一種測量精度可調的角度傳感器研究

盛奮華, 孫承庭, 胡 平

(1.蘇州信息職業技術學院，蘇州 215200； 2. 連云港職業技術學院，連云港 222006；3.南京工業大學,南京 211800)

一種測量精度可調的角度傳感器研究

盛奮華1, 孫承庭2, 胡 平3

(1.蘇州信息職業技術學院，蘇州 215200； 2. 連云港職業技術學院，連云港 222006；3.南京工業大學,南京 211800)

針對常用的光電式角度傳感器無法調節測量精度而難以適用多種場合的問題，設計了一種新型測量精度可調的角度傳感器及其信號處理電路。角度傳感器包括感應轉盤、轉軸、霍爾傳感器和精度控制開關，其中感應轉盤隨轉軸一同轉動，感應轉盤上設置多個磁感應器，磁感應器通電后產生磁場，當轉軸轉動后磁感應器經過霍爾傳感器的位置時，霍爾傳感器輸出相應的電信號，通過信號處理電路即可實現對應角度信號的檢測。當需要調節測量精度時，通過精度控制開關可以改變磁感應器的通電狀態，從而實現角度測量精度的調節。最后通過實驗驗證了設計的角度傳感器測量原理的正確性。

角度傳感器；測量精度；電磁感應；霍爾效應；單片機

0 引 言

角度信息是一個重要的角參量，在工業、農業、建筑業、航空航天、軍事等多個領域得到了廣泛的應用[1-4]。例如，在機械自動控制領域經常需要利用角度傳感器來測量機械轉動的角度，以便對機械運行狀態進行控制；在自動火炮控制系統中，通過測量方位角來實現對目標位置的瞄準。

近年來，國內外很多學者對新型角度傳感器和角度測量方法進行了大量研究。包括基于磁旋轉編碼器的角度傳感器[5]、基于保偏光子晶體光纖的長尾式光纖環鏡角度傳感器[6]、電容式角度傳感器[7]、新型霍爾式角度傳感器[8]、全角度無接觸式智能角度傳感器[9]、光電旋轉編碼式角度傳感器[10]等等。

本文針對常用的光電式角度傳感器無法調節測量精度而難以適用多種場合的問題，本文設計了一種新型測量精度可調的角度傳感器及其測量電路。角度傳感器的感應轉盤上設置多個磁感應器，磁感應器通電后產生磁場，當需要調節測量精度時，通過精度控制器可以改變磁感應器的通電狀態，由此來實現測量精度的調節。

1 角度傳感器結構

設計的角度傳感器結構如圖1所示，主要包括三大部分：感應轉盤、轉軸和霍爾傳感器，其中傳感器感應轉盤固定在轉軸上，轉軸又通過剛性聯軸器與被測固定。當被測軸轉動時，傳感器的感應轉盤跟隨轉動。

圖1 角度傳感器結構圖

傳感器的感應轉盤設有安裝孔，用于和轉軸固定，此外，感應轉盤上設置多個磁感應器區域，如圖2所示。磁感應器內部由漆包線繞制而成的電磁線圈組成，且均勻布滿磁感應器的區域，通電后可以產生相應的磁場；磁感應器之間存在間隙，間隙對應的空間角度與磁感應器區域對應的空間角度同為α。

圖2 感應轉盤結構圖

2 角度傳感器工作原理

2.1 線圈及電源接線圖

傳感器的線圈接線如圖3所示，磁感應器中的電磁線圈按照并聯方式連接，一端直接接地，另一端與環形導線相連。環形導線為3根，編號如圖3所示。其中環形導線1與所有的線圈相連；環形導線2與每2個線圈中的一個相連，且在空間上平均分布；環形導線3與每4個線圈中的一個相連，且在空間上平均分布。

圖3 線圈接線圖

環形導線1，2，3與直流電源的接線如圖4所示，3根環形導線與單片機的P0.0～P0.2三個端口相連，分別通過開關K1，K2和K3與電源相連。由此可知，假設磁感應器的數目為n，當開關K1閉合，其余開關打開時，所有的磁感應器全部通電；當開關K2閉合時，其余開關打開時，在空間上平均分布的n/2個磁感應器通電；當開關K3閉合時，其余開關打開時，在空間上平均分布的n/4個磁感應器通電。

圖4 電源接線圖

2.2 霍爾電勢

霍爾傳感器的工作原理是基于霍爾效應的，當霍爾傳感器平面的法線方向上存在磁場時，霍爾傳感器控制端通電后導體中的載流子就會受到洛倫茲力的作用，從而開始向兩側積累電子，產生霍爾電勢：

UH=KHIB

(1)

式中：KH為霍爾傳感器的靈敏度；I為傳感器控制端通電后產生的電流。

為了處理電信號的方便，采用放大器和整形電路將霍爾傳感器產生的模擬電信號轉換成開關信號，如圖5所示。

圖5 開關式霍爾器件結構圖

2.3 工作原理

當開關K1閉合，其余開關打開時，所有磁感應器的電磁線圈通電，產生n個對應的磁場，由圖2所示的結構圖可知，所有磁場在空間上平均分布，對應的空間角度為360(°)/n(包括相應的間隔區)。感應轉盤轉動時，磁感應器跟隨轉盤同時轉動，當磁感應器經過霍爾傳感器所在的位置時，根據霍爾效應，霍爾傳感器產生對應的電信號，經過處理后如圖6中的信號A所示；同理，當開關K2閉合，其余開關打開時，霍爾傳感器輸出如圖6中的信號B；當開關K3閉合，其余開關打開時，霍爾傳感器輸出如圖6中的信號C。

圖6 霍爾傳感器輸出的電信號

2.4 信號處理電路

當開關K1閉合，其余開關打開時，霍爾傳感器輸出如圖6中所示的信號A，與此同時，單片機的P0.0端口跳變為高電平，單片機端口P1.0與霍爾傳感器的輸出端相連，則單片機內部編程實現的計數器開始對霍爾傳感器的輸出信號A進行計數，并保存計數結果M1。根據工作原理可知，此時每個脈沖信號表示感應轉盤轉過的角度為360(°)/n，則單片機通過液晶屏顯示的角度數值為360M1/n。

同理，當開關K2閉合，其余開關打開時，霍爾傳感器輸出如圖6中所示的信號B，單片機的P0.1端口跳變為高電平，單片機內的計數器對信號B進行計數，并保存計數結果M2。由于此時每個脈沖信號表示感應轉盤轉過的角度為2×360(°)/n，則單片機通過液晶屏顯示為角度數值為720M2/n。

當開關K3閉合，其余開關打開時，霍爾傳感器輸出如圖6中所示的信號C，單片機的P0.2端口跳變為高電平，單片機的計數器開始對信號C進行計數，并保存計數結果M3，由于此時每個脈沖信號表示感應轉盤轉過的角度為4×360(°)/n，則單片機通過液晶屏顯示為角度數值為4×360×M3/n。

2.5 精度分析

由上述工作原理可知，通過控制開關K1，K2和K3，可以實現角度傳感器測量精度的調節。其中開關K1閉合其它開關打開時，傳感器的測量精度為360(°)/n；當開關K2閉合其它開關打開時，傳感器的測量精度為720(°)/n；開關K3閉合其它開關打開時，傳感器的測量精度為1 440(°)/n。因此，若要傳感器的測量精度越高，則需要的磁感應器的個數越多，會增加制作難度。為了盡可能的提高測量精度，可以適當增加感應轉盤的直徑。

3 實驗結果與分析

為了驗證本文設計的角度傳感器測量原理的正確性，根據傳感器的結構和工作原理制作了傳感器樣機和測量電路。其中傳感器中的磁感應器之間的間隙為1°，磁感應器所占的空間角度同為1°；測量電路采用單片機為89CS51，工作晶振為12 MHz；霍爾傳感器型號為3144，放大器型號為OP07，整形電路采用比較器LM339；直流電源U=+5 V。

閉合開關K1，其余開關打開，轉動感應轉盤，霍爾傳感器的輸出信號如圖7中u1所示；閉合開關K2，其余開關打開，轉動感應轉盤，霍爾傳感器的輸出信號如圖7中u2所示；閉合開關K3，其余開關打開，轉動感應轉盤，霍爾傳感器的輸出信號如圖7中u3所示。

圖7 霍爾傳感器的實際輸出信號

磁感應器轉過的角度采用高精度測角儀 YT-0593來確定，轉過的度數為45°。切換精度開關K1，K2和K3，每組實驗重復3次，通過測量電路得到的角度值如表1所示。

由表1所示的實驗結果可知，本文設計的角度傳感器能夠實現基本的測量功能，且可以實現測量精度的調節。當K3閉合時，角度傳感器的測量誤差較大，原因是此時的測量精度為4°，分辨率不夠，造成了較大的測量誤差。為了減小測量誤差，要適當減小磁感應器區域對應的空間角度，可以采用印制繞組加工工藝。

4 結 語

本文設計了一種新型測量精度可調的角度傳感器及其信號處理電路，詳細介紹了角度傳感器的機械結構和工作原理。當需要調節測量精度時，通過精度控制開關可以改變磁感應器的通電狀態，由此來實現測量精度的調節。最后通過實驗驗證了本文設計的角度傳感器測量原理的正確性，以及測量精度調節的可行性，希望得到推廣應用。

[1] 羅冰，肖波，蔡登勝,等.電位器式角度傳感器在裝載機工作裝置電控系統中的應用[J].建筑機械，2014(1)：77-80.

[2] 張愛華，姚海燕.角度傳感器在全位置自動焊接系統中的應用[J].計算機測量與控制，2009，17(12)：2426-2431.

[3] 習喜龍，劉勇，周崗.磁角度傳感器在舵角采集中的應用[J].艦船電子工程，2010，30(9)：89-91.

[4] 鄧宏貴，吳讓亮，施佳佳.數字角度傳感器在建筑角度測量儀中應用[J].傳感技術學報，2010，23(8)：1206-1210.

[5] 吳小鋒.基于磁旋轉編碼器的角度傳感器動態誤差補償方法[J].儀表技術與傳感器，2015(11)：15-17.

[6] 吳迪，趙勇.基于保偏光子晶體光纖的長尾式光纖環鏡角度傳感器[J].東北大學學報(自然科學版)，2016，37(2)：161-164.

[7] 高峰，谷雨，周濱,等.一種電容式角度傳感器[J].儀表技術與傳感器，2009(8)：17-18.

[8] 季漢川，楊文煥.一種新型霍爾角度傳感器的設計與分析[J].儀表技術與傳感器，2012(8)：7-8.

[9] 楊星，張家祺，王晶,等.全角度無接觸式智能角度傳感器設計與驗證[J].計算機工程與設計，2016，37(1)：71-75.

[10] 王彩霞，李梅.基于FPGA的增量式光電角度編碼器信號處理系統[J].微計算機信息，2010，26(8)：125-126.

Research on a Novel Angle Sensor with Adjustable Measurement Precision

SHENGFen-hua1，SUNCheng-ting2，HUPing3

(1.Suzhou College of Information Technology，Suzhou 215200,China；2.Lianyungang Technical College,Lianyungang 222006,China；3.Nanjing Technical University，Nanjing 211800,China)

For common photoelectric angle sensor, the measuring accuracy can not be adjusted, so it is difficult to apply to a variety of occasions. In this paper, a new angle sensor and its measuring circuit were presented, and the measuring precision of sensor can be changed. The angle sensor includes inductive turnplate, rotating shaft, Hall sensor and the accuracy controller, inductive turnplate is fixed with rotating shaft, a plurality of magnetic sensors were arranged on the inductive turntable, the magnetic field was generated by magnetic sensors, and the Hall sensor output a corresponding electrical signal when the rotating magnetic sensor going through the Hall sensor position, the corresponding angle signal was detected through the measuring circuit. When the measuring precision need to be adjusted, it can be achieved to change the magnetic sensor power state through the precision controller. Finally, the experimental results show that the angle sensor measurement principle is correct.

angle sensor; measurement precision; electromagnetic induction; Hall effect; SCM

2016-08-09

國家自然科學基金項目(612030702)；江蘇省現代教育技術研究課題項目(2015-R-43034)；連云港市科技支撐計劃項目(SH1110)

TM303

A

1004-7018(2016)12-0037-03