CN208075883U - 通用型差分反射式时栅角度位移编码器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种通用型差分反射式时栅角度位移编码器，包括转子和定子，转子和定子同轴设置且转子和定子平行；其特征在于：所述定子设置有多个结构相同的发射片，所述发射片绕定子的圆周方向布置形成环状结构，每相邻的四个发射片组成一组，同一组的四个发射片输入不同相位的激励信号；所述转子设置有多个结构相同的感应片，所述感应片绕转子的圆周方向布置形成环状结构，每一个感应片与四个发射片对应；所述定子设置有两个信号接收区，两个信号接收区与外设处理电路连接；所述转子设置有两个信号反射区，相邻的两个感应片分别与两个信号反射区连接，且两个信号反射区与两个信号接收区一一对应设置；能够在简化结构的同时，满足多种场合的需求。

Description

通用型差分反射式时栅角度位移编码器

技术领域

本实用新型涉及一种角度位移编码器，尤其涉及一种通用型差分反射式时栅角度位移编码器。

背景技术

反射式时栅角度位移编码器又称为精密角位移传感器，用于检测旋转体的位置与速度的传感器，广泛应用于现代工业中，比如工业机器人、数控机床、医疗设备以及航天航空领域。

目前，市场上主要采用光栅、磁栅以及容栅等栅式编码器，其中，光栅编码器由于技术成熟且精度较高，应用十分广泛，但是，光栅式编码器对于工作环境要求极高，尤其是对粉尘环境、油污环境等敏感，抗震能力差，使得其应用范围窄。

反射式时栅角度位移编码器分为次尝试编码器和电场式编码器，现有的磁场式编码器采用设置线圈的方式实现，这种结构的编码器，一方面其体积难以控制，适应性差，而现有的电场式编码器的结构复杂，并且适用性差，难以通用化，而且，其精度难以保证。

因此，为了解决上述技术问题，亟需提出一种新的角度位移编码器。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种通用型差分反射式时栅角度位移编码器，能够在简化结构的同时，满足多种场合的需求，从而能够有效增强适应性，而且能够有效保证最终的测量精度。

本实用新型提供的一种通用型差分反射式时栅角度位移编码器，包括转子和定子，转子和定子同轴设置且转子和定子平行；其特征在于：所述定子设置有多个结构相同的发射片，所述发射片绕定子的圆周方向布置形成环状结构，每相邻的四个发射片组成一组，同一组的四个发射片输入不同相位的激励信号；

所述转子设置有多个结构相同的感应片，所述感应片绕转子的圆周方向布置形成环状结构，每一个感应片与四个发射片对应；

所述定子设置有两个信号接收区，两个信号接收区与外设处理电路连接；

所述转子设置有两个信号反射区，相邻的两个感应片分别与两个信号反射区连接，且两个信号反射区与两个信号接收区一一对应设置。

进一步，一个感应片与四个发射片的对应结构为：

所述感应片为类菱形的四边形结构，感应片在转子径向方向上相对的边圆弧边，感应片沿转子周向的两个对边为直线边，且该两个相对的直线边相对于转子的径向倾斜设置形成斜边；

所述感应片沿转子周向的跨度等于四个发射片绕定子周向的跨度，所述感应片的倾斜边绕转子周向的跨度小于四个发射片绕定子周向的跨度。

进一步，所述定子的两个信号接收区分别为第一接收环和第二接收环，第一接收环和第二接收环的同轴设置。

进一步，所述转子的两个信号反射区分别为第一反射环和第二反射环，第一反射环和第二反射环与转子同轴设置，第一反射环和第二反射环分别与第一接收环和第二接收环一一正对设置。

进一步，所述第一接收环和第二接收环位于定子的环状布置的发射片的径向内侧，所述定子环状布置的发射片径向内侧还设置有用于将第一接收环和第二接收环与发射片隔离开的隔离环。

进一步，所述同一组的四个发射片输入的激励信号的相位依次为0°、90°、180°和270°。

进一步，还包括用于向发射片输入激励信号并接收信号接收区输出的位置信号的外设处理电路；

所述外设处理电路包括信号发生器、模拟处理电路以及运算处理器；

所述信号发生器输出四路相位分别为0°、90°、180°和270°的激励信号并加载于发射片，所述信号发生器的控制端与运算处理器连接，信号发生器还具有基准信号输出端且该基准信号输出端与运算处理器连接，所述模拟处理电路的输入端与两个信号接收区连接，运算处理电路用于接收模拟处理电路输出的信号计算被测旋转体的位置并且运算处理器控制信号发生器工作。

本实用新型的有益效果：通过本实用新型的转子和定子结构，由定子既输入激励信号，由输出位置检测信号，使得在任何场合下使用时均不会对布局造成影响，从而能够有效提高编码器的适用范围，利于编码器的通用化；更为重要的是，采用本实用新型的结构，能够有效提高整个编码器的抗干扰性能，而且在测量过程中能够进行误差补偿，从而有效提高传感器的测量精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型的转子结构示意图。

图2为本实用新型的定子结构示意图。

图3为本实用新型的发射片和感应片对应结构示意图。

图4为本实用新型的外设处理电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本实用新型做出进一步详细说明，如图所示：

本实用新型提供的一种通用型差分反射式时栅角度位移编码器，包括转子6和定子2，转子6和定子2同轴设置且转子和定子平行；其特征在于：所述定子2设置有多个结构相同的发射片1，所述发射片1绕定子的圆周方向布置形成环状结构，每相邻的四个发射片1组成一组，同一组的四个发射片1输入不同相位的激励信号；

所述转子6设置有多个结构相同的感应片7，所述感应片7绕转子的圆周方向布置形成环状结构，每一个感应片7与四个发射片1对应；

所述定子2设置有两个信号接收区，两个信号接收区与外设处理电路连接；

所述转子6设置有两个信号反射区，相邻的两个感应片分别与两个信号反射区连接，且两个信号反射区与两个信号接收区一一对应设置；通过上述结构，由定子既输入激励信号，由输出位置检测信号，使得在任何场合下使用时均不会对布局造成影响，从而能够有效提高编码器的适用范围，利于编码器的通用化；更为重要的是，采用本实用新型的结构，能够有效提高整个编码器的抗干扰性能，而且在测量过程中能够进行误差补偿，从而有效提高传感器的测量精度，其中，发射片的个数为4的整数倍。

本实施例中，一个感应片7与四个发射片1的对应结构为：

所述感应片7为类菱形的四边形结构，感应片7在转子6径向方向上相对的边圆弧边，该两个圆弧边所在的圆的圆心均在转子的轴线上，感应片7沿转子6周向的两个对边为直线边，且该两个相对的直线边相对于转子6的径向倾斜设置形成斜边；当然，斜边也可以采用曲线结构；优选采用直线结构；上述中的类菱形结构是指感应片的四个边的长度仍然是相等的，指示其中的在转子径向上的两个对边为圆弧线结构；

所述感应片7沿转子6周向的跨度等于四个发射片1绕定子2周向的跨度，即是说：感应片的两个对角线较长的一个对角线的两个端点的垂直距离等于四个发射片所占的宽度(包括发射片的间距在内)，所述感应片7的倾斜边绕转子6周向的跨度小于四个发射片绕定子2周向的跨度；即是说：倾斜边的两个端点的垂直距离要小于四个发射片所占的宽度(包括发射片的间距在内)；一般来说，发射片感应片均采用等间距的方式设置，更为优选地，相邻两个发射片的间距等于的宽度，从而能够有效保证在测量过程中发射片电场的均匀性，有效避免信号失真，从而提高最终测量结果的精确性；其中，发射片为四边形结构，发射片的在定子径向相对的边为圆弧线结构，并且该两个相对的边的圆弧线的所在的圆为同心圆，发射片的在定子周向相对边为直线并且其延伸方向均通过圆弧线的圆心，通过上述结构，在转子的转动过程中，由于感应片的不规则形状能够准确感应不同相位的信号，从而使得传输到第一反射环和第二反射环信号幅值相同但是相位正好相差180°的差分信号，从而能够准确得出被测旋转体的角度位置。

本实施例中，所述定子2的两个信号接收区分别为第一接收环4和第二接收环5，第一接收环4和第二接收环5的同轴设置。

所述转子的两个信号反射区分别为第一反射环8和第二反射环9，第一反射环8和第二反射环9与转子同轴设置，第一反射环8和第二反射环9分别与第一接收环和第二接收环一一正对设置；即是说：第一反射环与第一接收环正对设置，且第一反射环和第二反射环的大小相等，并且两个环的圆心同轴，第二反射环与第二接收环的关系与第一接收环和第一反射环一致，通过这种结构，能够使得所的测的位置信号能够不失真的从第一反射环和第二反射环传输到第一接收环和第二接收环上，从而保证测量精度。

本实施例中，所述第一接收环4和第二接收环5位于定子2的环状布置的发射片的径向内侧，所述定子环状布置的发射片1径向内侧还设置有用于将第一接收环4和第二接收环5与发射片1隔离开的隔离环3；通过上述结构，能够有效地防止发射片对第一接收环和第二接收环构成干扰，从而确保最终的测量精度；上述中的感应片、发射片，接收环、反射环以及隔离环均采用现有的导电技术材料制成，优选铜材料。

本实施例中，所述同一组的四个发射片输入的激励信号的相位依次为0°、90°、180°和270°；激励信号可以采用正弦信号或者含有正弦谐波成分的方波、三角波等信号，优选地采用正弦信号，并且信号的频率为20KHz，即：四个正弦信号的表达式分别为：sin(wt)，sin(wt+90°)，sin(wt+180°)，sin(wt+270°)。

本实施例中，还包括用于向发射片输入激励信号并接收信号接收区输出的位置信号的外设处理电路；

所述外设处理电路包括信号发生器、模拟处理电路以及运算处理器；

所述信号发生器输出四路相位分别为0°、90°、180°和270°的激励信号并加载于发射片，所述信号发生器的控制端与运算处理器连接，信号发生器还具有基准信号输出端且该基准信号输出端与运算处理器连接，所述模拟处理电路的输入端与两个信号接收区连接，运算处理电路用于接收模拟处理电路输出的信号计算被测旋转体的位置并且运算处理器控制信号发生器工作，其中，模拟处理电路包括依次连接的放大电路、滤波电路以及比较器，用于对感应的位置信号进行放大、滤波处理，然后通过比较器将滤波处理后的两个相位差为180°的差分信号进行合成处理并将该合成信号传输到运算处理器中，运算处理器对合成处理并计算出被测旋转体的位置并输出，比如通过显示器显示，其中，信号发生器采用现有的既能产生正弦信号又能产生方波信号的信号发生器，运算处理器采用现有的FPGA(可编程逻辑器件)即可。

以下对本实用新型的工作原理做出进一步详细说明：

由信号发生器产生四路相位相差90度的频率为20KHz的正弦信号sin(wt)，sin(wt+90°)，sin(wt+180°)，sin(wt+270°)，并加载到发射片，这四路信号分别依次加载到图2中所示的A、B、C和D四个同组的发射片；

转子上的感应片与第一反射环和第二反射环的连接举例如下：在顺时针方向上，感应片E与第一反射环连接，那么与感应片E相邻的感应片F就与第二反射环连接，那么与感应片F相邻的感应片G就与第一反射环连接，以此类推；

由于感应片的结构以及与发射片的对应结构，使得转子的感应片在转子的旋转过程中感应得到含有被测旋转体的角度位置信息的感应信号，感应信号传输到第一反射环和第二反射环，然后由第二反射环和第一反射环将感应信号分别再次反射回到定子的第二接收环和第一接收环，从而使得整个转子与外部之间没有任何接线结构，从而使得整个传感器利于布置，适应性范围更广，第一接收环所得到的位置感应信号和第二接收环所得到的位置感应信号形成相位差为180°；

其中，第一接收环输出的位置信号为V＝Asin(wt+x)；A为信号的幅值，x为发射片工作时感应信号中所包含的位置信息；而第二接收环输出的位置信号的幅值与第一接收环相同，但相位差为180°；模拟处理电路用于对感应的位置信号进行放大、滤波处理，然后比较器将第一接收环和第二接收环输出的两个相位相差180°的差分信号进行合成处理，形成一个合成位置信号并输入到运算处理器中，该合成位置信号的相位依然是(wt+x)；此时，运算处理器接收信号发生器输出的一个相位为wt的基准方波信号，并且运算处理器合成位置信号进行与基准方波信号进行时栅细分算法处理得到被测旋转体的角度位置x并输出。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种通用型差分反射式时栅角度位移编码器，包括转子和定子，转子和定子同轴设置且转子和定子平行；其特征在于：所述定子设置有多个结构相同的发射片，所述发射片绕定子的圆周方向布置形成环状结构，每相邻的四个发射片组成一组，同一组的四个发射片输入不同相位的激励信号；

所述转子设置有多个结构相同的感应片，所述感应片绕转子的圆周方向布置形成环状结构，每一个感应片与四个发射片对应；

所述定子设置有两个信号接收区，两个信号接收区与外设处理电路连接；

所述转子设置有两个信号反射区，相邻的两个感应片分别与两个信号反射区连接，且两个信号反射区与两个信号接收区一一对应设置。

2.根据权利要求1所述通用型差分反射式时栅角度位移编码器，其特征在于：一个感应片与四个发射片的对应结构为：

所述感应片为类菱形的四边形结构，感应片在转子径向方向上相对的边圆弧边，感应片沿转子周向的两个对边为直线边，且该两个相对的直线边相对于转子的径向倾斜设置形成斜边；

所述感应片沿转子周向的跨度等于四个发射片绕定子周向的跨度，所述感应片的倾斜边绕转子周向的跨度小于四个发射片绕定子周向的跨度。

3.根据权利要求1所述通用型差分反射式时栅角度位移编码器，其特征在于：所述定子的两个信号接收区分别为第一接收环和第二接收环，第一接收环和第二接收环的同轴设置。

4.根据权利要求3所述通用型差分反射式时栅角度位移编码器，其特征在于：

所述转子的两个信号反射区分别为第一反射环和第二反射环，第一反射环和第二反射环与转子同轴设置，第一反射环和第二反射环分别与第一接收环和第二接收环一一正对设置。

5.根据权利要求3所述通用型差分反射式时栅角度位移编码器，其特征在于：所述第一接收环和第二接收环位于定子的环状布置的发射片的径向内侧，所述定子环状布置的发射片径向内侧还设置有用于将第一接收环和第二接收环与发射片隔离开的隔离环。

6.根据权利要求1所述通用型差分反射式时栅角度位移编码器，其特征在于：所述同一组的四个发射片输入的激励信号的相位依次为0°、90°、180°和270°。

7.根据权利要求1所述通用型差分反射式时栅角度位移编码器，其特征在于：还包括用于向发射片输入激励信号并接收信号接收区输出的位置信号的外设处理电路；

所述外设处理电路包括信号发生器、模拟处理电路以及运算处理器；

所述信号发生器输出四路相位分别为0°、90°、180°和270°的激励信号并加载于发射片，所述信号发生器的控制端与运算处理器连接，信号发生器还具有基准信号输出端且该基准信号输出端与运算处理器连接，所述模拟处理电路的输入端与两个信号接收区连接，运算处理电路用于接收模拟处理电路输出的信号计算被测旋转体的位置并且运算处理器控制信号发生器工作。