基于相移補償技術的絕對式光電編碼器的設計方法
【專利摘要】基于相移補償技術的絕對式光電編碼器的設計方法，涉及自動化領域中的一種位移傳感器，解決現(xiàn)有由于編碼器的尺寸較大，且由于增加準直透鏡，進而導致增加編碼器的軸向和徑向尺寸的問題。本發(fā)明采用散射光照明，得到的光電信號會有一定相移，利用相移補償技術，推導出散射光照明方法中，指示光柵四個窗口所需的補償量，在制作指示光柵時，通過改變指示光柵四個窗口之間相對位置關系，進而改變得到光電信號的相位關系，使接收器接收到高質(zhì)量的光電信號。本發(fā)明所述的方法能夠減小絕對式編碼器的尺寸，提高編碼器精度。
【專利說明】基于相移補償技術的絕對式光電編碼器的設計方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及自動化領域中的一種位移傳感器，具體涉及一種小型高分辨率高精度絕對式光電編碼器。

【背景技術】
[0002]隨著自動化技術的發(fā)展，對小型化、高分辨率、高精度、高可靠性傳感器的要求越來越迫切。本專利利用散射光進行照明，使用相移補償技術對光電信號產(chǎn)生的相移進行補償，最終得到四路相位依次相差90°的光電信號。本專利大大減小編碼器的尺寸，并且保證了編碼器的高分辨率、高精度以及高可靠性。
[0003]傳統(tǒng)絕對式編碼器的結(jié)構組成主要有兩種。
[0004]一、如圖1所示，該結(jié)構主要由光源1、主光柵2、指示光柵3、第一接收器8、第二接收器9、第三接收器10和第四接收器11組成，其中指示光柵3上有第一窗口 4、第二窗口 5、
第三窗口 6、第四窗口 7,四個窗口的中心在周向上的距離依次相差Z - np +—p，其中:p—
光柵節(jié)距，即光柵一個周期的長度；n為整數(shù)。
[0005]每個光源、窗口和接收器的位置關系一一對應，光源I發(fā)出的光經(jīng)過主光柵2和指示光柵3的第一窗口 4照射到第一接收器8上，經(jīng)過主光柵2和指示光柵3的第二窗口 5照射到第二接收器9上，經(jīng)過主光柵2和指示光柵3的第三窗口 6照射到第三接收器10上，經(jīng)過主光柵2和指示光柵3的第四窗口 7照射到第四接收器11上。主光柵轉(zhuǎn)動一個節(jié)距P，在接收端就產(chǎn)生一個周期(360° )的正弦光電信號，由上述距離關系可推導出四路信號的相位關系:Λ θ =ηΧ360° +90°，即通過四個窗口照射到四個接收器上的四路光電信號之間的相位依次相差90°，也可表述為四個窗口之間的相位依次相差90°。
[0006]二、如圖2所示，該結(jié)構主要有由光源1、準直透鏡9、主光柵2、指示光柵3和第一接收器8、第二接收器9、第三接收器10和第四接收器11組成，其中指示光柵3上有第一窗口 4、第二窗口 5、第三窗口 6、第四窗口 7，四個窗口之間的相位依次相差90°。光源I發(fā)出的散射光，經(jīng)準直透鏡9準直為平行光，經(jīng)過主光柵2和指示光柵3的第一窗口 4照射到第一接收器8上，經(jīng)過主光柵2和指示光柵3的第二窗口 5照射到第二接收器9上，經(jīng)過主光柵2和指示光柵3的第三窗口 6照射到第三接收器10上，經(jīng)過主光柵2和指示光柵3的第四窗口 7照射到第四接收器11上。
[0007]傳統(tǒng)的絕對式編碼器的工作原理:傳統(tǒng)的絕對式編碼器工作時，主光柵2和指示光柵3的相對運動產(chǎn)生明暗相間的莫爾條紋，光束經(jīng)過主光柵2和指示光柵3后，在接收器上產(chǎn)生高低變化的光電信號，指示光柵3的四個窗口按照相位依次相差90°制作，故對應的四個接收器接收到的為相位依次相差90°的正弦信號，如圖3所示，各光電信號的表達式為:
[0008]信號a:1?！? IQ+I' sin ( Θ )
[0009]信號b:1iar = 10+I' sin(0+18O。)
[0010]信號C:190。= 1。+1' sin( θ +90° )
[0011]信號d:1270。= 1+IsiW θ+270。)
[0012]信號a與信號b差分放大，得到信號e，其表達式為:
[0013]信號e:11 = I180'-118tr = 21' sin ( Θ )
[0014]信號c與信號d差分放大，得到信號f，其表達式為:
[0015]信號f:12 = 190。_1270。= 21' cos ( Θ )
[0016]經(jīng)過差分放大處理后，消除了原始信號中的共模量Itl，提高信號質(zhì)量，得到兩路相位差為90°的放大信號。
[0017]由以上結(jié)果經(jīng)過計算，再加上編碼器粗碼的位置信息，能夠得到絕對式編碼器的角度值。
[0018]雖然使用以上兩種方法設計出的編碼器能夠達到一定精度，但是其尺寸卻很難進一步減小。現(xiàn)有圖1中的方法光源較多，為了防止光源擺放位置干涉，主光柵的碼道寬度很難減小，限制編碼器徑向尺寸減小。現(xiàn)有圖2中的方法能夠減小碼盤寬度，但是由于加入了準直透鏡，又增加了編碼器的軸向和徑向尺寸。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明為解決現(xiàn)有由于編碼器的尺寸較大，且由于增加準直透鏡，進而導致增加編碼器的軸向和徑向尺寸的問題，提供一種基于相移補償技術的絕對式光電編碼器的設計方法。
[0020]基于相移補償技術的絕對式光電編碼器的設計方法，該方法由以下步驟實現(xiàn):
[0021]步驟一、透射式單光源出射的散射光經(jīng)指示光柵的第一窗口和主光柵后由第一接收器接收，經(jīng)第二窗口和主光柵后由第二接收器接收，經(jīng)第三窗口和主光柵后由第三接收器接收，經(jīng)第四窗口和主光柵后由第四接收器接收，四個接收器將接收的光信號轉(zhuǎn)換為電信號;
[0022]所述第一接收器和第二接收器接收的電信號為I'0。和I' 180”第三接收器和第四接收器接收的電信號為I' 90。和I'270.'
[0023]四組電信號的表達式用下式表示為:
[0024]

【權利要求】
1.基于相移補償技術的絕對式光電編碼器的設計方法，其特征是，該方法由以下步驟實現(xiàn): 步驟一、透射式單光源(I)出射的散射光經(jīng)指示光柵(3)的第一窗口(4)和主光柵(2)后由第一接收器(8)接收，經(jīng)第二窗口(5)和主光柵(2)后由第二接收器(9)接收，經(jīng)第三窗口(6)和主光柵(2)后由第三接收器(10)接收，經(jīng)第四窗口(7)和主光柵(2)后由第四接收器(11)接收，四個接收器將接收的光信號轉(zhuǎn)換為電信號； 所述第一接收器(8)和第二接收器(9)接收的電信號為 ^。和I, 18(|。，第三接收器(10)和第四接收器(11)接收的電信號為I' 9(|。和I' 27Q。， 四組電信號的表達式用下式表示為
上式中Δρ力信號的相移量； 步驟二、采用相移補償技術，對步驟一獲得的相移量Δρ進行相移補償；相移補償量Λ為距離量，用公式表示為:
式中，h為透射式單光源(I)的發(fā)光點到指示光柵(3)的距離；t為指示光柵(3)到主光柵(2)的距離；評為透射式單光源(I)經(jīng)過指示光柵(3)投影到主光柵(2)上的兩處投影的中心距； 步驟三、根據(jù)步驟二獲得的補償量Λ，將指示光柵(3)的第一窗口(4)和第三窗口(6)分別相對移動Λ，第二窗口(5)和第四窗口(7)分別相對移動Λ ;獲得四路相位依次相差90°的光電信號，對四路信號進行差分放大處理，獲得高精度的絕對式編碼器。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于相移補償技術的絕對式光電編碼器的設計方法，其特征在于，步驟二中所述的補償量△對應的信號相移量用下式表示為:
式中，P為光柵節(jié)距，即光柵一個周期的長度。
【文檔編號】G01D5/347GK104075742SQ201410312789
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權日:2014年7月2日
【發(fā)明者】艾華, 樊孝賀 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所