CN108008142B - 角速度传感器以及角速度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种角速度传感器以及角速度的测量方法，有助于提升角速度的测量精度，降低角速度传感器的制造成本以及复杂度。本发明的角速度传感器包括：速度转换模组和速度测量模组；所述速度转换模组用于接收被测物体的角速度信息，并用于将所述角速度信息转换为力矩信息；所述速度测量模组与速度转换模组连接，用于接收并获取所述力矩信息，并用于根据所述力矩信息得到所述被测物体的角速度。

Description

角速度传感器以及角速度的测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种角速度传感器以及角速度的测量方法。

背景技术

在工控领域，往往需要监测或控制某些转动设备的角速度。例如，在对伺服电机进行速度控制时，需要比较转子的实际转速与目标转速，然后进行反馈控制。

测量电机的角速度时，常用编码器先测量转子的位置，然后通过数值微分得到电机的转速。这种方法有一个天然缺陷：如果测量的位置信号精度无限高，则数值微分得到的速度信号将没有误差，十分平滑；如果位置信号的精度很有限，则由数值微分得到的速度信号将会产生很严重的噪声，影响控制精度。显然，由编码器测到的位置信号为数字量，其精度很有限。

为了解决该问题，行业内不断地尝试开发高分辨率的编码器，如24位编码器。随着编码器分辨率的提高，对光刻技术、光敏元件和测量电路等均提出了很高的要求。目前，只有少数国家具有生产高精度编码器的能力，处于垄断地位。这些造成了高分辨率编码器价格居高不下。据统计，一些高精度编码器的价格比伺服电机本身还要高。为了降低成本，许多电机生产商不得不选择分辨率低的编码器。低分辨率的编码器在速度测量时引入严重的噪声，特别是在低速控制时犹为明显。

另外，行业内也通过旋转变压器来测量转动设备的角速度，然而精度高的旋转变压器对于绕阻的工艺水平要求都比较高。

因此，有必要开发一种低成本、低复杂度的用于测量转动设备角速度的设备。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种角速度传感器以及角速度的测量方法，以有助于提升角速度的测量精度，降低角速度测量的工艺成本以及复杂度。

根据本发明的一个方面，提供了一种角速度传感器，包括速度转换模组和速度测量模组；所述速度转换模组用于接收被测物体的角速度信息，并用于将所述角速度信息转换为力矩信息；所述速度测量模组与所述速度转换模组连接，用于接收并获取所述力矩信息，并用于根据所述力矩信息得到所述被测物体的角速度。

优选的，所述速度转换模组包括同轴设置的输入部分和输出部分；

所述输入部分和输出部分均具有轴端和盘端，所述输入部分的盘端位于所述输入部分的远端，所述输出部分的盘端位于所述输入部分的近端，所述输入部分的盘端与所述输出部分的盘端间隔设置；

所述输入部分的轴端与所述被测物体连接，用于接收所述角速度信息；所述输出部分的轴端与所述速度测量模组连接，用于输出所述力矩信息；所述输入部分的盘端和所述输出部分的盘端之间设有阻尼材料。

优选的，所述阻尼材料为阻尼油脂。

优选的，所述速度转换模组还包括法兰盘和密封壳体；所述输入部分的轴端通过一输入部分轴承与所述法兰盘的内孔配合，并能够相对于所述法兰盘转动；所述输出部分的轴端通过一输出部分轴承与所述密封壳体的内孔配合，并能够相对于所述密封壳体转动；所述密封壳体与所述法兰盘连接，并用于容纳所述输入部分、输出部分和阻尼材料。

优选的，所述密封壳体上设有注油孔，通过所述注油孔将所述阻尼材料注入所述输出部分的盘端和所述输入部分的盘端之间。

优选的，所述输入部分的轴端为中空轴结构，以减小角速度传感器安装的轴向尺寸，或者所述输入部分的轴端为轴状结构。

优选的，所述速度测量模组包括柔顺机构、敏感元件和信息处理单元；

所述柔顺机构与所述速度转换模组连接；所述敏感元件设置于所述柔顺机构上并用于感知所述柔顺机构的变形；所述信息处理单元采集所述敏感元件的输出，用于根据所述柔顺机构的变形得到所述被测物体的角速度。

优选的，所述速度测量模组还包括屏蔽壳体，所述柔顺机构、信息处理单元和敏感元件均设置于所述屏蔽壳体内。

优选的，所述柔顺机构包括同心布置的内环与外环，且所述内环与所述外环通过一个或多个柔顺件连接，所述柔顺件能够提供弹性变形；所述敏感元件设置于所述柔顺件上；所述内环与所述速度转换模组连接，且所述内环能够被所述速度转换模组驱使相对于所述外环转动。

优选的，每一个柔顺件的两相对侧面各布置至少一个敏感元件，以使所述信息处理单元能够判断力矩的方向，从而获取角速度的方向。

优选的，所述屏蔽壳体上引出有一根导线，所述信息处理单元通过所述导线与外部进行信息交换。

优选的，所述信息处理单元包括依次通讯连接的信息采集单元、信息调理单元与解算输出单元；

所述信息采集单元用于以预定的采样周期读取所述敏感元件感测的变形信息；所述信息调理单元用于将所述变形信息转换成标准信息；所述解算输出单元用于根据所述标准信息，得到所述柔顺机构的所传递的力矩，并根据所述力矩得到被测物体的角速度并输出。

根据本发明的另一个方面，提供了一种角速度的测量方法，所述测量方法包括：

利用速度转换模组接收被测物体输出的角速度，并将该角速度信息通过阻尼材料转换为力矩信息；

利用速度测量模组接收并感知所述力矩信息；

利用所述速度测量模组根据感知到的所述力矩信息，得到所述被测物体的角速度。

优选的，所述速度测量模组接收并感知所述力矩信息的过程包括：

利用柔顺机构接收所述力矩信息，并利用敏感元件感知所述柔顺机构所受到的所述力矩信息；

利用信息处理单元根据所述力矩信息，得到所述被测物体的角速度。

优选的，所述速度转换模组接收所述被测物体的角速度，以及将所述角速度转换为所述力矩信息的过程包括：

利用输入部分的轴端与所述被测物体连接，以接收所述被测物体的角速度信息；

利用所述输入部分的盘端与输出部分的盘端之间的所述阻尼材料，以将所述角速度信息转换为力矩信息；

利用所述输出部分的轴端与所述速度测量模组连接，以将所述力矩信息传递至所述速度测量模组。

优选的，所述被测物体的角速度的计算公式为：

其中，ω为角速度；h_s为输入部分和输出部分的盘端间的间距；r为两盘端有效剪切半径；t为阻尼材料的温度；u₂₅表示25℃时的硅油粘度；τ_f表示输出部分的摩擦力矩值；i表示第i个敏感元件，共有n个，n为正整数；ε_i表示第i个敏感元件处所产生的应变值；T(ε_i)表示第i个敏感元件所测量得到的力矩值。

优选的，所述输出部分通过一输出部分轴承与密封壳体的内孔配合，所述输出部分的摩擦力矩τ_f值的计算公式为：

其中，μ表示输出部分轴承的摩擦系数，F_N表示输出部分轴承径向载荷；d表示输出部分轴承的公称直径。

根据本发明的技术方案，对于被测物体，本发明的角速度传感器以直接测量的方式获取被测物体的角速度，相比于传统的间接测量，测量的结果更为准确，噪声小，而且测量时引入的误差小，进一步确保了测量的精度。

具体地，该角速度传感器通过速度转换模组将被测物体的角速度信息转换为力矩信息输出并传递至速度测量模组，进而借助速度测量模组感知该力矩信息，并根据该力矩信息反推得到被测物体的角速度，在此测量结构中，测量可靠性高，同时准确性也得到了有效的保证，而且还能够降低角速度传感器的制造成本和复杂度。更为具体而言，所述速度测量模组在计算角速度的过程中，根据阻尼材料的粘度、柔顺机构的变形等与被测物体的角速度之间的映射关系，以反推的方式计算出被测物体的角速度，计算过程简单，易实现。

附图说明

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本发明一实施例的角速度传感器的装配示意图；

图2是本发明一实施例的角速度传感器的分解示意图；

图3是本发明一实施例的角速度传感器的轴向半剖示意图；

图4是本发明一实施例的速度转换模组的轴向半剖示意图；

图5是本发明一实施例的输入部分的示意图；

图6是本发明一实施例的输出部分的示意图；

图7是本发明一实施例的速度测量模组的轴向半剖示意图；

图8是本发明一实施例的柔顺机构上配置有敏感元件的示意图；

图9a是本发明一实施例的信息处理单元的示意图；

图9b是本发明一实施例的信息处理单元的结构框图；

图10是本发明一实施例的柔顺机构受力变形示意图。

图中：

01-速度转换模组，010-输入部分，011-轴端，012-盘端，020-输出部分，021-轴端，022-盘端，030-阻尼材料，040-法兰盘，050-密封壳体，51-注油孔，060-输入部分轴承，061-输出部分轴承，070-紧固件；

02-速度测量模组，21-柔顺机构，211-内环，212-柔顺件，213-外环，22-信息处理单元，221-电路板，222-信息采集单元，223-信息调理单元，224-解算输出单元，23、231、232-敏感元件，24-屏蔽壳体，25-导线。

具体实施方式

在传统技术中，大多通过测量被测物体的位置变化而得到被测物体的角速度，这样的测量方式不但成本高，而且计算和处理过程较为复杂，再加之误差大，致使测量精度低，准确性难以保证。为了克服这些问题中的一个或多个，发明人研究开发了一种角速度传感器，有助于降低角速度传感器的制造成本以及复杂度，而且还能够减小测量误差，提高测量精度。

本发明提供的角速度传感器包括速度转换模组和速度测量模组。所述速度转换模组用于接收被测物体的角速度信息，并用于将所述角速度信息转换为力矩信息。所述速度测量模组与速度转换模组连接，用于接收并获取所述力矩信息，进而用于根据所述力矩信息得到所述被测物体的角速度。被测物体不作特别的限制，只要是能够转动的物体即可。

另外，基于本发明的角速度传感器，本发明还提供了一种角速度的测量方法，所述测量方法包括：

步骤一：利用所述速度转换模组接收被测物体输出的角速度，并将该角速度信息通过阻尼材料转换为力矩信息；

步骤二：利用所述速度测量模组接收并感知所述力矩信息；

步骤三：利用所述速度测量模组根据感知到的所述力矩信息，得到所述被测物体的角速度。

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图1～10对本发明提出的角速度传感器及其测量方法做进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图1为本发明一实施例的角速度传感器10的装配示意图，图2是本发明一实施例的角速度传感器10的分解示意图，图3是本发明一实施例的角速度传感器的轴向半剖示意图，图4是本发明一实施例的速度转换模组的轴向半剖示意图。如图1～图4所示的实施例中，角速度传感器10包括速度转换模组01和速度测量模组02。所述速度转换模组01用于接收被测物体的角速度信息，并用于将所述角速度信息转换为力矩信息。所述速度测量模组02与速度转换模组01连接，用于接收并获取所述力矩信息，进而用于根据所述力矩信息得到所述被测物体的角速度。

图5是本发明一实施例的输入部分010的示意图，图6是本发明一实施例的输出部分020的示意图。如图2～图6所示，所述速度转换模组01在本实施例中，包括输入部分010和输出部分020。

在速度转换模组01中，所述输入部分010与输出部分020的轴截面均为T字形。本文中，定义“T字形”的横向部分为盘端，竖向部分为轴端。所述输入部分010与输出部分020需同轴并间隔布置，且所述输入部分010的轴端011和输出部分020的轴端021之间设置有该两个部分的盘端012、022，但该两个部分的盘端012、022之间预留有间隙，该间隙中用于填充阻尼材料030，以使得输入部分010和输出部分020之间通过阻尼材料030连接。优选，所述输入部分010的盘端012和输出部分020的盘端022之间可填充阻尼油脂。

此外，对于输入部分010和输出部分020中的任意一个，其轴端和盘端同轴设置且均为圆柱形，然而，所述输入部分010的盘端012与输出部分020的盘端022的直径可以相同或不相同，但优选相同，处理更为方便。当两个盘径不相同时，只有相对转动的盘面会传递力矩信息，所以只有这一部分面积是有效剪切面积，对应的直径(或半径)称为有效剪切直径D(或半径r)。通常以最小的盘面直径(或半径)作为有效剪切直径D(或半径r)，其对应的面积称为有效剪切面积，代入计算。为了便于描述，接下去以输入部分010和输出部分020的盘端的直径相同作为示意，进一步详细说明本实施例的角速度传感器10的结构以及工作方式。

另外，所述输入部分010和输出部分020中的任意一个，其轴端和盘端可以通过一体成型的方式得到，也可也通过分体成型后相连的方式得到，具体不限。其它的，所述输入部分010的轴端011用于与被测物体的转轴连接(可通过联轴器等部件连接)，如与电机轴连接，从而接收所述被测物体输出的角速度；同时所述输出部分020的轴端021用于与速度测量模组02连接，以将输入部分010的旋转运动经由阻尼材料030进一步传递至速度测量模组02。优选的，所述输入部分010的轴端011为中空轴状结构，以便于通过套接的方式与被测物体的转轴连接，从而减小角速度传感器10在轴向上的尺寸。实际中，所述输入部分010的轴端011优选为中空轴状结构，但不以此为限，亦可根据需要设置为实心的轴状结构。

继续参阅图2～图4，所述速度转换模组01还包括法兰盘040和密封壳体050。所述输入部分010的轴端011通过输入部分轴承060与法兰盘040的内孔配合，所述输出部分020的轴端022通过输出部分轴承061与密封壳体050的内孔配合。所述输入部分轴承060包括内圈和外圈。所述轴端011与输入部分轴承060的内圈配合安装，且所述法兰盘040的内孔与输入部分轴承060的外圈配合安装，使得输入部分010的轴端011相对于法兰盘040可以转动。同理，所述轴端022与输出部分轴承061的内圈配合安装，且所述密封壳体050的内孔与该输出部分轴承061的外圈配合安装，使得输出轴部分020的轴端022相对于密封壳体050可以转动。然而，本发明包括但不限于通过法兰盘040来实现输入部分010的轴端的相对转动。

本实施例中，按照上述方式完成输入部分010和输出部分020的安装后，即可将密封壳体050与法兰盘040配合安装，如通过螺钉、铆接、焊接、粘接等方式固连，并做密封处理。这里是对法兰盘040和密封壳体050做示范性说明，基于此说明做适当的结构改进，甚至以其它相同功能的结构替代，也在本发明保护范围内。

进一步，如图4所示，所述密封壳体050上设有一个注油孔51，借助注油孔51将阻尼油脂注入两个盘端012、022之间的固定缝隙内，优选粘度对温度变化不敏感的阻尼油脂，如高粘度硅胶阻尼液，注油完毕后，将注油孔51密封即可，但必要时，可设置若干密封圈来防止阻尼油脂泄漏。

如图2和图7所示，所述速度测量模组02在本实施例中，包括柔顺机构21、信息处理单元22和敏感元件23。

在速度测量模组02中，所述柔顺机构21与输出部分020的轴端022连接，并能够在输出部分020输出的力矩作用下产生弹性变形。所述敏感元件23设置于柔顺机构21上，用于感知柔顺机构21的变形信息并发送至信息处理单元22。所述信息处理单元22与敏感元件23通讯连接，如通过导线相连，用于采集敏感元件23的输出后，用于根据柔顺机构21的变形信息，以获得所述被测物体的角速度。

图8是本发明一实施例的柔顺机构21上配置有敏感元件23的示意图。如图8所示，其中的柔顺机构21优选包括内环211、柔顺件212和外环213，内环211和外环213同心设置，柔顺件212在径向上连接内环211和外环213。所述柔顺机构21可通过诸如线切割、电火花、激光切割、磨料水射流等机加工方法加工实现。所述柔顺件212为薄片结构，能产生弹性变形，以较好地感测外力而产生形变。图8中所示的柔顺件212的数量为四个，但并不限于四个，还可以为二个至六个。多个柔顺件212可呈对称分布，包括但不限于轴对称、中心对称、旋转对称。优选，柔顺件212的数量为四个，十字形分布。

所述敏感元件23在本实施例中，可以采用但不局限于应变片、光纤等用于测量应变的元件，其可通过粘接等方式设置于柔顺件212的侧面上，用以感受柔顺件212上的应力。在此，所述柔顺件212的侧面选自与柔顺机构21的轴向相平行的表面(即所述柔顺件212非端面的两个面)。所述敏感元件23不限于一个，还可以是多个。针对多个敏感元件23，可以是两两一组形成多组，每一组敏感元件中的两个敏感元件23对称设置，并设置于同一个柔顺件212之相对侧面上。继而，相对侧布置的两个敏感元件23一个受拉，一个受压，这样信息处理单元22可以判断力矩的方向，从而获取角速度的方向。此外，多个敏感元件23还可以布置在柔顺件212同一侧，形成列阵，取多组敏感元件23感测的力矩信息的均值或做其它相关处理，便可以提高敏感元件23对力矩测量的可靠性及容错性。

在实际应用中，将柔顺机构21的内环211和外环213分别固定于两个有转矩传递的构件上，如将外环213与密封壳体050固定，同时内环211与输出部分020的轴端021同轴固定。由此可见，使得内环211与外环213之间可以相对转动，那么，两者之间的作用力将引起柔顺件212的变形，继而所产生的变形信息将由一个或多个敏感元件23感应获得。

进而，所述敏感元件23将感测而获得的柔顺件212的变形信息发送至信息处理单元22，所述信息处理单元22根据柔顺件212的变形信息，依据例如下述的式(1-1)所示的方法处理得到被测物体的角速度。

图9a是本发明一实施例的信息处理单元22的示意图，如图9a所示，所述信息处理单元22上包括一块电路板221，电路板221上集成有运算器、存储器、输入、输出端口等，以完成信息采集、信息调理、计算输出等功能。另外，电路板上221上还集成温度传感器，用以实时测量角速度传感器本身的温度。需要说明的是，公式(1-1)中的温度是阻尼油脂本身的温度；为于便于方案的实施和提升信息传输可靠性，本发明将温度传感器集成于信息处理单元22上，并不是直接测量阻尼油脂的温度，测量温度会产生一定的误差。考虑到阻尼油脂和信息处理单元22之间的距离很近，两者间的金属材料的导热性较好，加之又密封到一个外壳内，所以两者间的温度差异很小，不会对测量结果产生较严重的影响。在精度要求十分高的情况下，可以对温度在算法上增加一定的补偿措施，以达到更接近到阻尼油脂实际温度的目的，从而实现对角速度更精确地测量。所述信息处理单元22可以采用现有的微处理器等，本领域技术人员可在本申请公开基础上结合本领域的公知常识能够知晓如何选择。

图9b是本发明一实施例的信息处理单元22的结构框图，如图9b所示，所述信息处理单元22可包括依次通讯连接的信息采集单元222、信息调理单元223和解算输出单元224。所述信息采集单元221用于以预定的采样周期读取所述敏感元件23感测的柔顺件212的变形信息。所述信息调理单元222用于将所述变形信息通过放大、滤波、剔除野值，去除趋势项等操作，转换成能够识别的标准信息。所述解算输出单元223用于根据所述标准信息，以及下述式(1-1)，先处理得到内环211和外环213之间所传递的输出力矩τ_d，进而根据该输出力矩τ_d得到被测物体的角速度量并输出。所述信息处理单元22的供电和与外部的信息交换，均可通过导线25实现。

根据图2、图7所示的，所述速度测量模组02还可包括屏蔽壳体24，用于罩设在该模组外，用于防尘和抗信息干扰。具体而言，所述信息处理单元22可固接于柔顺机构21的外环213上，且柔顺机构21、信息处理单元22以及未图示的敏感元件23均容置于屏蔽壳体24内，从而形成了一个封闭的环境。所述屏蔽壳体24可通过若干紧固件070与密封壳体050固连。当然，为了紧固需要可以适当的增加或减少螺钉等紧固件070，不限于图中的四个。再则，还可增加密封圈来确保角速度传感器10的密封性。

可选，所述屏蔽壳体24可允许一根或多根导线25穿过屏蔽壳体24后与外部设备通讯连接，如外部电源、外部显示、打印、共享等设备，以为屏蔽壳体24内的信息处理单元22提供电力以及信息交换。优选，所述导线25从形式上可以为电源数据复合线，可以是分离的一组电源线和一组数据线。

进一步，发明人经过研究分析，得到了式(1-1)中所示出的数学公式，以令信息处理单元22根据该数学公式处理得到被测物体的角速度，当然，实践中所述信息处理单元22可通过调用内部或外部的程序来完成角速度的计算处理。

其中，ω为角速度；h_s为输入部分010和输出部分020的盘端间的间距；r为有效剪切半径，(基于两个盘端直径相同时，为任一盘端的半径)；t为阻尼材料030的温度，在一个优选实施例中通过电路板221上的温度传感器获得；u₂₅表示25℃时的硅油粘度；τ_f表示输出部分的摩擦力矩值，用于消除因输出部分受到的摩擦所引起的测量误差；i表示第i个敏感元件，其共有n个，n为正整数；ε_i表示第i个敏感元件处所产生的应变值；T(ε_i)表示第i个敏感元件所测量得到的力矩值。此处，取所有敏感元件23测量获得的力矩的均值来计算角速度ω，可以进一步提高测量的准确性。

进一步，在本实施例中，所述输出部分020通过输出部分轴承061与所述密封壳体050的内孔配合，所以，所述输出部分的摩擦力矩值τ_f的计算公式为：

其中，μ表示输出部分轴承061的摩擦系数，F_N表示输出部分轴承061的径向载荷，d表示输出部分轴承061的公称直径。

显然，上述数学公式中，考虑了阻尼材料030的粘度随温度的变化、输出部分的摩擦(本实施例即为输出部分轴承061的摩擦)、单个敏感元件23的测量误差等多种因素，使得角速度传感器10在测量时尽可能地消除误差、噪声等的影响，提升测量结果的可靠性和准确性。

更进一步地，上述公式(1-1)具体可通过公式(1-2)～(1-6)的结合来反推获得。

实际应用时，被测物体的转轴与输入部分010的轴端011相连，使得输入轴部分010的轴端011与被测物体具有相同的转动角速度；与此同时，所述输入部分010的盘端012在转动时，由于与阻尼材料030之间存在相对滑动，故而盘端012将受到阻尼材料030对其施加的阻尼力F_d，该阻尼力F_d即可通过式(1-2)表示：

F_d＝-u_t·V_s·A (1-2)

其中，负号“-”表示阻尼力F_d的方向与角速度ω的方向相反；

为盘端012处阻尼油脂的平均线剪切速率；如前文所述，r表示输入部分的盘端012和输出部分的盘端022的效剪切面积所对应的半径；h_s表示盘端012与盘端022间的距离；A＝πr²为盘端012的面积；其中，以硅油为例，u_t＝u₂₅×1.02^(25-t)表示硅油粘度u_t与温度t之间的关系，u₂₅表示25℃时的硅油粘度。

式(1-2)便等同于式(1-3)：

由上式(1-3)可知，阻尼力F_d的大小和方向，与输入的角速度ω的大小和方向有关。继而，根据作用力与反作用力原理，上述阻尼力F_d将通过阻尼材料030传递至输出部分020的盘端022，那么，将该阻尼力F_d经由理论力矩τ_d'表示为：

τ_d'＝-F_d·0.5r (1-4)

上述理论力矩τ_d'最终经输出部分020的盘端022输出传递至柔顺机构21。在本实施例中，所述输出部分020通过输出部分轴承061与密封壳体050的内孔配合，因此，由于输出部分轴承061的摩擦存在，因此，优选的，实际输出力矩τ_d的计算式可以表达为：

τ_d＝τ_d'-τ_f (1-5)

其中，

表示输出部分轴承061的摩擦力矩值，摩擦力矩的方向与实际输出力矩τ_d相反。

本实施例的速度转换模组01能够输出力矩τ_d，该部分力矩τ_d将施加于柔顺机构21的柔顺件212。此时，柔顺件212将产生应变，该部分应变由敏感元件23感知。

图10是本发明一实施例的柔顺机构受力变形示意图。图10为从本实施例角速度传感器输入轴一端观察，以右手定则为准来确定被测角速度的正反。具体而言，如图10示意，角速度ω逆时针方向为正，被测设备正转，此时传感器输出力矩τ_d亦为正，与输出力矩τ_d方向相反的力矩(例如摩擦力矩)则为负。此外，所述柔顺机构21发生如图10所示的变形，由于本实施例中将敏感元件23分别贴于柔顺件212的两侧面上，因此，柔顺件212的一侧面受拉，一侧面受压，对于分布于两侧面的敏感元件231和敏感元件232而言，所述敏感元件231受拉，敏感元件231的应变为正值，所述敏感元件232受压，敏感元件231的应变为负值。在测量受力时，只需要根据应变值获取受力大小即可；进一步，在测量角速度的方向时，需要考虑敏感元件231和232中哪个受拉哪个受压，再在方向上予以区分正负。由此，可以得到：

其中，i表示第i个敏感元件，其共有n个；ε_i表示第i个敏感元件处所产生的应变值；T(ε_i)表示第i个敏感元件所测量得到的力矩值。这里的“应变值”、“力矩值”应理解为应变的绝对值，力矩的绝对值。进而，将式(1-4)、(1-5)、(1-6)代入式(1-3)，便可得到式(1-1)。显然，如果要获知被测物体的角速度ω，则需要预先获取所有敏感元件23所测量得到的平均力矩，之后，根据式(1-1)便可计算得到角速度量。当然，其它已知量，如h_s、r、t、硅油粘度u₂₅、输出部分的摩擦力矩值τ_f则可预先存储于信息处理单元22的存储单元中或者外部的存储设备中。

如图3所示，完成速度转换模组01与速度测量模组02的装配后，再将该两个模组装配在一起，具体的：一方面将柔顺机构21的内环211与输出部分020的轴端022配合安装并固定，另一方面将柔顺机构21的外环213与密封壳体050固定安装，固连方式不限于螺纹、粘接、焊接等；完成该两处的安装任务后，便可为速度测量模组02安装屏蔽壳体24，最后通过紧固件070来固定屏蔽壳体24。

上述实施例对速度转换模组01和速度测量模组02的组装结构进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

根据本发明实施例的技术方案，对于被测物体，本实施例的角速度传感器以直接测量的方式获取被测物体的角速度，相比于传统的间接测量，测量的结果更为准确，而且测量时引入的误差小，进一步确保了测量的精度。

具体地，该角速度传感器通过速度转换模组将被测物体的角速度信息转换为力矩信息输出并传递至速度测量模组，进而借助速度测量模组感知该力矩信息，并根据该力矩信息反推得到被测物体的角速度，在此测量结构中，测量可靠性高，同时准确性也得到了有效的保证，而且还能够降低角速度传感器的制造成本和复杂度。更为具体而言，所述速度测量模组在计算角速度的过程中，根据阻尼材料的粘度、柔顺机构的变形等与被测物体的角速度之间的映射关系，以反推的方式计算出被测物体的角速度，计算过程简单，易实现。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (15)

1.一种角速度传感器，其特征在于，包括：

一速度转换模组，用于接收一被测物体的角速度信息，并用于将所述角速度信息转换为力矩信息；以及

一速度测量模组，与所述速度转换模组连接，用于接收并获取所述力矩信息，并用于根据所述力矩信息得到所述被测物体的角速度；

所述速度转换模组包括同轴设置的输入部分和输出部分；

所述输入部分和输出部分均具有轴端和盘端，所述输入部分的盘端位于所述输入部分的远端，所述输出部分的盘端位于所述输入部分的近端，且所述输入部分的盘端与所述输出部分的盘端间隔设置；

所述输入部分的轴端与所述被测物体连接，用于接收所述角速度信息；所述输出部分的轴端与所述速度测量模组连接，用于输出所述力矩信息；

且所述输入部分的盘端和所述输出部分的盘端之间设有阻尼材料。

2.如权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述阻尼材料为阻尼油脂。

3.如权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述速度转换模组还包括法兰盘和密封壳体；所述输入部分的轴端通过一输入部分轴承与所述法兰盘的内孔配合，并能够相对于所述法兰盘转动；所述输出部分的轴端通过一输出部分轴承与所述密封壳体的内孔配合，并能够相对于所述密封壳体转动；所述密封壳体与所述法兰盘连接，并用于容纳所述输入部分、输出部分和阻尼材料。

4.如权利要求3所述的角速度传感器，其特征在于，所述密封壳体上设有注油孔，通过所述注油孔将所述阻尼材料注入所述输出部分的盘端和所述输入部分的盘端之间。

5.如权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述输入部分的轴端为轴状结构，或者，

所述输入部分的轴端为中空轴结构，以减小角速度传感器安装的轴向尺寸。

6.如权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述速度测量模组包括柔顺机构、敏感元件和信息处理单元；

所述柔顺机构与所述速度转换模组连接；所述敏感元件设置于所述柔顺机构上并用于感知所述柔顺机构的变形；所述信息处理单元采集所述敏感元件的输出，用于根据所述柔顺机构的变形得到所述被测物体的角速度。

7.如权利要求6所述的角速度传感器，其特征在于，所述速度测量模组还包括屏蔽壳体，所述柔顺机构、信息处理单元和敏感元件均设置于所述屏蔽壳体内。

8.如权利要求6所述的角速度传感器，其特征在于，所述柔顺机构包括同心布置的内环与外环，且所述内环与所述外环通过一个或多个柔顺件连接，所述柔顺件能够提供弹性变形；所述敏感元件设置于所述柔顺件上；所述内环与所述速度转换模组连接，且所述内环能够被所述速度转换模组驱使相对于所述外环转动。

9.如权利要求8所述的角速度传感器，其特征在于，每一个柔顺件的两相对侧面各布置至少一个敏感元件，以使所述信息处理单元能够判断力矩的方向，从而获取角速度的方向。

10.如权利要求7所述的角速度传感器，其特征在于，所述屏蔽壳体上引出有一导线，所述信息处理单元通过所述导线与外部进行信息交换。

11.如权利要求6所述的角速度传感器，其特征在于，所述信息处理单元包括依次通讯连接的信息采集单元、信息调理单元与解算输出单元；

所述信息采集单元用于以预定的采样周期读取所述敏感元件感测的变形信息；所述信息调理单元用于将所述变形信息转换成标准信息；所述解算输出单元用于根据所述标准信息，得到所述柔顺机构的所传递的力矩，并根据所述力矩得到被测物体的角速度并输出。

12.一种角速度的测量方法，基于一角速度传感器，所述角速度传感器包括速度转换模组和速度测量模组；所述速度转换模组包括同轴设置的输入部分和输出部分，所述输入部分和输出部分均具有轴端和盘端，所述输入部分的盘端位于所述输入部分的远端，所述输出部分的盘端位于所述输入部分的近端，且所述输入部分的盘端与所述输出部分的盘端间隔设置，其特征在于，所述测量方法包括：

利用所述输入部分的轴端与被测物体连接，以接收所述被测物体输出的角速度；

利用所述输入部分的盘端与所述输出部分的盘端之间的阻尼材料，以将所述角速度信息转换为力矩信息；

利用所述输出部分的轴端与一速度测量模组连接，以将所述力矩信息传递至所述速度测量模组；

利用所述速度测量模组接收并感知所述力矩信息；以及

利用所述速度测量模组根据感知到的所述力矩信息，得到所述被测物体的角速度。

13.如权利要求12所述的角速度的测量方法，其特征在于，所述速度测量模组包括柔顺机构、敏感元件和信息处理单元；所述速度测量模组接收并感知所述力矩信息的过程包括：

利用所述柔顺机构接收所述力矩信息，并利用所述敏感元件感知所述柔顺机构所受到的所述力矩信息；以及

利用所述信息处理单元根据所述力矩信息，得到所述被测物体的角速度。

14.如权利要求13所述的角速度的测量方法，其特征在于，所述被测物体的角速度的计算公式为：

其中，ω为角速度；h_s为输入部分和输出部分的盘端间的间距；r为两盘端有效剪切半径；t为阻尼材料的温度；u₂₅表示25℃时的硅油粘度；τ_f表示输出部分的摩擦力矩值；i表示第i个敏感元件，共有n个，n为正整数；ε_i表示第i个敏感元件处所产生的应变值；T(ε_i)表示第i个敏感元件所测量得到的力矩值。

15.如权利要求14所述的角速度的测量方法，其特征在于，所述输出部分通过一输出部分轴承与一密封壳体的内孔配合，所述输出部分的摩擦力矩值τ_f的计算公式为：

其中，μ表示输出部分轴承的摩擦系数，F_N表示输出部分轴承径向载荷；d表示输出部分轴承的公称直径。

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