CN102692243A - 多转绝对值旋转编码器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于直接或间接测量机械位移的传感器，主要针对多转（多圈）绝对值一类旋转编码器的改进。此类传感器传统技术设计存在着耗电大，结构复杂，造价昂贵的缺点。本发明开创性的在原有的结构中加入了弹性蓄能机构101，使得应用本发明技术的传感组件不但不需要外部电源供给，还能够自发电，甚至输出电能供信号处理电路使用。此类传感器应用本发明技术的最终直接的有益效果有三个：可以使用功耗低的廉价芯片代替原本复杂的精密结构使得成本大幅降低；也因为可以使用电子芯片记录数据，使得记录位数能力大幅提升；低功耗芯片组的应用使传感器可以不依赖外部电源，仅内部便携供电就可维持几年以上的数据记录。

Description

多转绝对值旋转编码器

技术领域

本发明涉及一种用于测量机械位移的传感器（编码器）。位移传感器被广泛的应用，例如发动机中，用于曲轴旋转相位的定位、流水线机械手姿态的自我‘感知’与控制、生产线定量计米、数控机床各运动轴的动态或静态定位等。甚至日常生活中都经常可以见到它的影子，比如电梯、打印机、鼠标、煤气表和水表等计量仪表。

背景技术

目前，常见的成熟产品中，按照测量范围能力分类有三种，分别是：增量式、单圈绝对值式、多圈绝对值式（很多水表、煤气表等无源计量仪表也在此列）。按照传感器形式划分，有磁电式、磁敏式、光电式。按照驱动能量来源区分，有无源的和有源的。按照运动形式分为直线式和回转式。

增量式价格相对便宜，但仅适合做相对位移测量和转速测量。增量式编码器利用输入轴带动磁栅盘或光栅盘，导致磁场或光线的周期变化，然后用对应的传感器，将代表位移的磁或光的变化转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。增量式编码器将位移转换成周期性的电信号的具体实施办法可以是当前技术中所使用的磁电式、磁敏式、光电式的任意一种。增量式编码器优点是结构简单，工艺难度低，价格低廉，缺点是断电后位置信息会丢失。在定位应用中，增量式每次上电开机都要寻找外部参考点然后再投入正常工作。

单圈绝对值式，价格较贵，但优点是可以在每转范围内提供对多点位置的绝对定位，即对每点都提供一组唯一的代码来代表该位置，并且断电后该位置信息仍然不会丢失。但单圈绝对值式对于多于一圈的定位应用，就无法提供唯一的位置代码，这是它的缺点。

有一类产品中，通过备用电源来结合单圈绝对值码盘的特性来记录编码器输入轴的旋转圈数，以便达到即使主电源断开，编码器仍旧能够在大范围内自行记录位移信息。这类产品虽然较之纯单圈绝对值式有了很大进步，但仍旧难以满足大多数需求。因为目前常用的三类传感器件都需要相对耗费大量能源，现在的电池技术不足以长时间供应其所需。例如磁电式（类似传统磁带式录音机的磁头），基本结构是一开环磁芯骨架上绕有线圈，它的输出信号强度是随相对于磁场运动速度变化的，当相对于静磁场的运动速度很慢的时候，它感应出的信号已经不足以为处理电路直接使用了。对于这种磁电传感器的弊端，目前有两种应对办法：一种需要在其后接驳信号放大电路，但放大电路消耗了额外的电能，而且也不能在传感器绝对静止的时候获得信号输出；一种是在磁芯绕制另一组线圈，并且通上励磁电流，这样就可以使磁电式传感器在相对于静磁场不动的时候也可以获得足够强的输出信号，但同样的，这也需要额外消耗电能。余下的磁敏器件和光电器件也存在类似的能耗大的问题。关于这个能耗大的问题在专利200580014807.X中有比较详细的论述，并基于这个问题提出了解决方案。但其并没有从根本上解决问题，在检测码盘的时候传感器仍旧会消耗一部分电能。

多圈绝对值式的优点是它可以比单圈绝对值式提供更大范围内的绝对位置的代码，且断电后位置信息不丢失。如目前的某型号产品，其单圈最大分辨率为65536步, 并且提供达16384圈的记录能力。但其结构复杂，造价高昂，所以限制了很多应用。

发明内容

显然，目前现有的产品可以归纳出的问题是：都存在或多或少的缺陷，要么功能或性能不够完善，无法满足需要，要么价格昂贵。本发明的目的便是运用特定的技术以及组合技术手段规避现有技术中的弊端，低成本的实现多圈绝对值式的编码器的生产制造。

根据对编码器这种传感部件的本质分析，可以发现，编码器在某些应用中是能量转换装置，例如煤气表、水表。这些都是在测量环境中间接或直接汲取被测量装置提供的能量，然后按照一定规则驱动机械结构实现数据记录。在机床等应用编码器的环境中因为要高速输出电信号，所以这里的编码器都是要外接电源以满足电子芯片和传感器件相对大量的电能消耗。或许这很大程度上在本领域技术人员中造成了一定的技术偏见，既：传感器以及内部核心传感器件都是要消耗电能的（现有产品中所有类型编码器的耗电量也确实相对电池等移动供电设备来说是很大的）。但其实在这些应用中，不仅仅外接的电源是能量来源，编码器的输入轴也是一能量来源（动能）。如果能很好的利用起这个能源的话，显然可以解决不少问题，尤其是在上面提到的，常规的单圈绝对值编码器传感器件能耗大的问题。

综上分析，本发明在解决这个传感器能耗问题上的理论方针是：用价格低廉的电子芯片取代价格昂贵的精密机械结构，实现等同常规多圈绝对值编码器的多圈记录能力；用输入轴输入的机械能来使传感器产生电信号送交处理电路，以便备用电源仅仅提供处理电路自身维持基本功能所需消耗的电能，而不用顾及传感器件。甚至，如果将来储能器件的技术进步，如充电电池的自放电率非常低、法拉电容在几立方厘米的体积内就拥有上千法的容量且自放电率非常低，那么本发明中可以自发电的传感组件甚至可以为整个处理电路提供维持记录基本数据的电能。即便是当下，利用自发电传感器的微瓦级能量，来供给消耗电流不足微安的计数器芯片维持基本计数功能也非难事。一些特殊应用场合中，如果使用的是同位素电池做后备电源，那么将可以维持电路运行几十年甚至长达几千年之久。这些都是应用本发明技术后的最直接的有益效果。本发明技术的应用解决了现有编码器对于圈数记录能力的不足，可以很容易的达到几十比特位,这仅由低功耗计数器芯片的计数位数决定。

根据上述实施方针，提出以下原理性解决方案：因为处理数量级越小的能量越困难，所以需要设计一个装置，将输入轴低速缓慢旋转时输入的少量动能存储起来，当输入轴转动超过某一角度阈值的时候，再把存储的动能释放出来并且直接转换为电能或电信号，这样就可以避免常规磁电传感器低速情况下无法正常工作或需要外接电源辅助的弊端。实现动能的直接存储的最简单办法是构造一弹性结构，由输入轴通过构件或磁场等媒介来传递牵制阻力，使传感器件或与之配合的被测配套构件在一个有限的范围内可以沿输入轴的旋转弧线方向摆动。

传感器能耗问题解决方案总结：这个弹性蓄能结构是本发明得以解决关键的能耗问题的重中之重，其关键作用是把输入轴低速微量位移的动能以弹性势能储存起来以备释放，并转换成电能（即电信号）。而相应的，目前所有市面上的产品以及各种文献的记载中相关的传感器以及配套的磁栅、光栅、齿轮、棘轮全部都是刚性固定，在现有有源或无源的位移传感中也都看不到把输入动能周期性存储释放的组件或部件。在弹性结构的蓄能机构基础上可以延伸出很多可以解决能耗问题的等同手段。比如弹性蓄能机构在释放势能的时候，可以利用磁电原理通过改变线圈中磁场强度输出电信号，也可以用压电陶瓷替代磁电线圈检测弹性结构释放势能产生的震动而输出电信号；弹性蓄能机构可以设置在输入轴上随其旋转，也可以设置在外壳上固定；为达到相对运动的输入轴和外壳之间的阻滞作用，磁场牵引力也可以替换成机械结构的棘轮定位机构，通过摆动的振动来输出电信号，这同样会实现解决方针的功能，完成对输入轴输入的机械能的周期转换。对于储能装置的等同修改，都是行业内一般技术人员不通过创造性脑力劳动只根据现有的可选技术方案就可以完成的。 

附图说明

图 1 是实施例一，基于磁阻变化发电原理实现的方案之一

其中：

        101 弹性阻尼蓄能机构（可以是整体的纤细部分，也可以是单独的弹性部件，如弹簧等）

        102 传感器（传感磁头，由铁磁性磁芯和线圈构成）

        103 辨向开关

        104 后备电源

        105 数据接口

        203 铁磁性棘轮

        107 输入轴

        108 处理电路

        109 轴承

        110 外壳

图 2是实施例一的传感器以及相关部分细节

其中：

        110 外壳

        101 弹性阻尼蓄能机构（可以是整体的纤细部分，也可以是单独的弹性部件，如弹簧等）

        201 磁路、磁力线

        202 传感器线圈

        203 铁磁性棘轮

        204 传感器N极

        205 传感器S极

图 3是图2的动态说明

其中：

        110 外壳

        101 弹性阻尼蓄能机构（可以是整体的纤细部分，也可以是单独的弹性部件，如弹簧等）

        201 磁路、磁力线

        202 传感器线圈

        203 铁磁性棘轮

        204 传感器N极

        205 传感器S极

        206 传感器磁头随棘轮转动，超出弹性阈值范围后的摆动方向

        207 棘轮转动方向

图 4 区分输入轴转动方向的另一种变形

其中：

        301 单向轴承（两只单向轴承反向安装，输入轴转动时只带动两个棘轮中的一个转动）

图 5 利用压电陶瓷做传感器件的实施示例

其中：

        110 外壳

        401 压电陶瓷（以及可能的安装位置，图中仅标示两个优先选择的方案）

        101 弹性阻尼蓄能机构

        207 转动方向

        402 凸轮

图 6 是图5的动态说明

    其中：

        501 压电传感头摆动方向

图 7 是多传感组件方案的示意图

图 8 是三、四传感组件方案下，传感组件的输出波形示意图。

具体实施方式

基于以上理论解决方案与技术方针指导，本发明的实施可以有由很多不同材料不同样式组成等同效果的不同结构。限于篇幅无法一一说明，但为便于理解本发明的实质，以下仍列举部分示例性实施实例。

弹性储能装置，可以利用现有的大多数，除脆、硬材料以外的固体材料制成，如金属、塑料、玻纤碳纤等。通常使用现在可以做弹簧部件的材料最适宜。弹性储能装置的另一个特点是要有阻尼作用，既自由摆荡时的幅度要能迅速衰减，否则会极大的影响输出信号使其不能被电路直接准确识别。这个阻尼效果不仅可由专职的部件来完成，也可以由弹性组件自身的阻尼性能来兼职。

传感器件部分，按照动能直接发电的现有不同技术方案分类，可以实现两类传感器和结构。一种是磁电式，一种是压电式。磁电式细分，有利用磁阻变化发电、切割磁力线发电两种。其中利用磁阻发电的结构中，永磁体的位置可以在磁路中任意一环中安排；传感线圈也可以在磁路中的任意一环中安排。压电陶瓷的应用可以通过敲击或扭动等形式，感应弹性储能装置释放的动能。传感组件和与其相对运动的组件皆可做动静位置的变换。

示例性整体实施例一：

参考图1，除了后备电源104、数据接口105、输入轴107、处理电路108、轴承109、外壳110等必要的常规结构外，利用磁阻最小原理，特别设计一个带凸起结构的主动铁磁性组件203固定在输入轴107之上，随其一起旋转，铁磁性棘轮203牵动一个被动铁磁性传感组件102，且在这两个铁磁性组件之中，择其一（本图例是在铁磁性传感组件102）安装弹性阻尼储能结构101。

图1中铁磁性传感组件102附近的细节见图2，铁磁性传感组件102主要是由图2中传感器线圈202、传感器N极204、传感器S极205组成

参考图3，当两个铁磁组件203和102产生相对运动趋势的时候，在磁拉力和弹性结构101的共同作用下，被动铁磁组件102（被动铁磁组件102即是202、204、205的整体）会被主动铁磁组件203在一定范围内拉动。拉动的时候，输入轴107输入的动能会储存在弹性阻尼结构101中。当超过弹性阻尼储能结构101的弹性阈值时，因为磁路被拉断，弹性阻尼储能结构101储存的势能释放，被动铁磁性组件102会快速向主动铁磁组件203运动趋势相反的方向摆动，摆向下一个磁导最大的路径，同时，磁路中通过线圈的磁通因为磁路扰动发生变化，导致线圈产生感生电压。因为被动铁磁组件相对主动铁磁组件的摆动的速度总是大于某一值，所以线圈产生的电压也会高于某值，直接送交处理电路108记录。

在本例中，弹性阻尼储能结构101也可以由铰接结构代替，而其原本的弹性功能，可由结构特点和磁通总是沿着磁导最大的路径闭合相结合，从而产生磁拉力并力图缩短磁通路径的特性代为完成，这并不影响整体设计的实施也不偏离本发明设计理念

示例性整体实施例二（见图4）：

大部分与实施例一一致，仅传感组件部分为两套，分别由两个反向安装的单向轴承301带动，即两个铁磁性棘轮一个只会随输入轴顺时针转动，另一个只会随输入轴逆时针转动。

示例性整体实施例三（见图5）：

大部分结构都与实施例一雷同，只是传感器的类型做了变动，在这里是利用压电陶瓷401的发电能力来实现位移与电信号的转换。当凸轮402每转过一个齿，压电传感头都会摆动敲击一次输出一个电脉冲信号。在具体实施当中，因为震动的特性，使得压电陶瓷传感器可以安装在任意敏感部位。本实施例动作示意图参见图6。

示例性整体实施例四：

为了分辨输入轴107的旋转方向，也可以使用多个传感部件按照一定的角度偏差，相对于几轮圆周分布。以便在输入轴转动的时候输出有相位差的三相脉冲信号，或四相脉冲信号乃至更高（五相以及以上），本方案内部细节的轴向视图见图7。这样的好处是不但可以省却一个需要特殊制造的分辨旋转方向的机构，还可以在原有棘轮的基础上，成倍增加每转输出的脉冲个数。

声明：所有涉及本发明的人员将要理解的是，除了在此明确地公开的那些示例之外，对在此公开的实施例进行修改的同时实现本发明的宗旨、本质是可能的。对于这样的没有背离本发明技术核心的修改和变形理应在本发明的范围之内。因此，本发明的范围不局限于上述列举的那些示例性实施实例，而仅由本说明书中发明方针方案所诠释的本专利申请中的权利要求书所限制。

Claims (2)

1.一种绝对值编码位移传感器，其结构特征在于：除了具有外壳、输入轴、处理电路、接口常规结构外，还具有弹性储能结构与自发电的传感组件；其功能特征在于：主要由弹性材料构成的弹性储能机构周期性存储、释放输入轴输入的动能。

2.如权利要求1所述的绝对值编码位移传感器，其特征还在于：弹性储能机构释放的动能供给由磁电组件或压电组件等组成的能够自发电的传感组件产生周期性的电能或电信号脉冲。

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