CN1271391C - 一种改进的位移和扭矩探测器 - Google Patents

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Abstract

一种光学位移探测器(200)，包括一个光辐射源(230)，一个辐射探测元件阵列(240)，至少一个调制元件(204，205)，具有交替的第一和第二调制区(206，207)，周边有间距地围绕元件的一个中心轴，第一和第二区具有不同的光学性能，以及相邻的第一和第二区之间的过渡区被一个实质上径向延伸的边缘限定，调制元件(240)相对于探测器阵列(240)位移，从而使第一和第二区(206，207)暴露至来自光辐射源(230)的光辐射以及被探测器阵列(240)跨过，以便在阵列(240)上形成调制元件的上述的第一和第二区的一个影象，以及一个数据处理器连接至探测器阵列，用以接收来自它的相关的信号，它代表投射在探测器上的辐射的强度。探测器阵列(240)包括一个二维的探测器元件阵列，它产生一个第一和第二区的二维的影象，而处理器适用于由此二维的影象中识别在至少一个调制元件上(204，205)至少两个不同的径向延伸的区域边缘的取向，以及由这些边缘已确定的取向确定元件中心的位置。

Description

一种改进的位移和扭矩探测器
本发明涉及一种位移探测器和一种扭矩探测器。更具体地说，它涉及一种角度位移探测器。这种探测器适合使用在一个车辆电力辅助驾驶系统(EPAS)。
申请EP1001256A1公开了一种扭矩探测器100，其中两个盘件101，102安装在紧靠近处以及连接至一个扭矩传送轴的相对的末端。两个盘件101，102携带一组周边有间距的狭缝103，104，以及此两个盘件的每个中的狭缝协作以限定光通道用的光阑。一个光源105设置在第一盘件的一个侧面以发射光线通过第一盘件内的狭缝和第二盘件内的狭缝落到设置在两个盘件另一侧面上的光探测器106上。当扭矩施加至扭矩传送轴时，两个盘件之间的相对运动改变了狭缝重叠的路径，从而改变光阑的尺寸，它控制光线入射在光探测器上的图样。
光探测器包括一个一维的探测器元件阵列以及来自阵列的输出传送至一个工作处理器，借助测定在探测器阵列上形成的图样的由壳至暗的过渡的相对位置而测定两个盘件的相对位置。每个过渡相当于一个盘件内一个狭缝的一个边缘。在实践中，五个边缘必须映射在直线阵列上，以便清楚地确定两个盘件的相对的位置。这样提供施加至轴的扭矩的一个指示，对应于在阵列上接收的图样。
如果扭矩杆被取消，两个盘件使此器件可用作一个简单的角度位移探测器。在随后的改进中，可以设置一个简单的盘件，它导致一种简单的转动位置探测器。本发明涉及全部三种类型的探测器。
在一个直线阵列探测器中，扭矩典型地来源于在两个调制盘件上的宽的和窄的幅条的角位置。不幸的是，这种类型的一个扭矩探测器(或角位移或转动位置探测器)可能出现问题，如果两个盘件不是精确地对准。此问题产生可能是由于扭矩传送轴的弯曲或者也可能在探测器制造时的未对准。如果仅使用一个简单的直线阵列，这种效应是对于一个(或两个)盘件的狭缝沿阵列纵向地移动。由于这种未对准的失配在通过盘件的一整周测量的扭矩内产生正弦振动，它不能够用一个简单阵列区分。
申请EP 1001256 A1还教导一种此问题的解决方案。设置两个光源105，107，它们在盘件上直径相对的位置上排列，并且使每个光源发射的光线通过被两个盘件限定的光阑投射到相应的直线阵列106，108。一个这种类型的现有技术的探测器示于附图的图1中。
每个直线阵列106，108提供在阵列上形成的光线图样的一个输出指示至一个处理器，它计算来自每个图样的扭矩值。由于失配而导致的正弦误差可以随后借助取两个扭矩值的平均值而补偿。这样有效地使探测器免除盘件失配的误差。
例如，附图的图7(a)示出在调制盘件上相对侧面上的两个阵列300，301。两个宽幅条302，303映射在第一阵列300上，以及两个更宽的幅条304，305映射在第二阵列301上。在每个阵列上还有一个窄幅条306，307映射在其上。
类似地，图7(b)示出同样的幅条映射在两个阵列上。在图7(a)内窄幅条盘件由于施加的扭矩相对于宽幅条盘件转动，但在图7(b)阵列“看见”的相同的结果是由于窄幅条盘的失配，而没有施加的扭矩。
由于提供两个阵列，确定的扭矩的结果能够安排以消除失配的作用，以及区别图7(a)和图7(b)。尽管仍旧可能存在一个误差，因为需要借助预先进行一个反正切计算，以便将直线阵列测量转换为角度测量来确定扭矩。它要求调制盘件的严格的中心假设通过直线阵列的中心。明显的是它在事实上是不真实的，在这里存在失配以及因此性能降低。
在探测器的两个直径相对的位置设置直线阵列增加了此设计的总价格。每个阵列的相对位置必须在器件的整个寿命期内以极大的精度保持。由两个阵列至处理器需要单独的连接以及光源的数量比简单的一阵列器件增加了一倍。
本发明的目的是改善与现有技术位移的扭矩探测器相关的一些问题。
按照本发明的第一方面，提供一种光学位移探测器，它包括一个光辐射源，一个辐射探测器阵列，至少一个调制元件，具有交替的第一和第二调制区，周边有间距地围绕元件的一个中心轴，第一和第二区具有不同的光学特性以及第一和第二区之间的过渡是被实质上径向延伸的边缘限定，调制元件是可以相对于探测器阵列位移的，从而使第一和第二区暴露至来自光源的光辐射和被探测器阵列跨过以形成在阵列上的调制元件的上述的第一和第二区的影象，一个数据处理器连接至探测器阵列，用以接收由于辐射投射在探测器上而来自阵列的相关的信号，以及其特征在于：
此探测器阵列包括一个二维的探测器元件阵列，它产生一个第一和第二区的二维的影象；
处理器适用于由此二维的影象中识别在至少一个调制元件上至少两个不同的径向延伸的区域边缘的取向，以及由这些边缘已确定的取向确定元件中心的位置。
由此数据处理器产生的信号最好是依赖于投射在探测器上的辐射的强度。
在现有技术中，提供一个简单的一维的阵列，它允许一个边缘的存在被认别，而不是它在空间内的取向。这样就不允许第一元件的中心位置被确定。
调制元件可以包括一个第三调制区，它与第一和第二调制区有显著的差别(即较宽，不同的光学特性)。它可以用作一个位置指示幅条。
最好，处理器适用于由被探测器阵列捕获的影象识别每个已识别的边缘的至少两个径向有间距部分的二维的影象。
处理器可以适用于确定已探测的边缘的取向，其方法是产生一个矢量，它前进通过两个已识别的部分。
借助二维阵列我们表示这样一个阵列，它能够映射在一个调制区的一个边缘的至少两个不同的径向有间距的部分。
借助提供一个二维的阵列它有可能捕获相同边缘的至少两个径向有间距的点以及因此确定此边缘的取向。
二维的阵列通常可以包括两个子阵列，而且每个子阵列包括一个探测器元件的直线阵列。两个阵列可以是实质上相同的。它们可以平行地排列在调制元件中心轴的一个侧面的紧邻处。最普遍的是，为了帮助边缘的探测，它们映射在两个子阵列上，两个阵列之间的间距小于准备识别的边缘之间的角间距。其它的排列包括，例如一个128×16阵列，其中有可能探测一个调制区的一个边缘上的16个不同的径向有间距部分。
在此处设置两个子阵列，每个子阵列可以适用于产生一个相应的子影象，它前进通过处理器。两个子影象中的每一个相当于第一和第二区的不同的部分。最好，子影象是在同一时间瞬间或者实质上同一时间瞬间捕获的。
处理器可以包括识别边缘取向用的器件，它借助识别第一影象内调制区的一个第一边缘的一个内部分的位置以及第二影象内第一边缘的一个外部分的位置；
器件，用于识别第一影象内调制区的一个第二边缘的一个内部分的位置以及至第二影象内的第二边缘的一个外部分的位置；
取向测定器件，用于测定两个边缘取向至第一和第二影象内各部分的相对位置；以及
位置测定器件，用于测定调制元件中心位置至两个已识别的边缘的已测定的取向。
一对紧接的有间距的直线阵列因此提供充分的信息以允许调制元件的位置借助测定盘件上的调制区的两个不同的边缘的取向而被识别。这样能够使由于调制元件失配而引起的中心输出的误差被补偿。它还允许调制元件的光学半径被推导。
处理器可以适用于借助识别每个元件的至少两个边缘的取向来测定两个第一和第二元件的转动中心。
第一和第二调制元件的每个第一区可以包括一个径向延伸的狭缝，形成在周边有间距的径向延伸的边缘之间。
位于狭缝之间的第二区可以是不透明的。这种排列最好是它能提供阵列上影象的明亮和黑暗部分之间最大的强度差别。正是这种在影象内由一种强度水平至另一种强度水平的过渡被用于识别一个边缘的位置。
最好，二维的阵列的空间的延伸是这样的，在使用中在第一和第二强度门限值之间至少五个过渡经常可以被每个阵列探测。这点相对于至少五个边缘的探测。
光源和探测器阵列可以设置在调制元件的相对的侧面上，以形成一个透射型探测器。代替的方案是，光源和探测器阵列可以设置在调制元件的同一侧面上。在第一种情况下，来自光源的光线或者前进通过探测器阵列，或者被调制区阻挡。在第二种情况下，来自光源的光线或者可以由调制区反射到探测器阵列上，或者前进通过调制区离开探测器阵列。
技术人员可以理解，在此两个广泛的类型内可以对探测器做出许多改变。
最好，光源是至少部分漫射的，代替的方案是使用一个点光源与设置在光源前面的一个漫射器相结合。
可以设置第一和第二调制元件。每个可以包括第一和第二调制区，它们是重叠的，第一调制元件是相对于第二调制元件可移动的。它们可以沿一个扭矩杆在轴向有间距地位置连接。
第一调制元件可以连接至一个输入轴以及第二调制元件可以连接至一个输出轴，输入和输出轴借助一个扭矩杆连接。在此种排列中，一个扭矩施加至扭矩杆，将产生第一和第二元件之间的相对的角位移。
一个这种类型的探测器允许扭矩被测量。
因此，按照本发明的第二方面，提供一种扭矩探测器，它包括一个按照本发明的第一方面的位移探测器，其中第一和第二元件是借助一个扭矩杆连接的。
现在借助实例的方式结合参见附图说明本发明的一个实施例，其中：
图1是现有技术的扭矩探测器的一个透视图；
图2是按照本发明的一个实施例的扭矩探测器的一个透视图；
图3是图2的探测器的第一调制元件的一个顶视图，它包括一个较宽的幅条位于每个狭缝之间；
图4是图2的探测器的第二调制元件的一个顶视图，它包括一个窄幅条位于每个狭缝之间；
图5示出一个光阑的形成实例，它是借助在两个盘件的狭缝形成的，用于施加至探测器扭矩杆的一个任意的扭矩；
图6示出用于图2的排列的第一和第二探测器上形成的二维影象的重叠，以及由影象识别的边缘的矢量；以及
图7(a)和(b)示出施加一个扭矩的作用以及在现有技术的扭矩探测器内形成影象上的盘件失配。
如附图中图2所示，提供一个扭矩探测器200，它包括一个输入轴201，通过一个扭矩传送轴203连接至一个输出轴202，扭矩轴203与输入和输出轴为相同轴向。扭矩传送轴有时称为套轴或扭矩杆。扭矩杆被由视线屏蔽，但用虚线标出，以便说明排列的内部结构。第一和第二调制元件204，205每个包括一个盘件，分别地被输入和输出轴携带。
附图中的图3和4示出第一和第二调制元件204，205的部分顶视图。每个元件携带一组形成在其内的径向延伸的周边有间距的狭缝206，207。每个狭缝较薄以及沿跟随盘件周边的弧延伸。狭缝被幅条隔离。每个狭缝被一个直边缘限制，它径向地延伸这样使包括此边缘的一个矢量将前进通过盘件的中心。在所示的实施例中，盘件中的一个设置比另一个盘件更宽的幅条，虽然也有可能制造这样一个探测器，其中在每个盘件上的狭缝的宽度是相同的。不同宽度的幅条允许将负扭矩与正扭矩区别开来。
在使用中，两个盘件204，205沿一个公共轴对准，从而使第一盘件204的狭缝与第二盘件205的狭缝重叠。当扭矩施加至扭矩杆时，此两组狭缝彼此相对地移动。当两个盘件的内狭缝部分彼此重叠一个变化量时，它导致允许前进通过狭缝的光线图样的变化。本发明的这一方面是已经知道的以及读者可参见申请EP1001256A1的教导，以便充分地讨论对于不同的狭缝排列可能产生的不同的图样。
借助实例的方式，图5示出在任意选择的扭矩的情况下由图3和4的两个盘件产生的图样。可以看出，狭缝之间的重叠限定了光阑，在此处两个狭缝重叠。在这些光阑之间是这样的区域，其中第一盘件的一个狭缝重叠一个狭缝间部分(幅条)，区域215，216，217，其中第二盘件的一个狭缝重叠第一盘件的一个狭缝间区，以及还有区域218，219，220，其中两个狭缝间部分重叠。应该注意，在图样中由一个光阑至一个内光阑间区的每个过渡区的边缘径向地延伸以及对应于两个盘件中的这个或那个盘件上一个狭缝的一个边缘。当扭矩改变时，图样也随着光阑和光阑间区的宽度而改变，它们是扭矩的函数。
如图2所示，两个盘件插入在一个光源230(它可以是可见光，红外或紫外线灯)以及一个二维的探测器元件阵列240之间。来自光源的光线产生一个由盘件的狭缝在探测器阵列240上形成的图样的影象。
探测器元件阵列240示于附图中的图6。它包括一个简单的芯片器件，限定两个直线的探测器阵列241，242，位于一个公共的基片上。阵列中的每个探测器对光源发射的光线传感。两个直线阵列并列地排列。两个阵列之间的间距选择小于两个盘件内的调制狭缝的边缘的径向延伸。此外，两个阵列的延伸这样选择，使调制区的五个边缘的影象经常形成在每个子阵列上。每个阵列包括128个探测器，虽然或多或少也是允许的。
如图6内所示，光学图样在两个直线阵列上的形成是借助光线前进通过调制元件形成的光阑。如图所见，每个直线阵列“看见”一个一维的图样的影象，它是由狭缝形成的，这些狭缝偏离被另一个直线阵列“看见”的相应的影象。这些影象在一起组成一个借助调制元件内的狭缝形成的光阑的图样的一个二维的影象。
每个影象传送至一个处理器(图中未示出)，它由影象提取影象内过渡点的位置。每个已识别的过渡位置代表由调制元件内的狭缝形成的光阑的边缘。具有两个影象内已识别的每个过渡位置，处理器组合这些位置成为配对，并且每个配对应于两个盘件之一的狭缝的一个公共的边缘。具有已组合的过渡配对，一个矢量被测定用于对应于此过渡配对的边缘。
具有已产生的一组矢量，它对应于调制狭缝的边缘的取向，处理器随后测定每个盘件的中心，其方法是外推每个盘件的两个边缘至它们的重叠点。
测定中心点使用的过程可以参见附图中的图6很好地理解。
考虑第一调制元件，它具有最宽的狭缝作为实例：
y1是在阵列241上测量的一个宽幅条用的一个边缘位置
y2是在阵列242上测量的一个宽幅条用的一个边缘位置
y3是在阵列241上测量的一个相邻的宽幅条用的一个边缘位置
y4是在阵列242上测量的一个相邻的宽幅条用的一个边缘位置
x是宽幅条盘件和阵列241用的光学半径
d是直线阵列241与直线阵列242之间的距离
y是阵列中心轴与宽幅条盘件中心之间的切向位移。
使用上述的代号，可以示出，宽幅条盘件的光学半径x可以按下式计算：
x = d ( y 3 - y 1 ) y 2 + y 3 - y 1 - y 4 + 1
x的值可以被处理器使用于测定每个元件的光学放大倍数，它可以使用于反正切和视差边缘的校正，如在我们的早期欧洲专利申请EP1001256A1所述。
它还示出，宽幅条盘件的切向位移y可以按下式计算：
y = y 1 · y 4 - y 3 · y 2 y 1 + y 4 - y 2 - y 3
这些公式可同样地使用于计算第二个元件用的中心位置，它具有较窄的狭缝。
在进行影象的校正之后，扭矩最终由光阑和光阑间区的校正宽度测定。
y因素可以使用于调节原始的边缘位置值(y1…y4)以补偿盘件的失配。这个调节应在反正切和视差校正施加至狭缝边缘位置之前进行。
应该指出，这些公式不要求直线的阵列器件的精确的切向或偏转布局，这就是y校正因素自动地使每个盘件的中心与阵列的中心对准。还有校正因素给予全部盘件部分最佳的反正切校正，而不是对特定的盘件取向的最佳化。
应该指出，第一公式给出光学半径，而不必求解二次方程式的平方根，而它是现有技术中已知探测器装置需要的。
在一项改进中，处理器监控盘件的计算的中心相对于扭矩杆轴的假设的转动的位移。在计算的中心由假设的轴的伸出量超过预定的安全极限的情况下，一个警告旗可以升起。
当然应该理解，本发明不应局限于这里所述的任何特定的实施例。本发明提供一个位移中心，它使用转动的调制盘件与适当的探测器阵列结合，从而使一个或两个盘件的失配量能够被补偿。

Claims (13)

1.一种光学位移探测器，包括一个光辐射源，一个辐射探测器阵列，至少一个调制元件，该元件具有交替的第一和第二调制区，所述第一和第二调制区周向有间距地围绕所述调制元件的一个中心轴，第一和第二调制区具有不同的光学性能，以及，相邻的第一和第二调制区之间的过渡区被一个径向延伸的边缘限定，该调制元件可相对于探测器阵列位移，从而使第一和第二调制区暴露至来自光辐射源的光辐射并被探测器阵列跨过，以便在阵列上形成调制元件的上述的第一和第二调制区的一个影象，
一个数据处理器，连接至探测器阵列，用以接收来自阵列的由于辐射投射在探测器上产生的相关信号，其特征在于：
所述探测器阵列包括一个二维的探测器元件阵列，该阵列产生一个第一和第二调制区的二维的影象；
所述处理器用于，由二维影象，识别至少一个调制元件上各区的至少两个不同的径向延伸的边缘的取向，以及由上述已确定的边缘的取向，确定所述调制元件中心的位置。
2.按照权利要求1的光学位移探测器，其特征在于，调制元件包括一个第三调制区，与第一和第二调制区不同。
3.按照权利要求1或2的光学位移探测器，其特征在于，处理器用于由被探测器阵列捕获的影象，识别二维影象中每个已识别的边缘的至少两个径向有间距的部分。
4.按照权利要求3的光学位移探测器，其特征在于，处理器用于确定探测到的一个边缘的取向，其方法是产生一个矢量，该矢量前进通过所述两个已识别的部分。
5.按照权利要求1的光学位移探测器，其特征在于，二维的阵列包括两个子阵列，而且每个子阵列包括一个探测器元件的直线阵列。
6.按照权利要求5的光学位移探测器，其特征在于，两个子阵列的探测器之间的间距小于准备识别的边缘之间的间距。
7.按照权利要求5或6的光学位移探测器，其特征在于，每个子阵列用于产生一个相应的子影象，它前进通过处理器，两个子影象中的每一个相应于第一和第二调制区的不同的部分。
8.按照权利要求7的光学位移探测器，其特征在于，所述子影象是在同一时间瞬间捕获的。
9.按照权利要求1的光学位移探测器，其特征在于，所述处理器包括：
取向识别器件，用于借助识别第一影象中调制区的一个第一边缘的一个内部分的位置，以及第二影象中第一边缘的一个外部分的位置，识别边缘取向，
位置识别器件，用于识别第一影象中调制区的一个第二边缘的一个内部分的位置，以及第二影象中第二边缘的一个外部分的位置，
取向测定器件，用于测定两个边缘至第一和第二影象内各部分的相对位置的取向；以及
位置测定器件，用于由两个已识别的边缘的已测定的取向，测定调制元件中心的位置。
10.按照权利要求9的光学位移探测器，其特征在于，处理器用于借助识别每个元件的至少两个边缘的取向来测定两个第一和第二元件的转动中心。
11.按照权利要求1的光学位移探测器，其特征在于，第一和第二调制元件的每个第一区包括一个径向延伸的狭缝，该狭缝形成在周向有间距的径向延伸的边缘之间。
12.按照权利要求11的光学位移探测器，其特征在于，在狭缝之间的第二区是不透明的。
13.按照权利要求1的光学位移探测器，其特征在于，二维阵列的空间延伸是这样的，在使用中第一和第二调制区之间至少有五个边缘在任一时间可被每个阵列探测。
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