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  • 角度传感器

    千次阅读 2016-09-08 10:41:58
    角度传感器在程序不仅仅会用到乘法和除法的数学运算,还有更多的需要多留心(有关内容我们将在第12章进行进一步的讨论)。 使用角度传感器来控制你的轮子可以间接的发现障碍物。原理非常简单:如果马达 角度传感器...
    角度传感器在程序不仅仅会用到乘法和除法的数学运算,还有更多的需要多留心(有关内容我们将在第12章进行进一步的讨论)。
    使用角度传感器来控制你的轮子可以间接的发现障碍物。原理非常简单:如果马达
    角度传感器构造
    角度传感器构造
    运转,而齿轮不转,说明你的机器已经被障碍物给挡住了。此技术使用起来非常简单,而且非常有效;唯一要求就是运动的轮子不能在地板上打滑(或者说打滑次数太多),否则你将无法检测到障碍物。如果是一个空转的齿轮连接到马达上就可以避免这个问题,这个轮子不是由马达驱动而是通过装置的运动带动它:在驱动轮旋转的过程中,如果惰轮停止了,说明你碰到障碍物了。
    在许多情况下角度传感器是非常有用的:控制手臂,头部和其它可移动部位的位置。值的注意的是,当运行速度太慢或太快时,RCX在精确的检测和计数方面会受到影响。事实上,问题并不是出在RCX身上,而是它的操作系统,如果速度超出了其指定范围,RCX就会丢失一些数据。SteveBaker用实验证明过,转速在每分钟50到300转之间是一个比较合适的范围,在此之内不会有数据丢失的问题。然而,在低于12rpm或超过1400rpm的范围内,就会有部分数据出现丢失的问题。而在12rpm至50rpm或者300rpm至1400rpm的范围内时,RCX也偶会出现数据丢失的问题。
    角度传感器在军事上的应用
    大家熟知的火炮是利用火药燃气压力等能源抛射弹丸,口径等于和大于20毫米的身管射击武器。火炮通常由炮身和炮架两大部分组成。早在1332年,中国的元朝就在部队中装备了最早的金属身管火炮:青铜火铳。火炮通常由炮身和炮架两大部分组成。火炮射击时对炮床倾角的要求很高,利用角度传感器设计的数字式象限仪,可明显提高校正炮床的速度,降低操作难度。
    角度传感器是作为炮弹发射的准确性,稳定性提供最大的帮助。大家都知道火炮身管用来赋予弹丸初速和飞行方向,炮尾用来装填炮弹,炮闩用以关闭炮膛,击发炮弹。如今炮架由反后坐装置、方向机、高低机、瞄准装置、大架和运动体,角度传感器等组成,而反后坐装置用以保证火炮发射炮弹后的复位,方向机和高低机用来保证火炮发射炮弹后复位,方向机和高低机用来操纵炮身变换方向和高低,瞄准装置由角度传感器,瞄准具和瞄准镜组成,用以装定火炮射击数据,实施瞄准射击,大架和运动体用于射击时支撑火炮,行军时作为炮车。
    应用场合:
    系列倾角,角度传感器,距离传感器,加速度传感器,以及测量方位用的数字罗盘,电子罗盘和陀螺仪已经广泛的应用应用于石油,煤炭,钢铁,船舶,隧道,医疗设备,大坝,机械,物探仪器,地质,岩土,石油,矿山,管道,测斜导管,铁路、港口、水利、高层建筑,墙洞,矿井、隧道、船坞、抗滑桩和板桩,煤矿,动态冲击实验,地质,卫星GPS系统,风水,越野车,航海,实验仪器,数字水平仪,医疗,机械调平,角度测量和监视,汽车,起重机械运动检测,康复系统,生物工程系统,虚拟现实、现实放大,体育,惯性导航系统,人体姿态测量工业机械,摩托车陀螺仪,光纤,制导,平衡,导向,方向测量,动态跟踪,捷联,惯性,导航,方位角,角速度,速率,机械,爆转,测量等行业。
    典型应用场合:
    -地理:山体滑坡,雪崩.
    -民用:大坝,建筑,桥梁,玩具,报警,运输
    -工业:吊车,吊架,收割机,起重机,称重系统的倾斜补偿,沥青机.铺路机等。
    -火车:高速列车转向架和客车车厢的倾斜测量
    -海事:纵倾和横滚控制,油轮控制,天线位置控制。
    -钻井:精确钻井倾斜控制。
    -机械:倾斜控制,大型机械对准控制,弯曲控制,起重机
    -军用:火炮和雷达调整,初始位置控制,导航系统,军用着陆平台控制。
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  • 汽车位置传感器与角度传感器
  • Analog Rotation Sensor V2 (SKU: DFR0058)目录1 产品简介2 技术参数3 引脚说明4 使用教程4.1 准备4.2 接线图4.3 样例代码5 结构图6 更多产品简介模拟角度传感器V2.0是一个Arduino兼容的多圈高精度模拟角度传感器。...

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    Analog Rotation Sensor V2 (SKU: DFR0058)

    目录

    1 产品简介

    2 技术参数

    3 引脚说明

    4 使用教程

    4.1 准备

    4.2 接线图

    4.3 样例代码

    5 结构图

    6 更多

    产品简介

    模拟角度传感器V2.0是一个Arduino兼容的多圈高精度模拟角度传感器。它基于一个高精度的电位器,可旋转十圈,如果给此传感器输入5V电压供电,这样就是5000mV被分成了3600份(10圈),这样你旋转3度就可以调节2mV的电压变化,这样就可以精确地实现角度微小变化的互动效果。同时它可以很方便的通过传感器扩展版连接到您的Arduino板或者我们出品的DFRduino。

    技术参数

    Arduino兼容

    电源要求:+3.3-5V DC

    外形尺寸:50x22mm

    信号类型:模拟信号

    接口模式:PH2.0-3

    转动角度:3600°

    重量:20g

    引脚说明

    a2425ce0765979e4d8b6fbe12225fee4.png

    颜色

    功能描述

    黑色

    电源 -(GND)

    红色

    电源 + (VCC)

    蓝色

    信号线

    使用教程

    在这个教程中我们旋转模拟角度传感器即可在串口中输出此时的模拟角度传感器的模拟电压值。

    准备

    硬件

    UNO x1

    模拟角度传感器 x1

    软件

    Arduino IDE 点击下载Arduino IDE

    接线图

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    magnify-clip.pngAnalog sensor connection diagram

    样例代码

    const int analogInPin = A0; // Analog input pin that the potentiometer is attached to

    const int analogOutPin = 9; // Analog output pin that the LED is attached to

    int sensorValue = 0; // value read from the pot

    int outputValue = 0; // value output to the PWM (analog out)

    void setup() {

    // initialize serial communications at 9600 bps:

    Serial.begin(9600);

    }

    void loop() {

    // read the analog in value:

    sensorValue = analogRead(analogInPin);

    // map it to the range of the analog out:

    outputValue = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255);

    // change the analog out value:

    analogWrite(analogOutPin, outputValue);

    // print the results to the serial monitor:

    Serial.print("sensor = ");

    Serial.print(sensorValue);

    Serial.print("\t output = ");

    Serial.println(outputValue);

    // wait 2 milliseconds before the next loop

    // for the analog-to-digital converter to settle

    // after the last reading:

    delay(20);

    }

    结构图

    3be35737eb5409bf6bf8949ca097077e.png

    magnify-clip.pngAnalog sensor connection diagram

    更多

    DFshopping_car1.png Analog Rotation Sensor V2 (SKU: DFR0058)

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  • 角度传感器主要分为接触式和非接触式两种,由于接触式的角度传感器随着使用时间的增长,会存在机械磨损、精度降低、经常维修甚至更换新设备等缺点,这不仅提高了生产成本还容易使被测设备的质量没保证,而非接触式...

    角度传感器主要分为接触式和非接触式两种,由于接触式的角度传感器随着使用时间的增长,会存在机械磨损、精度降低、经常维修甚至更换新设备等缺点,这不仅提高了生产成本还容易使被测设备的质量没保证,而非接触式角度传感器则克服了这些缺点。常用的非接触式角度传感器有光电式和磁电式的。光电式的虽然精度比磁电式的高,但对环境要求苛刻、抗震性也较差,因此也就不适用于环境较复杂的工业场所。正是基于这些问题,设计一种基于磁电式的角度传感器,它具有成本低廉,抗干扰性高,分辨力在0.5° 以内等优点。

    1、系统总体设计原理

    整个系统有四部分组成,分别为电源模块,磁传感器信号采集模块、微处理器模块、信号输出模块,硬件框图如图1所示。

    bda6ba3d28b8afa25a262eb5c45e30ae.png

    磁传感器信号采集模块主要通过集成有双轴霍尔元件的集成芯片感知角度的变化,并以模拟信号或数字信号方式输出到微处理器中,经过一定的编码和解码,由微处理器输出工业用的电压或电流信号,或者以串口通信方式输出数字信号。为了减小系统的复杂度和误差来源,信号采集单元选择Melexis公司的MLX90316芯片。它属于CMOS霍尔传感器,可以输出与芯片表面平行的磁场相对应的角度位置信息,并以SPI的串行通信方式输出数字信号,省去了A/D转换电路,这极大的减小了系统设计的复杂度。微处理模块选用Freescale公司的MC9S08DZ60,它是一款小体积、低成本、低功耗和较多外部接口的16位微处理器。

    它具有24路12位的A/D通道、控制器区域网络(MSCAN)、串行外围设备接口模块(SPI)、串行通信接口(SCI/USART)、内部集成电路总线(IIC)等外设数字接口,很适合与外界进行数字信号通信。

    2、机械结构设计

    角度传感器的机械结构主要有三部分组成,分别为旋转轴、磁铁和检测电路。其结构如图2所示。

    aab57c1b8b4a4e9ba3226ded2c2b3033.png

    旋转轴、磁铁和传感器位置的机械偏差将决定系统测量的精确度。相比于理想的Sine和 Cosine 输出曲线,机械误差可以导致附加的电压偏移、相位偏移、幅度变化以及非线性误差等。

    磁铁到传感器轴距的下限由饱和效应(电气或磁场)所决定,上限由信噪比、信号与偏移电压的比例来决定。

    由于旋转轴在运动过程中产生的机械磨损以及震动产生的轴偏移位置都将导致角度输出信号的非线性,图3揭示了磁铁轴心的非线性度导致的角度误差。

    由图3可知磁铁的轴心偏离的越大,最终输出的角度误差越大,因此要保证输出角度的精度,所选取的磁体的轴心的偏离度应满足一定的同心度。

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    3、硬件电路设计

    硬件电路的核心是磁传感器信号采集模块,它主要是利用磁传感器芯片MLX90316 来实现的,它可以把磁场的变化转化为角度信息。信号采集电路如图4所示。

    18678460bfd94dc968c7dd05396ece9e.png

    MLX90316芯片是集成了Tria 度isTM型的CMOS霍尔传感器,当外加磁场的分量与芯片表面平行时则可输出两路正交磁场信息,根据这一特点可以获得对应的角度位置信息,它的内部结构如图5所示。

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    当小型磁铁(径向磁化)在芯片表面上方旋转时,MLX90316芯片内的集磁片(IMC)可以将平行作用于芯片表面的磁场集中起来,并在IMC结构的边缘产生正比于磁场的垂直分量,再通过两对位于 IMC下方的传统平面霍尔元件来检测此信号。这两对霍尔元件的放置方向相互垂直,并都平行于芯片表面(X轴和Y轴方向),通过这样的结构可以将实际角度编码为两个相位差为90°的正弦信号x V 和y V ,并正比于磁场强度。

    这两路霍尔信号将通过一个完全差分、带有经典偏移消除技术的模拟处理链进行放大、采样。调节后的模拟信号再通过ADC(可编程为14bits或15bits)转换为数字信号,之后这两个数字信号再通过芯片内部的由DSP实现的反正切函数计算模块来计算角度,计算公式为:

    f369b47da19c5d264a17c139f67f10c7.png

    实际中x V 和y V 还存在式(1)所示的误差表达式:

    96c8ca95e50a58f00c625b3ba3d9f88b.png

    MLX90316的偏移误差、灵敏度误差和垂直度误差都会对输出的角度信息产生较大的影响。虽然芯片内部使用了动态偏移电压消除机制,并且可以在一定程度上通过芯片内置的DSP 模块来调整它们之间的正交性,但这些误差仍会反应在传感器的输出信号上。通常由芯片本身所产生的误差在0.3度以内。

    传感器输出的表征当前角度值的信号可以以串行数字通信(SPI)方式输出,也可再通过D/A转换器变回模拟信号,以PWM模式或模拟量形式输出。为了满足设计电路的结构简单、成本低等要求,这里选择的是SPI输出模式,避免了模拟输入带来的额外误差源。

    4、系统软件设计

    由于MLX90316所获得的角度信息是以SPI模式输出的,因此程序设计的关键就是SPI通信的实现。SP总线接口是一种同步串行外设接口它是是一种由4根信号线构成的串行接口协议。这4根信号线分别是:时钟线(SCK)、数据输入线(MISO)、数据输出线(MOSI)和从设备使能线(SS)。SPI接口中,MC9S08DZ60作为主控端,MLX90316作为从属端。SPI通信模块主要让 MC9S08DZ606读MLX90316输出的数字信号。

    SPI的通信过程为:主控端先输出一个0xAA以及一个0xFF作为通信起始信号,接着输出8个0xFF,而从端会同时输出2个0xFF、4个字节的角度信号以及4个0xFF,从而完成一次数据通信。具体的通信时序如图6所示,软件流程如图(7)所示。

    89d48813addd52e1d6b26b40eeea441c.png

    5、实验验证

    基于以上理论分析和实际测量,实测数据如表1所示,角度θ 的误差在0.5度以内,满足所要求的技术指标。

    710142a5601408795d191a2f1c8cbe41.png

    6、结论

    本文在为实现恶劣环境下角度值的测量的基础上,介绍了一款基于MLX90316的非接触式、低成本、高分辨率,高抗干扰的磁性角度传感器的设计方案。方案利用霍尔传感器MLX90316所设计的磁性角度传感器具有非接触式、高精度、高抗干扰等优点。通过对机械结构和硬件电路的分析,找出误差来源,在此基础上编写软件算法,实现角度值的测量, 精度能达到0.5°,满足所要求的技术指标,可广泛运用于汽车、电机等工业领域中。

    本文来自:OFweek电子工程网

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  • 在20世纪50年代出现了首次使用角度传感器来测量扭矩的技术,角度传感器来测量扭矩具有许多优点,随着感应角度传感器的新发展,被认为已经过时了的这个技术现在正在卷土重来。测量施加在固定金属轴上的扭矩通常很简单...

    在20世纪50年代出现了首次使用角度传感器来测量扭矩的技术,角度传感器来测量扭矩具有许多优点,随着感应角度传感器的新发展,被认为已经过时了的这个技术现在正在卷土重来。

    测量施加在固定金属轴上的扭矩通常很简单。如果未超过轴的弹性极限,则轴中的扭曲量与扭矩成比例。测量扭曲程度; 查看轴材料的杨氏模量; 应用工程师手册中的数学公式,嘿嘿 - 你有一个非常好的扭矩测量。

    在连续旋转的轴中测量扭矩是比较棘手的问题,现在有几种方法可以做到,但最常见的方法是根据旋转轴所需的功率来推断扭矩,这通常意味着测量提供给驱动运动的电动机的电流。这种测量方式较为简单,但不准确,因为电流消耗取决于其他因素,如速度,电压供应,轴承状况,温度等。

    用应变计测量扭矩

    更精确的方法是使用应变仪或表面声波(SAW)装置测量轴中的扭曲。这种测量方式准确率大幅度提高,但是在轴和外界的应变仪之间需要滑环或一些无线信号传输方法的复杂性。任何曾经不得不在愤怒中使用应变计的工程师都会告诉你 - 应变计理论和应变计实践之间存在很大差异。应变计往往具有较大的温度系数和在恶劣条件下不稳定的恶劣习惯。在实验室中使用应变仪或SAW设备测量扭矩通常很好,但对于许多工业应用来说并不是一个现实的主张。

    角度传感器测量扭矩

    除了上面两种测量方式外,还有另一种方式。这种测量方式在很久前就已经出现过,根本不是新的,但似乎已经被工程师们给遗忘了。在20世纪50年代首次用于测量发动机的扭矩 - 最显着的是用于Hercules / C-130货机的涡轮螺旋桨发动机。

    该技术通过测量安装在轴上的两个“多速”旋转变压器之间的相移来测量轴的扭曲和扭矩。('多速'是指旋转变压器的输出: - 双速旋转变速器具有绝对超过180度的循环输出; 36速旋转变压器具有绝对超过10度的循环输出等)

    当轴旋转时,每个旋转变压器产生两个信号,其中一个信号随正弦波而变化,另一个信号随余弦信号而变化。为简单起见,下面的图2仅显示了解调的正弦信号。

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    图1 - 使用多速旋转变压器测量扭矩,图片来源北京优利威

    当施加零扭矩时,来自两个旋转变压器的信号显示零相移。当施加扭矩时,一个输出的相位似乎相对于另一个输出。因此,相移与施加的扭矩成正比。使用具有大量循环的多速旋转变压器(例如128),仅需要少量扭曲来产生显着的相移。换句话说,它是一种高度敏感的技术,适用于测量<1度甚至<0.1度的扭曲。

    这意味着轴不需要很长,实际上,这种方法所需的轴长度可以<25mm。可以通过使用有意的柔性轴或通过同心地布置旋转变压器来实现 - 一个在另一个内部 - 并且使用(非常)刚性的扭转弹簧连接轴的内部和外部部分。

    与应变计不同,旋转变压器具有强大,可靠和准确的特点 - 这就是为什么角度传感器测量扭矩被选中用于航空航天,军事,石油和天然气设备的所有艰巨工作。由于它们是非接触式设备,因此无需任何滑环或射频信号传输。

    那么,为什么这种技术不合时宜呢?优利威工程师认为,很重要的一个原因是旋转变压器已经过时了。薄饼或平板旋转变压器(平面中间有一个大孔)是测量扭矩的理想形状,但它们的价格非常昂贵。除此之外,指定旋转变压器的驱动器和处理电子设备可能会非常棘手。由于现代工程师大多熟悉数字电子设备,他们可能不愿意掌握模拟电子设备并测量交流信号的相移。

    新一代电感式传感器

    如今,旋转变压器越来越多地被更现代的替代品所取代 - 感应编码器或“编码器”。Incoders使用与旋转变压器相同的感应原理工作,但使用印刷电路而不是庞大且昂贵的绕线变压器结构。这对于最小化粘合剂的体积,重量和成本同时最大化测量性能非常重要。

    Incoders还提供简单易用的电气接口: - 直流电源输入和串行数据输出。由于灭火器基于与旋转变压器相同的基本物理特性,因此它们具有相同的操作优势 - 在恶劣环境中实现高精度,可靠的测量。更重要的是,它们是角度测量的完美外形 - 中间有一个大洞。这允许轴穿过粘合器定子的中间,转子直接连接到旋转轴,这就像旋转变压器一样消除了对滑环的需求。

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    图2 - 使用电感式编码器测量扭矩和绝对角度,图片来源北京优利威

    没有必要指定和提供单独的电子设备,因为所有相邻的电子设备已经在其定子内。有利的是,每转可提供高达4百万计数的压缩机,因此只有微小的角度扭曲足以提供高分辨率的扭矩测量。

    与使用最佳应变仪布置可以实现的相比,编码器的热系数较小,并且通过使用相同的时钟信号来触发两个编码器中的读数,可以消除来自具有高角速度的轴的任何动态失真效应。

    与starin测量仪技术不同,不存在因过度或冲击施加的扭矩而损坏设备的危险,此外,该技术提供两种测量 - 角度和扭矩,低于使用应变仪测量扭矩的成本。

    角度传感器测量扭矩是一种过时的老技术,可能是因为解析器已经过时了。但现代感应编码器正在使用感应物理学进行角度测量,并使用它,使这种有用,稳健且有效的扭矩+角度传感方法重新焕发活力。

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    图3 - 用于300mm轴上的扭矩测量的感应编码器 - 图片来源北京优利威

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