CN112379118A - 一种旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置包括电磁组件、电感组件、第一感应电压输出线路和第二感应电压输出线路；电磁组件的输入端与被测轴同转速传动连接，电磁组件的输出端与电感组件的输入端电连接；第一感应电压输出线路与电磁组件的输出端电连接，用于输出电磁组件切割磁力线产生的第一感应电压；第二感应电压输出线路与电感组件的输出端电连接，用于输出电感组件感应出的第二感应电压。被测轴转动，带动电磁组件转动，切割磁力线，产生第一感应电压，根据第一感应电压值能够得到被测轴的角速度值。当被测轴的转速波动时，电感组件感应出第二感应电压，第二感应电压正比于被测轴转速变化的快慢，由此得到被测轴的角加速度。

Description

一种旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置

技术领域

本发明涉及旋转角速度和旋转角加速度测量技术领域，特别是涉及一种旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置。

背景技术

角速度和角加速度信息是物体机械运动中常见的状态量，在物体的运动控制、监测、导航中经常使用。高性能的旋转机械传动系统中，角加速度和角速度往往需要同时获得。

在工程应用中，角速度的测量比较容易，应用场景广泛，尤其是在旋转机械系统中，角速度是一个基本状态量，关于角速度的测量通常采用角速度传感器测量，但是现有角速度传感器不能同时测得角加速度。

角加速度通常采用角速度传感器间接测量，即角位移量对时间的二次微分，或是角速度量对时间的一次微分；由于角速度和角位移的测量值是离散的数值，导致精度不高，灵敏度低、动态性能有限。

因此，如何同时得到角速度和角加速度，且提高角加速度的精确度为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明目的是提供一种旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，能够同时得到角速度和角加速度，且提高角加速度的精确度。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，包括电磁组件、电感组件、第一感应电压输出线路和第二感应电压输出线路；

所述电磁组件的输入端与被测轴同转速传动连接，所述电磁组件的输出端与所述电感组件的输入端电连接；

第一感应电压输出线路与所述电磁组件的输出端电连接，用于输出所述电磁组件切割磁力线产生的第一感应电压；

所述第二感应电压输出线路与所述电感组件的输出端电连接，用于输出所述电感组件感应出的第二感应电压。

在一个具体实施方案中，所述旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置还包括驱动轮；

所述驱动轮与所述电磁组件的输入端可拆卸连接；

当被测点位于被测轴的端部时，所述被测轴与所述电磁组件的输入端直接连接；

当被测点位于所述被测轴的外周时，所述驱动轮安装在所述电磁组件的输入端，且所述驱动轮与所述被测轴上的被测点接触，通过摩擦力实现与所述被测点同转速。

在另一个具体实施方案中，所述电感组件包括互感铁芯、第一线圈和第二线圈；

所述第一线圈与所述第二线圈通过所述互感铁芯耦合，所述第一线圈与所述电磁组件电连接，所述第一感应电压输出线路与所述第一线圈的高压端电连接，所述第二感应电压输出线路与所述第二线圈的高压端电连接。

在另一个具体实施方案中，所述第一感应电压输出线路包括低转速输出线路和高转速输出线路；

所述第一线圈的高压端和所述电磁组件的输出端之间依次串联设置有第一电阻和第二电阻，所述低转速输出线路的输入端分别与所述第一电阻的输入端及所述电磁组件的输出端导通连接，所述高转速输出线路的输入端分别与所述第一电阻的输出端及所述第二电阻的输入端导通连接。

在另一个具体实施方案中，所述低转速输出线路上串联设置有低转速电阻，所述高转速输出线路上串联设置有高转速电阻，所述第二感应电压输出线路上串联设置有角加速度输出电阻。

在另一个具体实施方案中，所述电磁组件包括定子、转子和转子轴；

所述转子轴为所述电磁组件的输入端，所述转子与所述转子轴连接，且所述定子罩设在所述转子外，所述定子的一端设置有第一电极，所述定子的另一端设置有第二电极，所述定子的两端之间设置有第三电极，所述第一电极和所述第三电极分别与所述第一线圈导通连接，且所述第一电极和所述第二电极之间通过等电位端子连接线连接。

在另一个具体实施方案中，所述等电位端子连接线为隔磁铜芯屏蔽线。

在另一个具体实施方案中，所述定子包括第一笼形定子和第二笼形定子；

所述第一笼形定子和所述第二笼形定子可拆卸扣设连接，所述第一电极安装在所述第一笼形定子和所述第二笼形定子的连接处，所述第二电极和所述第三电极分别安装在所述第一笼形定子和所述第二笼形定子的端部。

在另一个具体实施方案中，所述转子包括转子基体、转子铁芯和永磁体；

所述转子基体呈圆柱状，且为非磁导材料制成；

所述转子铁芯呈圆筒状，套设在所述转子基体外；

所述永磁体的个数为2个，呈环状，套设在所述转子基体外，且位于所述转子基体的两端，所述转子铁芯的两端分别与所述永磁体抵接。

在另一个具体实施方案中，所述电磁组件还包括外壳；

所述外壳罩设在所述定子外，且所述外壳采用非导磁材料制成。

根据本发明的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本发明范围内，是本发明具体实施方式的一部分。

根据上述技术方案可知，本发明提供的旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，将被测轴与电磁组件的输入端同转速传动连接，被测轴转动，带动电磁组件的输入端跟着转动，切割磁力线，产生第一感应电压，第一感应电压输出线路输出第一感应电压值，而第一感应电压值与转速呈线性比例关系，因此，根据第一感应电压值能够得到被测轴的转速，即角速度值。由于电磁组件的输出端与电感组件的输入端电连接，因此，当被测轴的转速波动时，电磁组件的感应电流也会跟着产生波动，进而电感组件感应出第二感应电压，并通过第二感应电压输出线路输出第二感应电压，而第二感应电压正比于被测轴转速变化的快慢，因此，根据第二感应电压值能够得到被测轴转速变化的快慢，即被测轴的角加速度。综上所述，本发明实现了角速度和角加速度的同时测量，且测量出的角速度及角加速度均为连续值，提高了角加速度的测量精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置的主视结构示意图；

图2是本发明提供的电磁组件的结构示意图；

图3是本发明提供的电磁组件的主视结构示意图；

图4为本发明提供的电磁组件的左视结构示意图；

图5是本发明提供的第一笼形定子的结构示意图；

图6为本发明提供的第一笼形定子的主视结构示意图；

图7是本发明提供的第一笼形定子的左视结构示意图；

图8是本发明提供的转子的结构示意图；

图9是本发明提供的转子的剖视结构示意图；

图10是本发明提供的转子的磁场分布示意图。

其中，图1-10中：

电磁组件1、电感组件2、第一感应电压输出线路3、第二感应电压输出线路4、驱动轮5、互感铁芯201、第一线圈202、第二线圈203、低转速输出线路301、高转速输出线路302、第一电阻303、第二电阻304、低转速电阻305、高转速电阻306、角加速度输出电阻401、定子101、转子102、转子轴103、第一电极104、第二电极105、第三电极106、第一笼形定子1011、第二笼形定子1012、转子基体1021、转子铁芯1022、永磁体1023、外壳107。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1-10所示，本发明公开了一种旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，用于被测对象的角速度及角加速度的同时测量。

具体地，旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置包括电磁组件1、电感组件2、第一感应电压输出线路3和第二感应电压输出线路4。

电磁组件1的输入端与被测轴同转速传动连接，电磁组件1的输出端与电感组件2的输入端电连接。

第一感应电压输出线路3与电磁组件1的输出端电连接，用于输出电磁组件1切割磁力线产生的第一感应电压。第二感应电压输出线路4与电感组件2的输出端电连接，用于输出电感组件2感应出的第二感应电压。

本发明提供的旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，将被测轴与电磁组件1的输入端同转速传动连接，被测轴转动，带动电磁组件1的输入端跟着转动，切割磁力线，产生第一感应电压，第一感应电压输出线路3输出第一感应电压值，而第一感应电压值与转速呈线性比例关系，因此，根据第一感应电压值能够得到被测轴的转速，即角速度值。由于电磁组件1的输出端与电感组件2的输入端电连接，因此，当被测轴的转速波动时，电磁组件1的感应电流也会跟着产生波动，进而电感组件2感应出第二感应电压，并通过第二感应电压输出线路4输出第二感应电压，而第二感应电压正比于被测轴转速变化的快慢，因此，根据第二感应电压值能够得到被测轴转速变化的快慢，即被测轴的角加速度。综上，本发明实现了角速度和角加速度的同时测量，且测量出的角速度及角加速度均为连续值，提高了角加速度的测量精确度。

在一些实施例中，旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置还包括驱动轮5，驱动轮5与电磁组件1的输入端可拆卸连接，以便于驱动轮5的更换。

当被测点位于被测轴的端部时，被测轴与电磁组件1的输入端直接连接。当被测点位于被测轴的外周时，驱动轮5安装在电磁组件1的输入端，且驱动轮5与被测轴上的被测点接触，通过摩擦力实现与被测点同转速。

即本发明可与被测轴同轴安装也可平行安装在被测轴旁边，可在不改变动现有运行系统的情况下，把角速度和角加速度信号以电压的形式表现出来。

在一些实施例中，电感组件2包括互感铁芯201、第一线圈202和第二线圈203，第一线圈202与第二线圈203通过互感铁芯201耦合，二者磁路相同。第一线圈202与电磁组件1电连接，第一感应电压输出线路3与第一线圈202的高压端电连接，第二感应电压输出线路4与第二线圈203的高压端电连接。

第一线圈202与电磁组件1串联连接，形成闭合回路，闭合回路中的电流i正比于电磁组件1上的第一电压，同样也正比于被测轴的转速ω；当被测轴的转速ω波动时，电流i产生波动，导致第一线圈202中的磁通量改变，使第一线圈202两端感应出电压u₁，同时，第二线圈203的两端感应出第二电压u₂(u₂＝n*u₁，其中，n为第一线圈202和第二线圈203的互感系数)，电压u₂正比于电流变化快慢(

其中，

为电流的微分，即变化快慢，L₁为第一线圈202的电感系数)，由于上述线性比例关系，u₂同样也正比于转速变化的快慢

而转速变化的快慢就是所要测量的角加速度值α。

此外，本发明公开的装置不需要外部供电，节省能量。

在一些实施例中，第一感应电压输出线路3包括低转速输出线路301和高转速输出线路302，第一线圈202的高压端和电磁组件1的输出端之间依次串联设置有第一电阻303和第二电阻304，低转速输出线路301的输入端分别与第一电阻303的输入端及电磁组件1的输出端导通连接，高转速输出线路302的输入端分别与第一电阻303的输出端及第二电阻304的输入端导通连接。通过设置低转速输出线路301和高转速输出线路302这两条测量线路，分别用于测量高速及低速的转速，高转速输出端电压比低速端小。避免了测速范围比较大时低转速输出线路301输出信号输出电压范围也比较大，可能会超出采集卡量程的问题，一旦低转速输出线路301输出信号超量程，就以高转速输出线路302输出端信号为采集量。

进一步地，本发明公开了低转速输出线路301上串联设置有低转速电阻305，高转速输出线路302上串联设置有高转速电阻306，第二感应电压输出线路4上串联设置有角加速度输出电阻401。通过在低转速输出线路301、高转速输出线路302及第二感应电压输出线路4上串联电阻，以确保测量精准度。第一线圈202和第二线圈203的共地端对外接地线，第二线圈203的输出端为角加速度信号。

在一些实施例中，电磁组件1包括定子101、转子102和转子轴103，如图2-图4所示，转子轴103为电磁组件1的输入端，转子102与转子轴103连接，且定子101罩设在转子102外，定子101的一端设置有第一电极104，定子101的另一端设置有第二电极105，定子101的两端之间设置有第三电极106，第一电极104和第二电极105分别与第一线圈202导通连接，且第一电极104和第二电极105之间通过等电位端子连接线连接。

具体地，等电位端子连接线为隔磁铜芯屏蔽线，需要说明的是，等电位端子连接线也可以是其它材料制成。

进一步地，本发明公开了定子101包括第一笼形定子1011和第二笼形定子1012，第一笼形定子1011和第二笼形定子1012可拆卸扣设连接，第一电极104安装在第一笼形定子1011和第二笼形定子1012的连接处，第二电极105和第三电极106分别安装在第一笼形定子1011和第二笼形定子1012的端部。

具体地，第一笼形定子1011和第二笼形定子1012结构相同，均为笼形，便于加工制造，且两者对称扣设在一起。第一笼形定子1011和第二笼形定子1012导线细密，排列密集，且成对安装，形成双定子结构。

更进一步地，本发明公开了转子102包括转子基体1021、转子铁芯1022和永磁体1023，转子基体1021呈圆柱状，且为非磁导材料制成；转子铁芯1022呈圆筒状，套设在转子基体1021外；永磁体1023的个数为2个，呈环状，套设在转子基体1021外，且位于转子基体1021的两端，转子铁芯1022的两端分别与永磁体1023抵接。

进一步地，本发明公开了电磁组件1还包括外壳107，外壳107罩设在定子101外，且外壳107采用非导磁材料制成。

具体地，转子102为铝合金材质，永磁体1023和转子铁芯1022重构磁场分布，在永磁体1023两端形成辐射状磁场。两个笼形定子101相向安装，罩在转子102的外部，并和外壳107固定在一起。两个笼形定子101两端各导线分别连在一起，并用导线引到壳体外面，形成各自的两个电极，其中，两个笼形定子101紧挨着的电极接在一起。

被测轴驱动转子102旋转，转子102上两端永磁体1023形成的辐射状磁场跟着旋转，磁感线切割两个笼形定子101(即第一笼形定子1011和第二笼形定子1012)的导线，根据电磁感应原理，两个笼形定子101的导线被磁感线切割会使各笼形定子101两端(即各自两个电极上)产生电势差，第一电极104和第二电极105是等电位的，将其连用导线连在一起。这样第一电极104和第二电极105就形成对外输出电压的接线端。为了保证闭合电路中只有笼形定子101导体部分在切割磁感线，第一电极104和第二电极105之间的等电位端子连接线以及外部导线均采用隔磁铜芯屏蔽线。

第一电极104和第二电极105等电位连接，并与电磁组件1的电路及第三电极106电连接，形成闭合电路。在电极之间电压差的作用下，闭合电路中产生电流。电极之间的电压与转速成简单的线性比例关系，测出电压，即可换算出转速。(设第三电极106电压为u₀，转速为ω，则二者关系为u₀＝k_m*ω，其中，k_m为磁电系数，是一个定值系数)。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创造特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，其特征在于，包括电磁组件、电感组件、第一感应电压输出线路和第二感应电压输出线路；

所述电磁组件的输入端与被测轴同转速传动连接，所述电磁组件的输出端与所述电感组件的输入端电连接；

第一感应电压输出线路与所述电磁组件的输出端电连接，用于输出所述电磁组件切割磁力线产生的第一感应电压；

所述第二感应电压输出线路与所述电感组件的输出端电连接，用于输出所述电感组件感应出的第二感应电压。

2.根据权利要求1所述的旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，其特征在于，还包括驱动轮；

所述驱动轮与所述电磁组件的输入端可拆卸连接；

当被测点位于被测轴的端部时，所述被测轴与所述电磁组件的输入端直接连接；

当被测点位于所述被测轴的外周时，所述驱动轮安装在所述电磁组件的输入端，且所述驱动轮与所述被测轴上的被测点接触，通过摩擦力实现与所述被测点同转速。

3.根据权利要求1所述的旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，其特征在于，所述电感组件包括互感铁芯、第一线圈和第二线圈；

所述第一线圈与所述第二线圈通过所述互感铁芯耦合，所述第一线圈与所述电磁组件电连接，所述第一感应电压输出线路与所述第一线圈的高压端电连接，所述第二感应电压输出线路与所述第二线圈的高压端电连接。

4.根据权利要求3所述的旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，其特征在于，所述第一感应电压输出线路包括低转速输出线路和高转速输出线路；

所述第一线圈的高压端和所述电磁组件的输出端之间依次串联设置有第一电阻和第二电阻，所述低转速输出线路的输入端分别与所述第一电阻的输入端及所述电磁组件的输出端导通连接，所述高转速输出线路的输入端分别与所述第一电阻的输出端及所述第二电阻的输入端导通连接。

5.根据权利要求4所述的旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，其特征在于，所述低转速输出线路上串联设置有低转速电阻，所述高转速输出线路上串联设置有高转速电阻，所述第二感应电压输出线路上串联设置有角加速度输出电阻。

6.根据权利要求1所述的旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，其特征在于，所述电磁组件包括定子、转子和转子轴；

所述转子轴为所述电磁组件的输入端，所述转子与所述转子轴连接，且所述定子罩设在所述转子外，所述定子的一端设置有第一电极，所述定子的另一端设置有第二电极，所述定子的两端之间设置有第三电极，所述第一电极和所述第三电极分别与所述第一线圈导通连接，且所述第一电极和所述第二电极之间通过等电位端子连接线连接。

7.根据权利要求6所述的旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，其特征在于，所述等电位端子连接线为隔磁铜芯屏蔽线。

8.根据权利要求6所述的旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，其特征在于，所述定子包括第一笼形定子和第二笼形定子；

所述第一笼形定子和所述第二笼形定子可拆卸扣设连接，所述第一电极安装在所述第一笼形定子和所述第二笼形定子的连接处，所述第二电极和所述第三电极分别安装在所述第一笼形定子和所述第二笼形定子的端部。

9.根据权利要求6所述的旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，其特征在于，所述转子包括转子基体、转子铁芯和永磁体；

所述转子基体呈圆柱状，且为非磁导材料制成；

所述转子铁芯呈圆筒状，套设在所述转子基体外；

所述永磁体的个数为2个，呈环状，套设在所述转子基体外，且位于所述转子基体的两端，所述转子铁芯的两端分别与所述永磁体抵接。

10.根据权利要求6-9中任意一项所述的旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置，其特征在于，所述电磁组件还包括外壳；

所述外壳罩设在所述定子外，且所述外壳采用非导磁材料制成。

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