CN101183015A - 基于光盘数据系统的激光栅角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于光盘数据系统的激光栅角位移传感器，由刻录有编码信息的双面光盘和动激光读数头、参考激光读数头构成。直流电机带动光盘恒速旋转动，动读数头和参考读数头垂直于光盘表面对称分布在光盘两侧。动读数头随被测可动部件转动，参考读数头不随转动部件转动。恒速旋转的光盘相继掠过动读数头和参考读数头时，根据光盘上的分度信息编码可以确定光盘掠过两个读数头的时间差，信号处理电路测出时间差即可实现角位移测量。本传感器依靠激光读数头的反复跟踪制导和聚焦及纠错能力以及误差修正补偿，具有成本低，结实耐用，经得起恶劣工作环境的摔打碰撞的特点，可以取代当今任何一种静、动态测量手段来实现高精度测量。

Description

基于光盘数据系统的激光栅角位移传感器

技术领域

本发明属于角位移传感器技术。

背景技术

各种圆分度传感器精度最终受限于机械加工精度。这是因为目前关于几何量精密测量的理论、方法和技术都是建立在精密机械基础上的。

以计算机技术为代表的现代信息技术却突飞猛进，日新月异。用于视听设备的CD、VCD、超级VCD、DVD……等光盘数据系统已经深入千家万户。一张光盘，录制费用低廉，且不需要任何“安装精度”，随便放进碟片仓，就可以精确地读取上面大量精密刻制的信息，这是一个很好的启示。如果能将光盘数据系统的成套技术移植到以圆分度为代表的几何量测量上来，就可以形成又一种新型角位移传感器——激光栅角位移传感器。

发明内容

本发明的目的在于用光盘数据系统的激光读数技术和相关硬件技术，提出一种新的可同时兼顾动、静态测量的基于光盘数据系统的激光栅角位移传感器(简称激光栅)。

如图1所示，激光栅角位移传感器主要由刻录有编码信息的双面光盘1、动激光读数头2、参考激光读数头3和信号处理电路4构成。直流电机带动光盘恒速旋转动，对直流电机转速采用脉宽调制方式，运用数字PID校正和环技术实现闭环控制，保证转速的恒定。动读数头和参考读数头垂直于光盘表面对称分布在光盘两侧。动读数头随被测可动部件转动，参考读数头不随转动部件转动。恒速旋转的光盘相继掠过动读数头和参考读数头时，根据光盘上的分度信息编码可以确定光盘掠过两个读数头的时间差，该时间差与动激光读数头和参考激光读数头的夹角一一对应，动激光读数头和参考激光读数头的信号接入信号处理电路4，测出时间差即可实现角位移测量。

双面光盘两个侧面的对称位置上刻录完全相同的圆分度信息编码，该编码是确定光盘相继掠过动读数头和参考读数头时间差的标志。除此之外在参考读数头所对的光盘表面上，除了刻录有圆分度信息编码外，还在不同的圆周上分别刻录有绝对零点编码、误差修正和补偿编码、纠错编码等信息，参考激光读数头如常规的光盘数据系统一样，做径向运动，分别读取上述各种信息。

本发明设计的传感器尽管用激光读数头的寻迹和聚焦技术精确读取普通光盘上的编码信息，但是录制光盘信息点的位置误差，信号处理电路中的相关环节和其他因素引起的系统误差等都会影响传感器的精度，所以还需要利用谐波误差修正和补偿以实现高精度测量，以下是其基本原理：

光盘上录制的圆分度编码随光盘高速旋转，误差都周期性地出现，所有的误差均为周期函数，按富里叶级数可展开成i(0～∞)次谐波的合成，用标定装置对传感器进行标定，得出误差曲线，进而得出修正和补偿数据。把这些修正和补偿数据以编码的形式刻录在光盘上，在信号处理过程中参考读数头精确读出这些编码信息，采用信号处理电路中的微处理器进行谐波校正，可以大大提高传感器的精度，实现高精度位移测量。

因此，本传感器依靠激光读数头的反复跟踪制导和聚焦以及光盘数据系统的纠错能力和误差修正补偿，而不是机械一次性安装定位来保证测量精度，传感器容错力和抗干扰力强，具有成本低，结实耐用，经得起恶劣工作环境的摔打碰撞的特点，可以取代当今任何一种静、动态测量手段来实现高精度测量。

附图说明

图1A是角位移传感器立体结构示意图；

图1B是图1A的正视图；

图2是传感器的角位移测量示意图；

图3是时间差信号示意图。

具体实施方式

下面以“独码”编码为例说明激光栅的工作原理：

直流电机带动光盘作恒角速度，在光盘1两面分装两套独立的激光读数头(及控制电路)，一面的一个读数头作为动激光读数头，随被测转动部件沿圆周转动，只读取该面上刻录的圆分度编码信息；另一面的一个读数头作为参考激光读数头，可以读取光盘上该面的所有编码信息。此时两个读数头处于相同的半径圈，在光盘两面的这一半径圈的轨迹上同一位置上分别刻录一个点，就构成一个“独码”，可以说，再也找不到比这种码更简单的编码了。采用单线(点)的独码时，一个圆周上只有一道刻线，按照圆周封闭原则，就没有刻划误差。如图2所示，动读数头2和参考读数头3形成夹角θ，光盘上恒速旋转的独码相继掠过动读数头2和参考读数头3时，两个读数头上输出的信号如图3所示，由于光盘的转速恒定，两路信号的周期恒定为T，它所对应的角度是360°，时间差为Δt，信号处理电路测出Δt，就可以计算出夹角θ：

$\mathrm{\θ}=360\×{60}^{\′}\×{60}^{\′\′}\×\frac{\mathrm{\Δt}}{T}$

角度测量的精度取决于激光读数头读取分度信息编码的准确性，测量的分辨率取决于信号处理电路时间差测量电路的时钟脉冲的分辨率。

在参考读数头所对的光盘表面上，除了刻录有圆分度信息编码外，与现有的光盘系统一样，还在不同的圆周上分别刻录有绝对零点编码、误差修正和补偿编码、纠错编码等信息，参考激光读数头如常规的光盘数据系统一样，做径向运动，分别读取上述各种信息。

Claims (3)

1.基于光盘数据系统的激光栅角位移传感器，其包括有刻录有编码信息的光盘、激光读数头和信号处理电路，其特征在于：所述光盘为双面都刻录有编码信息的光盘，光盘的两个侧面的对称位置上刻录完全相同的圆分度信息编码，其由直流电机带动光盘恒速旋转；所述激光读数头分动激光读数头和参考激光读数头，动激光读数头和参考激光读数头垂直于光盘表面对称分布在光盘两侧，动激光读数头随被测可动部件转动，参考激光读数头则沿光盘径向运动，它们的信号分别接入信号处理电路；恒速旋转的光盘相继掠过动激光读数头和参考激光读数头时，信号处理电路根据光盘上的圆分度信息编码确定的光盘掠过动激光读数头和参考激光读数头的时间差，计算得到与该时间差一一对应的动激光读数头和参考激光读数头的角位移。

2.根据权利要求1所述的激光栅角位移传感器，其特征在于：在参考激光读数头所对的光盘表面上的不同圆周上还分别刻录有绝对零点信息编码、误差修正和补偿信息编码和纠错编码，在信号处理过程中参考激光读数头精确读出这些信息，确定传感器零位、进行误差修正和补偿从而实现高精度位移测量。

3.根据权利要求1或2所述的激光栅角位移传感器，其特征在于：所述带动光盘恒速旋转的直流电机采用脉宽调制方式，运用数字PID校正和环技术实现闭环控制。

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