CN212058810U - 一种基于模拟信号的角度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于模拟信号的角度传感器，包括从前向后依次连接的前端屏蔽盖、外屏蔽壳、轴承、输出轴、设置于外屏蔽壳内的内壳、测角芯片和与内壳固定相连的后盖板；其特征在于：外屏蔽壳从后向前依次设有圆形法兰面、较大外圆段和较小外圆段；前端屏蔽盖位于外屏蔽壳前端；输出轴从后向前依次设有直径较大一端、直径较小一端和方轴段，方轴段前端设置有磁体；输出轴设置于内壳的空腔结构中。本实用新型在小型化的同时，提高了抗干扰能力，而且解决了高低温、高过载等恶劣工业使用环境下的传感器形变问题，保证传感器工作正常。其特别适用于机械变化频繁，环境恶劣，要求传感器使用寿命长，可靠性高的场合。

Description

一种基于模拟信号的角度传感器

技术领域

本实用新型涉及应用于航空、电子、机械、纺织、船舶、冶金、汽车行业、工控齿轮测速、齿条测位移等测量技术领域，尤其涉及一种基于模拟信号的角度传感器。

背景技术

目前应用于工业机器设备上的输出信号传感器有两种形式。其一为机械式，也就是接触式，其通过电刷和电阻基片滑动接触，随着相对位移，电阻值改变，输出电压信号相应改变，这种机械部件易产生磨损，或随着工业机器设备的震动，接触片有可能产生瞬间脱开，接触不良；而且在应用过程中由于电刷和电阻基片的磨损屑会附着在电刷和电阻基片之间，会产生接触不良或输出阻值的改变，最后导致信号无法正常传输，使用寿命受到限制。其二为非接触式，采用霍尔效应，即利用霍尔元件的输出电压与外加磁场以及磁声与元件法线夹角的余弦成比例的关系原理，在与旋输出轴连接的旋转的转子的前端设置有磁铁，并利用磁铁有间隔并且相对的磁敏传感器来检测转子角位移的旋转角。角度传感器采用高性能智能集成磁敏感元件，将机械转动或角位移转化为电信号输出，非接触测量。它是替代光学编码器、旋转变压器、导电塑料电位器的理想产品。

现有技术中的非接触式传感器通常都采用了轴承结构，结构复杂，而且难以实现小型化、微型化。例如，CN202041218U公开了一种非接触式磁致伸缩位移传感器，包括壳体，壳体一端的端盖，端盖的外表面设有至少一个内凹的盲沉孔，壳体内设置有传感器电路板，所述电路板固定有与盲沉孔数量相同的霍尔开关，所述霍尔开关靠近盲沉孔；一调试笔，所述调试笔设置有略小于盲沉孔内径的磁粒。该位移传感器能够对其元件进行有效防护，但是其结构相对复杂，体积也较大，并且还需要利用调试笔对传感器进行调试，操作也不够方便。

而非接触式角度传感器，主要分为基于模拟信号的和基于数字信号的。现有的基于模拟信号的角度传感器，电路简单，结构简单，可以小型化，但是抗干扰能力差，而且在高低温、高过载等恶劣工业使用环境下的传感器形变问题严重，导致传感器工作失灵。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述存在的至少一个问题，该目的是通过以下技术方案实现的。

本实用新型提供了一种基于模拟信号的角度传感器，包括：从前向后依次连接的前端屏蔽盖、外屏蔽壳、轴承、输出轴、设置于外屏蔽壳内的内壳、测角芯片和与内壳固定相连的后盖板；其特征在于：外屏蔽壳从后向前依次设有圆形法兰面、较大外圆段和较小外圆段；前端屏蔽盖位于外屏蔽壳前端；输出轴从后向前依次设有直径较大一端、直径较小一端和方轴段，方轴段前端设置有磁体；输出轴设置于内壳的空腔结构中；外屏蔽壳的厚度13.6-16mm，所述输出轴直径较大一端的厚度4.9-5.5mm；直径较小一端的厚度2.4-3.5mm。

进一步，所述测角芯片为磁敏传感器。

进一步，所述外屏蔽壳和前端屏蔽盖的材料为磁导率高剩磁小的材料。

进一步，所述磁导率高剩磁小的材料选自坡莫合金。更进一步地，所述坡莫合金为电工纯铁或铁铝合金。

进一步，所述输出轴的直径较大一端安装在所述内壳的空腔结构中。

进一步，所述输出轴的方轴段伸出所述前端屏蔽盖外，用于与外部待测机构固定连结。

进一步，所述输出轴的直径较大一端的直径范围17-19mm。

进一步，所述输出轴的直径较小一端直径范围是9.5-10mm。

本实用新型采用高性能智能集成磁敏感元件，将机械转动或角位移转化为电信号输出，非接触测量。在小型化的同时，提高了抗干扰能力，而且解决了高低温、高过载等恶劣工业使用环境下的传感器形变问题，保证传感器工作正常。其特别适用于机械变化频繁，环境恶劣，要求传感器使用寿命长，可靠性高的场合。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型的立体结构示意图，

图2为本实用新型所的爆炸结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

请参考图1、图2，本实用新型提供的基于模拟信号的角度传感器，包括：从前向后依次连接的前端屏蔽盖1、外屏蔽壳2、轴承3、输出轴5、设置于外屏蔽壳内的内壳6、测角芯片7和与内壳固定相连的后盖板8。

外屏蔽壳设有法兰面2-1、较大外圆段2-2和较小外圆段2-3；前端屏蔽盖位于外屏蔽壳前端，二者固定相连，构成完整磁屏蔽系统。外屏蔽壳的厚度 13.6-16mm。外屏蔽壳前端是一个碗状结构，后端和内壳相配合的位置开有两个过孔，用来把内壳固定在外屏蔽壳内。在外屏蔽壳上设置的法兰面用来把传感器同心固定在待测设备上。

本实用新型的外屏蔽壳和前端屏蔽盖是实现本实用新型的抗干扰的重要保准。因此其材料为磁导率高剩磁小的材料，磁屏蔽材料一般分为三类，即高导磁材料、中导磁材料和高饱和材料。高导磁材料的磁导率在80000-350000之间，经热处理后其饱和场可达7500Gs；中磁导率材料通常和高导材料一起使用，其磁导率值从12500-150000，饱和场15500Gs；高饱和场的磁导率值为200-50000，饱和场可达18000-21000Gs。因此，本实用新型选择的磁导率高剩磁小的材料为高导磁材料，其选自坡莫合金，坡莫合金优选地实施方式可以为电工纯铁、铁铝合金或类似材料。

输出轴5的材料为不锈钢，它包括依次连接的直径较大一端5-1、直径较小一端5-2和方轴段5-3。所述输出轴直径较大一端的厚度4.9-5.5mm；直径较小一端的厚度2.4-3.5mm。由于输出轴在使用过程中，特别是在高过载工况下，容易出现位移，角度传感器在工作中，轴向两个方向及径向分别要承受高过载，即自身重量的100倍的重力加速度，并且能确保在最低温度-40℃，最高温度 50℃下，正常工作。因此，所述输出轴仅能在内壳的空腔结构内自由转动但不发生轴向和径向位移。所述内壳套在外屏蔽壳中，且前端屏蔽盖通过螺钉把输出轴和轴承固定在一起，避免了轴在遇到轴向冲击的时候发生移动影响传感器的工作，可以将输出轴有效地限制在它的工作区域内，避免因出现位移而造成其卡死，导致不能正常工作。

方轴段为一定长度的截面是正方形的结构，它前端伸出前端屏蔽盖1，在方轴段的前端面同心粘接有磁体4。方轴段伸出前端屏蔽盖1后与被测零件连接，同时测定零件的旋输出轴5的连结结构加工成与方轴段的正方形截面相同形状的孔状结构，固定连结后角位移传感器的轴就可以和外部旋输出轴同心转动。所述磁体为圆柱形或圆环形，并能够与所述输出轴同步转动。

内壳是圆柱形铝质结构，两端向内挖空，中间有墙式结构把内壳分成互不相通的两部分。墙式结构的一端中心掏空，用螺丝把测角芯片，即磁敏传感器固定在内壳的这端，该磁敏传感器是用于采集模拟信号的，它不需要模数转换和附加电路。墙式结构的另一端呈圆柱形碗状结构，使输出轴伸进内壳的空腔内可以自由转动但不会发生径向位移，这可以依靠输出轴的外径和内壳空腔的内径加工精度保证，也就是要保证内壳空腔的内径和输出轴的外径之间的加工公差在0.02mm以内。同时在内壳的内壁刻有油路，以保证转动时的润滑油充盈其中。安装的时候先把输出轴直径较大的一端装入内壳的空腔，再依次把轴承、前端屏蔽盖套进输出轴并推向内壳，最后用螺丝将前端屏蔽盖固定在输出轴上，这样就把输出轴固定在内壳和前端屏蔽盖之间，而输出轴的方轴段伸出前端屏蔽盖外以便于和外部转动机构相连接，要保证轴直径较大部分的厚度，比内壳碗状结构的深度少0.02mm以内。

下面简单说明本实施例角位移传感器的组装过程。

首先，把焊有输出信号线及电源线的磁敏传感器用螺丝固定在内壳上，使有传感器芯片的一侧向内设置，这样就把传感器芯片封闭在一个密闭干燥的空间里，杜绝长期在恶劣环境下使用可能造成的芯片腐蚀，电路损坏等情况，可以提高电子元器件的使用寿命。然后，再把传感器输出轴直径较大的且顶端嵌入粘接有磁体的一端慢慢插入内壳的另一端，注意这一端是滑动摩擦面，安装时要在内壳内加适量的机油。然后，沿轴的正方形截面输出轴方向依次套上轴承、前端屏蔽盖板，最后用螺钉把前端屏蔽盖固定在内壳上，这样轴可以在内壳内部自由转动，同时由结构的加工精度上保证了轴向不会有影响测量精度的位移。把上述装好磁敏传感器、轴及前端屏蔽盖的内壳装入外屏蔽壳内，使外壳上的两个过孔对准内壳上的两个螺纹孔，用螺丝拧紧，这样内壳就被固定在外屏蔽壳内，同时前端屏蔽盖和外屏蔽壳的前端紧紧压合，形成一个整体的屏蔽壳系统。在外部磁场的环境下，根据已知的磁学原理，外部磁场均通过角位移传感器外壳的高导磁材料形成回路，而无法对传感器内部工作磁场带来影响，从而达到磁屏蔽的作用。

在一个具体实施方式中，本实用新型所提供的角度传感器,应用于小型自动化控制设备，该设备的电机带动测试单元转动，该角度传感器安装于电机的一侧，用于测试电机的转动数据。外屏蔽壳法兰面直径45mm、较大外圆段直径 32mm、较小外圆段直径31mm，前屏蔽盖直径21.8mm，外屏蔽壳的厚度 13.6-16mm。输出轴为实心圆柱形结构，外屏蔽壳和前屏蔽盖的材料为坡莫合金。在该设备工作过程中，轴向两个方向以及径向都会存在100倍重量加速度，因此需要角度传感器的输出轴的轴向蹿动小于0.1mm，保证测试设备的正常运行。输出轴直径较大一端的直径范围17-19mm，厚度4.9-5.5mm；直径较小一端直径范围是9.5-10mm，厚度2.4-3.5mm；输出轴采用8x8mm方轴与被测零件连接。输出轴的方轴段的前端面中心有一个挖进去的同心圆孔，不通透，磁铁放置在这个圆孔里和方轴段的后端粘接固定，用来和芯片感应配对工作。

本实用新型的角度传感器是新一代的非接触式传感器，它与执行机构轴套同轴安装，用于测量输出轴的偏转角度，向舵系统反馈角度信号。它有效地解决了高低温、高过载等恶劣工业使用环境下的传感器形变问题。

应当理解的是，尽管可以在文中使用术语前、后等来描述元件、部件、区域、层和/或部段的位置，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来表示件、部件、区域、层或部段的连接关系。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于模拟信号的角度传感器，包括从前向后依次连接的前端屏蔽盖、外屏蔽壳、轴承、输出轴、设置于外屏蔽壳内的内壳、测角芯片和与内壳固定相连的后盖板；其特征在于：外屏蔽壳从后向前依次设有圆形法兰面、较大外圆段和较小外圆段；前端屏蔽盖位于外屏蔽壳前端；输出轴从后向前依次设有直径较大一端、直径较小一端和方轴段，方轴段前端设置有磁体；输出轴设置于内壳的空腔结构中；其中，

外屏蔽壳的厚度13.6-16mm，所述输出轴直径较大一端的厚度4.9-5.5mm；直径较小一端的厚度2.4-3.5mm。

2.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，所述测角芯片为磁敏传感器。

3.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，所述外屏蔽壳和前端屏蔽盖的材料为磁导率高剩磁小的材料。

4.根据权利要求3所述的角度传感器，其特征在于，所述磁导率高剩磁小的材料选自坡莫合金。

5.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，所述输出轴的直径较大一端安装在所述内壳的空腔结构中。

6.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，所述输出轴的方轴段伸出伸出所述前端屏蔽盖外，用于与外部待测机构固定连结。

7.根据权利要求1或5所述的角度传感器，其特征在于，所述输出轴的直径较大一端的直径范围17-19mm。

8.根据权利要求1或6所述的角度传感器，其特征在于，所述输出轴的直径较小一端直径范围是9.5-10mm。

9.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，所述方轴段的前端面中心设有一个同心圆孔，用于放置所述磁体。

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