CN1769836A - 旋转物体转角检测方法及所用传感器 - Google Patents

Abstract

一种旋转物体转角检测方法及所用传感器，本发明的检测方法是：在发光体和与外接电路相连的光电接收器之间设置一遮挡体，通过该遮挡体随旋转物体转动至停留点时可阻碍发光体与该位置光电接收器间光之传递，然后通过外接电路输出特征信号，从而测得相应的转角。转角传感器的结构是：有一个圆筒状壳体，壳体内布置有发光体以及与外接电路相连的光电接收器，在发光体和光电接收器之间，设有可随旋转物体转动且可将发光体投射后光线恰好遮挡一个光电接收器之遮挡体。本发明结构简单，对器件无特殊要求。传感器采用封闭式结构，耐高湿高压、耐高温腐蚀、耐振动冲击，能够在恶劣环境中可靠工作，特别适合于地下定向钻进中转角的测量。

Description

旋转物体转角检测方法及所用传感器

                                技术领域

本发明涉及一种传感技术，具体涉及一种旋转物体的转角检测方法及通过该方法设计的转角传感器。

                                背景技术

目前，在石油钻进、地质钻探及非开挖管线铺设领域，定向钻进技术都得到日益广泛的应用。定向钻进的一个显著特点是钻孔轨迹不要求为直线，可实现弯曲钻进。因此，它可根据实际要求绕过各种障碍，如房屋、河流、管线等。定向钻进的导向功能是通过斜面钻具来完成的，当钻具一边回转一边进给时，则钻出一个直孔，实现保直钻进；当钻具只进给而不回转时，由于斜面钻具受到的阻力，钻孔将向斜面的方向弯曲。因此，为了实现可控定向钻进，钻机操作人员必须知道钻具斜面的方向，或钻具的转角，故定向钻进中必须包含转角传感器来实现转角测量的功能。

地下定向钻进对转角测量提出了新的要求。由于测量传感器要安装在钻具内部，必须集中在直径只有3～4cm之间的一段狭小空间内，对体积要求比较严格。另外，由于地下钻进时的工作状态和条件之恶劣，为工业领域里所罕见，这就要求传感器工作时能耐高压(100MPa以上)、高温(100℃以上)、高湿(被钻井液包围)、高冲击(几十个g以上)、高振动、高摩擦、高腐蚀等，能抗各种干扰。传感器的每一个元件都要是高标准、高可靠性的，所以对它们的机械结构强度、密封性能、工作条件、工作寿命、可靠性、可维护性等等要求很高。

目前在工程领域，针对转角的测量方法通常采用以地球重力方向为基准的摆式角度传感器来进行，如电位器式、电容式、电感式等固体摆式传感器以及电介液式、电解液式、磁性流体式等液体摆式传感器等。它们利用重力场内“摆”力图保持在铅锤方向的特性，将转角的变化反映出来，如电位器式、电容式和电感式转角测量传感器分别利用重物或固体摆锤将转角转变成相应的电阻、电容或电感量的变化来进行测量，这与各种倾斜仪的原理类似。但由上述方法所设计的传感器都存在以下不足：尺寸较大，结构复杂，制作工艺难度大；大多属作坊作业，需要大量的人工调试，不宜批量生产，成本偏高；不是全固态，动态范围较窄，且抗冲击、抗振动性能不高。转角的测量也可以采用加速度计这样的惯性器件来进行，但由于采用的是敏感于加速度的电子芯片，其抗振性、耐温性、可靠性等远远不能满足地下钻进环境的要求。

                                发明内容

本发明的任务，就是要克服现有转角传感器的缺点，提供一种测定方法简单、体积小、安装方便、可靠性高，能够用于在恶劣环境下钻进的旋转物体的转角检测方法及由该方法设计的光电式转角传感器。

本发明的检测方法是：在发光体和与外接电路相连的光电接收器之间设置一遮挡体，通过该遮挡体随旋转物体转动至停留点时可阻碍发光体与该位置光电接收器间光之传递，然后通过外接电路输出特征信号，从而测得相应的转角。

本发明根据上述方法所用光电式转角传感器的技术方案是：由外套环和两侧盖板密封成一个圆筒状壳体，壳体内布置有发光体以及与外接电路相连的光电接收器，在发光体和光电接收器之间，设有可随旋转物体转动且可将发光体投射后光线恰好遮挡一个光电接收器之遮挡体，该遮挡体为可自由滚动的小球。所述外接电路为转换与编码电路，它包括与光电接收器相连的放大器，与放大器相连的编码器，以及与编码器相连的与非门，所述外接电路可以有效消除遮挡体在相邻两对发光体和接收器之间切换时造成的边界效应的影响。

本发明利用光滑的小球作为重力敏感元件，然后采用光电遮挡的方法测量转角，结构简单，对器件无特殊要求，制造成本低。传感器采用多个光电接收器，测量圆周上的多个光电接收器等分转角，可实现直接数字输出。光电接收器数量的大小可取决于用户对转角分辨力的要求。由于作为光源的发光管和配套的接收管体积较小，整个传感器的体积可以做得很小，如当光电接收器数量为12时，系统的体积可以做到直径3厘米以内，安装方便。传感器采用封闭式结构，内部元件没有暴露在外部环境中，因此可以耐高湿高压、耐高温腐蚀、耐振动冲击，能够在恶劣环境中可靠工作，特别适合于地下定向钻进中转角的测量。

                                附图说明

图1为本发明一个实施例的主视图；

图2为图1的右视图；

图3为本发明另一实施例的主视图；

图4为图3的右视图；

图5为本发明传感器信号处理电路图；

图6为本发明传感器输出信号的特征编码。

                                具体实施方式

下面结合附图及具体实施例介绍本发明。

参照图1、2，转角传感器有一个圆筒状的外套环4，其内腔周边均布置有多个光电接收器3，用于测量圆周上的所设等份转角，该实施例中，所述光电接收器3的数量为12个。外套环4两侧分别设有绝缘材料制成的上盖板5和下盖板6，形成一密封盒。盒体中心设有发光体1固定在下盖板6上，它可以是可见光光源，或红外光源。在发光体1和光电接收器3之间，设有一遮挡体2，该遮挡体2为一自由转动的小球，限制在上盖板5的内侧圆周内，恰好能够遮挡住一个光电接收器3，而且不会与发光体1和光电接收器3碰撞。在发光体1和光电接收器3选定的情况下，通过合适选择遮挡体2以及上盖板5内径的尺寸，可使遮挡体2因重力作用在上盖板5内侧自由滚动时，恰好能挡住一个光电接收器3，使该接收器接收不到发光体1发出的光。光电接收器3通过一侧的下盖板6引出，并通过相应的焊盘7与外接电路相接。本实施例中，外接电路为转换与编码电路。测量信号经光电接收器3转换后输入到后续的编码电路，可实现直接数字信号输出或与微处理器接口。

参照图3、4，传感器由外套环4、上盖板5及下盖板6密封而成一盒体，其内置有传感元件发光体1、遮挡体2和接收器3。相同数量的发光体1与接收器3，对称分布于两侧的上下盖板上。遮挡体2位于上盖板5和下盖板6形成的空间内，通过外套环4的内环、上盖板5及下盖板6上的凸起部分，将遮挡体2限制在内部的空隙内滚动，不会与发光体1和接收器3碰撞。通过适当选择发光体1、遮挡体2、接收器3的尺寸，可使遮挡体2任何时候恰好都能挡住一个光电接收器3，使该接收器接收不到发光体1发出的光，从而实现特征电子信号的输出。

整个传感器可用胶合等方法与被测旋转轴固定在一起，当旋转轴转动时，由于重力作用，遮挡体2始终保持在最低点，最低点的光电接收器3由于遮挡体2的遮挡而接收不到光，其它的光电接收器3都能接收到发光体1发出的光。由于事先对已对光电接收器3进行编号，这样根据光电接收器3的输出就能确定被挡光电接收器3的位置，从而测得相应的转角。

由于发光体1和光电接收器3可以选用小体积的发光管和接收管，传感器的体积可以做的很小，在光电接收器3数量为12时，传感器的体积可以做到在直径3厘米以内。

参照图5，12路光电接收器3的输出通过放大器8进行I/V转换，转换成12路电压信号。通过选择合适的反馈电阻R1～R12及电源电压，使光电接收器3在有光照时输出“高”电平，被遮挡体2遮挡时输出“低”电平。为了减少输出端口的数量，并实现电平匹配，将此12路特征信号V1～V12编码输出，得到四路编码信号A0～A3以及代表故障的Flag信号，输出特征编码参见图6。编码电路主要采用两片8-3线编码器芯片9及一片与非门10相互连接来实现，其中编码器芯片9型号为74HC148，与非门10型号为74HC00，放大器8与编码器芯片9相接。这种方法构成的编码电路可有效消除边界效应的影响，即使遮挡体2在两相邻接收器边界处导致输出同时为低时，也能得到唯一的编码。另外，图5所示的传感器处理电路采用的都是功耗较小的元件，整个传感器可以采用微型电池来供电，这也是本发明的一大特色。整个转角传感器最终通过四路数字编码信号输出，既可以接指示灯以直观的形式输出，也可以与微处理器直接接口，测量非常方便。

Claims (5)

1、一种旋转物体转角检测方法，其特征是：在发光体和与外接电路相连的多个光电接收器之间设置一遮挡体，通过该遮挡体随旋转物体转动至停留点时可阻碍发光体与该位置光电接收器间光之传递，然后通过外接电路输出特征信号，从而测得相应的转角。

2、一种光电式转角传感器，其特征是：由外套环(4)和两侧盖板密封成一个圆筒状壳体，壳体内布置有发光体(1)以及与外接电路相连的光电接收器(3)，在发光体和光电接收器之间，设有可随旋转物体转动且可将发光体投射后光线恰好遮挡一个光电接收器之遮挡体(2)。

3、根据权利要求2所述的光电式转角传感器，其特征是：所述遮挡体(2)为可自由滚动的小球。

4、光电式转角传感器的外接电路特征是：外接电路为转换与编码电路，它包括与光电接收器(3)相连的放大器(8)，与放大器(8)相连的编码器(9)，以及与编码器(9)相连的与非门(10)。

5、如4所述的转换与编码电路，其特征是：电路可以有效消除遮挡体(2)在相邻两对发光体(1)和接收器(3)之间切换时造成的边界效应的影响。

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