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角度传感器的应用

 一、角度传感器概要

     角度传感器作为日常最常见的传感器,广泛应用于防卫、机械、测量、工业、医疗、航空等领域。主要通过传感器将来自外部角度变化和机械旋转的物理量变换为电信号,一般作为模拟电压信号输出,根据需要变换为数字信号,由此单芯片微型计算机中的数据处理变得容易。 角度传感器根据构造的不同主要有两种形态,一种是旋转角度传感器,具有能够旋转360°,高频响应特性优异的优点。另外一种倾斜角度传感器具有利用重力振子结构测量倾斜角度、体积小、振动强等特征。

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 二、角度传感器的技术选择

 1 .电阻式角度传感器

    电阻式角度传感器是现在最廉价的角度传感器,被广泛应用于日常生活中,也称为电位计。 电阻式角度传感器通过外部机械位置的变化和旋转,将该变化用电位计元件转换为直线或任意函数关系的电阻和电压变化并输出。一般根据这个原理,制作了直线位移传感器和角度位移传感器。其核心原理是,使用内部电刷与外部被测定物连接,当外部被测定物旋转时,电刷的旋转变为硬,电容器内的电阻的变化、电阻的变化值、即旋转的物理量、电阻的增加或减少表示其旋转方向,例如电阻。具有原理简单、结构简单、用途广、廉价等优点。但是,也存在精度低的缺点,一般用于一般的电气设备控制,因此在接触网参数测量中,放弃了选择电阻式角度传感器来测量激光的旋转角度。

 2 .栅极角度传感器

    根据容量值的变化测量机械的变化量,是一般的感应方式,主要用于直线位移的感应。但是,为了反映测量的变化,我们还尝试了利用两个板之间的静电容量变化来输出所需角度的变化值的圆形栅格。但是,在实验中,对湿度影响最大的可变电容元件的精度的影响较大,特别是在铁路沿线的野外测量作业中,出现各种恶劣环境,温度、湿度、南北方的温度差较大,湿度有可能影响最大,两极板间的感应率变化会影响电容值。。 我们在不同时间段测定了同一接触网支柱的参数,结果误差相当大,不仅完全超过了接触网的检查步骤的要求,同时再现性也不能满足,所以放弃了选择边距角度传感器。

 3、增量光电式编码器角度传感器

    增量型光电式编码器的工作原理是利用一个光电式盘,以轴为正中心,编码盘上有环通过,暗的刻线,同时编码盘的两端有光发射器和受光器,编码盘的旋转是a、b、c、d四组正。通过使c、d这两个正弦波信号反向地叠加在a、b这两个信号上,能够得到稳定的信号,而且,一次旋转一个z相脉冲以表示零基准位的方式输出。由于a、b的2相不同90度,因此通过比较a相是前还是b相,可以判别编码器的正转和反转,通过零脉冲可以得到编码器的零参考位。增量型光电式编码器相对于以前的口袋角度传感器和电阻式的角度传感器,精度、可靠性、再现性大幅度提高。精度上几乎满足接触网参数测量的要求,但是在增量型光电式编码器中,每次接通电源时需要寻找零点位置,如果零点位置正确,测量结果的数值可靠性高,相反如果零点位置有误差,测量结果的误差也大。另外,由于每次切断电源时必须再次确认零点的位置,因此对操作和测量者造成不便。因此,对增量型光电式编码器角度传感器提出了更高的要求。

 4、绝对式光电编码角度传感器

     增量型光电式编码角度传感器如果每次都没有求零点的问题,其精度是满足需求的。有没有不需要找零点的光电编码器呢?我们发现了与增量光电式编码器角度传感器类似工作原理的绝对光电式编码器角度传感器。同样,光码盘上有许多光通道刻线。各轨道的得分线按2行、4行、8行、16行等顺序排列时,通过在光电式编码器的各位置读取各轨道的开、关,可以得到从2的0次方到2的n-1次方的唯一2进制格雷码组。这称为n位绝对编码器。例如,如果该光电式编码器的角度传感器是1比特,则其分辨率为360/2,如果是180度,如果是16比特,则其分辨率为360/( 216 ),就是0.005493度,光代码位数越高,分辨率越高,精度也越高。这种编码器由光盘的机械位置决定,不受停电和噪声的影响。绝对编码器是根据机械位置决定的每个位置唯一决定的,所以每次启动时不需要寻找零点或寻找基准点,随时随地启动都可以得到正确的角度位置,即需要知道位置,随时可以读取该位置。由此,大幅度提高了编码器的耐噪声特性、数据的可靠性。

 选择绝对值方式的光电式编码器角度传感器的具体要求

     接触网的测量作业在野外进行,绝对式光电式编码器角度传感器也有特定使用范围内的技术要求,基本技术要求如下。

 1 .工作电压:由于是野外作业,考虑到电源的携带性,动作电压为5 v。

 2、消耗电流:同样考虑到电源的携带和动作的持续性,请将消耗电流控制在100 ma以下。

 3、输出信号: SSI同步串行信号,对单芯片微型计算机的处理计算非常方便。

 4、分辨率: 65536。

 5、工作温度:-25-75℃。

 6、停电保存:即使突然停电也不会影响位置的保存。

 7、整体要求:金属外壳、无信号干扰、无零位移、密封双轴承构造。

 4 .绝对值方式的光电式编码器角度传感器的传输协议和数据处理

      这里,使用SSI协议作为传感器传送协议,这是同步串行信号,实际上是2对RS 422、1对时钟触发器、1对数据传送。编码器的绝对值由接收设备的时钟信号触发,从灰码的上位输出与时钟信号同步的串行信号。从接收装置输出时钟信号,以编码器总比特数输出n个中断脉冲,在传输信号的情况下,时钟和数据比特都成为高位比特,在时钟信号的最初的下降沿记忆当前值,从时钟信号的上升沿传输。

      编码器输出格雷序列,接收后首先用异或从上位解码成二进制码。灰编码是循环编码,最大值编码是0循环,即最大值和0之间存在变异,为了避免动作行程的变异数据,将编码器数据值的中间位置作为动作开始位置,编码器的安装完成后,转动到实际的动作开始位置。以后接收到的当前测量值为二进制码专用时,实际位置值= (编码器输出的当前测量值-中间位置值) *编码器旋转方向系数+起点值。


   绝对式光电式编码器角度传感器设计的接触参数测量器配合相位激光测距传感器技术,可高效、准确地测量目标物的距离,同时即使使用角度传感器也可实现激光测量器的平面内死角无的测量。根据现场的试验和反馈,该角度传感器能够完全满足电气铁路现场的参数测定要求,避免其他角度传感器的采用导致的测定不便和可靠性,是理想的测定用角度传感器。都睿感控科技公司设计开发的传感器,包括霍尔传感器等各类型,满足客户的需求。


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