CN112393679B - 一种基于电涡流的角度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电涡流的角度测量装置，包括基座、固定组件和转动组件；所述固定组件包括若干线圈，若干所述线圈分为两组，分别沿所述基座的第一侧板的圆周方向相间布置；所述转动组件包括若干感应目标，所述感应目标分别沿所述基座的第二侧板的圆周方向布置，所述感应目标朝向所述线圈，每个所述感应目标之间的间隔角度A1与一组所述线圈中每个所述线圈之间的间隔角度A2相等；每组所述线圈串联后连接处理电路，所述处理电路用于为所述线圈供电，处理所述线圈感应产生的信号。本发明能够有效解决其它几何量传感器环境适应的问题，具有长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、响应速度快、不受油水等介质的影响及结构简单的优点。
Description
技术领域
本发明涉及角度测量技术领域，特别涉及一种基于电涡流的角度测量装置。
背景技术
测角传感器是一种常用的几何量传感器，在航空航天、工业生产、机械制造以及军事科学等很多领域中都有广泛的使用。目前市场上主流的测角传感器有电涡流式角位移传感器、光栅式角位移传感器，磁敏角位移传感器和码盘式角位移传感器。
光栅式角位移传感器，其利用圆光栅产生的莫尔条纹以及光电转换技术将角度信息以脉冲量的形式输出，在数控机床的高精度运动控制的伺服系统中，经常用到光栅式角位移传感器来作为角位移的检测与反馈。与其他测角传感器相比，圆光栅具有体积小、重量轻、测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强、使用方便等优点，在精密测量领域得到广泛的应用。但由于圆光栅制造工艺采用光刻工艺的原因，圆周刻线数越多，测量精度也越高，其制造难度也越大，成本高，造成圆光栅价格居高不下。特别对于小型精密仪器而言，半径小的情况下很难提高圆光栅的测量精度；并且光栅式角位移传感器光学测量的光路不能被阻挡，通常工况条件下的油污或灰尘都可能影响它的可靠性。因此，它主要适用于实验室条件下工作，也可以在环境较好的车间中使用。
磁敏角位移传感器，其利用霍尔效应或磁阻效应，把磁物理量转化成电信号的传感器。磁敏角位移传感器具有体积小、可集成度高、成本低、非接触测量等优点。但磁敏角位移传感器精度和分辨能力较低，温度特性较差。永磁材料的褪磁效应使其工作特性难以稳定。
码盘式角位移传感器，其通过扫描码道来实现角度测量。由于码盘测量原理的区别，可分为接触码盘式角位移传感器和光学码盘式角位移传感器两种。通过电刷和印刷码盘的相对转动即不同码道的接触切换来实现测量的，因此属于接触式角度测量，具有工作稳定性较高、分辨能力相对较强和测量精度相对较高的优点。但由于接触式码盘与电刷在转动时的接触，产生摩擦，特别是电刷在导电区和绝缘区间的滑动产生电弧易造成码盘和电刷寿命的降低；并且接触式码盘抗振动性能较差，振动会使电刷和码盘间跳闸。为了避免上述问题，就研发出了非接触的光绪码盘式角位移传感器，即光学编码器。光学编码器用发光二极管、码盘和光敏元器件替代了电刷和接触式码盘。光学编码器和接触式编码器相比，寿命较长，但成本较高。并且光学编码器上的光学器件在长期高温环境下易老化。
当前测角精度最高的圆光栅，由于光刻工艺的限制，造成圆光栅测角精度很难再有提升，特别是对于小半径圆光栅，其测角精度在很多精密测量仪器中已经成为限制仪器精度的关键因素。
以上这些角度编码器存在着温度性能差、抗冲击振动性能差以及抗污损能力差等环境适应性问题。在一些装备应用中无法满足环境适应性要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电涡流的角度测量装置，用于解决上述至少一个技术问题，其能够能够有效解决很多其它几何量传感器环境适应性方面的问题，具有长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、响应速度快、不受油水等介质的影响及结构简单的优点。
本发明的实施例是这样实现的：
一种基于电涡流的角度测量装置，包括基座、固定组件和转动组件。
所述固定组件包括若干线圈，若干所述线圈分为两组，两组所述线圈分别为第一线圈组和第二线圈组，所述第一线圈组和所述第二线圈组中的线圈分别沿所述基座的第一侧板的圆周方向相间布置。
所述转动组件包括若干感应目标，所述感应目标分别沿所述基座的第二侧板的圆周方向布置，所述感应目标朝向所述线圈，相邻所述感应目标之间的间隔角度A1与一组所述线圈中相邻所述线圈之间的间隔角度A2相等。
两组所述线圈数量相同，并且相互独立，每组所述线圈串联，并与所述处理电路相连。
每组所述线圈串联后连接处理电路，所述处理电路用于为所述线圈供电，处理所述线圈感应产生的信号。
其中，所述线圈用于感应产生信号。
其中，所述感应目标沿测量路径布置。在所述转动组件发生转动时，所述线圈与所述感应目标会发生相对位置变化，改变了所述线圈的电感，从而测量出目标转动的角度值。
其中，分立的所述感应目标形成层状导电区域的周期性图案。
其中，两组所述线圈数量相同，并且相互独立，每组所述线圈串联，并与所述处理电路相连。
其中，多线圈共同组成一组工作，能够起到取平均的效果，从而有效减小制造误差对测量精度的影响。
这种将多线圈分为两组，间隔为一组，并且两组线圈是独立的配置方式，使两组线圈组成一对差分信号，利用这一差分信号来测位移，能够有效克服制造误差对测量精度带来的影响；并且每一组采用多线圈串联的方式，能够起到取平均的效果，从而有效克服干扰所带来的影响。
在本发明较佳的实施例中，上述基于电涡流的角度测量装置的所述固定组件采用单层环结构。
所述转动组件采用单层环结构。
在本发明较佳的实施例中，上述基于电涡流的角度测量装置的所述固定组件采用双层环结构。
所述转动组件采用双层环结构，包括两组间距不同的感应目标。
其技术效果在于：采用双层环结构，能够让系统具有较高的稳定性、重复性，虽然具有一定的非线性，但是可以通过标定后查表的方式来实现更高精度的测量。
在本发明较佳的实施例中，上述基于电涡流的角度测量装置的每个所述感应目标包括若干分离的感应线圈。
每个所述感应线圈与一个电容器串联。
其技术效果在于：形成沿所述测量路径的一组差分的谐振电路。
在本发明较佳的实施例中，上述基于电涡流的角度测量装置的所述线圈和所述感应目标采用PCB制作。
或者，所述线圈和所述感应目标焊接到电路板上。
其技术效果在于：体积和成本最小化，同时最大化测试性能，简单方便重量轻，制作容易保证较高的精度。
在本发明较佳的实施例中，上述基于电涡流的角度测量装置的所述感应目标采用金属导体。
在本发明较佳的实施例中，上述基于电涡流的角度测量装置的所述处理电路包括主控器、振荡器、电流驱动器、低通滤波器、差分放大器、电路放大器和A/D转换器。
所述主控器为所述振荡器提供信号。
所述振荡器作为信号的激励源，提供正弦激励信号，输出信号电压的幅值与所述线圈的阻抗成比例，改变感应目标与线圈的相对位置。
所述电流驱动器用于供电。
所述第一线圈组和所述第二线圈组，形成一组差分电路，两路差分信号分别通过所述低通滤波器滤除高频信号。
所述差分放大器连接两个所述低通滤波器的输出端，将差分信号转换成单端信号。
所述电路放大器连接所述差分放大器的输出端，用于对单端信号进行放大。
所述A/D转换器连接所述差分放大器的输出端，用于将模拟信号转换成数字信号。
所述主控器连接所述A/D转换器的输出端，输出数字信号。
其技术效果在于：电涡流的线圈处理电路采用差动处理方式，能够有效克服干扰带来的影响。
本发明实施例的有益效果是：
本发明采用基于电涡流传感器的非接触式测量方式，避免了温度、摩擦等外部因素对传感器测量精度的影响且结构简单；能够有效提升角度测量装置的可靠性、灵敏度、抗干扰能力以及响应速度；并且不受油水等介质的影响，能够有效提升耐低温、抗冲击振动和抗污损性能等这些环境适应性方面的问题。
本发明采用将多线圈分为两组，间隔为一组，并且两组线圈是独立的配置方式，使两组线圈组成一对差分信号，利用这一差分信号来测位移，能够有效克服制造误差对测量精度带来的影响；并且每一组采用多线圈串联的方式，能够起到取平均的效果，从而有效克服干扰所带来的影响。
本发明采用PCB电路板制作线圈和感应目标，能够使得体积和成本最小化，同时最大化测试性能，简单方便重量轻，制作容易保证较高的精度。
本发明采用双层环结构，让系统具有较高的稳定性、重复性，虽然具有一定的非线性，但是可以通过标定后查表的方式来实现更高精度的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明基于电涡流的角度测量装置的平面结构示意图；
图2为本发明基于电涡流的角度测量装置的中心线剖面结构示意图；
图3为现有技术中线性形式的测量装置的平面结构示意图；
图4为现有技术中线性形式的双层环测量装置的平面结构示意图；
图5为本发明基于电涡流的角度测量装置的电路结构示意图。
图中：1-第一线圈组；2-第二线圈组；3-感应目标；4-基座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件能够以各种不同的配置来布置和设计。
图3所示的线性单层环布置以及多层等间距布置的一个缺点是只能得到线圈与感应目标之间的相对位置。因此可采用不等间距布置的多层环结构测量线圈与感应目标之间的绝对位置。如图4所示的线性形式的双层环测量装置的平面简化示意图，其中两组目标以不同的节距布置以进行绝对位置测量。将具有节距a的外环的目标区域与具有节距b的内环一起使用。通过选择不同的节距可以实现更加精确的绝对位置的角度测量；并且系统具有较高的稳定性、重复性，可以通过标定后查表的方式来实现更高精度的测量。
请参照图1至图2及图5，本发明的实施例提供一种基于电涡流的角度测量装置，包括基座4、固定组件和转动组件。
所述固定组件包括若干线圈，若干所述线圈分为两组，两组所述线圈分别为第一线圈组1和第二线圈组2，所述第一线圈组1和所述第二线圈组2中的线圈分别沿所述基座4的第一侧板的圆周方向相间布置。
所述转动组件包括若干感应目标3，所述感应目标3分别沿所述基座4的第二侧板的圆周方向布置，所述感应目标3朝向所述线圈，相邻所述感应目标3之间的间隔角度A1与一组所述线圈中相邻所述线圈之间的间隔角度A2相等。
两组所述线圈数量相同，并且相互独立，每组所述线圈串联，并与所述处理电路相连。
每组所述线圈串联后连接处理电路，所述处理电路用于为所述线圈供电，处理所述线圈感应产生的信号。
其中，所述线圈用于感应产生信号。
其中，所述感应目标3沿测量路径布置。在所述转动组件发生转动时，所述线圈与所述感应目标3会发生相对位置变化，改变了所述线圈的电感，从而测量出目标转动的角度值。
其中，分立的所述感应目标3形成层状导电区域的周期性图案。
所述感应目标3和所述线圈组成的周期性图案具有的节距分别为a和b，并且感应目标在路径方向的间距a是线圈间距b的2倍。
其中，两组所述线圈数量相同，并且相互独立，每组所述线圈串联，并与所述处理电路相连。
其中，多线圈共同组成一组工作，能够起到取平均的效果，从而有效减小制造误差对测量精度的影响。
由于所述感应目标3良好的导电和导磁性，使得感应目标感应产生一个电场，并改变第一线圈组1和第二线圈组2的电感；所述处理电路用于给线圈供电以及处理线圈中的信号；在所述转动组件发生转动时，第一线圈组1和第二线圈组2与感应目标3会发生相对位置变化，改变了第一线圈组1和第二线圈组2的感应信号，从而测量出目标转动的角度值。
这种将多线圈分为两组，间隔为一组，并且两组线圈是独立的配置方式，使两组线圈组成一对差分信号，利用这一差分信号来测位移，能够有效克服制造误差对测量精度带来的影响；并且每一组采用多线圈串联的方式，能够起到取平均的效果，从而有效克服干扰所带来的影响。
在本发明较佳的实施例中，上述基于电涡流的角度测量装置的所述固定组件采用单层环结构。
所述转动组件采用单层环结构。
在本发明较佳的实施例中，上述基于电涡流的角度测量装置的所述固定组件采用双层环结构。
所述转动组件采用双层环结构，包括两组间距不同的感应目标3。
其技术效果在于：采用双层环结构，能够让系统具有较高的稳定性、重复性，虽然具有一定的非线性，但是可以通过标定后查表的方式来实现更高精度的测量。
这种将多线圈分为两组，间隔为一组，并且两组线圈是独立的配置方式，使两组线圈组成一对差分信号，利用这一差分信号来测位移，能够有效克服制造误差对测量精度带来的影响；并且每一组采用多线圈串联的方式，能够起到取平均的效果，从而有效克服干扰所带来的影响。
在本发明较佳的实施例中，上述基于电涡流的角度测量装置的每个所述感应目标3包括若干分离的感应线圈。
每个所述感应线圈与一个电容器串联。
其技术效果在于：形成沿所述测量路径的一组差分的谐振电路。
在本发明较佳的实施例中，上述基于电涡流的角度测量装置的所述线圈和所述感应目标3采用PCB制作。
所述线圈和所述感应目标3焊接到电路板上。
其中，所述线圈和所述感应目标3可采用PCB电路板制作。
其技术效果在于：体积和成本最小化，同时最大化测试性能，简单方便重量轻，制作容易保证较高的精度。
在本发明较佳的实施例中，上述基于电涡流的角度测量装置的所述感应目标3采用金属导体，如铝、铜等，由多个分离的线圈限定，并且彼此重叠。
在本发明较佳的实施例中，上述基于电涡流的角度测量装置的所述处理电路包括主控器、振荡器、电流驱动器、低通滤波器、差分放大器、电路放大器和A/D转换器。
所述主控器为所述振荡器提供信号。
所述振荡器作为信号的激励源，提供正弦激励信号，输出信号电压的幅值与所述线圈的阻抗成比例，改变感应目标与线圈的相对位置。
所述电流驱动器用于供电。
所述第一线圈组1和第所述二线圈组2，形成一组差分电路，两路差分信号分别通过所述低通滤波器滤除高频信号。
所述差分放大器连接两个所述低通滤波器的输出端，将差分信号转换成单端信号。选用差分放大器能够对抗温度引起的零点漂移等干扰，从而抵消两差分输入信号的变化。
所述电路放大器连接所述差分放大器的输出端，用于对单端信号进行放大。
所述A/D转换器连接所述差分放大器的输出端，用于将模拟信号转换成数字信号。
所述主控器连接所述A/D转换器的输出端，输出数字信号。
所述处理电路分别给第一线圈组1和第二线圈组2一个交流信号，使得第一线圈组1和第二线圈组2感应产生一个交变电场，所述交变电场基本包围了分立的感应目标3，且第一线圈组1和第二线圈组2面向感应目标3，其相隔的距离为d，且应保持尽可能小。所述感应信号根据线圈与感应目标之间相对位置的变化而发生变化。
其技术效果在于：电涡流的线圈处理电路采用差动处理方式，能够有效克服干扰带来的影响。
本发明实施例旨在保护一种基于电涡流的角度测量装置，具备如下效果：
1.本发明采用基于电涡流传感器的非接触式测量方式，避免了温度、摩擦等外部因素对传感器测量精度的影响且结构简单；能够有效提升角度测量装置的可靠性、灵敏度、抗干扰能力以及响应速度；并且不受油水等介质的影响，能够有效提升耐低温、抗冲击振动和抗污损性能等这些环境适应性方面的问题。
2.本发明采用将多线圈分为两组，间隔为一组，并且两组线圈是独立的配置方式，使两组线圈组成一对差分信号，利用这一差分信号来测位移，能够有效克服制造误差对测量精度带来的影响；并且每一组采用多线圈串联的方式，能够起到取平均的效果，从而有效克服干扰所带来的影响。
3.本发明采用PCB电路板制作线圈和感应目标，能够使得体积和成本最小化，同时最大化测试性能，简单方便重量轻，制作容易保证较高的精度。
4.本发明采用双层环结构，让系统具有较高的稳定性、重复性，虽然具有一定的非线性，但是可以通过标定后查表的方式来实现更高精度的测量。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (6)
1.一种基于电涡流的角度测量装置，其特征在于，包括基座(4)、固定组件和转动组件；
所述固定组件包括若干线圈，若干所述线圈分为两组，两组所述线圈分别为第一线圈组(1)和第二线圈组(2)，所述第一线圈组(1)和所述第二线圈组(2)中的线圈分别沿所述基座(4)的第一侧板的圆周方向相间布置；
所述转动组件包括若干感应目标(3)，所述感应目标(3)分别沿所述基座(4)的第二侧板的圆周方向布置，所述感应目标(3)朝向所述线圈，相邻所述感应目标(3)之间的间隔角度A1与一组所述线圈中相邻所述线圈之间的间隔角度A2相等；
两组所述线圈数量相同，并且相互独立，每组所述线圈串联，并与处理电路相连；
每组所述线圈串联后连接处理电路，所述处理电路用于为所述线圈供电，处理所述线圈感应产生的信号；
所述固定组件采用单层环结构，所述转动组件采用单层环结构；
或者，所述固定组件采用双层环结构，所述转动组件采用双层环结构，包括两组间距不同的感应目标(3)。
2.根据权利要求1所述的基于电涡流的角度测量装置，其特征在于，
每个所述感应目标(3)包括若干分离的感应线圈；
每个所述感应线圈与一个电容器串联。
3.根据权利要求1所述的基于电涡流的角度测量装置，其特征在于，
所述线圈和所述感应目标(3)采用PCB制作。
4.根据权利要求1所述的基于电涡流的角度测量装置，其特征在于，
所述线圈和所述感应目标(3)焊接到电路板上。
5.根据权利要求1所述的基于电涡流的角度测量装置，其特征在于，
所述感应目标(3)采用金属导体。
6.根据权利要求1所述的基于电涡流的角度测量装置，其特征在于，
所述处理电路包括主控器、振荡器、电流驱动器、低通滤波器、差分放大器、电路放大器和A/D转换器；
所述主控器为所述振荡器提供信号；
所述振荡器作为信号的激励源，提供正弦激励信号，输出信号电压的幅值与所述线圈的阻抗成比例，改变感应目标与线圈的相对位置；
所述电流驱动器用于供电；
所述第一线圈组(1)和所述第二线圈组(2)形成一组差分电路，两路差分信号分别通过所述低通滤波器滤除高频信号；
所述差分放大器连接两个所述低通滤波器的输出端，将差分信号转换成单端信号；
所述电路放大器连接所述差分放大器的输出端，用于对单端信号进行放大；
所述A/D转换器连接所述差分放大器的输出端，用于将模拟信号转换成数字信号；
所述主控器连接所述A/D转换器的输出端，输出数字信号。
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| CN202110027752.7A Active CN112393679B (zh) | 2021-01-11 | 2021-01-11 | 一种基于电涡流的角度测量装置 |
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| CN113884000A (zh) * | 2021-09-30 | 2022-01-04 | 王元西 | 高精度超低功耗角位传感器 |
Citations (5)
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| JP2008309598A (ja) * | 2007-06-14 | 2008-12-25 | Hitachi Ltd | 角度検出センサおよびその角度検出センサを備えた吸入空気量制御装置 |
| CN102918352A (zh) * | 2010-03-02 | 2013-02-06 | D&M科技株式会社 | 位移传感器以及利用该位移传感器的磁轴承系统 |
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2021
- 2021-01-11 CN CN202110027752.7A patent/CN112393679B/zh active Active
Patent Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 叶林.感应角度传感器的多参数优化及应用.《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》.2016,10-13. * |
| 感应角度传感器的多参数优化及应用;叶林;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20160115;10-13 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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