一种旋转角度测量方法及旋转角度测量装置与流程

1.本发明涉及角度测量技术领域，尤其涉及一种旋转角度测量方法及旋转角度测量装置。


背景技术：

2.目前，对于旋转角度测量的方案大致分为以下几种：
3.其一，使用编码器的方式来实现角度测量，如使用高分辨率的光编码器等，利用光栅的衍射把旋转过程中穿过码盘的光信号转换为电信号，通过电平或脉冲信号数量来计算旋转角度。该方案能实现较高精度的角度测量，但是也具有成本高、体积较大的缺点；
4.其二，使用磁感应器件的方式来实现角度测量，如hall元件、amr元件、gmr元件等，在磁感元件附近的旋转结构件上放置永磁体，结构件带动永磁体一同旋转使磁感线的方向发生变化，磁感应元器件的输出信号随旋转角度变化而变化，根据输出信号即可计算出旋转角度。该方案具有使用寿命长、测量精度相对较高的优点，但同时具有对永磁体的装配要求高、抗干扰能力弱的缺点；
5.其三，使用精密电位器的方式来实现角度测量，电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件，在电位器上面施加电压后，通过旋转过程中电阻的变化带来了电位的变化，然后通过将电位信号转换为数字信号实现角度量的测试。该方案具有稳定性好、精度高和成本低的优点，但装配方式带来不同的摩擦力将影响元件的使用寿命，一旦电位器发生故障损坏，难以被检测发现，影响待测设备的正常使用。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种旋转角度测量方法及旋转角度测量装置，能够检测出角度测量传感器是否发生故障，并且加大了电压输出行程，提高了角度测量的准确度。
7.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种旋转角度测量方法，包括：
9.旋转物体转动；
10.第一角度测量传感器和第二角度测量传感器在所述旋转物体的带动下沿相反方向转动；
11.所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器其中之一的阻值变小，其中另一的阻值变大；
12.所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器其中之一的电压变小，其中另一的电压变大；
13.所述第一角度测量传感器模数转换，所述第二角度测量传感器模数转换；
14.判断所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器的数字量变化趋势是否相反，若是，则将所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器的数字量求差，并将求差后的数字变化量显示或输出；若否，则报错。
15.作为一种旋转角度测量方法的优选方案，所述旋转物体转动时，所述第一角度测量传感器的阻值变大，所述第二角度测量传感器的阻值变小；所述第一角度测量传感器的电压变大，所述第二角度测量传感器的电压变小。
16.作为一种旋转角度测量方法的优选方案，所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器的电压动态变化范围相对称。
17.作为一种旋转角度测量方法的优选方案，所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器为电位器或光电传感器。
18.作为一种旋转角度测量方法的优选方案，所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器均为旋转电位器。
19.一种旋转角度测量装置，使用以上任一方案所述的旋转角度测量方法进行角度测量，该装置包括第一角度测量传感器、第二角度测量传感器、电路板、旋转物体和传动机构，所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器均安装于所述电路板，所述旋转物体通过所述传动机构带动所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器旋转，且所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器旋转方向相反。
20.作为一种旋转角度测量装置的优选方案，所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器的安装方向相反，并以镜像的方式安装于所述电路板的两侧；所述旋转物体为推杆，所述传动机构包括第一传动轴，所述推杆与所述第一传动轴固接，所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器通过所述第一传动轴同轴连接，所述推杆通过所述第一传动轴带动所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器同时转动。
21.作为一种旋转角度测量装置的优选方案，所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器均为旋转电位器，所述旋转电位器上设置有旋转件，所述旋转件上设有d型孔，所述第一传动轴为d型柱，所述d型柱与所述d型孔相配合，以带动所述旋转件转动。
22.作为一种旋转角度测量装置的优选方案，所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器的安装方向相同，且并列安装于所述电路板的同一侧；所述旋转物体为推杆，所述传动机构包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮和/或所述第二齿轮固接有所述推杆；所述第一齿轮上设有第二传动轴，所述第一齿轮与所述第一角度测量传感器通过所述第二传动轴同轴连接；所述第二齿轮上设置有第三传动轴，所述第二齿轮与所述第二角度测量传感器通过所述第三传动轴同轴连接；所述第二传动轴平行于所述第三传动轴。
23.作为一种旋转角度测量装置的优选方案，所述第一角度测量传感器和所述第二角度测量传感器均为旋转电位器，所述旋转电位器上设置有旋转件，所述旋转件上设有d型孔，所述第二传动轴和所述第三传动轴均为d型柱，所述d型柱与对应的所述d型孔相配合，以带动对应的所述旋转件转动。
24.本发明的有益效果为：
25.本发明通过结构设计使旋转物体转动时同时带动两个角度测量传感器转动，且两个角度测量传感器的转动方向相反，从而使得其中一个角度测量传感器的阻值和电压逐渐变小，其中另一个角度测量传感器的阻值和电压逐渐变大，然后对第一角度测量传感器和第二角度测量传感器进行模数转换，并判断第一角度测量传感器和第二角度测量传感器的数字量变化趋势是否相反，如果不相反，则说明两个角度测量传感器中的至少一个发生损
坏，系统报错处理；如果相反，则将第一角度测量传感器和第二角度测量传感器的数字量求差，并将求差后的数字量显示或输出，从而得出旋转物体旋转角度的变化量。由于两个角度测量传感器的数字量求差后，其动态变化范围增大，从而加大了电压的输出行程。在旋转的角度相同，且模数转换器的位数不变的情况下，输入的电压信号动态变化范围越大，则系统对信号识别的分辨率越高，从而提高了旋转角度测量的准确度，特别在于一些微小角度的测量上。
26.本发明提供的旋转角度测量装置具有单一故障检测功能，当装置中的任一个角度测量传感器发生故障损坏时，系统即会报错提示，便于及时发现故障，保证设备正常使用；通过两个角度测量传感器的数字量求差，加大了电压的输出行程，提高了角度测量的准确度和可靠性；相对于编码器的现有技术，本发明成本更低；相对于磁感应器件，本发明装配简单，抗干扰能力强。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对本实用新型实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本实用新型实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明实施例提供的旋转角度测量方法的流程图；
29.图2是本发明实施例提供的旋转角度测量装置的电路原理图；
30.图3是本发明实施例采用两个旋转电位器测量角度时的准确度优化说明图；
31.图4是本发明实施例提供的旋转角度测量装置采用两个旋转电位器同轴安装时的结构示意图；
32.图5是本发明实施例提供的旋转角度测量装置采用两个旋转电位器并列安装时的结构示意图；
33.图6是本发明实施例提供的旋转电位器的结构示意图；
34.图7是本发明实施例提供的旋转物体和传动机构的结构示意图。
35.图中附图标记如下：
36.1-旋转物体；2-第一角度测量传感器；3-第二角度测量传感器；4-传动机构；41-第一传动轴；42-第一齿轮；43-第二齿轮；44-第二传动轴；45-第三传动轴；5-电路板；6-旋转件；61-d型孔。
具体实施方式
37.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
38.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述
术语在本发明中的具体含义。
39.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
40.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
41.实施例一
42.如图1-图3所示，本实施例提供一种旋转角度测量方法，本方法使用两个角度测量传感器，通过结构上的设计使两者的阻值沿相反方向变化，通过将两者的差分信号作为输出信号，从而加大了电压的输出行程，提高了对旋转角度的测量精度；同时本方法能够检测出两个角度测量传感器中的某一个是否发生故障，实现单一故障检测功能，便于对设备的及时维护。该旋转角度测量方法包括以下步骤：
43.s1、开始；
44.s2、旋转物体1转动；
45.本实施例中，旋转物体1可以为待检测物，也可以为待检测物的一部分，该旋转物体1同时与第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3相连接，当旋转物体1发生旋转时，能够同时带动第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3转动。
46.s3、第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3在旋转物体1的带动下沿相反方向转动；
47.本实施例中，可通过将两个角度测量传感器同轴反向安装，或者将两个角度测量传感器并列同向安装，以实现两个角度测量传感器的同时反向转动。可选地，本实施例的旋转物体1为推杆，推杆通过传动机构4带动第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3沿相反方向同时转动。
48.作为优选，本实施例的第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3可以为电位器或光电传感器。本发明相对于编码器的现有技术，成本更低；相对于磁感应器件的现有技术，装配简单、抗干扰能力强。进一步地，本实施例的第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3的类型相同，优选均采用旋转电位器，以提高测量的稳定性和测量精度。
49.s4、第一角度测量传感器2的阻值变大，第二角度测量传感器3的阻值变小；
50.本实施例中，示例性地，当第一角度测量传感器2沿顺时针方向旋转时，由于其自身构造特点，其接入电路中的阻值逐渐变大；而当第二角度测量传感器3沿逆时针方向旋转时，由于其自身构造特点，其接入电路中的阻值逐渐变小。通过上述结构设计，使得第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3的阻值变化相反，即第一角度测量传感器2的阻值变化量为正值，而第二角度测量传感器3的阻值变化量为负值。当然，在其它实施例中，当旋转物体1转动时，也可以通过结构设计使第一角度测量传感器2的阻值逐渐变小，第二角度
vmax增大到vmax(即动态范围2)，显然l3的斜率更大，从而获得了具有较大的动态变化范围的电压值，提高了旋转角度测量的准确度，特别在于一些微小角度的测量上。
60.优选地，本实施例中第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3的电压动态变化范围相对称。具体地，可以采用两个结构、型号、大小均相同的旋转电位器，通过使两个旋转电位器的电压动态变化范围相对称，能够使求差后得到的直线l3的斜率是直线l1斜率的两倍，同时也是直线l2斜率的两倍，更便于计算旋转物体1的转动角度；同时也更有利于判断旋转电位器是否发生损坏，提高系统安全性。
61.实施例二
62.如图4-图7所示，本实施例提供一种旋转角度测量装置，使用实施例一所述的旋转角度测量方法进行角度测量。该测量装置包括第一角度测量传感器2、第二角度测量传感器3、电路板5、旋转物体1和传动机构4，其中第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3均安装于电路板5，旋转物体1通过传动机构4带动第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3旋转，且第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3旋转方向相反。
63.本实施例的旋转物体1在旋转时，会通过传动机构4带动两个角度测量传感器同时转动，其中第一角度测量传感器2的电阻和电压逐渐变大，第二角度测量传感器3的电阻和电压逐渐变小(两者的动态变化范围可参考图3中的l1和l2)，两者的变化方向相反；之后使用第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3的电压差分信号作为输出信号，实现了更大的动态变化范围(可参考图3中的l3)。当旋转的角度相同时，且adc的位数不变的情况下，输入的电压信号动态变化范围越大，则对信号识别的分辨率越高，从而提高了旋转角度测量的准确度。而且本实施例通过判断第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3的数字量变化趋势是否相反(即一正一负)，能够检测出两个角度测量传感器是否存在故障损坏，实现了单一故障检测功能。
64.可选地，本发明可利用两个型号相同或工作原理相同(电阻值大小、结构大小等可以不同)的角度测量传感器叠加放置或者并列放置的方式，通过两个角度测量传感器输出的差分电压信号实现角度测量。具体方案如下：
65.如图4所示，在本发明一可选实施例中，第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3的安装方向相反，并以上下镜像的方式安装于电路板5的两侧；旋转物体1为推杆，传动机构4包括第一传动轴41，推杆与第一传动轴41固接，第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3通过第一传动轴41同轴连接，推杆通过第一传动轴41带动第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3转动。进一步地，本实施例的传动机构4还可以包括齿轮，推杆与齿轮固定连接，第一传动轴41固设于齿轮的中心，并由下至上依次穿过第二角度测量传感器3、电路板5和第一角度测量传感器2，如此可通过推杆推动齿轮转动，实现齿轮的角度变化，通过齿轮带动第一传动轴41转动，从而驱动第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3同步反向转动，以使第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3获得对应的电压值。优选地，可将推杆、齿轮及第一传动轴41设置为一体式结构，通过一体加工成型，从而有效提高产品的结构强度、简化加工工艺，降低成本。需要说明的是，在其他实施例中也可以由下至上按照第二角度测量传感器3、齿轮、电路板5、第一角度测量传感器2的叠加顺序进行设置，同样能够实现本发明单一故障检测和提高角度测量准确度的功能，并不以本实施例为限。
66.进一步优选地，如图6所示，本实施例的第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3均采用旋转电位器，旋转电位器内设置有旋转件6，旋转件6能相对于旋转电位器的壳体转动。旋转件6上设有d型孔61，第一传动轴41为d型柱，d型柱插接于d型孔61内，通过推杆推动，带动了d型柱旋转，从而能够带动旋转件6转动。如此设置，结构简单，工作可靠，降低成本。
67.如图5所示，在本发明另一可选实施例中，第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3的安装方向相同，且并列安装于电路板5的同一侧；旋转物体1为推杆，传动机构4包括相互啮合的第一齿轮42和第二齿轮43，第一齿轮42和/或第二齿轮43上固接有推杆；第一齿轮42的中心设有第二传动轴44，第一齿轮42与第一角度测量传感器2通过第二传动轴44同轴连接；第二齿轮43的中心设置有第三传动轴45，第二齿轮43与第二角度测量传感器3通过第三传动轴45同轴连接；第二传动轴44平行于第三传动轴45。本实施例中，优选设置有两个推杆，分别固定于第一齿轮42和第二齿轮43，以便通过其中任一个推杆的转动驱动两个角度测量传感器转动。进一步地，如图7所示，本实施例可将一个推杆、第一齿轮42及第二传动轴44设置为一体式结构，和/或将一个推杆、第二齿轮及第三传动轴设置为一体式结构，如此可通过一体加工成型，从而有效提高产品的结构强度、简化加工工艺，降低成本。
68.优选地，本实施例第一齿轮42和第二齿轮43位于电路板5远离第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3的一侧，即第二传动轴44由下至上依次穿过电路板5和第一角度测量传感器2，第三传动轴45由下至上依次穿过电路板5和第二角度测量传感器3。如此设置，结构简单，安装方便，且有利于节约空间，减小装置的体积。当然，在其它实施例中，也可以将第一齿轮42和第二齿轮43设置于电路板5靠近第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3的一侧，同样能够实现本发明单一故障检测和提高角度测量准确度的功能，并不以本实施例为限。
69.进一步优选地，如图6所示，本实施例的第一角度测量传感器2和第二角度测量传感器3均为旋转电位器，旋转电位器上设置有旋转件6，旋转件6能相对于旋转电位器的壳体转动。旋转件6上设有d型孔61，第二传动轴44和第三传动轴45均为d型柱，两个d型柱分别插接于对应的d型孔61内，通过推杆推动，带动两个d型柱旋转，从而能够带动两个旋转件6转动。如此设置，结构简单，工作可靠，降低成本。
70.本发明提供的旋转角度测量装置具有单一故障检测功能，当装置中的任一个角度测量传感器发生故障损坏时，系统即会报错提示，便于及时发现故障，保证设备正常使用；通过两个角度测量传感器的数字量求差，加大了电压的输出行程，提高了角度测量的准确度和可靠性；相对于编码器的现有技术，本发明成本更低；相对于磁感应器件，本发明装配简单，抗干扰能力强。
71.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种旋转角度测量方法，其特征在于，包括：旋转物体(1)转动；第一角度测量传感器(2)和第二角度测量传感器(3)在所述旋转物体(1)的带动下沿相反方向转动；所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)其中之一的阻值变小，其中另一的阻值变大；所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)其中之一的电压变小，其中另一的电压变大；所述第一角度测量传感器(2)模数转换，所述第二角度测量传感器(3)模数转换；判断所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)的数字量变化趋势是否相反，若是，则将所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)的数字量求差，并将求差后的数字量显示或输出；若否，则报错。2.根据权利要求1所述的旋转角度测量方法，其特征在于，所述旋转物体(1)转动时，所述第一角度测量传感器(2)的阻值变大，所述第二角度测量传感器(3)的阻值变小；所述第一角度测量传感器(2)的电压变大，所述第二角度测量传感器(3)的电压变小。3.根据权利要求1所述的旋转角度测量方法，其特征在于，所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)的电压动态变化范围相对称。4.根据权利要求1-3任一项所述的旋转角度测量方法，其特征在于，所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)为电位器或光电传感器。5.根据权利要求4所述的旋转角度测量方法，其特征在于，所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)均为旋转电位器。6.一种旋转角度测量装置，使用权利要求1-5任一项所述的旋转角度测量方法进行角度测量，其特征在于，包括第一角度测量传感器(2)、第二角度测量传感器(3)、电路板(5)、旋转物体(1)和传动机构(4)，所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)均安装于所述电路板(5)，所述旋转物体(1)通过所述传动机构(4)带动所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)旋转，且所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)旋转方向相反。7.根据权利要求6所述的旋转角度测量装置，其特征在于，所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)的安装方向相反，并以镜像的方式安装于所述电路板(5)的两侧；所述旋转物体(1)为推杆，所述传动机构(4)包括第一传动轴(41)，所述推杆与所述第一传动轴(41)固接，所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)通过所述第一传动轴(41)同轴连接，所述推杆通过所述第一传动轴(41)带动所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)同时转动。8.根据权利要求7所述的旋转角度测量装置，其特征在于，所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)均为旋转电位器，所述旋转电位器上设置有旋转件(6)，所述旋转件(6)上设有d型孔(61)，所述第一传动轴(41)为d型柱，所述d型柱与所述d型孔(61)相配合，以带动所述旋转件(6)转动。9.根据权利要求6所述的旋转角度测量装置，其特征在于，所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)的安装方向相同，且并列安装于所述电路板(5)的同一
侧；所述旋转物体(1)为推杆，所述传动机构(4)包括相互啮合的第一齿轮(42)和第二齿轮(43)，所述第一齿轮(42)和/或所述第二齿轮(43)固接有所述推杆；所述第一齿轮(42)上设有第二传动轴(44)，所述第一齿轮(42)与所述第一角度测量传感器(2)通过所述第二传动轴(44)同轴连接；所述第二齿轮(43)上设置有第三传动轴(45)，所述第二齿轮(43)与所述第二角度测量传感器(3)通过所述第三传动轴(45)同轴连接；所述第二传动轴(44)平行于所述第三传动轴(45)。10.根据权利要求9所述的旋转角度测量装置，其特征在于，所述第一角度测量传感器(2)和所述第二角度测量传感器(3)均为旋转电位器，所述旋转电位器上设置有旋转件(6)，所述旋转件(6)上设有d型孔(61)，所述第二传动轴(44)和所述第三传动轴(45)均为d型柱，所述d型柱与对应的所述d型孔(61)相配合，以带动对应的所述旋转件(6)转动。

技术总结
本发明涉及角度测量技术领域，公开了一种旋转角度测量方法及旋转角度测量装置。旋转角度测量方法包括：旋转物体转动；第一角度测量传感器和第二角度测量传感器沿相反方向转动；第一角度测量传感器和第二角度测量传感器的阻值一个变小，一个变大；第一角度测量传感器和第二角度测量传感器的电压一个变小，一个变大；第一角度测量传感器和第二角度测量传感器模数转换；判断第一角度测量传感器和第二角度测量传感器的数字量变化趋势是否相反，若是，则将第一角度测量传感器和第二角度测量传感器的数字量求差，并将求差后的数字量显示或输出；若否，则报错。本发明能检测角度测量传感器是否发生故障，并加大了电压输出行程，提高了角度测量的准确度。角度测量的准确度。角度测量的准确度。


技术研发人员：杨稳 郑琦
受保护的技术使用者：瑞龙诺赋（上海）医疗科技有限公司
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2023/9/23