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1、(10)申请公布号 CN 103868451 A (43)申请公布日 2014.06.18 CN 103868451 A (21)申请号 201410074133.3 (22)申请日 2014.03.03 G01B 7/30(2006.01) (71)申请人 湖南工业大学 地址 412007 湖南省株洲市泰山西路 88 号 湖南工业大学产学研处 (72)发明人 凌云 孔玲爽 袁川来 李勇 罗树英 (54) 发明名称 一种角度传感器及角度测量方法 (57) 摘要 本发明提供了一种角度传感器及角度测量方 法， 角度传感器由多个依次沿圆周按照同一方向 安装的倾斜感应、 单方向触发导通型滚珠开关组 成。
2、 ； 角度传感器用角度号来表示当前的旋转角度 与位置， 其当前角度号由所有滚珠开关的当前通 / 断状态确定， 所述角度测量方法抗干扰能力强 ； 可应用到精度要求不高、 低速旋转、 旋转轴平行于 水平面的角度测量场合。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图6页 (10)申请公布号 CN 103868451 A CN 103868451 A 1/1 页 2 1. 一种角度传感器， 其特征在于 ： 由 2N个滚珠开关组成 ； 2N个滚珠开关顺时针依次沿圆周按照触发端在前、。
3、 稳定端在 后的方向安装， 或者是采用顺时针依次沿圆周按照稳定端在前、 触发端在后的方向安装 ； 2N 个滚珠开关沿圆周均匀分布 ； 所述角度传感器安装时， 旋转轴应该平行于水平面。 2. 根据权利要求 1 所述的一种角度传感器， 其特征在于 ： 所述滚珠开关是倾斜感应、 单 方向触发导通型滚珠开关。 3. 根据权利要求 2 所述的一种角度传感器， 其特征在于 ： 所述N的数值为 4、 5、 6 三者 之一。 4. 一种权利要求 1 3 任一项所述角度传感器的角度测量方法， 其特征在于 ： 包括， A、 滚珠开关断开状态与接通状态的判定方法是， 利用开关电平转换电路， 将滚珠开关 的通断状态转。
4、换成相应的电平信号， 该电平信号作为触发信号输出 ； 在检测时间区间之内， 滚珠开关一直没有输出触发信号， 则判定为断开状态， 否则判定为接通状态 ； B、 角度传感器用角度号来表示当前的旋转角度与位置， 角度号的定义方法是， 由 2N个 滚珠开关组成的角度传感器共有2N个角度号， 每个角度号对应360/2N区间的旋转角度 ； 角度传感器中的滚珠开关按照安装顺序从1至2N依次编号 ； 在角度传感器处于每个角度号 对应的旋转角度区间的中心位置时， 有N个连续编号的滚珠开关断开，N个连续编号的滚珠 开关接通， 取连续断开的N个滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的角度 号 ； 滚珠开关编。
5、号首尾循环相接时， 开关 2N在开关 1 之前 ； C、 角度传感器的初始角度号确定方法是， 由 2N个滚珠开关组成的角度传感器， 有连续 编号的N 1 个滚珠开关断开、N个滚珠开关断开、N 1 个滚珠开关断开等三种初始状态， 在该三种初始状态的任何一种情况中， 取连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号 值为角度传感器的初始角度号 ； D、 角度传感器旋转时角度号的确定方法是， 由 2N个滚珠开关组成的角度传感器， 初始 角度号确定后， 只有在连续断开的滚珠开关数量和连续接通的滚珠开关数量同为N个时， 才确定连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的新角度号。 5. 根据权。
6、利要求 4 所述的一种角度传感器， 其特征在于 ： 所述检测时间区间的长短根 据滚珠开关在轻微震动状态下的连续通 / 断周期来确定。 权 利 要 求 书 CN 103868451 A 2 1/5 页 3 一种角度传感器及角度测量方法 技术领域 0001 本发明属于传感器技术领域， 特别涉及一种旋转轴平行于水平面的角度传感器及 角度测量方法。 背景技术 0002 旋转角度传感器的种类很多， 例如， 有光学的旋转编码器， 还有电磁感应式、 电容 式以及电位器式等多种， 他们的特点是精度高， 在自动检测与控制中应用广泛， 但体积大， 安装不便， 对诸如哑铃运动次数计数、 仰卧起坐运动次数计数等精度要。
7、求不高但需要测量 倾斜角度变化的场合无法应用。 微加速度传感器等倾角传感器在测量过程中容易引入加速 度等干扰， 抗干扰算法设计复杂， 且成本较高。 发明内容 0003 本发明的目的之一在于克服上述现有技术的缺点与不足， 提供一种结构合理、 价 格低、 简单可靠的角度传感器， 可应用到精度要求不高、 低速旋转、 旋转轴平行于水平面的 角度测量场合。 0004 本发明的另一目的在于提供上述角度传感器的角度测量方法。 0005 本发明的技术方案是 ： 一种角度传感器， 由 2N个滚珠开关组成 ； 2N个滚珠开关顺 时针依次沿圆周按照触发端在前、 稳定端在后的方向安装， 或者是采用顺时针依次沿圆周 按。
8、照稳定端在前、 触发端在后的方向安装 ； 2N个滚珠开关沿圆周均匀分布。 0006 所述角度传感器安装时， 旋转轴应该平行于水平面。 0007 所述滚珠开关是倾斜感应、 单方向触发导通型滚珠开关。 0008 所述N的数值为 4、 5、 6 三者之一。 0009 一种上述角度传感器的角度测量方法， 包括， A、 滚珠开关断开状态与接通状态的判定方法是， 利用开关电平转换电路， 将滚珠开关 的通断状态转换成相应的电平信号， 该电平信号作为触发信号输出 ； 在检测时间区间之内， 滚珠开关一直没有输出触发信号， 则判定为断开状态， 否则判定为接通状态。 所述检测时间 区间的长短根据滚珠开关在轻微震动状。
9、态下的连续通 / 断周期来确定。 0010 B、 角度传感器用角度号来表示当前的旋转角度与位置， 角度号的定义方法是， 由 2N个滚珠开关组成的角度传感器共有 2N个角度号， 每个角度号对应 360 /2N区间的旋转 角度 ； 角度传感器中的滚珠开关按照安装顺序从 1 至 2N依次编号 ； 在角度传感器处于每个 角度号对应的旋转角度区间的中心位置时， 有N个连续编号的滚珠开关断开，N个连续编号 的滚珠开关接通 ； 取连续断开的N个滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器 的角度号 ； 滚珠开关编号首尾循环相接时， 开关 2N在开关 1 之前。 0011 C、 角度传感器的初始角度号确定方。
10、法是， 由 2N个滚珠开关组成的角度传感器， 有 连续编号的N 1 个滚珠开关断开、N个滚珠开关断开、N 1 个滚珠开关断开等三种初始 状态， 在该三种初始状态的任何一种情况中， 取连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关 说 明 书 CN 103868451 A 3 2/5 页 4 的编号值为角度传感器的初始角度号。 0012 D、 角度传感器旋转时角度号的确定方法是， 由 2N个滚珠开关组成的角度传感器， 初始角度号确定后， 只有在连续断开的滚珠开关数量和连续接通的滚珠开关数量同为N个 时， 才确定连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的新角度号。 0013 与现有技术相比，。
11、 本发明具有如下优点和有益效果 ： 成本低， 易于自制， 简单可靠， 测量方法简单， 角度测量方法抗干扰能力强， 很容易组 成低功耗测量电路， 可应用到精度要求不高、 低速旋转、 旋转轴平行于水平面的角度测量场 合。 附图说明 0014 图 1 为滚珠开关示意图。 0015 图 2 为 8 个滚珠开关组成的角度传感器结构示意图。 0016 图 3 为 12 个滚珠开关组成的角度传感器结构示意图。 0017 图 4 为 8 个滚珠开关组成的角度传感器的角度 1 状态。 0018 图 5 为 8 个滚珠开关组成的角度传感器的角度 1 与角度 2 过度状态。 0019 图 6 为 8 个滚珠开关组成。
12、的角度传感器的角度 2 状态。 0020 图 7 为 8 个滚珠开关组成的角度传感器的角度 7 状态。 具体实施方式 0021 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述， 但本发明的实施方式不限 于此。 0022 图1为常用的倾斜感应、 单方向触发导通型滚珠开关工作示意图， 深色的A端称作 稳定端， 浅色的 B 端称作触发端。如图 1-(a) 所示， 当 A 端低于水平面 15 度时， 滚珠开关为 断开状态 （OFF） ， 此时滚珠开关对振动不敏感， 晃动时不易接通 ； 如图 1-(c) 所示， 当 B 端低 于水平面 15 度时， 滚珠开关为接通状态 （ON） ， 此时滚珠开关对振动非。
13、常敏感， 当有轻微振 动时， 滚珠开关则处于不稳定的连续通 / 断状态 ； 如图 1-(b) 所示， 当滚珠开关处于水平位 置时， 滚珠开关为通 / 断不确定状态， 此时轻微晃动即可接通电路或断开滚珠开关。 0023 图 2 为由 8 个滚珠开关组成的角度传感器的结构示意图， 8 个滚珠开关可以如图 2-(a) 所示， 顺时针依次沿圆周按照触发端在前、 稳定端在后的方向安装， 均匀分布 ； 也可 以如图 2-(b) 所示， 顺时针依次沿圆周按照稳定端在前、 触发端在后的方向安装， 均匀分 布 ； 相邻滚珠开关之间的角度差为 45。 0024 图 3 为由 12 个滚珠开关组成的角度传感器的结构。
14、示意图， 12 个滚珠开关顺时针 依次沿圆周按照触发端在前、 稳定端在后的方向安装， 均匀分布 ； 也可以采用顺时针依次沿 圆周按照稳定端在前、 触发端在后的方向安装， 均匀分布 ； 相邻滚珠开关之间的角度差为 30。 0025 角度传感器中滚珠开关的数量还可以是其他数值。少于 8 个滚珠开关， 角度传感 器的精度低 ； 多于 12 个滚珠开关， 相邻滚珠开关之间的角度差小于滚珠开关接通与断开的 转换灵敏度， 不能带来角度传感器精度的实质性提高。 因此， 所述角度传感器中滚珠开关的 数量为不少于 8 个， 不多于 12 个。考虑到安装的对称性和均匀性， 所述角度传感器中滚珠 说 明 书 CN 。
15、103868451 A 4 3/5 页 5 开关的数量为 8 个， 10 个， 或者 12 个。角度传感器中各滚珠开关依次沿圆周按规定顺序安 装时， 在保证所有滚珠开关能够顺利安装的前提下， 圆周周长可大可小。 0026 角度传感器由 2N个倾斜感应、 单方向触发导通型的滚珠开关组成时， 2N个滚珠开 关顺时针依次沿圆周按照触发端在前、 稳定端在后的方向安装， 或者是采用顺时针依次沿 圆周按照稳定端在前、 触发端在后的方向安装 ； 2N个滚珠开关沿圆周均匀分布。所述N的 数值为 4、 5、 6 三者之一。 0027 所述角度传感器安装时， 旋转轴应该平行于水平面， 即角度传感器的平面与水平 面。
16、之间应该为竖直关系。 0028 使用所述角度传感器进行角度测量的方法包括 ： 滚珠开关断开状态与接通状态的判定方法 利用开关电平转换电路， 将滚珠开关的通断状态转换成相应的电平信号， 该电平信号 作为触发信号输出。最简单的开关电平转换电路是滚珠开关接一个上拉电阻， 滚珠开关断 开时输出高电平， 滚珠开关接通时输出低电平触发信号。 0029 在检测时间区间之内， 滚珠开关一直没有输出触发信号， 则判定为断开状态， 否则 判定为接通状态。检测时间区间的长短需要根据滚珠开关在轻微震动状态下的连续通 / 断 周期来确定， 小型滚珠开关可以选择 50ms。 0030 对检测时间区间之内是否有触发信号进行。
17、检测， 可以使用 RS 触发器实现， 触发信 号作为 RS 触发器的置位信号。在检测时间区间起始点， 控制 RS 触发器复位 ； 在检测时间区 间终点， 测量 RS 触发器是否被置位， 判断是否有触发信号。 0031 对检测时间区间之内是否有触发信号进行检测， 也可以直接利用微控制器的外部 中断。 0032 角度传感器的角度号定义方法 角度传感器用角度号来表示当前的旋转角度与位置。 0033 由 8 个滚珠开关组成的角度传感器的角度号定义方法是 ： 角度传感器共有 8 个角 度号， 每个角度号对应 45旋转角度 ； 传感器中的滚珠开关按照安装顺序从 1 至 8 依次编 号， 如图 2 所示 ；。
18、 在角度传感器处于每个角度号对应的 45旋转角度区间的中心位置时， 即 处于例如图4、 图6、 图7所示的位置之一时， 有4个连续编号的滚珠开关断开， 4个连续编号 的滚珠开关接通 ； 取 4 个连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器 的角度号。滚珠开关编号首尾循环相接时， 开关 8 在开关 1 之前。 0034 同样地， 由 12 个滚珠开关组成的角度传感器的角度号定义方法是 ： 角度传感器共 有 12 个角度号， 每个角度号对应 30旋转角度 ； 传感器中的滚珠开关按照安装顺序从 1 至 12 依次编号 ； 在角度传感器处于每个角度号对应的 30旋转角度区间的中心位置时，。
19、 有 6 个连续编号的滚珠开关断开， 6 个连续编号的滚珠开关接通， 取 6 个连续断开的滚珠开关中 最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的角度号。滚珠开关编号首尾循环相接时， 开关 12 在开关 1 之前。 0035 角度传感器的角度号定义方法是 ： 由 2N个滚珠开关组成的角度传感器共有 2N个 角度号， 每个角度号对应 360 /2N区间的旋转角度 ； 角度传感器中的滚珠开关按照安装顺 序从 1 至 2N依次编号 ； 在角度传感器处于每个角度号对应的旋转角度区间的中心位置时， 有N个连续编号的滚珠开关断开，N个连续编号的滚珠开关接通 ； 取连续断开的N个滚珠开 说 明 书 CN 1038。
20、68451 A 5 4/5 页 6 关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的角度号。滚珠开关编号首尾循环相接时， 开关 2N在开关 1 之前。 0036 角度传感器的初始角度号确定方法 正常情况下， 由 8 个滚珠开关组成的角度传感器中， 处于断开状态的滚珠开关数量可 能是 4 个、 3 个、 5 个等 3 种情况之一。 0037 如图 4 所示， 开关 1、 开关 2、 开关 3、 开关 4 的稳定端都因低于水平面 15以上而 断开， 开关 5、 开关 6、 开关 7、 开关 8 触发端都因低于水平面 15以上而接通， 此时角度传感 器的初始角度号为角度 1。 0038 如图 6 所示， 。
21、开关 2、 开关 3、 开关 4、 开关 5 断开， 开关 6、 开关 7、 开关 8、 开关 1 接 通， 此时角度传感器的初始角度号为角度 2。 0039 如图 7 所示， 开关 7、 开关 8、 开关 1、 开关 2 断开， 开关 3、 开关 4、 开关 5、 开关 6 接 通， 此时角度传感器的初始角度号为角度 7。 0040 如图 5 所示情况中， 断开的开关是开关 2、 开关 3、 开关 4， 接通的开关是开关 6、 开 关 7、 开关 8， 开关 1 和开关 5 的状态不确定。不管开关 5 的状态是断开还是接通， 如果开关 1断开， 则确定此时角度传感器的初始角度为角度1， 如果。
22、开关1接通， 则确定此时角度传感 器的初始角度为角度 2。 0041 图4、 图5、 图6所示角度传感器采用顺时针依次沿圆周按照触发端在前、 稳定端在 后的方向安装， 图 7 所示角度传感器采用顺时针依次沿圆周按照稳定端在前、 触发端在后 的方向安装。 0042 由 8 个滚珠开关组成的角度传感器初始角度的确定方法 ： 在角度传感器的初始状 态， 滚珠开关状态为连续编号的3个滚珠开关断开、 4个滚珠开关断开、 5个滚珠开关断开等 三种情况之一， 在该三种情况的任何一种中， 取连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关 的编号值为角度传感器的初始角度号。 0043 由 12 个滚珠开关组成的角度传感器。
23、初始角度的确定方法 ： 在角度传感器的初始 状态， 滚珠开关状态为连续编号的5个滚珠开关断开、 6个滚珠开关断开、 7个滚珠开关断开 等三种情况之一， 在该三种情况的任何一种中， 取连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开 关的编号值为角度传感器的初始角度号。 0044 角度传感器的初始角度号确定方法是 ： 由 2N个滚珠开关组成的角度传感器， 有连 续编号的N 1 个滚珠开关断开、N个滚珠开关断开、N 1 个滚珠开关断开等三种初始状 态， 在该三种初始状态的任何一种情况中， 取连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的 编号值为角度传感器的初始角度号。 0045 角度传感器旋转时角度号的确定方法 如图。
24、4所示的角度传感器处于角度1状态， 图6所示的角度传感器处于角度2状态。 角 度传感器由角度 1 转换到角度 2， 或者是由角度 2 转换到角度 1 的过程中， 会经历图 5 所示 的过度状态， 此时开关 1 和开关 5 的状态有 4 种可能性 ： 开关 1 断开、 开关 5 接通， 则角 度传感器处于角度 1 状态 ； 开关 1 断开、 开关 5 断开， 不改变角度传感器的当前状态， 如 果角度传感器是顺时针旋转由角度 1 转换到角度 2， 则此时仍处于角度 1 状态 ； 如果角度传 感器是逆时针旋转由角度 2 转换到角度 1， 则此时仍处于角度 2 状态 ； 开关 1 接通、 开关 5 接。
25、通， 不改变角度传感器的当前状态， 如果角度传感器是顺时针旋转由角度 1 转换到角度 说 明 书 CN 103868451 A 6 5/5 页 7 2， 则此时仍处于角度 1 状态 ； 如果角度传感器是逆时针旋转由角度 2 转换到角度 1， 则此时 仍处于角度 2 状态 ； 开关 1 接通、 开关 5 断开， 则角度传感器处于角度 2 状态。由 8 个滚 珠开关组成的角度传感器旋转时， 只有在连续断开的滚珠开关数量和连续接通的滚珠开关 数量同为 4 个时， 才确定连续断开的滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器 的新角度号。所述角度确定方法在过度状态的滚珠开关断开 / 接通转换时间有差。
26、异时， 不 改变角度传感器的当前角度号， 提高了角度传感器的抗干扰能力。 0046 同样地， 如图3所示的由12个滚珠开关组成的角度传感器， 初始角度号确定后， 只 有在连续断开的滚珠开关数量和连续接通的滚珠开关数量同为 6 个时， 才确定连续断开的 滚珠开关中最前一个滚珠开关的编号值为角度传感器的新角度号。 0047 对于由 2N个滚珠开关组成的角度传感器， 初始角度号确定后， 只有在连续断开的 滚珠开关数量和连续接通的滚珠开关数量同为N个时， 才确定连续断开的滚珠开关中最前 一个滚珠开关的编号值为角度传感器的新角度号。 说 明 书 CN 103868451 A 7 1/6 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103868451 A 8 2/6 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103868451 A 9 3/6 页 10 图 4 说 明 书 附 图 CN 103868451 A 10 4/6 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 103868451 A 11 5/6 页 12 图 6 说 明 书 附 图 CN 103868451 A 12 6/6 页 13 图 7 说 明 书 附 图 CN 103868451 A 13 。