角度傳感器及角度測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種角度傳感器及角度測量方法，尤其涉及一種基于電渦流的角度傳 感器及角度測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 根據(jù)傳感器與待測對象是否接觸，可以將目前市場上存在的測量角度的傳感器分 為兩種，一種是接觸式角度傳感器，另一種是非接觸式角度傳感器。
[0003] 其中，接觸式角度傳感器主要依靠結(jié)構(gòu)進(jìn)行觸發(fā)。例如，中國發(fā)明專利第 201410074133.3號(hào)申請公開了一種角度傳感器，主要包括2N個(gè)滾珠開關(guān)。通過將2N個(gè)滾珠 開關(guān)順時(shí)針依次沿圓周按照觸發(fā)端在前、穩(wěn)定端在后的方向安裝，或者是采用順時(shí)針依次 沿圓周按照穩(wěn)定端在前、觸發(fā)端在后的方向安裝。在進(jìn)行角度測量時(shí)，利用觸發(fā)所述滾珠開 關(guān)，在每個(gè)滾珠開關(guān)上設(shè)定好角度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，觸發(fā)到哪個(gè)滾珠開關(guān)就輸出相對應(yīng)的 角度，從而得到測量結(jié)果。然而，該角度傳感器測量精度低、易損壞，體積大、維護(hù)繁瑣且只 能測試低速旋轉(zhuǎn)的角度。
[0004] 另一方面，非接觸式角度傳感器根據(jù)測量原理不同，主要包括光電式角度傳感器 和霍爾角度傳感器。其中，光電式角度傳感器利用光電效應(yīng)進(jìn)行測試，對使用環(huán)境要求非常 苛刻，有少許粉塵、少許振動(dòng)或者安裝稍有偏差均會(huì)導(dǎo)致傳感器不能正常工作，且需要光電 發(fā)射與接收裝置，體積大、價(jià)格昂貴。電磁式角度傳感器利用霍爾元件進(jìn)行測試，主要由轉(zhuǎn) 子和定子組成。在工作中，對定子與轉(zhuǎn)子安裝的同軸度要求非常高，例如，定子、轉(zhuǎn)子之間的 間隙一般要求小于〇.5mm。并且，轉(zhuǎn)軸稍有撓度即出現(xiàn)刮擦卡死等現(xiàn)象，無法適用于有撓度 轉(zhuǎn)軸的角度測試。
[0005] 中國實(shí)用新型專利ZL201420138818.5公開了一種基于電渦流效應(yīng)的角度傳感器。 如圖6(a)、6(b)所示，該角度傳感器包括:可固定于轉(zhuǎn)軸上的金屬環(huán)51、第一勵(lì)磁線圈組52 和第二勵(lì)磁線圈組53。其中，第一勵(lì)磁線圈組52和第二勵(lì)磁線圈組53分別與硬件電路54相 連接。其中，第一勵(lì)磁線圈與第二勵(lì)磁線圈需通過電路板直接連接到硬件電路上，當(dāng)轉(zhuǎn)軸55 旋轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁線圈感應(yīng)到金屬環(huán)51產(chǎn)生的渦流場發(fā)生變化，然后利用硬件電路54等后端的 處理設(shè)備對渦流場變化量進(jìn)行計(jì)算，得出所測量的角度。
[0006] 然而，該實(shí)用新型專利所公開的角度傳感器存在如下問題:第一、其需要在轉(zhuǎn)軸上 固定所述金屬環(huán)，且金屬環(huán)的形狀不規(guī)則，質(zhì)量分布不均勻，容易造成轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不均 勻，使轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)撓度;第二，勵(lì)磁線圈與金屬環(huán)的相對位置有嚴(yán)格限制，金屬環(huán)固定到轉(zhuǎn)軸 上，而勵(lì)磁線圈與檢測線圈固定到其它結(jié)構(gòu)上，當(dāng)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)撓度時(shí)，則無法完成對角度 的準(zhǔn)確測試;第三、需要在所述金屬環(huán)兩側(cè)布置2個(gè)勵(lì)磁線圈、2個(gè)檢測線圈，體積大、安裝繁 瑣。此外，該角度傳感器在使用前需進(jìn)行角度標(biāo)定，工作量大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明是鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題而提出的，即本發(fā)明提供一種基于電渦流測 試原理的角度傳感器，該傳感器僅包括一個(gè)感應(yīng)線圈，無需其他電子元器件，對環(huán)境的適應(yīng) 性能良好，經(jīng)測試可用于高溫、高壓、油污等多種惡劣環(huán)境中。進(jìn)一步地，在測量過程中，該 傳感器只要檢測到輪齒和齒槽即可，無需對其安裝位置進(jìn)行過多的調(diào)整，從而對檢測面與 傳感器的相對位置無嚴(yán)格要求。本發(fā)明還提供一種角度測量方法。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種角度傳感器，包括，齒輪結(jié)構(gòu)、電渦流探頭以及 處理單元;其中，所述齒輪結(jié)構(gòu)為安裝固定于轉(zhuǎn)軸的外圓周上的齒輪或者在轉(zhuǎn)軸的外圓周 上加工形成齒輪，且在齒輪結(jié)構(gòu)的外圓周側(cè)上設(shè)置用于特征角度識(shí)別的定位結(jié)構(gòu);所述電 渦流探頭定位在齒輪結(jié)構(gòu)的所述外圓周側(cè)，且探頭面對所述齒輪的輪齒和齒槽；以及所述 處理單元連接于電渦流探頭，用于信號(hào)處理，并輸出角度測量信號(hào)。
[0009 ]優(yōu)選地，所述定位結(jié)構(gòu)為零度定位結(jié)構(gòu)。
[0010]優(yōu)選地，所述定位結(jié)構(gòu)為定位槽，更優(yōu)選地，為設(shè)置得比所述齒輪的齒槽更深的定 位齒槽或尖角槽。
[0011] 優(yōu)選地，所述輪齒和齒槽均勻分布。
[0012] 優(yōu)選地，所述電渦流探頭的軸向中心線與所述轉(zhuǎn)軸的中心軸線垂直相交。
[0013] 進(jìn)一步優(yōu)選地，電渦流探頭的輸出信號(hào)為對應(yīng)于所述齒槽、輪齒的一系列波峰、波 谷，及對應(yīng)于用于所述特征角度識(shí)別的所述定位槽，電渦流探頭輸出一個(gè)高于對應(yīng)所述齒 槽的波峰的尖峰脈沖。
[0014]優(yōu)選地，所述處理單元包括用于接收電渦流探頭的輸出信號(hào)的信號(hào)采集模塊，以 及用于對信號(hào)采集模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，以輸出角度測量信號(hào)的信號(hào)處理模塊。
[0015] 優(yōu)選地，在進(jìn)行硬件電路封裝時(shí)，在所述處理單元封裝上設(shè)置與PC進(jìn)行通信的接 口，以在PC上存儲(chǔ)和顯示所述角度測量信號(hào)。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種角度測量方法，所述方法用如前所述的角度傳 感器進(jìn)行角度測量，包括：
[0017] S1:原始脈沖信號(hào)輸入，處理單元接收電渦流探頭的輸出信號(hào)；
[0018] S2:判斷角度特征信號(hào)，處理單元識(shí)別對應(yīng)于用于所述特征角度識(shí)別的定位結(jié)構(gòu) 的特征角度識(shí)別信號(hào)；
[0019] S3:選取角度周期信號(hào)，處理單元選取一個(gè)或多個(gè)周期角度信號(hào)；
[0020] S4:角度測量信號(hào)運(yùn)算，即，對所選取的周期角度信號(hào)進(jìn)行分段式處理，以獲得每 段的角度間隔及每段角度值，并進(jìn)一步利用所述角度間隔和每段角度值獲得表征角度測量 結(jié)果的角度測量信號(hào)；以及
[0021 ] S5:輸出角度信號(hào)，輸出在步驟S4中得到的測量角度信號(hào)。
[0022] 優(yōu)選地，步驟S4包括：
[0023] S41:分段處理角度信號(hào)，對所選取的周期角度信號(hào)，對其進(jìn)行無限分割式的分段 式處理，得到每段角度值；以及S42:合成各段角度信號(hào)，即利用上述每段角度值合成一周期 或所有周期內(nèi)的角度值，作為測量角度信號(hào)。
[0024] 優(yōu)選地，在步驟S41中，定義由齒輪的每個(gè)齒槽和輪齒得到的峰谷點(diǎn)信號(hào)段為xo~ xn，定義均布齒槽與輪齒兩者中心線之間的角度為K，則每段信號(hào)段的角度間隔為：
[0025]
[0026]且每段角度值為：
[0027] 1)χο~幻區(qū)間角度子數(shù)組
[0028] χο, χ〇+ Δ χ〇, χο+2 Δ χ〇, χ〇+3 Δ χ〇, . . . , χι
[0029] 2)Χ1~Χ2區(qū)間角度子數(shù)組
[0030] χι, χι+ Δ χι, χι+2 Δ χι, χι+3 Δ χι, · · · , χ2
[0031] ···
[0032] η)χη-!~知區(qū)間角度子數(shù)組
[0033] Xn-1，Xn-1+ A Xn-1，Xn-1+2 Δ χη-1，χη-1+3 Δ χη-1，· · ·，χη。
[0034] 優(yōu)選地，在步驟S42中，采用如下公式進(jìn)行角度合成：
[0035]
[0036]以下結(jié)合本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】和附圖對本發(fā)明的具體方案進(jìn)行描述，本發(fā)明的 有益效果將進(jìn)一步明確。
【附圖說明】
[0037] 此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，用于 解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0038] 圖1是本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的角度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖2是用于說明定位結(jié)構(gòu)的本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例的角度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 [0040]圖3示出了在所述定位結(jié)構(gòu)為所述定位槽的情況下的電渦流探頭輸出的信號(hào)曲 線。
[0041]圖4為根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖5為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的角度測量處理流程圖。
[0043]圖6(a)、6(b)為現(xiàn)有技術(shù)的角度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明具體實(shí)施例及 相應(yīng)的附圖對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一 部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做 出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0045]本發(fā)明所述角度傳感器是基于電渦流效應(yīng)的角度傳感器。圖1是本發(fā)明一優(yōu)選實(shí) 施例的角度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，所述角度傳感器包括齒輪結(jié)構(gòu)1、電渦流探頭 2以及處理單元3。所述齒輪結(jié)構(gòu)為安裝固定于轉(zhuǎn)軸的外圓周上的齒輪或者在轉(zhuǎn)軸的外圓周 上加工形成齒輪。在齒輪結(jié)構(gòu)的外圓周側(cè)上，例如，在所述齒輪的輪齒和齒槽中，形成用于 特征角度識(shí)別，即用于角度定位的定位結(jié)構(gòu)P。所述定位結(jié)構(gòu)優(yōu)選為零度定位結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也 可以是其他角度的定位結(jié)構(gòu)。所述電渦流探頭2定位在所述齒輪結(jié)構(gòu)的所述外圓周側(cè)，且探 頭面對所述輪齒和齒槽，以在所述齒輪結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)檢測渦電流的變化。所述處理單元3連接 于電渦流探頭2并用于信號(hào)處理，并輸出角度測量信號(hào)。優(yōu)選地，該處理單元3為一體化集成 封裝的、內(nèi)置有算法程序等的硬件信號(hào)處理單元。
[0046] 下面參照圖1、2進(jìn)一步描述所述定位結(jié)構(gòu)P。如圖1所示，當(dāng)齒輪結(jié)構(gòu)上的輪齒、齒 槽數(shù)η超過預(yù)定范圍，例如η大于21時(shí)，所述定位結(jié)構(gòu)優(yōu)選為形成在齒槽位置的、且深度比所 述齒槽更深的槽的形式。此時(shí)，該角度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測量結(jié)果。圖2為用于說明 定位結(jié)構(gòu)的本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例角度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，與圖1所示實(shí)施例不同之處 僅在于齒輪的輪齒和齒槽的數(shù)量及所述定位結(jié)構(gòu)的形式，因此省略與圖1相同部分的說明。 如圖2所示，齒輪結(jié)構(gòu)相比圖1所示的方案中，齒輪結(jié)構(gòu)的輪齒、齒槽數(shù)較少，例如η小于21， 則所述定位結(jié)構(gòu)優(yōu)選設(shè)置為形成在齒槽位置的、且深度比所述齒槽更深的尖角槽的形式。 此時(shí)，由于齒輪結(jié)構(gòu)的齒槽、輪齒的數(shù)量相對少，其測量精度相對較低。
[0047] 此外，定位結(jié)構(gòu)還可以設(shè)置為其他形式，例如，比所述齒輪的輪齒更高或者更低的 突起的形式。需要指出的是，定位結(jié)構(gòu)以能引起電渦流變化，以使得所述電渦流探頭2能夠 識(shí)別該結(jié)構(gòu)，從而能夠進(jìn)行角度定位為準(zhǔn)。
[0048]以下以在轉(zhuǎn)軸外圓周上安裝固定齒輪為例，對本發(fā)明的角度傳感器進(jìn)行更為詳細(xì) 的描述。
[0049] 首先，在轉(zhuǎn)軸的外圓周上安裝固定具有η個(gè)齒槽和輪齒的金屬齒輪。其中，η的取值 越大測量結(jié)果顯然越精確，因此可以根據(jù)所需的測量精度進(jìn)行選取。本發(fā)明中，優(yōu)選為21-81個(gè)。此外，優(yōu)選地，該齒輪的輪齒和齒槽為均勻分布。在輪齒和/或齒槽的某位置上設(shè)置進(jìn) 行特征角度識(shí)別的所述定位結(jié)構(gòu)Ρ，用于零角度或其他特征角度的識(shí)別，以便實(shí)現(xiàn)角度定 位。以定位結(jié)構(gòu)Ρ為比所述齒槽深的定位槽的情況為例，則所述特征角度在電渦流探頭2的 輸出信號(hào)上表現(xiàn)為高于對應(yīng)于齒輪的齒槽的電渦流探頭2的輸出信號(hào)的電壓定值，