角度传感器及角度测量方法

文档序号:9706161阅读:4499来源:国知局
角度传感器及角度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种角度传感器及角度测量方法,尤其涉及一种基于电涡流的角度传 感器及角度测量方法。
【背景技术】
[0002] 根据传感器与待测对象是否接触,可以将目前市场上存在的测量角度的传感器分 为两种,一种是接触式角度传感器,另一种是非接触式角度传感器。
[0003] 其中,接触式角度传感器主要依靠结构进行触发。例如,中国发明专利第 201410074133.3号申请公开了一种角度传感器,主要包括2N个滚珠开关。通过将2N个滚珠 开关顺时针依次沿圆周按照触发端在前、稳定端在后的方向安装,或者是采用顺时针依次 沿圆周按照稳定端在前、触发端在后的方向安装。在进行角度测量时,利用触发所述滚珠开 关,在每个滚珠开关上设定好角度,当旋转轴旋转时,触发到哪个滚珠开关就输出相对应的 角度,从而得到测量结果。然而,该角度传感器测量精度低、易损坏,体积大、维护繁琐且只 能测试低速旋转的角度。
[0004] 另一方面,非接触式角度传感器根据测量原理不同,主要包括光电式角度传感器 和霍尔角度传感器。其中,光电式角度传感器利用光电效应进行测试,对使用环境要求非常 苛刻,有少许粉尘、少许振动或者安装稍有偏差均会导致传感器不能正常工作,且需要光电 发射与接收装置,体积大、价格昂贵。电磁式角度传感器利用霍尔元件进行测试,主要由转 子和定子组成。在工作中,对定子与转子安装的同轴度要求非常高,例如,定子、转子之间的 间隙一般要求小于〇.5mm。并且,转轴稍有挠度即出现刮擦卡死等现象,无法适用于有挠度 转轴的角度测试。
[0005] 中国实用新型专利ZL201420138818.5公开了一种基于电涡流效应的角度传感器。 如图6(a)、6(b)所示,该角度传感器包括:可固定于转轴上的金属环51、第一励磁线圈组52 和第二励磁线圈组53。其中,第一励磁线圈组52和第二励磁线圈组53分别与硬件电路54相 连接。其中,第一励磁线圈与第二励磁线圈需通过电路板直接连接到硬件电路上,当转轴55 旋转时,励磁线圈感应到金属环51产生的涡流场发生变化,然后利用硬件电路54等后端的 处理设备对涡流场变化量进行计算,得出所测量的角度。
[0006] 然而,该实用新型专利所公开的角度传感器存在如下问题:第一、其需要在转轴上 固定所述金属环,且金属环的形状不规则,质量分布不均匀,容易造成转轴的转动惯量不均 匀,使转轴出现挠度;第二,励磁线圈与金属环的相对位置有严格限制,金属环固定到转轴 上,而励磁线圈与检测线圈固定到其它结构上,当转轴运动出现挠度时,则无法完成对角度 的准确测试;第三、需要在所述金属环两侧布置2个励磁线圈、2个检测线圈,体积大、安装繁 琐。此外,该角度传感器在使用前需进行角度标定,工作量大。

【发明内容】

[0007] 本发明是鉴于现有技术中存在的问题而提出的,即本发明提供一种基于电涡流测 试原理的角度传感器,该传感器仅包括一个感应线圈,无需其他电子元器件,对环境的适应 性能良好,经测试可用于高温、高压、油污等多种恶劣环境中。进一步地,在测量过程中,该 传感器只要检测到轮齿和齿槽即可,无需对其安装位置进行过多的调整,从而对检测面与 传感器的相对位置无严格要求。本发明还提供一种角度测量方法。
[0008]根据本发明的第一方面,提供一种角度传感器,包括,齿轮结构、电涡流探头以及 处理单元;其中,所述齿轮结构为安装固定于转轴的外圆周上的齿轮或者在转轴的外圆周 上加工形成齿轮,且在齿轮结构的外圆周侧上设置用于特征角度识别的定位结构;所述电 涡流探头定位在齿轮结构的所述外圆周侧,且探头面对所述齿轮的轮齿和齿槽;以及所述 处理单元连接于电涡流探头,用于信号处理,并输出角度测量信号。
[0009 ]优选地,所述定位结构为零度定位结构。
[0010]优选地,所述定位结构为定位槽,更优选地,为设置得比所述齿轮的齿槽更深的定 位齿槽或尖角槽。
[0011] 优选地,所述轮齿和齿槽均匀分布。
[0012] 优选地,所述电涡流探头的轴向中心线与所述转轴的中心轴线垂直相交。
[0013] 进一步优选地,电涡流探头的输出信号为对应于所述齿槽、轮齿的一系列波峰、波 谷,及对应于用于所述特征角度识别的所述定位槽,电涡流探头输出一个高于对应所述齿 槽的波峰的尖峰脉冲。
[0014]优选地,所述处理单元包括用于接收电涡流探头的输出信号的信号采集模块,以 及用于对信号采集模块输出的信号进行运算,以输出角度测量信号的信号处理模块。
[0015] 优选地,在进行硬件电路封装时,在所述处理单元封装上设置与PC进行通信的接 口,以在PC上存储和显示所述角度测量信号。
[0016] 根据本发明的另一方面,提供一种角度测量方法,所述方法用如前所述的角度传 感器进行角度测量,包括:
[0017] S1:原始脉冲信号输入,处理单元接收电涡流探头的输出信号;
[0018] S2:判断角度特征信号,处理单元识别对应于用于所述特征角度识别的定位结构 的特征角度识别信号;
[0019] S3:选取角度周期信号,处理单元选取一个或多个周期角度信号;
[0020] S4:角度测量信号运算,即,对所选取的周期角度信号进行分段式处理,以获得每 段的角度间隔及每段角度值,并进一步利用所述角度间隔和每段角度值获得表征角度测量 结果的角度测量信号;以及
[0021 ] S5:输出角度信号,输出在步骤S4中得到的测量角度信号。
[0022] 优选地,步骤S4包括:
[0023] S41:分段处理角度信号,对所选取的周期角度信号,对其进行无限分割式的分段 式处理,得到每段角度值;以及S42:合成各段角度信号,即利用上述每段角度值合成一周期 或所有周期内的角度值,作为测量角度信号。
[0024] 优选地,在步骤S41中,定义由齿轮的每个齿槽和轮齿得到的峰谷点信号段为xo~ xn,定义均布齿槽与轮齿两者中心线之间的角度为K,则每段信号段的角度间隔为:
[0025]
[0026]且每段角度值为:
[0027] 1)χο~幻区间角度子数组
[0028] χο, χ〇+ Δ χ〇, χο+2 Δ χ〇, χ〇+3 Δ χ〇, . . . , χι
[0029] 2)Χ1~Χ2区间角度子数组
[0030] χι, χι+ Δ χι, χι+2 Δ χι, χι+3 Δ χι, · · · , χ2
[0031] ···
[0032] η)χη-!~知区间角度子数组
[0033] Xn-1,Xn-1+ A Xn-1,Xn-1+2 Δ χη-1,χη-1+3 Δ χη-1,· · ·,χη。
[0034] 优选地,在步骤S42中,采用如下公式进行角度合成:
[0035]
[0036]以下结合本发明的【具体实施方式】和附图对本发明的具体方案进行描述,本发明的 有益效果将进一步明确。
【附图说明】
[0037] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,用于 解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
[0038] 图1是本发明一优选实施例的角度传感器的结构示意图。
[0039]图2是用于说明定位结构的本发明另一优选实施例的角度传感器结构示意图。 [0040]图3示出了在所述定位结构为所述定位槽的情况下的电涡流探头输出的信号曲 线。
[0041]图4为根据本发明一优选实施例的处理模块的结构示意图。
[0042]图5为本发明一优选实施例的角度测量处理流程图。
[0043]图6(a)、6(b)为现有技术的角度传感器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0044]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明具体实施例及 相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅是本发明一 部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0045]本发明所述角度传感器是基于电涡流效应的角度传感器。图1是本发明一优选实 施例的角度传感器的结构示意图。如图1所示,所述角度传感器包括齿轮结构1、电涡流探头 2以及处理单元3。所述齿轮结构为安装固定于转轴的外圆周上的齿轮或者在转轴的外圆周 上加工形成齿轮。在齿轮结构的外圆周侧上,例如,在所述齿轮的轮齿和齿槽中,形成用于 特征角度识别,即用于角度定位的定位结构P。所述定位结构优选为零度定位结构,当然也 可以是其他角度的定位结构。所述电涡流探头2定位在所述齿轮结构的所述外圆周侧,且探 头面对所述轮齿和齿槽,以在所述齿轮结构旋转时检测涡电流的变化。所述处理单元3连接 于电涡流探头2并用于信号处理,并输出角度测量信号。优选地,该处理单元3为一体化集成 封装的、内置有算法程序等的硬件信号处理单元。
[0046] 下面参照图1、2进一步描述所述定位结构P。如图1所示,当齿轮结构上的轮齿、齿 槽数η超过预定范围,例如η大于21时,所述定位结构优选为形成在齿槽位置的、且深度比所 述齿槽更深的槽的形式。此时,该角度传感器能够实现高精度的测量结果。图2为用于说明 定位结构的本发明另一优选实施例角度传感器的结构示意图,与图1所示实施例不同之处 仅在于齿轮的轮齿和齿槽的数量及所述定位结构的形式,因此省略与图1相同部分的说明。 如图2所示,齿轮结构相比图1所示的方案中,齿轮结构的轮齿、齿槽数较少,例如η小于21, 则所述定位结构优选设置为形成在齿槽位置的、且深度比所述齿槽更深的尖角槽的形式。 此时,由于齿轮结构的齿槽、轮齿的数量相对少,其测量精度相对较低。
[0047] 此外,定位结构还可以设置为其他形式,例如,比所述齿轮的轮齿更高或者更低的 突起的形式。需要指出的是,定位结构以能引起电涡流变化,以使得所述电涡流探头2能够 识别该结构,从而能够进行角度定位为准。
[0048]以下以在转轴外圆周上安装固定齿轮为例,对本发明的角度传感器进行更为详细 的描述。
[0049] 首先,在转轴的外圆周上安装固定具有η个齿槽和轮齿的金属齿轮。其中,η的取值 越大测量结果显然越精确,因此可以根据所需的测量精度进行选取。本发明中,优选为21-81个。此外,优选地,该齿轮的轮齿和齿槽为均匀分布。在轮齿和/或齿槽的某位置上设置进 行特征角度识别的所述定位结构Ρ,用于零角度或其他特征角度的识别,以便实现角度定 位。以定位结构Ρ为比所述齿槽深的定位槽的情况为例,则所述特征角度在电涡流探头2的 输出信号上表现为高于对应于齿轮的齿槽的电涡流探头2的输出信号的电压定值,
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