CN104567953B - 一种新型的绝对式旋转编码器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的绝对式旋转编码器，属于编码器领域，本编码器包括输入轴，所述激光发射装置固定于所述输入轴上，所述透镜组以圆周阵列方式闭合成环状布置在所述输入轴周围，所述感光阵列元件组以圆周阵列方式闭合成环状布置在所述透镜组外围，所述数据处理模块与所述感光阵列元件组相连接，同时本发明还公开了该编码器的测量方法，本编码器解决了现有技术的编码器的测量精度受码盘局限的技术性难题，为编码器的实现原理提供新的思路；与比传统相关测量器件相比，降低了制作难度，缩短了生产周期，降低了生产成本。

Description

一种新型的绝对式旋转编码器及其测量方法

技术领域

本发明涉及编码器，具体地涉及一种新型的绝对式旋转编码器及其测量方法。

背景技术

旋转编码器应用在数控机床、工业机器人、电梯行业中角度、速度的精密测量和控制领域，上述的设备的精度主要取决于用于信息反馈的编码器，传统的编码器利用感光器件感应光学系统经光电码盘产生的明暗变化来获取转轴的旋转角度等信息，光电码盘的刻划精度决定了编码器的使用精度，而光电码盘的精度越高，其加工难度也越高，加工周期越长，制作成本巨大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的绝对式旋转编码器以解决现有技术编码器测量精度受光电码盘限制的技术性难度，可广泛应用于角度的测量。

为了达到上述目的，本发明提供如下的技术方案：

新型的绝对式旋转编码器，包括输入轴，激光发射装置，透镜组，感光阵列元件组，数据处理模块，所述激光发射装置固定于所述输入轴上，所述透镜组以圆周阵列方式闭合成环状布置在所述输入轴周围，所述感光阵列元件组以圆周阵列方式闭合成环状布置在所述透镜组外围，所述数据处理模块与所述感光阵列元件组相连接；本编码器工作时，激光发射装置装在输入轴上，且会随着输入轴的旋转而旋转，激光发射装置发射出的激光光束的出射方向的反方向都经过透镜组的焦点，经过透镜组的作用，激光光束会垂直入射到感光阵列元件组，感光阵列元件组将激光光束的位置信息传输到数据处理模块中，由数据处理模块计算出输入轴转动角度的信息。

作为本技术方案的一种改进，所述透镜组由三个以上的凸透镜构成，保证透镜组中的各个凸透镜的焦点重合在一个点；所述凸透镜是边缘薄，中间厚，至少要有一个表面制成球面，亦可两面都制成球面，可以是双凸透镜、平凸透镜或凹凸透镜。

作为本技术方案的另一种改进，所述感光阵列元件组由三个以上的感光阵列元件构成，并且一个感光阵列元件与一个凸透镜对应，感光阵列元件可以是CMOS图像传感器，可以是CCD图像传感器，可以是光敏二极管阵列或者其他感光器件阵列，此阵列的光敏单元是可以由CMOS像元、CCD像元、光敏二极管组成，可以组成线阵，也可以组成面阵。

作为本技术方案的再一种改进，所述所述数据处理模块包括储存芯片和计算单元，所述储存芯片储存记录有所述感光阵列元件上每一光敏单元相对应的编码，所述计算单元用于计算所述编码相对应的角度。

同时本发明还提供了本编码器的测量方法，具体包括以下步骤：

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

S2、激光在凸透镜的聚焦作用下，激光照射在感光阵列元件上的某一光敏单元，受光的光敏单元发出信号并传输到步骤S3中的数据处理模块；

S3、数据处理模块根据步骤S2中发出的信号读取储存芯片所储存记录的该受光的光敏单元相对应的编码，计算单元并根据该编码计算得出被测转轴的转角，其中，所述计算方法具体为：

其中：为被测轴转角

为经透镜聚焦射出的激光与水平面的角度，其值存储记录于储存芯片；

为出射激光与相对感光阵列中心和焦点所在直线的角度；

其中：，h为被激光照射的光敏单元到感光阵列中心的距离，,n为受光的光敏单元的编码值，x为光敏单元与光敏单元之间的距离；f为焦距；

S4、数据处理模块将计算得出的被测轴转角信息输出。

本发明与现有技术相比，具有如下的技术优势：

本发明以输入轴，激光发射装置，透镜组，感光阵列元件组及数据处理模块组成一个新型的绝对式旋转编码器，本编码器工作时，激光发射装置装在输入轴上，且会随着输入轴的旋转而旋转，激光发射装置发射出的激光光束的出射方向的反方向都经过透镜组的焦点，经过透镜组的作用，激光光束会垂直入射到感光阵列元件组，感光阵列元件组将激光光束的位置信息传输到数据处理模块中，由数据处理模块计算出输入轴转动角度的信息，从而解决了现有技术的编码器的测量精度受码盘局限的技术性难题，为编码器的实现原理提供新的思路；与比传统相关测量器件相比，降低了制作难度，缩短了生产周期，降低了生产成本。

附图说明

图1为实施例一的型的绝对式旋转编码器的结构示意图；

图2为新型的绝对式旋转编码器感光阵列元件组分离示意图；

图3为凸透镜的会聚作用示意图；

图4为凸透镜光路可逆图；

图5为感光阵列元件光敏单元编码示意图；

图6为数据处理模块示意图；

图7为几个不同转角的激光发射情况示意；

图8为感光阵列元件、凸透镜和输入轴的位置关系示意图。

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1-2所述，为本实施例的新型的绝对式旋转编码器的结构示意图，包括输入轴1，激光发射装置2，透镜组3，感光阵列元件组4，数据处理模块5，激光发射装置2固定于输入轴1上，本实施例中，透镜组3由三个凸透镜组成，该三个凸透镜在空间上以圆周阵列的方式闭合成环状布置在输入轴1周围，并保证三个凸透镜焦点重合在一个点，相应地，本实施例中的感光阵列元件组4由三个感光阵列元件组成，该感光阵列元件为CMOS图像传感器，三个感光阵列元件在空间上以圆周阵列方式闭合成环状布置在透镜组3外围，并且一个感光阵列元件与一个凸透镜对应，凸透镜对光有会聚作用如图3所示，又知道光路是可逆的如图4所示，利用凸透镜的会聚作用和光路的可逆特性，透镜组3将激光发射装置2发出的激光6的方向改变，使激光6垂直入射到感光阵列元件中。

如图5所示，感光阵列元件上分布有多个光敏单元，并对该光敏单元进行编码，以感光阵列元件的的中心划分，在中心上方的第一个光敏单元对应的编码为1，在中心上方的第二个光敏单元对应的编码为2如此类推；在中心下方的第一个光敏单元对应的编码为-1，在中心下方第二个光敏单元对应的的编码为-2如此类推。

本编码器工作时，通过联轴器将本编码器的输入轴1与被测轴相连接，激光发射装置2装在输入轴上，且随着输入轴1的旋转而旋转，激光发射装置2发射出的激光光束的出射方向的反方向都经过透镜组3的焦点，经过透镜组3的作用，激光光束会垂直入射到感光阵列元件的某一光敏像元上，如图6所示，受光的光敏像元发出信号并传输到数据处理模块5中，数据处理模块5读出该信号相对应与储存芯片51储存记录的编码，即受光的光敏单元相对应的编码，，并将该编码与储存芯片51储记录的每一光敏单元的编码进行查找比对，计算单元从而根据该编码计算出该编码对应的角度，即被测轴此时的转角。，如图7所示，输入轴在不同的位置，受光照射的光敏单元不同，从而可获得被测轴在不同位置的角度。

实施例二

本实施例为本发明新型的绝对式旋转编码器的测量方法，具体包括以下步骤：

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

S2、激光在凸透镜的聚焦作用下，激光照射在感光阵列上的某一光敏单元，受光的光敏单元发出信号并传输到步骤S3中的数据处理模块；

S3、数据处理模块根据步骤S2中发出的信号读取储存芯片所储存记录的该受光的光敏单元相对应的编码，计算单元并根据该编码计算得出被测转轴的转角，其中，所述计算方法具体为：

其中：为被测轴转动角

为经透镜聚焦射出的激光与水平面的角度，其值存储记录于储存芯片；

为出射激光与相对感光阵列中心和焦点所在直线的角度；

由凸透镜的倒立、等大成像规律可知，如图8所示：，h为被激光照射的光敏单元到感光阵列中心的距离，,n为受光的光敏单元的编码值，x为光敏单元与光敏单元之间的距离；f为焦距；

S4、数据处理模块将计算得出的被测轴转角信息输出。

实施例三

本实施例将结合实施例一中的新型的绝对式旋转编码器及实施例二中的测量方法；

本实施例中，光敏单元与光敏单元的距离为7μm，则x=7μm；凸透镜的焦距：f=2cm；

如图2所示，激光6从激光发射装置2发射出来，经过凸透镜，凸透镜改变激光的方向，使激光垂直入射感光阵列元件41上的某一光敏单元上，该受光的光敏单元输出信号到数据处理模块5中，数据处理模块5读出该信号相对应与储存芯片51储存记录的编码，即受光的光敏单元相对应的编码，计算单元52从而根据该编码计算出该编码对应的角度，即被测轴此时的转角。比如激光垂直入射感光阵列元件41中心上方第500光敏单元上，则此时的输入轴的转角，即被测轴的转角为：

，n=500,x=7μm,则：

，f=2cm，则：

输入轴的转角：，为60度，则：

综上所述，本发明新型的绝对式旋转编码器解决了现有技术编码器的测量精度受光电码盘局限的技术性难题，与比传统相关测量器件相比，降低了制作难度，缩短了生产周期，降低了生产成本，具有显著的进步。

Claims (4)

1.一种新型的绝对式旋转编码器，其特征在于，包括输入轴，激光发射装置，透镜组，感光阵列元件组，数据处理模块，所述激光发射装置固定于所述输入轴上，所述透镜组以圆周阵列方式闭合成环状布置在所述输入轴周围，所述感光阵列元件组以圆周阵列方式闭合成环状布置在所述透镜组外围，所述数据处理模块与所述感光阵列元件组相连接；所述透镜组由三个以上的凸透镜构成；一个感光阵列元件与一个凸透镜对应；所述数据处理模块包括储存芯片和计算单元，所述储存芯片储存记录有所述感光阵列元件上每一光敏单元相对应的编码，所述计算单元用于计算所述编码相对应的角度。

2.如权利要求1所述的一种新型的绝对式旋转编码器，其特征在于，所述感光阵列元件组由三个以上的感光阵列元件构成，所述感光阵列元件由光敏单元组成，并用于将激光发射装置发出的激光转换为电信号。

3.如权利要求2所述的一种新型的绝对式旋转编码器，其特征在于，所述感光阵列元件包括CMOS图像传感器阵列、CCD图像传感器阵列、光敏二极管阵列三者之一。

4.如权利要求1所述的一种新型的绝对式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输入轴与待测量转轴相连，输入轴与机械转轴做同步旋转运动，同时激光发射装置通电，发出激光；

S2、激光在凸透镜的聚焦作用下，激光照射在感光阵列上的某一光敏单元，受光的光敏单元发出信号并传输到步骤S3中的数据处理模块；

S3、数据处理模块根据步骤S2中发出的信号读取储存芯片所储存记录的该受光的光敏单元相对应的编码，计算单元并根据该编码计算得出被测转轴的转角，其中，所述计算方法具体为：

α＝δ-θ

其中：α为被测轴的转角；

δ为经透镜聚焦射出的激光与水平面的角度，其值存储记录于储存芯片；

θ为出射激光与相对感光阵列中心和焦点所在直线的角度；

其中：tanθ＝h/f，h为被激光照射的光敏单元到感光阵列中心的距离，h＝n×x,n为受光的光敏单元的编码值，x为光敏单元与光敏单元之间的距离；f为焦距；

S4、数据处理模块将计算得出的被测轴转角信息输出。