CN101872065A - 一种光电角轴编码器的组合式光栅扫描系统 - Google Patents

Abstract

一种光电角轴编码器的组合式光栅扫描系统，设有动光栅与定光栅组合构成的光栅扫描系统，其特征在于：设置一个黑白比为n∶1的动光栅，即透光狭缝的宽度为单位1，两条透光狭缝之间的不透光宽度为n，n为大于1的正奇数，当选定一个n值的动光栅，设置(n+1)/2个定光栅与之相配，每个定光栅的透光狭缝宽度不一样，其宽度分别取值为单位(n+1)/2，(n+1)/4，…(n+1)/(n+1)值，但每个定光栅的黑白比均为1∶1，构成组合式光栅扫描系统。

Description

一种光电角轴编码器的组合式光栅扫描系统

技术领域

本发明涉及光栅编码传感器，尤其是一种光电角轴编码器的组合式光栅扫描系统，属于光、机、电精密传感器技术领域。

背景技术

光栅编码器是现代工业自动控制系统的眼睛，是集光、机、电精密技术于一体的高技术传感器。光电角轴编码器用于检测传动件的机械转动参量，通过光电转换-模数整形-功率放大，将输出轴的角位移、角速度及角加速度等机械参量转换成相应的电脉冲以数字量输出给控制系统或显示器，实现相对应的系统控制。光电角轴编码器信号是通过动光栅的扫描获得，动光栅是由按圆周间隔设置的若干成放射状的透光光缝组成(见附图1)，每一个相邻的明暗间距为一个栅线距(即透光光缝宽度与不透光光缝宽度之和)，整周总栅线数为编码器的线脉冲数。一块刻线与动光栅相同的定光栅(见附图2)跟动光栅组成了光栅扫描系统，当光穿过动光栅、定光栅发送到光电器件，光电器件将光信号转变成电信号发出。获得精确的动光栅转角。

普通编码器的光栅设计采用的动光栅与定光栅均为等栅距组成的光栅扫描系统，光栅设计的透光狭缝宽与两条透光狭缝之间的不透光宽度比例称黑白比，通常为1∶1，透光光缝宽度与不透光光缝宽度之和定义为栅线距(见附图1、2)。公知获取栅线信号的办法是在编码器的转动部分上装有动光栅，固定部分装定光栅，定光栅设计有四个光栅区，A，B，A-，B-，四个光栅区按照：0°，90°，180°，270°四种相位周期在同一圆周上排列(见附图3)。组成光电编码器的动光栅和定光栅的栅线区，每个栅线区都刻有多个宽度为1个光栅距的光缝，动光栅可沿旋转轴心旋转，当动光栅和定光栅上的光缝对准时，这个光照射到光-电接收器上，接收器接收到穿过这对光缝的光最大，会出现一个高光能极限，有一个光能量峰值见附图4.(a)。如果动光栅光缝与定光栅的光缝错开，那么穿过动光栅光缝的光，被定光栅的不透光狭缝遮挡，光被切断，通过这对光缝的光最小，就有光能量谷值见附图4.(b)。这种光能量达到峰值或谷值形成明暗交替的光照射到光电接收器上，就可以使光电接收器输出栅线信号得到一个正弦栅线信号附图4.(c)。

附图3的动光栅、定光栅结构是目前国内外常采用的方案，动光栅是在法线方向上有多条光狭缝相间黑白比为1∶1的光缝(即：透光部分与遮光部分的宽度相同)，定光栅与动光栅有相同的光栅距与黑白比为1∶1光缝，通过多光缝的光能迭加后送到光电接收器，光电接收器接收到的达到光能量的光就是光信号，这时光电接收器，将光信号转化为有效的电信号。光栅的栅距仍只有一个光栅栅距宽，相当于单光缝输出信号的宽度。光电接收器的电输出与通过动光栅和定光栅光缝扫瞄的光能量成正比，要获得高能比的电信号，就要求光栅设计者设计出高光能比的光栅线，使得动光栅和定光栅的光缝对齐位置时，光信号能量尽量高，偏离信号位置时，通过动光栅和定光栅的光能量尽量的低，也就是这种光能比要高。

采用多缝迭加的动光栅特点是，利用光迭加的透光强度，在光缝对齐位置处的光能最大，光能信号出现高峰。在高峰处电压幅度也最大(足以提供光电转换驱动的能量)，这时放大器能够发出稳定的光能脉冲。

由于上述现有技术轴角编码器的动光栅与定光栅均为等栅距的设计，所以存在如下缺陷：

(1)一种光栅扫描系统只能输出一种光脉冲数。如果要获得更多的光脉冲输出，依靠光栅扫描系统是难以实现的。因系统的通用性差，造成产品的品种繁多，制作麻烦。如：动光栅为1024线/周与等栅距的定光栅组成一对光扫描系统，光穿过等栅距的动光栅-定光栅进行扫描，动光栅的狭缝对定光栅狭缝每扫描一次，光电接受器件就发出一个光脉冲，动光栅旋转一周扫描系统就发出1024/周的光脉冲，如果要获得2048/周、4096/周时，依靠光栅扫描系统难以实现。

通常的处理方法是：

1.同时更换相应的动光栅与定光栅，更换光扫描系统工作很麻烦，费工费时。

2.改用细分电路系统。因电路系统易受到环境影响，所以光电转换精度又随之受到影响。以上这两种方法的都很麻烦，工作量也很大，不理想。

3.在整周光栅线增多到两透光狭缝间距过于接近(如：栅距小于0.005mm)时，栅线距小，分辨率要求高，在黑白比为1∶1的光栅系统中，动光栅和定光栅的狭缝偏离信号位置时，光能量不能最大幅度的降低，光栅扫描系统很容易出现漏光现象。所以，系统读数困难。严重时，还会发生光脉冲丢失现象，出现读数错误。这时，尽管通光能量足够的大，由于这种光栅系统不能可靠的切断光源，光能谷达不到要求，将导致光能比大大降低。通常的解决方案是调整动光栅和定光栅的膜层间距，尽量靠近动光栅和定光栅的膜层。使得生产调试难度加大，稍有闪失就会碰擦膜层，造成光扫描系统损坏。

发明内容

本发明目的是克服现有技术之不足，提出一种光电角轴编码器的组合式光栅扫描系统，在不改变动光栅的情况下，通过与不同的静光栅组合，就可以实现不同的光脉冲输出，组合中的任何一种光栅都可以实现一种或几种栅线脉冲的输出发送给系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种光电角轴编码器的组合式光栅扫描系统，设有动光栅与定光栅组合构成的光栅扫描系统，其特征在于：设置一个黑白比为n∶1的动光栅，即透光狭缝的宽度为单位1，两条透光狭缝之间的不透光宽度为n，n为大于1的正奇数，当选定某一个n值的动光栅，设置(n+1)/2个定光栅与之相配，每个定光栅的透光狭缝宽度不一样，其宽度分别取值为单位(n+1)/2，(n+1)/4，…(n+1)/(n+1)值，但每个定光栅的黑白比均为1∶1，构成组合式光栅扫描系统；n≤7，动光栅的透光狭缝沿圆周均匀分布

本发明设计思想是在动光栅与定光栅透光狭缝对齐时，动光栅和定光栅上的光缝都是透光的，其它区不透光时有一个光能量峰值，光能可以有效的发射到光电接收器上，实现光能量的高峰；在动光栅与定光栅透光狭缝错开时，动光栅上的光缝不透光，其它区透光，定光栅的光缝透光，其它区不透光，，穿过动光栅透光狭缝的光，被定光栅的不透光狭缝遮挡，发射到光电接收器上的光被切断，这时光能量最小，实现光能量谷值。动光栅线狭缝宽度取最高脉冲数的栅线宽度，动光栅线数取最低脉冲数的线数。假设动光栅的透光狭缝为1000个，透光狭缝的宽为1∶不透光的宽为7，形成了7∶1的黑白比。定光栅透光狭缝可按照：1000个/周、2000个/周、3000个/周、4000个/周设计为4种，定光栅黑白比仍然为：1∶1，那么当动光栅旋转一周时，动光栅1000个狭缝将扫描出：1000脉冲/周、2000脉冲/周、3000脉冲/周、4000脉冲/周。定光栅四个光栅区A，B，A-，B-，的设计仍按0°、90°、180°、270°不变。

本发明的优点及其显着效果：

(1)本发明组合式光栅利用阵列接收的方式，可将分离的动光栅狭缝栅线光通过不同的定光栅将其二次组合形成不同的光脉冲信号。

(2)本发明组合式光栅系统，只要更换不同栅距的定光栅，就可以发射出不同的光脉冲信号，解决了用同一动光栅实现不同脉冲输出的难题。

(3)本发明在原光栅迭加原理的基础上，改变多缝光栅的狭缝位置分布(减少)，动光栅码盘的通光狭缝距离较远，产生的光能信号清晰。光盘的分辨率提高，制作难度简化。

(4)本发明因组合式的光栅扫描系统的动光栅码盘的狭缝距离较远，在动光栅旋转至不透光处时，光能可以可靠的被切断，所以码盘的膜面距离也可以放宽，避免了膜面的损坏，保证了组合式光栅扫描系统的稳定运行。

(5)本发明的光栅系统在不透光的极限时，实现了光能量最小，在透光的极限时光能量大，因此光能比较高；在同一码道可以实现多脉冲输出的同时，栅线脉冲的可读性也提高了。

附图说明

图1～4是现有技术光栅编码器的基本结构图；

图5～8是动光栅n＝7的情况下，4个定光栅分别与之相配的光栅扫描系统实施例。

具体实施方式

首先，说明一下动光栅取不同n值的黑白比时，与之相配的不同定光栅结果。

n为大于1的正奇数，一般取n≤7，即3，5，7三种黑白比的动光栅。当选定其中一种黑白比的动光栅，如n＝5，则有(n+1)/2＝3个定光栅与之相配，三个定光栅中每个定光栅的透光狭缝宽度不一样，其宽度分别取值为单位(n+1)/2，(n+1)/4，…(n+1)/(n+1)值，即单位3，单位6/4和单位1，构成了三个不同透光狭缝宽度的定光栅与一个黑白比5∶1的动光栅相配构成的光栅扫描系统。同理，当选定n＝3时，有(n+1)/2＝2个定光栅与之相配，2个定光栅的透光狭缝宽度分别为单位2，单位1；选定n＝7的动光栅时，有(n+1)/2＝4个定光栅与之相配，4个定光栅的透光狭缝宽度分别为单位4，单位2，单位8/6，单位1，构成另二种光栅扫描系统。上述光栅扫描系统中的定光栅黑白比均为1∶1。

下面以n＝7的动光栅为例，设置4个定光栅与之相配，每个定光栅的透光狭缝宽度按(n+1)/2，(n+1)/4，…(n+1)/(n+1)计算，分别为(7+1)/2＝单位4，(7+1)/4＝单位2，(7+1)/6＝8/6单位，(7+1)/(7+1)＝1单位。

参看图5，动光栅透光狭缝宽为单位1，黑白比为：7∶1，每周1024个透光狭缝。

定光栅按透光狭缝宽为：(7+1)/2＝4，黑白比按1∶1设计，动光栅沿圆周旋转时，光穿过动光栅的透光狭缝A对定光栅的狭缝a扫描，动光栅每旋转一周，光扫描系统就产生1024个光脉冲，并转换成电脉冲送出。系统完成一次脉冲的全发射。和常规1024扫描系统相同。

参看图6，动光栅同图5，定光栅透光狭缝宽为(7+1)/8＝1，黑白比1∶1。当动光栅按箭头方向运行时，光穿过动光栅的狭缝A对定光栅进行扫描，每扫描定光栅一个狭缝，光电接收器就出现一次光能高峰，向外发出一个光脉冲，，穿过动光栅狭缝A的光，依次穿过定光栅的4个狭缝：a、b、c、d，那么光电接收器就产生四个光脉冲，以此类推，动光栅的1024个狭缝，沿圆周旋转一周，光电接收器就接收产生1024*3＝4096个光脉冲，并转换成电脉冲发出，完成一次脉冲的全发射。

参看图7，动光栅同图5，定光栅透光狭缝宽为(7+1)/6＝4/3，黑白比1∶1。当动光栅按箭头方向运行时，光穿过动光栅的狭缝A对定光栅进行扫描，动光栅的狭缝A，每扫描定光栅一个狭缝时，光电接收器就出现一次光能高峰，依次穿过狭缝：a、b、c，那么光电接收器就发出三个光脉冲，以此类推，动光栅1024个狭缝沿圆周旋转一周，光电接收器就接收1024*3＝3072个光脉冲，并转换成电脉冲发出，完成一次脉冲的全发射。

参看图8，动光栅同图5，定光栅的透光狭缝宽为(7+1)/4＝2]，黑白比1∶1。当动光栅按箭头方向运行时，光穿过动光栅的狭缝A对定光栅进行扫描，每扫描定光栅一个狭缝时，光电接收器就出现一次光能高峰，依次穿过定光栅的狭缝：a、b，那么光电接收器就发出二个光脉冲，以此类推，动光栅1024个狭缝沿圆周旋转一周，光电接收器就接收1024*2＝2048个光脉冲，并转换成电脉冲发出，完成一次脉冲的全发射。

如上所述，通过改进后的光栅系统在不透光的极限时，实现了光能量最小，在透光的极限时光能量大，因此光能比较高。解决了在同一码道可以实现多脉冲输出的同时，栅线脉冲的可读性也提高了。动光栅n＝3、n＝5的实施例与n＝7的原理相同，不再例举。

为了保证光电接收器接收充分的光能，n的取值不大于7为合适。本栅线扫描系统不仅仅限于圆形光栅轴角，同时也适用于直线形的光栅扫描系统。

Claims (3)

1.一种光电角轴编码器的组合式光栅扫描系统，设有动光栅与定光栅组合构成的光栅扫描系统，其特征在于：设置一个黑白比为n∶1的动光栅，即透光狭缝的宽度为单位1，两条透光狭缝之间的不透光宽度为n，n为大于1的正奇数，当选定一个n值的动光栅，设置(n+1)/2个定光栅与之相配，每个定光栅的透光狭缝宽度不一样，其宽度分别取值为单位(n+1)/2，(n+1)/4，…(n+1)/(n+1)值，但每个定光栅的黑白比均为1∶1，构成组合式光栅扫描系统。

2.根据权利要求1所述光电角轴编码器的组合式光栅扫描系统，其特征在于：n≤7。

3.根据权利要求1或2所述光电角轴编码器的组合式光栅扫描系统，其特征在于：动光栅的透光狭缝沿圆周均匀分布。

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