CN104655057A - 一种基于光强正交调制的时栅角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光强正交调制的时栅角位移传感器，包括发光元件、动盘基体、定盘基体和光电探测器。发光元件由大小相等的第一、第二、第三、第四光源体沿圆周方向排列构成，并分别通入同频同幅，相位相差90°的正弦激励电信号驱动。动盘基体上设有一圈呈扇环形的动盘透光面，定盘基体上沿圆周方向设有第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面，其空间相位分别与四个光源体的光照区域对应；各组定盘透光面与动盘透光面应满足特定的对应关系。光电探测器包括测头基体和固定在测头基体上能同时接收四组定盘透光面的光通量的光电测头。其对角位移进行精密测量，能降低电路控制难度、安装难度以及加工工艺难度。

Description

一种基于光强正交调制的时栅角位移传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种基于光强正交调制的时栅角位移传感器。

背景技术

精密角位移测量领域主要采用光电编码器，光电编码器是一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成，光栅盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在光栅盘两侧安放发光元件和光敏元件，光栅盘与电机同速旋转，经发光二极管检测装置检测输出若干脉冲信号。其测量精度和分辨力取决于对圆周分度的线数和编码的位数，然而，随着精度需求的进一步提高，特别是到1″～0.1″的精密角位移测量时，难以通过单纯的提高栅线数目和编码位数来实现，其需要采用高精度的电子细分技术，从而使传感器的制造工艺要求苛刻、成本高、抗干扰能力差。

上世纪70年代，为了减少对栅线精密刻划的要求，飞利浦公司设计了一种粗光栅，栅线宽度可以到mm级，同细光栅一样有指示光栅和标尺光栅组成。测量过程采用多面棱镜匀速旋转，将指示光栅的图像在标尺光栅上形成匀速扫描，假定运动速度恒定用时间量对空间进行细分。事实上，多面棱体的机械式匀速运动的匀速性是难以保证的，而且机械运动速度也无法达到很高的频率，难以实现精确的动态位移测量。从上世纪80年代末到本世纪初，很多学者对粗光栅提出了多种改进方法，最具代表性的是重庆大学光电技术实验室提出的图像扫描测量方法，用自扫描光敏阵列对粗光栅栅线位置进行识别，只用一个标尺光栅即可实现测量，大大简化了安装工艺，但其测量精度和动态性取决于图像扫描的精度和扫描频率，而图像扫描是一种离散的扫描方式，行扫描频率有限，也无法实现高精度的测量和较高速度动态测试。

CN103591896A公开了一种基于交变光场的时栅直线位移传感器，其采用通过接收双排栅面的透光光线形成两路驻波信号，再由加法电路合成一路行波信号的方式来实现直线位移的测量。如果简单改变结构后用来测量角位移会存在如下问题：(1)多路光电接收电路使得处理电路复杂，电路控制难度大；(2)定极板和动极板都为双排栅面，安装难度较大，并且进行角位移测量时，不同半径的栅面要求保证面积相等，会增加加工工艺的难度，进而增加成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光强正交调制的时栅角位移传感器，以对角位移进行精密测量，降低电路控制难度、安装难度以及加工工艺难度。

本发明所述的基于光强正交调制的时栅角位移传感器，包括发光元件、动盘基体、定盘基体和光电探测器，发光元件、定盘基体和光电探测器都相对固定，只有动盘基体可转动。

所述发光元件安装在动盘基体上方，发光元件由大小相等且互不干扰的第一、第二、第三、第四光源体沿圆周方向依次间隔排列构成，第一、第二、第三、第四光源体分别通入频率、幅值相等，相位为0°、90°、180°、270°的正弦激励电信号驱动，形成四组频率、幅值相等，相位相差90°的交变光源，将圆周等分为四个互不干扰的光照区域(每个光照区域内的光强均匀分布且按照正弦规律变化)。

所述动盘基体上设有一圈沿圆周方向均匀间隔分布的呈扇环形的动盘透光面，相邻两个动盘透光面间隔的圆心角等于一个动盘透光面的圆心角。

所述定盘基体平行同轴安装在动盘基体下方，与动盘基体正对且留有间隙，动盘基体能相对定盘基体转动，定盘基体上沿圆周方向设有第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面，所述第一组定盘透光面的空间相位为0°(即处于第一象限内)，在轴向与第一光源体的光照区域对应，所述第二组定盘透光面的空间相位为90°(即处于第二象限内)，在轴向与第二光源体的光照区域对应，所述第三组定盘透光面的空间相位为180°(即处于第三象限内)，在轴向与第三光源体的光照区域对应，所述第四组定盘透光面的空间相位为270°(即处于第四象限内)，在轴向与第四光源体的光照区域对应；各组定盘透光面的个数相同、大小相等且都呈半正弦形(即[0，π]区间的正弦曲线围成的区域形状)，各组中相邻两个定盘透光面间隔的圆心角等于一个定盘透光面的圆心角，各个定盘透光面的圆心角等于动盘透光面的圆心角，各个定盘透光面的径向高度略小于动盘透光面的径向高度。第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面与动盘透光面的对应关系满足：当第一组定盘透光面与动盘透光面完全正对时，第二组定盘透光面相对于动盘透光面错开半个动盘透光面的圆心角，第三组定盘透光面相对于动盘透光面错开一个动盘透光面的圆心角，第四组定盘透光面相对于动盘透光面错开1.5个动盘透光面的圆心角。

所述光电探测器固定安装在定盘基体下方，光电探测器包括测头基体和固定在测头基体上的光电测头，所述光电测头能同时接收到第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面的全部光通量，并转换为电信号输出，该电信号为第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面的光通量经光电转换后获得的光电流之和。

动盘基体相对定盘基体转动，四组频率、幅值相等，相位相差90°的交变光源(即时间正交调制)，经动盘透光面和定盘透光面调制(即空间调制)后，由光电测头接收上述光通量并转换为光电流I₀(即反应第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面光通量变化的电信号)输出，该光电流I₀经放大、隔离后转换为电行波信号U₀(反应动盘基体相对定盘基体的转动位置)，该电行波信号U₀与相位固定的同频参考信号U_r分别整形后，由比相电路进行比相，两路信号的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经标度变换得到动盘基体相对定盘基体的角位移值。

进一步，所述第一、第二、第三、第四光源体都采用扇环形的发光二极管阵列或者扇环形的半导体面光源，第一、第二、第三、第四光源体可以独立控制，并且需要控制好其出光角度，以保证相互之间不产生干扰。

进一步，所述光电测头为圆环形光电池或者圆环形光敏阵列。

进一步，所述光电测头由大小相等的呈扇环形的第一、第二、第三、第四光敏阵列沿圆周方向依次间隔排列构成，分别接收第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面的光通量。

本发明与现有技术相比，具有如下效果：

第一、第二、第三、第四光源体通入同频同幅，相位分别为0°、90°、180°和270°的正弦激励电信号驱动，形成四组频率、幅值相等，相位相差90°的交变光源，经动盘透光面和定盘透光面的空间调制后，由光电测头输出光电流，经放大、隔离后直接转换为电行波信号，以高频时钟脉冲插补，计算得到动盘基体相对于定盘基体的角位移值。其处理电路简单，电路控制较容易、安装较方便；只需要满足发光元件形成的四个光照区域的光照强度相等，且按照正弦规律变化，对后续的光电测头和电路处理部分要求较低，实现更容易；另外，大面积透光面相对“精”、“细”的栅线而言加工工艺难度不高，从而避免了成本的增加。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例1的动盘基体上的动盘透光面与定盘基体上的定盘透光面的空间相位关系图。

图3为本发明实施例1的光电探测器上的光电测头的引线方式图。

图4为本发明实施例1中光电流转换为电行波信号U₀的原理图。

图5为本发明实施例1的信号处理原理框图。

图6为本发明实施例2的结构示意图。

图7为本发明实施例2的光电探测器上的光电测头的引线方式图。

图8为本发明实施例2中光电流转换为电行波信号U₀的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

实施例1：如图1至图5所示的基于光强正交调制的时栅角位移传感器，包括发光元件1、动盘基体2、定盘基体3和光电探测器4，发光元件1、定盘基体3和光电探测器4都相对固定不动，只有动盘基体2可转动。

发光元件1安装在动盘基体2上方，发光元件1由大小相等且互不干扰的第一光源体11、第二光源体12、第三光源体13和第四光源体14沿圆周方向依次间隔排列构成，第一光源体11、第二光源体12、第三光源体13和第四光源体14都采用扇环形的发光二极管阵列，第一光源体11通入相位为0°的正弦激励电信号驱动，第二光源体12通入与前述正弦激励电信号同频同幅，但相位为90°的正弦激励电信号驱动，第三光源体13通入与前述正弦激励电信号同频同幅，但相位为180°的正弦激励电信号驱动，第四光源体14通入与前述正弦激励电信号同频同幅，但相位为270°的正弦激励电信号驱动，形成四组频率、幅值相等，相位相差90°的交变光源，将圆周等分为四个互不干扰的光照区域，每个光照区域内的光强均匀分布，且按照正弦规律变化。

动盘基体2的外径为100mm，内径为30mm，动盘基体2采用玻璃作为基体材料，在其上表面覆盖遮光材料，使动盘基体2上留有一圈未覆盖遮光材料且沿圆周方向均匀间隔分布的呈扇环形的透光面，形成动盘透光面21，动盘透光面21的圆心角为5°，动盘透光面21的外环直径为70mm，内环直径为50mm，动盘透光面21的径向高度为10mm，相邻两个动盘透光面21间隔的圆心角也等于5°，即动盘基体2上一共设有36个动盘透光面21。

定盘基体3同轴安装在动盘基体2下方，与动盘基体2正对平行且留有0.4mm间隙，定盘基体3的外径为100mm，内径为30mm，定盘基体3采用玻璃作为基体材料，在其上表面覆盖遮光材料，使定盘基体3沿圆周方向留有四组未覆盖遮光材料的呈半正弦性(即[0，π]区间的正弦曲线围成的区域形状)的透光面，形成第一组定盘透光面31、第二组定盘透光面32、第三组定盘透光面33和第四组定盘透光面34，第一组定盘透光面31的空间相位为0°，处于第一象限内，在轴向与第一光源体11的光照区域对应，第二组定盘透光面32的空间相位为90°，处于第二象限内，在轴向与第二光源体12的光照区域对应，第三组定盘透光面33的空间相位为180°，处于第三象限内，在轴向与第三光源体13的光照区域对应，第四组定盘透光面34的空间相位为270°，处于第四象限内，在轴向与第四光源体14的光照区域对应；各组内定盘透光面的个数都为三个，三个定盘透光面的大小相等，其外环直径为70mm，内环直径为50mm，定盘透光面处于圆环径向方向的中间位置，其径向高度为9.8mm，圆心角为5°，各组中相邻两个定盘透光面间隔的圆心角等于5°。第一组定盘透光面31、第二组定盘透光面32、第三组定盘透光面33和第四组定盘透光面34与动盘透光面21的对应关系应满足：当第一组定盘透光面31与处于第一象限内的动盘透光面21完全正对时，其内的三个定盘透光面的透光量(即透光面积)为100％，第二组定盘透光面32相对于第二象限内的动盘透光面21错开2.5°，其内的三个定盘透光面的透光量为50％，第三组定盘透光面33相对于处于第三象限内的动盘透光面21错开5°，其内的三个定盘透光面的透光量为0，第四组定盘透光面34相对于第四象限内的动盘透光面21错开7.5°，其内的三个定盘透光面的透光量为50％。

光电探测器4固定安装在定盘基体3下方，光电探测器4包括测头基体41和固定在测头基体41上的光电测头42，光电测头42为一块完整的圆环形光电池(也可以是圆环形光敏阵列)。光电测头42同时接收到第一组定盘透光面31、第二组定盘透光面32、第三组定盘透光面33、第四组定盘透光面34的全部光通量(对应于光电测头42在轴向上的投影能将定盘基体3上的所有定盘透光面遮盖)，并转换为电信号输出，该电信号为第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面的光通量经光电转换后获得的光电流之和。

由于第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面的空间位置相互错开90°空间相位，且空间轴向位置与第一、第二、第三、第四光源体的光照区域分别对应。

在没有动盘基体2空间调制的情况下，光电测头42上可以获得四组同幅同频，相位相差90°的光信号，经光电转换后的光电流可分别表示为：

$I_1^{\′}=\stackrel{\‾}{I}+I_m\sin \mathrm{\ωt},I_2^{\′}=\stackrel{\‾}{I}+I_m\cos \mathrm{\ωt},I_2^{\′}=\stackrel{\‾}{I}-I_m\sin \mathrm{\ωt},I_4^{\′}=\stackrel{\‾}{I}-I_m\cos \mathrm{\ωt},$

其中为光源直流偏置，保证交变光源在整个交变周期内交流信号不发生失真，I_m为光源交流激励的峰值，频率f＝10KHz，角频率ω＝2πf＝2×10⁴π。

在有动盘基体2空间调制的情况下，透过定盘透光面的透光面积(光通量)分别发生周期性的增大和减小，导致光电测头42上获得的光电流I₀也相应的发生周期性的增大和减小。

当动盘基体2相对定盘基体3从图2所示位置开始发生顺时针方向转动时，第一组定盘透光面31的透光面积由最大开始减小，第二组定盘透光面32的透光面积从一半开始增大，第三组定盘透光面33的透光面积由最小开始增大，第四组定盘透光面34的透光面积从一半开始减小。其中，第一组定盘透光面31的透光面积与第三组定盘透光面33的透光面积的变化关系完全相反，第二组定盘透光面32的透光面积与第四组定盘透光面34的透光面积的变化关系完全相反，第二组定盘透光面32的透光面积与第一组定盘透光面31的透光面积的最大值之间互相相差90°空间相位，第三组定盘透光面33的透光面积与第二组定盘透光面32的透光面积的最大值之间互相相差90°空间相位，第四组定盘透光面34的透光面积与第三组定盘透光面33的透光面积的最大值之间互相相差90°空间相位；这样第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面的透光面积呈周期性变化，导致光电测头42上获得的光电流I₀也发生同样的周期性变化，经电流转电压放大电路5转换以及电容C1隔离后得到所需电行波信号U₀，其基波表达式为：

$U_0=K_e{K}_f{I}_m\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\πx}}{W})$

式中：K_e为光强耦合系数，K_f为光电流放大倍数，x为动盘基体与定盘基体之间的相对角位移，W为定盘透光面对应的圆心角，这里取值为5°。

参见图5，获得的电行波信号U₀与一路相位固定的同频参考信号U_r分别接入整形电路，转换为相同频率的两路方波信号后，送入比相电路进行比相处理，利用高频时钟插补技术得到两路信号的相位差，经微处理器计算处理(即计算两个方波信号过零点的时间差)后即可得到动盘基体2相对定盘基体3的角位移值。

实施例2：如图6至图8所示的基于光强正交调制的时栅角位移传感器，其大部分结构以及测量原理与实施例1相同，不同之处在于：第一光源体11、第二光源体12、第三光源体13和第四光源体14都采用的是扇环形的半导体面光源，光电测头42由大小相等的呈扇环形的第一光敏阵列421、第二光敏阵列422、第三光敏阵列423、第四光敏阵列424沿圆周方向依次间隔排列构成，分别同时接收第一组定盘透光面31、第二组定盘透光面32、第三组定盘透光面33、第四组定盘透光面34的光通量，光电测头42上获得的光电流I₀等于第一光敏阵列421上获得的光电流I₁与第二光敏阵列422上获得的光电流I₂与第三光敏阵列423上获得的光电流I₃与第四光敏阵列424上获得的光电流I₄之和，即I₀＝I₁+I₂+I₃+I₄。

Claims (4)

1.一种基于光强正交调制的时栅角位移传感器，包括发光元件(1)、动盘基体(2)、定盘基体(3)和光电探测器(4)，其特征在于：

所述发光元件(1)安装在动盘基体(2)上方，发光元件由大小相等且互不干扰的第一、第二、第三、第四光源体(11、12、13、14)沿圆周方向依次间隔排列构成，第一、第二、第三、第四光源体分别通入频率、幅值相等，相位为0°、90°、180°、270°的正弦激励电信号驱动，形成四组频率、幅值相等，相位相差90°的交变光源，将圆周等分为四个互不干扰的光照区域；

所述动盘基体(2)上设有一圈沿圆周方向均匀间隔分布的呈扇环形的动盘透光面(21)，相邻两个动盘透光面间隔的圆心角等于一个动盘透光面的圆心角；

所述定盘基体(3)平行同轴安装在动盘基体(2)下方，定盘基体(3)上沿圆周方向设有第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面(31、32、33、34)，所述第一组定盘透光面的空间相位为0°，在轴向与第一光源体(11)的光照区域对应，所述第二组定盘透光面的空间相位为90°，在轴向与第二光源体(12)的光照区域对应，所述第三组定盘透光面的空间相位为180°，在轴向与第三光源体(13)的光照区域对应，所述第四组定盘透光面的空间相位为270°，在轴向与第四光源体(14)的光照区域对应；各组定盘透光面的个数相同、大小相等且都呈半正弦形，各组中相邻两个定盘透光面间隔的圆心角等于一个定盘透光面的圆心角，各个定盘透光面的圆心角等于动盘透光面的圆心角，各个定盘透光面的径向高度小于动盘透光面的径向高度；第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面与动盘透光面(21)的对应关系满足：当第一组定盘透光面与动盘透光面完全正对时，第二组定盘透光面相对于动盘透光面错开半个动盘透光面的圆心角，第三组定盘透光面相对于动盘透光面错开一个动盘透光面的圆心角，第四组定盘透光面相对于动盘透光面错开1.5个动盘透光面的圆心角；

所述光电探测器(4)固定安装在定盘基体(3)下方，光电探测器包括测头基体(41)和固定在测头基体上的光电测头(42)，所述光电测头能同时接收到第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面(31、32、33、34)的全部光通量，并转换为电信号输出；

动盘基体相对定盘基体转动，光电测头输出反应第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面光通量变化的电信号，经放大、隔离后转换为电行波信号U₀，该电行波信号U₀与相位固定的同频参考信号U_r分别整形后，由比相电路进行比相，两路信号的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经标度变换得到动盘基体相对定盘基体的角位移值。

2.根据权利要求1所述的基于光强正交调制的时栅角位移传感器，其特征在于：所述第一、第二、第三、第四光源体(11、12、13、14)都采用扇环形的发光二极管阵列或者扇环形的半导体面光源。

3.根据权利要求1或2所述的基于光强正交调制的时栅角位移传感器，其特征在于：所述光电测头(42)为圆环形光电池或者圆环形光敏阵列。

4.根据权利要求1或2所述的基于光强正交调制的时栅角位移传感器，其特征在于：所述光电测头(42)由大小相等的呈扇环形的第一、第二、第三、第四光敏阵列(421、422、423、424)沿圆周方向依次间隔排列构成，分别接收第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面(31、32、33、34)的光通量。