CN116418176B - 基于薄膜材料的绝对式角位移传感器装置及角度解算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子制造领域，涉及到基于薄膜材料的绝对式角位移传感器装置及角度解算方法。本发明将采用一种二硫化钼薄膜材料胶接在电机转子上，采用无传感器线圈传输的方式给在转子上呈90°布置的两块二硫化钼薄膜材料供电，在条型光源的影响下，二硫化钼薄膜材料的电阻值会发生变化，胶接在电机转子上的转子输出线圈就会感应输出的电压信号，信号接收板上的线性霍尔接收到模拟信号，单片机内置有AD转换器将线性霍尔接收到的模拟信号转换数字信号，再利用反正切算法对数字信号进行解算，从而得到当前电机转子所处的实际角度位置。

Description

基于薄膜材料的绝对式角位移传感器装置及角度解算方法
技术领域：
本发明属于电子制造领域，具体涉及基于薄膜材料的绝对式角位移传感器装置及角度解算方法。
背景技术：
角位移传感器是一种广泛应用于测量物体角度或转动的位置变化的传感器。它通常由传感器本体、信号处理电路和输出接口等部分组成。角位移传感器可以通过多种方式实现对物体的角度测量，如光学、磁性或机械式等技术。其中，最常见的是旋转编码器，它是一种机械式测量装置，通过旋转编码盘和光电传感器的配合，可以实现高精度的角度测量。它们具有高精度、高分辨率和快速响应时间等优点，它们通常由旋转电位器、霍尔传感器、光电编码器等部件组成。并且在机器人、汽车、航空航天、机械工程、船舶等领域中得到了广泛应用。
角位移传感器根据工作原理和测量物理量的不同，可以分为多种类型。包括磁性角位移传感器，它采用磁场感应原理，通过测量磁场强度变化来计算旋转角度，虽然抗干扰性好，但是价格较高，不便于大批量生产。还有光学角位移传感器，它使利用光学原理，通过检测旋转轴上反射或透过的光束的位置变化来测量旋转角度，优点是精度高，但是对环境条件要求较高，易受外界干扰。电容式角位移传感器，它是通过测量电容值的变化来检测旋转角度，抗干扰能力强但精度相对较低。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种方案，目的是在电机转子高速运转的情况下，可以直接、快速、精确的检测出电机转子转过的角度值。本发明将采用一种二硫化钼薄膜材料胶接在电机转子上，采用无传感器线圈传输的方式给在转子上呈90°布置的两块二硫化钼薄膜材料供电，在条型光源的影响下，二硫化钼薄膜材料的电阻值会发生变化，胶接在电机转子上的转子输出线圈就会感应输出的电压信号，信号接收板上的线性霍尔接收到模拟信号，单片机内置有AD转换器将线性霍尔接收到的模拟信号转换数字信号，再利用反正切算法对数字信号进行解算，从而得到当前电机转子所处的实际角度位置。
本发明公布了基于薄膜材料的绝对式角位移传感器装置及角度解算方法，包括：
二硫化钼薄膜材料：一种受光源影响的柔性材料，光照可以影响二硫化钼材料的电学性质，二硫化钼薄膜材料侧面轮廓为余弦函数线。
镍铬合金电阻片a与镍铬合金电阻片b：一种低温漂电阻材料，其具有良好的高温稳定性，并且光照不能影响镍铬合金的化学或物理性质。
所述方法的具体实施过程为：
步骤一：外接电源b供电给定子线圈产生磁场，使得电机转子在磁场的作用下开始旋转，从而胶接在转子上的转子感应线圈与转子输出线圈旋转，从而二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b开始旋转，条形光源照在二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b上，二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b由于光源的影响就会产生动态变化的电阻值，外接电源a发出交流信号VG供电给定子感应线圈产生磁场，外接电源a的供电方程为公式(1)，转子感应线圈切割定子感应线圈产生的磁场，从而转子感应线圈产生交流信号Ve，交流信号Ve计算公式为公式(2)：
VG＝G×sin(ω×t) (1)
Ve＝E×sin(ω×t) (2)
式中，G为外接电源a峰值电压，E为输入峰值电压，ω为载波频率，t为时间；
步骤二：转子感应线圈采用并联的方式将产生的交流信号进行传输；交流信号通过电源输出线a供电给二硫化钼薄膜材料a与镍铬合金电阻片a，分压产生的交流信号供电给转子输出线圈a，转子输出线圈a产生磁场，线性霍尔a采集转子输出线圈a产生的磁场信号V1，计算公式为公式(3)；交流信号通过电源输出线b供电给二硫化钼薄膜材料b与镍铬合金电阻片b，分压产生的交流信号供电给转子输出线圈b，转子输出线圈b产生磁场，线性霍尔b采集转子输出线圈b产生的磁场信号V2，计算公式为公式(4)：
V1＝K×E×sin(ω×t)×sinθ (3)
V2＝K×E×sin(ω×t)×cosθ (4)
式中，ω为载波频率，E为输入峰值电压，θ为转子所转角度，K为转换比例；
步骤三：单片机内置有AD转换器将线性霍尔a与线性霍尔b接收到的模拟信号V1、V2进行模数转换，得到数字信号HV1、HV2，再利用反正切算法对得到的数字信号HV1、HV2进行解算，得到角度值θ1，解算公式为(5)：
从而得到当前电机转子所处的实际角度位置。
本发明的有益效果为：
1.本发明所述的角位移传感器是基于一种薄膜材料，与传统的磁电式角位移传感器相比，本装置中不存在磁钢、磁铁，避免了传感器长时间运行而导致的磁钢开裂、退磁等影响。
2.本发明采用线圈互感原理供电，可以控制信号的幅值大小，能根据不同的工作环境来提供相应的电压，使传感器的使用范围更广泛、便捷。
3.本发明采用的二硫化钼薄膜材料，具有极好的光电效应，且本身是一种厚度薄、质量轻的材料，能够与电机转子很好的贴附，同时不影响电机的机械性能。
4.本发明所述的角位移传感器内置于电机转子上，与其他类型的外置式角位移传感器相比，减少了传感器安装时的机械误差，角度解算更精确。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述：
图1为本发明所述装置的总体结构示意图；
图2为本发明所述装置的内部结构分布示意图；
图3为本发明所述装置的定子线圈结构分布示意图；
图4为本发明所述装置的信号接收板及条形光源位置分布示意图；
图5为本发明所述装置的电机转子及转子线圈结构分布示意图；
图6为本发明所述装置的二硫化钼材料结构分布示意图；
图7为本发明所述装置的信号接收板结构分布示意图；
图8为本发明所述装置交流电压信号及转子旋转角波形图；
图中，1、前端盖；2、轴承a；3、电机转子；4、二硫化钼薄膜材料；4-1、二硫化钼薄膜材料a；4-2、二硫化钼薄膜材料b；5、轴承b；6、电机定子；7、外接电源a；8、外接电源b；9、信号接收器；10、后端盖；11、螺栓；12、螺母；13、螺钉；14、定子感应线圈；15、定子线圈；16、条形光源；17、信号接收板；17-1、线性霍尔a；17-2线性霍尔b；17-3单片机；18、转子感应线圈；19、转子输出线圈a；20、转子输出线圈b；21、电源输出线a；22、返回线a；23、电源输出线b；24、返回线b；25、镍铬合金电阻片a；26、镍铬合金电阻片b。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明的结构组成如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，结合附图进一步说明本发明的具体结构及具体实施方式：
基于薄膜材料的绝对式角位移传感器装置，该装置的结构包括前端盖(1)、轴承a(2)、电机转子(3)、二硫化钼薄膜材料(4)、轴承b(5)、电机定子(6)、外接电源a(7)、外接电源b(8)、信号接收器(9)、后端盖(10)、螺栓(11)、螺母(12)、螺钉(13)、定子感应线圈(14)、定子线圈(15)、条形光源(16)、信号接收板(17)、转子感应线圈(18)、转子输出线圈a(19)、转子输出线圈b(20)、电源输出线a(21)、返回线a(22)、电源输出线b(23)、返回线b(24)、镍铬合金电阻片a(25)、镍铬合金电阻片b(26)；其中二硫化钼薄膜材料(4)包括二硫化钼薄膜材料a(4-1)与二硫化钼薄膜材料b(4-2)，并且二硫化钼薄膜材料a(4-1)与二硫化钼薄膜材料b(4-2)在电机转子(3)上呈90°放置；信号接收板(17)上锡焊焊接线性霍尔a(17-1)、线性霍尔b(17-2)、单片机(17-3)；其中包括二硫化钼薄膜材料a(4-1)与二硫化钼薄膜材料b(4-2)与镍铬合金电阻片a(25)与镍铬合金电阻片b(26)都胶接在电机转子(3)上，转子感应线圈(18)与转子输出线圈a(19)与转子输出线圈b(20)都胶接在电机转子(3)上，定子感应线圈(14)与定子线圈(15)绕在电机定子(6)上，条形光源(16)胶接在电机定子(6)上，轴承a(2)与轴承b(5)通过轴肩定位固定在电机转子(3)上；转子感应线圈(18)连接电源输出线a(21)，电源输出线a(21)连接镍铬合金电阻片a(25)，电源输出线a(21)连接转子输出线圈a(19)，转子输出线圈a(19)与返回线a(22)连接，返回线a(22)连接二硫化钼薄膜材料a(4-1)，返回线a(22)连接转子感应线圈(18)；转子感应线圈(18)连接电源输出线b(23)，电源输出线b(23)连接镍铬合金电阻片b(26)，电源输出线b(23)连接转子输出线圈b(20)，转子输出线圈b(20)与返回线b(24)连接，返回线b(24)连接二硫化钼薄膜材料b(4-2)，返回线b(24)连接转子感应线圈(18)；外接电源a(7)与外接电源b(8)与信号接收器(9)焊接在电机定子(6)上，前端盖(1)与电机定子(6)通过螺栓(11)与螺母(12)连接，后端盖(10)与电机定子(6)通过螺钉(13)连接。
二硫化钼薄膜材料(4)：一种受光源影响的柔性材料，光照可以影响二硫化钼材料的电学性质，二硫化钼薄膜材料侧面轮廓为余弦函数线。
镍铬合金电阻片a(25)与镍铬合金电阻片b(26)：一种低温漂电阻材料，其具有良好的高温稳定性，并且光照不能影响镍铬合金的化学或物理性质。
基于薄膜材料的绝对式角位移传感器装置的角度解算方法，该方法的具体实现过程为：
所述方法的具体实施过程为：
步骤一：外接电源b供电给定子线圈产生磁场，使得电机转子在磁场的作用下开始旋转，从而胶接在转子上的转子感应线圈与转子输出线圈旋转，从而二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b开始旋转，条形光源照在二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b上，二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b由于光源的影响就会产生动态变化的电阻值，外接电源a发出交流信号VG供电给定子感应线圈产生磁场，外接电源a的供电方程为公式(1)，转子感应线圈切割定子感应线圈产生的磁场，从而转子感应线圈产生交流信号Ve，交流信号Ve计算公式为公式(2)：
VG＝G×sin(ω×t) (1)
Ve＝E×sin(ω×t) (2)
式中，G为外接电源a峰值电压，E为输入峰值电压，ω为载波频率，t为时间；
步骤二：转子感应线圈采用并联的方式将产生的交流信号进行传输；交流信号通过电源输出线a供电给二硫化钼薄膜材料a与镍铬合金电阻片a，分压产生的交流信号供电给转子输出线圈a，转子输出线圈a产生磁场，线性霍尔a采集转子输出线圈a产生的磁场信号V1，计算公式为公式(3)；交流信号通过电源输出线b供电给二硫化钼薄膜材料b与镍铬合金电阻片b，分压产生的交流信号供电给转子输出线圈b，转子输出线圈b产生磁场，线性霍尔b采集转子输出线圈b产生的磁场信号V2，计算公式为公式(4)：
V1＝K×E×sin(ω×t)×sinθ (3)
V2＝K×E×sin(ω×t)×cosθ (4)
式中，ω为载波频率，E为输入峰值电压，θ为转子所转角度，K为转换比例；
步骤三：单片机内置有AD转换器将线性霍尔a与线性霍尔b接收到的模拟信号V1、V2进行模数转换，得到数字信号HV1、HV2，再利用反正切算法对得到的数字信号HV1、HV2进行解算，得到角度值θ1，解算公式为(5)：
从而得到当前电机转子所处的实际角度位置。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.基于薄膜材料的绝对式角位移传感器装置，其特征在于：该装置的结构包括前端盖(1)、轴承a(2)、电机转子(3)、二硫化钼薄膜(4)、轴承b(5)、电机定子(6)、外接电源a(7)、外接电源b(8)、信号接收器(9)、后端盖(10)、螺栓(11)、螺母(12)、螺钉(13)、定子感应线圈(14)、定子线圈(15)、条形光源(16)、信号接收板(17)、转子感应线圈(18)、转子输出线圈a(19)、转子输出线圈b(20)、电源输出线a(21)、返回线a(22)、电源输出线b(23)、返回线b(24)、镍铬合金电阻片a(25)、镍铬合金电阻片b(26)；其中，所述条形光源(16)轴向摆放在所述电机定子内侧，每个所述二硫化钼薄膜(4)覆盖转子一周，每个所述二硫化钼薄膜(4)轮廓呈余弦曲线侧面轮廓的中心线平行于转子轴线、平行于条形光源；所述信号接收板(17)与所述信号接收器(9)通过导线连接，用于信号传递，所述信号接收板(17)用于接收信号，信号接收器(9)用于接收和储存信号；二硫化钼薄膜(4)包括二硫化钼薄膜a(4-1)与二硫化钼薄膜b(4-2)，并且二硫化钼薄膜a(4-1)与二硫化钼薄膜b(4-2)在电机转子(3)上呈90°放置，即二硫化钼薄膜a(4-1)绕电机转子(3)轴线旋转90°，经过平移可以与二硫化钼薄膜b(4-2)轮廓完全重合；信号接收板(17)上锡焊焊接线性霍尔a(17-1)、线性霍尔b(17-2)、单片机(17-3)；二硫化钼薄膜a(4-1)与二硫化钼薄膜b(4-2)与镍铬合金电阻片a(25)与镍铬合金电阻片b(26)都胶接在电机转子(3)上，转子感应线圈(18)与转子输出线圈a(19)与转子输出线圈b(20)都胶接在电机转子(3)上，定子感应线圈(14)与定子线圈(15)绕在电机定子(6)上，条形光源(16)胶接在电机定子(6)内侧，轴承a(2)与轴承b(5)通过轴肩定位固定在电机转子(3)上；转子感应线圈(18)连接电源输出线a(21)，电源输出线a(21)依次连接镍铬合金电阻片a(25)和转子输出线圈a(19)，转子输出线圈a(19)与返回线a(22)连接，返回线a(22)分别连接二硫化钼薄膜a(4-1)和转子感应线圈(18)；转子感应线圈(18)连接电源输出线b(23)，电源输出线b(23)分别连接镍铬合金电阻片b(26)，和转子输出线圈b(20)，转子输出线圈b(20)与返回线b(24)连接，返回线b(24)分别连接二硫化钼薄膜b(4-2)和转子感应线圈(18)；外接电源a(7)与外接电源b(8)与信号接收器(9)焊接在电机定子(6)外壳上，前端盖(1)与电机定子(6)通过螺栓(11)与螺母(12)连接，后端盖(10)与电机定子(6)通过螺钉(13)连接；外接电源a(7)对定子感应线圈(14)进行供电；外接电源(b)对定子线圈(15)进行供电；二硫化钼薄膜(4)：一种受光源影响的柔性材料，光照可以影响二硫化钼材料的电学性质，二硫化钼薄膜侧面轮廓为余弦函数线；镍铬合金电阻片a(25)与镍铬合金电阻片b(26)：一种低温漂电阻材料，其具有良好的高温稳定性，并且光照不能影响镍铬合金的化学或物理性质；
基于线圈互感原理进行供电和信号传输，定子一端周向均匀设置多个定子感应线圈，所述定子感应线圈与转子端部周向均匀设置的多个转子感应线圈相互作用供电，多个转子输出线圈a、多个转子输出线圈b周向均匀设置在转子另一侧的端部，多个转子输出线圈a所在平面与多个转子输出线圈b所在平面不同，其各自所在的平面分别与线性霍尔a、线性霍尔b对应。
2.如权利要求1所述基于薄膜材料的绝对式角位移传感器装置的角度解算方法，其特征在于，所述方法的具体实施过程为：
步骤一：外接电源b供电给定子线圈产生磁场，使得电机转子在磁场的作用下开始旋转，从而胶接在转子上的转子感应线圈与转子输出线圈旋转，从而二硫化钼薄膜a与二硫化钼薄膜b开始旋转，条形光源照在二硫化钼薄膜a与二硫化钼薄膜b上，二硫化钼薄膜a与二硫化钼薄膜b由于光源的影响就会产生动态变化的电阻值，外接电源a发出交流信号VG供电给定子感应线圈产生磁场，外接电源a的供电方程为公式(1)，转子感应线圈切割定子感应线圈产生的磁场，从而转子感应线圈产生交流信号Ve，交流信号Ve计算公式为公式(2)：
VG＝G×sin(ω×t) (1)
Ve＝E×sin(ω×t) (2)
式中，G为外接电源a峰值电压，E为输入峰值电压，ω为载波频率，t为时间；
步骤二：转子感应线圈采用并联的方式将产生的交流信号进行传输；交流信号通过电源输出线a供电给二硫化钼薄膜a与镍铬合金电阻片a，分压产生的交流信号供电给转子输出线圈a，转子输出线圈a产生磁场，线性霍尔a采集转子输出线圈a产生的磁场信号V1，计算公式为公式(3)；交流信号通过电源输出线b供电给二硫化钼薄膜b与镍铬合金电阻片b，分压产生的交流信号供电给转子输出线圈b，转子输出线圈b产生磁场，线性霍尔b采集转子输出线圈b产生的磁场信号V2，计算公式为公式(4)：
V1＝K×E×sin(ω×t)×sinθ- (3)
V2＝K×E×sin(ω×t)×cosθ (4)
式中，ω为载波频率，E为输入峰值电压，θ为转子所转角度，K为转换比例；
步骤三：单片机内置有AD转换器将线性霍尔a与线性霍尔b接收到的模拟信号V1、V2进行模数转换，得到数字信号HV1、HV2，再利用反正切算法对得到的数字信号HV1、HV2进行解算，得到角度值θ1，解算公式为(5)：
从而得到当前电机转子所处的实际角度位置。
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