CN112985475A - 一种光电编码器及其光电转换算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开提供了一种光电编码器及其光电转换算法，属于光电技术领域。所述光电编码器由光源（1）、光学码盘（2）、光电列阵电路组（4）、码盘电路组（5）组成，所述光学码盘（2）的码盘一圈刻1024条码道（3），所述码道（3）分为粗码道和细码道两种，所述码道（3）的中心间隔为245微米，十条相邻码道（3）为唯一编码，一圈有1024种编码即形成10位编码器；所述光电列阵电路组（4）为光电转换器件，码盘电路组（5）实现对光电转换进行算法处理，达到16位编码器水准。本发明提升了生产效率和产品的合格率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电编码器及其光电转换算法，属于光电技术领域。
背景技术
编码器(encoder)是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
绝对式编码器是直接输出数字的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码盘，每条道上有透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区树木是双倍关系，码盘上的码道数是它的二进制数码的位数，如图1所示，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道设有光敏元件，当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。
绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码)，这就称为n位绝对编码器，如图2所示。
这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码，不受停电、干扰的影响，只由光电码盘的机械位置决定。
但是，目前国内采用格雷码编排的光学码道最外圈码道细而短，码道中心间隔小，在实际应用时就会存在一些缺点：
如：传统的光电编码器按格雷码编码，其光学码盘的刻度加工难度比较大，其安装时，需要严格对准接收传感器的像元与光学码盘的码道，码道与接收传感器的光电列阵对齐，见图2，装配调试比较费时费工，经历高温及低温试验后，若接收传感器的安装位置发生偏移，就会导致接收传感器的像元与光学码盘的码道的对准度下降，例如图4为码道与光电列阵上下偏移，图5为码道与光电列阵倾斜偏移，均须重新调整，否则会引起编码器乱码，严重影响产品一次合格率，其效率也极其低下。
发明内容
为克服上述存在的问题，本发明提供了一种降低光电编码器装配调试的要求的光电编码器及其光电转换算法。
本发明技术方案：
本发明公开了一种光电编码器，所述光电编码器前后依次由光源、光学码盘、光电列阵电路组和码盘电路组组成，
所述光学码盘的码盘一圈刻1024条条形码道，所述码道分为粗码道和细码道两种，所述粗码道表示二进制0，所述细码道表示二进制1；
所述码道的中心间隔为245微米，十条相邻码道为唯一编码，一圈有1024种编码即形成10位编码器，其采用 10位二进制，分辨率达到10位；
所述光电列阵电路组为光电转换器件，其图像接收采用CMOS线阵图像传感器S9227，其像元长250微米，像元间距为12.5微米；
相邻码道中心之间占了245/12.5=19.6个像元；
所述光学码盘通过码盘电路组的光电转换算法进行16细分，使编码器的单圈分辨率达到16位，单圈输出信号数据0～65535，形成16位编码器。
进一步地，所述码道的中心直径为80毫米。
进一步地，所述码道长2.6毫米，所述粗码道中心宽164微米，所述细码道中心宽61微米。
本发明还公开了一种光电编码器的光电转换算法，其过程如下：
步骤一、设定基准值X1=175，设定阈值Y2=127，X从135开始递增，当Y大于127时开始累加Y，此时的X设为A，当Y小于127时停止，此时的X设为B，X从A-4至B+4累加Y得到SUM1：
SUM2=SUM1/2；
步骤二、X从A-4开始再次开始累加Y得到SUM3，并每一次累加后与SUM2比较，大于SUM2时停止，此时的X记为J，Y记为Q，将Q四等分并与SUM2-SUM3-Q比较得到四等分的细分值；
步骤三、计算出灰度重心后，计算基准值X1与前一条码道的差值W，并计算两条码道的中心位置的差值Y，最终细分值U=W*64/Y；
步骤四、在原有10位编码器的基础上，其10位二进制左移6位，其低6位与U做或运算，达到16位分辨率即形成16位编码器。
有益效果
本发明采用自定义编码的编码器，码道粗而长，码道中心间隔较大，降低了光学码盘的加工难度，减小了接收传感器安装时对位置的敏感性，从而降低了对光电编码器装配调试的要求，简化了生产流程；结合其光电转换算法，提升了生产效率和产品的合格率。
附图说明
图1为传统的绝对式编码器的原理图；
图2 为现有的格雷码编码的示意图；
图3为图1的码道与光电列阵对齐的示意图；
图4为码道与光电列阵上下偏移的示意图；
图5为码道与光电列阵倾斜偏移的示意图；
图6为本发明一种光电编码器的示意图；
图7为本发明的光学码盘的自定义编码的示意图；
图8为图7的部分码道放大示意图及其读数示意；
图9为本发明光电列阵电路组的输出波形图；
图10为本发明的码道与光电列阵对齐示意图；
图11和图12为码道与光电列阵大致对齐示意图；
其中：光源1
光学码盘2
码道3
光电列阵电路组4
码盘电路组5
光电列阵7。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
本发明为一种光电编码器，其前后依次由光源1、光学码盘2、光电列阵电路组4和码盘电路组5组成，光电列阵电路组4安装在光学码盘2后0.2-0.3毫米的地方，具体还需要根据实际情况调整，如图6所示。该光电编码器采用自定义编码方式，其光学码盘2的码盘一圈刻1024条条形码道3，码道3的中心直径为80毫米。如图7所示，为码盘示意图，图8为其部分码道放大示意图及其读数示意。码道3有粗码道和细码道两种，粗码道表示二进制0，细码道表示二进制1。
码道3长2.6毫米，粗码道中心宽164微米, 细码道中心宽61微米，码道中心间隔为245微米。十条相邻码道3为唯一编码，光学码盘2一圈总共有1024种编码C0～C1023，即形成10位编码器，其采用 10位二进制，分辨率达到10位。
本发明一种光电编码器的光电转换算法，其光电列阵电路组4为光电转换器件，其图像接收主要采用CMOS线阵图像传感器S9227，S9227像元长250微米，像元间距为12.5微米。由于光学码盘2码道中心间隔为245微米，占了245/12.5=19.6个像元，大于16个像元，所以使用光电转换算法可以对光学码盘2进行16细分，所述光学码盘通过码盘电路组5的光电转换算法进行16细分，使编码器的单圈分辨率达到16位，单圈输出信号数据0～65535，形成16位编码器。
本发明一种光电编码器的光电转换算法，其过程如下：
步骤一、设定基准值X1=175，设定阈值Y2=127，X从135开始递增，当Y大于127时开始累加Y，此时的X设为A，当Y小于127时停止，此时的X设为B，X从A-4至B+4累加Y得到SUM1：
SUM2=SUM1/2。
步骤二、X从A-4开始再此开始累加Y得到SUM3，并每一次累加后与SUM2比较，大于SUM2时停止，此时的X记为J，Y记为Q，将Q四等分并与（SUM2-SUM3-Q）比较得到四等分的细分值。
步骤三、计算出灰度重心后，计算基准值X1与前一条码道的差值W，并计算两条码道的中心位置的差值Y，最终细分值U=W*64/Y。
步骤四、在原有10位编码器的基础上，其10位二进制左移6位，其低6位与U做或运算，达到16位分辨率即形成16位编码器。如图9 所示，为其光电列阵电路组的输出波形图，x轴代表图像宽度，y轴代表图像亮度。
有了这个光电转换算法支持，就降低了对光学码盘2的加工要求。
本发明采用自定义编码的编码器，码道粗而长，码道中心间隔较大，减小了光电列阵电路组4安装时对位置的敏感性，光电列阵电路组4安装时只需大致对准即可，见图10，光学码盘2的码道3与光电列阵电路组4的光电列阵7对齐。即使光电编码器在经历高温及低温试验后，其接受传感器6的光电列阵7出现了些微偏移，但码道3与其光电列阵7还是大致对齐的，没有出现乱码的问题，见图11和图12。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种光电编码器，其特征在于，
所述光电编码器前后依次由光源（1）、光学码盘（2）、光电列阵电路组（4）和码盘电路组（5）组成，
所述光学码盘（2）的码盘一圈刻1024条条形码道（3），所述码道（3）分为粗码道和细码道两种，所述粗码道表示二进制0，所述细码道表示二进制1；
所述码道（3）的中心间隔为245微米，十条相邻码道为唯一编码，一圈有1024种编码即形成10位编码器，其采用 10位二进制，分辨率达到10位；
所述光电列阵电路组（4）为光电转换器件，其图像接收采用CMOS线阵图像传感器S9227，其像元长250微米，像元间距为12.5微米；
相邻码道中心之间占了245/12.5=19.6个像元；
所述光学码盘（2）通过码盘电路组（5）的光电转换算法进行16细分，使编码器的单圈分辨率达到16位，单圈输出信号数据0～65535，形成16位编码器。
2.根据权利要求1的光电编码器，其特征在于，所述码道（3）的中心直径为80毫米。
3.根据权利要求1或2的光电编码器，其特征在于，所述码道（3）长2.6毫米，所述粗码道中心宽164微米，所述细码道中心宽61微米。
4.一种光电编码器的光电转换算法的过程如下：
步骤一、设定基准值X1=175，设定阈值Y2=127，X从135开始递增，当Y大于127时开始累加Y，此时的X设为A，当Y小于127时停止，此时的X设为B，X从A-4至B+4累加Y得到SUM1：
SUM2=SUM1/2；
步骤二、X从A-4开始再次开始累加Y得到SUM3，并每一次累加后与SUM2比较，大于SUM2时停止，此时的X记为J，Y记为Q，将Q四等分并与SUM2-SUM3-Q比较得到四等分的细分值；
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步骤四、在原有10位编码器的基础上，其10位二进制左移6位，其低6位与U做或运算，达到16位分辨率即形成16位编码器。
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