[发明专利]一种荧光式角度传感器

说明书

本发明涉及传感器技术领域，提供一种荧光式角度传感器，主要包括核心光学组件、光电转换组件、信号调理组件、输出显示组件、结构封装组件。不同角度位置对应的荧光材料组份不同，从而荧光特征的特定数值对应于特定角度，通过检测包括荧光色坐标、峰值强度比、谱带重心等荧光特征的值即得到角度值。经简单数学运算、对时间微分、统计运算等分析处理，可以得到角位移、角速度、转速、振动、角加速度等多参量信息。该角度传感器具有免疫电磁干扰、无阻尼、自然频率高、响应快速、结构牢固等优点。

技术领域

本发明涉及一种荧光式角度传感器，以及基于角度分析的角位移、角速度、转速、振动、角加速度传感器。

背景技术

最常见的角度传感器是电位器，电刷与环形电阻接触，转动电刷到不同角度位置，则触点与固定电极之间的电阻值不同，特定阻值对应于特定角度。它的局限性比较明显，一是存在与接触电阻有关的滑动噪声；一是电刷与环形电阻的触点存在机械磨损。传统的多圈角度传感器则是采用磁电编码或光电编码测量角度并配合齿轮传动结构测量圈数，其内部装有电池用于断电后记忆当前角度信息。它的缺陷有：电池寿命短不易更换、齿轮传动结构复杂精度要求高、体积较大。本发明是针对现有角度传感器存在的寿命短、精度低、动态特性差等问题提供的一种综合性能良好的荧光式光学传感器。

发明内容

本发明提出一种荧光式角度传感器，用荧光非接触地传感角度信息，不同的荧光特征数值对应于不同角度，因此没有机械阻尼、无须复位直接测得角度位置、切向位移光学分辨力可以达到纳米级的极高水平。

本发明技术方案如下：一种荧光式角度传感器，它包含：

(1)核心光学组件，其中环状荧光材料的组份配比沿圆周单调规律地变化；

(2)光电转换组件，为所述的核心光学组件提供激发光源，以及将荧光信号转换为电信号；

(3)信号调理组件，起降噪和运算的作用；

(4)输出显示组件，提供信号输出及人机交互界面；

(5)结构封装组件，为传感器各组件提供稳定的支撑和工作环境。

其中，核心光学组件中的荧光材料被光电转换组件中的激发光源激发出荧光，光电转换组件中的光电转换元件将荧光转换为电信号，经信号调理组件处理后发送至输出显示组件。各组件依附于结构封装组件上。

所述的核心光学组件的敏感材料为环状分布的荧光材料，荧光材料的组份配比沿圆周单调规律地变化，从而荧光特征参量的数值沿圆周单调规律地变化，亦即特定的荧光特征参量数值对应于特定的角度。荧光材料在圆周上覆盖的弧度角范围是传感器的测量范围；荧光材料的组份配比沿圆周的梯度决定传感器的灵敏度。

所述的光电转换组件包括激发光源以及光电转换元件两部分，激发光源发出的激发光经光路上的一个陷波滤光片反射后照射荧光材料。激发光的反射光传输与荧光的收集共用同一光路，从而简化光学调整工艺并保证信号强度。

所述的信号调理组件将电信号作放大、滤波、变换、模数转换、运算处理，得到与所述的荧光材料的组份配比相对应的角度信息，以及角位移、角速度、转速、振动、角加速度信息。

所述的结构封装组件固定各组件，将所述的核心光学组件内置或者外置于传感器转子上，随被测物体同步转动。结构封装组件同时还有隔离环境光干扰的作用。

所述的荧光信号是荧光色坐标、峰值强度比、谱带重心荧光特征参量。

所述的荧光材料可以置换为光吸收材料或光散射材料，相应地所述的荧光信号改变为透射光信号、反射光信号、散射光信号。