CN113838619A - 一种无死区双联电位器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有技术的编码器、霍尔传感器和变压器在一些特殊场合下信号线和接线引脚多，造成结构复杂设备走线不便，而传统电位器无法实现360°的角度测量。本发明针对上述问题，提出一种无死区双联电位器及其使用方法，属于角位移测量技术领域，外壳内设有固定盘和旋转盘，固定盘上固定设有圆环形的电阻膜片和圆环形的第一导电片以及第二导电片，旋转盘上设有两片金属簧片，两片金属簧片上分别固定连接有一个第一多指电刷，第一金属簧片上还固定连接有一个中间电刷，第二金属簧片上还固定连接有一个第二多指电刷，两个第一多指电刷围绕旋转盘圆心设置，本发明体积小，结构简单、成本低，信号接线少，能360度测量角度的特点。

Description

一种无死区双联电位器及其使用方法

技术领域

本发明属于角位移测量技术领域，具体涉及一种无死区双联电位器及其使用方法。

背景技术

编码器是自动化控制技术里测定直线位移和角度位移常用的技术手段，但是编码器的体积比较大，且安装位置一般只能安装在电机的端部，在一些特殊的应用领域，如海底机器人上，编码器的体积大的问题会直接造成机器人成本的上升，且在海底的通讯成本高昂，编码器的输出信号线多，显然不适合使用在海底机器人上。电位器体积小，在一些应用场合已经作为角度传感器和位置传感器来实现机械到运动电子信号的转换，但是现有技术的电位器，为了区分电阻的最大值和最小值，都存在一个电阻的空白区，称为死区，在经过死区的时候是不会产生任何信号的，电位器作为传感器使用的时候由于死区的存在检测信号无法线性存在，这就造成了检测信号的不准确和不连贯，无法实现360°的角度测量。对一些检测精度要求高的场合就无法适用了。

发明内容

本发明针对现有技术的编码器在一些特殊场合其体积大，信号线多造成适用成本增加的不足，提出一种无死区双联电位器及其使用方法。

本发明的发明目的是通过以下技术方案实现的：一种无死区双联电位器，包括外壳，所述外壳内设有固定盘和旋转盘，所述固定盘面向旋转盘的一面上固定设有圆环形的电阻膜片和圆环形的第一导电片以及第二导电片，所述旋转盘面向固定盘的一面上设有两片金属簧片，分别为第一金属簧片和第二金属簧片，两片金属簧片上分别固定连接有一个第一多指电刷，第一金属簧片上还固定连接有一个中间电刷，第二金属簧片上还固定连接有一个第二多指电刷，固定盘和旋转盘的圆心在同一直线上，中间电刷的中心位于旋转盘的圆心，中间电刷和第二导电片接触连接，第二多指电刷和第一导电片接触连接，两个第一多指电刷和电阻膜片接触连接；两个第一多指电刷围绕旋转盘圆心设置，两个第一多指电刷跟随旋转盘转动时的移动路径一直在电阻膜片上；所述固定盘反向旋转盘的一面上固定设有第一引出电极、第二引出电极、第三引出电极和第四引出电极，所述第一引出电极、第二引出电极穿过固定盘和电阻膜片接触连接，第一引出电极和第二引出电极分别位于电阻膜片的边上，第一引出电极的中心和第二引出电极的中心位于同一直线上且该直线过电阻膜片的圆心，第三引出电极穿过固定盘和第一导电片接触连接，第四引出电极穿过固定盘和第二导电片接触连接；旋转盘反向固定盘的一面上固定连接有旋转轴。

上述方案中，旋转轴的旋转带动旋转盘的旋转，旋转盘上的两个第一多指电刷、第二多指电刷和中间电刷跟随旋转盘旋转，两个第一多指电刷的旋转移动路径一直在电阻膜片上且和电阻膜片接触，第二多指电刷和第一导电片接触且第二多指电刷的旋转移动路径一直在第一导电片上，第一金属簧片上的第一多指电刷在电阻膜片上检测到的信号通过中间电刷传导到第四引出电极，第二金属簧片上的第一多指电刷在电阻膜片上检测到的信号通过第二多指电刷传导到第三引出电极。第一引出电极和第二引出电极为直流电压输入信号的两端。该电位器的体积小，结构简单，成本低，能实现360°角度测量，信号线只有四根，比编码器少，在海底机器人等特殊场合使用的时候可以替代编码器的使用来降低机器人的制造和使用成本。

作为优选，第一金属簧片和第二金属簧片之间存在间隙，第一金属簧片和第二金属簧片上的第一多指电刷互不接触，第二多指电刷和中间电刷互不接触。保证了第三引出电极和第四引出电极的信号的独立性。

作为优选，所述第一多指电刷包括一端和金属簧片固定连接且向固定盘方向翻折的第一刷柄，所述第一刷柄的另一端固定连接有若干个第一刷指，所述第一刷指和电阻膜片接触的端部反向电阻膜片弯折成圆弧形。翻折的第一刷柄设计可以确保刷指有弹性的压接触在电阻膜片上，就算长时间运行刷指磨损了也可以确保刷指一直压接触在电阻膜片上，保证了接触的稳定性。圆弧形的刷指端部可以减轻刷指端部和电阻膜片旋转接触时的摩擦，延长电阻膜片的使用寿命。且多个刷指的设置可以确保至少一个刷指和电阻膜片接触连接，使得从电阻膜片上检测信号更稳定。

作为优选，所述第二多指电刷包括一端和第二金属簧片固定连接且向固定盘方向翻折的第二刷柄，所述第二刷柄的另一端固定连接有若干个第二刷指，所述第二刷指和第一导电片接触的端部反第一导电片弯折成圆弧形；所述中间电刷包括一端和第一金属簧片固定连接且固定盘方向翻折的第三刷柄，所述第三刷柄的另一端固定连接有刷片，该刷片平行于第二导电片且和第二导电片接触连接。第二刷柄和第三刷柄的翻折设计的功能和第一刷柄的功能相同，第二多指电刷的刷指设置和第一多指电刷的刷指设置功能相同，这里不做重复复述。

作为优选，所述电阻膜片、第一导电片第二导电片的圆心重合，电阻膜片的直径大于第一导电片的直径，第一导电片的直径大于第二导电片的直径，电阻膜片和第一导电片之间、第一导电片和第二导电片之间存在间隔。电阻膜片的直径最大，其周长也最大，电阻膜片的周长越大，从电阻膜片上检测电压信号的分辨率也越高。

作为优选，所述旋转轴反向旋转盘的一端穿出外壳，旋转轴的轴心旋转盘的轴心重合，旋转轴和外壳之间设有轴承。旋转轴一端穿出外壳方便和其他部件的连接，轴承设置减小了旋转轴旋转时的摩擦阻力。

作为优选，第一金属簧片上的第一多指电刷和第二金属簧片上的第一多指电刷围绕旋转盘的圆心形成的角度为大于0度小于180度。

作为优选，所述固定盘、旋转盘均为绝缘体。

作为优选，所述第一引出电极和第二引出电极都位于电阻膜片的内圆环侧边。

利用无死区双联电位器进行角位移信号输出的使用方法，在第一引出电极和第二引出电极之间输入直流电压，检测第一引出电极和第三引出电极或第一引出电极和第四引出电极之间的电压值，该电压值为U1，随着第一金属簧片或第二金属簧片上的第一多指电刷在电阻膜片上的转动，U1的值成线性变化，第一引出电极和第二引出电极将电阻膜片分为对称的第一半圆和第二半圆，U1在第一半圆和第二半圆对称位置的电压值相同，为了区分U1是第一多指电刷在电阻膜片的第一半圆上的信号还是第二半圆上的信号，还需检测第二引出电极和第四引出电极或第二引出电极和第三引出电极之间电压值，该电压值为U2，通过对U1、U2两个电压值的对比和大小值的变化关系，可以确定第一金属簧片或第二金属簧片上的第一多指电刷是位于电阻膜片的第一半圆区间还是第二半圆区间，是顺时针旋转还是逆时针旋转以及在电阻膜片上的角度位置。

作为优选，所述第一引出电极输入的电压值为正，第二引出电极输入的电压值为零；也可以第一引出电极输入的电压值为零，第二引出电极输入的电压值为正。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明相比编码器有体积小，结构简单、成本低，能实现360°角度测量，信号接线少的特点，在海底机器人等特殊场合使用的时候可以替代编码器的使用来降低机器人的制造和使用成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的爆炸图；

图3为本发明另一视角的爆炸图；

图4为旋转盘朝向固定盘面的结构示意图；

图5为两个第一多指电刷在电阻膜片上的结构示意图。

图中标记：1、外壳；2、固定盘；3、旋转盘；4、电阻膜片；5、第一导电片；6、第二导电片；7、第一金属簧片；8、第二金属簧片；9、第一多指电刷；10、第二多指电刷；11、中间电刷；12、第一引出电极；13、第二引出电极；14、第三引出电极；15、第四引出电极；16、旋转轴；17、第一刷柄；18、第二刷柄；19、第三刷柄；20、第一刷指；21、第二刷指；22、刷片；23、轴承。

具体实施方式

下面结合附图所表示的实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

如图1到图5所示，一种无死区双联电位器，包括外壳1，所述外壳1内设有固定盘2和旋转盘3，所述固定盘2面向旋转盘3的一面上固定设有圆环形的电阻膜片4和圆环形的第一导电片5以及第二导电片6，电阻膜片4、第一导电片5第二导电片6的圆心重合，电阻膜片4的直径大于第一导电片5的直径，第一导电片5的直径大于第二导电片6的直径，电阻膜片4和第一导电片5之间、第一导电片5和第二导电片6之间存在间隔。电阻膜片4的直径最大，其周长也最大，电阻膜片4的周长越大，从电阻膜片4上检测电压信号的分辨率也越高。所述旋转盘3面向固定盘2的一面上设有两片金属簧片，分别为第一金属簧片7和第二金属簧片8，两片金属簧片上分别固定连接有一个第一多指电刷9，第一多指电刷9包括一端和金属簧片固定连接且向固定盘2方向翻折的第一刷柄17，所述第一刷柄17的另一端固定连接有三个第一刷指20，所述第一刷指20和电阻膜片4接触的端部反向电阻膜片4弯折成圆弧形。翻折的第一刷柄17设计可以确保刷指有弹性的压接触在电阻膜片4上，就算长时间运行刷指磨损了也可以确保刷指一直压接触在电阻膜片4上，保证了接触的稳定性。圆弧形的刷指端部可以减轻刷指端部和电阻膜片4旋转接触时的摩擦，延长电阻膜片4的使用寿命。且多个刷指的设置可以确保至少一个刷指和电阻膜片4接触连接，使得从电阻膜片4上检测信号更稳定。第一金属簧片7上还固定连接有一个中间电刷11，所述中间电刷11包括一端和第一金属簧片7固定连接且固定盘2方向翻折的第三刷柄19，所述第三刷柄19的另一端固定连接有刷片22，该刷片22平行于第二导电片6且和第二导电片6接触连接。第二金属簧片8上还固定连接有一个第二多指电刷10，第二多指电刷10包括一端和第二金属簧片8固定连接且向固定盘2方向翻折的第二刷柄18，所述第二刷柄18的另一端固定连接有两个第二刷指21，所述第二刷指21和第一导电片5接触的端部反第一导电片5弯折成圆弧形。第一金属簧片7和第二金属簧片8之间存在间隙，第一金属簧片7和第二金属簧片8上的第一多指电刷9互不接触，第二多指电刷10和中间电刷11互不接触。固定盘2和旋转盘3的圆心在同一直线上，中间电刷11的中心位于旋转盘3的圆心，中间电刷11和第二导电片6接触连接，第二多指电刷10和第一导电片5接触连接，两个第一多指电刷9和电阻膜片4接触连接；两个第一多指电刷9围绕旋转盘3圆心设置，两个第一多指电刷9跟随旋转盘3转动时的移动路径一直在电阻膜片4上；所述固定盘2反向旋转盘3的一面上固定设有第一引出电极12、第二引出电极13、第三引出电极14和第四引出电极15，所述第一引出电极12、第二引出电极13穿过固定盘2和电阻膜片4接触连接，第一引出电极12和第二引出电极13分别位于电阻膜片4的内圆环侧边上，这样就可以让电阻膜片4在固定盘2上的直径尽可能大，以提高电阻值从而增加信号分辨率。第一引出电极12的中心和第二引出电极13的中心位于同一直线上且该直线过电阻膜片4的圆心，第三引出电极14穿过固定盘2和第一导电片5接触连接，第四引出电极15穿过固定盘2和第二导电片6接触连接；旋转盘3反向固定盘2的一面上固定连接有旋转轴16。旋转轴16反向旋转盘3的一端穿出外壳1，旋转轴16的轴心旋转盘3的轴心重合，旋转轴16和外壳1之间设有轴承23。

利用上述无死区双联电位器进行角位移信号输出的使用方法：在第一引出电极12和第二引出电极13之间输入直流电压，第一引出电极12输入的是U+电源，第二引出电极13输入的是U0电源，具体实施中也可以是第一引出电极12输入的是U0电源，第二引出电极13输入的是U+电源，本实施例里以第一引出电极12输入的是U+电源为例进行说明。电阻膜片4上的电压信号经第二金属簧片8上的第一多指电刷9通过第二多指电刷10传导到第三引出电极14上，第一引出电极12和第三引出电极14之间的电压信号为U1，具体实施中也可以是第一引出电极12和第四引出电极15之间的电压为U1。随着第二金属簧片8上的第一多指电刷9在电阻膜片4上的滑动，U1的值成线性变化，第一引出电极12和第二引出电极13的连线将电阻膜片4分为对称的第一半圆和第二半圆，第一多指电刷9从第一半圆上的第一引出电极12端开始滑动到第二引出电极13端的电压变化为U+线性变小到U0，第一多指电刷9从第二半圆上的第一引出电极12端开始滑动到第二引出电极13端的电压变化也为U+变到U0，且第一多指电刷9在第一半圆和第二半圆上的滑动方向相反。单独U1一个信号不能判断出该第一多指电刷9的滑动旋转反向以及该第一多指电刷9是在第一半圆上还是第二半圆上。

为此，本发明还引入了第二引出电极13和第四引出电极15之间的可变电压信号U2，U2通过第一金属簧片7上的第一多指电刷9在电阻膜片4上滑动并通过中间电刷11传导到第四电极上形成可变电压。第一金属簧片7上的第一多指电刷9和第二金属簧片8上的第一多指电刷9围绕旋转盘3的圆心形成的角度大于0度小于180度。大于180度的角度的反向角度还是在180度内。当旋转盘3旋转的时候，第一金属簧片7上的第一多指电刷9和第二金属簧片8上的第一多指电刷9的旋转方向是一致的，通过U2，可以作为U1的参考比较值，U1也可以作为U2的参考比较值，这样就能确定第一金属簧片7上的第一多指电刷9或第二金属簧片8上的第一多指电刷9在电阻膜片4上的唯一位置和滑动方向。

以第一金属簧片7上的第一多指电刷9和第二金属簧片8上的第一多指电刷9之间的角度为90度为例，90度刚好为电阻膜片4的四份之一周长，在计算时是一个能够除尽的整数值，方便计算。假设引出U1的第一多指电刷9的起始位置为U+值时的位置（也是第一引出电极12的位置），U2的第一多指电刷9的位置为U1的多指电刷的位置顺时针旋转90度的位置，则U2的起始电压信号为1/2U+，且U1和U2的电压差的绝对值始终是1/2U+。当旋转盘3顺时针旋转时，U1和U2同步变小，其变化率相同。当U1的电压值为1/2U+时，U2的电压值为U0，继续顺时针旋转，U1继续变小，U2过U0后开始变大，直至U1也过U0位置后，U1和U2同步开始变大，直至U2转到U+位置后，U2开始变小，U1持续变大；当U1回到U+位置时，旋转盘3旋转一圈，通过对比U1和U2的电压值大小变化关系可以计算出旋转盘3是顺时针旋转还是逆时针旋转，以及引出U1或U2的第一多指电刷9在电阻膜片4上的唯一位置关系。

文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种无死区双联电位器，包括外壳（1），其特征在于，所述外壳（1）内设有固定盘（2）和旋转盘（3），所述固定盘（2）面向旋转盘（3）的一面上固定设有圆环形的电阻膜片（4）和圆环形的第一导电片（5）以及第二导电片（6），所述旋转盘（3）面向固定盘（2）的一面上设有两片金属簧片，分别为第一金属簧片（7）和第二金属簧片（8），两片金属簧片上分别固定连接有一个第一多指电刷（9），第一金属簧片（7）上还固定连接有一个中间电刷（11），第二金属簧片（8）上还固定连接有一个第二多指电刷（10），固定盘（2）和旋转盘（3）的圆心在同一直线上，中间电刷（11）的中心位于旋转盘（3）的圆心，中间电刷（11）和第二导电片（6）接触连接，第二多指电刷（10）和第一导电片（5）接触连接，两个第一多指电刷（9）和电阻膜片（4）接触连接；两个第一多指电刷（9）围绕旋转盘（3）圆心设置，两个第一多指电刷（9）跟随旋转盘（3）转动时的移动路径一直在电阻膜片（4）上；所述固定盘（2）反向旋转盘（3）的一面上固定设有第一引出电极（12）、第二引出电极（13）、第三引出电极（14）和第四引出电极（15），所述第一引出电极（12）、第二引出电极（13）穿过固定盘（2）和电阻膜片（4）接触连接，第一引出电极（12）和第二引出电极（13）分别位于电阻膜片（4）的边上，第一引出电极（12）的中心和第二引出电极（13）的中心位于同一直线上且该直线过电阻膜片（4）的圆心，第三引出电极（14）穿过固定盘（2）和第一导电片（5）接触连接，第四引出电极（15）穿过固定盘（2）和第二导电片（6）接触连接；旋转盘（3）反向固定盘（2）的一面上固定连接有旋转轴（16）。

2.根据权利要求1所述的一种无死区双联电位器，其特征在于，第一金属簧片（7）和第二金属簧片（8）之间存在间隙，第一金属簧片（7）和第二金属簧片（8）上的第一多指电刷（9）互不接触，第二多指电刷（10）和中间电刷（11）互不接触。

3.根据权利要求1所述的一种无死区双联电位器，其特征在于，所述第一多指电刷（9）包括一端和金属簧片固定连接且向固定盘（2）方向翻折的第一刷柄（17），所述第一刷柄（17）的另一端固定连接有若干个第一刷指（20），所述第一刷指（20）和电阻膜片（4）接触的端部反向电阻膜片（4）弯折成圆弧形。

4.根据权利要求1所述的一种无死区双联电位器，其特征在于，所述第二多指电刷（10）包括一端和第二金属簧片（8）固定连接且向固定盘（2）方向翻折的第二刷柄（18），所述第二刷柄（18）的另一端固定连接有若干个第二刷指（21），所述第二刷指（21）和第一导电片（5）接触的端部反第一导电片（5）弯折成圆弧形；所述中间电刷（11）包括一端和第一金属簧片（7）固定连接且固定盘（2）方向翻折的第三刷柄（19），所述第三刷柄（19）的另一端固定连接有刷片（22），该刷片（22）平行于第二导电片（6）且和第二导电片（6）接触连接。

5.根据权利要求1所述的一种无死区双联电位器，其特征在于，所述电阻膜片（4）、第一导电片（5）第二导电片（6）的圆心重合，电阻膜片（4）的直径大于第一导电片（5）的直径，第一导电片（5）的直径大于第二导电片（6）的直径，电阻膜片（4）和第一导电片（5）之间、第一导电片（5）和第二导电片（6）之间存在间隔。

6.根据权利要求1所述的一种无死区双联电位器，其特征在于，所述旋转轴（16）反向旋转盘（3）的一端穿出外壳（1），旋转轴（16）的轴心和旋转盘（3）的轴心重合，旋转轴（16）和外壳（1）之间设有轴承（23）。

7.根据权利要求1所述的一种无死区双联电位器，其特征在于，第一金属簧片（7）上的第一多指电刷（9）和第二金属簧片（8）上的第一多指电刷（9）围绕旋转盘（3）的圆心形成的角度为大于0度小于180度。

8.根据权利要求1所述的一种无死区双联电位器，其特征在于，所述固定盘（2）、旋转盘（3）均为绝缘体。

9.利用权力要求1到权利要求8所述的一种无死区双联电位器进行角位移信号输出的使用方法，其特征在于，在第一引出电极（12）和第二引出电极（13）之间输入直流电压，检测第一引出电极（12）和第三引出电极（14）或第一引出电极（12）和第四引出电极（15）之间的电压值，该电压值为U1，随着第一金属簧片（7）或第二金属簧片（8）上的第一多指电刷（9）在电阻膜片（4）上的转动，U1的值成线性变化，第一引出电极（12）和第二引出电极（13）的连线将电阻膜片（4）分为对称的第一半圆和第二半圆，U1在第一半圆和第二半圆对称位置的电压值相同，为了区分U1是第一多指电刷（9）在电阻膜片（4）的第一半圆上的信号还是第二半圆上的信号，还需检测第二引出电极（13）和第四引出电极（15）或第二引出电极（13）和第三引出电极（14）之间电压值，该电压值为U2，通过对U1、U2两个电压值的对比和大小值的变化关系，可以确定第一金属簧片（7）或第二金属簧片（8）上的第一多指电刷（9）是位于电阻膜片（4）的第一半圆区间还是第二半圆区间的角度位置，是顺时针旋转还是逆时针旋转。

10.根据权利要求9所述的一种无死区双联电位器进行角位移信号输出的使用方法，其特征在于，所述第一引出电极（12）输入的电压值为正，第二引出电极（13）输入的电压值为零；也可以第一引出电极（12）输入的电压值为零，第二引出电极（13）输入的电压值为正。

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