CN104596554B - 一种基于机械细分的光敏电阻编码器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机械细分的光敏电阻编码器，属于编码器领域，该编码器包括主轴，所述主轴固定有主动轮，从动轮与该主动轮配合安装连接，所述从动轮固定安装于从动轴上，所述从动轮上固定有第一激光源，光敏电阻面阵位于该第一激光源的前方，面阵信号处理与所述光敏电阻面阵相连接，所述第二激光源位于所述主动轮的前方，所述主动轮码值处理系统位于所述主动轮的后方，同时本发明还公开了该编码器的测量方法，本发明利用机械传动的方式细分光敏电阻面阵编码分辨率，解决了因光敏电阻面阵尺寸过大而带来高成本的问题，同时也解决了现有编码器分辨率受码盘限制的技术性难题，编码器分辨率得到大幅度的提升。

Description

一种基于机械细分的光敏电阻编码器及其测量方法

技术领域

本发明涉及编码器领域，尤其涉及一种基于机械细分的光敏电阻编码器及其测量方法。

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。

中国专利CN200710006964.7公开了一种编码器，将该编码器安装于电机或通过电机驱动的机器上、检测出位置信息或速度信息的编码器，从表示各种各样内部的原因，外部原因或是长时间所引起的编码器信号特性值的时效变化的信息，从而获得对故障预测有价值的信息和对确定警报间断地发出的原因有价值的信息，从而提高编码器的可维护性；该技术方案主要对传统编码器输出的信号进行处理以提高编码的效果 ，但其并没有解决现有编码器分辨率受码盘限制的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术编码器编码器分辨率受码盘限制的技术问题，本发明提供一种基于机械细分的光敏电阻编码器，本编码器不需要码盘，摆脱码盘的限制，控制分辨率获得大幅度的提升。

为了达到上述目的，本发明提供如下的技术方案：

一种基于机械细分的光敏电阻编码器，包括主轴、从动轴、主动轮、从动轮、第一激光源、第二激光源、光敏电阻面阵、面阵信号处理系统及主动轮码值处理系统；所述主轴固定有主动轮，从动轮与该主动轮配合安装连接，由主动轮带动传动轮转动，具体的传动比由主轴测量的细分分辨率确定；所述从动轮固定安装于从动轴上，所述从动轮上固定有第一激光源，光敏电阻面阵位于该第一激光源的前方，面阵信号处理系统与所述光敏电阻面阵相连接，所述第二激光源位于所述主动轮的前方，所述主动轮码值处理系统位于所述主动轮的后方。

作为本技术方案的一种改进，所述主动轮上分布有多个小孔，小孔数目取决于主轴测量的细分分辨率，若细分为2^n倍，则小孔数目为2^（n+1），第二激光源的激光即可通过该小孔射入主动轮码值处理系统中。

作为本技术方案的另一种改进，所述第一激光源为单束激光源；所述第二激光源的光源束数与主动轮上小孔数目相对应，同时，该第二激光源所产生的激光要能经过小孔转动时产生的轨迹。

作为本技术方案的再一种改进，所述光敏电阻面阵用于接收所述第一激光光源射出的激光并转换为模拟电压信号输出到所述面阵信号处理系统中。

作为本技术方案的进一步改进，所述主动轮码值处理系统包括激光接收模块和信号处理模块，所述激光接收模块用于接收所述第二激光光源射出的激光并转换为模拟电压信号；所述信号处理模块用于将激光接收模块输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，具体地为将接收到激光信号光敏单元输出的模拟电压信号转换为数字信号1，将没接收到激光信号的光敏单元输出的模拟电压信号转换为数字信号0，从而得出第二码值，并将该第二码值传输到面阵信号处理系统中。

所述面阵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，形成第一码值，该感光像元地址获取电路根据该第一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和第二码值进行比对，得出该光敏像元地址和第二码值相对应的轴位角度。

同时，本发明还提供了该编码器的测量方法，具体包括以下步骤：

S1、通过联轴器将本编码器的主轴与待测量转轴相连，主轴与转轴做同步旋转运动，同时第一、第二激光光源通电，发出激光；

S2、光敏电阻面阵及激光接收模块中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、面阵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据信号1或0，形成第一码值，感光像元地址获取电路根据该第一码值获取感光的光敏像元地址；信号处理模块将步骤S2中激光接收模块输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，形成第二码值，并将该第二码值传输到面阵信号处理系统；

S4、将步骤S3中形成的光敏像元地址和第二码值与面阵信号处理系统中角位置获取电路存储记录的光敏像元地址和第二码值进行查找比对，，查找得出步骤S3所得出的光敏像元地址、第二码值相对应的轴位角度，即得出被测轴此时实际的轴位角度；

S5、将步骤S4的得出的轴位角度信息输出。

其中，所述角位置获取电路存储记录的光敏像元地址和第二码值相对应的轴位角度由下式求得：

α=（（i-1）×m+n-1）×d

其中：i为当前的码值的二进制数值；

m为光敏电阻面阵上的光敏元件数目；

n为光敏元件在光敏电阻面阵中的排列序号；

d为主轴的单个光敏像元角度

其中：d=360×60×60÷m÷f

f为主轴测量细分倍数。

总之，本发明与现有技术相比，具有如下的技术优势：

本发明利用机械传动的方式细分光敏电阻面阵编码分辨率，解决了因光敏电阻面阵尺寸过大而带来高成本的问题，而光敏电阻面阵上集成了很多光敏元件，按现在市面上已有像元尺寸为2.2um*2.2um的coms光敏元件。如果第一激光源的激光的移动轨迹半径为5mm，则移动轨迹一周共有个14280个coms像元，则本编码器的分辨率至少为360*3600/（14280*4）=22”（角度单位：角秒），随着主动轮小孔的增多，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与现有技术的编码器相比，分辨率能过获得大幅度的提升，获得革命性地进步，无需专用码盘，制造加工成本大大降低。

附图说明

图1为本发明于机械细分的光敏电阻编码器的结构示意图；

图2为本发明于机械细分的光敏电阻编码器的侧视图；

图3为面阵信号处理系统示意图；

图4为主动轮码值处理系示意图；

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所示，为本实施例中基于机械细分的光敏电阻编码器的结构示意图，包括主轴1，所述主轴1固定有主动轮2，该主动轮2分布有多个小孔21，从动轮3与该主动轮2配合安装连接，由主动轮2带动从动轮3转动，本实施例中主动轮2与从动轮3的传动比为4，所述从动轮3固定于从动轴4上，所述从动轮3上固定有第一激光源5，该激光源为单束激光源，光敏电阻面阵6位于该第一激光源5的前方，面阵信号处理系统7与所述光敏电阻面阵6相连接，如图3所示，该面阵信号处理系统7包括信号转换模块71和感光像元地址获取电路72，该信号转换模块71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，具体地为将接收到激光信号光敏单元输出的模拟电压信号转换为数字信号1，将没接收到激光信号的光敏单元输出的模拟电压信号转换为数字信号0，从而形成第一码值，该感光像元地址获取电路72根据该第一码值获取感光的光敏像元地址；

第二激光源8与主动轮上小孔数目相对应，位于所述主动轮2的前方，且要保证该第二激光源所产生的激光要能经过小孔转动时产生的轨迹；所述主动轮码值处理系统9位于所述主动轮2的后方，如图4所述，该主动轮码值处理系统9包括激光接收模块91和信号处理模块92，所述激光接收模块91用于接收所述第二激光光源射出的激光并转换为模拟电压信号；所述信号处理模块92用于将激光接收模块输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，具体地为将接收到激光信号光敏单元输出的模拟电压信号转换为数字信号1，将没接收到激光信号的光敏单元输出的模拟电压信号转换为数字信号0，从而形成第二码值；再如图3所示，该面阵信号处理系统7中还包括角位置获取电路73，将第二码值和光敏像元地址与角位置获取电路73记录的光敏像元地址和第二码值进行查找比对，从而得出被测轴的角位置。

实施例二

本实施例为本发明基于机械细分的光敏电阻编码器的测量方法，具体包括以下步骤：

S1、通过联轴器将本编码器的主轴与待测量转轴相连，主轴与转轴做同步旋转运动，同时第一、第二激光光源通电，发出激光；

S2、光敏电阻面阵及激光接收模块中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、面阵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据信号1或0，形成第一码值，感光像元地址获取电路根据该第一码值获取感光光敏像元地址；信号处理模块将步骤S2中激光接收模块输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，形成第二码值，并将该第二码值传输到面阵信号处理系统；

S4、将步骤S3中形成的光敏像元地址和第二码值与面阵信号处理系统中角位置获取电路存储记录的光敏像元地址和第二码值进行查找比对，，查找得出步骤S3所得出的光敏像元地址、第二码值相对应的轴位角度，即得出被测轴此时实际的轴位角度；

S5、将步骤S4的得出的轴位角度信息输出。

其中，所述角位置获取电路存储记录的光敏像元地址和第二码值相对应的轴位角度由下式求得：

α=（（i-1）×m+n-1）×d

其中：i为当前的码值的二进制数值；

m为光敏电阻面阵上的光敏元件数目；

n为光敏元件在光敏电阻面阵中的排列序号；

d为主轴的单个光敏像元角度

其中：d=360×60×60÷m÷f

f为主轴测量细分倍数。

实施例三

本实施例将结合实施例一中的编码器及实施例二中的测量方法；

本实施例中，为了便于说明，光敏电阻面阵由4个coms光敏元件组成（实际系统中有很多个元件），主动轮的码值由两个码道（小孔）组成，主动轮与从动轮的传动比与码值二进制数值相等（在本例中两码道的码值二进制数值为4，则传动比为4，主轴测量细分倍数也为4），采用实施例二中的测量方法，则当第一激光源激光照射到光敏电阻面阵上的一光敏元件时，则该光敏元件会输出数字信号1，其余的光敏元件输出数字信号0，从而形成第一码值，感光像元地址获取电路根据该第一码进行比对，从而获得该受激光照射光敏像元的地址；同时，当第二激光光源的两束激光照射到主动轮后，如果两数激光均被主动轮挡住，则主动轮码值中的激光接收模块没有接收到激光信号，从而输出数字信号00，从而形成第二码值，并将该第二码传输到面阵信号处理系统中，面阵信号处理系统中的只读存储器将该光敏像元的地址和第二码值进行比对，从而得出被测轴的此时实际的轴位角度。

例如，第一激光源激光照射到光敏电阻面阵上坐标为（2,1）的光敏像元上，坐标为（2，1）的光敏像元输出信号为1，其他像元输出信号为0，感光地址获取电路通过对输入信号的比较，得出光敏像元地址（2,1）；同时，第二激光光源的两束激光均被主动轮遮挡住，信号处理系统中激光接收模块无法感光，因此输出信号为00，形成第二码值；角位置获取电路将00（第二码值）和光敏像元地址（2,1）与角位置获取电路记录的光敏像元地址和第二码值进行查找比对，如表1所示，即可得出此时被测轴的角度为0度；同理可得出被测轴其他位置时的角度，在此就不再一一赘述。

表1：

第二码值	序号	光敏像元地址X坐标	光敏像元地址Y坐标	角度
					00	1	2	1	0
00	2	3	2	22.5
					00	3	2	3	45
00	4	1	2	67.5
					01	1	2	1	90
01	2	3	2	112.5
					01	3	2	3	135
01	4	1	2	157.5
					10	1	2	1	180
10	2	3	2	202.5
					10	3	2	3	225
10	4	1	2	247.5
					11	1	2	1	270
11	2	3	2	292.5
					11	3	2	3	315
11	4	1	2	337.5

表中的角度由下式求得：

α=（（i-1）×m+n-1）×d

d=360×60×60÷m÷f

如：第二码值为（0,0）和光敏像元地址为（1,2）对应的角度为：

本例中，m=4，f=4，i=1，n=4,

从而得出α=67.5度。

Claims (5)

1.一种基于机械细分的光敏电阻编码器，其特征在于，包括主轴、从动轴、主动轮、从动轮、第一激光源、第二激光源、光敏电阻面阵系统、面阵信号处理系统及主动轮码值处理系统；所述主轴固定有主动轮，从动轮与该主动轮配合安装连接，所述从动轮固定安装于从动轴上，所述从动轮上固定有第一激光源，光敏电阻面阵系统位于该第一激光源的前方，面阵信号处理系统与所述光敏电阻面阵系统相连接，所述第二激光源位于所述主动轮的前方，所述主动轮码值处理系统位于所述主动轮的后方；所述主动轮上分布有多个小孔；所述主动轮码值处理系统包括激光接收模块和信号处理模块，所述激光接收模块用于接收所述第二激光源射出的激光并转换为模拟电压信号；所述信号处理模块用于将激光接收模块输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，形成第二码值，并将该第二码值传输到面阵信号处理系统中；所述面阵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系统输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，形成第一码值，该感光像元地址获取电路根据该第一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和第二码值进行比对，得出该光敏像元地址和第二码值相对应的轴位角度。

2.如权利要求1所述的一种基于机械细分的光敏电阻编码器，其特征在于，所述第一激光源为单束激光源，所述第二激光源的光源束数与所述主动轮上小孔数目相对应。

3.如权利要求1所述的一种基于机械细分的光敏电阻编码器，其特征在于，所述光敏电阻面阵系统用于接收所述第一激光源射出的激光并转换为模拟电压信号输出到所述面阵信号处理系统中。

4.如权利要求1所述的一种基于机械细分的光敏电阻编码器的测量方法，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，同时第一、第二激光源通电，发出激光；

S2、光敏电阻面阵系统及激光接收模块中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、面阵信号处理系统中的信号转换模块将步骤S2中光敏电阻面阵系统输出的模拟电压信号转换为数据信号1或0，形成第一码值，感光像元地址获取电路根据该第一码值获取感光光敏像元地址；信号处理模块将步骤S2中激光接收模块输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，形成第二码值，并将该第二码值传输到面阵信号处理系统；

S4、将步骤S3中形成的光敏像元地址和第二码值与面阵信号处理系统中角位置获取电路存储记录的光敏像元地址和第二码值进行查找比对，查找得出步骤S3所得出的光敏像元地址、第二码值相对应的轴位角度，即得出被测轴此时实际的轴位角度；

S5、将步骤S4的得出的轴位角度信息输出。

5.如权利要求4所述的一种基于机械细分的光敏电阻编码器的测量方法，其特征在于，所述角位置获取电路存储记录的光敏像元地址和第二码值相对应的轴位角度由下式求得：

α＝((i-1)×m+n-1)×d

其中：i为当前的码值的二进制数值；

m为光敏电阻面阵系统上的光敏元件数目；

n为光敏元件在光敏电阻面阵系统中的排列序号；

d为主轴的单个光敏像元角度；

其中：d＝360×60×60÷m÷f

f为主轴测量细分倍数。