CN104567745A - 一种基于光感原理的旋转编码器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光感原理的旋转编码器，属于编码器领域，该编码器包括主轴，轮盘固定于主轴上，激光发射装置安装于该轮盘上，所述光敏电阻面阵位于该激光发射装置的前方，所述信号处理系统与该光敏电阻面阵相连接，同时本发明还公开了该旋转编码器的测量方法；本发明通过光敏电阻面阵来测量机械轴的位置，避免了编码器的精度受精密加工技术的制约，无需分辨率高的码盘来编码，而且本发明编码器的物理分辨率大大高于机械码盘。

Description

一种基于光感原理的旋转编码器及其测量方法

技术领域

本发明涉及编码器领域，尤其涉及一种基于光感原理的旋转编码及其测量方法。

背景技术

在现代制造业的生产中，对机械运转的精确度提出了越来越高的要求。编码器是影响机械运转精确度的一个关键器件，其在机械转轴运动过程中反馈轴位信息给控制系统以达到精确控制转轴旋转运动位置和速度的目的。

   编码器分为绝对式和相对式两种，绝对式编码器可以反映机械转轴相对于已预定原点的位置信息，而相对式编码器反映的则是当前轴位相对于之前轴位的位置信息。

目前很多绝对式编码器，采用的编码方式均为格雷码编码。即在码盘上刻上多道码道，每条码道上依次有2、4、8、16...                                                道刻线。在编码器工作时，由光源发出的光照射码盘，通过读取每道刻线的亮暗，以此获得一组码值来唯一对应一个轴位。此种编码器虽然原理简单，工作可靠，抗干扰性强，但其码盘制造工艺复杂，所能刻的最大码道数和最大刻线数也有一定的限度，不能满足超高分辨率加工生产的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光感原理的旋转编码器以解决现有技术编码器测量分辨率低，受码盘限制的技术性难度。

为了实现上述目的，本发明提供如下的的技术方案：

一种基于光感原理的旋转编码器，包括主轴、轮盘，激光发射装置，光敏电阻面阵及信号处理系统，所述轮盘固定于主轴上，激光发射装置安装于该轮盘上，所述光敏电阻面阵位于该激光发射装置的前方，所述信号处理系统与该光敏电阻面阵相连接，本编码器工作时，主轴与被测转轴作同步旋转运动，激光发射装置发射出的激光光束随转轴旋转，在光敏阵光敏电阻面阵上形成光斑，受到光斑的光敏电阻元件产生电信号传输信号处理系统中，经信号处理系统处理从而得出被测轴的轴位角度。

   作为本技术方案的一种改进，所述光敏电阻面阵用于接收所述激光发射装置射出的激光并转换为模拟电压信号输出到所述信号处理系统中。

   作为本技术方案的再一种改进，所述信号处理系统包括信号转换模块、感光像元地址获取电路及角位置获取电路，该信号转换模块用于将光敏电阻面阵输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，形成码值，该感光像元地址获取电路根据该码值获取感光的光敏像元地址，该角位置获取电路将该光敏像元地址进行比对，得出该光敏像元地址相对应的轴位角度。

    同时本发明还提供了该基于光感原理的旋转编码器的测量方法：

 S1、通过联轴器将本编码器的主轴与待测量转轴相连，主轴与转轴做同步旋转运动，同时激光发射装置通电，发出激光；

 S2、光敏电阻面阵上的光敏元件接收到激光信号后将激光信号转换为模拟电压信号，并将该模拟电压信号输出；

 S3、信号处理系统中的信号转换模块将步骤S2中光敏电阻面阵输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，形成码值，感光像元地址获取电路根据该码值获取感光的光敏像元地址，角位置获取电路将该感光的光敏像元地址进行比对，得出该感光的光敏像元地址相对应的轴位角度；

其中，所述轴位角度由下式求得：

        α=n×d

          n为光敏元件在光敏电阻面阵中的排列序号；

          d为单个光敏元件的角度，d=360×60×60÷m（角度单位：角秒）

          m为激光旋转一周经过的光敏元件数量；

S4、将步骤S3的得出的轴位角度信息输出

本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：

本发明以主轴、轮盘，激光发射装置，光敏电阻面阵及信号处理系统组成一个旋转编码器，本编码器工作时，主轴与被测转轴作同步旋转运动，激光发射装置发射出的激光光束随转轴旋转，在光敏阵光敏电阻面阵上形成光斑，受到光斑的光敏电阻元件产生电信号传输信号处理系统中，经信号处理系统处理从而得出被测轴的轴位角度，本发明通过光敏电阻面阵来测量机械轴的位置，避免了编码器的精度受精密加工技术的制约，无需分辨率高的码盘来编码，而且本发明编码器的物理分辨率大大高于机械码盘。

附图说明

图1为实施例一中基于光感原理的旋转编码器的结构示意图；

   图2为信号处理系统的示意图；

   图3为基于光感原理的旋转编码器的测量方法流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

 对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，为本实施例中基于光感原理的旋转编码器的结构示意图，包括主轴1，主轴1通过联轴器与被测轴相连接，该主轴1上固定有圆形轮盘2，激光发射装置3安装于该圆形轮盘2上，光敏电阻面4阵位于该激光发射装置3的前方，这样主轴1转动时，激光发射装置3发射出的激光即可在光敏电阻面阵上形成一个圆形光斑轨迹5，光敏光敏电阻面4上受光斑的光敏元件将该激光信号转换为模拟电压信号并传输到信号处理系统6中，如图2所示，该信号处理系统6包括信号转换模块61、感光像元地址获取电路62及角位置获取电路63，该信号转换模块61将模拟电压信号转换为数字信号1或0，具体地位为：受光斑的光敏元件转换为数字信号1，未受光斑的光敏元件转换为数字信号0，形成二进制码值，感光像元地址获取电路62根据该二进制码值获得受光斑的光敏元件的地址，角位置获取电路63将该受光斑的光敏元件的地址与角位置获取电路所记录的光敏像元地址进行查找比对，从而得出被测轴的此时旋转角度。

实施例二

本实施例为本发明基于光感原理的旋转编码器的测量方法，如图3所示，具体包括以下步骤：

S1、通过联轴器将本编码器的主轴与待测量转轴相连，主轴与转轴做同步旋转运动，同时激光发射装置通电，发出激光；

 S2、光敏电阻面阵上的光敏元件接收到激光信号后将激光信号转换为模拟电压信号，并将该模拟电压信号输出；

 S3、信号处理系统中的信号转换模块将步骤S2中光敏电阻面阵输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，形成码值，感光像元地址获取电路根据该码值获取感光的光敏像元地址，角位置获取电路将该感光的光敏像元地址进行比对，得出该感光的光敏像元地址相对应的轴位角度；

其中，所述轴位角度由下式求得：

        α=n×d

          n为光敏元件在光敏电阻面阵中的排列序号；

          d为单个光敏元件的角度，d=360×60×60÷m（角度单位：角秒）；

          m为激光旋转一周经过的光敏元件数量。

S4、将步骤S3的得出的轴位角度信息输出

     实施例三

     本实施例中将结合实施例一中的旋转编码器及实施例中的测量方法;

     为了便于说明，本实施例中光敏电阻面阵上受激光照射的光敏电阻元件由4个cmos光敏元件组成（实际中有多个光敏元件），则受激光照射的光敏元件输出的模拟电压信号经信号处理系统中的信号转换模转换为数字信号1或0，具体地为：当第1个cmos光敏元件接收到激光信号，其余的3个cmos光敏元件没有接受到激光信号，则光敏电阻元件输出的模拟电压信号经信号处理系统中信号转换模块转换为具体的码值0001，感光像元地址获取电路根据该码值(0001)从而获的感光的光敏像元地址为（2,1),角位置获取电路将该光敏元件地址（2,1)与角位置获取电路所记录的光敏像元地址进行查找比对,如表1所示，从而可得出被测轴此时的角度为90度。

表1：

光敏元件序号	码值	光敏像元X方向地址	光敏像元Y方向地址	角度
					1	0001	2	1	90
2	0010	3	2	180
					3	0100	2	3	270
4	1000	1	2	360/0

其中表中的角度，由下式求得：

                  α=n×d，本例中n为1,m为4，则：

                  d=360×60×60÷4=324000’’=90(度）

                  α=1×90=90（度）

    按现在市面上已有像元尺寸为2.2um*2.2um的cmos光敏元件。假设激光移动轨迹半径为20mm，则移动轨迹一周共有个57119个cmos像元，则本发明编码器分辨率至少为360*3600/57119=23”（角度单位：角秒），随着激光移动轨迹的增大，激光光源旋转一周能扫描到更多的像元，分辨率能达到更高水平。而市面上普通的绝对式编码器一般有14位的分辨率，即为360/2^14=79”，由此可知本发明的编码器的测量分辨率获得大幅度的提升。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种基于光感原理的旋转编码器，其特征在于，包括主轴、轮盘，激光发射装置，光敏电阻面阵及信号处理系统，所述轮盘固定于主轴上，激光发射装置安装于该轮盘上，所述光敏电阻面阵位于该激光发射装置的前方，所述信号处理系统与该光敏电阻面阵相连接。

2.如权利要求1所述的一种基于光感原理的旋转编码器，其特征在于，所述光敏电阻面阵用于接收所述激光发射装置射出的激光并转换为模拟电压信号输出到所述信号处理系统中。

3.如权利要求1所述的一种基于光感原理的旋转编码器，其特征在于，所述信号处理系统包括信号转换模块、感光像元地址获取电路及角位置获取电路，该信号转换模块用于将光敏电阻面阵输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，形成码值，该感光像元地址获取电路根据该码值获取感光的光敏像元地址，该角位置获取电路将该光敏像元地址进行比对，得出该光敏像元地址相对应的轴位角度。

4.如权利要求1所述的一种基于光感原理的旋转编码器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过联轴器将本编码器的主轴与待测量转轴相连，主轴与转轴做同步旋转运动，同时激光发射装置通电，发出激光；

S2、光敏电阻面阵上的光敏元件接收到激光信号后将激光信号转换为模拟电压信号，并将该模拟电压信号输出；

S3、信号处理系统中的信号转换模块将步骤S2中光敏电阻面阵输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，形成码值，感光像元地址获取电路根据该码值获取感光的光敏像元地址，角位置获取电路将该感光的光敏像元地址进行比对，得出该感光的光敏像元地址相对应的轴位角度；

其中，所述轴位角度由下式求得：

        α=n×d

          n为光敏元件在光敏电阻面阵中的排列序号；

         d为单个光敏元件的角度，d=360×60×60÷m（角度单位：角秒）

         m为激光旋转一周经过的光敏元件数量；

 S4、将步骤S3的得出的轴位角度信息输出。