CN105737730B - 计数脉冲角位移传感器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计数脉冲角位移传感器，包括转轴、集流环、集流臂、电枢和固定安装在转轴上的环形电阻码盘，电阻码盘表面的外边缘设有与电阻码盘同圆心的脉冲发生齿栅环，电阻码盘表面的内边缘设有与电阻码盘同圆心的中导环；在集流环上安装有单极电刷，单极电刷与电阻码盘表面的脉冲发生齿栅环接触；在集流臂上安装有U型组合电刷，U型组合电刷的开口两端分别接触电阻码盘表面的脉冲发生齿栅环和中导环；U型组合电刷和单极电刷在脉冲发生齿栅环上的接触点保持非整数倍齿距弧度的角度差。本发明结构简单、信号清晰、相位固定、不需要人为调整且使用寿命长，有效的解决了现有导电塑料脉冲计数传感器信号一致性和相位差的人为因素，完全可以取代现有的导电塑料脉冲计数传感器。
Description
技术领域
本发明属于计数传感器技术领域，具体涉及一种用于工业自动化领域里的智能电动执行机构的计数脉冲角位移传感器。
背景技术
导电塑料脉冲计数传感器作为新型数字传感器，已经在工业自动化领域中的智能电动执行机构上得到初步应用，主要用于反馈执行机构的位置信息及转动方向，是智能电动执行机构重要的感知部件。
现有的导电塑料脉冲计数传感器采用的是双电阻码盘结构，通过各自码盘上电刷的滑动，产生两组相位差为90°的脉冲信号，来感知执行机构的位置和转动方向。为了保证两组脉冲信号的一致性，不仅要求两块码盘物理特性一致外，还要求其电学特性具有很高的一致性。此类现有导电塑料脉冲计数传感器的核心部件是两块采用导电塑料制成的电阻码盘，由于码盘的生产过程中因浆料比例、压制环境、批次等人为因素的影响，要得到完全一致的两块码盘难度较大。另外，现有的导电塑料脉冲计数传感器输出信号的相位是靠人为改变两组码盘上电刷的相对位置来调整的，这给传感器信号输出也带来了不确定性。
为解决上述问题，确有必要对现有的脉冲计数传感器进行创新设计，以克服现有传感器中的技术缺陷。
发明内容
针对上述产品中存在的缺陷，本发明提供一种避免因为电阻码盘的差别导致信号测试不准的单一码盘和组合电刷设计的计数脉冲角位移传感器。本发明还能够判断执行机构转动方向。本发明传感器的核心部件采用一块精密导电塑料电阻码盘，配置组合电刷，固定电刷相对码盘中齿栅的空间位置，解决了两块码盘一致性不佳和相位人工调节不确定性的问题。本发明还提供一种计数脉冲角位移传感器的工作方法。
本发明通过下述技术方案解决上述技术问题：
计数脉冲角位移传感器，包括壳体、端盖、转轴、集流环、集流臂、电枢、固定安装在壳体上的环形电阻码盘和固定安装在壳体内侧壁上的滑丝，其特征在于：
所述电阻码盘表面的外边缘设有与电阻码盘同圆心的脉冲发生齿栅环，脉冲发生齿栅环的轮齿和齿槽均匀分布；电阻码盘表面的内边缘设有与电阻码盘同圆心的中导环；
转轴的两端分别安装在壳体和端盖的中间，转轴的中部安装有集流环和集流臂；
集流环上串联安装有单极电刷和滑环，单极电刷与电阻码盘表面的脉冲发生齿栅环的轮齿接触，滑环和固定在壳体上的滑丝接触；
集流臂上安装有U型组合电刷，U型组合电刷的开口两端分别跨接于电阻码盘表面的脉冲发生齿栅环的轮齿和中导环上；
电枢通过三根导线分别连接滑丝和电阻码盘表面的脉冲发生齿栅环、中导环；
U型组合电刷和单极电刷在脉冲发生齿栅环上的接触点保持非整数倍齿距弧度的角度差。
为了获得更好的技术效果，所述U型组合电刷和单极电刷采用钯铱合金材料；脉冲发生齿栅环的轮齿和齿槽宽度相同；U型组合电刷和单极电刷在脉冲发生齿栅环上的接触点保持整数倍齿距弧度加1/4倍齿距弧度的角度差；转轴通过轴承和外壳及端盖活动连接；所述端盖上设有三个按120°均布的安装孔。
本发明还提供一种计数脉冲角位移传感器的工作方法，其步骤为：
(1)单极电刷与U型组合电刷之间为非整数倍齿距弧度差安装；
(2)计数脉冲角位移传感器逆时针转时，执行步骤(3)-(6)；
(3)当U型组合电刷处在脉冲发生齿栅环轮齿前缘时，单极电刷在对应的轮齿的中间位置，此时集流环输出低电平信号，集流臂输出高电平信号；
(4)当U型组合电刷滑至脉冲发生齿栅环轮齿中间位置时，单极电刷跟随至对应的轮齿的后缘，此时集流环和集流臂均输出高电平信号；
(5)当U型组合电刷滑至脉冲发生齿栅环轮齿后缘时，单极电刷跟随至在对应的齿槽的中间位置，此时集流环输出高电平信号，集流臂输出低电平信号；
(6)当U型组合电刷滑至齿槽的中间位置时，单极电刷跟随至在对应的轮齿的前缘，此时集流环输出低电平信号，集流臂输出低电平信号；
(7)计数脉冲角位移传感器顺时针转时，执行步骤(8)-(11)；
(8)当单极电刷处在脉冲发生齿栅环轮齿前缘时，U型组合电刷在对应的轮齿的中间位置，此时集流臂输出低电平信号，集流环输出高电平信号；
(9)当单极电刷滑至脉冲发生齿栅轮齿中间位置时，U型组合电刷跟随至对应的轮齿后缘，此时集流臂和集流环均输出高电平信号；
(10)当单极电刷滑至脉冲发生齿栅环轮齿后缘时，U型组合电刷跟随至在对应的齿槽的中间位置，此时集流臂输出高电平信号，集流环输出低电平信号；
(11)当单极电刷滑至齿槽的中间位置时，U型组合电刷跟随至对应的轮齿的前缘，此时集流臂输出低电平信号，集流环输出低电平信号；
(12)电枢以集流环和集流臂都从输出高电平信号到输出低电平间隔时间为重复周期计数，除以脉冲发生齿栅环的轮齿数，发出计数信号；电枢以集流环和集流臂都输出高电平信号，或者都输出低电平信号为计数起点，根据随后集流环和集流臂电信号出现的先后顺序，发出旋转方向信号。
作为优化，步骤(1)中，单极电刷落后或超前于U型组合电刷整数倍齿距弧度加1/4倍齿距弧度的间距安装。
本发明对导电塑脉冲计数传感器的电阻码盘进行创新设计，除了保留产生脉冲信号的齿栅结构外，减少了齿栅轮齿的高度，在电阻码盘内边缘还增设一圈中导环，作为一组脉冲信号的传递通道，采用U型组合电刷，跨接于齿栅与内圈中导环间，形成一路完整的脉冲信号输出通道；在同一电阻码盘的表面，采用单极电刷和集流环形成另一路脉冲信号通道。两路脉冲信号的相位差是通过设定两组电刷在齿栅上的相对位置来产生的：设置U型组合电刷和单极电刷在脉冲发生齿栅环上的保持1/4倍齿距弧度的间距，即可产生90°相位差。
本发明的感知元件是电阻码盘，电阻码盘采用导电塑料通过热压工艺成型，工作面平滑，U型组合电刷和单极电刷采用钯铱合金材料，工作噪声小，寿命超长，且电磁兼容好，信号输出采用6针插头实用、方便。
本发明结构简单、信号清晰、相位固定、不需要人为调整且使用寿命长，有效的解决了现有导电塑料脉冲计数传感器信号一致性和相位差的人为因素，完全可以取代现有的导电塑料脉冲计数传感器。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的电阻码盘结构示意图。
图3为本发明的电阻码盘与U型组合电刷和单极电刷组合示意图；
图4为本发明实施例逆时针旋转时脉冲电信号示意图；
图5为本发明实施例顺时针旋转时脉冲电信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐释本发明技术内容。
实施例1
如图1所示，计数脉冲角位移传感器，包括壳体1、端盖2、转轴4、集流环5、集流臂6、电枢8、固定安装在壳体上的环形电阻码盘7和固定安装在壳体内侧壁上的滑丝53，
如图2所示，所述电阻码盘7表面的外边缘设有与电阻码盘7同圆心的脉冲发生齿栅环13，脉冲发生齿栅环13的轮齿和齿槽均匀分布；电阻码盘7表面的内边缘设有与电阻码盘7同圆心的中导环14；
转轴4的两端分别安装在壳体1和端盖2的中间，转轴4的中部安装有集流环5和集流臂6；
集流环5上安装有单极电刷51和滑环52，滑环52和单极电刷51通过导体连接，单极电刷51与电阻码盘7表面的脉冲发生齿栅环13的轮齿接触，滑环52和固定在壳体1上的滑丝53接触；
集流臂6上安装有U型组合电刷61，U型组合电刷61的两端分别跨接于电阻码盘7表面的脉冲发生齿栅环13的轮齿和中导环14上；
电枢8通过导线分别连接滑丝53和电阻码盘7表面的脉冲发生齿栅环13、中导环14；
如图3所示，U型组合电刷61和单极电刷51在脉冲发生齿栅环13上的接触点保持非整数倍齿距弧度的角度差
作为优化，如图3所示，所述U型组合电刷61和单极电刷51、滑环52、滑丝53采用钯铱合金材料；脉冲发生齿栅环13的轮齿和齿槽宽度相同；
作为优选，U型组合电刷61和单极电刷51在脉冲发生齿栅环13上的接触点保持12.25倍齿距弧度的角度差，在图3中角度为0.25倍的齿距弧度；
作为优选，转轴4通过轴承3和外壳1及端盖2活动连接。
所述端盖2上设有三个按120°均布的安装孔，用于将传感器安装定位，安装孔的位置垂直于中心线且均布，安装使用方便。
实施例2
实施例1所述的计数脉冲角位移传感器的工作方法，其步骤为：
(1)单极电刷与U型组合电刷之间为非整数倍齿距弧度差安装，；
(2)计数脉冲角位移传感器逆时针转时，执行步骤(3)-(6)；
(3)当U型组合电刷处在脉冲发生齿栅环轮齿前缘时，单极电刷在对应的轮齿的中间位置，此时集流环输出低电平信号，集流臂输出高电平信号；
(4)当U型组合电刷滑至脉冲发生齿栅环轮齿中间位置时，单极电刷跟随至对应的轮齿的后缘，此时集流环和集流臂均输出高电平信号；
(5)当U型组合电刷滑至脉冲发生齿栅环轮齿后缘时，单极电刷跟随至在对应的齿槽的中间位置，此时集流环输出高电平信号，集流臂输出低电平信号；
(6)当U型组合电刷滑至齿槽的中间位置时，单极电刷跟随至在对应的轮齿的前缘，此时集流环输出低电平信号，集流臂输出低电平信号；
(7)计数脉冲角位移传感器顺时针转时，执行步骤(8)-(11)；
(8)当单极电刷处在脉冲发生齿栅环轮齿前缘时，U型组合电刷在对应的轮齿的中间位置，此时集流臂输出低电平信号，集流环输出高电平信号；
(9)当单极电刷滑至脉冲发生齿栅轮齿中间位置时，U型组合电刷跟随至对应的轮齿后缘，此时集流臂和集流环均输出高电平信号；
(10)当单极电刷滑至脉冲发生齿栅环轮齿后缘时，U型组合电刷跟随至在对应的齿槽的中间位置，此时集流臂输出高电平信号，集流环输出低电平信号；
(11)当单极电刷滑至齿槽的中间位置时，U型组合电刷跟随至对应的轮齿的前缘，此时集流臂输出低电平信号，集流环输出低电平信号；
(12)电枢以集流环和集流臂都从输出高电平信号到输出低电平间隔时间为重复周期计数，除以脉冲发生齿栅环的轮齿数，发出计数信号；电枢以集流环和集流臂都输出高电平信号，或者都输出低电平信号为计数起点，根据随后集流环和集流臂电信号出现的先后顺序，发出旋转方向信号。
作为优化，如图3所示，步骤(1)中，单极电刷落后或者超前于U型组合电刷12.25倍齿距弧度的角度差安装，在图3中角度为0.25倍的齿距弧度。
为便于说明本发明实施例，假设为经过集流环和集流臂的电流大小不同，且经过集流臂的电流I1、I3大于经过集流环的电流I2、I4，在实际中，经过集流臂的电流也可以小于等于经过集流环的电流，甚至经过集流臂的电流和经过集流环的电流方向相反；同时设一个脉冲电流周期的电流角度为2π。
如图3和4所示，单极电刷落后于U型组合电刷非整数倍齿距弧度安装，设每个脉冲发生齿栅环具有n个周期的齿距，一个齿距的弧度为角度的弧度大于0小于在图3中单极电刷落后于U型组合电刷弧度，由于一个脉冲电流周期的电流角度为2π，当转轴4逆时针旋转时，集流臂开始产生电信号I1，此时集流环的电信号已经经过了角度，因此，在角度π时开始零点计数，此时集流环的电信号I2比集流臂I1的电信号先出现，同时根据计数周期除以脉冲发生齿栅环的齿数n，即为转轴的旋转次数。
如图3和5所示，单极电刷落后于U型组合电刷非整数倍齿距弧度安装，设每个脉冲发生齿栅环具有n个周期的齿距，在图3中单极电刷落后于U型组合电刷弧度，由于一个脉冲电流周期的电流角度为2π，当转轴4逆时针旋转时，集流臂开始产生电信号I3，此时集流环的电信号已经经过了角度，需要再经过角度后出现集流环和集流臂都不发出电信号，在角度时开始零点计数，此时集流臂的电信号I3比集流环的电信号I4先出现，同时根据计数周期除以脉冲发生齿栅环的齿数n，即为转轴的旋转次数。
进一步具体地说，在图3和4中，单极电刷落后于U型组合电刷非整数倍齿距弧度安装，设每个脉冲发生齿栅环具有n个周期的齿距，一个齿距的弧度为角度的弧度为在图3中单极电刷落后于U型组合电刷弧度，由于一个脉冲电流周期的电流角度为2π，当转轴4逆时针旋转时，集流臂开始产生电信号I1，此时集流环的电信号已经经过了角度即的角度，因此，在角度π时开始零点计数，此时集流环的电信号I2比集流臂I1的电信号先出现，同时根据计数周期除以脉冲发生齿栅环的齿数n，即为转轴的旋转次数。
进一步具体地说，在图3和5中，单极电刷落后于U型组合电刷非整数倍齿距弧度安装，设每个脉冲发生齿栅环具有n个周期的齿距，在图3中单极电刷落后于U型组合电刷弧度，角度的弧度为由于一个脉冲电流周期的电流角度为2π，当转轴4逆时针旋转时，集流臂开始产生电信号I3，此时集流环的电信号已经经过了角度即的角度，需要再经过角度后出现集流环和集流臂都不发出电信号，在角度即时开始零点计数，此时集流臂的电信号I3比集流环的电信号I4先出现，同时根据计数周期除以脉冲发生齿栅环的齿数n，即为转轴的旋转次数。
综上所述，结合附图3，当集流环的电信号I2比集流臂I1的电信号先出现时，转轴为逆时针旋转；当集流臂的电信号I3比集流环的电信号I4先出现时，转轴为顺时针旋转。并将旋转信号通过6针插头输出。
Claims (8)
1.计数脉冲角位移传感器，包括壳体、端盖、转轴、集流环、集流臂、电枢、固定安装在壳体上的环形电阻码盘和固定安装在壳体内侧壁上的滑丝，其特征在于：
所述电阻码盘表面的外边缘设有与电阻码盘同圆心的脉冲发生齿栅环，脉冲发生齿栅环的轮齿和齿槽均匀分布；电阻码盘表面的内边缘设有与电阻码盘同圆心的中导环；
转轴的两端分别安装在壳体和端盖的中间，转轴的中部安装有集流环和集流臂；
集流环上串联安装有单极电刷和滑环，单极电刷与电阻码盘表面的脉冲发生齿栅环的轮齿接触，滑环和固定在壳体上的滑丝接触；
集流臂上安装有U型组合电刷，U型组合电刷的开口两端分别跨接于电阻码盘表面的脉冲发生齿栅环的轮齿和中导环上；
电枢通过三根导线分别连接滑丝和电阻码盘表面的脉冲发生齿栅环、中导环；
U型组合电刷和单极电刷在脉冲发生齿栅环上的接触点保持非整数倍齿距弧度的角度差。
2.如权利要求1所述的计数脉冲角位移传感器，其特征在于，所述U型组合电刷和单极电刷采用钯铱合金材料。
3.如权利要求1所述的计数脉冲角位移传感器，其特征在于，所述脉冲发生齿栅环的轮齿和齿槽宽度相同。
4.如权利要求1所述的计数脉冲角位移传感器，其特征在于，所述U型组合电刷和单极电刷在脉冲发生齿栅环上的接触点保持整数倍齿距弧度加1/4倍齿距弧度的角度差。
5.如权利要求1所述的计数脉冲角位移传感器，其特征在于，所述转轴通过轴承和外壳及端盖活动连接。
6.如权利要求1所述的计数脉冲角位移传感器，其特征在于，所述端盖上设有三个按120º均布的安装孔。
7.如权利要求1-6任一所述计数脉冲角位移传感器的工作方法，其步骤为：
（1）单极电刷与U型组合电刷之间为非整数倍齿距弧度差安装；
（2）计数脉冲角位移传感器逆时针转时，执行步骤（3）-（6）；
（3）当U型组合电刷处在脉冲发生齿栅环轮齿前缘时，单极电刷在对应的轮齿的中间位置，此时集流环输出低电平信号，集流臂输出高电平信号；
（4）当U型组合电刷滑至脉冲发生齿栅环轮齿中间位置时，单极电刷跟随至对应的轮齿的后缘，此时集流环和集流臂均输出高电平信号；
（5）当U型组合电刷滑至脉冲发生齿栅环轮齿后缘时，单极电刷跟随至在对应的齿槽的中间位置，此时集流环输出高电平信号，集流臂输出低电平信号；
（6）当U型组合电刷滑至齿槽的中间位置时，单极电刷跟随至在对应的轮齿的前缘，此时集流环输出低电平信号，集流臂输出低电平信号；
（7）计数脉冲角位移传感器顺时针转时，执行步骤（8）-（11）；
（8）当单极电刷处在脉冲发生齿栅环轮齿前缘时，U型组合电刷在对应的轮齿的中间位置，此时集流臂输出低电平信号，集流环输出高电平信号；
（9）当单极电刷滑至脉冲发生齿栅轮齿中间位置时，U型组合电刷跟随至对应的轮齿后缘，此时集流臂和集流环均输出高电平信号；
（10）当单极电刷滑至脉冲发生齿栅环轮齿后缘时，U型组合电刷跟随至在对应的齿槽的中间位置，此时集流臂输出高电平信号，集流环输出低电平信号；
（11）当单极电刷滑至齿槽的中间位置时，U型组合电刷跟随至对应的轮齿的前缘，此时集流臂输出低电平信号，集流环输出低电平信号；
（12）电枢以集流环和集流臂都从输出高电平信号到输出低电平间隔时间为重复周期计数，除以脉冲发生齿栅环的轮齿数，发出计数信号；电枢以集流环和集流臂都输出高电平信号，或者都输出低电平信号为计数起点，根据随后集流环和集流臂电信号出现的先后顺序，发出旋转方向信号。
8.如权利要求7所述计数脉冲角位移传感器的工作方法，其特征在于，步骤（1）中，单极电刷落后或者超前于U型组合电刷整数倍齿距弧度加1/4倍齿距弧度的间距安装。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20180608 Termination date: 20211230 |
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