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CN111486803A - 感应式光学旋转传感器 - Google Patents

感应式光学旋转传感器 Download PDF

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CN111486803A CN201911027805.4A CN201911027805A CN111486803A CN 111486803 A CN111486803 A CN 111486803A CN 201911027805 A CN201911027805 A CN 201911027805A CN 111486803 A CN111486803 A CN 111486803A
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Abstract

本文中描述一种旋转位置传感器(100)，所述旋转位置传感器包括：静止部分(102)，所述静止部分包括第一板(110)和第二板(120)；以及可旋转部分(101)，所述可旋转部分包括第三板(130)。所述第二板(120)包括第一平面线圈(121)；并且所述第三板(130)包括第二平面线圈(131)，以及用于产生亮度的装置(133)。所述第一板(110)包括用于接收所述产生的亮度的装置(140)，并且所述第二板(120)的所述第一平面线圈(121)被配置成经由感应将电力传输到所述第三板(130)的所述第二平面线圈(131)。由所述第二平面线圈(131)接收的所述电力被配置成向用于产生亮度的所述装置(133)供应电流；并且用于产生亮度的所述装置(133)被配置成发射具有亮度级的亮度信号。用于接收所述亮度的所述装置(140)被配置成测量所述亮度级，所述亮度级与所述第三板(130)的旋转角度直接相关。还描述一种制造这种旋转位置传感器的方法。

Description

感应式光学旋转传感器
技术领域
本公开涉及旋转传感器，并且特别地，可以用于航空电子和航空应用中的旋转传感器。
背景技术
旋转位置传感器通常用于许多航空电子和航空应用中。所述传感器也广泛地用于例如工厂控制、机器人和汽车领域的工业领域中。目前，优选使用非接触的旋转位置传感器，这是因为所述传感器由于机械部件的磨损减少而提供更大的耐久性。
然而，这些已知的非接触传感器会相当复杂，并且常常需要输出信号的某种形式的解调以便检索角度信息。
这些类型的传感器使用不同类型的技术以便确定角度测量。举例来说，传感器可以使用例如电位式、感应式(RVDT)、电容式、磁性和光学的测量(例如RB传感器，经由偏振器的衍射测量或亮度)。
这些已知的作为光学传感器的非接触传感器需要介于转子与定子之间的特定光学元件以便实现旋转角测量。
US 4,661,698描述一种旋转光学换能器。所述光学换能器能够连接到固定主体和旋转构件以用于检测旋转构件相对于固定主体的角位置。所述光学换能器包括用于发射具有预定轴线的光束的发光装置和光检测器装置。
US 6,919,559B2描述一种高温光学旋转与线性位置传感器。所述传感器包括携载光源的第一构件和相对于所述光源围绕轴线旋转的第二可旋转构件。所述传感器结合固定地附接到所述第二构件的光反射表面和相对于所述光源固定的反射光接收构件而使用这些部件，以便确定旋转位置。
发明内容
本文中描述一种旋转位置传感器，所述旋转位置传感器包括：静止部分，所述静止部分包括第一板和第二板；以及可旋转部分，所述可旋转部分包括第三板。所述第二板包括第一平面线圈，并且所述第三板包括第二平面线圈以及用于产生亮度的装置。所述第一板包括用于接收所述产生的亮度的装置。所述第二板的所述第一平面线圈被配置成经由感应将电力传输到所述第三板的所述第二平面线圈。由所述第二平面线圈接收的所述电力被配置成向用于产生亮度的所述装置供应电流。用于产生亮度的所述装置被配置成发射具有亮度级的亮度信号，并且用于接收所述亮度的所述装置被配置成测量所述亮度级，所述亮度级与所述第三板的旋转角度直接相关。
在本文中所描述的传感器和/或方法的实例中的任一者中，所述亮度级可以与由所述第二平面线圈接收的电力的量成正比。
在本文中所描述的传感器和/或方法的实例中的任一者中，用于接收亮度的所述装置可以包括光传感器。
在本文中所描述的传感器和/或方法的实例中的任一者中，用于接收亮度的所述装置可以设置在所述第一板的表面上，所述表面面向所述第二板的表面。
在本文中所描述的传感器和/或方法的实例中的任一者中，所述第一板可以包括用于从电源接收DC电力的装置。
在本文中所描述的传感器和/或方法的实例中的任一者中，用于产生亮度的所述装置可以设置在所述第三板的表面上，所述表面面向所述第二板的表面。
在本文中所描述的传感器和/或方法的实例中的任一者中，用于提供亮度的所述装置可以包括一个或多个发射体LED。
在本文中所描述的传感器和/或方法的实例中的任一者中，所述第一板可以被配置成向所述第二板的所述第一线圈提供电力。
在本文中所描述的传感器和/或方法的实例中的任一者中，所述第二板可以定位在所述第一板与所述第三板之间。
在本文中所描述的传感器和/或方法的实例中的任一者中，用于产生亮度的所述装置可以在所述第一板的方向上产生所述亮度。
在本文中所描述的传感器和/或方法的实例中的任一者中，所述第一和第二平面线圈可以定位成面向彼此。
本文中还描述一种制造旋转位置传感器的方法，并且所述方法包括提供：a)静止部分，所述静止部分包括第一板和第二板；以及b)可旋转部分，所述可旋转部分包括第三板。所述方法还包括在所述第二板上设置第一平面线圈；以及在所述第三板设置第二平面线圈和用于产生亮度的装置；以及在所述第一板上设置用于接收所述亮度的装置。所述第二板的所述第一平面线圈被配置成经由感应将电力传输到所述第三板的所述第二平面线圈。由所述第二平面线圈接收的所述电力被配置成向用于产生亮度的所述装置供应电流。用于产生亮度的所述装置被配置成发射具有亮度级的亮度信号，并且用于接收所述亮度的所述装置被配置成测量所述亮度级，所述亮度级与所述第三板的旋转角度直接相关。
在本文中所描述的传感器和/或方法的实例中的任一者中，所述亮度级可以与由所述第二平面线圈接收的所述电力的量成正比。
在本文中所描述的实例中的任一者中，所述方法还可以包括将DC电源连接到所述第一板。
在本文中所描述的传感器和/或方法的实例中的任一者中，所述第一板可以被配置成从所述DC电源产生AC电源，并且所述第一板还可以被配置成向所述第二板的所述第一线圈提供所述AC电源。
附图说明
在说明书的结束部分中特别地指出并且明确地要求本公开的标的。然而，对本公开的更全面理解可以通过在结合图式考虑时参考详细描述和权利要求书来最好地获得，在所述图式中，相似数字表示相似元件。
图1图示如本文中所描述的新类型的旋转位置传感器的侧视图。
图2提供本文中所描述的新类型的光学旋转传感器的概览。
图3a描绘图1中所示的传感器的第二和第三板的线圈对准并且具有最大耦合系数的情形。
图3b描绘图1中所示的传感器的第二和第三板的线圈未对准并且具有最小耦合系数的情形。
图4描绘系统的功能概览。
具体实施方式
本文中所描述的实例可以用于包括航空电子和航空领域的许多技术领域中。非接触的旋转位置传感器通常用于这些领域中，然而，所述传感器具有如下缺点：输出信号常常必须要解调以便检索角度信息。所述传感器还具有旋转部分和静止部分均必须具有电力供应的缺点。本文中所描述的实例因此以克服如在下文详细地描述的这些缺点为目标。
在图1中示出新类型的旋转位置传感器100的实例。如在图中可见，传感器100包括旋转或可旋转部分101和静止部分102。静止部分102包括第一板110和第二板120。可旋转部分101包括第三板130。也就是说，在使用中，第一板110和第二板120固定在适当位置，而第三板130被安装在旋转轴400上并且因此能够相对于第一板110和第二板120旋转。
所述三个板各自具有第一和第二对置平坦表面，在图1中，所述平坦表面能够看作第一(或在图1中示出的特定实例中，下部)面向表面110b、120b、130b和第二对置的面向(在这种情况下，面向上)表面110a、120a、130a。在使用中，三个板110、120、130堆叠，使得第一板110的第二或上部面向表面110a面向第二板120的第一或下部面向表面120b，并且使得第三板130的第一或下部面向表面130b面向第二板120的第二或上部面向表面120a。也就是说，第二板120定位在的第一板110和第三板130的表面之间，如图1所示。如本文中所描述的词语“上部”和“下部”仅用于关于图1参考，并且装置未必必须保持在如图1所示的精确位置。
设置转子400以使得提供第三板130相对于静止部分102的旋转。在图1中示出的实例中，这种旋转将通过转子400与第三板的上部表面130a接触来实现，然而，其他实例可以包括以其他方式与第三板130相关联的转子400，以使得仍提供旋转。
第一板110还包括用于接收并且测量亮度的装置140。在一些实例中，这个装置可以包括光传感器140。如在图1中可见，光传感器140可以设置在第一板110的第二或上部表面110a(即面向第二板120的第一或下部表面120b的表面110a)上。
用于产生亮度的装置133与第三板相关联，以使得能够在第二板120和第一板110两者的方向上产生并且提供亮度并且最后向用于接收并且测量与第一板110相关联的亮度的装置140提供亮度。如此，由上文所描述的装置140来接收并且测量所述产生的亮度。
在图1中示出的实例中，用于产生亮度的装置133设置在第三板130的第一或下部表面130b上，即所述装置设置在面向第二板120的表面上。在一些实例中，这个用于提供亮度的装置133可以包括发射体LED 133。可以替代地使用用于提供亮度的其他装置。
第二板120和第三板130还包括一个或多个平面线圈121、131。设置在第三板130上的一个或多个平面线圈131是设置在所述第三板的第一或下部表面130a上或嵌入所述第三板的第一或下部表面130a中(即在面向第二板120的平面线圈121的表面130b上或中。
第二板120还包括设置在所述第二板的面向第三板130的表面120a上或嵌入所述第二板的面向第三板130的表面120a中的一个或多个平面线圈121，并且装置使用第二板120上的这个/这些线圈121以将电力传输到第三板130的线圈131。
第一板110包括用于从外部电源200(在图2中示出)接收DC电力的装置210，并且还被配置成使用这个DC电压以产生与第一板110相关联/在第一板110上的AC电流。第一板110还被配置成接着向设置在第二板120上的线圈121供应这个AC电流。这个/这些线圈121还被配置成由此通过感应而在设置在第三板130上的线圈端子131处产生对应FEM。
这将通过在使用时使用上文所描述的输入DC电压在第一板110上产生AC电流来实现，所述输入DC电压由用于供应DC电压的装置210提供。这个AC电流依次供应设置在第二板120上的线圈121，并且第二板120的线圈121由此通过感应在设置在第三板130上的线圈端子131处产生对应FEM。这个电压在经过整流后接着用于向130上的用于产生亮度的装置133(即发射LED)供应电流。
在图1中示出的实例中，LED 133接着发射具有亮度级的亮度信号，所述亮度级与LED 133电流供应成正比。如上所述，这个信号的亮度级将由设置在第一板110上的光传感器140来测量。在图4中示出这个系统的功能架构。
图4中示出的功能架构表示静止部分与旋转部分之间的功能击穿。静止部分102包括第一板110和第二板120，并且图4示出连接到所述板的全部部件。旋转部分包括第三板130，并且图4还示出连接到所述板的全部部件。
在静止部分102中，输入DC电压是经由DC电压输入装置200在第一板110上获取。在一些实例中，所述DC电压可以接着由设置在第一板110上/与第一板110相关联的调节单元来进行滤波和调节，以避免任何扰动。接着，使用这个经调节的DC电压经由振荡单元112产生AC电压。电流发生器单元113接着可以用于使用这个AC电压产生相关AC电流。这个AC电流接着被发送到位于第二板120中或上的线圈121。
在旋转部分上，这个AC电流由此通过感应而在第三板130上的线圈131端子处形成对应的AC电压(FEM)。也可以设置与第三板130相关联的整流器单元138，使得这个电压经过整流并且用于使用恰当的电压到电流转换器块139(在这里符号化为电阻器)供应对应的LED133。
由第三板130上的这个(这些)LED 133产生的光将由设置在第一板110上的光传感器140来测量，所述光传感器产生依赖于所测量的亮度的恰当电压值。其他部件144可以与第一部110相关联地设置，使得这个电压接着可以加以调适或修改(例如，通过放大)和/或转换到电流(电压到电流调适)和/或数字化以在数字总线上发送。
在使用中，在第三板130围绕Z轴旋转期间，第二板120上的源线圈121和第三板130上的接收器线圈131未对准，如图3b所示。这导致线圈121与131之间的互感(和耦合系数)减少。因此，第三板130上的线圈131端子处的电压减小，从而导致供应第三板130上的LED 133的对应电流也减小。这使LED光强度随旋转角减小。对由第三板130(所述第三板也可以被称为源板130)产生的入射光的测量将直接关联到转子400的旋转。这个信息因此能够用于输出关联到旋转角的DC信号。
这个值的传输还能够使用数值和使用恰当的AC/DC转换器或智能光传感器来进行。
图3a和图3b示出线圈对准/未对准的两个实例。图3a中的第一边界角对应于最大耦合出现的情形。也就是说，第二板120和第三板130的线圈121、131对准。图3b中示出的第二边界描绘线圈121、131未对准的情形，而且这个情形对应于较低耦合。
在一些实例中，在第二板120上使用仅一个线圈121，并且在第三板130上使用一个线圈131。在其他实例中，可在第二和第三板120、130两者上使用多个线圈121、131。也可以可能通过使用两个与相关联传感器耦合的不同波长的LED 133来增大角范围。当使用不同波长的两个或更多个LED 133时，也可能知道旋转值的符号(在固定并且预定义的几何参考)。
本文中所描述的实例提供相对于已知传感器具有至少以下益处的改善的旋转位置传感器：a)所述传感器是非接触的，并且由此减少磨损以及增加耐久性；b)所述传感器是低功率传感器(这是因为传感器使用具有低功率消耗的LED灯)；c)所述传感器具有容易安装操作(这是因为光测量允许可旋转部分与静止部分之间的小z轴移位)；d)所述传感器不需要光导，也不需要透镜；e)仅所述传感器的静止部分(而不是可旋转部分)需要被供电；f)所述传感器能够与DC电源一起使用，因此不需任何外部激励。

Claims (15)

1.一种旋转位置传感器(100)，所述旋转位置传感器包括：
a)静止部分(102)，所述静止部分包括第一板(110)和第二板(120)；以及
b)可旋转部分(101)，所述可旋转部分包括第三板(130)；并且
其中所述第二板(120)包括第一平面线圈(121)；并且
其中所述第三板(130)包括第二平面线圈(131)和用于产生亮度的装置(133)；并且
其中所述第一板(110)包括用于接收所述亮度的装置(140)；并且
其中所述第二板(120)的所述第一平面线圈(121)被配置成经由感应将电力传输到所述第三板(130)的所述第二平面线圈(131)；并且
其中由所述第二平面线圈(131)接收的所述电力被配置成向用于产生亮度的所述装置(133)供应电流；并且
其中用于产生亮度的所述装置(133)被配置成发射具有亮度级的亮度信号，并且其中用于接收所述亮度的所述装置(140)被配置成接收并且测量所述亮度级，所述亮度级与所述第三板(130)的旋转角度直接相关。
2.如权利要求1所述的传感器，其中所述亮度级与由所述第二平面线圈(131)接收的电力的所述量成正比。
3.如权利要求1或2所述的传感器，其中用于接收亮度的所述装置(140)包括光传感器(140)。
4.如权利要求1、2或3所述的传感器，其中用于接收亮度的所述装置(140)被设置在所述第一板(110)的表面(110a)上，所述表面面向所述第二板(120)的表面(120b)。
5.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述第一板(110)包括用于从电源(200)接收DC电力的装置(210)。
6.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中用于产生亮度的所述装置(133)被设置在所述第三板(130)的表面上，所述表面面向所述第二板(120)的表面。
7.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中用于提供亮度的所述装置(133)包括一个或多个发射体LED。
8.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中第一板(110)被配置成向所述第二板(120)的所述第一线圈(121)提供电力。
9.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述第二板(120)定位在所述第一板(110)与所述第三板(130)之间。
10.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中用于产生亮度的所述装置(133)在所述第一板(110)的方向上产生所述亮度。
11.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述第一平面线圈(121)和所述第二平面线圈(131)定位成面向彼此。
12.一种制造旋转位置传感器(100)的方法，所述方法包括提供：
a)静止部分(102)，所述静止部分包括第一板(110)和第二板(120)；以及b)可旋转部分(101)，所述可旋转部分包括第三板(130)；并且
所述方法还包括在所述第二板(120)上设置第一平面线圈(121)；以及
在所述第三板(130)上设置第二平面线圈(131)和用于产生亮度的装置(133)；以及
在所述第一板(110)上设置用于接收所述亮度的装置(140)；
其中所述第二板(120)的所述第一平面线圈(121)被配置成经由感应将电力传输到所述第三板(130)的所述第二平面线圈(131)；并且
其中由所述第二平面线圈(131)接收的所述电力被配置成向用于产生亮度的所述装置(133)供应电流；并且
其中用于产生亮度的所述装置(133)被配置成发射具有亮度级的亮度信号，并且其中用于接收所述亮度的所述装置(140)被配置成接收并且测量所述亮度级，所述亮度级与所述第三板(130)的旋转角度直接相关。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述亮度级与由所述第二平面线圈(131)接收的所述电力的量成正比。
14.如权利要求11或12所述的方法，所述方法还包括将DC电源连接到所述第一板(110)。
15.如权利要求12到14中任一项所述的方法，其中所述第一板(110)被配置成从所述DC电源产生AC电源，并且其中所述第一板(11)还被配置成向所述第二板(120)的所述第一线圈(121)提供所述AC电源。
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