一种荧光式角度传感器制造技术

本发明专利技术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。

A Fluorescent Angle Sensor

【技术实现步骤摘要】
一种荧光式角度传感器
本专利技术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。
技术介绍
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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术技术方案如下：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。本专利技术的有益效果是：传感器具有测量绝对角度无需复位、无阻尼、免疫电磁干扰、自然频率高、响应快速、结构牢固等优点。本专利技术不仅仅是一种新型角度传感器的原理与结构，还包括集成的基于动态角度测量而实现的角位移、角速度、转速、振动、角加速度传感功能。附图说明图1为荧光材料涂覆于转子外侧圆周时的传感器主体结构图。图2为荧光材料涂覆于转子内侧圆周时的传感器主体结构图。图1及图2中，1、核心光学组件；11、转子；12、荧光材料；2、光电转换组件；21、激发光源；22、光电转换元件；3、信号调理组件；4、输出显示组件；5、结构封装组件。图3为标定得到的角传感函数曲线典型实例。具体实施方式下面结合说明书及具体实施例对本专利技术作出进一步的详细阐述，所述实施例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的材料。具体描述如下：实施例一：如图1所示的传感器结构，核心光学组件1由转子11及涂覆在转子11侧面圆周上的荧光材料12组成。荧光材料12由荧光材料A和荧光材料B混合而成，荧光材料A和荧光材料B的摩尔配比沿圆周顺时针方向线性地由100:0变化到0:100，使得沿圆周分布的荧光材料12发射的荧光中属于荧光材料A和荧光材料B的荧光强度比例也由100:0到0:100单调地规律性变化，相应地，不同角度位置的荧光材料12有不同的荧光特征参量值，或者说，荧光特征参量的特定数值对应于特定角度位置，此处荧光特征参量可以是荧光色坐标、峰值强度比、谱带重心等之中任何一项。例如，图3给出了以峰值强度比作为角度传感信号实际标定得到的一个角传感函数曲线实例。前文所述的荧光材料12的荧光由光电转换组件2中的激发光源21激发得到，激发光经光路上的一个45O倾斜放置的陷波滤光片反射后照射荧光材料12的一个角度位置处。被激发出的荧光沿反射光同样的路径、相反的方向传输，透过陷波滤光片，然后由光电转换元件22接收并转换为电信号。激发光的反射光与荧光共用相同的光路，只是光传播方向不同，如图1带有箭头的直线所指示。图1及图2中的光路仅示意绘出了用于隔离及反射激发光的陷波滤光片，省略了用于调整光路、会聚光束的透镜。除了在所述传感器测量范围内检测的荧光材料12的荧光，转子11上未涂覆荧光材料的区间不发出荧光，在连续转动监测中表现为突变的阶跃脉冲信号。光电转换元件22输出的电信号由信号调理组件3处理。按实际需要信号处理方式包括放大、滤波、变换、模数转换、运算处理等。实时角度监测仅需要作放大、滤波降噪、简单叠加计算处理，结果最终输出到输出显示组件4；角速度、角加速度信号输出在此基础上需要增加时间微分电路；转速测量需要增加脉冲计数电路；振动测量配合采用叶尖定时技术。所有组件由结构封装组件5支撑、安装、密封。结构封装组件5材质为光学不透明，同时内部作发黑处理，以消除杂散光对测试结果的影响。实施例二：如图2所示的传感器结构。荧光材料12涂覆在转子11的内侧，各组件的功能、实现方式与实施例一相同，只是各组件的相对位置与前例不同。最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本专利技术的技术方案而非对本专利技术保护范围的限制，对于本领域的技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本专利技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本专利技术权利要求的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种荧光式角度传感器，包含：—核心光学组件，其中环状分布的荧光材料的组份配比沿圆周单调规律地变化；—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；—信号调理组件，起降噪和运算的作用；—输出显示组件，提供信号输出及人机交互界面；—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；核心光学组件、光电转换组件、信号调理组件和结构封装组件依附于结构封装组件上。

【技术特征摘要】
1.一种荧光式角度传感器，包含：—核心光学组件，其中环状分布的荧光材料的组份配比沿圆周单调规律地变化；—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；—信号调理组件，起降噪和运算的作用；—输出显示组件，提供信号输出及人机交互界面；—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；核心光学组件、光电转换组件、信号调理组件和结构封装组件依附于结构封装组件上。2.根据权利要求1所述的一种荧光式角度传感器，其特征在于：所述的光电转换组件包括共光路安置的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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张巍巍，王嘉豪，万璐，程浩，张志敏，史久林，何兴道，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西,36