适用于微型轴旋转测量的超声旋转编码器的制作方法

本实用新型属于编码器领域，具体涉及一种适用于微型轴旋转测量的超声旋转编码器。

背景技术：

旋转编码器也称为轴编码器，主要是将旋转位置或旋转量转换成电子信号的设备，可以应用在工业控制、机器人技术、专用镜头等。

旋转编码器主要分为绝对型编码器和增量型编码器两种，增量型编码器利用检测脉冲的方式计算转速和相对位置，可输出有关旋转运动的信息；绝对型编码器会输出旋转轴的绝对位置，可视为角度传感器。

编码器的运行模式一般分为机械式、光学式、电磁式、感应式和电容式等，这类传感器将检测元件和处理电路结合在一起，结构都比较大，一般直径都在15mm以上，在一些结构狭小的领域不能很好的应用。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种全新的适用于微型轴旋转测量的超声旋转编码器。

为解决以上技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种适用于微型轴旋转测量的超声旋转编码器，其包括传感器部分、旋转传输部分、信号处理部分，其中旋转传输部分包括驱动被检测轴绕自身轴线方向转动的旋转部、与传感器部分和信号处理部分连通的信息传输部，传感器部分获得的检测信息由信息传输部传递至信号处理部分，信号处理部分进行信号分析以获取测量信息，

传感器部分包括截面呈圆形且呈直管状的定子、绕着定子的中心线方向自由转动地设置在定子内部的转子、固定设置在转子伸入定子端部的超声波传感器、以及绕着定子的周向均匀分布的多个栅格条，其中转子为被检测轴或者转子与被检测轴同轴固定连接，栅格条和定子侧壁所形成的回波信号之间存在强弱差异，超声波传感器位于多个栅格条形成的超声回波检测区内。

优选地，栅格条嵌设、刻蚀或蒸镀在定子的内壁。当然外壁也行，栅格条设置在内壁的好处是：能够更准确的反射超声回波，提高检测的精准度。

根据本实用新型的一个具体实施和优选方面，在定子内壁形成有刻槽，栅格条形成在刻槽内，且栅格条朝向转子的侧面与定子的内壁面齐平设置。这样一来，十分方便栅格条的成型，而且更准确的实现超声波回波检测，同时更加美观。

优选地，栅格条的材质为金属片或者金属丝，定子的材质为塑料，其中栅格条所形成的回波信号强于定子侧壁所形成的回波信号。

根据本实用新型的又一个具体实施和优选方面，定子靠近栅格条的端部闭合设置。定子端部闭合后，可以在定子所形成的超声回波检测区内充满传输介质，如水、盐水混合物等介质，进而保证超声能够顺利的在超声波传感器和栅格条、超声波传感器和定子内壁之间传播。优选地，传感器部分还包括设置在定子和所述转子之间的转动连接件。常用的如轴承。

此外，被检测轴为转子，且直径大于或等于0.3mm；定子的内径大于等于0.4mm，定子的外径大于或等于0.5mm。

优选地，在转子伸入定子端部的周向侧面上形成有向内凹陷的安装槽，超声波传感器设置在安装槽内。

进一步的，安装槽沿着转子长度方向延伸，超声波传感器和对应的栅格条构成一组信息获取单元，定子和所述转子上形成有多组信息获取单元，多个超声波传感器并排在安装槽内，每组栅格条对应且并排在定子内壁上，多组中的一组信息获取单元具有一个栅格条，其他组信息获取单元中相邻两组信息获取单元的两组栅格条相对错位分布。

具体的，信息获取单元有三组，三组栅格条并排设置在定子内壁，其中第一排和第二排的栅格条数量相等均为n个，且第一排和第二排的栅格条之间有180°/n的角度偏差，第三排的所述栅格条数量为1个，第三排和第二排的所述栅格条之间也设有180°/n的角度偏差。

由于以上技术方案的实施，本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

本实用新型利用超声波传感器与被检测轴的同步转动，由超声波传感器在多个栅格条形成超声回波检测区转动并形成强弱不同的回波信号反馈至信号处理部分进行分析处理，从而得出检测结果，同时，即使被检测轴的外径是1mm以下，也是能够实施准确的检测。

附图说明

图1为本实用新型的超声旋转编码器的结构示意图；

图2为图1中局部结构放大示意图；

图3为图1中超声波传感器处的回波强弱示意放大图；

图4为本实用新型的超声旋转编码器的结构示意图（绝对型编码器）；

图5为超声传感器的回波强度值ai和时间对应信息曲线；

图6为根据图5的曲线经过信号处理部分处理分析后的运动曲线；

图7为三排刻度获取信息并经过信号处理部分处理分析后的运动曲线；

其中：1、传感器部分；10、定子；100、刻槽；11、转子；110、安装槽；12、超声波传感器；13、栅格条；14、转动连接件；15、线缆；

2、旋转传输部分；20、旋转部；21、信息传输部；

3、信号处理部分。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，本实施例所公开的微型轴转速和角度的测量方法，其采用的超声旋转编码器进行检测。

具体的，超声旋转编码器，其包括传感器部分1、旋转传输部分2（可以是滑环、旋转变压器、旋转电容、旋转光纤耦合器等）、信号处理部分3，其中旋转传输部分2包括驱动被检测轴绕自身轴线方向转动的旋转部20、与传感器部分1和信号处理部分3连通的信息传输部21，传感器部分1获得的检测信息由信息传输部21传递至信号处理部分3，信号处理部分3进行信号分析以获取测量信息。

传感器部分1包括截面呈圆形且呈直管状的定子10、绕着定子10的中心线方向自由转动地设置在定子10内部的转子11、固定设置在转子11伸入定子10端部的超声波传感器12、以及绕着定子10的周向均匀分布的多个栅格条13。

本例中，定子10的外径为1.0mm，定子的内径为0.8-0.9mm，转子11的外径0.6mm。

被检测轴即为转子11，且转子11和定子10之间通过转动连接件14同轴转动连接。

本例中，每个栅格条13均为设置在定子10内壁的钨丝，超声波传感器12位于多个栅格条13形成的超声回波检测区内。

结合图2所示，在定子10内壁形成有刻槽100，栅格条13形成在刻槽100内，且栅格条13朝向转子11的侧面与定子10的内壁面齐平设置。十分方便栅格条的成型，而且更准确的实现超声波回波检测。

同时，定子10的材质为塑料，且定子10靠近栅格条13的端部闭合设置，这样一来，定子10端部闭合后，可以在定子10所形成的超声回波检测区内充满传输介质，如水、盐水混合物等介质，进而保证超声波能够顺利的在超声波传感器和栅格条、超声波传感器和定子内壁之间传播。

在转子11伸入定子10端部的周向侧面上形成有向内凹陷的安装槽110，超声波传感器12设置在安装槽110内。

安装槽110沿着转子11长度方向延伸，超声波传感器12和对应的栅格条13构成一组信息获取单元h。

转子11内部中空设置，传感器部分1还包括位于转子11内部且能够将超声波传感器12与旋转传输部分2相连通的线缆15。当然，超声波传感器12也可以通过无线将获得的信息反馈至信息传输部21，再由信息传输部21将信息转达至信号处理部分3。

本例中，超声波传感器12的长*宽*高为0.4mm*0.5mm*0.3mm。

结合图3所示，超声传感器12在转动过程中，根据声学反射的原理，当超声传感器12发射面与每一个栅格条13切线平行时，反射回波强度最强，且为amax，同时在相邻两个栅格条13正中间位置时，反射回波强度最弱，且为amin，至于当在其他位置的时候，反射回波强度在amax和amin之间。

结合图4所示，定子10和转子11上形成有三组信息获取单元h，三个超声波传感器12并排在安装槽110内，三组栅格条13并排设置在定子10内壁，其中从右向左数，第一排和第二排的栅格条13数量相等均为n个，且第一排和第二排的栅格条13之间有180°/n的角度偏差，第三排的栅格条13数量为1个。

同时，第三排的栅格条13与第二排的栅格条13之间也存在相同的角度偏差(180°/n的角度)。

因此，三组信息获取单元的设置，即为3位格雷编码，也就是绝对型编码器。

同样，可以通过增加刻度尺排数和超声传感器的数量，来提高格雷编码的位数，从而提高编码器的分辨率。

此外，以中心频率50mhz的超声探头为例，其横向分辨率在200um左右，这个分辨率的大小决定了定子上的栅格条的最小刻度间距不能小于超声探头的横向分辨率，这样才能够获取需要的强弱信号

假设横向分辨率为λ，则编码器的角分辨精度最高为360°/λ。但是我们可以通过增加传感器的数量来提高编码器的精度。

综上，本实施例中，利用超声波遇到不同反射物反射回波的强弱设计传感器，利用旋转编码的原理，对旋转物体进行转速和位置的测量。

同时，用超高频微型超声传感器，可以将编码器结构设计用于被检测轴直径在0.3mm以上且对该被检测轴的转速和位置进行测量，故，可应用在高精密检测领域，如体内介入医疗影像设备，对因旋转畸变造成的图像失真（nurd）等进行有效地修正，确保图像的准确性，有着非常好的优势。

本实施例的检测过程如下：

1）、采用被检测轴替换转子，并在转子的端部形成有安装槽，超声波传感器对应分布在安装槽内，且对应位于多个栅格条形成的超声回波检测区内；

2）、启动旋转传输部分和超声波传感器，在被检测轴和超声波传感器的同步转动下进行超声回波的信号采集，其中超声波传感器的发射面与每一个栅格条切线平行时，反射回波强度最强，且为amax，超声波传感器的发射面正对相邻两个栅格条正中间位置时，反射回波强度最弱，且为amin，至于超声波传感器的发射面在其他位置的时候，反射回波强度在amax和amin之间；

3）、超声波传感器将所采集的反射回波强度向信号处理部分传达，由信号处理部分进行数据分析并成像，其中根据成像信息可计算出被检测轴的转速和转动角度。

同时，为了进一步提高编码器的分辨率，在上述步骤1）中，还可以采用三组信息获取单元并排设置，构成的三位格雷编码，当然，也可以采用多组并排的多位格雷编码进行检测，这样一来，能够更准确的获知被检测轴的运动数据。

具体的，在本实例中，定子圆周上均匀分布的栅格条形成n个刻度，因此每个反射刻度之间的角度是θ=360°/n，在超声传感器旋转的过程中，超声传感器连续不断的发射超声信号并接收，假设每转发射的信号数量为m，该值需要远远大于n（因为若转子每转动一圈只有n个信号的话，那就是说，每个栅格条只接收一个回波信号，这样数据采样远远不够，所以要有足够多m的发射信号，这样才能保证接收回来的信号幅值，每个位置和相邻位置是差不多连续变化的）。

将传感器每个接收回波强度值设为ai，

则超声传感器每转一圈内接收到的回波强度值分别为：

a1,a2,……ai,……am。

由于我们设定的m的值远远大于n，则可假定，每转一圈共有n个刻度反射回波强度最大，信号amax，n个反射回波强度最小，信号amin。

信号处理部分将反射回的信号计算强度ai，将回波强度值ai对时间t可得到附图5所示的曲线。经信号处理部分处理可以得到附图6所示的曲线。

同理，若采用三组信息获取单元，其中第一排和第二排所形成的刻度之间有θ/2的角度偏差，第三排的刻度只有一个刻度，根据上述的每组信息获取单元所获得的信息传达至信号处理器，可以得到附图7所示的曲线。

以上对本实用新型做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本实用新型的内容并加以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。