专利名称：用于旋转角度测量的信号发生装置及其工作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于旋转角度测量的信号发生装置及其工作方法。
背景技术：
现有的旋转角度的精确测量，在工业上一般使用园光栅和直线光栅。它的原理是在玻璃的圆周或直线方向上，使用光刻的方法形成若干透光性线条，再通过动静玻璃之间形成的莫尔条纹，使用光电和发出脉冲的方法识别旋转角度的变动。但这种方法工艺和电路均较复杂，制作成本高。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中的不足，提供一种用于旋转角度测量的信号发生装置及其工作方法。
为了实现上述目的，本发明设计了一种用于旋转角度测量的信号发生装置，具有转轴，其一端与被测旋转物体相连并随该物体同轴旋转，其另一端设有旋转盘；旋转盘的外侧面上设有多个圆弧段，各圆弧段的光反射率不同，各圆弧段构成与转轴同轴的圆环；在圆环的内周、各圆弧段的交界处设有磁钢，相邻磁钢的磁性相反；与所述旋转盘上的圆环相对固定设有红外光发射管和红外光接收管，其分别与控制电路的红外光控制输出端和红外光信号输入端相连；与所述旋转盘上的磁钢所在的圆相对固定设有与控制电路相连的第一线性霍尔传感器；红外光发射管发出的光线经上述一圆弧段反射后由红外光接收管接收；第一线性霍尔传感器根据与所述磁钢间的相对位置的磁场产生相应的传感信号；控制电路的脉冲信号输出端和数字信号输出端分别输出相应的旋转角度值信号。
所述光反射率不同的各圆弧段弧长一致，且各圆弧段具有不同的单一颜色灰度。
所述旋转盘上的各圆弧段的颜色灰度是依次逐级变化的。
本发明还提出了一种上述旋转角度测量的信号发生装置的工作方法，包括旋转盘通过转轴与被测旋转物体同轴旋转；控制电路的中央控制单元控制红外光信号发射电路的红外光发射管发出红外光线，红外光线经旋转盘上的一圆弧段反射后由红外光信号接收电路的红外光接收管接收，并产生与所述红外光线强度相应的光电信号；中央控制单元根据所述光电信号，通过查表得出所述红外光线的反射点所在的圆弧段信息；第一线性霍尔传感器根据与所述磁钢间的相对位置的磁场产生相应的传感信号；控制电路根据所述传感信号通过查表得出所述红外光线的反射点所在的上述圆弧段内的具体位置信息；中央控制单元根据所述圆弧段信息和具体位置信息，得出被测旋转物体的旋转角度值；中央控制单元的脉冲信号输出端和数字信号输出端分别输出相应的旋转角度值信息。
与现有技术相比，本发明具有以下积极效果(1)本发明通过光学手段区分颜色灰度不同的圆弧段，通过检测线性霍尔传感器与磁钢的相对位置；测量圆弧段内的具体位置，最后得出旋转角度。组成圆环的圆弧段数越多，其测量精度就越高。同时控制电路能产生脉冲信号和定位数字量信息，其中的脉冲信号适于常规专用装置的使用，如数控机床主轴、机器人手臂转角测量等，数字量信息适于上位机的处理。(2)本发明中，各圆弧段采用不同的颜色灰度使各段的光反射率不同，成本低廉且效果好。而各圆弧段的颜色灰度依次逐级变化，利于提高测量效率。(3)本发明中的电路板与旋转盘并行相对设置，使第一线性霍尔传感器M1、红外光发射管EM和红外光接收管RE位置固定。(4)本发明中的控制电路通过第二传感器电路和校正磁钢，抵消电源电压及干扰引起的电压波动对测量精度的影响，进一步提高了测量精度。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1为本发明的用于旋转角度测量的信号发生装置中的控制电路的电路框图；图2为本发明的用于旋转角度测量的信号发生装置的结构示意图；图3为图2中的A面；图4为图2中的B面；
图5为本发明的用于旋转角度测量的信号发生装置中的控制电路的电路原理图；图6为本发明的控制电路中的中央控制单元的工作方法的流程框图。
具体实施例方式
实施例1、见图2，本实施例的用于旋转角度测量的信号发生装置中，转轴11设置于轴套13内，轴套13两端设有左轴承20和右轴承14，右轴承14和左轴承20固定设置于轴固定壳12中。
转轴11一端与被测旋转物体相连并随该物体同轴旋转，另一端设有旋转盘15。
见图3，旋转盘15的外侧面(即A面)上设有8个弧长一致的圆弧段，各圆弧段具有不同的单一颜色灰度。各圆弧段构成与转轴11同轴的圆环。在圆环的内周、各圆弧段的交界处设有磁钢，相邻磁钢的磁性相反。
见图4，第一线性霍尔传感器M1、红外光发射管EM和红外光接收管RE设置在电路板16的一侧(即B面)，且均与所述旋转盘15上的圆环相对设置，电路板16固定于外壳17内，且与旋转盘15并行相对设置。
与所述旋转盘15上的圆环相对固定设有红外光发射管EM和红外光接收管RE分别与控制电路的红外光控制输出端和红外光信号输入端相连；与所述旋转盘15上的磁钢所在的圆相对固定设有与控制电路相连的第一线性霍尔传感器M1。
红外光发射管EM发出的光线经上述一圆弧段反射后由红外光接收管RE接收，并产生与所述红外光线强度相应的光电信号；第一线性霍尔传感器M1根据与所述磁钢间的相对位置的磁场产生相应的传感信号；控制电路根据红外光接收管RE接收得的光线强度得出所述红外光线的反射点所在的圆弧段，同时根据所述传感信号得出所述红外光线的反射点在该圆弧段内的具体位置，最后测出旋转角度值；控制电路的脉冲信号输出端和数字信号输出端分别输出相应的旋转角度值信息。
脉冲信号以及数字信号经输出引线18从插口输出。
所述控制电路设置在电路板16上，见图1，其包括中央控制单元1、第一传感器电路2、红外光信号发射电路4和红外光信号接收电路5；第一线性霍尔传感器M1接第一传感器电路2的输入端，第一传感器电路2的输出端接中央控制单元1的第一传感信号输入端；中央控制单元1的红外光控制输出端接红外光信号发射电路4的控制输入端，红外光信号发射电路4的输出端即控制电路的红外光控制输出端接红外光发射管EM；红外光信号接收电路5的输入端即控制电路的红外光信号输入端接红外光接收管RE；红外光信号接收电路5的输出端接中央控制单元1的红外光信号输入端；控制电路的脉冲信号输出端和数字信号输出端即为中央控制单元1的的脉冲信号输出端和数字信号输出端。
见图2，所述电路板16的C面上还设有第二传感器电路3和校正磁钢；第二传感器电路3具有第二线性霍尔传感器M2及放大电路；第二传感器电路3的输出端接中央控制单元1的第二传感信号输入端；控制电路通过第二传感器电路3和校正磁钢抵消电源电压及干扰引起的电压波动对测量精度的影响。
旋转盘15上的各圆弧段的颜色灰度是依次逐级变化的。
图5为控制电路的电路原理图，中央控制单元1即单片机IC1，可使用具有4路A/D转换接口电路的8位机P87LPC767芯片。第一传感器电路2为由运放器IC5组成的放大电路；第二传感器电路3为由运放器IC4组成的放大电路；红外光信号发射电路4为由反向器IC6和三极管VT1组成的驱动电路；红外光信号接收电路5为由运放器IC7组成的驱动电路；运放器IC4、IC5、IC7可使用高精度运放OP07。第一、第二线性霍尔传感器M1、M2即为IC2、IC3，其可采用6835集成器件。反向器IC6可使用CD4049集成电路，红外发射及接受管EM、RE分别采用小功率红外发射和接受二极管D1和D2。中央控制单元1的脉冲信号输出端和数字信号输出端分别为单片机IC1的P0.1口和P1.0-1.7口。
参见图6，上述旋转角度测量的信号发生装置的工作方法，包括旋转盘15通过转轴11与被测旋转物体同轴旋转；控制电路的中央控制单元1控制红外光信号发射电路4的红外光发射管EM发出红外光线，红外光线经旋转盘15上的一圆弧段反射后由红外光信号接收电路5的红外光接收管RE接收，并产生与所述红外光线强度相应的光电信号；中央控制单元1根据所述光电信号，通过查表得出所述红外光线的反射点所在的圆弧段信息；第一线性霍尔传感器M1根据与所述磁钢间的相对位置的磁场产生相应的传感信号；控制电路根据所述传感信号通过查表得出所述红外光线的反射点所在的上述圆弧段内的具体位置信息；中央控制单元1根据所述圆弧段信息和具体位置信息，得出被测旋转物体的旋转角度值；中央控制单元1的脉冲信号输出端和数字信号输出端分别输出相应的旋转角度值信息。
第二传感器电路3的第二线性霍尔传感器M2通过校正磁钢的磁场产生校正传感信号；中央控制单元1根据所述校正传感信号，对所述第一线性霍尔传感器M1产生的传感信号进行校正，以抵消电源电压及干扰引起的电压波动对测量精度的影响。
见图6，进行校正时，单片机IC1将来自模拟输入通道AD0的模拟信号进行A/D转换并将A/D转换结果暂存于内部RAM单元；同时将来自模拟输入通道AD1的模拟信号进行A/D转换，并将A/D转换结果暂存于内部RAM单元；AD0转换结果减AD1转换结果，通过查表，即可得经校正的段内具体位置数字信息。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
权利要求
1.一种用于旋转角度测量的信号发生装置，其特征在于具有转轴(11)，其一端与被测旋转物体相连并随该物体同轴旋转，其另一端设有旋转盘(15)；旋转盘(15)的外侧面上设有多个圆弧段，各圆弧段的光反射率不同，各圆弧段构成与转轴(11)同轴的圆环；在圆环的内周、各圆弧段的交界处设有磁钢，相邻磁钢的磁性相反；与所述旋转盘(15)上的圆环相对固定设有红外光发射管(EM)和红外光接收管(RE)，其分别与控制电路的红外光控制输出端和红外光信号输入端相连；与所述旋转盘(15)上的磁钢所在的圆相对固定设有与控制电路相连的第一线性霍尔传感器(M1)；红外光发射管(EM)发出的光线经上述一圆弧段反射后由红外光接收管(RE)接收；第一线性霍尔传感器(M1)根据与所述磁钢间的相对位置的磁场产生相应的传感信号；控制电路的脉冲信号输出端和数字信号输出端分别输出相应的旋转角度值信号。
2.根据权利要求1所述的用于旋转角度测量的信号发生装置，其特征在于所述光反射率不同的各圆弧段弧长一致，且各圆弧段具有不同的单一颜色灰度。
3.根据权利要求2所述的用于旋转角度测量的信号发生装置，其特征在于所述旋转盘(15)上的各圆弧段的颜色灰度是依次逐级变化的。
4.根据权利要求1-3之一所述的用于旋转角度测量的信号发生装置，其特征在于所述第一线性霍尔传感器(M1)、红外光发射管(EM)和红外光接收管(RE)设置在电路板(16)的一侧且均与所述旋转盘(15)上的圆环相对设置，电路板(16)与旋转盘(15)并行相对设置。
5.根据权利要求4所述的用于旋转角度测量的信号发生装置，其特征在于所述控制电路设置在电路板(16)上，其包括中央控制单元(1)、第一传感器电路(2)、红外光信号发射电路(4)和红外光信号接收电路(5)；第一线性霍尔传感器(M1)接第一传感器电路(2)的输入端，第一传感器电路(2)的输出端接中央控制单元(1)的第一传感信号输入端；中央控制单元(1)的红外光控制输出端接红外光信号发射电路(4)的控制输入端，红外光信号发射电路(4)的输出端即控制电路的红外光控制输出端接外光发射管(EM)；红外光信号接收电路(5)的输入端即控制电路的红外光信号输入端接红外光接收管(RE)；红外光信号接收电路(5)的输出端接中央控制单元(1)的红外光信号输入端；控制电路的脉冲信号输出端和数字信号输出端即为中央控制单元(1)的的脉冲信号输出端和数字信号输出端。
6.根据权利要求5所述的用于旋转角度测量的信号发生装置，其特征在于所述电路板(16)上还设有第二传感器电路(3)和校正磁钢；第二传感器电路(3)具有第二线性霍尔传感器(M2)及放大电路；第二传感器电路(3)的输出端接中央控制单元(1)的第二传感信号输入端；控制电路通过第二传感器电路(3)和校正磁钢抵消电源电压及干扰引起的电压波动对测量精度的影响。
7.一种上述旋转角度测量的信号发生装置的工作方法，包括旋转盘(15)通过转轴(11)与被测旋转物体同轴旋转；控制电路的中央控制单元(1)控制红外光信号发射电路(4)的红外光发射管(EM)发出红外光线，红外光线经旋转盘(15)上的一圆弧段反射后由红外光信号接收电路(5)的红外光接收管(RE)接收，并产生与所述红外光线强度相应的光电信号；中央控制单元(1)根据所述光电信号，通过查表得出所述红外光线的反射点所在的圆弧段信息；第一线性霍尔传感器(M1)根据与所述磁钢间的相对位置的磁场产生相应的传感信号；控制电路根据所述传感信号通过查表得出所述红外光线的反射点所在的上述圆弧段内的具体位置信息；中央控制单元(1)根据所述圆弧段信息和具体位置信息，得出被测旋转物体的旋转角度值；中央控制单元(1)的脉冲信号输出端和数字信号输出端分别输出相应的旋转角度值信息。
8.根据权利要求7所述的用于旋转角度测量的信号发生装置的工作方法，其特征在于第二传感器电路(3)的第二线性霍尔传感器(M2)通过校正磁钢的磁场产生校正传感信号；中央控制单元(1)根据所述校正传感信号，对所述第一线性霍尔传感器(M1)产生的传感信号进行校正，以抵消电源电压及干扰引起的电压波动对测量精度的影响。
全文摘要
本发明涉及一种用于旋转角度测量的信号发生装置。转轴一端与被测旋转物体相连并随该物体同轴旋转，另一端设有旋转盘；旋转盘的外侧面上设有多个圆弧段，各圆弧段的光反射率不同，各圆弧段构成与转轴同轴的圆环；在圆环的内周、各圆弧段的交界处设有磁钢，相邻磁钢的磁性相反；与旋转盘上的圆环相对固定设有与控制电路相连的红外光发射管和接收管；与旋转盘上的磁钢所在的圆相对固定设有与控制电路相连的第一线性霍尔传感器；红外光发射管发出的光线经上述一圆弧段反射后由红外光接收管接收；第一线性霍尔传感器根据与磁钢间的相对位置的磁场产生相应的传感信号；控制电路的脉冲信号输出端和数字信号输出端分别输出相应的旋转角度值信号。
文档编号G01D5/12GK1851413SQ20061008077
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月17日 优先权日2006年5月17日
发明者杨龙兴 申请人:江苏技术师范学院