一種測量精度可調(diào)的角度傳感器研究

盛奮華, 孫承庭, 胡 平

(1.蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215200； 2. 連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，連云港 222006；3.南京工業(yè)大學(xué),南京 211800)

一種測量精度可調(diào)的角度傳感器研究

盛奮華1, 孫承庭2, 胡 平3

(1.蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215200； 2. 連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，連云港 222006；3.南京工業(yè)大學(xué),南京 211800)

針對常用的光電式角度傳感器無法調(diào)節(jié)測量精度而難以適用多種場合的問題，設(shè)計(jì)了一種新型測量精度可調(diào)的角度傳感器及其信號處理電路。角度傳感器包括感應(yīng)轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)軸、霍爾傳感器和精度控制開關(guān)，其中感應(yīng)轉(zhuǎn)盤隨轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動，感應(yīng)轉(zhuǎn)盤上設(shè)置多個磁感應(yīng)器，磁感應(yīng)器通電后產(chǎn)生磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動后磁感應(yīng)器經(jīng)過霍爾傳感器的位置時，霍爾傳感器輸出相應(yīng)的電信號，通過信號處理電路即可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)角度信號的檢測。當(dāng)需要調(diào)節(jié)測量精度時，通過精度控制開關(guān)可以改變磁感應(yīng)器的通電狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)角度測量精度的調(diào)節(jié)。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的角度傳感器測量原理的正確性。

角度傳感器；測量精度；電磁感應(yīng)；霍爾效應(yīng)；單片機(jī)

0 引 言

角度信息是一個重要的角參量，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、航空航天、軍事等多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。例如，在機(jī)械自動控制領(lǐng)域經(jīng)常需要利用角度傳感器來測量機(jī)械轉(zhuǎn)動的角度，以便對機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制；在自動火炮控制系統(tǒng)中，通過測量方位角來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)位置的瞄準(zhǔn)。

近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對新型角度傳感器和角度測量方法進(jìn)行了大量研究。包括基于磁旋轉(zhuǎn)編碼器的角度傳感器[5]、基于保偏光子晶體光纖的長尾式光纖環(huán)鏡角度傳感器[6]、電容式角度傳感器[7]、新型霍爾式角度傳感器[8]、全角度無接觸式智能角度傳感器[9]、光電旋轉(zhuǎn)編碼式角度傳感器[10]等等。

本文針對常用的光電式角度傳感器無法調(diào)節(jié)測量精度而難以適用多種場合的問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型測量精度可調(diào)的角度傳感器及其測量電路。角度傳感器的感應(yīng)轉(zhuǎn)盤上設(shè)置多個磁感應(yīng)器，磁感應(yīng)器通電后產(chǎn)生磁場，當(dāng)需要調(diào)節(jié)測量精度時，通過精度控制器可以改變磁感應(yīng)器的通電狀態(tài)，由此來實(shí)現(xiàn)測量精度的調(diào)節(jié)。

1 角度傳感器結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的角度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括三大部分：感應(yīng)轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)軸和霍爾傳感器，其中傳感器感應(yīng)轉(zhuǎn)盤固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸又通過剛性聯(lián)軸器與被測固定。當(dāng)被測軸轉(zhuǎn)動時，傳感器的感應(yīng)轉(zhuǎn)盤跟隨轉(zhuǎn)動。

圖1 角度傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器的感應(yīng)轉(zhuǎn)盤設(shè)有安裝孔，用于和轉(zhuǎn)軸固定，此外，感應(yīng)轉(zhuǎn)盤上設(shè)置多個磁感應(yīng)器區(qū)域，如圖2所示。磁感應(yīng)器內(nèi)部由漆包線繞制而成的電磁線圈組成，且均勻布滿磁感應(yīng)器的區(qū)域，通電后可以產(chǎn)生相應(yīng)的磁場；磁感應(yīng)器之間存在間隙，間隙對應(yīng)的空間角度與磁感應(yīng)器區(qū)域?qū)?yīng)的空間角度同為α。

圖2 感應(yīng)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖

2 角度傳感器工作原理

2.1 線圈及電源接線圖

傳感器的線圈接線如圖3所示，磁感應(yīng)器中的電磁線圈按照并聯(lián)方式連接，一端直接接地，另一端與環(huán)形導(dǎo)線相連。環(huán)形導(dǎo)線為3根，編號如圖3所示。其中環(huán)形導(dǎo)線1與所有的線圈相連；環(huán)形導(dǎo)線2與每2個線圈中的一個相連，且在空間上平均分布；環(huán)形導(dǎo)線3與每4個線圈中的一個相連，且在空間上平均分布。

圖3 線圈接線圖

環(huán)形導(dǎo)線1，2，3與直流電源的接線如圖4所示，3根環(huán)形導(dǎo)線與單片機(jī)的P0.0～P0.2三個端口相連，分別通過開關(guān)K1，K2和K3與電源相連。由此可知，假設(shè)磁感應(yīng)器的數(shù)目為n，當(dāng)開關(guān)K1閉合，其余開關(guān)打開時，所有的磁感應(yīng)器全部通電；當(dāng)開關(guān)K2閉合時，其余開關(guān)打開時，在空間上平均分布的n/2個磁感應(yīng)器通電；當(dāng)開關(guān)K3閉合時，其余開關(guān)打開時，在空間上平均分布的n/4個磁感應(yīng)器通電。

圖4 電源接線圖

2.2 霍爾電勢

霍爾傳感器的工作原理是基于霍爾效應(yīng)的，當(dāng)霍爾傳感器平面的法線方向上存在磁場時，霍爾傳感器控制端通電后導(dǎo)體中的載流子就會受到洛倫茲力的作用，從而開始向兩側(cè)積累電子，產(chǎn)生霍爾電勢：

UH=KHIB

(1)

式中：KH為霍爾傳感器的靈敏度；I為傳感器控制端通電后產(chǎn)生的電流。

為了處理電信號的方便，采用放大器和整形電路將霍爾傳感器產(chǎn)生的模擬電信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，如圖5所示。

圖5 開關(guān)式霍爾器件結(jié)構(gòu)圖

2.3 工作原理

當(dāng)開關(guān)K1閉合，其余開關(guān)打開時，所有磁感應(yīng)器的電磁線圈通電，產(chǎn)生n個對應(yīng)的磁場，由圖2所示的結(jié)構(gòu)圖可知，所有磁場在空間上平均分布，對應(yīng)的空間角度為360(°)/n(包括相應(yīng)的間隔區(qū))。感應(yīng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，磁感應(yīng)器跟隨轉(zhuǎn)盤同時轉(zhuǎn)動，當(dāng)磁感應(yīng)器經(jīng)過霍爾傳感器所在的位置時，根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾傳感器產(chǎn)生對應(yīng)的電信號，經(jīng)過處理后如圖6中的信號A所示；同理，當(dāng)開關(guān)K2閉合，其余開關(guān)打開時，霍爾傳感器輸出如圖6中的信號B；當(dāng)開關(guān)K3閉合，其余開關(guān)打開時，霍爾傳感器輸出如圖6中的信號C。

圖6 霍爾傳感器輸出的電信號

2.4 信號處理電路

當(dāng)開關(guān)K1閉合，其余開關(guān)打開時，霍爾傳感器輸出如圖6中所示的信號A，與此同時，單片機(jī)的P0.0端口跳變?yōu)楦唠娖剑瑔纹瑱C(jī)端口P1.0與霍爾傳感器的輸出端相連，則單片機(jī)內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)的計(jì)數(shù)器開始對霍爾傳感器的輸出信號A進(jìn)行計(jì)數(shù)，并保存計(jì)數(shù)結(jié)果M1。根據(jù)工作原理可知，此時每個脈沖信號表示感應(yīng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過的角度為360(°)/n，則單片機(jī)通過液晶屏顯示的角度數(shù)值為360M1/n。

同理，當(dāng)開關(guān)K2閉合，其余開關(guān)打開時，霍爾傳感器輸出如圖6中所示的信號B，單片機(jī)的P0.1端口跳變?yōu)楦唠娖剑瑔纹瑱C(jī)內(nèi)的計(jì)數(shù)器對信號B進(jìn)行計(jì)數(shù)，并保存計(jì)數(shù)結(jié)果M2。由于此時每個脈沖信號表示感應(yīng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過的角度為2×360(°)/n，則單片機(jī)通過液晶屏顯示為角度數(shù)值為720M2/n。

當(dāng)開關(guān)K3閉合，其余開關(guān)打開時，霍爾傳感器輸出如圖6中所示的信號C，單片機(jī)的P0.2端口跳變?yōu)楦唠娖剑瑔纹瑱C(jī)的計(jì)數(shù)器開始對信號C進(jìn)行計(jì)數(shù)，并保存計(jì)數(shù)結(jié)果M3，由于此時每個脈沖信號表示感應(yīng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過的角度為4×360(°)/n，則單片機(jī)通過液晶屏顯示為角度數(shù)值為4×360×M3/n。

2.5 精度分析

由上述工作原理可知，通過控制開關(guān)K1，K2和K3，可以實(shí)現(xiàn)角度傳感器測量精度的調(diào)節(jié)。其中開關(guān)K1閉合其它開關(guān)打開時，傳感器的測量精度為360(°)/n；當(dāng)開關(guān)K2閉合其它開關(guān)打開時，傳感器的測量精度為720(°)/n；開關(guān)K3閉合其它開關(guān)打開時，傳感器的測量精度為1 440(°)/n。因此，若要傳感器的測量精度越高，則需要的磁感應(yīng)器的個數(shù)越多，會增加制作難度。為了盡可能的提高測量精度，可以適當(dāng)增加感應(yīng)轉(zhuǎn)盤的直徑。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的角度傳感器測量原理的正確性，根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理制作了傳感器樣機(jī)和測量電路。其中傳感器中的磁感應(yīng)器之間的間隙為1°，磁感應(yīng)器所占的空間角度同為1°；測量電路采用單片機(jī)為89CS51，工作晶振為12 MHz；霍爾傳感器型號為3144，放大器型號為OP07，整形電路采用比較器LM339；直流電源U=+5 V。

閉合開關(guān)K1，其余開關(guān)打開，轉(zhuǎn)動感應(yīng)轉(zhuǎn)盤，霍爾傳感器的輸出信號如圖7中u1所示；閉合開關(guān)K2，其余開關(guān)打開，轉(zhuǎn)動感應(yīng)轉(zhuǎn)盤，霍爾傳感器的輸出信號如圖7中u2所示；閉合開關(guān)K3，其余開關(guān)打開，轉(zhuǎn)動感應(yīng)轉(zhuǎn)盤，霍爾傳感器的輸出信號如圖7中u3所示。

圖7 霍爾傳感器的實(shí)際輸出信號

磁感應(yīng)器轉(zhuǎn)過的角度采用高精度測角儀 YT-0593來確定，轉(zhuǎn)過的度數(shù)為45°。切換精度開關(guān)K1，K2和K3，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，通過測量電路得到的角度值如表1所示。

由表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的角度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)基本的測量功能，且可以實(shí)現(xiàn)測量精度的調(diào)節(jié)。當(dāng)K3閉合時，角度傳感器的測量誤差較大，原因是此時的測量精度為4°，分辨率不夠，造成了較大的測量誤差。為了減小測量誤差，要適當(dāng)減小磁感應(yīng)器區(qū)域?qū)?yīng)的空間角度，可以采用印制繞組加工工藝。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種新型測量精度可調(diào)的角度傳感器及其信號處理電路，詳細(xì)介紹了角度傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理。當(dāng)需要調(diào)節(jié)測量精度時，通過精度控制開關(guān)可以改變磁感應(yīng)器的通電狀態(tài)，由此來實(shí)現(xiàn)測量精度的調(diào)節(jié)。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的角度傳感器測量原理的正確性，以及測量精度調(diào)節(jié)的可行性，希望得到推廣應(yīng)用。

[1] 羅冰，肖波，蔡登勝,等.電位器式角度傳感器在裝載機(jī)工作裝置電控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].建筑機(jī)械，2014(1)：77-80.

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Research on a Novel Angle Sensor with Adjustable Measurement Precision

SHENGFen-hua1，SUNCheng-ting2，HUPing3

(1.Suzhou College of Information Technology，Suzhou 215200,China；2.Lianyungang Technical College,Lianyungang 222006,China；3.Nanjing Technical University，Nanjing 211800,China)

For common photoelectric angle sensor, the measuring accuracy can not be adjusted, so it is difficult to apply to a variety of occasions. In this paper, a new angle sensor and its measuring circuit were presented, and the measuring precision of sensor can be changed. The angle sensor includes inductive turnplate, rotating shaft, Hall sensor and the accuracy controller, inductive turnplate is fixed with rotating shaft, a plurality of magnetic sensors were arranged on the inductive turntable, the magnetic field was generated by magnetic sensors, and the Hall sensor output a corresponding electrical signal when the rotating magnetic sensor going through the Hall sensor position, the corresponding angle signal was detected through the measuring circuit. When the measuring precision need to be adjusted, it can be achieved to change the magnetic sensor power state through the precision controller. Finally, the experimental results show that the angle sensor measurement principle is correct.

angle sensor; measurement precision; electromagnetic induction; Hall effect; SCM

2016-08-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(612030702)；江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究課題項(xiàng)目(2015-R-43034)；連云港市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(SH1110)

TM303

A

1004-7018(2016)12-0037-03