新型数字化脉冲转角传感器设计

New DMtai Pulse Angle Sensor DesignCHEN Yao-qing，CHEN Min(Physics Science and Engineering Institute ofYhun College，Y&hun 336000，China)Abstract：A new type of ditM pulse aJ1gle sensor design is reported.This Sensor sensitive materials is polymeric conductive plastic，and through special processing technology into resistor disc.The di6tM signals are obtained in the brush on the sliding resistance en·codcn Th e circuit module is positive and negative rotation measurement assurance.Preliminary experiments show that：the sensor canbe N360 degrees range of free rotation，high precision，stable work，long service life。

Key words：Polym er Conductive Plastic；Xglc Sensor；Resistor Disc工业中阀门的自动化开启与关闭，通常需要角度测量，而采用的较为普遍的是霍尔传感器和细分机构。霍尔传感器的测量原理是基于半导体的霍尔效应。传感器的位置固定，然后把-个圆盘装在需要待测的旋转物体的轴上，圆盘上贴有若干个小磁铁，小磁铁越多则精度及分辨率也越高。测量角度时，圆盘跟随转轴旋转，每当-个磁铁转过霍尔传感器时，引起磁场的变化，传感器便输出-个脉冲，计算脉冲和小磁铁的个数，即可确定旋转物体转过的角度。而判别方向是利用两个霍尔传感器产生的脉冲相位差。但是霍尔传感器体积大，不好安装。且对外界磁场稳定性要求比较高，不易于控制。

相对于霍尔传感器，该传感器结构简洁、性能稳定、抗干扰能力强、耐磨性好、性价 比高。通常以导 电塑料为敏感材料的位移传感器，是将导电塑料制作成电阻体，传感器输出的都是电压或电流信号。而该新型数字化脉冲转角传感器输出的是数字信号，方便与计算机组成智能控制系统。

1 传感器的组成与结构新型数字化脉冲转角传感器主要包括主轴、电刷、电阻码盘、信号处理电路拈集成板、壳体等。其结构如图1所示 ：传感器工作时，转轴和待测物体通过螺钉紧固套筒连接。待测物体转动时，驱动传感器的转轴旋转，进而带动套在转轴上的-组电刷在电阻码盘上同步滑动产生两组脉冲信号，信号传送给电路处理拈，最后输出数字信号。

通过对光栅传感器和位移传感器原理延伸，可利用电阻码盘研制出-种新型角度传感器。电阻码盘如图2所示：图1 新型数字化脉冲转角传感器结构收稿日期：2012-10-31作者简介：陈耀强 (1991-)，男，江西宜春人，本科，宜春学院理工学院2009级机械设计制造及其自动化专业；陈敏 (1961-)，女，辽宁鞍山人，教授，研究方向：传感器与检测技术。

· 45·第 3期 宜春学院学报 第 35卷图2 高分子导电塑料电阻码盘电阻码盘主要材料为高分子导电塑料，导电塑料导电原理基于渗滤理论。导电塑料以高分子塑料为基体 ，通过对基体进行填充导电物质 ，当导电物质 占到-定浓度的时候 (越过渗阀值)，就可以获得较好的导电能力 J。

电阻码盘电阻栅的制作先采用传统的冲压、烧结等方式获得电阻体，再用特种加工技术 -蚀刻工艺来保证其精度。利用合适的化学溶液腐蚀去除电阻码盘上未被导电物质 (高分子导电材料)覆盖的部分，达到微小的雕刻深度。

设计采用的电阻码盘-圈有72个电阻栅，每圈输出72个脉冲信号。其分辨率为360。/725。，传感器采用了两个电阻码盘 ，电刷旋转时，电阻码盘会产生两组有相位差的脉冲信号，利用产生的脉冲信号相位差原理解决了脉冲计数的可逆性问题。这两组信号分别进入施密特触发器进行信号整形梳理，这对经过整形梳理的脉冲信号再进入双D触发器进行相位检测判别 ，经判别后的脉冲计数信号送入计算机进入反镭制状态。

新型数字化脉冲转角传感器工作电压采用 自适应用户执行机构电源工作方式，减少了外部电源干扰，增加了用户使用的可靠性。工作时由主控板提供5V稳态直流工作电压，微电路拈为主控板的计算机同步输入脉冲计数信号和相位检测信号。

微电路拈采用进口的施密特触发器脉冲波形梳理电路和双D触发器相位检测判别电路构成。为确保电路稳定可靠，选用进口电子元件；为了保证电路有足够的安装空间，元件采用贴片技术；以适应计算机控制系统对控制信号的要求，电路拈采用树脂封固处理，体积小，性能稳定，工作可靠；为使电路有足够的机械强度，对电路采取了电气封固工艺，从而形成了体积孝性能可靠的微电路拈。

· 46·图3 微电路处理拈原理示意图2 实验与结果采用机电-体化检测装置检测新型数字化脉冲转角传感器。检测装置主要有机械结构，计算机及控制，数据采集、传递和处理4大部分组成 J。

2.1 传感器精度测试采用单片机控制步进电机输出高精度的转动角0；电机固有步距角表示控制系统每发出-个步进脉冲信号，电机转动的角度。实验选用的 86BYG450A型三相电机给出的值为 0.75。/1.5。。(半步表示 0.75。，-步表示 1.5。)，新型数字化脉冲转角传感器测量角度为360。。测试数据时，每输入40个步进电机脉冲作为为-个计数点，正反转测量并记录数据。

输出脉冲个数个控制单片机I步进电机l被测新型数字脉冲转角传感器J计算机图4 精度检测装置原理图输入角度/。

图5 传感器输入 -输出特性曲线图5横坐标为单片机控制步进电机输入给传感器的角度，纵坐标为传感器输出的脉冲个数。按照理想的输入输出进行拟合，计算得出传感器线性度为 .4-1.3%，精度为1.5%。经过对样品的测试，各项指标均符合设计要求。

2.2 传感器寿命测试新型数字化脉冲转角传感器结构采用了封装-体化以及螺钉紧固钢圈固定，有效的保护了内部结构在工况中的损伤〖虑到电阻码盘在和电刷摩擦的过程中，随着电阻码盘的损伤程度加深，电阻码盘所输出的电阻-定会有变第 3期 陈耀强，陈 敏：新型数字化脉冲转角传感器设计 第 35卷化，继而会影响传感器的控制精度。因此可以采用电阻法来对电阻码盘的使用周期进行检测。

测试过程中，电机以每分钟 120转速度带动传感器主轴和电刷旋转，电阻码盘通过引出线连接微电阻测量仪，通过计算机控制电机旋转圈数 (本实验以万为单位计数)，观察微电阻测量仪显示并计算差值。通过测试，电刷在码盘上旋转 lO亿圈后，电阻仪显示无明显变化，这说明该传感器较-般传感器具有寿命长的优点。

工程实践中建议使用疲劳剩余寿命。基于非线性连续疲劳损伤理论，由于应力幅造成的非线性累积效应，以电阻值的变化来衡量金属构件损伤参量，通过测量电阻变化来检测金属构件疲劳损伤参量及预测高周疲劳剩余寿命。

这样就可以通过测量电阻变化率来确定电阻码盘的损伤累积状况。最后，可以据此在工程实践中通过测量电阻码盘的电阻变化来预测其疲劳剩余寿命 j。

式中：Ⅳr为剩余疲劳寿命；Ⅳ，为原始疲劳寿命；N为已使用疲劳寿命； 为表面质量系数。

3 结论该新型数字脉冲转角传感器已用于工业阀门的智能控制。连续测量精度可以达到 1.5%，测量分辨能力与电阻码盘栅条数相关。随着制造工业的科技发展，该传感器的精度和分辨力将进-步提升，使之运用到更加精密的转角控制领域。