小型感应式绝对角位移传感器

技术领域

本发明涉及一种角位移传感器，尤其涉及一种小型感应式绝对角位移传感器。

背景技术

高可靠性角位移传感器(或电位器)主要有磁敏式、RVDT式、线绕或导电塑料式等，其中磁敏式角位移传感器以成本低、精度高、寿命长、环境适应性强等特点在市场中应用广泛。但磁敏式角位移传感器的精度受特殊环型编码磁钢限制，无法在低成本、小体积、高精度的场合中应用，而且磁敏式角位移传感器一般为增量式角位移检测，若要实现绝对式角位移检测，成本将会大幅增加，而上述其它原理的角位移传感器又难以达到磁敏式角位移传感器的高寿命、高精度、强环境适应性的特点。

近年来，随着PCB制造工艺的愈发成熟，基于电磁感应原理的感应式角位移传感器凭借其高精度、高分辨率、高可靠性、相对低成本等特点在市场中逐渐得到关注。比如，现有技术中，申请号为“200410043380.3”、名称为“感应式旋转角度传感器和以此配备的自动同步发送机”的发明申请公开了这种传感器的基本原理与组成构件；专利号为“ZL200980113191.X”、名称为“感应式旋转角传感器以及用于感应式旋转角传感器的运行的方法”的发明专利提出了新的激励线圈与分度元件排布；专利号为“201811436354.5”、名称为“位置编码器”的发明专利在上述“感应式旋转角度传感器和以此配备的自动同步发送机”的基础上对感应式传感器的抗干扰设计进行了创新，又对其定子、转子模块提出了新的排布方案。

以上技术虽对感应式角位移传感器(或电位器)的激励线圈、感应线圈电路板与码盘(刻度元件、定子、分度元件)进行了新的设计，但均未解决感应式角位移传感器直径大的问题；此外也未提出动态校准激励线圈、感应线圈电路板和码盘间距的方案，而该间距会影响感应精度，且每个感应式角位移传感器的最佳间距均有所不同。

如图1-图3所示，最新结构的传统感应式角位移传感器的感应电路板1和码盘8的结构如下：感应电路板1为多层PCB板并分别设有多组多感应线圈3和多组单感应线圈5，每一组多感应线圈3由多个正弦形导线首尾连接为一个圆形成，图1和图3中示出的是四组多感应线圈3，每组多感应线圈3的相位间隔Π/4，单感应线圈5由一段椭圆形的封闭导线形成，图2和图3中示出的是两个相互垂直交叉的单感应线圈5，图1和图3中还示出了由外而内依次分布的第一激励线圈2、第二激励线圈4和第三激励线圈7，以及感应电路板1的中心通孔6；码盘8为PCB板，码盘8上设有一组多编码片9和一个单编码片11，多编码片9由多个沿圆周方向排列的编码片(一般为铜片)构成，图2中的多编码片9为一个圆形，单编码片11由一个半圆形的编码片(铜片)构成，图2中还示出了码盘8的中心通孔10。

上述传统感应式角位移传感器不但具有很高的检测精度，而且能够检测角位移绝对值，其原理是：如图3所示，感应电路板1与码盘8相互平行且对应，多编码片9对应于四组多感应线圈3，单编码片11对应于两个单感应线圈5，码盘8旋转360°，两个单感应线圈5的电动势变化一个周期，每个单感应线圈5对应的电动势变化曲线呈“V”形，如图4所示，由于两个单感应线圈5相互垂直交叉，所以两个单感应线圈5对应的电动势变化曲线为两个方向相反的“V”形，结合两个单感应线圈5对应的电动势变化和多感应线圈3的电动势变化即可确定码盘8的绝对角度位置，即能够检测转轴的绝对角位移值。

上述传统感应式角位移传感器的缺陷在于：四组多感应线圈3和两个单感应线圈5分别设于感应电路板1的外侧圆环和内侧圆环上，共需要外、中、内三个激励线圈，多编码片9和单编码片11分别设于码盘8的外侧圆环和内侧圆环上，感应电路板1和码盘8的直径较大，而且受此结构限制很难有更多缩小空间，导致感应式角位移传感器的直径和体积相对较大，不能满足越来越多的小体积应用需求；另外，传统感应式角位移传感器的感应电路板1和码盘8分别固定安装在外壳内和转轴上，感应电路板1和码盘8之间的间距不能调节，会影响感应精度，而且每个感应式角位移传感器的最佳间距均有所不同，所以会降低感应式角位移传感器在具体应用场景中的检测精度。

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显著减小直径和体积的小型感应式绝对角位移传感器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种小型感应式绝对角位移传感器，包括相互对应的感应电路板和码盘，所述感应电路板上设有外激励线圈、内激励线圈、多感应线圈和单感应线圈，所述内激励线圈位于所述外激励线圈内，所述感应电路板的中心通孔位于所述内激励线圈内，多组所述多感应线圈和多个椭圆形的所述单感应线圈相互重叠且均位于所述外激励线圈和所述内激励线圈之间，所述码盘上设有多编码片和单编码片，所述多编码片呈半圆形设于所述码盘的圆环表面，半圆形的所述单编码片设于所述码盘的圆环表面且与所述多编码片合围形成同一个圆环。

作为优选，为了便于在感应电路板上设置多感应线圈、单感应线圈、外激励线圈、内激励线圈、屏蔽层和电路并便于在码盘上设置多编码片，所述感应电路板包括相互重叠且由上而下依次排列的第一层PCB板、第二层PCB板、第三层PCB板、第四层PCB板、第五层PCB板和第六层PCB板，四组所述多感应线圈分别设于所述第一层PCB板和所述第二层PCB板上，两个所述单感应线圈的长轴相互垂直且圆心相互重叠，两个所述单感应线圈、所述外激励线圈和所述内激励线圈分别设于所述第三层PCB板和所述第四层PCB板上，所述第五层PCB板设置屏蔽层，所述第六层PCB板上设置电路；所述多编码片由八个编码片围绕形成半圆形组成。

作为优选，为了实现感应电路板与码盘之间间距的快速调节功能，所述小型感应式绝对角位移传感器还包括外壳、空心转轴、升降调节筒和调节驱动环，设所述空心转轴的轴向为竖向，所述空心转轴穿过所述外壳的竖向通孔，所述空心转轴与所述外壳的上部和下部分别通过第一轴承和第二轴承连接，所述码盘置于所述外壳内的上部，所述码盘通过自身的中心通孔套装在所述空心转轴上并固定连接，所述感应电路板置于所述外壳被并置于所述码盘的下方，所述空心转轴穿过所述感应电路板的中心通孔，所述升降调节筒的上段筒体的直径大于下段筒体的直径，所述升降调节筒的上段筒体与所述感应电路板的外周边缘连接，所述升降调节筒的下段筒体的外壁上设有外螺纹，所述外壳的底部设有向上凸起的外壳筒体，所述外壳筒体的内壁上设有内螺纹，所述升降调节筒的下段筒体置于所述第二轴承的外壁与所述外壳筒体的内壁之间且与所述外壳筒体螺纹连接，所述外壳的外底面设有圆环形的外壳沉槽，所述外壳沉槽的槽底设有至少两个沿圆周方向均匀分布的圆弧形外壳通孔以及至少两个沿圆周方向均匀分布的外壳螺孔，圆环形的所述调节驱动环置于所述外壳沉槽内，所述调节驱动环的上面设有至少两个沿圆周方向均匀分布且向上凸起的驱动凸柱，多个所述驱动凸柱分别穿过一一对应的多个所述圆弧形外壳通孔，所述升降调节筒上与多个所述驱动凸柱对应的位置分别设有竖向的驱动盲孔，多个所述驱动凸柱的上段分别置于多个所述驱动盲孔内，所述调节驱动环上设有至少两个沿圆周方向均匀分布的圆弧形驱动环通孔，多个螺钉分别由下而上穿过多个所述圆弧形驱动环通孔后与一一对应的多个所述外壳螺孔连接，所述调节驱动环的下表面设有至少两个沿圆周方向均匀分布的转动盲孔。

作为优选，为了便于组装，所述外壳包括相互连接的第一外壳和第二外壳，所述第一外壳位于所述第二外壳的上方，所述外壳筒体和所述外壳沉槽均设于所述第二外壳上。

作为优选，为了便于实现可靠驱动且便于将调节驱动环、外壳和升降调节筒可靠地组装在一起，所述圆弧形外壳通孔、所述驱动凸柱、所述驱动盲孔和所述转动盲孔均为两个，所述螺钉、所述圆弧形驱动环通孔和所述外壳螺孔均为四个。

作为优选，为了使传感器的底部整齐美观、便于应用，所述调节驱动环的竖向厚度与所述外壳沉槽的竖向深度相同，所述圆弧形驱动环通孔的下部孔壁设有台阶且对应的所述螺钉的螺帽置于该台阶内。

作为优选，为了便于稳定安装码盘，所述空心转轴上与所述码盘对应的位置设有外凸的转轴凸环，所述码盘通过连接螺钉与所述转轴凸环固定连接。

本发明的有益效果在于：

本发明通过将感应电路板上的多感应线圈和单感应线圈设置在相互重叠的同一个圆环形区域内，同时减少了一组激励线圈，因此大幅减小了感应电路板的直径，将单编码片与多编码片共同设于码盘上同一个圆环上，大幅减小了码盘的直径，与传统感应式绝对角位移传感器的感应电路板和码盘直径相比最大可减少一半直径且但仍能实现绝对角度定位，显著减小了传感器直径和体积；同时，由于感应线圈内的感应电动势一般为几mv级别，故其相互影响的干扰量较小，而且感应式角位移传感器的分辨率主要由多感应线圈的正弦形导线数量决定，所以完全不影响角位移检测精度。另外，本发明通过在外壳内设置升降调节筒和调节驱动环，并巧妙设计圆弧形外壳通孔、驱动凸柱、驱动盲孔、圆弧形驱动环通孔、螺钉外壳螺孔和转动盲孔，能够实现直接在外部通过工具转动调节驱动环实现感应电路板和码盘之间间距调节的功能，便于根据实际应用情形将感应式角位移传感器的感应电路板和码盘之间的间距调节为最佳间距，从而提高感应式角位移传感器在具体应用场景中的检测精度。

附图说明

图1是传统感应式绝对角位移传感器的感应电路板的俯视结构示意图；

图2是传统感应式绝对角位移传感器的码盘的仰视结构示意图；

图3是传统感应式绝对角位移传感器的多编码片和单编码片投射到感应电路板上的俯视结构示意图；

图4是传统感应式绝对角位移传感器的单感应线圈感应电动势随码盘旋转角度变化的曲线示意图；

图5是本发明所述小型感应式绝对角位移传感器的感应电路板的俯视结构示意图；

图6是本发明所述小型感应式绝对角位移传感器的感应电路板的主视分层结构示意图；

图7是本发明所述小型感应式绝对角位移传感器的码盘的仰视结构示意图；

图8是本发明所述小型感应式绝对角位移传感器的多编码片和单编码片投射到感应电路板上的俯视结构示意图；

图9是本发明所述小型感应式绝对角位移传感器的单感应线圈感应电动势随码盘旋转角度变化的曲线示意图；

图10是本发明所述小型感应式绝对角位移传感器的多感应线圈感应电动势随码盘旋转角度变化的曲线示意图；

图11是本发明所述小型感应式绝对角位移传感器的主视剖视结构示意图；

图12是本发明所述小型感应式绝对角位移传感器的调节驱动环的仰视结构示意图；

图13是本发明所述小型感应式绝对角位移传感器的第二外壳的仰视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图5和图7所示，本发明所述小型感应式绝对角位移传感器包括相互对应的感应电路板12和码盘24，感应电路板12上设有外激励线圈13、内激励线圈15、多感应线圈14和单感应线圈16，内激励线圈15位于外激励线圈13内，感应电路板12的中心通孔17位于内激励线圈15内，多组多感应线圈14和多个椭圆形的单感应线圈16相互重叠且均位于外激励线圈13和内激励线圈15之间，码盘24上设有多编码片25和单编码片27，多编码片25呈半圆形设于码盘24的圆环表面，半圆形的单编码片27设于码盘24的圆环表面且与多编码片25合围形成同一个圆环。

本发明还公开了以下多种更加优化的具体结构，根据实际需要可以将上述结构与下述一种或多种具体结构进行叠加组合形成更加优化的技术方案。

如图5、图6和图7所示，为了便于在感应电路板12上设置多感应线圈14、单感应线圈16、外激励线圈13、内激励线圈15、屏蔽层(图中未示，常规结构)和电路(图中未示，常规结构)并便于在码盘24上设置多编码片25，感应电路板12包括相互重叠且由上而下依次排列的第一层PCB板18、第二层PCB板19、第三层PCB板20、第四层PCB板21、第五层PCB板22和第六层PCB板23，四组多感应线圈14分别设于第一层PCB板18和第二层PCB板19上，两个单感应线圈16的长轴相互垂直且圆心相互重叠，两个单感应线圈16、外激励线圈13和内激励线圈15分别设于第三层PCB板20和第四层PCB板21上，第五层PCB板22设置屏蔽层，第六层PCB板23上设置电路；多编码片25由八个编码片围绕形成半圆形组成。

如图11、图12和图13所示，为了实现感应电路板12与码盘24之间间距的快速调节功能，所述小型感应式绝对角位移传感器还包括外壳、空心转轴32、升降调节筒31和调节驱动环38，设空心转轴32的轴向为竖向，空心转轴32穿过所述外壳的竖向通孔，空心转轴32与所述外壳的上部和下部分别通过第一轴承30和第二轴承34连接，码盘24置于所述外壳内的上部，码盘24通过自身的中心通孔26套装在空心转轴32上并固定连接，感应电路板12置于所述外壳被并置于码盘24的下方，空心转轴32穿过感应电路板12的中心通孔17，升降调节筒31的上段筒体(图中未标记)的直径大于下段筒体35的直径，升降调节筒31的上段筒体与感应电路板12的外周边缘连接，升降调节筒31的下段筒体35的外壁上设有外螺纹，所述外壳的底部设有向上凸起的外壳筒体36，外壳筒体36的内壁上设有内螺纹，升降调节筒31的下段筒体35置于第二轴承34的外壁与外壳筒体36的内壁之间且与外壳筒体36螺纹连接，所述外壳的外底面设有圆环形的外壳沉槽44，外壳沉槽44的槽底设有至少两个沿圆周方向均匀分布的圆弧形外壳通孔43以及至少两个沿圆周方向均匀分布的外壳螺孔45，圆环形的调节驱动环38置于外壳沉槽44内，调节驱动环38的上面设有至少两个沿圆周方向均匀分布且向上凸起的驱动凸柱37，多个驱动凸柱37分别穿过一一对应的多个圆弧形外壳通孔43，升降调节筒31上与多个驱动凸柱37对应的位置分别设有竖向的驱动盲孔(图中未标记)，多个驱动凸柱37的上段置于多个所述驱动盲孔内，调节驱动环38上设有至少两个沿圆周方向均匀分布的圆弧形驱动环通孔40，多个螺钉39分别由下而上穿过多个圆弧形驱动环通孔40后与一一对应的多个外壳螺孔45连接，调节驱动环38的下表面设有至少两个沿圆周方向均匀分布的转动盲孔41。

如图11和图13所示，为了便于组装，所述外壳包括相互连接的第一外壳28和第二外壳29，第一外壳28位于第二外壳29的上方，外壳筒体36和外壳沉槽44均设于第二外壳29上，空心转轴32由上而下依次穿过升降调节筒31的中心通孔、调节驱动环38的中心通孔42、第二外壳29的中心通孔46。

如图11-图13所示，为了便于实现可靠驱动且便于将调节驱动环38、外壳和升降调节筒31可靠地组装在一起，圆弧形外壳通孔43、驱动凸柱37、所述驱动盲孔和转动盲孔41均为两个，螺钉39、圆弧形驱动环通孔40和外壳螺孔45均为四个。

如图11-图13所示，为了使传感器的底部整齐美观、便于应用，调节驱动环38的竖向厚度与外壳沉槽44的竖向深度相同，圆弧形驱动环通孔40的下部孔壁设有台阶且对应的螺钉39的螺帽置于该台阶内。

如图11-图13所示，为了便于稳定安装码盘24，空心转轴32上与码盘24对应的位置设有外凸的转轴凸环33，码盘24通过连接螺钉与转轴凸环33固定连接。

如图5-图13所示，应用时，将被检测设备的驱动轴(图中未示)穿过空心转轴32的中心通孔，通过空心转轴32带动码盘24旋转，码盘24上的多编码片25和单编码片27同步旋转，感应电路板12上的多感应线圈14和单感应线圈16上的感应电动势分别随多编码片25和单编码片27转动而变化，输出信号后实现角位移检测功能。

如图11-图13所示，需要调节感应电路板12与码盘24之间的间距时，先松开螺钉39(也可以取下螺钉39，但为了防止调节驱动环38脱离第二外壳29，还是不取下为宜)，再通过工具(该工具可采用在硬质杆体的两端分别设置凸柱的结构)插入两个转动盲孔41并转动，使调节驱动环38转动，驱动凸柱37带动升降调节筒31转动，由于升降调节筒31的下段筒体35与第二外壳29的外壳筒体36之间为螺纹连接，而第二外壳29保持不动，所以升降调节筒31会在竖向移动，直到达到合适位置使感应电路板12与码盘24之间的间距为最佳时为止，最后旋紧螺钉39，即完成调节。在此过程中，两个驱动凸柱37分别在两个圆弧形外壳通孔43中转动，四个螺钉39不动但始终分别位于四个圆弧形驱动环通孔40内，两个驱动凸柱37的上端始终位于升降调节筒3的两个所述驱动盲孔内，操作简单方便。

本发明所述小型感应式绝对角位移传感器具有很高的检测精度，而且能够检测角位移绝对值，其原理是：如图8所示，感应电路板12与码盘24相互平行且对应，多编码片25对应于四组多感应线圈14，单编码片27对应于两个单感应线圈16，码盘24旋转360°，两个单感应线圈16的电动势变化一个周期，每个单感应线圈16对应的电动势变化曲线呈“V”形，如图9所示，由于两个单感应线圈16相互垂直交叉，所以两个单感应线圈16对应的电动势变化曲线为两个方向相反的“V”形；同时，码盘24旋转360°，多感应线圈14的电动势变化16个周期，结合两个单感应线圈5对应的电动势变化和多感应线圈14的电动势变化即可确定码盘24的绝对角度位置，即能够检测被检测设备的驱动轴和空心转轴32的绝对角位移值。

说明：上述感应电路板12、码盘24、多感应线圈14、单感应线圈16、多编码片25、单编码片27分别与背景技术内容中的感应电路板1、码盘8、多感应线圈3、单感应线圈5、多编码片9、单编码片11相互对应，但是由于本发明新结构在尺寸、排列方式等方面发生了变化，所以采用了相同名称但标记数字不同。

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。