一种无极转角传感器的制作方法

本发明涉及一种无极转角传感器，通过该旋转角度传感器例如可以确定轴与其他构件之间的旋转角度，属于传感器设计领域。

背景技术：

为了测量旋转角度，传统齿轮式检测转角的方式，由于齿轮卡齿的有限，实质上测量不是无极的。

例如已知旋转角度传感器，在所述旋转角度传感器中磁体在相应的磁场传感器上转动。然后磁场向量的测量使得能够推导出旋转角度。这类传感器也对外部的磁场作出反应，所述外部的磁场例如由相邻布置的电缆的通过电流引起并且可能对于干扰非常敏感。但是这里传感器，由于磁场的设计难以实现连续，加之磁场检测存在误差，所检测的转角不是实质上的无极，且不精确。

另一类型的旋转角度传感器充分利用涡流效应。在此，例如金属靶在传感器线圈上方运动，所述传感器线圈被供给以交流电压并且在靶中感应出涡流。这导致传感器线圈的电感降低并且使得能够通过频率变化推导出旋转角度。线圈例如是振荡回路的组成部分，所述振荡回路的谐振频率在电感变化的情况下移位。然而这种类型的旋转角度传感器可能具有相对于安装公差的高横向敏感度(主要是靶的倾斜)。也可以通过外部的电磁场干扰所产生的频率(注入锁定)，因为通常以几十兆赫范围内的频率工作。除此之外，其产生大量的热量，且电感容易产生磁抗，且受转速影响，且轴在来回快速转动过程中，测量不准确。特别是，金属靶或者线圈的难以实现正真的无极。

此外，由申请文件us7191759b2、us7276897b2、ep0909955b1、us6236199b1和ep0182085b1已知基于耦合线圈的旋转角度传感器。在这些申请文件中，在唯一的励磁线圈中构建交变电磁场，该交变电磁场耦合到多个接收线圈中并且在那里分别感应出电压。为了测量旋转角度，使用可旋转支承的、能导电的靶，该靶根据它的角度位置影响励磁线圈与接收线圈之间的感应耦合。

又例如，申请号为201780014014.0的发明涉及一种旋转角度传感器，包括具有定子发射线圈和定子接收线圈的定子元件；关于所述定子元件围绕旋转轴线能旋转地受支承的转子元件，该转子元件具有相互电连接的转子接收线圈和转子发射线圈；其中，所述转子接收线圈与所述定子发射线圈感应地耦合，使得通过所述定子发射线圈产生的电磁场在所述转子接收线圈中感应出电流，该电流流经所述转子发射线圈，使得所述转子发射线圈)产生另外的电磁场；其中，所述定子接收线圈与所述转子发射线圈感应地耦合，使得该感应耦合与所述定子元件和所述转子元件之间的旋转角度有关，并且由所述转子发射线圈产生的所述另外的电磁场在所述定子接收线圈中感应出与角度有关的交流电压；其中，所述定子发射线圈具有圆形的外部部分绕组和圆形的内部部分绕组，该内部部分绕组布置在所述外部部分绕组内部并且该内部部分绕组与所述外部部分绕组)这样电连接，使得所述内部部分绕组相对于所述外部部分绕组关于电流流动方向而言反向地定向；其中，所述转子接收线圈具有圆形的外部部分绕组和圆形的内部部分绕组，该内部部分绕组布置在所述外部部分绕组内部并且该内部部分绕组与所述外部部分绕组这样电连接，使得所述内部部分绕组相对于所述外部部分绕组关于电流流动方向而言反向地定向；其中，所述定子发射线圈的所述外部部分绕组和所述转子接收线圈的所述外部部分绕组相互对准；其中，所述定子发射线圈的所述内部部分绕组和所述转子接收线圈的所述内部部分绕组相互对准。能够很好的测量转角，但是也存在问题：一是定子、转子都设置线圈进行通电麻烦，另一个是产生感应电流和检测过程基于现有技术和材料（线圈）不能没个点一致，仍然存在误差。

申请号为201080060585.6的发明涉及一种旋转角传感器，该旋转角传感器具有至少一个设有电容器板的电容器和一个构造为盘片的电介质，其中所述盘片布置在所述电容器板之间并且按旋转角填充所述电容器板之间的不同大小的面积份额，其中所述旋转角传感器构造用于根据所述至少一个电容器的电容的所测量的数值来确定所述旋转角。其原理是改变通过轴的转动改变电容大小实现测量，但是由于电容介质空气的不稳定性，和电容测量的技术，其误差仍然很大。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对背景技术中提出的需求和不足，采用不同于上述的设计思路，设计一种无极转角传感器，其属于传感器领域。

本发明采用的技术方案是：一种无极转角传感器，由旋转环、圆环套、螺旋光纤、光源、丹倍效应器、保护壳、透明保护环、控制器组成；光源、丹倍效应器通过导线连接控制器，并由控制器控制；旋转环通过固定在需要测量的转轴上随转轴转动，旋转环外壁上设置有安装螺旋光纤的螺旋槽，螺旋槽内设置螺旋光纤，螺旋光纤起始端设置有块状光斑；圆环套设置在旋转环外部，且圆环套对称设置有两个安装卡槽，安装卡槽内分别设置有光源和丹倍效应器，光源发出的光照射在螺旋光纤上，螺旋光纤随旋转环旋转过程中，螺旋光纤通过丹倍效应器处的光点位置会不断改变，且每个角度螺旋光纤投影在丹倍效应器的光点均不一样，丹倍效应器与控制器电连接，控制器内预先录入不同光斑对于的角度，由于光斑和角度是连续的，其测量和判断也是连续的；丹倍效应器由于光生非平衡载流子扩散速度的差异，直接引起了光照方向的电场和电位差，通过电位差可判断光电的位置，控制器分析丹倍效应器获得的信号，进而能够确定旋转环旋转的角度，由于超过度的旋转后，光的轨迹会重复上一次的，为了更好的帮助控制器判定旋转的周数，螺旋槽内设置螺旋光纤，螺旋光纤起始端设置有块状光斑，该光斑每两次经过丹倍效应器上同一个位置，期间旋转环旋转了一周，此时控制器计数一周和度，超过整周的部分控制器可以根据螺旋光纤投影在丹倍效应器确定转角度数。

进一步的，为了保护螺旋光纤，旋转环外部固定有透明保护环，其采用透明的目的是保证光能够通过。

进一步的，为了保护丹倍效应器和光源，丹倍效应器和光源外部均设置透明密封材料。

进一步的，为了防止外部光线污染，并保护相关元件，设置保护壳，同时保护壳将圆环套固定为一体，保护壳上设置有导线接口，导线接口内设置导电分别连接到丹倍效应器、光源，实现丹倍效应器、光源的电源供给和信号传输。

进一步的，所述的控制器集成在保护壳外部，或者单独设置，控制器通过导线接口与保护壳内部的丹倍效应器、光源连接，实现电源供给和信号传输。

发明中丹倍效应器、光源、控制器的电源供给采用外接，同时丹倍效应器、光源的电源供给也可以通过控制器上的接口供给。

所述的控制器优先采用单片机。

为了更好的显示转角的读数，控制器外接显示屏，通过显示屏显示度数。

本发明的工作原理是包括如下部分。

由于螺旋光纤在旋转过程中，其在一周内，无论旋转多少角度，螺旋光纤在丹倍效应器处的投影均是不可能相同的，由于光的投影效果极好，利用丹倍效应器实时检测螺旋光纤的光点投影就能准确测出转角。由于螺旋光纤的光斑是连续的，其实质是一种无极检测。由于光的检测直观可靠，其克服了采用磁、电感、电压、电容等测量时测量仪器和相关部件设置的误差。

丹倍效应器的具体是运用了丹倍效应，具体原理可以进行如下解释：用光照射厚度为d的半导体样品表面。假设吸收系数很大，光的穿透深度远小于样品厚度，则光在表面薄层内被吸收，产生电子-空穴对（δn=δp）。浓度梯度的存在，导致电子和空穴都沿x方向扩散，而它们引起的扩散电流方向相反。由于dn>dp，电子扩散的快。总的扩散电流沿负z方向。在开路情况下。这将引起电荷积累，使样品的光照面带正电。形成沿z方向的电场。这个电场引起的漂移电流与扩散电流的方向相反。这说明，在光照后。很快就会达到稳定态。在各处形成的电场所引起的漂移电流恰好和扩散电流相抵消。由于光激发非平衡载流子的扩散，在光照面和背面之间产生的电势差，称为丹倍电势差，有时也称为光扩散电势差。这个效应称为丹倍效应，其为一种光生伏特效应，由于两种载流子的扩散系数不同，在有过剩载流子存在时，在样品中将存在电场，该电场调整两种载流子的漂移电流，从而使两种载流子的运动保持同步，这个电场成为丹倍电场，该电场将在光照表面和背面建立电势差，成为光扩散电势差，根据电位差的测定结果，可以确定光照点的位置。

首先假定，光生载流子的浓度在整个样品中都很高，足以保证出现“双极性”电子一空穴流，而且热释载流子浓度和光生载流子浓度相比是很小的，即无光照时可把材料看成绝缘体。因此可以认为，在x方向的任一位置上，n和p相等（n、p为电子和空穴的密度），而且dn/dx和dp/dx也相等。使载流子保持在一起的丹倍电场即内建电场为：

式中，dn、dp分别表示电子和空穴的扩散系数,k为玻耳兹曼常数，t为绝对温度，q为电子所带电荷。

进一步假定入射光的穿透深度很浅，激发仅发生在透明电极附近的表面。则：

其中，la称为双极性扩散长度。把此式对x求导数，得：

由此关系可把丹倍场强写成：

因此丹倍电压：

由此可见，绝缘光电导体受强光照射时，丹倍电压与载流子的浓度无关，因而与光照强度无关。这个光生电动势的符号依赖于扩散系数之差，因此从这个电动势的正负性可直接指出哪种载流子的扩散系数大些。若dn和dp的数值已在其他测量中得到，并用此法测得在强光照下的丹倍电压vd，利用上式就能得到双极性扩散长度la。

当光均匀照射在表面，光生电位差出现在光照面与对面之间，若光不均匀照射，如一个光点照射在样品表面上，光生载流子向光点周围扩散，在光点侧向也会产生丹倍电位差，基于上述原理，控制器内设置相关计算程序，丹倍效应器检测的螺旋光纤在丹倍效应器上投影的光点位置对应不同的转角，能够完美的检测出转角。

当转角超过360度时，为了更好的帮助控制器判定旋转的周数，螺旋槽内设置螺旋光纤，螺旋光纤起始端设置有块状光斑，该光斑每两次经过丹倍效应器上同一个位置，期间旋转环旋转了一周，此时控制器计数一周和度，超过整周的部分控制器可以根据螺旋光纤投影在丹倍效应器确定转角度数。

本发明的有益效果是：

1.利用丹倍效应器由于光生非平衡载流子扩散速度的差异，直接引起了光照方向的电场和电位差，通过电位差可判断光电的位置，控制器分析丹倍效应器获得的信号，进而能够确定旋转环旋转的角度，由于光斑和角度是连续的，其测量和判断也是连续的，实现了无极检测转角。

2.旋转环通过固定在需要测量的转轴上随转轴转动，旋转环外壁上设置有安装螺旋光纤的螺旋槽，螺旋槽内设置螺旋光纤，圆环套设置在旋转环外部，且圆环套对称设置有两个安装卡槽，安装卡槽内分别设置有光源和丹倍效应器，由于将光源和丹倍器均不设置在旋转环上，旋转环不需要接入导线、电路，结构较为简单，不易损坏，方便维护。

3.螺旋光纤起始端设置有块状光斑，该光斑每两次经过丹倍效应器上同一个位置，期间旋转环旋转了一周，此时控制器计数一周和度，超过整周的部分控制器可以根据螺旋光纤投影在丹倍效应器确定转角度数，即能够更好的帮助控制器判定旋转的周数，进而确定度数。

4.旋转环外部固定有透明保护环，保证光能够通过，并保护螺旋光纤。

5.丹倍效应器和光源外部均设置透明密封材料，更好的保护丹倍效应器和光源。

7.设置保护壳，同时保护壳将圆环套固定为一体，保护壳上设置有导线接口，导线接口内设置导电分别连接到丹倍效应器、光源，实现丹倍效应器、光源的电源供给和信号传输，防止外部光线污染，并保护了相关元件。

8.所述的控制器集成在保护壳外部，或者单独设置，控制器通过导线接口与保护壳内部的丹倍效应器、光源连接，实现电源供给和信号传输。

附图说明

图1为本发明的一种无极转角传感器外部结构示意图。

图2为本发明的一种无极转角传感器内部结构示意图。

图3为本发明的一种无极转角传感器内部结构截面示意图。

图4为本发明的一种无极转角传感器旋转环和螺旋光纤安装示意图。

图5为本发明控制器控制丹倍效应器和光源的逻辑示意图。

图6为丹倍效应原理示意图。

图7为丹倍效应器原理示意图。

图8为丹倍效应器产生丹倍电势差示意图。

图9、图10为本发明中利用丹倍效应器检测光斑位置的丹倍效应器结构原理图。

1-螺旋光纤；2-旋转环；3-透明保护环；4-块状光斑；5-圆环套；6-光源；7-丹倍效应器；8-保护壳；9-导线接口；10-控制器；11-转轴；12-块状光斑；13-显示屏。

具体实施方式

参见图1至图5一种无极转角传感器，由旋转环2、圆环套5、螺旋光纤1、光源6、丹倍效应器7、保护壳8、透明保护环3、控制器10组成；光源6、丹倍效应器7通过导线连接控制器10，并由控制器10控制；旋转环2通过固定在需要测量的转轴11上随转轴11转动，旋转环2外壁上设置有安装螺旋光纤1的螺旋槽，螺旋槽内设置螺旋光纤1，螺旋光纤1起始端设置有块状光斑12；圆环套5设置在旋转环2外部，且圆环套5对称设置有两个安装卡槽，安装卡槽内分别设置有光源6和丹倍效应器7，光源6发出的光照射在螺旋光纤1上，螺旋光纤1随旋转环2旋转过程中，螺旋光纤1通过丹倍效应器7处的光点位置会不断改变，且每个角度螺旋光纤1投影在丹倍效应器7的光点均不一样，丹倍效应器7与控制器10电连接，控制器10内预先录入不同光斑对于的角度，由于光斑和角度是连续的，其测量和判断也是连续的；丹倍效应器7由于光生非平衡载流子扩散速度的差异，直接引起了光照方向的电场和电位差，通过电位差可判断光电的位置，控制器10分析丹倍效应器7获得的信号，进而能够确定旋转环2旋转的角度，由于超过度的旋转后，光的轨迹会重复上一次的，为了更好的帮助控制器10判定旋转的周数，螺旋槽内设置螺旋光纤1，螺旋光纤1起始端设置有块状光斑12，该块状光斑12每两次经过丹倍效应器7上同一个位置，期间旋转环2旋转了一周，此时控制器10计数一周和度，超过整周的部分控制器10可以根据螺旋光纤1投影在丹倍效应器7确定转角度数。

参见图3，为了保护螺旋光纤1，旋转环2外部固定有透明保护环3，其采用透明的目的是保证光能够通过。

参见图2、图3，为了保护丹倍效应器7和光源6，丹倍效应器7和光源6外部均设置透明密封材料。

参见图1，为了防止外部光线污染，并保护相关元件，设置保护壳8，同时保护壳8将圆环套5固定为一体，保护壳8上设置有导线接口9，导线接口9内设置导电分别连接到丹倍效应器7、光源6，实现丹倍效应器7、光源6的电源供给和信号传输。

进一步的，所述的控制器10集成在保护壳8外部，或者单独设置，控制器10通过导线接口9与保护壳8内部的丹倍效应器7、光源6连接，实现电源供给和信号传输。

所述的丹倍效应器7、光源6、控制器10的电源供给采用外接，同时丹倍效应器7、光源6的电源供给也可以通过控制器10上的接口供给。

所述的控制器10优先采用单片机。

为了更好的显示转角的读数，控制器外接显示屏13，通过显示屏显13示度数。

参见，图1至图5，由于螺旋光纤1在旋转过程中，其在一周内，无论旋转多少角度，螺旋光纤1在丹倍效应器7处的投影均是不可能相同的，由于光的投影效果极好，利用丹倍效应器7实时检测螺旋光纤1的光点投影就能准确测出转角。由于螺旋光纤1的光斑是连续的，其实质是一种无极检测。由于光的检测直观可靠，其克服了采用磁、电感、电压、电容等测量时测量仪器和相关部件设置的误差。

参见图6至图8，丹倍效应器7的具体是运用了丹倍效应，具体原理可以进行如下解释：用光照射厚度为d的半导体样品表面。假设吸收系数很大，光的穿透深度远小于样品厚度，则光在表面薄层内被吸收，产生电子-空穴对（δn=δp）。浓度梯度的存在，导致电子和空穴都沿x方向扩散，而它们引起的扩散电流方向相反。由于dn>dp，电子扩散的快。总的扩散电流沿负z方向。在开路情况下。这将引起电荷积累，使样品的光照面带正电。形成沿z方向的电场。这个电场引起的漂移电流与扩散电流的方向相反。这说明，在光照后。很快就会达到稳定态。在各处形成的电场所引起的漂移电流恰好和扩散电流相抵消。由于光激发非平衡载流子的扩散，在光照面和背面之间产生的电势差，称为丹倍电势差，有时也称为光扩散电势差。这个效应称为丹倍效应，其为一种光生伏特效应，由于两种载流子的扩散系数不同，在有过剩载流子存在时，在样品中将存在电场，该电场调整两种载流子的漂移电流，从而使两种载流子的运动保持同步，这个电场成为丹倍电场，该电场将在光照表面和背面建立电势差，成为光扩散电势差，根据电位差的测定结果，可以确定光照点的位置。

首先假定，光生载流子的浓度在整个样品中都很高，足以保证出现“双极性”电子一空穴流，而且热释载流子浓度和光生载流子浓度相比是很小的，即无光照时可把材料看成绝缘体。因此可以认为，在x方向的任一位置上，n和p相等（n、p为电子和空穴的密度），而且dn/dx和dp/dx也相等。使载流子保持在一起的丹倍电场即内建电场为：

式中，dn、dp分别表示电子和空穴的扩散系数,k为玻耳兹曼常数，t为绝对温度，q为电子所带电荷。

进一步假定入射光的穿透深度很浅，激发仅发生在透明电极附近的表面。则：

其中，la称为双极性扩散长度。把此式对x求导数，得：

由此关系可把丹倍场强写成:

因此丹倍电压：

由此可见，绝缘光电导体受强光照射时，丹倍电压与载流子的浓度无关，因而与光照强度无关。这个光生电动势的符号依赖于扩散系数之差，因此从这个电动势的正负性可直接指出哪种载流子的扩散系数大些。若dn和dp的数值已在其他测量中得到，并用此法测得在强光照下的丹倍电压vd，利用上式就能得到双极性扩散长度la。

当光均匀照射在表面，光生电位差出现在光照面与对面之间，若光不均匀照射，如一个光点照射在样品表面上，光生载流子向光点周围扩散，在光点侧向也会产生丹倍电位差，基于上述原理，控制器10内设置相关计算程序，丹倍效应器7检测的螺旋光纤1在丹倍效应器7上投影的光点位置对应不同的转角，能够完美的检测出转角。

当转角超过360度时，为了更好的帮助控制器10判定旋转的周数，螺旋槽内设置螺旋光纤1，螺旋光纤1起始端设置有块状光斑12，该块状光斑12每两次经过丹倍效应器7上同一个位置，期间旋转环2旋转了一周，此时控制器10计数一周和度，超过整周的部分控制器10可以根据螺旋光纤1投影在丹倍效应器7确定转角度数。

丹倍效应器7的设计如图9、图10所述，a、b是两个电接点，当细光束正好落在样品正中0点，则a、b间电位差为零；若光束偏离正中0点距离x，则会出现一个电位差vab。vab可正亦可负，取决于光束相对0点向哪一边偏离。在样品厚度d和a、b距离及光强一定时，a、b间的丹倍电势差是x的函数vab（x）。

依据图10，如果在y方向也引出两个电接点c、d，则可以测得一个电位差vcd（y），它是坐标y的函数。通过测定这两个电位差，便可确定光点的位置，因此利用侧向丹倍效应可以制作成很有用的二维定位器件。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应在本发明的保护范围之内。