專利名稱：測定旋轉元件角度位置的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測定旋轉元件角度位置的方法，還涉及一種測定旋轉元件 角度位置的裝置，特別是測定檢流計式掃描器(中文的專業名詞為"振鏡"，一 種用于激光束掃描的元件)轉軸角度位置的方法及其裝置。
背景技術：
現有技術中，探測有限旋轉角度內旋轉元件的角度位置主要有兩種類型的 傳感器， 一類是電容式位置探測器，電容式位置傳感器雖然探測精度高，線性 度好，但是它的體積大，制作難度大，抗電磁干擾的能力差。另一類是光電式 位置傳感器，目前的光電式位置傳感器都是用發光元件如紅外發射管發出的光 束直接照射到光檢測器如硅光電池等(俗稱為直射式)，通過固定在轉軸上的特 殊形狀的光遮擋器遮擋一部分光照射在光檢測器上，當轉軸在不同的角度時， 分布在不同的位置的光檢測器由于光遮擋器的遮擋受光面積不同，光檢測器根 據不同受光面積，分別產生不同的線性輸出，依據這些線性輸出來計算轉軸的 角度位置。這種直接照射式的光電位置傳感器存在以下缺陷任何紅外發射管 都有一定的發光角度范圍，并且隨著角度的增大和投射距離的增加光強度下降， 因而很難做到均勻廣角光場，這樣在不同的位置上的光檢測器接收到的光強度 不同，光檢測器的輸出線性下降，從而使轉軸角度位置的線性度變差。
中國專利公開號CN1297526A，
公開日2001年5月30日。該專利公開了 一種確定可回轉元件角度位置的軸向發光二極管檢測器，文中光電式位置傳感 器為直射式光電位置傳感器，在四個陣列排布光檢測器的上方有一個光源，光源和光檢測器之間有一個蝶形的遮擋元件，該遮擋元件固定在轉軸的一端，當 蝶形的遮擋元件隨著轉軸旋轉或擺動時，使得兩個光檢測器的受光面加大，另 兩個受光面減小，光檢測器對角交叉連接，因此一對光檢測器的求和輸出增大 而另一對光檢測器的求和輸出減小，將這兩對輸出信號進行計算即可得出轉軸 所轉動的角度。該專利存在的缺點是任何光源都有一定的發光角度范圍，并 且隨著角度的增大和投射距離的增加光強度下降，因而很難做到均勻廣角光場， 這樣在不同的位置上的光檢測器接收到的光強度不同，光檢測器的輸出線性下 降，從而使轉軸角度位置的線性度變差。

發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種測定旋轉元 件角度位置的方法，還提供一種測定旋轉元件角度位置的裝置(光電式位置檢 測器)，本發明利用漫發射原理能夠精確測定旋轉元件的角度位置，解決了現有 位置檢測器中角度位置線性度差的問題，還解決了現有位置檢測器體積大、制 作難度大的問題。
本發明采用的技術方案是
本發明提供的測定旋轉元件角度位置的方法，參與該方法的元件包括光源、 光檢測器、旋轉元件和隨旋轉元件同步擺動的漫反射元件，所述光檢測器的數 目至少為兩個，光源、光檢測器、漫反射元件三者之間的位置關系滿足使旋 轉元件在擺動角度范圍內擺動時，漫反射元件漫反射出的光束能夠到達分布在 光源兩側的光檢測器上，且漫反射元件漫反射到光檢測器的光束面積隨著擺動 角度的不同而不同；步驟包括
(1 )漫反射元件接收光源發射的光束，并將接收的光束漫反射至光檢測器;
(2)光檢測器接收漫反射元件漫反射出的光束，并根據光朿的面積大小進 行光電轉換，將光信號轉換為電信號；
5(3)對光電轉換后的電信號進行處理，輸出旋轉元件的角度位置信號。 本發明提供的測定旋轉元件角度位置的裝置(即用于測定旋轉元件角度 位置的光電式位置檢測器)，包括 旋轉元件；
光源用于發射光束；
隨旋轉元件同步擺動的漫反射元件用于接收光源發射的光束，并把接收 的光束漫反射到光檢測器；
光檢測器用于接收漫反射元件漫反射出的光束，并根據光束的面積大小 進行光電轉換，將光信號轉換為電信號；以及
輸出裝置對光檢測器送來的電信號進行處理，輸出旋轉元件的角度位置 信號；
光源、光檢測器和漫反射元件之間的位置關系滿足使旋轉元件在擺動角 度范圍內擺動時，漫反射元件漫反射出的光束能夠到達分布在光源兩側的光檢 測器上，且漫反射元件漫反射到光檢測器的光束面積隨著擺動角度的不同而不 同。
所述漫反射元件是由能夠對光源所發出的光進行漫反射的材料制成的元 件，或是在該元件的反射面上涂上能夠對光源所發出的光進行漫發射的物質， 或是在該元件的反射面上鍍上能夠對光源所發出的光進行漫發射的物質。
光源、漫反射元件和光檢測器三者之間的距離在保證角度不變的條件下越 近越好。
進一步地，所述光電位置檢測器還包括支架，所述支架用于固定所述光源 和所述光檢測器。
所述漫反射元件通過轉軸與所述旋轉元件連接。
所述光檢測器所在的平面與所述光源軸線的夾角為5° 200°中的任一 值，優選范圍是30。 60° ，最優地，該夾角為45。。進一步地，所述光檢測器為硅光電池，所述漫反射元件是由陶瓷制成的元件。
本發明的工作原理是本發明的關鍵是漫反射元件與光源和光檢測器之間 的關系，必須保證轉軸在設計的擺動角度內(±40°的擺動角度范圍，以光檢 測器輸出信號大小相等時漫反射元件所在的角度位置為基準零度)擺動時漫反 射元件漫反射出的光束能夠同時到達分布在光源兩側的光檢測器上。當漫反射 元件隨轉軸擺動時，使一個光檢測器接收的反射光面積大一些，而使另一個光 檢測器接收的反射光面積小一些，這樣一個光檢測器的輸出信號增加，另一個 光檢測器的輸出信號減小，這些輸出隨后連接至差動放大器的相反兩端，最終 生成雙向的線性輸出。在本發明裝置工作時，光檢測器產生一正比于總輻射能 的電流，此輻射能是指漫反射元件漫反射到光檢測器上的光能，光檢測器的輸 出正比于其接收到的漫反射光的面積，隨漫反射元件的擺動角度不同，光檢測 器的受光面積也不同，光檢測器的最終輸出即可代表轉軸的擺動角度。
本發明與已有技術相比具有以下積極效果
(1) 本發明采用漫發射原理，調整光源、光檢測器和漫反射元件三者之間 的位置關系滿足使旋轉元件在設計的擺動角度內(±40°的擺動角度范圍) 擺動時，漫反射元件漫反射出的光束能夠同時到達分布在光源兩側的光檢測器， 且漫反射元件漫反射到光檢測器的光束面積隨著擺動角度的不同而不同。光源 發出的光束經漫反射后光束的光場變得均勻，因而克服了現有光電位置檢測器 中角度位置線性度差的缺點。
(2) 本發明由于采用漫發射原理，經漫反射后的光對轉軸的徑向和軸向運
動不敏感，所以轉軸的徑向和軸向的跳動并不產生對應于轉軸旋轉的等效輸出 信號，這樣第一降低了對裝配精度的要求，第二增強了對徑向和軸向的跳動的 抗干擾能力，提高了位置輸出信號的穩定性。(3) 本發明的裝置主要由光源、漫反射元件和光檢測器組成，結構簡單， 制造成本低，克服了現有位置檢測器組成元件數多、裝配復雜致使體積大、制 作難度大的問題。
(4) 本發明中光源、漫反射元件和光檢測器這三者之間的距離在保證角度 不變的條件下越近越好，因為越近光的損失越小，所以光檢測器接收的光越強。


圖1為本發明實施例一設有測定旋轉元件角度位置傳感器的掃描器沿轉軸 方向的結構剖視圖2為圖1沿A—A向的截面圖3為本發明實施例一的支架正視圖4為本發明實施例一的支架后視圖5為本發明實施例一和實施例二的漫發射元件立體圖6為本發明實施例二設有測定旋轉元件角度位置傳感器的掃描器沿轉軸 方向的結構剖視圖7為圖6沿B—B向的截面圖8為本發明實施例二的支架正視圖9為本發明實施例二的支架后視圖。
圖號說明l一光檢測器；2 —支架；3 —漫反射元件；4一光源；5 —轉軸； 6 —軸承；7 —殼體；8 —旋轉元件；9一光電位置傳感器(又稱光電式位置檢測 器)；IO —傳感器電路板；ll一角度限制器。
具體實施例方式
下面結合附圖對利用本發明測定旋轉元件角度位置的方法而設計的裝置 (即光電式位置檢測器或光電位置傳感器)作進一步詳細描述。實施例一 一個光源，兩個光檢測器。
圖1為設有測定旋轉元件角度位置傳感器的掃描器沿轉軸方向的結構剖視 圖，其中沿A — A向的截面圖即是光電式位置檢測器(光電位置傳感器)的截 面圖。
如圖2所示，測定旋轉元件角度位置的裝置包括旋轉元件8、光源4、漫反
射元件3、光檢測器l、支架2 (由熱膨脹系數小的工程塑料制成)和數據處理 單元(數據處理單元是輸出裝置)。本例中采用一個紅外二極管作為光源；光檢 測器采用硅光電池，共有兩個；所述漫反射元件3由陶瓷材料制成。
各組成部分的連接結構為 光源4:用于發射光束；
漫反射元件3:用于接收光源4發射的光束，并把接收的光束漫反射到光檢
測器l，本例中的漫反射元件為長方形(如圖5所示)，所述漫反射元件3直接 固定在轉軸5的一端，所述轉軸5的另一端連著旋轉元件8;
光檢測器l:用于接收漫反射元件3漫反射出的光束，并將光信號轉化成電
信號；
數據處理單元對光檢測器1送來的電信號進行處理，輸出旋轉元件的角 度位置信號；
支架2 (如圖3、 4所示)用于固定所述光源4和所述光檢測器1。光源4 和兩個光檢測器1嵌在該支架的內壁上，兩個光檢測器1分布在光源4的兩側， 光檢測器所在的平面與光源軸線的夾角為45° (經試驗，5° 200°中的任一 值均可，但取30° 60°中的任一值時漫反射元件反射到光檢測器的光束強度 強，且光場均勻性好，45°時效果最佳)；所述轉軸5位于該支架的中央，所述 漫反射元件3能夠在該支架內轉動(能在±40°的擺動角度范圍內擺動)。
光源4、光檢測器1和漫反射元件3之間的位置關系滿足使旋轉元件8在 擺動角度范圍內擺動時，漫反射元件3漫反射出的光束能夠同時到達分布在光
9源4兩側的光檢測器1，且在不同的擺動角度下，漫反射元件漫反射到光檢測器 的光束面積不同。
光源4與漫反射元件3之間不加入任何元件，光源4、光檢測器l、漫反射 元件3這三者之間的距離在保證角度不變的條件下越近越好，因為越近光的損 失越小，光檢測器接收的光越強。
實施例二兩個光源，四個光檢測器。
如圖6、 7所示，與實施例一不同的是，本實施例的硅光電池有四個，紅外
二極管有兩個。兩個紅外二極管的軸線在一條直線上，每個光源兩側的光檢測
器所在的平面與該光源軸線的夾角為60。(經試驗，5° 200°中的任一值均 可，但取30° 60°中的任一值時漫反射元件反射到光檢測器的光束強度強， 且光場均勻性好，45°時效果最佳，圖中以60°示出)。光源與漫反射元件之間 不加入任何元件，光源發出的光直射到漫反射元件上再經漫反射元件反射到光 檢測器上。光源、光檢測器、漫反射元件這三者之間的距離在保證角度不變的 條件下越近越好，越近光的損失越小，光檢測器接收的光越強。 本說明書未公開的部分屬于本領域的公知技術。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何形式上的限制， 凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修 飾，均仍屬本發明技術方案的保護范圍。
權利要求
1.測定旋轉元件角度位置的方法，其特征在于，參與該方法的元件包括光源、光檢測器、旋轉元件和隨旋轉元件同步擺動的漫反射元件，所述光檢測器的數目至少為兩個，光源、光檢測器、漫反射元件三者之間的位置關系滿足使旋轉元件在擺動角度范圍內擺動時，漫反射元件漫反射出的光束能夠到達分布在光源兩側的光檢測器上，且漫反射元件漫反射到光檢測器的光束面積隨著擺動角度的不同而不同；步驟包括(1)漫反射元件接收光源發射的光束，并將接收的光束漫反射至光檢測器；(2)光檢測器接收漫反射元件漫反射出的光束，并根據光束的面積大小進行光電轉換，將光信號轉換為電信號；(3)對光電轉換后的電信號進行處理，輸出旋轉元件的角度位置信號。
2、 測定旋轉元件角度位置的裝置，其特征在于包括旋轉元件(8);光源(4):用于發射光束；隨旋轉元件(8)同步擺動的漫反射元件(3):用于接收光源(4)發射的 光束，并把接收的光束漫反射到光檢測器(1);光檢測器(1):用于接收漫反射元件(3)漫反射出的光束，并根據光束的面積大小進行光電轉換，將光信號轉換為電信號；以及輸出裝置對光檢測器(1)送來的電信號進行處理，輸出旋轉元件的角度 位置信號；光源(4)、光檢測器(1)和漫反射元件(3)之間的位置關系滿足使旋轉元件(8)在擺動角度范圍內擺動時，漫反射元件(3)漫反射出的光束能夠 到達分布在光源(4)兩側的光檢測器(1)上，且漫反射元件(3)漫反射到光 檢測器(1)的光束面積隨著擺動角度的不同而不同。
3、 根據權利要求2所述的測定旋轉元件角度位置的裝置，其特征在于所述光電位置檢測器還包括支架(2)，所述支架(2)用于固定所述光源(4)和 所述光檢測器(1)。
4、 根據權利要求2所述的測定旋轉元件角度位置的裝置，其特征在于所述漫反射元件(3)通過轉軸(5)與所述旋轉元件(8)連接。
5、 根據權利要求2 4所述的測定旋轉元件角度位置的裝置，其特征在于 所述光檢測器(1)所在的平面與所述光源(4)軸線的夾角為5° 200°中的 任一值。
6、 根據權利要求5所述的測定旋轉元件角度位置的裝置，其特征在于所 述光檢測器(1)所在的平面與所述光源(4)軸線的夾角為30° 60°中的任 一值。
7、 根據權利要求6所述的測定旋轉元件角度位置的裝置，其特征在于所 述光檢測器(1)所在的平面與所述光源(4)軸線的夾角為45° 。
8、 根據權利要求2 4中任一項所述的測定旋轉元件角度位置的裝置，其 特征在于所述光檢測器(1)為硅光電池。
9、 根據權利要求2 4中任一項所述的測定旋轉元件角度位置的裝置，其 特征在于所述漫反射元件是由能夠對光源所發出的光進行漫反射的材料制成 的元件，或是在該元件的反射面上涂上能夠對光源所發出的光進行漫發射的物 質，或是在該元件的反射面上鍍上能夠對光源所發出的光進行漫發射的物質。
10、 根據權利要求9所述的測定旋轉元件角度位置的裝置，其特征在于.-所述漫反射元件(3)是由陶瓷制成的元件。
11、 根據權利要求2 4所述的測定旋轉元件角度位置的裝置，其特征在于: 所述光源(4)的數目為一個，所述光檢測器(1)的數目為兩個。
12、 根據權利要求2 4所述的測定旋轉元件角度位置的裝置，其特征在于: 所述光源(4)的數目為兩個，所述光檢測器(1)的數目為四個，兩個光源(4) 的軸線在一條直線上。
全文摘要
本發明涉及測定旋轉元件角度位置的方法及裝置，參與該方法的元件包括光源、光檢測器、旋轉元件和隨旋轉元件同步擺動的漫反射元件，光源、光檢測器、漫反射元件三者之間的位置關系滿足旋轉元件在擺動角度范圍內擺動時，漫反射元件反射出的光束能夠到達分布在光源兩側的光檢測器上，且漫反射元件反射到光檢測器的光束面積隨著擺動角度的不同而不同。光源發出的光直射到漫反射元件，經漫反射元件反射到光檢測器，光檢測器根據光束的面積大小進行光電轉換，最后輸出旋轉元件的角度位置信號。本發明利用漫反射原理能夠精確測定旋轉元件的角度位置，解決了現有位置檢測器中角度位置線性度差的問題，還解決了現有位置檢測器體積大、制作難度大的問題。
文檔編號G01B11/26GK101576380SQ200910147790
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月22日 優先權日2009年6月22日
發明者鄭明春 申請人:北京世紀桑尼科技有限公司