CN110044252A - 一种用于检测轴转动角度的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轴检测技术领域，提供一种用于检测轴转动角度的测量装置及测量方法，该测量装置包括基座、设于基座上的被测转轴、设于被测转轴上且与被测转轴同步转动的主齿轮、与主齿轮传动连接的从齿轮、用于感知主齿轮转动位置的第一传感单元、用于感知从齿轮转动位置的第二传感单元以及用于接收第一传感单元与第二传感单元数据并利用分段函数算法计算被测转轴转动角度的分析处理单元。本发明的提供的用于检测轴转动角度的测量装置及测量方法，利用两个传感单元，同时采用分段函数算法计算轴转动角度，测量量程大，既克服了单个传感单元量程小测量量程有限的缺陷，也提高测量精度。

Description

一种用于检测轴转动角度的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及轴检测技术领域，尤其提供一种用于检测轴转动角度的测量装置及测量方法。

背景技术

在机械结构里，测量转动物体的角度是较普遍的需求。而角度的测量范围不同，有时需要测量小于360度的角度，有时需要测量多于360度的角度。

在很多的机械使用场景中，需要借助装置与传感单元的组合来测量转动的物体的转动角度位置，尤其是超过360度的旋转角度测量，其通过模拟的转角传感器来实现传感单元与转动装置的非接触设置。

现有的传感单元，根据传感的方式可以分为光传感器、电感式传感器、磁传感器、光传感器等，而为了获得较高的角度测量精度，通常采用光传感器。光传感器的优点在于精度高，但是为了保证光传感器的精度，必须配合高精度的编码轨道，成本相对昂贵。同时，光传感对污物较为敏感，必须设置相应的密封结构。这样不仅会增加成本，还要制造编码盘，增加装置体积。

由于磁作用的信号处理技术的进步，磁传感器方面逐步发展成较主流的解决方案，但磁作用元件受温度影响较大，在高温环境下的精度得不到保证。

感应式传感单元，包括旋转式变压器，优点是对环境要求相对低，同时精度也可以保证，但其传感单元的布置及设计较为复杂。而且，感应式传感器测量的量程小于360°，无法对大角度旋转进行角度测量。

而现有的实现角度测量的装置，有多种方式，其中，现有较常见的用于检测转动多于360度物体转角的方法和装置中，采用被测转动物体与另外两个可转动物体配合转动，所有的三个齿轮被设计成已知的齿数，这两个配合的齿轮借助两个磁作用的传感器检测出实时的角度，同时，根据其与齿轮比的算法，被测的转动物体的转角被清楚的解算出来。这种结构中，采用两个传感器单元采用一种原理作用，将其与齿轮装置组合，较为灵活的实现了多于360度角度测量。但同时，由于传感器全部在附齿轮上测量，传动间隙不可避免的影响最终的测量结果，很难将装置的测量精度提高至1度以内；同时，齿轮传动磁作用的传感单元对温度环境较为敏感也与生俱来，在高温的环境下，这种装置的精度又会降低。

而为解决这一问题，现有一些做法采用不同的传感器进行组合测量，且采用分析单元接收两不同传感器的信号，并以游标原理为基础提供关于旋转运动的轴的转角的信息。但是采用游标算法，目标测量量程和标量差值之间成线性关系，其测量误差较大，精度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于检测轴转动角度的测量装置及测量方法，旨在解决现有技术中的感应式传感器测量的量程小，采用游标算法测量误差较大，精度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于检测轴转动角度的测量装置，包括基座、设于所述基座上的被测转轴、设于所述被测转轴上且与所述被测转轴同步转动的主齿轮、与所述主齿轮传动连接的从齿轮、用于感知所述主齿轮转动位置的第一传感单元、用于感知所述从齿轮转动位置的第二传感单元以及用于接收所述第一传感单元与所述第二传感单元数据并利用分段函数算法计算所述被测转轴转动角度的分析处理单元。

进一步地，所述第一传感单元包括设于所述主齿轮上且可随所述主齿轮运动的电感应元件、设于所述基座上的定子线圈以及与所述线圈电连接的电感应电路，所述被测转轴设于所述定子线圈内，所述电感应电路与所述分析处理单元电连接。

进一步地，所述电感应元件为多个，均匀分布于所述主齿轮上。

进一步地，各所述电感应元件的感应角度量程为0°至120°。

进一步地，所述从齿轮为磁性件，所述第二传感单元为可感应所述磁性件转动的磁感应元件，所述磁感应元件与所述分析处理单元电连接。

进一步地，所述磁感应元件的感应角度量程为0°至360°。

进一步地，还包括设于所述主齿轮与所述从齿轮之间的齿轮减速机构。

进一步地，所述齿轮减速机构包括与所述主齿轮啮合的第一传动齿轮，以及与所述第一传动齿轮同轴设置且与所述从齿轮啮合的第二传动齿轮。

本发明还提供一种检测轴转动角度的测量方法，包括以下步骤：

S1、在被测转轴上设置主齿轮，并设置与所述主齿轮啮合的从齿轮，所述主齿轮的齿数为B，所述从齿轮的齿数为A；在所述主齿轮圆周上设置用于感知所述主齿轮转动位置的第一传感单元，所述第一传感单元的角度量程为X，在所述从齿轮上设置用于感知所述从齿轮转动位置的第二传感单元；

S2、利用所述第一传感单元获取所述主齿轮相对初始位置的主转角Xa，利用所述第二传感单元获取所述从齿轮相对初始位置的从转角Xb，利用公式Xb-Xa*B/A得到被测转轴旋转的圈数N；

S3、根据公式β＝X*N+Xa计算所述被测转轴旋转的多圈旋转角度β。

进一步地，在所述S1步骤中，所述第一传感单元包括设于所述主齿轮上且可随所述主齿轮运动的电感应元件、设于所述基座上的定子线圈以及与所述线圈电连接的电感应电路，所述电感应元件设置多个，均匀分布于所述主齿轮上；所述从齿轮为磁性件，所述第二传感单元为可感应磁性件转动的磁感应元件。

本发明的有益效果：

本发明的提供的用于检测轴转动角度的测量装置及测量方法，利用两个传感单元，同时采用分段函数算法计算轴转动角度，测量量程大，既克服了单个传感单元量程小测量量程有限的缺陷，也提高测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例一提供的用于检测轴转动角度的测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的用于检测轴转动角度的测量装置的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的用于检测轴转动角度的测量方法的流程图；

其中，图中各附图标记：

1—被测转轴、11—基座、21—主齿轮、22—从齿轮、23—齿轮减速机构、231—第一传动齿轮、232—第二传动齿轮、31—第一传感单元、32—第二传感单元、41—分析处理单元。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

请参考图1所示，本发明实施例一提供一种用于检测轴转动角度的测量装置，包括基座11、设于基座11上的被测转轴1、设于被测转轴1上且与被测转轴1同步转动的主齿轮21、与主齿轮21传动连接的从齿轮22、用于感知主齿轮21转动位置的第一传感单元31、用于感知从齿轮22转动位置的第二传感单元32以及用于接收第一传感单元31与第二传感单元32数据并利用分段函数算法计算被测转轴1转动角度的分析处理单元41。

本实施例提供的用于检测轴转动角度的测量装置中，第一传感单元31用于测量主齿轮21的当前角度值Xa，也即是被测轴1的当前角度值，第二传感单元32用于测量从齿轮22的当前角度值Xb，分析处理单元41根据Xa和Xb利用分段函数算法计算被测转轴1的多圈旋转角度β。

具体地，第一传感单元31包括设于主齿轮21上且可随主齿轮21运动的电感应元件(图中未示出)、设于基座11上的定子线圈(图中未示出)以及与线圈电连接的电感应电路，被测转轴1设于定子线圈内，电感应电路与分析处理单元41电连接。本实施例中，第一传感单元31采用电感应元件、定子线圈及电感应电路，其受温度影响小，对环境要求相对低，同时精度较高。这样可以减少Xa受到环境因素的影响，有利于提高Xa值的测量精度，进而提高多圈旋转角度β的精确度和可靠性。

优选地，本实施例中，电感应元件为多个，均匀分布于主齿轮21上。本实施例中，通过多个电感应元件分布于主齿轮21上，能够使主齿轮21在各个转动位置都能够检测到Xa值，避免由于单个电感应元件量程有限，导致多圈旋转角度β超过感应角度量程时无法检测。本实施例中，各电感应元件的感应角度量程为0°至120°。

进一步地，从齿轮22为磁性件，第二传感单元32为可感应磁性件转动的磁感应元件，磁感应元件与分析处理单元41电连接。本实施例中，磁感应元件与磁性件配合，结构简单，安装方便，同时Xb还能够取得较大的测量量程，有利于增大周期数N的最大值。而且，本实施例中，第一传感单元31与第二传感单元32采用不同的传感器，即二者测量原理不同，这样，避免在测量过程中相互干涉。

本实施例中，磁感应元件的感应角度量程为0°至360°，这样，有利于增大N值，进而提高多圈旋转角度的最大量程βm。

实施例二

参照图2所示，本实施例一是在实施例二的基础上进一步改进，在主齿轮21与从齿轮22之间增加齿轮减速机构23。

具体地，齿轮减速机构23包括与主齿轮21啮合的第一传动齿轮231，以及与第一传动齿轮231同轴设置且与从齿轮22啮合的第二传动齿轮232。本实施例中，第一传动齿轮231与第二传动齿轮232同轴转动，将主齿轮21的转动减速并传递给从齿轮22，结构简单，占用体积小。本实施例中，第一传动齿轮231齿数Y1大于第二传动齿轮232齿数Y2，二者传动比为Y1/Y2。

当未设置齿轮减速机构23时，设主齿轮21的齿数A，从齿轮22的齿数B，设第一传感单元的角度量程为X，则此时被测转轴1的量程为X*A(A和B均为质数，且二者没有公约数)。当设置上述的减速机构23后，此时被测转轴的量程为X*A*Y1/Y2，相较于原量程X*A，量程增大，进而进一步增加多圈旋转角度β的测量量程。

本实施例中其它结构与实施例一相同，此处不作赘述。

请参考图3所示，本发明实施例还提供一种检测轴转动角度的测量方法，包括以下步骤：

S1、在被测转轴1上设置主齿轮21，并设置与主齿轮21啮合的从齿轮22，主齿轮21的齿数为A，从齿轮22的齿数为B；在主齿轮21圆周上设置用于感知主齿轮21转动位置的第一传感单元31，第一传感单元31的角度量程为X，在从齿轮22上设置用于感知从齿轮22转动位置的第二传感单元32；

在本步骤中，具体地，第一传感单元31包括设于主齿轮21上且可随主齿轮21运动的电感应元件(图中未示出)、设于基座11上的定子线圈(图中未示出)以及与线圈电连接的电感应电路，被测转轴1设于定子线圈内，电感应电路与分析处理单元41电连接。本实施例中，第一传感单元31采用电感应元件、定子线圈及电感应电路，其受温度影响小，对环境要求相对低，同时精度较高。这样可以减少Xa受到环境因素的影响，有利于提高Xa值的测量精度，进而提高多圈旋转角度β的精确度和可靠性。

优选地，本实施例中，电感应元件为多个，均匀分布于主齿轮21上。本实施例中，通过多个电感应元件分布于主齿轮21上，能够使主齿轮21在各个转动位置都能够检测到Xa值，避免由于单个电感应元件量程有限，导致多圈旋转角度β超过感应角度量程X时无法检测。优选地，各电感应元件的感应角度量程为0°至120°。

进一步地，从齿轮22为磁性件，第二传感单元32为可感应磁性件转动的磁感应元件，磁感应元件与分析处理单元41电连接。本实施例中，磁感应元件与磁性件配合，结构简单，安装方便。而且，本实施例中，第一传感单元31与第二传感单元32采用不同的传感器，即二者测量原理不同，这样，避免在测量过程中相互干涉。磁感应元件的感应角度量程为0°至360°，这样，有利于增大N值，进而提高多圈旋转角度的最大量程βm。

S2、利用第一传感单元31获取主齿轮21相对初始位置的当前角度值Xa，利用第二传感单元32获取从齿轮22相对初始位置的当前角度值Xb，利用公式Xb-Xa*B/A得到被测转轴1旋转的圈数N；

S3、根据公式β＝X*N+Xa计算所述被测转轴旋转的多圈旋转角度β。

例如，设主齿轮21的齿数A＝5，从齿轮的齿数B＝37，设主齿轮21转动1个齿时，被测转轴1的转动角度为8°，被测转轴1的最大转动角度量程为5*37*8＝1480°。

当主齿轮21转动5个齿即1圈时被测转轴1也转动1圈，此时第一传感单元31的角度量程X＝40°，则被测转轴1上均匀设置360/40＝9个第一传感单元31。

定义Xa＝0、Xb＝0时，N＝0；

当第一传感单元31的当前角度值Xa＝40°即被测转轴1转动1圈时归0，此时第二传感单元32对应一个Xb值，这样，在最大转动角度量程0°～1480°范围内，被测转轴1转动不同圈时，对应不同的Xb值，最多有37个Xb值，也即是分成37段，这样，根据第一传感单元31及第二传感单元32的测量，已知Xa、Xb时，就可根据公式Xb-Xa*B/A反推得到被测转轴1转过的不同圈数N。由于Xb值与N一一对应，因此也可理解为在上述过程中，第二传感单元32用于记录被测转轴1旋转的圈数N。在分析处理单元中，预先将37个Xb值与各自对应的N值对应预存，这样，当第二传感单元32测得Xb值时，即可立即查表查出对应的N值，最后，利用公式β＝β＝X*N+Xa计算所述被测转轴旋转的多圈旋转角度β，这也是上述的分段函数算法具体实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于检测轴转动角度的测量装置，其特征在于：包括基座、设于所述基座上的被测转轴、设于所述被测转轴上且与所述被测转轴同步转动的主齿轮、与所述主齿轮传动连接的从齿轮、用于感知所述主齿轮转动位置的第一传感单元、用于感知所述从齿轮转动位置的第二传感单元以及用于接收所述第一传感单元与所述第二传感单元数据并利用分段函数算法计算所述被测转轴转动角度的分析处理单元。

2.根据权利要求1所述的用于检测轴转动角度的测量装置，其特征在于：所述第一传感单元包括设于所述主齿轮上且可随所述主齿轮运动的电感应元件、设于所述基座上的定子线圈以及与所述线圈电连接的电感应电路，所述被测转轴设于所述定子线圈内，所述电感应电路与所述分析处理单元电连接。

3.根据权利要求2所述的用于检测轴转动角度的测量装置，其特征在于：所述电感应元件为多个，均匀分布于所述主齿轮上。

4.根据权利要求3所述的用于检测轴转动角度的测量装置，其特征在于：各所述电感应元件的感应角度量程为0°至120°。

5.根据权利要求1所述的用于检测轴转动角度的测量装置，其特征在于：所述从齿轮为磁性件，所述第二传感单元为可感应所述磁性件转动的磁感应元件，所述磁感应元件与所述分析处理单元电连接。

6.根据权利要求5所述的用于检测轴转动角度的测量装置，其特征在于：所述磁感应元件的感应角度量程为0°至360°。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于检测轴转动角度的测量装置，其特征在于：还包括设于所述主齿轮与所述从齿轮之间的齿轮减速机构。

8.根据权利要求7所述的用于检测轴转动角度的测量装置，其特征在于：所述齿轮减速机构包括与所述主齿轮啮合的第一传动齿轮，以及与所述第一传动齿轮同轴设置且与所述从齿轮啮合的第二传动齿轮。

9.一种检测轴转动角度的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、在被测转轴上设置主齿轮，并设置与所述主齿轮啮合的从齿轮，所述主齿轮的齿数为A，所述从齿轮的齿数为B；在所述主齿轮圆周上设置用于感知所述主齿轮转动位置的第一传感单元，所述第一传感单元的角度量程为X，在所述从齿轮上设置用于感知所述从齿轮转动位置的第二传感单元；

S2、利用所述第一传感单元获取所述主齿轮相对初始位置的主转角Xa，利用所述第二传感单元获取所述从齿轮相对初始位置的从转角Xb，利用公式Xb-Xa*B/A得到被测转轴旋转的圈数N；

S3、根据公式β＝X*N+Xa计算所述被测转轴旋转的多圈旋转角度β。

10.根据权利要求9所述的检测轴转动角度的测量方法，其特征在于：在所述S1步骤中，所述第一传感单元包括设于所述主齿轮上且可随所述主齿轮运动的电感应元件、设于所述基座上的定子线圈以及与所述线圈电连接的电感应电路，所述电感应元件设置多个，均匀分布于所述主齿轮上；所述从齿轮为磁性件，所述第二传感单元为可感应磁性件转动的磁感应元件。