CN109357639B - 一种光电角度传感装置及使用其测量多圈角度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及角度测量技术领域，提供一种光电角度传感装置及使用其测量多圈角度的方法，所述方法包括：步骤1，分别获取光电角度传感器A和光电角度传感器B的输出角度信息，得到光电角度传感器A和光电角度传感器B的角度差值；步骤2，利用步骤1得到的光电角度传感器A和光电角度传感器B角度差值，判断光电角度传感器A的圈数；步骤3，根据步骤2判断出的光电角度传感器A的圈数，获得光电角度传感器A的多圈角度值；步骤4，获得输入轴的多圈角度值。本发明使用光电角度传感装置测量多圈角度的方法，能实现在上电后快速输出多圈角度的功能，不需要外部记录角度和圈数信息，测量精度高。

Description

一种光电角度传感装置及使用其测量多圈角度的方法
技术领域
本发明涉及角度测量技术领域，尤其涉及一种光电角度传感装置及使用其测量多圈角度的方法。
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，可用于线位移和角位移等物理量的测量。
传统测量多圈角度的方法是采用角度编码器测量单圈角度，采用外部记录模块或是电位计等具有计圈功能的传感器记录圈数，以实现多圈角度的测量。存在的缺陷有：由外部模块记录圈数在断电之后无法保存圈数信息，电位计存在机械限位，计量圈数有限，且测量多圈角度精度较低。
发明内容
本发明主要解决现有测量多圈角度技术计量圈数有限、且测量多圈角度精度较低等技术问题，提出一种光电角度传感装置及使用其测量多圈角度的方法，可实现在上电后快速输出多圈角度的功能，不需要外部记录角度和圈数信息，测量精度高，没有机械限位。
本发明提供了一种光电角度传感装置，包括：外壳、信息处理模块、设置在外壳内的输入轴(1)以及分别设置在输入轴(1)两侧的第一传感单元和第二传感单元；
所述输入轴(1)设置在外壳的轴心，且输入轴(1)顶部固定设置输入齿轮(2)；
所述第一传感单元包括：齿轮A(3)、弹性联轴器A(4)、安装座A(5)和光电角度传感器A(6)；所述齿轮A(3)和输入齿轮(2)啮合，所述齿轮A(3)的轴心通过弹性联轴器A(4)与光电角度传感器A(6)连接，所述光电角度传感器A(6)设置在安装座A(5)上，所述光电角度传感器A(6)与信息处理模块(11)电连接；
所述第二传感单元包括：齿轮B(7)、弹性联轴器B(8)、安装座B(9)和光电角度传感器B(10)；所述齿轮B(7)和输入齿轮(2)啮合，所述齿轮B(7)的轴心通过弹性联轴器B(8)与光电角度传感器B(10)连接，光电角度传感器B(10)设置在安装座B(9)上，所述光电角度传感器B(10)与信息处理模块(11)电连接。
优选的，所述光电角度传感器A(6)通过输出线缆(12)与信息处理模块(11)电连接，所述光电角度传感器B(10)通过输出线缆(12)与信息处理模块(11)电连接。
对应的，本发明还提供一种使用光电角度传感装置测量多圈角度的方法，包括以下过程：
步骤1，分别获取光电角度传感器A(6)和光电角度传感器B(10)的输出角度信息，得到光电角度传感器A(6)和光电角度传感器B(10)的角度差值；
步骤2，利用步骤1得到的光电角度传感器A(6)和光电角度传感器B(10)角度差值，通过以下形式判断光电角度传感器A(6)的圈数：
如果
Figure BDA0001829717240000021
光电角度传感器A(6)处于非临界位置，光电角度传感器A(6)位于第i圈；
如果
Figure BDA0001829717240000022
处于临界位置，光电角度传感器A(6)位于零位或刚过零位，并通过以下方式判断光电角度传感器A(6)的圈数：
如果0°≤αA＜180°，则光电角度传感器A(6)位于第i圈；如果180°≤αA＜360°，则光电角度传感器A(6)位于第i-1圈；
其中，αA表示光电角度传感器A(6)读数，αB表示光电角度传感器B(10)读数，αΔ表示αA与αB计算差值修正值，m表示输入齿轮(2)与光电角度传感器A(6)的旋转角度传动比为，n表示输入齿轮(2)与光电角度传感器B(10)的旋转角度传动比为；
步骤3，根据步骤2判断出的光电角度传感器A(6)的圈数，获得光电角度传感器A(6)的多圈角度值；
步骤4，获得输入轴(1)的多圈角度值。
优选的，步骤3，根据步骤2判断出的光电角度传感器A(6)的圈数，获得光电角度传感器A(6)的多圈角度值，包括：
根据光电角度传感器A(6)的圈数和单圈角度计算光电角度传感器A(6)的多圈角度值为：α′A＝360°×i+αA；
其中，α′A表示光电角度传感器A的多圈角度值。
优选的，步骤4，获得输入轴(1)的多圈角度值，包括：
根据传动比计算输入轴(1)的多圈角度值为：
Figure BDA0001829717240000031
其中，αs表示输入轴(1)的多圈角度值。
优选的，测量光电角度传感器A(6)的旋转圈数为
Figure BDA0001829717240000032
测量输入轴(1)圈数的旋转范围为
Figure BDA0001829717240000033
本发明提供的一种光电角度传感装置及使用其测量多圈角度的方法，通过两只相同的绝对式光电角度传感器的组合，计算其输出角度得到多圈角度。输入轴与两只光电角度传感器之间通过齿轮传动，两只光电传感器与输出轴之间的传动比不同，两只光电角度传感器输出的角度差值随着输入轴旋转的圈数变化。信息处理模块获取上电后两只光电角度传感器的输出信息，通过计算得到多圈角度值。本发明可实现在上电后快速输出多圈角度的功能，不需要外部记录角度和圈数信息，测量精度高，没有机械限位。
附图说明
图1是本发明提供的光电角度传感装置的结构示意图；
图2是本发明提供的使用光电角度传感装置测量多圈角度的方法的流程图。
附图标记：1.输入轴；2.输入齿轮；3.齿轮A；4.弹性联轴器A；5.安装座A；6.光电角度传感器A；7.齿轮B；8.弹性联轴器B；9.安装座B；10.光电角度传感器B；11.信息处理模块；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是本发明提供的光电角度传感装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的光电角度传感器，包括：外壳、信息处理模块、设置在外壳内的输入轴1以及分别设置在输入轴1两侧的第一传感单元和第二传感单元。
所述输入轴1设置在外壳的轴心，且输入轴1顶部固定设置输入齿轮2。
所述第一传感单元包括：齿轮A3、弹性联轴器A4、安装座A5和光电角度传感器A6；所述齿轮A3和输入齿轮2啮合，所述齿轮A3的轴心通过弹性联轴器A4与光电角度传感器A6连接，所述光电角度传感器A6设置在安装座A5上，所述光电角度传感器A6通过输出线缆12与信息处理模块11电连接。
所述第二传感单元包括：齿轮B7、弹性联轴器B8、安装座B9和光电角度传感器B10；所述齿轮B7和输入齿轮2啮合，所述齿轮B7的轴心通过弹性联轴器B8与光电角度传感器B10连接，光电角度传感器B10设置在安装座B9上，所述光电角度传感器B10通过输出线缆12与信息处理模块11电连接。
本发明实施例光电角度传感装置的初始安装情况：旋转输入轴1，使输入轴位于机械零位；将光电角度传感器A6安装在安装座A5上，使光电角度传感器A6的输出角度为0°；将光电角度传感器B10安装在安装座B9上，使光电角度传感器B10的输出角度为0°。
图2是本发明提供的使用光电角度传感装置测量多圈角度的方法的流程图。如图2所示，本发明实施例提供的使用光电角度传感装置测量多圈角度的方法，包括：
步骤1，分别获取光电角度传感器A6和光电角度传感器B10的输出角度信息，得到光电角度传感器A6和光电角度传感器B10的角度差值。
给光电角度传感器A6和光电角度传感器B10通电，并使输入轴1正常旋转工作。读取光电角度传感器A6和光电角度传感器B10输出角度信息αA和αB，并将角度信息传给信息处理模块11，计算角度差值αΔ。
对本发明出现的符号进行统一说明，αA表示光电角度传感器A读数，αB表示光电角度传感器B读数，α′Δ表示光电角度传感器A与光电角度传感器B读数差值αΔ′＝αB-αA，αΔ表示αA与αB计算差值修正值，α′A表示光电角度传感器A6的多圈角度值，αs表示输入轴1的多圈角度值，m表示输入齿轮2与光电角度传感器A6的旋转角度传动比为，n表示输入齿轮2与光电角度传感器B10的旋转角度传动比为。
步骤2，利用步骤1得到的光电角度传感器A6和光电角度传感器B10角度差值，判断光电角度传感器A6的圈数。
α′Δ＝αB-αA，如果α′Δ＜0°，则αΔ＝α′Δ+360°；
如果α′Δ＞0°，则αΔ＝α′Δ。
如果
Figure BDA0001829717240000051
处于非临界位置，光电角度传感器A(6)位于第i圈。
如果
Figure BDA0001829717240000052
处于临界位置，此时光电角度传感器A6位于零位或刚过零位。输出角度应满足αA≥0°且在0°附近，但因为存在传动误差，光电角度传感器A6可能未过零位，输出角度在360°附近，导致计算圈数出现跳变。为避免跳变发生，采用如下方式进行判断：
如果0°≤αA＜180°，则光电角度传感器A6位于第i圈；
如果180°≤αA＜360°，则光电角度传感器A6位于第i-1圈。
本发明通过非临界和临界两种情况，测量圈数，具体原理如下：
1)测量非临界位置圈数的方法
输入轴齿轮2与光电角度传感器A6的旋转角度传动比为m；
输入轴齿轮2与光电角度传感器B10的旋转角度传动比为n；
光电角度传感器A6位于第0圈的零位，角度值为αA＝0°，光电角度传感器B10的角度值为αB＝0°，角度差值为αΔ＝αB-αA＝0°-0°＝0°；
光电角度传感器A6位于第1圈的零位时，角度值为αA＝0°，光电角度传感器B10的角度值为
Figure BDA0001829717240000061
角度差值为
Figure BDA0001829717240000062
光电角度传感器A6位于第2圈的零位时，角度值为αA＝0°，光电角度传感器B10的角度值为
Figure BDA0001829717240000063
角度差值为
Figure BDA0001829717240000064
光电角度传感器A6位于第i圈的零位时，角度值为αA＝0°，光电角度传感器B10的角度值为
Figure BDA0001829717240000065
角度差值为
Figure BDA0001829717240000066
信息处理模块11在上电后读取光电角度传感器A6和光电角度传感器B10的输出角度值，进行判断和计算，得到光电角度传感器A6的圈数。非临界位置的判断方法如下：
αΔ′＝αB-αA，如果α′Δ＜0°，则αΔ＝α′Δ+360°；如果α′Δ＞0°，则αΔ＝αΔ′；
如果
Figure BDA0001829717240000067
光电角度传感器A6位于第0圈；
如果
Figure BDA0001829717240000068
光电角度传感器A6位于第1圈；
如果
Figure BDA0001829717240000069
光电角度传感器A6位于第2圈；
如果
Figure BDA0001829717240000071
光电角度传感器A6位于第i圈。
2)测量临界位置圈数的方法
如果
Figure BDA0001829717240000072
处于临界位置，此时光电角度传感器A6位于零位或刚过零位。输出角度应满足αA≥0°且在0°附近，但因为存在传动误差，光电角度传感器A6可能未过零位，输出角度在360°附近，导致计算圈数出现跳变。为避免跳变发生，采用如下方式进行判断：
如果0°≤αA＜180°，则光电角度传感器A6位于第i圈；
如果180°≤αA＜360°，则光电角度传感器A6位于第i-1圈。
步骤3，根据步骤2判断出的光电角度传感器A6的圈数，获得光电角度传感器A6的多圈角度值。
根据圈数和单圈角度计算光电角度传感器A6的多圈角度值为：α′A＝360°×i+αA。
步骤4，获得输入轴1的多圈角度值。
根据传动比计算输入轴1的多圈角度值为：
Figure BDA0001829717240000073
分析本发明可测量圈数的范围：
光电角度传感器A6位于第0圈的零位，角度值为αA＝0°，光电角度传感器B10的角度值为αB＝0°，角度差值为αΔ＝αB-αA＝0°-0°＝0°；
光电角度传感器A6位于第1圈的零位时，角度值为αA＝0°，光电角度传感器B10的角度值为
Figure BDA0001829717240000074
角度差值为
Figure BDA0001829717240000075
光电角度传感器A6位于第2圈的零位时，角度值为αA＝0°，光电角度传感器B10的角度值为
Figure BDA0001829717240000076
角度差值为
Figure BDA0001829717240000077
光电角度传感器A6位于第i圈的零位时，角度值为αA＝0°，光电角度传感器B10的角度值为
Figure BDA0001829717240000081
角度差值为
Figure BDA0001829717240000082
光电角度传感器的输出角度范围为0°～360°，角度差值应满足
Figure BDA0001829717240000083
推出0°＜αB-αA＜360°，
Figure BDA0001829717240000084
因此本发明可测量光电角度传感器A6的旋转圈数为
Figure BDA0001829717240000085
本发明可测量输入轴1圈数的旋转范围为
Figure BDA0001829717240000086
本发明能够测量的多圈角度范围可以通过设计不同的n和m的设计值进行测量范围调整，理论上没有测量角度范围的上限。
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；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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 (5)

1.一种使用光电角度传感装置测量多圈角度的方法，其特征在于：
所述测量多圈角度的方法使用光电角度传感装置；所述光电角度传感装置包括：外壳、信息处理模块、设置在外壳内的输入轴(1)以及分别设置在输入轴(1)两侧的第一传感单元和第二传感单元；所述输入轴(1)设置在外壳的轴心，且输入轴(1)顶部固定设置输入齿轮(2)；所述第一传感单元包括：齿轮A(3)、弹性联轴器A(4)、安装座A(5)和光电角度传感器A(6)；所述齿轮A(3)和输入齿轮(2)啮合，所述齿轮A(3)的轴心通过弹性联轴器A(4)与光电角度传感器A(6)连接，所述光电角度传感器A(6)设置在安装座A(5)上，所述光电角度传感器A(6)与信息处理模块(11)电连接；所述第二传感单元包括：齿轮B(7)、弹性联轴器B(8)、安装座B(9)和光电角度传感器B(10)；所述齿轮B(7)和输入齿轮(2)啮合，所述齿轮B(7)的轴心通过弹性联轴器B(8)与光电角度传感器B(10)连接，光电角度传感器B(10)设置在安装座B(9)上，所述光电角度传感器B(10)与信息处理模块(11)电连接；
所述光电角度传感装置测量多圈角度的方法，包括以下过程：
步骤1，分别获取光电角度传感器A(6)和光电角度传感器B(10)的输出角度信息，得到光电角度传感器A(6)和光电角度传感器B(10)的角度差值；
步骤2，利用步骤1得到的光电角度传感器A(6)和光电角度传感器B(10)角度差值，通过以下形式判断光电角度传感器A(6)的圈数：
如果
Figure FDA0002398326230000011
光电角度传感器A(6)处于非临界位置，光电角度传感器A(6)位于第i圈；
如果
Figure FDA0002398326230000012
处于临界位置，光电角度传感器A(6)位于零位或刚过零位，并通过以下方式判断光电角度传感器A(6)的圈数：
如果0°≤αA＜180°，则光电角度传感器A(6)位于第i圈；如果180°≤αA＜360°，则光电角度传感器A(6)位于第i-1圈；
其中，αA表示光电角度传感器A(6)读数，αB表示光电角度传感器B(10)读数，αΔ表示αA与αB计算差值修正值，m表示输入齿轮(2)与光电角度传感器A(6)的旋转角度传动比为，n表示输入齿轮(2)与光电角度传感器B(10)的旋转角度传动比为；
步骤3，根据步骤2判断出的光电角度传感器A(6)的圈数，获得光电角度传感器A(6)的多圈角度值；
步骤4，获得输入轴(1)的多圈角度值。
2.根据权利要求1所述的使用光电角度传感装置测量多圈角度的方法，其特征在于，步骤3，根据步骤2判断出的光电角度传感器A(6)的圈数，获得光电角度传感器A(6)的多圈角度值，包括：
根据光电角度传感器A(6)的圈数和单圈角度计算光电角度传感器A(6)的多圈角度值为：α′A＝360°×i+αA；
其中，α′A表示光电角度传感器A(6)的多圈角度值。
3.根据权利要求1所述的使用光电角度传感装置测量多圈角度的方法，其特征在于，步骤4，获得输入轴(1)的多圈角度值，包括：
根据传动比计算输入轴(1)的多圈角度值为：
Figure FDA0002398326230000021
其中，αs表示输入轴(1)的多圈角度值。
4.根据权利要求1所述的使用光电角度传感装置测量多圈角度的方法，其特征在于，测量光电角度传感器A(6)的旋转圈数为
Figure FDA0002398326230000022
测量输入轴(1)圈数的旋转范围为
Figure FDA0002398326230000023
5.根据权利要求1所述的使用光电角度传感装置测量多圈角度的方法，其特征在于，所述光电角度传感器A(6)通过输出线缆(12)与信息处理模块(11)电连接，所述光电角度传感器B(10)通过输出线缆(12)与信息处理模块(11)电连接。
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