CN109238177A - 一种具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，提供一种具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器，包括：外壳，以及设置在外壳内的绝对式光电角度编码器、电位器和电路板；所述绝对式光电角度编码器包括：输入轴、光源、动光栅和定光栅；其中，所述输入轴设置在外壳的轴心，且固定有动光栅；所述光源设置在动光栅和定光栅上方；所述动光栅和定光栅分别刻有绝对式编码；所述电位器包括：定子和转子；所述转子通过弹性联轴器与输入轴连接；输入轴能带动动光栅和转子旋转；所述电路板上包括采样模块和微控制单元，所述采样模块分别与微控制单元、绝对式光电角度编码器、电位器电连接。本发明能够实现全量程圈数的准确测量，提高多圈角度的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及角度传感器技术领域，尤其涉及一种具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器。
背景技术
角度传感器是一种感知转轴旋转角度的传感器，可将机械的线位移或角位移量转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件，它除了用于线位移和角位移的外，还广泛应用于测量压力、加速度、液位等物理量。
传统多圈角度传感器是采用磁电编码或光电编码测量角度配合齿轮传动结构测量圈数。内部装有电池用于断电后记忆当前角度信息。存在的缺陷有：电池寿命短不易更换、齿轮传动结构复杂精度要求高、体积较大。
发明内容
本发明主要解决传统多圈角度传感器电池寿命短不易更换、齿轮传动结构复杂精度要求高、体积较大等技术问题，提出一种具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器，被测角度信息由圈数加上当前圈角度组成，使用电位器结合绝对式光电角度编码器测量圈数信息，使用绝对式光电角度编码器测量当前圈角度信息。因此本发明具有绝对记忆功能，无需使用电池记录多圈角度信息。
本发明提供了一种具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器，包括：外壳(11)，以及设置在外壳(11)内的绝对式光电角度编码器、电位器(6)和电路板(5)；
所述绝对式光电角度编码器包括：输入轴(1)、光源(2)、动光栅(3)和定光栅(4)；其中，所述输入轴(1)设置在外壳(11)的轴心，且固定有动光栅(3)；所述光源(2)设置在动光栅(3)和定光栅(4)上方；所述动光栅(3)和定光栅(4)分别刻有绝对式编码；
所述电位器(6)包括：定子(7)和转子(8)；所述转子(8)通过弹性联轴器(9)与输入轴(1)连接；输入轴(1)能带动动光栅(3)和转子(8)旋转；
所述电路板(5)上包括采样模块和微控制单元，所述采样模块分别与微控制单元、绝对式光电角度编码器、电位器(6)电连接；其中，采样模块，用于将接收的信号转换成数字量电压值；微控制单元，用于解算绝对式光电角度编码器和电位器的信号；
所述外壳(11)内固定设置光栅底座(10)，光栅底座(10)用于固定定光栅(4)、光源(2)、电路板(5)以及定子(7)。
优选的，所述采样模块包括红外光敏二极管、恒流源、采样电阻和A/D采集芯片。
优选的，所述电路板(5)连接有输出线缆(12)，所述输出线缆(12)从外壳(11)穿出。
优选的，所述光源(2)发出平行光。
对应地，本发明还提供一种根据具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器的测量多圈角度方法，包括以下过程：
步骤1，获取当前圈角度；
步骤2，获取当前圈数，并利用以下方式进行圈数校正，得到实际圈数：
a)如果n′Vs-Vδ＜Vnow′＜n′Vs，360°-δ＜α°＜360°，则得出圈数n＝n′；
b)如果n′Vs-Vδ＜Vnow′＜n′Vs，0°＜α°＜δ，则得出圈数n＝n′+1；
c)如果n′Vs＜Vnow′＜n′Vs+Vδ，360°-δ＜α°＜360°，则得出圈数n＝n′-1；
d)如果n′Vs＜Vnow′＜n′Vs+Vδ，0°＜α°＜δ，则得出圈数n＝n′；
其中，电位器(6)根据电压值测量得到当前旋转圈数为n′；输入轴(1)实际旋转圈数为n；绝对式光电角度编码器输出当前圈角度为α°；电位器(6)实际输出电压值为Vnow′；电位器(6)单圈电压值为Vs；电位器(7)输出误差的最大值为Vδ；Vδ对应绝对式光电角度编码器的角度值为δ；
步骤3，利用步骤1得到的当前圈角度和步骤2得到的实际圈数，得到传感器的多圈角度数据。
优选的，步骤1，获取当前圈角度，包括以下过程：
输入轴(1)带动动光栅(3)转动，动光栅(3)和定光栅(4)产生相对运动，光源(2)发出的平行光穿过动光栅(3)和定光栅(4)后，形成有规律的光信号，电路板(5)的采样模块将接收到的光信号转换为电信号，并经微控制单元处理得到当前圈角度。
优选的，步骤2中，得到当前圈数，包括以下过程：
输入轴(1)带动电位器(6)的转子(8)转动，电位器(6)阻值发生变化，电路板(5)的采样模块将电位器(6)的电阻值转化成电压值，将电压模拟量信号转换成数字量信号，并经微控制单元处理得到传感器的当前旋转圈数。
本发明提供的一种具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器，将电位器与绝对式光电角度编码器相结合，利用电位器测量圈数，利用绝对式光电角度编码器测量当前圈角度。绝对式光电角度编码器具有测角精度高的特性，因此，使用绝对式光电角度编码器测量的当前圈角度信息校正精度较低的电位器测量的圈数信息，实现全量程圈数的准确测量，提高多圈角度的测量精度。本发明相比于传统多圈角度传感器采用齿轮传动结构测量圈数的方式，降低了对加工精度和装配精度的要求，节省加工成本，并且更加轻量化，节省空间，与同精度多圈角度传感器相比体积更小，使用寿命长，成本低。
附图说明
图1是本发明具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器的结构示意图；
图2是电位器电压对应圈数示意图。
附图标记：1、输入轴；2、光源；3、动光栅；4、定光栅；5、电路板；6、电位器；7、定子；8、转子；9、弹性联轴器；10、光栅底座；11、外壳；12、输出线缆。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图1是本发明具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器，包括：外壳11，以及设置在外壳11内的绝对式光电角度编码器、电位器6和电路板5。
所述绝对式光电角度编码器包括：输入轴1、光源2、动光栅3和定光栅4；其中，所述输入轴1设置在外壳11的轴心，且固定有动光栅3；所述光源2设置在动光栅3和定光栅4上方，所述光源2发出平行光，为光栅提供光源；所述动光栅3和定光栅4分别刻有绝对式编码；
所述电位器6包括：定子7和转子8；所述转子8通过弹性联轴器9与输入轴1连接；输入轴1能带动动光栅3和转子8旋转；其中，弹性联轴器9对于同轴度补偿，同轴度补偿量≤0.2mm，因此，电位器6的转子8与输入轴1装配保证同轴度为≤0.2mm即可满足精度要求。
输入轴1转动时，定光栅4和动光栅3产生相对运动，形成有规律的光信号；同时，电位器6的定子7和转子8产生相对运动，电位器6输出电阻值。
所述电路板5上包括采样模块和微控制单元(MCU)，所述采样模块分别与微控制单元(MCU)、绝对式光电角度编码器、电位器6电连接；其中，采样模块，用于接收绝对式光电角度编码器和电位器6的信号，并将接收的信号转换成数字量电压值；其中，所述采样模块包括红外光敏二极管、恒流源、采样电阻和A/D采集芯片。微控制单元(MCU)，用于解算绝对式光电角度编码器和电位器的信号；
电路板5的红外光敏二极管接收到光信号，将光信号转化为电流信号，电流信号通过电路板5上的采样电阻转换成电压值，电压值输出给电路板5的A/D采集芯片，A/D采集芯片输出电压值的数字量信号给电路板5的微控制单元(MCU)，微控制单元(MCU)将数字量信号整合并转化为角度数字量。同时，电路板5的恒流源将电位器6的电阻值转化成电压值，电路板5的A/D采集芯片将电压值转换成数字量信号，发送给电路板5的微控制单元(MCU)解算。将最终的圈数和角度数据转换成数字信号通过输出线缆12输出，形式为“第n圈α°”。
另外，所述电路板5连接有输出线缆12，所述输出线缆12与光栅底座10固定，并从外壳11穿出。输出线缆12将电路板5整合后的数字信号输出。所述外壳11内固定设置光栅底座10，光栅底座10用于固定定光栅4、光源2、电路板5以及定子7。传感器的外壳11用于保护各个元器件，防止多余物进入影响精度，并为输出线缆12提供安装接口。
在本实施例中，绝对式光电角度编码器测量当前圈数角度的原理：输入轴1转动，绝对式光电角度编码器的动光栅3和定光栅4产生相对运动，光源2发出的平行光穿过两光栅后产生有规律的光信号并且被电路板5接收，电路板5接收到光信号转化角度数字量。最终得到当前圈角度为“α°”。
在本实施例中，电位器测量圈数的原理：电位器6的转子8随输入轴1转动，电位器6阻值发生变化。电路板5将电阻值转化成圈数信息。电位器6最大输出值对应的电压信号为Vmax、最大输出圈数为Rmax，电位器6单圈电压信号Vs＝Vmax/Rmax。电位器6直接判断圈数为“第n′圈”，但由于电路板5的恒流源的漂移误差、电位器6的回转误差、电路板5的采集芯片的采集误差、输入到微控制单元(MCU)的数据与真实数值存在偏差、电位器6与绝对式光电角度编码器的安装误差，使得电位器6输出电压存在误差，此误差的变化量最大值为Vδ，对应的绝对式光电角度传感器角度δ。
为校正上述误差对圈数测量结果的影响，电路板5的微控制单元(MCU)分别对电位器6测量的圈数信息和绝对式光电角度编码器测量的当前圈角度信息进行解算，采用下列方式进行误差的校正：
a)如果n′Vs-Vδ＜Vnow′＜n′Vs，360°-δ＜α°＜360°，则得出圈数n＝n′；
b)如果n′Vs-Vδ＜Vnow′＜n′Vs，0°＜α°＜δ，则得出圈数n＝n′+1；
c)如果n′Vs＜Vnow′＜n′Vs+Vδ，360°-δ＜α°＜360°，则得出圈数n＝n′-1；
d)如果n′Vs＜Vnow′＜n′Vs+Vδ，0°＜α°＜δ，则得出圈数n＝n′；
其中，电位器6根据电压值测出圈数为n′；输入轴1实际圈数(即校正后圈数)为n；绝对式光电角度编码器输出当前圈角度为α°；电位器6实际输出电压值为Vnow′；电位器6单圈电压值为Vs；电位器7输出误差的最大值为Vδ；Vδ对应绝对式光电角度编码器的角度值为δ。经上述校正过程，电路板5上的微控制单元(MCU)将最终的圈数和当前圈角度数据转换成数字信号通过输出线缆12输出多圈角度，形式为“第n圈α°”。
本发明将电位器6与绝对式光电角度编码器相结合，使用电位器6测量圈数，使用绝对式光电角度编码器测量当前圈角度。被测角度信息由圈数加上当前圈角度组成。
本发明实施例具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器的测量多圈角度方法，具体包括以下步骤：
步骤1，获取当前圈角度。
输入轴1带动动光栅3转动，使刻蚀有绝对编码的动光栅3和定光栅4产生相对运动，光源2发出的平行光穿过光栅后形成有规律的光信号，电路板5的红外光敏二极管接收到光信号，将光信号转化为电流信号，电流信号通过电路板5的采样电阻转换成电压值，电压值输出给电路板5的A/D采集芯片，A/D采集芯片输出电压值的数字量信号给电路板5的微控制单元(MCU)，微控制单元(MCU)将数字量信号整合并转化为角度数字量。最终得到当前圈角度为“α°”。
步骤2，获取当前圈数，并进行圈数校正，得到实际圈数。
由于绝对式光电角度编码器具有测量精度高的特性，因此本方案采用电位器6测量出圈数，再使用绝对式光电角度编码器测量的高精度的当前圈角度信息校正精度较低的电位器6圈数信息，实现全量程圈数的准确测量。
输入轴1带动电位器的转子8转动，电位器6阻值发生变化。电路板5的高精度恒流源将电位器6的电阻值转化成电压值，电路板5的A/D采集芯片将电压值转换成数字量信号，发送给电路板5的微控制单元(MCU)解算，测量出圈数记为“第n′圈”。
电位器6判断出圈数为“第n′圈”，由于电路板5的恒流源的漂移误差、电位器6的回转误差、电路板5的A/D采集芯片的采集误差，输入到电路板5的微控制单元(MCU)的数据与真实数值存在误差。由于电位器计圈误差的存在，以下对圈数校正进行说明：
电位器6最大输出值对应电压信号为Vmax、最大输出圈数为Rmax，电位器6单圈电压信号Vmax/Rmax＝Vs。综合电路板5的恒流源的漂移误差、电位器6的回转误差、电路板5的A/D采集芯片的采集误差、输入到电路板5的微控制单元(MCU)的解算误差、电位器6与绝对式光电角度编码器的安装误差，分析得到误差影响电位器6输出电压的变化量最大值为Vδ，对应的绝对式光电角度传感器角度δ。
图2是电位器电压对应圈数示意图。如图2所示，为电位器6电压值与圈数的对应关系示意图，理论情况下，电位器6输出电压值为Vnow，若Vnow/Vs＝3(向下取整)，则当前输入轴1在第3圈；而实际由于电位器6误差造成电压偏差Vδ，实际电压值是Vnow′＝Vnow-Vδ，Vnow′/Vs＝2(向下取整)产生圈数测量错误。绝对式光电角度编码器测量角度值为第2圈的B角度，由于输入轴1刚刚转过新的1圈，绝对式光电角度编码器测试的B角度接近0°，然而电位器6的电压值显示的是第2圈的大数值。此时判断精度更高的绝对式光电角度编码器指示的趋势正确，电位器6输出圈数存在误差，在程序中对其进行补偿。利用以下方式进行圈数校正：
为校正这种误差对结果造成的影响，分析所有存在误差的可能，最终总结为4种情况：
a)如果n′Vs-Vδ＜Vnow′＜n′Vs，360°-δ＜α°＜360°，则得出圈数n＝n′；
b)如果n′Vs-Vδ＜Vnow′＜n′Vs，0°＜α°＜δ，则得出圈数n＝n′+1；
c)如果n′Vs＜Vnow′＜n′Vs+Vδ，360°-δ＜α°＜360°，则得出圈数n＝n′-1；
d)如果n′Vs＜Vnow′＜n′Vs+Vδ，0°＜α°＜δ，则得出圈数n＝n′；
其中，电位器6根据电压值测出圈数为n′；输入轴1实际圈数(即校正后圈数)为n；绝对式光电角度编码器输出当前圈角度为α°；电位器6实际输出电压值为Vnow′；电位器6单圈电压值为Vs；电位器7输出误差的最大值为Vδ；Vδ对应绝对式光电角度编码器的角度值为δ。
电路板5的微控制单元(MCU)分别对电位器6测量的圈数信息和绝对式光电角度编码器测量的当前圈角度信息进行解算，校正圈数。最终分析输出的圈数为“第n圈”。
步骤3，利用步骤1得到的当前圈角度和步骤2得到的实际圈数，得到传感器的多圈角度数据。
电路板5的微控制单元(MCU)分别对电位器6测量的圈数信息和绝对式光电角度编码器测量的当前圈角度信息进行解算，将最终的圈数和当前圈角度数据转换成数字信号，通过输出线缆12输出多圈角度，输出形式为“第n圈α°”。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器，其特征在于，包括：外壳(11)，以及设置在外壳(11)内的绝对式光电角度编码器、电位器(6)和电路板(5)；
所述绝对式光电角度编码器包括：输入轴(1)、光源(2)、动光栅(3)和定光栅(4)；其中，所述输入轴(1)设置在外壳(11)的轴心，且固定有动光栅(3)；所述光源(2)设置在动光栅(3)和定光栅(4)上方；所述动光栅(3)和定光栅(4)分别刻有绝对式编码；
所述电位器(6)包括：定子(7)和转子(8)；所述转子(8)通过弹性联轴器(9)与输入轴(1)连接；输入轴(1)能带动动光栅(3)和转子(8)旋转；
所述电路板(5)上包括采样模块和微控制单元，所述采样模块分别与微控制单元、绝对式光电角度编码器、电位器(6)电连接；其中，采样模块，用于将接收的信号转换成数字量电压值；微控制单元，用于解算绝对式光电角度编码器和电位器的信号；
所述外壳(11)内固定设置光栅底座(10)，光栅底座(10)用于固定定光栅(4)、光源(2)、电路板(5)以及定子(7)。
2.根据权利要求1所述的具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器，其特征在于，所述采样模块包括红外光敏二极管、恒流源、采样电阻和A/D采集芯片。
3.根据权利要求1所述的具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器，其特征在于，所述电路板(5)连接有输出线缆(12)，所述输出线缆(12)从外壳(11)穿出。
4.根据权利要求1所述的具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器，其特征在于，所述光源(2)发出平行光。
5.一种根据权利要求1至4任一项所述具有测量多圈角度功能的复合式角度传感器的测量多圈角度方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤1，获取当前圈角度；
步骤2，获取当前圈数，并利用以下方式进行圈数校正，得到实际圈数：
a)如果n′Vs-Vδ＜Vnow′＜n′Vs，360°-δ＜α°＜360°，则得出圈数n＝n′；
b)如果n′Vs-Vδ＜Vnow′＜n′Vs，0°＜α°＜δ，则得出圈数n＝n′+1；
c)如果n′Vs＜Vnow′＜n′Vs+Vδ，360°-δ＜α°＜360°，则得出圈数n＝n′-1；
d)如果n′Vs＜Vnow′＜n′Vs+Vδ，0°＜α°＜δ，则得出圈数n＝n′；
其中，电位器(6)根据电压值测量得到当前旋转圈数为n′；输入轴(1)实际旋转圈数为n；绝对式光电角度编码器输出当前圈角度为α°；电位器(6)实际输出电压值为Vnow′；电位器(6)单圈电压值为Vs；电位器(7)输出误差的最大值为Vδ；Vδ对应绝对式光电角度编码器的角度值为δ；
步骤3，利用步骤1得到的当前圈角度和步骤2得到的实际圈数，得到传感器的多圈角度数据。
6.根据权利要求5所述的测量多圈角度方法，其特征在于，步骤1，获取当前圈角度，包括以下过程：
输入轴(1)带动动光栅(3)转动，动光栅(3)和定光栅(4)产生相对运动，光源(2)发出的平行光穿过动光栅(3)和定光栅(4)后，形成有规律的光信号，电路板(5)的采样模块将接收到的光信号转换为电信号，并经微控制单元处理得到当前圈角度。
7.根据权利要求5所述的测量多圈角度方法，其特征在于，步骤2中，得到当前圈数，包括以下过程：
输入轴(1)带动电位器(6)的转子(8)转动，电位器(6)阻值发生变化，电路板(5)的采样模块将电位器(6)的电阻值转化成电压值，将电压模拟量信号转换成数字量信号，并经微控制单元处理得到传感器的当前旋转圈数。
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