比；
所述电磁线圈5的控制电压与所述转子6的角速度的平方成比例，根据公式
计算出角速度值；
其中，所述电磁线圈5的回路的等效电阻为R，所述电磁线圈5的匝数为N，所述铁磁性质量块3的质量为m，离心半径为r，所述电磁线圈5的控制电压U。所述铁磁性质量块3的形状为长方体。
所述桥电路16中设置有两对电阻，分别为光敏电阻对、定值电阻对；
所述光敏电阻对和所述定值电阻对产生电压差经过所述运算放大器15进行功率放大后输出放大电压；
所述放大电压为所述电磁线圈5的可调电源。
两套敏感元件测量系统不仅提高了传感器的动态稳定性，也提高了测量结果的可靠性。
所述铁磁性质量块由软磁性铁氧体材料制成，其易磁化易退磁的特性保证了数据采集的可靠性；所述弹性梁由弹簧钢65Mn材料制成；质量块与一对弹性梁固定连接，形成弹性梁-质量块结构，固定安装在所述转子6上。
所述弹性梁4的一端连接在铁磁性质量块的侧面中心位置，另一端固定连接在所述转子6上。如图4，本发明对弹性梁-质量块结构进行了有限元分析，分析结果显示弹性梁受到的最大应力小于其许用应力，保证了设计的可行性。
每一对光敏电阻的阻值按照差动方式变化，减小了非线性误差及环境因素的影响，提高了传感器的灵敏度和可靠性。
外圈外侧表面镀有电绝缘涂层，作为电流的跨接导体，使其安装绝缘以避免漏电，这种方式在实现转子支撑的同时也可防止电源引线和信号引线与转子和中心轴产生缠绕。提高了传感器的测量精度和所述导电轴承的工作寿命。
所述中心轴采用新型无机非金属的陶瓷材料制成，构成与轴承的绝缘连接；中心轴固定在壳体上，能够保证受到的振动小。
所述转子小径部分属于连接部，与外部被测量件固定连接，随着被测件的转动而转动；大径部分转子属于测量部，其上设置有光敏电阻和发光二极管的基座，光敏电阻和发光二极管一一对应，分别对称且径向分布在转子6的一个端面上。
对所述光敏电阻及发光二极管进行匹配并利用可调电阻进行零位配平。
对所述光敏电阻及发光二极管对进行光电-位移特性测试实验，通过实验获得其光敏电阻阻值变化的近似线性区，并以此作为铁磁性质量块的位置选取依据。
所述铁磁性质量块与弹性梁之间没有相对滑移，在传感器工作时，转子在外部被测件的带动下相对于中心轴转动，质量块在离心力的作用下产生径向偏移，然后又在电磁力的作用下，被拉回到平衡位置。
转子在快速转动时，除弹性梁-质量块结构会发生形变，产生偏移，其余构件都应保持在原来位置，不发生形变，不产生振动；当铁磁性质量块被稳定控制在其平衡位置时，电磁铁的控制电压与转子的角速度的平方成比例。
在传感器中，所述光敏电阻和所述发光二极管一一对应，安装在光敏电阻基座2、发光二极管基座9上，分别对称且径向分布在转子的一个端面上；所述弹性梁4与所述铁磁性质量块3组合形成弹性梁-质量块结构固定安装在所述转子6上，所述电磁线圈5绕上线圈绕组也固定安装在所述转子6上，所述转子6通过所述导电轴承12与所述中心轴连接，所述导电轴承12的一端固定在所述外壳10上，另一端支撑着所述转子6与外部被测旋转轴固定连接，所述中心轴上留有导线槽和轴用挡圈槽，所述转子6上留有导线槽且在中心孔上留有孔用挡圈槽。
所述弹性梁4焊接在所述铁磁性质量块3上，所述弹性梁-质量块结构的两端面焊接在所述转子6上，保证了所述传感器不会由于连接方式产生信号迟滞干扰。
安装时四对光敏电阻和所述发光二极管对应装入所述光敏电阻基座2、发光二极管基座9上的安装孔内，对应安装孔同心，且要保证同组所述发光二极管和所述光敏电阻相对安装并且同心，安装完成后，用硅橡胶固定。
所述发光二极管的供电导线与其管脚焊接，所述光敏电阻及所述电磁线圈的连接导线也都与管脚焊接，然后导线另一端通过所述转子6上的导线槽焊接在所述导电轴承12外圈内侧，所述导电轴承12的内圈引线通过中心轴上的引线槽与外部连接，保证了所述转子6转动时引线不会产生缠绕。
所述导电轴承12外圈与转子6上的孔过盈配合，内圈与轴过渡配合；内外圈通过绝缘挡圈8、13进行轴向定位，轴用挡圈13安装在轴槽上，固定导电轴承12内圈，孔用挡圈8安装在转子孔槽上，固定所述导电轴承12外圈。
所述外壳10表面上留有固定孔和导线孔，所述中心轴的一端通过十字沉头螺钉11与所述外壳10固定连接，轴上导线槽引出的导线通过外壳上的导线孔与外部电信号相连接。
所述传感器在使用时先通过所述固定孔7将其固定在一个固定面上，传感器的输出信号线连接在上位机上，电源线连接外部直流电源，转子6连接部通过法兰盘与被测零件连接，然后被测件转动，转子6随着被测件的转动而转动，铁磁性质量块3偏移使光电反应产生的输出信号发生变化，当信号稳定在某一个值时，即为被测零件的角速度。
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)
1.一种力平衡式闭环角速度传感器，其特征在于，所述传感器包括：
外壳、设置在所述外壳内部的测量部和设置在所述外壳外部的连接部；
所述测量部用于处理检测信号，所述连接部用于连接所述测量部与待测物；
所述测量部包括两个敏感元件结构、转子、中心轴、导电轴承；
所述两个敏感元件结构对称分布在所述转子上；
所述中心轴与所述外壳固定连接；
所述导电轴承的内圈连接所述中心轴，所述导电轴承的外圈连接所述转子；
所述转子的小径部分为所述连接部，所述连接部与所述待测物连接，所述待测物带动所述连接部转动；
所述转子的大径部分为所述测量部；
每个所述敏感元件结构具体包括：电磁线圈、两个光敏电阻、两个弹性梁、两个发光二极管、铁磁性质量块；
所述电磁线圈沿所述转子直径方向对称固定安装，两个所述电磁线圈的轴线重合且平行于所述转子的端面且通过所述中心轴；
所述电磁线圈的截面与所述铁磁性质量块的截面位置正对；
所述铁磁性质量块的两个对称侧面的中心位置分别都设置有所述弹性梁；
所述弹性梁的另一端固定设置在所述转子上；
两个所述发光二极管与两个所述光敏电阻相对设置在所述铁磁性质量块的两侧；
所述传感器还包括：反馈电路，所述反馈电路包括运算放大器和桥电路；
所述桥电路与所述运算放大器连接；
所述电磁线圈与所述运算放大器连接。
2.根据权利要求1所述的一种力平衡式闭环角速度传感器，其特征在于，所述铁磁性质量块沿径向产生偏移，所述光敏电阻的阻值随光照强度的变化而反向变化，所述反馈电路中的桥电路产生输出电压；
将所述输出电压进行功率放大后输出放大电压；
所述放大电压为所述电磁线圈供电；
所述铁磁性质量块受到电磁力回到平衡位置；
所述放大电压与铁磁性质量块的偏移量成正比；
所述电磁线圈所产生的电磁力大小与所述电磁线圈施加的电源电压成正比；
所述电磁线圈的控制电压与所述转子的角速度的平方成比例，根据公式
计算出角速度值；
其中，所述电磁线圈的回路的等效电阻为R，所述电磁线圈的匝数为N，所述铁磁性质量块的质量为m，离心半径为r，所述电磁线圈的控制电压U。
3.根据权利要求1所述的一种力平衡式闭环角速度传感器，其特征在于，所述铁磁性质量块的形状为长方体。
4.根据权利要求1所述的一种力平衡式闭环角速度传感器，其特征在于，所述中心轴采用新型无机非金属的陶瓷材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种力平衡式闭环角速度传感器，其特征在于，所述桥电路中设置有两对电阻，分别为光敏电阻对、定值电阻对；
所述光敏电阻对和所述定值电阻对产生电压差经过所述运算放大器进行功率放大后输出放大电压；
所述放大电压为所述电磁线圈的可调电源。
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