CN111307187A - 一种快速寻零的微小型增量式角度传感器及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及角度传感器技术领域，提供一种快速寻零的微小型增量式角度传感器，包括：输入轴、光源、狭缝盘、编码盘、接收板和传感器底座；所述输入轴设置在传感器底座中心上方；所述输入轴的顶端用于与待测轴连接，所述输入轴的底端与编码盘固定连接；所述光源、狭缝盘和接收板分别固定在传感器底座上，所述光源上方依次为狭缝盘、编码盘和接收板；所述狭缝盘在与接收板上的接收灯对应位置对应设置第一通光狭缝和第二通光狭缝；所述编码盘在与狭缝盘上的第一通光狭缝径向对应位置设置第一通光码道，在与狭缝盘上的第二通光狭缝径向对应位置设置第二通光码道。本发明能够以最短的时间完成寻零功能并且可以避免撞击机械限位。

Description

一种快速寻零的微小型增量式角度传感器及其测量方法
技术领域
本发明涉及角度传感器技术领域，尤其涉及一种快速寻零的微小型增量式角度传感器及其测量方法。
背景技术
增量式角度传感器，工作时应首先进行寻零。传感器复位后输出随机增量角度值，当角度传感器顺时针转动或者逆时针转动经过零位角度时，会产生一个绝对零位信号，角度值清零，如此完成寻零，传感器开始正常工作，并计算绝对角度位置。
图1是现有技术的增量式角度传感器的寻零原理示意图。如图1所示，传统的增量式角度传感器的寻零方式如图1所示，除了零位信号外还需要额外的正限位信号La和负限位信号Lb，增加2路信号会导致角度传感器的体积增大，并且传感器复位后，存在以下三种情况：
1.La为高，则角度传感器逆时针旋转，能寻到零位；
2.La为低，Lb为高，则角度传感器顺时针旋转，能寻到零位；
3.La和Lb都为低，只能傻瓜式按默认方向先顺时针(或逆时针)旋转，如果当La(或Lb)变为高，依旧未寻到零，则逆时针(或顺时针)旋转，能寻到零位。
如果系统存在限位，第1、2、3种情况都不会撞击限位。如果角度传感器复位后，第3情况寻零比较慢。导致增量式角度传感器寻零效率不好、效率不高。
发明内容
本发明主要解决传统增量式角度传感器寻零效率不好、效率不高的技术问题，提出一种快速寻零的微小型增量式角度传感器及其测量方法，使用两路零位信号组合产生绝对零位信号，在角度传感器复位后，零位信号具有指示零位位置方位的功能，系统根据零位信号控制旋转方向，可用最短的时间完成寻零功能，并可以避免撞击限位。
本发明提供了一种快速寻零的微小型增量式角度传感器，包括：输入轴(1)、光源(2)、狭缝盘(3)、编码盘(4)、接收板(5)和传感器底座(7)；
所述输入轴(1)设置在传感器底座(7)中心上方；所述输入轴(1)的顶端用于与待测轴连接，所述输入轴(1)的底端与编码盘(4)固定连接；
所述光源(2)、狭缝盘(3)和接收板(5)分别固定在传感器底座(7)上，所述光源(2)上方依次为狭缝盘(3)、编码盘(4)和接收板(5)；
所述狭缝盘(3)在与接收板(5)上的接收灯对应位置对应设置第一通光狭缝(9)和第二通光狭缝(10)；
所述编码盘(4)在与狭缝盘(3)上的第一通光狭缝(9)径向对应位置设置第一通光码道(11)，在与狭缝盘(3)上的第二通光狭缝(10)径向对应位置设置第二通光码道(12)。
优选的，所述传感器底座(7)上配合设置传感器外壳(8)；
所述输入轴(1)从传感器外壳(8)顶部穿入，所述光源(2)、狭缝盘(3)、编码盘(4)和接收板(5)分别设置在传感器外壳(8)内部。
优选的，所述接收板(5)连接输出线缆(6)，所述输出线缆(6)穿出传感器外壳(8)。
优选的，所述光源(2)发出平行光。
对应的，本发明还提供一种快速寻零的微小型增量式角度传感器的测量方法，包括以下过程：
步骤1，测量角度传感器的零位信号，包括：输入轴(1)转动带动编码盘(4)转动，编码盘(4)与狭缝盘(3)产生相对运动，光源(2)发出的平行光依次穿过狭缝盘(3)与编码盘(4)，平行光穿过狭缝盘(3)与编码盘(4)后，产生光强变化照射在接收板(5)上，接收板(5)接收光强变化的光信号并且将光信号转化为两路零位电信号，利用两路零位电信号通过如下关系确定零位位置：
a)如果Za＝1，Zb＝0，则角度传感器处于零位位置；
b)如果Za＝1，Zb＝1，则角度传感器处于正方向位置；
c)如果Za＝0，Zb＝0，则角度传感器处于反方向位置；
d)如果Za＝0，Zb＝1，则角度传感器处于180°位置；
其中，Za表示编码盘(4)转动时，光源(2)发出的平行光依次通过第一通光狭缝(9)和第一通光码道(11)编码后形成的零位信号；Zb表示编码盘(4)转动时，光源(2)发出的平行光依次通过第二通光狭缝(10)和第二通光码道(12)编码后形成的零位信号；
步骤2，测量待测轴的旋转角度信号；
步骤3，将步骤1和步骤2得到的测量结果转化为数字信号，由输出线缆(6)将数字信号输出，输出形式为“零位+角度”。
优选的，步骤2，测量待测轴的旋转角度信号，包括以下过程：
输入轴(1)跟随待测轴转动，同时输入轴(1)带动编码盘(4)旋转，光源(2)发出的平行光穿过狭缝盘(3)和编码盘(4)被接收板(5)接收，接收板(5)将接受到的光信号经过解算转化为电信号，当转动经过绝对零位时，角度值清零，继续旋转输入轴(1)，测量输出的角度值。
本发明提供的一种快速寻零的微小型增量式角度传感器及其测量方法，采用光栅编码和译码技术，光电信号转化技术；利用两路零位信号组合形成绝对零位信号，实现寻零功能，使得角度传感器在复位后，零位信号具有指示零位位置方位的功能，系统可以根据零位信号控制旋转方向，以最短的时间完成寻零功能并且可以避免撞击机械限位。本发明设计简单、寻零速率快、体积小，成本低。
附图说明
图1是现有技术的增量式角度传感器的寻零原理示意图；
图2是本发明实施例一提供的快速寻零的微小型增量式角度传感器的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的狭缝盘的结构示意图；
图4是本发明实施例一提供的编码盘的结构示意图；
图5是本发明实施例一提供的快速寻零的微小型增量式角度传感器的信号传导示意图；
图6是本发明实施例一提供的快速寻零的微小型增量式角度传感器的寻零原理示意图。
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2是本发明实施例一提供的快速寻零的微小型增量式角度传感器的结构示意图。如图2所示，本发明实施例提供的快速寻零的微小型增量式角度传感器，包括：输入轴1、光源2、狭缝盘3、编码盘4、接收板5、输出线缆6和传感器底座7。
所述输入轴1设置在传感器底座7中心上方；所述输入轴1的顶端用于与待测轴连接，所述输入轴1的底端与编码盘4固定连接。输入轴1能够向编码盘4传递待测轴的旋转角度。传感器底座7为用于固定狭缝盘3、光源2、接收板5。
所述光源2、狭缝盘3和接收板5分别固定在传感器底座7上，所述光源2上方依次为狭缝盘3、编码盘4和接收板5。所述光源2发出平行光，为编码盘4和狭缝盘3提供光源，使接收板5可以接收到平行光穿过编码盘4和狭缝盘3后形成的光信号。
图3是本发明实施例一提供的狭缝盘的结构示意图；图4是本发明实施例一提供的编码盘的结构示意图；如图3、4所示，所述狭缝盘3在与接收板5上的接收灯对应位置对应设置第一通光狭缝9和第二通光狭缝10。具体的，狭缝盘3设置在光源2和编码盘4之间，使平行光可以穿过狭缝盘的通光狭缝，当平行光穿过狭缝盘3后在一定区域内形成了明暗区域。当编码盘4的编码区域运动到对应区域时即可形成对应的光信号。
所述编码盘4在与狭缝盘3上的第一通光狭缝9径向对应位置设置第一通光码道11，在与狭缝盘3上的第二通光狭缝10径向对应位置设置第二通光码道12。所述狭缝盘3的通光狭缝和编码盘4的通光码道对应有零位编码。编码盘4和狭缝盘3为两个光栅(即，刻有编码图案的光学玻璃)。编码盘4随输入轴1同步转动，当编码盘4的编码区域运动到与狭缝盘3对应的明暗区域时产生光信号。
接收板5接收光信号，将光信号转化为电信号，测量出的两路零位信号以数字信号形式从输出线缆6输出。测量出的角度值“α°”通过输出线缆6输出。
在上述方案基础上，所述传感器底座7上配合设置传感器外壳8；所述输入轴1从传感器外壳8顶部穿入，所述光源2、狭缝盘3、编码盘4和接收板5分别设置在传感器外壳8内部。所述接收板5连接输出线缆6，所述输出线缆6穿出传感器外壳8。
本实施例的快速寻零的微小型增量式角度传感器的装配过程：编码盘4与输入轴1固连，组成传感器的转子部分。狭缝盘3、光源2、接收板5、输出线缆6与传感器底座7固连，组成传感器的定子部分。
图5是本发明实施例一提供的快速寻零的微小型增量式角度传感器的信号传导示意图。如图5所示，本实施例提供的快速寻零的微小型增量式角度传感器的工作方式：输入轴1转动带动编码盘4转动，编码盘4与狭缝盘3产生相对运动，光源2发出的平行光依次穿过狭缝盘3与编码盘4，平行光穿过狭缝盘3与编码盘4(两个光栅)后产生光强变化的光信号照射在接收板5上，接收板5接收光信号并且将光信号转化为电信号，此时的电信号即为当前输入轴的旋转角度。其中，平行光穿过编码盘4和狭缝盘3的两路零位编码后，产生光强变化照射在接收板5上，接收板5接收光强变化的光信号并且将光信号转化为两路零位电信号，组合形成绝对零位信号，可以实现寻零功能，同时也为系统提供控制信号，实现快速寻零，如果有机械限位，也可以通过控制防止撞击机械限位。
图6是本发明实施例一提供的快速寻零的微小型增量式角度传感器的寻零原理示意图。运用两路信号实现寻零和控制的过程如图6所示，利用两路零位电信号通过如下关系确定零位位置：
1)当Za＝1，Zb＝0时，角度传感器处于零位位置，即①区为零位区域；
2)当Za＝1，Zb＝1时，角度传感器处于正方向位置，即②区为正向区域，此时控制系统逆时针旋转可用最短的时间寻零，并且可以避免撞击机械限位；
3)当Za＝0，Zb＝1时，角度传感器处于180°，即③区为180°区域，如果角度传感器可以转到180°位置，说明没有机械限位；
4)当Za＝0，Zb＝0时，角度传感器处于反方向位置，即④区为负方向区域，此时控制系统顺时针旋转可用最短时间寻零并且可以避免撞击机械限位。
其中，Za表示编码盘4转动时，光源2发出的平行光依次通过第一通光狭缝9和第一通光码道11编码后形成的零位信号；Zb表示编码盘4转动时，光源2发出的平行光依次通过第二通光狭缝10和第二通光码道12编码后形成的零位信号。
本实施例的增量式角度传感器测量待测轴的旋转角度信号，输入轴1跟随待测轴转动，同时输入轴1带动编码盘4旋转，光源2发出的平行光穿过狭缝盘3和编码盘4被接收板5接收，接收板5将接受到的光信号经过解算转化为电信号，当转动经过绝对零位时，角度值清零，继续旋转输入轴1，测量输出的角度值。
本实施例的增量式角度传感器，采用光栅编码和译码技术，光电信号转化技术。利用两路零位信号组合形成绝对零位信号，实现寻零功能，使得角度传感器在复位后，零位信号具有指示零位位置方位的功能，系统可以根据零位信号控制旋转方向避免撞击限位，以最短的时间完成寻零功能并且可以避免撞击机械限位。本发明较传统的增量式角度传感器，设计简单，成本低，体积小。
实施例二
本实施例二提供本发明任意实施例快速寻零的微小型增量式角度传感器的测量方法，包括以下过程：
步骤1，测量角度传感器的零位信号，包括：输入轴1转动带动编码盘4转动，编码盘4与狭缝盘3产生相对运动，光源2发出的平行光依次穿过狭缝盘3与编码盘4，平行光穿过狭缝盘3与编码盘4后，产生光强变化照射在接收板5上，接收板5接收光强变化的光信号并且将光信号转化为两路零位电信号，利用两路零位电信号通过如下关系确定零位位置：
a)如果Za＝1，Zb＝0，则角度传感器处于零位位置；
b)如果Za＝1，Zb＝1，则角度传感器处于正方向位置；
c)如果Za＝0，Zb＝0，则角度传感器处于反方向位置；
d)如果Za＝0，Zb＝1，则角度传感器处于180°位置；
其中，Za表示编码盘4转动时，光源2发出的平行光依次通过第一通光狭缝9和第一通光码道11编码后形成的零位信号；Zb表示编码盘4转动时，光源2发出的平行光依次通过第二通光狭缝10和第二通光码道12编码后形成的零位信号。
步骤2，测量待测轴的旋转角度信号，包括：输入轴1跟随待测轴转动，同时输入轴1带动编码盘4旋转，光源2发出的平行光穿过狭缝盘3和编码盘4被接收板5接收，接收板5将接受到的光信号经过解算转化为电信号，当转动经过绝对零位时，角度值清零，继续旋转输入轴1，测量输出的角度值“α°”。
步骤3，接收板5将步骤1和步骤2得到的测量结果转化为数字信号，由输出线缆6将数字信号输出，输出形式为“零位+角度”。即完输出数据的测量。
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 (6)

1.一种快速寻零的微小型增量式角度传感器，其特征在于，包括：输入轴(1)、光源(2)、狭缝盘(3)、编码盘(4)、接收板(5)和传感器底座(7)；
所述输入轴(1)设置在传感器底座(7)中心上方；所述输入轴(1)的顶端用于与待测轴连接，所述输入轴(1)的底端与编码盘(4)固定连接；
所述光源(2)、狭缝盘(3)和接收板(5)分别固定在传感器底座(7)上，所述光源(2)上方依次为狭缝盘(3)、编码盘(4)和接收板(5)；
所述狭缝盘(3)在与接收板(5)上的接收灯对应位置对应设置第一通光狭缝(9)和第二通光狭缝(10)；
所述编码盘(4)在与狭缝盘(3)上的第一通光狭缝(9)径向对应位置设置第一通光码道(11)，在与狭缝盘(3)上的第二通光狭缝(10)径向对应位置设置第二通光码道(12)。
2.根据权利要求1所述的快速寻零的微小型增量式角度传感器，其特征在于，所述传感器底座(7)上配合设置传感器外壳(8)；
所述输入轴(1)从传感器外壳(8)顶部穿入，所述光源(2)、狭缝盘(3)、编码盘(4)和接收板(5)分别设置在传感器外壳(8)内部。
3.根据权利要求2所述的快速寻零的微小型增量式角度传感器，其特征在于，所述接收板(5)连接输出线缆(6)，所述输出线缆(6)穿出传感器外壳(8)。
4.根据权利要求1或3所述的快速寻零的微小型增量式角度传感器，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任一项所述快速寻零的微小型增量式角度传感器的测量方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤1，测量角度传感器的零位信号，包括：输入轴(1)转动带动编码盘(4)转动，编码盘(4)与狭缝盘(3)产生相对运动，光源(2)发出的平行光依次穿过狭缝盘(3)与编码盘(4)，平行光穿过狭缝盘(3)与编码盘(4)后，产生光强变化照射在接收板(5)上，接收板(5)接收光强变化的光信号并且将光信号转化为两路零位电信号，利用两路零位电信号通过如下关系确定零位位置：
a)如果Za＝1，Zb＝0，则角度传感器处于零位位置；
b)如果Za＝1，Zb＝1，则角度传感器处于正方向位置；
c)如果Za＝0，Zb＝0，则角度传感器处于反方向位置；
d)如果Za＝0，Zb＝1，则角度传感器处于180°位置；
其中，Za表示编码盘(4)转动时，光源(2)发出的平行光依次通过第一通光狭缝(9)和第一通光码道(11)编码后形成的零位信号；Zb表示编码盘(4)转动时，光源(2)发出的平行光依次通过第二通光狭缝(10)和第二通光码道(12)编码后形成的零位信号；
步骤2，测量待测轴的旋转角度信号；
步骤3，将步骤1和步骤2得到的测量结果转化为数字信号，由输出线缆(6)将数字信号输出，输出形式为“零位+角度”。
6.根据权利要求5所述的所述快速寻零的微小型增量式角度传感器的测量方法，其特征在于，步骤2，测量待测轴的旋转角度信号，包括以下过程：
输入轴(1)跟随待测轴转动，同时输入轴(1)带动编码盘(4)旋转，光源(2)发出的平行光穿过狭缝盘(3)和编码盘(4)被接收板(5)接收，接收板(5)将接受到的光信号经过解算转化为电信号，当转动经过绝对零位时，角度值清零，继续旋转输入轴(1)，测量输出的角度值。
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CN114810842A (zh) * 2022-06-28 2022-07-29 天津德沃尔智能科技有限公司 交叉轴承装置

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