CN109931887A - 一种角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种角度传感器，包括：光源，用于发射光束；透射部件，所述透射部件用于同被测物体相连接，所述透射部件可旋转并且沿周向设有若干个透光孔，透射部件设有中空部，光源位于所述中空部，且位于透射部件的中心，且位置固定不变，光源发射的光束通过所述透光孔透射出去；凹透镜，用于接收从透光孔射出的光束，并使光束发生折射；光电探测器，用于接收经凹透镜折射后的光束，并测量其入射位置。本角度传感器通过凹透镜对光束进行折射，可以将小角度变化放大为大角度变化，实现旋转角度的进一步放大，因此上述角度传感器可以进一步增大放大倍数，继而提高测量精度。

Description

一种角度传感器

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，特别涉及一种角度传感器。

背景技术

角度传感器是一种常用的几何量传感器，广泛运用于航空航天、工业生产、机械制造以及军事科学等多个领域。例如申请号为201821011082.X，名称为“一种新型角度传感器”中提供的角度传感器，如图4所示，通过将被测物体安装在透射部件5上，被测物体旋转时透射部件5随之一起旋转，通过测量旋转过程中的透射部件5上不同透光孔6透射出光束分别位于光电探测器，处理系统能够根据光电探测器上光束入射位置的变化来计算被测物体旋转角度的变化值。然而基于光电探测器性能的限制，该角度传感器的放大倍数依然有限，对于特殊应用场合的适用性差，或者测量精度不高。

发明内容

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的的不足，提供一种角度传感器。

一种角度传感器，包括：

光源，用于发射光束；

透射部件，所述透射部件用于同被测物体相连接，所述透射部件可旋转并且沿周向设有若干个透光孔，透射部件设有中空部，光源位于所述中空部，且位于透射部件的中心，且位置固定不变，光源发射的光束通过所述透光孔透射出去；

凹透镜，用于接收从透光孔射出的光束，并使光束发生折射；

光电探测器，用于接收经凹透镜折射后的光束，并测量其入射位置；

所述处理系统，具体用于根据所述光电探测器上所接收到的光束的入射位置变化值，处理得到被测物体的旋转角度值。通过凹透镜对光束进行折射，可以将小角度变化放大为大角度变化，实现旋转角度的进一步放大，因此上述角度传感器可以进一步增大放大倍数，继而提高测量精度。

在进一步的方案中，还包括凸透镜一，凸透镜一的焦点均与光源中心对齐；

所述凸透镜一设置于所述透射部件与凹透镜之间，从所述透光孔透射出的光束经凸透镜一后变为平行光，入射至所述凹透镜。通过设置凸透镜一简化数字模型，方便计算。

在进一步的方案中，还包括凸透镜二，凸透镜二的焦点与凹透镜的焦点重合；

所述凸透镜二设置于所述光电探测器与凹透镜之间，从凹透镜射出的光束经凸透镜二后平行入射至所述光电探测器。设置凸透镜二使得光束平行入射光电探测器，提高测量精度。

在进一步的方案中，所述凹透镜与光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头之间的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

在进一步的方案中，所述凸透镜一、凹透镜、光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头之间的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

在进一步的方案中，所述凸透镜一、凸透镜二、凹透镜、光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头之间的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

在进一步的方案中，所述定位部为正多边形立柱或圆柱。

在进一步的方案中，所述中空部由沿透射部的轴向设置的圆柱形通孔形成。可使得透光孔沿圆柱形的孔壁分布，实现更好地进行角度测量。

在进一步的方案中，所述透射部和定位部为形状相同的正多边形立柱或圆柱。如此设置，便于生产，即透射部件为一个整体结构，只需要将立柱沿轴向划分为两部分，其中上部分的每个侧面设置透光孔，即形成透射部。

在进一步的方案中，所述透射部件内壁的非透光孔区域设置有吸光材料层。通过设置吸光材料层，可以吸收未透射出去的光束，避免光束反射回光源。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本角度传感器通过凹透镜对光束进行折射，可以将小角度变化放大为大角度变化，实现旋转角度的进一步放大，因此上述角度传感器可以进一步增大放大倍数，继而提高测量精度。

2、本角度传感器通过设置多个探测头，当其中一个光电探测器接收不到光束时切换至另一个光电探测器接收，因此可以可靠地保障连续角度测量，增强角度传感器的实用性。

3、本角度传感器通过设置凸透镜一简化数字模型，方便计算。

4、本角度传感器通过设置凸透镜二使得光束平行入射光电探测器，提高测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的角度传感器的一种结构示意图。

图2为本发明实施例提供的角度传感器的另一种结构示意图。

图3为本发明实施例提供的角度传感器的透射部件的结构示意图。

图4为一种新型角度传感器的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的角度传感器的另一种结构示意图。

图6为本发明实施例提供的角度传感器的另一种结构示意图。

图中标记说明

光源1，透射部件2，凹透镜3，光电探测器4，光束5，透光孔6，中空部7，透射部8，定位部9，凸透镜一10，凸透镜二11。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

请参阅图1，本实施例示意性地公开了一种角度传感器，包括：光源1，透射部件2，凹透镜3，光电探测器4，处理系统。其中光源1用于发射光束5，透射部件2用于同被测物体相连接，透射部件2可旋转并且沿周向设有若干个透光孔6，透射部件2设有中空部7，光源1位于中空部7，且位于透射部件2的中心，且位置固定不变，光源1发射的光束5通过透光孔6透射出去。

本方案中的光路传输过程如下(虚线为转动前的透射部件与光束位置，实线为转动后的透射部件与光束位置)：

光源1发射的光束5通过透光孔6透射出去，射入凹透镜3，凹透镜3接收从透光孔6射出的光束5，并使光束5折射至光电探测器4，光电探测器4接收经凹透镜3折射后的光束5，并测量其入射位置；处理系统根据所述光电探测器4上所接收到的光束的入射位置变化值，处理得到被测物体的旋转角度值。本方案中利用凹透镜的散射原理，通过凹透镜对光束进行折射，实现旋转角度的进一步放大，因此上述角度传感器可以进一步增大放大倍数，继而提高测量精度。

且本方案为了实现角度的连续测量，在本方案中凹透镜3与光电探测器构成探测头，且本方案中探测头的数量为两个。通过设置两个探测头，当其中一个探测头接收不到光束时切换至另一个探测头接收，因此可以可靠地保障连续角度测量，增强角度传感器的实用性。

如图2所示，在另一个实施方案中，在图1所示结构基础上，本角度传感器中的探测头内还包括凸透镜一10。凸透镜一10设置于所述透射部件2与凹透镜3之间，光源1发射的光束5通过透光孔6透射出去后，光束5经凸透镜一10折射后入射至凹透镜3。通过凸透镜一10使得光源1发射的光束5发生折射，使得光束5平行入射至对应的凹透镜，简化了数字模型，便于转动角度的计算。其计算过程可以根据几何光学并结合公开号为108917654A，新型角度传感器及其测量方法中的计算公式推导得到。且为了保证光束5平行入射至对应的凹透镜，作为一种较优的实施方式，凸透镜一的焦点均与光源中心对齐。

如图5所示，在另一个实施方案中，在图1所示结构基础上，本角度传感器中的探测头内还包括凸透镜二11。凸透镜二11设置于所述凹透镜3与光电探测器4之间，凸透镜二11的焦点与凹透镜3的焦点重合。光源1发射的光束5通过透光孔6透射出去后，光束5经凹透镜3折射后入射至凸透镜二11，从凹透镜3射出的光束经凸透镜二11后平行入射至光电探测器4。保障了光电探测器的测量精度，避免由于光电探测器的激光入射角变化对于位置测量精度的影响。

如图6所示，在另一个实施方案中，在图2所示结构基础上，本角度传感器中的探测头内还包括凸透镜二11。凸透镜二11设置于所述凹透镜3与光电探测器4之间，凸透镜二11的焦点与凹透镜3的焦点重合。光束5经凸透镜一10折射后入射至凹透镜3。通过凸透镜一10使得光源1发射的光束5发生折射，使得光束5平行入射至对应的凹透镜，凹透镜3接收从透光孔6射出的光束5，并使光束5折射至凸透镜二11，从凹透镜3射出的光束经凸透镜二11后平行入射至光电探测器4。通过凸透镜一10使得光束5平行入射至对应的凹透镜3，简化了数字模型，且通过凹透镜3使得光束发生折射，实现旋转角度的进一步放大，并通过凸透镜二11使得光束平行入射至光电探测器4。保障了光电探测器的测量精度，避免由于光电探测器的激光入射角变化对于位置测量精度的影响。

上述几个不同结构的角度传感器中，光源均设置于透射部件2的中空部。而作为一种较优的实施方式，请参阅图3，透射部件包括一体成型的透射部8和定位部9，中空部7设置于透射部，透射部沿周向设置有所述若干个透光孔6，所述被测物体固定于所述定位部9。通过将透射部件2设置为透射部8和定位部9一体成型的构件，装配时可以操作(例如夹持)定位部实现透射部件与光电探测器、光源等部件之间的定位，被测物体与光源分别位于透射部件的不同位置，也可避免被测物体与光源之间的相互影响。

在进一步的方案中，透射部件2包括一体成型的透射部8和定位部9，透射部8和定位部9均为正多边形立柱。为了便于生产，如图3所示，定位部9的形状与透射部8的形状相同。中空部9设置于透射部8，由沿透射部8的轴向设置的圆柱形通孔形成，若干个透光孔6沿透射部8的周向分布，贯穿透射部8的整个壁厚，以让光源1发射的光束2透过，入射至凹透镜。定位部9设置有安装孔，被测物体通过该安装孔连接定位部9。透射部8和/或定位部9也可以采用圆柱，或其他结构，采用多边形立柱的目的是为了便于夹持定位部9，以便于安装定位。

且为了吸收未透射出去的光束，透射部件内壁的非透光孔区域设置有吸光材料层。通过设置吸光材料层，可以避免光束反射回光源。

容易理解的，上述几个不同结构的角度传感器中，均通过采用两个探测头实现连续测量，但是容易理解的，在保证实现连续测量的情况下，不限制探测头的个数，也可以是三个，四个及四个以上。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种角度传感器，其特征在于，包括：

光源，用于发射光束；

透射部件，所述透射部件用于同被测物体相连接，所述透射部件可旋转并且沿周向设有若干个透光孔，透射部件设有中空部，光源位于所述中空部，且位于透射部件的中心，且位置固定不变，光源发射的光束通过所述透光孔透射出去；

凹透镜，用于接收从透光孔射出的光束，并使光束发生折射；

光电探测器，用于接收经凹透镜折射后的光束，并测量其入射位置；

所述处理系统，具体用于根据所述光电探测器上所接收到的光束的入射位置变化值，处理得到被测物体的旋转角度值。

2.根据权利要求2所述的角度传感器，其特征在于，还包括凸透镜一，凸透镜一的焦点均与光源中心重合；

所述凸透镜一设置于所述透射部件与凹透镜之间，从所述透光孔透射出的光束经凸透镜一后变为平行光，入射至所述凹透镜。

3.根据权利要求1或2所述的角度传感器，其特征在于，还包括凸透镜二，凸透镜二的焦点与凹透镜的焦点重合；

所述凸透镜二设置于所述光电探测器与凹透镜之间，从凹透镜射出的光束经凸透镜二后平行入射至所述光电探测器。

4.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，所述凹透镜与光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头之间的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

5.根据权利要求2所述的角度传感器，其特征在于，所述凸透镜一、凹透镜、光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头之间的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

6.根据权利要求3所述的角度传感器，其特征在于，所述凸透镜一、凸透镜二、凹透镜、光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头之间的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

7.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，所述透射部件包括一体成型的透射部和定位部，所述中空部设置于所述透射部，所述透射部沿周向设置有所述若干个透光孔，所述被测物体固定于所述定位部。

8.根据权利要求7所述的角度传感器，其特征在于，所述中空部由沿透射部的轴向设置的圆柱形通孔形成。

9.根据权利要求8所述的角度传感器，其特征在于，所述透射部和定位部为形状相同的正多边形立柱或圆柱。

10.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，所述透射部件内壁的非透光孔区域设置有吸光材料层。