CN113639674B - 基于光折射原理的非接触式旋转电位器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光折射原理的非接触式旋转电位器，包括外壳、转轴、折射透镜、光源、感光器件和电路板，折射透镜与转轴连接并能够被转轴驱动围绕自身中心轴旋转，感光器件与电路板对应连接，光源和感光器件分别位于折射透镜的轴向两侧且满足以下条件：光源的出射光经过折射透镜折射后能够投射在感光器件的感光端，且折射透镜旋转过程中对光源的出射光经过折射后投射在感光器件的感光端的位置不同。本发明实现了非接触式的角位移检测功能，不受接触部件的接触电阻等影响，提高了检测精度，提高了产品使用寿命；通过提高机械连接强度就可以提高抗振能力，能够适应强振环境；由于不受磁力影响，所以适用于强磁环境。

Description

基于光折射原理的非接触式旋转电位器

技术领域

本发明涉及一种旋转电位器，尤其涉及一种基于光折射原理的非接触式旋转电位器。

背景技术

旋转电位器也称为角位移电位器，是用于检测物体旋转角度的电位器，是构成角位移传感器的核心部件，也可以直接作为角位移传感器使用。传统的旋转电位器以接触式为主，即利用转轴带动电刷在圆环形的电阻体上接触滑动输出变化电信号实现旋转角度检测目的，这种旋转电位器的缺陷在于：电刷与电阻体之间始终保持接触摩擦，因此寿命较低，精测精度也受到电刷与电阻体之间的接触电阻影响，一定程度上降低了检测精度，而且电刷需要依靠弹性保持与电阻体之间的紧密接触，在强振环境中会增大电刷与电阻体之间的接触电阻，降低检测精度，所以不适用于强振环境。

为了克服上述问题，利用磁力实现角位移校测的电位器如磁钢电位器具有非接触检测的特点，但这类电位器要受到外部磁场干扰，即使采用金属外壳尽量实现隔磁效果，但在强磁环境中都难以避免磁场干扰，从而降低检测精度，即这类电位器不适用于强磁环境。

综上，传统的旋转电位器各有缺陷，难以适应强振、强磁等应用环境。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能够适应强振、强磁等应用环境的基于光折射原理的非接触式旋转电位器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于光折射原理的非接触式旋转电位器，包括外壳和转轴，所述转轴穿过所述外壳并通过转轴轴承与所述外壳连接，所述非接触式旋转电位器还包括安装于所述外壳内的折射透镜、光源、感光器件和电路板，圆环形的所述折射透镜与所述转轴连接并能够被所述转轴驱动围绕自身中心轴旋转，所述感光器件与所述电路板对应连接，所述光源和所述感光器件分别位于所述折射透镜的轴向两侧且满足以下条件：所述光源的出射光经过所述折射透镜折射后能够投射在所述感光器件的感光端，且所述折射透镜旋转过程中对所述光源的出射光经过折射后投射在所述感光器件的感光端的位置不同。

上述结构中，折射透镜是具有折射效果的透镜，其折射率的选择根据实际需要而定，折射率以及光经过折射透镜的距离共同决定折射透镜旋转一定角度后光源投射到感光器件上的位置变化大小，该位置变化大小又与计算旋转角度的精度有关，所以需要结合实际需求综合考虑检测精度和尽量减小产品体积因素；光源是产生光束的部件，本发明需要使用能够产生光束的光源，以便于感光器件接收；感光器件是能够检测到光并转换为电信号的电子元件，比如光电传感器等，具体根据需要稳定；电路板上安装有微处理器等电子元件，用于将感光器件的电信号进行处理和计算，最终获得转轴的旋转角度信息，感光器件的信号输出端与电路板上的微处理器的信号输入端对应连接。

作为优选，为了实现折射透镜旋转时投射在感光器件上的位置不同的目的，设所述光源位于所述折射透镜的上方、所述感光器件位于所述折射透镜的下方、所述折射透镜的中心轴向为竖向，所述折射透镜的下端表面为圆环形的横向平面，所述折射透镜的上端表面为圆环形的斜平面或弧形面。斜平面或弧形面都是一端低、另一端高的表面，也就是光在折射透镜内经过的距离不同，导致其折射后投射在感光器件上的位置不同，斜平面或弧形面与水平面之间的夹角大小根据实际需要而定。

根据实际需要，所述折射透镜的上端表面由两个对称的斜平面或弧形面首尾连接而成，这种结构利于降低折射透镜的高度以减小整个产品的体积，在转轴旋转角度大于180°时，配合时间因素可以实现利用两个斜平面或弧形面计算转轴旋转角度的目的，这种方式计算时因为要结合时间信息，所以会提高计算难度，同时在两个斜平面或弧形面的过渡位置存在一定的误差；或者，所述折射透镜的上端表面从一个低位开始到另一个高位逐渐上升且该低位和高位位于同一条竖向直线上，这种结构在转轴旋转角度大于180°但小于360°时，不需要时间信息即可计算转轴旋转角度，所以会降低计算难度，同时在360°内不存在过渡位置，计算结果更加准确，但折射透镜的高度要高一些，整个产品的体积会增大一些。

作为优选，为了获得截面积更小的光束并减少光的漫反射，所述光源为点光源且安装在隔光板上，所述隔光板安装在所述外壳内。

作为优选，为了尽量减少光的漫反射以提高感光器件的检测精度，所述感光器件外安装有遮光罩，所述遮光罩的上端设有遮光罩通孔，所述折射透镜旋转360°的过程中，所述光源的出射光经过所述折射透镜折射后均能够穿过所述遮光罩通孔并投射在所述感光器件的感光端。

作为优选，为了进一步提高检测精度，所述光源、所述感光器件和所述遮光罩均为两个且分别位于所述折射透镜的中心轴线的对称两侧。两组光感部件的数据可以综合计算以尽量减小误差，或者其中一组故障后还有另一组可以正常工作。

作为优选，为了尽量使转轴与折射透镜的连接更加紧凑以减小整个电位器的体积，减小所述转轴穿过所述折射透镜的中心通孔，所述转轴上设有外凸的安装部并通过该安装部与所述折射透镜固定连接。

或者，为了将转轴的旋转速度放慢以提高分辨率和检测精度，所述非接触式旋转电位器还包括安装于所述外壳内的传动安装座、传动齿轮、传动轴和透镜安装轴，所述转轴的外周设有转轴齿轮，所述传动齿轮通过自身一端外齿与所述转轴齿轮的轮齿啮合连接，所述传动齿轮的另一端通过传动轴承安装在所述传动安装座的安装孔内，所述传动安装座与所述外壳固定连接，所述传动轴穿过所述传动齿轮的中心通孔并固定连接，所述透镜安装轴的一端与所述传动轴固定连接，所述透镜安装轴穿过所述折射透镜的中心通孔，所述透镜安装轴的另一端与所述折射透镜固定连接。

作为优选，为了消除或减小传动齿轮的传动误差，所述传动齿轮为消隙齿轮。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在外壳内设置光源、折射透镜和感光器件，利用光在经过不同距离的折射后投射在感光器件上的位置不同的特点，实现利用感光器件输出信号计算折射透镜和转轴的旋转角度的目的，从而实现非接触式的角位移检测功能，不受接触部件的接触电阻等影响，提高了检测精度，提高了产品使用寿命；由于各部件都是硬连接结构，所以通过提高机械连接强度就可以提高抗振能力，能够适应强振环境；由于不受磁力影响，所以适用于强磁环境；而且折射透镜的旋转位置与感光器件的感光点位置之间具有绝对对应关系，所以不用担心失电后丢失位置信息，这一点也比基于电阻体的旋转电位器更有优势。

附图说明

图1是本发明所述基于光折射原理的非接触式旋转电位器的主视剖视结构示意图之一；

图2是本发明所述基于光折射原理的非接触式旋转电位器的折射透镜的立体图之一；

图3是本发明所述基于光折射原理的非接触式旋转电位器的主视剖视结构示意图之二；

图4是本发明所述基于光折射原理的非接触式旋转电位器的折射透镜的立体图之二；

图5是本发明所述基于光折射原理的非接触式旋转电位器的主视剖视结构示意图之三；

图6是本发明所述基于光折射原理的非接触式旋转电位器的主视剖视结构示意图之四；

图7是本发明所述基于光折射原理的非接触式旋转电位器的感光器件上的光点轨迹示意图之一；

图8是本发明所述基于光折射原理的非接触式旋转电位器的感光器件上的光点轨迹示意图之二。

图中，1-外壳盖，2-外壳座，3-隔光板，4-光源，5-折射透镜，6-转轴，7-转轴轴承，8-中心通孔，9-斜平面，10-横向平面，11-遮光罩通孔，12-感光器件，13-遮光罩，14-电路板，15-引线，16-整体的斜平面，17-转轴齿轮，18-传动安装座，19-传动齿轮，20-传动轴，21-透镜安装轴，22-传动轴承。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：

如图1-图6所示，本发明所述基于光折射原理的非接触式旋转电位器包括外壳和转轴6，所述外壳由外壳座2和外壳盖1连接而成，转轴6穿过所述外壳并通过转轴轴承7与所述外壳连接，所述非接触式旋转电位器还包括安装于所述外壳内的折射透镜5、光源4、感光器件12和电路板14，圆环形的折射透镜5与转轴6连接并能够被转轴6驱动围绕自身中心轴旋转，感光器件12与电路板14对应连接，光源4和感光器件12分别位于折射透镜5的轴向两侧且满足以下条件：光源4的出射光经过折射透镜5折射后能够投射在感光器件12的感光端，且折射透镜5旋转过程中对光源4的出射光经过折射后投射在感光器件12的感光端的位置不同。

本发明所述基于光折射原理的非接触式旋转电位器的基本工作原理是：转轴6（与其它设备连接）旋转带动折射透镜5旋转，光源4的出射光经过折射透镜5折射后投射在感光器件12的感光端且其投射位置随折射透镜5旋转而变化，感光器件12将变化的感光信号转换为对应的电信号传输给电路板14上的微处理器，微处理器经过信号处理和计算后得到转轴旋转的角度信息，从而实现转轴的角位移检测功能。

为了更加具体地说明本发明的多种优选结构，下面结合多个实施例和附图进一步具体描述。

实施例1：

如图1和图2所示，设光源4位于折射透镜5的上方、感光器件12位于折射透镜5的下方、折射透镜5的中心轴向为竖向，折射透镜5的下端表面为圆环形的横向平面10，折射透镜5的上端表面为圆环形且由两个对称的斜平面9（也可以为弧形面）首尾连接而成，即采用如图2所示的折射透镜5，光源4为点光源且安装在隔光板3上，隔光板3安装在所述外壳内，感光器件12外安装有遮光罩13，遮光罩13的上端设有遮光罩通孔11，折射透镜5旋转360°的过程中，光源4的出射光经过折射透镜5折射后均能够穿过遮光罩通孔11并投射在感光器件12的感光端，光源4、感光器件12和遮光罩13均为两个且分别位于折射透镜5的中心轴线的对称两侧，转轴6穿过折射透镜5的中心通孔8，转轴6上设有外凸的安装部并通过该安装部与折射透镜5固定连接。

这种结构中，转轴6旋转直接带动折射透镜5同步旋转，直接传动，没有误差，且传动占用体积小；转轴6与折射透镜5的转速相同，适用于转轴6的转速不是太快的应用场合，否则，转速太快会降低感光器件12识别光点位置的分辨率。两个感光器件12（即感光器件A和感光器件B）上的光点轨迹如图7所示，成类似于正弦曲线的线性规律，通过这种规律，便能反推计算折射透镜5和转轴6旋转的角度值，与其在微分上的速度值。图1、图3、图5和图6中还示出了引线15，用于输入电源和输出检测信号。

实施例2：

如图3和图4所示，设光源4位于折射透镜5的上方、感光器件12位于折射透镜5的下方、折射透镜5的中心轴向为竖向，折射透镜5的下端表面为圆环形的横向平面10，折射透镜5的上端表面为一个整体的斜平面16（也可以为一个整体的弧形面），其从一个低位开始到另一个高位逐渐上升且该低位和高位位于同一条竖向直线上，即采用如图4所示的折射透镜5，光源4为点光源且安装在隔光板3上，隔光板3安装在所述外壳内，感光器件12外安装有遮光罩13，遮光罩13的上端设有遮光罩通孔11，折射透镜5旋转360°的过程中，光源4的出射光经过折射透镜5折射后均能够穿过遮光罩通孔11并投射在感光器件12的感光端，光源4、感光器件12和遮光罩13均为两个且分别位于折射透镜5的中心轴线的对称两侧，转轴6穿过折射透镜5的中心通孔8，转轴6上设有外凸的安装部并通过该安装部与折射透镜5固定连接。说明：上述整体的斜平面16与实施例1的斜平面9采用了不同标记数字，是因为两种斜平面是不同的，一种是圆环形的整体的斜平面16，另一种是由两个半圆形的斜平面9连接而成的。

与实施例1相同的是，转轴6旋转直接带动折射透镜5同步旋转，直接传动，没有误差，且传动占用体积小；转轴6与折射透镜5的转速相同，适用于转轴6的转速不是太快的应用场合，否则，转速太快会降低感光器件12识别光点位置的分辨率。两个感光器件12（即感光器件A和感光器件B）上的光点轨迹如图8所示，成类似于直角三角形的线性规律，通过这种规律，便能反推计算折射透镜5和转轴6旋转的角度值，与其在微分上的速度值。

实施例3：

如图5所示，设光源4位于折射透镜5的上方、感光器件12位于折射透镜5的下方、折射透镜5的中心轴向为竖向，折射透镜5的下端表面为圆环形的横向平面10，折射透镜5的上端表面为圆环形且由两个对称的斜平面9（也可以为弧形面）首尾连接而成，即采用如图2所示的折射透镜5，光源4为点光源且安装在隔光板3上，隔光板3安装在所述外壳内，感光器件12外安装有遮光罩13，遮光罩13的上端设有遮光罩通孔11，折射透镜5旋转360°的过程中，光源4的出射光经过折射透镜5折射后均能够穿过遮光罩通孔11并投射在感光器件12的感光端，光源4、感光器件12和遮光罩13均为两个且分别位于折射透镜5的中心轴线的对称两侧；所述非接触式旋转电位器还包括安装于所述外壳内的传动安装座18、传动齿轮19、传动轴20和透镜安装轴21，转轴6的外周设有转轴齿轮17，传动齿轮19通过自身一端外齿与转轴齿轮17的轮齿啮合连接，传动齿轮19的另一端通过传动轴承22安装在传动安装座18的安装孔内，传动安装座18与所述外壳固定连接，传动轴20穿过传动齿轮19的中心通孔并固定连接，透镜安装轴21的一端与传动轴20固定连接，透镜安装轴21穿过折射透镜5的中心通孔8，透镜安装轴21的另一端与折射透镜5固定连接，传动齿轮19为消隙齿轮。

这种结构中，转轴6旋转带动转轴齿轮17同步旋转，转轴齿轮17按一定的传动比驱动传动齿轮19旋转，传动齿轮19带动传动轴20和透镜安装轴21同步旋转，通过传动齿轮19传动，可以将转轴6的转速降低，以提高感光器件12识别光点位置的分辨率，从而提高检测精度，不过传动占用体积较大；适用于转轴6的转速太快的应用场合，否则，折射透镜5的转速太快会降低感光器件12识别光点位置的分辨率。与实施例1相同的是，两个感光器件12（即感光器件A和感光器件B）上的光点轨迹如图7所示，成类似于正弦曲线的线性规律，通过这种规律，便能反推计算折射透镜5和转轴6旋转的角度值，与其在微分上的速度值。

实施例4：

如图6所示，设光源4位于折射透镜5的上方、感光器件12位于折射透镜5的下方、折射透镜5的中心轴向为竖向，折射透镜5的下端表面为圆环形的横向平面10，折射透镜5的上端表面为一个整体的斜平面16（也可以为一个整体的弧形面），其从一个低位开始到另一个高位逐渐上升且该低位和高位位于同一条竖向直线上，即采用如图4所示的折射透镜5，光源4为点光源且安装在隔光板3上，隔光板3安装在所述外壳内，感光器件12外安装有遮光罩13，遮光罩13的上端设有遮光罩通孔11，折射透镜5旋转360°的过程中，光源4的出射光经过折射透镜5折射后均能够穿过遮光罩通孔11并投射在感光器件12的感光端，光源4、感光器件12和遮光罩13均为两个且分别位于折射透镜5的中心轴线的对称两侧；所述非接触式旋转电位器还包括安装于所述外壳内的传动安装座18、传动齿轮19、传动轴20和透镜安装轴21，转轴6的外周设有转轴齿轮17，传动齿轮19通过自身一端外齿与转轴齿轮17的轮齿啮合连接，传动齿轮19的另一端通过传动轴承22安装在传动安装座18的安装孔内，传动安装座18与所述外壳固定连接，传动轴20穿过传动齿轮19的中心通孔并固定连接，透镜安装轴21的一端与传动轴20固定连接，透镜安装轴21穿过折射透镜5的中心通孔8，透镜安装轴21的另一端与折射透镜5固定连接，传动齿轮19为消隙齿轮。说明：上述整体的斜平面16与实施例3的斜平面9采用了不同标记数字，是因为两种斜平面是不同的，一种是圆环形的整体的斜平面16，另一种是由两个半圆形的斜平面9连接而成的。

与实施例3相同的是，转轴6旋转带动转轴齿轮17同步旋转，转轴齿轮17按一定的传动比驱动传动齿轮19旋转，传动齿轮19带动传动轴20和透镜安装轴21同步旋转，通过传动齿轮19传动，可以将转轴6的转速降低，以提高感光器件12识别光点位置的分辨率，从而提高检测精度，不过传动占用体积较大；适用于转轴6的转速太快的应用场合，否则，折射透镜5的转速太快会降低感光器件12识别光点位置的分辨率。与实施例2相同的是，两个感光器件12（即感光器件A和感光器件B）上的光点轨迹如图8所示，成类似于直角三角形的线性规律，通过这种规律，便能反推计算折射透镜5和转轴6旋转的角度值，与其在微分上的速度值。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于光折射原理的非接触式旋转电位器，包括外壳和转轴，所述转轴穿过所述外壳并通过转轴轴承与所述外壳连接，其特征在于：所述非接触式旋转电位器还包括安装于所述外壳内的折射透镜、光源、感光器件和电路板，圆环形的所述折射透镜与所述转轴连接并能够被所述转轴驱动围绕自身中心轴旋转，所述感光器件与所述电路板对应连接，所述光源和所述感光器件分别位于所述折射透镜的轴向两侧且满足以下条件：所述光源的出射光经过所述折射透镜折射后能够投射在所述感光器件的感光端，且所述折射透镜旋转过程中对所述光源的出射光经过折射后投射在所述感光器件的感光端的位置不同；设所述光源位于所述折射透镜的上方、所述感光器件位于所述折射透镜的下方、所述折射透镜的中心轴向为竖向，所述折射透镜的下端表面为圆环形的横向平面，所述折射透镜的上端表面为圆环形的斜平面或弧形面，所述折射透镜的上端表面由两个对称的斜平面或弧形面首尾连接而成；或者，所述折射透镜的上端表面从一个低位开始到另一个高位逐渐上升且该低位和高位位于同一条竖向直线上。

2.根据权利要求1所述的基于光折射原理的非接触式旋转电位器，其特征在于：所述光源为点光源且安装在隔光板上，所述隔光板安装在所述外壳内。

3.根据权利要求1所述的基于光折射原理的非接触式旋转电位器，其特征在于：所述感光器件外安装有遮光罩，所述遮光罩的上端设有遮光罩通孔，所述折射透镜旋转360°的过程中，所述光源的出射光经过所述折射透镜折射后均能够穿过所述遮光罩通孔并投射在所述感光器件的感光端。

4.根据权利要求3所述的基于光折射原理的非接触式旋转电位器，其特征在于：所述光源、所述感光器件和所述遮光罩均为两个且分别位于所述折射透镜的中心轴线的对称两侧。

5.根据权利要求1-4中任何一项所述的基于光折射原理的非接触式旋转电位器，其特征在于：所述转轴穿过所述折射透镜的中心通孔，所述转轴上设有外凸的安装部并通过该安装部与所述折射透镜固定连接。

6.根据权利要求1-4中任何一项所述的基于光折射原理的非接触式旋转电位器，其特征在于：所述非接触式旋转电位器还包括安装于所述外壳内的传动安装座、传动齿轮、传动轴和透镜安装轴，所述转轴的外周设有转轴齿轮，所述传动齿轮通过自身一端外齿与所述转轴齿轮的轮齿啮合连接，所述传动齿轮的另一端通过传动轴承安装在所述传动安装座的安装孔内，所述传动安装座与所述外壳固定连接，所述传动轴穿过所述传动齿轮的中心通孔并固定连接，所述透镜安装轴的一端与所述传动轴固定连接，所述透镜安装轴穿过所述折射透镜的中心通孔，所述透镜安装轴的另一端与所述折射透镜固定连接。

7.根据权利要求6所述的基于光折射原理的非接触式旋转电位器，其特征在于：所述传动齿轮为消隙齿轮。

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