CN110207731A

CN110207731A - 一种新型位置编码器

Info

Publication number: CN110207731A
Application number: CN201910587481.3A
Authority: CN
Inventors: 刘子英; 张靖; 谢瑞
Original assignee: East China Jiaotong University
Current assignee: East China Jiaotong University
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2019-09-06

Abstract

本发明公开了一种新型位置编码器，由旋转轴、轴承、外壳、旋转盘、光学系统、位置探测器、信号处理电路板、信号线组成，通过转动旋转轴带动旋转盘转动，使光学系统转动，光学系统中激光发射器发出的激光束经凸透镜后会就成一个光斑，该光斑入射到位置探测器光敏面，位置探测器探测到激光发射器发来的光斑随着旋转轴移动时，输出端产生相应的光电流信号，该信号通过信号处理电路板处理后得出相应的电压信号，通过信号线向外传输，便于用户接收该信号。

Description

一种新型位置编码器

技术领域

本发明涉及位置编码器领域，尤其涉及一种新型位置编码器。

背景技术

随着科技发展，许多行业对产品的标准也随之提高，需要更高精密度的装配零件。其中编码器是数控系统中使用较为普遍的传感器之一，数控系统为了获得精确的数据信息需要装备高精确度的编码器。尤其在航空、航天、军事、铁路等领域起着非常关键的作用。因此，提高编码器的分辨力和精度对于精密测量技术的发展起着重要的作用。

目前常见的位置编码器有光电编码器、电位器、磁编码器等。其中光电编码器主要利用了莫尔条纹的原理，当主光栅盘转动时，发光装置通过主副光栅会产生莫尔条纹，通过光线接收元件来感知产生的莫尔条纹，再转换为相应的电信号，而该传感器的光栅板上的刻道线导致感光接收原件是非连续性的，在测量非常精密零件时精度较低；电位器是通过电刷在电阻体上滑动来改变输出阻值的大小，是连续变化的过程，但是电刷与电阻体是接触的，两者之间存在机械磨损，容易出现跳点情况，导致输出值精确度不高；磁编码器是由磁敏感元件感应磁场变化来测量角度位置变化的传感器，其中磁敏感元件和处理电路固定不动，磁栅作为转子随系统做定轴转动，磁敏感元件与磁栅发生相对运动，磁敏感元件感受磁栅上不同位置的磁场强度，而磁场强度的变化表现为敏感元件电阻的变化，通过转化处理最终以电压的变化作为输出，从而检测到系统的转动位置和速度等信息。该传感器采用的磁栅是由多个磁极对构成的，磁极对之间有一定的间隙，导致该传感器存在一定的死区。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种新型位置编码器，利用激光束产生的光斑在位置探测器上的不同位置来判断新型位置编码器转动的位置，属于非接触式位置编码器，激光束产生的光斑在位置探测器上移动属于连续性变化，不存在死区，且测量精度较高。

为实现上述目的，本发明提供的一种新型位置编码器是这样实现的：

一种新型位置编码器，包括旋转轴、轴承、外壳、旋转盘、光学系统、位置探测器、信号处理电路板、信号线，轴承固定在外壳的顶部中心，旋转轴安装在轴承上，且不与外壳底部接触，旋转盘、光学系统、位置探测器、信号处理电路板安装在外壳内，其中旋转盘固定在旋转轴上，随旋转轴转动，光学系统安装在旋转盘下方，用于向位置探测器发射光斑，位置探测器安装在信号处理电路板上方，信号处理电路板固定在外壳底部，信号线与信号处理电路板连接，位置探测器探测到光学系统发来的光斑随着旋转轴移动时，输出端产生相应的光电流信号，该信号通过信号处理电路板处理后得出相应的电压信号，通过信号线向外传输，便于用户接收该信号。

本发明的光学系统包括支架、激光发射器、滤光片、凸透镜，支架固定在旋转盘上，激光发射器、滤光片、凸透镜安装在支架中，且滤光片、凸透镜的中心与激光发射器发出的激光处于同一水平线，由滤光片将激光发射器发出的激光进行滤光处理，去除激光发射器发出的杂散光，再通过凸透镜将滤光后的激光光斑汇聚到一点，该光点即为照射到位置探测器上的光斑，以此来增加入射到位置探测器光敏面的光斑重心强度，便于位置探测器将该光斑转换为光电信号。

本发明的信号处理电路板上设有共集放大电路和低通滤波电路，由共集放大电路对位置探测器各引脚上输出的电流进行放大处理，确保信号传输的过程中不会失真，再由低通滤波电路对放大的信号进行滤波处理，去除干扰噪声。

本发明的外壳可以为圆柱形状或长方体形状，采用塑料制成。

本发明的位置探测器采用二维位置探测器。

由于本发明采用激光束产生的光斑在位置探测器上的不同位置来判断新型位置编码器转动的位置的结构，从而可以得到以下有益效果：

1.本发明在采用激光发射器向位置探测器发射光斑，属于非接触式位置编码器，不存在机械磨损问题。

2.本发明的光斑在位置探测器上的移动是连续的，使得测量不存在死区，且检测精度更高。

附图说明

图1为本发明一种新型位置编码器的结构示意图；

图2为本发明一种新型位置编码器的光学系统的结构示意图；

图3为本发明一种新型位置编码器的位置探测器的结构原理图；

图4为本发明一种新型位置编码器的信号处理电路板的电路原理图。

主要元件符号说明。

旋转轴	1	轴承	2
				外壳	3	旋转盘	4
光学系统	5	位置探测器	6
				信号处理电路板	7	信号线	8
支架	9	激光发射器	10
				滤光片	11	凸透镜	12

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1至图4所示为本发明中的一种新型位置编码器，包括旋转轴、轴承、外壳、旋转盘、光学系统、位置探测器、信号处理电路板、信号线。

如图1所示，所述的轴承2固定在外壳3的顶部中心，旋转轴1安装在轴承2上，且不与外壳3底部接触，旋转盘4、光学系统5、位置探测器6、信号处理电路板7安装在外壳3内，其中旋转盘4固定在旋转轴1上，随旋转轴1转动，光学系统5安装在旋转盘4下方，用于向位置探测器6发射光斑，位置探测器6安装在信号处理电路板7上方，信号处理电路板7固定在外壳3底部，信号线8与信号处理电路板7连接，由旋转轴1带动旋转盘4转动，进而带动光学系统5转动，位置探测器6探测到光学系统5发来的光斑随着旋转轴1移动时，输出端产生相应的光电流信号，该信号通过信号处理电路板7处理后得出相应的电压信号，通过信号线8向外传输，便于用户接收该信号。

如图2所示，所述的光学系统5包括支架9、激光发射器10、滤光片11、凸透镜12，支架9固定在旋转盘4上，激光发射器10、滤光片11、凸透镜12安装在支架9中，且滤光片11、凸透镜12的中心与激光发射器10发出的激光处于同一水平线，由滤光片11将激光发射器10发出的激光进行滤光处理，去除激光发射器10发出的杂散光，再通过凸透镜12将滤光后的激光光斑汇聚到一点，该光点即为照射到位置探测器6上的光斑，以此来增加入射到位置探测器6光敏面的光斑重心强度，便于位置探测器6将该光斑转换为光电信号。

如图3所示，所述的位置探测器6采用二维位置探测器，一般是在正方形PIN结构的晶硅基片上设置两对电极，四个电极分别从正方形位置探测器6光敏面的四个对角端引出，光敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变，这种结构的优点是当光斑照射到光敏面的边缘时，光斑位置的测量误差会大大减少。平行于X轴方向标注为X₁、X₂，对应光电流为I_X1、I_X2，平行于Y轴方向标注为Y₁、Y₂，对应光电流为I_Y1、I_Y2。二维位置探测器的总光生电流I₀与X轴方向光电流分量I_X和Y轴方向光电流分量I_Y的关系式为:I₀＝I_X+I_Y，其中I_X＝I_X1+I_X2、I_Y＝I_Y1+I_Y2。由于光生载流子在二维位置探测器感光层种的移动满足欧姆定律，所以入射光斑在二维位置探测器感光面上的位置信息(X,Y)的表达式为：

所述的信号处理电路板7上设有共集放大电路和低通滤波电路，由共集放大电路对位置探测器6各引脚上输出的电流进行放大处理，确保信号传输的过程中不会失真，再由低通滤波电路对放大的信号进行滤波处理，去除干扰噪声。其中位置探测器6各引脚上输出的电流信号输入共集放大电路时，会产生动态的基极电流i_b，该动态电流驮载在静态电流I_BQ上，通过晶体管放大后得到放大后的发射极电流i_e，它的交流分量i_e在发射极电阻R_e上产生的交流电压即为输出电压u₀，采用无限增益多路反馈二阶低通滤波电路对交流电压u₀进行滤波处理，使用户在信号线8上采集到的信号比较精准。

所述的外壳3可以为圆柱形状或长方体形状，采用塑料制成。

如图4所示，所述的共集放大电路和低通滤波电路由第1-24电阻：R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24，第1-8电容：C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8，第1-4晶体三极管T1、T2、T3、T4，第1-4双运算放大器U1、U2、U3、U4，第一电阻R1串联在位置探测器6的电流输出端Y1脚与第一晶体三极管T1的基极之间，第二电阻R2串联在第一晶体三极管T1的发射极与5V稳压电源的GND之间，第三电阻R4与第四电阻R4串联在第一晶体三极管T1的发射极与第一双运算放大器U1的反相输入端2脚之间，第五电阻R5串联在第一双运算放大器U1的同相输入端3脚与5V稳压电源的GND之间，第六电阻R6串联在第三电阻R4、第四电阻R4连接处与第一双运算放大器U1的输出端1脚之间，第一电容C1串联在第三电阻R4、第四电阻R4连接处与5V稳压电源的GND之间，第二电容C2串联在第一双运算放大器U1的反相输入端2脚与输出端1脚之间，位置探测器6的公共极与5V稳压电源的GND连接；

第七电阻R7串联在位置探测器6的电流输出端X2脚与第二晶体三极管T2的基极之间，第八电阻R8串联在第二晶体三极管T2的发射极与5V稳压电源的GND之间，第九电阻R9与第十电阻R10串联在第二晶体三极管T2的发射极与第二双运算放大器U2的反相输入端2脚之间，第十一电阻R11串联在第二双运算放大器U2的同相输入端3脚与5V稳压电源的GND之间，第十二电阻R12串联在第九电阻R9与第十电阻R10连接处与第二双运算放大器U2的输出端1脚之间，第三电容C3串联在第九电阻R9与第十电阻R10连接处与5V稳压电源的GND之间，第四电容C4串联在第二双运算放大器U2的反相输入端2脚与输出端1脚之间；

第十三电阻R13串联在位置探测器6的电流输出端Y2脚与第三晶体三极管T3的基极之间，第十四电阻R14串联在第三晶体三极管T3的发射极与5V稳压电源的GND之间，第十五电阻R15与第十六电阻R16串联在第三晶体三极管T3的发射极与第三双运算放大器U3的反相输入端2脚之间，第十七电阻R17串联在第三双运算放大器U3的同相输入端3脚与5V稳压电源的GND之间，第十八电阻R18串联在第十五电阻R15与第十六电阻R16连接处与第三双运算放大器U3的输出端1脚之间，第五电容C5串联在第十五电阻R15与第十六电阻R16连接处与5V稳压电源的GND之间，第六电容C6串联在第三双运算放大器U3的反相输入端2脚与输出端1脚之间；

第十九电阻R19串联在位置探测器6的电流输出端X1脚与第四晶体三极管T4的基极之间，第二十电阻R20串联在第四晶体三极管T4的发射极与5V稳压电源的GND之间，第二十一电阻R21与第二十二电阻R22串联在第四晶体三极管T4的发射极与第四双运算放大器U4的反相输入端2脚之间，第二十三电阻R23串联在第四双运算放大器U4的同相输入端3脚与5V稳压电源的GND之间，第二十四电阻R24串联在第二十一电阻R21与第二十二电阻R22连接处与第四双运算放大器U4的输出端1脚之间，第七电容C7串联在第二十一电阻R21与第二十二电阻R22连接处与5V稳压电源的GND之间，第八电容C8串联在第四双运算放大器U4的反相输入端2脚与输出端1脚之间。

第1-4晶体三极管T1、T2、T3、T4的集电极与第1-4双运算放大器U1、U2、U3、U4的正极4脚连接在5V稳压电源的VCC上，第1-4双运算放大器U1、U2、U3、U4的负极11脚与5V稳压电源的GND连接。

本发明的工作原理与工作过程如下：

通过转动旋转轴1带动旋转盘4转动，使光学系统5转动，光学系统5中激光发射器10发出的激光束经凸透镜12后会就成一个光斑，该光斑入射到位置探测器6光敏面，位置探测器6探测到激光发射器10发来的光斑随着旋转轴1移动时，输出端产生相应的光电流信号，该信号通过信号处理电路板7处理后得出相应的电压信号，通过信号线8向外传输，便于用户接收该信号。

Claims

1.一种新型位置编码器，其特征在于：包括旋转轴、轴承、外壳、旋转盘、光学系统、位置探测器、信号处理电路板、信号线，轴承固定在外壳的顶部中心，旋转轴安装在轴承上，且不与外壳底部接触，旋转盘、光学系统、位置探测器、信号处理电路板安装在外壳内，其中旋转盘固定在旋转轴上，随旋转轴转动，光学系统安装在旋转盘下方，用于向位置探测器发射光斑，位置探测器安装在信号处理电路板上方，信号处理电路板固定在外壳底部，信号线与信号处理电路板连接，位置探测器探测到光学系统发来的光斑随着旋转轴移动时，输出端产生相应的光电流信号，该信号通过信号处理电路板处理后得出相应的电压信号，通过信号线向外传输，便于用户接收该信号。

2.根据权利要求1所述的新型位置编码器，其特征在于：所述光学系统包括支架、激光发射器、滤光片、凸透镜，支架固定在旋转盘上，激光发射器、滤光片、凸透镜安装在支架中，且滤光片、凸透镜的中心与激光发射器发出的激光处于同一水平线，由滤光片将激光发射器发出的激光进行滤光处理，去除激光发射器发出的杂散光，再通过凸透镜将滤光后的激光光斑汇聚到一点，该光点即为照射到位置探测器上的光斑，以此来增加入射到位置探测器光敏面的光斑重心强度，便于位置探测器将该光斑转换为光电信号。

3.根据权利要求1所述的新型位置编码器，其特征在于：所述信号处理电路板上设有共集放大电路和低通滤波电路，由共集放大电路对位置探测器各引脚上输出的电流进行放大处理，确保信号传输的过程中不会失真，再由低通滤波电路对放大的信号进行滤波处理，去除干扰噪声。

4.根据权利要求3所述的新型位置编码器，其特征在于：所述共集放大电路和低通滤波电路由第1-24电阻：R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24，第1-8电容：C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8，第1-4晶体三极管T1、T2、T3、T4，第1-4双运算放大器U1、U2、U3、U4，第一电阻R1串联在位置探测器的电流输出端Y1脚与第一晶体三极管T1的基极之间，第二电阻R2串联在第一晶体三极管T1的发射极与5V稳压电源的GND之间，第三电阻R4与第四电阻R4串联在第一晶体三极管T1的发射极与第一双运算放大器U1的反相输入端2脚之间，第五电阻R5串联在第一双运算放大器U1的同相输入端3脚与5V稳压电源的GND之间，第六电阻R6串联在第三电阻R4、第四电阻R4连接处与第一双运算放大器U1的输出端1脚之间，第一电容C1串联在第三电阻R4、第四电阻R4连接处与5V稳压电源的GND之间，第二电容C2串联在第一双运算放大器U1的反相输入端2脚与输出端1脚之间，位置探测器的公共极与5V稳压电源的GND连接；

第七电阻R7串联在位置探测器的电流输出端X2脚与第二晶体三极管T2的基极之间，第八电阻R8串联在第二晶体三极管T2的发射极与5V稳压电源的GND之间，第九电阻R9与第十电阻R10串联在第二晶体三极管T2的发射极与第二双运算放大器U2的反相输入端2脚之间，第十一电阻R11串联在第二双运算放大器U2的同相输入端3脚与5V稳压电源的GND之间，第十二电阻R12串联在第九电阻R9与第十电阻R10连接处与第二双运算放大器U2的输出端1脚之间，第三电容C3串联在第九电阻R9与第十电阻R10连接处与5V稳压电源的GND之间，第四电容C4串联在第二双运算放大器U2的反相输入端2脚与输出端1脚之间；

第十三电阻R13串联在位置探测器的电流输出端Y2脚与第三晶体三极管T3的基极之间，第十四电阻R14串联在第三晶体三极管T3的发射极与5V稳压电源的GND之间，第十五电阻R15与第十六电阻R16串联在第三晶体三极管T3的发射极与第三双运算放大器U3的反相输入端2脚之间，第十七电阻R17串联在第三双运算放大器U3的同相输入端3脚与5V稳压电源的GND之间，第十八电阻R18串联在第十五电阻R15与第十六电阻R16连接处与第三双运算放大器U3的输出端1脚之间，第五电容C5串联在第十五电阻R15与第十六电阻R16连接处与5V稳压电源的GND之间，第六电容C6串联在第三双运算放大器U3的反相输入端2脚与输出端1脚之间；

第十九电阻R19串联在位置探测器的电流输出端X1脚与第四晶体三极管T4的基极之间，第二十电阻R20串联在第四晶体三极管T4的发射极与5V稳压电源的GND之间，第二十一电阻R21与第二十二电阻R22串联在第四晶体三极管T4的发射极与第四双运算放大器U4的反相输入端2脚之间，第二十三电阻R23串联在第四双运算放大器U4的同相输入端3脚与5V稳压电源的GND之间，第二十四电阻R24串联在第二十一电阻R21与第二十二电阻R22连接处与第四双运算放大器U4的输出端1脚之间，第七电容C7串联在第二十一电阻R21与第二十二电阻R22连接处与5V稳压电源的GND之间，第八电容C8串联在第四双运算放大器U4的反相输入端2脚与输出端1脚之间。